The study on the operation characteristics of solar space and water heating system with ground source heat pump (GSHP) as a back-up device was carried out. This system, called solar thermal and geothermal hybrid system (ST/G), was installed at Zero Energy Solar House II (KIER ZeSH-II) in Korea Institute of Energy Research. This ST/G hybrid system was developed to supply all thermal load in a house by renewable energy. The purpose of this study is to find out that this system is optimized and operated normally for the heating load of ZeSH-II. Experiment was continued for seven months, from October to April. The analysis was conducted as followings ; - the contribution of solar thermal system. - the appropriateness of GSHP as a back-up device. - the performance of solar thermal and ground source heat pump system respectively. - the adaptation of thermal peak load - the operation characteristics of hybrid system under different weather conditions. Finally the complementary measures for the system simplification was referred for the commercialization of this hybrid system.
본 논문은 대형 병원 건물에 신재생에너지 및 열병합시스템을 설치하였을 경우 에너지 성능해석 및 경제성평가를 도출한 것이다. 태양광, 태양열, 지열, 마이크로터빈 및 마이크로터빈과 지열을 복합한 하이브리드 에너지시스템에 대하여 각각 분석하였다. 분석결과 지열 및 마이크로터빈 시스템이 비교적 양호한 결과를 얻었으며 특히 하이브리드시스템으로 운전하는 경우 병동부의 냉난방공급이 가능하고 경제성평가에서도 매우 좋은 결과를 나타냈다. 이는 빌딩 스마트 그리드시스템의 에너지해석 및 경제성평가 방법을 통한 시스템 구축에 필수적인 자료 활용할 수 있다.
본 논문에서는 건물통합형 태양광 발전 시스템의 전기적 열적 성능을 얻기 위해 하이브리드 PV/T 모듈을 제시한다. 건물 외벽에 부착하는 BIPV 시스템은 태양광 발전 시 온도상승으로 인하여 시스템의 효율이 떨어진다. 이러한 문제점의 해결과 BIPV 시스템의 효율을 향상시키기 위해 수냉방식을 적용시키고 발생된 열은 온수 시스템에 사용된다. 수냉 냉각방식은 전력손실과 물의 온도를 고려한 유량제어 알고리즘을 이용하고 실증연구를 통하여 제시한 하이브리드 PV/T 모듈의 전기적 열적 성능을 확인하여 본 논문의 타당성을 입증한다.
In this study,the compact type solar thermal and ground coupled heat pump hybrid system for space heating/cooling and hot water supply has been developed. This hybrid system was installed in Zero Energy Solar House(ZeSH) in KIER for the demonstration. The thermal performance and operational characteristics of this hybrid system were analysed especially. The results are as follows. (1) This hybrid system was designed in order to address the existing disadvantages of solar thermal/ground coupled heat pump system. For this design, all parts except solar collector and ground coupled heat pump were integrated into a single product in a factory. The compact type unit includes two buffer tanks, an expansion tank, pumps, valves, a controller, etc. This system has an advantage of easy installation with simple plumbing work even in narrow space. (2) The thermal charging and discharging time of the buffer tanks and its characteristics by ground coupled heat pump, and heat pump COP according to geo-source temperature and buffer storage temperature have been studied. This system was found to meet well to the heat load without any other auxiliary heating equipment. (3) The operating hours of the ground coupled heat pump as a backup device of solar thermal can be reduced significantly by using solar heat. It was also found that the minimum heating water supply setting temperature and maximum cooling water supply setting temperature make an influence on the heat pump COP. The lower heating water and the higher cooling water temperature, the higher COP. In this respect, the hybrid system's performance can be improved in ZeSH than conventional house.
한국지역난방공사 SS지사에서는 시설용량 전기 99MW, 열 98Gcal/h 규모의 열병합(Combined Heat & Power) 발전소를 구역전기사업으로 운영하고 있다. 이 지역은 경기불황과 수요감소로 하절기 6~9월 사이에 잉여열 처리문제가 발생하여 발전기를 가동하기 곤란한 상황이므로 경제성 있는 에너지 신사업모델 개발이 절실하다. 본 연구에서는 이곳의 실제 운영자료를 기반으로 신재생 에너지 하이브리드 시스템을 도입하여 최적화 운영모델을 개발하고자 한다. 특히 신재생에너지 중에서도 입지제약이 작고 열과 전기를 동시에 생산할 수 있는 연료전지(Fuel Cell)발전과 대표적인 신재생에너지인 태양광(Photovoltaic)발전과 심야발전시 전력을 저장하여 주간에 전력을 방출 할 수 있는 ESS(Energy Storage System)의 조합을 검토하였다. 이에 따른 최적화 모델 선정은 HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources) 프로그램을 활용하였다. 경제성 분석을 수행한 결과, 순 현재비용(NPC) 측면에서는 기존의 99MW 열병합발전이 가장 경제적이지만 신재생에너지를 사용하여 발생되는 탄소배출권 거래와 REC(Renewable Energy Certificate) 거래를 포함한 측면에서는 99MW의 CHP와 5MW의 연료전지, 521kW의 태양광을 하이브리드 시켜서 전력과 열을 공급하는 것이 99MW의 CHP 열병합발전만으로 전력과 열을 공급하는 것보다 최대 2,475억원 경제적인 것으로 나타났다. 구역전기사업에서 최적화 공정모델로 연료전지와 신재생에너지 하이브리드 시스템을 도입함으로써 경제성을 개선시킬 수 있는 결과를 확인하였다.
Simulation study on the operating characteristics in the solar hybrid R744 heat pump system for residential applications was carried out with heat pump operating temperature, outdoor temperature and solar radiation. As a result, collector operating time is decreased by 1.5 hours due to the increase of water temperature in the heat storage tank when the heat pump operating temperature rises. Heat pump operating time is reduced by 19.4% owing to the high temperature of a heat storage tank. Besides, indoor heating time is decreased from 10.3 to 5.5 hours as the indoor temperature increases from $3^{\circ}C$ to $11^{\circ}C$. In addition to, when the solar radiation rises from 10 to 20 MJ/$m^2$, the maximum outlet temperature of a solar collector is increased from $65^{\circ}C$ to $71^{\circ}C$.
In the present work, a solar assisted heat pump (SAHP) system with a hybrid collector was analyzed. For this, a simplified thermodynamic model was developed. Based on the proposed model, the heat transfer rate, COP, and the annual operating hour of the SAHP system were estimated. The effect of the variation of system design parameters on the performance of the system was also examined. From the results, the performance was improved with increasing the effectiveness of heat exchangers and decreasing the difference between the evaporation temperature and the outlet brine temperature of the hybrid collector loop. Finally, the performance of SAHP system with a hybrid collector was compared with that of conventional serial and parallel SAHP systems. The SAHP system with a hybrid collector was substantially better than a series system and slightly worse than a parallel system for both the yearly averaged heat transfer rate and COP. However, the annual operating hour of the SAHP system with a hybrid collector was much better than that of a parallel system.
The electricity conversion-efficiency of solar cell for commercial application is about 6-15%. More than 85% of the incoming solar energy is either reflected or absorbed as heat energy. Consequently, the working temperature of the photovoltaic cells increases considerably after prolonged operations and the cell's efficiency drops significantly. PV/T refers to the integration of a PV module and a solar thermal collector in a single piece of equipment. By cooling the PV module with a fluid steam like air or water, the electricity yield can be improved. At the same time, the heat pick-up by the fluid can be to support space heating or service hot-water systems. In this study, a pulsating heat pipe solar heat collector was combined with single-crystal silicon photovoltaic cell in hybrid energy-generating unit that simultaneously produced low temperature heat and heat and electricity. This experiment was investigating thermal and electrical efficiency for evaluation of a PV/T system.
In this study a hybrid heating system based on geothermal source and solar heat was developed in order to save energy for greenhouse heating and its field performance was evaluated. Developed system are composed of following parts: water tank, heat exchanger, heat pump, fan coil unit and heat storage unit. The working performance test was carried out in a greenhouse cultivating oriental orchids being managed by $23^{\circ}C$. Field performance test results showed that average heating coefficient of performance ($COP_h$) was 3.4 for the period from mid-January to mid-March 2013. Heating coefficient of performance ($COP_h$) of developed hybrid heat pump system was more sensitive to water tank temperature than outside air temperature. This study showed that developed hybrid heat pump system has a potential to save the heating costs up to 91% compared to conventional agricultural oil heaters.
Interests on renewable energy are increased due to oil price and environmental problems aroused from the fossil energy usage. In this study, performances of a solar assisted hybrid heat pump system are analyzed by experimental method. The developed system could runs at two types of operating mode. When the storage temperature is higher than the set temperature, the stored hot water in storage tank is supplied to the load directly. On the other hand, when the storage temperature lower than the set temperature, the water inside of the storage tank is used as heat source of the heat pump. In this study, the system control temperature for the alternation of the operating mode is set to $40^{\circ}C$ of the storage tank outlet. As results, it is founded that the COP of the developed heat pump system shows between 3.0 and 3.5. It is resonable performance for the heating system with a renewable energy as secondary heat source. The solar collect used in this study could supplies heat to the storage tank at over 400 W/m2 solar intensity. If the irradiation is lower than the 400 W/m2, the circulation pump stored and it could not supply heat to the storage tank. It is found that the difference temperature between the outlet of the storage tank and collector is $3^{\circ}C$. Even though, the extended study should be conducted to get a optimum performance of the developed system with various operating condition and control strategies.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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