KIEAE Journal

태양광열-지열 하이브리드 시스템은 태양열 집열기와 지열 히트펌프를 통해 생산된 열을 이용하여 냉난방 및 급탕을 수행할 수 있으며, 태양광 모듈에서 생산한 전력은 시스템 운전에 이용하거나 역송전을 실시하여 판매가 가능하다. 또한, 태양 에너지와 지중열을 에너지원으로 활용하는 하이브리드 시스템은 하나의 에너지원에 의존하는 개별 시스템의 단점을 보완할 수 있다.

특히, 피크부하 분배에 따른 태양광열 모듈과 지열 히트펌프의 설계용량 감소와 하절기 태양열 집열기를 이용한 급탕운전과 지열 히트펌프를 통한 냉방운전을 동시에 수행할 수 있어 냉·온열이 함께 발생하는 조건에서도 운전이 가능하다.

Fig. 1.은 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 개요도를 나타낸다. 시스템은 태양광열 모듈, 지중열교환기, 히트펌프, 축열조 및 팬코일유닛 등으로 구성되어 있으며 건물 부하조건에 의해 냉난방운전을 수행한다. 다양한 열원의 효율적 이용을 위해 시스템 냉난방 운전은 열원 시스템의 입출구 온도, 축열조 설정온도, 건물 실내온도에 의해 제어된다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of the Geothermal-PVT hybrid system

본 연구에서는 이용된 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 제어로직은 선행연구 [16, 17]에서 개발한 태양광열-지열 융합 시스템의 운전모드를 참고하였다. 또한, 태양광열 성능 해석툴의 신뢰성은 실증실험을 통해 검증하였다 [18, 19].

하이브리드 시스템은 효율적인 열원 이용 및 건물 냉난방 공급을 위한 운전방법이 필수적이다. 따라서 개별 시스템의 효율적 이용과 열원 특성을 고려하여 냉난방운전 및 축열운전으로 구성하였다. 제어로직은 축열조를 이용하는 난방운전과 지열 히트펌프를 이용하는 냉방운전으로 구성하고, 축열운전은 태양광열 모듈과 지열 히트펌프의 두 가지 열원을 활용하도록 구축하였다.

Fig. 2.는 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 운전 알고리즘을 나타낸다. 시스템의 난방운전은 부하모델의 운전기간과 실내온도에 의해서 작동된다. 난방운전의 On/Off는 운전기간 내에서 실내온도가 22℃ 미만으로 떨어지게 되면 축열조를 이용하여 난방운전을 수행하고, 난방운전으로 인해 실내온도가 24℃까지 도달하면 시스템 작동이 정지된다.

Fig. 2. 
Operation algorithm of Geothermal-PVT system

시스템 냉방운전은 태양광열 모듈을 활용하지 못하기 때문에 지열 히트펌프가 건물의 모든 냉방부하에 대응한다. 냉방운전은 난방운전과 동일하게 운전기간과 실내온도에 의해서 제어되며, 실내온도 26℃에서 시스템이 가동하여 24℃에서 정지된다.

한편, 축열운전은 난방운전과 급탕으로 인해 연중 가동되며 활용되는 열원 종류에 따라 태양광열 모듈과 지열 히트펌프 운전으로 구분된다. 태양광열 모듈을 통한 축열운전이 지열 히트펌프 보다 우선적으로 실시되도록 설정하였으며, 태양광열 모듈의 출수온도가 축열조 출수온도 보다 5℃ 높을 경우 태양광열 모듈에 의한 축열운전이 실시된다. 태양광열 모듈을 이용하지 못하는 운전조건에서는 지열 히트펌프를 이용한 축열운전이 수행된다.

본 연구에서는 동적해석이 가능한 TRNSYS 17을 이용하여 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 냉난방 및 축열운전 제어로직을 구축하고, 시스템의 연간 냉난방 성능과 건물 에너지 자립률을 정량적으로 분석하였다. 시스템 연간 냉난방 성능은 태양광열 모듈과 지열 히트펌프 시스템의 월별 생산 열량과 소비전력을 이용하여 산출하였으며, 건물 에너지 자립률은 태양광열 모듈의 생산전력과 시스템 소비전력 분석 결과를 통해 분석하였다.

Fig. 3.은 본 연구에서 이용된 건물 부하해석 모델과 평면도를 나타낸다. 건물 부하해석 모델은 귀농귀촌종합센터에서 제공하고 있는 농촌주택 표준설계도서 [20]의 ‘농림-10-33-다-1’을 참고하여 모델링하였다.

Fig. 3. 
Simulation model and floor plan

Table 1.은 건물 부하해석 모델의 입력조건을 나타낸다. 건물모델은 서울에 위치하는 것으로 가정하여 기상데이터를 입력하였다. 실내 냉난방 설정온도 및 건물 구조체의 열관류율 기준은 국토교통부에서 고시하고 있는 ‘건축물의 에너지절약설계기준’ [21, 22]을 참고하였다.

실내 냉방 설정온도는 26℃, 난방 설정온도는 22℃로 입력하였으며, 건물 구조체의 열관류율은 서울이 포함된 중부2지역의 단열기준으로 설정하였다. 또한, 실내 환기횟수는 국토교통부에서 제공하고 있는 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’ [23]을 참고하여 시간당 0.5회로 설정하였다.

시뮬레이션 운전기간 및 운전시간을 나타낸다. 난방운전기간은 1월~6월, 9월~12월로 총 10개월로 설정하였으며 냉방운전기간은 5월부터 9월까지 산정하였다. 또한, 운전시간은 한국에너지공단에서 제공하고 있는 ‘건축물 에너지효율등급 인증제도 운영규정’ [24]을 참고하여 24시간으로 설정하였다.

내부발열량은 ASHRAE 핸드북과 ISO 7730 [25, 26]을 참고하여 재실자가 실내에서 간단한 문서작업을 할 때 생기는 발열량을 입력하였으며, 재실인원은 4명으로 가정하였다. 조명 및 기기에 대한 발열량은 대한설비공학회에서 제공하고 있는 ‘설비공학 편람’ [27]을 통해 산정하였다.

Table 2.는 TRNSYS 17 시뮬레이션에서 이용된 주요 컴포넌트의 입력조건을 나타낸다. 태양광열 모듈은 Unglazed형으로 높이 1.937m, 너비 0.994m, 두께 0.04m의 모듈 10장을 연결하였다. 집열기(외경:0.0127m, 내경:0.0109m)는 동관재질로 구성되어있으며, 하나의 태양광열 모듈에 21개 설치된다. 또한, 흡열판은 두께 0.0003의 알루미늄 재질로 구성되어 있으며, 태양광 패널의 전력효율은 16.1%, 최대전력 생산량은 290W로 설정하였다. 태양 복사열과 태양광열 모듈 표면의 입사각은 0°, 태양광열 모듈의 기울기는 45°으로 입력하였다.

지중열교환기(외경:0.016m, 내경:0.013m)의 길이는 150m, 보어홀 직경은 0.1016m로 가정하였으며, 토양과 보어홀, 파이프의 열물성 조건은 선행연구 [28]를 참고하여 열전도도 및 열용량, 초기 지중온도 등을 설정하였다. 또한, 히트펌프는 태양광열 모듈과 지중열교환기의 설계용량과 순환수 매체를 고려하여 열용량 10kW 규모의 Water to Water 방식으로 설정하였다.

축열조는 건물의 난방부하와 급탕에 이용되는 소형모델로 용량은 0.5㎥이며, 축열조 유지온도는 50℃로 설정하였다. 또한, 축열조의 On/Off는 차온제어를 통해 작동되며 내부온도가 50℃가 되면 축열운전이 실시되고, 60℃가 되면 정지한다.

팬코일유닛의 공기유량은 정격조건에서 0.3㎥/s이고, 냉난방용량은 12kW, 소비전력은 0.15kW로 입력하였다. 순환펌프는 총 4개로 구성되어 있으며, 순환유량은 1500kg/hr, 소비전력은 0.22kW로 설정하였다.

Table 3.은 시뮬레이션 Case Study 조건을 나타낸다. 본 연구에서는 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 설치용량에 따른 성능변화를 정량적으로 분석하고, 제로에너지빌딩 구현을 위한 시스템 적정 설계용량을 검토하고자 하였다. 따라서 태양광열 모듈 설치면적을 설계변수로 설정하여 설치면적에 따른 에너지 자립률을 분석하였다. Case 1의 태양광열 모듈 설치면적은 모듈 10장을 설치한다고 가정하여 19.25㎡로 설정하였으며 Case 2와 Case 3은 Case 1에서 모듈 개수를 2배, 3배로 증가시켰다.

Fig. 4.는 냉난방 대표일의 피크부하 및 외기온도를 나타낸다. 피크부하는 냉난방 운전기간 동안 외기온도 조건이 가장 열악할 때 확인되었다. 난방 피크부하는 1월 16일(외기온도 -8.8℃), 냉방 피크부하는 8월 17일(외기온도 33.4℃)에 확인되었으며 각각 6.16kW, 2.37kW로 확인되었다. 한편, 난방부하의 합계는 12,576kWh, 냉방부하는 584kWh로 확인되었다.

Fig. 4. 
Peak load of heating and cooling representing day

시뮬레이션 해석결과를 바탕으로 난방 피크부하에 안전율을 고려하여 지열 히트펌프의 용량을 10kW(2.8RT)로 산정하였다. 하이브리드 시스템의 히트펌프 성능을 산출하기 위해 태양열과 히트펌프 시스템을 융합한 IEA Task44 & Annex38(Solar and Heat Pump Systems) [29]의 성능평가 부분을 참고하였다.

지열 히트펌프 성능 평가계수인 SPF(Seasonal Performance Factor)는 냉난방 운전기간 동안 생산된 열량의 합과 발생되는 소비전력의 합의 비를 통해 산출된다(식1).

여기서, SPF_HP는 지열 히트펌프 성능계수, Q는 지열 히트펌프의 생산열량(kW), P는 지열 히트펌프의 소비전력(kW)를 나타낸다.

Fig. 5. 
Heat pump SPF of heating and cooling season

지열 히트펌프 냉난방 성능계수는 9월과 5월에 가장 높았으며 각각 3.85, 4.12로 확인되었다. 반대로 12월과 8월에는 냉난방 성능계수가 가장 낮았으며 각각 3.71, 3.94로 나타났다.

건물의 냉온열 부하에 대응하기 위해 하이브리드 시스템에서 생산된 열량은 대부분 지열 히트펌프가 담당하였으며 이로 인해, 히트펌프 성능이 기존의 지열 단독 이용 시스템과 비교하여 획기적으로 향상되지 않는 것으로 판단된다.

태양광열-지열 하이브리드 시스템의 설계용량에 따른 건물 에너지 자립률을 분석하기 위해 태양광열 모듈의 생산전력 및 소비전력을 산출하였다. 태양광열 모듈의 생산전력은 (식2)를 통해 계산된다.

여기서, P_put는 태양광열 모듈의 생산전력(kW), τα는 태양광열 모듈의 투과율, IAM은 태양광열 모듈 입사각(°) G_t는 전천 일사량(kW/㎡), A_put는 태양광열 모듈의 면적(㎡), η_put는 태양광열 모듈의 전력효율을 나타낸다. 한편, 태양광열 모듈의 생산전력 산출을 위한 모듈의 효율은 (식3~5)에 의해 산출된다.

여기서, η_put는 태양광열 모듈의 전력효율, η_n는 태양광열 모듈의 전력효율 조건, X_t는 태양광열 모듈의 온도함수(1/℃), X_r은 태양 복사함수(h·㎡/kJ), T_put는 태양광열 모듈의 표면온도(℃), G_t는 전천 일사량(kW/㎡)을 나타낸다.

Fig. 6.은 Case 1의 연간 생산전력 및 월별 일사량을 나타낸다. 태양광열 모듈의 생산전력은 4월에 304.7kW로 가장 높게 나타났으며, 12월에 184.0kW로 가장 낮게 확인되었다. 태양광열 모듈의 생산전력은 일사량에 많은 영향을 받은 것을 확인하였다.

Fig. 6. 
Annual power production and radiation of Case 1

7월과 8월에는 동절기 보다 일사량이 높게 확인되었으나, 일사 및 외기온도에 의해 태양광열 모듈의 온도가 상승하여 전력효율이 감소되는 것으로 판단되며 이에 따라, 하절기 모듈의 생산전력이 동절기에 비해 비교적 낮게 생산된 것으로 사료된다.

Fig. 7.은 Case 1의 월별 시스템 생산전력 및 소비전력을 나타낸다. 동절기(1월, 2월, 11월, 12월)의 시스템 소비전력 대비 태양광열 모듈의 생산전력 비율은 최대 35%로 확인되었으며, 일사량이 적고 난방부하가 많은 12월의 생산 및 소비전력 비율은 약 16%로 나타났다. 이에 관해, 동절기에 난방부하가 크기 때문에 태양광열 모듈 설치면적 19.25㎡으로 발생되는 시스템 소비전력을 모두 담당하기 어려운 것으로 확인되었다.

Fig. 7. 
Power production and consumption of Case 1

그러나 하절기(6월, 7월, 8월)에는 냉방부하가 작기 때문에 시스템 소비전력 대비 태양광열 모듈의 생산전력 비율은 최대 178%로 태양광열 모듈의 전력이 초과 생산되었다. 또한, 태양광열 모듈 설치면적 20㎡으로 하절기 동안 냉방부하에 대응하기 위해 발생되는 시스템 소비전력을 모두 담당할 수 있었다.

주거용 건축물을 대상으로 제로에너지빌딩 구현을 위해 태양광열-지열 하이브리드 시스템의 성능을 분석하고, 시스템 소비전력 대비 태양광열 모듈의 생산전력의 산출결과를 이용하여 적정 설치면적을 제안하고자 하였다.

따라서 본 연구에서는 한국에너지공단에서 제공하고 있는 제로에너지건축물의 인증등급 [30]을 참고하여 태양광열 모듈 설치면적에 따른 에너지 자립률 산출결과를 바탕으로 제로에너지건축물 등급을 산정하였다. 그러나 플러그 부하, 조명전력 부하 등 건축물의 에너지 이용에 대한 실시간 데이터가 부족하여 모든 에너지 소비패턴을 고려한 에너지 자립률 분석에는 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 건축물 냉난방 에너지 사용에 대한 에너지 자립률을 평가하였다.

Table 4.는 제로에너지건축물 인증등급을 나타낸다. 제로에너지건축물 인증등급은 건축물 에너지 자립률에 따라 ZEB 1부터 ZEB 5까지 5가지 등급으로 구분되며, ZEB 5등급의 에너지 자립률은 20%이상 40%미만, ZEB 1등급은 에너지 자립률 100%이상으로 정의하고 있다.

건축물 에너지 자립률은 건물 냉난방 부하에 대응하기 위해 이용된 총 에너지 소비량 대비 외부 에너지 공급량을 통해서 계산된다 [31]. 본 연구에서는 총 에너지 소비량을 시스템의 소비전력의 합계, 외부 에너지 공급량을 태양광열 모듈의 생산전력 합계로 설정하여 건축물 에너지 자립률을 계산하였다. 건축물 에너지 자립률은 (식6)을 통해 산출된다.

여기서, E는 건축물 에너지 자립률(%), P_put는 태양광열 모듈의 생산전력(kW), C_sys는 시스템의 소비전력(kW)을 나타낸다.

Fig. 8.은 Case 1(태양광열 모듈 설치면적 20㎡)의 에너지 자립률 및 소비전력을 나타낸다. 소비전력 합계는 4,964kW, 태양광열 모듈의 생산전력 합계는 2,898kW로 확인되었다.

Fig. 8. 
Independent Ratio and Power Consumption of Case 1

Case 1의 연간 에너지 자립률은 44.%로 산출되었다. 이에 따라, 태양광열 모듈 설치면적 19.25㎡으로 시스템 전체 소비전력에 대응하기 어려운 것으로 확인되었다. 그러나, 5월부터 9월까지는 시스템에서 소비되는 전력 보다 태양광열 모듈에서 생산되는 전력이 많았으며, 시스템 소비전력 대비 생산전력이 각각 134%, 178%, 143%, 103%로 확인되었다.

Fig. 9.와 Fig. 10.은 Case 2(태양광열 모듈 설치면적 38.51㎡) 및 Case 3(태양광열 모듈 설치면적 57.76㎡)의 건축물 에너지 자립률 및 소비전력을 나타낸다. Case 2와 Case 3의 연간 에너지 자립률은 각각 89.8%, 135.0%로 확인되었다.

Fig. 9. 
Independent Ratio and Power Consumption of Case 2

Fig. 10. 
Independent Ratio and Power Consumption of Case 3

Case 2와 Case 3의 에너지 자립률 변화는 Case 1과 유사한 양상을 나타냈으며, 모든 Case에서 하절기에 에너지 자립률이 높게 확인되었다. 이는, 태양광열 모듈이 생산하는 열량이 크고 건물의 냉난방 부하가 다른 날 보다 작기 때문에 이러한 5월부터 9월까지의 에너지 자립률이 높은 것으로 사료된다.