초록 ▼

본 연구에서는 해수를 열원으로 하는 열펌프를 개발하여 현장적용 평가를 거쳐서 기술보급을 위한 목적으로 국내의 해수열이용 가능지역을 조사하고, 해수열회수를 위한 열교환기의 재질 선택 및 해수의 전처리장치 등에 대한 기술 조사 분석을 시행하였다. 그리고 해수열이용 고성능 열펌프를 개발하기 위하여 우선 사이클 성능해석을 수행한 후, lab-scale 열펌프를 설계/제작 및 실험하여 사이클 특성 및 성능을 관찰하였다. 이후, 실증용 열펌프 (15HP+15HP)를 설계/제작하여 실증사이트에 설치한 후, 9개월에 걸쳐 현장 성능실험을 수행하였

본 연구에서는 해수를 열원으로 하는 열펌프를 개발하여 현장적용 평가를 거쳐서 기술보급을 위한 목적으로 국내의 해수열이용 가능지역을 조사하고, 해수열회수를 위한 열교환기의 재질 선택 및 해수의 전처리장치 등에 대한 기술 조사 분석을 시행하였다. 그리고 해수열이용 고성능 열펌프를 개발하기 위하여 우선 사이클 성능해석을 수행한 후, lab-scale 열펌프를 설계/제작 및 실험하여 사이클 특성 및 성능을 관찰하였다. 이후, 실증용 열펌프 (15HP+15HP)를 설계/제작하여 실증사이트에 설치한 후, 9개월에 걸쳐 현장 성능실험을 수행하였으며, 운전 특성에 따른 경제성 분석도 실시하였다.
열펌프의 하계 및 동계 운전 조건에 대하여 다양한 냉매 적용시(R134a, R407C, R410A, R7l7, R22) 어떤 냉매가 얼마나 좋은 성능을 갖는지를 사이클 시뮬레이션 방법을 통하여 예측하였으며, 냉방 운전의 경우, 일반 단단 사이클만으로도 충분한 성능을 얻을 수 있다고 판단되나, $60^{\circ}C$ 이상의 온수출력이 필요한 혹한 난방 운전의 경우 압축과정에서의 큰 비가역 손실이 예상되어, 이를 최소화하기 위한 방법으로서 캐스케이드 사이클을 고려하였다. R410A-R134a 실증용 열펌프를 설계/제작하여 실증사이트에 설치한 후, 현장 성능 실험을 수행하였다. 하계기간동안 해수온도가 19.3~$24.5^{\circ}C$인 조건하에서 냉방성능계수는 약 4.3~5.8, 냉방능력은 약 46~60kW로 나타났다. 그리고 단단난방운전 실험결과 해수온도가 $13.4^{\circ}C$인 조건 하에서 난방 공급수 온도가 $50^{\circ}C$일때의 난방성능계수는 약 3.5이었다. 그리고 연간 약 2.88TC의 온실가스저감효과를 얻을 수 있으며, 연간 에너지 사용비 절감액은 5,263천원이며, 투자비회수기간은 10.24년으로 평가되었다.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제 1 절 연구개발의 필요성 ... 19
• 제 2 절 기술의 개요 ... 20
• 제 3 절 연구목표 및 내용 ... 23
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 25
• 제 1 절 국내 기술개발 현황 ... 25
• 1. 국내 해수열이용 현황 ... 25
• 2. 열펌프 사이클 기술 ... 27
• 제 2 절 국외 기술개발 현황 ... 30
• 1. 일본 해수열 이용 현황 ... 30
• 2. 북유럽 해수열 이용 현황 ... 47
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 52
• 제 1 절 국내 해수열이용 가능지역 조사 ... 52
• 1. 해안지역 해수온도 분포 조사 ... 52
• 2. 해수열이용 냉난방 가능지역 조사 ... 54
• 제 2 절 해수열회수 열교환기 ... 59
• 1. 해수 수질 특성 ... 59
• 2. 해수열교환기 재질의 부식 특성 ... 61
• 3. 해수열교환기 전처리장치 및 해수 수송 ... 69
• 제 3 절 해수열이용 열펌프 사이클 성능해석 ... 72
• 제 4 절 열펌프 시스템 요소 설계 및 제작 ... 84
• 1. 열펌프 시스템 사이클 구성 ... 84
• 2. 압축기 선정 ... 86
• 3. 열교환기 설계 ... 89
• 4. 팽창기구 선정 및 시제품 제작 ... 95
• 제 5 절 열펌프 시스템 성능실험 ... 97
• 1. 성능실험 장치 구성 및 제작 ... 97
• 2. 성능실험 결과 및 고찰 ... 106
• 제 6 절 해수이용 열펌프 시스템 현장적용 평가 ... 117
• 1. 현장설치 대상 건물 개요 ... 117
• 2. 해수특성 및 취수방안 ... 118
• 3. 실증용 열펌프 시제품 요소 설계 및 제작 ... 124
• 4. 실증용 열펌프 성능실험 ... 140
• 제 7 절 해수이용 냉난방시스템 운전 특성 및 경제성 평가 ... 160
• 1. 건물의 개요 ... 160
• 2. 건물 모델링 ... 164
• 3. 냉난방 부하 및 소요동력 계산 ... 168
• 4. 경제성 평가 및 분석 ... 178
• 제 8 절 결론 ... 183
• 제 4 장 연구개발결과의 활용계획 ... 185
• 참고문헌 ... 186
• [그림 1-1] 해수 취수 설비 ... 21
• [그림 1-2] 해수열원 냉난방설비 구성방식 ... 21
• [그림 1-3] 개발예상 시스템 개략도 ... 23
• [그림 2-1] 양식장에서 해수열원이용 열펌프시스템 개략도 ... 26
• [그림 2-2] 목욕탕에서 해수열원이용 열펌프시스템 개략도 ... 27
• [그림 2-3] Seaside 모모치 지구의 전경 ... 31
• [그림 2-4] 열원시스템의 개략도 ... 32
• [그림 2-5] 코스모스퀘어 지역열공급 구역 전경 ... 34
• [그림 2-6] 열공급지역 및 ORES 배관라인 ... 35
• [그림 2-7] DHC 에너지 흐름도화 ... 36
• [그림 2-8] 해수 취수구의 네트바 스크린 ... 38
• [그림 2-9] 해수열교환기 ... 39
• [그림 2-10] Sun Port 다카마츠 지구의 열공급지역 전경 ... 41
• [그림 2-11] 열펌프시스템 구성도 (중간기의 예) ... 41
• [그림 2-12] 해수이용의 개념 ... 42
• [그림 2-13] 수취 방수관(시공시) ... 43
• [그림 2-14] 해수열교환기 ... 43
• [그림 2-15] 월별 열수요 ... 43
• [그림 2-16] 최대수요 발생일의 열수요 ... 44
• [그림 2-17] 월별 소비전력과 종합 COP ... 44
• [그림 2-18] 월별 해수온도와 기온 ... 45
• [그림 2-19] 7월의 온도 비교 예 ... 45
• [그림 2-20] 12월의 온도 비교 예 ... 45
• [그림 2-21] 열펌프의 운전모드별 제조열량 ... 46
• [그림 2-22] 해수이용에 의한 열펌프의 효율향상 예 ... 47
• [그림 2-23] Trigeneration 시스템 중 열펌프시스템 ... 48
• [그림 2-24] 열펌프 플랜트 용량 및 사진 ... 50
• [그림 2-25] 열펌프 플랜트 운전 모드 ... 51
• [그림 3-1] 해수온도와 대기온도의 비교 ... 54
• [그림 3-2] 국내 근해의 염분 분포도 ... 61
• [그림 3-3] 해수열원 전처리장치 ... 70
• [그림 3-4] 해수열교환기 역세정 방식 ... 71
• [그림 3-5] HFC 물질 및 혼합물의 운전 영역 ... 73
• [그림 3-6] 상용 자연 냉매의 운전 영역 ... 74
• [그림 3-7] 암모니아(R717) 계열 냉매의 특성 ... 75
• [그림 3-8] 시스템 시뮬레이션 순서도 ... 77
• [그림 3-9] 시스템 시뮬레이션 프로그램 실행화면 ... 78
• [그림 3-10] 압축기 총 요구체적(total displacement) 변화에 따른 $COP_H$ 변화 ... 80
• [그림 3-11] 압축기 총 요구체적 변화에 따른 열교환기 총 요구 UA의 변화 ... 80
• [그림 3-12] R717-R134a 조합의 $COP_H$ ... 81
• [그림 3-13] R717-R134a 조합의 Qeva ... 82
• [그림 3-14] R410A-R134a 조합의 $COP_H$ ... 82
• [그림 3-15] R410A-R134a 조합의 Qeva ... 83
• [그림 3-16] 온수 생산온도 변화에 따른 난방 성능비교 ... 83
• [그림 3-17] Lab-scale 열펌프 시제품 개략도 ... 84
• [그림 3-18] Lab-scale 저단 압축기(R717) 선정 결과 ... 86
• [그림 3-19] Lab-scale 저단 압축기(R717) 도면 및 사진 ... 87
• [그림 3-20] Lab-scale 열펌프 겨울조건 시뮬레이션 결과 ... 88
• [그림 3-21] Lab-scale 고단 압축기 (R134a) 도면 ... 88
• [그림 3-22] Lab-scale 열펌프 증발기 기술사양 ... 91
• [그림 3-23] Lab-scale 열펌프 냉방용 응축기 기술사양 ... 92
• [그림 3-24] Lab-scale 열펌프 난방용 응축기 기술사양 ... 93
• [그림 3-25] Lab-scale 열펌프 난방용 캐스케이드 열교환기 기술사양 ... 94
• [그림 3-26] 전자팽창밸브의 기술 사양 ... 95
• [그림 3-27] 고단 전자팽창밸브 모델 선정 결과 ... 96
• [그림 3-28] Lab-scale 열펌프 시제품 ... 96
• [그림 3-29] Lab-scale 해수열원이용 캐스케이드 열펌프 시스템 개략도 ... 98
• [그림 3-30] Lab-scale 열펌프 성능실험 데이터 취득 시스템 ... 99
• [그림 3-31] VEE 프로그램의 초기화 및 계측데이터 처리 설정 ... 102
• [그림 3-32] 계측 및 반복 처리를 위한 루틴 ... 102
• [그림 3-33] 실험조건선택 및 각 조건에 따른 계산루틴 ... 103
• [그림 3-34] 온도측정 (열전대, 측온저항체) 루틴 ... 103
• [그림 3-35] 압력, 유량, 전력 측정루틴 ... 104
• [그림 3-36] 실험 조건별 계산루틴 ... 104
• [그림 3-37] 냉방(a) 및 난방(b)시의 계산 루틴 ... 105
• [그림 3-38] Raw 데이터 저장 루틴 ... 105
• [그림 3-39] Average 데이터 저장 루틴 ... 106
• [그림 3-40] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 COP 변화 ... 107
• [그림 3-41] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 냉방능력변화 ... 108
• [그림 3-42] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 냉매유량변화 ... 108
• [그림 3-43] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 압축기 토출온도변화 ... 110
• [그림 3-44] 난방운전 시간에 따른 응축 및 증발온도변화 ... 111
• [그림 3-45] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 성능계수 변화 ... 111
• [그림 3-46] 저단압축기 최대부하율과 해수온도에 따른 응축 및 증발온도 변화 ... 112
• [그림 3-47] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 난방능력변화 ... 112
• [그림 3-48] 저단압축기 최대부하율과 해수온도에 따른 저고단압축기의 토출가스온도 변화 ... 113
• [그림 3-49] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 냉매질량유량 ... 113
• [그림 3-50] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 저고단압축기의 토출가스온도 변화 ... 114
• [그림 3-51] 저단압축기 부하율과 해수온도에 따른 소비전력 변화 ... 114
• [그림 3-52] 시간경과에 따른 저단의 고압변화(고단 압축기 선기동) ... 116
• [그림 3-53] 시간경과에 따른 저단의 고압변화(저단 압축기 선기동) ... 116
• [그림 3-54] 현장적용 평가 대상인 건물 및 기계실 ... 118
• [그림 3-55] 해수의 연중온도 분포 ... 119
• [그림 3-56] 해수의 1일 온도 변화 ... 119
• [그림 3-58] 해수 취수 설치 위치 ... 120
• [그림 3-59] 해수 간접 취수 설치 도면 ... 120
• [그림 3-60] 해수 간접 취수 설치 현장 사진 ... 121
• [그림 3-61] 해수 직접 취수 수질분석 자료 ... 122
• [그림 3-62] 해수 간접 취수 수질분석 자료 ... 123
• [그림 3-63] 실증용 열펌프 시제품 개략도 ... 124
• [그림 3-64] 실증용 열펌프 시제품 하계 냉방운전 개략도 ... 125
• [그림 3-65] 실증용 열펌프 시제품 춘추계 난방운전(단단) 개략도 ... 125
• [그림 3-66] 실증용 열펌프 시제품 동계 난방운전(캐스케이드) 개략도 ... 126
• [그림 3-67] 실증용 저단 압축기(R410A) 기술 사양 ... 128
• [그림 3-68] 실증용 저단 압축기(R410A) 도면 ... 129
• [그림 3-69] 실증용 열펌프 겨울조건 시뮬레이션 결과 ... 129
• [그림 3-70] 실증용 고단 압축기(R134a) 도면 ... 130
• [그림 3-71] 실증용 열펌프 증발기 기술 사양 ... 132
• [그림 3-72] 실증용 열펌프 냉방용 응축기 기술 사양 ... 133
• [그림 3-73] 실증용 열펌프 난방용 응축기 기술 사양 ... 134
• [그림 3-74] 실증용 열펌프 난방용 캐스케이드 열교환기 기술 사양 ... 135
• [그림 3-75] 실증용 열펌프 해수열교환기 ... 136
• [그림 3-76] 실증용 열펌프 해수열교환기 설치 개념도 ... 136
• [그림 3-77] 저단 전자팽창밸브 모델 선정 결과 ... 137
• [그림 3-78] 고단 전자팽창밸브 모델 선정 결과 ... 137
• [그림 3-79] 실증용 열펌프 시제품 ... 138
• [그림 3-80] 해수열교환기 및 해수펌프 ... 138
• [그림 3-81] 실증용 열펌프 개략도 ... 139
• [그림 3-82] 실증용 열펌프 성능실험 데이터 취득 시스템 ... 140
• [그림 3-83] Labview에 의한 데이터 수집 화면 ... 141
• [그림 3-84] 계측기와의 TCP/IP 연결 및 측정방법 루틴 ... 143
• [그림 3-85] 온도센서 (Thermocouple, T-type) 측정 루틴 ... 143
• [그림 3-86] 온도센서 (RTD) 측정 루틴 ... 144
• [그림 3-87] 압력, 유량 측정 루틴 ... 144
• [그림 3-88] 전력측정 루틴 ... 145
• [그림 3-89] 포화온도 측정루틴 ... 145
• [그림 3-90] 데이터 저장 루틴 ... 146
• [그림 3-91] 일평균 해수 온도의 기상청 DB 값 및 실측치 ... 147
• [그림 3-92] 실험중 해수 및 대기의 온도 변화 ... 147
• [그림 3-93] 시간 경과에 따른 냉방 공급수(supply) 및 환수(return) 온도 ... 148
• [그림 3-94] 해수온도 변화에 따른 냉방성능계수 변화 ... 149
• [그림 3-95] 해수온도 변화에 따른 냉방능력 변화 ... 149
• [그림 3-96] 일평균 대기온도 및 해수 온도의 기상청 DB 값 및 실측치 ... 150
• [그림 3-97] 시간 경과에 따른 난방 공급수 및 환수 온도 변화(단단난방) ... 151
• [그림 3-98] 시간 경과에 따른 저압 및 고압 변화(단단난방) ... 151
• [그림 3-99] 시간 경과에 따른 포화온도 변화(단단난방) ... 152
• [그림 3-100] 시간 경과에 따른 압축기 입출구 가스온도 변화(단단난방) ... 152
• [그림 3-101] 시간 경과에 따른 난방능력 변화(단단난방) ... 153
• [그림 3-102] 시간 경과에 따른 난방성능계수 변화(단단난방) ... 153
• [그림 3-103] 시간 경과에 따른 난방 공급수 및 환수 온도 변화(단단자동난방) ... 154
• [그림 3-104] 시간 경과에 따른 난방능력 변화(단단자동난방) ... 154
• [그림 3-105] 시간 경과에 따른 난방성능계수 변화(단단자동난방) ... 155
• [그림 3-106] 시간 경과에 따른 난방 공급수 및 환수 온도변화(캐스케이드 자동난방) ... 156
• [그림 3-107] 시간 경과에 따른 저압 및 고압 변화(캐스케이드 자동난방) ... 156
• [그림 3-108] 시간 경과에 따른 포화온도 변화(캐스케이드 자동난방) ... 157
• [그림 3-109] 시간 경과에 따른 압축기 입출구 가스온도 변화(캐스케이드 자동난방) ... 157
• [그림 3-110] 공급수 온도에 따른 난방능력 변화(캐스케이드 자동난방) ... 158
• [그림 3-111] 공급수 온도에 따른 난방성능계수 변화(캐스케이드 자동난방) ... 158
• [그림 3-112] 실증실험 기간동안 해수 유입 유량 및 성능계수 ... 159
• [그림 3-113] 국립 강원대학교 삼척캠퍼스 해양관광레저스포츠센터 전경 ... 160
• [그림 3-114] 시뮬레이션 대상 건물의 각 층별 도면 ... 161
• [그림 3-115] PREBID 기본입력창 ... 164
• [그림 3-116] 공조기가 없는 경우 각 존 별 온도분포 ... 170
• [그림 3-117] 공조기가 없는 경우 각 존 별 습도분포 ... 170
• [그림 3-118] 공조기가 설치된 경우 각 지역별 냉방 및 난방부하 ... 171
• [그림 3-119] 여름과 겨울의 주간 냉난방 부하 ... 174
• [그림 3-120] 겨울과 여름의 해수열원 열펌프 COP ... 176
• [그림 3-121] 냉난방부하 운전시 소요동력 ... 177
• [그림 3-122] 해수열원 열펌프와 패키지에어컨의 COP ... 177
• [그림 3-123] 해수열원 열펌프와 패키지 에어컨 소요동력 ... 178
• [그림 3-124] 월별 에너지 사용비용 ... 182
• [그림 3-125] 투자비회수기간 민감도 ... 182
• [표 1-1] 해수간접이용시스템과 해수직접이용시스템과의 비교 ... 22
• [표 1-2] 연차별 연구목표 및 내용 ... 24
• [표 2-1] 목욕탕에서 해수열원이용 열펌프 적용사례 ... 27
• [표 2-2] Seaslde 모모치지구 열공급 사업의 개요 ... 31
• [표 2-3] 설비 개요 ... 32
• [표 2-4] 미활용에너지의 활용효과 ... 33
• [표 2-5] 환경부하의 저감효과 ... 33
• [표 2-6] 열공급 조건 ... 35
• [표 2-7] 열 수요량 ... 35
• [표 2-8] 주 플랜트의 주요설비 ... 37
• [표 2-9] 해수 플랜트 주요설비 ... 38
• [표 2-10] 헬싱키 해수이용 지역열공급시스템의 이용형태 ... 49
• [표 3-1] 국내 해수온도 분포 ... 53
• [표 3-2] 해수열에너지 이용가능 사이트 조사표(해양대학교 기숙사) ... 56
• [표 3-3] 해수열에너지 이용가능 사이트 조사표(부산경남본부세관) ... 57
• [표 3-4] 해수열에너지 이용가능 사이트 조사표(라마다 플라자 제주호텔) ... 57
• [표 3-5] 해수열에너지 이용가능 사이트 조사표(호텔 아트+거제문화예술회관) ... 58
• [표 3-6] 해수열에너지 이용가능 사이트 조사표(충무마리아나콘도) ... 58
• [표 3-7] 해수의 성분 ... 59
• [표 3-8] 해수열교환기 재료의 내식성과 열전도율 ... 62
• [표 3-9] 관내 방식 전류 도달길이 (편측) ... 64
• [표 3-10] 열교환기 방식 전류밀도(mA/$m^2$) ... 64
• [표 3-11] 아연 양극판의 발생 전류와 수명 ... 65
• [표 3-12] R-22 및 대체 물질의 특성 ... 72
• [표 3-13] 수냉식 냉동기의 냉매효율 비교 ... 74
• [표 3-14] 냉방성능 비교 ... 78
• [표 3-15] Lab-scale 열펌프 시제품 설계 운전조건 ... 85
• [표 3-16] Lab-scale 열펌프 열교환기 설계조건 ... 90
• [표 3-17] Lab-scle 열펌프 성능측정 센서위치 및 종류(계속) ... 100
• [표 3-18] Lab-scale 열펌프 성능 실험조건 ... 106
• [표 3-19] 실증용 열펌프 시제품 설계 운전조건 ... 126
• [표 3-20] 실증용 열펌프 열교환기 설계조건 ... 130
• [표 3-21] 실증용 열펌프 성능측정 센서위치 및 종류 ... 142
• [표 3-22] 시뮬레이션 대상 건물의 각 층별 용도 및 면적 ... 164
• [표 3-23] 벽체와 지붕 재료의 열물성 ... 165
• [표 3-24] 벽체, 지붕과 바닥의 구성요소 ... 166
• [표 3-25] 유리창의 물성치 ... 166
• [표 3-26] 인체로부터의 취득열량 ... 166
• [표 3-27] 환기횟수 n (용적기준) ... 167
• [표 3-28] 조명 발열의 열분배 ... 168
• [표 3-29] 기기들에 의한 취득열량 (단위: W) ... 168
• [표 3-30] 기존 시스템 및 해수열원 열펌프 시스템의 초기 설치비용 ... 179
• [표 3-31] 연간 등유, 전력 사용량 및 사용요금 ... 182