국제 호환형 건물통합 지열히트펌프시스템 연간 성능평가기술

국제 호환형 건물통합

지열히트펌프시스템 연간 성능평가기술

강 은 철 / 한국에너지기술연구원 선임연구원([email protected]) 이 의 준 / 책임연구원([email protected])

서 론

국내에서의 지열히트펌프 유닛에 대한 성능 평가 기준은 KS B ISO 13256-1(물 대 공기), KS B ISO 13256-2(물 대 물) 규격을 따르고 있으 며, 표준 조건인 한 조건에 대해서만 지열히트펌 프 유닛의 성능 데이터를 제시해 주고 있다. 하지 만 이러한 성능 데이터는 히트펌프 유닛 고유의 성능 특성을 나타낼 뿐이며, 히트펌프 유닛을 건 물에 통합화하여 건물 냉난방에 활용할 경우에는 어느 지역, 어떤 건물에 히트펌프가 적용되었는 가에 따라 히트펌프 시스템의 성능은 다르게 나 타날 수 있다. 따라서 표준 조건 하에서 제시된 히 트펌프 유닛 고유의 성능 데이터는 건물에 적용 되었을 경우에는 큰 의미를 가질 수 없으며, 적용 현장, 대상 건물, 적용 시스템이 통합되어 구현되 었을 때의 히트펌프시스템 연간 성능 데이터가 중요한 평가 기준이 된다.

건물적용 히트펌프시스템에 대한 국제 호 환형 연간 성능 평가 기술은 ISO TC 86(물 대 물), 유럽 PrEN 14825(공기 대 공기), 국내 KS C 9306(공기 대 공기) 등이 있다. 하지만 여기에 제 시되고 있는 방법들은 건물을 대상으로 실제 적

용된 히트펌프시스템에 대하여 연간 모니터링에 의해 성능을 평가하는 방법이거나 히트펌프시스 템이 적용된 해당 지역의 BIN 데이터를 이용하여 단순 계산에 의한 방법들이다. 특히 모니터링에 의한 성능평가 방법은 일년동안 꾸준히 실험한 결과를 분석하는 방법으로 평가 결과가 가장 정 확하다고 볼 수 있지만 평가를 위한 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 또한 BIN 데이터를 활 용한 계산법은 전세계적으로 가장 보편적으로 사 용되는 방법으로 1년 동안 해당 지역의 온도를 시 간대별로 구분하여 산술적으로 계산하는 방법이 다. 이 방법은 건물적용 히트펌프시스템의 연간 성능을 단 시간내에 단순히 계산할 수 있다는 장 점이 있으나, 동일한 BIN 데이터를 서로 다른 지 역에서 사용하기 때문에 지역별로 정확한 평가 가 이뤄지지 않는다는 단점이 있다. 일례로 국내 의 BIN 데이터는 냉방 기간과 난방 기간에 대하 여 각각 하나씩의 기준 BIN 데이터를 사용하도 록 제시하고 있다(실제로는 총 11개 지역에 대하 여 BIN 데이터를 제공하고 있음). 이 외에도 시뮬 레이션에 의한 연간 성능 평가 방법은 기상데이 터, 건물, 히트펌프 등을 모델링하여 컴퓨터 시뮬 레이션에 의해 연간성능을 분석하는 방법으로 시

뮬레이션 모델링을 얼마나 정확하게 진행하였는 가가 중요한 변수가 된다. 마지막으로 시뮬레이 션과 실험을 병행하는 방법이 있다. 이러한 방법 은 실험을 의한 데이터를 시뮬레이션 모델링에 입력 변수로 활용하여 시뮬레이션을 수행하는 방 법으로, 기존 단순 시뮬레이션에 의한 결과보다 좀 더 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있다. 본고에 서는 건물통합형 히트펌프시스템의 연간 성능 평 가를 위하여 ASHRAE 90.1 Appendix G와 IPMVP 4.4.2에서는 국제적으로 신뢰성과 호환성을 갖 춘 몇 가지 시뮬레이션 도구들을 제안하고 있다.

TRNSYS 프로그램은 이러한 도구들 중에 하나로 널리 활용되고 있는 평가 도구 중의 하나이다.

TRNSYS 평가 기술

TRNSYS는 열에너지 시스템의 비정상 거동을 수치적으로 해석하기 위한 시뮬레이션 모델링 프 로그램으로 2차 편미분 방정식으로 표현되는 열 전달 기본 방정식을 라플라스 변환을 이용, 대수 적인 형태로 처리한다. 또한 선형화된 대수적 형 태의 방정식(전달 행렬 방정식)에서 행렬 내의 원소를 전달함수라 하는데, 이는 벽체 재료의 두 께와 물리적 특성에 따라 결정된다. 이 방법의 경 우 3차원 공간에서 일어나는 열전달 현상을 1차 원 공간으로 취급함에 따라 수치적 방법대비 정 확도가 낮아질 수 있지만, 과도한 계산 시간 및 계 산 영역에 제약을 받게 되는 수치적 방법의 단점 이 극복될 수 있다. 현재 대부분의 동적 해석 방법 이 이 부류에 포함되며, TRNSYS의 경우에도 상 기 방법을 사용한다. 이러한 TRNSYS 프로그램은 다양한 형태의 컴포넌트 조합으로 구현되며, 컴 포넌트 상호 작용에 의하여 파라미터, 입력, 출력 변수를 구할 수 있다. 건물통합형 히트펌프시스 템에 대한 TRNSYS 시뮬레이션 모델링은 다음과

같은 컴포넌트들로 구성된다.

기상데이터

TRNSYS 시뮬레이션을 수행함에 있어 가장 기본이 되는 입력 변수로 기상데이터 가 있다. TRNSYS에서의 기상데이터는 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 에서 전세계 150여 개국의 1,000개 이상 지역 에 대한 정보를 제공하고 있으며, Type 15 컴포 넌트를 활용하여 사용할 수 있다. 이 컴포넌트 를 통하여 해당 지역의 기상자료를 인식하며, 통상적으로 기상 데이터 인식은 TMY(Typical Meteorological Year)형태의 기상 파일을 인식 한다. 우리나라의 경우 서울, 인천, 강릉, 광주, 목 포, 울산 지역에 대한 기상데이터가 TRNSYS에서 지원하고 있다. 이 밖에도 사용자가 직접 해당 지 역에 대한 기상데이터를 제작하여 사용할 수 있 으며, 사용자 지정 기상데이터는 TRNSYS 상에서 Type 9를 이용하여 표현할 수 있다.

건물 모델링

TRNSYS에서는 건물에서의 에너지 흐름 및 냉난방 에너지 계산을 위하여 다양한 건물 모델 을 제시하고 있으며, 각각의 적용 조건에 따라 Single Zone과 Multi Zone에 대한 건물 해석 모 델을 제공한다.

TRNSYS Single Zone 모델은 Type 12와 Type 19를 이용하여 표현한다. Type 12에서의 건물 부하는 정적해석 모델로서 건물의 열매스나 태양복사의 영향을 고려하지 못한다. 건물을 중 심으로 환기, 침기, 내부발생열(태양광, 전구, 전 기기기, 거주자)등의 내부 발생열을 하나로 취급 하여 고정온도를 유지하기 위한 온도와 벽체 UA 및 외기온의 함수로 표현된다. 이 모델을 통한 냉 난방 부하의 산정은 내부발생열의 정확한 묘사,

특히 태양광에 의한 영향을 묘사할 수 없으므로 구체적인 건물 모델링을 하기에는 어려움이 따 른다. 반면에 Type 19는 건물의 열흐름을 산정하 기 위하여 2가지 모델을 제공한다. Type 19는 건 물의 동적 열 현상을 상세하게 해석하는 모델로 서 외피(벽체, 천장, 바닥면)는 ASHRAE transfer function approach을 이용하여 모델링하며 건물 외피 및 내피에서의 태양단파 및 장파복사의 영 향을 평가할 수 있다.

Multi-zone 건물 모델은 Type 19 모델이 다 중으로 사용된 경우이다. Type 56모델은 건물 의 열흐름을 산정하기 위하여 Type 19 및 Type 12와 같이 에너지 및 온도로 구분되는 각각의 모델을 개별적으로 제공하지 않고 Energy Rate Control 모델만을 제공한다. Type 56을 사용하여 Temperature Level Control을 수행하기 위해서 는 냉난방 설정온도를 상대적으로 매우 크게 설 정함으로써 구현할 수 있다. Type 56 Multi-zone 건물 모델은 건물 구획별 용도차이에 의하여 대 표 온도가 서로 상이한 다중 공간에서의 열흐름 을 TRNSYS 루틴에서 제공되는 인버터를 통하여 행렬의 역핼렬을 구하여 모델링한다. 건물 외피 및 내피에서의 태양단파 및 장파복사의 영향은 An area ratios approach를 통하여 산정된다.

이와 같이 Type 12, Type 19 및 Type 56모 델에서 구현하는 "Energy rate", "Temperature

level"의 제어는 다음과 같이 구분되어 정의할 수 있다. 건물에서의 부하는 건물 쾌적온도(18℃

- 23℃)를 유지하기 위하여 공급(난방기) 및 제 거(냉방기)되어야하는 에너지의 개념이다. 즉, Energy rate control에서는 난방 18℃ 및 냉방 23℃ 설정온도로 지정 후 이 온도를 외기조건 에 상관없이 유지하기 위하여 소요되는 에너지 를 산정한다. 이러한 모델에서의 부하는 냉난방 설비와는 무관하다. 반면 “Temperature level control” 모델에서는 외부 냉난방 설비를 설정하 여 이러한 설비에 의하여 건물로 제공되는 에너 지에 따라 건물 실온도가 변화하는 모델이다. 외 부 냉난방 설비의 제어는 건물 실온도를 기준으 로 이루어진다.

설비 모델링

히트펌프는 저온열원(heat source)으로부터 고온의 열싱크(heat sink)로 에너지를 전달하는 장치로서 히트펌프 제조업체에서 제공하는 성능 데이터를 이용하여 모델링한다. 냉방 시와 난방 시의 성능데이터에서 제공된 소비동력과 열용량 을 읽어서 가동되는 구조이다. Type 665는 공기 대 공기 히트펌프 유닛을 나타내는 컴포넌트이 며, 히트펌프의 실내측 공기온도와 실외측 공기 온도를 사용자가 조절함으로써 실내·외 온도 변 화에 따른 성능 평가를 수행할 수 있다. Type 665

Source World Region Available locations

US-TMY2 United States only 237 locations in the US (contiguous states+ Alaska and Hawaii), and 2 files for Puerto-Rico and Guam.

Meteonorm

Africa 174 locations in 46 countries

Asia 227 locations in 43 countries

Australia-Oceania 55 locations in 9 countries Central and South America 141 locations in 29 countries

Europe 369 locations in 35 countries

North America(excluding US) 67 locations in 3 countries

<표 1> TRNSYS에서 사용가능한 전세계 기상데이터

의 주요 사항은 다음과 같다.

- 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 하나의 일체형으로 내부에 들어있는 패키지 단위로 설정 되어 있다.

- 히트펌프의 성능을 예측하는 제조업체의 카탈로그 데이터 파일을 입력하게 되어있다.

- Parameter, Input, Output으로 구성되어 있다.

Type 665의 Parameter는 공기의 비열, 히트 펌프 스케일 팩터, 공기의 유량, 정격 실내 팬 파 워, 정격 실외 팬 파워로 구성되어 있으며, 입력값 은 실내 건구온도, 실내 상대습도, 실내 공기유량, 외부 건구온도, 외부 상대습도로 구성되어 있다.

출력값은 대표적으로 Capacity, Power를 나타낼 수 있으며 그 외의 것들은 표 2에 나타나 있다.

지중열교환기(U-tube)는 열유체를 지중으로

순환시켜 열전달을 일으키는 장치이며, 지중 순 환으로 인하여 지중의 열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출한다. 지중열교환기에 대한 모델링은 Type 557로 표현되며, 지중열교환기의 길이, 열 전도도, 열확산율 등의 입력 변수를 설정함으로 써 결과가 도출된다.

- 지중열교환기 컴포넌트의 입력 변수 Tin : 지중 입구온도 [℃]

m : 지중 유량 [kg/h]

Tairh : 주위 공기온도 [℃]

Tair : 외기온도 [℃]

- 지중열교환기 컴포넌트의 출력 변수 Tout : 지중 출구 온도 [℃]

m : 지중 유량 [kg/h]

Tav.st : 평균 지중 온도 [℃]

Parameter Output

Specific heat of air stream 1.007 kJ/kg.K Outlet air temperature 0 C

Scale factor for heat pump 1 - Outlet air humidity ratio 0 -

Total air flow rate 285 l/s Outlet air %RH 50 %

Rated indoor fan power 671.1 kJ/hr Outlet air flow rate 0 kg/hr

Rated outdoor fan power 745.7 kJ/hr Outlet air pressure 1 atm

Auxiliary heat mode 0 - Total cooling rate 0 kJ/hr

Input Sensible cooling rate 0 kJ/hr

Return air temperature 20 C Latent cooling rate 0 kJ/hr

Not used (w) 0.008 - Total heating rate 0 kJ/hr

Return air %RH 50 - Heat rejection rate 0 kJ/hr

Return air flow rate 0 kg/hr Heat absorption rate 0 kJ/hr

Inlet pressure 1 atm Auxiliary heating rate 0 kJ/hr

Fan pressure rise 0 atm Heat pump power 0 -

Outside air temperature 7 C COP 0 -

Not used - w 0.005 - EER 0 kJ/hr

Outside air %RH 50 % Indoor fan power 0 kJ/hr

Ambient (sink) temperature 7 C Outdoor fan power 0 kJ/hr

Cooling control signal 0 - Compressor power 0 kJ/hr

Heating control signal 1 - Total energy input 0 C

Fan control signal 0 - Condensate temperature 0 kg/hr

Outside air damper position 0 - Condensate flow rate

<표 2> 공기 대 공기 히트펌프 유닛 Parameter, Input, Output 데이터(예시)

Q : 평균 열교환율 [kJ/h]

Qloss,t : 지중 상부 경계를 통한 열손실율 [kJ/h]

Qloss,s : 지중 측면 경계를 통한 열손실율 [kJ/h]

Qloss,b : 지중 밑면 경계를 통한 열손실율 [kJ/h]

QDST : 지중 내부에너지 변화율 [kJ/h]

Tav.bh : 보어홀 인접 평균 지중 온도 [℃]

Tbh,1 : 반경 영역-1 보어홀 인접온도 축열조는 Type 4로 표현되는데, 작동 열유체 가 히트펌프를 통해 얻어진 열을 축열하는 기능 을 수행한다. 또한, 에너지 밸런스를 통하여 부하 량의 정확한 계산을 도우며, 열의 교환과 축적을 통하여 실제 지열 히트펌프시스템과의 통일성 증대 및 운전의 효율성을 높이는 역할을 한다. 지 중온도 산정기(Type 501)는 연간 지중의 표면온 도, 지중의 수직 온도분포, 연간 지중 표면온도의 진폭, 토양의 열확산 등을 통하여 지중온도를 산 정한다. 이러한 값은 ASHRAE Handbook을 포함 한 다양한 참고문헌에서 찾을 수 있다.

시뮬레이션 결과 처리

시뮬레이션 결과를 모니터링하는 기능의 Type 65는 시뮬레이션의 진행과 동시에 지정된 시간 간격에 맞춰 선택된 시스템의 변수들의 값 들을 실시간 그래프로 제공한다. 이 컴포넌트는 사용자가 시스템이 바람직하지 않은 방향으로 작 동되는 것을 실시간으로 볼 수 있게 해주며, 가치 있는 변수 정보를 제공해주기 때문에 폭넓게 이 용되고 있다. 이 선택된 변수들은 화면상의 분리 된 소구획(좌·우측 좌표축)으로 보여지게 된다.

Type 65의 주요 사항은 다음과 같다.

- 어떤 시뮬레이션에서도 최대 1개만 허용 된다.

- 입력값은 각 좌표축에 대하여 1~10개 사이 에서 갖는다.

- 입력 Control Card에 따른 두 번째 Data Card는 대부분 다른 컴포넌트가 지니는 초기값 보다는 각각의 입력값에 대한 고유한 이름을 포 함하여야 한다. 각각의 이름은 최대 6자리의 문자 로 이루어지며, 콤마나 공백에 의해 서로 분리되 어야 한다.

- 입력값의 수는 처음 2개의 매개변수들의 합 과 같아야 한다.

건물통합 지열히트펌프시스템 연성능 평가 사례

건물적용 히트펌프시스템 연성능 모델링

건물적용 히트펌프시스템 연성능 평가를 위 해 ASHRAE 90.1 Appendix G와 IPMVP 4.4.2 에서 제안하는 국제호환형 시뮬레이션 도구인 TRNSYS를 활용하여 그림 1과 같이 모델링을 하 였다. 히트펌프시스템 연성능 평가를 위해서는 적용현장, 적용건물, 적용시스템이 필요한데, 적 용현장은 대전이고 적용건물은 바닥면적 200 m² 의 주거건물을 대상으로 하였다. 시스템은 공기 열원을 사용하는 공기 대 공기 히트펌프를 사용 하였으며, 다음과 같은 정보를 활용하여 시뮬레 이션 분석을 수행하였다.

기상데이터를 입력하는 컴포넌트인 Type 9a 를 이용하여 북위 36°, 동경 127°의 대전 기상데 이터를 제공하였다. 대전 지역의 연간 외기온도 기상데이터는 그림 2와 같으며, 최대 외기 온도 는 35.3℃, 최저 외기 온도는 –12℃, 평균 외기 온도는 12.6℃ 이다. 또한 대전 지역 장치의 설계 온도는 냉방 32.3℃, 난방 –10.3℃이다.

적용되는 시스템은 공기 대 공기 히트펌프이 며, 히트펌프 유닛에 대한 성능 데이터는 냉방과 난방에 대하여 작동유량, 습구온도, 건구온도, 외 기온도의 변화에 따라서 히트펌프에서 생산되

는 열에너지량과 소비전력의 값을 제공하고 있 다. 그림 3은 적용되는 히트펌프 유닛의 냉방 성 능 데이터를 보여주고 있으며, 그림 4는 난방 성 능 데이터를 보여주고 있다. 국내 히트펌프 유닛 평가 기준인 KS C 9306:2010의 표준조건에서의 냉·난방성능계수는 표 3과 같다.

공기 대 공기 히트펌프 유닛에 대한 TRNSYS 시뮬레이션 모델링은 Type 665를 사용할 수 있 으며, Type 665에 기입된 입력 값들은 표 4에 나 타내었다.

[그림 1] 히트펌프시스템 년 성능 평가용 TRNSYS 모델링

[그림 2] 대전지역 년간 외기온도 데이터

[그림 3] 제조사에서 제공하는 히트펌프 유닛의 냉방 성능 데이터

- 공기 비열 : 1.007 kJ/kgk - 공기 유량 : 285 l/s

- 실내 팬 소요동력 : 671.1 kJ/hr - 실외 팬 소요동력 : 745.7 kJ/hr - 시스템 가동 온도 : Type 8컨트롤 제어 Type 8은 온도로 시스템을 제어하는데 이용 되며, Parameter에서는 실내의 냉방 설정온도와 난방 설정온도를 입력할 수 있으며, 입력값에서 는 건물 안의 실내온도를 설정할 수 있다. 실내 설 정온도조건은 냉방일 때 26℃, 난방일 때 20℃이 며, Type 8의 입력 값은 표 5와 같다.

적용건물은 그림 5와 같이 단순화 하였으며, 바닥면적 200 m²의 주거용 건물로 설정하였다.

건물외피에 대한 U-value는 2010 건축물의 설 비기준 등에 관한 규칙 [별표 4]에 제시되어 있 는 U-value를 기준으로 하였으며, 내용은 표 6 과 같다.

- 건축 면적 : 주거 200 m²

- HVAC zone : single zone - 창면적비 : 40 %

- 바닥면과 바닥면 사이 높이 : 30 m - 바닥면과 천장 사이 높이 : 2.7 m

[그림 5] TRNSYS 시뮬레이션을 위한 건물 모델링

스케줄은 모두 주중에 대하여 나타내었으며, 재실자, 조명부하, 기기부하에 대한 스케줄은 다 음과 같다.

① 재실자 스케줄(그림 6 참조)

[그림 4] 제조사에서 제공하는 히트펌프 유닛의 난방 성능 데이터

시험 조건 실내측 공기 상태 실외측 공기 상태 Capacity

(kJ/hr)

Power

(kJ/hr) COP

건구(℃) 건구(℃)

냉방 표준 조건 27±0.3 35±0.3 19,123 6,778 2.82

난방 표준 조건 20±0.3 7±0.3 19,694 6,651 2.96

<표 3> KS C 9306:2010 표준조건 하에서의 히트펌프 유닛 성능 평가 결과

Output

Specific heat of air stream 1.007 kJ/kg.K Outlet air temperature 0 C

Scale factor for heat pump 1 - Outlet air humidity ratio 0 -

Total air flow rate 285 l/s Outlet air %RH 50 %

Rated indoor fan power 671.1 kJ/hr Outlet air flow rate 0 kg/hr

Rated outdoor fan power 745.7 kJ/hr Outlet air pressure 1 atm

Auxiliary heat mode 0 - Total cooling rate 0 kJ/hr

Input Sensible cooling rate 0 kJ/hr

Return air temperature 0 C Latent cooling rate 0 kJ/hr

Not used (w) 0.008 - Total heating rate 0 kJ/hr

Return air %RH 50 - Heat rejection rate 0 kJ/hr

Return air flow rate 0 kg/hr Heat absorption rate 0 kJ/hr

Inlet pressure 1 atm Auxiliary heating rate 0 kJ/hr

Fan pressure rise 0 atm Heat pump power 0 kJ/hr

Outside air temperature 0 C C.O.P. 0 -

Not used - w 0.005 - EER 0 -

Outside air %RH 0 % Indoor fan power 0 kJ/hr

Ambient (sink) temperature 7 C Outdoor fan power 0 kJ/hr

Cooling control signal 0 - Compressor power 0 kJ/hr

Heating control signal 1 - Total energy input 0 kJ/hr

Fan control signal 0 - Condensate temperature 0 C

Outside air damper position 0 - Condensate flow rate 0 kg/hr

<표 4> 공기 대 공기 히트펌프 유닛 Type 665 데이터

Parameter

Nb. of oscillations permitted 5 -

1st stage heating in 2nd stage? 1 -

Minimum primary source temperature 20 C

Temperature for cooling 26 C

1st stage heating temperature 20 C

2nd stage heating temperature 18 C

Input

Room temperature 20 C

1st stage source temperature 30 C

Output

Control signal for 1st stage heating 0 C

Control signal for 2nd stage heating 0 C

Control signal for cooling 0 C

<표 5> 실내 냉난방 설정온도 제어용 컴포넌트 데이터(Type 8)

연간 성능 평가 시뮬레이션 결과

히트펌프시스템 연간 성능 시뮬레이션을 평 가하기 위하여 TRNSYS 시뮬레이션에서 적용현 장, 적용건물, 적용시스템을 구성하여 정보에 대 한 결과를 분석하였다. 적용현장은 대전지역이 며, 적용건물은 바닥면적 200 m²의 주거건물이 고, 적용시스템은 공기 대 공기 히트펌프를 사용 하였다. 히트펌프시스템 연간 성능 시뮬레이션 결과는 그림 9와 같다.

연간 성능 계수는 TRNSYS로 예측된 냉방기 간의 성능 계수와 난방기간의 성능 계수를 이용 해 구할 수 있으며 식 1은 냉방기간 성능 계수에 대한 식이고, 식 2는 난방기간 성능 계수에 대한 식이며, 식 3은 연간 성능을 구하는 식이다.

CSPF = CSTLCSEC (1) HSPF = HSTLHSEC (2)

APF = HSTL + CSTLHSEC + CSEC (3)

TRNSYS 시뮬레이션 분석 결과 표 7과 같 이 히트펌프시스템 연간 성능 APF(Annual Performance Factor)는 2.81로 나타났다. APF는 CSPF(Cooling Seasonal Performance Factor)와 HSPF(Heating Seasonal Performance Factor) 의 연간 열에너지 총 공급량을 더한 값에 CSPF 와 HSPF의 연간 총 소비동력을 더한 값으로 나눈 값이다. 대전지역의 CSPF는 2.81로서, 총 냉방열 공급량은 3,963 kW, 소비동력은 1,409 kW 이며, HSPF는 2.57로서, 총 난방열 공급량은 14,907 kW, 소비동력은 5,797 kW로 나타났다.

Geometry Type (TRNSYS) U-value [W/m2.K]

Roof Metal 0.24

Wall Metal 0.45

Floor Metal 0.04 (단열경계)

Window U-value Metal 3.20

<표 6> 건물 외피에 대한 열관류율 (2010 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 [별표 4])

[그림 8] 기기부하 스케줄 관리 [그림 6] 재실자 스케줄 관리

[그림 7] 조명부하 스케줄 관리

② 조명부하 스케줄(그림 7 참조) - Total heat gain : 17 W/m² - Convective part : 30%

③ 기기부하 스케줄(그림 8 참조) - Computer type : 140 W

결 론

건물적용 히트펌프시스템의 연간 성능을 평 가하는 방법으로 ASHRAE 90.1 Appendix G 및 IPMVP 4.4.2에서 제안하는 시뮬레이션 도구 인 TRNSYS 프로그램에서 SBS(Site, Building, System)을 통합한 형태에 대한 시뮬레이션 모델

링에 의한 방법을 제시하였다. 건물에 적용된 히 트펌프시스템의 연간 성능 평가를 위해서는 히트 펌프 유닛 성능 이외에도 적용 지역 및 건물특성 등이 반영되어야만 정확한 평가가 가능하다. 특 히 기존의 히트펌프 성능은 표준조건에서의 COP 만을 제공하고 있지만, 우리나라의 계절 특성을 감안한다면 다양한 조건하에서의 COP가 제공되 어야 한다. 본 고에서 제안하는 건물적용 히트펌 프시스템 연간성능 평가 방법을 요약하면 그림 10에 나타낸 절차에 따라 구할 수 있다. 우선 히 트펌프 제조사에서 제공하는 표준조건 하의 성 능데이터를 기반으로 실험을 통한 히트펌프의 성능을 검증한다. 검증이 완료되면 다양한 온도 조건 하에서 히트펌프의 성능 데이터를 구한다.

TRNSYS에서 요구하는 형태의 히트펌프 성능 데 이터 파일을 생성한 후 TRNSYS 프로그램 모델링 을 수행한다. 모델링은 기상데이터와 적용건물, 그리고 히트펌프 성능 데이터를 포함하는 시스템 을 통합한 모델링을 구현한다. 이와 같은 과정을 통하여 건물적용 히트펌프시스템에 대한 연성능

[그림 9] TRNSYS 시뮬레이션에 의한 연간 COP

대 전 Capacity[kW] Power[kW] SPF

CSPF 3,963 1,409 2.81

HSPF 14,907 5,797 2.57

APF 18,870 7,207 2.62

<표 7> 히트펌프시스템 연간 성능 평가 결과

[그림 10] 히트펌프시스템 년성능 평가를 위한 프로세스

평가가 가능하며, 시뮬레이션 모델링에 대한 신 뢰성 및 국제호환성을 확보할 수 있을 것으로 기 대된다. 이 분야는 에너지 분야에서의 새로운 일 자리 창출과 새로운 에너지자원 절약 검증 기술 개발 보급 차원에서 매우 요긴한 기술 동향으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부 재원으로 한국에너지 기술평가원의 지원으로 수행한 국제공동연구사 업 연구과제(과제번호 : 2010T100100422) 결과 의 일부로, 관계자 여러분께 감사드립니다.

참고문헌

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Asia-Pacific Forum on Renewable Energy 2. Shin, U. C., Baek, N. C., Kim, O. J. and Koh, D. Y., 2006, "Analysis of Thermal Performance of Ground- Source Heat Pump System", Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No. 2, pp. 95~101 3. 2009, University of Wisconsin Madison, TRNSYS 16 documentation

4. KS B ISO 13256-1:2002 수열원 열 펌프-성능 시험 및 평가-제1부:물-공기와 브라인-공기 열 펌프 5. KS B ISO 13256-2:2003 물을 열원으로 이용한 열펌 프의 성능 시험 평가-제2부:물 대 물, 염수 대 물 열펌프 6. KS C 9306:2010 에어컨디셔너 규격

7. ASHRAE Inc, 2007, ASHRAE STANDARD Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, Appendix G Performance Rating Method

8. IPMVP Renewable subcommittee, 2003, International Performance Measurement &

Verification Protocol Volume Ⅲ