<사진. 사무실 빌딩의 냉열 부하율 
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

서멀 그리드 시스템의 실증 시험

공립 대학법인 오사카 시립 대학은 헤세이 24년도부터 환경성 지구 온난화 대책 기술 개발·실증 연구 사업 "기설치된 열원·전원을 자립 분산형 에너지화하는 철도망을 이용한 지역 융통 에너지 시스템의 개발" 수탁 사업의 일환으로 열판 스마트 그리드라 할 수 있는 "서멀 그리드 시스템"의 연구 개발을 진행해 왔다.

이번 2014년 8월 12일부터 "사키시마 지구 스마트 커뮤니티 실증 지역"인 ATC(아시아 태평양 트레이드 센터)와 오사카부 사키시마 청사 사이에 구축한 "서멀 그리드 시스템"의 실증을 시작한다. 나카오 마사키 특명 교수 등의 그룹이 연구 개발한 이 시스템은 각 부하(공간에 필요한 공조의 냉온 열)와 각 열원(열을 내는 기기) 사이에 자유자재로 열을 공급(서멀 라우팅)하고 부하의 요구에 따른 다른 온도의 냉온수를 운반(열 패킷)하는 것과 동시에 에어컨의 고효율화를 실현하는 획기적인 시스템이다. 이 시스템에 의해 일반적인 빌딩에서 40% 정도의 에너지 절약화와 설비 도입·운용 비용 부담을 극적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

세계적인 지구 온난화 문제와 국내 전력 수급 압박 등 지속 가능한 사회를 위해 에너지 문제의 해결은 우리 나라(일본)의 가장 중요한 사회적 과제 중 하나이다. 일반적으로 오피스 빌딩 등에서의 에너지 소비량 중 약 40%는 공조(Air control) 에너지로 사용되고 있어, 공조 시스템의 고효율화·에너지 절약화는 저탄소 사회의 실현에는 필수적이다. 그러나, 현재의 공조 시스템은 대부분의 시간에 극단적인 부분 부하로 저효율 운전되고 있는 실정이다. 이것은 일반적으로 공조 시스템이 최대 부하(여름철 피크시)로 설계되는 것과 기기 능력에 여유를 가지고 선정된 것에 기인한다.

이런 과제의 해결 방법으로 열원기의 대수 분할 및 부분 부하 효율이 높은 열원기의 개발이 진행되고 있지만, 초기 투자가 커지기 때문에 적용은 제한되어 있다. 또한, 대도시에서 여러 건물 사이의 열 융통이 도입되고 있지만, 온수의 요구가 있는 시설, 건물에 가스 코제너레이션 발전 시스템의 배열을 보내는 등 열 융통 배관의 용도는 한정되어 있다. 또한, 열원에 의해 만들어진 냉온수를 다단으로 이용하는 캐스케이드 방식도 도입되기 시작했지만만, 캐스케이드 이용을 위한 배관의 경로가 고정되고 있어 효과는 제한적이다.

이러한 기존의 공조 시스템의 문제를 해결하는 시스템으로 "서멀 그리드 시스템"(Thermal Grid System)을 연구 개발했다. 이 "서멀 그리드 시스템"은 다음의 요소로 구성되어 있다.

(1)"서멀 라우터"(Thermal router)
여러 건물 간 열융통 루트를 각 건물의 열원과 부하의 상황에 따라 전환한다.

(2)"서멀 셀렉터"(Thermal selector)
건물 내 캐스케이드 이용(다단 이용)을 위한 냉온수 루트를 전환한다.

(3)"서멀 루프"(Thermal loop)
여러 건물 사이에서 열 융통을 실시한다.

(4)"최적화 제어 시스템"
서멀 라우터 및 서멀 셀렉터에 의한 온수 경로 전환의 최적화 제어 시스템

"서멀 그리드 시스템"은 그림4와 같이 여러 건물 간에 냉온수를 다단으로 이용하는 캐스케이드 방식이 가능해져, 열원 기기의 부하율 향상과 운송 동력의 저감을 도모할 수 있다. "서멀 그리드 시스템"에서는 냉온수 루트의 전환에 따라 수온의 다른 냉온수가 동일 관로를 연속적으로 흐른다. 이 냉온수 흐름의 단위를 "열 패킷"이라고 부르고 있다. 이 "열 패킷"은 여러 건물(열원과 부하측 기기(조화기)로 구성) 간의 열 융통에 의한 거래 단위이며, 이는 기존의 지역 열공급 사업에는 없는 전혀 새로운 개념이다.

이 "서멀 그리드 시스템"의 실증 시험 설비에 의해, CO2 배출량 삭감 효과를 검증한다. 또한, ATC, 사키시마 청사, 코스모 스퀘어역, 인텍스 오사카에 도입해 약 46%의 CO2 배출량 삭감 효과가 있는 것으로 추산하고 있다. 이 "서멀 그리드 시스템"이 보급됨으로써 공조 에너지 소비량 절감에 의한 운영 비용 절감, CO2 배출량 삭감이 가능하다. 또한, 여러 건물의 일부의 열원 설비를 고성능화하는 것만으로 갱신 비용을 낮춰 "지역 전체"의 저탄소화가 실현될 것으로 기대된다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr