[논문]콤팩트형 태양열/지열히트펌프 하이브리드 냉난방 및 급탕 시스템 개발 및 성능분석

백남춘; 정선영; 윤응상; 이경호

doi:10.7836/kses.2012.32.5.059

콤팩트형 태양열/지열히트펌프 하이브리드 냉난방 및 급탕 시스템 개발 및 성능분석
The Development and Performance Analysis of Compact Type Solar Thermal/Ground Coupled Heat Pump Hybrid System for Heating, Cooling and Hot water 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.5, 2012년, pp.59 - 67

백남춘 (한국에너지기술연구원) , 정선영 (한국에너지기술연구원) , 윤응상 (한국에너지기술연구원) , 이경호 (한국에너지기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study,the compact type solar thermal and ground coupled heat pump hybrid system for space heating/cooling and hot water supply has been developed. This hybrid system was installed in Zero Energy Solar House(ZeSH) in KIER for the demonstration. The thermal performance and operational characteristics of this hybrid system were analysed especially. The results are as follows. (1) This hybrid system was designed in order to address the existing disadvantages of solar thermal/ground coupled heat pump system. For this design, all parts except solar collector and ground coupled heat pump were integrated into a single product in a factory. The compact type unit includes two buffer tanks, an expansion tank, pumps, valves, a controller, etc. This system has an advantage of easy installation with simple plumbing work even in narrow space. (2) The thermal charging and discharging time of the buffer tanks and its characteristics by ground coupled heat pump, and heat pump COP according to geo-source temperature and buffer storage temperature have been studied. This system was found to meet well to the heat load without any other auxiliary heating equipment. (3) The operating hours of the ground coupled heat pump as a backup device of solar thermal can be reduced significantly by using solar heat. It was also found that the minimum heating water supply setting temperature and maximum cooling water supply setting temperature make an influence on the heat pump COP. The lower heating water and the higher cooling water temperature, the higher COP. In this respect, the hybrid system's performance can be improved in ZeSH than conventional house.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 운전에너지를 가능한한 최소화시키면서 주택의 냉난방 및 급탕을 신재생에너지로 공급하는 콤팩트형 태양열/지열 하이브리드 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 제로에너지 솔라하우스(ZeSH)에 설치하고 실증시험 및 분석을 수행하였다.
태양열 지열 하이브리드 시스템은 태양열시스템과 지열히트펌프 시스템이 혼합된 것으로 시스템 구성이 복잡하기 때문에 그린홈과 같은 에너지 자립형 주택에 본 시스템을 보급 및 확대를 위해서 FactoryMade형으로 콤팩트하게 만들어져야 한다. 이에 본 연구에서는 이러한 목적으로 개발된 콤팩트형 태양열/지열 하이브리드 시스템을 소개하고 실증시험을 통해 작동성능을 파악하고자 한다.

제안 방법

실내 온도설정은 동절기는 23℃,하절기는 26℃로 하였다. 온수 공급은 매일 오전과 오후에 각각 150L(총 300L/day)의 온수를 자동밸브와 타이머를 사용하여 강제 배출하였다. 모든 데이터는 1분 간격으로 PC에 저장하도록 하였다.
본 연구에서는 운전에너지를 가능한한 최소화시키면서 주택의 냉난방 및 급탕을 신재생에너지로 공급하는 콤팩트형 태양열/지열 하이브리드 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 제로에너지 솔라하우스(ZeSH)에 설치하고 실증시험 및 분석을 수행하였다. 그 결과를 종합하면 다음과 같다.
이에 한국에너지기술연구원(KIER)에 주택부하구성비에 맞는 건물에너지 저감기술과 신재생에너지 기술을 조합하여 체계적으로 대부분의 에너지를 자급하는 주택인 제로에너지 주택(이하 ZeSH)을 개발하여 실증 시험용 모델을 건립하였다. 에너지 자립형 주택에서는 가능한 한 화석에너지 사용없이 아주 적은 운전비용으로 냉난방 및 급탕공급이 가능해야 한다.
측정용 온도센서는 급탕축열조에 상, 하단부, 버퍼탱크에 등간격으로 3개를 설치하였으며, 각 열매체 순환회로에 전자식 질량유량계, 수평, 수직, 경사면 및 집열면에 각각 일사량계를 설치하였다. 집열기 및 탱크에 연결된 모든 배관의 입출구의 열매체 온도 측정을 위해 온도센서를 설치하였다.
측정용 온도센서는 급탕축열조에 상, 하단부, 버퍼탱크에 등간격으로 3개를 설치하였으며, 각 열매체 순환회로에 전자식 질량유량계, 수평, 수직, 경사면 및 집열면에 각각 일사량계를 설치하였다. 집열기 및 탱크에 연결된 모든 배관의 입출구의 열매체 온도 측정을 위해 온도센서를 설치하였다.
태양열 집열시스템으로부터 온 고온의 집열매체는 항상 급탕축열조를 우선 가열하고 난후 열매체의 온도와 버퍼탱크의 온도 차에 따라서 버퍼탱크 내의 열교환기를 통과하거나 아니면 직접 집열기로 들어가게 된다. 태양열 시스템의 작동상태를 알아보기 위해 일사량이 좋은 날과 일사량의 변화가 크면서 좋지 않은 날 각각에 대해서 작동상태 및 성능을 분석하였다.
태양열시스템의 백업용으로 작동되는 지열히트펌프의 작동상태를 모니터링 결과를 이용하여 동절기 난방 및 급탕공급시와 하절기 냉방공급시 각각 하루 동안의 결과에 대하여 성능을 분석하였다.

대상 데이터

1에 있는 바와 같다. 시스템은 태양열 집열기, 지열히트펌프 외에 급탕전용 축열조와 냉난방용 축열조(하절기는 냉축열조, 비하절기에는 난방축열조), 그리고 펌프, 팽창탱크, 밸브 및 안전장치, 제어장치 등으로 구성된다.

성능/효과

(1) 콤팩트형 하이브리드 시스템은 태양열 집 열기와 지열히트펌프를 제외한 대부분의 설비부품을 하나의 패키지로 콤팩트화 시켜서 전체를 Factory made가 가능하도록 개발된 것으로 좁은 공간(기계실)에도 설치가 가능하며, 현장에서 간단한 배관 작업으로 설치가 용이하다.
(2) 일사량의 강도가 전혀 다른 두 날에 대한 ON-OFF 운전결과로부터 콤팩트형 태양열/지열 하이브리드 시스템의 작동이 정상적으로 작동됨을 확인할 수 있다.
(3) 보일러와 같은 화석에너지를 사용하는 별도의 백업설비 없이도 2.5kW의 적은 용량의 지열히트펌프를 백업장치로 하는 태양열/지열 하이브리드 시스템으로 주택의 냉난방 및 급탕 부하를 100% 공급할 수 있었다.
(4) 백업용으로 작동되는 지열히트펌프에 의해 동절기 난방의 경우 COP가 3.4～2.75이고 1회 운전시간은 약 50분 전후로 나타났고, 하절기 냉방의 경우 COP는 3.3～2.5이고 1회 운전시간은 약 90～120분 정도가 되는 것으로 나타났다. 히트펌프의 COP는 축열온도가 높을수록 그리고 냉방온도가 낮을수록 낮아지기 때문에 고단열, 고기밀화 된 주택에서는 가능한한 난방공급 최저 설정온도는 낮게, 그리고 냉방공급 최고 설정온도는 높게 하는 것이 효과적이다.
실내 냉방 설정온도는 26℃로 하였으며, 히트펌프 On/Off 설정온도는 정상보다 낮은 10/5℃로 하였다. 그 결과 히트펌프의 1회 작동시간은 약 90분 ～120분 정도가 되는 것으로 나타났다.
이러한 목적으로 선행연구⁴⁾를 통해서 개발된 것이 태양열과 지열이 복합된 “태양열/지열 하이브리드 냉난방 및 급탕시스템”이다. 이 시스템은 처음으로 ZeSH에 적용되어 실증시험을 통해 에너지 자립을 위한 효용성을 입증하였다.
일사량이 전혀 다른 두 날에 대한 운전결과로부터 콤팩트형 태양열/지열 하이브리드 시스템의 작동이 정상적으로 작동됨을 확인할 수 있다.이것은 태양열시스템이 백업 역할을 하는 태양열 지열 하이브리드 시스템이 정상적으로 작동됨을 알 수 있는 결과이다.
6～8에 있는 바와 같다. 지열히트펌프는 태양열에 의해서 높아진 버퍼탱크로부터 방열이 일어나기 시작하여 일정온도 이하로 떨어지는 야간에 거의 주기적으로 작동되었으며, 1회 작동시간은 약 90～100분 정도가 되는 것으로 나타났다. 지열히트펌프의 제어는 버퍼탱크와 급탕 축열조의 온도에 의해서 이루어진다.

후속연구

끝으로 이 시스템은 화석연료 사용하는 기기없이 냉난방 및 급탕이 가능하고 컴팩트화시켰기 때문에 향후 그린홈이나 에너지 자립형 주택에 효율적인 적용 및 보급 확대가 기대될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제로에너지 주택이란 무엇인가?	이에 한국에너지기술연구원(KIER)에 주택부하구성비에 맞는 건물에너지 저감기술과 신재생에너지 기술을 조합하여 체계적으로 대부분의 에너지를 자급하는 주택인 제로에너지 주택(이하 ZeSH)을 개발하여 실증 시험용 모델을 건립하였다. 에너지 자립형 주택에서는 가능한 한 화석에너지 사용없이 아주 적은 운전비용으로 냉난방 및 급탕공급이 가능해야 한다.
	에너지 자립형 주택의 개발을 위하여 선행연구로부터 개발된 것은 무엇인가?	에너지 자립형 주택에서는 가능한 한 화석에너지 사용없이 아주 적은 운전비용으로 냉난방 및 급탕공급이 가능해야 한다. 이러한 목적으로 선행연구4)를 통해서 개발된 것이 태양열과 지열이 복합된 “태양열/지열 하이브리드 냉난방 및 급탕시스템”이다. 이 시스템은 처음으로 ZeSH에 적용되어 실증시험을 통해 에너지 자립을 위한 효용성을 입증하였다.
	에너지 자립형 주택에서는 무엇이 가능해야 하는가?	이에 한국에너지기술연구원(KIER)에 주택부하구성비에 맞는 건물에너지 저감기술과 신재생에너지 기술을 조합하여 체계적으로 대부분의 에너지를 자급하는 주택인 제로에너지 주택(이하 ZeSH)을 개발하여 실증 시험용 모델을 건립하였다. 에너지 자립형 주택에서는 가능한 한 화석에너지 사용없이 아주 적은 운전비용으로 냉난방 및 급탕공급이 가능해야 한다. 이러한 목적으로 선행연구4)를 통해서 개발된 것이 태양열과 지열이 복합된 “태양열/지열 하이브리드 냉난방 및 급탕시스템”이다.

참고문헌 (5)

Mohsen, M., et al., Thermal analysis of compact solar water heater under local climatic conditions, Elsevier Science B.V., Amsterdam, .Vol. 36, No. 9, 2009, pp. 962-968,

상세보기
Eisberg, N., HOUSE PROUD: BASF has created a nearzero-energy house, Chemistry and industry, No. 22, 2006, pp. 20-23,
Nam-Choon B., et al, A Study on the Operating Characteristics of Solar Collecting System in Solar Thermal/Geothermal Hybrid System with Facade Integrated Solar Collector, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 30, No. 5, 2010. 10, pp. 69-76
U-Cheul S., et al, Analysis of Thermal Performance of Ground-Source Heat Pump System, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No. 2, 2006. 6, pp.95-101
Nam-Choon B., et al,, Thermal Performance of Solar Thermal System by On-Off Differential Temperature of Differential Temperature Controller, Journal of the Korean SolarEnergy Society, Vol.25, No.2, 2005. 6, pp. 1-8

저자의 다른 논문 :

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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