[논문]한랭지(몽골) 지열 히트펌프 시스템의 모니터링과 성능 분석

최재호; 민경천; 손병후

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문제 정의

국내 지열 냉난방 기술의 국외(몽골) 진출 타당성을 분석하기 위해 본 연구를 수행하였다. 우리와 비슷한 환경에서 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석한 사례는 많이 있다.
본 연구에서는 몽골 울란바토르에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 분석하였다. 이를 위해 모델하우스에 수직 밀폐형 지열 시스템을 설치하였으며, 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다.

제안 방법

하지만 몽골과 같이 매우 열악한 환경에서 지열 시스템의 성능을 분석한 사례는 거의 없다. 몽골 울란바토르와 같이 한랭지에 설치된 지열 시스템의 난방 성능 특성을 규명하기 위해 그림 1의 모델하우스에 지열 시스템을 설치하였다. 여기에 각종 센서와 데이터 획득 장비를 설치하여 데이터를 측정하였다.
몽골 울란바토르와 같이 한랭지에 설치된 지열 시스템의 난방 성능 특성을 규명하기 위해 그림 1의 모델하우스에 지열 시스템을 설치하였다. 여기에 각종 센서와 데이터 획득 장비를 설치하여 데이터를 측정하였다. 이러한 분석 결과는 지열 시스템의 성능과 경제성을 확보하는데 필요한 기초 자료가 될 것이다.
지중열교환기와 전체 시스템 설치에 앞서 열응답 시험을 수행하였으며, 이를 통해 1.94 W/mK 의 지중 열전도도를 산정하였다. 겨울철 울란바토르의 외기와 지중 온도 그리고 히트펌프 운전 온도 등을 고려하여 에틸렌글리콜과 물을 혼합하여 지중 순환수로 사용하였다.
모델 하우스에 설치된 지열 시스템의 난방 성능 분석은 2013년 10월 19일부터 2014년 3월 26일까지 측정한 데이터를 이용하였다. 시스템 운전 시 지중 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량 그리고 부하 측 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량을 등을 1초 간격으로 측정하였다. 아울러 전력량계를 이용하여 소비전력을 측정하였으며, 이를 이용하여 시스템과 히트펌프의 난방 COP를 산정하였다.
시스템 운전 시 지중 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량 그리고 부하 측 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량을 등을 1초 간격으로 측정하였다. 아울러 전력량계를 이용하여 소비전력을 측정하였으며, 이를 이용하여 시스템과 히트펌프의 난방 COP를 산정하였다.
그림 2는 2014년 1월 8일의 데이터 중, 지중 순환수의 온도변화와 지중열교환기의 열 추출량 (extracted energy from ground)을 1분 간격으로 나타낸 것이다. 지중열교환기의 열 추출량은 순환수의 온도 차이와 유량으로 계산하였다. 본지열 시스템은 실내 난방부하(부하 측 온수 설정 온도)에 따라 운전(on)과 정지(off)를 반복한다.
본 연구에서는 몽골 울란바토르에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 분석하였다. 이를 위해 모델하우스에 수직 밀폐형 지열 시스템을 설치하였으며, 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
겨울철 울란바토르의 외기와 지중 온도 그리고 히트펌프 운전 온도 등을 고려하여 에틸렌글리콜과 물을 혼합하여 지중 순환수로 사용하였다. 지중열교환기 그라우팅 재료로 시멘트 혼합물을 주입하였다. 국내에서 몽골 울란바토르에 수직 밀폐형 지열 시스템을 설치한 사례는 거의 없다.

대상 데이터

그림 1의 모델 하우스(단독주택)에 수직 밀폐형 지열 히트펌프 시스템을 설치하였다. 대상 건물의 냉난방 면적은 420 m²(지상 1층과 2층 각각 192 m², 차고 36 m²)이다. 냉난방 피크부하는 각각 33.
7 kW로 난방부하가 냉방부하보다 상대적으로 크다. 한랭지(몽골)에 적합한국내 D사(40GWE)의 물 대 물 히트펌프를 설치하였다. 난방 시 히트펌프의 열원(지중 순환수) 의 온도 범위는 -7.
94 W/mK 의 지중 열전도도를 산정하였다. 겨울철 울란바토르의 외기와 지중 온도 그리고 히트펌프 운전 온도 등을 고려하여 에틸렌글리콜과 물을 혼합하여 지중 순환수로 사용하였다. 지중열교환기 그라우팅 재료로 시멘트 혼합물을 주입하였다.
모델 하우스에 설치된 지열 시스템의 난방 성능 분석은 2013년 10월 19일부터 2014년 3월 26일까지 측정한 데이터를 이용하였다. 시스템 운전 시 지중 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량 그리고 부하 측 순환수의 히트펌프 입∙출구 온도와 유량을 등을 1초 간격으로 측정하였다.

성능/효과

23 kWh의 에너지를 모델 하우스에 공급하였다. 시스템은 평균 242.66 kWh의 전력을 소비하였으며, 난방 COP는 2.76이었다. 아울러 평균 EST와 LST는 각각 -0.
76이었다. 아울러 평균 EST와 LST는 각각 -0.89℃와-4.84℃이었으며, ELT와 LLT는 43.46℃와 47.54℃이었다. 표 2는 난방 성능분석 결과를 월별 평균값으로 정리한 것이다.
(3) 시스템은 평균 242.66 kWh의 전력을 소비하였으며 평균 난방 COP는 2.76이었다.
(4) 평균 EST와 LST는 -0.89℃와 -4.84℃이었으며, ELT와 LLT는 43.46℃와 47.54℃이었다.

후속연구

여기에 각종 센서와 데이터 획득 장비를 설치하여 데이터를 측정하였다. 이러한 분석 결과는 지열 시스템의 성능과 경제성을 확보하는데 필요한 기초 자료가 될 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

지열 히트펌프 시스템은 무엇으로 구성되었나?

지열 히트펌프 시스템은 크게 지중열교환기와 지열 히트펌프로 구성된 냉난방 시스템이다. 기존 설비에 비해 냉난방 에너지를 크게 줄일 수 있는 대안으로 최근 들어 많은 관심을 받고 있다.

지중열교환기와 전체 시스템 설치에 앞서 수행한 것은?

지중열교환기와 전체 시스템 설치에 앞서 열응답 시험을 수행하였으며, 이를 통해 1.94 W/mK 의 지중 열전도도를 산정하였다.

이점과 안전율 등을 고려하여 난방 설계 온도 (design EST)를 -10℃로 한 이유는?

겨울철 울란바토르의 외기와 지중 온도 그리고 히트펌프 운전 온도 등을 고려하여 에틸렌글리콜과 물을 혼합 하여 지중 순환수로 사용하였다. 지중열교환기 그라우팅 재료로 시멘트 혼합물을 주입하였다. 국내에서 몽골 울란바토르에 수직 밀폐형 지열 시스템을 설치한 사례는 거의 없다. 따라서 이점과 안전율 등을 고려하여 난방 설계 온도 (design EST)를 -10℃로 하였다.

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