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2024년 12월 19일 (목) 02:18 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : P2H 기술 기반 교내 시설물 냉방 시스템 개선

영문 : Improvement of P2H Technology-Based On-Campus Facilities Cooling System

과제 팀명

히트다 Heat!

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 양**

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 임**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 본 과제는 대학 캠퍼스 내 인문학관을 대상으로 Power to Heat 기술을 활용한 에너지 시스템 설계를 목표로 한다. 인문학관 옥상에 설치된 태양광 패널에서 생산된 총 전력량에서 수요 전력량을 제외한 잉여 전력을 열에너지로 변환하여 축열조에 저장하고, 이를 냉방 시스템에 보조하는 방식으로 잉여 전력을 효과적으로 활용한다. 기존 에너지 시스템과 비교 분석을 통해 에너지 절감 효과와 탄소 배출 저감 효과를 평가하며, 환경적, 경제적, 사회적 기대 효과를 도출한다.
 또한 신재생에너지의 간헐성을 극복하고 에너지 활용도를 극대화하는 실질적인 해결책을 제안하며, 나아가 시립대학교 대학 캠퍼스 전반에 적용 가능하고 지속 가능한 에너지 관리 모델을 제시하고자 한다.

개발 과제의 배경

• 신재생 에너지 이용 확대에 따른 문제 발생 현황

 탄소중립 실현을 위해 신·재생에너지로의 전환이 필수적이라는 인식이 확산되고 있지만, 신·재생에너지 확대에 따른 전력 계통의 불안정성은 여전히 주요 문제로 지적되고 있다. 특히, 제주도의 사례를 보면 총 발전설비 용량 약 2,000MW 중 신·재생에너지 설비는 약 760MW로 전체의 38%를 차지하며, 신·재생에너지 설비의 높은 출력 변동성이 계통 운영에 부담을 주고 있다. 실제로 제주도에 설치된 풍력발전의 1분 출력 변동률은 최대 20%로, 화력발전의 약 2%에 비해 10배 이상 크며, 이러한 출력 변동성은 전력계통의 안정적 운영을 어렵게 한다[14][19].
 전력계통의 안정성은 전기 주파수의 변동과 직결된다. 주파수 변동이 심할 경우 전력 품질 저하와 더불어 계통의 신뢰성에도 큰 위협이 될 수 있다. 현재 제주도는 풍력발전의 출력을 제한하여 주파수 변동 문제를 관리하고 있으나, 이는 근본적인 해결책이 아니기 때문에 신재생에너지 비율이 더욱 증가할 미래를 대비하기 위한 대책이 필요하다.

• 섹터 커플링 기술

 이 문제를 해결하기 위한 방안으로 섹터 커플링(Sector Coupling) 기술이 주목받고 있다. 섹터 커플링은 전력 부문에서 발생한 잉여 전력을 다른 에너지 형태로 전환하여 활용하는 기술이다. 특히 Power to Heat(P2H)는 잉여 전력을 열 에너지로 변환하여 난방, 냉방 등 다양한 용도로 사용하는 효과적인 기술로, 재생에너지의 간헐성을 극복하고 에너지 활용도를 극대화할 수 있다.
 전문가들은 이러한 전력계통 불안정 문제가 제주도에 국한되지 않고 향후 3~5년 내 육지에서도 발생할 가능성이 크다고 전망하고 있다[26]. 이에 본 과제는 해당 기술을 교내 인문학관에 적용하여 재생에너지의 활용도를 높이고, 잉여 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 모색하고자 한다. 인문학관 옥상에 설치된 태양광 패널에서 생산된 전력을 열 에너지로 전환하여 축열조에 저장하고, 냉난방 시스템에 활용함으로써 신재생에너지 확대와 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 에너지 시스템을 설계한다. 이를 통해 기존 시스템과의 비교 분석과 더불어 환경적·경제적 효과를 평가하고, 대학 캠퍼스에서 지속 가능한 에너지 관리 모델을 제시하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 개발과제 목표

 본 과제는 대학 캠퍼스 인문학관의 에너지 효율성을 높이기 위해 Power to Heat 기술을 적용하는 것을 목표로 한다. 태양광 패널에서 생성된 잉여 전력을 열 에너지로 변환하여 축열조에 저장하고, 이를 냉방 시스템의 에너지원으로 활용함으로써 에너지 자원의 낭비를 최소화하고 활용도를 극대화한다.

• 개발과제 내용

1) 인문학관 발전량 파악

 잉여 전력을 이용하기 위해 인문학관의 발전량과 소모량을 확인하고 발생하는 잉여 전력량을 파악하여 설계를 진행한다. 본 과제는 서울시립대학교 시설과에서 제공하는 2022년 발전량과 소모량 자료를 이용한다. 또한 태양광 발전량과 전력 소모량의 변동성을 고려하기 위해 시간별 발전량과 소모량 추이를 예측 및 도출하고 이를 활용하여 잉여 전력량을 계산한다.

2) P2H 냉방 시스템 설계

 발생되는 전력량을 바탕으로 P2H 냉방 시스템의 적용 범위를 인문학관 1층 강의실로 설정하였다. 인문학관 1층에는 4개의 일반 강의실과 1개의 대형 강의실이 있으며, 적용 범위의 냉방부하를 산정하고, 하절기(4월~10월) 동안 충분히 가동할 수 있도록 발전량의 확충 정도를 파악하였다. 가장 많은 잉여 전력이 발생하는 5월을 기준으로 축열조 용량과 냉방시설을 설계하였으며, 나머지 기간에도 충분히 가동이 가능한지 냉방지원시간을 계산하여 평가하였다.

3) 경제성 분석

 해당 과제의 기술이 인문학관에 미치는 경제적, 환경적 영향을 평가하기 위해 경제성 분석을 진행하였다. 잉여전력 사용으로 확충되는 태양광 발전 패널 설치비용과 축열조 설치비용을 얻을 수 있는 전력 절감량과 탄소발생 감축비용과의 비교를 통해 투자비 회수 기간을 산출하고 기술의 경제성 평가를 진행하였다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1)국내 P2H 기술 현황

 실제로 22년 4월부터 진행된 ‘재생에너지 출력제한을 이용한 P2Heat 기술 개발 과제에 대해 살펴보면, 주요 사업내용은 잉여 전기에너지를 열에너지로 전환하는(P2Heat) 기술을 개발, 출력제어를 예측하는 프로그램과 연동을 통해 열 이용 시뮬레이터를 구현 등 이 있다. 또한, 현재 제주도에서 플러스 DR제도(발전량이 수요량을 넘어 출력제어를 걸어야 할 때 플러스 DR 자원(전기차 충전소, ESS 등)에 잉여전력을 보내 출력제어를 완화하는 제도)가 시행되고 있는데, 이 제도와 연계하는 시스템을 구축하는 것이 있다.

2) 미국 - Bullitt Center

 세계 최고의 친환경 건물로 널리 알려진 불릿 센터는 미국 시애틀에 위치하여 건물에서 생산해내는 에너지만으로 에너지 소비량을 충족시키는 제로에너지 건물의 대표적인 사례이다. 처음 10년동안 불릿 센터는 지붕에 있는 576개의 태양광 패널에서 사용에너지보다 30% 더 많은 에너지를 생산했다.  이는 시애틀의 41가구에 1년동안 공급할 수 있는 전력양이다. 10년동안 불릿 센터는 2,475,021kWh의 에너지를 생산했는데, 이는 건물과 건물 거주자가 사용하는 모든 전력량보다 551,481kWh 더 많은 양이다. 평균적으로 시애틀 주택은 연간 13,376kWh를 사용한다[24].

 또한 5대의 히트펌프와 자연환기 시스템을 이용하여 일년 내내 열적으로 쾌적하게 유지하도록 하고 있다. 히트펌프 중 4개는 건물 난방용으로 지정되고 1개는 상수도 온수 및 열 회수 시스템용으로 사용되고 있다. 기본적으로 히트펌프 시스템은 지열 열 루프, 히트 펌프 자체 열 루프, 복사열 열 코일, 이 세가지의 닫힌 루프로 구성되어 있다. 

• 특허조사 및 특허 전략 분석

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 관련 제도 및 법 검토

 EU 의회는 2024년 3월 건물의 에너지 효율을 높이기 위해 회원국들이 건물개조를 추진하도록 요구하는 건물에너지성능지침(EPBD)의 도입을 승인하였다. 이는 2023년도 이전부터 도입이 논의되던 것으로, 현재 유럽에 존재하는 건물 중 75%가 에너지 비효율 건물에 해당하므로 이를 개선하기 위해 건물형태별 온실가스 감축을 위한 리노베이션, 신축 건물에 대한 규제 등을 내용으로 한다[25].
 법안의 구체적인 내용을 살펴보면, 2030년을 기준으로 신축되는 건물은 탄소를 전혀 배출하지 않는 탄소중립건물로 건축되어야 하고(공공기관이 소유하거나 사용하는 건물에 대하여는 2028년부터 적용) 주거용 건물의 경우 2030년까지 평균 기본 에너지 사용량을 최소 16%이상, 2035년까지 20~22% 이상 감소시키는 조치를 마련해야 한다. 또한, 건물 내 태양광 발전시설의 설치도 의무화된다[2][3][13]

• 마케팅 전략 제시

SWOT 분석을 통해 본 설계 작품에 대한 내·외부적 강점과 약점을 파악하고, 마케팅 전략을 수립하였다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

 에너지 효율성 증대 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단하였다. 히트펌프를 활용한 냉난방 시스템은 기존 화석연료 기반의 냉난방 시스템보다 높은 에너지 효율성을 제공한다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 미래에는 난방 수요의 90%를 히트펌프로 대체할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 인문학관의 냉난방 에너지 소비를 줄이는 데 크게 기여할 것이다. 결과적으로 인문학관의 전체적인 화석에너지 사용량이 줄어들면서 환경적으로도 긍정적인 영향을 미칠 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

 가장 먼저, 재생에너지 활용도 증가이다. 2022년 5월 인문학관의 전력사용량은 17.926 MWh, 발전량은 20.366MWh로 발전되는 에너지의 약 12%가량이 잉여전력으로 나타나고 있다. P2H 시스템은 태양광 발전 패널 등 재생에너지원과의 결합을 통해 인문학관의 에너지 공급 체계에서 재생에너지 비율을 높일 수 있는 잠재력을 가진다. 특히 유럽에서 P2H 기술이 재생에너지와 결합하여 널리 도입되고 있는 점을 고려할 때, 교내 태양광 패널 설치와 연계한 에너지 공급이 가능하다면, 재생에너지 사용 비율을 높이는 중요한 사례가 될 수 있다.

 둘째, 경제적효과이다. 히트펌프는 전력을 효율적으로 사용해 냉난방을 제공할 수 있어 기존의 화석연료 기반 시스템보다 비용 절감이 가능하다. 시간대별 태양광패널의 발전량 자료와 인문학관 전력 사용량을 예측하여 잉여전력의 총량을 계산한다. 잉여전력을 열에너지로 바꾸어(COP는 4로 가정한다.) 기존 냉난방 설비를 운영하는데 소비되는 전력 비용과의 비교를 통해 경제적 효과를 산출할 예정이다. 이러한 효과는 특히 전력 사용량의 대부분이 냉난방에 집중되어 있는 현재의 상황을 고려할 때 전력 소비를 크게 줄일 수 있어, 학교의 에너지 예산 관리에도 도움이 될 것이며, 전력 가격 변동에도 유연하게 대응할 수 있을 것이라고 예측된다.

 마지막으로, 교내 다른 건물로의 확장 가능성이다. 인문학관 외에도 교내의 다른 건물들의 태양광 발전 패널을 활용하고 있음을 확인하였다. 미래융합관, 정보기술관, 법학관 등 교내 19개 건물에 태양광 패널이 설치되어 있으며, 총 발전량은 22년 기준 연간 1,150MWh에 이른다.  이를 P2H 시스템과 결합한다면, 학교 전체의 재생에너지 사용을 크게 증대할 수 있을 것이다. 그 결과, 학교의 지속 가능한 에너지 정책 및 친환경 캠퍼스 조성에 큰 기여를 할 수 있으며, 장기적으로는 화석에너지의 의존도를 낮추고 재생에너지의 비율을 높이는 중요한 전략적 선택이 될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

• 공통 분담

주제 선정 및 자료조사/설계모형 제작

인문학관 건물 내 냉방 시스템 설계

• 개별 분담

김*섭 – 3D 모형 설계, 프로젝트 최종 발표, 경쟁력분석

김*준 – 개념설계 발표, 3D 모형 설계

양*모 – 과제제안서 발표, 상세설계 발표, 아두이노 코딩, 이론 계산

임*제 – 경쟁력 분석보고서 발표, 아두이노 코딩

설계

설계사양

제품의 요구사항

목적 계통도

개념설계안

계통도

 심야 시간은 잉여전력으로 축열조를 냉각시키는 축냉 과정이 이루어진다. 압축기와 팽창기에서의 단열 압축과 팽창 과정으로 냉매가 순환한다. 팽창기를 지나 저온으로 냉각된 냉매가 축열조의 물로부터 판형 열교환기에서 열을 흡수하고, 압축기를 지난 고온의 냉매가 외부 열교환기에서 열을 외기로 방출한다. 일련의 과정을 통해서 축열조의 열에너지가 외기로 방출된다. 이후 낮 시간에는 같은 원리로 실내의 열에너지를 축열조로 방출한다. 이 때 냉각된 축열조에서의 열교환은 고온의 외기 보다 높은 효율로 이루어진다.

건물 모식도

 설계 대상 건물인 인문학관의 모식도를 3D 모델링 프로그램인 Rhino 7.0을 사용해 구현한 모습이다. 실제 인문학관(구관)의 평면도와 실제 모습을 참고하여 3D 건물을 제작하였으며, 옥상에는 태양광 패널이 설치되어 있어 재생에너지를 사용 및 저장할 수 있다. 또한, 히트펌프 시스템이 설치되어 냉난방 시스템이 작동할 수 있도록 1층에는 배관과 실내기(에어컨), 옥상에는 실외기, 지하에는 축열조를 구현하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 잉여 전력량 보정

 2022년 발전량과 소모량을 기준으로 연간 잉여 전력량을 계산한 결과, 5월과 비교하여 다른 달의 잉여 전력량이 충분히 발생하지 않고 있음을 확인할 수 있었다. 이에 대한 원인으로는 태양광 발전 시설 규모의 미비와 대체로 도시 단위와 같이 상대적으로 큰 규모로 적용되는 P2X 시스템을 건물 단위로 적용시키는 과정에서 충분한 발전량을 생산하는데 어려움이 있다는 점, 한 여름이 되는 6월부터 8월까지의 경우 높은 냉방 수요로 인해 전력 부하가 높아질 수 있다는 점, 이론적 계산과는 달리 날씨의 영향이 크므로 일조량에 오차가 있을 수 있다는 점 등으로 판단하였다. 이를 보완하기 위해, 한국에너지공단의 제로에너지건축물 인증제도에 맞춘 발전 시설의 확충하는 방식을 제안했다. 2030년 500m^3 이상의 공공건물은 3등급이상의 에너지등급을 갖추어야 한다는 규정에 따라 인문학관의 에너지 자립률이 60% 이상이 되도록 기존의 태양광 패널을 확충하여 잉여 전력량을 증가시키는 방안을 고안하였다. 그 결과, 현재 설비 기준의 1.48배의 태양광 발전시설이 확충된다는 것을 가정하고, 이를 이론적 계산에 활용하기로 하였다.

2) 잉여 전력량 계산

 이론적 계산을 위해 하절기 동안의 잉여 전력량을 계산하였다. 냉방의 수요가 발생할 수 있는 달을 하절기로 분류하였고, 4월부터 10월까지를 하절기로 가정하였다. 잉여 전력량을 계산하기 위해 가정한 사항은 표 6과 같이 설정하고 계산을 진행하였다.

상세설계 내용

조립도

조립순서

부품도

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용