PCM 혼합 축열조를 적용한 P2H 시스템의 성능 비교에 관한 연구 = A Study on Performance Comparison of P2H Systems Applying PCM-Based Hybrid Thermal Storage

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 공기열원, 수열원, 지열원 히트펌프 시스템의 냉난방 운전 성능을 정량적으로 비교하고, 열원 유형에 따른 에너지 효율성과 소비 전력 특성을 분석하였다.
난방 운전 시 공기열원 히트펌프는 COP 2.4, 히트펌프 소비전력 37.8 kWh, 시스템 전체 소비전력 107.2 kWh를 기록하였다. 수열원 히트펌프는 COP 3.0, 히트펌프 소비전력 36.5 kWh, 시스템 전력 113.2 kWh로 COP와 히트펌프 소비전력은 우수했지만, 보조기기 전력 소모로 인해 시스템 전력은 가장 높게 나타났다. 지열원 히트펌프는 COP 3.1, 히트펌프 소비전력 35.4 kWh, 시스템 전력 112.2 kWh로 비교적 높은 효율을 보였으며, 열원 자체의 안정성과 COP는 우수했으나, 지중 순환펌프 등의 영향으로 시스템 전력은 높게 나타났다.
냉방 운전 시 공기열원 히트펌프는 냉방 시 COP 2.3, 히트펌프 소비전력 29.4 kWh, 시스템 소비전력 84.5 kWh로, 전체 조건 중 가장 낮은 COP를 보였다. 수열원 히트펌프는 COP 4.8, 히트펌프 소비전력 20.7 kWh, 시스템 전력 62.4 kWh로, 전체 조건 중 가장 낮은 시스템 소비 전력을 기록하며 에너지 효율성이 가장 뛰어났다. 지열원 히트펌프는 COP 5.0로 가장 높은 효율을 보였으며, 히트펌프 소비전력 19.9 kWh, 시스템 전력 82.2 kWh로 분석되었다. 히트펌프 자체는 가장 우수했으나, 열원 순환에 필요한 부가 동력 영향으로 시스템 전력은 수열원보다 높게 나타났다. 종합적으로, 히트펌프 자체 성능(COP, 전력 소모) 기준으로는 지열원이 냉방, 난방 모두에서 우수하였으며, 시스템 전체 소비 전력을 기준으로는 수열원이 가장 효율적이었다. 반면 공기열원은 외기 온도 변화에 민감하여 가장 낮은 COP와 상대적으로 높은 전력 소비를 나타냈다.
본 결과는 히트펌프 시스템의 성능 평가 시 단순한 COP 수치에만 의존하기보다는, 열원 특성과 보조기기 운전 조건 등을 반영한 시스템 전체 소비 전력 기반의 통합적 에너지 분석이 필요함을 시사한다.
향후 연구에서는 실제 건물과의 비교 검증을 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 제고하고, 심야전력 활용 등 시간대별 에너지 요금 체계를 고려한 최적 운전에 대한 연구를 진행할 계획이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When Power-to-Heat (P2H) technology is integrated with Phase Change Material (PCM)-based thermal energy storage, it enables load shifting and peak shaving. This study quantitatively evaluates and compares the performance of P2H systems utilizing air-source, water-source, and ground-source heat pumps integrated with PCM thermal storage for a poultry house in Jeju. Dynamic simulations were conducted using TRNSYS, incorporating an empirically validated PCM tank performance model derived from previous thermal response analyses. The water-source heat pump system exhibited the best overall performance, with daily average coefficients of performance (COPs) of 3.0 for heating and 4.8 for cooling, and corresponding system-level energy consumption of 113.2 kWh and 62.4 kWh, respectively. The air-source heat pump displayed the lowest COPs, at 2.4 for heating and 2.3 for cooling, with system energy consumption of 107.2 kWh and 84.5 kWh. The ground-source heat pump system achieved the highest cooling COP of 5.1 and a relatively high heating COP of 3.1, with system energy consumption of 112.2 kWh for heating and 82.2 kWh for cooling. Although the ground-source heat pump demonstrated superior efficiency in HP-only performance, its total energy use increased due to additional circulation pump loads. The PCM-based storage tank exhibited significantly enhanced thermal storage capacity—69.0 MJ for heating and 55.0 MJ for cooling—approximately twice that of a conventional water storage tank, which has capacities of 32.5 MJ for heating and 27.7 MJ for cooling, thereby contributing to peak load reduction.