표제지
제출문
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 21
제1절 연구배경 및 필요성 21
제2절 연구목적 및 내용 22
제3절 연구의 방법 및 절차 23
제2장 초고기밀 단열주거를 위한 컴팩트형 배열회수시스템 개발 25
제1절 배열회수 환기시스템 개요 25
제2절 실험 내용 및 방법 26
1. 실험모델 선정 27
2. 실외 환경 챔버 구조 및 특징 28
3. Data 측정 장비 29
4. 실험 조건 30
제3절 성능 평가 결과 33
1. 시뮬레이션 평가 33
2. 열교환 효율 39
3. 에너지 사용량 42
제4절 결론 44
제3장 건물외피형 지열연계 태양열 시스템 46
제1절 건물 외피일체형 태양열 시스템(BIST)의 특징 46
1. 외피일체형 태양열 시스템의 정의 및 종류 46
2. 외피일체형 태양열 시스템의 구조 47
3. 외피일체형 태양열 시스템(BIST)의 특징 및 장단점 48
제2절 태양열시스템의 설계 50
1. 설계 시 반영된 주안점 50
2. 시스템 기본 설계 개념도 51
3. 저온 바닥난방 시스템 54
4. 건물일체형 집열기 54
5. 건물일체형 태양광 발전 시스템 59
제3절 ZeSH II 시스템 분석 60
1. 전기부하 분석 60
2. 배열회수에 따른 에너지 분석 62
3. 태양열시스템의 결과분석 63
제4절 소결론 65
제4장 Backup용 연료전지 시스템 설계 및 종합화 66
제1절 연료전지 시스템 설계 및 해석 기술 66
제2절 Backup용 연료전지 시스템 설계 68
1. Backup용 연료전지 시스템 구성 68
2. 연료전지 BOP 및 시스템 모델 69
가. 연료전지 69
나. 전력변환기 71
다. 운전장치(Balance of Plant, BOP) 71
라. 연료변환 시스템 (개질기) 74
마. 열교환기 및 열회수 시스템 81
3. 성능평가 프로그램 82
가. 성능평가 알고리즘 82
나. 부하조절방법 84
다. 시스템 효율 계산 85
라. 연료전지 용량 설계 87
제3절 성능평가 프로그램 기반 연료전지 설계 결과 검증 89
1. Backup용 연료전지 성능 평가 결과 89
제4절 2㎾급 연료전지 시스템 설계 및 제작 92
1. 연료전지 스택 설계 92
가. 연료전지 스택 성능 요구서 92
나. 연료전지 스택 개념 설계 93
다. 연료전지 스택 단품 설계 94
라. 단위전지 및 스택 제작 100
2. 연료전지 시스템 설계 102
제5장 제로에너지 솔라하우스(ZeSH II) 통합성능 분석 104
제1절 외벽구조 형태에 따른 ZeSH I 의 에너지 성능검토 104
1. 대전지역 기상데이터 분석 104
2. 1단계 제로에너지 솔라하우스(ZeSH I)의 분석결과 108
가. ZeSH I 의 개요 108
나. ZeSH I 의 에너지 성능분석 109
3. 신공법을 적용한 ZeSH I 의 에너지 성능분석 112
가. 와이어패널 114
나. ALC Block 116
다. 스터드 월(stud wall) 117
4. ZeSH I 의 중량구조와 경량구조의 에너지 성능 분석결과 120
제2절 보급형 제로에너지 솔라하우스(ZeSH II) 통합성능분석 121
1. ZeSH II의 개요 121
가. 기본설계안 124
나. 최종설계 124
2. Sismo 구조의 개요 126
가. 시공법 126
3. 분석결과 128
가. 단열재 두께에 따른 에너지 성능분석결과 128
나. 환기회수의 변화에 따른 분석 135
다. 창호의 종류에 따른 분석 138
라. 파사드일체형 태양열시스템의 외벽 설치 유무에 따른 건물부하 영향평가 139
마. 환기배열회수장치 140
4. 분석내용 142
제3절 보급형 제로에너지 솔라하우스 경제성 분석 143
1. 기본해석조건 (기존 ZeSH I 형태에서 구조만 변경) 143
가. 건물 면적 143
나. 기준주택(Basecase)의 설정기준 143
다. 분석결과 143
라. 평가결과 143
2. 기본해석조건 및 분석결과 (ZeSH II-4, ZeSH II-5는 신규설계 주택을 대상으로 분석) 144
가. 건물 면적 : 총 80평 (지상층 면적은 50평) 144
나. ZeSH II 주택의 설정조건 및 결과 144
다. 분석결과 144
제4절 소결론 145
제6장 ZeSH II 기본설계도 147
제7장 종합결론 161
참고문헌 162
부록 : 지열원 히트펌프 성능 평가 및 원격 모니터링 기술 개발 163
요약문 165
SUMMARY 166
COMTEMTS 167
목차 169
제1장 서론 175
제1절 기술의 개요 175
제2장 지열원 히트펌프 시스템 176
제1절 GSHP 운전 사이클 176
1. 냉방 사이클 177
2. 난방 사이클 177
제2절 국내외 지열 히트펌프시스템 현안 180
1. 국내외 보급 동향 180
2. 국내외 기술개발 현황 182
제3장 RETScreen 지열원 시스템 적용 경제성 분석 184
제1절 RETScreen 소개 184
1. Energy Model Worksheet 186
2. Heating & Cooling Load Calculations Worksheet 187
3. Cost Analysis Worksheet 188
4. Green-House Gas Emission Reduction Analysis Worksheet 189
5. Financial Summary Worksheet 190
제2절 KIER 복합기술실험동 경제성 분석 192
1. 건축개요 192
2. 냉난방 부하 분석 193
3. 건물 및 공조시스템 정보 입력 194
4. 공기조화 시스템 경제성 비교 199
제4장 지열원 히트펌프시스템 성능 측정 방안 202
제1절 국제 표준 IPMVP 기술 202
1. 신재생에너지 IPMVP의 목적 202
2. IPMVP 옵션 203
제2절 지열원 히트펌프 성능 분석 기준(ISO-13256) 206
1. 물 대 공기 방식 (ISO-13256-1) 206
2. 물 대 물 방식 (ISO-13256-2) 209
제3절 GSHP 성능 측정 및 검증 213
1. 물 대 공기 방식 (ISO-13256-1) 214
2. 물 대 물 방식 (ISO-13256-2) 216
3. 시스템 성능 측정 확인 방법 219
제5장 결론 225
참고문헌 227
서지정보양식
BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET
〈표 2-1〉 정상상태에서 배열회수 환기시스템의 실험조건 26
〈표 2-2〉 실외 환경 챔버의 Data측정 장비 29
〈표 2-3〉 Window 및 Therm 프로그램의 특징 34
〈표 2-4〉 열성능 평가 시, 실내·외 경계조건 35
〈표 4-1〉 개질 반응식 75
〈표 4-2〉 평형정수와 반응열 78
〈표 4-3〉 연료전지 출력 제어 (step control) 85
〈표 4-4〉 도시 가스 발열량 계산 86
〈표 4-5〉 해석 모델의 운전 조건 87
〈표 4-6〉 겨울철 연료전지 열에너지 부하 추종 평균효율 89
〈표 4-7〉 연료전지 스택 성능 요구서 93
〈표 4-8〉 2㎾급 연료전지 스택 성능 및 운전 사양서 102
〈표 5-1〉 대전지역 시간별 표준기상자료 월별 통계처리 결과 106
〈표 5-2〉 기준모델의 실별 특징 109
〈표 5-3〉 제로에너지 솔라하우스(ZeSHI(ZeSH1))의 부위별 단열재 두께와 열관류율 110
〈표 5-4〉 제로에너지 주택의 적용기술별 난방에너지 소비량 (난방면적 : 138.6㎡기준) 111
〈표 5-5〉 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용할 경량구조의 특성 113
〈표 5-6〉 와이어패널의 벽체 구성 115
〈표 5-7〉 와이어패널의 지붕 구성 115
〈표 5-8〉 ALC-Block의 벽체 구성 117
〈표 5-9〉 ALC-Block의 지붕 구성 117
〈표 5-10〉 Wire-Block의 벽체 구성 119
〈표 5-11〉 Wire-Block의 지붕 구성 119
〈표 5-12〉 제로에너지 솔라하우스에 적용된 경량구조의 에너지 성능분석결과 120
〈표 5-13〉 보급형 제로에너지 솔라하우스(ZeSHII)의 기본설계시 요소기술별 고려사항(1) 122
〈표 5-14〉 보급형 제로에너지 솔라하우스(ZeSHII)의 기본설계시 요소기술별 고려사항(2) 123
〈표 5-15〉 보급형 제로에너지 솔라하우스의 개요 124
〈표 5-16〉 Sismo 구조의 벽체 구성(단열재 50㎜인 경우) 129
〈표 5-17〉 Sismo 구조의 벽체 구성(단열재 100㎜인 경우) 130
〈표 5-18〉 Sismo 구조의 벽체 구성(단열재 150㎜인 경우) 131
〈표 5-19〉 Sismo 구조의 벽체 구성(단열재 200㎜인 경우) 132
〈표 5-20〉 Sismo 구조의 벽체 구성(단열재 250㎜인 경우) 133
〈표 5-21〉 배열회수시스템의 단가분석 141
〈표 5-22〉 ZeSHII의 적용기술별 난방에너지 절감효과 146
〈표 2-1〉 주요국의 지열 보급추이 181
〈표 2-2〉 열교환기 설계 프로그램 183
〈표 3-1〉 KIER 복합기술실험동 건축 개요 193
〈표 3-2〉 공기조화 시스템의 경제성 비교 201
〈표 4-1〉 국제표준 IPMVP 측정 및 검증 방법 204
〈표 4-2〉 측정 방안별 프로젝트 205
〈표 4-3〉 냉·난방 용량을 결정하기 위한 시험조건 (지중-루프 열펌프) 208
〈표 4-4〉 최대 냉·난방 시험조건 (지중-루프 열펌프) 209
〈표 4-5〉 냉각 용량의 측정을 위한 시험 조건들 211
〈표 4-6〉 가열 용량의 측정을 위한 시험 조건들 212
〈표 4-7〉 물 대 공기 냉방 성능 데이터(냉방) 215
〈표 4-8〉 물 대 공기 냉방 성능 데이터(난방) 215
〈표 4-9〉 물 대 물 냉방 성능 데이터(냉방) 217
〈표 4-10〉 물 대 물 냉방 성능 데이터(난방) 218
〈표 4-11〉 측정 지점 및 센서 219
〈표 4-12〉 KS C 9306 표준시험조건 223
[그림 1-1] ZeSH 개발을 위한 접근 방법 24
[그림 2-1] 배열회수 환기시스템의 외관 27
[그림 2-2] 배열회수 환기시스템의 전열교환기 구조 및 특징 28
[그림 2-3] 실외 환경 챔버의 내부구조 28
[그림 2-4] 실외 환경 챔버 실내·외 구조 및 구축시스템 29
[그림 2-5] 실내 환경 챔버내의 온도 및 습도 측정위치 30
[그림 2-6] 배열회수 환기시스템의 온도 및 습도 측정위치 31
[그림 2-7] 50 CMH의 유속 및 유량 32
[그림 2-8] 80 CMH의 유속 및 유량 32
[그림 2-9] 에너지 사용량 측정 장비 및 모니터링 시스템 33
[그림 2-10] 프로그램의 상호 연동관계 34
[그림 2-11] THERM 5.2 및 WINDOW 5.2를 이용한 창호의 모델링 35
[그림 2-12] Head의 모델링 및 U-Factor 36
[그림 2-13] L-Jamb의 모델링 및 U-Factor 37
[그림 2-14] R-Jamb의 모델링 및 U-Factor 37
[그림 2-15] Sill의 모델링 및 U-Factor 38
[그림 2-16] Meeting Rail의 모델링 및 U-Factor 38
[그림 2-17] 표준창호의 Total U-Factor 39
[그림 2-18] 50 CMH일 경우의 현열 교환 효율 39
[그림 2-19] 50 CMH일 경우의 잠열 교환 효율 40
[그림 2-20] 50 CMH일 경우의 전열 교환 효율 40
[그림 2-21] 80 CMH일 경우의 현열 교환 효율 41
[그림 2-22] 80 CMH일 경우의 잠열 교환 효율 41
[그림 2-23] 80 CMH일 경우의 전열 교환 효율 42
[그림 2-24] 자연환기일 경우의 에너지 사용량 43
[그림 2-25] 50 CMH일 경우의 에너지 사용량 43
[그림 2-26] 80 CMH일 경우의 에너지 사용량 44
[그림 3-1] 건물 외피일체형 태양열 시스템의 구분 및 종류 47
[그림 3-2] BIST 구조 사례 1 48
[그림 3-3] BIST 구조 사례 2 48
[그림 3-4] 태양열 축열조 및 Buffer 탱크 52
[그림 3-5] 보일러를 Backup용으로 하는 태양열 난방 및 급탕시스템 53
[그림 3-6] 히트펌프를 Backup용으로 하는 태양열 난방 및 급탕시스템 53
[그림 3-7] 연료전지를 Backup용으로 하는 태양열 난방 및 급탕시스템 54
[그림 3-8] 벽면일체형 집열기 설치 전경 55
[그림 3-9] 건물 일체형 집열기 헤더 및 집열관 55
[그림 3-10] 벽면일체형 집열기 집열관에서의 유량분포 분석모델 57
[그림 3-11] 집열기 집열관과 header의 단면적비에 따른 집열관내의 속도분포의 변화 57
[그림 3-12] 집열기 폭에 따른 성능 58
[그림 3-13] 집열기 단열재 두께에 따른 성능 58
[그림 3-14] 집열기 공기층 두께에 따른 성능 59
[그림 3-15] ZeSH II에 PV모듈 설치 전경 (건물의 지붕) 59
[그림 3-16] 기존주택과 ZeSH II의 전기부하 및 3㎾p급 PV 시스템의 발전량 60
[그림 3-17] ZeSH II의 용도별 전력사용분포 61
[그림 3-18] ZeSH II의 전력요금 61
[그림 3-19] PV 적용에 따른 기존주택과 ZeSH II의 년간 전력요금 62
[그림 3-20] 배열 회수율에 따른 ZeSH II의 열부하 62
[그림 3-21] 집열면적에 따른 ZeSH II의 태양열의존율 63
[그림 3-22] 집열면적 20㎡인 ZeSH II의 열부하 및 태양열의존율 64
[그림 3-23] 기본 설계안(ZeSH II)에 대한 일별 태양열 및 보조열원 공급된 에너지 량 65
[그림 4-1] 연료전지 시스템 설계 및 해석 과정 67
[그림 4-2] Backup용 연료전지 시스템 개념도 69
[그림 4-3] 연료전지의 IV 성능곡선 70
[그림 4-4] 연료전지의 출력 곡선 70
[그림 4-5] 입력 전력에 따른 전력변환장치의 효율 71
[그림 4-6] 사용된 공기 압축기 성능 곡선 72
[그림 4-7] 사용공기량에 따른 압축기 소비 동력 73
[그림 4-8] 유량에 따른 연료 압축기의 소비동력 73
[그림 4-9] 온도에 따른 Steam Reformer의 전환율 77
[그림 4-10] 온도에 따른 수증기 개질반응의 필요 열량 78
[그림 4-11] 시스템 성능평가 순서도 84
[그림 4-12] Backup용 연료전지의 열에너지 부하 패턴 88
[그림 4-13] Backup용 연료전지의 겨울철 열에너지 부하 패턴 88
[그림 4-14] 시스템 열 및 전기 에너지 출력 및 에너지 손실율 90
[그림 4-15] 열부하 패턴에 따른 연료전지 부하 추종 91
[그림 4-16] 열부하 패턴에 따른 온수 저장조 온도 변화 91
[그림 4-17] 2㎾ 급 backup용 연료전지 분리판 정면도 96
[그림 4-18] 연료전지 수치 해석을 위한 개질 수소, 공기측 분리판 계산 영역 97
[그림 4-19] 분리판 매니폴드/채널 연결부 형상 및 격자 생성 97
[그림 4-20] 분리판 채널 압력분포 98
[그림 4-21] 연료전지 엔드판 3차원 설계 형상 99
[그림 4-22] 가스켓 정렬 안정성 분석 100
[그림 4-23] 단위 전지 성능 평가 실험 100
[그림 4-24] 연료전지 스택 조립도 101
[그림 4-25] 개질기 시스템과 연계된 Backup용 연료전지 시스템 구성도 103
[그림 4-26] Backup용 연료전지 시스템 제작을 위한 설계 도면 103
[그림 5-1] 제로에너지 솔라하우스 개발 중장기 목표 및 현단계 다이어그램 105
[그림 5-2] 대전지역 시간별 표준기상자료의 월별 시간별 외기온 및 일사량 변동 105
[그림 5-3] 대전지역 시간별 표준기상자료의 연간 시간별 외기온 변화 (습구온도, 건구온도) 106
[그림 5-4] 각 월별 기준일의 건구온도 대 상대습도 쾌적조건 분석결과(대전) 107
[그림 5-5] 각 월별 기준일의 건구온도 대 절대습도 쾌적조건 분석결과(대전) 107
[그림 5-6] ZeSHI(ZeSH1)(습식구조)의 월별에너지 소비량 111
[그림 5-7] 보급형 제로에너지 솔라하우스의 개념 112
[그림 5-8] 와이어패널의 구조도 114
[그림 5-9] 제로에너지 솔라하우스에 적용된 와이어 패널의 단면 114
[그림 5-10] 와이어 패널의 난방에너지 성능분석결과 115
[그림 5-11] 제로에너지 솔라하우스에 적용된 와이어 패널의 단면 116
[그림 5-12] ALC Block의 난방에너지 성능분석결과 117
[그림 5-13] Stud wall의 형상 118
[그림 5-14] 제로에너지 솔라하우스에 적용된 스터드월의 단면 118
[그림 5-15] Stud-Wall의 난방에너지 성능분석결과 119
[그림 5-16] 제로에너지 솔라하우스의 경량구조체별 난방에너지 121
[그림 5-17] 제로에너지 솔라하우스의 경량구조체별 최대난방부하 121
[그림 5-18] ZESH 2 개념설계안 1 124
[그림 5-19] ZESH 2 개념설계안 2 124
[그림 5-20] ZeSH II의 최종설계안의 개념도 125
[그림 5-21] ZeSH II의 최종설계안 125
[그림 5-22] 시스모 공법의 구성재료 126
[그림 5-23] SISMO 공법의 부위별 단열상세 127
[그림 5-24] 제로에너지 솔라하우스 해석모델 128
[그림 5-25] 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용된 50㎜ 단열효과 129
[그림 5-26] 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용된 100㎜ 단열효과 130
[그림 5-27] 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용된 150㎜ 단열효과 131
[그림 5-28] 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용된 200㎜ 단열효과 132
[그림 5-29] 보급형 제로에너지 솔라하우스에 적용된 250㎜ 단열효과 133
[그림 5-30] 단열두께에 따른 열관류율 134
[그림 5-31] 단열두께 변화에 따른 난방에너지 절감효과 134
[그림 5-32] 단열두께 변화에 따른 최대난방부하 변화 135
[그림 5-33] 환기회수 0.7회/h 일때 난방에너지 성능분석 136
[그림 5-34] 환기회수 0.3회/h 일때 난방에너지 성능분석 136
[그림 5-35] 환기회수 0.1회/h 일때 난방에너지 성능분석 137
[그림 5-36] 환기량 변화에 따른 난방에너지 성능비교분석 138
[그림 5-37] 창호의 종류에 따른 난방에너지 성능분석 139
[그림 5-38] 자연형 태양열 시스템의 설치유무에 따른 난방에너지 성능분석 140
[그림 5-39] 배열회수 시스템의 열 회수 효율에 따른 열량변화 141
[그림 5-40] ZeSH 모델별 초기투자비 평가결과 143
[그림 5-41] 신규설계 주택을 대상으로 한 분석결과 144
[그림 2-1] 지열원 히트펌프(냉방 사이클) 178
[그림 2-2] 지열원 히트펌프(난방 사이클) 179
[그림 2-3] 지열에너지 이용 열교환 기술의 종류 179
[그림 3-1] RETScreen-GSHP 초기화면 184
[그림 3-2] RETScreen 프로그램 활용 Flow-Chart 185
[그림 3-3] Energy Model Worksheet 186
[그림 3-4] Heating & Cooling Load Calculations Worksheet 187
[그림 3-5] Cost analysis 188
[그림 3-6] GHG(Green-house gas) emission reductions 189
[그림 3-7] Financial summary 190
[그림 3-8] LCC(Life Cycle Cost) 191
[그림 3-9] RETScreen GSHP model flowchart 191
[그림 3-10] 한국에너지기술연구원 복합기술실험동 조감도 192
[그림 3-11] 현장조건에 따른 냉난방 피크부하 및 연간 에너지 사용량 194
[그림 3-12] 깊이별 토양 샘플 채취를 통한 지중열전도도 측정 결과 195
[그림 3-13] 복합기술실험동 지열히트펌프 적용 가능 방식별 비교 196
[그림 3-14] 수직 밀폐형 지열 히트파이프 적용 개요 197
[그림 3-15] 하이브리드형 지열히트펌프 냉난방시 흐름도 198
[그림 3-16] 건물 및 지열히트펌프 시스템 관련 정보 입력 198
[그림 3-17] 지열히트펌프 시스템 경제성 평가 200
[그림 3-18] 지열히트펌프의 단순 투자 회수 기간 201
[그림 4-1] ClimaCheck 데이터로거 220
[그림 4-2] 전류/전압 측정 모습 220
[그림 4-3] 데이터 디스플레이 (sheet) 221
[그림 4-4] On-line 데이터 flow chart 221
[그림 4-5] 지열시스템 데이터 분석 222
[그림 4-6] 전산모델 개발 222
[그림 4-7] 전산모델 검증 223
[그림 4-8] 최종 성능평가 224
[그림 4-9] 외부조건에 따른 성능평가 224
[그림 5-1] Zero Energy Homes monitoring concept (US. DOE) 226