수평형 지열 히트펌프 시스템의 냉난방 성능 분석
손 병 후†
한국건설기술연구원 그린빌딩연구실
Performance Analysis of Ground-Coupled Heat Pump System with Slinky-Type Horizontal Ground Heat Exchanger
Byonghu Sohn
†Green Building Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Goyang 411-712, Korea (Received October 14, 2011; revision received December 8, 2011)
ABSTRACT: Ground-coupled heat pump (GCHP) systems utilize the immense renewable storage capacity of the ground as a heat source or sink to provide space heating, cooling, and domestic hot water. The main objective of the present study is to investigate the cooling and heating performance of a small scale GCHP system with horizontal ground heat exchanger (HGHE). In order to evaluate the performance, a water-to-air ground-source heat pump unit connected to a test room with a net floor area of 18.4 m2 and a volume of 64.4 m3 in the Korea Institute of Construction Technology (37°39ʼN, 126°48ʼE) was designed and constructed. This GCHP system mainly consisted of slinky-type HGHE with a total length of 400 m, indoor heat pump, and measuring devices. The peak cooling and heating loads of the test room were 5.07 kW and 4.12 kW, respectively. The experimental results were obtained from March 15, 2011 to August 31, 2011 and the performance coefficients of the system were determined from the measured data. The overall seasonal performance factor (SPF) for cooling was 3.31 while the system delivered heating at a daily average performance coefficients of 2.82.
Key words: Ground-coupled heat pump(지열 히트펌프), Horizontal ground heat exchanger(수평형 지중열교환기), Cooling and heating(냉난방), Seasonal performance factor(SPF, 계간성 능계수), COP(성능계수)
†Corresponding author
Tel.: +82-31-910-0495; fax: +82-31-910-0246 E-mail address:
[email protected]
기 호 설 명
C
p: 비열 [J/kgK]
EWT : 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도 [℃]
I : 전류 [A]
LWT : 지중 순환수의 히트펌프 출구 온도 [℃]
: 지중 순환수 유량 [kg/s]
Q : 열전달률 [W] 또는 에너지 전달량 [Wh]
V : 전압 [V]
W : 순간 소비 전력 [W] 또는 전력량 [Wh]
하첨자
c : 냉방 h : 난방 hp : 히트펌프
p : 지중 순환수 펌프
w : 지중 순환수
1. 서 론
지중 토양을 열원과 히트싱크(heat sink)로 이용 하는 지열 히트펌프(ground-coupled heat pump) 시스템은 지중열교환기 형상에 따라 수직형과 수평형 으로 구분된다. 수평형 시스템의 시공비용은 수직 형에 비해 상대적으로 적게 들기 때문에 초기 투자 비 절감 면에서 장점이 있다. 따라서 학교, 중대형 상업용 또는 공공기관 건물 등에서 운동장이나 주 차장과 같이 부지가 충분할 경우 경제적인 시스템 이다. 반면 지중열교환기 파이프가 1.5～3 m 깊이 로 굴착된 트렌치(trench)에 매설되기 때문에 효율 은 수직형보다 다소 낮지만 타 열원을 연계할 경우 충분히 극복할 수 있다.
수평형 지중열교환기와 이를 적용한 지열 히트펌프 시스템의 성능은 다양한 인자에 의해 영향을 받는 다. 대상 건물의 냉난방 부하․연간 지중온도 변화․
토양 열물성․지중열교환기 순환수와 주변 토양 간 의 열전달․토양 수분함량(water content)․지표면 상태 등을 들 수 있다.
Tarnawski et al.
(1)은 최대 냉난방 부하가 각각 3.3 kW와 5.5 kW인 일본의 전형적인 단독주택(200
㎡)에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석 하였다. 이를 위해 해당 지역의 기상 데이터와 지중 온도 등을 적용하여 수평형 지중열교환기의 연간 성능변화를 분석하였다. 아울러 수평형 지중열교환 기의 길이가 증가함에 따라 시스템의 냉난방 성능 이 증가하는 것을 확인하였다.
Benli and Durmus
(2)는 수평형 지중열교환기를 채택한 시설원예용 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 정상상태 에너지 해석을 통해 시스템 과 지중열교환기의 성능을 분석하고 그 결과를 제 시하였다. 또한 Esen et al.
(3)은 수평형 지중열교환 기 매설 깊이가 시스템의 냉난방 성능 변화에 미치 는 영향을 실험을 통해 규명하였다. 아울러 측정 결과 를 이용하여 엑서지(exergy) 해석을 수행한 후, 성 능 향상을 위해 개선이 필요한 부분도 제시하였다.
지금까지 국내에서는 주로 수직형 지열 히트펌프 시스템에 대한 연구 결과들이 발표되었다. 수직형 지중열교환기를 적용한 소용량 시스템의 성능을 실 험
(4)이나 해석적으로 분석한 연구
(5)가 있었으며, 이 와 관련하여 현장 열응답 시험을 통한 수직형 지중 열교환기의 성능 분석 연구
(6)도 있었다. Lee et al.
(7)은 수직 밀폐형 지중열교환기의 순환수 유량이 히트펌
프의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였 다. 또한 지열원 멀티 히트펌프(multi-heat pump) 를 시설원예에 설치하고 난방성능을 분석한 연구
(8)도 수행되었다. 최근 수평형 지중열교환기의 트렌치 뒤채움재인 모래-물 혼합물의 열물성 측정과 관련 한 연구
(9)도 수행되었다. 이외에도 다양한 연구 결 과들이 발표되었지만, 주거용이나 비주거용 건물에 수평형 지열 히트펌프 시스템을 설치한 후, 이에 대 한 성능을 분석한 결과는 전무한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 수평형 지중열교환기를 적 용한 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘수평형 지열 히트 펌프 시스템’)을 대상으로 성능 분석에 필요한 데이 터를 측정한 후, 시스템의 냉난방 성능을 분석하였 다. 본 결과는 향후 수평형 지열 히트펌프 시스템의 국내 적용 가능성을 판단하고 이와 유사한 시스템 을 보급하는 데 기초 자료로 활용할 수 있을 것으 로 판단된다.
2. 시스템 구성과 실험 방법
Fig. 1은 수평형 지중열교환기를 적용한 소형 시스 템의 구성도를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이, 대상 건물․수평형 지중열교환기(horizontal ground heat exchanger, HGHE)․물-공기 히트펌프(water-to-air heat pump)․지중 순환수 펌프․각종 계측장비와 데이터 획득 장비 등으로 시스템을 구성하였다.
한국건설기술연구원(37°39ʼN, 126°48ʼE)내 부지에 면적 18.4 ㎡와 체적 64.4 ㎥의 대상 건물(시험 공간) 을 시공하였다. 제한된 부지 때문에 비교적 작은 건물 을 시공하였지만, 성능 분석에 필요한 냉난방 부하 (또는 지중 부하)를 최대한 구현하고 동시에 온실 을 모사하기 위해 대상 건물의 외벽을 두께 10 mm 의 강화유리로 하였다.
Fig. 2는 대상 건물의 냉난방 부하와 지중열교환
기 길이 계산에 필요한 외기 온도와 깊이별 지중온
도 변화를 기상청 데이터를 이용하여 도시한 것이
다. 대상 건물의 최대 부하가 걸리는 설계일(design
day)은 각각 8월 16일(냉방)과 12월 31일(난방)이었
으며 설계 온도로 -11.3℃(난방)와 31.2℃(냉방)를
적용하였다. 모든 정보를 입력하여 최대 냉난방 부하
를 계산한 결과 각각 5.07 kW와 4.12 kW였다. 부하
계산 시 시스템은 오전 8시부터 오후 8시까지 12시
간 운전되는 것으로 가정하였으며, 실제 실험에서
도 이를 적용하였다.
50 m
2.0 m
A B
Cross section A
2.0 m
1.5 m B: Pipe connection
Pump
1 Horizontal ground heat exchanger (HGHE) Water-to-air heat pump
Data acquisition and control pannel 2
4
3 Test room
T T-type thermocouple
T 1
T T
In-situ soil Backfillings HDPE pipe Soil thermal properties
T
T
to ground
2 Expan-
sion tank
Ground surface 2
3
4
Point-1 Point-2 Point-3
(a) System layout
(b) Heat pump
(c) HGHE Fig. 1 Schematics of experimental setup and photos of heat pump and ground heat exchanger.
Fig. 2 Ambient air and ground temperatures.
수평형 지중열교환기 설계를 위해, IGSHPA
(10)가 제안한 방법을 적용하였다. 이 방법은 설계 조건에 서 히트펌프의 용량(capacity)과 성능계수(COP)․
파이프와 토양의 열저항․시스템 운전율․히트펌 프 입구에서 지중 순환수의 최고/최저 온도․지중 온도 등을 이용하여 길이를 산정한다. Sohn
(11)은 기 상청이 제공하는 일부지역의 깊이별 지중온도 데이 터를 Kusuda and Achenbach
(12)의 상관식으로 계 산한 결과와 비교하였으며, 깊이 1.5 m 이하의 측정
값과 계산 결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다. 따 라서 파이프 매설 깊이인 2 m지점의 연 평균 지중 온도 산정을 위해 기존 상관식을 이용하였다.
지중열교환기 설치 중, 트렌치 바닥부터 미사식양토 (Sandy-clay-loam), 식양토(Clay-loam) 그리고 사양토 (Sandy-loam)의 3개의 토양층(soil layer)이 존재함을 육안으로 확인하였다. 일반적으로 지표면에서 지중 5～6 m 사이의 토양(흙)은 모래(sand)․실트(silt, 또는 미사)․점토(clay)를 주성분으로 하여 기타 유 기물 등으로 구성된다. 이때 열전도도를 포함한 토 양 열물성은 조성비에 따라 차이를 보인다. 본 연구 에서는 지식경제부(신․재생에너지센터) 지침
(13)에 따라 Fig. 1에 표시한 3지점에서 트렌치 바닥을 기 준으로 약 15 cm 높이에서 각각 5회 측정한 결과를 평균하여 적용하였다. 측정 결과, 토양의 평균 열전 도도와 열확산계수는 각각 1.74 W/mK과 0.048 ㎡ /day이었다.
수평형 지중열교환기를 매설하기 위한 트렌치의 폭과 깊이는 각각 1.5 m와 2.0 m이며, 길이는 50 m 다. 이 트렌치에 호칭 직경 25 mm와 길이 400 m의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 파이를 코일(coil) 형상 (직경 1.4 m, 피치 0.5 m)으로 매설하였다. 이때 건 축용 강모래를 트렌치 바닥에서 10 cm까지 골고루 깐 후 파이프를 올려놓고, 이 상태에서 다시 20 cm 높이까지 동일한 재료를 채웠다. 마지막으로 원 토 양을 되메우고 다졌다.
지중 순환수는 정격출력 250 W, 소비전력 330 W의
펌프(PB-S250MA, WILO)에 의해 지중열교환기와
Table 1 Parameters and uncertainties Parameters Uncertainties
Temperature, T ±0.2℃
Indoor and outdoor
temperature, T ±0.3℃
Power, W ±3.0%
Water/antifreeze solution
flow rate,
±2.0%
Heat transfer rate of the
ground heat exchanger, Q ±2.84%～±5.92%
Cooling COP or SPF ±4.13%
Heating COP or SPF ±6.64%
히트펌프의 물-냉매 열교환기 사이에서 순환한다.
이때 물(90%)과 메탄올(10%)을 혼합하여 지중 순 환수로 사용하였다. 지중 순환수 유량은 히트펌프 제조사가 권장하는 유량인 0.3 l/s로 설정하였으며, 체적유량계(RFA rotor flowmeter, GEMS Sensors) 를 이용하여 유량을 측정하였다.
히트펌프(Envision NC18, WaterFurnace)는 물- 공기 방식으로 R-410A를 냉매로 사용하며, 냉난방 정격용량은 각각 4.9 kW와 3.9 kW다. 지중 순환수와 냉매간의 열 교환이 발생하는 물-냉매 열교환기는 2중관 형식이이며, 부하측 냉매-공기 열교환기는 동 관의 외면에 알루미늄 휜(fin)이 부착되어 있다.
온도 측정을 위해 T-type 열전대를 사용하였으며 실내외 온습도 측정을 위해 디지털 온습도계(TR- 72S, T&D corporation)를 사용하였다. 적산 전력계 (MX2040, Tektronix)를 이용하여 시스템의 소비전 력을 측정하였으며, 히트펌프만의 소비 전력 측정 을 위해 별도의 전력계(Powermeter, AOIP)를 설치 하였다.
온도, 소비 전력 그리고 지중 순환수 유량 등의 데이터를 10분 간격으로 측정한 후 데이터 획득 시 스템에 기록하였다. Kline
(14)이 제안한 방법에 따라 측정 결과에 영향을 미치는 데이터와 변수의 편차 들을 조합하여 실험결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였으며, 결과를 Table 1에 정리하였다.
3. 데이터 해석
냉방 사이클에서 지열 히트펌프 시스템이 지중으 로 방출한 에너지의 총량은 지중열교환기의 에너지 방출량과 시스템 소비 전력의 총합이다. 반면, 난방 사이클에서는 지중에서 추출한 에너지와 시스템 소비
전력을 실내로 전달한다. 여기서 히트펌프와 지중 순환수 펌프의 소비 전력은 다음과 같이 계산된다.
(1)
(2)
냉난방 사이클에서 지중열교환기의 열전달량은 각각 다음과 같이 계산된다.
(3)
(4)
지열 히트펌프 시스템의 냉난방 성능계수는 각각 다음과 같이 계산된다.
≈
(5)
≈
(6)
식(5)와 식(6)에서
와
는 각각 냉방용량과 난 방용량을 의미한다. 또한 운전시간까지 고려한 계 간성능계수(SPF)는 다음 식으로 계산된다.
(7)
4. 결과 및 고찰
4.1 지중 순환수와 지중 온도 변화
Fig. 3은 전체 측정기간(2011년 3월 17일～2011
년 8월 31일) 동안 수평형 지중열교환기의 출구(히
트펌프 입구, EWT)와 입구(히트펌프 출구, LWT)
온도 그리고 트렌치 바닥의 온도(깊이 2 m 지점)
변화를 나타낸 것이다. 측정 기간 중 히트펌프 입구
에서 지중열교환기 순환수의 최고․최저 온도는 각
각 29.46℃와 14.35℃였으며, 이 값들은 설계 EWT
범위인 5℃(난방)와 30℃(냉방) 사이에 있음을 확인
할 수 있었다. 본 시스템은, 앞서도 설명하였듯이,
하루 중 오전 8시부터 오후 8시까지 12시간 운전되
도록 설정하였다. 동시에 시스템은 설계 실내 온도
Fig. 3 Measured hourly temperature variation of EWT, LWT, and subsurface.
(a) March
(b) April
Fig. 4 Measured variation of EWT, LWT, and subsurface temperatures in heating season.
(냉방 26℃, 난방 22℃)에 따라 운전과 정지가 반복 된다. 따라서 시스템 가동 중 지중 순환수 온도와 지중온도 변화 등은 시스템 정지 상태에서의 변화 와 다른 경향을 보였다. 이에 대해서는 다음에 상세 히 기술하였다.
4.2 시스템 난방 성능 분석
Fig. 4는 3월과 4월 측정 결과 중 대표적인 난방 주간에 대하여, 지중 순환수와 지중 온도 변화를 나 타낸 것이다. 시스템이 24시간 연속 운전될 경우 EWT와 지중온도는 지속적으로 감소할 것으로 예 상되나, 그림에서 보듯이 12시간 주기와 실내 설정 온도에 따라 운전과 정지를 반복하였기 때문에 이 에 상응하여 온도가 변함을 볼 수 있다. 또한 3월과
4월 결과를 비교했을 때, 난방부하가 상대적으로 큰 3월의 온도 변화폭이 4월보다 크게 나타남을 확인 할 수 있다.
Fig. 5는 난방 측정 기간 중 부하가 비교적 크게 걸리는 일(3월 24일～3월 26일)에 대하여 각종 온 도 변화와 지중열교환기의 단위길이당 열전달 성능 (heat extraction rate, W/m) 그리고 히트펌프와 전 체 시스템의 COP, 소비전력 변화 등을 나타낸 것이 다. 지중열교환기의 열전달 성능과 EWT는 시간대 별 부하 변동에 대응하면서 변하고 있음을 볼 수 있다. 특히 3월 24일 결과를 보면, 난방 부하가 증 가함에 따라 EWT는 지속적으로 감소하였다. 이는 다시 히트펌프 출구 온도(LWT) 감소로 이어졌으며, 이에 따라 지중온도도 지속적으로 감소하였다. 아 울러 난방부하가 감소하다 일정한 경우(3월 25일) 나 감소하다 다시 증가하는 경우(3월 26일)에도 이 에 상응하여 각종 온도가 변하는 것을 볼 수 있다.
또한 시스템이 정지했을 때 지중온도의 회복 특성 은 양호한 것으로 파악되었다.
측정 기간 중 난방부하가 가장 큰 3월 25일 결과 에서 평균 EWT와 LWT는 각각 14.56℃와 13.12℃
였다. 이때 지중열교환기의 열전달률과 시스템 소 비전력의 일평균 값은 5.24 W/m와 1.05 kWh였으 며, 히트펌프와 시스템 COP의 일평균 값은 3.53과 2.79이었다. 시스템 COP는 히트펌프 COP의 약 79.0%
로, 다소 큰 용량의 지중 순환수 펌프가 설치된 것으 로 판단된다. 나머지 3월 24일과 3월 26일 결과도 이와 유사하였다.
Fig. 6은 시간대별 측정 결과를 평균하여 일별로
(a) Temperature and heat extraction rate (b) COP, load, and power consumption Fig. 5 Performance characteristics of the system from Mar. 24, 2011 to Mar. 26, 2011.
(a) Temperature and heat extraction (b) COP and power consumption Fig. 6 Variation of daily average values in heating season.
나타낸 것이다. 전체 난방 측정 기간 중 지중 순환 수의 온도차(EWT-LWT)는 평균 1.19℃였다. 아울러 지중열교환기의 에너지 추출량은 평균 1.74 kWh였 으며, 이 에너지와 평균 소비전력인 0.96 kWh를 실 내로 공급한 것으로 분석되었다. 또한 시스템과 히 트펌프의 평균 COP는 2.82(최고 3.01/최저 2.59)와 3.78(최고 3.95/최저 3.52)로 계산되었다. 여기서 최고․
최저값은 일평균 값들 중 가장 큰 값과 작은 값을 의미한다.
4.3 시스템 냉방 성능 분석
Fig. 7은 전체 측정 기간 중, 6월과 8월의 대표적 인 냉방 주간에 대하여 지중열교환기 순환수의 온
도와 지중온도 변화를 시간대별로 나타낸 것이다.
앞서도 기술하였듯이, 본 시스템은 12시간 주기와 이 주기 안에서도 냉방부하(실내 설정 온도)에 따 라 운전과 정지를 반복하도록 설정되었다. 따라서 이에 상응하여 지중 순환수의 히트펌프 입․출구 온도와 지중온도가 변하는 것을 볼 수 있다. 아울러 6월과 8월의 측정 결과를 비교했을 때 냉방부하가 상대적으로 큰 8월의 온도 변화폭이 6월의 온도 변 화폭보다 컸으며, 또한 6월에서 8월로 시간이 경과 함에 따라 일별 최고 EWT는 다소 증가하는 경향 을 보였다. 이에 대해서는 제 4.4절에 기술하였다.
Fig. 8은 냉방부하가 최대로 걸리는 8월 16일을 기준으로 3일 동안의 측정 결과를 도시한 것이다.
각종 온도 변화와 지중열교환기의 단위 길이당 열
(a) June
(b) August
Fig. 7 Measured variation of EWT, LWT, and subsurface temperatures in cooling season.
(a) Temperature and heat injection rate (b) SPF, load, and power consumption Fig. 8 Performance characteristics of the system from Aug. 15, 2011 to Aug. 17, 2011.
전달 성능(heat injection rate), 그리고 히트펌프와 전체 시스템의 SPF, 소비전력량 변화 등을 나타내 었다. 난방 측정 결과와 마찬가지로 지중열교환기 의 열전달 성능과 EWT는 시간대별 부하 변동에 대응하면서 변하는 것을 볼 수 있다.
특히 8월 16일 결과를 보면, 하루 중 냉방 부하는 지속적으로 증가하다 오후 4시를 기점으로 감소한 다. 따라서 EWT 역시 지속적으로 증가하다 다시 감소하는 경향을 보였다. EWT의 증가는 히트펌프 출구 온도(LWT), 즉 지중열교환기 입구 온도의 증 가로 이어졌으며 이에 따라 지중온도도 증가하였 다. 설계 일을 기준으로 나머지 일(8월 15일과 8월 17일)에서도 지중 순환수의 온도는 건물 부하 변동 에 상응하여 변하였다. 또한 시스템이 정지했을 때,
지중온도의 회복 특성은 양호하였다.
측정 기간 중 냉방부하가 가장 큰 8월 16일 결과
에서 평균 EWT는 27.09℃(최고 29.46℃/최저 22.0
8℃)였다. 이때 지중열교환기의 단위 길이당 열전달
률과 시스템 소비전력량의 일평균 값은 13.71 W/m와
1.40 kWh였다. 히트펌프와 시스템 SPF의 일평균
값은 3.52와 2.93이었며, 시스템 SPF는 히트펌프 SPF
의 약 83.2%까지 감소하였다. 난방결과와 비교했을 때,
시스템 SPF의 변화폭(2.69～3.53, 난방 2.77～2.81)
은 상대적으로 컸으며, 히트펌프의 SPF 대비 감소
율(난방 79.0%)은 작았다. 다소 큰 용량의 지중 순
환수 펌프가 설치된 상황에서, 난방에 비해 히트펌
프와 지중 순환수 펌프의 운전 시간이 길었기 때문
인 것으로 판단된다.
(a) Temperature and heat injection (b) SPF and power consumption Fig. 9 Variation of daily average values in cooling season.
(a) Heating season (b) Cooling season
Fig. 10 Variation of maximum and minimum values in the horizontal ground heat exchanger.
Fig. 9는 시간대별 측정 결과를 평균하여 일별로 나타낸 것이다. 냉방 측정 기간 중, 히트펌프와 시스 템의 평균 SPF는 4.39(최고 5.56/최저 3.52)와 3.31 (최고 3.79/최저 2.93)인 것으로 분석되었다. 이때 지 중 순환수의 온도차(LWT-EWT)는 평균 2.66℃(최 고 3.78℃/최저 2.07℃)였다. 지중열교환기가 지중으 로 방출한 에너지는 평균 3.87 kWh(최고 5.48 kWh/
최저 3.0 kWh)였으며, 시스템은 평균 0.90 kWh의 에너지를 소비하였다.
4.4 수평형 지중열교환기의 성능 특성
수평형 지중열교환기의 성능 특성을 전체적으로 조망하기 위해, 히트펌프 입․출구에서 지중 순환
수의 최고․최저 온도와 열전달량 등을 Fig. 10에 나타내었다. 각각의 값들은 일별 측정 결과 중 가장 큰 값과 작은 값을 의미한다. 따라서 이 범위 안에 서 지중열교환기가 운전되었다.
지중열교환기의 성능을 고찰할 때, 난방에서는 최저 EWT 변화가 관심 대상이다. 반면 냉방에서는 최고 EWT를 주로 본다. 난방 측정 기간의 초반에 는 부하와 운전 시간이 증가함에 따라 최저 EWT 가 감소하였다. 이후 부하와 운전 시간이 감소함에 따라 최저 EWT는 증가하다 일정 수준을 유지하였 다. 반면, 냉방 기간 중에는 최고 EWT가 지속적으 로 증가하는 경향을 보였다.
Table 2는 이상에서 언급한 실험 결과를 정리한
것이다. 지중 순환수는 목표 온도 범위(5～30℃)에
Table 2 Experimental results
Categories
Heating season
(Mar. 18, 2011～Apr. 30, 2011)
Cooling season
(Jun. 18, 2011～Aug. 31, 2011) Mar. 25, 2011 Overall Aug. 16, 2011 Overall Average entering water
temperature, T [℃] 14.56 15.21 27.09 22.94
Average leaving water
temperature, T [℃] 13.12 14.02 30.86 25.60
Average heat transfer rate of
HGHE, q [W/m] 5.24 4.34 13.71 9.67
Average heat extraction or
injection of HGHE, Q [kWh] 2.09 1.74 5.48 3.87
Average power consumption
of the system, W [kWh] 1.17 0.96 1.40 0.90
System COP(heating) or
SPF(cooling), averaged 2.79 2.82 2.93 3.31
서 지중 토양과 에너지를 교환하였다. 시스템의 일 평균 냉난방 성능계수는 각각 3.31과 2.82로 분석되 었다. 아울러 냉난방 측정 기간 중 지중열교환기의 열전달 성능은 각각 9.67 W/m와 4.34 W/m였다.
5. 결 론
본 연구에서는 수평형 지중열교환기를 적용한 지 열 히트펌프 시스템을 대상으로 지중열교환기 순환 수의 히트펌프 입․출구 온도, 지중열교환기의 열 전달 성능 그리고 시스템 에너지 소비량 등을 측정 한 후, 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다. 본 연 구의 결론은 다음과 같다.
(1) 측정 기간 중 히트펌프 입구에서 지중열교환기 순환수의 최고․최저 온도는 각각 29.46℃와 14.3 5℃였다.
(2) 난방 측정 기간 중 지중열교환기의 열전달 성 능과 EWT는 시간대별 부하 변동에 대응하면서 변 하였으며, 특히 난방부하가 증가함에 따라 EWT는 지속적으로 감소하였다. 이는 다시 히트펌프 출구 온도(LWT) 감소로 이어졌으며, 이에 따라 지중온 도도 지속적으로 감소하였다.
(3) 난방 중 지중열교환기는 평균 1.74 kWh의 에 너지를 추출하였으며 이 에너지와 평균 소비전력량 인 0.96 kWh를 실내로 공급하였다. 또한 히트펌프 와 시스템의 평균 COP는 3.78과 2.82였다.
(4) 냉방 운전 중 지중 순환수의 온도와 지중온도, 지중열교환기의 열전달률 그리고 히트펌프와 시스템
성능 등은 시간대별 부하 변동에 대응하면서 변하 였다.
(5) 냉방 성능 분석 결과, 히트펌프와 시스템의 평균 SPF는 4.39와 3.31이었다. 지중 순환수의 온도 차는 평균 2.66℃였으며, 평균 3.87 kWh의 에너지 를 지중으로 방출하였다. 아울러 시스템은 평균 0.90 kWh의 에너지를 소비하였다.
후 기
본 연구는 2009년도 지식경제부의 재원으로 한국 에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No.20093020110010).
참고문헌
