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문제 정의
- 또한 Esen et al.(3)은 수평형 지중열교환기 매설 깊이가 시스템의 냉난방 성능 변화에 미치는 영향을 실험을 통해 규명하였다. 아울러 측정 결과를 이용하여 엑서지(exergy) 해석을 수행한 후, 성능 향상을 위해 개선이 필요한 부분도 제시하였다.
- Lee et al.(7)은 수직 밀폐형 지중열교환기의 순환수 유량이 히트펌프의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 또한 지열원 멀티 히트펌프(multi-heat pump)를 시설원예에 설치하고 난방성능을 분석한 연구(8)도 수행되었다.
가설 설정
- 12 kW였다. 부하 계산 시 시스템은 오전 8시부터 오후 8시까지 12시간 운전되는 것으로 가정하였으며, 실제 실험에서도 이를 적용하였다.
제안 방법
- (1)은 최대 냉난방 부하가 각각 3.3 kW와 5.5 kW인 일본의 전형적인 단독주택(200㎡)에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 이를 위해 해당 지역의 기상 데이터와 지중 온도 등을 적용하여 수평형 지중열교환기의 연간 성능변화를 분석하였다.
- 8은 냉방부하가 최대로 걸리는 8월 16일을 기준으로 3일 동안의 측정 결과를 도시한 것이다. 각종 온도 변화와 지중열교환기의 단위 길이당 열 전달 성능(heat injection rate), 그리고 히트펌프와 전체 시스템의 SPF, 소비전력량 변화 등을 나타내었다. 난방 측정 결과와 마찬가지로 지중열교환기의 열전달 성능과 EWT는 시간대별 부하 변동에 대응하면서 변하는 것을 볼 수 있다.
- 1은 수평형 지중열교환기를 적용한 소형 시스템의 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.
- 2는 대상 건물의 냉난방 부하와 지중열교환기 길이 계산에 필요한 외기 온도와 깊이별 지중온도 변화를 기상청 데이터를 이용하여 도시한 것이다. 대상 건물의 최대 부하가 걸리는 설계일(design day)은 각각 8월 16일(냉방)과 12월 31일(난방)이었으며 설계 온도로 -11.3℃(난방)와 31.2℃(냉방)를 적용하였다. 모든 정보를 입력하여 최대 냉난방 부하를 계산한 결과 각각 5.
- 따라서 본 연구에서는 수평형 지중열교환기를 적용한 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘수평형 지열 히트 펌프 시스템’)을 대상으로 성능 분석에 필요한 데이터를 측정한 후, 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다.
- 35℃였으며, 이 값들은 설계 EWT 범위인 5℃(난방)와 30℃(냉방) 사이에 있음을 확인할 수 있었다. 본 시스템은, 앞서도 설명하였듯이, 하루 중 오전 8시부터 오후 8시까지 12시간 운전되도록 설정하였다. 동시에 시스템은 설계 실내 온도(냉방 26℃, 난방 22℃)에 따라 운전과 정지가 반복된다.
- 본 연구에서는 수평형 지중열교환기를 적용한 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 지중열교환기 순환 수의 히트펌프 입․출구 온도, 지중열교환기의 열전달 성능 그리고 시스템 에너지 소비량 등을 측정한 후, 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 지식경제부(신 · 재생에너지센터) 지침(13)에 따라 Fig. 1에 표시한 3지점에서 트렌치 바닥을 기준으로 약 15 cm 높이에서 각각 5회 측정한 결과를 평균하여 적용하였다.
- (3)은 수평형 지중열교환기 매설 깊이가 시스템의 냉난방 성능 변화에 미치는 영향을 실험을 통해 규명하였다. 아울러 측정 결과를 이용하여 엑서지(exergy) 해석을 수행한 후, 성능 향상을 위해 개선이 필요한 부분도 제시하였다.
- 온도 측정을 위해 T-type 열전대를 사용하였으며 실내외 온습도 측정을 위해 디지털 온습도계(TR72S, T&D corporation)를 사용하였다.
- 온도, 소비 전력 그리고 지중 순환수 유량 등의 데이터를 10분 간격으로 측정한 후 데이터 획득 시스템에 기록하였다. Kline(14)이 제안한 방법에 따라 측정 결과에 영향을 미치는 데이터와 변수의 편차들을 조합하여 실험결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였으며, 결과를 Table 1에 정리하였다.
- 5 kW인 일본의 전형적인 단독주택(200㎡)에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 이를 위해 해당 지역의 기상 데이터와 지중 온도 등을 적용하여 수평형 지중열교환기의 연간 성능변화를 분석하였다. 아울러 수평형 지중열교환기의 길이가 증가함에 따라 시스템의 냉난방 성능이 증가하는 것을 확인하였다.
- 온도 측정을 위해 T-type 열전대를 사용하였으며 실내외 온습도 측정을 위해 디지털 온습도계(TR72S, T&D corporation)를 사용하였다. 적산 전력계(MX2040, Tektronix)를 이용하여 시스템의 소비전력을 측정하였으며, 히트펌프만의 소비 전력 측정을 위해 별도의 전력계(Powermeter, AOIP)를 설치하였다.
- 는 수평형 지중열교환기를 채택한 시설원예용 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 정상상태 에너지 해석을 통해 시스템과 지중열교환기의 성능을 분석하고 그 결과를 제시하였다. 또한 Esen et al.
- 이때 물(90%)과 메탄올(10%)을 혼합하여 지중 순환수로 사용하였다. 지중 순환수 유량은 히트펌프 제조사가 권장하는 유량인 0.3 l/s로 설정하였으며, 체적유량계(RFA rotor flowmeter, GEMS Sensors)를 이용하여 유량을 측정하였다.
- 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 유기물 등으로 구성된다.
대상 데이터
- 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 건축용 강모래를 트렌치 바닥에서 10 cm까지 골고루 깐 후 파이프를 올려놓고, 이 상태에서 다시 20 cm 높이까지 동일한 재료를 채웠다.
- 4 ㎥의 대상 건물(시험 공간)을 시공하였다. 제한된 부지 때문에 비교적 작은 건물을 시공하였지만, 성능 분석에 필요한 냉난방 부하(또는 지중 부하)를 최대한 구현하고 동시에 온실을 모사하기 위해 대상 건물의 외벽을 두께 10 mm의 강화유리로 하였다.
- 한국건설기술연구원(37°39ʼN, 126°48ʼE)내 부지에 면적 18.4 ㎡와 체적 64.4 ㎥의 대상 건물(시험 공간)을 시공하였다.
이론/모형
- 온도, 소비 전력 그리고 지중 순환수 유량 등의 데이터를 10분 간격으로 측정한 후 데이터 획득 시스템에 기록하였다. Kline(14)이 제안한 방법에 따라 측정 결과에 영향을 미치는 데이터와 변수의 편차들을 조합하여 실험결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였으며, 결과를 Table 1에 정리하였다.
- 5 m 이하의 측정값과 계산 결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다. 따라서 파이프 매설 깊이인 2 m지점의 연 평균 지중 온도 산정을 위해 기존 상관식을 이용하였다.
- 수평형 지중열교환기 설계를 위해, IGSHPA(10)가 제안한 방법을 적용하였다. 이 방법은 설계 조건에서 히트펌프의 용량(capacity)과 성능계수(COP) · 파이프와 토양의 열저항 · 시스템 운전율 · 히트펌프 입구에서 지중 순환수의 최고/최저 온도 · 지중 온도 등을 이용하여 길이를 산정한다.
성능/효과
- (1) 측정 기간 중 히트펌프 입구에서 지중열교환기 순환수의 최고․최저 온도는 각각 29.46℃와 14.35℃였다.
- (2) 난방 측정 기간 중 지중열교환기의 열전달 성능과 EWT는 시간대별 부하 변동에 대응하면서 변하였으며, 특히 난방부하가 증가함에 따라 EWT는 지속적으로 감소하였다. 이는 다시 히트펌프 출구 온도(LWT) 감소로 이어졌으며, 이에 따라 지중온도도 지속적으로 감소하였다.
- (3) 난방 중 지중열교환기는 평균 1.74 kWh의 에너지를 추출하였으며 이 에너지와 평균 소비전력량인 0.96 kWh를 실내로 공급하였다. 또한 히트펌프와 시스템의 평균 COP는 3.
- (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.
- 2%까지 감소하였다. 난방결과와 비교했을 때, 시스템 SPF의 변화폭(2.69～3.53, 난방 2.77～2.81)은 상대적으로 컸으며, 히트펌프의 SPF 대비 감소율(난방 79.0%)은 작았다. 다소 큰 용량의 지중 순환수 펌프가 설치된 상황에서, 난방에 비해 히트펌프와 지중 순환수 펌프의 운전 시간이 길었기 때문인 것으로 판단된다.
- 9는 시간대별 측정 결과를 평균하여 일별로나타낸 것이다. 냉방 측정 기간 중, 히트펌프와 시스템의 평균 SPF는 4.39(최고 5.56/최저 3.52)와 3.31(최고 3.79/최저 2.93)인 것으로 분석되었다. 이때 지중 순환수의 온도차(LWT-EWT)는 평균 2.
- 동시에 시스템은 설계 실내 온도(냉방 26℃, 난방 22℃)에 따라 운전과 정지가 반복된다. 따라서 시스템 가동 중 지중 순환수 온도와 지중온도 변화 등은 시스템 정지 상태에서의 변화와 다른 경향을 보였다. 이에 대해서는 다음에 상세히 기술하였다.
- 시스템이 24시간 연속 운전될 경우 EWT와 지중온도는 지속적으로 감소할 것으로 예상되나, 그림에서 보듯이 12시간 주기와 실내 설정 온도에 따라 운전과 정지를 반복하였기 때문에 이에 상응하여 온도가 변함을 볼 수 있다. 또한 3월과 4월 결과를 비교했을 때, 난방부하가 상대적으로 큰 3월의 온도 변화폭이 4월보다 크게 나타남을 확인할 수 있다.
- 96 kWh를 실내로 공급한 것으로 분석되었다. 또한 시스템과 히트펌프의 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.
- 아울러 난방부하가 감소하다 일정한 경우(3월 25일) 나 감소하다 다시 증가하는 경우(3월 26일)에도 이에 상응하여 각종 온도가 변하는 것을 볼 수 있다. 또한 시스템이 정지했을 때 지중온도의 회복 특성은 양호한 것으로 파악되었다.
- 설계 일을 기준으로 나머지 일(8월 15일과 8월 17일)에서도 지중 순환수의 온도는 건물 부하 변동에 상응하여 변하였다. 또한 시스템이 정지했을 때, 지중온도의 회복 특성은 양호하였다.
- 2℃(냉방)를 적용하였다. 모든 정보를 입력하여 최대 냉난방 부하를 계산한 결과 각각 5.07 kW와 4.12 kW였다. 부하 계산 시 시스템은 오전 8시부터 오후 8시까지 12시간 운전되는 것으로 가정하였으며, 실제 실험에서도 이를 적용하였다.
- 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 변화폭보다 컸으며, 또한 6월에서 8월로 시간이 경과함에 따라 일별 최고 EWT는 다소 증가하는 경향을 보였다. 이에 대해서는 제 4.
- 이를 위해 해당 지역의 기상 데이터와 지중 온도 등을 적용하여 수평형 지중열교환기의 연간 성능변화를 분석하였다. 아울러 수평형 지중열교환기의 길이가 증가함에 따라 시스템의 냉난방 성능이 증가하는 것을 확인하였다.
- 19℃였다. 아울러 지중열교환기의 에너지 추출량은 평균 1.74 kWh였 으며, 이 에너지와 평균 소비전력인 0.96 kWh를 실내로 공급한 것으로 분석되었다. 또한 시스템과 히트펌프의 평균 COP는 2.
- 31이었다. 지중 순환수의 온도 차는 평균 2.66℃였으며, 평균 3.87 kWh의 에너지를 지중으로 방출하였다. 아울러 시스템은 평균 0.
- 1에 표시한 3지점에서 트렌치 바닥을 기준으로 약 15 cm 높이에서 각각 5회 측정한 결과를 평균하여 적용하였다. 측정 결과, 토양의 평균 열전도도와 열확산계수는 각각 1.74 W/mK과 0.048 ㎡/day이었다.
- 3은 전체 측정기간(2011년 3월 17일～2011년 8월 31일) 동안 수평형 지중열교환기의 출구(히트펌프 입구, EWT)와 입구(히트펌프 출구, LWT) 온도 그리고 트렌치 바닥의 온도(깊이 2 m 지점) 변화를 나타낸 것이다. 측정 기간 중 히트펌프 입구에서 지중열교환기 순환수의 최고․최저 온도는 각각 29.46℃와 14.35℃였으며, 이 값들은 설계 EWT 범위인 5℃(난방)와 30℃(냉방) 사이에 있음을 확인할 수 있었다. 본 시스템은, 앞서도 설명하였듯이, 하루 중 오전 8시부터 오후 8시까지 12시간 운전되도록 설정하였다.
- 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.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 수평형 지중열교환기를 적용한 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘수평형 지열 히트 펌프 시스템’)을 대상으로 성능 분석에 필요한 데이터를 측정한 후, 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다. 본 결과는 향후 수평형 지열 히트펌프 시스템의 국내 적용 가능성을 판단하고 이와 유사한 시스템을 보급하는 데 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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