전기화 공동주택의 히트펌프 운전 방식에 따른 에너지 사용량 변화에 관한 해석적 연구

• Published in: 설비공학 논문집, 37(7) pp. 332 - 341
• Main Authors: 장창원, 김동우, 윤린
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.07.2025
• Subjects: 기계공학
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611

본 연구는 공동주택의 난방시스템 설계 및 중앙 히트펌프와 분산 히트펌프를 활용한 난방 시스템에서 에너지 소비량을 최소화하는 중간 온도 최적화를 수행하였다. 시스템 에너지 분석과 최적화 결과와 원인을 개별 세대의 난방부하, 히트펌프 성능, 지중 온도와 관련지어 분석하였고, 주요 결론은 다음과 같다. (1) 중간 온도별로 에너지 소비량을 비교한 결과, 중간 온도 25℃에서 총 10,502 kWh로 가장 낮은 에너지 소비량을 나타냈다. 중간 온도가 상승할수록 중앙 히트펌프 소비는 증가, 분산 히트펌프 소비는 감소하는 경향을 보였다. (2) 최적화 전 COP 분석 결과, 중앙 히트펌프는 최대 7.5, 최소 4, 분산 히트펌프는 최대 8, 최소 3으로 나타났다. 중간 온도가 높을수록 COP는 감소하며, 25℃에서 중앙 COP는 5.5, 분산 COP는 4로 확인되었다. (3) 중앙공급 형 시스템은 총 소비량 19,798 kWh, COP는 3으로, 케스케이드 형(25℃, 10,502 kWh)보다 9,296 kWh 더 소비하였다. 이는 케스케이드 형이 중앙공급 형에 비해 에너지 소비량을 약 47% 절감하는 것을 확인할 수 있다. (4) 중앙 및 분산 히트펌프의 에너지 소비량의 총합을 최소화하고 이에 따른 중간 온도를 산출하였다. 난방부하가 가장 높은 자정 12시에서 오전 6시 구간에서는 31℃로 가장 높은 중간 온도를 나타냈고 난방부하가 가장 적은 정오 12시에서 오후 6시 구간에서는 18℃로, 가장 낮은 중간 온도가 나타났다. 1월 한 달간 에너지 소비량 총합 최솟값은 10607.477 kWh이다. (5) 최적화 결과를 바탕으로 대표일인 1월 20일의 시뮬레이션을 수행한 결과, 난방부하는 새벽 3시(3 AM)에 131.1 kWh로 가장 높고, 오후 3시(3 PM)에 22.5 kWh로 가장 낮았다. 축열량은 자정(12 AM)에 306.7 kWh로 최대, 오후 1시(1 PM)에 20.4 kWh로 최소로 나타났다. 중앙 히트펌프는 낮 시간대에 에너지 소비가 감소, 분산 히트펌프는 낮 시간대에 소비가 증가하는 경향을 보였다. 본 연구는 전기화 건물 에너지 시스템 설계와 최적화에 있어 중요한 기초 자료를 제공하며, 탄소중립 목표 달성을 위한 에너지 효율적인 건물 관리에 기여할 것으로 기대한다. We simulated a heating system in an electrified apartment to optimize the intermediate temperature for a thermal energy storage tank and minimize energy consumption using TRNSYS. The system, designed for an apartment building with 50 households, consists of a cascade-type and a central supply-type heat pump system. To evaluate performance, we compared the energy consumption of both configurations. The optimization process divided the day into four 6-hour periods and was conducted over a one-month period (January). The highest intermediate temperature, 31℃, was observed between midnight and 6 AM when the heating load was at its peak, while the lowest temperature, 18℃, occurred from noon to 6 PM when the load was minimal. The minimum total energy consumption for January was determined to be 10,607.477 kWh. KCI Citation Count: 0