하절기 활용도가 매우 낮은 태양열을 저장해 동절기 난방에 사용하기 위해 계간축열(Seasonal Thermal Energy Storage)기술을 적용한 실증사례로 캐나다의 Drake Landing Solar Community(DLSC) Project를 꼽을 수 있다. DLSC에는 계간축열 중도 보어홀을 이용한 지중축열(BTES: Borehole Thermal Energy Storage)기술을 적용해 평판형 집열기에서 모은 태양열을 저장했다. 저장한 열은 80℃ 가까운 고온이어서 별도의 열생산 장비 없이도 40℃ 정도의 저온수 지역난방이 연중 가능하다. 해당 시스템을 10년간 운전하면서 실측을 통해 성능데이터를 제시함과 동시에 TRNSYS 시뮬레이션을 통한 성능예측기술을 완성한 바 있다.

하지만 DLSC는 매우 추운 기후조건으로 인해 연중 난방을 하는 지역에 한정돼 재연될 수밖에 없으며 우리나라와 같이 냉방과 난방이 모두 필요한 지역에는 다른 개념의 계간축열이 필요하다.

이번 연구의 실증단지에는 BTES기술을 적용하되 평판형 집열기 대신 전기와 열을 동시에 생산하는 태양광·열(PVT: PhotoVoltaic-Thermal) 융합패널을 적용, 태양열을 모아 저장하는데 저장한 열은 30℃ 정도의 비교적 저온이다. 이 때문에 지열히트펌프(GSHP)의 열원으로 이용함으로써 단순 지열히트펌프보다 높은 계절난방성능지표(SCOP)를 달성하면서도 계절냉방성능지표(SEER)의 저하를 최소화할 수 있는 시스템이 구축됐다. 실증단지에 적용된 PVT 융합패널은 단순 PV모듈을 설치할 때 필요한 설치면적과 거의 동일한 면적만으로도 설치가 가능하고 PVT 융합패널이 가진 집열기능은 PV모듈을 냉각하는 기능을 겸한다. 이에 따라 하절기 전기생산효율을 4~10% 향상시키고 PV모듈의 수명을 연장시키므로 PVT 융합패널은 단순 PV모듈보다 많은 이득을 얻을 수 있다.

실증단지시스템 구축
한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 충북 음성군에 소재한 신성이엔지 음성공장을 실증단지로 선정해 지난 2018년 8월 완공했다. 이후 주요설비의 개별성능을 확인하는 실험을 실시해 TRNSYS 모듈별 input parameter를 찾아가는 작업을 거쳐 지난 7월부터 정상운전을 하고 있다.

실증단지시스템은 △건물 옥상에 기존에 설치돼 있던 PV모듈에 폴리머 태양열 집열기를 부착한 무창형 PVT 융합패널 △건물의 냉난방 부하를 처리하는 GSHP, 시스템을 제어하는 제어기, 열매체의 순환을 조절하는 펌프·밸브 등이 설치된 기계실 △집열한 태양열과 GSHP 냉방운전으로 발생한 응축열을 축열하고 GSHP 난방운전 시 증발열원으로 방열하는 BTES △PVT 융합패널, GSHP, BTES간 열을 이동시키기 위한 버퍼 역할을 하는 단기축열조(STTS: Short-Term Thermal Storage) 등으로 구성돼 있다.

실증단지 TRNSYS 모델 개발
시스템운전을 TRNSTS 시뮬레이션하기 위해서는 요소별로 TRNSYS 모델을 개발해야 하는데 이번 실증단지 대상으로 필요한 TRNSYS 모델에는 BTES, GSHP, PVT 융합패널, STTS 등이 있다.

BTES 모델은 TRNSYS GHP Library에 포함돼 있는 Type557을 이용해 개발했다. 전기히터를 이용해 BTES 필드에 열을 주입하는 선행실험을 통해 얻어낸 데이터에 BTES 모델의 시뮬레이션 결과가 근접하도록 BTES 모델의 input parameter 중 그라우트(Fill), Pipe, Gap, 지중 토양의 열전전도 등을 조정했다.

‘TRNSYS BTES model의 검증’ 그림은 선행 실험으로 전기히터를 이용해 BTES에 열을 주입한 실험값과 개발한 BTES 모델의 시뮬레이션 결과를 비교한 것으로 점으로 표시한 것은 순환수 입출구 온도와 지중온도의 실험값이며 실선으로 표시된 것은 개발한 BTES 모델로 시뮬레이션 한 결과다.

지중온도는 전체적으로 서로 근접해 보였으며 순환수 입출구 온도는 열투입 초기에는 다소 차이가 나지만 열투입이 진행되면서 서로 근접해 가고 있다. PVT 융합패널 모델은 Type1294-1dIAMS를 사용했으며 PVT 융합패널의 수량은 400개다. PVT 융합패널과 STTS간 배관을 순환하는 열매체는 물로 가정했다. PVT 융합패널의 성능모델은 성능인증기관(TUV SRCC)에서 제공해 준 성능모델을 사용했다. STTS 모델은 Type158을 사용했으며 용량은 65m3이며 내부 열매체는 물이다. GSHP 모델은 Type927을 사용했으며 제조사에서 제공하는 냉난방 정격조건 용량과 소비전력을 대입했다.

실증단지는 충청북도 음성군에 위치하고 있어 기상청에서 기상데이터를 제공하는 가장 인근지역인 청주지역의 최근 30년간 기상데이터를 평균해 TRNSYS 시뮬레이션에 활용했다.

TRNSYS 시뮬레이션 수행
실증단지 시스템은 PVT 융합패널에서 얻어지는 태양열과 GSHP의 냉방운전 시 발생하는 응축열을 바로바로 STTS에 모아두고 모아둔 열을 다시 BTES로 이동시켜 저장했다가 GSHP의 난방운전 시 증발열원으로 사용하는 것을 주기능으로 하는 시스템이다.

1월1일 시스템운전을 시작해 1년간 시스템운전에 대해 TRNSYS 시뮬레이션을 수행해 시스템성능을 예측한 결과를 도출했다. 계간축열로 저장된 열이 없는 상태에서 운전을 시작했기 때문에 1월과 2월의 난방기간에 낮은 성능으로 운전할 수밖에 없어 SCOP는 2.81에 머물렀다. 연간 BTES의 열손실량은 22%에 그친 것으로 보인다.

냉방기간에는 1,476GJ의 많은 열을 지중에 저장하면서도 SEER은 3.81을 달성했다. 지중평균온도는 15℃에서 시작해 8월말에는 27℃까지 상승했다가 연말에는 21℃로 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 다음해에 좋은 SCOP로 난방운전이 이뤄질 것으로 예상할 수 있게 한다.