Heating Performance of Heat Pump System Using Dual Heat Source and Its Operation Characteristics
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(2) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 31. T W. : 온도 [℃] : 소비 전력 [kW]. 하첨자 hp L p S sw sys v. : : : : : : :. 히트펌프 공간 부하(load) 순환수 펌프 지중 열원(source) 지표수 열교환기(surface water heat exchanger, SWHE) 시스템 수직 지중열교환기(vertical ground heat exchanger, VGHE). 1. 서 론 건물 부문 에너지는 전체 에너지 소비량의 약 60%를 차지하기 때문에, 이 소비량을 줄이기 위해 다양 한 방법으로 노력하고 있다[1]. 다양한 방법 중 건물 냉난방에 지열 에너지(geothermal energy)를 이용하는 기술도 많이 주목받고 있다. 지열 에너지를 이용하는 여러 기술에서 지열 히트펌프 시스템(ground-source heat pump system)이 가장 큰 부분을 차지한다[2]. 통상 지열 시스템은 히트펌프, 지중열교환기(ground heat exchanger), 순환수 펌프, 실내 설비, 제어 장비 등으로 구성된다. 다양한 방식의 지중열교환기를 이용하여 난방에 필요한 에너지를 지중에서 추출하거나, 냉방 운전 중 건물에서 제거한 열을 지중으로 방출한다. 지중열교환기가 에너지를 추출하거나 방출하기 위해, 지중열교환기 순환수(이하 ‘지중 순환수’)는 열교 환기 주변의 매질(암반층, 지하수 등)과 에너지를 주고받는다. 이러한 지중 열전달 매질은 외기의 영향을 거의 받지 않는다. 따라서 공기 열원 히트펌프의 공기보다 연중 온도 변화폭이 작다. 지열 시스템은 이러 한 지중 항온성을 활용하기 때문에 냉난방 성능이 우수하다[3]. 하지만 지중열교환기를 설치하기 때문에, 기존 설비보다 초기 시공비는 더 들어간다. 이러한 여러 장점 때문에 전 세계 설치 용량과 이용량은 지속적으로 증가해왔다. 2020년 기준 전 세계 설치 용량은 77.6 GWth, 이용량은 166,661 GWh/year(599,981 TJ/year)이었다[4]. 이는 2015년 용량(50.3 GWth)과 이용량(90,791 GWh/year)과 비교했을 때 용량은 40.4%(연평균 8%), 이용량은 83.6%(연평균. Fig. 1. Installed capacity and geothermal energy utilization trend of ground-source heat pump sector in Korea. Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
(3) 32 임효재, 손병후 16.7%) 증가한 수치이다. 한편 국내에서는 2019년까지 공공 부문에서만 약 1.32 GWth를 보급한 것으로 집 계되었다[5]. Fig. 1은 한국에너지공단의 국내 통계 자료[5]를 이용하여 연도별 신규 보급 용량과 이용량 (ktoe/year)을 도시한 결과이다. 지열 히트펌프 시스템은 지중(ground)을 비롯하여 연못(pond), 호수(lake), 하천(river)과 같은 지표수 (surface water)를 열원이나 히트싱크로 활용할 수 있다[6]. 여기에 최근 국내에서 주목받고 있는 수열에너 지, 즉 광역원수와 댐 호소수도 히트펌프 시스템의 열원으로 활용할 수 있다. 지열 히트펌프 시스템을 설 계할 때 열원의 온도와 열물성(thermo-physical properties) 등을 정확하게 입력해야 한다[3]. 이는 지표수나 수열을 활용할 경우에도 동일하며, 특히 계절별·깊이별 온도 데이터가 중요하다[7]. Chiasson et al.[8]은 수 직 지중열교환기(vertical ground heat exchanger, VGHE)와 연못을 같이 이용하는 히트펌프 시스템을 대상 으로 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 여기서 연못의 깊이는 1 m이며, 보조 히트싱크(supplementary heat sink) 역할을 수행하는 것으로 간주하였다. 시뮬레이션 결과 연못은 수직 지중열교환기 순환수의 온도를 유 지하는 데 효과적이었다고 제시하였다. Do and Haberl[9]은 수평 지중열교환기와 지표수 열교환기(surface water heat exchanger, SWHE) 이용 히트펌프 시스템의 성능을 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 두 열교환기 가 직렬 연결되는 것으로 설정한 후, 전체 열 교환 성능과 개별 성능을 분석하였다. Lv et al.[10]은 지표수 열원 히트펌프 시스템을 대상으로 열역학 사이클 관점에서 성능을 해석하였다. Zou and Xie[11]는 지표수 열원 히트펌프 시스템에 대한 성능 모델을 구축한 후, 여러 변수가 시스템 성능에 미치는 영향을 계산하 였다. 이러한 시뮬레이션 해석과 함께 지표수 열원 히트펌프 시스템에 대한 실증 결과도 발표되었다[12-14]. 이렇듯 외국에서는 다양한 수자원을 히트펌프 열원으로 활용하고 있지만, 국내에서는 최근 들어 주목받기 시작했다. 국내에서 Sohn[15]은 설계 변수가 지표수 열교환기의 열전달 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 아울러 분석 결과를 바탕으로 저심도 연못 적용 효과를 제시하였다. Lim et al.[16]과 Sohn[17]은 하이브리드 지중 열교환기를 이용하는 물 대 물 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 분석하였다. 지표수 열교환기와 수직 지중 열교환기의 조합을 하이브리드 지중열교환기로 정의하였으며, 지표수 온도에 따라 두 열교환기의 용량을 조절하면서 냉방 데이터를 측정하였다. 최근 Sohn[18]은 선행 연구[16,17]에서 이용한 시스템과 데이터를 이용하여 하이브리드 열원 시스템의 난방 성능을 경향 위주로 분석하였다. 이번 논문은 선행 논문[18]의 연장으로, 이중 열원(dual heat source, 또는 하이브리드 열원) 히트펌프 시 스템의 난방 성능과 운전 특성을 구체적으로 제시하고자 하였다. 선행 연구에서 언급한 시스템[16-18]을 이 용하였으며, 2019년 11월부터 2020년 2월까지 측정한 데이터를 이용하였다. 아울러 운전 조건과 열원의 온 도 조건이 시스템 성능과 운전 모드에 미치는 영향을 고찰하였다.. 2. 시스템 구성과 데이터 측정 2.1 시스템 구성. Fig. 2는 성능 분석용 히트펌프 시스템의 주요 구성 요소를 보여준다. 물 대 물 히트펌프(water to water heat pump), 이중 열원(dual heat source), 열원과 부하 순환수 펌프, 냉·온수 저장 탱크, 실내기(FCU), 데이 터 획득 장치 등으로 시스템을 구성하였다. 시스템에서 이중 열원은 저심도 연못(shallow pond)과 지중 (ground)을 의미한다. 이 열원을 이용하기 위해 슬린키 코일(slinky coil) 형태의 지표수 열교환기와 수직 지 중열교환기를 설치하였다. 난방 실험을 위해 충남 아산시 소재 H대학교 제2공학관의 실험실(지하 1층, 153 m2)과 사무실(지상 1층, 87 m2)을 이용하였다. 시스템 설치에 앞서 소프트웨어[19]를 이용하여 실증 공간 의 냉·난방 최대 부하를 계산하였으며, 각각 28.5 kW와 36.5 kW이다. Fig. 2(a)는 히트펌프와 냉·온수 저장 탱크 그리고 주변 배관 등을 보여준다. 히트펌프(DHC, 20GWD)는 한국지열에너지학회논문집.
(4) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 33. Fig. 2. Main components of the experimental system including heat pump unit, shallow pond, and slinky coils.. 호칭 용량 20 RT(70.4 kW)이며 10 RT(35.2 kW)급 압축기 2대를 이용한다. 히트펌프에 대한 국내 성능기 준 시험법(열원 5℃, 부하 순환수의 히트펌프 입구/출구 온도 40℃/44.4℃)에 따른 난방 정격 용량과 성능 (COPhp)은 각각 72.8 kW와 3.77이다. 참고로 냉방 정격 용량과 성능은 80.8 kW와 5.39다. 히트펌프는 온 수를 생산하여 탱크(1,500 liter)에 저장하였다가 난방 수요가 발생하면 팬코일유닛(FCU)에 온수를 공급한 다. 이때 탱크의 온수 설정 온도에 맞춰 가동(ON)과 정지(OFF)를 반복한다. 이번 실증에서는 41℃ 운전/ 45℃ 정지(43±2℃) 조건과 39℃ 운전/45℃ 정지(42±3℃)의 두 조건을 적용하였다. Fig. 2(b)는 이중 열원 중 연못을 보여준다. 대학 캠퍼스 조경을 위해 인공으로 조성한 연못(artificial pond) 이며, 바닥은 콘크리트로 마감되어 있다. 저심도 연못(깊이 1.0 m)이며 면적은 약 1,700 m2(체적 1,360 m3) 다. Fig. 2(c)는 슬린키 코일(slinky coil) 형상으로 성형(코일 직경 1 m, 피치 0.3 m, 파이프 전체 길이 150 m)한 지표수 열교환기를 연못에 설치하기 전 지상에 쌓아 둔 사진이며, Fig. 2(d)는 연못 바닥에 놓인 사 진이다. 지표수 열교환기 파이프 재질은 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이며 외경과 내경은 25 mm와 20.5 mm 다. 시스템 실증에 앞서 지표수 열교환기만의 성능을 검증하기 위해 총 10개의 코일을 설치하였다[15,16]. 하지만 이번 실험에서는 대상 건물 부하에 맞춰 5개만 이용하였다. 아울러 열교환기 코일 1개의 용량은 연 못 깊이와 면적, 대상 공간의 냉난방 부하 등을 프로그램[20]에 입력하여 산정하였다. 수직 지중열교환기는 직경 150 mm의 보어홀(borehole) 4개를 이용하였다. 이때 지표수 열교환기 용량(35 kW)과 최대한 같도록 깊이 150 m 보어홀 3개(31.5 kW)와 깊이 60 m 보어홀 1개(3.5 kW)를 이용하였다. 보어홀 안에는 단일 U관(single U-tube) 형상의 HDPE 파이프가 삽입되어 있다. 아울러 보어홀 내부는 벤 토나이트-실리카샌드 혼합 그라우트(열전도도 1.5 W/mK)로 채워져 있다. 보어홀은 Fig. 2(c)에서 코일을 쌓 아둔 위치 바로 아래에 약 5 m 간격으로 일렬로 배치되어 있다. 이를 기준으로 왼쪽에는 건물이, 오른쪽 에는 연못이 있다. 대상 건물과 연못 사이에 맨홀을 시공한 다음, 공급헤더(supply header)와 환수헤더(return header)를 각각 한 개씩 맨홀 내부에 설치하였다. 이 헤더에 열교환기 파이프를 모두 연결하였으며 열교환기 파이프마다 온도 센서, 유량계와 유량제어 밸브를 부착하였다. Table 1은 이중 열원의 용량 조합과 이에 해당하는 운 전 모드(Mode 1~Mode 4)를 정리한 것이다. 유량제어 밸브로 이중 열원의 조합비(조합 용량)를 조절하였 으며, 이때 Table 2의 ESTsw 조건을 적용하였다. Table 1에서 Mode 2(S60/V40)는 SWHE 60%(6 RT)와 VGHE 40%(4 RT)로 이중 열원을 조합하는 것을 의미한다. 이때 SWHE 코일은 3개를 그리고 VGHE는 150 m 보 Table 1. Operation modes of dual heat source heat exchanger and their capacity ratios of SWHE and VGHE Operation modes(name). Capacity ratios(RT) of SWHE and VGHE SWHE(pipe length, number of coils). VGHE(borehole composition). Mode 1(S100/V0). 10 RT(750 m, 5). - (-). Mode 2(S60/V40). 6 RT(450 m, 3). 4 RT(150 m 1 hole and 60 m 1 hole). Mode 3(S40/V60). 4 RT(300 m, 2). 6 RT(150 m 2 holes). Mode 4(S0/V100). - (-). 10 RT(150 m 3 holes and 60 m 1 hole) Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
(5) 34 임효재, 손병후 Table 2. Operation conditions with temperature ranges of hot water and ESTsw Operation conditions. Temperature ranges of hot water in tank. Measurement duration. OC-A (operation condition A). 43±2℃(41~45℃). Nov. 4, 2019~ Dec. 15, 2019. OC-B (operation condition B). 42±3℃(39~45℃). Dec. 16, 2019~ Jan. 5, 2020. OC-C (operation condition C). 42±3℃(39~45℃). Jan. 6, 2020~ Feb 29, 2020. Operation modes and ESTsw ranges Mode Mode Mode Mode. 1: 12℃≤ESTsw 2: 10℃≤ESTsw<12℃ 3: 8℃≤ESTsw<10℃ 4: ESTsw<8℃. Mode Mode Mode Mode. 1: 8℃≤ESTsw 2: 6℃≤ESTsw<8℃ 3: 4℃≤ESTsw<6℃ 4: ESTsw<4℃. 어홀 1개와 60 m 보어홀 1개를 조합한다. 이 조합에 따라 전체 유량의 60%를 SWHE 코일에 나머지 40% 를 VGHE에 보낸다. Table 2는 시스템 운전 조건(operation condition, OC)과 각 조건에 해당하는 온도 설정 값을 보여준다. 여 기서 OC-A와 OC-B는 탱크 온수 설정 값은 다르고 ESTsw에 따른 운전 모드 조건은 같다. 반면 OC-B와 OCC는 온수 설정 값은 같지만 ESTsw 조건은 다르다. 지중 순환수와 부하 순환수 펌프로 회전식 펌프(Wilo, PI15HU-1EH, 정격 소비전력 6.5 kW)를 이용하였 다. 파이프 동파 예방을 위해 부동액(물 83.5%-에틸알코올 16.5%)을 지중 순환수로 이용하였으며 부하 순 환수로는 물을 이용하였다. 2.2 데이터 측정과 분석. Fig. 3은 연못 바닥에 설치한 지표수 열교환기 파이프와 시스템 계통도다. 이 시스템을 2019년 11월 4일 부터 2020년 2월 29일까지 가동하면서 성능 데이터를 획득하였다. 난방 공간(240 m2)을 업무용 공간으로 간주하였으며 이에 따라 평일 아침 8시에서 오후 6시까지 1분 간격으로 데이터를 획득하였다. 그림에서 보 듯이 열원 측(source side)과 부하 측(load side)에서 순환수 온도(PT-100Ω)와 유량(Euromag Int., MUT-1222) 을 측정하였다. 아울러 전력 센서(CT)와 전력량 변환기(Hanyoung, WM3)로 히트펌프와 순환수 펌프의 소 비 전력을 측정하였다. 지중 순환수가 이중 열원(SWHE+VGHE)에서 추출하는 에너지(열량, QS)는 순환수의 유량과 히트펌프 입 ·출구 온도를 식 (1)에 대입하여 계산하였다. 한편 히트펌프의 난방 용량(QL)은 부하 순환수의 히트펌프 입 ·출구 온도와 유량을 식 (2)에 적용하여 계산하였다. (1) (2) 일반적으로 히트펌프 시스템의 냉난방 성능은 성능계수(COP)로 표현한다. 히트펌프의 난방 COP 계산 에 식 (3)을 그리고 전체 시스템의 난방 COP 계산에 식 (4)를 이용하였다. Table 3에 측정 센서의 오차와 성능 분석 결과의 불확실도(uncertainty) 계산[21] 결과를 정리하였다. (3) (4) 한국지열에너지학회논문집.
(6) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 35. Fig. 3. Slinky coils for SWHE and schematic diagram for experimental heat pump system [18]. Table 3. Parameters and uncertainties Parameters. Uncertainty. Temperature, T. Mass flow rate, m·. ±0.2℃ ±0.2%. Power consumption, W. ±3.0%. Instantaneous thermal loads, Q. ±1.67%. COPhp. ±3.43%. COPsys. ±4.56%. 3. 결과 및 고찰 3.1 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능. 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능은 열원 온도에 따라 좌우된다. Fig. 4는 전체 측정 기간 중 지 중 순환수와 연못 내부(pond) 그리고 외기(outdoor air)와 부하 순환수의 일평균 온도 변화를 보여준다. 1분 간격으로 측정한 전체 데이터를 그래프 하나에 모두 표시하면, 정성적 경향을 쉽게 볼 수 없기 때문에 Fig. 4처럼 일평균 결과를 이용하여 경향을 제시한 후, 특정일 또는 특정 주간의 변화를 분석하였다. 아울러 그 래프에서 데이터가 비어있는 부분은 데이터로거와 컴퓨터 사이의 통신이 끊기거나 건물 정전으로 데이터. Fig. 4. Daily average temperatures on source (EST) and load (LLT) sides of heat pump and pond water. Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
(7) 36 임효재, 손병후. Fig. 5. Daily average heating COP of heat pump unit and system over the entire measurement period.. 를 받지 못한 경우다. 측정 기간 중 최저 기온을 보인 날은 2020년 2월 6일(-7.8℃)이었다. 한편 2019년 12 월 6일은 운전조건-A(OC-A)에서 그리고 2019년 12월 31일은 운전조건-B(OC-B)에서 최저 기온을 보였다. Fig. 4에서 온도 수준을 보면, ESTv(9.6~15.2℃, 평균 11.8℃) > ESThp(7.9~13.0℃, 평균 10.3℃) > 연못 (Pond) 내부 온도(6.8~14.8℃, 평균 10.8℃) > ESTsw(5.9~11.7℃, 평균 8.0℃) 순서다. 한편 외기 온도는 –7.8 ℃~10.7℃(평균 1.1℃)이었다. 히트펌프가 생산한 온수 온도(LLThp)는 Table 2의 탱크 온수 설정 값에 따라 37.4~44.8℃(평균 43.7℃)에서 변하였다. 지열 시스템 설계 단계에서 난방 운전 중 ESThp 가 5℃ 이상 유지 되도록 지중열교환기 용량(사양)을 설계한다. 시간이 지나면서 연못 내부 온도와 ESTsw 는 외기의 영향을 받 아 내려갔지만, 히트펌프 열원으로서 비교적 높은 온도를 유지하였다. Fig. 5는 히트펌프와 시스템의 난방 COP 변화를 나타낸 결과다. 히트펌프의 난방 COP는 평균 4.0(3.7~4.9), 시스템은 평균 2.7(2.6~3.2)이었다. 시스템 난방 COP가 현장에서 요구하는 수준보다 낮은데, 이는 실제 필요한 용량보다 큰 지중 순환수 펌프를 이용했기 때문이다. 이에 대해서는 뒤에 다시 언급하 였다. 한편 최저 기온을 보인 주간(2020. 2. 3~2020. 2. 7)에도 히트펌프와 시스템의 난방 COP는 평균 4.0 과 2.7이었다. 참고로 선행 결과에 따르면 히트펌프와 시스템의 일평균 냉방 COP는 5.2와 2.8이었다[16,17]. 최저 기온을 보인 하루(2020년 2월 6일, -7.8℃)를 대표 일(day)로 특정한 후 성능을 분석하였다(Fig. 6). 그래프에서 보듯이, 시스템은 Table 2의 운전 조건 중 OC-C에 따라 가동과 정지를 주기적으로 반복하였 다. 열원 온도 변화를 보면, ESThp 는 7.4~8.5℃, ESTsw는 6.0~8.7℃, ESTv 는 10.1~11.3℃였다. 따라서 ESTsw 조건에 따라 시스템은 Mode 2(S60/V40)로 가동되었다. 한편 히트펌프는 탱크 설정 온도(42±3℃)를 맞추기 위해, 38.5~46.5℃의 온수를 탱크에 공급하였다. 시스템이 정상상태에서 가동 중일 때, 히트펌프 난방 용량 (QL)은 34.4~39.6 kW, 열원 용량(QS)은 25.6~29.8 kW이었다. 이때 히트펌프와 지중 순환수 펌프는 평균 9.5. Fig. 6. Heating operation characteristics of a heat pump system on the coldest day during entire measurement period. 한국지열에너지학회논문집.
(8) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 37. kW와 6.9 kW의 전력을 소비하였다. 아울러 히트펌프와 시스템의 난방 COP는 평균 3.94와 2.77이었다. 이 결과는 특정 주간(2020. 2. 3~2020. 2. 7)에 대한 결과(QL = 36.5 kW, QS = 27.2 kW, Whp = 9.3 kW, Wp = 6.9 kW)나 전체 결과[18]와 비슷하였다. 그림에서 지중 순환수 펌프의 전력 소비량이 매우 큰데, 이는 선행 논 문[16-18]에서도 기술하였듯이 개별 열교환기의 유량을 모두 감당할 수 있는 펌프를 설치했기 때문이다. 따 라서 지중 순환수 펌프는 ASHRAE[2] 기준보다 전력을 더 많이 소비하였다. 3.2 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 운전 특성. Fig. 7과 Fig. 8은 운전 조건별 측정 기간에서 최저 기온을 보인 날의 운전 특성을 보여준다. 여기서 Fig. 7은 온도 변화를 그리고 Fig. 8은 용량(또는 열량)과 유량 변화를 나타낸 결과다. 시스템 운전 특성을 자세 하게 보기 위해, 하루 데이터 중 시스템이 가동 중일 때의 특정 시간대 데이터만 선별하였다. 이는 Fig. 6 에서 보듯이 하루 동안의 운전 특성은 주기 운전이 반복되기 때문이다. 두 그래프에서 보듯이 운전조건A(OC-A)와 운전조건-B(OC-B)에서는 수직 지중열교환기(Mode 4, S0/V100)만 가동되었다. 이는 ESTsw 가 8.0℃보다 낮아, Table 2의 조건에 따라 지표수 열교환기를 이용하지 않았기 때문이다. 따라서 열원 열량(QS) 은 모두 수직 지중열교환기가 추출한 열량이다. 이번 실험은 지표수의 활용 가능성을 보는 것이기 때문에 OC-A와 OC-B의 ESTsw 범위가 높다고 판단하였다. 따라서 OC-C 기간에는 수정한 ESTsw 범위를 적용하였 다. 이에 따라 Fig. 7(c)와 Fig. 8(c)에서 보듯이 Mode 2(S60/V40)로 운전되는 결과를 보였다. 한편 수직 지 중열교환기의 유량은 운전 모드에 상관없이 일정하게 유지된 반면, 지표수 열교환기의 유량은 불안정한 결 과를 보인 시간대도 있었다. 이는 두 열교환기에서 발생하는 압력차이가 서로 달라, 수직 지중열교환기의. Fig. 7. Temperature variations on source (EST) and load (LLT) sides with different operation conditions.. Fig. 8. Capacity and flow rate variations with different operation conditions. Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
(9) 38 임효재, 손병후. Fig. 9. Representative operation modes for different operation conditions.. 유량이 지표수 열교환기 유량에 영향을 미치는 것으로 유추하였다. 전체적으로 시스템은 실내 난방 수요가 발생하거나 탱크 온수 온도가 하한 값에 도달하면, ① 지중 순 환수 펌프 운전, ② ESTsw 온도에 따라 유량 조절밸브로 유량 설정, 즉 운전 모드 결정, ③ 히트펌프 가동 (지중 순환수 펌프 가동 후 3~4분 뒤), ④ 탱크 온수 온도가 상한 값에 도달하면 히트펌프 정지, ⑤ 히트 펌프 정지 후 1~2분 뒤 지중 순환수 펌프 정지 순서로 운전되었다. 시스템 가동 시간이 전력 소비량과 난 방 성능에 영향을 미치기 때문에, 이에 대한 연구가 더 필요하다. Fig. 9는 개별 운전 조건에서 이중 열원 히트펌프 시스템의 대표적인 운전 특성(모드)을 보여준다. Fig. 9(a)에서 보듯이 운전조건-A(OC-A, 2019. 11. 4~2019. 12. 15)의 초반에는 Mode 1(S100/V00) 조합으로 운 전을 시작하다가 ESTsw가 내려가면서 Mode 2(S60/V40)로 전환되는 양상을 보였다. 하지만 이러한 결과는 실험 시작 초반인 11월 초에 잠깐 나타났으며, 11월 중순부터 연못 내부 온도와 ESTsw가 내려감에 따라 대 부분 Mode 3와 Mode 4를 번갈아 가면서 운전되었다. OC-B를 적용한 기간(2019.12.16.~2020.1.5.)에는 ESTsw 가 6~8℃이었기 때문에 주로 Mode 4로 운전되었다(Fig. 9(b)). 한편 OC-B 적용 기간(2020.1.6~2020.2.29)의 ESTsw 역시 6~8℃이었지만, 설정 조건에 따라 Mode 2로 운전되었다(Fig. 9(c)). Fig. 10은 히트펌프와 시스템 COP를 운전 조건별로 구분하여 나타낸 그래프다. 운전 조건에 따라 작동 주기만 차이를 보였을 뿐, 히트펌프와 시스템의 난방 COP 변화 경향은 유사하였다. 다만, OC-A 적용 기 간과 비교했을 때 OC-B 적용 기간(2019. 12. 16~2020. 1. 5)에는 수직 지중열교환기만 이용(Mode 4)하면 서 히트펌프 운전 조건인 탱크 조건이 다르기 때문에, 성능이 다소 높았다. 한편 OC-C와 OC-B를 비교하 면 히트펌프 가동-정지 조건은 같지만, ESTsw 조건은 OC-C에서 더 낮기 때문에 즉 열원 온도가 낮기 때문 에 성능이 다소 떨어지는 것을 볼 수 있다.. Fig. 10. Heating COP of heat pump and system with different operation conditions. 한국지열에너지학회논문집.
(10) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 39. Fig. 11. Capacity, power consumption, and heating COP of heat pump with EST.. Fig. 11은 시스템의 난방 운전 특성과 성능을 ESThp 의 함수로 나타낸 그래프다. 히트펌프가 설계 용량대 로 운전되었는지 확인하기 위해 제조사의 성능데이터(performance data)도 함께 표시하였다. 통상 난방 운 전에서는 열원 온도가 상승하면 성능도 상승하며, 냉방 운전에서는 반대다. 히트펌프 가동 중 정상상태에 서 측정한 난방 용량과 성능은 제조사 데이터와 ±15% 안에서 일치하였다. 아울러 히트펌프 압축기의 전 력 소비량은 ±10% 안에서 일치하였다. 여기서 일치 범위를 벗어나는 값들은 시스템이 정상상태가 아닌 경 우, 즉 히트펌프 가동 전후 순환수 펌프만 가동될 때 측정된 값들이다.. 4. 결 론 이번 연구는 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성을 분석하였다. 이를 위해 선행 연구 에서 언급한 시스템[18]을 이용하여 2019년 11월부터 2020년 2월까지 성능 데이터를 측정하였다. 또 시스 템 운전 조건과 이중 열원의 용량 조합비를 달리하였을 때 시스템 운전 특성을 고찰하였다. 결론은 다음 과 같다. (1) 실증 기간 중 열원 측 온도 수준은 ESTv > ESThp > 연못 바닥 > ESTsw 순서였다. 히트펌프가 생산한 온수 온도(LLThp)는 탱크 온수 설정 값에 따라 37.4℃~44.8℃(평균 43.7℃) 사이에서 변하였다. (2) 히트펌프의 난방 COP는 평균 4.0(3.7~4.9), 시스템은 평균 2.7(2.6~3.2)이었다. 아울러 최저 기온을 보 인 주간(2020. 2. 3~2020. 2. 7)에도 히트펌프와 시스템의 난방 COP는 평균 4.0과 2.7이었다. (3) 시스템은 운전 조건, 즉 탱크의 온수 설정 온도에 따라 가동-정지 운전을 주기적으로 반복하였다. 아 울러 ESTsw 조건에 따라 Mode 1에서 Mode 4 운전까지 여러 모드로 운전되었다. (4) 실증 기간 중 최저 기온을 보인 날 히트펌프 난방 용량은 34.4~39.6 kW, 이중열원 용량은 25.6~29.8 kW 사이에서 변하였다. 또 히트펌프와 지중 순환수 펌프는 평균 9.5 kW와 6.9 kW의 전력을 소비하였다. 한 편 전체 기간에서는 히트펌프의 난방 용량은 평균 37.3 kW, 열원 용량은 평균 27.9 kW이었다. (5) 실증 기간 중 시스템의 난방 COP 변화 경향은 유사하였다. 하지만 수직 지중열교환기만 이용(Mode 4)하면서 부하 조건이 낮은 경우(42±3℃)인 운전조건-B의 성능이 다른 두 조건일 때보다 다소 높았다. 아 울러 운전조건-C와 B를 비교했을 때, OC-C에서 열원의 온도가 낮기 때문에 성능이 다소 낮았다. (6) 정상상태에서 측정한 히트펌프의 난방 용량과 성능은 히트펌프 제조사 데이터와 ±15% 안에서 일치 하였다. 아울러 히트펌프의 전력 소비량은 ±10% 안에서 일치하였다. (7) 실증을 통해 이중 열원 히트펌프 시스템의 국내 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 하지만 시스템 운 Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
(11) 40 임효재, 손병후 전 중 연못 바닥 한 지점에서 온도를 측정했기 때문에, 연못 깊이별 그리고 위치별 온도 변화 특성을 파 악할 수는 없었다. 연못 깊이와 계절별 온도 변화 등에 따라 연못의 활용 범위가 달라질 수 있기 때문에, 실 험이나 시뮬레이션을 통해 더 분석할 필요가 있다. 마지막으로 이중 열원 시스템을 보급하기 위해 설계와 시공절차, 시스템 제어 방법 등을 개발할 필요가 있다.. 후 기 이번 논문은 과학기술정보통신부의 2020년도 재원으로 한국건설기술연구원 주요사업(20200057)에서 수 행한 결과입니다. 아울러 논문의 일부 내용은 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행한 연구(20143030110010) 결과입니다.. References 1. Cabeza, L., and Chafer, M., 2020, Technological options and strategies towards zero energy buildings contributing to climate change mitigation: A systematic review, Energy and Buildings, Vol. 219, pp. 1-46. 2. Kavanaugh, S. and Rafferty, K., 2014, Geothermal Heating and Cooling: Design of Ground-Source Heat Pump Systems, ASHRAE, Atlanta. 3. Javadi, H., Ajarostaghi, S., Rosen, M. A., and Pourfallah, M., 2019, Performance of ground heat exchangers: A comprehensive review of recent advances, Energy, Vol. 178, pp. 207-233. 4. Lund, J. W., and Toth, A. N., 2021, Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review, Geothermics, Vol. 90, 101915. 5. Korea Energy Agency, 2021, New & Renewable Energy Statistics 2020(2019 Edition), pp. 34-37. 6. Mitchell, M., and Spitler, J., 2014, Open-loop direct surface water cooling and surface water heat pump systemsA review, HVAC&R Research, Vol. 19, pp. 125-140. 7. Hattemer, B., and Kavanaugh, S., 2005, Design temperature data for surface water heating and cooling systems, ASHRAE Transactions, Vol. 111, pp. 695-701. 8. Chiasson, A., Spitler, J., Rees, S., and Smith, M., 2000, A model for simulating the performance of shallow pond as a supplemental heat rejecter with closed-loop ground-source heat pump systems, ASHRAE Transactions, Vol. 106, pp. 107-121. 9. Do, S. L., and Haberl, J., 2016, Development and verification of a custom-built ground heat exchanger model for a case study building, Energy and Buildings, Vol. 119, pp. 242-255. 10. Lv, N., Zhang, Q., Chen, Z., and Wu, D., 2017, Simulation and analysis on the thermodynamic performance of surface water source heat pump system, Building Simulation, Vol. 10, pp. 65-73. 11. Zou, S., and Xie, X., 2017, Simplified model for coefficient of performance calculation of surface water source heat pump, Applied Thermal Engineering, Vol. 112, pp. 201-207. 12. Chen, X., Zhang, G., Peng, J., Lin, X., and Liu, T., 2006, The performance of an open-loop lake water heat pump system in south China, Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp. 2255-2261. 13. Schibuola, H. and Scarpa, M., 2016, Experimental analysis of the performances of a surface water source heat pump, Energy and Buildings, Vol. 113, pp. 182-188. 14. Luo, J., Luo, Z., Xie, J., Xia, D., Huang, W., Shao, H., Xiang, W., and Rohn, J., 2018, Investigation of shallow geothermal potentials for different types of ground source heat pump systems (GSHP) of Wuhan city in China, Renewable Energy, Vol. 118, pp. 230-244. 15. Sohn, B., 2016, Preliminary analysis on design parameters and application effects of surface water heat exchanger (SWHE), Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 24-32. 16. Lim, H. J., Kong, H. J., and Sohn, B. 2017, Cooling performance of geothermal heat pump using surface water heat exchanger, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 29, No. 6, pp. 316-326. 한국지열에너지학회논문집.
(12) 이중 열원 히트펌프 시스템의 난방 성능과 운전 특성 41. 17. Sohn, B., 2018, Cooling performance analysis of ground-source heat pump (GSHP) system with hybrid ground heat exchanger (HGHE), Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 43-52. 18. Sohn, B., 2020, Heating performance analysis of ground-source heat pump (GSHP) system using hybrid ground heat exchanger (HGHE), Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 16, No. 3, pp. 8-16. 19. DesignBuilder, 2019, DesignBuilder V6 Simulation Documentation, DesignBuilder Software Ltd. 20. Gaia Geothermal, 2017, Ground Loop Design (GLD) Manual, Gaia Geothermal. 21. Kline, S. J., 1985, The purpose of uncertainty analysis, J. Fluids Engineering, Vol. 107, pp. 153-160.. Korea Society of Geothermal Energy Engineers.
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