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문제 정의
- 본 연구는 지열히트펌프시스템의 지열측 입/출구 온도차를 이용한 지열순환펌프의 가변유량 제어방법을 제안하고, 이를 실제 H사의 시범주택에 설치된 용량가변형 지열히트펌프시스템에 대한 실증연구 통하여 적용 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 지열측 입/출구 온도의 차를 이용한 지열순환펌프의 유량을 제어하는 방법을 제안하고, 실제 H사의 시범주택에 설치한 지열히트펌프시스템에 대한 실증연구를 수행하여 다음과 같은 결과 및 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 난방방식은 지열히트펌프시스템의 온수를 이용한 건식바닥복사난방 방식이며, 냉방은 지열히트펌프시스템의 냉매배관이 실내기에 직접 연결되며 실내기 팬을 이용하여 실내공기를 냉방하는 방식을 채택하고 있다. 급탕은 저탕조의 설정온도를 기준으로 시스템이 운전되도록 하고 있으며, 삼방밸브를 이용하여 필요시에는 난방온수가 급탕부하의 일부를 감당할 수 있도록 설계되었다. Fig.
- 본 연구는 기존의 정속순환펌프를 변속순환펌프로 교체하고 변유량제어를 실시하기 위하여 지열측 입/출구 목표온도차는 3℃로 고정하고 펌프의 최소가동율은 40%로 설정하였으며, 이를 통하여 유량 감소로 인한 히트펌프시스템의 성능저하에 대한 안전성을 고려하였다. Table 4는 지열순환펌프의 교체 전과 후에 비교적 유사한 운전조건을 나타내는 3월 25일과 12월 14일의 측정결과를 비교하여 나타내고 있다.
- 본 연구는 실증주택의 지열히트펌프시스템의 지열순환펌프의 유량제어를 위하여 기존의 단상 정속순환 펌프를 삼상 순환펌프로 교체하고, 인버터를 포함한 별도의 순환펌프 유량제어기를 제작하여 설치하였다.(6)
- 지열히트펌프의 난방성능은 일반적으로 히트펌프의 응축기에서 생산된 열량(Q)을 히트펌프의 압축기 소비전력(W)으로 나누고 이를 성적계수(Coefficient of Performance, COP)로 표시된다. 하지만, 본 연구에서는 실증주택의 난방 및 급탕 부하를 감당하기 위하여 응축기에서 생산된 총열량(kW)을 투입된 총전력(kW) 즉, 압축기와 순환펌프에 투입된 소비전력(kW)으로 나누어 전체 지열히트펌프시스템의 성능을 평가 하였다. 지열순환펌프 개수 전에 지열히트펌프시스템의 총 생산열량은 81 kWh/day으로 나타났고 시스템 전체 소비 전력은 35 kWh/day로 나타남으로서 성적계수는 COP 2.
대상 데이터
- 의 그린홈 시범주택이다. 대상건물은 Fig. 1의 좌측에 위치한 단독주택으로 기존주택 대비 총에너지 30% 및 냉, 난방 에너지 50% 이상 절감을 목표로 설계되었으며, 이를 달성하기 위하여 고성능창호 및 외단열시스템 등 건축적인 에너지절감 요소뿐만 아니라 건물의 냉, 난방 및 급탕 설비시스템으로 지열히트펌프시스템을 적용하였다.
- 대상건물의 지열히트펌프시스템은 기본적으로 하나의 실외기를 이용하여 냉, 난방 및 급탕 모두를 감당할 수 있도록 구성되어 있다. 난방방식은 지열히트펌프시스템의 온수를 이용한 건식바닥복사난방 방식이며, 냉방은 지열히트펌프시스템의 냉매배관이 실내기에 직접 연결되며 실내기 팬을 이용하여 실내공기를 냉방하는 방식을 채택하고 있다.
- 본 연구의 대상건물은 대전에 위치한 H사의 지상 2층으로 연면적 214 m2의 그린홈 시범주택이다. 대상건물은 Fig.
- 본 연구의 온도차를 이용한 가변유량제어 시스템의 구성은 지열히트펌프의 지열측 입/출구 온도센서, 온도 차 연산기능 및 비례적분(PI)제어 기능을 포함한 유량 제어기, 변환모듈기, 인버터, 및 펌프를 포함하고 있다. Fig.
- 한편, 대상건물은 지열히트펌프시스템의 지중열교환기를 설치하기 위하여 깊이 150 m와 100 m의 두 개의 천공을 가지고 있으며, 보어홀 간격은 5 m이고 지중 순환수는 동파를 방지하기 위하여 에탄올을 혼합액으로 사용하였다. 또한, 지열 천공이 위치한 토양 열전도도는 측정결과 3.
성능/효과
- (1) 초기에 과다 설계된 대상건물의 정속 지열순환펌프를 고효율의 변속 순환펌프로 교체하고, 본 연구에서 제안한 지열측 입/출구 온도차에 의한 지열순환펌프 가변유량제어를 실시한 결과, 실측된 유량(39.1 lpm)이 최대 설계유량(118 lpm)에 비하여 거의 66% 감소함으로써 펌프의 소비동력이 평균 94.6% 절감되는 효과가 나타났다.
- (2) 지열히트펌프의 부분부하 시에 측정된 지열순환펌프의 소비전력이 유량의 세제곱에 거의 비례하여 나타남으로써 본 연구에서 제시한 입/출구 온도차에 의한 지열순환펌프의 유량제어방법이 실증연구를 통하여 유효한 것으로 나타났다.
- (3) 지열순환펌프 개수 전과 후에 지열히트펌프시스템의 난방 성적계수는 순환펌프의 소비동력을 포함하여 COP 2.35에서 COP 2.61로 나타남으로써 전체적인 시스템의 성능이 향상되었다.
- (4) 결론적으로 본 연구를 통해 지열히트펌프시스템은 히트펌프 자체의 효율도 중요하지만 순환펌프의 효율 및 제어방법이 시스템 전체의 효율개선에서 중요한 요소로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
- 1 lpm으로 거의 50% 감소한 결과이다. 결과적으로 변속순환펌프의 최대 설계유량(118 lpm)에 비하여 실측 유량(39.1 lpm)이 거의 66% 감소함으로써 펌프의 소비동력이 평균 94.6% 절감되는 효과가 나타났다. 한편, Fig.
- 61로 산출되었다. 결과적으로 지열순환펌프 개수 후에 펌프의 소비동력 감소로 인하여 전체적으로 지열히트펌프시스템의 성능이 향상되는 효과가 나타났다(Fig. 10 참조).
- 한편, 측정된 지열순환펌프의 유량이 펌프의 최소가동율(40%) 부근에 밀집되어 나타났다. 따라서 시스템의 안전성을 고려하여 설정한 입/출구 목표온도차(3℃)를 일반적으로 사용되는 입/출구 온도차(5℃) 수준으로 조정하고, 펌프의 최소 가동율(40%)도 30% 수준으로 작게 설정하여 유량을 감소시키면 펌프 소비동력의 추가적인 절감도 가능할 것으로 판단된다.
- 5 kW)에 비하여 대부분 부분부하 상태로 운전되는 것으로 나타났다. 또한, 지열순환펌프 개수 후에 지열히트펌프시스템의 매시간 생산열량 및 소비전력이 전체적으로 감소하였으나 전체 시스템의 가동시간은 늘어난 것으로 나타났다. 이는 지열순환펌프 개수 전과 후에 낮과 밤의 외기온도 차에 따른 실증주택의 난방 부하의 변동, 이에 대응하는 지열히트펌프시스템의 압축기 용량변화, 그리고 지열순환펌프의 운전방식 변화 등의 복합적인 요인에 기인한 것으로 판단된다.
- 35로 산출되었다. 순환펌프 개수 후에 지열히트펌프시스템의 총 생산열량이 124 kWh/day이고 소비전력은 48 kWh/day로 나타났으며 성적계수는 COP 2.61로 산출되었다. 결과적으로 지열순환펌프 개수 후에 펌프의 소비동력 감소로 인하여 전체적으로 지열히트펌프시스템의 성능이 향상되는 효과가 나타났다(Fig.
- 하지만, 본 연구에서는 실증주택의 난방 및 급탕 부하를 감당하기 위하여 응축기에서 생산된 총열량(kW)을 투입된 총전력(kW) 즉, 압축기와 순환펌프에 투입된 소비전력(kW)으로 나누어 전체 지열히트펌프시스템의 성능을 평가 하였다. 지열순환펌프 개수 전에 지열히트펌프시스템의 총 생산열량은 81 kWh/day으로 나타났고 시스템 전체 소비 전력은 35 kWh/day로 나타남으로서 성적계수는 COP 2.35로 산출되었다. 순환펌프 개수 후에 지열히트펌프시스템의 총 생산열량이 124 kWh/day이고 소비전력은 48 kWh/day로 나타났으며 성적계수는 COP 2.
- 지열순환펌프 유량제어를 실시한 후에 유량이 평균 73.1 lpm에서 39.1 lpm으로 감소하였으며, 펌프의 소비 동력은 평균 825.2 W에서 44.8 W로 크게 감소하였다(Fig. 8 참조). 이는 Table 5와 같이 1차적으로 펌프의 교체 전과 후의 설계용량이 0.
- 11은 지열순환펌프 개수 후에(11월 14일) 1분 간격으로 측정한 지열순환펌프의 유량과 소비전력의 상관관계를 나타내고 있다. 측정된 지열순환펌프의 소비 전력이 유량의 세제곱에 거의 비례하여 나타남으로써 본 연구에서 제시한 입/출구 온도차에 의한 지열순환 펌프의 유량제어 방법이 펌프의 상사법칙에 유사하게 부합하는 것으로 나타났다. 한편, 측정된 지열순환펌프의 유량이 펌프의 최소가동율(40%) 부근에 밀집되어 나타났다.
후속연구
- 향후에는 지열히트펌프시스템의 냉방성능, 초기투자비, 및 에너지절감 효과 등을 종합적으로 고려한 시스템 최적화 및 실용화를 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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