[논문]수평형 지열 히트펌프 난방 성능 분석을 위한 실험적 연구

임병찬; 조성우

doi:10.17664/ksgee.2016.12.2.007

Abstract ▼ AI-Helper

This study have an objective to suggest basic data and measured result of heating performance on water-water type horizontal geothermal heat pump which is based on heating and cooling load calculation result of small residential house. The average temperature during measured periods is $9.4^{\c...

This study have an objective to suggest basic data and measured result of heating performance on water-water type horizontal geothermal heat pump which is based on heating and cooling load calculation result of small residential house. The average temperature during measured periods is $9.4^{\circ}C$ on primary EWT and is $7.6^{\circ}C$ on primary LWT. The temperature difference shows $1.8^{\circ}C$ as average temperature. Because the average outdoor temperature of peak is lager than on December and than on January, the temperature difference between EWT and LWT is bigger that on January than that on December. The system COP is 3.62.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 총 길이 542.8m, Slinky type의 매설관을 지중 3m 깊이에 매설하여 수평형 지열히트 펌프 시스템에 대한 난방 성능을 파악하기 위하여 실측 실험을 수행하였으며, 이에 따른 결과는 아래 와 같이 정리할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 지열히트펌프의 경우 수평형에 대한 실험 또는 이론적 결과에 대한 발표는 소수이며, 특히 국내에서는 지중깊이 3m 이내에 설치된 수평형 지열 히트펌프에 대한 연구 결과는 극히 드물다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 소규모 주택에 대한 냉방과 난방부하를 산출하고, 이를 근거로 물-물방식의 수평형 지열히트펌프에 대한 난방 성능을 측정하여 이에 대한 성능을 파악함과 동시에 기초적인 자료를 제시하는데 목적을 두었다.

가설 설정

히트펌프 성능파악을 위하여 K-type 열전대를 관내 유량 속에 직접 삽입할 수 있도록 제작하였고, 유량측정은 측정범위에 따라 오차가 나타남에 따라 지열히트펌프의 순환수량을 근거로 하였으며, 온도 및 유량 센스는 데이터로그와 연결하여 1분 간격으로 측정하였다. 전력측정량은 히트펌프와 순환펌프 를 동일한 전력선에 연결하여 압축기 소요전력과 순환펌프 소요전력을 구분하지 않고 측정을 수행하였으나, 1차측과 2차측에서 가동되는 순환펌프의 전력소비량은 1,200W이므로 이 값 이하에서는 순환펌프만 작동된 것으로 가정하였으며, 이에 대한 내용은 Table 2와 같다. 전력측정계의 경우 순간값만이 측정됨에 따라 측정간격은 측정 최소 간격인 5 초 간격으로 수행하였고, 이를 시간당으로 정리하여 결과를 분석하였다.

제안 방법

난방기간에 대한 수평형 지열 히트펌프 성능을 파악하기 위하여 35일간 측정하였다. 수평형 지열히 트펌프에 대한 실험 계통도는 Fig.
수평형 지열히트펌프 성능을 파악하기 위하여 먼저 바닥면적이 124 m²(1층 66 m², 2층 58 m²)이고, 벽체 열관류율은 0.45 W/m²K, 바닥과 지붕은 각각 0.178 W/m²K, 0.16 W/m²K를 가진 소규모 주택에 대 한 냉방과 난방부하를 Design Builder[10]를 활용한 시뮬레이션 결과에 따르면 피크 시, 난방과 냉방부하는 각각 505 kWh와 1,874 kWh로 나타났으며[11], 이를 토대로 지열히트펌프 설계시 활용되고 있는 GLD(Ground loop Design)프로그램[12]을 이용하여, slinky type 매설관이 매설되는 트렌치는 4곳, 각 트 렌치 길이는 16.7m의 결과를 얻었다. 각 트렌치에 매설되는 관의 길이는 135.
전력측정량은 히트펌프와 순환펌프 를 동일한 전력선에 연결하여 압축기 소요전력과 순환펌프 소요전력을 구분하지 않고 측정을 수행하였으나, 1차측과 2차측에서 가동되는 순환펌프의 전력소비량은 1,200W이므로 이 값 이하에서는 순환펌프만 작동된 것으로 가정하였으며, 이에 대한 내용은 Table 2와 같다. 전력측정계의 경우 순간값만이 측정됨에 따라 측정간격은 측정 최소 간격인 5 초 간격으로 수행하였고, 이를 시간당으로 정리하여 결과를 분석하였다.
지열히트펌프 성능은 온도 차이와 순환수량에 좌우되므로 EWT(Entering Water Temperature)와 LWT (Leaving Water Temperature)에 각각 온도 센스를 설치하였고, 순환수량 파악을 위하여 유량계(측정오차 ± 1.0%)는 출구측에 설치하였고, 히트펌프 성능 파악에 있어서 중요한 요소인 전력량도 측정하였다.
히트펌프 성능파악을 위하여 K-type 열전대를 관내 유량 속에 직접 삽입할 수 있도록 제작하였고, 유량측정은 측정범위에 따라 오차가 나타남에 따라 지열히트펌프의 순환수량을 근거로 하였으며, 온도 및 유량 센스는 데이터로그와 연결하여 1분 간격으로 측정하였다. 전력측정량은 히트펌프와 순환펌프 를 동일한 전력선에 연결하여 압축기 소요전력과 순환펌프 소요전력을 구분하지 않고 측정을 수행하였으나, 1차측과 2차측에서 가동되는 순환펌프의 전력소비량은 1,200W이므로 이 값 이하에서는 순환펌프만 작동된 것으로 가정하였으며, 이에 대한 내용은 Table 2와 같다.

대상 데이터

7m의 결과를 얻었다. 각 트렌치에 매설되는 관의 길이는 135.7m이며, 총 매설된 관 길이는 542.8m이며, 본 논문에 적용된 지열히트펌프의 사양은 Table 1과 같다. 매설관의 재질은 PE관으로 하였고 지중 3m 깊이에 Fig.
8m이며, 본 논문에 적용된 지열히트펌프의 사양은 Table 1과 같다. 매설관의 재질은 PE관으로 하였고 지중 3m 깊이에 Fig. 2와 같이 매설하였으며, 지열히트펌프에 대한 기계 장치 설비는 Fig. 3 과 같다. 난방모드에서는 1차측 낮은 온도의 매체가 지중과의 열교환을 통하여 온도가 상승되어 히트펌프로 유입되고, 2차측에서는 히트펌프에서 유출되는 고온의 매체가 대상실에 열을 방출하고 온도가 하강되어 히트펌프로 유입된다.

성능/효과

(1) 측정기간 동안 지중온도는 7.7℃~13.5℃의 분포를 보이고, 1차측의 EWT-LWT의 평균 온도차이는 1.8℃를 나타내고 있다. 또한 EWT- LWT의 변화 폭에 대한 양상은 외기온도의 변화양상과 비슷하게 나타남에 따라 외기온도와 COP는 어느 정도의 관계가 있는 것으로 판단된다.
(2) 측정기간 중 12월과 1월 평균 외기온도는 각 각 6.6℃, 4.9℃인 경우, EWT와 LWT의 온도 차이는 외기온도가 낮은 1월에서 큰 차이를 나타내고 있으며, 시스템 전반에 대한 COP는 2.1로 다소 낮게 나타났다. 이는 실험실의 작은 체적과 충분한 단열이 되지 않아 축열이 이루어지지 않은 것이 원인으로 판단된다.
(3) 2차측 LWT와 EWT의 평균 온도는 각각 51.3℃와 49.7℃로 나타났으며, 온도 차이에 대한 평균값은 1.62℃로 나타났으며, 이는 실험 대상 실내의 작은 체적으로 인하여 충분한 열교환이 일어나지 않는 것이 원인으로 파악된다.
1차측에서는 지중과의 열교환을 수행한 반면, 2차 측에 설치된 FCU에서의 난방모드는 실내공기가 고온의 열매와 열교환을 통하여 실내 온도를 상승시킨 후, 열을 방출한 열매는 온도가 하강된 상태로 지열히트펌프로 유입된다. 2차측 LWT와 EWT의 온도 분포와 이에 대한 차이는 Fig. 8과 같고, LWT와 EWT의 평균 온도는 각각 51.3℃와 49.7℃로 나타났으며, 온도 차이에 대한 평균값은 1.62℃로 나타났다. 2차측에서 열교환이 작게 나타난 원인으로는 본 실험 대상실의 작은 체적과 충분한 단열이 이루어지지 않은 것이 하나의 원인으로 작용한 것으로 판단된다.
열교환이 발생하는 1차측에서의 지중온도는 열교 환과 관련성이 있으므로 지중온도를 측정하였으며, 측정기간 동안 지중온도는 7.7℃~13.5℃의 분포를 보이는 것으로 나타났다. 또한, 지중과 열교환이 발생하는 1차측에 대한 EWT의 온도분포는 3.
이상에서 살펴본 바와 같이 지열히트펌프의 경우 수평형에 대한 실험 또는 이론적 결과에 대한 발표는 소수이며, 특히 국내에서는 지중깊이 3m 이내에 설치된 수평형 지열 히트펌프에 대한 연구 결과는 극히 드물다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 소규모 주택에 대한 냉방과 난방부하를 산출하고, 이를 근거로 물-물방식의 수평형 지열히트펌프에 대한 난방 성능을 측정하여 이에 대한 성능을 파악함과 동시에 기초적인 자료를 제시하는데 목적을 두었다.

후속연구

7℃라고 보고하고 있다. 그러나 실질적으로 매설길이는 50m 이상이 필요하므로 이에 대한 실측연구는 구현하지 못하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 히트펌프는 어떻게 나뉘는가?	국내의 경우 냉방과 난방에 활용되는 지열에너지는 대부분 히트펌프와 결합하여 사용되고 있는 실정이다. 지열 히트펌프는 열교환기의 매설방법에 따라 수직형, 수평형과 건물일체형으로 나눌 수 있다.
	지열히트펌프 성능은 어떠한 요소에 따라 좌우되는가?	지열히트펌프 성능은 온도 차이와 순환수량에 좌 우되므로 EWT(Entering Water Temperature)와 LWT (Leaving Water Temperature)에 각각 온도 센스를 설치하였고, 순환수량 파악을 위하여 유량계(측정오차 ± 1.0%)는 출구측에 설치하였고, 히트펌프 성능 파악에 있어서 중요한 요소인 전력량도 측정하였다.
	고효율 히트펌프로의 교체가 이루어지는 배경은 무엇인가?	세계적으로 주거용에서 소비되는 에너지는 증가 추세에 있으며, 특히 주거용에서 사용되는 에너지의 54%가 난방과 냉방에 사용된다고 하고 있다. 가정용으로 소비되는 에너지 가운데 난방이 대략 28%를 차지하고 있고, 이 가운데 86%가 화석연료인 석유와 가스가 차지하고 있다. 화석연료 및 에너지 절약을 위하여 고효율 히트펌프로의 교체가 이루어지고 있으며, 이로 인하여 연간 1,200만 t-CO2를 줄일 수 있다[1]고 한다.

참고문헌 (12)

에너지관리공단, 2014, 2013년 신재생에너지 보급통계, p. 8.
http://greenpassivesolar.com/
Yoo, G. S., Park, M., Choi, G. H., and Shin, H. J., 2009, Performance Evaluation of Large Borehole Ground-Loop Heat Exchanger, Proceeding of SAREK, pp. 58-63.
Lee, B. D., Lee, D. W., and Lee, S. J., 2009, A Study on Entering Water Temperature in Vertical Closed Ground Loop System Considering the Economical Feasibility in Load of the Office Building, Proceeding of SAREK, pp. 579-585.
Sohn, B. H., 2012, Performance Analysis of Ground-Coupled Heat Pump System with Slinky-Type Horizontal Ground Heat Exchanger, Vol. 24, No. 3, pp. 230-239.

원문보기 상세보기
Karl, O., 2010, GeothermaL Heat Pumps, Earthscan, pp. 11-15.
MortazaYari, Nader Javaani, Alireza Ansari, and Hasan Moradian, 2005, Design and Installation of the First Geothermal Heat Pump in Iran, Proceedings World Geothermal Congress 2005, pp. 1-6.
Amir A. Safa, Alan S. Fung, and Rakesh Kumar, 2015, Heating and cooling performance characterisation of ground source heat pump system by testing and TRNSYS simulation, Renewable Energy, Vol. 83, pp. 565-575.

상세보기
Na Zhu, Pingfang Hu, Wei Wang, Jianming Yu, and Fei Lei, 2015, Performance analysis of ground water-source heat pump system with improved control strategies for building retrofit, Renewable Energy, Vol. 80, pp. 324-330.

상세보기
http://www.designbuilder.co.uk/
Hwang, Y. H., Choi, J. M., and Cho, S. W., 2012, Groundpipe type and length for applicability of geothermal heat pump in small residential houses, KIAEBS, Vol. 6, No. 4, pp. 216-221.
http://www.groundloopdesign.com/

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