[논문]지중 및 보조루프의 2차 유체 유량 분배비를 통한 하이브리드 지열히트펌프의 성능 최적화 연구

이주성; 박홍희; 김원욱; 김용찬

doi:10.6110/kjacr.2012.24.2.102

[국내논문] 지중 및 보조루프의 2차 유체 유량 분배비를 통한 하이브리드 지열히트펌프의 성능 최적화 연구
Performance Optimization of a Hybrid Ground Source Heat Pump According to Secondary Flow Distribution Ratio between the Ground and the Supplemental Loop 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.2, 2012년, pp.102 - 110

이주성 (고려대학교 대학원) , 박홍희 (고려대학교 대학원) , 김원욱 (고려대학교 대학원) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to improve the performance of a hybrid ground source heat pump (HGSHP) by optimizing the flow distribution ratio of secondary fluid flow rate between a ground loop and a supplemental loop. Initially, a conventional ground source heat pump (GSHP) was tested to determine an optimum flow rate of the secondary fluid. Based on the selected optimum value, the HGSHP was also tested by varying the flow distribution ratio of the secondary fluid flow rate between the ground loop and the supplemental loop, such as 9:1, 7:3, 5:5, and 3:7. The results showed that the optimum flow distribution ratio of the secondary fluid flow rate was 7:3. The COP of the HGSHP was improved by 19% over the GSHP at a flow distribution ratio of 7:3 and an entering water temperature of $40^{\circ}C$.

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문제 정의

하지만 기존 연구에서는 이에 대한 체계적인 연구가 매우 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 하이브리드 지열히트펌프에서 2차 유체의 유량을 지중측과 보조측 판형열교환기에 최적으로 배분할 수 있는 유량 분배비에 대한 연구를 수행하였다. 2 RT급 하이브리드 지열히트펌프의 메인모드인 지열히트펌프 운전모드에서 최적의 2차 유체 유량을 결정하고, 하이브리드 운전모드에서는 앞서 결정된 2차 유체 유량을 기준으로 지중측 루프와 보조측 루프로 유입되는 유량의 분배비율을 변화시키면서 시스템의 성능을 고찰하였다.
2 RT급 하이브리드 지열히트펌프의 메인모드인 지열히트펌프 운전모드에서 최적의 2차 유체 유량을 결정하고, 하이브리드 운전모드에서는 앞서 결정된 2차 유체 유량을 기준으로 지중측 루프와 보조측 루프로 유입되는 유량의 분배비율을 변화시키면서 시스템의 성능을 고찰하였다. 이를 통하여 최대부하 조건에서 지중열환경 악화를 지연시키면서 하이브리드 지열히트펌프의 성능을 향상시키고자 한다.

가설 설정

지열히트펌프 운전모드 실험을 통해서 선정된 최적유량을 하이브리드 운전모드에서 요구되는 총 유량으로 가정하였다. 이는 펌프의 용량가변을 통해서 상기의 총 유량보다 더 큰 유량 조합 을 적용할 수 있으나, 유량 증가에 따른 펌프 소비동력은 비선형적으로 증가하기 때문에 성능은 오히려 저하되며, 지중 열환경의 악화를 지연시킬 수 없을 것으로 예상되기 때문이다.

제안 방법

⁽²⁾과 Man et al.⁽³⁾은 주냉방 지역에서 장기운전에 따른 지중열환경 악화에 의한 보어홀 벽의 온도상승과 지중열교환기 유체의 지열히트펌프 유입온도의 상승, 그리고 이로 인한 지열히트펌프의 효율저하에 관해서 해석적 연구를 수행하고, 이 시스템에 하이브리드를 적용 시 성능향상에 관한 연구결과를 제시하였다. 국내에서는 Park et al.
본 연구에서는 하이브리드 지열히트펌프에서 2차 유체의 유량을 지중측과 보조측 판형열교환기에 최적으로 배분할 수 있는 유량 분배비에 대한 연구를 수행하였다. 2 RT급 하이브리드 지열히트펌프의 메인모드인 지열히트펌프 운전모드에서 최적의 2차 유체 유량을 결정하고, 하이브리드 운전모드에서는 앞서 결정된 2차 유체 유량을 기준으로 지중측 루프와 보조측 루프로 유입되는 유량의 분배비율을 변화시키면서 시스템의 성능을 고찰하였다. 이를 통하여 최대부하 조건에서 지중열환경 악화를 지연시키면서 하이브리드 지열히트펌프의 성능을 향상시키고자 한다.
2 RT급 하이브리드 지열히트 펌프시스템의 주요 구성요소로는 BLDC 로터리 압축기, 실외측에 설치된 지중측 및 보조측 판형 열교환기, EEV 팽창장치, 실내측 판형 열교환기, 그리고 4방밸브이다. 지중열원과 보조열원인 냉각탑 그리고 실내측 부하는 일정한 온도를 유지할 수 있는 칠러를 개별 적용하여 모사하였다. Table 1과 Table 2는 히트펌프 시스템의 주요사양과 계측시스템을 각각 정리한 것이다.
Table 1과 Table 2는 히트펌프 시스템의 주요사양과 계측시스템을 각각 정리한 것이다. 하이브리드 지열히트펌프 시스템의 성능계수를 구하기 위해서, 소비동력은 압축기와 펌프의 소비동력을 측정하여 합산하였고, 냉방능력은 실내기용 판형열교환기의 2차 유체측 데이터를 이용하여 계산하였다. 하이브리드 지열히트펌프 시스템의 성능계수는 식(1)과 같이 계산하였다.
Table 3에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 지열히트펌프의 메인 운전모드인 지열히트펌프 운전모드에서 성능계수가 최대가 되는 최적의 2차 유체 유량을 선정하기 위하여 14 LPM에서 30 LPM까지 2 LPM 단위로 지중루프의 유량을 변화시키고 과열도 5℃를 유지하도록 EEV 개도를조절하면서 실험을 실시하였다. 이 때 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도와 실내측판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도조건은 지열히트펌프 성능평가 시험조건인 ISO 13256-2를 적용하였다.
이 때 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도와 실내측판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도조건은 지열히트펌프 성능평가 시험조건인 ISO 13256-2를 적용하였다.⁽¹²⁾ 또한 하이브리드 운전과 비교를 위한 기준을 설정하기 위하여 Table 4에 나타낸 바와 같이 지열히트펌프 운전모드에서 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 10℃에서 40℃까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
하이브리드 운전모드에서는 Table 5에 나타낸 바와 같이, 선정된 총 유량을 지중측 판형열교환기와 보조측 판형열교환기에 9：1, 7：3, 5：5, 그리고 3：7의 분배비로 나누어서 흐르도록 조절하면서 실험을 실시하였다. 온도조건은 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 25℃에서 40℃까지 5℃ 간격으로, 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도는 냉각탑의 특성을 고려하여 28℃에서 32℃까지 2℃ 간격으로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
6은 하이브리드 운전모드에서 지중측과 보조측 판형열교환기로의 유량 분배비에 따른 성능계수의 변화를 지열히트펌프 운전모드의 성능과 비교하여 나타내고 있다. 하이브리드 운전모드의 경우 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 28℃, 30℃, 그리고 32℃로 변화시키면서 실험을 실시하였다. 지중측과 보조측 판형열교환기의 유량 분배비 9：1, 7：3, 그리고 5：5에서는 지중측 판형 열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도가 35℃ 이상이 되면 하이브리드 운전모드의 성능이 지열히트펌프 운전모드에 비하여 높게 나타났다.
하이브리드 지열히트펌프는 최대부하 시 적절한 용량의 냉각탑을 적용하여 부족한 지중열원을 보충하여 성능감소를 최소화 하고, 지중측 루프와 보조측 루프의 적절한 유량분배를 통해 지중측 열환경 악화를 지연시키기 위하여 주 운전모드인 지열히트펌프 운전모드에서 유량별 실험을 통해 얻어진 최적유량을 기준으로 하이브리드 운전모드에서 지중측 및 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 유량분배비를 변화시키면서 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이는 펌프의 용량가변을 통해서 상기의 총 유량보다 더 큰 유량 조합 을 적용할 수 있으나, 유량 증가에 따른 펌프 소비동력은 비선형적으로 증가하기 때문에 성능은 오히려 저하되며, 지중 열환경의 악화를 지연시킬 수 없을 것으로 예상되기 때문이다. 하이브리드 운전모드에서는 Table 5에 나타낸 바와 같이, 선정된 총 유량을 지중측 판형열교환기와 보조측 판형열교환기에 9：1, 7：3, 5：5, 그리고 3：7의 분배비로 나누어서 흐르도록 조절하면서 실험을 실시하였다. 온도조건은 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 25℃에서 40℃까지 5℃ 간격으로, 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도는 냉각탑의 특성을 고려하여 28℃에서 32℃까지 2℃ 간격으로 변화시키면서 실험을 수행하였다.

대상 데이터

2는 본 연구를 위해 제작한 실험장치의 개략도를 나타낸다. 2 RT급 하이브리드 지열히트 펌프시스템의 주요 구성요소로는 BLDC 로터리 압축기, 실외측에 설치된 지중측 및 보조측 판형 열교환기, EEV 팽창장치, 실내측 판형 열교환기, 그리고 4방밸브이다. 지중열원과 보조열원인 냉각탑 그리고 실내측 부하는 일정한 온도를 유지할 수 있는 칠러를 개별 적용하여 모사하였다.
이는 압축기의 소비동력은 감소하지만, 펌프의 소비동력이 비선형적으로 증가하기 때문이다. 따라서 지열히트펌프 운전모드에서 최적 2차 유체 유량은 20 LPM으로 선정하였다. Fig.

이론/모형

Table 3에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 지열히트펌프의 메인 운전모드인 지열히트펌프 운전모드에서 성능계수가 최대가 되는 최적의 2차 유체 유량을 선정하기 위하여 14 LPM에서 30 LPM까지 2 LPM 단위로 지중루프의 유량을 변화시키고 과열도 5℃를 유지하도록 EEV 개도를조절하면서 실험을 실시하였다. 이 때 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도와 실내측판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도조건은 지열히트펌프 성능평가 시험조건인 ISO 13256-2를 적용하였다.⁽¹²⁾ 또한 하이브리드 운전과 비교를 위한 기준을 설정하기 위하여 Table 4에 나타낸 바와 같이 지열히트펌프 운전모드에서 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 10℃에서 40℃까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 실험을 수행하였다.

성능/효과

지열히트펌프는 기존의 냉난방기기 대비 최대 50%까지 에너지 절약이 가능하다.⁽¹⁾ 지열히트펌프에 사용되는 지중열교환기의 방식에는 수직밀폐형, 지중수평형, 에너지파일형, 스탠딩컬럼웰형 등이 있으며, 이 중 수직밀폐형이 다수를 차지하고 있다. 수직밀폐형 지중열교환기를 지중에 설치 시 문제점은, 난방부하에 비해 냉방부하가 큰 경우 부하의 불균형으로 인하여 국부적인 지중온도의 상승을 초래하여 지열히트펌프의 냉방성능이 크게 감소한다.
3은 지열히트펌프 운전모드에서 지중측 판형 열교환기로 유입되는 2차 유체의 유량 변화에 따른 성능계수를 나타내고 있다. 지중측 판형 열교환기로 유입되는 2차 유체의 유량이 20 LPM 일 때 성능계수는 최대로 나타났다. Fig.
3에서 결정한 최적유량을 적용하여 지열히트펌프 운전모드에서 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도에 따른 성능계수 변화를 나타내고 있다. 지중측 온도가 20℃에서 40℃로 증가함에 따라 응축압력의 상승으로 인하여 압축기의 소비동력이 증가하고, 냉방능력은 감소하여 성능계수는 45% 감소하였다. 따라서 지중온도 조건이 악화되는 경우 지중열원과 보조기기의 하이브리드 운전을 통하여 성능향상이 필요하다.
하이브리드 운전모드의 경우 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도를 28℃, 30℃, 그리고 32℃로 변화시키면서 실험을 실시하였다. 지중측과 보조측 판형열교환기의 유량 분배비 9：1, 7：3, 그리고 5：5에서는 지중측 판형 열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도가 35℃ 이상이 되면 하이브리드 운전모드의 성능이 지열히트펌프 운전모드에 비하여 높게 나타났다. 이는 지중측 온도조건이 보조측에 비해 상대적으로 높은 온도조건일수록 보조측 판형열교환기 내에서 더 많은 열을 방출할 수 있기 때문이다.
반면, 유량 분배비 3：7의 경우에는 지중측 2차 유체의 유량이 작아 지중측 판형열교환기 내에서 충분히 열을 방출하지 못하여 응축압력의 상승으로 전체적으로 하이브리드 운전효과가 낮은 것으로 나타났다. 유량 분배비 7：3, 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체 온도 40℃에서 하이브리드 운전모드의 성능계수는 지열히트펌프 운전모드 대비 19% 상승하였다.
8은 하이브리드 운전모드에서 지중측판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도가 각각 35℃와 40℃ 일 때, 지중측과 보조측 판형열교환기의 2차 유체의 유량 분배비에 따른 성능계수의 변화를 나타낸다. 두 온도조건에서 동일하게 지중측과 보조측의 최적 유량 분배비는 7：3으로 나타났다. 지중측 판형열교환기의 2차 유체 유량이 감소함에 따라 응축압력이 상승하고, 상대적으로 보조측 2차 유체의 유량이 증가함에 따라 과냉도가 증가한다.
지중측 판형열교환기의 2차 유체 유량이 감소함에 따라 응축압력이 상승하고, 상대적으로 보조측 2차 유체의 유량이 증가함에 따라 과냉도가 증가한다. 따라서 지증측 판형열교환기를 통해 일차적으로 냉매의 열을 충분히 방출하고, 보조측 판형열교환기에서 적절한 과냉도를 확보하여 가장 높은 성능을 갖도록 하는 최적 2차 유체 유량 분배비가 존재하는 것으로 나타났다.
10은 유량 분배비 7：3, 보조측 온도조건 32℃에서 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도 변화에 대한 냉매유량과 과냉도의 변화를 나타낸다. 지중측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도가 상승함에 따라 냉매유량은 감소하고, 과냉도는 증가하는 것으로 나타났다. 지중측 온도가 상승함에 따라 응축압력 및 응축온도가 상승하여 보조측 판형열교환기에서 더 많은 열을 흡수하여 냉매의 과냉도를 증가시킨다.
하이브리드 운전모드에서 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도는 32℃이다. 지열히트펌프 운전모드에 비해 하이브리드 운전모드 일 때 과 냉도가 상대적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 보조측 판형열교환기에서 추가적인 열교환에 의한 것으로 판단된다.
(1) 본 실험에서는 지열히트펌프 운전모드에서 성능계수를 최대로 하는 2차 유체의 최적유량은 20 LPM으로 나타났다. 즉, 2차 유체의 유량을 무조건 증가시킨다고 시스템의 성능계수가 향상되는 것이 아니라, 시스템의 성능계수를 최대로 하는 최적유량이 존재하는 것을 확인하였다.
(1) 본 실험에서는 지열히트펌프 운전모드에서 성능계수를 최대로 하는 2차 유체의 최적유량은 20 LPM으로 나타났다. 즉, 2차 유체의 유량을 무조건 증가시킨다고 시스템의 성능계수가 향상되는 것이 아니라, 시스템의 성능계수를 최대로 하는 최적유량이 존재하는 것을 확인하였다.
(2) 지중측 온도조건이 보조측 온도조건보다 상대적으로 높을 경우에 지열히트펌프 운전에서 하이브리드 운전모드로 전환하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 하이브리드 운전모드에서 지중측 판형열교환기 유입 온도 40℃, 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도 28℃에서 유량 분배비를 7：3을 적용하는 경우 지열히트펌프 운전모드 대비 최대 19% 성능계수 향상을 확인하였다.
(2) 지중측 온도조건이 보조측 온도조건보다 상대적으로 높을 경우에 지열히트펌프 운전에서 하이브리드 운전모드로 전환하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 하이브리드 운전모드에서 지중측 판형열교환기 유입 온도 40℃, 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 온도 28℃에서 유량 분배비를 7：3을 적용하는 경우 지열히트펌프 운전모드 대비 최대 19% 성능계수 향상을 확인하였다.
(3) 지열히트펌프 운전모드에서 선정된 최적유량을 기준으로 하이브리드 운전모드에서 지중측 및 보조측 판형열교환기로 유입되는 2차 유체의 유량을 각각 9：1, 7：3, 5：5, 그리고 3：7의 분배비율로 실험한 결과 7：3의 유량 분배비에서 가장 높은 성능계수를 나타내었다.
(4) 지중온도 조건 35℃에서 하이브리드 운전모드로 전환할 경우 최적의 유량 분배비 7：3에서 지열히트펌프 운전모드 대비 지중열교환기 부하를 최대 약 21% 정도 감소하여 지중온도조건의 상승을 지연시킬 수 있을 것으로 분석되었고, 성능은 지열히트펌프 운전모드 대비 8% 향상되는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열히트펌프란 무엇인가?	지열히트펌프(Ground source heat pump)는 상업적으로 이용이 가능한 100～300 m 깊이의 지중열원을 이용하여 여름에는 실내의 열을 흡수하여 지중으로 방출하는 냉방운전을 하고, 겨울에는 지중의 열을 흡수하여 실내로 방출하는 난방운전을 하는 기기이다. 지열히트펌프는 기존의 냉난방기기 대비 최대 50%까지 에너지 절약이 가능하다.
	지열히트펌프에 사용되는 지중열교환기의 방식에는 무엇이 있는가?	지열히트펌프는 기존의 냉난방기기 대비 최대 50%까지 에너지 절약이 가능하다.(1) 지열히트펌프에 사용되는 지중열교환기의 방식에는 수직밀폐형, 지중수평형, 에너지파일형, 스탠딩컬럼웰형 등이 있으며, 이 중 수직밀폐형이 다수를 차지하고 있다. 수직밀폐형 지중열교환기를 지중에 설치 시 문제점은, 난방부하에 비해 냉방부하가 큰 경우 부하의 불균형으로 인하여 국부적인 지중온도의 상승을 초래하여 지열히트펌프의 냉방성능이 크게 감소한다.
	하이브리드 지열히트펌프의 단점은?	보조기기는 지중열원을 보충할 수 있을 정도로 적절한 용량설계가 필요하다. 하지만, 기존 지열히트펌프에 비하여 보조기기의 추가로 인한 기기의 구성 및 제어가 복잡해지는 단점이 있다. Yavutzuk and Spitler(5)는 하이브리드 지열히트펌프에서 여러 가지 제어전략에 따른 비교연구를 수행하였다.

참고문헌 (12)

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Man, Y., Yang, H., and Wang, J., 2010, Study on hybrid ground-coupled heat pump system for air-conditioning in hot-weather areas like Hong Kong, Applied Energy, Vol. 87, pp. 2826- 2833.

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Park, H., Kim, W., Jeon, J., and Kim, Y., 2010, Optimization of a hybrid ground source heat pump using the response surface method, Proceedings of the SAREK 2010 Summer Annual Conference, pp. 611-616.
Yavuzturk, C. and Spitler, J. D., 2000, Comparative study of operating and control strategies for hybrid ground-source heat pump systems using a short time step simulation model, ASHRAE Trans., Vol. 106, No. 2, pp. 192- 209.

상세보기
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ISO, 1998, Water-source heat pump testing and rating for performance; Part 2:Waterto- water and brine-to-water heat pumps, ISO 13256-2.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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