김의종 인하대 건축공학과 교수는 프랑스 리옹 국립응용과학원(INSA Lyon)을 졸업하고 프랑스전력(EDF) 고효율건물산학연구센터(BHEE) 연구원으로 재직하는 동안 지열히트펌프부터 도시에너지시스템까지 건물에너지 시스템 성능분석, 평가, 최적화 연구를 수행하고 2015년부터 인하대 건축학부에서 설비 및 신재생에너지 시스템 관련 연구 및 교육을 진행하고 있다.
김 교수는 상세 모델링과 시뮬레이션을 활용한 기존 에너지시스템 분석 평가연구에 최적화, 예측제어, 인공지능 관련 연구를 통합해 다양한 과제를 수행 중이다. 주로 엔지니어링 기반의 실용적이며 실무적인 연구에 초점을 맞추고 있으며 귀국 후 약 20여개 산·학연구프로젝트를 수행했다.
이를 통해 모델 및 최적화 기반 기술현안에 대해 솔루션을 제공하는데 기여했으며 최근에는 삼성물산, 삼성중공업, 삼성엔지니어링에서 공모한 제1회 ConTech2021 기술공모전에서 대학 중 유일하게 제안기술이 선정돼 설계 및 운영단계에서 사용할 수 있는 건물에너지 시뮬레이터를 개발할 예정이다.
미래설비기술로 인정받고 있는 ‘하이브리드 지열히트펌프 제어시스템’ 연구에 집중하고 있는 김의종 교수를 만나봤다.
■ 지열시스템의 애로사항은지열히트펌프는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 신재생에너지시스템으로 제로에너지건축물인증제도의 주요 설비시스템으로 활용되고 있다.
그러나 기본적으로 지하 150m 이상 깊이로 설치되는 지중열교환기는 지중의 불확실성 등으로 인해 일반적으로 과잉설계되기 쉽다. 그동안 설계기법을 더 고도화해 최적설계하고자 하는 연구가 많았으나 부하적인 측면에서 근본적으로 불확실성이 상존하는 시스템으로 볼 수 있다.
즉 다른 설비시스템의 경우 최대부하를 기준으로 시스템 특성에 맞게 최대부하의 일정비율로 설치하면 큰 문제가 발생하지 않는다. 하지만 지열히트펌프의 경우 최대부하뿐만 아니라 설계 시 사용된 냉난방 균형 문제도 유지해줘야 하며 무엇보다 하루하루 사용된 운전이력이 결국 지중열교환기 주변 지중에 축적돼 장기 성능에 영향을 미치게 된다.
이에 따라 몇 년 후 원하는 히트펌프 입구온도가 구현되지 않아 지열히트펌프를 사용하지 않고 별도의 시스템을 설치하는 사례가 종종 발생하고 있으며 이는 우리나라에만 해당하는 문제는 아니다.
다시 한번 근본적인 원인에 대해 말하면 설계단계에서 부하를 온전한 의미로 정밀하게 계산할 수 있는 방법은 존재하지 않는다. 특히 연간에너지 사용량, 즉 지중에서 채열하거나 방열하는 에너지량을 예측하기는 불가능하다.
한 예로 실제 건물이 지어진 이후 다양하게 내부 용도변경이 이뤄지기 쉽고 시스템 운전시간은 설계 시 설정값이 달라지기 쉽다. 이 경우 지중조건은 시간이 지날수록 설계 때 고려한 값과 차이가 난다.
특히 고층 상업건물의 경우 지중열교환기를 고밀도로 설치한 경우 열교환기 사이의 열간섭이 커 부하 오차로 인한 영향은 더욱 커지게 된다.
■ 개발 배경 및 필요성은
설계의 충실함은 지속적으로 개선해 나가면서 설계 시와 다르게 사용될 때 수정할 수 있는 시스템이 필요하다. 이에 따라 태양열을 이용하거나 혹은 냉각탑, 근래에서 영구배수와 같은 다양한 지하수시스템을 하이브리드 열원으로 사용한다면 지중과 교환되는 열량을 하이브리드시스템을 통해 조율하면서 안전적인 지열히트펌프시스템을 운영할 수 있다. 물론 기존에 하이브리드시스템을 통해 필요 지중열교환기 총길이를 줄여 초기 설치비용을 줄일 수 있는 것은 그대로 유지된다.
그러나 하이브리드 지열히트펌프 최적제어의 궁극적인 목적으로 제시하는 것은 지열히트펌프, 특히 지중을 모니터링하면서 부하변동에 맞게 하이브리드 열원은 탄력적으로 사용하는 안정성 확보가 가장 중요하다. 이것은 예지진단을 통해 미리 시스템을 안정적으로 운영하는 건물에너지관리의 한 부분이며 모니터링도 현재 주요 포인트를 측정하고 확인하는 데에서 디지털트윈 환경에서 지중 상황 및 향후 발생 가능한 현상까지도 예측할 수 있는 적극적인 모니터링시스템이다. 이에 따라 지중 상황을 설명할 수 있는 물리모델, 다양한 데이터를 처리하고 다양한 센싱데이터로부터 노이즈를 제어하는 데이터 기반 프로세싱기법이 함께 요구된다.
■ 현존 기술과의 차별성은
현재도 지열히트펌프시스템의 운전시간을 조정해 지중온도 회복시간을 벌어주거나 피크 때 적극적으로 하이브리드 열원을 사용해 COP를 개선하는 시스템은 오래전부터 사용되고 있다. 그러나 제안기술은 이러한 단기적인 최적화를 포함해 궁극적이며 장기적, 안정적으로 지열히트펌프를 운영하기 위한 목적이 더욱 크다. 단기적으로 최적화만 쫓다가 이듬해 성능이 크게 저하되거나 시스템 Failure까지 연결되는 문제 등을 해소하고자 한다.
하이브리드 지열히트펌프 제어기술은 기존 지열히트펌프시스템, 기존 방식의 설계를 통한 신축현장에서의 지열시스템에 적용이 가능한 방식으로 연구가 진행된다.
즉 기존 시스템의 효율 및 설계 적정성과 상관없이 기존 모니터링 장비 혹은 최소의 추가 센서만을 가지고 고도화된 모니터링 및 모델 기반 예측시스템을 구축하는 것이다. 즉 소프트웨어 기술적 측면이 강하다.
■ 적용조건 및 대상은
Closed loop시스템으로 지중 변수의 영향이 적은 보어홀(Borehole)이라고 불리는 수직밀폐형 지중열교환기에 대한 연구 및 적용이 우선이지만 개방형도 적용이 가능할 것으로 판단한다. 냉난방을 지열로 동시에 사용할지 아닐지, 동시에 사용한다면 난방이 우세한 건물인지 냉방이 우세한 건물인지에 따라 적용되는 하이브리드시스템의 종류가 달라진다. 하지만 냉난방 적용이 동시에 가능한 지하수 영구배수시스템은 매우 좋은 하이브리드시스템의 대안이 될 수 있다. 상세 모니터링을 통한 장단기 성능 최적제어라는 목표 아래 대상 시스템별 대응 솔루션은 계속 개발해나갈 계획이다.
■ 기대효과는
가장 큰 기대효과는 시스템을 안정적으로 운전해 나가고 이를 이력화하고 예측 결과를 보여준 뒤 다시 예측 내용과 실제 성능값을 비교 표시해 나가면서 시스템에 대한 신뢰도를 높이는 역할을 기대한다. 이에 따라 공동주택 등 상대적으로 지열히트펌프 보급이 더딘 사용처에도 확대보급이 가능할 것으로 본다. 이러한 운영실적을 통해 시스템설계 및 제어를 고도화해 나갈 수 있는 선순환 효과도 기대할 수 있다.
무엇보다 제로에너지건축물인증제도에서 의무화 아이템으로 선정된 BEMS에 적극적으로 포함시킬 관리요소가 될 수 있으며 단순 모니터링이나 통계적 진단에 머문 현재 BEMS를 더 고도화할 수 있다.
■ 향후 관련 연구개발 계획은
예측제어와 관련된 기존 연구성과들이 존재하지만 지금껏 실질적으로 현장에 적용되고 있지 않다. 그러나 BEMS 상용화로 예측제어 관련 시스템 적용이 용이해졌을 뿐만 아니라 사용자의 니즈도 전보다 커졌기에 충분히 향후 몇 년간 이 분야 발전이 가속화될 것으로 본다. 개인적으로는 하이브리드 지열히트펌프 최적제어뿐만 아니라 건축설비분야의 예측제어, 예지진단 및 디지털 트윈기반 서비스 솔루션을 개발해 나갈 계획이다.
■ 지열시스템의 애로사항은
목록
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10