서 론

2015년 파리기후변화협정은 지구 평균온도가 산업화 이전에 비해 2°C 이상 상승하지 않도록 온실가스 배출량을 단계적으로 감축하는 목표를 정하고 실천하자는 협약이다. 파리기후변화협정 이후 모든 국가가 스스로 결정한 온실가스 감축 목표를 5년 단위로 제출하고 국내적으로 이행하도록 하고 있다. 건물분야에서는 단위 건물을 넘어 지구 단위의 신재생 계획이 활발히 논의되고 있다. 특히 신재생을 통해 열 공급 연계가 용이한 4세대 지역난방 시스템에 대한 관심이 커지고 있다.

한국지역난방공사에 따르면, 지역 난방이란 아파트, 상업용 건물 등에 개별 열 생산 시설을 설치하지 않고 대규모 열생산시설에서 생산된 열을 지역 내에 존재하는 단지, 빌딩 단위로 일괄적으로 공급하는 도시 기반시설을 말한다. 기존의 난방방식에 비해 에너지 효율 측면에서 뛰어나며, 연료 사용량 절감 및 첨단오염방지 설비 설치로 인해 환경오염이 적다. 또한 따로 보일러실이 필요 없어 공간활용 및 관리측면에서 부담이 적다(KDHC, 2022).

지역난방의 기술적 발전은 열원과 공급 온도에 따라 나눌 수 있으며 대략적으로 다음과 같다. 먼저 1세대 지역난방은 1900년대 초에 시행되었다. 열매체는 약 200°C의 스팀이며 열원은 석탄이다. 2세대 지역난방부터는 100°C 이상의 고온·고압수를 이용하였으며 열원은 석탄 및 석유 CHP와 전용 보일러이다. 그 이후는 현재 국내에서 사용하고 있는 3세대 지역난방이다. 마찬가지로 고온·고압수를 이용하고 있으며 열원은 대규모 분산형 CHP, 바이오매스, 폐기물 혹은 화석연료 보일러이다. 그 다음으로는 많은 관심을 받고 있는 4세대 지역난방이다. 100°C 이상의 고온수를 이용하는 기존 방식에 비해 55°C 내외의 중·저온수를 공급하면서 다양한 열원을 활용하여 화석연료의 비중을 낮추고 재생 에너지 열원 확대를 추구하는 시스템이다(Kwag et al., 2021).

한 예로, Yoon et al. (2019)은 기존 지역난방 공급시설에 신재생 열에너지를 연계하여 열 공급 방안을 마련하였다. 이때 전체 신재생에너지 열 공급 비율은 37.7%이며 배관 열손실을 고려할 경우 33.9% 공급이 가능한 것으로 예상되어 실증단지의 전체 열 공급 대비 신재생 열에너지 공급 비율이 30% 이상으로 공급 목표 달성이 가능함을 확인하였다. 또한 Peter et al. (2020)은 전반적인 시간당 에너지 시스템 시뮬레이션을 기반으로 덴마크 올보르 시를 대상으로 3세대 지역난방에서 4세대 지역난방으로 전환하면 전체 에너지 시스템의 1차 에너지 소비가 약 4.5% 감소하고 시스템 비용이 2.7% 감소함을 확인하였다.

최근 국내에서는 연료전지 의무화가 증가하고 있으며 가정용 연료전지는 정부에서 많은 지원을 하고 있다. 하지만 연료전지는 열 사용을 위해 대용량의 열 저장장치가 필요하다는 단점이 있다. 또한 우리나라의 경우 연료전지는 전력생산에 중심을 두고 있어 공동주택이나 업무시설 등에서 열의 효율적인 활용이 이루어지지 않고 있다(Cha and Kim, 2014).

본 연구는 기존 3세대 지역난방의 2차측을 확대 적용하여 4세대 지역난방과 같이 저온 열 공급 시스템의 범위를 넓히고, 이를 바탕으로 연료전지를 연결한 모델의 기술적 타당성 검토와 에너지 절감량을 확인하는 것을 주요 목적으로 한다. 공급온도 및 환수온도를 낮추어 지역난방 배관망에서의 열손실을 줄이고, 신재생 에너지와 같은 열원을 적극적으로 활용함으로써 중앙 열원의 의존도를 낮춘다(Pans et al., 2023). 기존 화석 연료를 주로 사용하는 3세대 지역난방 시스템으로부터 신재생 에너지 사용을 극대화할 수 있는 지역난방으로의 전환 가능성을 넓히고 연료전지의 활용성을 높이고자 한다.

연구 방법

본 연구에서는 연료전지 폐열의 지역난방 활용 방안을 제시하기 위해서 기존 3세대 지역난방 시스템, 4세대형 수정 지역난방, 연료전지를 연계한 4세대형 수정 지역난방 이 세 가지를 대상으로 시뮬레이션 분석을 수행한다. 시뮬레이션을 통해 열에너지 사용량을 세 가지 시스템 별로 도출하고, 연료전지를 연계한 4세대형 수정 지역난방 시스템의 에너지 효율을 기존의 지역난방 시스템과 비교하여 평가하였다.

대상 시스템 개요

Figure 1의 (a)~(c)는 본 연구의 세 가지 대상 시스템을 나타낸 것으로, (a)는 3세대 지역난방 시스템, (b)는 4세대형 수정 지역난방 시스템, (c)는 연료전지가 연계된 4세대형 수정 지역난방 시스템이다. 현재 국내에서는 3세대 지역난방을 사용하고 있고 이는 사용자의 수요와 무관한 중앙집중식 생산 시스템이며, 대형 열 생산 설비에서 고온·고압수를 만들어 장거리 열수송관을 통해 각 가정과 건물에 일방적으로 공급하는 시스템이다. Figure 1(a)와 같이 1차측의 90~120°C의 고온이 지역을 순환하고, 환수된 순환수의 온도도 높기 때문에 3세대 지역난방은 열 수송 과정에서 약 10~30%의 열손실이 발생한다는 문제점이 있다.

Figure 1.

Example diagram for existing 3^rd district heating and proposed district heating systems (Modified district heating and Modified district heating + fuel cell)

유럽식 4세대 지역난방은 공급온도 55°C 내외의 순환수를 통한 친환경적이고 안전한 에너지로의 전환이 이루어지고 있어 국내에서 유사한 온도대의 열 네트워크 적용이 가능하도록 기존 3세대 지역난방의 장점을 유지하면서 저온 열공급망을 확대하려는 논의가 확대되고 있다. Figure 1(b)는 다양한 대안 중 실현 가능하고 비교적 단순한 방식을 가정한 것으로 기존 고온의 광역망을 그대로 사용하고, 열교환기의 직렬 연결을 통해 저온부로 열을 공급하는 방식이다. Figure 1(c)는 (b)의 공동주택 2차측에 연료전지를 연계하여 연료전지로부터 회수된 폐열을 활용하는 시스템이다.

4세대 지역난방 시스템은 장거리 열 배관망의 에너지 손실을 감소시키고 열 공급 시설의 효율을 높이는 등 전체 지역난방 시스템의 효율 향상을 유도할 수 있다. 추가로, 3세대 방식을 일부 수정하면서 저온 열 공급망의 범위를 확대할 수 있기에 다양한 지역 신재생 열에너지를 통합할 수 있다는 장점이 있다.

지역난방 시스템별 에너지 사용량 평가

본 연구는 시뮬레이션을 통하여 제안하고자 하는 지역난방 방식의 효과를 정량적으로 계산하고 이를 비교하기 위해 다양한 시뮬레이션 조건을 설정하고자 한다. 본 절에서는 앞서 언급된 지역난방 시스템 별 열전달 및 에너지 사용량 분석에 필요한 사항들을 설명한다.

지역난방 열교환기

지역난방은 열교환기를 기준으로 지역난방 측(1^st side)과 사용자 측(2^nd side)으로 나눈다. 1차측의 공급수 온도는 지역난방 표준설비 기준인 120°C로 설정하였고 일정한 온도로 공급된다. 1차측 유량은 2차측 공급온도에 따른 피드백 제어와 bypass를 이용한 유량 제어를 통해 조절된다. 2차측 공급수 온도는 외기온도에 따라 외기보상제어를 통해 설정된다. 2차측에서 건물을 지나면 한국지역난방공사에서 제공하는 열사용시설 기준에 따라 15°C의 온도차를 달성하도록 하였고, 식 (1)을 통해 난방부하 데이터에 따른 유량을 설정하였다(Youn and Im, 2022). Q는 대상지에 필요한 시간단위 부하를 말한다.

Figure 1(b)에서 업무시설 1차측을 거쳐서 나온 80도 내외의 환수를 비교적 저온의 열을 필요로 하는 공동주택의 1차측 공급열에 다시 사용함으로써 열효율 개선을 유도하였다. 하지만 업무시설 및 공동주택의 열 패턴에 따라 시간별 공급 유량이 달라지기 때문에 bypass를 이용하여 일정량의 온수는 업무시설 1차측을 거치치 않고 바로 공동주택 1차측으로 공급되어 공동주택에 공급되는 온수와 결합될 수 있도록 설계하였다. 이를 통해 업무시설의 난방 사용량이 적고 공동주택의 난방 사용량이 많은 날에도 시스템을 제어할 수 있도록 하였다.

고분자 전해질 연료전지

본 연구에서는 4세대형 수정 지역난방 시스템에 저온 열 공급부에 연계한 신재생 시스템으로 연료전지를 제안한다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기와 열에너지를 생산하는 고효율, 친환경 발전 시스템을 말한다. 기존 화석연료 발전과 달리 연소과정이 없어서 오염물질을 적게 배출할 뿐만 아니라 소음도 적다는 장점이 있다. 또한 연료전지는 외부 환경 제약 없이 24시간 전기와 열을 생산할 수 있다는 특징이 있으며, 에너지 변환 효율이 높고 소형화가 가능하고 수소를 직접 사용할 경우 온실가스 배출이 거의 없다는 장점이 있다.

최근 국내에서는 그린 뉴딜 정책으로 연료전지 설치 의무화가 점차 늘어나고 있지만 연료전지의 경우 관리를 위해 세대 혹은 단지 보다는 지구별 설치가 유리하며, 그간 열사용처 확보가 어려워 실질 효율이 저하되면서 연료전지의 60%가량은 가동을 멈춘 상태이다. 이에 따라 사용이 되고 있지 않은 연료전지와 지역난방 시스템을 연계함으로써 열 활용처를 제공하여 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.

지역난방의 열부하를 감소시키고 작동 중단 중인 연료전지를 활용하기 위해 공동주택 환수관에 연료전지 설치를 계획하였다. 지구 전기 공급을 위해 기저부하 기준 연중 가동하는 것을 가정하였으며, 환수관 측에 bypass를 만들어 연료전지를 연결하였고 공동주택 순환 유량이 부족할 경우 시수를 유입시켜 유량을 만족할 수 있도록 하였다.

KOSIS에서 제공하는 월별 최대 전력 소비지수와 K-apt에서 제공하는 월별 최대 전력 사용량을 이용하여 식 (2)를 통해 시간별 최대 전력을 산정하였다. 연료전지의 용량은 식 (3)의 기저전력을 충당하도록 120 kW로 결정하였으며, EME807 9.1 Base Load Energy Sustainability에 따라 기저전력은 최대 전력의 약 30%로 산정했다(PennState, 2022). 각각의 값은 Table 1에서 확인할 수 있다.

외기보상제어 조건

외기보상제어는 지역난방 2차측 공급수 온도 설정을 외기온도의 변화에 따라 제어하기 위한 방식이다(Cho et al., 2015). 난방 공급온도는 다음과 같이 설정하였다(Yeom et al., 2020).

식 (4)에서 계산된 TSet,SW는 Figure 2와 같다. COD는 외기보상율을 의미하며 이는 외기온도가 -10°C에서 10°C인 구간의 기울기이다. TOD는 외기온도, Ti는 최고 난방 공급온도와 최저 난방 공급온도의 중간 값을 의미한다. 외기온도가 -10°C 이하일 때는 최고 난방 공급온도로, 외기온도가 10°C 이상일 때는 최저 난방 공급온도로 설정된다. 또한 외기온도가 -10°C에서 10°C인 구간에서는 외기온도의 변화에 따라 난방수의 공급온도가 선형적으로 증가 또는 감소한다. 업무시설의 경우 최고 난방 공급온도는 70°C, 최저 난방 공급온도는 60°C로 설정하였고, 공동주택은 최고 난방 공급온도는 60°C, 최저 난방 공급온도는 50°C로 설정하였다.

Figure 2.

2^nd side supply temperature according to outdoor temperature reset control – (a) Office Building, (b) Apartment

건물 부하 산출

본 연구에서는 한국지역난방공사에서 자원 순환형 신재생에너지 도시로 지정한 나주 혁신도시의 한전 KPS와 LH 2단지를 대상으로 하였고 이는 19층의 업무시설과 16층과 25층으로 이루어진 7개동 624세대의 공동주택이다.

K-apt, KOSIS에서는 부하가 월별, 일별 데이터로만 존재하기 때문에 시간별 난방 부하 데이터를 얻기 위하여 DOE에서 제공하는 표준 모델인 EnergyPlus OfficeLargeSTD2019 모델과 ApartmentHighriseSTD2019 모델을 이용하였다. 두 모델에 나주시 기후데이터와 업무시설 연면적 37,039 m², 공동주택 연면적 79,741 m²을 각각 입력하여 1차적으로 시간별 난방 부하 사용량을 산출하였다. K-apt, KOSIS에서 제공한 난방에너지 사용량을 참고하여 연간 총 난방에너지 사용량 값이 유사하도록 조정한 뒤, 극단치 데이터를 삭제하였다.

Figure 3는 설명한 방식으로 계산된 시간별 난방 부하 사용량이며 기간은 난방 사용량이 가장 많은 12월 1일부터 1월 31일까지이다. 업무시설의 특정 시간에서 부하가 크게 상승함을 보이지만 두 달 동안의 총 난방에너지 사용량은 업무시설의 경우 643.36 kWh, 공동주택은 1693.63 kWh로 공동주택이 업무시설보다 약 2.6배 크다.

Figure 3.

Hourly heating demand of office buildings and apartment

TRNSYS 시뮬레이션 모델링

앞서 제시된 세가지 모델의 시뮬레이션을 위해 Figure 4와 같이 건물에너지 동적 해석 소프트웨어인 TRNSYS 18을 사용하였다. 시뮬레이션은 난방 가동 기간을 고려하여 난방 사용량이 가장 많은 12월 1일부터 1월 31일까지의 기간으로 설정하였고 열수송관의 열손실은 고려하지 않았다.

Figure 4.

TRNSYS Simulation Model for Each District Heating System – (a) 3rd generation district heating, (b) Modified district heating network

Type 15로 대한민국 전라남도 광주광역시의 날씨 데이터를 불러와 외기보상제어의 입력 값에 연결하였다. 식 (4)를 통해 나온 결과값과 Type 652의 열교환기를 연결하여 2차측 공급수 온도를 설정하였다. Type 9c 모듈을 통해 업무시설과 공동주택의 난방부하 데이터를 적용하였고, 식 (1)을 통해 2차측 유량을 제어하였다.

업무시설의 1차측 회수열을 공동주택 측에 다시 활용하는 것은 업무시설과 공동주택 1차측의 필요한 유량의 대소관계에 따라 두가지로 나뉜다. 업무시설 열교환기의 1차측 사용 유량을 m1이라고 하고, 공동주택 열교환기의 필요 유량을 m2라 했을 때, m1<m2일 경우 업무시설의 m1과 1차측 120°C의 추가적인 유량을 함께 사용한다. m1>m2일 경우에는 m1에서 필요한 유량만 사용하기 때문에 이 때의 공동주택 1차측 공급온도(TApt)는 업무시설 열교환기 1차측 환수온도(T1)와 같다.

연료전지 모델은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 묘사하는 Type 170을 이용하였다. 연료전지의 운전 조건은 상시 운전으로 가정하였으며 폐열 온도 조건을 식 (7)과 식 (8)에 나타내었다. 공동주택의 유량이 충분할 때는 연료전지에 공급되는 온도가 공동주택을 거쳐 나온 온도와 동일하다. 하지만 공동주택의 유량이 부족할 경우, 연료전지의 공급온도는 15°C인 시수로 유량을 보충하여 공급 온도가 보다 낮아진다.

연료전지를 거쳐 상승된 공동주택 2차측의 환수온도를 TFC이라 할 때 공동주택의 유량이 충분할 때는 식 (7)로, 유량이 부족하여 시수를 사용할 경우 식 (8)로 구분하여 시뮬레이션을 수행하였다. Ts는 연료전지 유입 온도이며 m˙Apt는 공동주택의 2차측 유량, m˙req는 연료전지의 필요 유량, QFC은 연료전지의 생산 열량을 의미한다. 시뮬레이션 대상 모델의 열교환기 및 연료전지에 대한 자세한 정보는 Table 2에서 확인할 수 있다.

Figure 5와 같이 TRNSYS 시뮬레이션을 실행하여 Type 170의 output으로 연료전지의 전기효율이 약 25%임을 확인하였다. 연료전지에 투입된 에너지량 E를 식 (9)와 같이 구하고, 식 (10)을 통해 열효율을 계산하여 Figure 5와 같이 나타내었다. eE는 연료전지의 전기효율을, eT는 연료전지의 열효율을 의미한다.

Figure 5.

Electrical and thermal efficiency of fuel cells

시뮬레이션 결과

시스템별 1차 측 에너지소비량 및 유량 분석 결과

Figure 6은 3세대 지역난방, 4세대형 수정 지역난방, 연료전지를 연계한 지역난방 시스템의 1차측 에너지 사용량을 시간별로 나타낸 그래프이다. 부하가 가장 큰 시간이 포함된 12월 28일부터 1월 3일까지 일주일치의 데이터로 나타내었다. Figure 6은 1차측 유량을 이용하여 식 (1)을 통해 계산되었다.

에너지 사용량 측면에서는 3세대 지역난방(녹색), 4세대형 수정 지역난방(청색) 및 연료전지를 연계한 4세대형 수정 지역난방(적색) 시스템은 서로 큰 차이를 보이지 않는다. 단, 연료전지를 연계한 4세대형 수정 지역난방 시스템은 다른 두 시스템보다 조금 낮은 에너지 사용량을 보이고 있는데, 이것은 2차측에 연료전지를 연계하여 나타난 효과이다. 이에 대한 상세한 설명은 이어지는 절에 별도로 기술하였다.

Figure 6.

Source-side energy consumption by cases

Figure 7, Table 3은 같은 기간, 세 가지 시스템 사례별 1차측 소요 유량을 나타낸다. 3세대 지역난방 모델에 비해 제안 모델인 나머지 두 모델의 유량이 50%가량 감소함을 보인다. 식 (1)에 의거하여 동일한 열량에 대해 유량이 크게 감소한다는 것은 지역난방 순환수의 공급 환수 온도 차가 크게 나타난다는 것을 말하며, 이 경우 열 병합 발전기 등 열원 측 기기의 열 생산 효율을 크게 증가시킬 수 있고 부수적으로 순환펌프 에너지 사용량도 줄일 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

Figure 7.

Source-side required flow rate by cases

연료전지 연계 효과 분석

Figure 1에 제시된 세가지 지역난방 시스템에 대한 난방 기간 동안의 업무시설과 공동주택의 열교환기 2차측 공급온도 및 환수온도 추이는 Figure 8과 같다. 업무시설에는 제시된 세 가지 지역난방 시스템 모두 1차측에 120°C의 고온수를 공급하므로 Figure 8(a)에 나타낸 업무시설 열교환기 2차측의 공급 및 환수온도는 세 가지 지역난방 시스템이 서로 동일하다. 세 가지 지역난방 시스템 모두 외기보상제어에 따라 공급온도는 평균 69°C를 유지하며, 환수온도는 54°C를 유지한다.

Figure 8(b)는 공동주택의 사례이다. 3세대 지역난방 시스템은 업무시설과 똑같은 공급 및 환수온도를 나타내는데, 3세대 지역난방 시스템에서는 공동주택 열교환기도 업무시설과 같은 120°C의 고온수를 1차측에 공급받기 때문이다. 반면 4세대형 수정 지역난방 시스템은 업무시설에서 환수된 80°C의 저온을 열교환기 1차측에 공급받기 때문에 2차측 공급온도가 54°C로 감소된 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 환수온도도 39°C로 감소한다.

Figure 8.

Load side supply and return temperatures for systems – (a) Office Building, (b) Apartment

Figure 8(b) 가장 오른쪽에 표시된 4세대형 수정 지역난방에 연료전지를 연계한 시스템의 2차측 환수온도는 평균 44°C로, 연료전지가 연계되지 않은 4세대형 수정 지역난방 시스템 환수온도에 비해 높게 나타난다. 이것은 연료전지의 폐열 회수로 인해 2차측 환수온도가 상승한 효과이다. 즉, 본 연구에서 제안하는 4세대형 수정 지역난방 시스템과 연료전지를 연계하는 방식은, 공동주택 열교환기 1차 측에 업무시설에서 환수된 저온을 활용함으로써 지역난방 스테이션의 공급 유량을 감소시키고, 연료전지의 2차측 연계를 통해 환수온도를 상승시킴으로써 부가적인 에너지 절감을 유도할 수 있는 장점이 있다.

Figure 9(a), (b)는 제시된 세 가지 지역난방 시스템의 공동주택 2차측 열교환기 환수, 공급온도를 나타낸 그래프이다. 녹색은 3세대 지역난방, 청색은 4세대형 수정 지역난방, 적색은 4세대형 수정 지역난방과 연료전지를 연계한 시스템을 나타낸다.

3세대 지역난방 시스템은 공동주택 열교환기로 고온수가 공급되므로 공급온도가 65~70°C 내외로 높고, 환수온도는 그보다 15°C 더 낮은 수준을 보이고 있다. 4세대형 수정 지역난방 시스템은 저온수를 공급받기 때문에 55~60°C 내외의 공급 및 40~55°C 내외의 환수온도를 나타낸다. 반면, 본 연구에서 제안한 수정 4세대 지역난방에 연료전지를 연계한 시스템은 수정 4세대 시스템과 공급온도가 같지만, 연료전지 폐열을 열교환기 2차측 환수관에 활용한 결과로 수정 4세대보다 환수온도는 높게 나타난다. 즉, Figure 9(b)에 제시된 청색의 그래프는 연료전지 연계 전 환수온도, 적색의 그래프는 연료전지 연계 후 폐열로 인해 승온된 2차측 환수온도를 의미한다.

Figure 10은 공동주택 지역난방 열교환기 1차측 공급 열량(=1차측에서 2차측으로 전달된 열량)을 나타낸 것으로 4세대형 수정 지역난방(청색) 및 연료전지를 연계한 4세대형 수정 지역난방(적색) 시스템을 비교하여 나타낸 것이다. 식 (1)에 의해 계산된 공동주택 2차측 열교환기 공급 열량에 Table 2에 나타낸 열교환기 효율 0.65를 나누어 도출하였다. 왼쪽 y축은 순시값이고 오른쪽은 누적값이다.

Figure 9.

Comparisons for the load-side supply and return temperature of the apartment heat exchanger

Figure 10.

Comparisons for the source-side total transferred heat energy of the apartment heat exchanger

연료전지의 폐열 활용으로 4세대 수정 지역난방 시스템보다 연료전지를 연계한 시스템의 2차측 환수온도가 높게 나타났고, 그로 인해 Figure 10에 나타낸 연료전지를 연계한 지역난방 시스템의 1차측 공급 열량(적색)이 가장 적게 나타났다.

Table 4는 Figure 10에 나타낸 누적 열량을 나타낸 것이다. 제안된 시스템이 기존 3세대 및 4세대형 수정 지역난방 시스템 보다 614.4 MWh 더 낮게 나타났다. 에너지 사용량 측면에서 기저 전력 부하만을 감당하는 연료전지의 폐열 회수로 얻는 열에너지 절감률은 4세대형 수정 지역난방 시스템 대비 약 23.5%로 효과적인 것으로 분석되었다.

결 론

탄소 중립에 대한 세계적인 관심이 높아지면서 지역난방과 신재생 에너지 연계에 대한 연구가 증가하고 있다. 해외에서는 4세대 지역난방 시스템이 적용되고 있지만 국내는 좀 더 국내 상황에 맞는 지역난방 시스템 도입이 필요하기 때문에 이에 관한 논의가 활발히 진행 중이다. 본 연구는 기존 3세대 지역난방의 2차측을 확대 적용하여 4세대 지역난방과 같이 저온 열 공급 시스템의 범위를 넓히고, 이를 바탕으로 연료전지를 연결한 모델의 기술적 타당성 검토와 에너지 절감량을 확인하는 것을 주요 목적으로 한다. 이에 본 연구는 최근 국내에서 설치가 증가하고 있는 연료전지의 폐열을 4세대 지역난방 시스템에 연계하여 보다 효율적인 4세대 지역난방 시스템을 검토하고자 하였다. 이를 위해 4세대형 수정 지역난방 시스템과 연료전지 계통의 연결안을 제안하고 제안 시스템의 에너지 절감 효과를 시뮬레이션을 통해 분석하여 그 결과를 기존 시스템과 비교, 평가하였다.

주요 결과를 요약하면, 기존 3세대 지역난방 시스템과 4세대형 수정 지역난방 시스템은 1차측 에너지 사용량은 큰 차이가 없었지만, 저온수의 2차적 활용으로 인해 4세대형 수정 지역난방 시스템의 전체 유량은 50%가량 감소함을 보였다. 필요 유량이 줄어 발전 시설의 펌프 동력이 줄어들고, 온도 하강에 따른 생산시설의 효율 증가를 기대할 수 있다. 추가로, 2달의 난방 공급 기간 동안, 4세대형 수정 지역난방 시스템에 연료전지 폐열을 열교환기 2차측에 연계한 시스템은 4세대형 수정 지역난방 시스템 대비 23.5%의 열에너지 절감 효과를 보였다.

본 연구에서는 연료전지의 폐열을 활용하기 위해 4세대형 지역난방에 연료전지를 연계하여 시뮬레이션을 진행하였다. 연구를 통해 제안 시스템으로부터 연료전지 폐열 회수 효과와 지역난방 시스템 전체의 에너지 효율 인자들도 확인하였다. 그러나, 시뮬레이션에 고려하지 않은 열수송관의 손실 및 실제 요소 기기의 제어 세분화에 따른 영향은 추후 연구를 통해 검토가 필요하다.