지구온난화에 의한 기상이변으로 하절기와 동절기에 냉난방수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 냉방과 난방을 위한 전력 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 냉난방부하는 태양열복사, 외기온도 등에 의해 변동되는 특성을 가지고 있어, 특정 시간대에서 최대 냉난방부하를 가지게 되며, 냉난방부하 처리를 위한 전력소비로 전력피크 발생의 한 요인이 되고 있다. 따라서 전력수요의 평준화와 전력피크감소를 위해 효율 적인 냉난방 시스템을 적용하고 운용하는 것이 필요하다. 이에 대한 대처 방안으로 축열조와 열펌프를 연계한 축열식 히트펌프시스템이 적용되고 있다. 전력사용량이 적은 심야시간에 열펌프를 가동하여 축열조에 열(냉열 혹은 온열)을 저장하였다가 상대적으로 전력사용량이 많은 주간 냉난방 시간에 열펌프와 연계하여 건물 부하를 처리하는 시스템이다. 전력사용량이 많은 주간 시간대의 소비전력을 심야 시간대로 이전 시키는 효과를 내어 전력수급을 안정화 시킬 수 있다. 또한 저렴한 심야전력 요금체계를 적용함으로써 열원기기의 운전비용 절감 효과를 얻을 수 있다.본 연구에서는 축열조와 열펌프로 구성된 시스템을 대상으로 냉난방시의 전력비용을 최소화하기 위한 축열조와 열펌프의 제어 기법에 관한 연구를 진행하였다. 또한 열펌프의 성능과 운전조건에 기반하여 매 순간 최소 요금이 되도록 열펌프의 최적 부분부하비을 결정하는 부하 대응 방식을 제안하였다. 제어 실험을 위해 냉/난방 잠열 축열재인 PCM이 혼합 적재된 복합 축열조와 열펌프를 이용해 시스템을 구성하였다. 방열 및 축열 성능실험을 통해 잠열 축열조의 축열 및 방열 성능을 분석하였다. 부하 크기 100%, 80%, 60%인 날의 외기온도와 부하를 모사하여, 제어 방식별로 난방 실험을 진행했다. 상용 프로그램인 TRNSYS17을 이용하여 축열식 열펌프시스템을 모델링 하였고, 동절기 및 하절기 사무실 건물 부하에 대하여 시뮬레이션을 진행하였다. 기존 제어방식과 구간 제어 방식, 부하 대응 방식, 동적계획법에 따른 열펌프의 소비전력량과 전력비용을 비교 분석하였다.부하 대응 제어 방식이 기존 제어 방식보다 소비전력량과 전력비용이 절감되었으며, 복잡하고 불확실성이 큰 부하예측에 의한 동적계획법 방식과도 유사한 전력비용 절감효과를 보여 경쟁력 있는 제어방식임을 확인하였다.
Abnormal climatic conditions caused by global warming has increased the demand for cooling in summer and heating in winter; accordingly, electricity demand is continuously growing. Heating and cooling loads vary according to various factors, including solar radiation and outdoor temperatures, and reach maximum values at specific times, leading to peak electricity loads to meet heating and cooling demands. Therefore, heating and cooling systems require efficient operation strategies to stabilize electricity demand and reduce the peak electricity usage. As a countermeasure against this problem, a heat pump with thermal storage system in which a thermal storage tank and a heat pump are connected is spreading.A heat pump with thermal storage system is used to reduce peak usage of electric power during winters and summers. Heat pump stores thermal energy in a thermal storage tank during the night, which is used to meet load requirements during the day. This system stabilizes the supply and demand of electric power; moreover, it utilizes inexpensive midnight electric power, thus making it very cost effective.This study focuses on the control methods for thermal storage and heat pump to optimize the electricity costs of a heat pump with thermal storage system during the winter and summer. Based on the performance of the heat pump and operating conditions, the load response control method was proposed to determine the optimum part load ratio of the heat pump which minimizes operating cost every minute. A laboratory-scale heat pump with thermal storage system was constructed using a latent thermal storage tank with PCM for the control experiments. The characteristics of the thermal storage tank were confirmed through the heat charging and heat discharging processes. Control experiments were carried out under the conditions of 100%, 80%, and 60% of design heating load and outdoor temperature using the control methods. we propose a system wherein the thermal storage tank and heat pump are modeled using the TRNSYS, whereas the control simulations are performed by (i) conventional control methods (i.e., thermal storage priority method and heat pump priority method); (ii) region control method, which operates at the optimal part load ratio of the heat pump; (iii) load response control method, which minimizes operating cost responding to load; and (iv) dynamic programming method, which operates the system by following the minimum cost path. The power consumption and electricity cost of the heat pump according to the control methods were compared and analyzed.The load response control method has lower power consumption and electricity cost than the conventional control methods and it is confirmed that it is a competitive control method by showing similar electricity cost saving effect to the dynamic programming based on complex and uncertain load prediction.