지구온난화를 비롯한 환경 문제를 방지하고자 열병합 발전을 통한 열·전기 동시 생산과 전기 의존도를 낮춘 냉방 방식에 대한 관심은 지속적으로 증가하고 있다. 이를 위해 소규모 집단에서는 에너지 자급자족을 위한 노력으로 가스엔진에 기반한 열병합 발전 시스템의 보급을 위해 한국전력공사를 비롯한 다양한 에너지 기관들의 연구과제가 이어지고 있다. 더불어 하절기 열병합 폐열의 활용도가 동절기에 비해 낮다는 점과 친환경 냉방이라는 개념을 만족하기 위해 다양한 열구동 냉방기에 대한 연구개발도 활발하다. 열구동 냉방기 중, 60-70℃의 열병합 폐열원의 온도와 연계가 용이한 제습냉방이 에너지 자급자족용 열병합 발전에 가장 적합한 친환경 냉방 방식이라는 평가가 이어지고 있다.
소형 열병합 발전 시스템의 보급을 위해서는 적정용량의 산정이 필요하고, 이를 위해서는 시뮬레이션을 통한 성능 추정 및 예측이 필수이다. 그렇기 때문에 시뮬레이션 모델의 수립 및 비교를 통한 신뢰성 확보는 반드시 수반되어야할 검증과정이라고 볼 수 있다. 그리고 검증된 열병합 발전 시스템 시뮬레이션 모델을 바탕으로 열병합 폐열로 생성한 온수의 온도를 예측할 수 있다. 더불어 제습냉방 시뮬레이션 모델과 연계한다면 가스엔진의 운전을 통해 전기 생산, 폐열 회수, 그리고 이를 통한 축열과 제습냉방 운전의 특성을 파악할 수 있다.
본 논문에서는 115 kWe급 가스엔진의 운전을 통한 열병합 발전 TRNSYS 시뮬레이션 모델과 그에 연계한 하이브리드 제습냉방 시스템의 시뮬레이션 모델 검증을 통한 타운전 조건에서의 운전 및 시스템 성능을 예측한 결과를 제시하였다. 100 kWe로 설정된 87% 부하에서의 시운전 결과와 시뮬레이션 모델에서 나타난 열병합 발전 시스템 내의 각 지점에서의 온도를 비교하여 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 결정하였다. 시뮬레이션과 시운전 간의 각 지점 온도의 차이는 4.5℃ 이하, 상대오차는 5% 미만이 되는 모델을 수립하였고, 부하별 정적모델을 적용하여 50%부터 100% 부하까지의 열병합 발전에서의 전기 생산율, 폐열 회수율, 전기 효율, 페열회수 효율, 종합 효율을 예측하였다.
마찬가지로 가스엔진의 100 kWe 부하 운전시 축열조에서의 온도 변화를 확인하였다. 이때 10시간의 운전 동안 TRNSYS에서의 축열조 계산 방식에 의해 각 온도 센서별 온도 상승 시작 시각과 최종 온도 도달 시각이 상이하게 나타났지만 10시간에 대한 센서 지점별 평균 온도의 차이는 최대 1.1℃, 섭씨온도 기준 상대오차는 1.9%인 수준을 확보하였다.
또한 하이브리드 제습냉방 시스템의 시뮬레이션 모델을 구축하고 희망온도 27℃ 설정 시의 시운전과의 냉방 공간 온도, 절대습도, 시스템 성능계수 비교를 수행하였다. 비교 결과, 냉방 공간의 온도의 차이는 전반적으로 0.2℃ 미만으로, 섭씨 온도 기준 상대오차는 전반적으로 0.4% 미만으로 나타났다. 온도를 기준으로 급기의 제어가 발생하는 방식임과 더불어 실제 시스템과 달리 시뮬레이션 모델에서는 압축기의 회전수를 일정하게 유지하여 압축기의 동력을 상수로 설정하였다. 그 결과 절대습도의 차이는 최대 0.9 g/kg, 상대오차는 8.4%까지의 상대오차가 발생하였지만 4시간의 운전 동안의 성능계수와 종료시의 실내 온도와 절대습도는 유사한 결과를 얻었다. 이를 바탕으로 26℃, 25℃, 24℃ 희망온도 운전 시의
실내 공간의 온습도 변화와 성능계수를 예측하였다. 또한, 희망온도가 감소함에 따라 더 높은 압축기 동력과 재생열이 요구되지만 냉방 능력의 증가가 더 지배적이기 때문에 결과적으로 성능계수가 증가함을 확인할 수 있었다.

Demands for generating heat and electricity by cogeneration are getting higher and higher in order to prevent environments pollution involving global warming. With respect to efforts, a lot of research institutes working on energy such as KEPCO are trying to develop models of micro CHP based on a gas engine and supply the models. But the hardships well known are that demands of waste heat generated by CHP are much lower in summer than winter. So many of research institutes and industrial companies are making an effort to develop the technology of heat-driven cooling systems to lessen the heat discarded in summer. Moreover, heat-driven cooling systems have an advantage that is consuming less electricity. In taking account for the relation to CHP, desiccant cooling is reputed as the most appropriate heat-driven cooling method because desiccant cooling requires heat source with temperatures of 60-70℃.

The appropriate capacity of facilities must be evaluated for supply of micro CHP. With respect to this, simulation is required in order to estimate the performance. So, work for securing reliability of the simulation model by building the model and comparing simulation results to the actual is mandatory. Based on the simulation model validated, temperatures of hot water made by CHP waste heat can be predicted as well. And if the model can be connected to the desiccant cooling system, not only electricity generation and heat recovery will be predicted, but also characteristics of heat storage and desiccant cooling will be analyzed.

This thesis is showing validation of TRNSYS simulation with respect to CHP and hybrid desiccant cooling and predictions under other conditions by simulation. The actual trial was conducted under 87% load of the gas engine corresponding to 100 kWe and temperature profiles of CHP in the actual trial was used to validate and determine reliability of the simulation model. As a result, temperature profiles estimated by simulation and that of the actual trial were saying difference of each temperature was less than or equal to 4.5℃ and relative error of each temperature point was less than 5%. Based on the simulation model validated with the criterion, relative errors less than 5%, electric power, heat recovery rate, electric efficiency, heat recovery efficiency, and total efficiency of CHP from 50% to 100% load by substituting static models of each load.

In addition, temperature variations in heat storage tanks were identified with the load of the gas engine with 100 kWe. Although time to start increasing temperatures and end of increase of temperatures at each sensor were shown different because of a principle of TNRSYS’s temperature calculations, The 10 hours-averaged temperature difference was maximumly 1.1℃ and the relative errer was 1.9%.

Moreover, hybrid desiccant cooling simulation was compared with the actual trial with the target temperature of 27℃ after making the simulation model of hybrid desiccant cooling. Comparison about variations of indoor temperature, humidity ratio, and system COP was conducted. As a result, overall temperature differences and relative errors of indoor temperatures between the actual trial and simulation were shown less than 0.2℃ and 0.4%, respectively. In the simulation, the rotational speed and power of the compressor in the heat pump however was set as a constant unlike the actual compressor which is an inverter type. Furthermore, supply air is controlled based on whether the indoor temperature is equal to or less than the target temperature. Due to these reasons, the miximum humidity ratio difference was 0.9 g/kg and the maximum relative error of humidity ratio was about 8.4%. But it was able to see that COP for 4 hours and indoor temperatures and humidity ratio were similar with the actual trial at the end. Based on the simulation model of hybrid desiccant cooling, variation of indoor temperatures, humidity ratio, and COP were predicted when the target temperature is 26℃, 25℃, and 24℃, respectively. In three conditioned spaces, it was concluded that supply air flow rates must be variable according to how much the target temperature is. Also, although higher compressor power and regeneration heat are required as the target temperature decreases, cooling capacity is enhanced more dominantly and this results in increase of COP.