[논문]사무용건물에서 지열히트펌프냉난방시스템의 운전성능 평가

안형준; 백성권; 조정식; 손병후

[국내논문] 사무용건물에서 지열히트펌프냉난방시스템의 운전성능 평가
Performance for Geothermal Heating & Cooling System by Heatpump in Office Building 원문보기

For the perfomance test of geothermal system, a large pilot of capacity of 50RT is built and operated in office building. This system is planed hybrid system with cooling tower as asisstance heat sink. From October, 2004 to September, 2005, this system is operated andmonitored. As the result, COP of heating periods is about 3.46 and COP of cooling periods is about 4.1. Therefore, geothermal system is useful and suitable in Korea.

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문제 정의

끝으로 본 연구는 산업자원부 산하 신재생에너지센터의 지원을 받은 ‘지열냉난방시스템 실증연구’를 통해 수행되었음을 밝히며 감사를 드리는 바이다.
본 연구는 사무용 건물에 적합한 지열냉난방시스템을 설계, 시공 및 평가하는 것으로 다음과 같은 항목에 유의하여 지열냉난방시스템을 선정하였다.
본 연구는 지열냉난방시스템의 도입초기인 2002년도에 산업자원부 산하 신재생에너지센터가 지원하는 국책과제인 ‘지열냉난방실증연구’를 통해 수행된 사무용건물의 운전성능평가에 대한 것으로 지열냉난방시스템의 성능평가를 위한 시험 및 계측항목을 제시하고 이를 통해 얻어진 지열냉난방시스템의 장단기 운전성능평가 결과를 분석하고자 한다.

가설 설정

- 지중열교환기는 설치되고 나면 보수가 매우 어렵다. 이에 따라 설치당시 열교환파이프의 연결상태 및 누수상태를 단계별로 반복 하여 시험 및 검사해야 한다.
- 천장 매립형 히트펌프의 설치는 컴팩트공조기의 설치와 동일한 방식으로 이루어진다.

제안 방법

- 시스템의 설치 후 유체순환량, 덕트의 풍량, 순환유체의 입출온도, 히트펌프별 입출온도 등을 T.A.B.를 실시하여 계측하여 설계에 적합하게 조절하여 최적의 운전상태를 확보 하였다.
- 지중열교환기의 배관망은 순환유체의 압력 배분이 균등하도록 리버스리턴방식을 채택 하였다.
Fig. 6에서 외기온도분포를 살펴보면 최저 외부 기온은 2월 1일의 -12.3℃인 것으로 나타나 2005년 2월 1일의 데이터를 분석하여 성능평가를 실시하였다. Fig.
지열냉난방시스템의 운전성능평가를 위해 계측 자료 및 계측장치는 Table 3에 정리하였다. 계측 자료는 값이 변하지 않는 초기 1회 측정자료와 값이 변하는 상시 측정자료로 나눌 수 있으며 유체 순환량이나 순환펌프 운전전력 등과 같이 일정하게 유지되는 항목은 설치 후 T.A.B를 실시하여 측정하였다. 상시 측정자료는 장기간의 성능평가 측정을 위해 자동제어장치에 온도센서, 전력계를 연결하여 측정 및 저장하도록 시스템을 구성하였으며 신뢰성 향상을 위해 전력분석기를 통해 비교분석하였다.
- 열교환파이프와 보어홀사이의 빈공간은 열전도를 막고 외부의 오염원이 지하로 유입되는 통로가 되므로 완전 밀폐한다. 그라우트재료는 벤토나이트에 열전도율이 높은 실리카샌드를 혼합하여 시공하였다.
지열냉난방시스템에서 투입되는 에너지는 히트펌프 및 순환펌프에 투입되는 전력에너지로 히트펌프는 5분 간격으로 측정하고 순환펌프는 초기치를 측정하여 활용하였다. 다음으로 히트펌프에서 생산되는 에너지는 냉온풍이나 냉온수 형태의 열에너지로 공기나 순환유체온도를 5분 간격으로 측정하고 공기나 유체순환량은 초기치를 활용하였다.
먼저 첫 번째 단계에서는 냉난방부하를 결정하기 위해 냉난방부하설계 프로그램인 Trace 700을 이용하여 분석하였다. 그 결과, 본 건물의 냉방부하는 40 RT, 난방부하는 32 RT로 나타났다.
본 건물의 경우에도 난방부하 32RT에 맞추어 지중열교환기를 설계하고 부족한 냉방부하 8RT 는 냉각탑을 보조열원으로 설계하였다.
본 연구에 사용된 계측기는 Tabel 3과 같이 자동제어시스템에서 모니터링이 가능하도록 시스템을 구성하였으며 필요에 따라 추가로 계측기를 활용하였다. 이러한 시스템 구성은 중장기적인 측정과 평가에 유리하다.
5와 같다. 본 연구에서는 전체시스템은 순환유체의 온도 및 순환량을 이용하고 개별히트펌프에 대해서는 공기온도 및 순환량을 이용하여 분석하였다.
B를 실시하여 측정하였다. 상시 측정자료는 장기간의 성능평가 측정을 위해 자동제어장치에 온도센서, 전력계를 연결하여 측정 및 저장하도록 시스템을 구성하였으며 신뢰성 향상을 위해 전력분석기를 통해 비교분석하였다.
이상과 같이 사무용건물의 지열냉난방시스템에대한 운전성능평가를 실시하였다. 이 연구를 통해 지열냉난방시스템이 안정적으로 운전될 뿐만 아니라 에너지효율이 매우 높음을 알 수 있다.
이에 따라 2,053m²의 면적을 가진 사무용건물에 50RT규모의 지열냉난방설비를 설치하고 2004년 10월부터 2005년 9월까지 1년여의 운전성능평가를 실시하였다.
앞서 살펴본 바와 같이 지열냉난방시스템의 성능평가를 위해서는 크게 투입되는 에너지와 생산 되는 에너지에 대한 측정이 필요하다. 지열냉난방시스템에서 투입되는 에너지는 히트펌프 및 순환펌프에 투입되는 전력에너지로 히트펌프는 5분 간격으로 측정하고 순환펌프는 초기치를 측정하여 활용하였다. 다음으로 히트펌프에서 생산되는 에너지는 냉온풍이나 냉온수 형태의 열에너지로 공기나 순환유체온도를 5분 간격으로 측정하고 공기나 유체순환량은 초기치를 활용하였다.
지열냉난방시스템의 실증적용 건물은 대체에너지 의무구매제도의 적용대상인 3,000 m²의 공공건물에 적합하도록 선정하고자 하였으며 이에 따라 코오롱건설(주)의 기술연구소를 신축하고 이 건물에 지열냉난방시스템을 설치하였다. 기술연구소의 제원은 Table 1과 같고 조감도는 Fig.

대상 데이터

본 건물은 친환경 저에너지건물을 목표로 설계되었으며 주요 적용기술은 다음과 같다.
본 시스템의 일일 냉방성능을 분석하기 위해 2005년 6월 30일에 측정된 데이터를 이용하였다. Fig.

데이터처리

다음으로 지중열교환기의 설계는 미국 오클라호마주립대학에서 J. Bose et al[4]에 근거하여 개발된 GLHE pro 3.0 프로그램을 이용하여 실시되었다. 지중열교환기의 용량은 지반의 열물성, 그라우트 재료와 열교환 파이프의 열물성, 냉난방부하특성 등에 따라 결정된다.

성능/효과

(1) 지중열교환기 가동결과 지중온도는 연중 13. 5℃에서 14.
(2) 난방운전 성능을 평가한 결과 외부기온의 변화에 관계없이 안정적인 난방능력을 확보하고 있으며 성능계수는 평균 3.46의 값을 나타내었다. 난방운전의 경우 비가동시에도 최저 온도설정에 따라 지속적인 운전이 실시되어 난방비용의 증가가 발생하는 것으로 나타났다.
(3) 냉방운전 성능을 평가한 결과 안정적인 냉방 능력을 확보하고 있으며 특히 최대부하 발생시에도 지중열교환기를 통해 충분한 열원확보가 가능하였다. 이는 지중열교환기 설계법에 따른 계산값이 30%이상의 안전율을 확보하고 있음을 의미한다.
(1) 지중열교환기 가동결과 지중온도는 연중 13. 5℃에서 14.5℃의 범위에서 거의 일정하였으며, 지열냉난방시스템의 가동에도 불구하고 안정적인 상태를 유지하였다.
먼저 첫 번째 단계에서는 냉난방부하를 결정하기 위해 냉난방부하설계 프로그램인 Trace 700을 이용하여 분석하였다. 그 결과, 본 건물의 냉방부하는 40 RT, 난방부하는 32 RT로 나타났다. 이는 일반적인 사무용건물에 비해 40～50% 낮은 부하값이며 에너지절약기술의 적용에 따른 효과로 판단된다.
98 kW의 전력을 소비하는 것으로 측정되었다. 난방성능 측정기간 중 본 시스템의 일별 난방 성능계수는 3.17에서 3.75의 범위에 있었으며, 평균 3.46의 값을 나타내었다.
46의 값을 나타내었다. 난방운전의 경우 비가동시에도 최저 온도설정에 따라 지속적인 운전이 실시되어 난방비용의 증가가 발생하는 것으로 나타났다. 이에 따라 비가동시간의 운전방법에 대한 개선이 요구된다.
이는 지중열교환기 설계법에 따른 계산값이 30%이상의 안전율을 확보하고 있음을 의미한다. 냉방운전에 따른 히트펌프의 성능계수는 평균 4.1의 값을 나타내었으며 공조용 팬이 히트펌프에 포함되어 있는 점을 감안하면 높은 효율을 나타내고 있음을알 수 있다.
히트펌프 운전부하와 순환유체 입출온도차는 대체로 비례관계를 나타내고 성적계수(COP)와는 반비례관계를 나타내는데 이는 운전부하 및 운전시간이 증가함에 따라 지중에 냉열이 축적되어 순환유체가 온도가 낮아지고 이에 따라 히트펌프의 성능이 저하되는 것으로 판단된다. 본 시스템의 2005년 2월 1일에 대한 일일 평균 난방 성능계수는 3.42로 계산되었으며, 전체 시스템은 순간 평균 17.98 kW의 전력을 소비하는 것으로 측정되었다. 난방성능 측정기간 중 본 시스템의 일별 난방 성능계수는 3.
이상과 같이 사무용건물의 지열냉난방시스템에대한 운전성능평가를 실시하였다. 이 연구를 통해 지열냉난방시스템이 안정적으로 운전될 뿐만 아니라 에너지효율이 매우 높음을 알 수 있다. 하지만 지열원의 특성상 장기운전에 따른 성능저하의 가능성이 높기 때문에 이에 대한 장기성능평가가 지속적으로 요구되고 있다.
또한 이때 순환유체의 입출구 온도차는 난방부하에 비례하여 증감하는 것을 볼수 있다. 최대부하가 발생하는 시간대의 입출구 온도차는 약 2.7℃를 나타내는데 최대부하발생시 입출구 온도차를 4.5～5.0℃가 되도록 설계한 것을 감안하면 구역별 히트펌프 개별운전으로 11대의 히트펌프 중 일부만 운전됨을 알 수 있다.

후속연구

이는 일반적인 사무용건물에 비해 40～50% 낮은 부하값이며 에너지절약기술의 적용에 따른 효과로 판단된다. 지열냉난방시스템의 초기투자비가 높다는 점을 고려하면 에너지절약기술의 적용을 통해 냉난방부하와 설비용량을 줄이는 기법이 향후 설계에 필수적인 항목이 될 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

지열냉난방시스템이란?

지열냉난방시스템은 지열원 히트펌프설비를 이용하여 냉난방을 공급하는 설비조합을 통칭하는 말로 지열냉난방시스템이 2000년도부터 본격적으로 국내에 도입되고 정부의 대체에너지의무화제도실시에 따라 많은 적용사례가 발생하고 있다. 그러나 기술도입초기임에 따라 설계/시공기술의 부실문제가 발생하고 있으며 이에 따른 성능인증및 운전성능의 평가가 중요한 과제로 대두되고 있다.

지열냉난방시스템의 문제점은 무엇인가?

지열냉난방시스템은 지열원 히트펌프설비를 이용하여 냉난방을 공급하는 설비조합을 통칭하는 말로 지열냉난방시스템이 2000년도부터 본격적으로 국내에 도입되고 정부의 대체에너지의무화제도실시에 따라 많은 적용사례가 발생하고 있다. 그러나 기술도입초기임에 따라 설계/시공기술의 부실문제가 발생하고 있으며 이에 따른 성능인증및 운전성능의 평가가 중요한 과제로 대두되고 있다. 본 연구는 지열냉난방시스템의 도입초기인 2002년도에 산업자원부 산하 신재생에너지센터가 지원하는 국책과제인 ‘지열냉난방실증연구’를 통해 수행된 사무용건물의 운전성능평가에 대한 것으로 지열냉난방시스템의 성능평가를 위한 시험 및 계측항목을 제시하고 이를 통해 얻어진 지열냉난방시스템의 장단기 운전성능평가 결과를 분석하고자 한다.

지열냉난방시스템은 언제 도입되었는가?

지열냉난방시스템은 지열원 히트펌프설비를 이용하여 냉난방을 공급하는 설비조합을 통칭하는 말로 지열냉난방시스템이 2000년도부터 본격적으로 국내에 도입되고 정부의 대체에너지의무화제도실시에 따라 많은 적용사례가 발생하고 있다. 그러나 기술도입초기임에 따라 설계/시공기술의 부실문제가 발생하고 있으며 이에 따른 성능인증및 운전성능의 평가가 중요한 과제로 대두되고 있다.

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