해수히트펌프시스템의 제어방법에 관한 사례연구

손지훈(Ji-Hoon Son),이호생(Ho-Saeng Lee),김현주(Hyeon Ju Kim),장기창(Ki-Chang, Jang) 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

전세계적으로 1960년대 이후로 석유를 사용하기 시작한 이후에 석유는 화석에너지로서 물질문명의 발전을 가져온 반면, 환경오염 및 자원의 고갈 등 많은 문제점을 발생시켜 왔다. 향후 인간의 생존을 위해서는 새로운 대체 에너지원이 필요하게 되었고, 현재까지 수많은 연구와 개발이 진행되면서 다양한 에너지원을 사용하는 신재생 에너지 분야의 연구와 개발이 주목을 받게 되었다. 그중에서도 해수는 계절에 따른 기온변화에 비해 수온의 변동이 적은편이어서, 그 온도차를 에너지원으로 이용할 수 있다. 다양한 장점을 보유한 해수열에너지를 경제성과 효율이 좋은 히트펌프에 적용한다면 높은 에너지 절감효과가 기대된다. 히트펌프는 많은 장점을 보유하고 있지만 시스템의 성능과 효율에는 한계가 존재하고, 더 높은 성능과 효율을 기대하기 위해서는 적절한 제어가 필요하다. 이에 본 연구에서는 해수를 사용하는 히트펌프시스템에 대해 정의하고, 현재 국내외 해수열원 히트펌프 시스템을 적용한 실제 건물의 히트펌프 및 냉난방시스템에 대한 사례를 분석하고 고찰하여, 현재 해양심층수연구센터에 적용되어 있는 히트펌프 시스템의 제어방법과 비교하여 향후 해수를 열원으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법에 대한 좋은 대안을 제시해보고자 한다. Since its global use starting in the 1960s, oil as fossil fuel has brought about problems such as environment pollution and its own depletion as well as development of the material civilization. For future human survival, new alternative energy sources are needed and amongst the current numerous studies and developments, studies in the field of new and renewable energy, which has unlimited resources, is the center of attention. Among these new energies, seawater has a great difference in temperature according to the season. Applying the multi-advantageous seawater heat source to the economic and highly efficient heat pumps would yield great energy reduction effects. Heat pumps have many advantages but limited system function and efficiency; management is required to expect higher function and efficiency. This study defines heat pump systems that make use of seawater and investigates and analyzes actual domestic and foreign cases of heat pumps and cooling and heating systems in buildings that have adapted seawater heat source-based heat pump systems. By comparing the results to the heat pump systems currently applied in the Deep Ocean Water Application Research Center, this study aims to propose an alternative management methodology of the seawater heat source-based heat pump systems.

해수열원을 이용한 냉방 히트펌프의 성능특성

이호생(H.S. Lee),김현주(H.J. Kim),문덕수(D.S. Moon),김성규(S.G. Kim) 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

해수 에너지원 중 해양심층수는 약 5℃ 이하의 저온성을 가지고 있어 직접냉방 및 냉방 히트펌프를 위한 열원으로 사용할 수 있으므로 이를 이용하여 건물 냉방을 할 경우 화석연료를 대체하고, 기존 냉방에 비해 에너지 절약 및 이산화탄소 저감에 기여할 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 해양심층수 취수설비를 가지고 있는 해양심층수연구센터를 대상으로 해양심층수를 열원으로 한 냉방실험을 실시하였다. 냉방 실험은 해양심층수를 이용한 직접냉방과 해양표층수와 지하해수를 이용한 냉방 히트펌프 실험을 수행하여, 해수열원에 따른 냉방 성능을 비교ㆍ분석하였다. 또한, 해양연구센터에 기존 설치되어 있는 냉방시스템과과 비교 분석함으로써 해양심층수를 열원으로 하는 해수냉방에 대한 성능을 분석 결과를 제시하고자 하고, 이 결과를 바탕으로 해수 냉방시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 방안도 검토하고자 한다. The present study is aimed to experiment the cooling heat pump system using seawater heat source. The deep seawater, surface seawater and ground seawater are used as the seawater heat source for this experiment. Experiments on cooling using a heat pump system were performed with various ocean waters as heat sources including the deep ocean water at 4.8 ℃, the surface ocean water at 20.1℃, and the ground ocean water at 13.2 ℃, among others. The comparison results between the conventional cooling systems and the direct cooling system using the deep ocean water and cooling heat pump system using the surface seawater and ground seawater revealed that the latter saved approximately 84.7%, 14.3%, 20.6% of the integrating power. The emission of carbon dioxide of the deep seawater, the surface seawater and the ground seawater was reduced by approximately 76.0 ㎏CO₂, 12.8 ㎏CO₂ and 18.5 ㎏CO₂ more, respectively, than that of the conventional cooling system.

해수온도차발전 배출 심층수를 활용한 다단복합양식 에너지 수지분석

임승택(Seungtaek Lim),최미연(Miyeon Choi),문덕수(Deoksoo Moon) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

본 논문에 경우 해수온도차발전에서 열침으로 활용 후 배출되는 심층해수를 활용하여 다단의 복합양식 시스템을 구축하였으며, 부족한 열원은 해수열원 히트펌프를 적용하여 열에너지를 보완하였다. 연간 운전 특성을 비교하여 표층해수와 심층해수를 이용한 저온 생물 생장에 필용한 에너지 및 비용 변화를 분석하였다. 이때 저온 열원의 경우 수심 500m 이하의 5℃ 심층수와 해수온도차발전에 활용하고 배출되는 7℃의 심층수를 비교하였으며, 표층수의 경우 연간 동해안의 온도 변화를 적용하였다. 미역양식 수조에 공급되는 해수의 유량은 20톤/day이며, 미역양식 수조에서 배출되는 배출수는 약 3℃가량 온도가 상승하여 연어 양식 수조에 공급된다. 이후 연어양식 수조에서 배출되는 13℃의 배출수는 75%가량 해삼양식 수조에 공급되나 25%는 해상으로 배출된다. 해삼양식 수조에서 최종 배출되는 15℃의 배출수는 연어 양식에서 배출되는 배출수와 혼합되어 14.5℃로 해수히트펌프의 열원으로 활용된다. In this paper, a multi-stage complex aquaculture system was constructed using deep seawater discharged after using it as a heat sink in OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion). By comparing the annual operating characteristics, changes in energy and cost required for low-temperature growth using surface seawater and deep seawater were analyzed. At this time, in the case of a low-temperature heat source, 5℃ deep water with a depth of 500m or less was compared with 7℃ deep water used for power generation and discharged. In the case of surface water, the annual temperature change of the east coast was applied. The flow rate of seawater supplied to the seaweed culture tank is 20 tons/day, and the temperature of the discharged water discharged from the seaweed culture tank rises by about 3℃ and is supplied to the salmon culture tank. After that, 75% of the 13℃ water discharged from the salmon farming tank is supplied to the sea cucumber culture tank, but 25% is discharged to the sea. The 15℃ discharge water finally discharged from the sea cucumber culture tank is mixed with the discharge water discharged from the salmon culture at 14.5℃ and is used as a heat source for the seawater heat pump.

국내 해수온도차발전-히트펌프 사이클 적용성 검토

문정현(Junghyun Moon),서종범(Jongbeom Seo),이호생(Hosaeng Lee),김현주(Hyeonju Kim) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

산업혁명 이후, 산업을 포함한 생활 전반에서 전 세계 에너지소비량은 가파르게 증가하고 있다. 한국을 기준으로 사용된 에너지의 양은 1997년 144.5백만TOE에서 2019년 231.4TOE로 약 60%가 증가하였다. 증가하는 에너지 수요를 충족하기 위해 화석연료 사용량이 증가하게 되었고 이는 지구온난화, 미세먼지 농도 증가 등 에너지의 안정적인 공급 문제 뿐 아니라 사용에 따른 환경과 인류의 안전 문제에 까지 이르게 되었다. 이러한 기후위기 대응을 위해 선진국을 중심으로 국제사회의 합의하에 2016년 파리기후변화협정이 체결되었다. 파리협약은 지구 평균온도 상승을 2℃아래로 억제하고, 1.5℃를 넘지 않도록 노력하는 것을 목표로 내걸고 있다. 목표달성을 위해 한국은 2030년까지 2017년 배출량 대비 24.4% 감축을 제시하고 있으며 2025년 이전 감축목표 상향을 적극 검토할 것을 명시하고 있다. 에너지 수요는 점진적으로 증가하는 상황에서 탄소배출량을 줄이기 위해서는 신재생에너지의 확대를 통한 청정에너지 생산이 필요하다. 태양광, 풍력, 바이오매스 등 에너지 수요 충족 및 탄소배출 저감을 위해 다양한 분야의 신재생에너지 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 해수온도차발전과 해수히트펌프를 융복합한 사이클의 국내 적용성 검토를 수행하였다. 국내 해수온도차발전은 표층수온의 문제로 여름철에만 가동이 가능한 문제가 있다. 하지만 여름철 냉방, 겨울철 난방이 필요한 한반도의 기후를 고려할 때 여름철 OTEC 운전을 통한 신재생 에너지 생산 및 직접냉방, 겨울철 해수히트펌프 운전을 통한 난방을 통해 신재생에너지 생산 및 소요에너지 절감의 효과를 볼 수 있다. 2019년과 2020년 수온과 기온을 기준으로 해수온도차발전, 심층수 배출수를 이용한 직접냉방 및 해수히트펌프를 이용한 난방운전을 시뮬레이션 하였으며, 연간 발전량, 에너지 절감량을 비교하였다. After the Industrial Revolution, global energy consumption in all areas of life, including industry, has been rapidly increasing. Based on Korea, the amount of energy used increased by about 60% from 144.5 million TOE in 1997 to 231.4 TOE in 2019. In order to meet the increasing energy demand, the use of fossil fuels has increased, which leads to not only the stable supply of energy such as global warming and increased fine dust concentration, but also environmental and human safety issues. To respond to such a climate crisis, The Paris Agreement was signed in 2016 under the agreement of the international community, centering on developed countries. The Paris Agreement aims to keep the global average temperature rise below 2℃ and to keep it from exceeding 1.5℃. To achieve the goal, Korea is proposing a 24.4% reduction compared to 2017 emissions by 2030, and explicitly states that it will actively consider raising the reduction target before 2025. In a situation where energy demand is gradually increasing, it is necessary to produce clean energy through the expansion of new and renewable energy in order to reduce carbon emission. New and renewable energy research in various fields is being conducted to meet energy demand such as solar power, wind power, and biomass and to reduce carbon emissions. In this study, domestic applicability of a cycle combining OTEC and seawater heat pump was conducted. Applying OTEC in domestic seawater has a problem that it can be operated only in summer due to the problem of surface water temperature. However, considering the climate of the Korean Peninsula that requires cooling in summer and heating in winter, it is possible to see the effect of renewable energy production and energy reduction through renewable energy production and direct cooling through OTEC operation in summer and heating through operation of seawater heat pump in winter. Based on the seawater temperature in 2019 and 2020, OTEC, direct cooling using deep water discharged, and heating operation using a seawater heat pump were simulated, and annual power generation and energy savings were compared.

해수펌프용 2단 사류펌프의 임펠러 성능해석 연구

김영주(Y.J. Kim),우남섭(N.S. Woo),권재기(J.K. Kwon),정소걸(S.K. Chung),박의섭(E.S. Park),김정식 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

The seawater lift pump system is responsible for maintaining the open canal level to provide the suction flow of circulating water pump at the set point. The objective of this paper is to design a 2-stage mixed flow pump (for seawater lifting) by inverse design method and to evaluate the overall performance and the local flow fields of the pump by using a commercial CFD code. Rotating speed of the impeller is 1,750 rpm with the flow rate of 2,700 ㎥/h. Finite volume method with structured mesh and Realizable k-ε turbulent model is used to guaranty more accurate prediction of turbulent flow in the pump impeller. The numerical results such as static head, brake horse power and efficiency of the mixed flow pump are compared with the experimental results. The simulated results are good agreement with the experimental results less 3% error.

심정용 해수펌프 개발을 위한 수치해석 연구

김영주(Young-Ju Kim),김영훈(Young-Hun Kim),우남섭(Nam-Sub Woo),권재기(Jae-Ki Kwon) 한국해양공학회 2011 韓國海洋工學會誌 Vol.25 No.5

Seawater lift pump system are responsible for maintaining open canal levels to provide the suction flow of circulating water pumps at the set point. The objective of this paper is to design a 2-stage mixed flow pump (for seawater lifting), investigate the new impeller modeling method, and performance improvements of the impeller by using a commercial CFD code. The rotating speed of the impeller is 1,750 rpm with a flow rate of 2,700 m3/h. A finite volume method with a structured mesh and realized k-ε turbulent model is used to guarantee a more accurate prediction of turbulent flow in the pump impeller. The performance variables such as the static head, brake horsepower, and efficiency of the mixed flow pump are compared based on change in the impeller blade shape.

1MW OTEC 펌프 동력 절감을 위한 모형시험

윤지원(Jiwon Yoon),서종범(Jongbeom Seo),이호생(Hosaeng Lee),김현주(Hyeonju Kim) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

해수온도차발전은 해양표층수와 수심 200m 이상에 분포하는 해양심층수간 온도차를 이용하여 작동유체로 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 국내에서는 2019년에 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트를 제작하여 동해 남부에서 단기 시운전을 실시한 사례가 있다. 향후 키리바시로 운반하여 장기운전을 수행할 시 총 출력 1MW에 대해 펌프 소비동력을 줄여서 순 출력이 500kW 이상 되도록 하고자 한다. 해수온도차발전의 경우, 깊은 수심의 해수를 취수해야하며, 발전 용량이 커질수록 많은 유량을 취수해야한다. 해당 문제를 개선하고자, 1MW OTEC 플랜트의 해수 파이프라인 중 열교환을 하는 과정에서 열교환기 입구와 토출측간의 높이 차를 사이펀 원리 활용을 통해 펌프 동력 절감하는 방안을 모형시험을 통해 검토하였다. 본 연구에서는 1MW OTEC 해수 파이프라인의 축소 모형에 대한 사이펀 현상 구현, 이를 실사 모델에 적용하기 위한 방안에 대해 도출하였다. OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion), which is a part of ocean energy, is a method of generating electricity by using working fluids such as ammonia to rotate turbines, using the temperature difference between surface seawater(heat source), and deep seawater(heat sink). In Korea, 1MW scale OTEC plant is currently on the status of demonstration, and have successfully operated for a short period in the southern coast of the east sea. TDue to the characteristics of OTEC, seawater, especially deep seawater, is to be taken from long distances, and flow rate proportionally increases with respect to plant scale. Hence, a significant amount of power is needed to operate seawater intake pumps. To improve this situation, the head that is required for the seawater to overcome the height of heat exchanger, is to be alternated by using the siphon effect. By utilizing this method, the net power of 1MW OTEC can be aimed up to more than 500kW. For the experiment, a model test was designed, based on the 1MW pipe line for deep seawater, with valves, and additional supplements for the siphon effect to successfully operate and replace and save the pump power. In this paper, results for the model test and further optimal design methods such as valves, orifice, etc. is examined.

1MW OTEC 펌프 동력 절감을 위한 모형시험

윤지원(Jiwon Yoon),서종범(Jongbeom Seo),이호생(Hosaeng Lee),김현주(Hyeonju Kim) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5

해수온도차발전은 해양표층수와 수심 200m 이상에 분포하는 해양심층수간의 온도차를 이용하여 암모니아 등의 작동유체로 터빈을 돌려 발전하는 방식으로, 해양에너지를 활용한 전력생산 방식이다. 해양온도차발전의 개념은 1881년 프랑스에서 최초로 제안된 이후(D’Arsonal, 1881) 미국과 일본, 한국 등에서 실험 및 실증이 꾸준하게 진행되고 있다. 국내의 경우, 2019년에 1MW급 해수온도차발전 실증플랜트를 제작하여 동해 남부에서 단기 시운전을 실시한 바 있다. 향후, 키리바시로 운반하여 장기 운전에 들어갈 계획이며, 총출력 1MW에 대해 펌프 동력 소모를 줄여서 순출력이 500kW 이상이 되도록 하여야 한다. 해수온도차발전의 특성상 깊은 수심의 해수를 취수해야하고, 발전 용량이 클수록 많은 유량을 취수해야 한다. 이러한 이유때문에 취수펌프의 동력 소모량이 발전량의 상당부분을 차지하게 된다. 해당 문제를 개선하고자, 설계된 1MW OTEC플랜트의 해수 파이프라인 중 열교환을 하는 과정에서 열교환기 입구와 토출측간의 높이 차이를 사이펀 원리를 활용하여 펌프 동력을 절감하는 방안을 모형시험을 통해 검토하고자 하였다. 따라서 본 연구에서는 상사법칙에 의거한 1MW OTEC 축소모형에 대한 설계 및 사이펀 현상의 구현을 위한 밸브, 오리피스 등을 추가한 최적의 모형시험 방안을 도출하고 실시하고자 한다. OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion), which is a part of ocean energy, is a method of generating electricity by using working fluids such as ammonia to rotate turbines, using the temperature difference between surface seawater(heat source), and deep seawater(heat sink). The concept of OTEC was first proposed in France, 1881(D’Arsonal, 1881), experiments and demonstrations have been steadily underway in many countries, including the United States, Japan, and Republic of Korea. In Korea, 1MW scale OTEC plant is currently on the status of demonstration in Kiribati, a south pacific island country. Due to the characteristics of OTEC, seawater, especially deep seawater, is to be taken from long distances, and flow rate proportionally increases with respect to plant scale. Hence, a significant amount of power is needed to operate seawater intake pumps. To improve this situation, the head that is required for the seawater to overcome the height of heat exchanger, is to be alternated by using the siphon effect. For the experiment, a model test was designed, based on the law of similarity, to observe the flow characteristics whether the siphon effect could successfully replace and save the pump power. In this paper, an optimal design method of the model test, such as valves, orifice, etc. will be examined for further proceeding of the process.

해수열원 및 공기열원 히트펌프의 연간 난방성능 모사

백영진(Baik, Young-Jin),이승호(Lee, Seung Ho),김민성(Kim, Minsung),이영수(Lee, Young-Soo),장기창(Chang, Ki-Chang),나호상(Ra, Ho-Sang) 한국태양에너지학회 2012 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

In this study, an annual heating performance of a seawater-source heat pump and an air-source heat pump, assumed installed in Gangneung city near the East Sea in Korea, was simulated. An annual heating load for a typical Korean-style apartment house, which has an effective area of about 85 ㎡, was modeled by using TRNSYS program. The seawater temperature was calculated from the regression equation based on the measurement. A heat pump performance at full-load was calculated from the regression equation, which involves refrigerant"s evaporating and condensing temperatures, based on a commercial compressor performance map. A part-load performance was also considered. Simulation results show that an annual heating coefficient of performance (COPH) of the seawater-source heat pump is 8.5% greater than that of an air-source heat pump.

2단 사류펌프의 임펠러 성능향상 방안 연구

김영주(Y.J. Kim),우남섭(N.S. Woo),권재기(J.K. Kwon),정소걸(S.K. Chung),박의섭(U.S. Park),배상은(S.E. Bae),박수한(S.H. Park) 한국전산유체공학회 2011 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

The seawater lift pump system is responsible for maintaining the open canal level to provide the suction flow of circulating water pump at the set point. The objective of this paper is to design a 2-stage mixed flow pump(for seawater lifting) by inverse design and to evaluate the overall performance and the local flow fields of the pump by using a commercial CFD code. Rotating speed of the impeller is 1,750 rpm with the flow rate of 2,700 ㎥/h. Finite volume mehtod with structured mesh and Realizable κ-ε turbulent model is used to guaranty more accurate prediction of turbulent flow in the pump impeller. The numerical results such as static head, brake horse power and efficiency of the mixed flow pump are compared with the reference data. Also, the periodic condition calculation method for the mixed flow pump was carried out in order to investigate the pump performance characteristics with the modification of impeller geometry.