[논문]실내 에너지저장시스템 공조시스템의 열적 거동에 관한 연구

김준영; 최낙삼; 김진택

doi:10.7849/ksnre.2021.2027

실내 에너지저장시스템 공조시스템의 열적 거동에 관한 연구
Thermal Behavior of Air Conditioning System in an Indoor Energy Storage System 원문보기

김준영 (New & Renewable Energy Material Development Center) , 최낙삼 (New & Renewable Energy Material Development Center) , 김진택 (Division of Mechanical System Engineering, Jeonbuk National University)

The energy use is increasing as the quality of human life improves. and research on the efficient use of energy in ESS (Energy Storage System) is ongoing. An air conditioner is required for the efficient use of an ESS, as are data on the distribution of the temperature of the latter based on the capacity of the air conditioner. In the absence of an air conditioner, the battery of the ESS reaches its maximum temperature of 40℃ after 2 h. When an air conditioner is present, the temperature of the battery stabilizes as the capacity of the former increases.

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 건물 내부에 소방법에 의해 설치되는 ESS에서 발열되는 에너지를 공조장치의 유무에 의해 열 유동을 해석해 보고자 한다. 또한 공조장치의 용량에 따른 배터리의 온도 분포를 확인하여 용량에 대한 배터리의 온도 안정화에 대해서 기초 데이터를 확보하여 공조 장치의 선정에 기초 데이터로 활용하고자 한다.
유동을 해석해 보고자 한다. 또한 공조장치의 용량에 따른 배터리의 온도 분포를 확인하여 용량에 대한 배터리의 온도 안정화에 대해서 기초 데이터를 확보하여 공조 장치의 선정에 기초 데이터로 활용하고자 한다.
배터리는 정해진 온도 이상으로 상승하면 운영이 불가능하므로, 동일한 조건에서 공조장치의 가동 없는 상태에서 배터리의 발열에 대해서 살펴보고, 공조장치의 용량을 변화 시켜 배터리와 내부의 공기 유동에 대해서 살펴본다.

제안 방법

내부의 유동은 공기 유동이며, 공조장치의 온도는 20℃로 운영이 된다. 내부 배터리의 온도와 공조 장치에 의한 냉각과 공기 유동을 확인하기 위하여 Fig. 3과 같이 내부를 2개의 단면에서 온도와 유동 분포를 확인해볼 것이다.
공조장치의 냉각 성능이 향상된 대류로 배터리를 대류 냉각하게 된다. 배터리에서의 단면과 공조장치가 설치되어 있는 단면에서 유동과 온도 분포를 살펴보았다.
배터리의 발열에 대한 온도 안정화를 위하여 공조 장치의 용량을 6, 000 W로 설정하여 배터리 가운데 위치에서 공조 장치를 가동하였다. 공조장치는 20℃의 온도로 배터리를 대류 냉각하게 된다.
배터리의 온도 안정화를 위하여 공조장치의 용량을 13, 000 W로 용량을 상승하여 가동하였다. 공조장치의 냉각 성능이 향상된 대류로 배터리를 대류 냉각하게 된다.
배터리의 온도를 파악하기 위하여 비교적 온도가 높게 형성되는 2개의 지점을 선택하여 시간에 대한 온도를 확인해 보았다. Fig.
배터리의 충전과 방전이 반복되면서 배터리 내부의 온도 변화를 살펴보기 위하여 8시간동안 공조장치의 가동이 없는 상황에서 배터리의 발열 상태를 확이하였다. Fig.
본 연구에서는 내부 건물에 소방법을 적용하여 ESS를 설치하고, 배터리의 발열을 공조장치의 유무와 용량 변경에 따른 내부의 온도와 유동 분포를 해석하였다. 내부 배터리의 온도 안정화를 위하여 공조장치의 선택은 필수적이고 적절한 용량 선정을 위하여 해석을 수행하여 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.

대상 데이터

배터리는 적층으로 쌓여 있어서 발생되는 발열이 배터리 밖으로 원활히 방출되지 않고 배터리 사이에서 쌓이게 되고, 이를 냉각하기 위해 건물 내부에는 공조장치를 설치하여 대류 냉각을 하게 된다. 본 연구에 사용되는 공조 장치는 건물 내부의 가운데 벽면에 위치해 있으며, 배터리 내부에서 발생되는 발열이 배터리 케이스에 열전도하게 되고, 배터리 외부에서는 공조장치에 의한 강제 대류로 방열하게 된다.
본 해석에 사용된 물성은 Table 1에서 보여주고 있다. 배터리 케이스의 재질은 steel로 되어 있고, 건물의 벽면은 cement로 되어 있다.

데이터처리

내부 배터리와 공조장치에 의한 유동을 해석하기 위하여 범용 해석 프로그램인 FloTHERM V.9를 사용하였다.^[10]

성능/효과

1) 공조장치의 무작동일 경우에 약 2시간 이후에 배터리의 온도가 40℃ 정도로 상승하고 있음을 보여, ESS 의 원활한 활용을 위해서는 40℃ 도달전인 2시간 이후에는 공조장치의 가동으로 온도 안정화가 필요함을 알았다.
2) 공조장치는 스탠드 형으로 설치를 기준으로 배터리의 가운데 위치에 설치가 유리하며, 위치가 편중될 경우 공조 장치 반대 측면에서 유동이 원활하지 않아 해당 영역의 냉각에 좋지 않은 영향을 미칠 것으로 예상된다. 또한 공조장치의 유동 토출 방향을 조정하여 내부유동이 원활할 수 있는 방향 설정이 필요하다.
6에서 보여주고 있다. 2개의 지점에서 보여 지는 온도 분포는 거의 유사하게 나타나고 있으며, 8시간 지나면 약 71℃로 상승하고 있음을 보이고 있다. 배터리의 시간을 2시간 간격으로 표기하였는데, 2시간이 지나면 40℃까지 상승하고, 이후 2시간이 지나면 약 10℃씩 높아지는 경향을 보이고 있다.
3) 공조장치의 용량에 따라 배터리의 온도 안정화가 영향을 받음을 알 수 있었다. 용량이 6, 000 W일 경우 약 23℃~28℃의 분포를 보이고, 13, 000 W일 경우 약 21℃~22℃의 분포를 보이고 있다.

후속연구

내부의 배터리는 충전과 방전을 반복하면서 배터리 내부의 온도가 올라가게 되고, 배터리의 원활한 운영을 위해서는 공조장치에 의한 배터리 방열이 필요하다. 먼저 공조장치의 냉각이 없는 상태에서 배터리의 발열에 대한 해석을 진행하고, 6, 000 W와 13, 000 W의 공조 장치가 가동될 때 동일한 조건에서 내부 배터리의 발열에 대해서 확인하여 공조장치의 선택 시 적정한 용량을 선택하여 활용할 예정이다. 내부의 유동은 공기 유동이며, 공조장치의 온도는 20℃로 운영이 된다.

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