[STAR-CCM+] 알클리마의 온수 저장·제어 시스템 최적화

 

알클리마는 실제 온수 수요와 제어 동작을 시뮬레이션함으로써, 하루 동안 열 저장 시스템의 성능을 분석하고 안정적인 온수 공급을 유지하면서 에너지 효율을 높일 수 있는 방안을 모색할 수 있었습니다.

호텔 샤워실에 들어가서 온수가 지속 가능하게, 그리고 최대한 효율적으로 만들어지고 있는지 궁금해 본 적 있나요?

건물 소유주와 시스템 설계자들에게 이 질문은 점점 더 중요해지고 있습니다. 가정용 온수 시스템은 비교적 높은 온도의 물을 필요로 하기 때문에 탄소 배출 저감이 쉽지 않습니다. CO₂ 히트펌프는 이러한 문제를 해결할 수 있는 지속 가능한 솔루션 중 하나입니다.

이 히트펌프는 저장 탱크 내 온도 차이가 클 때 최고 성능을 발휘합니다. 이를 위해서는 온수 수요와 열 발생량을 모두 고려하면서 사용자 편의를 최우선으로 하는 온수 저장 시스템의 세심한 최적화가 필요합니다. 차갑거나 미지근한 샤워 물에 대한 불만은 도저히 용납될 수 없습니다.

따라서 최적의 성능을 내는 저장 탱크를 설계하는 일은 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 온수 시스템을 구축하는 데 필수적입니다.

이러한 문제를 더 잘 이해하기 위해 알클리마와 Femto Engineering은 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 활용해 CO₂ 히트펌프 버퍼 시스템이 실제 일상 사용 중 어떻게 작동하는지 조사했습니다.

알클리마의 목표는 호텔에 안정적인 온수 공급을 보장하면서 CO₂ 히트펌프 시스템의 에너지 효율을 최대한 유지하는 것이었습니다. 따라서 저장 시스템은 불필요하게 더 많은 에너지를 사용하지 않으면서 변화하는 온수 수요에 대응할 수 있어야 했습니다.

신뢰할 수 있는 온수가 탈탄소 목표를 달성합니다

신뢰할 수 있는 온수는 호텔이든 아파트든 스포츠 시설이든 대부분의 사람들이 당연하게 여기는 것입니다. 이 편안함 뒤에는 복잡한 시스템이 숨어 있습니다. 건물들이 CO₂ 히트펌프 같은 지속 가능한 기술을 도입함에 따라, 수요가 급증하는 시기에 충분한 온수를 확보하는 것이 필수적입니다. 하지만 동시에, 이 온수를 최대 효율로 생산하는 것은 점점 더 커지는 기술적 과제가 되고 있습니다.

미쓰비시 일렉트릭의 기후 솔루션을 독점 유통하는 네덜란드 기업 알클리마는 혁신적이고 지속 가능한 난방 기술 개발에 끊임없이 매진하고 있습니다. 온수 시스템 중 하나의 성능을 더 잘 이해하기 위해, 알클리마는 사용자 편의를 유지하면서 이중 탱크 저장 시스템의 성능을 조사하기 위해 Femto Engineering과 협력했습니다.

핵심 질문은 간단했습니다: 시스템이 실제 운전 조건에서 저장 탱크 내 최대 온도 차이를 유지하면서도 가정용 온수 수요를 지속적으로 충족하는 방법.

사진 1. 이중 버퍼 탱크 시스템의 CAD

이 과제가 건물 운영자에게 중요한 이유는 무엇일까요

이 시스템은 CO₂ 히트펌프 설치를 위한 열 완충 역할을 하는 두 개의 연결된 물탱크로 구성되어 있습니다. 처음 보면 온수 저장이 간단해 보일 수 있습니다. 하지만 실제로는 이 탱크 안의 물이 끊임없이 움직이며 온도가 변합니다.

수요는 하루 동안에도 변합니다. 아침 샤워, 청소 활동, 그리고 사용량이 적은 시간대는 모두 시스템 내부의 열 분포에 영향을 미칩니다.

또 다른 중요한 요소는 온수 순환입니다. 많은 건물에서는 작은 연속 흐름이 샤워기와 수도꼭지에서 즉시 온수를 사용할 수 있게 해줍니다. 이로 인해 편안함은 높아지지만, 탱크 내부의 온수와 냉수의 자연스러운 층 형성을 방해할 수 있습니다.

이러한 영향은 단순한 공학 계산만으로는 예측하기 어렵습니다. 물리적 프로토타입을 제작하는 데에도 상당한 시간과 비용이 필요합니다. 바로 이 지점에서 CFD 시뮬레이션이 가치를 발휘할 수 있습니다.

시스템의 가상 모델을 만들면, 엔지니어들은 시스템 설치 전에 물의 흐름, 온도 변화, 제어 시스템의 동작 방식을 미리 파악할 수 있습니다.

제조업체, 시스템 통합업체, HVAC 엔지니어에게 이는 엔지니어링 리스크를 크게 줄이고, 프로젝트 후반에 발생할 수 있는 비용이 많이 드는 재설계를 방지할 수 있습니다.

Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션이 숨겨진 최적화 기회를 밝혀냅니다

유량과 온도만 보면 열과 물이 탱크를 어떻게 통과하는지는 알 수 있지만, 제어 시스템이 어떻게 반응하는지는 알 수 없습니다. 반대로, 기본적인 유동 및 온도 거동을 고려하지 않고 제어만 분석해서는 시스템 작동을 설명할 수 없습니다. 이 둘을 결합한 시뮬레이션은 센서 위치와 제어 설정이 온도 분포와 하루 동안 사용할 수 있는 온수량에 어떤 영향을 미치는지 보여주었습니다.

진짜 문제는 시스템이 온수를 생산할 수 있느냐가 아니라, 수요가 갑자기 증가했을 때 충분한 온수를 계속 공급할 수 있느냐는 것이었습니다.

이 질문에 답하기 위해서는 단순히 온도와 유동 패턴만 보는 것 이상이 필요했습니다. 팀은 또한 하루 동안 기상 조건이 변함에 따라 히트펌프가 어떻게 반응할지 파악해야 했습니다.

Femto Engineering은 Simcenter STAR-CCM+를 활용해 히트펌프의 자동 온오프 제어를 포함한 시스템의 전체 동작을 모델링할 수 있었습니다. 이를 통해 일상 운영의 현실적인 가상 모델을 구축할 수 있었고, 시스템 구축 전에 잠재적인 문제를 미리 발견할 수 있었습니다.

시스템의 가상 모델 생성하기

Femto Engineering은 두 개의 저장 탱크와 연결 배관 일부의 가상 모델을 제작했습니다. 모델의 효율성을 유지하기 위해 열교환기 자체를 단순화했습니다.

Alklima의 실제 온수 사용 데이터를 활용해, 연구팀은 24시간 연속 작동 사이클을 시뮬레이션했으며, 온수를 계속 순환시키는 두 번째 시나리오도 포함했습니다.

시뮬레이션은 하루 동안 온도가 어떻게 변하는지와 탱크 안에서 물이 자연스럽게 어떻게 움직이는지를 보여주었습니다. 뜨거운 물은 가벼워서 위로 올라가고, 차가운 물은 가라앉습니다. 이로 인해 탱크 내부에 자연스러운 층이 형성되어, 사용 가능한 온수의 양에 큰 영향을 미칩니다.

신뢰할 수 있는 결과를 위해 다양한 메쉬 크기와 설정도 시험했습니다. 이 가상 접근법 덕분에 팀은 시스템 동작을 더 잘 이해하고, 실제 테스트나 설치 전에 개선점을 찾아낼 수 있었습니다.

온도 센서 위치 선정이 중요한 효율 향상을 가능하게 합니다

시뮬레이션 결과, 전체 제어 전략이 의도한 대로 작동하는 것으로 나타났습니다. 하지만 그들은 중요한 문제도 밝혀냈습니다: 하루 중 특정 시간대에 출구 온도가 원하는 수준 이하로 떨어졌습니다.

분석 결과, 온도 센서의 위치와 선택된 제어 설정이 사용 가능한 온수량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

이러한 결과를 바탕으로 여러 개선 방안이 도출되었습니다. 한 가지 개선 방안으로는 온도 센서를 탱크 중 하나의 내부로 더 낮게 옮겨, 실제로 사용할 수 있는 온수 완충 용량을 늘리는 방법이 있었습니다. 그 밖의 방법으로는 재가열이 더 일찍 시작되도록 제어 설정을 조정하는 것이 있었습니다.

시뮬레이션 결과, 즉시 온수가 공급되면 시스템의 작동 방식이 달라지는 것으로 나타났습니다. 탱크 온도가 주요 요인이 아니라, 열교환기 보호 설정이 시스템 동작에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.

그림 3. Simcenter STAR-CCM+에 구현된 제어 로직은 온도 센서 측정값에 따라 열교환기를 자동으로 켜거나 끄며, 24시간 주기 동안 시스템의 실제 작동 동작을 정확하게 재현합니다.

CFD 시뮬레이션은 엔지니어링 리스크를 줄이고 설계 결정을 가속화합니다

알클리마에게 이 프로젝트는 단순히 디자인을 검증하는 것만이 아니었습니다. 최종 사용자가 기대하는 수준의 편안함을 유지하면서 최적의 효율을 달성하는 것이 목표였습니다.

Simcenter STAR-CCM+를 활용해 Femto Engineering은 시스템이 구축되기 전에 가상으로 테스트할 수 있었습니다. 이 시뮬레이션은 전통적인 계산만으로는 얻기 어려웠던 온도 거동, 제어 전략, 운전 시나리오에 대한 통찰을 제공했습니다.

이를 통해 잠재적인 개선점을 조기에 발견할 수 있어, 공학적 위험을 줄이고 더 나은 설계 결정을 지원할 수 있었습니다.

제조업체, 시스템 통합업체, HVAC 엔지니어들이 비슷한 문제에 직면했을 때, CFD 시뮬레이션은 시스템 동작을 이해하고 설계를 최적화하며 프로젝트 후반에 발생할 수 있는 비용이 많이 드는 재설계를 줄이는 강력한 방법을 제공합니다.

[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/cfd-simulation-optimizes-hot-water-efficiency/