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열과 물질 이동 유체로 CO2를 이용하는 지역냉난방 에너지망

관리자
2019-02-08

열과 물질 이동 유체로 CO2를 이용하는 지역냉난방 에너지망

 

Henchoz S 외  – 스위스

 

온도 범위가 10~16℃인 5세대 소형 지역의 냉난방망은 분산형 난방 히트펌프의 열원과 공기 조화용 한기원 및 냉장이나 열병합 발전용 열 흡수원을 제공하여 에너지를 절약할 수 있는 커다란 잠재력이 있다. 동절기에 가동하는 난방용 히트펌프와 하절기용 방열기를 중앙에 설치하여 망의 에너지 균형을 잡을 수 있다. 

일반적으로 사용자 간 공동상승 효과를 촉진하고 건물에 연통이나 냉각탑 없는 도시개념을 완성할 수 있다. 이런 개념 중 하나가 한 쪽은 포화된 CO2 증기관, 한 쪽은 포화된 CO2 액체관으로 열전달 유체(CO2)의 잠열을 이용하는 것이다. 연구를 통해 도시에서 최종 에너지의 80%까지 절약할 수 있었고, 비용은 기존 기술보다 더 낮은 것으로 나타났다.

 

서론
도시 지역은 전 세계적으로 인구 증가가 두드러진 곳이다. 따라서 개선된 에너지 효율 전략을 고려한다면 도시의 에너지 공급은 매우 중요한 부분이다. 그러나 건물 에너지 혁신에 대한 건물 소유주의 의지에 차이가 있으므로 건물에도 차이가 있다. 그 결과 도시의 특정 부분에서 에너지 요구와 필요 온도 수준에 차이가 나는 경향이 있다. 더욱이 데이터센터를 포함해 상가와 사무실이 많은 도심으로 갈수록 냉각 부하는 증가하는 경향이 있다. 그리하여 이미 붐비는 도시는 지하 냉난방망이 모두 증가하고 있다. 

 

건물이 요구하는 온도의 이질성에 직면하여 분산형 히트펌프가 있거나 없는 중~저온 지역난방(DH) 개념이 나와 구현되었다. 다른 개념은 열전달유체가 냉각용 냉방망 역할을 하며 분산형 히트펌프 난방 건물에는 증발열을 공급하는 극저온망 냉난방 조합(DHC)공급 개념이 있다. 이런 건물은 개별 히트펌프가 각 건물에 딱 필요한 온도가 되도록 열을 공급하고 4-관이 아닌 2관 시스템으로 되어 있어 효율이 훨씬 좋다. 그러나 이런 시스템은 오로지 물의 비열에만 의존하므로 에너지 손실을 제한하려면 공급관과 순환관(몇 도 정도 더 떨어진다)의 온도 차를 줄여야 한다. 

 

즉 다량의 물이 이동하므로 관과 홈통에 대한 요구도 크다. 여기에서는 CO2의 잠열을 냉방과 에너지 전달 유체 양면으로 이용하며 크기는 훨씬 작은 초저온망 대안에 대한 논문을 몇가지 요약하였다. 나아가 CO2는 동결 위험이 없으므로 거리에 설치할 때 동결 보호를 위해 일정 깊이 이상 묻어야 하는 등의 제한이 없다. 물을 이용하는 극저온 DHC 냉난방망처럼 온도 수준이 주변 땅의 온도에 가까우므로 단열 요구도 최소로 줄일 수 있어 배수로 폭에서도 이득이 있다. 나아가 온도 수준은 열저장이나 지열 수집용 지상 수직 탐침 온도와 일치한다. 

다음 절에서는 이런 망의 여러 다른 대체 용도를 설명한다. [7, 표 1]에서 Lund et al.이 리뷰한 저온 4세대와 구분하기 위해 5세대 DHC라는 용어를 사용하였다.

 

5세대 DHC 설명
그림 1a와 1b는 중앙설비와 1차 사용자로 이루어진 하절기와 동절기 망이다. 이 망은 포화 액체관 하나와 포화 증기관 하나로 되어 있으며, 둘 다 포화 온도 범위는 10~16°C이다. 여름철에는 액체관에서 액체를 증발시켜 증기 형태로 증기관으로 배출하는 외기냉방을 한다.

 

겨울에는 증기관의 증기가 분산형 히트펌프의 응결기-증발기에서 응결되어 액체관으로 배출된다. CO2증기를 직접 사용하는 옵션도 있으며, 특히 무-오일 압축기를 쓰는 초임계 히트펌프의 고온수 용으로 사용할 수 있다.전체적으로 상대적 냉난방 요구도에 따라 파이프 내부의 흐름이 양방향으로 모두 이동할 수 있어 두 가지 기능이 동시에 필요할 때 열을 회수할 수 있으며, 중앙설비는 지표수 (호수, 바다, 강), 지열 탐침, 산업용 폐기물 열원 같은 고차원 환경 열원을 이용하여 에너지 수요 균형을 맞춘다.

 

 

중략...

 

출처 : HPT Magazine