서 론
PVT-Air 연결 환기장치
시스템 소개
설비 사양
환기장치 계통도
시스템 제어조건과 구동 방식
TRNSYS 시뮬레이션 구성
시뮬레이션 조건
시뮬레이션 모델
시뮬레이션 결과 및 분석
PVT-Air 공기온도의 데이터 검증
시스템 제어조건의 구동
실내 공급 공기온도 비교
PVT-Air 발전량 차이 비교
EHP 전력사용량 및 PVT-Air 전력발전량 종합비교
결론 및 고찰
서 론
다양한 산업 군에서 발생하는 탄소는 지구온난화를 가중시키고, 전례 없는 기후 이변을 야기하고 있다. 각국의 정상들은 기후 정상회의를 거쳐 각 국가의 실정에 맞도록 모든 산업 군을 대상으로 넷제로를 달성할 것을 공표하였고, 신기술 개발 및 신재생 에너지 보급 확대를 장려하고 있다(Lee and Lee, 2021).
관계부처 합동 (Ministries, 2020)의 2050 탄소중립 시나리오에 따르면, 한국은 50년도까지 넷제로를 실천해야 하고, 건물 부문에서 발생하는 탄소의 감축을 위해 냉난방 및 급탕 시 신재생 에너지 사용 비중의 확대를 추진하고 있다. 특히, 태양광 발전은 당면 문제를 해결할 수 있는 대안으로써 활발하게 도입되는 추세인데 일반적인 PV 모듈은 온도가 상승하면 발전효율이 감소하는 문제가 존재한다. 이에 따라 Photovoltaic/Thermal (PVT) 형태로 모듈 후면에서 발생하는 열을 낮추어 발전 효율을 높이는 동시에 수집된 열을 활용하려는 연구가 증가하는 추세이다(Bandaru et al., 2021). 다양한 활용방안으로 제안한 연구 중에는 미활용 배열을 건물 에너지의 관점에서 활용하고자 하는 연구가 존재하는데, 공기식 PVT와 공조시스템과의 연계 방안 제안 및 에너지 절감에 대한 분석 사례가 있다(Yu et al., 2018). 이러한 연구는 기존 PVT 성능 개선에 대한 초점 뿐만 아니라, 건물 에너지 절감에 대한 초점을 강조한다. 본 연구는 해당 연구 동향을 바탕으로 건물 에너지의 관점에서 PVT의 모듈 후면부 배열의 미활용 열원을 효과적으로 활용하는 방안으로써 다음과 같은 연구 방법을 제안한다.
본 연구에서는 공기식 PVT와 전열교환 환기장치를 결합하여 미활용 공기 열원을 실내 급기에 활용하는 방안을 기획하였다. 제안하는 시스템은 액체식 PVT와는 다르게 겨울철 동파의 우려가 없이 관리가 용이한 공기식 시스템을 택하였으며, 수집 공기 열의 활용방안으로 환기 유입 공기의 예열 효과와 난방효과에 대한 가능성에 초점을 맞추었다. 따라서 필요 환기량이 많은 시설에서 적용성이 높을 것으로 기대한다. 대표적으로 학교는 면적당 재실 인원수가 많아 타시설에 비해 필요 환기량이 많은 시설이다. 특히, 재실자가 학생이라는 점에서 재실 스케줄이 일정하고, 냉난방 및 환기장치의 가동시간이 주간에 집중되기에 PVT 수집 공기열을 바로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구는 실증 실험을 수행하기 앞서 정량적인 개선 효과를 확인하기 위한 수단으로 시뮬레이션을 활용하였다. 모듈 후면부 배열이라는 미활용 열원의 활용성이 높은 난방기를 대상으로 진행하였다. 연구에서 제안하는 시스템의 효과를 확인하기 위해 기존 시스템과 비교를 수행하고, 난방 에너지의 절감 척도를 Electric Heat Pump (EHP) 전력사용량을 기준으로 산출하고자 한다. 특히, 겨울철 집열 온도가 높을 때는 Energy Recovery Ventilator (ERV) Bypass 모드를 활용하여 제안하는 시스템 제어를 통한 추가 개선 효과를 확인하고자 한다.
PVT-Air 연결 환기장치
시스템 소개
본 연구는 PVT를 통과한 가열 공기가 ERV의 유입 공기구에 연결되어 난방 기간 소요되는 에너지 사용량을 줄이고, PVT 발전량을 상승시키는데 목적이 있다.
이번 장에서 소개하는 PVT-Air 연결 ERV는 기존 ERV에 PVT-Air를 결합한 시스템이다. 여기서 기존 ERV란 실외 공기만을 급기로 활용하고, Bypass 모드 활용 없이 ERV의 전열교환 소자를 통해 실내에 열량을 공급하는 장치로 정의하였다.
PVT-Air 연결식 ERV는 기존 실외 공기를 비롯하여 PVT 후면 공기까지 실내 급기로 활용한다. 열원으로써 활용할 수 있는 선택지가 존재하는 만큼 제어조건에 따라 선택적으로 급기를 할 수 있도록 시스템을 설계하였다. ERV는 필요 환기량을 충족할 수 있는 용량으로 산정하였고, 완전 개폐식 덕트를 활용하여 ERV 가동시 일정한 기류를 공급하도록 설계하였다. 해당 시스템을 구성하는 설비 사양, 환기장치 계통도, 제어조건은 이후 순차적으로 제시하고자 한다.
설비 사양
본 연구의 시뮬레이션에 활용하는 EHP, ERV, PVT 사양 정보는 실증 실험을 위해 구축한 실제 사양을 정리하여 Table 1과 같이 정리하였다. 아래 제시한 각 설비에 대하여 조합비가 적용된 EHP, ERV 1대, PVT-Air 10대가 활용되었다. ERV는 서울시 소재 실제 교실에 설치된 사양을 사용하였으며 800 CMH 의 용량이다. EHP의 경우 실내기 1.5기에 해당하는 9.0 kW 으로 시뮬레이션을 진행하였고, 제조사에서 제공하는 실내기 대수 별 조합비에 따른 부분 부하 특성을 함께 시뮬레이션에 반영하였다. 또한, 재실 인원에 따른 실내 발열 등을 함께 고려하였다. 각 PVT-Air는 80 CMH 의 유량을 통해 후면 열원을 낮출 수 있도록 설계하였다.
Table 1.
Specification information of EHP,ERV, and PVT-Air
환기장치 계통도
제안하는 시스템의 ERV 계통도는 Figure 1과 같다. 빨간 점선으로 표시된 부분이 기존 ERV에 추가된 부분으로 난방기간 제어 조건에 따라 PVT 후면의 배열을 활용할 수 있게 설계하였다. 후술에서는 실내 공기온도를 TIN으로, 실외 공기온도를 TOUT으로, PVT 후면 공기온도를 TPVT으로 서술하고자 한다.
시스템 소개에서 언급했듯이 TOUT 공기만을 급기로 활용하던 기존 환기 방식과는 다르게 제안하는 시스템은 TOUT 공기와 TPVT 공기를 모두 급기로 활용한다. 본 계통도는 난방기 환기 시스템으로써 상대적으로 높은 온도의 공기를 급기하여 ERV의 전열교환 소자를 통해 열교환을 하거나 집열된 공기의 온도가 실내보다 높을 경우 난방 효과의 극대화를 위해 전열소자 Bypass를 통해 실내에 따뜻한 공기를 전달하는 것을 목표로 한다. 또한, 온도 상승으로 PVT 발전 효율이 저하되는 현상을 방지하기 위하여 TPVT 공기가 급기에 활용되지 않는 경우, Fan 3이 가동되어 지속적으로 TPVT 를 낮춘다.
계통도 내 댐퍼는 Figure 1와 같이 D1부터 D3까지 존재한다. 각 댐퍼의 개폐는 기류의 여부에 따라 완전히 개방되거나 폐쇄되도록 설계되었다.
시스템 제어조건과 구동 방식
본 연구는 시뮬레이션을 통해 기존 시스템 대비 제안하는 시스템에서의 개선 효과를 파악하는 것이 중요하므로 기존 시스템과 제안하는 시스템의 구동 방식을 모두 정의할 필요가 있다. 이에 대한 시스템 구동 방식은 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Control conditions and operating methods of the proposed system
기존 시스템(Reference)은 일반적인 ERV의 제어모드를 말하는 것으로 TOUT 공기만을 급기로 활용하기에 별도의 추가적 제어조건이 존재하지 않는다. 재실자의 스케줄에 따라 Fan 1은 급기를, Fan 2은 배기를, ERV는 전열 교환을 수행한다. 기존 시스템의 PVT-Air는 Fan 없이 자연대류를 통하여 PVT 후면의 열을 배출한다.
제안하는 시스템은 ERV 가동 시 상대적으로 높은 열원의 공기를 급기로 활용하기 위한 제어조건이 존재하고, PVT-Air의 고온 공기를 활용하기 위해 댐퍼 D2를 개방하여 TPVT 공기를 실내 급기로 활용하거나 Fan 3을 가동하여 지속적으로 TPVT 을 낮게 유지하는 시스템이다. 본 연구에서는 제안하는 시스템을 크게 ERV의 구동에 따라 전열 교환만을 활용하는 방식과 전열 교환과 Bypass를 모두 활용하는 방식으로 구분하였고, 각각을 ‘Proposed Ⅰ’, ‘Proposed Ⅱ’로 정의하였다.
Proposed Ⅰ은 선택적으로 높은 열원을 급기하기 위해 Case 1, Case 3, Case 4의 경우가 존재하고, Proposed Ⅱ는 제어 대상인 TIN 에 보다 높은 온도의 공기가 존재할 경우, Bypass를 가동하는 방식이므로 Case 2로 구분되며, 이외의 Case 3-4는 Proposed Ⅰ과 동일하다.
이 장을 기준으로 기존 시스템을 ‘Reference 시스템’, 제안하는 시스템을 ‘Proposed Ⅰ 시스템’, ‘Proposed Ⅱ 시스템’으로 구분하여 언급하고자 한다.
TRNSYS 시뮬레이션 구성
시뮬레이션 조건
서울 소재에 위치한 3개층 규모의 한 콘크리트조 중학교를 선정하였다. 최하층 및 최상층에서의 시뮬레이션 제약사항을 최소화하고자 2층에 위치한 8.1 m (폭) × 8.2 m (길이) × 2.4 m (천정고)인 1개의 교실을 대상 공간으로 지정하였다. 대상 공간에는 교사를 포함한 총 31명의 재실자 정보가 있으므로 시뮬레이션의 전제조건으로써 필요 환기량과 내부 발열량을 다음과 같은 기준으로 산출하였다.
필요 환기량은 학교보건법 시행규칙 [제3조 별표 Ⅱ] 환기·채광·조명·온습도의 조절기준과 환기설비의 구조 및 설치 기준(MOLEG, 2022)을 통해 21.6 m3/(h·Person) 이상이 되도록 산정하였고, 실제 교실은 요구 환기량을 충분히 만족시키는 800 CMH 급 ERV가 설치되었다. 내부 발열량은 ASHRAE Standard 자료(ASHRAE, 1973)에 따라 책상에 앉아있는 상태에서의 발열량 60 W/Person 으로 산정하였다. 마지막으로 적정 실내온도는 국제표준 ISO 29341-6-16 (2017)에 따라 20℃를 유지하도록 설정하여 ERV가 공급한 열량에서 부족한 에너지량 만큼 EHP가 공급하도록 하였다.
그 밖에 시뮬레이션에 필요로 하는 시뮬레이션 조건을 Table 3과 같이, 대상 공간의 경계조건을 Table 4와 같이 정립하였다.
Table 3.
Simulation conditions
Table 4.
Boundary conditions of 2F target space
| Element | Area (m2) | U-Value (W/m2.K) |
| External wall | 39.12 | 0.210 |
| Corridor wall | 19.44 | 0.348 |
| Internal wall | 19.68 | 0.432 |
| Window | 19.44 | 1.270 |
| Ceiling & Floor | 66.42 | 3.040 |
시뮬레이션 모델
TRNSYS 18을 통한 시뮬레이션 모델은 Figure 2와 같다. 대상 공간의 재료 물성치, 기상데이터, 설비사양, 환기장치 계통도, 그리고 시스템 제어조건을 반영하였다. 실제 결과를 묘사하기 위하여 모델에 반영한 핵심적인 구성요소를 Table 5에 명시하였다.
Table 5.
Component models and description of the TRNSYS project
시뮬레이션 결과 및 분석
시뮬레이션은 방학기간인 1월을 제외한 난방 기간인 11월에서 3월까지의 기간을 대상으로 수행하였다. 따라서, 제시하는 데이터는 1월을 제외한 11월부터 4개월간의 시뮬레이션 결과이다.
PVT-Air 공기온도의 데이터 검증
본 연구는 PVT 후면의 배열 활용을 제안하는 것으로 서울 기상데이터를 토대로 도출되는 TPVT의 상관관계를 확인할 필요가 있다. 아래 Figure 3은 TOUT와 Collector 입사 일사량의 변화 따른 TPVT의 변화를 보여주는 자료로, 왼쪽부터 TOUT – TPVT, Collector 입사 일사량 – TPVT의 관계 그래프이다. 표준기상데이터를 Reindl의 직산분리 모델(Reindl et al., 1990)을 활용하여 경사면 일사량을 계산하였고, 각 그래프는 ERV Sig의 On/Off를 나누어 구분하였다.
ERV Sig Off인 경우는 하루 중 일사량이 없는 시간대와 주말의 주간 시간대로 구분할 수 있다. 왼쪽 그래프에서 일사량이 없는 시간대는 TPVT가 TOUT와 비슷한 수준으로 계산되다가 주말 낮 시간과 같이 일사량이 존재할 때는 환기로 인한 팬 가동이 없기 때문에 TPVT 온도가 크게 상승한다. 유사하게, 오른쪽 그래프에서 Collector 입사 일사량에 따라 두 제어모드에서 TPVT가 상승하는 그래프를 보였으나, 후면부 배기를 하지 않은 경우에는 온도가 상대적으로 크게 증가하였다. 그러나 실질적으로 PVT의 열원을 활용하는 부분은 파란색으로 표시된 ERV Sig On 케이스이다.
시스템 제어조건의 구동
개선 효과를 확인하기 앞서 Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템에서 부여했던 제어조건의 구동을 확인할 필요가 있으므로 Figure 4에 데이터를 제시하였다. 제어조건은 환기장치가 가동이 되는 주중으로 한정해야 하므로, 환기장치를 가동하지 않는 주말에 집계된 데이터는 회색 음영으로 표현하였고, Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템에서의 TIN, TOUT, TPVT 변화 양상과 온도조건에 따라 On/Off로 출력되는 Signal을 제시하였다. ERV Signal은 환기장치 가동 스케줄에 따라 적절하게 On으로 출력되었고, ERV Signal이 Off인 경우 3가지의 Case Signal은 모두 Off임을, ERV Signal이 On인 경우 특정 Case Signal은 On이되, 각 Case Signal은 동시에 켜지지 않음을 확인하였다. 또한 각 온도대에 따라 주어진 제어 신호대로 결과가 일치하는 것을 확인하였다.
실내 공급 공기온도 비교
아래 Figure 5은 Reference 시스템과 ProposedⅠ,Ⅱ 시스템에 대하여 실내에 공급되는 공기온도의 변화를 나타낸 것이다. 시스템 간의 명확한 비교를 위해 12월 데이터를 대표로 제시하였고, 실내에 유입되는 공기온도가 ProposedⅡ 시스템, ProposedⅠ 시스템, Reference 시스템 순으로 높음을 확인하였다. 이를 바탕으로 PVT-Air 후면 가열 공기를 급기로써 활용하는 방식이 난방 에너지 절감 측면에서 효과가 있음을 확인할 수 있었고, 적절한 Bypass 운전 방식이 추가적인 에너지 절감 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
PVT-Air 발전량 차이 비교
시간별 일사량 데이터와 함께 Reference 시스템과 Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템에서의 PVT-Air 발전량 데이터를 Figure 6에 제시하였다. 앞서 언급했듯이 Reference 시스템과 다르게 Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템은 모듈 당 80 CMH 의 유량으로 후면의 열을 배출한다. 후면 배기를 통해 얻을 수 있는 추가 발전량은 1개의 모듈 당 아래와 같은 차이를 보였고, Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템 간의 발전량 차이는 존재하지 않았다.
EHP 전력사용량 및 PVT-Air 전력발전량 종합비교
EHP는 20℃의 설정 온도를 목표로 사용된 난방 에너지를 전력사용량으로 산정하였고, PVT-Air는 10개 모듈을 기준으로 전력발전량을 산정하였다. 단, Proposed Ⅰ,Ⅱ 시스템에서는 Fan 3을 추가적으로 활용하였으므로 EHP 전력사용량에 Fan 3의 전력사용량을 포함하여 산출하였다.
Fan 3의 전력사용량은 2.08 kWh의 수준으로 집계되었고, 함께 활용한 Fan 1,2의 전력사용량은 267.71 kWh로 집계되었다. 이는 ERV Signal이 On인 경우 가동되는 Fan 1,2와 Case 4 Signal이 On인 경우 가동되는 Fan 3의 운전시간 차이에서 나타났다.
Figure 7에는 전력사용량의 누계값과 전력발전량의 누계값을 각각 파란색 막대그래프와 빨간색 막대그래프로 제시하였다. 도출한 결과에 따르면 EHP의 전력사용량은 Reference 시스템 대비 ProposedⅠ 시스템에서 약 6.3%의 절감을, ProposedⅡ 시스템에서는 약 9.4%의 절감을 보였고, PVT-Air 발전량은 Reference 시스템 대비 ProposedⅠ 시스템과 ProposedⅡ 시스템에서 모두 약 5.2%의 개선을 보였다.
결론 및 고찰
본 연구에서는 PVT-Air와 ERV를 결합하여 PVT 후면부 미활용 배열을 활용하는 것을 주제로 시뮬레이션을 진행하였다. 미활용 배열로 얻어진 공기는 제어조건에 따라 실내의 급기로 활용됨으로써 EHP 전력사용량을 기준으로 난방 에너지를 절감할 수 있음을 확인하였고, 절감효과는 전열 교환만을 활용한 방식보다는 전열 교환과 Bypass를 함께 활용한 방식에서 더 큰 개선이 있음을 확인하였다. 후면부 배열을 활용함으로써 Reference 시스템과 비교하여 PVT 후면 온도를 낮출 수 있어 발전효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 필요 환기량이 많은 교육 시설을 대상 공간으로 한정함으로써 제안하는 시스템의 효과를 확인하였다. 이는 유사한 교육 시설을 표준으로 난방 에너지 절감 효과를 제시할 수 있을 것이고, 공간의 용도와 규모에 따라 제안하는 시스템의 개선 효과는 변화가 있을 것으로 예상한다.
추후에는 교육 시설 대상 Mock-Up 실험을 수행하여 측정을 통한 개선 효과를 시뮬레이션을 통한 개선 효과와 비교하고자 한다.
