[논문]신재생에너지 지열을 이용한 열펌프유닛의 성능에 관한 실험적 연구

정순영

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.630

신재생에너지 지열을 이용한 열펌프유닛의 성능에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Performance of Heat Pump Unit Using Geothermal Heat for New Renewable Energy 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.630 - 636

정순영 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a experimental study on the performance of the heat pump. Uncertainty of measurement means the degree of uncertainty in the measurement. Therefore, it estimates a section where expected value of the measurement might be within a certain confidence level and suggests a range where measured representative value might be incorrect. Uncertainty of measurement is a parameter that shows characteristics of dispersion of measured value that was reasonably estimated from measured quantity. Measurement result of performance experiment is not a true value but estimated value that was estimated reasonably. Therefore, uncertainty of measurement needs to be calculated and presented with the result of measurement.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Heat pump unit using geothermal heat of new renewable energy
그림 Fig. 2. Operation mode of heat pump unit (a) cooling mode, (b) heating mode
그림 Fig. 3. Schematic diagram of experimental apparatus for pump performance
표 Table 1. Specifications of a measurement device
표 Table 2. Experimental condition
그림 Fig. 4. Flowchart of the uncertainty caculation process
그림 Fig. 5. Measurement results of heat pump unit depending on time
표 Table 3. Tolerance of a measurement results
표 Table 4. Uncertainty of a measurement results
표 Table 5. Expanded uncertainty of a COPc

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 신재생에너지 중에서 지열을 이용한 열펌프 시스템의 성능을 객관적으로 검토하였다. 열펌프 시스템의 시험조건에 따른 성능시험을 수행하였고, 열펌프 시스템의 냉방성능 계수의 측정 불확도를 추정함으로서 객관적인 성능 분석하였다.
본 연구에서는 신재생에너지 중에서 지열을 이용한 열펌프의 성능을 실험적으로 분석하였다4). Fig.
계산된다. 이러한 확장불확도를 도입한 목적은 측정량의 합리적인 추정값이 이루는 분포의 대부분을 포함할 것으로 기대되는 측정 결과 주위의 어떤 구간을 제공해주자는 것이다. 포함인자의 값은 그 구간에 대해 요구되는 포함확률 또는 신뢰수준에 따라 정해지는데, 보통 2와 3 사이의 값을 갖는다.
최근 몇 년간 에너지 절약문제를 해결하기 위하여 신재생에너지 및 신에너지를 이용하여 에너지 보급에 관한 문제를 해결하고자 하였다.
열펌프의 성능을 정밀하고 효과적으로 분석하기 위해 측정 불확도를 도출하였고 성능시험에 대한 객관적인 검토를 수행하였다. 특히, 여름철에는 냉방을 위해 소비전력이 매우 높은 시기이므로 본 연구에서는 열펌프의 냉방을 효과적으로 제어하기 위해 냉방 성능을 정밀하게 분석하였다.

가설 설정

나뉜다. A형 표준불확도는 반복 측정값의 빈도 분포(frequency distribution)에 근거한 확률밀도함수 (probability density function)에서 구하는 반면, B형표준불확도는 기존의 정보 또는 문헌을 통해 측정값이 가질 수 있는 확률밀도함수를 가정하여 구한다. 두 가지 방법은 모두 확률에 근거를 둔 것이다.
A형 표준불확도는 반복 측정값의 빈도 분포(frequency distribution)에 근거한 확률밀도함수 (probability density function)에서 구하는 반면, B형표준불확도는 기존의 정보 또는 문헌을 통해 측정값이 가질 수 있는 확률밀도함수를 가정하여 구한다. 두 가지 방법은 모두 확률에 근거를 둔 것이다.

제안 방법

각 열펌프 시스템에서 주어지는 특정 시험 조건과 방법에 따라 시험을 수행한 후 열펌프 시스템의 정격 냉방 용량을 산정한다. 냉방용량을 나타내는 냉방성능계수는 열펌프에 공급되는 유효 전력에 대한 정미 냉방 용량의 비를 의미하며, 물-물 열펌프의 냉방성능 척도로 나타낸다.
각 항목의 A형 불확도는 유한 반복측정에 의한 표본의 표준편차를 구하고 모집단의 표준편차를 추정하므로 반복측정을 통하여 A형 불확도를 추정하였다. B형 불확도는 통계적으로 직접 구하지 않는 모든 불확도이므로 각 항목에 측정되는 측정센서의 검/교정 성적서에 제시한 불확도 결과를 사용하였다.
냉방 성능 계수의 측정 불확도의 추정을 위하여 냉방 성능 계수 식에 필요한 각 항목의 측정값은 공인인증기관에서 검교정된 측정센서를 이용하여 측정하였으며, 시간에 따른 측정된 결과는 Fig. 5에 제시하였다. 또한, 측정센서로 측정된 결과의 허용오차는 Table 3에 제시하였다.
열펌프 시스템의 냉방성능의 객관적인 성능 검토를 위해 냉방 성능 계수의 측정 불확도를 추정하였다. 불확도 평가절차는 우선 측정모형을 설정하고 불확도 구성요소를 A타입 또는 B타입으로 구분하여 기술한 후 해당평가방법으로 표준불확도를 구분한다.
검토하였다. 열펌프 시스템의 시험조건에 따른 성능시험을 수행하였고, 열펌프 시스템의 냉방성능 계수의 측정 불확도를 추정함으로서 객관적인 성능 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
따라서 지열을 효과적으로 제어하기 위해서는 열펌프의 성능의 정밀한 분석이 요구된다. 열펌프의 성능을 정밀하고 효과적으로 분석하기 위해 측정 불확도를 도출하였고 성능시험에 대한 객관적인 검토를 수행하였다. 특히, 여름철에는 냉방을 위해 소비전력이 매우 높은 시기이므로 본 연구에서는 열펌프의 냉방을 효과적으로 제어하기 위해 냉방 성능을 정밀하게 분석하였다.
불확도 평가절차는 우선 측정모형을 설정하고 불확도 구성요소를 A타입 또는 B타입으로 구분하여 기술한 후 해당평가방법으로 표준불확도를 구분한다. 이들 불확도 성분들을 합성하여 합성표준불확도를 산출하고 사용목적 및 신뢰수준에 따라 합성표준불확도에 보정계수를 곱하여 확장불확도를 구한다.
한국에너지공단 신재생에너지설비 성능인증 규격에 따라 열펌프 성능시험 장치를 구축 및 검토하였고, 성능시험에 필요한 측정센서 등을 확인하였다.

이론/모형

열펌프 성능시험은 한국에너지공단(Korea Energy Agency)의 신재생에너지설비 KS 인증(KS B 8292 : 물-물 지열원 열펌프 유닛) 성능시험 방법에 따라 수행하였다5).

성능/효과

1) 열펌프 시스템의 냉각 성능 계수는 지열을 이용하여 냉방 성능의 능력을 계수로 나타낸다. 따라서 계수가 높을수록 열펌프 시스템 운전의 에너지 절감효과를 나타낸다.
2) 측정 불확도 추정은 성능시험 결과를 통계적으로 분석하므로 성능시험을 체계적으로 수행하고 성능 결과를 객관적인 분석이 가능하다.
3) 열펌프 시스템의 성능시험 수행을 위해서는 시험 장비 및 측정센서의 유지 및 관리가 매우 중요하다. 시험장비는 공인 인증된 규격에 따라 제작이 되어야 하며, 측정센서는 주기적으로 검/교정을 수행해야 한다.
추정할 수 있다. 성능시험 결과의 측정 불확도를 추정함으로서 성능시험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있다.
위와 같이 열펌프 시스템의 냉각 성능 계수의 확장 불확도는 0.11%로서 매우 신뢰성 있는 성능 결과를 도출할 수 있으며, 성능시험 방법 및 결과에 대해 객관적인 신뢰성을 확보할 수 있다.

참고문헌 (7)

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Z. Lian, S. Park, and H. Qi, "Analysis on energy consumption of water-loop heat pump system in china", Applied Thermal Engineering, 2005, Vol. 25, No. 1, pp. 73-85, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.06.002.

상세보기
C. Y. Cho and J. M. Choi, "Influence of refrigerant charge amount on the performance of a water-to-water type ground source heat pump with a variation of compressor speed and water flow rate", New & Renewable Energy, Vol. 7, No. 4, 2011, pp. 30-36, doi: https://doi.org/10.7849/ksnre.2011.7.4.030.

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KS (Korean industrial standards) B (B: machine) 8292, "Water-to-water ground source heat pump unit", Korea, 2015. Retrieved from https://standard.go.kr/KSCI/standardIntro/getStandardSearchList.do.
D. Y. Um, "Consideration of the measurement uncertainty for reliability improvement of surveying results", Korea Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry, and Cartography, 2011, pp. 107-112. Retrieved from UCI(KEPA): I410-ECN-0101-2014-530-003268699.
S. J. Moon and J. H. Chung, "Measurement uncertainty of vibration testing result with including uncertainty of testing facilities", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 26, No. 7, 2016, pp. 781-786. Retrieved from http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeIdNODE07070582.

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