[논문]하이브리드 지중열교환기 적용 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능 분석

손병후

doi:10.17664/ksgee.2020.16.3.008

하이브리드 지중열교환기 적용 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능 분석
Heating Performance Analysis of Ground-Source Heat Pump (GSHP) System using Hybrid Ground Heat Exchanger (HGHE) 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.16 no.3, 2020년, pp.8 - 16

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This paper presents the heating 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 surface water heat exchanger (SWHE) and a vertical GHE. 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 HGHE. During the entire measurement period, the average heating capacity of the heat pump was 37.3 kW. In addition, the compressor of the heat pump consumed 9.4 kW of power, while the circulating pump of the HGHE used 6.7 kW of power. Therefore, the average heating coefficient of performance (COP) for the heat pump unit was 4.0, while the system including the circulating pump was 2.7. Finally, the parallel use of SWHE and VGHE was beneficial to the system performance; however, further researches are needed to optimize the design data for various load ratios of the HGHE.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Installed capacity and geothermal energy utilization trend in the GSHP sector in Korea.
그림 Fig. 2. Main components of the experimental apparatus including heat pump and slinky coils.
그림 Fig. 3. SWHE coils and schematic diagram of the experimental apparatus.
표 Table 1. Parameters and uncertainties
표 Table 2. Capacity ratios of SWHE and VGHE in hybrid ground heat exchanger
그림 Fig. 4. Variation on the daily average temperature of circulating water on source and load sides during the entire measurement period.
그림 Fig. 5. Circulating water temperature variation on source and load sides during typical heating days.
그림 Fig. 6. Heat exchange rate on source and load sides and power consumption of heat pump and circulating pump in daily average values.
그림 Fig. 7. Variation on the daily h e ating COP of h e at pump and system over the entire measurement period.
그림 Fig. 8. Comparison between measurement results and performance curve on heating capacity, power consumption, and heating COP of the heat pump unit.

AI 본문요약
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문제 정의

2019년 11월부터 2020년 2월까지 약 4달 동안 지중 순환수 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 부하 분담 비율을 조절하면서 데이터를 측정하였다. 이번 측정을 통해 지표수 열원의 적용 가능성과 두 열원을 이용하는 지열 시스템의 난방 성능을 규명하고자 하였다.

제안 방법

[16]과 Sohn[17]은 하이브리드 지중열교환기(지표수 열교환기+수직 지중열교환기) 적용 지열 시스템의 냉방 성능을 분석하였다. 냉방 운전중, 지표수 온도 설정 값에 따라 두 열교환기의 유량을 조절하였으며, 아울러 열교환기 용량 조합비가 시스템 냉방 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 이렇듯 외국에서는 호수나 하천 등 다양한 자원을 히트펌프의 열원으로 활용하기 위한 기술을 개발[18]하고 있지만, 국내에서는 최근 들어 기초 연구가 수행되었다.
이번 논문은 지중 순환수 온도 변화와 이에 따른 시스템 난방 운전 특성(전력 소비량과 난방 COP)의 전체 경향만 제시하는 것으로 한정하였다. 따라서 1분 간격으로 측정한 데이터를 이용하여 일평균(daily average) 결과를 산정한 후, 그 결과와 의미 등을 위주로 기술하였다.
통상 난방 운전에서는 열원 온도가 상승하면 성능도 상승한다. 따라서 히트펌프가 적절하게 운전되었는지 확인하면서, 동시에 측정 결과의 타당성을 확인하기 위해 난방 용량, 압축기 전력 소비량, 난방 COP를 EST_hp의 함수로 도시하였다. 그래프에서 보듯이 난방 용량(heating capacity)과 난방 COP(heating COP)는 제조사 데이터와 ±10% 안에서 일치하였고, 히트펌프의 압축기가 소비하는 전력량은 ±5% 안에서 일치하였다.
시스템 가동 중 순환수 온도(PT-100Ω)와 유량(Euromag Int., MUT-1222)을 측정하였으며, 아울러 전력 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하여 히트펌프와 순환수 펌프의 순간 소비 전력을 측정하였다.
이 맨홀 내부에 공급헤더(supply header)와 환수헤더(return header)를 설치한 다음 수직 지중열교환기와 지표수 열교환기의 파이프를 모두 연결하였다. 아울러 열교환기 파이프 각각에 온도 센서, 유량계, 유량제어밸브를 부착하였다.
이때 코일 1개의 열용량은 연못 깊이와 면적, 내부 온도 그리고 대상 공간의 냉난방 부하 등을 GLD V2017[20]에 입력하여 계산하였다. 여기서 설치 당시 내부 온도를 직접 측정하지 못했기 때문에, 천안 기상청이 제공하는 동일 깊이 지중 온도 값을 적용하였다.
3에서 보듯이, 헤더(header)를 기준으로 지표수 열교환기 입·출구 온도와 수직 지중열교환기 입·출구 온도를 측정하였다. 여기에 히트펌프 입구(EST_hp)와 출구(LST_hp)에서도 지중 순환수의 온도를 측정하였다. 이때 지표수 열교환기 출구(EST_SWHE)에서 측정한 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 용량을 유량제어밸브로 조절하였다(Table 2).
여기에 히트펌프 입구(EST_hp)와 출구(LST_hp)에서도 지중 순환수의 온도를 측정하였다. 이때 지표수 열교환기 출구(EST_SWHE)에서 측정한 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 용량을 유량제어밸브로 조절하였다(Table 2). 표에서 온도 범위는 실증용 히트펌프의 난방 성능과 배관 동파 방지 등을 감안하여 임의로 정했다.
한편 개별 열교환기의 용량(RT)은 열교환기 파이프 길이와 순환수 유량으로 결정된다. 이를 위해 지표수 열교환기 코일과 수직 지중열교환기 파이프에 장착된 유량제어밸브의 열림 정도를 조절하여 원하는 유량을 설정하였다.
이번 논문은 지중 순환수 온도 변화와 이에 따른 시스템 난방 운전 특성(전력 소비량과 난방 COP)의 전체 경향만 제시하는 것으로 한정하였다. 따라서 1분 간격으로 측정한 데이터를 이용하여 일평균(daily average) 결과를 산정한 후, 그 결과와 의미 등을 위주로 기술하였다.
이번 연구는 선행 연구[15-17]의 연장으로, 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 분석하였다. 성능 분석을 위해 선행 연구의 실험 장치(실증 시스템)를 이용하였다.
일반적으로 물 대 물 히트펌프의 난방 성능은 열원 온도에 따라 좌우된다. 지열 시스템 열원인 지중 순환수의 온도 변화 경향을 분석하였으며, 결과를 Fig. 4에 도시하였다. 그래프에서 데이터가 비어있는 부분은 히트펌프가 정지 상태인 경우이고, 현장 외기 온도(Outdoor air)와 천안 기상청의 외기 온도(Outdoor air_2)도 같이 표시하였다.
지표수 열교환기와 수직 지중열교환기를 같이 이용(하이브리드 지중열교환기)하는 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 난방 성능을 분석하였다. 이를 위해 히트펌프, 하이브리드 지중열교환기, 각종 계측기 등을 실증 현장에 설치한 후, 2019년 11월부터 2020년 2월까지 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다.
이를 위해 히트펌프, 하이브리드 지중열교환기, 각종 계측기 등을 실증 현장에 설치한 후, 2019년 11월부터 2020년 2월까지 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 측정 데이터를 이용하여 열원(지중열교환기)과 부하 순환수의 온도 변화, 시스템 난방 COP와 전력 소비량을 분석하였다. 이번 연구의 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

성능 분석을 위해 선행 연구의 실험 장치(실증 시스템)를 이용하였다. 2019년 11월부터 2020년 2월까지 약 4달 동안 지중 순환수 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 부하 분담 비율을 조절하면서 데이터를 측정하였다. 이번 측정을 통해 지표수 열원의 적용 가능성과 두 열원을 이용하는 지열 시스템의 난방 성능을 규명하고자 하였다.
0 kW )를 이용하였다. 겨울철 지중열교환기 파이프의 동파를 막기 위해 부동액(물 83.5%-에틸알코올 16.5%)을 지중열교환기 순환수로 사용하였으며, 부하 순환수로 물을 사용하였다.
이때 히트펌프는 탱크 내부 설정 온도(42±3℃)에 따라 가동(ON)과 정지(OFF)를 반복한다. 난방 대상 공간은 호서대학교 제2공학관에 있는 실험실(지하 1층, 153 m²)과 이 실험실 바로 위의 사무실(지상 1층, 87 m²)이다. 상용 프로그램[19]을 이용하여 대상 공간의 냉·난방 최대 부하를 계산하였으며, 각각 28.
, MUT-1222)을 측정하였으며, 아울러 전력 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하여 히트펌프와 순환수 펌프의 순간 소비 전력을 측정하였다. 대상 공간(240 m²)을 사무용 공간으로 간주하고, 평일 아침 8시에서 오후 6시까지 시스템을 가동하면서 1분 간격으로 데이터를 획득하였다. Kline[21]이 제안한 방법에 따라 성능 분석 결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였다(Table 1).
3은 연못 바닥에 설치한 지표수 열교환기 파이프와 실증 시스템의 계통도를 보여준다. 성능 분석에 필요한 데이터를 획득하기 위해, 2019년 11월 4일부터 2020년 2월 29일까지 시스템을 가동하였다. 시스템 가동 중 순환수 온도(PT-100Ω)와 유량(Euromag Int.
이번 연구는 선행 연구[15-17]의 연장으로, 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 분석하였다. 성능 분석을 위해 선행 연구의 실험 장치(실증 시스템)를 이용하였다. 2019년 11월부터 2020년 2월까지 약 4달 동안 지중 순환수 온도에 따라 하이브리드 지중열교환기의 부하 분담 비율을 조절하면서 데이터를 측정하였다.
수직 지중열교환기는 직경 150 mm인 수직 보어홀(borehole) 4개를 이용한다. 이때 지표수 열교환기의 용량과 맞추기 위해, 깊이 150 m 보어홀 3개(31.
실증 시스템은 물 대 물 히트펌프(water to water heat pump), 하이브리드 지중열교환기, 순환수 펌프, 온수 저장 탱크, 실내기(FCU), 센서와 데이터로거 등으로 구성되어있다. Fig.
수직 지중열교환기는 직경 150 mm인 수직 보어홀(borehole) 4개를 이용한다. 이때 지표수 열교환기의 용량과 맞추기 위해, 깊이 150 m 보어홀 3개(31.5 kW)와 깊이 60 m 보어홀 1개(3.5 kW)를 이용하였으며, 용량 설계에 GLD V2017[20]을 이용하였다. 보어홀에 단일 U관(single U-tube) 형상의 파이프를 삽입하였으며, 파이프 재질과 사양은 지표수열교환기 파이프와 같다.
지표수 열교환기와 수직 지중열교환기를 같이 이용(하이브리드 지중열교환기)하는 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 난방 성능을 분석하였다. 이를 위해 히트펌프, 하이브리드 지중열교환기, 각종 계측기 등을 실증 현장에 설치한 후, 2019년 11월부터 2020년 2월까지 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 측정 데이터를 이용하여 열원(지중열교환기)과 부하 순환수의 온도 변화, 시스템 난방 COP와 전력 소비량을 분석하였다.
조경을 위해 조성한 연못이어서 연못 바닥은 콘크리트로 마감되어 있다. 지표수 열교환기로 외경 25 mm와 내경 20.5 mm의 고밀도폴리 에틸렌(HDPE) 파이프를 사용하였다. 이 파이프를 Fig.

이론/모형

대상 공간(240 m²)을 사무용 공간으로 간주하고, 평일 아침 8시에서 오후 6시까지 시스템을 가동하면서 1분 간격으로 데이터를 획득하였다. Kline[21]이 제안한 방법에 따라 성능 분석 결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였다(Table 1).
2 kW)만 사용하였다. 이때 코일 1개의 열용량은 연못 깊이와 면적, 내부 온도 그리고 대상 공간의 냉난방 부하 등을 GLD V2017[20]에 입력하여 계산하였다. 여기서 설치 당시 내부 온도를 직접 측정하지 못했기 때문에, 천안 기상청이 제공하는 동일 깊이 지중 온도 값을 적용하였다.

성능/효과

(1) 장기간에 걸쳐 시스템을 운전하였음에도, 지중 순환수 온도(EST_hp)는 비교적 안정적으로 유지되었다. 이는 지표수 열교환기 출구 온도에 따라 두 열교환기의 용량을 조절하여 운전한 결과로 판단된다.
(2) 시스템은 온수 저장 탱크의 설정 온도에 따라 가동-정지 운전을 주기적으로 반복하였다.
(3) 측정 기간 중 히트펌프의 난방 용량은 평균 37.3 kW이었으며, 하이브리드 지중열교환기의 열용량(열 추출량)은 평균 27.9 kW이었다. 아울러 히트펌프는 평균 9.
(4) 히트펌프의 일평균 난방 COP는 3.7~4.9(평균 4.0)이었고 시스템은 2.6~3.2(평균 2.7)이었다.
(5) 히트펌프 성능 측정 결과와 히트펌프 제조사의 성능 데이터는 ±10% 안에서 일치하였다.
(6) 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 지열 히트펌프 시스템의 국내 적용 가능성을 난방 실험을 통해 확인할 수 있었다. 시스템 용량에 따라 지중 순환수 온도 기준 등이 달라질 수 있기 때문에, 추가 실험과 시뮬레이션 분석을 통해 적정 온도 범위를 정립할 필요가 있다.
그래프에서 보듯이 난방 용량(heating capacity)과 난방 COP(heating COP)는 제조사 데이터와 ±10% 안에서 일치하였고, 히트펌프의 압축기가 소비하는 전력량은 ±5% 안에서 일치하였다.
8℃ 사이에서 변하였다. 전체 측정 기간 동안 지중 순환수의 온도가 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 참고로 Fig.
9 kW)이었다. 전체 측정 기간 동안 히트펌프는 평균 9.4 kW를 그리고 지중 순환수 펌프는 평균 6.7 kW의 전력을 소비하였다. 측정 기간중 외기 온도가 가장 낮았던 날을 포함하는 일주일의 결과(Q_L = 36.
7 kW의 전력을 소비하였다. 측정 기간중 외기 온도가 가장 낮았던 날을 포함하는 일주일의 결과(Q_L = 36.5 kW, Q_S = 27.2 kW, W_hp = 9.3 kW, W_p = 6.9 kW )도 전체 결과와 크게 차이는 없었다. 선행 연구[16, 17]에서도 설명하였듯이, 실험을 위해 실제 필요한 용량보다 큰 용량의 지중 순환수 펌프를 설치했기 때문에, 순환수 펌프의 전력 소비량이 ASHRAE 기준[2]보다 컸다.
앞선 두 결과와 마찬가지로, 특정 주간의 결과 역시 전체 결과와 유사하였다. 특히 외기온도가 가장 낮은 주간이었음에도 난방 성능 변화없이 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다. 참고로, 냉방 성능을 분석한 선행 연구[15, 16]에서 히트펌프와 시스템의 평균 냉방 COP는 5.

후속연구

(6) 하이브리드 지중열교환기를 이용하는 지열 히트펌프 시스템의 국내 적용 가능성을 난방 실험을 통해 확인할 수 있었다. 시스템 용량에 따라 지중 순환수 온도 기준 등이 달라질 수 있기 때문에, 추가 실험과 시뮬레이션 분석을 통해 적정 온도 범위를 정립할 필요가 있다. 아울러 현장 보급을 위해 시스템 설계 기술과 최적 운전제어 기술 개발 등이 선행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통상 지열 시스템은 어떻게 구성되는가?	지열 에너지를 건물 냉난방에 활용하는 여러 기술 중, 지열 히트펌프 시스템(ground-source heat pump system, 이하 ‘지열 시스템’)이 가장 큰 부분을 차지한다[2]. 통상 지열 시스템은 히트펌프(heat pump), 지중열교기(ground heat exchanger, GHE)와 지중 순환수 펌프, 부하 설비, 제어 장비 등으로 구성된다. 다양한 방식의 지중열교환기를 이용하여 난방에 필요한 에너지를 지중에서 추출하거나, 냉방 시 건물에서 제거한 열을 지중으로 방출하는 점이 이 시스템의 가장 큰 특징이다.
	지열 시스템이 사용할 수 있는 열원은?	지열 시스템은 지중(ground)과 지하수를 비롯하여 연못(pond), 호수(lake), 하천(river)과 같은 지표수(surface water)를 열원으로 활용할 수 있다[7]. 지표수를 히트펌프의 열원으로 활용하려면 계절별·깊이별 온도 변화와 같은 열적 특성을 시스템 설계에 반영해야 한다[8].
	통상 지열 시스템의 특징은?	통상 지열 시스템은 히트펌프(heat pump), 지중열교기(ground heat exchanger, GHE)와 지중 순환수 펌프, 부하 설비, 제어 장비 등으로 구성된다. 다양한 방식의 지중열교환기를 이용하여 난방에 필요한 에너지를 지중에서 추출하거나, 냉방 시 건물에서 제거한 열을 지중으로 방출하는 점이 이 시스템의 가장 큰 특징이다.

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표제어: PCR

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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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