스타트업 ThermoLift, Simcenter Engineering Services와 Simcenter STAR-CCM+로 에너지 비용을 절감하는 히트 펌프 개발

"한탄"은 그만

대부분의 미국 가정은 난로나 보일러를 사용하여 난방을 하고, 소수의 가정에서는 에너지, 대개 전기를 사용하여 주변 열을 외부에서 내부로 옮기는 히트 펌프를 사용합니다. 고효율 난로 및 보일러 시스템은 여전히 비싸고 최대 효율을 유지하기 위해 낮은 가열 온도를 필요로 합니다. 또한 높은 열 부하 조건에서는 효율성이 떨어지는 경우가 많습니다. 전기 히트 펌프는 수년 동안 사용되어 왔지만 추운 기후에서는 성능이 떨어져서 널리 보급되지 못했습니다. 열이 가장 필요할 때 저온에서 효율이 감소하여 보충 연료 또는 저항 가열이 필요하므로 비용이 증가할 수 있습니다.

A/C(에어컨)은 더 추운 환경에서 더 더운 환경으로 열을 전달하는 히트 펌프입니다. 대다수의 A/C 시스템은 소규모 흡수 시스템 설치로 증기 압축 사이클을 사용하며 가정에서 소비되는 전기의 가장 큰 부분(22%)을 차지합니다. A/C 시스템은 주로 전기로 구동되고 여름철에 주로 사용되므로 가용성이 가장 낮고 가장 비쌀 때 전기를 소요합니다. 또한 증기 압축 시스템에는 오존층 파괴 및 온실 효과를 비롯한 다양한 환경 문제를 야기하는 냉매가 사용됩니다.

ThermoLift는 2012년 초, 다른 벤처 기업에서 친구이자 동료인 Peter Hofbauer 박사와 Paul Schwartz가 나누던 대화에서 시작되었습니다. 두 사람은 건물의 에너지 사용 방식을 바꿀 수 있는 HVAC(난방, 환기, 공조) 기술에 관해 논의하고 있었습니다. Hofbauer는 “기술이 발전하지 않고 있다니 참 안타까운 일”이라고 한탄했습니다. 이를 계기로 Schwartz는 뉴욕 롱아일랜드 지하실에서 ThermoLift 설립을 위한 종자 자본을 마련하기 위해 사업 개발 단계를 시작했습니다.

ThermoLift는 Stony Brook에 있는 SUNY(뉴욕주립대학교)의 Advanced Energy Center에 기반을 두고 있으며 20명의 정규 직원을 보유하고, DOE(미국 에너지부)와 NYSERDA(뉴욕주 에너지 연구 개발국)의 보조금을 포함하여 거의 2천만 달러에 달하는 자금을 조달했습니다. ThermoLift 시스템은 건물 난방, 냉방 및 온수 시스템을 단일 기기로 대체할 수 있는 천연 가스 구동 에어컨 및 히트 펌프입니다. 이 제품은 VHP(Vuilleumier Heat Pump)와 관련이 있지만 수정된 사이클인 TC-Cycle™로 VHP에 비해 이점을 더욱 강화하여 건물 냉난방 에너지 소비 비용과 온실 가스 배출을 줄입니다.

그림 2: ThermoLift의 혁신적인 1.0세대 히트 펌프.

Vuilleumier 히트 펌프

ThermoLift 기술은 히트 펌프에 직접 연결된 열 엔진인 VHP에서 발전했습니다. VHP는 헬륨과 같은 작동 가스를 폐쇄 시스템 내의 3개 챔버 사이에서 옮깁니다. VHP에서는 크랭크와 동조된 2개의 디스플레이서가 실린더 내에서 왕복하여 독립된 고온, 온열 및 저온 챔버 사이에서 작동 가스를 옮깁니다. 열역학 사이클은 가스를 팽창시켜 냉각을 통해 저온 챔버에서 저온을 만들어냅니다. 고온 쪽 연료 또는 태양열 집열의 열 압축 및 연소로 생성된 에너지는 온열 챔버에서 온열을 공급하며, 이를 공간 난방 및/또는 온수 공급에 사용할 수 있습니다. ThermoLift 장치는 디스플레이서가 메카트로닉스를 통해 독립적으로 제어되어 디스플레이서 이동과 그에 따른 열역학 사이클을 더 잘 제어할 수 있기 때문에 VHP와 다릅니다.

낮은 주변 온도에서도 저온 챔버와 주변 온도 사이의 이러한 온도 차이를 활용하여 공간 난방 및 온수 난방을 위해 환경에서 열을 추출할 수 있습니다. ThermoLift의 히트 펌프는 열 에너지에서 생성된 고품질 에너지인 전기를 사용하여 저품질 에너지인 열을 발생시키는 기존 히트 펌프와 달리 열 에너지를 매우 효율적으로 포집하는 방법입니다. ThermoLift의 히트 펌프는 열만 사용하며 기존 압축기 기반 히트 펌프 시스템의 변환, 분배 및 상 변화에 따른 에너지 손실을 방지합니다.

ThermoLift의 히트 펌프는 TC-Cycle을 사용하여 성능을 향상하고 비용을 절감하기 위한 여러 가지 혁신 기술을 통합합니다. 이 시스템의 1세대 프로토타입은 이미 설계, 제작 및 시험되었습니다. 여기에는 초저배출 연소 버너, 사이클 효율 개선을 위한 전자 제어식 액추에이터, 혁신적인 열 교환기와 같은 혁신 기술이 포함됩니다. 이러한 개선을 통해 차세대 VHP 장치는 현재 사용 가능한 최첨단 HVAC 및 가정용 DHW(온수) 장비보다 성능이 뛰어날 것으로 예상되며 열역학 공정의 운영 효율성을 크게 높이는 동시에 비용과 이산화탄소 배출을 줄일 수 있습니다.

그림 4: 중요 열 전달 모니터의 시간 히스토리 플롯.

1세대 빌드 시험 및 데이터

ThermoLift는 이전 DOE 및 NYSERDA 보조금 프로그램의 일환으로 3세대의 TC-Cycle 프로토타입을 제작하고 시험했습니다. ThermoLift의 Gen 1.0(1.0세대) 개발은 디스플레이서 이동에 대한 제한된 제어에 따른 비용 및 내구성 문제와 시스템 열역학 저하가 있는 크랭크 동기화 VHP의 대안으로 전기 기계 드라이브 설계에 중점을 두었습니다. ThermoLift는 Gen 1.0에서 얻은 지식을 활용하여 Gen 2.0 프로토타입 개발을 완료했으며, 2016년 10월에 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)/NREL(National Renewable Energy Laboratory) 담당자에게 이를 시연했습니다. ThermoLift의 Gen 3.0 프로토타입은 2018년 8월 ORNL에서 성공적으로 시험되었습니다.

Gen 2.0 장치의 데이터 품질과 안정성을 개선하여 시뮬레이션과 성능이 향상되었습니다. 2017년 7월, ThermoLift는 디스플레이서가 끝에서 끝까지 왕복 운동하면서 디스플레이서의 연착륙이라고 하는 중요한 기술적 이정표를 달성했으며, 이를 통해 기계 소음이 없어지고 안정적이고 지속적인 작동 런타임(10시간 이상)이 가능해졌습니다. ThermoLift는 2018년에 여러 Gen 3.0 프로토타입을 조립하고 연구소 및 알파 시연에서 높은 충실도의 성능을 보여줄 것으로 기대합니다.

시뮬레이션 기반 설계 프로세스로 확장

2016년, ThermoLift는 시뮬레이션 기반 설계 프로세스로 확장하기 위해 Siemens Digital Industries Software와 협업을 시작했습니다. ThermoLift와 같은 새롭고 혁신적인 기술을 개발할 때 실험 시험 데이터에 의존하면 초기 프로토타입 개발에 많은 비용이 들 수 있습니다. 초기 개발 단계에서는 많은 개념 설계를 평가해야 하며, 종종 다양한 기본 아이디어를 시험해야 합니다. 이러한 프로토타입을 제작하고 시험하는 것은 스타트업에 상당한 위험을 초래할 수 있습니다. 수익이 불확실한 자원과 시설에 대한 막대한 투자가 필요하기 때문입니다.

시뮬레이션은 빠르고 비용 효율적인 답을 제공할 수 있습니다. 다양한 설계 개념과 해당 핵심 성능 지수를 평가할 수 있으며 프로토타입을 제조하기 전에 성능이 떨어지는 설계를 제거할 수 있습니다.

복잡한 시스템을 설계하고 시뮬레이션하는 것은 비용이 많이 들고 까다로울 수 있습니다. 전 세계 엔지니어들이 디지털 제품 개발을 위해 V-Cycle(그림 2)을 따릅니다. 아이디어는 전체적인 개념과 모듈부터 단일 컴포넌트에 이르기까지 설계 프로세스에서 다양한 수준의 세부 사항과 복잡성을 확보하는 것입니다. 처음에는 시스템의 광범위한 개념 설계로 시작합니다. 전체 시스템은 열 교환기, 재생기 및 디스플레이서와 같은 여러 모듈로 구성됩니다. 가장 세부적인 수준은 노즐, 오리피스 또는 열 교환기 핀과 같은 작은 컴포넌트의 설계를 포함하는 컴포넌트 수준입니다.

이 프로세스에서 기본 레이아웃부터 모듈 및 컴포넌트 설계까지 위에서 아래로 설계가 만들어집니다. 시뮬레이션을 활용한 검증 프로세스는 컴포넌트와 모듈을 검증하고 최적화할 때 반대 방향으로 진행되어 전체 시스템이 개선됩니다. 즉, 시스템을 구성하는 모듈이 더 잘 작동하면 전체 시스템도 더 잘 작동하게 됩니다.

ThermoLift와 Simcenter™ Engineering Services는 이 접근 방식을 채택하여 개발 시간을 크게 줄이고 프로토타입 제작 비용을 절감했습니다. 2016년까지 ThermoLift의 개발 팀은 고유한 열역학 사이클에 대한 광범위한 1D 시뮬레이션을 수행했습니다. 문제는 풀 3D에서 물리적 프로세스를 어떻게 예측할 것인가였습니다. ThermoLift 히트 펌프의 중요한 모듈 중 하나는 고온 열 교환기입니다. 고온 열 교환기는 화석 연료의 에너지가 시스템에 유입되는 유일한 하위 시스템이며 높은 효율성을 달성하는 것이 중요합니다.

내부의 헬륨 가스로 전달될 수 있는 열이 많을수록 전체 효율이 높아집니다(그림 1). 버너에서 고온 헬륨 쪽으로의 에너지 경로와 물리학에 대한 완전한 통찰력을 얻고 연소, 복사, 대류 및 복합 열 전달을 포착하는 것이 중요합니다. 또한 왕복 고온 디스플레이서는 움직이는 부문을 도입하여 더 큰 고성능 컴퓨팅 리소스가 필요한 천이 해석을 요구합니다. 움직이는 부문과 결합된 복잡한 물리학을 모델링하기 위한 시뮬레이션 솔루션을 찾는 것이 어려웠습니다. Simcenter 포트폴리오 제품인 Simcenter STAR-CCM+ ™ 소프트웨어를 사용하는 Simcenter Engineering Services가 이에 대한 답을 제공했습니다. Simcenter STAR-CCM+는 단일 통합 사용자 인터페이스에서 정확하고 효율적인 다분야 시뮬레이션을 제공하는 올인원 솔루션입니다.

그림 5: 복사 열 유속 분포 및 스트림라인.

천이 고온 열 교환기 해석

이 해석의 주요 목적은 버너에서 고온 헬륨 쪽으로의 열 전달에 대한 자세한 통찰력을 제공하는 것이었습니다. 이를 위해서는 버너 챔버와 고온 헬륨 챔버 내의 고온 열 교환기에서의 복사, 대류 및 전도와 왕복 디스플레이서 모션을 모델링해야 했습니다. 복합 열 전달 CFD(전산 유체 역학) 모델은 기본 Pro/E® 소프트웨어 CAD(Computer-Aided Design) 데이터를 기반으로 구축되었습니다. Simcenter STAR-CCM+의 고유한 오버셋 메시 기술이 왕복 디스플레이서 모션을 모델링하는 데 사용되었습니다. 모든 열 전달 모드가 모델링되고 모든 유체가 이상 기체로 처리되었습니다. 고온 열 교환기가 첫 번째 재생기 단계에 연결되는 헬륨 배출구에는 1D 시뮬레이션의 순환 경계 조건이 적용되었습니다.

시스템에는 천이 프로세스와 안정적 프로세스가 조합되어 있습니다. 연소 버너는 일정한 열을 전달하지만 헬륨으로의 열 전달은 왕복 디스플레이서에 의해 구동되는 순환 프로세스입니다. 시스템이 가열됨에 따라 결국 열 전달이 각 반복 사이클에 걸쳐 균형을 이루는 준안정 상태가 됩니다. 이를 위해서는 이번 협력 프로젝트의 일환으로 Siemens Digital Industries Software의 고성능 컴퓨터 클러스터를 사용하여 완성된 긴 천이 시뮬레이션이 필요합니다. 그림 4는 버너에서 헬륨까지 중요한 컴포넌트 인터페이스를 통한 열 전달의 시간 히스토리를 보여줍니다. 15~20사이클 후 열 전달이 주기적으로 이루어지고 사이클 평균 성능 데이터가 도출될 수 있습니다. 데이터는 이 Gen 2 설계 평가를 위해 열 교환기 효율성과 열 손실과 같은 핵심 성과 지표를 예측할 수 있습니다.

그림 5는 디스플레이서가 아래쪽으로 이동할 때 기계 내부의 배기가스와 헬륨의 체적 렌더링 온도 분포를 보여줍니다. 그림 6은 버너를 향한 열 교환기의 경계 복사 열 플럭스 분포를 보여줍니다. 스트림라인은 온도별로 색상이 지정된 나선형 채널 설계를 통해 버너에서 나오는 배기가스의 경로를 보여주며, 가스의 온도가 고온 열 교환기로 손실되는 위치를 알려줍니다.

그림 6: 배기가스와 헬륨의 체적 렌더링 온도 분포.

Simcenter Engineering Services와의 파트너십

Simcenter Engineering Services에서 수행한 천이 고온 열 교환기 해석 결과는 ThermoLift의 설계 팀이 문제 및 원인을 포함한 중요한 성능 데이터를 식별하는 데 도움이 되었습니다.

• 열 교환기를 떠날 때 배기가스 온도가 너무 높았습니다. 이로 인해 연소 전 히터가 이 과도한 열을 다시 시스템으로 회수했습니다.
• 헬륨으로의 총 열 전달이 너무 낮아 성능 목표를 달성할 수 없었습니다. 더 복잡한 관형 열 교환기가 개발되었습니다(그림 1).
• 열 교환기로의 복사열 전달은 전체 열 입력에 큰 기여를 했습니다.

건물의 에너지 사용 방식 변경

Siemens Digital Industries Software와 ThermoLift는 회사의 시뮬레이션 기반 설계 프로세스를 더욱 확장하기 위해 파트너십을 지속하고 있습니다. 지속적인 기술 이전과 Simcenter Engineering Services의 지원을 통해 ThermoLift 시뮬레이션 팀은 숙련된 Simcenter STAR-CCM+ 사용자가 되어 매일 컴포넌트를 시뮬레이션하고 개발하고 있습니다. Siemens는 다음을 통해 ThermoLift의 지속적인 성장과 프로세스 개선을 목표로 하는 로드맵을 지원하고 개발합니다.

• 시뮬레이션에 더 많은 컴포넌트 통합. 목표는 전체 기계를 3D로 모델링하는 것입니다.
• 자동화된 설계 최적화 통합. 선택한 설계를 평가하는 대신 시뮬레이션을 통해 설계 프로세스를 진행할 수 있습니다.
• 대규모 시뮬레이션을 위한 해석 서비스 및 고성능 컴퓨팅 리소스 제공을 통한 비용 절감 및 큰 목표 설정

ThermoLift의 기술을 사용하면 건물의 냉, 난방 에너지 소비량과 비용, 관련 온실 가스 배출량을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 미래에 건물이 에너지를 사용하는 방식을 바꾸고 더 친환경적인 세상을 만들 수 있습니다.