2.2.1 지역 난방 사용자 분류

지역난방 사용자는 크게 아파트 중심의 주택용, 오피스텔 및 영리를 목적으로 하는 업무용, 공공 업무를 담당하는 공공용 등 3가지로 분류하고 있다. 하지만 본 연구에서는 열생산량 예측을 위한 데이터 확보가 보다 용이한 건물을 중심으로 ‘공동 주택’과 ‘공동 주택이외 건축물’로 분류하였다. 이후에는 용어 사용의 일관성을 기하기 위하여 ‘공동주택’은 ‘주택’으로 ‘공동주택 이외 건축물’은 ‘건물’로 명기하도록 한다.

2.2.2 연도별 동절기 평균 부하율 선정

지역난방 사용자 구성비에 따른 열소비 패턴 분석을 위하여 사용자 기계실에 설치되어 있는 열계량장치의 열사용량 검침데이타를 수집 사용하였고, 동절기 연평균 부하율은 건물의 연간 총 열사용량을 건물의 연결열부하로 나누어 계산하였다^[3]. 본 연구에서는 특정 지방도시(이하 A시)의 운영실적을 토대로 2021년∼2023년 1월 연결 열부하를 표 2와 같이 계산하였다. 여기서 연결 열부하는 각 사용자 설비용량과 지역 냉난방 배관망의 설계 기준이 되는 열부하로 열생산량 예측을 위한 기초 자료가 된다. A시의 경우 2023년 1월부터 2024년 1월까지 신규로 유입된 열사용자는 없었기 때문에 연결 열부하는 동일한 값을 갖는다.

평균 부하율은 연도별 1월 주택과 건물의 열사용량(월별 열계량장치 열검침량)실적을 연결 열부하로 나누어 구한다. 이에 따라 1월 A시의 용도별 평균 부하율은 식 (1)을 적용하여 표 3 과 표 4와 같이 계산할 수 있다.

2.2.3 2024년 1월 열소비량 예측

표 3과 표 4에서, 월 평균 부하율이 주택은 2023년 30.55%, 건물은 2021년 17.54%로 가장 높았으므로 이를 최대부하율(연결 열부하 대비 최대 열부하의 비율)로 정한다. 2024년도 예상 열사용량은 연결 열부하와 최대 부하율를 곱하여 구할 수 있으므로 식 (2)와 식 (3)을 통해 표 5와 같이 2024년도 예상 열소비량을 6 673 Gcal로 계산할 수 있다.

2.2.4 열손실량 추정

열병합발전소의 대규모 열생산 시설에서 생산된 열은 지역난방 배관을 통해 수용가로 운반되어 열수요자에게 공급되기 때문에 그 과정 속에서 열손실이 발생하게 된다. 열손실량은 열생산시설의 열생산량과 수용가 및 발전소내에서 사용된 열사용량의 차로 구할수 있으며 2021년부터 2023년도 1월까지 열손실량은 식 (4)을 통해 표 6와 같이 계산된다. 이때 최대 열손실량은 2023년 2,787 Gcal/월 발생하였다.

2.2.5 2024년도 1월 열생산량 예측

예상 열생산량은 열사용량과 열손실량의 합으로 구할 수 있으며 이는 2.2.3 과 2.2.4에서 계산된 값을 식 (5)에 적용하면 2024년도 1월 필요할 것으로 예측되는 열생산량은 9460 Gcal/월과 같이 얻을 수 있다.

본 논문에서 예측한 2024년도 1월 열생산량과 실제 운영실적을 비교하면 표 7과 같다. 표에서 볼 수 있듯이 제안된 방법을 통해 예측한 열병합발전 열생산량과 실제값과의 오차율은 9.04%로 나타났다.

2.3.1 열생산량 예측을 통한 축열조 축방열 운전

기존 열병합발전소의 운전 방식은 운전모드V에 의해 생산된 열의 일부는 축열조에 축열하면서 나머지는 수용가에 공급하다가 축열조에 축열이 완료되면 운전모드 Ⅲ 으로 변경하여 열병합발전소에서는 전기만 생산하고 축열조의 방열운전을 통해 수용가에 열을 공급하는 방법으로 반복하고 있다. 따라서 축열조의 축열량은 열수요량이나 열생산량의 예측없이 최대열량한도(방열개시)와 최소열량한도(축열개시)로 단순 설정되어 운영되고 있다.

본 연구에서는 열병합발전의 열생산량을 예측하고 열병합발전기가 돌발정지되었을 때도 열공급 중단 없이 운영 가능한 축열조 열량을 식 (6)을 이용하여 설정한다. 2024년 1월의 열생산량 예측치를 바탕으로 축열조열량을 설정하면 표 8과 같이 얻을 수 있다. 표 8에서 보인 것처럼 최대열량한도(방열개시)을 축열조 열량 460 Gcal/h로 선정하고 최소열량한도(축열개시) 축열조 열량을 400 Gcal/h로 선정하였다. 여기서 여유율은 1.5로 정하였는데, 이는 1일 방열 운전 가능 열량 뿐만 아니라 열병합발전설비의 돌발정지로 인해 열생산 중단시간이 12시간 지속될 경우에도 축열조 방열 운전을 통해 열공급이 가능하도록 여유율을 정하였다. 또한 최소열량한도(축열개시)도 짧게 선정하여 축열조 내부 열량 변화에 따른 열손실량이 최소화가 되도록 하였다.

2.3.2 제안된 모델을 이용한 운전 모의 결과

본 논문에서는 2024.1.8~1.14 1주일의 기간동안 예측한 열생산량을 바탕으로 축열조 열량을 표 8과 같이 정하고 열병합발전 축열조의 축방열 운전을 실시하였다. 이를 2023년도 동일한 기간의 축열조 축방열 운전 결과와 비교하였다. 표 9에서와 같이 운전모드 Ⅲ 운전시점인 최대열량한도(방열개시) 축열조 열량은 569 Gcal에서 476 Gcal로 93 Gcal 줄었고 운전모드 Ⅴ 운전시점인 최소열량한도(축열개시) 축열조 열량은 100 Gcal에서 399 Gcal로 299 Gcal 증가하였다. 그 결과 동일기간내 축열조 축열횟수는 2회에서 6회로 4회 증가되었으며, 방열횟수는 1회에서 7회로 6회 증가하였다.

그림 2과 그림 3에서는 표 9에 의한 축열조 운전 패턴을 그래프로 비교하였다. 그래프의 X축은 날짜를 일별로 표시하였고 Y축 검은색은 축열조에 저장되어 있는 저장 열량을 최소범위 0 Gcal에서 최대 700 Gcal 범위로 나타내며, 파란선은 운전모드Ⅴ운전에 의한 축열조에 축열되는 시간당 열량으로 범위는 최소 0 Gcal에서 최대 50 Gcal 이며, 빨간선은 운전모드Ⅲ 운전에 따른 축열조에서 시간당 방열되는 열량으로 범위는 최소 0 Gcal에서 최대 50 Gcal이다. 그림에서 열병합발전소 운전모드Ⅴ운전으로 전기와 열 생산시 축열조 축열과정이 진행되어 축열조 내 열량은 증가하며 발전소 운전모드Ⅲ 운전시 전기만 생산되므로 축열조 방열로 축열조 열량은 감소함을 볼 수 있다.

두 운전패턴에 대한 분석결과, 2023년도 축열조 최대 내부열량 변화량은 약 469 Gcal이며 2024년도 축열조 최대 내부열량 변화량은 약 77 Gcal로 제안된 모델을 적용함으로써 동일기간내 내부열량 변동량을 약 83% 줄여서 운전할 수 있음을 볼 수 있다.

그림 2. 기존 축열조 운전방식에 따른 내부열량 변화

Fig. 2. Variation in internal energy by the conventional operation method of the thermal storage tank

그림 3. 제안된 축열조 운전방식에 따른 내부열량 변화

Fig. 3. Variation in internal energy by the proposed operation method of thermal storage tank

그림 4와 그림 5에서는 축열조 내부 열량변화에 따른 축열조 상부 Sealing 구간의 압력변화 그래프를 표시하였다. 그림에서 X축은 날짜를 일별로 표시하고 Y축은 압력을 표시하며 단위는 mmH20로 범위는 최소 50mmH20에서 최대75mmH20까지이다. 파란색선은 축열조 상부 Sealing 구간의 축열조 내부압력과 외부의 압력차를 나타낸다.

그림 4. 기존 운전방식에 의한 축열조 내외부 차압 변화

Fig. 4. Differential pressure changes inside and outside thermal storage tank by the conventional method

그림 5. 제안된 운전방식에 의한 축열조 내외부 차압 변화

Fig. 5. Differential pressure changes inside and outside thermal storage tank by the proposed method

분석결과 표 10과 같이 동일기간 내 축열조 내부와 외부의 압력 차이 평균값은 63.66에서 60.22로 5% 줄었으며 최대값은 72.47에서 67.44로 7% 감소, 최소값은 56.76에서 54.69로 4% 감소, 최대값과 최소값의 차이인 압력변화량은 15.71에서 12.75로 18% 감소되었다. 제안된 방법을 적용할 경우 축열조 축·방열 횟수를 증가시켜 축열조에 저장되는 열량 변화량을 줄이면서 동시에 축열조 상부 Sealing 구간의 압력 변화량도 줄일 수 있음을 알 수 있다.

2.4.1 열생산량 절감 효과 분석

2023년과 2024년도는 추가 신규 열사용자 유입이 없었기 때문에 동일한 연결 열부하 상태에서 테스트를 할 수 있었다. 보통 건물의 난방에너지 요구량을 추정하기 위해서 일정기간의 실내 평균온도와 외부 평균온도 차이를 누적한 지표로 난방도일을 정의하는데 1월 8일부터 14일까지 일주일간의 난방도일은 2024년도가 더 높았으나 제안된 운전방법을 적용한 결과 열생산량은 반대로 2023년도보다 낮아졌다. 동절기 평균 외기온도가 낮을수록 연평균부하율이 높고 열사용량이 많아지는 것이 일반적이지만 2024년도 평균 외기온도가 더 낮았음에도 불구하고 제안한 방법을 적용하였을 때 실제 열생산량을 감소시킬 수 있음을 보였다. 이는 제안한 방법으로 축열조 내부 열량 변화를 최소화할 경우 축열조 내부 압력변화가 줄어들고 열손실량 또한 감소하여 열생산량을 절감할 수 있음을 증명하였다. 모의 결과 열생산량은 2023년 대비 475 Gcal 절감되었다.

2.4.2 비용 절감 효과 분석

동일한 기간에 대해서 연료투입량과 그에 따른 비용을 비교해 보았다. 2023년과 2024년 A시 열병합발전소의 전기와 열생산을 위해 투입된 천연가스 연료 공급물량은 각각 402 016 GJ과 358 728 GJ이고, 송전량은 각각 55 818 801 kWh과 49 878 727 kWh, 열생산량은 각각 2 342 Gcal과 1 867 Gcal 였다. 비교를 위해 kWh를 Gcal로 단위 통일하면 표 12와 같이 정리할 수 있다.

연료 투입량중 열생산에 사용된 연료량과 발전에 사용된 연료량을 구분하여야 하지만 열병합발전소는 주입된 연료로부터 전기와 열이 동시에 생산되므로 각각을 생산하기 위한 직접 투입된 연료량은 알 수가 없다^[8]. 따라서 생산량 비율에 따라 식 (7)로 배분하여 추정하면 표 13과 같다.

제안된 운전방법을 적용할 경우 열 생산을 위한 천연가스 투입량이 2023년 대비 857 Gcal 절감됨을 표 13에서 확인할 수 있다. 한국가스공사에서 발표된 2024년도 1월 집단에너지용 천연가스 요금 단가인 100 333원/Gcal를 적용하면 열생산비용을 2023년 대비 약 85백만원을 절약할 수 있다. 검증한 기간이 1주일이라는 것을 고려하면 제안한 방법을 1년간 적용할 경우 열생산에 투입되는 천연가스 비용의 상당한 규모를 절감할 수 있을 것으로 예상한다.