태양광열(PVT)과 공기식 지중열교환기 융합 공기 대 물 히트펌프 Tri-generation 시스템 연구 :Study of Photovoltaic-Thermal(PVT) and Ground Air Heat Exchanger(GAHX) Hybrid Air to Water Heat Pump Tri-generation System

이광섭

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이광섭 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원대학교 대학원)

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (12)

2020

태양광열(PVT)과 공기식 지중열교환기 융합 공기 대 물 히트펌프 Tri-generation 시스템 연구

이광섭 2020.01 학위논문

2019

태양광열(PVT) 융합 공기 열원 히트펌프 시스템의 실험적 연구

이광섭 , 김유진 , 강은철 외 1명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2019.10 학술대회자료

공기식 태양광열(PVT)과 히트펌프 융합 시스템 실증 및 타당성 연구

이광섭 , 김유진 , 강은철 외 1명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2019.04 학술대회자료

2018

공기식 지중열교환기(GAHX) 융합 히트펌프 시스템 하계 실험 연구

이광섭 , 김유진 , 김민수 외 3명 한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집 2018.11 학술대회자료

공기식 태양광열(PVT) 4 kWt급 시스템 실증 연구

이광섭 , 김유진 , 류남진 외 3명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2018.11 학술대회자료

공공휴게시설용 공기식 지중열 교환기 설계 및 실험 연구

이광섭 , 이의준 , 강은철 대한설비공학회 학술발표대회논문집 2018.06 학술대회자료

베플(Baffle)을 적용한 공기식 태양광열(PVT)모듈 열효율 향상을 위한 설계 및 실험 연구

이광섭 , 이의준 , 강은철 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2018.04 학술대회자료

태양광열(PVT)과 공기식 지중열교환기(GAHX) 융합 시스템 실증 연구

이광섭 , 김유진 , 류남진 외 2명 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2018.04 학술대회자료

2017

공기식 지열히트펌프와 공기식 태양열광 복합 모듈 융합시스템 실증 연구

이광섭 , 김유진 , 김민수 외 3명 한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집 2017.09 학술대회자료

무창형 공기식 태양열 집열기 성능 시험에 관한 연구

이광섭 , 김유진 , 강은철 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2017.05 학술대회자료

2016

공기열원 히트펌프를 위한 공기식 지중 열교환기(GAHX) 설계 및 분석 연구

이광섭 , 류남진 , 강은철 외 1명 한국지열·수열에너지학회논문집 2016.06 학술저널

2015

액체식 태양광열(PVT) 모듈의 전력효율 실험적 연구

이광섭 , And , ew Put 외 3명 대한기계학회 춘추학술대회 2015.04 학술대회자료

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전 세계적으로 청정에너지에 대한 관심이 높아지면서 화석연료의 사용을 줄이고 재생에너지를 도입하는 정책을 펼치고 있다. 이러한 청정에너지는 전기를 생산하는 데 국한되어 있는 것이 아니라 열에너지의 소비도 상당부분 차지하고 있다. 우리나라의 부문별 최종 에너지 소비 추이에 따르면 건축물의 에너지 소비는 전체에너지 소비량 중 25% 정도를 차지하고 있으며, 이 중 약 40% 정도가 열에너지의 소비이다. 이러한 건축물 에너지 소비를 줄이기 위해 우리나라에서는 2020년부터 공공건물에 제로에너지 건축물 의무화를 시행하고 있다. 또한 제로에너지 건물에 대한 관심이 증가하고 있으며 제로에너지 건물 시장은 전 세계적으로 2035년 연간 약 1,700조원 규모로 성장할 것으로 예측한다. 그러나 제로에너지건물의 절약 요소는 고단열, 고기밀과 전기에너지 절약에 집중되어 있는 실정이며, 건물에너지의 40%를 차지하는 열에너지를 감축 시키는 기술은 개발이 부족한 실정이다. 따라서 건물에서 활용되는 열에너지를 저감할 수 있는 제로에너지건물 의무화 대응 청정에너지 기술의 개발 및 연구가 필요하다.
본 논문에서는 Tri-generation이라 불리는 냉열, 온열, 전력을 생산하는 융합 시스템을 연구한다. 이는 태양광열; Photovoltaic-Thermal(PVT), 공기식 지중열교환기; Ground Air Heat Exchanger(GAHX)를 통해 획득한 열원을 공기 대 물 히트펌프; Air to Water Heat Pump(AWHP)에 공급하는 시스템으로 냉난방 COP를 획기적으로 향상시킨다. 기존의 연구는 PVT, GAHX 단위 모듈 연구가 주로 진행되어져 왔으며, 특히 실험적인 연구는 공기식 시스템은 연구 사례가 없었다. 이러한 공기식 시스템은 기존에 주로 사용되던 액체식 시스템 대비 겨울철 동파 위험이 적고 운전 시 누수 우려가 없으며 초기 투자비용이 적은 장점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 개별 모듈을 설계하기 위한 전산유체해석과 열역학적 수식을 활용한 설계와 개별 효과 실험(Separate Effect Test) 단계로 연구가 수행되었다. 또한 통합 효과 실험(Integral Effect Test)을 수행하여 Tri-generation 시스템의 신뢰성을 확보하였다. 그 결과 Tri-generation 시스템이 기존의 AWHP만 활용했을 때 대비 난방에서 17.6%, 냉방에서 18.2%의 COP 향상 효과가 있었다. 더불어 실증 데이터를 통해 연간 에너지 생산 시뮬레이션을 수행하였고 일차에너지 소비량을 기준으로 약 45% 절감시키는 결과를 보여준다.
본 논문을 통해 Tri-generation 시스템의 실험 검증이 이루어졌으며, 이는 이 시스템의 상용화에 앞서 성능을 평가하는 자료로 학술적 및 산업적 가치가 있는 데이터로 활용되길 바란다.

Since interest in clean energy increases around the world, the government is implementing policies to reduce the use of fossil fuels and supply renewable energy. This clean energy is not limited to producing electricity, but also to the consumption of heat energy. According to the national trend final energy consumption by sector, energy consumption in buildings accounts for around 25% of the total energy consumption, about 40% of which is the consumption of heat energy consumption. In order to reduce the energy consumption of such buildings, Korea has mandated Zero Energy Building (ZEB) for public buildings since 2020. In addition, interest in ZEB is on the rise and the market is forecasted to grow to about 1,700 trillion won per year worldwide. However, the saving factors of ZEB are concentrated to high insulation, high air tightness, electricity saving, and the technology to reduce heat energy, which accounts for 40% of building energy, is lacking in development. Therefore, it is necessary to develop and study clean energy technology to cope with ZEB that can reduce heat energy used in buildings.
In this thesis, the tri-generation system, which can supply power, heating and cooling by utilizing solar energy and geothermal energy, was designed and demonstrated. It is a technology that dramatically improves cooling and heating COP by supplying heat sources obtained through Photovoltaic-thermal (PVT) and Ground Air Heat Exchanger (GAHX) to Air to Water Heat Pump (AWHP). Previous studies have been mainly conducted on PVT, GAHX unit module research, especially experimental studies, where air-type systems have not been studied. These air-type systems have the advantage of having less risk of freezing in winter, no risk of leakage while operating, and low initial investment costs compared to liquid systems. Therefore, In this thesis, the study was carried out in the stage of design and unit Separate Effect Test (SET) using the computational fluid analysis and thermodynamic formula for designing unit modules. In addition, Integrated Effect Test (IET) was performed to ensure the reliability of the tri-generation system. As a result, the tri-generation system has improved COP by 17.6% and 18.2% for heating and cooling compared to the reference system and It shows about 45% reduction in primary energy consumption on simulation analysis.
The experimental verification of the tri-generation system has been carried out through this thesis, and it is hoped that it will be used as data of academic and industrial value as data to evaluate performance prior to the commercialization of the system.

#태양광열(PVT) #공기식 지중열교환기(GAHX) #공기 대 물 히트펌프(AWHP) #Tri-generation #개별 효과 실험(SET) #통합 효과 실험(IET) #신재생에너지 융합

Ⅰ. Introduction
1. Background
2. Literature Survey
3. Problem Statement and Methodology
Ⅱ. Separate Effect Test (SET)
1. PVT Module SET
2. GAHX Module SET
Ⅲ. Integral Effect Test (IET)
1. Tri-generation System IET Set-up
2. Tri-generation System IET Result
Ⅳ. Simulation Study
1. Test Validation
2. Simulation Study
Ⅴ. Conclusion
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