[논문]하이브리드 지중열교환기 적용 히트펌프 시스템의 냉방 성능 분석

손병후

doi:10.17664/ksgee.2018.14.4.0043

[국내논문] 하이브리드 지중열교환기 적용 히트펌프 시스템의 냉방 성능 분석
Cooling Performance Analysis of Ground-Source Heat Pump (GSHP) System with Hybrid Ground Heat Exchanger (HGHE) 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.14 no.4, 2018년, pp.43 - 52

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This paper presents the cooling performance analysis results of a ground-source heat pump (GSHP) system using hybrid ground heat exchanger (HGHE). In this paper, the HGHE refers to the ground heat exchanger (GHE) using both a vertical GHE and a surface water heat exchanger (SWHE). In order to evaluate the system performance, we installed monitoring sensors for measuring temperatures and power consumption, and then measured operation data with 4 different load burdened ratios of the hybrid GHE, Mode 1~Mode 4. The measurement results show that the system with HGHE mainly operates in Mode 1 and Mode 2 over the entire measurement period. The average cooling coefficient of performance (COP) for heat pump unit was 5.18, while the system was 2.79. In steady state, the heat pump COP was slightly decreased with an increase of entering source temperature. In addition, the parallel use of SWHE and VGHE was beneficial to the system performance; however, further research are needed to optimize the design data for various load ratios of the HGHE.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Main components of experimental heat pump system with hybrid ground heat exchanger.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of experimental heat pump system with hybrid ground heat exchanger.
표 Table 1. Parameters and uncertainties
표 Table 2. Capacity ratios of SWHE and VGHE in hybrid ground heat exchanger
그림 Fig. 3. Hourly average temperature variations on source and load sides.
그림 Fig. 4. Water temperature variation on source and load sides for a typical cooling week.
그림 Fig. 5. Cooling capacity, heat release of HGHE, and power consumption: August 5, 2017.
그림 Fig. 6. Patterns on water temperature variations for source and load sides.
그림 Fig. 7. Patterns on heat release of HGHE and power consumption of system.
그림 Fig. 8. Cooling COP of heat pump and system: August 5, 2017.
그림 Fig. 9. Patterns on cooling COP of heat pump and system.
그림 Fig. 10. Capacity, power consumption, and COP of system with EST: Jul. 31∼Aug. 6, 2017.
그림 Fig. 11. COP with outdoor air temperature: Jul. 31~Aug. 6, 2017.

AI 본문요약
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가설 설정

국내에서는 Sohn[12]이 지표수 열교환기 사양에 대한 설계 변수의 영향과 지표수 적용 효과 등을 발표하였다. 이 연구에서는 지표수 열교환기와 수직 지중열교환기를 함께 사용한다고 가정한 후, 지표수적용 효과를 분석하였다. 최근 Sohn et al.

제안 방법

실증 시스템은 냉·난방 운전이 모두 가능하지만, 이번 논문에서는 냉방 성능 분석으로 한정하였다. 1분 간격으로 측정한 전체 데이터를 그래프 하나에 표시하면 정성적 경향을 쉽게 볼 수 없기 때문에 Fig. 3과 같이 시간대별 평균 결과를 이용하여 경향을 제시한 후, 특정주간 또는 특정일의 변화를 분석하였다. Fig.
Fig. 2에서 보듯이 헤더를 기준으로 지표수 열교환기 입/출구 온도와 수직 지중열교환기 입/출구 온도를 각각 측정하였다. 아울러 헤더를 거쳐 히트펌프로 유입되기 전(EST_main)과 히트펌프에서 헤더로 들어가기 전(LST_main)에서도 순환수 온도를 측정하였다.
Fig. 2의 개요도에 표시한 지점에서 순환수 온도(PT-100Ω)와 유량(Euromag Int., MUT-1222)을 측정하였다.
성능 분석을 위해 2017년 7월 25일부터 2017년 9월 25일까지 약 2달 동안 1분 간격으로 데이터를 측정하였다. 대상 공간(196.5 m²)을 사무용 또는 상업용 공간으로 가정하였기 때문에 아침 8시에서 오후 6시까지 10시간을 시스템 가동 시간으로 설정하였다. Fig.
아울러 히트펌프와 순환수 펌프의 순간 소비 전력을 측정하기 위해 전력 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하였다. 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 데이터를 측정한 후 시스템 냉방 성능을 분석하였다. Kline[15]이 제안한 방법에 따라 분석 결과의 불확실도를 계산하였으며, 결과를 Table 1에 정리하였다.
성능 분석을 위해 연못과 보어홀에 HDPE 파이프를 슬린키 형상이나 수직형으로 설치한 후 히트펌프에 연결하였다. 두 열교환기의 용량, 즉 하이브리드 지중열교환기의 부하 분담 비율을 자동으로 조절하면서 데이터를 측정하였다.
물 대 물 히트펌프, 하이브리드 지중열교환기, 순환수 펌프, 냉·온수 탱크, 실내기(FCU), 계측기와 데이터획득장치 등으로 시스템을 구성하였다.
성능 분석을 위해 2017년 7월 25일부터 2017년 9월 25일까지 약 2달 동안 1분 간격으로 데이터를 측정하였다. 대상 공간(196.
여기서 하이브리드 지중열교환기(hybrid GHE)는 수직 지중열교환기와 지표수 열교환기 조합을 의미한다. 성능 분석을 위해 연못과 보어홀에 HDPE 파이프를 슬린키 형상이나 수직형으로 설치한 후 히트펌프에 연결하였다. 두 열교환기의 용량, 즉 하이브리드 지중열교환기의 부하 분담 비율을 자동으로 조절하면서 데이터를 측정하였다.
실증 시스템은 냉·난방 운전이 모두 가능하지만, 이번 논문에서는 냉방 성능 분석으로 한정하였다.
이 맨홀 내부에 공급헤더(supply header)와 환수헤더(return header)를 설치한 다음 VGHE와 SWHE를 모두 연결하였다. 아울러 열교환기 파이프 각각에 온도 센서, 유량계, 자동 유량조절 밸브를 부착하였다. Fig.
하이브리드 지중열교환기를 적용했다는 점을 제외하면, 수직 지중열교환기나 수평 지중열교환기를 단독으로 이용하는 시스템과 큰 차이는 없다. 아울러 이번 실험에서는 히트펌프와 배관 등을 보호하기 위해, 지표수 열교환기 순환수와 연못물이 열을 간접 교환하는 방식을 채택하였다.
2에서 보듯이 헤더를 기준으로 지표수 열교환기 입/출구 온도와 수직 지중열교환기 입/출구 온도를 각각 측정하였다. 아울러 헤더를 거쳐 히트펌프로 유입되기 전(EST_main)과 히트펌프에서 헤더로 들어가기 전(LST_main)에서도 순환수 온도를 측정하였다. 이때 지표수 열교환기 출구에서 측정한 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 용량을 유량제어밸브로 조절하였다(Table 2).
아울러 히트펌프와 순환수 펌프의 순간 소비 전력을 측정하기 위해 전력 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하였다.
외국에서는 하이브리드 지중열교환기나 지표수 열교환 시스템에 대하여 거의 모든 주제를 연구하고 있지만, 국내에서는 최근 들어 기초 연구가 진행되었다. 이번 논문은 선행 연구[12-14]의 연장으로, 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 분석하였다. 여기서 하이브리드 지중열교환기(hybrid GHE)는 수직 지중열교환기와 지표수 열교환기 조합을 의미한다.
이를 위해 10 RT급 실증 시스템을 설치한 후, 성능 분석에 필요한 데이터를 획득하였다. 측정 데이터를 이용하여 지중순환수와 부하 순환수의 온도 변화, 히트펌프와 시스템의 냉방 COP 등을 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
외국에서는 하이브리드 지중열교환기나 지표수 열교환 시스템에 대하여 거의 모든 주제를 연구하고 있지만, 국내에서는 최근 들어 기초 연구가 진행되었다. 이번 논문은 선행 연구[12-14]의 연장으로, 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 분석하였다. 여기서 하이브리드 지중열교환기(hybrid GHE)는 수직 지중열교환기와 지표수 열교환기 조합을 의미한다.

대상 데이터

수직 지중열교환기(VGHE)는 직경 150mm인 보어홀(borehole) 4개를 이용한다. 보어홀은 Fig.
1(c)]. 외경 25mm와 내경 20.5mm의 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 SWHE 파이프로 사용하였다. 코일 직경과 피치는 각각 1 m와 0.
하이브리드 지중열교환기를 이용하는 히트펌프시스템의 냉방 성능을 분석하였다. 이를 위해 10 RT급 실증 시스템을 설치한 후, 성능 분석에 필요한 데이터를 획득하였다. 측정 데이터를 이용하여 지중순환수와 부하 순환수의 온도 변화, 히트펌프와 시스템의 냉방 COP 등을 분석하였다.
이때 히트펌프는 탱크 내부 설정 온도(9±1℃)에 따라 가동(ON)과 정지(OFF)를 반복한다. 전체 공조 공간은 호서대학교 제2공학관에 있는 실험실(지하 1층, 153 m²)과 이 실험실 바로 위에 있는 사무실(지상 1층, 43.5 m²)이다.
0 kW)를 이용하였다. 지중 순환수로 물(83.5%)-에틸알코올(16.5%) 혼합 유체를 그리고 부하 순환수로 물을 사용하였다. 아울러 시스템 운전 중 실내 온도는 26℃, 탱크 냉수 온도는 9±1℃로 설정하였다.
5mm의 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 SWHE 파이프로 사용하였다. 코일 직경과 피치는 각각 1 m와 0.3 m이고, 파이프 길이는 150 m다. 이렇게 성형한 코일 10개를 연못 바닥에 설치하였다[Fig.
하이브리드 지중열교환기 순환수 펌프로 회전식 펌프(Wilo, PI15HU-1EH, 정격 소비전력 7.0 kW)를 이용하였다. 지중 순환수로 물(83.

이론/모형

데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 데이터를 측정한 후 시스템 냉방 성능을 분석하였다. Kline[15]이 제안한 방법에 따라 분석 결과의 불확실도를 계산하였으며, 결과를 Table 1에 정리하였다. 표에서 보듯이 히트펌프와 시스템 COP는 ±5% 이내에서 신뢰도를 갖는 것으로 계산되었다.

성능/효과

(1) 시스템 운전 중 EST는 설계 온도인 30℃보다 낮았다. 이는 지표수 열교환기 출구 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기 용량이 효과적으로 조절되었기 때문이다.
(3) 전체 데이터를 분석했을 때, 히트펌프 냉방 용량은 평균 36.42 kW, 압축기 전력 소비량은 평균 7.03 kW이었다. 아울러 지중 순환수 펌프의 전력 소비량은 평균 6.
(4) 시스템 가동 중, EST가 상승하면 히트펌프 전력 소비량이 증가하여 냉방 COP는 다소 감소하였다. 전체적으로 측정 결과와 제조사의 성능 데이터는 ±15% 안에서 일치하였다.
(5) 대상 시스템이 소형 용량이면서 특정 조건에서 운전되긴 하였지만, 하이브리드 지중열교환기의 국내 적용 가능성을 실증을 통해 확인할 수 있었다. 향후 보급을 위해 시스템 설계 기술과 최적 운전제어 기술 개발 등이 선행되어야 한다.
일반적으로 냉방 운전 중 EST가 30℃ 이하가 되도록 지중열교환기를 설계한다. 따라서 하이브리드 지중열교환기를 사용해도 안정적인 온도에서 시스템이 작동하는 것을 확인하였다. 연못 온도는 외기 온도의 영향을 다소 받았지만, 히트펌프 열원으로써 외기보다 안정적이었다.
대상 공간의 냉방 부하가 증가하면 시스템 가동 시간이 길어진다. 본 시스템은 외기 온도 변화에 상관없이 히트펌프와 시스템 냉방 COP가 일정하게 운전되는 것을 볼 수 있다.
실험을 수행한 약 2달(2017. 7. 25~2017. 9. 25) 동안 하이브리드 지중 열원을 이용하는 소형 히트펌프 시스템이 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다. 전체적으로 히트펌프 냉방 COP는 평균 5.
온도 측정 결과를 모두 분석했을 때, 가동-정지 주기는 날짜별로 다소 차이를 보였다. 하지만 지중열교환기 용량 조합비에 따라 온도 변화 경향을 세 유형(Pattern A, B, C)으로 분류할 수 있었다.
전체적으로 측정 결과와 제조사의 성능 데이터는 ±15% 안에서 일치하였다.
25) 동안 하이브리드 지중 열원을 이용하는 소형 히트펌프 시스템이 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다. 전체적으로 히트펌프 냉방 COP는 평균 5.2, 시스템 냉방 COP는 평균 2.8이었다. 참고로, 선행실험[13, 14]에서는 히트펌프와 시스템의 평균 냉방 COP가 각각 5.
표에서 보듯이 히트펌프와 시스템 COP는 ±5% 이내에서 신뢰도를 갖는 것으로 계산되었다.
히트펌프 가동 중(ON) 측정한 데이터, 즉 정상상태에서 측정한 냉방 용량, 압축기 전력 소비량, 냉방 COP는 모두 제조사 데이터와 ±15% 안에서 일치하였다.

후속연구

정지할 때에는 가동 순서와 반대로 히트펌프가 정지한 후, 1~2분 뒤에 정지한다. 펌프 가동 시간이 시스템 전력 소비량과 냉방 COP에 영향을 미치기 때문에, 이에 대한 연구가 더 필요하다. 또한 잦은 ON-OFF 운전은 시스템 성능을 저하시키기 때문에, 적정 용량을 설치하여 운전 시간을 늘리는 것도 시스템 성능 면에서 중요하다.
(5) 대상 시스템이 소형 용량이면서 특정 조건에서 운전되긴 하였지만, 하이브리드 지중열교환기의 국내 적용 가능성을 실증을 통해 확인할 수 있었다. 향후 보급을 위해 시스템 설계 기술과 최적 운전제어 기술 개발 등이 선행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 히트펌프 시스템은 무엇을 열원으로 활용할 수 있는가?	지열 히트펌프 시스템은 토양, 지하수, 호수 등 다양한 자원을 열원(heat source)으로 활용할 수 있다. 이 열원은 연중 거의 일정한 온도를 보이기 때문에, 지열 시스템은 성능과 경제성 면에서 우수한 시스템으로 간주된다[1].
	지열 히트펌프 시스템의 전 세계적 보급량이 지속적으로 늘어나는 이유는?	이 열원은 연중 거의 일정한 온도를 보이기 때문에, 지열 시스템은 성능과 경제성 면에서 우수한 시스템으로 간주된다[1]. 여기에, 화석연료를 사용하는 냉난방 설비와 달리 이산화탄소를 더 적게 배출하기 때문에 친환경적인 시스템으로 알려져 있다. 이러한 이유 때문에 전 세계적 보급량은 지속적으로 늘고 있다.
	지열 시스템은 성능과 경제성 면에서 우수한 시스템으로 간주되는 이유는?	지열 히트펌프 시스템은 토양, 지하수, 호수 등 다양한 자원을 열원(heat source)으로 활용할 수 있다. 이 열원은 연중 거의 일정한 온도를 보이기 때문에, 지열 시스템은 성능과 경제성 면에서 우수한 시스템으로 간주된다[1]. 여기에, 화석연료를 사용하는 냉난방 설비와 달리 이산화탄소를 더 적게 배출하기 때문에 친환경적인 시스템으로 알려져 있다.

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Sohn, B., 2017, Cooling performance of heat pump system using artificial pond and borehole as heat sink, SAREK 2017 Winter Annual Conference, pp. 439-442.
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