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문제 정의
- 이는 곧 본 시스템의 보급 활성화로 이 어질 수 있을 것으로 판단된다. 이에 본 연구의 목적은 90 m2의 공간에 설치된 열펌프와 외경 62 mm, 길이 130 m의 단일 U자 관 지중 열교환기로 구성된 지열원 열펌프 시스템의 냉. 난방 성능을 분석하는 데 있다.
제안 방법
- 식(11)에서 /Ao는 시간대별 상수이고 An과 Bn은 푸리에 급수의 차수 별 및 시간대별로 주어지는 계수이다. 각각의 값은 Kim and Kim(14)의 문헌에 상세하게 제시되어 있기 때문에 본 논문에서는 생략하기로 한다. Fig.
- 5 RT급 물 대 공기 열펌프와 외경 62 mm, 길이 130 m 의 단일 U자 관 지중 열교환기로 구성된 지열원 열펌프 시스템의 냉. 난방 성능을 분석하였다. 본 연구를 통해 연간 지중온도 및 외기온도 변화, 시스템 운전에 따른 지중 열교환기 파이프 표면 온도 변화 그리고 시스템의 냉.
- 온도, 소비전력 그리고 실.내외 온도와 습도 등의 데이터를 15분 간격으로 측정한 후, 데이터 획득 시스템에 기록하여 성능분석에 사용하였다. 실험 결과의 불확실도 해석(uncertainty analysis)을 Kline(12)이 제안한 방법에 따라 수행하였다.
- 본 시스템이 적용된 건물은 2003년 8월 5일에 최대 냉방부하를 갖는 것으로 계산되었다. 따라서 이때의 측정 결과를 성능측정에 대한 대표적인 데이터로 간주하고 시스템의 일일 냉방성능을 분석하였다.
- 여기서, 제조사의 성능 데이터는 열펌프의 열원으로 물을 이용하여 측정한 데이터이다. 따라서, 본 실험결과 와의 비교를 위해 지중 열교환기 작동유체(부동액) 사용에 따른 수정계수(correction factor) 를 고려하였다.
- 지중 열교환기 파이프 내 흐름을 난류유동으로 만들면 열전달은 향상되지만, 순환 펌프의 소비 동력이 증가한다. 따라서, 시스템 설계 단계에서 지중 열교환기 파이프의 크기와 작동 유체의 순환 유량에 따른 열펌프의 소비 전력 및 성능 변화 둥을 고려하여 적정 유량으로 이 값을 선정하였다.
- 난 방 능력을 성능계수로 표현한 것과 차이가 있다. 또한 위에서 언급한 열펌프의 성능 기준에 의해 제조사가 측정한 성능 데이터를 본 연구의 측정 결과와 비교하여 함께 나타내었다. 여기서, 제조사의 성능 데이터는 열펌프의 열원으로 물을 이용하여 측정한 데이터이다.
- 습도계 (TR-72S, T&D corporation)로 측정되었다. 또한 전체 시스템의 소비전력 측정을 위해 적산 전력계(MX2040, Tektronix)를 부착하였으며, 열펌프만의 소비전력 측정을 위해 별도의 전력계(Pow ermeter, AOIP)를 설치하였다.
- 난방 성능을 분석하였다. 본 연구를 통해 연간 지중온도 및 외기온도 변화, 시스템 운전에 따른 지중 열교환기 파이프 표면 온도 변화 그리고 시스템의 냉. 난방 성능계수 및 전력 소비량에 대한 결과를 얻을 수 있었다.
- 지중 열교환기는 U자 관(single U-tube) 형상으로 파이프의 재질은 폴리에틸렌이며 외경이 62 mm, 길이가 130 m이다. 이 지중 열교환기 파이프를 직경 150 mm, 깊이 130 이로 천공된 보어 홀(borehole)에 삽입한 후, U자 관과 보어 홀 사이의 빈 공간에 벤토나이트와 규사를 물과 혼합하여 채웠다. 지중 열교환기 작동 유체는 가압펌프 (Type UP26-99, Grundfos)에 의해 지중 열교환 기와 물 대 물 열교환기 사이에서 순환되며, 물(90%)과 메탄올(10%)을 질량 비율로 혼합하여 사용하였다.
- 지중 열교환기가 지 중으로부터 열을 흡수하거나 또는 실내에서 흡수 한 열을 지중으로 방출하는 과정은 지중 열교환기 작동 유체와 지중의 온도 차에 기인한다. 이에 본 연구는 Fig. 1에서 보는 바와 같이, 지중 열교환기 표면 온도 측정 지점에서 6m 떨어진 위치에 열전대를 매설하여 지중온도를 측정하였다. 또한 지중온도 측정과 동일한 시간에 외기온도를 측정하였으며, 그 결과를 Fig.
대상 데이터
- 본 시스템이 적용된 건물은 2003년 8월 5일에 최대 냉방부하를 갖는 것으로 계산되었다. 따라서 이때의 측정 결과를 성능측정에 대한 대표적인 데이터로 간주하고 시스템의 일일 냉방성능을 분석하였다.
- 본 연구는 90 m2의 공간에 설치된 1.5 RT급 물 대 공기 열펌프와 외경 62 mm, 길이 130 m 의 단일 U자 관 지중 열교환기로 구성된 지열원 열펌프 시스템의 냉. 난방 성능을 분석하였다.
- 11에 나타내었다. 본 연구는 난방 기간을 2003년 12월 2일부터 2004년 2월 27일로 하였지만, 이 기간 외의 간헐적 운전에 의한 측정 데이터도 모두 포함시켰다. Fig.
- 1에 도시하였다. 시스템은 크게 열펌프, 지중 열교환기, 작동 유체 순환 펌프 및 일련의 배관 그리고 데이터 획득 시스템 등으로 구성되어 있다.
- 또한 위에서 언급한 열펌프의 성능 기준에 의해 제조사가 측정한 성능 데이터를 본 연구의 측정 결과와 비교하여 함께 나타내었다. 여기서, 제조사의 성능 데이터는 열펌프의 열원으로 물을 이용하여 측정한 데이터이다. 따라서, 본 실험결과 와의 비교를 위해 지중 열교환기 작동유체(부동액) 사용에 따른 수정계수(correction factor) 를 고려하였다.
- 또한 지중 열 교환기 순환 유체와 냉매 간의 열교환이 이루어지는 물 대 물 열교환기는 2중관 형식으로 내부의 관은 풀루티드 관(fluted tube)으로 되어있다. 열펌프의 작동 유체로 R-22가 사용되었다.
- 이 지중 열교환기 파이프를 직경 150 mm, 깊이 130 이로 천공된 보어 홀(borehole)에 삽입한 후, U자 관과 보어 홀 사이의 빈 공간에 벤토나이트와 규사를 물과 혼합하여 채웠다. 지중 열교환기 작동 유체는 가압펌프 (Type UP26-99, Grundfos)에 의해 지중 열교환 기와 물 대 물 열교환기 사이에서 순환되며, 물(90%)과 메탄올(10%)을 질량 비율로 혼합하여 사용하였다.
이론/모형
- 내외 온도와 습도 등의 데이터를 15분 간격으로 측정한 후, 데이터 획득 시스템에 기록하여 성능분석에 사용하였다. 실험 결과의 불확실도 해석(uncertainty analysis)을 Kline(12)이 제안한 방법에 따라 수행하였다. 즉, 측정 데이터의 불확실도와 본 실험 결과에 영향을 미치는 이들 측정 데이터의 편차들을 조합하여 실험 결과의 상대 불확실도를 계산하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 측정 깊이에 따른 지중온도는 연중 12.5°C 에서 15.2°C의 범위에 있었으며, 연평균 12.9°C를 나타내었다. 또한 지표면 아래 10 m 지점 이하부터의 지중온도는 깊이 및 외기온도의 변동에 거의 무관하였다.
- (3) 냉방 기간 중 지중 열교환기 파이프 표면 온도는 지중 열교환기 입구로부터 가까운 지점(5 m)의 온도가 가장 높고, 깊이 방향으로 갈수록 온도가 감소하였다. 반면, 난방 기간 중에는 반대의 결과가 나타났다.
- (4) 냉방 기간 중 대표적인 경우(2003년 8월 5 일)에 대한 시스템의 일일 평균 냉방성능계수는4.95의 값을 나타냈다. 또한 전체 냉방 기간(2003년 7월 2일〜2003년 9월 2일) 동안 일별 냉방 성능계수는 4.
- (5) 난방 기간(2003년 12월 2일〜2004년 2월 27일) 동안 일별 난방 성능계수는 3.67에서 4.44의 범위에 있었으며, 평균 3.96의 값을 나타내었다. 대표적인 2004년 1월 20일에 대한 일일 평균 난 방 성능계수는 4.
- (6) 냉방 모드인 경우, 지중 열교환기 작동 유체의 응축기 입구 온도가 증가함에 따라 열펌프의 소비전력은 증가하였으며, 이때 냉방 성능계수는 감소하였다. 본 성능측정 결과와 열펌프 제조사의 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력은 ±10% 그리고 냉방 성능계수는 ±15% 내에서 일치하였다.
- (7) 난방 모드인 경우, 지중 열교환기 작동 유체의 증발기 입구 온도가 증가함에 따라 열펌프의 소비전력과 난방 성능계수는 증가하였다. 또한 성능측정 결과와 제조사의 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력과 난방 성능계수는 ±15% 내에서 일치하였다.
- 9에 도시하였다. 난방 성능 측정기간 중 본 시스템의 일별 난방 성능계수는 3.67에서 4.44의 범위에 있었으며, 평균 3.96의 값을 나타내었다.
- 출구 온도는 거의 동일하였다. 따라서 시스 템의 온도 응답 특성은 매우 양호한 것을 확인할 수 있었다.
- 1°C의 온도 차이를 보였다. 또한 냉방의 경우와 마찬가지로, 지중 열교환기의 온도 응답 특성은 매우 양호한 것을 확인할 수 있었다.
- 11의 (a) 와 (b) 에서 보는 바와 같이 지중 열교환기 작동 유체의 증발기 입구 온도가 증가함에 따라 소비전력과 난방 성능계수는 증가하였다. 또한 본 측정 결과와 제조사가 제공하는 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력과 난방 성능계수는 모두 土15% 내에서 일치하였다.
- (7) 난방 모드인 경우, 지중 열교환기 작동 유체의 증발기 입구 온도가 증가함에 따라 열펌프의 소비전력과 난방 성능계수는 증가하였다. 또한 성능측정 결과와 제조사의 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력과 난방 성능계수는 ±15% 내에서 일치하였다.
- 열펌프의 증발기에서 냉매 증기와 열교환을 수행한 후 온도가 감소한 부동액은 지중 열교환기 파이프 내를 유동하면서 지중으로부터 열을 흡수한다. 본 성능 측정에서 지중 열교환기의 일일 평균 열 흡수율은 3.27 kW이었으며, 이때 증발기 입구와 출구에서 지중 열교환기 작동 유체의 온도는 평균 8.2P와 4.1°C로 4.1°C의 온도 차이를 보였다. 또한 냉방의 경우와 마찬가지로, 지중 열교환기의 온도 응답 특성은 매우 양호한 것을 확인할 수 있었다.
- (6) 냉방 모드인 경우, 지중 열교환기 작동 유체의 응축기 입구 온도가 증가함에 따라 열펌프의 소비전력은 증가하였으며, 이때 냉방 성능계수는 감소하였다. 본 성능측정 결과와 열펌프 제조사의 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력은 ±10% 그리고 냉방 성능계수는 ±15% 내에서 일치하였다.
- 8의 (b)는 지중 열교환기 작동 유체 순환펌프를 포함한 전체 시스템의 소비전력과 식(2)에 의해 계산되는 일일 난방 성능계수의 변화를 도시한 것이다. 본 시스템의 2004년 1월 20일에 대한 일일 평균 난방 성능계수는 4.02로 계산되었으며, 전체 시스템은 순간 평균 L08 kW의 전력을 소비하는 것으로 측정되었다.
- 냉방기 간 중, 각 일별 냉방 특성은 앞서의 2003년 8월 5일의 경향 및 결과와 유사하게 나타났다. 본 시스템의 일별 냉방 성능계수는 4.19에서 5.49의 범 위에 있었으며, 평균 4.90의 값을 나타내었다. 이는 상용 공기 열원 열펌프나 기타 냉.
- 6의 (b) 에 나타내었다. 본 시스템의 일일 평균 냉방 성능계수는 4.95로 계산되었으며, 전체 시스템의 순간 소비전력은 평균 0.95 kW로 측정되었다.
- 따라서 최저 외 기온 도를 보이는 일(day)인 lo는 20이 된다. 본 측정 결과와 계산 결과는 ±3.9% 내에서 일치하였다. 또한 식(10)에 의한 연평균 지중온도는 13.
- 전체 난방 기간 동안(2003년 12월 2일〜2004년 2월 27일) 본 시스템이 적용된 건물은 2004년 1월 20일에 최대 난방 부하를 갖는 것으로 계산되었다. 따라서 이때의 측정 결과를 대표적인 데이터로 하여 시스템의 일일 난방성능을 분석하였으며, 그 결과를 Fig.
- 이는 열펌프의 응축기에서 냉매와 열교환을 수행하는 지중 열 교환기 작동 유체의 온도가 증가하게 되면 냉매의 응축온도가 증가하게 되고, 결국 냉매의 압축에 더 많은 입력에너지를 필요로 하기 때문이다. 전체적으로 본 성능측정 결과와 제조사의 성능 데이터를 비교하였을 때, 소비전력은 ±10% 그리고 냉방 성능계수는 ±15% 내에서 일치하였다.
후속연구
- 9%와 ±20% 내에서 예측하였다. 따라서 지열원 열펌프 시스템을 설계하는데 이 상관식들이 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.
- 본 연구는 비교적 작은 규모의 지열원 열펌프 시스템을 대상으로 장기간에 걸친 성능분석을 수행하였지만, 대용량의 시스템이나 또는 다양한 종류의 지열원 시스템을 대상으로 한 체계적인 성능분석 연구가 필요하다. 이와 같은 성능분석 결과를 이용하여 지열원 열펌프 시스템의 경제성에 대한 연구 및 초기 설치비를 줄이기 위한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
- 실제 시공된 지열원 열펌프 시스템을 대상으로 성능을 측정한 후, 이들 측정 데이터를 분석하여 정량적인 성능검증 결과를 사용자에게 제시한다면, 이 시스템의 신뢰도는 향상될 수 있을 것으로 본다. 이는 곧 본 시스템의 보급 활성화로 이 어질 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구는 비교적 작은 규모의 지열원 열펌프 시스템을 대상으로 장기간에 걸친 성능분석을 수행하였지만, 대용량의 시스템이나 또는 다양한 종류의 지열원 시스템을 대상으로 한 체계적인 성능분석 연구가 필요하다. 이와 같은 성능분석 결과를 이용하여 지열원 열펌프 시스템의 경제성에 대한 연구 및 초기 설치비를 줄이기 위한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
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