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문제 정의
- 지열-냉각탑 하이브리드 시스템을 대상으로 장기간 데이터를 측정한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 병원 건물에 설치한 지열-냉각탑 하이브리드 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다. 시스템에 각종 센서와 계측 장비를 설치한 후 2014년 1월부터 데이터를 측정하였다.
제안 방법
- Fig. 2에 표시한 위치에서 온도(PT-100Ω)와 유량(Euromag International, MUT-1222)을 측정하였다. 아울러 전력 측정 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 사용하여 전력 소비량을 측정하였다.
- 건물에 필요한 설비를 설계할 당시, 지하층과 공조실 등을 제외한 실제 사용 공간의 최대 부하는 냉방 1,598.7 kW와 난방 1,360.4 kW를 적용하였다. 여기서 지열 시스템은 냉방 1,434.
- 아울러 전력 측정 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 사용하여 전력 소비량을 측정하였다. 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 1초 간격으로 측정값을 저장한 후, 결과를 분석하였다.
- 기존 국내외 연구는 하이브리드 지열 시스템의 성능을 주로 시뮬레이션으로 분석하였다. 또한 제어 방법과 시스템 구성 방법이 전체 시스템의 성능에 미치는 영향을 주로 분석하였다. 지열-냉각탑 하이브리드 시스템을 대상으로 장기간 데이터를 측정한 연구는 부족하다.
- 아울러 전력 측정 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 사용하여 전력 소비량을 측정하였다.
- 4 kW를 적용하였다. 여기서 지열 시스템은 냉방 1,434.8 kW(408 RT)와 난방 970.8 kW(276 RT)를 담당하는 것으로 설계하였다. 나머지는 전기구동 히트펌프(EHP, 129.
- 본 연구는 하이브리드 지열 히트펌프 시스템의 장기(2014년 2월∼2015년 2월) 성능을 분석하였다. 장기 성능 분석에 앞서, 특정 냉방 기간의 시간대별 성능을 분석하였다. 대상 건물이 있는 양산 지역의 2014년 최고 기온은 36.
- 대상 건물의 면적은 2,230 m2이며, 시스템은 수직형 지중열교환기 70개와 냉각탑(275 kW) 등으로 구성된다. 측정 결과를 이용하여 지중열교환기의 열 방출량(냉방), 열 추출량(난방), 냉각탑과 전체 시스템의 에너지 소비량 등을 분석하였다. 시스템의 에너지 소비량 중 히트펌프는 77%, 순환펌프는 19%, 냉각탑은 4%를 차지한다고 밝혔다.
대상 데이터
- 1은 대상 건물 그리고 시스템의 대표 구성 요소인 히트펌프와 냉각탑을 보여준다. 대상 건물은 진료실과 입원실 등으로 조합된 대학병원 건물(경상남도 양산시 소재, 지하 2층/지상 8층)이며, 연면적은 17,610 m2이다. 지하 2층 기계실에 지열 히트펌프와 지중 순환수 펌프 등 시스템의 주요 요소들이 있으며, 지하 1층에는 전기실, 강당, 도서관이 있다.
- Phetteplace와 Sullivan(8)은 냉각탑 병용 하이브리드 지열 시스템의 성능을 측정하였다. 대상 건물의 면적은 2,230 m2이며, 시스템은 수직형 지중열교환기 70개와 냉각탑(275 kW) 등으로 구성된다. 측정 결과를 이용하여 지중열교환기의 열 방출량(냉방), 열 추출량(난방), 냉각탑과 전체 시스템의 에너지 소비량 등을 분석하였다.
- 장기 성능 분석에 앞서, 특정 냉방 기간의 시간대별 성능을 분석하였다. 대상 건물이 있는 양산 지역의 2014년 최고 기온은 36.0℃(2014년 7월 31일)이었다. 따라서 최고 기온을 보인 날을 포함하여 일주일(2014년 7월 28일∼8월 3일) 동안의 운전 특성을 Fig.
- 실제 성능 분석에는 2014년 2월부터 2015년 2월까지 측정한 데이터를 이용하였다. 본 논문은 하이브리드 지열 시스템의 단기 냉방 성능과 장기 성능 변화 서술로 한정하였다.
- 본 시스템은 5월 중순부터 10월 중순까지 5개월은 냉방 모드로 그리고 약 6개월(1월∼4월, 11월∼12월)은 난방 모드로 운전되었다.
- 본 연구는 하이브리드 지열 히트펌프 시스템의 장기(2014년 2월∼2015년 2월) 성능을 분석하였다.
- 본 연구에서는 병원 건물에 설치한 지열-냉각탑 하이브리드 시스템의 냉난방 성능을 분석하였다. 시스템에 각종 센서와 계측 장비를 설치한 후 2014년 1월부터 데이터를 측정하였다. 실제 성능 분석에는 2014년 2월부터 2015년 2월까지 측정한 데이터를 이용하였다.
- 시스템에 각종 센서와 계측 장비를 설치한 후 2014년 1월부터 데이터를 측정하였다. 실제 성능 분석에는 2014년 2월부터 2015년 2월까지 측정한 데이터를 이용하였다. 본 논문은 하이브리드 지열 시스템의 단기 냉방 성능과 장기 성능 변화 서술로 한정하였다.
- 아울러 정격 소비전력 5 kW의 지중 순환수 펌프(Grundfos, TP50-340/4) 10대가 히트펌프에 일대일로 대응한다. 지중열교환기 순환수로 물(80%)-에틸알코올(20%) 혼합 유체를 사용하며, 부하측 냉온수로는 물을 사용한다. 또한 팽창탱크(500리터)는 지중 순환수를 안정적으로 공급하고 동시에 시스템 압력을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다.
- 보어홀에 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 재질의 지중열교환기 파이프가 단일 U관(single U-tube) 형상으로 삽입되어 있다. 파이프 외경은 42.2 mm이고 내경은 34.5 mm다. 보어홀 내 빈 공간은 벤토나이트 20%와 물 80%의 질량비율로 혼합한 그라우팅 재료로 채웠다.
성능/효과
- (1) 지중열교환기와 지열 히트펌프는 건물 부하에 따라 운전(ON)과 정지(OFF)를 반복하였다. 냉방 부하가 가장 크게 걸리는 날을 포함한 일주일(2014년 7월 28일∼8월 3일) 동안 EST는 평균 27.
- (2) 특정 기간(2014년 7월 28일∼8월 3일) 중, 히트펌프와 시스템의 평균 냉방 성능지수는 4.74와 3.71이었다.
- (3) 본 시스템은 5월 중순부터 10월 중순까지 5개월은 냉방 모드로 그리고 약 6개월(1월∼4월, 11월∼12월)은 난방 모드로 운전되었다.
- (4) 냉방 기간 중, 냉수 공급 온도는 평균 11.7℃이었으며, 설계 온도인 12℃를 넘지 않았다. 또한 난방 기간 중에는 일평균 39℃∼40℃의 온수를 공급하였다.
- (5) 지열 히트펌프만의 월 평균 성능지수는 3.8∼8.4이었다. 반면 냉각탑을 포함한 하이브리드 지열 히트펌프 시스템의 월평균 성능지수는 2.
- 본 건물은 냉방 에너지부하가 난방 에너지부하보다 상대적으로 큰 건물이다. 냉방 운전 시 지중으로 방출되는 열이 지중열교환기 주변에 축적되며, 따라서 일반적인 경우보다 일평균 EST는 비교적 높은 온도를 유지하였다. 아울러 Fig.
- 5(b)에서 보듯이, 부하 측 운전 특성 역시 지중열교환기의 운전 특성과 유사하였다. 전체 냉방 기간 중, 냉수 공급 온도(LLT)는 평균 11.7℃이었으며, 설계 온도인 12℃를 넘지 않았다. 또한 난방 모드에서는 일평균 39℃∼40℃의 온수를 공급하였다.
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