A Study on Control Strategy and Applicability of a PVT-Based Dual Source Heat Pump System for Residential Buildings Heating Energy Reduction = 공동주택 난방에너지 절감을 위한 PVT-이중 열원 히트펌프 시스템의 제어 전략 및 적용성 검토

국문 초록 (Abstract)

지구의 온도 상승으로 인해 에너지 사용량 절감과 온실가스 배출 저감의 필요성이 지속적으로 높아지고 있다. 국내에서는 특히 건축물 부문이 에너지 소비가 큰 분야 중 하나로 건축물에서의 에너지 절감이 필수적이다. 건축물 중 공동주택은 높은 에너지 사용량을 보이며 연간 에너지 소비에서 큰 비중을 차지하는 것으로 나타났다. 또한 공동주택의 에너지 사용 항목 중 연간 난방에너지 사용량이 가장 큰 것으로 나타나 난방에너지 절감을 우선적으로 고려해야 한다. 이러한 실정에서 히트펌프 시스템은 보일러 대비 3~5배의 효율을 가지며 온실가스 배출 절감에도 기여하는 것으로 알려져 이를 건축물에 도입하려는 시도가 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 단일 열원 히트펌프의 경우에는 외부조건 및 기후 등에 따라서 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구의 목적은 이중 열원 히트펌프 시스템을 구성하고 공동주택의 바닥복사난방에 적용하여 히트펌프 시스템의 적용가능성을 검토하는 데에 있다.
연구의 방법으로는 우선 현재 공동주택에 적용되는 난방 시스템과 거주자의 난방 방식 선호도, 그리고 히트펌프 시스템에 대한 예비적 고찰을 진행하였다. 이후 해당 내용을 바탕으로 이중 열원 히트펌프의 적용가능성 검토를 위한 시스템을 구성하고 이를 시뮬레이션 모델로 구현하였다. 이후 전체 난방기에 걸쳐 시스템별로 에너지 사용량, 탄소배출량 및 운전비용을 분석하였다.
시뮬레이션 결과 보일러 시스템 대비 ASHP, SAWSHP, DSHP의 에너지 사용량과 탄소배출량이 감소하는 경향을 확인하였다. 또한 보일러 시스템 대비 히트펌프 시스템의 운전비용 역시 감소함을 확인하였다. 다만 기존 제어 방식에 따른 DSHP의 결과는 국내 동절기의 낮은 외기온 조건에서 ASHP 운전이 에너지 사용량 측면에서 더 유리할 수 있음에도 불구하고 이러한 특성이 제어 로직에 충분히 반영되지 않아 비효율적인 운전이 발생하는 경향을 보였다. 이에 DSHP, ASHP, SAWSHP의 5분 단위 서울 지역 데이터를 활용하여 시스템 성능에 영향을 미치는 인자를 학습시키고, 학습된 모델을 기반으로 유사 기후의 인천과 상이한 기후의 부산에 적용하여 DSHP를 제어하고 그 효과를 보고자 하였다.
그 결과 인천과 부산지역 모두 학습제어를 적용하였을 경우 에너지 사용량이 추가로 절감되는 것을 확인하였으며 이를 통해 학습제어를 적용하였을 때 히트펌프 시스템의 적용가능성이 증가할 수 있음을 확인하였다. 그러나 본 연구에서는 급탕 부하를 포함하지 않았고 중앙식 시스템을 구성하는 것으로 가정하였으나 배관 열손실과 펌프 동력을 고려하지 않은 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 급탕 부하를 포함한 연간 운전 평가와 더불어 배관 열손실 및 펌프 동력을 포함한 시스템 모델을 기반으로 적용성 평가에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the rise in global temperature, the need to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions has been continuously increasing. In Korea, the building sector is one of the major energy consuming sectors, making energy reduction in buildings essential. Among building types, apartment buildings show high energy consumption and account for a large share of annual energy use. In addition, among the energy use categories in apartment buildings, annual heating energy consumption has been identified as the largest, indicating that heating energy reduction should be considered as a priority. Under these circumstances, heat pump systems are known to have efficiencies 3–5 times higher than boilers and to contribute to the reduction of greenhouse gas emissions, and thus continuous efforts have been made to introduce them into buildings. However, single source heat pumps experience performance degradation depending on outdoor conditions and climate. Therefore, the objective of this study is to configure a dual source heat pump system and examine the applicability of heat pump systems by applying it to radiant floor heating in apartment buildings.
As the research method, a preliminary review was first conducted on heating systems currently applied in apartment buildings, residents’ preferences for heating methods, and heat pump systems. Based on this review, a system for examining the applicability of a dual-source heat pump was configured and implemented as a simulation model. Subsequently, energy consumption, carbon emissions, and operating costs were analyzed for each system over the entire heating period.
The simulation results indicate that the energy consumption and carbon emissions of ASHP, SAWSHP, and DSHP tend to decrease compared to those of the boiler system. In addition, the operating costs of the heat pump systems were also found to decrease compared to the boiler system. However, the results of the DSHP based on the conventional control strategy showed a tendency toward inefficient operation, as the characteristic that ASHP operation can be more favorable in terms of energy consumption under the low outdoor temperature conditions of the Korean winter was not sufficiently reflected in the control logic. Accordingly, 5-minute interval data for DSHP, ASHP, and SAWSHP in Seoul were used to learn the factors influencing system performance, and based on the trained model, DSHP control was applied to Incheon, which has a similar climate, and to Busan, which has different climatic conditions, in order to evaluate its effectiveness.
As a result, additional reductions in energy consumption were observed in both Incheon and Busan when learning-based control was applied, confirming that the applicability of heat pump systems can be increased through the application of learning-based control. However, this study has limitations in that domestic hot water load was not included, and although a central system configuration was assumed, piping heat loss and pump power were not considered. Therefore, future research is considered necessary to evaluate applicability based on a system model that includes domestic hot water load as well as piping heat loss and pump power consumption

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background and Purpose 1
• 1.2 Research Scope and Methodology 3
• Chapter 2. Preliminary Review of Heat Pump Integrated Radiant Floor Heating Systems 5
• 2.1 Prior Studies on Radiant Floor Heating in Residential Buildings and Heat Pump – Integrated Systems 5
• 2.2 Overview of Radiant Floor Heating and Heat Pump Integrated Systems 10
• 2.2.1 Types and Overview of Heat Pumps 10
• 2.2.2 Current Status of Radiant Floor Heating in Residential Buildings 15
• 2.2.3 Application of Renewable Energy as an Auxiliary Heat Source 16
• 2.2.4 Challenges of applying heat pumps in residential buildings 18
• 2.3 Summary 19
• Chapter 3. System Configuration and Evaluation Methods for Heat Pump Integrated Heating Systems 21
• 3.1 System Overview 21
• 3.1.1 Building Modeling and Loads 21
• 3.1.2 System Capacity Sizing 23
• 3.2 System Configuration 28
• 3.2.1 Individual Boiler – RFH (Radiant Floor Heating) 28
• 3.2.2 ASHP (Air Source Heat Pump) – Thermal Storage Tank - RFH 29
• 3.2.3 PVT (Photovoltaic-Thermal) – Thermal Storage Tank – WSHP (Water Source Heat Pump) - Thermal Storage Tank – RFH 30
• 3.2.4 PVT – Thermal Storage Tank – DSHP (Dual Source Heat Pump) – Thermal Storage Tank – RFH 32
• 3.2.5 A Summary of the Case 33
• 3.3 Evaluation Methods 34
• 3.3.1 Primary Energy Use 34
• 3.3.2 Carbon Emissions 35
• 3.3.3 Heat Pump and System COP 35
• 3.3.4 Operating Cost 36
• 3.4 Summary 36
• Chapter 4. Control Strategy and Applicability Analysis for a PVT-Based Dual Source Heat Pump System 37
• 4.1 Results under the Existing Control Strategy 37
• 4.1.1 Comparison of Primary Energy Consumption 37
• 4.1.2 Comparison of Carbon Emissions 44
• 4.1.3 Monthly Comparison of Heat Pump COP and System COP 45
• 4.1.4 Comparison of Operating Costs 47
• 4.1.5 Limitations of Existing DSHP Control 48
• 4.2 Sensitivity Analysis of Influencing Factors and Proposed Control Strategy 49
• 4.2.1 Analysis Scope and Objectives 49
• 4.2.2 Data Configuration and Daily Indicator Matching 50
• 4.2.3 Analysis Model Development 51
• 4.2.4 Sensitivity Analysis Results 51
• 4.2.5 Proposed Control Strategy 53
• 4.3 Analysis of Results 54
• 4.4 System Applicability Analysis Based on the Results 56
• 4.4.1 Heating Performance According to Heat Pump Capacity 56
• 4.4.2 Compensation for the Limitations of Single Source Heat Pump 58
• 4.4.3 Comparison of Energy Use, Operating Cost, and CO₂ Emissions 60
• Chapter 5. Conclusion 61
• Bibliography 64
• Abstract in Korean 68