오사카가스㈜  에너지사업부 에너지기술부 업무용·공조기술팀 리더

최근 지구온난화 방지대책으로 CO2 배출량의 삭감이 요구되고 있는 가운데 태양광·태양열·바이오매스 등, 재생가능 에너지의 활용이 기대되고 있다. 또한 에너지 절약법 개정에 의해 에너지 관리의 단위가 종래의 공장이나 사업자 단위에서 기업단위로 변경됨에 따라 공조시스템을 비롯한 에너지 소비 설비의 고효율화가 한층 더 요구되고 있다.

이러한 배경을 바탕으로 당사에서는 저탄소사회의 실현을 위해 태양열을 유효하게 활용하여 여름은 냉방, 겨울은 난방을 실시하는 ‘업무용 솔라 공조시스템(이하 솔라쿨링시스템)’의 실용화를 진행하기 위해, 당사 사업소 내에서의 실증시험을 지난 6월부터 개시했다. 또한 ‘솔라 쿨링’은 도쿄가스㈜, 오사카가스㈜, 토호가스㈜ 공동으로 상표등록 출원 중이다.

솔라쿨링시스템 설비 소개

실증시험에 이용하는 솔라쿨링시스템은 당사의 도관기술센터(오사카시 코노하나구 토리시마, 이하 본 센터)에 설치되어 있으며, 앞으로 약 1년간 본 센터의 냉난방을 실시하면서 에너지 절약성, CO2 저감성의 검증과 엔지니어링에 필요한 데이터와 노하우를 수집한다.

본 센터의 외관을 사진 1에, 개요를 표 1에 나타낸다.

사진 1. 오사카가스 도관기술센터 건물외관. 실증시험에 이용하는 솔라쿨링시스템이 설치되어 있다.

표 1. 건물개요. 오사카시 코노하나구 토리시마에 위치한 오사카가스 도관기술센터에 대해  간략히 소개한다.

솔라쿨링시스템

실증시험 중인 솔라쿨링시스템의 개략적인 흐름을 그림 1에 나타낸다. 본 시스템은 태양열을 효율 좋게 모아 온수로 변환하는 태양열집열기와 코제너레이션 시스템의 배열이용 기기로써 개발된 배열투입형 가스흡수 냉온수기 ‘제너링크’로 구성되어 있다. 본 시스템에서는 태양열로 변환시킨 온수를 여름 동안에는 제너링크의 열원으로 이용하여 냉수를 만들어내 냉방을 실시하고, 겨울 동안에는 온수를 직접 난방에 이용한다. 열원으로 태양열을 우선적으로 활용하기 때문에 에너지 절약성이 높은 냉난방이 실현된다.

그림 1. 솔라쿨링시스템의 흐름. 솔라쿨링시스템은 태양열을 모아 온수로 변환하는 태양열집열기와 가스흡수냉온수기 ‘제너링크’로 구성되어 있다.

표 2에 솔라쿨링시스템의 기기사양을 나타낸다. 태양열집열기, 제너링크는 본 센터의 옥상에 설치되어 있다. 그림 2에 레이아웃을 나타낸다. 태양열집열기는 정남쪽에서 동쪽으로 약 20도의 방위각, 경사각은 진공관식은 25도, 평판식은 20도이다.

표 2. 솔라쿨링시스템의 기기사양. 솔라쿨링시스템은 앞으로 1년간 도관기술센터의 냉난방을 실시하며 에너지절약성 및 CO2 저감성의 검증 및 엔지니어링에 필요한 데이터를 수집한다.

그림 2. 실증시험설비 레이아웃(옥상). 태양열로 변환시킨 온수를 여름동안에는 제너링크의 열원으로 이용해 냉방을 실시하고, 겨울엔 온수를 직접 난방에 이용한다.

높은 집열효율이 기대되는 태양열집열기

실증시험에서는 높은 집열효율을 기대할 수 있어 냉방에 필요한 80℃ 이상의 온수를 끌어낼 수 있는 3종류의 태양열집열기를 사용하고 있다. 방식은 진공관식이 2종류와 평판식이 1종류이다. 유효집열 면적은 합계 204㎡로, 제조회사 사양치에 의하면 일사량이 피크(1kW/㎡)일 때, 약 130kW를 집열할 수 있다.

이 열량은 냉방 정격 시에 본 제너링크에 투입할 수 있는 최대 배열량과 거의 동일하고, 집열한 태양열은 낭비하는 일 없이 이용이 가능하다. 실증시험에서는 각 집열기의 집열효율의 검증도 실시한다. 사진 2~4에 각 집열기의 개관을 나타낸다.

사진 2. 태양열집열기(진공관식 A).  솔라쿨링시스템의 태양열집열기는 진공관식 2종과 평판식 1종이 사용된다.

사진 3. 태양열집열기(진공관식 B).  태양열집열기의 유효집열면적은 총 204㎡로, 일사량이 피크일 때 약 130kW를 집열할 수 있다.

사진 4. 태양열집열기(편판식)  태양열집열기로 집열한 태양열은 낭비하는 일 없이 이용이 가능하다.

제너링크로 정격가스 소비량 최대 25%삭감

이전에 본 센터에서는 공조열원기로 60RT의 가스흡수 냉온수기(정격COP1.1 : JIS 기준)이 2대 설치되어 있었지만, 실증시험에 즈음하여 100RT의 제너링크로 갱신했다. 제너링크의 베이스기는 정격 COP1.4(JIS 기준)의 고효율기로, 배열(태양열)을 이용하여 정격가스 소비량을 최대 25% 삭감할 수 있어, COP1.7까지 향상시킬 것이라고 기대된다. 또한, 제너링크는 배열(태양열)을 우선 이용하는 제어가 편성되어 있기 때문에 1차에너지인 가스량의 삭감을 실현할 수 있고, 공조부하가 적을 때는 태양열만으로 냉방을 실시하는 것도 가능하다.

시스템 전체의 에너지 절약 제어

보기동력의 삭감이나 방열로스의 저감을 도모하기 위해 일사량·온수온도·제너링크의 운전 상태를 모니터하면서 집열펌프·열원수펌프를 제어해 시스템 전체의 에너지 절약을 도모하고 있다. 실증시험에서는 시스템 전체의 에너지 절약성의 평가를 실시한다.

도입효과의 시산

본 센터의 2007년도의 공조가스 사용량을 바탕으로 월별로 전부하상당운전시간을 산출하여, 제너링크의 베이스기인 고효율 가스흡수 냉온수기로 갱신한 경우와, 또한 태양열을 이용하는 솔라쿨링시스템을 도입한 경우의 에너지 절약성·CO2 저감성에 대해서 사전에 FS를 실시했다.

그 결과, 그림 3과 같이 고효율 가스흡수 냉온수기로 갱신하여 약 24%, 본 시스템을 도입하여 20%의 가스량 삭감이 예상되어, 합계 연간 약 33t의 CO2 배출량의 삭감을 기대할 수 있었다. 또한, 일사량·기온은 NEDO 홈페이지에서 아메다스(지역기상관측 시스템)에 있어서의 오사카의 표준기상·일사데이터를 추려내는 데 이용했다. 태양열집열기 및 흡수 냉온수기의 효율은 제조회사 사양치를 이용했다.

그림 3. CO2 배출량 삭감 효과. 도관기술센터의 2007년도의 공조가스 사용량을 바탕으로 월별로 전부하상당운전시간을 산출해 각 경우의 에너지 절약성 및 CO2 저감성에 대해 FS를 실시했다.

솔라쿨링시스템의 운전상황

본 센터의 냉방기간은 5월 하순부터 10월 중순으로, 동 기간 동안 제너링크는 7시에 기동하여 18시에 정지한다. 단, 토·일요일 및 국경일은 운전하지 않는다.

그림 4는 7월의 맑은 날의 시각별 일사량과 집열량을 나타낸다. 하루 낮의 평균기온 30.9도, 최고기온이 32.9도로 일사량도 비교적 많은 무더운 날이다. 일사량에 맞춰 집열량은 변화하며, 1일 총 집열량은 일사량의 약 50%였다. 11시 대는 그 날의 피크 일사량 0.94kW/㎡(수평면 일사)를 나타내고, 0.41GJ/h (114kW)를 집열했다.

그림 4. 일사량, 집열량(7월 맑은 날). 무더운 여름의 일사량과 집열량을 나타냈다. 1일 총 집열량은 일사량의 약 50%다.

그림 5는 같은 날의 제너링크로의 열원별 에너지 투입량을 나타낸다. 태양열의 제너링크에의 투입열량을 가스삭감량으로 환산하면 약 16%의 가스삭감율을 보인다. 평균 공조부하율은 65%였다.

그림 5. 제너링크로의 에너지 투입량(7월 맑은 날). 태양열의 제너링크에의 투입열량을 가스삭감량으로 환산하면 약 16%의 가스삭감률을 보인다. 

그림 6은 6월의 맑은 날에 있어서의 제너링크에의 열원별 에너지 투입량을 나타낸다. 하루 중 평균기온 24.8도, 최고기온이 26.9도인 중간 시기의 냉방으로, 하루의 평균 공조부하율은 29%로 낮기 때문에 태양열의 이용비율이 높아져 약 30%의 가스삭감율을 보인다. 또한, 10시 대에서는 공조부하가 보다 낮기 때문에 가스를 태우지 않는 태양열만으로의 단독운전을 확인했다.

그림 6. 제너링크로의 에너지 투입량(6월 맑은 날). 하루 평균기온이 24.5도인 6월엔 태양열의 이용비율이 높아져 약 30%의 가스삭감율을 보인다.

그림 7은 8월의 태양집열기의 기간집열효율을 나타낸다. 유효집열 면적기준에서는 집열기에 따라서 36~68%의 차이를 보인다. 평균 기간 집열효율은 48%였다. 또한, 같은 달의 평균 공조부하율은 냉방기간 중에서 가장 높은 약 60%이고, 태양열에 의한 가스삭감율은 12.2%였다.

그림 7. 집열기 기간효율(8월). 집열기에 따라 36~68%의 차이를 보이나 평균 기간 집열효율은 48%를 나타냈다.

솔라쿨링시스템의 에너지 절약 및 CO2 저감효과

신정권 하에 1990년 대비 2020년까지 25% 온실효과 가스삭감이라는 목표를 분명히 한 후 에너지 절약·CO2 저감화를 위한 움직임이 한층 가속화되어 왔다. 그 해결책의 하나로써 재생가능 에너지의 활용이 더욱더 중요하게 될 것이라고 예상된다.

이번에 태양열을 유효 활용하여 냉난방을 실시하는 ‘솔라쿨링시스템’을 구축하고 실제 건물에서 실증시험을 실시했다. 그 결과 냉방 시의 가스량의 삭감과 그것에 의한 에너지 절약효과 및 CO2 저감효과가 확인되었다. 또한 각 집열기의 집열효율이나 과제가 분명해졌다. 이후 난방 시 실증시험을 실시하여 데이터 수집·상세한 분석을 보다 더 실시함과 동시에, 시스템 전체의 고효율화와 원가 저감을 위한 검토를 진행해 시장도입을 추진해 나가야겠다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

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