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열교환방식에 따른 지열히트펌프의 난방특성에 관한 연구
A Study on Heating Characteristics of Ground Source Heat Pump with Variation of Heat Exchange Methods 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.8 no.2, 2012년, pp.9 - 15  

차동안 (한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹) ,  권오경 (한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹) ,  박차식 (호서대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to investigate the influence on the heating performance for a water-to-water 10RT ground source heat pump by using the water switching and refrigerant switching method. The test of water-to-water ground source heat pump was measured by varying the compressor speed, loa...

주제어

#지열히트펌프   #난방특성   #냉매절환   #수절환  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 각 측정장비는 보정(calibration)을 수행한 후 유량, 온도 및 압력 등을 다채널 온도기록장치 (40CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다. 계측장비의 오차로써 유량은±0.
  • 측정장비로 압축기 구동에 필요한 소비전력을 측정하는 전력분석계 및 온수, 열원수 입․출구에 열전대와 마그네틱 전자유량계(유량범위:10 m 3/h)를 설치하였다. 냉매 질량유량계를 설치하여 시스템 내부의 냉매유량을 측정하였다. 이를 통해 부하측의 온수와 열원수의 온도 및 유량과 냉매의 온도, 유량으로 시스템의 열평형을 측정하여 실험에 반영하였으며, 시스템 각 부분의 정확한 압력과 온도를 측정하기 위해 고․저압 압력계와 T-type 열전대를 설치하였다.
  • 배관의 구성은 3-way 밸브의 조작으로 인한 유량변화를 최소화하기 위하여 평행류와 대향류의 입구 및 출구 배관부품의 사용과 길이를 2m로 동일하게 설치하였다.
  • 본 연구에서는 지열을 이용하는 히트펌프의 성능향상을 위한 방안으로 난방운전에서 열교환 방식을 3-way 밸브를 이용하여 온수, 열원수와 냉매의 열교환을 대향류와 평행류로 운전이 가능하도록 시스템을 설계, 제작하여 성능을 비교분석하였다.
  • 응축기와 증발기는 히트펌프 시스템의 특성상 냉난방운전을 감안하여 35 kW로 동일한 용량의 판형열교환기를 설치하였으며, 팽창밸브는 용량 45 kW의 TXV를 사용하여 상용화 설비에 가깝게 운전되도록 하였다. 수액기는 5 kg 용량을 설치하여 난방 운전과 냉방운전에서의 냉매 부족현상을 보완하도록 설계, 제작하였다.
  • 실험에서 지열히트펌프의 난방능력은 식 (1)을이용하였으며 냉매와 온수의 열평형을 비교하여 시스템 열손실을 최소화하고자 하였다.
  • 2는 실험대상인 지열을 이용하는 히트펌프 에 증발기와 응축기의 열교환 방식을 대향류, 평행류로 비교실험하기 위한 난방사이클의 개략도이다.실험에서 지중열원에 해당되는 열원측의 온도는 정밀항온조로 모사하였으며, 부하측의 온수도 마찬가지로 항온조를 통하여 부하를 제어하였다.
  • 실험은 대향류와 평행류 형태의 열교환 방식 변화를 기준으로 압축기 회전수 변화에 따른 난방능력, 소비전력, COP를 파악하였고, 지역, 계절별로 상이한 열원수의 유입온도의 변화에 따른 냉매순환량과 COP의 변화를 파악하였다.
  • 실험은 먼저 열원수(heat source)입구의 온도와 유량을 설정하고, 온수(load)입구의 온도와 유량을 일정하게 유지되도록 한 후 히트펌프 열교환기에 유입되도록 하였다. 히트펌프 시스템의 운전은 열원수와 온수측 열교환기의 입구 출구의 온도가 정상상태 즉, 온도의 변화가 ±0.
  • 압축기 회전수 변화에 따른 대향류와 평행류의 비교실험은 지열히트펌프 실험기준 중 지중루프 방식을 기준으로 온수온도와 유량은 40℃, 5.6 m3/h, 열원수의 온도와 유량은 5℃, 6.6 m3/h로 일정하게 유지하고, 압축기의 회전수를 40～60 Hz로 변화시켜 정상상태에 도달했을 때 시스템의 성능을 비교하여 검증하였다.
  • 열원수 유입온도 변화에 따른 대향류와 평행류의 비교실험은 동일한 조건에서 열원수의 유입온도를 5℃씩 상승시켜 비교하였고, 압축기 정격운전(60Hz)에서 난방부하의 증가에 따른 시스템 성능변화를 파악하기 위해 부하측의 설정온도를 40℃에서 50℃로 증가시켜 시스템 성능변화도 함께 비교 검증하였다.
  • 열원수의 경우 20 RT, 히터용량 12 kW의 항온 조를 사용하였고, 온수측의 부하는 15 RT, 히터 용량 8 kW의 항온조를 설치하여 온수와 열원수의 온도를 일정하게 유지되도록 하였다.
  • 냉매는 R-410A 를 사용하였으며, 압축기는 용량 31 kW의 밀폐형 스크롤타입을 선정하였으며, 회전수를 제어하기 위해 인버터(0～400 Hz)를 설치하였다. 응축기와 증발기는 히트펌프 시스템의 특성상 냉난방운전을 감안하여 35 kW로 동일한 용량의 판형열교환기를 설치하였으며, 팽창밸브는 용량 45 kW의 TXV를 사용하여 상용화 설비에 가깝게 운전되도록 하였다. 수액기는 5 kg 용량을 설치하여 난방 운전과 냉방운전에서의 냉매 부족현상을 보완하도록 설계, 제작하였다.
  • 냉매 질량유량계를 설치하여 시스템 내부의 냉매유량을 측정하였다. 이를 통해 부하측의 온수와 열원수의 온도 및 유량과 냉매의 온도, 유량으로 시스템의 열평형을 측정하여 실험에 반영하였으며, 시스템 각 부분의 정확한 압력과 온도를 측정하기 위해 고․저압 압력계와 T-type 열전대를 설치하였다.
  • 측정장비로 압축기 구동에 필요한 소비전력을 측정하는 전력분석계 및 온수, 열원수 입․출구에 열전대와 마그네틱 전자유량계(유량범위:10 m 3/h)를 설치하였다. 냉매 질량유량계를 설치하여 시스템 내부의 냉매유량을 측정하였다.
  • 히트펌프 시스템의 운전은 열원수와 온수측 열교환기의 입구 출구의 온도가 정상상태 즉, 온도의 변화가 ±0.5℃이내, 유량의 변화가 ±0.01 m3/h이내에 도달하면 압축기를 가동하여 인버터를 이용해 일정한 회전수로 설정하였다.

대상 데이터

  • Table 1은 본 실험에 사용된 지열히트펌프 시스템의 상세사양을 나타낸 것이다. 냉매는 R-410A 를 사용하였으며, 압축기는 용량 31 kW의 밀폐형 스크롤타입을 선정하였으며, 회전수를 제어하기 위해 인버터(0～400 Hz)를 설치하였다. 응축기와 증발기는 히트펌프 시스템의 특성상 냉난방운전을 감안하여 35 kW로 동일한 용량의 판형열교환기를 설치하였으며, 팽창밸브는 용량 45 kW의 TXV를 사용하여 상용화 설비에 가깝게 운전되도록 하였다.

이론/모형

  • Table 2는 지열히트펌프 시스템의 난방 실험조건을 나타낸 것이다. 실험은 지중루프의 온도기준인 난방인증기준(KS B ISO13256-2)(12)에 따라 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지열에너지의 장점은? 지열에너지의 경우 장소, 기후, 시간에 관계없이 적용이 가능하고 실효성 및 안정성에서 우수한 장점이 있다. 그리고 다른 신재생에너지 설비에 비해 설비투자비용 및 설비공간 활용이 용이하여 지열시스템의 보급이 해마다 증가하는 실정이다.
1차 에너지의 사용을 줄이기 위해 어떤 에너지를 사용해야 하는가? 이에 대응하기 위해 1차 에너지의 사용을 줄이고 환경친화적인 산업구조의 형태를 갖는 에너지이용기술의 도입이 필요하다. 이를 위해 다양한 형태의 신재생에너지 즉, 태양열, 태양광, 풍력, 수력, 지열 등을 이용하는 것은 에너지 절약 뿐만 아니라 환경개선의 측면에서도 가치가 높다고 할 수 있다.
지열에너지의 열원확보 방법은? 지열에너지는 지하 수백미터에서 연중 온도변화가 없으므로 동절기에는 공기열원보다 온도가 높고 하절기에는 온도가 낮아 혹서기나 혹한기에도 안정적인 열원확보가 가능해 안정적인 냉난방 운전이 가능하다. 열원의 확보는 지하 10～200m 깊이에 지열교환기를 매설하여 12℃～17℃의 지열에너지를 히트펌프와의 열교환으로 냉난방열원으로 사용이 가능하다. 이와 같은 지열에너지의 원활한 사용을 위하여 냉방과 난방을 동시에 구현할 수 있는 히트펌프 시스템의 사용이 보편화 되어 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Baek, N.C., 2001, Development of Off-Peak Electric Water Heater using Heat Pump, Energy R&D, Vol. 11, pp. 3-7. 

  2. Lee, J. Y., Chung, J. T., Woo, J. S. and Choi, J, M., 2010, Influence of the Secondary Fluid Flow Rate on the Performance of a GSHP System, Korean Journal of Air-conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 22, No. 10, pp. 649-656. 

  3. Lian Z, Park S, Qi H, 2005, Analysis on Energy Consumption of Water-Loop Heat Pump System in China, Applied Thermal Engineering, Vol. 25, pp. 73-85. 

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  4. Choi, J. M., Kang, S. H., Moon, J. M. and Kim, R. H., 2009, Daily Heating Performance of a Ground Source Multi-heat Pump at Heating Mode, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 21, No. 9, pp. 527-535. 

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  6. Hepbasli, A., 2002, Performance Evaluation of a Vertical Ground-source Heat Pump System in Izmir, Turky, Int. Journal of Energy Res., Vol. 26, pp. 1121-1139. 

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  7. Hepbasli, A., Akdemir, O., Hancioglu, E., 2003, Experimental Study of a Closed Loop Vertical Ground Source Heat Pump System, Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 527-548. 

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  8. Sohn, B. H., Cho, C. S., Shin, H. J. and An, H. J., 2005, Cooling and Heating Performance Evaluation of a GSHP System, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 71-81. 

  9. Cha, D. A., Kwon, O. K., and Park, S. G., 2011, A Study on Heating Characteristics of Ground Source Heat Pump using Water Switching Methods, Proceeding of the KSME, pp. 465-470. 

  10. Cha, D. A., Kwon, O. K., Kim, H. J., Park, S. G. and Oh, M. D., 2011, The Performance Characteristics of Ground Source Heat Pump with Change of Cooling and Heating, Proceedings of the SAREK, pp. 49-52. 

  11. Holman, J.P., 2000, Experimental Method for Engineer, 7th ed., McGraw-Hill pp. 51-60. 

  12. KS B ISO13256-2, 2003, Water-source heat pump testing and rating for performance - Part 2 : Water to water and brine to water heat pumps, Korean Standards Association. 

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