냉난방

Cold district heating
냉난방망의 개략적 기능

냉난방은 지역 난방망의 기술적 변형으로 기존 지역 난방 시스템보다 훨씬 낮은 전송 온도에서 작동하며 공간 난방과 냉방을 모두 제공할 수 있다. 약 10~25°C 범위의 전송 온도는 일반적이어서 서로 다른 소모 장치가 동시에 독립적으로 가열 및 냉각할 수 있다. 온수가 생산되고 난방 네트워크로부터 열 에너지를 얻는 수열 펌프에 의해 난방되는 건물인 반면 냉방은 냉열 네트워크를 통해 직접 또는 필요한 경우 냉각기를 통해 간접적으로 제공될 수 있다. 차가운 국소 난방은 때때로 아너지 네트워크라고도 불린다. 과학용어로 이러한 시스템의 총칭은 5세대 지역 냉난방이다. 전적으로 재생 가능한 에너지에 의해 작동될 수 있는 가능성 그리고 동시에 변동하는 풍력 터빈과 태양광 시스템의 생산 균형을 유지하는 데 기여하는 것으로 인해, 차가운 지역 난방 네트워크는 잠재적으로 온실 가스와 방출 없는 열 공급을 위한 유망한 옵션으로 간주된다.

조건.

2019년 현재, 여기에 기술된 5세대 난방 네트워크는 아직 통일된 명칭이 부여되지 않았으며, 일반적인 기술 개념에 대한 정의도 다양하다. 영어 기술 문헌에서는 저온 지역 냉난방(LTDHC), 저온 네트워크(LTN), 저온 지역 난방(CHD) 및 아너지 네트워크(Anergy Grid)라는 용어가 사용된다. 또한 일부 출판물은 저온 지역난방뿐만 아니라 초저온 지역난방을 4세대 지역난방의 보조양식으로 간주하기 때문에 '따뜻한' 지역난방망으로 구분하는 데 있어서 정의적인 갈등이 있다. 또, 이른바 로우엑스의 네트워크의 정의에 의해 4세대와 5세대로 분류할 수 있다.[1]

역사

최초의 차가운 지역 난방 네트워크 중 하나는 후르카 기지 터널의 세수수를 열원으로 사용한다.

첫 번째 냉난방 네트워크는 독일 어퍼 프랑코니아에 있는 아르츠베르크의 난방 네트워크다. 이후 가동이 중단된 그곳의 아르츠베르크 발전소에서는 터빈 콘덴서와 냉각탑 사이에 냉각되지 않은 냉각수를 빼내어 여러 건물로 파이프를 연결했고, 그곳에서 열펌프의 열원으로 사용되었다. 이것은 다양한 주거용 건물과 상업용 기업 외에도 학교와 수영장을 데우는 데 사용되었다.[2]

1979년 울펜에서 또 다른 초창기 공장이 가동되었다. 그곳에서는 71개 건물에 지하수에서 채취한 열 에너지가 공급되었다. 마침내 1994년에 산업 회사인 섬유 회사의 폐열을 이용하여 최초의 냉난방망이 개설되었다. 또한 1994년 (이미 1991년 펠레그리니와 비안치니에 따르면) 푸르카 기지 터널의 세수수로 운영되는 스위스 마을 오버왈드에 냉온난방망이 구축되었다.[1]

2018년 1월 현재 유럽에서는 독일과 스위스에 각각 15개씩 총 40개의 계획이 운영되고 있다. 프로젝트의 대부분은 한 자릿수 MW 범위에 이르는 100 kWth의 열 출력을 가진 파일럿 플랜트였으며, 가장 큰 플랜트는 약 10 MWth의 출력을 가지고 있었다. 2010년대에는 매년 약 3개의 식물이 추가되었다.[1]

개념

냉열 네트워크는 매우 낮은 온도(보통 10~25°C 사이)에서 작동하는 열 네트워크다. 그것들은 다양한 자주 재생되는 열원에서 공급될 수 있고 열과 냉기의 동시 생산을 허용한다. 작동 온도는 온수 및 가열 열 생산에 충분하지 않기 때문에 열 펌프를 통해 전기 소비 장치의 온도를 필요한 수준으로 상승시킨다. 같은 방법으로, 냉기를 발생시킬 수 있고 폐열을 다시 난방 네트워크로 공급할 수 있다. 이런 식으로 연결된 소비자는 고객일 뿐만 아니라 상황에 따라 소비하거나 열을 생산할 수 있는 프로슈머 역할을 할 수 있다.[1]

냉간 지역 난방 네트워크의 개념은 개방 루프 열펌프뿐만 아니라 지하수 열펌프에서도 도출된다. 전자가 주로 개별 주택 공급에 이용되는 반면 후자는 냉난방과 냉방 요구를 모두 갖추고 이러한 요구를 병행해야 하는 상업용 건물에서 발견되는 경우가 많다. 냉난방은 이 개념을 개별 주거지역이나 지구로 확장시킨다. 일반 지열 열펌프와 마찬가지로 냉간 지역 난방 네트워크도 열원과 난방 온도 간 온도 차이가 낮아 공기 열펌프보다 효율적으로 작동한다는 장점이 있다. 그러나 지열 열펌프에 비해 냉간 지역 난방 네트워크는 공간 문제가 종종 지열 열펌프의 사용을 방해하는 도시 지역에서도 중앙 열 저장을 통해 계절적으로 열을 저장할 수 있으며, 게다가 건물마다 다른 부하 프로파일이 있어 서로 균형을 이룰 수 있다는 추가적인 장점이 있다. 난방 및 냉방 [1]요건

냉난방은 특히 건물 유형(주거용, 상업용, 슈퍼마켓 등)이 서로 다르기 때문에 난방과 냉방 모두에 대한 수요가 있는 경우에 적합하기 때문에 단기간 또는 장기간에 걸친 에너지 밸런싱이 가능하다. 대체적으로, 계절 열 저장 시스템은 에너지 공급과 수요의 균형을 가능하게 한다. 서로 다른 (폐열) 열원을 사용하고 열원과 열제거원을 결합함으로써 시너지도 창출할 수 있고, 열공급도 순환경제 방향으로 더욱 발전할 수 있다. 또한, 저온 난방 네트워크의 낮은 작동 온도는 그렇지 않으면 거의 사용할 수 없는 저온 폐열을 복잡하지 않은 방식으로 네트워크에 공급할 수 있게 한다. 동시에 낮은 작동온도로 난방망의 열손실을 현저히 감소시켜, 특히 열에 대한 수요가 적은 여름철에는 에너지 손실을 제한한다. 열펌프의 연간 성능계수도 공기소싱 열펌프에 비해 상대적으로 높다. 2018년까지 의뢰된 40개 시스템에 대한 연구는 열펌프가 연구 대상 시스템의 대부분에서 최소한 4개의 계절 COP를 달성했으며, 가장 높은 계절 COP 값은 약 6이었다.[1]

기술적으로, 냉열 네트워크는 스마트 열 네트워크 개념의 일부분이다.[1]

구성 요소들

열원

냉난방 네트워크는 산업용 및 상업용 건물의 폐열 사용에 이상적임

다양한 열원은 냉난방 네트워크, 특히 지반, 물, 상업 및 산업 폐기물 열, 태양열 에너지 및 주변 공기와 같은 재생 가능한 에너지원으로서 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.[1] 일반적으로 냉간 지역 난방 네트워크의 모듈형 설계로 인해, 네트워크가 더욱 확장됨에 따라 새로운 열원을 점진적으로 개발할 수 있게 되어, 대규모 난방 네트워크를 다양한 다른 공급원에서 공급할 수 있게 된다.[4]

실제로 거의 무진장한 원천은 예를 들어 바닷물, 강, 호수 또는 지하수 등이다. 2018년 1월 현재 유럽에서 가동 중인 40개의 냉난방망 중 17개가 수체나 지하수를 열원으로 사용했다. 두 번째로 중요한 열원은 지열 에너지였다. 이것은 보통 수직 보어홀 열 교환기를 사용하여 지열 보어홀을 통해 접근된다. 그러나 농업용수집기 등의 표면수집기도 사용할 수 있다. 이 경우 수평수집기는 농기계의 작업 깊이 이하인 1.5~2m 깊이의 농경지에 쟁기질하여 필요에 따라 토양에서 열을 뽑아낼 수 있다. 이 개념은, 예를 들어, 독일 마을 뷔스텐로트의 한랭한 열망에서, 더 이상의 농업 이용을 가능하게 하는 것이 실현되었다.[1]

또 터널과 폐탄광에서 지열 에너지를 추출하는 냉난방망도 있다. 산업 및 상업용 기업의 폐열도 사용할 수 있다. 예를 들어 오리히와 허포드의 두 냉난방망은 해저에서 나오는 폐열을, 스위스의 다른 공장은 바이오매스 발전소에서 나오는 폐열을, 또 다른 냉난방망은 섬유회사에서 나오는 폐열을 사용한다. 다른 가능한 열원으로는 태양열 에너지(특히 지열원 및 충전 저장 탱크 재생), 환경 열을 사용하는 대형 열펌프, 하수 시스템, 복합 열 및 발전소 및 기타 열원을 지원하기 위한 바이오매스- 또는 화석 화력 첨두 부하 보일러가 있다. 냉난방 네트워크의 낮은 작동 온도는 태양열 시스템, CHP 장치 및 폐열 회수에 특히 유리하다. 이러한 조건 하에서 최대 효율로 작동할 수 있기 때문이다. 이와 동시에 냉난방 네트워크는 슈퍼마켓이나 데이터센터 등 폐열 잠재력을 가진 산업용 및 상업용 기업이 큰 재정 투자 위험 없이 그리드에 열 에너지를 공급할 수 있도록 하는데, 냉난방 네트워크의 온도 수준에서는 열펌프 없이도 직접 열 공급이 가능하기 때문이다.[1]

또 다른 열원은 재래식 지역 난방 네트워크의 회선일 수도 있다.[1] 냉난방망의 작동 온도가 토양 온도보다 낮으면 네트워크 자체도 주변 토양에서 열을 흡수할 수 있다. 이 경우 네트워크는 지열 수집기의 일종으로 작용한다. [5]

(계절) 열 저장

지열 집열기의 기능. 이러한 수집기는 계절 저장에도 사용할 수 있다.

계절적 저장 형태의 열 저장은 냉간 지역 난방 시스템의 핵심 요소다.[4] 열 생산과 소비의 계절적 변동의 균형을 맞추기 위해, 많은 냉난방 시스템은 계절적 열 저장장치를 갖추고 있다. 이는 특히 소비자/프로슈머의 구조가 열과 냉각 수요의 균형을 크게 이루지 못하거나 일년 내내 사용 가능한 열원이 충분하지 않은 경우에 적합하다. 대수층 저수지와 보어홀을 통한 저장이 적합하다.[1] 이를 통해 냉각과 같은 여름철의 과도한 열을 저장할 수 있지만 다른 열원으로부터도 저장할 수 있어 지면을 가열할 수 있다. 가열 기간 동안 공정이 역전되어 가열된 물을 펌핑하여 냉열망에 공급한다.[3] 그러나 다른 유형의 열 저장도 가능하다. 예를 들어, 피셔바흐의 냉난방 네트워크는 얼음 저장소를 사용한다.[1]

열망

냉간 지역 난방 시스템은 다양한 네트워크 구성을 허용한다. 물을 공급하는 개방 시스템과 해당 소비자에게 공급된 네트워크를 거쳐 최종적으로 환경에 방출되는 폐쇄형 시스템 간에 대략적인 구분을 할 수 있으며, 통상적으로 브라인(brine)인 운반용 액이 회로 내에서 순환하는 폐쇄형 시스템 간에 구별할 수 있다. 사용 파이프라인 개수에 따라 시스템도 차별화할 수 있다. 각각의 조건에 따라 배관이 1~4개인 구성이 가능하다.

  • 단일 배관 시스템은 보통 표면이나 지하수를 열원으로 사용하다가 난방망을 통해 흘러간 후 다시 환경으로 방출하는 개방형 시스템에 사용된다.
  • 2파이프 시스템에서는 두 파이프가 서로 다른 온도에서 작동된다. 난방 운전에서 둘 중 온열기는 전기 소비 장치의 열 펌프를 위한 열원 역할을 하고, 냉간 온열기는 열 펌프에 의해 냉각된 전달 매질을 흡수한다. 냉각 모드에서는 냉기가 공급원으로 작용할수록 열펌프에 의해 발생하는 열이 온열기 파이프에 공급된다.
  • 3파이프 시스템은 2파이프 시스템과 유사하게 작동하지만 따뜻한 물로 작동되는 3번째 파이프가 있어 (적어도 바닥 밑 난방 등 유량이 낮은 난방 시스템의 경우) 열펌프를 사용하지 않고도 난방이 이뤄질 수 있다. 열은 보통 열 교환기를 통해 전달된다. 온도에 따라 열은 사용 후 더 따뜻하거나 더 차가운 파이프에 다시 공급된다. 대안적으로, 세 번째 파이프는 열 교환기를 통한 직접 냉각을 위한 냉각 파이프로도 사용될 수 있다.
  • 직접 냉난방용 파이프가 각각 1개씩 있다는 점을 제외하면 4관 시스템은 3관 시스템처럼 기능한다. 이렇게 하면 에너지 폭포가 실현될 수 있다.

일반적으로, 냉난방 네트워크의 파이프라인은 따뜻하고 뜨거운 지역 난방 시스템보다 더 간단하고 저렴하게 설계될 수 있다. 작동온도가 낮기 때문에 단열재 없이 일반 폴리에틸렌 파이프를 사용할 수 있는 열역학 응력이 식수 공급에 쓰이는 것처럼 전혀 없다. 이것은 빠르고 비용 효율적인 설치와 다른 네트워크 기하학적 구조에 대한 빠른 적응을 가능하게 한다. 또한 파이프에 대한 값비싼 X선이나 초음파 검사, 개별 파이프의 용접, 연결 피스의 현장 절연 등에 대한 시간 소모적인 필요성도 없앤다. 단, 기존 지역 난방 배관에 비해 지름이 큰 배관을 사용하여 동일한 양의 열을 운반해야 한다. 또한 부피가 커 펌프의 에너지 요구량도 더 높다. 반면에, 연결 건물의 열 수요가 너무 낮아서 기존의 난방 네트워크를 작동시킬 수 없는 곳에 냉간 지역 난방 시스템을 설치할 수 있다. 예를 들어 2018년에는 충분한 데이터를 이용할 수 있는 16개 시스템 중 9개 시스템이 1.2kW의 열출력/m 격자 길이의 임계치를 밑돌았으며, 이는 기존의 '따뜻한' 지역 난방 시스템의 경제 운용 하한으로 간주된다.[1]

변전소

급수식 열펌프

기존 '핫' 지역 난방망에 비해 냉간 지역 난방 시스템의 변전소가 더 복잡하고 공간을 더 많이 차지해 비용이 더 많이 든다. 열펌프 및 직접 온수저장탱크를 연결된 각 전기 소비 장치 또는 프로슈머에 설치해야 한다. 열펌프는 보통 전기 구동식 물 대 물 열펌프로 설계되며 열교환기에 의해 냉열망과 물리적으로 분리되는 경우도 많다. 열펌프는 주거지의 난방에 필요한 수준으로 온도를 높이고 온수를 생산하지만,[1] 열펌프를 사용하지 않고 직접 냉방을 하지 않는 한 집을 냉방하고 그곳에서 생산된 열을 난방망에 공급하는 데도 사용할 수 있다. 난방 소자와 같은 백업 시스템도 설치할 수 있다. 난방 시스템용 열저장탱크도 설치할 수 있어 열펌프 작동의 유연성이 더 높다.[3] 이러한 열 저장 탱크는 열 펌프를 작게 유지하는데 도움을 주므로 설치 비용이 절감된다.[4]

미래 에너지 시스템에서의 역할

저온 난방 네트워크는 냉간 국소 난방 시스템을 포함하는 것으로, 에너지 시스템 변환과 기후 변화 완화라는 맥락에서 열 공급의 탈탄소화를 위한 중심 요소로 간주된다.[6] 지역 및 지역 난방 시스템은 개별 난방 시스템에 비해 다음과 같은 다양한 장점이 있다. 예를 들어, 시스템의 높은 효율성, 복합 열과 발전 사용 가능성, 이전에 사용하지 않았던 폐열 전위 활용 가능성 등이 여기에 포함된다.[5] 또한, 그것들은 재생 에너지원의 사용을 증가시키고 일차[3] 에너지 요구 조건과 열 발생 시 국소 배출량을 줄이는 중요한 접근법으로 간주된다. 냉열망에 공급하기 위한 연소 기술을 투입함으로써 이산화탄소 배출과 국소 오염물질 배출은 완전히 피할 수 있다.[1] 냉열망은 재생에너지가 100% 공급받는 열망을 향후 구축할 수 있는 기회로도 평가된다.[4]

열 섹터의 광범위한 전기화는 섹터 커플링의 중심 요소다.

또 다른 유망한 접근방식은 섹터 커플링을 위해 냉간 국소 난방 시스템과 기타 열펌프 난방 시스템을 사용하는 것이다. 따라서, 한편으로 전력 대 열 기술은 전기에너지를 난방용으로 사용하고, 다른 한편으로 난방 부문은 전기 부문의 변동하는 녹색 전기 생산을 보상하기 위한 시스템 서비스를 제공하는 데 도움을 줄 수 있다. 따라서 냉간 지역 난방 네트워크는 열 펌프를 통한 부하 제어에 기여할 수 있으며, 다른 저장 시스템과 함께 공급의 보안을 보장하는데 도움이 된다.[5][1]

공급되는 건물의 지붕에 태양광 발전 시스템이 설치되면, 열펌프에 필요한 전기의 일부를 전기 소비 장치의 지붕에서 얻을 수도 있다. 예를 들어, 20개의 PlusEnergy 하우스가 Wüstenrot에 지어졌는데, 이 하우스는 모두 열펌프의 유연한 작동을 통해 가능한 최고 수준의 자체 공급을 위한 광전지, 태양전지, 열저장 탱크를 갖추고 있다.[7]

메모들

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Simone Buffa; et al. (2019), "5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 104, pp. 504–522, doi:10.1016/j.rser.2018.12.059
  2. ^ Leonhard Müller: Handbuch der Elektrizitethtswitschaft: 테크니쉬, wirtchaftliche undrechtliche Grundlagen. 베를린/하이델베르크 1998년, 페이지 266.
  3. ^ a b c d Marco Pellegrini; Augusto Bianchini (2018), "The Innovative Concept of Cold District Heating Networks: A Literature Review", Energies, vol. 11, p. 236, doi:10.3390/en11010236
  4. ^ a b c d Stef Boesten; et al. (2019), "5th generation district heating and cooling systems as a solution for renewable urban thermal energy supply", Advances in Geoscience, vol. 49, pp. 129–136, doi:10.5194/adgeo-49-129-2019
  5. ^ a b c Marcus Brennenstuhl; et al. (2019), "Report on a Plus-Energy District with Low-Temperature DHC Network, Novel Agrothermal Heat Source, and Applied Demand Response", Applied Sciences, vol. 9, no. 23, p. 5059, doi:10.3390/app9235059
  6. ^ Dietmar Schüwer (2017), "Konversion der Wärmeversorgungsstrukturen" (PDF), Energiewirtschaftliche Tagesfragen (in German), vol. 67, no. 11, pp. 21–25
  7. ^ Laura Romero Rodríguez; et al. (2018), "Contributions of heat pumps to demand response: A case study of a plus-energy dwelling", Applied Energy, vol. 214, pp. 191–204, doi:10.1016/j.apenergy.2018.01.086

추가 읽기

예제에 대한 외부 링크