[논문]열원조건 분석 통한 흡수식 히트펌프 적용 열에너지 네트워크의 에너지 절감 예측

나선익; 이영수; 백영진; 이길봉

doi:10.6110/kjacr.2017.29.5.239

문제 정의

기존 흡수식 냉온수기는 LNG를 직접 연소하여 난방열을 생산하기 때문에 난방효율이 외부 인자들에 의해 크게 변화하지 않는 반면, 흡수식 히트펌프의 난방효율은 열에너지 네트워크에서 서로 연계된 설비들의 운전 패턴과 특성들이 변함에 따라 변동할 수 있으며, 소비하는 연료량도 상이할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실측한 데이터들을 기반으로, 다양한 열원과 부하 조건에 따른 흡수식 히트펌프의 LNG 사용량을 계산하여 알고 있는 흡수식 냉온수기의 LNG 사용량과 비교를 통하여 에너지 저감효과를 보고자 한다.
⁽⁵⁾ 이는 최적의 열에너지 네트워크를 구성하기 위해서는 기술을 적용하고자 하는 커뮤니티에서 생산되고 소비되는 에너지를 정확히 파악하는 것이 중요함을 시사하고 있다. 따라서 본 연구에서는 열에너지 네트워크 기술을 적용하고자 하는 커뮤니티의 실측 데이터를 확보하여 열에너지 공급과 수요패턴을 분석한 후, 이를 기반으로 열에너지 네트워크 구성안을 제시하고 그 구성안의 에너지 절감효과를 살펴보았다.
설비들의 특성을 파악하기 위하여 각 설비에 부착되어 있던 센서들의 아날로그 데이터들을 통합관리 할 필요성이 대두되어, EMS(energy management system)를 구축하고 각 센서들을 디지털 신호로 변환 및 통신하여 통합DB를 만들었다. 또한 웹기반 인터페이스를 개발하여 DB에 축적된 데이터들을 사용자들이 필요에 따라 열람 및 파일형태로 저장이 가능하도록 하였다.

가설 설정

∙시스템 위치에 따른 냉매와 흡수제의 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시한다.
∙시스템의 각 요소기기 및 배관에서 열손실 및 압력손실은 무시한다.
∙시스템의 각 요소기기에서 열역학적 평형(steady)상태이다.
∙팽창장치의 전후 과정은 등엔탈피 과정(isenthalpic process)이다.
∙펌프의 전후 과정은 등엔트로피 과정(isentropic process)이다.
∙흡수제는 응축기와 증발기로 유입되지 않는다.
응축기와 증발기에서 상변화가 일어나는 것을 고려하여, 등 엔탈피 간격으로 나누어 각 부분의 LMTD와 UA를 계산한 후 합산한다. 모델링에서 산출된 UA와 주어진 UA 값을 비교하고, 오차범위 내에 들어올 때까지 Newton-Raphson 방법⁽¹⁶⁾으로 가정 값들을 재가정하고, 위의 계산을 반복한다. 이를 통해 흡수식 히트펌프의 저압, 고압, 농용액과 희용액의 LiBr 농도와 각 열교환기의 열교환량이 결정되고, 식(1)에 의해 흡수식 히트펌프의 성능계수(COP)가 산출된다.
계산 과정은 다음과 같다. 용액과 냉매의 유량, 흡수제의 농도, 고압과 저압 그리고 응축기 냉각수 출구온도 및 증발기 냉수 출구온도를 적정한 값으로 초기 가정을 한다. 그 후 초기 조건하에 주어진 응축기 냉각수 입구 온도와 냉각수 유량을 통해 응축열량을 구하며, 주어진 냉수 입구온도와 냉수 유량을 통해 증발열량을 산출한다.

제안 방법

한편 부하 조건은 겨울철 흡수식 냉온수기가 생산한 난방 열량과 동일하게 흡수식 히트펌프 모델이 생산한다는 조건을 부여하고, 2016년 11월 21일부터 25일까지의 5일간 부하 조건을 선정하였다. 겨울철 흡수식 냉온수기의 생산열량은 급수 및 환수 헤더에 온도센서와 초음파유량계를 설치하여 Fig. 8과 같이 계측한 온도와 유량으로 산출하였으며, 이 때 소비한 LNG는 운전 시작과 종료 시점에 측정하여 일일 누적값으로 계측하였다. 다시 말해, 실측 데이터를 기반으로 앞서 개발한 흡수식 히트펌프의 모델에 적용하는 열원과 부하 패턴은 각각 5개씩 선정하고, Fig.
용액과 냉매의 유량, 흡수제의 농도, 고압과 저압 그리고 응축기 냉각수 출구온도 및 증발기 냉수 출구온도를 적정한 값으로 초기 가정을 한다. 그 후 초기 조건하에 주어진 응축기 냉각수 입구 온도와 냉각수 유량을 통해 응축열량을 구하며, 주어진 냉수 입구온도와 냉수 유량을 통해 증발열량을 산출한다. 응축기와 증발기에서 상변화가 일어나는 것을 고려하여, 등 엔탈피 간격으로 나누어 각 부분의 LMTD와 UA를 계산한 후 합산한다.
다양한 열원과 수요처가 존재하는 대전 소재의 연구원을 열에너지 네트워크 기술 적용 커뮤니티로 선정하고, 해당 커뮤니티에 존재하는 에너지원들에 대한 분석을 선행하였다. 열원설비들의 용량과 연료 종류, 작동 조건 및 특성을 각 건물별로 조사하여 파악하였다.
따라서 Fig. 3과 같이 석탄화력발전소의 배열을 활용하면서 LNG를 연료로 난방열을 생산할 수 있도록 1종 흡수식 히트펌프를 도입한 구성안을 도출하였다. 발전소의 폐열이 부족하거나 난방부하가 클 경우, 기존흡수식 냉온수기를 병렬 구동할 수 있도록 구성하였다.
급으로 다른 열원설비에 비하여 월등히 크다. 따라서 우선적으로 석탄화력발전소에 대해 미활용 에너지 부존량을 산출하였다. 이를 위해 석탄화력발전소 제어를 목적으로 기 설치된 센서들의 값을 EMS로 전송할 수 있도록 통신 작업을 수행하였으며, 터빈 입출구 상태값, 발전량, 복수온도 등 데이터들을 DB에 저장하였고 이를 이용하여 미활용에너지 부존량을 산출하였다.
Yun⁽¹⁰⁾은 선박 엔진의 폐열원을 활용하여 전력을 사용하지 않고 냉방을 할 수 있는 냉각시스템 성능을 분석하였다. 문헌연구를 참고해, 중저온의 미활용에너지를 회수하는 1종 흡수식 히트펌프를 모델링하였다.
3과 같이 석탄화력발전소의 배열을 활용하면서 LNG를 연료로 난방열을 생산할 수 있도록 1종 흡수식 히트펌프를 도입한 구성안을 도출하였다. 발전소의 폐열이 부족하거나 난방부하가 클 경우, 기존흡수식 냉온수기를 병렬 구동할 수 있도록 구성하였다. 흡수식 히트펌프의 구동열원을 Fig.
본 연구는 열에너지 네트워크 실증 연구에 앞서, 해당 커뮤니티의 설비 현황과 실측 데이터를 통해 해당 커뮤니티의 열에너지 네트워크 설계 시 요구되는 조건 두 가지를 도출하였다. 첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 해당 사이트에 풍부하게 존재하는 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다.
첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 해당 사이트에 풍부하게 존재하는 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다. 상기 두 조건을 만족하기 위하여, 기 운영 중인 흡수식 냉온수기를 제안하는 흡수식 히트펌프로 대체하여 난방열을 중앙공급하는 열에너지 네트워크 방안을 도출하였다. 이 방안의 타당성을 가늠하기 위하여, 흡수식 히트펌프의 수치해석 모델을 개발 및 검증하고, 열원 및 부하 조건에 따른 연료(LNG) 절감율을 정적 시뮬레이션을 통해 계산하였다.
2에 나타난 바와 같이, 겨울철 난방기간 동안 첨두부하가 발생하는 것으로 나타났다. 상기 해당 사이트의 전력 및 가스 소비 데이터를 통해 겨울철 난방부하를 흡수식 냉온수기로 모두 감당하지 못하고 EHP나 전열설비를 추가 활용하여, 겨울철 전력첨두부하를 발생하는 것으로 보았다.
설비들의 특성을 파악하기 위하여 각 설비에 부착되어 있던 센서들의 아날로그 데이터들을 통합관리 할 필요성이 대두되어, EMS(energy management system)를 구축하고 각 센서들을 디지털 신호로 변환 및 통신하여 통합DB를 만들었다. 또한 웹기반 인터페이스를 개발하여 DB에 축적된 데이터들을 사용자들이 필요에 따라 열람 및 파일형태로 저장이 가능하도록 하였다.
시스템 시뮬레이션을 위하여 문헌연구^(11~15)를 통하여, 시스템을 이루는 열교환기의 UA값과 유량 값과 같은 입력 조건들 Table 2와 같이 선정하였으며, 질량보존식, 에너지보존식, 물질보존식(species balance)을 적용하여 각 구성요소를 모델링하였다. 시뮬레이션의 단순화를 위하여 다음의 가정을 적용하였다.
열교환기의 열전달계산 시 널리 사용되는 LMTD(log mean temperature difference) 방법은 열교환기를 통과하는 고온과 저온 유체 사이의 지수적인 감소를 반영한 평균 온도차와 정수화된 열전달계수 그리고 전열면적을 곱함으로써 열전달량을 용이하게 산출할 수 있다는 장점이 있다. 실제 상변화가 일어나는 응축기와 증발기의 경우, 열교환기 내부 위치에 따라 온도차나 열전달계수가 달라지므로, 이를 고려하여 응축기와 증발기를 등엔탈피 구간으로 나눠서 계산하였다. 모델링에서 초기값 설정이 중요하므로 참고문헌⁽¹²⁾의 설계조건들을 참조하여, Table 1에 나타난 바와 같이 모델링의 입력 변수로 설정하였다.
앞서 기술한 분석들을 종합하여, 해당 커뮤니티의 열에너지 네트워크 설계 시 요구되는 조건 두 가지를 도출하였다. 첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다.
다양한 열원과 수요처가 존재하는 대전 소재의 연구원을 열에너지 네트워크 기술 적용 커뮤니티로 선정하고, 해당 커뮤니티에 존재하는 에너지원들에 대한 분석을 선행하였다. 열원설비들의 용량과 연료 종류, 작동 조건 및 특성을 각 건물별로 조사하여 파악하였다. 현재 해당 커뮤니티의 열원설비는 Table 1에 나타난 바와 같이 흡수식 냉온수기(ACH), 압축식 히트펌프(EHP), 지열히트펌프(GSHP) 등이 존재한다.
그 후 초기 조건하에 주어진 응축기 냉각수 입구 온도와 냉각수 유량을 통해 응축열량을 구하며, 주어진 냉수 입구온도와 냉수 유량을 통해 증발열량을 산출한다. 응축기와 증발기에서 상변화가 일어나는 것을 고려하여, 등 엔탈피 간격으로 나누어 각 부분의 LMTD와 UA를 계산한 후 합산한다. 모델링에서 산출된 UA와 주어진 UA 값을 비교하고, 오차범위 내에 들어올 때까지 Newton-Raphson 방법⁽¹⁶⁾으로 가정 값들을 재가정하고, 위의 계산을 반복한다.
상기 두 조건을 만족하기 위하여, 기 운영 중인 흡수식 냉온수기를 제안하는 흡수식 히트펌프로 대체하여 난방열을 중앙공급하는 열에너지 네트워크 방안을 도출하였다. 이 방안의 타당성을 가늠하기 위하여, 흡수식 히트펌프의 수치해석 모델을 개발 및 검증하고, 열원 및 부하 조건에 따른 연료(LNG) 절감율을 정적 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 그 결과, 주어진 조건 하에서 LNG 소비량은 65~72% 범위 내에서 절감되는 것으로 나타났다.
이 해석모델을 검증하고자, 참고문헌⁽¹²⁾의 설계조건들을 해당 모델에 동일하게 적용하고 계산한 석탄화력 발전소 복수열원의 온도(T_{E, in})에 따른 흡수식 히트펌프의 COP와 생산열량을 Fig. 5와 같이 참고문헌(12)의 결과와 비교하여 나타내었다. Table 3에 나타낸 특정 온도 조건(T_{E, in} = 38℃)에서 해당 모델의 계산한 상태량과 참고문헌의 값과 비교한 결과, 냉수, 냉각수, 온수 출구온도가 모두 오차율 3% 이내에서 일치하고 COP는 0.
따라서 우선적으로 석탄화력발전소에 대해 미활용 에너지 부존량을 산출하였다. 이를 위해 석탄화력발전소 제어를 목적으로 기 설치된 센서들의 값을 EMS로 전송할 수 있도록 통신 작업을 수행하였으며, 터빈 입출구 상태값, 발전량, 복수온도 등 데이터들을 DB에 저장하였고 이를 이용하여 미활용에너지 부존량을 산출하였다. 해당 석탄화력발전소는 최대연속정격출력(MCR)에 따라 발전량을 조절하며, 이에 따라 발전 복수열량도 상이하였다.
겨울철 첨두부하 전력단가는 봄․가을철 전력단가보다 최대 3배 정도 고가인 점과 전력용량 증설 비용 등 겨울철에 발생하는 첨두부하를 저감할 필요성이 대두되었다. 이를 위해 전열기기 사용을 억제하거나 전기에너지가 아닌 다른 연료로 가동하는 열원설비로 대체 활용하는 열에너지 네트워크 방안을 지향하였다.
해당 사이트에 존재하는 중온(약 35~40℃)의 미활용에너지를 회수하여 60℃ 정도의 난방용 온수를 생산하는 것이 목적으로, 제1종 물-리튬브로마이드(H₂O-LiBr) 흡수식 히트펌프로 선정하고 기본적인 일중효용 시스템을 해석모델로 구축하였다. 제1종 흡수식 히트펌프의 주요 요소는 흡수기, 발생기, 응축기, 증발기, 중간열교환기(SHX, Solution Heat Exchanger)와 같은 열교환기들로써, 석탄화력발전의 복수열을 증발열원으로 활용하는 시스템의 개략도를 Fig.
발전소의 폐열이 부족하거나 난방부하가 클 경우, 기존흡수식 냉온수기를 병렬 구동할 수 있도록 구성하였다. 흡수식 히트펌프의 구동열원을 Fig. 3의 점선으로 표기한 것처럼 발전소의 터빈 중압스팀을 추기해 공급하는 방법도 있으나, 터빈에 공급되는 증기의 유량이 감소분에 비해 전기 출력량은 더 크게 저감되는 단점⁽⁶⁾이 있어, 본 연구에서는 흡수식 히트펌프의 구동열원을 보일러에서 흡수식 히트펌프의 재생기로 공급하는 시스템을 구성하였다.

성능/효과

Table 3에 나타낸 특정 온도 조건(TE, in = 38℃)에서 해당 모델의 계산한 상태량과 참고문헌의 값과 비교한 결과, 냉수, 냉각수, 온수 출구온도가 모두 오차율 3% 이내에서 일치하고 COP는 0.35% 오차율을 보였다.
이 방안의 타당성을 가늠하기 위하여, 흡수식 히트펌프의 수치해석 모델을 개발 및 검증하고, 열원 및 부하 조건에 따른 연료(LNG) 절감율을 정적 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 그 결과, 주어진 조건 하에서 LNG 소비량은 65~72% 범위 내에서 절감되는 것으로 나타났다.
10과 같이 나타내었다. 그 결과, 흡수식 냉온수기를 흡수식 히트펌프로 대체하였을 경우, LNG는 65~72% 범위 내에서 절감되는 것으로 산출되었다.
9에 나타내었다. 열원은 시간에 따라 큰 변화가 없는데 반해 부하는 오전 7~9시에 최대치가 발생하고 시간이 지나면서 줄어드는 패턴을 보였다. 이는 저녁시간 동안 차가워진 공간과 순환수를 승온시키기 위해 연속운전을 하다가, 공급수가 설정온도(50℃) 근처에 다다르면 온오프 제어에 의해 설비의 가동 유무가 결정되기 때문이다.
앞서 기술한 분석들을 종합하여, 해당 커뮤니티의 열에너지 네트워크 설계 시 요구되는 조건 두 가지를 도출하였다. 첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다. 상기 두 가지 조건 중 첫 번째 조건을 만족할 수 있도록, 전력 소비량을 더욱 증가시킬 수 있는 전기히트펌프(EHP)나 전열(電熱)장비는 고려 대상에서 제외하였고, LNG를 연료로 구동하는 설비를 지향하였다.
본 연구는 열에너지 네트워크 실증 연구에 앞서, 해당 커뮤니티의 설비 현황과 실측 데이터를 통해 해당 커뮤니티의 열에너지 네트워크 설계 시 요구되는 조건 두 가지를 도출하였다. 첫째, 전력 소비량을 증가시키지 않고 난방열량을 생산할 수 있어야 한다는 점과 둘째, 해당 사이트에 풍부하게 존재하는 미활용에너지를 적극 활용한다는 점이다. 상기 두 조건을 만족하기 위하여, 기 운영 중인 흡수식 냉온수기를 제안하는 흡수식 히트펌프로 대체하여 난방열을 중앙공급하는 열에너지 네트워크 방안을 도출하였다.

후속연구

이에 따라 우리 정부는 제1차 기후변화대응 기본계획과 2030 국가온실가스 감축 기본로드맵을 확정하며, 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 수준으로 감축목표를 제시하였다. 감축목표를 달성하기 위하여 에너지 자립섬, 친환경에너지 타운, 발전소 온배수열 활용, 수요자원 거래시장 등 에너지 신산업을 적극 육성해 나갈 계획이다.⁽¹⁾ 위와 같은 에너지 신산업에서는 에너지 부하와 공급설비들을 유기적으로 연계하는 기술이 필요하게 된다.
본 연구는 난방부하의 변동에 따른 흡수식 히트펌프의 부분운전은 고려하지 않은 점과 시스템의 운전제어 방법, 열용량, 열손실 등을 고려한 동적 시뮬레이션이 아니라는 점에서 한계를 가진다. 또한 석탄화력발전소 연간 운전율, 냉방운전 등 설비운용 전략과 이에 따른 해석도 추가 연구가 되어야할 것으로 사료된다.
본 연구는 난방부하의 변동에 따른 흡수식 히트펌프의 부분운전은 고려하지 않은 점과 시스템의 운전제어 방법, 열용량, 열손실 등을 고려한 동적 시뮬레이션이 아니라는 점에서 한계를 가진다. 또한 석탄화력발전소 연간 운전율, 냉방운전 등 설비운용 전략과 이에 따른 해석도 추가 연구가 되어야할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제1차 기후변화대응 기본계획과 2030 국가온실가스 감축 기본로드맵의 온실가스 감축 목표는?	기존 교토의정서(Kyoto protocol)는 일부 선진국들만 감축 의무를 가졌지만, 이번 협정에 의해 우리나라도 온실가스 감축 의무를 지게 되었다. 이에 따라 우리 정부는 제1차 기후변화대응 기본계획과 2030 국가온실가스 감축 기본로드맵을 확정하며, 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 수준으로 감축목표를 제시하였다. 감축목표를 달성하기 위하여 에너지 자립섬, 친환경에너지 타운, 발전소 온배수열 활용, 수요자원 거래시장 등 에너지 신산업을 적극 육성해 나갈 계획이다.
	파리협정이 교토의정서와 다른 부분은 무엇인가?	2015년 12월에 프랑스 파리에서 개최된 제21차 유엔 기후변화협약당사국총회에서는 195개 참가국 모두 온실가스 감축활동을 하여 지구 평균기온 상승을 2℃ 이하로 억제하자는 ‘파리협정(Paris Agreement)’를 맺었다. 기존 교토의정서(Kyoto protocol)는 일부 선진국들만 감축 의무를 가졌지만, 이번 협정에 의해 우리나라도 온실가스 감축 의무를 지게 되었다. 이에 따라 우리 정부는 제1차 기후변화대응 기본계획과 2030 국가온실가스 감축 기본로드맵을 확정하며, 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 수준으로 감축목표를 제시하였다.
	파리협정이란?	2015년 12월에 프랑스 파리에서 개최된 제21차 유엔 기후변화협약당사국총회에서는 195개 참가국 모두 온실가스 감축활동을 하여 지구 평균기온 상승을 2℃ 이하로 억제하자는 ‘파리협정(Paris Agreement)’를 맺었다. 기존 교토의정서(Kyoto protocol)는 일부 선진국들만 감축 의무를 가졌지만, 이번 협정에 의해 우리나라도 온실가스 감축 의무를 지게 되었다.

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