기술ㆍ연재


CO2를 열 및 물질 전달 유체로 이용하는 지역냉난방 에너지망

월간 에너지관리
2019-02-07

지역냉난방.jpg

 

Henchoz S, Favrat D, Girardin L, Marechal M – 스위스

 

온도범위 10~16°C인 제5세대 소형 지역냉난방망은 분산형 히트펌프용 열원과 공기조화 및 한기원, 냉장이나 열병합 발전용 열흡수원을 제공하므로 에너지 절약 면에서 큰 잠재력이 있다. 이 네트워크는 동절기의 난방용 히트펌프와 하절기용 열방산 장치로 운영하며 에너지 균형을 맞춘다. 

기본적으로 사용자 간의 시너지 효과를 내고 건물에 굴뚝이나 냉수탑이 없는 도시 개념을 실현할 수 있다. 이 개념은 전달유체(CO2)의 잠열을 이용한다는 개념과, 포화 CO2 증기관과 포화 CO2 액체관 개념을 기초로 하고 있다. 연구 결과 도시 지역에서는 기존 기술보다 더 적은 비용으로 최종 에너지의 최고 80%까지 절약할 수 있었다.

 

서론
전 세계의 인구는 도시를 중심으로 증가하고 있으며, 에너지 효율 개선 전략을 생각했을 때 도시의 에너지 공급은 매우 중요한 부분이다. 그러나 건물의 에너지 개선에 투자하는 건물주의 의사에 차이가 있으므로 건물도 서로 차이가 있다. 

그 결과 도시 내에서 에너지 요구와 건물에 필요한 온도 수준에 차이가 생기는 경향이 있다. 더욱이 데이터 센터를 포함하여 상점과 사무실이 많은 도심 지역의 냉방 부하는 증가하는 추세이다. 그리하여, 이미 인구가 밀집된 도시는 냉방과 난방 네트워크가 모두 증가하고 있다.


온도 이질성이라는 건물 요건에 직면해 분산형 히트펌프가 있거나 없는 중~저온 지역난방(DH) 시스템이라는 개념이 나와 구현되고 있다. 다른 개념으로는 냉방과 난방을 조합한 극저온 네트워크가 있는데 여기에서는 전달유체가 냉방 목적의 냉방 네트워크 기능을 하고 분산형 히트펌프 건물에 증발열을 공급한다. 

이런 건물은 개별 히트펌프가 각 건물이 필요로 하는 온도 수준에 맞춰 열기를 공급하고 4-관이 아닌 2-관 시스템이어서 효율이 더 좋다는 이점이 있다. 그러나 엑서지 손실을 제한해야 하고, 또 이런 시스템은 물의 비열이 토대가 되므로, 공급관과 반환관 사이 온도차를 줄일 필요가 있다(몇 도 정도 낮춰야 함). 

 

즉, 물을 대량 수송해야 하므로 큰 파이프와 트렌치가 필요하다. 여기에서는 냉매인 동시에 에너지 전달 유체 구실을 하는 CO2를 잠열로 이용하는 극저온망이라는 매우 간소한 대안에 대한 몇 가지 논문을 정리해 보았다.
나아가 CO2는 동결 위험이 없으므로 노상에 설치해도 동파 방지 깊이가 중요하다는 등의 문제가 없다. 

물을 이용하는 극저온 DHC 냉난방 네트워크처럼 온도 수준이 주변의 대지와 비슷하므로 단열 요건도 배수로 폭 요건 정도로 최소한으로 맞추면 된다. 나아가 온도 수준은 열저장이나 지열 포획을 위한 수직 탐침과 일치한다. 이런 네트워크를 이용하는 여러 다른 대안에 대해 다음 단락에서 설명하였다. 제5세대 DHC라는 용어는 Lund et al.[표 1]에서 정의한 소위 저온 4세대망과 혼돈을 줄이기 위해 사용하였다는 점을 양지하기 바란다.

 

중략....

 

출처 : HPT/01. 2018

 

 

페이지_ 교정-히트펌프 공조-8월호-01-104.jpg

<그림 1a> 하절기 CO2-기반 DHC 네트워크의 중앙 시설과 최초 사용자(하늘색 파이프 =증기관, 암록색 파이프 = 액체관)

<그림 1b> 동절기 CO2-기반 DHC 의 중앙 시설과 최초 사용자