[논문]저에너지주택의 지열히트펌프시스템 냉·난방 성능분석

백남춘; 김성범; 신우철

doi:10.6110/kjacr.2016.28.10.387

저에너지주택의 지열히트펌프시스템 냉·난방 성능분석
Heating and Cooling Performance Analysis of Ground Source Heat Pump System in Low Energy House 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.28 no.10, 2016년, pp.387 - 393

백남춘 (한국에너지기술연구원 태양열연구실) , 김성범 (대전대학교 건축공학과 대학원) , 신우철 (대전대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A ground source heat pump system maintains a constant efficiency due to its stable heat source and radiant heat temperature which provide a more effective thermal performance than that of the air source heat pump system. As an eco-friendly renewable energy source, it can reduce electric power and carbon dioxide. In this study, we analyzed one year of data from a web based remote monitoring system to estimate the thermal performance of GSHP with the capacity of 3RT, which is installed in a low energy house located in Daejeon, Korea. This GSHP system is a hybrid system connected to a solar hot water system. Cold and hot water stored in a buffer tank is supplied to six ceiling cassette type fan coil units and a floor panel heating system installed in each room. The results are as follows. First, the GSHP system was operated for ten minutes intermittently in summer in order to decrease the heat load caused by super-insulation. Second, the energy consumption in winter where the system was operated throughout the entire day was 7.5 times higher than that in summer. Moreover, the annual COP of the heating and cooling system was 4.1 in summer and 4.2 in winter, showing little difference. Third, the outlet temperature of the ground heat exchanger in winter decreased from $13^{\circ}C$ in November to $9^{\circ}C$ in February, while that in summer increased from $14^{\circ}C$ to $17^{\circ}C$ showing that the temperature change in winter is greater than that in summer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 이들 연구에서는 열부하나 설치용량, 제어방식 등에 있어 실제 조건과 다소 상이하며, 현재 국내 주택에 적용되는 지열히트펌프시스템의 설계나 평가 자료로 활용하기에는 다소 부족한 점이 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 거주하는 저에너지주택을 대상으로 지열히트펌프시스템의 혹한 및 혹서일 동적운전 특성과 장·단기 열성능을 분석하였으며, 이를 통해 향후 주거건물의 시스템 최적화와 보급 촉진을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 저에너지주택에 적용된 지열히트펌프시스템의 운전특성과 연간 열성능을 평가하기 위해, 대전 소재 단독주택을 대상으로 웹기반 원격모니터링시스템을 설치하고, 그 측정 자료를 분석하였다. 실증주택은 공조면적 194 ㎡을 갖고 있는 경골 목구조의 3층 단독주택으로 지붕과 외벽의 열관류율이 각각 0.

제안 방법

지열히트펌프시스템의 동적거동을 분석하기 위해 웹 기반 원격 모니터링 시스템을 구축하였다. Fig.
지열히트펌프시스템의 성능평가는 열매체 순환펌프의 소비전력을 포함한 시스템 COP를 기준으로 하였다. 시스템 COP를 나타내면 식(1)과 같다.

대상 데이터

Table 1은 대전광역시 유성구에 위치한 실증대상 주택의 건축개요를 나타낸 것이다. 경골목구조에 1층에서 3층까지의 스킵플로어 형태로 설계되었으며, 2011년 7월 준공되었다.
본 연구에서는 저에너지주택에 적용된 지열히트펌프시스템의 운전특성과 연간 열성능을 평가하기 위해, 대전 소재 단독주택을 대상으로 웹기반 원격모니터링시스템을 설치하고, 그 측정 자료를 분석하였다. 실증주택은 공조면적 194 ㎡을 갖고 있는 경골 목구조의 3층 단독주택으로 지붕과 외벽의 열관류율이 각각 0.10W/㎡K과 0.14 W/㎡이며, 3 RT급 지열히트펌프는 태양열 급탕시스템과 연계된 하이브리드 방식으로서 설계되었다. 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.
지열히트펌프시스템의 연간 동적 열성능을 평가하기 위해 2013년 10월 1일부터 2014년 9월 30일까지 1년간의 모니터링 자료를 분석하였다.

성능/효과

(1) 외기온이 영하로 유지되는 동절기 전형적인 혹한일의 지열히트펌프는 새벽 시간대와 저녁부터 심야까지 단속적 운전이 지속되는 것으로 나타났으며, 1회 작동시간은 약 10분으로 일일 총 작동시간은 271분이 되었다.
(2) 하절기 전형적인 혹서기 지열히트펌프의 작동은 외기온이 높아지는 주간대에 집중되고, 심야시간대에는 간헐적으로 이루어졌으며, 작동패턴은 동절기와 동일하게 단속적 운전특성을 보이고 있다. 히트펌프의 1회 가동시간은 약 7분으로 일일 총가동시간은 147분으로 나타났다.
(3) 동절기 지중열교환기 출구 열매체는 난방 초기(11월 초) 13℃ 내외에서 난방말기(2월 말) 9℃ 내외로 점차 낮아지고 있으며, 이 기간 난방 시스템 COP는4.6에서 3.7로 저하되었다.
(4) 하절기 지중열교환기 출구 열매체는 냉방초기(6월 초) 14℃ 내외에서 냉방말기(8월 말) 17℃ 내외로 점차 상승하였으며, 난방기간에 비해 상대적으로 적은 온도변화를 보이고 있다. 이 기간 냉방 시스템 COP는 4.
(5) 전일 난방되는 동절기의 연간 히트펌프 전력사용량은 1,815 kWh로 간헐적으로 냉방되는 하절기, 259kWh에 비해 7.5배 이상 많은 것으로 분석되었으며, 연간 냉·난방 시스템 COP는 각각 4.2와 4.1로 거의 동일하게 나타났다.
⁽²⁾은 캐나다 토론토에 소재한 실험주택을 대상으로 수평형 지중열교환기를 갖는 지열히트펌프시스템의 모니터링자료를 분석하고, 이를 기반으로 검증된 TRNSYS 시뮬레이션을 통해 동하절기 열성능과 시스템 제어전략을 제시하였다. 그 결과 냉방 성능계수(Coefficient of Performance, 이하 COP)은 4.9～5.6로 나타났으며, 난방 COP에서는 난방 초기 3.05～3.44에서 난방기간이 끝날 무렵에는 2.78～2.98로 다소 낮아지는 것으로 조사되었다. 또한 Liu et al.
⁽⁶⁾은 냉난방 및 급탕 공급을 위한 3 RT 규모의 콤팩트형 태양열/지열하이브리드 시스템을 개발하고 실험용 주택(제로에너지 솔라하우스)을 대상으로 실증실험을 수행하였다. 난방 및 냉방 COP 범위는 각각 3.4～2.75와 3.3～2.5로서 난방성능이 다소 높은 것으로 나타났으며, 1회 평균 운전시간은 50분과 110분이 되었다. 이어 Kong et al.
2 ㎥을 갖는 기숙사 일부 건물을 대상으로 5 RT급 지열히트펌프의 냉난방 운전성능을 분석하고 제조사의 성능자료와 비교하였다. 냉·난방기 히트펌프의 평균 시스템COP는 각각 3.32와 3.29가 되었으며, 히트펌프 COP와 대비할 때 80.3%와 85% 수준인 것으로 나타났다. 그러나 지열히트펌프의 용량이 공조면적에 비해 과다한 것으로 판단되며, 시스템 제어 또한 2차측 열매체의 입출구 온도차를 기준으로 설정되어 실제 주거용 건물의 제어방식과는 차이를 보이고 있다.
이 연구에서 나타난 바와 같이 저에너지주택에 설치된 3 RT급 지열히트펌프가 실제 냉·난방부하에 대응하여 적절하게 작동하는 것을 확인하였다. 따라서 국내 주택에 보급되고 있는 지열히트펌프 용량이 대부분 5RT급인 점을 고려할 때 향후 주택의 냉난방 부하 및 제어조건에 따른 적절한 용량설계가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
Table 4는 지열히트펌프시스템의 연간 냉난방 성능을 비교한 것이다. 전일 난방되는 동절기의 에너지 사용량이 간헐적으로 냉방되는 하절기에 비해 7.5배 이상 많은 것으로 분석되었으며, 연간 냉방과 난방 평균 시스템 COP는 각각 4.2와 4.1로 나타났다. Table 3에서 제시된 제작사 히트펌프 냉·난방 정격 COP 4.

후속연구

이 연구에서 나타난 바와 같이 저에너지주택에 설치된 3 RT급 지열히트펌프가 실제 냉·난방부하에 대응하여 적절하게 작동하는 것을 확인하였다. 따라서 국내 주택에 보급되고 있는 지열히트펌프 용량이 대부분 5RT급인 점을 고려할 때 향후 주택의 냉난방 부하 및 제어조건에 따른 적절한 용량설계가 이루어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열히트펌프시스템의 장점은?	지열히트펌프시스템은 안정적인 열원 및 방열온도로 인해 연중 일정한 효율을 갖게 되며 공기열원히트펌프에 비해 상대적으로 높은 열성능을 나타낸다. 따라서 지열히트펌프는 기존시스템의 전기에너지와 이산화탄소를 절감할 수 있는 환경 친화적인 재생에너지원으로 인식되고 있다.
	본 연구에서 지열히트펌프시스템의 동적거동을 분석하기 위해 사용한 모니터링 시스템이 측정하는 요소는?	Fig. 2에 표시된 바와 같이 외기온 및 거실온도, 지열히트펌프 1,2차측 열매체 온도, 순환펌프의 단락신호, 지열히트펌프와 순환펌프의 소비전력 등이 1분 간격으로 측정되고, 서버에 저장된다.
	2009년~2014년 우리나라 지열히트펌프시스템 보급현황은?	국내에서도 주거용 건물의 지열히트펌프시스템 보급을 촉진하기 위해 2009년부터 설치비 일부를 지원하는 그린홈 보급사업을 실시하고 있으며, 한전에서는 누진제가 적용되지 않는 일반용 전력을 주택의 지열히트펌프시스템에 한정하여 공급하고 있다. 에너지공단의 그린홈 지열히트펌프시스템 보급현황을 보면 2009년부터 2014년 9월까지 6,905세대에 설치되었으며, 이때 누적 보급량은 90,450 kW로서 세대별 평균 설치용량은 주택의 크기나 부하조건에 상관없이 거의 5 RT(17.5 kW)급인 것으로 추정된다.(1)

참고문헌 (7)

2014 NEW and RENEWABLE ENERGY WHITE PAPER, New and Renewable Energy Center, 2014.
Safa, A. A., Fung, A. S., and Kumar, R., 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
Liu, S., Shukla, A., and Zhang, Y., 2014, Investigations on the integration and acceptability of GSHP in the UK dwellings, Building and Environment, Vol. 82, pp. 442-449.

상세보기
Sohn, B.-H., Cho, C.-S., Shin, H.-J., and An, H.-J., 2005, Cooling and Heating Performance of a GSHP System, Korean Journal of Air-Conditioning and Refregeration Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 71-81.
Sohn, B.-H., Choi, J.-M., and Choi, H.-S., 2011, Performance Simulation of Ground-Coupled Haet Pump (GCHP) System a Detached House, Korean Journal of Air-Conditioning and Refregeration Engineering, Vol. 23, No. 6, pp. 392-399.

원문보기 상세보기
Baek, N.-C., Jeong, S.-Y., Yoon, E.-S., and Lee, K.-H., 2012, The Development and Performance Analysis of Compact Type Solar Thermal/Ground Coupled Heat Pump Hybrid System for Heating, Cooling and Hot water, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 32, No. 5, pp. 59-67.
Kong, H.-J., Kang, S.-J., Yun, K.-S., and Lim, H.-J., 2013, An Experimental Study on the Cooing 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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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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