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문제 정의
- 5에 도시하였으며, 특히 지표수 열교환기는 평균값(avg)에 대한 차이(%)도 표시하였다. 여기서 사양과 시험 조건에서 다소 차이가 있기 때문에, 두 방식을 직접 비교할 목적으로 이 두 값을 계산하였다. 이중 유용도는 식(5)와 같이 계산한다.
- 열원 조합 방법(예 : 지표수 100%, 지표수 50%-수직 50% 등)이 시스템 성능에 미치는 영향을 규명하는 것이 연구 목적 중 하나다. 따라서 Fig.
- 이번 연구의 목적은 두 종류의 지중 열원, 즉 지표수 열교환기(surface water heat exchanger)와 수직 지중열교환기를 병용하는 히트펌프 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 지표수 열교환기의 적용 가능성과 열성능(thermal performance) 등을 규명할 필요가 있다.
가설 설정
- 지표수 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 2016년 9월 12일부터 9월 25일까지 14일간 측정하였다. 시스템이사무용이나 상업용 건물을 냉방한다고 가정하였으며, 이에 따라 아침 8시에서 오후 6시까지 10시간을 시스템 가동 시간으로 설정하였다. 이 시간 동안 실험 공간(210 m2)에 설치한 전기 온풍기 2대로 냉방 부하를 부가하였다.
제안 방법
- 통상 수직 지중열교환기에 대한 열 응답 시험을 통해 지중 유효 열전도도를 구할 수 있다. 그러나 이번 논문은 열교환기 성능 비교가 목적이기 때문에 방출 열량에 중점을 두었다. 여기서 VGHE 1과 VGHE 2는 다른 사항들은 모두 같고 그라우팅 재료만 다르다.
- 시스템 성능 분석에 앞서 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다. 냉방 모드의 시스템을 대상으로 성능을 분석하였기 때문에, 열교환기 성능 실험에서도 열 방출(heat injection) 조건을 적용하였다. 즉 지표수 열교환기 순환수의 온도가 열교환기 출구보다 입구에서 더 높은 경우로 한정하였다.
- 2처럼 두 열원을 같이 이용할 목적으로 시스템을 구성하였다. 다양한 조합 방법 중 이번 실험은 지표수 히트펌프 시스템의 성능을 우선 검증하는 것으로 한정하였다. 참고로 수직 지중열교환기는 깊이 150 m와 직경 150 mm인 보어홀(borehole) 7개를 이용한다.
- 먼저 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다. 다음으로 지표수 열교환기의 성능 수준을 파악하기 위해 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 이어서 지표수 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 분석하였다.
- 히트펌프와 순환수 펌프의 전력 소비량 측정에는 전력 측정 센서(CT)와 전력․전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하였다. 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 1분 간격으로 데이터를 획득한 후 성능을 분석하였다. Kline(16)이 제안한 방법으로 분석 결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였다(Table 1 참조).
- 동시에 히트펌프로 실내 온도(26℃)와 탱크 냉수 온도(9±1℃)를 유지하도록 설정하였다.
- 7(b)는 하루 운전 결과 중 특정 시간대의 데이터만 추린 그래프다. 또 부하 순환수의 온도 변화를 자세하게 보려고 버퍼탱크(Tank), FCU 입구 온도(ERT, entering room temperature)와 출구 온도(LRT, leaving room temperature)를 추가로 표시하였다. 여기서 FCU 입구 온도(ERT)는 버퍼탱크에서 FCU로 들어가는 온도이고 FCU 출구 온도(LRT)는 그 반대다.
- 이에 대한 결과를 모두 기술하기에는 제한이 있기 때문에, 이번 논문은 선행 연구 성격인 지표수 히트펌프 시스템의 성능 분석으로 한정하였다. 먼저 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다. 다음으로 지표수 열교환기의 성능 수준을 파악하기 위해 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다.
- 시스템 성능 분석에 앞서 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다. 냉방 모드의 시스템을 대상으로 성능을 분석하였기 때문에, 열교환기 성능 실험에서도 열 방출(heat injection) 조건을 적용하였다.
- 즉 지표수 열교환기 순환수의 온도가 열교환기 출구보다 입구에서 더 높은 경우로 한정하였다. 열 성능 실험을 위해 히트펌프와 헤더(header) 사이에 열 응답 시험 장치(thermal response test unit)를 연결한 후, 약 50시간(2016년 8월 12일 15 : 28~8월 14일 17 : 24)동안 데이터를 측정하였다. 측정은 열교환기 코일 10개 중 맨홀에 가장 가까운 코일 1개를 대상으로 실험하였다.
- 1(e)는 대상 건물과 연못 사이에 설치한 맨홀 내부를 보여준다. 이 맨홀 내부에 공급과 환수 헤더(header)를 설치한 다음 모든 파이프를 연결하였고, 파이프 각각에 온도 센서, 유량계, 자동밸브를 부착하였다. Fig.
- 일반적으로 성능계수(COP)나 계간성능지수(SPF, seasonal performance factor)로 히트펌프 시스템의 성능을 표현한다. 이번 실험에서는 1분 간격으로 데이터를 측정했기 때문에 순간 개념인 COP를 분석하였다. 히트펌프의 전력 소비량과 식(2)로 계산한 냉방 용량을 이용하여 히트펌프의 냉방 COP를 계산하였다.
- 인공 연못을 활용하는 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였으며, 분석 결과를 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 이어서 지표수 열교환기를 이용하는 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 히트펌프와 시스템 COP 등을 분석하였다.
- 다음으로 지표수 열교환기의 성능 수준을 파악하기 위해 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 이어서 지표수 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 분석하였다.
- 아울러 두 열원의 조합비나 지표수 열교환기 사양 등이 시스템 성능에 미치는 영향도 분석해야 한다. 이에 대한 결과를 모두 기술하기에는 제한이 있기 때문에, 이번 논문은 선행 연구 성격인 지표수 히트펌프 시스템의 성능 분석으로 한정하였다. 먼저 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다.
- 정상 상태에서 열교환기 순환수 유량, 입·출구 온도, 히터 투입전력, 외기 온도를 1분 간격으로 획득하였다. 이와 동시에 연못 바닥(수심 0.8 m)을 포함하여 수심 0.6 m와 0.4 m지점의 온도를 측정하였다.
- 인공 연못을 활용하는 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였으며, 분석 결과를 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 이어서 지표수 열교환기를 이용하는 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 측정하였다.
- 정상 상태에서 열교환기 순환수 유량, 입·출구 온도, 히터 투입전력, 외기 온도를 1분 간격으로 획득하였다.
- 정확하게 산정한 성능을 가지고 각 열원의 분담 비율을 설계할 수 있기 때문이다. 지표수 열교환기의 성능 수준을 파악하기 위해, 국내에서 주로 적용하는 방식인 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 수직 지중열교환기에 대한 열 응답 시험 결과를 Fig.
- 지표수 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 2016년 9월 12일부터 9월 25일까지 14일간 측정하였다. 시스템이사무용이나 상업용 건물을 냉방한다고 가정하였으며, 이에 따라 아침 8시에서 오후 6시까지 10시간을 시스템 가동 시간으로 설정하였다.
- 이어서 지표수 열교환기를 이용하는 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 히트펌프와 시스템 COP 등을 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
- 지표수 히트펌프 시스템은 연못물을 직접 이용할 수도 있다. 하지만 히트펌프와 배관 등을 보호하기 위해 이번 연구는 지표수 열교환기 순환수와 연못물이 열을 교환하는 간접방식을 채택하였다. Fig.
- 2에 표시한 위치에서 온도(Daejin, PT-100Ω)와 유량(Euromag International, MUT-1222)을 측정하였다. 히트펌프와 순환수 펌프의 전력 소비량 측정에는 전력 측정 센서(CT)와 전력․전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하였다. 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 1분 간격으로 데이터를 획득한 후 성능을 분석하였다.
대상 데이터
- 이때 히트펌프는 탱크 내부 설정 온도(9±1℃)에 따라 가동과 정지를 반복한다. 대상 공간은 연못 옆 건물(호서대학교 제2 공학관) 지상 1층에 있는 사무실(60 m2)과 강의실(30 m2) 그리고 지하 1층의 실험실(210 m2)이며, 이번 실험에서는 지하 1층 실험실로 한정하였다. 지표수 열교환기 순환수로 물(83.
- 6에 제시하였다. 분석에 필요한 데이터에는 지중 순환수와 부하 순환수의 온도, 각각의 유량, 히트펌프와 순환수 펌프의 전력 소비량이 있다. 시스템이 가동 상태일 때, EST는 평균 23.
- 대상 공간은 연못 옆 건물(호서대학교 제2 공학관) 지상 1층에 있는 사무실(60 m2)과 강의실(30 m2) 그리고 지하 1층의 실험실(210 m2)이며, 이번 실험에서는 지하 1층 실험실로 한정하였다. 지표수 열교환기 순환수로 물(83.5%)-에틸알코올(16.5%) 혼합 유체를 그리고 부하 순환수로 물을 사용하였다. 정격 소비전력 7.
- 1(c)는 성형 후 사진이다. 지표수 열교환기 코일로 외경 25 mm, 내경 20.5 mm의 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 사용하였다. 코일 직경과 피치는 1 m와 0.
- 다양한 조합 방법 중 이번 실험은 지표수 히트펌프 시스템의 성능을 우선 검증하는 것으로 한정하였다. 참고로 수직 지중열교환기는 깊이 150 m와 직경 150 mm인 보어홀(borehole) 7개를 이용한다. 각각의 보어홀 안에 외경 25 mm HPDE 파이프가 단일 U관(single U-tube) 형상으로 삽입되어 있다.
- 열 성능 실험을 위해 히트펌프와 헤더(header) 사이에 열 응답 시험 장치(thermal response test unit)를 연결한 후, 약 50시간(2016년 8월 12일 15 : 28~8월 14일 17 : 24)동안 데이터를 측정하였다. 측정은 열교환기 코일 10개 중 맨홀에 가장 가까운 코일 1개를 대상으로 실험하였다. 정상 상태에서 열교환기 순환수 유량, 입·출구 온도, 히터 투입전력, 외기 온도를 1분 간격으로 획득하였다.
이론/모형
- 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 1분 간격으로 데이터를 획득한 후 성능을 분석하였다. Kline(16)이 제안한 방법으로 분석 결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였다(Table 1 참조).
성능/효과
- (1) 지표수 열교환기 성능 실험 중, 열교환기 입·출구 온도와 연못 내부 온도는 외기의 영향을 받았다.
- (2) 열교환기 성능 실험 중, 입·출구 온도와 외기 온도의 변화 경향은 비슷했지만 최고 온도 출현 시점에서는 차이를 보였다.
- 7% 증가했다.(2) 지열 에너지 생산량은 2010년 55,597 GWh/year에서 2014년 90,791 GWh/year로 63.3% 증가하였다.(2) 한편 국내에서는 공공 부문에서만 2015년까지 약 852 MWth를 보급한 것으로 집계되었다.
- (3) 지표수 열교환기의 열 성능은 평균 53.84 W/m이었다. 반면 수직 지중열교환기는 29.
- (4) 시스템 가동 상태에서 EST가 올라가면 히트펌프 전력 소비량이 증가하여 COP는 다소 감소한다. 하지만 측정 결과와 제조사의 성능 데이터는 ±15%안에서 일치하였다.
- (5) 시스템 냉방 용량은 평균 39.37 kW, 압축기와 지중 순환수 펌프의 전력 소비량은 평균 7.05 kW와 6.25kW이었다. 따라서 히트펌프와 시스템의 냉방 COP는 5.
- 67%이었다. 가동 상태에서 지표수 열교환기 순환수 온도가 상승하여 COP가 감소하였으나, 전체적으로 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.
- 25 kW)을 연못으로 방출해야 한다. 검토 결과 실제 열량(43.97 kW)은 계산 값(45.62 kW)보다 평균 3.62% 작았다. 냉방 운전 중 지표수 열교환기 순환수에 가해진 열의 일부가 건물 인입 배관과 헤더 그리고 건물 내 배관을 통해 주변으로 손실되기 때문에 이러한 차이를 보였다.
- 6(b)의 냉방 용량, 히트펌프와 지표수 열교환기 순환수 펌프(이하 ‘지중 순환수 펌프’)의 전력 소비량도 온도와 비슷한 경향을 보였다. 시스템이 가동 상태일 때 히트펌프의 냉방 용량은 평균 39.37 kW이었고 전력 소비량은 평균 7.05 kW이었다. 이때 지중 순환수 펌프는 평균 6.
- 63 W/m(VGHE 2)이었다. 아울러 지표수 열교환기의 유용도는 0.48~0.57(평균 0.52)이었으며 수직 지중열교환기의 유용도보다 120% 이상 컸다.
- 52)이었으며 수직 지중열교환기의 유용도보다 120% 이상 컸다. 전체적으로 지표수 열교환기 성능이 수직 지중열교환기보다 우수하였다.
- 정상 상태, 즉 히트펌프 가동 상태에서 측정 결과와 제조사 성능 데이터는 ±15%안에서 일치하였다.
- 63 W/m이었다. 지표수 열교환기의 유용도는 0.48~0.57(평균 0.52)이었으며 수직 지중열교환기의 유용도보다 120% 이상 컸다. 전체적으로 지표수 열교환기 성능이 수직 지중열교환기보다 우수하였다.
- 98%이었다. 참고로 전체기간 중 히트펌프와 시스템 COP의 평균 감소율은 9.93%와 6.67%이었다. 가동 상태에서 지표수 열교환기 순환수 온도가 상승하여 COP가 감소하였으나, 전체적으로 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 정지할 때에는 히트펌프가 먼저 꺼지고 나서 2분 뒤에 지중 순환수 펌프가 꺼진다. 시스템 보호가 목적이지만, 펌프 운전 시간이 시스템 COP에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 연구가 더 필요하다. Fig.
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