Energy performance evaluation of waste heat recovery organic Rankine cycle based combined heat and power system for zero-energy buildings

Abstract

최근 도심에서 공동주택 및 상업용/업무용 건물 단지단위로 열병합발전(Combined heat and power, CHP) 시스템을 이용한 분산발전시스템 적용 사례가 증가하고 있다. 하지만 일반적으로 여름철에 전력 수요는 피크를 나타내는 반면 열 수요가 감소하여 열병합발전 및 대규모 열 생산 시설에서 생산되는 열이 미활용되고 있는 실정이다. 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine cycle, ORC)은 열병합발전으로 이용 가능한 시스템 중 하나로 미활용 또는 중저온의 열원을 이용하여 안정적인 발전 및 열 생산이 가능하다. ORC는 기존에 작동유체(Working fluid)로 물을 사용하는 랭킨 사이클(Rankine cycle)과 달리 유기물을 이용하여 상대적으로 저온의 열원으로도 발전을 할 수 있기 때문에 세계적으로 주목 받고 있으며, 다양한 저온 열원을 활용 가능하다. 이에 본 연구에서는 건물에서 여름철 미활용 되는 에너지를 이용하는ORC 기반의 열병합발전시스템을 제안하고자 한다. ORC 열병합발전시스템의 건물 적용 측면에서 생산된 열과 전기를 최대한 활용하기 위해서는 전기보다 열을 이용하는 냉방시스템이 적절한 대안이 될 수 있다. 따라서 가장 저온에서 운전 가능한 액체식 제습시스템을 ORC 열병합발전시스템의 적용대상으로 하여 연구를 수행하였다. ORC 열병합발전시스템의 건물에서 여름철 회수할 수 있는 열원으로 태양열시스템과 지역열원, 그리고 화석연료를 사용하지만 여름철 이용률이 감소하는 가스보일러를 대상으로 에너지 절감 및 온실가스 배출 저감 효과를 확인한 결과 지역열원이 에너지나 환경적으로 유리한 열원으로 확인되었다. 선정된 지역열원을 기반으로 액체식 제습시스템에 공급 가능한 온도의 온수를 만들 수 있는 ORC의 적절한 작동유체를 친환경 작동유체를 대상으로 검토하였으며, Novec 649가 건물에서 사용하기에 저압 운전이 가능하며 독성과 가연성이 낮은 안정적인 작동유체로 나타났다. Novec649를 작동유체로 하며 지역열원 회수 ORC 열병합발전의 운전 특성과 실제 에너지 절감 효과를 확인하기 위한 실험체가 제작되었으며, 그 결과 ORC가 최대 열 생산을 하도록 운전될 경우 지역열원으로부터 직접 열을 얻는 액체식 제습시스템 대비 2%의 1차에너지 절감을 나타냈다. 본 ORC 열병합발전시스템의 발전량 및 열 생산량, 열 소비량, 팽창기 효율 예측을 목적으로 성능 예측 모델 개발이 진행되었다. 각 모델은 팽창기 입/출구 조건과 열원의 온도를 고려하여 도출되었으며, 개발된 모델은 추가 운전 데이터를 통해 실측 값을 기반으로 검증되었다. 비용예측모델을 이용하여 제안된 ORC 열병합발전시스템의 건물 적용시 경제성 또한 분석되었으며, 에너지분석 결과와 마찬가지로 최대 열 생산을 하도록ORC 열병합발전시스템이 운전될 경우 경제적으로도 이점이 있는 것으로 나타났다. ORC 열병합발전시스템이 실제 공동주택에 설치될 경우 가능한 적용 방안에 대해 검토하였으며, 액체식 제습 기반 중앙 환기 시스템에ORC가 에너지를 공급할 경우 개별 환기 시스템을 이용하는 경우 대비 연간 28%의 1차에너지를 절감할 수 있었다. 이러한 미활용 에너지 및 열병합발전시스템과 열 이용 냉방시스템의 성공적인 결합을 통한 에너지 자립형 차세대 환기/공조시스템을 구현하고, 저온의 미활용 열원 이용 공조시스템 기술을 확보함으로써 본 연구에서 제안된 시스템은 제로에너지 빌딩 구현에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. |Recently, decentralized energy using a combined heat and power (CHP) system are increasing in residential/commercial buildings and complex units. In general, the demand for electricity peaks in the summer, while the demand for heat decreases; therefore, the heat produced by CHP system and large-scale heat production facilities have been wasted in the summer. An organic Rankine cycle (ORC) is one of the CHP systems and provides stable power generation and heat production by using an unused or medium-low temperature heat source. In this thesis, the small-scale ORC-based integrated system was proposed and evaluated. In order to utilize the most of the generated heat and electricity in terms of building application of ORC CHP system, a thermally driven cooling system as the liquid desiccant system was applied to the ORC. The district heat source and Novec 649 were selected as feasible heat source and working fluid, respectively. The energy performance of ORC-based CHP system was experimentally investigated. The ORC CHP system providing the maximum heat output could save the primary energy consumption by 2.2% compared with the reference system, which is the LD served by a district heat and grid power. Performance prediction models were empirically developed for predicting the power generation, heat production, heat consumption, and expander efficiency of ORC CHP system. Using the cost models, the economic analysis of the proposed ORC CHP system was conducted, and the ORC CHP system with the maximum heat output also provided an economic feasibility. Finally, the ORC that supplies energy to a centralized liquid desiccant-based ventilation system was developed for a high-rise apartment building where district heating networks are available. The proposed system could save the annual primary energy consumption of 28% compared with the reference system, a decentralized energy recovery ventilator. Consequently, the ORC CHP system proposed in this thesis can provide an energy-efficient, economic, and environmentally friendly solution to zero-energy buildings through the successful combination of unused energy, CHP system, and thermally driven cooling system.