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문제 정의
- 일례로 광역상수 열원을 이용하는 제2롯데월드의 경우 원수의 열원을 이용하므로 원수에 포함된 불순물 및 부유물이 상당히 많다. 이를 해결하기 위하여 스트레이너의 오염물질이 쌓이면 자동으로 스트레이너의 오염물을 배출하는 오토스트레이너와 열교환기 세척 주기를 연장하기 위한 역세장치가 그 것이다.
제안 방법
- 후)운전방식의">운전 방식의 차이가 많이 발생하는 등의 문제가 있어 여러 가지 방안을 고민하고 자문을 받았다. 그때 제안되었던 첫 번째 방식은 개방형 냉각탑을 적용하고 지중열교환기 배관과 개방형 냉각탑 사이에 열교환기를 적용하는 것이다. 이 방법은 개방형 냉각탑의 적용으로 냉각수 배관 및 열교환기에 이물질로 인한 오염이 발생할 수 있으며, 이로 인한 산출된 지중열교환기 개수를 바탕으로 천공배치를 수행하였으며, 이때 조경, 토목, 건축과 면밀한 검토를 통하여 간섭 및 교차구간을 최대한 우회하였다. 이와 함께 트랜치 배관의 설계도 수행하였다.
- 시공을 완료한 2010년 8월부터 1개월간 성능검사를 실시하였다. 성능검사는 부하측의 순환수 유량과 온도를 측정하여 열량을 계산하고 히트펌프의 전압 및 전류를 측정하여 소비동력을 계산해 최종적으로 시스템 COP를 계산하는 방식으로 이루어졌다. 유량은 전자식 유량계를 이용하였고 온도는 PT 100Ω RTD센서를 이용하였으며, 전압 및 전류는 CW240을 이용하였다.
- 시공을 완료한 2010년 8월부터 1개월간 성능검사를 실시하였다. 성능검사는 부하측의 유량은 전자식 유량계를 이용하였고 온도는 PT 100Ω RTD센서를 이용하였으며, 전압 및 전류는 CW240을 이용하였다. 시스템 COP는 생산열량을 히트펌프의 소비동력으로 나누어 산출하였다. ">연결되어있다. 이러한 배관의 복잡성 때문에 서브 헤더 및 메인 헤더의 적절한 연결과 유량 및 열량 밸런스를 위한 하이브리드 열원의 병렬연결로 이를 해결하였다.
- 이산화탄소 배출량은 운전비 계산을 위하여 집계된 에너지사용량을 기준으로 계산하였다. 계산 결과 흡수식 냉온수기는 909 tCO2를 산출된 지중열교환기 개수를 바탕으로 천공배치를 수행하였으며, 이때 조경, 토목, 건축과 면밀한 검토를 통하여 간섭 및 교차구간을 최대한 우회하였다. 이와 함께 트랜치 배관의 설계도 수행하였다. 후)한 가지의">한가지의 열원에 국한된 것이 아니라 원수, 배수, 폐수, 해수, 강물, 냉각탑 등 다양한 열원과 시스템 변경 없이 연결할 수 있다. 초기 부산대병원에 적용 시 하이브리드 열원으로 냉각탑만을 적용하였으나 제2롯데월드를 설계하면서 다양한 열원을 연결할 수 있는 방법을 고안하였다. 다양한 열원의 적용은 냉각탑 대신 열교환기를 이용하여 간단히 해결되는 부분이나 열원의 특성에 따라 열교환기로 인입하기 전에 순환수의 타당성 검토는 기존 계획되어있던 흡수식 냉온수기와 일반적인 지열시스템, 지열 하이브리드 시스템의 초기투자비와 운전비 검토를 통하여 이루어졌으며, 이를 이용하여 배출되는 이산화탄소 절감량을 산출하였다. 후)트랜치 배관은">트랜치배관은 유량분배 균일화를 위하여 리버스리턴 배관방식을 적용하였으며, 옥외에 맨홀을 설치하여 2차적으로 유량분배 균일화를 돕도록 설계하였다.
- 후)지중 열교환기">지중열교환기 배관과 하이브리드 열원을 어떻게 연결할 것인지가 또 하나의 관건이었다. 하이브리드 열원을 지열순환수 공급, 환수 배관에 연결하게 되면 지열 순환펌프에서 공급하는 지열 순환수가 냉각수 펌프의 가동에 의하여 냉각탑쪽으로 모두 유입될 가능성이 있어 환수배관에 냉각수 공급, 환수배관을 모두 연결하여 Primary-Secondary 펌프 시스템을 구성하여 히트펌프에서 지중으로 공급되는 온수를 1차적으로 냉각시켜 효율을 향상시키는 쪽으로 방향을 잡았다.
대상 데이터
- 우선 설계를 위하여 2006년 3월에서 6월까지 3개월간 정보수집을 수행하였다. 정보수집 결과 국내의 일반적인 사무실 건물의 유량은 전자식 유량계를 이용하였고 온도는 PT 100Ω RTD센서를 이용하였으며, 전압 및 전류는 CW240을 이용하였다.
이론/모형
- 본 기술은 당사가 2006년부터 설계를 한 부산대병원에 적용하기로 계획하고 ISO 9001규정을 통하여 진행하였다.
성능/효과
- 후)지열 하이브리드">지열하이브리드 시스템”은 40,000 kw(≒11,400 RT)를 보급할 계획이다. 40,000 kw의 지열시스템 설치비용은 신재생에너지원별 기준단가(지열: 126만원/kw)를 기준으로 약 500억원이 소요되며, 1-3항에서 언급한 타당성 검토 자료의 초기 투자비 감소비율(지열 냉난방 시스템 VS 고효율 지열 하이브리드 시스템) 18%를 절감하면 약 90억원의 초기투자비를 절감할 수 있다.
- 후)검토 결과">검토결과 초기투자비는 흡수식 냉온수기 대비 지열시스템은 2.8배, 지열 하이브리드 시스템은 2.3배 높았다. 이는 높은 지중열교환기 설치비에 기인했다.
- 후)에너지 사용량을">에너지사용량을 기준으로 계산하였다. 계산 결과 흡수식 냉온수기는 909 tCO2를 지열시스템은 489 tCO2, 지열 하이브리드 시스템은 494 tCO2의 이산화탄소를 배출하였다.
- 후)효율 저하">효율저하 및 유지관리의 어려움이 발견되었다. 또한 하이브리드 열원을 위하여 2대의 펌프(냉각수 펌프, 열교환기용 펌프)가 운전해야 하므로 운전비 증가 및 고장요소의 증가를 초래할 수 있을 것으로 나타났다. 두 번째 방식은 밀폐형 냉각탑을 지중열교환기 배관에 직접 연결하는 방식이다.
- 후)산출 결과">산출결과 평균 시스템 COP는 5.48로 나타났다.
- 위의 타당성 검토결과 운전비 및 배출되는 이산화탄소를 대폭 절감할 수 있는 지열시스템을 적용하는 것이 좋으나 초기투자비 상승을 최소화함과 동시에 초기투자비 회수기간을 줄일 수 있는 지열 하이브리드 시스템적용이 소비자에게 더욱 유리할 것으로 판단하였다.
- 후)지중 온도는">지중온도는 지속적으로 변화하게 된다. 이러한 지중열교환기는 냉난방 부하에 따라서 온도의 변화가 발생되며, 냉방부하와 난방부하가 균형을 이루지 못하면 지중열교환기의 온도가 점차 증가되거나 감소하여 시스템 효율이 낮아지거나 최악의 경우 지열시스템이 가동되지 않는 상황이 초래되는 것으로 확인되었다.
- 후)가스 값에">가스값에 기인하였다. 이를 통해 초기투자비 회수기간을 확인한 결과 지열시스템은 6.7년, 지열 하이브리드 시스템은 4.8년의 초기투자비 회수기간을 도출하였다.
- 우선 설계를 위하여 2006년 3월에서 6월까지 3개월간 정보수집을 수행하였다. 정보수집 결과 국내의 일반적인 사무실 건물의 냉방부하는 난방부하대비 약 30%가 높았으며, 지열시스템의 경우 대부분 냉방부하를 기준으로 지중열교환기를 설치하고 있었다. 이로 인해 혹서기를 제외한 연중 80% 이상의 기간 동안 30%의 지중열교환기는 자신의 역할을 수행하지 못했다.
- 이는 높은 지중열교환기 설치비에 기인했다. 지열 하이브리드 시스템은 지중열교환기 설치비용은 감소하지만 냉각탑 설치 비용이 추가되어 지열시스템보다 0.5배의 초기투자비를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 운전비는 흡수식 냉온수기 대비 상세설계는 지중열교환기 설계부터 시작된다. 지중열교환기는 지중열교환기 설계프로그램(GLD, Ground Loop Design)을 통하여 산출되며, 정보수집을 통하여 얻어진 데이터를 이용해 계산한 결과 150m 깊이 84공의 지중열교환기 개수를 산출하였다.
후속연구
- 또한 앞서 언급한 바와 같이 기존 지열시스템과 비교하여도 372 TOE, 761 tCO2를 절감할 수 있으니 에너지 측면에서 많은 이득을 얻는다 하겠다.
- 후)사용하는 데">사용하는데 다소 어려움이 있다. 이러한 열원의 밀도를 높이는 기술들이 발전한다면 해당 시스템의 활용도는 더욱 높아질 것이다.
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