초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
수열원 특성, 대상 건물 혹은 적용지 특성, 환경영향, 경제성을 고려한 4개의 독립 프로그램으로 구성 후, 통합 플랫폼의 검증 규격화 및 환경적 평가를 진행하여 하나의 수열 에너지 통합 설계 플랫폼 형태로 개발해 최종 사용자가 수월하게 접근 및 사용이 가능한 형태로 완성하는 것이 최종 목표이다.
이에 따라 수열원 히트펌프 시스템 엔지니어링 시공분야 및 히트 펌프, 친환경 냉매, 열교환기 등 기술개발로서 수열 에너지를 활용하여 환경 및 적용처에 따른 차세대 수열 시스템 기술 개

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
수열원 특성, 대상 건물 혹은 적용지 특성, 환경영향, 경제성을 고려한 4개의 독립 프로그램으로 구성 후, 통합 플랫폼의 검증 규격화 및 환경적 평가를 진행하여 하나의 수열 에너지 통합 설계 플랫폼 형태로 개발해 최종 사용자가 수월하게 접근 및 사용이 가능한 형태로 완성하는 것이 최종 목표이다.
이에 따라 수열원 히트펌프 시스템 엔지니어링 시공분야 및 히트 펌프, 친환경 냉매, 열교환기 등 기술개발로서 수열 에너지를 활용하여 환경 및 적용처에 따른 차세대 수열 시스템 기술 개발에 적용할 수 있고, 탄소중립정책과 연계한 이산화탄소 절감 산출, 환경 영향을 고려한 수열 잠재량 및 설치 이격거리 결정, 수열 시스템 최적 비용 산정, 제로에너지 하우스 규격화 등을 바탕으로하여 경제·사회·환경적 측면에서 수열 에너지를 장기적으로 이용하도록 적용할 수 있다.

◼ 전체 내용
① 1차년도 연구내용: 문헌 및 플랫폼 구성요소 수요조사, 통합 플랫폼 구성을 위한 데이터 베이터 구축, 통합 설계 툴의 구성요소 결정, 통합 설계 툴의 구성요소 결정, 지열 및 공기열 에너지 시스템 평가방법 비교
② 2차년도 연구내용: 수열 시스템 세부 모델링 및 툴 개발, 수온 변화 등 하천 환경시스템 모델링 및 툴 개발, LCCP 모델링 및 툴 개발, LCC 모델링 및 툴 개발
③ 3차년도 연구내용: 건물특성별, 열원별, 지역별 전공정 수열 시스템 개발, 집단에너지, 열 네트워크 방식의 전공정 수열 시스템 개발, 개별 프로그램 간 인터페이스 개발, 맞춤형 별 입력데이터의 데이터베이스화
④ 4차년도 연구내용: 개발 통합 설계 플랫폼 활용 환경영향을 고려한 수열 에너지 잠재량 평가기준 마련, 개발 통합 설계 플랫폼 활용한 수열 시스템 이격거리 결정, 제로에너지 건축물 규정 설계 프로그램 적용방안 도출, 통합설계 프로그램의 수열설계 프로그램 표준화 및 사용자 편의성 강화(GUI)

◼ 1차년도
❏ 목표
문헌 및 플랫폼 구성요소 수요조사, 통합 플랫폼 구성을 위한 데이터 베이터 구축, 통합 설계 툴의 구성요소 결정, 지열 및 공기열 에너지 시스템 평가방법 비교
❏ 내용
- 수열 시스템 사례조사 건수 및 통합플랫폼 구성요소에 대한 수요조사 수행 여부
- LCC와 LCCP 산출 방법 조사
- 데이터베이스의 항목개수 및 수집된 데이터의 개수
- 국내 및 국외 평가방법 규격 제시

◼ 2차년도
❏ 목표
수열 시스템 세부 모델링 및 툴 개발, 수온변화 등 하천 환경시스템 모델링 및 툴 개발, LCCP 모델링 및 툴 개발, LCC 모델링 및 툴 개발
❏ 내용
- 실증 시스템과의 성능비교 항목
- 수온예측결과 직접 측정결과와 비교항목
- 실증시스템 에너지소비량 비교 항목
- 실증시스템 운영경비 비교 항목

◼ 3차년도
❏ 목표
건물특성별, 열원별, 지역별 전공정 수열 시스템 개발, 집단에너지, 열 네트워크 방식의 전공정 수열 시스템 개발, 개별 프로그램 간 인터페이스 개발, 맞춤형 별 입력 데이터의 데이터베이스화
❏ 내용
- 실증 시스템과 성능비교
- 수온예측결과 비교
- 실증시스템 소비에너지 비교
- 실증시스템 운영경비 비교
- 건물특성별, 열원별, 지역별 수열 시스템 구축 여부, 집단에너지와 열 네트워크 적용 시 수열 시스템 구축여부
- 건물특성별, 열원별, 지역별, 집단에너지, 열네트워크별에 따른 프로그램 입력데이터의 데이터베이스 구축 여부 및 정확도

◼ 4차년도
❏ 목표
개발 통합 설계 플랫폼 활용 환경영향을 고려한 수열 에너지 잠재량 평가기준 마련, 개발 통합 설계 플랫폼 활용한 수열 시스템 이격거리 결정, 제로에너지 건축물 규정 설계 프로그램 적용방안 도출, 통합설계 프로그램의 수열설계 프로그램 표준화 및 사용자 편의성 강화(GUI)
❏ 내용
-수열이용 실증 시스템과의 성능비교
- 수온예측결과
- 에너지소비량 예측
- 실증시스템 운영경비
- 환경영향 고려 수열 에너지 잠재량 산출여부
- 수열 시스템 용량별, 하천수 특성별 설치 이격거리 제시 여부
- 제로에너지 건축물설계 프로그램 등록 여부
- 입력, 연산, 결과물 도출의 GUI 여부

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
활용계획:
수열 시스템의 통합 설계 플랫폼을 활용하여 수열 시스템의 설치 타당성검토를 기술적, 환경적, 그리고 경제적으로 평가가 가능하도록 하고, 수열 시스템의 설계 및 운영에 활용
○ 지역별, 열원별, 건물 규모별, 열 네트워크, 집단에너지 별 수열 시스템의 설계
- 2차년도 연구를 통해 특정 지역, 열원, 건물규모 별로 수열 시스템 플랫폼이 구축되어 있음. 데이터베이스를 확대하여 국내 전 지역 주거용 상업용, 집단에너지용, 열 네트워크 적용에 따라 수열 에너지 시스템의 설계를 진행예정이고, 이 사항들을 반영하여 개발된 수열 에너지 통합 설계 플랫폼은 해당 조건에 맞춤형으로 설계조건 제공.
○ 수열 에너지 시스템의 설치가 환경에 미치는 영향 검토
- 수열 에너지 시스템이 환경에 미치는 영향으로는 하천 등 수열원의 온도상승 및 온도하강, 본류와 합류 후 온도회복 거리, 기존 공랭식 에너지 시스템 대비 이산화탄소 배출량 저감, 에너지 절감을 통한 발전을 위한 화석연료 절감효과로부터 미세먼지 배출량 저감등의 산출이고, 일부 지역에서 수행된 환경에 미치는 영향 검토를 전국적으로 진행할 예정임.
○ 환경적 영향을 고려한 수열 시스템의 이격거리 결정
- 하천수를 수열 시스템의 열원으로 활용할 경우 수열 에너지 취득 후 본류로 방류되는 물은 난방 활용 시에는 온도가 낮아지고, 냉방 활용 시에는 온도가 상승하게 됨. 다수의 수열 사용처간의 이격거리를 본 개발 프로그램으로 산정할 수 있음.
○ 수열원의 기술적, 환경적, 시장적 잠재량 산정
- 수열 에너지가 신재생에너지로 지정된 후에 이에 대한 정확한 자연적, 기술적, 지역적, 환경적, 시장 잠재량 산출이 필요한 시점임. 기존의 수량과 이용에너지 온도차로 계상한 자연적 잠재량과 달리 기술적, 환경적, 시장 잠재량의 산출에 있어서는 수열 에너지 시스템 전 공정에 대한 정보와 경제적, 환경적 영향을 평가할 수 있어야 함. 본 개발 수열 에너지 통합 플랫폼은 기술적, 지역적, 환경적, 시장 잠재량의 정확한 산출에 있어서 활용됨.
○ 수열 시스템의 설치의 적지 결정
- 수열 시스템의 적용에 있어서는 환경에 영향을 미치지 않는 풍부한 수열원, 설치 지역의 지상 지작물의 형태 미 위치, 수열원 이송을 위한 토목공사, 기존 시스템 대비 경제성 및 친환경성, 법규나 규제의 저촉성 등 많은 제한조건을 검토해야 함. 특히, 개발 수열 에너지 통합 플랫폼은 환경에 영향을 미치지 않는 수열원 현황, 수열원 이송을 위한 토목공사, 기존 시스템 대비 경제성 및 친환경성 등의 적지 결정에 활용될 것으로 판단됨.
○ 수열 시스템의 핵심요소기술 개발 (친환경 히트펌프 및 열교환기, 펌프 등)
- 수열 시스템의 핵심요소 기기인 히트펌프 및 열교환기, 펌프 등의 기술개발에 있어 설계 용량, 성능목표, 운전 방식 등을 통합 설계 플랫폼을 통해 도출. 현재 다부처 사업으로 산업부의 한강유역본부 수열원 히트펌프 시스템 개발에 본 환경부 사업도 적극적으로 참여하여 협업을 진행하고 있음.
○ 수열 시스템의 국외 시장 선점기술 제공
- 현재 캐나다와 네덜란드에서 대규모로 수열을 활용한 건물냉난방 시스템을 확대하고 있는 시점임. 네덜란드와는 대수층을 활용한 수열 에너지 연구개발 및 활용에 대해서 본 연구진과 다부처 사업단과 논의를 진행하고 있음. 이 경우 해외 선진사와 현재 개발 중인 플랫폼을 개선할 수 있고, 이를 통해 향후 국외시장 선점에 기여할 것임.
기대효과:
(1) 기술적 측면
본 연구에서 개발 중인 수열 에너지 통합설계 플랫폼의 사용은 수열원 히트펌프 시스템 엔지니어링 시공분야, 히트펌프, 열교환기, 친환경 냉매 등 핵심 수열 에너지 시스템을 구성하는 핵심 요소기기의 기술개발과 수열 에너지 활용이 환경에 미치는 영향판단 기술, 수열원 히트펌프 적용처에 따른 시스템 적용 기술, 수열 히트펌프 생산 냉난방열과 지역 냉난방열 네트워크 구축 기술개발 등에 컴퓨터 모델링을 통한 정밀 설계 및 최적 운전방안을 제시하여 각 해당기술의 발전을 이루는데 기본 바탕이 될 것임.
○ 수열원 히트펌프 시스템 엔지니어링 시공분야
- 수열 에너지 통합설계 플랫폼이 가장 크게 기술발전에 기여할 수 있는 분야는 수열원 히트펌프 시스템 엔지니어링 시공분야로서 핵심기술로는 수열원 히트펌프 통합시스템 효율 향상 기술, 수열 에너지 활용이 환경에 미치는 영향과 관련한 기술, 수열원 히트펌프 적용처 별 맞춤형 시스템 적용기술, 수열원 히트펌프 통합 시스템 효율 향상 기술은 히트펌프 자체의 성능 향상 이외 전체 시스템의 성능에 영향을 미치는 기술임.
- 수열원의 온도 및 유량 특성에 적합한 히트펌프의 설계, 수열원에서 히트펌프 간의 열교환기 최적설계, 인버터로 운전되는 펌프설계, 에너지 소비를 최소화할 수 있는 시스템제어 기술 등 통합 수열원 히트펌프 설계 기술을 포함함.
○ 히트펌프, 열교환기, 친환경 냉매 등 핵심 기술개발
수열원 에너지 시스템에 있어서 히트펌프를 포함한 요소기기는 수열 에너지 취득과 최적의 활용에 맞추어 기술개발이 이루어져야 함. 따라서 수열 에너지 시스템 통합 플랫폼을 통해 얻을 수 있는 해당 요소기기의 설계조건 및 목표값, 운전조건 등은 이들의 기술개발에 바탕이 될 것으로 기대됨.
○ 수열 에너지 활용이 환경에 미치는 영향 기술
- 수열원에서 온도차를 활용한 후 이에 대한 환경적 영향과 관련한 기술임. 이를 위해 하천 및 댐에 환경적 영향을 주지 않는 히트펌프의 운용 및 설계가 설치 초기단계부터 진행되어야 하고, 환경영향을 평가할 수 있는 전문 프로그램의 개발과 이와 연계된 히트펌프의 설계기술 연구가 수행되어야 함. 특히 열원의 변동성이 큰 하천수의 특성에 맞는 고효율 히트펌프 시스템의 개발이 필요하고 하천수의 수온변화를 통한 이격거리를 산출하고 있는 본 수열 에너지 시스템 통합 플랫폼이 크게 활용될 것으로 판단됨.
○ 수열원 히트펌프 적용처에 따른 시스템 적용 기술
- 대규모 데이터 센터, 상업용 건물, 지역 냉/난방, 기존 열 네트워크 연결 등 다양한 사용처로 수열원 히트펌프 적용 시 적용처에 따른 수열원 히트펌프의 구성과 용량, 설치방법이 달라지는 것에 대한 기술을 의미하고 수열 에너지 시스템 통합 플랫폼이 각각의 적용에 맞춤형으로 개발 중임.
○ 수열 히트펌프 생산 냉난방열과 지역 냉난방열 네트워크 구축 기술개발
- 수열 에너지가 신재생에너지로 편입됨에 따라 기존 신재생 열원들과 연계운전이 필요하며, 지역 냉난방 등 열원과 연계하는 열 네트워크 기술도 개발이 필요함. 대표적인 신재생 열원으로는 계간축열 시스템, 지열원 히트펌프 시스템, 태양열 시스템, 연료전지 시스템 등이 있고, 열 네트워크 기술과 관련해서는 기존 고온수 열 배관과 저온수열배관의 연계운전 및 새로 설치되는 저온수 열 배관과의 연계운전에 대한 기술개발 및 연구가 필요함. 수열 에너지 시스템 통합 플랫폼이 이 목적으로 위해 직접적으로 적용될 수 있음.
(2) 경제·사회·환경적 측면
○ LCC의 정확한 산출을 통한 수열 시스템의 비용 산정: 수열 에너지 시스템의 경우 수백 냉동톤의 규모에서 대형 빌딩 및 집단에너지 공급 등 수천 냉동톤의 규모까지 다양하므로 경제적 측면에서 그 시공 타당성을 검증해보는 것이 반드시 필요함. 본 개발수열 에너지 통합설계 플랫폼은 아래 표에 나타낸 초기투자비 및 운영비를 총 망라하여 정확한 비용을 산정하여 의사결정에 중요한 자료로 활용될 것임.
○ 환경적 영향을 최소화한 수열 시스템 설계 기준 마련
- 수열 시스템의 초기 설계 및 운영에 있어서의 운전최적화를 통해 에너지 소비의 최소화함. 이를 통해 이산화탄소 배출량을 줄이고 미세먼지 배출 절감량을 증대.
- 하천수 모델링을 통한 하천수의 수온 및 하천수 온도회복 거리 등을 계산하고, 이를 통해 수열 시스템 이격거리, 취수 및 배수 조건, 수열 시스템 작동 여부를 결정하여 하천에 미치는 영향을 최소화.
○ 탄소중립정책과 연계한 이산화탄소 절감 산출
수열 시스템을 사용함으로써 발생하는 LCCP(Life Cycle Climate Performance)를 정확히 산출함으로써 향후 탄소중립을 위한 이산화탄소 절감량을 산출하는데 정확한 양을 산출 할 수 있을 것으로 판단됨.

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 최종보고서 ... 4
• 요 약 문 ... 5
• 목차 ... 11
• 표목차 ... 12
• 그림목차 ... 14
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 28
• 가. 연구개발의 목표 ... 28
• 나. 연구개발 개요 ... 28
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 32
• 가. 1차년도 ... 32
• (1) 개발내용 및 범위 ... 32
• 나. 2차년도 ... 60
• (1) 개발내용 및 범위 ... 60
• 다. 3차년도 ... 89
• (1) 개발내용 및 범위 ... 89
• 라. 4차년도 ... 138
• (1) 개발내용 및 범위 ... 138
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 216
• 1) 연구수행 결과 ... 216
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 233
• 4.1 기술적 측면 ... 233
• 4.2 경제·사회적 측면 ... 234
• 4.3 환경적 측면 ... 236
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 239
• 5.1 연구개발결과의 관리계획 ... 239
• 5.2 연구개발결과의 활용 계획 ... 239
• 7. 참고문헌 ... 246
• 끝페이지 ... 326