[논문]학교 건물에 설치된 지열원 열펌프 시스템의 실사용을 통한 냉난방성능 연구

김의영; 정영만; 송재도; 이재근; 김인규; 이동혁

학교 건물에 설치된 지열원 열펌프 시스템의 실사용을 통한 냉난방성능 연구
Cooling and Heating Performance Under the Actual Operating Condition of a Ground Source Heat Pump System in a School Building 원문보기

김의영 (부산대학교 기계공학부) , 정영만 (부산대학교 기계공학부) , 송재도 (부산대학교 기계공학부) , 이재근 (부산대학교 기계공학부) , 김인규 (LG전자) , 이동혁 (LG전자)

This paper presents the performance of a water-to-refrigerant type ground source heat pump (GSHP) system installed in a school building in Korea. For analyzing the performance of the GSHP system, we monitored various operating conditions, including the outdoor temperature, the ground temperature, and the input power of the GSHP system. The average cooling coefficient of performance (COP) of the heat pump was found to be 8.5 at 60% partial load condition, while the overall system COP was found to be 5.9. The average heating COP of the heat pump was found to be 6.5 at 45% partial load condition, while the overall system COP was found to be 5.0.

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문제 정의

본 연구에서는 물-냉매 방식의 멀티 열펌프에 지열원을 적용하여 학교건물에서의 실사용 시험을 통한 열펌프 시스템의 성능을 평가 하였다.
본 연구에서는 사무실 및 교수연구실 용도로 사용되는 학교 건물에 물-냉매 방식의 지열원 열펌프를 설치하여 실사용 환경에서 냉 · 난방성능 변화를 연구하였다.

가설 설정

반대로 난방 사이클의 경우, 지중 열교환기는 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급한다.⁽¹⁾ 이 시스템의 장점은 공기 열원 열펌프(air-source heat pumps) 보다 운전을 위한 에너지 소비량이 적고, 실외에 노출되는 기기가 없다는 것이다. 그리고 열펌프의 히트싱크(heat sink) 및 열원(heat source)의 역할을 하는 지열의 연중 온도변화는 외기 기온보다 안정적이기 때문에 지열원 열펌프시스템은 높은 효율과 우수한 성능을 갖는다.

제안 방법

(2) 열펌프 부하가 가장 높은 1월(난방기간)과 8월(냉방기간)의 지열원 열펌프의 성능을 측정하였다. 냉방에서는 열펌프의 평균 냉방 COP는 8.
지열원 열펌프는 지중 열교환기가 지중으로부터 열을 흡수하거나 또는 실내에서 흡수한 열을 지중으로 방출하는 과정에서 지중의 온도 변화에 따라 영향을 받는다. 따라서, 지중의 온도를 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 지중 열교환기에서 1.5 m, 2.5 m 떨어진 지점에 깊이별로 열전대를 매설하여 지중온도를 측정 하였다. Fig.
지중온도를 포함한 각종 온도 측정을 위해 T 형 열전대(T-type thermocouple)가 사용 되었다. 또한 냉방성능을 측정하기 위해 실내기의 온도와 습도는 온습도계 (EL-2, LASCAR사)로 측정 하였으며, 열펌프의 소비전력을 측정하기 위해 별도의 전력계 (WT1600, Yokogawa)로 측정하였다. 온도, 소비 전력 및 실내기의 온습도 등의 데이터를 1분 간격으로 측정한 후, 데이터 획득 시스템에 기록하여 성능 분석에 사용하였다.
본 연구에서는 사무실 및 교수연구실 용도로 사용되는 학교 건물에 물-냉매 방식의 지열원 열펌프를 설치하여 실사용 환경에서 냉 · 난방성능 변화를 연구하였다. 또한 시스템 운전에 따른 지중 온도변화를 비교하기 위해 매설 깊이에 따른 지중온도를 측정하여 분석 하였다.
본 연구에서 지열원 열펌프시스템의 성능은 열펌프 부하가 가장 높은 1월(난방기간)과 8월(냉방 기간)의 성능 측정 데이터를 비교 분석하였다. Fig.
또한 냉방성능을 측정하기 위해 실내기의 온도와 습도는 온습도계 (EL-2, LASCAR사)로 측정 하였으며, 열펌프의 소비전력을 측정하기 위해 별도의 전력계 (WT1600, Yokogawa)로 측정하였다. 온도, 소비 전력 및 실내기의 온습도 등의 데이터를 1분 간격으로 측정한 후, 데이터 획득 시스템에 기록하여 성능 분석에 사용하였다.

대상 데이터

물-냉매 방식의 멀티 열펌프에 지열원을 적용하여 실사용 시험을 통한 성능을 분석하기 위해 부산대학교에 지열원 열펌프를 설치하였다.
본 건물에는 "L"사에서 제조된 10 HP(LRW -N2900D, L사) 용량의 지열원 열펌프가 10대 설치되어 있으며, 지중열교환기는 수직 밀폐형으로 보어홀은 총 24개이며 깊이는 175 m이다.
본 연구에서는 지열원 열펌프의 성능 특성 및 지중 온도 변화 특성을 분석하기 위해 냉난방기의 활용도가 높은 학과사무실에 연결된 지열원 열펌프를 1대 선정하였으며, 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 지열원 열펌프 1대에는 4개의 학과사무실에 실내기가 각 1대씩 설치되어 있다.
8 m²이다. 실내기는 2.5 HP(LRD- N725T, L사)이다. 지중온도를 포함한 각종 온도 측정을 위해 T 형 열전대(T-type thermocouple)가 사용 되었다.
5 HP(LRD- N725T, L사)이다. 지중온도를 포함한 각종 온도 측정을 위해 T 형 열전대(T-type thermocouple)가 사용 되었다. 또한 냉방성능을 측정하기 위해 실내기의 온도와 습도는 온습도계 (EL-2, LASCAR사)로 측정 하였으며, 열펌프의 소비전력을 측정하기 위해 별도의 전력계 (WT1600, Yokogawa)로 측정하였다.

성능/효과

(1) 지중온도를 측정한 결과 지표면 아래 2.5 m 지점에서 외기 온도에 따라 변화가 크며, 지표면 아래 10 m 이하 지점에서는 온도 변화가 안정적이었다.
9로 나타났다. 난방에서는 열펌프의 평균 난방 COP는 6.5 (45% 부분부하)이며, 시스템 전체의 평균 COP는 5.0로 나타났다.
(2) 열펌프 부하가 가장 높은 1월(난방기간)과 8월(냉방기간)의 지열원 열펌프의 성능을 측정하였다. 냉방에서는 열펌프의 평균 냉방 COP는 8.5 (60% 부분부하)이며, 시스템 전체의 평균 COP는 5.9로 나타났다. 난방에서는 열펌프의 평균 난방 COP는 6.
6 kW) 대비 45% 부분부하에서 운전되었다. 열펌프의 평균 난방 COP는 6.5이며, 시스템 전체의 평균 COP는 5.0로 나타났다.
4 kW로 지열원 열펌프의 전부하(29 kW) 대비 60% 부분부하에서 운전되었다. 열펌프의 평균 냉방 COP는 8.5이며, 시스템 전체의 평균 COP는 5.9로 나타났다. 난방부하는 평균 14.

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