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과제기본정보

플러스 에너지 공동주택을 위한 유기 랭킨 사이클 기술 기반 제습공조시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C141826-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설 환경설비 기술 | 건축환경 설비기술 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 기초
과제명 플러스 에너지 공동주택을 위한 유기 랭킨 사이클 기술 기반 제습공조시스템 개발
주관연구기관 한양대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 정재원
소속 한양대학교산학협력단 직위 교수
기관 대표번호 02-2220-0870 FAX 02-2220-0407
총 연구기간 2018-04-17 ~ 2019-12-31
당해연도 연구기간 2019-01-01 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 220,000,000 0 0 0 220,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ● 본 연구는 궁극적으로 공동주택의 플러스 에너지화를 달성하기 위해 기본이 되는 냉/난방 시스템의 에너지를 절감할 수 있는 친환경 차세대 공조시스템의 핵심 기술을 개발하고자 함. 차세대 공조시스템을 구현하는 핵심 기술로는 물의 증발잠열을 이용하여 실내로 급기되는 공기를 냉각시켜 냉방 에너지 소비를 최소화하는 고효율 증발냉각기술과 증발냉각효과를 극대화 시켜주면서 전력 피크 부하를 줄이기 위해 열을 사용하는 냉방시스템(heat-driven cooling system)인 고체식 또는 액체식 제습시스템, 기존의 랭킨 사이클과 유사하나 물 대신 증발온도가 낮은 작동유체를 활용하여 상대적으로 온도가 낮은 (70-300℃) 열원을 이용하여 전력을 생산하는 유기 랭킨 사이클이 있음.
● 공동주택에서 주로 사용되고 있는 기존의 개별 냉/난방 방식이 아닌 중앙 냉/난방과 환기를 결합한 중앙 공조 방식을 채택하여 에너지관리나 유지관리, 보수에 용이성을 높이고자 함. 공동주택에서 환기 시스템의 의무화가 이루어짐에 따라 덕트 스페이스는 확보가 된 상태이기 때문에 추가적인 비용이 많이 들지 않을 것으로 예상됨.
● 최종적으로 유기 랭킨 사이클로 미활용 열원을 이용하여 생산한 전기와 열을 공급받아 에너지 자립형 공조시스템을 구현하고, 기존 변풍량 공조시스템 대비 30% 이상의 1차 에너지 및 탄소배출량을 감소시키고 공동주택의 플러스 에너지화에 기여할 수 있는 새로운 제습 증발냉각 변풍량 공조시스템 개발을 목표로 함.
● 본 연구에서 제안한 제습공조시스템은 기존 변풍량 공조시스템에 쉽게 적용 가능함으로써 상용화를 가속화시키며 저온의 미활용 열원 및 열병합발전시스템과 제습 증발냉각 시스템의 성공적인 결합을 통하여 관련 기술 분야의 새로운 글로벌 성장 동력으로 활용될 수 있음.
최종목표 ● 공동주택의 플러스 에너지화를 위한 미활용 열원 회수 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템 개발
● 미활용 열원 회수를 통해 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클을 공동주택 제습공조시스템의 에너지원으로 활용하는 기술 개발
● Passive 및 Non-vapor compression 냉각기술에 기반을 둔 공동주택 제습공조시스템에 적용 가능한 핵심 요소기술 개발 및 성능 검증
● 분산 발전용 유기 랭킨 사이클과 제습 증발냉각 기반 기술의 융합을 통한 공동주택 중앙 공조시스템 구축 및 적용 가능성 검증
● 유기 랭킨 사이클을 이용한 제습 증발냉각 기반 공조시스템의 최적 성능 및 플러스 에너지를 달성할 수 있는 통합 제어 알고리즘 도출
연구내용 및 범위 -공동주택에 적용 가능한 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템 구성안 도출
■ 적용 가능한 열 이용 냉방기술(heat-driven cooling system) 및 건물에서 이용 가능한 미활용 열원 이용 기술의 현황 및 기술수준 분석
■ 변풍량 공조시스템 특성을 고려한 액체식 제습 및 증발냉각 시스템의 최적 위치 분석
■ 유기 랭킨 사이클이 회수하는 미활용 열원 및 제습공조시스템에 대한 적용 방안 도출
■ 미활용 열원 회수 유기 랭킨 사이클에서 생산한 전력과 열을 차세대 제습공조시스템에 최대한 활용할 수 있는 있는 2-3개의 시스템 구성안 도출
■ 예측모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 최상의 에너지 절감효과 및 제어특성을 나타내는 시스템 구성안을 선정하고 실제 공동주택에서 실용화 될 수 있는 중앙 공조시스템 프로토타입 도출

- 시스템 성능 예측모델 개발 및 목표성능 도출
■ 실제 성능 데이터 및 이론적 해석모델을 바탕으로 한 다양한 제습기, 증발냉각기, 유기 랭킨 사이클 운전특성 예측모델 개발
■ 다중효용 제습시스템 적용 방안 및 최적 운전 알고리즘 도출을 통한 시스템 성능예측
■ 제습기 및 증발냉각기, 유기 랭킨 사이클 샘플 제작 및 최적 필요 용량 산정방법 수립
■ 제습기 및 증발냉각기, 유기 랭킨 사이클 일체형 시스템의 다양한 기후 및 계절별, 미활용 열원 종류별 최적 운전 프로세스 수립

- 에너지 절감 및 탄소배출 저감효과 예측
■ 제습기 및 증발냉각기, 미활용 열원을 사용하는 유기 랭킨 사이클이 통합된 차세대 공동주택 중앙 공조시스템의 시뮬레이션 모델 개발
■ 상세 에너지 시뮬레이션을 통해 제안된 시스템과 기존 변풍량 시스템의 에너지 성능 및 탄소배출 저감 성능 비교 분석
■ 에너지 절감 및 실내 쾌적성, 온실가스 저감을 위한 구성요소별 목표성능 달성 여부 예측
■ 시뮬레이션을 통한 공동주택의 플러스 에너지화에 대한 기여도 예측

- 실내 쾌적성 및 공기질 개선 효과 예측
■ 다양한 급기방식에 따른 최적 급기 조건 및 시스템 설계 프로세스 개발
■ 실내 CO2 농도 또는 폼알데하이드 농도 변화 예측을 통한 실내 공기질 개선 효과 예측
■ 실내 예상온열감(PMV) 예측을 통한 열쾌적 기준 만족 여부 확인
■ 기존 냉/난방 시스템과 실내 쾌적성 및 공기질 개선 효과 비교 분석

- 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템의 핵심 구성요소별 시제품 설계 및 제작
■ 급기풍량 500m3/h 규모에 적합한 다양한 종류의 제습기(i.e., 액체식 또는 고체식) 및 증발냉각기(i.e., 재생형, M-cycle, 코일형), 유기 랭킨 사이클 실험용 시제품 제작
■ 제작된 시제품을 항온항습 실험 챔버에 설치
■ 구성요소별 운전데이터를 통하여 예측모델 보완 및 수정
■ 단일효용(Single-stage) 제습기 제작 및 운전

- 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템의 핵심 구성요소별 목표성능 실증
■ 제습기 및 증발냉각기, 유기 랭킨 사이클 시제품 실험을 통한 목표성능 실증
■ 재생형(Regenerative) 증발냉각기의 실험을 통해 최대 현열냉각 효과를 얻기 위한 급기 대 재생공기 비율 도출
■ 핵심 구성요소별 시운전을 통한 문제점 분석 및 프로토타입 수정 및 보완
■ 제습 증발냉각 시스템에 적용된 유기 랭킨 사이클의 공동주택의 분산 발전으로 사용 시 제어 방법 및 잉여 전력, 열 활용 방안 구축

- 실험용 시제품 운전을 통한 에너지 절감 및 공기질 개선 효과 실증
■ 액체식 제습기 적용에 의한 제습 증발냉각 시스템의 급기측 공기질 상태 변화 실측
■ 실측 데이터를 바탕으로 에너지 절감 및 탄소배출 저감 효과 실증
■ 급기측 입자형 공기오염원 및 가스형 공기오염원 농도변화에 따른 공기질 개선 효과 분석
■ 시제품 운전을 통한 실내 열쾌적 향상 효과 실증

- 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템의 통합 제어 알고리즘 도출
■ 유기 랭킨 사이클이 적용된 제습 증발냉각 시스템의 운전모드 및 용량산정 프로세스 검증
■ 미활용 열원 회수 유기 랭킨 사이클을 이용한 고효율 제습 증발냉각 공조시스템의 설계 프로세스 개발
■ 공동주택의 쾌적한 실내 환경 및 플러스 에너지화를 달성할 수 있는 유기 랭킨 사이클과 제습 증발냉각 기반 공조시스템의 통합적인 최적 제어 알고리즘 정립
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ● 공동주택에 적용 가능한 유기 랭킨 사이클 적용 제습공조시스템 구성안 도출
● 예측모델 개발 및 목표치 설정
● 시스템의 에너지 절감 및 탄소배출 저감효과 예측
● 실내 쾌적성 및 공기질 개선 효과 예측
■ 공동주택 유형별 기존 공조시스템 설치현황 조사
■ 예측모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 최상의 에너지 절감효과 및 제어특성을 나타내는 시스템 구성안을 선정하고 실제 공동주택에서 실용화 될 수 있는 중앙 공조시스템 프로토타입 도출
■ 시스템 운전, 에너지소비, 실내 공기질 및 쾌적도 현황 및 개선방향 도출
■ 예측모델 개발 및 목표치 설정
■ 시스템 용량 산정 및 설계프로세스 개발
■ 에너지 절감 및 탄소배출 예측
■ 상세 에너지 시뮬레이션을 통해 제안된 시스템과 기존 변풍량 시스템의 에너지 성능 및 탄소배출 저감 성능 비교 분석
■ 실내 CO2 농도 또는 폼알데하이드 농도 변화 예측을 통한 실내 공기질 개선 효과 예측
■ 실내 예상온열감(PMV) 예측을 통한 열쾌적 기준 만족 여부 확인
연구성과 기술적 기대성과 ● 건물분야 온실가스배출 감소에 핵심 요소기술2013년부터 기후변화 협약에 의한 우리나라 CO2 배출량 감축이 본격적으로 시작됨에 따라, 시급한 국가과제인 건물분야 온실가스배출 감소에 실질적이고 파급효과가 큰 요소기술이 될 것으로 기대
● 친환경 공조시스템 개발 분야의 선진국과의 기술격차 해소선진국 대비 기술개발 격차가 상대적으로 컸던 차세대 친환경 공조시스템 개발 분야에서의 그동안의 기술격차를 해소하여 국내 연구진의 관련 기술 개발 활성화
● 친환경 공조설비 분야의 선도적 기반 기술 보유기존 고효율의 저에너지 공조시스템 기술 개발에 있어 국내 연구진 및 관련기업들의 선도기술 개발 추진을 활성화 하는데 크게 기여할 것으로 기대
● 고부가가치 기술 개발을 통한 국내 기술 자립도 향상선진국 대비 기술개발 격차가 상대적으로 컸던 차세대 친환경 공조시스템 개발 분야에서 그동안의 기술격차 해소에 기여
사회 경제적 파급효과 ● 친환경 고효율 공조설비 분야 성장동력 제공기존 HVAC 시스템 대비 30% 이상의 에너지소비 절감과 탄소배출량 저감할 수 있는 친환경 고효율 공조설비 기술개발을 통해 관련 산업분야에 새로운 성장동력 기대
● 건물분야 신재생에너지 적용확대신재생에너지 및 열병합발전시스템의 건물분야 적용 확대를 통해 관련 업계의 시장 확대에 기여
● 저에너지 친환경 건축물/탄소중립 도시 실현기존 공조시스템 대비 에너지 소비량 및 탄소배출량 30% 이상 저감을 통해 국가 에너지 및 탄소배출 저감목표 달성 및 제로에너지 건물 구현에 기여
● 쾌적한 실내 환경, 국민 건강과 생활의 질 향상국민 생활과 밀착되어 있는 공동주택의 쾌적도 및 실내공기질 향상을 통해 국민 건강 증진 및 삶의 만족도 향상을 도모하여 불필요한 사회적 비용을 절감할 것으로 기대
● 고용창출 효과에너지 친환경 공조시스템과 관련한 기술개발과 시장 형성이 선진국들에 비해 늦어지고 있는 우리나라에서 관련 기술 개발과 새로운 시장형성 및 전문인력 수요 증가에 따른 고용창출 효과 기대
활용방안 ● 플러스 에너지 건물 구현을 위한 주요 핵심기술로 활용건물의 가장 큰 에너지 소비를 차지하는 냉/난방 에너지를 절감할 수 있는 핵심기술로 패시브 및 비증기 압축식 냉각기술을 적용함으로써 플러스 에너지 건물 구현을 가속화
● 신재료 및 요소기술 개발 활성화기존에 부족했던 액체식 제습시스템, 간접식 및 직접식 증발냉각 기술 시장의 성장과 성능 향상을 위한 신재료 및 관련 요소기술 분야 산업의 발전에 기여
● 주요 핵심기술의 국내특허 및 PCT 출원을 통해 관련 기업체들에 대한 기술이전 추진국내특허 및 PCT 출원을 통한 핵심기술 확보와 관련 국내 기업들에 대한 기술이전을 통해 국내 기업들의 기술수준 향상 및 관련 시장개척에 기여
● HVAC 시스템 제작업체와의 제휴를 통해 다양한 패키지형 제습 증발냉각시스템 기반 변풍량 공조기 개발 추진저에너지 친환경 공조시스템 분야의 시장 확대 및 엔지니어링 산업의 성장에 기여
● 공동주택 기계환기 시스템 설치 의무화 및 국가 온실가스 감축 정책 실현을 위한 기술로 적극적인 활용친환경적인 제습 공조시스템 설치를 통해 고농도 미세먼지에 대한 걱정 해결과 온실가스 감축에 모두 기여
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 제습 시스템 증발냉각 시스템 유기 랭킨 사이클 플러스 에너지 건물 미활용 열원 회수
영문 Desiccant system Evaporative cooling system Organic Rankine cycle Plus energy building Waste heat recovery
최종보고서
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