기술ㆍ연재


블랙박스를 열어보자 : 보어 홀 열저장 사례 연구

월간 에너지관리
2023-05-06

Tobias Dokkedal Elmoe / 덴마크


Energy Machines 검증 툴(EMV, Energy Machines Verification tool)은 물리적인 측정 방식을 기본으로 하는 하드웨어/소프트웨어 통합 솔루션이다. 서비스 REST API(REpresentational State Transfer Application Programming Interface) 및 히트펌프 열역학 모델을 통해 이러한 데이터를 투명한 온라인/실시간 성능 모니터링을 제공하고 과거 기록 데이터를 분석한다. 여기서는 기존 플랜트에서 이 도구와 에너지 미터의 조합을 사용하여 시스템 COP와 보어 홀 열 저장(Borehole Thermal Storage, BTES)의 음의 에너지 균형을 분리함으로써 BTES 내부의 잠재적인 장기 온도 강하를 예측하고 방지하는 사례 연구를 제시한다.


<그림 1> R410A의 p-h 다이어그램. 히트펌프의 열역학 주기를 나타내며 EMV의 필수 온도/압력 측정값을 나타낸다. Energy Machines 히트펌프에는 모든 관련 센서가 기본적으로 설치되어 있으므로 추가 설치 없이 EMV 옵션을 활성화할 수 있다.


EM(Energy Machines)은 건물용 통합 에너지 시스템 설계, 구현 및 운영 분야의 선두 업체이다. EM은 표준화된 부품 설계를 사용하므로 제어 시스템의 복잡성을 줄일 뿐만 아니라 재사용 및 확장 가능한 모듈로 설계를 구성하므로 품질과 기능을 보장할 수 있다. EM은 시뮬레이션 플랫폼을 통해 히트펌프 시스템용 디지털 솔루션을 개발하고 있다. 

따라서 EM은 히트펌프의 디지털화에 중점을 두고 있으며, 이와 관련하여 HPT Annex 56의 덴마크 작업 그룹 중 “히트펌프를 위한 디지털화 및 IoT”에 참여하고 있다. BTES(Borehole Thermal storages)를 활용하는 지열원 히트펌프는 높은 에너지 효율을 제공하는 가장 유연성 높은 히트펌프 중 하나이다[1]. 새 BTES를 설계할 때는 온도가 영하 이하로 떨어지지 않도록 주의해야 한다. 지하 저장장치의 수명은 일반적으로 25년으로 설계되어 있다. 실제로, 봄과 초여름에는 외기 냉방 모드로 과도한 건물 열을 방출하고, 여름에는 더운 쪽의 열을 보어 홀 안으로 배출하는 능동 냉방으로 현장에서 제어된다. 

<그림 2> 시스템의 열 흐름 모식도 에너지 미터는 건물 에너지 흐름(Qi, building/Qo, building)을 모니터링하며 , 전기 미터는 압축기 출력(Qc, 1 ~ Qc, 3)을 측정하고, EMV는 열원 Qi, 1 및 Qi, 2 를 계산하는 데 사용된다 . HP1 및 HP2의 일부 출력 에너지는 HP3에 입력되는 에너지로 재활용된다. 그런 다음 에너지 균형을 사용하여 Qo, BHS 및 Qi, BHS, 보어 홀 저장소의 배출구 및 유입구를 각각 결정할 수 있다.


보어 홀로 들어가는 전력을 추정하기 위해 현장 주변에 열 에너지 미터를 배치할 수는 있지만 비용이 많이 들고 대부분의 응용 분야에서 에너지 미터는 건물 인터페이스(난방/냉방 측)만 측정하도록 제한되어 있다.여기서는 스웨덴 소재EM(Energy Machines) 설비에 대한 사례 연구를 소개하며, 설비에서 발생하는 총 난방/냉방 산출량을 조사하고, 이 현장에 연결된 BTES에서 발생하는 열저장과 열회수 사이의 불균형을 조사하고자 한다. 

이를 위해 우리는 기존 에너지 미터와 함께 Energy Machines 검증 도구(EMV)를 적용하여 난방/냉방 시스템의 에너지 흐름에 대한 “블랙 박스”를 열어본다. EMV는 그림 1에 나와 있는 것처럼 냉매 압력 및 온도를 동시에 여러 번 측정한 결과 및 해당 냉매의 열역학 특성에 대한 지식을 활용한다. EMV는 기계에 필요한 모든 센서가 이미 장착되어 있으므로 모든 EM 시설의 옵션으로 “즉시 사용 가능한” 상태로 제공된다. 이 서비스는 주로 자동화된 실시간 클라우드 서비스 기능으로 사용되지만, 기록 데이터를 분석하고 에너지 엔지니어, 건물 자산 관리자 또는 난방/냉방 시스템의 성능에 관심이 있는 다른 사람들에게 정보를 제공하기 위해 서비스를 호출할 수도 있다.

이 연구의 목적은 EM 시설물의 성능, 그 중에서도 특히 총 열 및 냉방 산출량 대 에너지 미터에서 측정된 난방 및 냉방, 보어 홀 저장소에 부과되는 에너지 불균형에 초점을 맞추어 결과를 보다 자세히 파악하는 것이었다. 이러한 통찰력을 통해 시스템 제어를 개선하여 보어 홀의 장기적 동결을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 실제 시스템 COP를 이해할 수 있다.


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월간 에너지관리 2023년 5월 게재