지열 히트펌프 시스템에서 히트펌프 등 시스템 구성 요소의 에너지 소비량을 효율적으로 관리하면, 냉난방 성능을 더 높일 수 있다. 본 논문은 외기온도 제어 방식이 지열 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 분석 결과를 현재 국내에서 주로 적용하는 제어 방식(Control-A)과 비교하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어(TRNSYS 17)를 이용하여 가상 지열 시스템의 모델을 구축한 후, 시뮬레이션을 수행하였다. 외기 온도 제어 방식(Control-B)은 버퍼 탱크의 온도를 외기 온도에 따라 제어하기 때문에, 간절기 때 효과적이었다. 기존 제어 방식과 비교했을 때, 외기 온도 제어 방식은 히트펌프 전력 소비량을 7.7%(147 kWh 절감) 그리고 순환펌프 전력 소비량을 7.5%(28.1 kWh 절감) 줄일 수 있었다.
지열 히트펌프 시스템에서 히트펌프 등 시스템 구성 요소의 에너지 소비량을 효율적으로 관리하면, 냉난방 성능을 더 높일 수 있다. 본 논문은 외기온도 제어 방식이 지열 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 분석 결과를 현재 국내에서 주로 적용하는 제어 방식(Control-A)과 비교하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어(TRNSYS 17)를 이용하여 가상 지열 시스템의 모델을 구축한 후, 시뮬레이션을 수행하였다. 외기 온도 제어 방식(Control-B)은 버퍼 탱크의 온도를 외기 온도에 따라 제어하기 때문에, 간절기 때 효과적이었다. 기존 제어 방식과 비교했을 때, 외기 온도 제어 방식은 히트펌프 전력 소비량을 7.7%(147 kWh 절감) 그리고 순환펌프 전력 소비량을 7.5%(28.1 kWh 절감) 줄일 수 있었다.
Geothermal heat pump (GHP) systems have been proved to be one of the most efficient systems for heating and cooling in buildings. However, an optimal energy performance depends on a good control of the system components, including heat pumps and circulation pumps, which affect to the total energy co...
Geothermal heat pump (GHP) systems have been proved to be one of the most efficient systems for heating and cooling in buildings. However, an optimal energy performance depends on a good control of the system components, including heat pumps and circulation pumps, which affect to the total energy consumption of system. This paper presents the simulation results of the heat pump performance for two different control schemes, i.e. constant setting temperature (Control-A) and variable setting temperatures (Control-B) in buffer tank. A dynamic simulation tool, TRNSYS 17, was used to model the entire system and to assess the performance of the system. Simulation results show that the Control-B, which controls the temperature in buffer tank with outdoor air temperature, is a effective way to reduce the energy consumptions in heat pump (7.7%) and circulation pump (7.5%).
Geothermal heat pump (GHP) systems have been proved to be one of the most efficient systems for heating and cooling in buildings. However, an optimal energy performance depends on a good control of the system components, including heat pumps and circulation pumps, which affect to the total energy consumption of system. This paper presents the simulation results of the heat pump performance for two different control schemes, i.e. constant setting temperature (Control-A) and variable setting temperatures (Control-B) in buffer tank. A dynamic simulation tool, TRNSYS 17, was used to model the entire system and to assess the performance of the system. Simulation results show that the Control-B, which controls the temperature in buffer tank with outdoor air temperature, is a effective way to reduce the energy consumptions in heat pump (7.7%) and circulation pump (7.5%).
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문제 정의
본 논문에서는 기존 제어 방식과 외기온 제어 방식이 지열 히트펌프 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어를 이용하여 지열 히트펌프 시스템의 모델을 구축한 후, 동적 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문은 외기 온도 보상 제어 방식(이하 ‘외기온 제어’)이 지열 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
제안 방법
두 제어 방식이 대상 건물의 난방 부하를 감당할 수 있는지 확인하기 위해, 실내 온도 변화를 분석하였다.(Fig.
모델링 결과를 이용하여 지열 시스템의 냉난방 성능과 각종 온도 변화 등을 계산하였다. 이때 1년으로 시뮬레이션 기간을 설정하였다.
그림에서 보듯이 지중열교환기(type 557a), 지열 히트펌프(type 927), 순환 펌프(type 3d), 대상 건물(type 56) 등으로 전체 시스템을 구성하였다. 여기에 외기 온도와 제어 알고리즘 등을 추가하였다. 모델링은 필요한 구성 요소를 선택한 후, TRNSYS의 Simulation Studio에서 요소들을 물리적으로 연결하는 작업이다.
또한 분석 결과를 현재 국내에서 주로 적용하는 제어 방식(이하 ‘기존 제어’)과 비교하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어(4)로 지열 시스템의 모델을 구축한 후, 동적 시뮬레이션(transient simulation)을 수행하였다. 이를 통해 냉‧온수 온도, 시스템의 전력 소비량, 성능계수(COP) 변화 등을 계산하였으며, 본 논문에서는 부하(건물) 측 순환수의 온도와 실내 온도 변화에 대한 분석 결과로 한정하였다.
본 논문에서는 기존 제어 방식과 외기온 제어 방식이 지열 히트펌프 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어를 이용하여 지열 히트펌프 시스템의 모델을 구축한 후, 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 외기온 제어 방식을 적용하면 지열 히트펌프 시스템의 전력 소비량은 감소하며 이는 시스템 COP 향상으로 이어졌다.
이를 위해 상용 소프트웨어(4)로 지열 시스템의 모델을 구축한 후, 동적 시뮬레이션(transient simulation)을 수행하였다. 이를 통해 냉‧온수 온도, 시스템의 전력 소비량, 성능계수(COP) 변화 등을 계산하였으며, 본 논문에서는 부하(건물) 측 순환수의 온도와 실내 온도 변화에 대한 분석 결과로 한정하였다.
대상 데이터
3에 모델링 결과를 도시하였다. 그림에서 보듯이 지중열교환기(type 557a), 지열 히트펌프(type 927), 순환 펌프(type 3d), 대상 건물(type 56) 등으로 전체 시스템을 구성하였다. 여기에 외기 온도와 제어 알고리즘 등을 추가하였다.
따라서 다양한 온도 조건에서 성능을 측정한 후, 시뮬레이션 결과와 비교할 필요가 있다. 대상 건물의 에너지부하 모델링에 type 56을 이용하였으며, 이때 건물(공간) 사양은 기존 문헌(5)을 참고하였다. 참고로 이 건물에 외기온 제어 방식을 적용한 시스템을 설치하였다.
본 연구는 외기 온도 범위와 이에 부합하는 냉·온수 설정 온도를 임의로 설정하였다.
지열 시스템에서 히트펌프는 에너지를 가장 많이 소비한다. 지열 히트펌프 모델링에 TRNSYS TESS Library의 type 927을 적용하였다. 이 모듈은 물 대 물 히트펌프의 모델링이 가능하다.
데이터처리
또한 분석 결과를 현재 국내에서 주로 적용하는 제어 방식(이하 ‘기존 제어’)과 비교하였다.
시스템 모델링과 동적 시뮬레이션에 건물 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS 17(4)을 이용하였으며, Fig. 3에 모델링 결과를 도시하였다. 그림에서 보듯이 지중열교환기(type 557a), 지열 히트펌프(type 927), 순환 펌프(type 3d), 대상 건물(type 56) 등으로 전체 시스템을 구성하였다.
성능/효과
이는 기존 제어 방식은 건물 부하의 크기에 상관없이 냉·온수 온도를 일정하게 공급하지만, 외기온 제어 방식은 부하에 따라 적절한 온도로 냉·온수를 공급하기 때문이다. 또한 냉난방 부하가 큰 기간보다, 버퍼 탱크의 온도를 낮추거나 높일 수 있는 간절기에 더 효과적이었다. 참고로 간절기인 4월, 히트펌프 COP는 4.
본 논문에 그림으로 제시하지는 않았지만, 외기온 제어 방식를 적용했을 때 히트펌프 전력 소비량을 7.7%(147 kWh 절감) 그리고 순환펌프 전력 소비량을 7.5%(28.1 kWh 절감) 줄일 수 있었다. 이는 기존 제어 방식은 건물 부하의 크기에 상관없이 냉·온수 온도를 일정하게 공급하지만, 외기온 제어 방식은 부하에 따라 적절한 온도로 냉·온수를 공급하기 때문이다.
외기온 제어 방식을 적용하면 지열 히트펌프 시스템의 전력 소비량은 감소하며 이는 시스템 COP 향상으로 이어졌다. 실내 설정 온도를 같게 유지하는 조건(22℃)에서 외기온 제어 방식은 기존 방식보다 히트펌프 전력 소비량을 7.7%(147 kWh 절감) 그리고 순환펌프 전력 소비량을 7.5%(28.1 kWh 절감) 줄일 수 있었다. 또한 외기온 제어 방식은 버퍼 탱크 안의 냉·온수 온도를 외기 온도에 따라 제어하기 때문에, 간절기 때 더 효과적이었다.
이를 위해 상용 소프트웨어를 이용하여 지열 히트펌프 시스템의 모델을 구축한 후, 동적 시뮬레이션을 수행하였다. 외기온 제어 방식을 적용하면 지열 히트펌프 시스템의 전력 소비량은 감소하며 이는 시스템 COP 향상으로 이어졌다. 실내 설정 온도를 같게 유지하는 조건(22℃)에서 외기온 제어 방식은 기존 방식보다 히트펌프 전력 소비량을 7.
후속연구
따라서 온도 범위와 설정 온도에 대한 최적화 분석을 수행할 예정이다. 아울러 히트 펌프 성능 시험 데이터와 실제 측정 결과를 비교한 후, 최종적으로 시뮬레이션 결과와 비교할 예정이다.
측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면, 외기온 제어 방식의 가능성과 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증할 수 있을 것이다. 이러한 검증 결과를 이용하여 외기온의 최적 범위를 도출할 예정이다.
2의 지열 히트펌프를 이용하여 실증용 시스템을 구축한 후, 외기온 제어 방식을 적용하여 성능을 측정하고 있다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면, 외기온 제어 방식의 가능성과 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증할 수 있을 것이다. 이러한 검증 결과를 이용하여 외기온의 최적 범위를 도출할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지열 히트펌프(geothermal heat pump, GHP) 시스템의 역할은?
여러 신·재생에너지 시스템 중, 지열 히트펌프(geothermal heat pump, GHP) 시스템은 땅(지중)이 보유한 에너지를 활용하여 건물 냉난방 에너지와 온수를 공급한다. 이러한 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘지열 시스템’)은 지열 히트펌프, 지중열교환기(ground heat exchanger), 순환수 펌프(circulation pump) 등 각종 부속 설비 등으로 구성된다.
지열 히트펌프 시스템에서 히트펌프 등 시스템 구성 요소의 에너지 소비량을 효율적으로 관리하면 얻을 수 있는 이득은 무엇인가?
지열 히트펌프 시스템에서 히트펌프 등 시스템 구성 요소의 에너지 소비량을 효율적으로 관리하면, 냉난방 성능을 더 높일 수 있다. 본 논문은 외기온도 제어 방식이 지열 시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
지열 히트펌프(geothermal heat pump, GHP) 시스템의 구성은?
여러 신·재생에너지 시스템 중, 지열 히트펌프(geothermal heat pump, GHP) 시스템은 땅(지중)이 보유한 에너지를 활용하여 건물 냉난방 에너지와 온수를 공급한다. 이러한 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘지열 시스템’)은 지열 히트펌프, 지중열교환기(ground heat exchanger), 순환수 펌프(circulation pump) 등 각종 부속 설비 등으로 구성된다. 아울러 지열 시스템은 지중의 항온성을 활용하기 때문에 연중 냉난방 성능이 우수하고 이산화탄소와 같은 온실효과 가스를 적게 배출한다.
참고문헌 (5)
Atam, E. and Helsen, L., 2016, "Ground-Coupled Heat Pumps: Part 1 - Literature Review and Research Challenges in Modeling and Optimal Control," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 54, pp. 1653-1667.
Cervera-Vazquez, J., Montagud, C. and Corberan J. M., 2015, "In Situ Optimization Methodology for Ground Source Heat Pump Systems: Upgrade to Ensure User Comfort," Energy and Buildings, Vol. 109, pp. 195-208.
Jung, Y., Jo, J., , Kim, Y. and Cho, Y., 2014, "A Study on the Geothermal Heat Pump System Performance Analysis According to Water Flow Rate of the Geothermal Water Circulation Pump," Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 34, No. 6, pp. 103-109.
Klein, S., Beckman, W., Mitchell, J., Duffie, J., Duffie, N. and Freeman, T., 2008, TRNSYS 17-A Transient System Simulation Program, Madison, Wisconsin, USA.
Kong, H. J., Kang, S. J., Yun, K. S. and Lim, H. J., 2013, "An Experimental Study on the Cooling and Heating Performance of a Residential Ground Source Heat Pump System," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 3, pp. 156-163.
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