온배수 활용을 위한 온실 난방 시설의 에너지 평가

1. 열원기기의 모델

온배수, 해수, 하천수, 하수처리수와 같은 저온의 온도차 에너지는 직접에너지원으로 이용하기 곤란하여 통상 히트펌프가 필요하다. 에너지 절약성을 파악하기 위하여서는 기기의 특성파악이 절대적인 요소이다. 부존량이나 이용 가능량의 계산에서 온도에 따른 COP는 평균값을 이용하여 기기의 효율에 대한 차이를 나타내고 있으나 열원온도에 따른 성능변화를 적절히 표현할 수 있는 열원기기모델이 필요하다. 따라서 본 연구에서 작성한 열원기기에 대한 효율 모델화는 도시에 존재하는 열원을 평가하는 경우에 중요한 요소이고, 일반적이며 간편한 모델을 만들기 위하여 온도차 효율모델을 활용하였다.

이를 통하여 현장에서 측정된 실측치와 모델식의 COP값을 비교하여 검정하였다. 열원기기는 전동식 증기 압축식 히트 펌프이고, 냉동기, 히트펌프의 경우와 마찬가지로 COP의 이론상 최대치는 역 카르노사이클이며, 역 카르노사이클의 COP와 실제 COP의 비를 효율 η 식으로 나타내었다. 실제 히트펌프 성적계수는 카르노사이클 성적계수와 차이가 존재한다.

원인으로는 역 카르노사이클은 사이클의 각 과정이 가역과정이어야 하나 현실적으로는 가역과정을 달성하기가 어려운 점 때문이다. [Fig. 2]와 같이 고온 측, 저온 측의 열교환기의 냉매와 열매 간에 온도차, 압축기에서 냉매에 일을 할 때에 일어나는 기계적 손실, 냉동사이클 자체에서의 응축 등의 불가역과정을 포함하고 있다. 이로 인하여 히트펌프 성능과 역 카르노사이클의 COP차는 크게 두 가지 요인으로 설명할 수가 있다. 주로 각 열교환기에서 열매와 물 혹은 공기와의 온도차에 의한 부분(△T)과 압축기 등 주로 기계적 효율에 의한 부분( η)에 의하여 설명할 수 있다. 따라서 히트펌프에서 이를 고려한 이론적인 성적계수의 최대치는 역 카르노사이클로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[Fig. 2]

Heat Pump Model.

COP : 실제의 COP
η : 효율
ΔT:온도차
COPcar(ΔT):온도차를 고려한 카르노 COP

온도차로 열원 측 , 이용 측의 평균온도로 하였고, 이 평균온도와 냉매와의 온도차를 열교환기에서의 온도차 △T로 하였다. 이는 열원기기의 이용계획 단계에서 열교환기의 고온 측, 저온 측에서의 열원과 냉매와의 온도차 △T를 고려하여 일반적인 열원온도나 이용온도를 표현할 수 있다. △T는 열원 측, 이용 측에서의 출입구 평균온도와 냉매의 온도차로 여기서는 여러 종류의 실제 기기의 자료에 대하여 가장 높은 상관관계를 보이는 값으로 정하였다.

따라서 Th, Tc에 대하여 계산은 다음과 같다.

온도차 고려 후의 카르노 COP, COPcar(Th, Tc, △T)는 아래의 식으로 표현되고 △T가 열교환기에서 냉매와 공기, 물 사이의 온도차와 완전히 일치한 경우에 냉매 응축온도(Th)와 증발온도(Tc)에서 작동하는 역 카르노사이클의 COP와 일치하게 됨으로, 냉매 응축온도와 냉매 증발온도에 대한 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

(Cold)

(Hot)

[Fig. 2]에서는 열교환기에서의 냉매 응축온도와 냉매 증발온도를 구하기 위하여 출입구

Tuse : 이용 측 온도
Tsup : 열원 온도
Tdif : 열교환기 출입구 온도차

열원기기 모델에서 모델 식을 평가하기 위하여 종축에 △T를 고려한 카르노 COP 값을, 횡축에 실제 COP 값을 두면 (1)식에서의 효율 η는 원점을 지나는 직선이 된다. 따라서 △T 값에 따른 계산을 실시하여 실제 COP값을 원점을 지나는 직선에 근사했을 때 얼마나 잘 일치하는지를 비교하여 판단 할 수 있다. 각 수 열원 및 공기열원 전동 히트펌프와 냉동기 등의 온도특성을 파악하기 위하여 열원온도와 이용 측 온도에 의한 냉방, 난방용량, 소비전력에 대한 조사를 통하여 △T를 결정한 후, 온도특성 data( 이용 측 온도, 열원측 이용측 출입구온도차), 에서 온도차 카르노 COP를 구하고 실제 COP와의 관계를 통하여 최소자승법으로 η를 구하고, 상관계수를 구하여 일치성을 확인하였다. 열원기기에 대한 상관계수를 확인한 결과 △T=10℃이상에서 상관계수의 변화가 없었으며, △T=12.5℃ 부근에서 매우 높은 상관관계를 나타내었으며, 이용 측 출구온도는 온열 이용 시 45℃, 열원 측, 이용 측 각각 출입구온도차 5℃로 정하여 실측치와 모델식에 따른 COP의 값을 비교한 결과 [Fig. 3]과 같이 계산치가 0.1정도 낮은 값을 보이고 있는 것으로 판단된다.

[Fig. 3]

COP values and measured values according to model equations.

2. 에너지 소비량 산정 및 환경부하

온배수 에너지 시스템과 기존 시스템에 대한 에너지 소모량을 계산하기 위하여 열 공급 시스템 에너지 소비량에 대한 흐름도를 [Fig. 4]에 나타냈다.

[Fig. 4]

Energy consumptioin calculation flow of Heat supply system.

1. 에너지 절약량

모델 시스템을 이용한 에너지 절약 량의 평가는 [Fig. 1]에서 설정된 대상시스템에 대한 열 부하를 시간별로 계산하였다. 열 부하에 대한 난방설비 기기는 기존의 보일러 이용 방법과 히트펌프를 도입하여 외기온 또는 온배수를 열원으로 활용하는 모델을 설정하였다. 열 수요에 대한 보일러와 히트펌프에서 소모되는 에너지 량을 계산하고 이에 따른 에너지 절약 량을 비교 검토하였다. 히트펌프의 에너지 소모량은 열원기기의 모델에서 열원 온도에 따른 열원기기의 COP를 계산하여 에너지 소모량을 시각별로 계산하고 누적한 결과를 월 단위로 [Fig. 5]에 나타내었다. 월별 열 수요량은 온배수를 열원으로 활용함으로 COP의 향상에 따른 열 수요량이 감소됨을 알 수 있다. 온배수를 열원으로 활용하는 경우 기존의 보일러에 비하여 59%의 열 수요량이 감소하는 것으로 파악되었다([Fig. 6]). 이는 우리나라의 에너지 기본법 제5조 제1항 관련한 에너지 열량환산 기준으로 경유 1L당 총발열량 9050kcal로 환산한 결과로 <Table 1>에 나타냈다. 온배수를 활용함에 따라 기존의 보일러 활용에 비하여 경유 50,605L가 절감되는 것으로 평가되었다.

[Fig. 5]

Monthly heat demand by heat source equipment.

[Fig. 6]

Comparison of monthly heat demand by heat source device.

<Table 1>

Energy consumption by heat source device

2. 환경부하 평가

온배수를 열원으로 활용하는 경우 환경보전 효과에 대하여 여기서는 환경부하(NOx, SOx, CO₂)의 배출량을 검토하였다.

환경부하물질의 저감 량은 기존 보일러 활용에 따른 환경부하 물질의 배출량에 대하여 온배수를 열원으로 활용하는 경우의 환경부하 물질 배출량을 각각 구하였다. 에너지 사용량에 대한 환경부하 물질의 원단위는 경유를 기준으로 IPCC(2006)에서 만든 배출계수를 적용하였으며, CO₂의 경우 0.08457336 gC/kcal, NOx, SOx의 경우에는 0.000252g/kcal, 0.00069g/kcal를 활용하였다. 3000m²의 화훼단지에 대한 난방 연료 소모에 따른 환경 부하량은 <Table 1>과 같다. 기존 보일러의 경우 65,714kg 정도의 이산화탄소 발생량을 나타내었으며, 온배수를 열원으로 활용하는 경우에는 보일러에 비하여 약 41%정도 발생되는 것으로 나타났다.

이는 m²당 약 13kgC 줄일 수 있는 것으로 파악되었다. 2007년 강원지방 소나무 대상 산림조사 후 수확표를 기준으로 작성된 우리나라 산림의 이산화탄소흡수량에서 20년생 신갈나무의 연간 탄소 흡수량 0.43kgC/m² (National Insititute of Forest Science, 2012)와 비교한 결과 온배수 활용에 따른 m² 당 이산화탄소 절감 량은 약 30배에 해당되었다.

1. 열원기기에 대한 모델

열원을 활용하는 열원기기로 히트펌프를 활용하였으며, 온도에 따른 열원 기기의 성능의 변화를 파악하기 위하여 온도차 효율 모델을 활용하여 현장에서 측정된 실측치와 모델식의 COP값을 계산하여 검증하였다. 열원기기에 대한 상관계수를 확인한 결과 △T=10℃이상에서 상관계수의 변화가 없었으며, △T=12.5℃ 부근에서 매우 높은 상관관계를 나타내었으며, 이용 측 출구온도는 온열 이용 시 45℃, 열원 측, 이용 측 각각 출입구온도차 5℃로 정하여 실측치와 모델식에 따른 COP의 값을 비교한 결과, 계산치가 0.1정도 의 차이를 보이고 있는 것으로 판단된다.

2. 에너지 절약량 및 환경부하 평가

온실에 대한 에너지 절약량을 평가하기 위하여 난방설비 기기는 기존의 보일러, 히트펌프를 도입하여 외기온 또는 온배수를 열원으로 활용하는 것으로 설정하였다. 열 수요에 대한 보일러와 히트펌프에서 소모되는 에너지 량을 계산한 결과, 온배수를 열원으로 활용하는 경우 기존의 보일러에 비하여 59%의 열 수요량이 감소하는 것으로 파악되었다. 이에 따른 환경부하에 대한 영향으로 온배수를 열원으로 활용하는 경우에는 보일러에 비하여 약 41% 정도 발생되는 것으로 나타났다.