[논문]온수 급탕 및 난방을 위한 히트 펌프 태양열 시스템의 성능 분석

손진국

doi:10.7836/kses.2018.38.5.049

온수 급탕 및 난방을 위한 히트 펌프 태양열 시스템의 성능 분석
Performance Analysis of Solar Thermal System with Heat Pump for Domestic Hot Water and Space Heating 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.38 no.5, 2018년, pp.49 - 62

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This study aims to analyze the performance of solar thermal system with heat pump for domestic hot water and heat supply. There are four types of system. Systems are categorized based on the existence of a heat pump and the ways of controlling the working fluid circulating from the collector. Working fluid is controlled by either temperature level (categorized as system 1 and 2) or sequential flow (system 3 and 4). Heat balance of the system, the solar fraction, hot water and heating supply rates, and performance of heat pump are analyzed using TRNSYS and TESS component programs. Technical specifications of the main facilities are as follow; the area of the collector to $25m^2$, the volumes of the main tank and the buffer tank to $0.5m^3$ and $0.8m^3$, respectively. Heating capacity of the heat pump in the heating mode is set to 30,000 kJ / hr. Hot water supply set 65 liters per person each day, total heat transfer coefficient of the building to 1,500 kJ / kg.K. Indoor temperature is kept steadily around $22^{\circ}C$. The results are as follows; 6 months average solar fraction of system 1 turns out to be 39%, which is 6.7% higher than system 2 without the heat pump, indicating a 25% increase of solar fraction compared to that of system 2. In addition, the solar fraction of system 1 is 2% higher than that of system 3. Hot water and heating supply rate of system 1 are 93% and 35%, respectively. Considering the heat balance of the system, higher heat efficiency, and solar fraction, as whole, it can be concluded that system 1 is the most suitable system for hot water and heat supply.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of solar thermal system with heat pump
표 Table 1 Technical specification of system components
그림 Fig. 2 TRNSYS simulation studio of system 1
표 Table 2 Operation conditions of temperature difference
그림 Fig. 3 Simulation conditions for hot water and solar radiation
그림 Fig. 4 Simulation results of four systems
표 Table 3 Heat balance of the system 1 for heating periods (unit : MJ)
그림 Fig. 5 System heat balance in the main and buffer storage tank
$Fig. 6 Monthly solar fraction$ 그림 Fig. 6 Monthly solar fraction
그림 Fig. 7 Monthly hot water delivery
그림 Fig. 8 Monthly space heating
그림 Fig. 9 Performance of heat pump(COP)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 태양열 시스템의 문제점으로 지적되는 열에너지 수요와 공급의 불균형과 운전제어에 따른 집열량 감소의 개선책으로 히트펌프를 활용한 태양열 히트펌프 시스템을 제시하고, 시스템의 운전 특성과 성능을 분석하였다. 특히 설비의 구성에 있어 히트펌프와 버퍼탱크의 활용에 따른 시스템의 축열 방식과 히트펌프가 태양열 시스템의 운전 특성에 미치는 영향을 검토하였다.
본 논문에서는 온수급탕 및 난방부하 공급을 위한 태양열 집열 시스템의 활용에너지를 극대화하기 위한 히트펌프 연계형 태양열 시스템을 제안하고 이를 트랜시스 해석을 통해 가능성을 실험한 것으로, 제어 및 시스템 구성 등 전반적으로 대상 시스템과 프로그램 활용을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
한편 난방부하가 가장 필요한 1월과 12월에 난방 공급율은 24%에 불과하여 온수 급탕 공급과는 다르게 보다 큰 난방공급 설비가 필요하다. 히트펌프가 기존의 보조 열원 장치 역할을 수행 할 수 있고 보조 열원 없는 시스템의 가능성을 제시해 준다.

가설 설정

난방부하는 단일 존의 난방 부하를 평가할 수 있도록 건물 총합 열전달율(UA)을 1,500 kJ/h.K로 설정하고, 시간에 따라 건물내에서 취득되는 열량은 없는 것으로 가정하였다. 시뮬레이션 기간 동안 실내 온도는 22℃가 유지되고, 건물 총 열전달율을 기준으로 외기온도에 대하여 실내온도가 일정하게 유지되도록 에너지 공급율(ERC, Energy rate control)제어를 한다.
3(b)와 같은 시간별 사용비율⁸⁾에 따라 공급하는 것으로 하였다. 또한 계절에 따른 온수 사용량은 동일하게 적용하고, 급수 온도는 서울지역 지중 1 m에서의 월평균 평년 온도로 가정하였다.
본 논문에서는 전체적 시스템 관점에서 동일한 온수급탕과 난방 열부하 조건하에서 태양열 히트펌프 시스템에 대한 운전과 성능에 대한 비교 분석을 수행하는 것으로 기상자료, 급수온도, 급탕 및 난방 부하율 등의 외적 인자는 프로그램에서 활용할 수 있는 범위에서 단순화하고, 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 대상지역 서울에 대한 월평균 대기온도, 지중온도, 일사량은 Fig.
일일 온수 급탕량은 1인이 65 Liter를 사용하는 것으로 가정하여 4인 기준, 260 Liter의 급수를 Fig. 3(b)와 같은 시간별 사용비율⁸⁾에 따라 공급하는 것으로 하였다. 또한 계절에 따른 온수 사용량은 동일하게 적용하고, 급수 온도는 서울지역 지중 1 m에서의 월평균 평년 온도로 가정하였다.
시스템의 주요설비에 대한 기술 사양은 Table 1에 제시하였다. 집열기, 축열탱크 등의 설비 용량은 온수급탕과 난방 부하를 감안하여 년평균 30~40% 정도의 열부하를 감당하는 것으로 가정하고, 시스템 설계과정에서 시뮬레이션을 반복적으로 수행하여 설정하였다.

제안 방법

급수는 저온 축열 탱크인 버퍼탱크로 우선적으로 공급되어 직렬로 연결된 메인 탱크로 보내는 간접 공급방식으로 설계하였다. 낮은 온도의 급수가 메인탱크에 미치는 영향이 최소화되도록 하였다.
급수의 공급은 1차로 저온 축열 탱크인 버퍼탱크로 공급하고, 이와 직렬로 연결된 메인 탱크에 2차로 보내는 간접 공급방식으로 낮은 온도의 급수가 메인탱크에 미치는 영향이 최소화 될 수 있도록 하였다. 난방은 메인탱크와 버퍼탱크에서 공급이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
시스템 구성에 있어 버퍼탱크와 히트펌프의 설치는 기존의 단순한 태양열 시스템과 달리 시스템의 작동유체 순환에 있어 축열과 운전 방식에 변화가 가능하다. 따라서 본 논문에서는 히트펌프의 유무와 작동유체의 순환 방식에 따라 시스템 4가지 유형을 구성하여 제시하였다.
으로 하고, 경사각은 열에너지 수요가 많은 동절기 낮은 태양 고도를 반영하여 55°로 높게 설정하였다. 메인 탱크와 버퍼탱크의 용량은 각각 0.5 m³와 0.8 m³으로 선정하고, 버퍼탱크는 저온 영역 축열과 히트펌프 열원 사용을 감안하여 메인탱크보다 60% 큰 용량으로 설정하였다. 탱크는 열교환기가 내장되어 있는 수직 원통형으로 용량에 따라 높이와 직경 비가 1.
본 논문에서는 태양열 에너지 시스템의 동적 시뮬레이션을 위해 개발되어 현재 다양한 분야에 대한 에너지 시스템 분석과 응용해석이 가능한 TRNSYS (Transient System Simulation) 17과 TESS GHP 컴포넌트를 이용하였으며, 시스템1에 대한 시뮬레이션 실행 구성도를 Fig. 2에 나타내었다. 시뮬레이션은 온수급탕과 난방이 주로 이루어지는 11월에서 4월까지 6개월에 대하여 수행하였다.
본 논문의 태양열 히트펌프 시스템은 Fig.1(a)에 나타낸 바와 같이 집열과 축열, 온수 및 난방부하에 필요한 기본 태양열 설비에 히트펌프와 히트펌프 활용을 위한 버퍼탱크가 추가로 구성되었다. 시스템 구성에 있어 버퍼탱크와 히트펌프의 설치는 기존의 단순한 태양열 시스템과 달리 시스템의 작동유체 순환에 있어 축열과 운전 방식에 변화가 가능하다.
시스템에 대한 성능분석은 열성능 평형, 태양열 의존율, 온수급탕부하 공급율, 난방 부하 공급율, 히트펌프 성능의 관점에서 실시하였다. 분석 결과는 히트펌프를 사용한 시스템 1에 대한 열성능 평형 상태를 보다 상세히 나타내었으며, 시스템 유형에 따른 성능 분석은 난방이 필요한 기간 6개월에 대한 결과를 제시하였다.
특히 설비의 구성에 있어 히트펌프와 버퍼탱크의 활용에 따른 시스템의 축열 방식과 히트펌프가 태양열 시스템의 운전 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위해서 시스템의 운전 특성, 열성능 평형, 온수급탕과 난방 부하 대응력 그리고 히트펌프의 성능을 정량적으로 고찰하였다. 분석 도구로는 태양열 에너지 시스템의 동적 시뮬레이션을 위해 개발되어 국·내외적으로 널리 이용되는 TRNSYS 17과 TESS component 프로그램을 사용하였다.
집열기 면적은 25 m2으로 하고, 경사각은 열에너지 수요가 많은 동절기 낮은 태양 고도를 반영하여 55°로 높게 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 태양열 시스템의 문제점으로 지적되는 열에너지 수요와 공급의 불균형과 운전제어에 따른 집열량 감소의 개선책으로 히트펌프를 활용한 태양열 히트펌프 시스템을 제시하고, 시스템의 운전 특성과 성능을 분석하였다. 특히 설비의 구성에 있어 히트펌프와 버퍼탱크의 활용에 따른 시스템의 축열 방식과 히트펌프가 태양열 시스템의 운전 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위해서 시스템의 운전 특성, 열성능 평형, 온수급탕과 난방 부하 대응력 그리고 히트펌프의 성능을 정량적으로 고찰하였다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 시뮬레이션은 온수급탕과 난방이 주로 이루어지는 11월에서 4월까지 6개월에 대하여 수행하였다.

데이터처리

분석 도구로는 태양열 에너지 시스템의 동적 시뮬레이션을 위해 개발되어 국·내외적으로 널리 이용되는 TRNSYS 17과 TESS component 프로그램을 사용하였다.
시스템 유형에 따른 운전 특성을 파악하기 위해 시뮬레이션 기간중 1월 15일부터 30일까지(시뮬레이션 시간 350~744 h) 15일간의 메인탱크와 버퍼탱크 평균온도, 히트펌프 작동, 버퍼탱크의 난방 공급에 대한 시뮬레이션 결과를 Fig. 4에 비교하여 나타내었다.

이론/모형

히트펌프는 Type 927 형식으로 난방 모드에서 30,000 kJ/hr의 난방용량을 갖는 단단의 물 물 열교환 방식으로 운전과 정지는 온도레벨제어(TLC, Temperature level control)를 통해 이루어진다. 난방 모델은 단일 존에 대한 건물에너지 난방부하를 단순화하여 부하에 대응할 수 있는 Type 12a 형식을 사용하였다. 실내온도가 22℃로 유지되도록 하고, 건물 총합 열전달계수는 1,500 kJ/h.

성능/효과

(1) 히트펌프의 유무와 작동유체의 집열 순환 방식에 따라 메인탱크와 버퍼탱크의 온도는 큰 차이를 보이고 있으며, 히트펌프의 운전 시간과 버퍼탱크의 난방 공급도 시스템별 큰 차이가 있는 것으로 나타나고 있어 시스템 구성과 운전이 성능에 많은 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
(2) 히트펌프를 이용한 태양열 시스템 1의 태양열 의존율은 39%로 히트펌프가 없는 시스템 2와 비교할 때 의존율의 경우 6.7% 높아 열성능이 크게 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 또한 집열효율은 6개월 평균 41.
(3) 시스템 3과 4의 태양열 의존율은 각각 37%와 35%이고, 집열 효율은 38.4%와 37.1%로 나타나고 있다. 히트펌프의 유무와 작동유체의 순환 방식이 시스템 열성능에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
(4) 온수급탕 공급율은 히트펌프가 있는 시스템 1과 3의 경우 평균 93%와 90%에 달하고 있다. 도한 히트펌프가 없는 시스템 2와 4의 경우에도 평균 76%와 78.
(5) 한편 시스템 1과 3의 난방부하 공급율은 제어방식과 무관하게 6개월 평균 33%에 달한다. 히트펌프가 없는 시스템 2와 4에 비해 약 10%가 높게 나타나고 있어 히트펌프는 시스템의 성능 향상과 안정적인 온수급탕 및 난방 공급에 매우 중요한 역할을 한다.
(6) 히트펌프의 성능은 시스템 3의 성적계수(COP)가 평균 3.75로 시스템1의 3.15에 비해 우수한 것으로 나타났다. 유동 제어방식의 차이에 의해 시스템3의 버퍼탱크 온도가 시스템 1 보다 높게 유지된 결과이지만 시스템 전체적으로 운전 특성과 온수급탕 및 난방 공급 능력을 감안할 때 시스템 1이 가장 적합한 것으로 판단된다.
태양열 에너지는 높은 온도 영역의 메인탱크보다 낮은 온도를 유지하는 버퍼탱크에 대부분 축열되는 것으로 나타났다. 따라서 히트펌프는 저온 버퍼탱크의 열에너지를 메인탱크에 이동시키고, 온수급탕과 난방 공급에 필요한 열의 70% 이상을 감당하는 것으로 나타났다. 또한 시스템에 저장되는 열에너지의 88%는 난방부하에 사용되고, 주로 메인탱크에 의해 이루어지고 있다.
7% 높아 열성능이 크게 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 또한 집열효율은 6개월 평균 41.2%로 태양열 시스템의 에너지 변환성이 매우 우수하다.
시스템에 대한 성능분석은 열성능 평형, 태양열 의존율, 온수급탕부하 공급율, 난방 부하 공급율, 히트펌프 성능의 관점에서 실시하였다. 분석 결과는 히트펌프를 사용한 시스템 1에 대한 열성능 평형 상태를 보다 상세히 나타내었으며, 시스템 유형에 따른 성능 분석은 난방이 필요한 기간 6개월에 대한 결과를 제시하였다.
6에 비교하였다. 시스템 1의 태양열 의존율은 6개월 평균 39%로 시스템중 열성능이 가장 우수하고, 시스템 2는 32.3%로 가장 낮은 상태이다. 히트펌프를 통해 시스템 성능이 25% 향상됨을 알 수 있다.
시스템 유형별 집열효율은 각각 41.2%, 32.3%, 38.4%, 37.1%로 나타나고 있어 히트펌프의 유무와 작동유체순환 방식에 따라 시스템의 열성능에 큰 차이가 있다는 것을 보여준다. 시스템1의 경우에도 12월과 1월, 2월 태양열 의존율이 30% 이하로 매우 낮고, 3월과 11월은 40% 수준을 나타낸다.
15에 비해 우수한 것으로 나타났다. 유동 제어방식의 차이에 의해 시스템3의 버퍼탱크 온도가 시스템 1 보다 높게 유지된 결과이지만 시스템 전체적으로 운전 특성과 온수급탕 및 난방 공급 능력을 감안할 때 시스템 1이 가장 적합한 것으로 판단된다.
히트펌프의 유무와 유동 제어 방식에 따라 집열기기로부터 두 탱크에 저장되는 열량 Q_g1, Q_g2에 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 집열량(Q_g1 + Q_g2)은 시스템 1이 4,799MJ로 가장 많고, 히트펌프가 없는 시스템 2가 가장 작은 것으로 나타났다. 이는 축열이 메인탱크에서 주로 이루어져 메인탱크와 버퍼탱크의 온도차가 크고 집열 운전 시간이 짧은 결과로 보인다.
태양열 에너지는 높은 온도 영역의 메인탱크보다 낮은 온도를 유지하는 버퍼탱크에 대부분 축열되는 것으로 나타났다. 따라서 히트펌프는 저온 버퍼탱크의 열에너지를 메인탱크에 이동시키고, 온수급탕과 난방 공급에 필요한 열의 70% 이상을 감당하는 것으로 나타났다.
3%로 가장 낮은 상태이다. 히트펌프를 통해 시스템 성능이 25% 향상됨을 알 수 있다. 반면 순차적 유동 방식의 시스템 3과 4의 태양열 의존율은 각각 37%와 35%를 나타낸다.
히트펌프의 유무와 작동유체의 순환 방식에 따라 메인탱크와 버퍼탱크의 평균 온도는 큰 차이가 있으며, 히트펌프의 운전과 버퍼탱크에서의 난방 공급도 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 메인탱크의 온도는 온도제어방식인 시스템 1과 2가 순차적 유동 시스템 3과 4에 비해 높은 반면, 버퍼탱크의 온도는 이와 반대의 현상을 보이고 있다.

후속연구

히트펌프가 없는 시스템의 경우에도 비교적 높은 수준의 온수급탕 공급이 이루어지고 있어 동절기 가정용 온수 급탕 설비로 충분히 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 히트펌프 사용에도 불구하고 보조열량이 공급된 것은 히트펌프 운전 평균온도 50℃와 급탕 온도 55℃의 온도차 5℃에 따른 것으로 보조가열기 없이 설정 온도의 변경만으로 온수급탕 공급이 가능할 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양열 에너지는 무엇인가?	태양열 에너지는 전기를 생산하는 풍력이나 태양광과는 다르게 태양 복사에너지를 직접 열에너지로 변환시켜 이용하는 무공해 에너지원으로 화석연료를 대체하여 환경문제에 능동적으로 대처할 수 있는 무한한 에너지 자원이다.
	태양열 시스템의 축열은 어떻게 이루어지는가?	태양열 시스템의 운전은 태양열 에너지의 축열 유동, 온수 및 난방 공급, 히트펌프 가동을 위한 제어에 의해 이루어지며, Table 2에 각 설비의 온도차 방식의 운전 조건을 나타내었다. 먼저 태양열의 축열은 집열기로부터 가온된 작동유체의 순환에 의하여 이루어진다. 집열기 출구와 버퍼탱크 하단의 온도차 제어 방식에 의해 두 지점의 온도차가 각각 10℃ / 2℃에서 운전(ON)과 정지(OFF)가 이루어진다.
	태양열 시스템의 이점은 무엇인가?	태양열 시스템은 태양으로부터 직접 열을 획득하여 이용하기 때문에 집열 효율이 우수하고, 집열과 축열 그리고 운전에 필요한 설비가 비교적 단순하여 가정용 온수공급뿐만 아니라 난방과 산업 공정열 등 다양한 이용이 가능하다.

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
Sterling, S.J., Collins, M. R., Feasibility Analysis of an Indirect Heat Pump Assisted Solar Domestic Hot Water System, Applied Energy 93, pp. 11-18, 2012.

상세보기
Barnister, C. J., Collins, M. R., Development and Performance of a Dual Tank Solar-assisted Heat Pump System, Applied Energy 149, pp. 125-132, 2015.

상세보기
Philip. F & Danny. P., A Review of Hot Water Draw Porfiles Used in Performance Analysis of Residential Domestic Hot Water Systems, Publication No. FSEC-RR-56-04, Florida Solar Energy Center, July 20, 2004.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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