Vol. 17, No. 2, pp. 11~19 (2021) ISSN 1738-6985 (Print) ISSN 2713-9174 (Online) https://doi.org/10.17664/ksgee.2021.17.2.011 지열원및수열원비율에따른복합열원히트펌프시스템성능평가연구 A Study on the Performance Evaluation of Combined Heat Pump System according to the Ratio of Ground Heat Source and Water Heat Source 박시훈 (Sihun Park), 고유진 (Yujin Ko), 민준기 (Joonki Min) * 경희대학교기계공학과석사과정, * 경희대학교기계공학과학술연구교수 Graduate Student, Department of Mechanical Engineering, KyungHee University, Yongin 17104, Korea *R&D Professor, Department of Mechanical Engineering, KyungHee University, Yongin 17104, Korea Abstract In this study, combined heat source heat pump system was implemented with 4 single heat source heat pumps each applied with a geothermal source and a water source. Five cases (Case1~Case5) were configured to conduct a performance comparison and analysis of the combined heat source heat pump system. First of all, as a result of analyzing the heat source, the case when 4 ground heat sources were applied (Case1) showed a uniform EST(Entering Source Temperature) distribution throughout the year since it is less affected by outside air compared to the case when 4 water heat sources were applied (Case5). In both winter and summer, the ground heat source maintained higher EST than the water heat source. Therefore, the system with high ratio of geothermal sources is advantageous for heating, and with high ratio of water heat sources is advantageous for cooling. Key words: Ground heat source( 지열원 ), Water heat source( 수열원 ), Combined heat source( 복합열원 ), Heat pump( 히트펌프 ), COP(Coefficient Of Performance, 성능계수 ) Corrresponding author E-mail: jkmin@khu.ac.kr 접수일 : 2021 년 04 월 22 일 ; 심사일 : 1 차 : 2021 년 05 월 15 일, 2 차 : 2021 년 05 월 27 일 ; 채택일 : 2021 년 05 월 28 일 1. 서론 세계적으로환경보호에대한관심이증가하는추세로인하여신재생에너지원에대한관심이높아지고있다. 냉동공조분야에서는저온열원으로많이활용되고있는지열원과수열원을적용한히트펌프에대한연구를활발히진행하고있다 [1-3]. 지열원과수열원은히트펌프의열원으로일반적으로많이사용되고있는공기열원보다낮은소비전력과높은냉 난방능력을낼수있다는장점이있다. 지열원은외기온도에크게영향을받지않아비교적으로일정한에너지공급이가능하며, 수열원은유량에따라대규모시스템까지도구축할수있다. 단점은공통적으로초기설치와유지관리의비용이높다는점이다. 또한지열원의경우지중조건에따라효율이떨어지거나설치불가능할수있으며, 건물의냉방부하와난방부하의차이가큰경우지중의에너지축적으로인하여열교환효율의저하가올수있다는단점이있다. 수열원의경우열교환에필요한충분한유량에따라설치가능지역이한정적이고지열원대비외기온도에영향을받는다. 이와같은장 단점을상호보완하는지열원과수열원을동시에적용한복합열원히트펌프시스템에관한연구가필요하다. 11
12 박시훈, 고유진, 민준기 복합열원히트펌프시스템의선행연구로는지열원과수열원이각각적용된히트펌프시스템의입 출구온도에따른히트펌프의성능및에너지소요량을비교분석을진행한연구 [4] 와간절기에공기열원과지열원을각각적용한단일열원히트펌프시스템과두열원을동시에적용한복합열원히트펌프시스템의비교분석연구 [5], 냉각탑과지열을직렬방식으로연결한시스템을지열히트펌프만가동했을때와하이브리드시스템을가동했을때의냉난방성능을비교분석연구등이있다 [6]. 지열원과수열원이동시에적용된복합열원히트펌프시스템을위한수열원과지열원적용비율에따른성능분석에관한연구는다른열원의복합열원시스템에비하여미비한실정이다. 본연구에서는동적열부하시뮬레이션프로그램인 TRNSYS18[7] 을활용하여지열원과수열원이적용된복합열원히트펌프시스템을구현하였다. 지열원과수열원을적용한열원의적용비율에따른다섯가지의경우 (Case) 로구분하였다. 복합열원시스템의성능평가에앞서지열원과수열원이각각적용된히트펌프시스템의온도특성을비교하였으며, 이를바탕으로열원에따라복합열원시스템의성능을분석하였다. 2. 시뮬레이션구성 열원의적용비율에따른성능비교분석을위하여건물모델링프로그램인 SketchUp을활용하여기준건물을모델링하였다. 시뮬레이션의경우 TRNSYS18을활용하여본건물의냉 난방부하를산출하였으며, 이에따라히트펌프용량을선정하였다. 2.1 기준건물구성 본건물은공조면적 528.93 m 2 ( 연면적 881.55 m 2 ) 인한층의사무실로설정하였다. 동서남북기준 4개의구역으로나누어나눠실내온도제어를진행하였으며, 구역 (zone) 사이를가상벽으로처리한중심코어방식으로모델링하였다. 또한창면적비는외벽의 40% 로적용하였으며, 벽체와창조건의경우에너지절약설계계획서 ( 고시 2017-881)[8] 에근거하여열관류율과표면열전달저항을적용하였다. 기상및수열원의온도조건의경우기상청의 2020년도인천시데이터를활용하였다. 실내 외부하, 기상자료등의건물의냉 난방부하계산에적용한데이터와건물의모델링형상은각각 Table 1과 Fig. 1에나타내었다. Table 1. Simulation input conditions Temperatures weather Humidity 2020 incheon Solar radiation Gross area(hvac area) 881.55 m 2 (528.93 m 2 ) U-Value(W/m 2 K) External wall : 0.22 Window : 1.3 Light load 16 W/m 2 Occupancy load 27 people 70 W/person SHGC 0.7 Infiltration 0.3 /h Ventilation 0.57 CMM/person Set temperature Operation period Cooling : 26 o C Heating : 20 o C Cooling : May.~Oct. Heating : Jan.~Apr.&Nov.~Dec.
지열원및수열원비율에따른복합열원히트펌프시스템성능평가연구 13 Fig. 1. Standard office modeling 2.2 시뮬레이션에적용된시스템조건 본연구에서는열교환방식을지열원은수직밀폐형지중열교환방식으로설정하였으며, 수열원은인천해수를적용한직접열교환방식으로설정하였다. 모든경우 (Case) 에물-물히트펌프 4대를적용하였으며, 4개의 FCU를통해축열조에저장되어있는에너지를실내에공급하였다. 또한환기는판형열교환기를적용한열회수형환기장치 (Energy Recovery Ventilator, ERV) 를적용하였다. 시스템제어는온도에따른단속운전으로설정하였으며, 1, 2차측의펌프와히트펌프제어는축열조의내부온도가냉방시에는 7 o C 이상인경우, 난방시에는 50 o C 이하인경우에운전하도록설정하였다. Fan Coil Unit(FCU) 과 FCU 펌프는실내온도가냉방시에는 26 o C 이상인경우, 난방시에는 20 o C 이하인경우에운전하도록설정하였다. 냉 난방시간은평일 9시부터 18시까지이고주말에는작동시키지않았다. 열원의조건과시뮬레이션에적용된장치들의제원들은각각 Table 2와 Table 3에나타내었다. 2.3 단독열원시스템의히트펌프입 출구순환수온도비교 열원에따른히트펌프입 출구순환수의연중온도양상을비교분석하기위하여지열원단독시스템, 수열원단독시스템의히트펌프입 출구순환수의연중온도를각각 Fig. 2(a), (b) 에나타내었다. 열원-히트펌프입구순환수평균온도 (Entering Source Temperature, EST) 는냉방시에지열원단독시스템의경우 25.2 o C이었으며, 수열원단독시스템의경우평균 21.5 o C이었다. 난방시에지열원단독시스템의경우평균 11.4 o C이며, 수열원단독시스템의경우평균 8.1 o C이었다. 따라서냉방의경우지열원단독 Geothermal heat exchanger heat exchanger Table 2. Specification of source Element Value Borehole depth 150 m Borehole radius 150 mm Heat capacity 2,520 kj/m 3 K Thermal conductivity 3.5 W/m K Outlet/inner radius of U-Tube pipe 30/24 mm Fluid heat capacity 4.19 kj/kg K 2020 Incheon sea water
14 박시훈, 고유진, 민준기 Heat pump Heat storage tank FCU Source Pump FCU Pump ERV Table 3. Specification of components Element Value Rated cooling capacity 16.4 kw Rated cooling power 2.9 kw COP C 5.6 Rated heating capacity 15.6 kw Rated heating power 3.8 kw COP H 4.1 Rated source flowrate 46 LPM Rated load flowrate 46 LPM Source/load specific heat 4.19 kj/kg K Tank volume1.8 m 3 Fluid specific heat Deadband Rated air flowrate Rated flowrate Rated fan power Rated flowrate Rated power Rated flowrate Rated power Sensible effectiveness Latent effectiveness 4.19 kj/kg K 2.5 o C 2,940 CMH 3,120 kg/h 520 W 2,754 kg/h 0.4 kw 12,480 kg/h 7.5 kw Heating : 0.79 Cooling : 0.7 Heating : 0.56 Cooling : 0.35 시스템의 EST가평균 3.8 o C 낮았으며, 난방의경우지열원단독시스템의 EST가평균 3.3 o C 높았다. 축열조제어에영향을받는히트펌프-축열조입구순환수온도 (Entering Load Temperature, ELT) 와히트펌프-축열조출구순환수온도 (Leaving Load Temperature, LLT) 는제어방식이같으므로비슷한양상을보 Fig. 2. Annual heat pump circulating water temperature
지열원및수열원비율에따른복합열원히트펌프시스템성능평가연구 15 인다. 지열원히트펌프의경우밀폐형지중열교환방식이기때문에 EST가열원-히트펌프출구순환수온도 (Leaving Source Temperature, LST) 의영향을받는다. 따라서냉방으로전환되는 4~5월과난방으로전환되는 10~11월사이에온도변화의 step 현상이나타난다. 반면, 수열원히트펌프의경우개방형열교환방식이기때문에이러한현상을보이지않았다 (Fig. 2(a), Fig. 2(b) 참조 ). 2.4 Case 별히트펌프및열원구성 본연구에서는지열원과수열원이각각적용된히트펌프 4대로복합열원히트펌프시스템을설정하여시뮬레이션을진행하였으며, 단독히트펌프시스템을포함하여총다섯가지의경우 (Case 1~Case 5) 를설정하였다. 지열원의경우히트펌프대수당 2개의지중열교환기 ( 천공 ) 으로설정하였으며수열원은히트펌프대수에비례하게유량을설정하였다. Case별로적용한수열원히트펌프와지열원히트펌프대수및지중열교환기개수를 Table 4에나타내었다. 각각의열원이연결된히트펌프 4대가한대의축열조에연결되고축열조는 FCU와연결되어냉 난방운전하는복합열원시스템으로구성하였다 (Fig. 3). 열원부분의컴포넌트연결을바꿔가며다섯가지 Case 를 TRNSYS18에구현하였다. Fig. 4는시스템을구성하는컴포넌트와이들컴포넌트를연결한시스템구성도를보여준다. Table 4. Number of heat pumps and number of boreholes by case Number of Water source Heat pump number of Ground source Heat pump / number of borehole Case 1 0 4 / 8 Case 2 1 3 / 6 Case 3 2 2 / 4 Case 4 3 1 / 2 Case 5 4 0 / 0 Fig. 3. Schematic diagram of combined heat source heat pump system
16 박시훈, 고유진, 민준기 Fig. 4. Configuration of simulation 3. 시뮬레이션결과 복합열원히트펌프시스템의성능을비교하기위해시스템에너지소요량과성능계수 (Coefficient Of Performance, COP) 를이용하였다. 에너지소요량의경우 Case 별로적용된히트펌프 4대의총합, COP의경우 Case 별로적용된히트펌프 4대의평균 COP 값으로비교분석을진행하였다. 3.1 히트펌프에너지소요량비교 Case별로적용한히트펌프 4대의에너지소요량의합산한값을비교하였다. 전반적으로간절기에는시스템의운전횟수가줄어소요량이적으며, 냉방부하가가장큰 8월과난방의부하가가장큰 12월에에너지소요량이가장높은것을볼수있다. 냉방시의에너지소요량은 7월을비교하였으며, Case 1의경우 1011.10 kwh, Case 2의경우 982.77 kwh, Case 3의경우 955.59 kwh, Case 4의경우 926.98 kwh, Case 5의경우 898.24 kwh이었다. 난방시의에너지소요량은 2월을비교하였으며, 그값은 Case 1의경우 1007.32 kwh, Case 2은 1024.17 kwh, Case 3 의경우 1037.14 kwh, Case 4은 1043.43 kwh, Case 5의경우 1059.06 kwh이었다. 냉방시월평균히트펌프의에너지소요량의경우지열원을많이적용된 Case 순서대로높은에너지소요량을나타내고있으며, 난방시에는수열원이많이적용된 Case 순서대로높은에너지소요량을나타내
지열원및수열원비율에따른복합열원히트펌프시스템성능평가연구 17 Fig. 5. Monthly average heat pump total power consumption 고있는것을볼수있었다. 냉방시와난방시의월평균 Case별히트펌프 4대의총에너지소요량을각각 Fig. 5의 (a), (b) 에나타내었다. 3.2 Case 별평균 COP 비교 복합열원시스템의열원적용비율에따른성능차이를보기위해앞서분석한에너지소요량외에 Case 별로적용된히트펌프 4대의평균 COP 값을비교분석하였으며, 냉방과난방의각각의 COP 값을 Fig. 6 (a) 와 (b) 에나타내었다. 냉방을하는 5월의경우에격차가가장크게나타내며 Case 1의경우 COP 5.64, Case 2의경우 COP 6.12, Case 3의경우 COP 6.62, Case 4의경우 COP 7.12, Case 5의경우 COP 7.60이었다. 난방을하는 3월의경우 COP의격차가가장크게나타나며 Case 1의경우 COP 2.43, Case 2의경우 COP 2.42, Case 3의경우 COP 2.38, Case 4의경우 COP 2.35, Case 5의경우 COP 2.32이었다. 복합열원시스템인 Case 2~4 중에냉방시에는수열원이많이적용된 Case 4, 난방시에는지열원이가장많이적용된 Case 2가가장높은 COP를보인다. 난방시의 COP 격차보다냉방시의 COP 격차가더크게나타나며최대 25.8% 의차이를보인다 (Fig. 6 참조 ). Fig. 6 (b) 의 11월의 COP의값이수열원이더많은 Case들이더큰값을보이는데, 11월 EST 지열원의평균값은 11.50 o C, 수열원의평균값은 12.11 로난방시에유리한조건을갖췄기때문으로분석된다. Fig. 6. Average COP of 4 heat pumps by monthly average case
18 박시훈, 고유진, 민준기 3.3 결과및고찰 본연구에서는 4대의수-수히트펌프를지열원과수열원을 Case별다른비율로적용하여비율에따른성능을비교분석하였다. 시뮬레이션그결과는다음과같다. 열원에따른히트펌프입 출구순환수의연중온도양상을분석하였을때수열원은지열원대비열원온도가외기에따라크게변하는것을볼수있으며, 반대로지열원의경우외기에따라온도의변화폭은적지만밀폐형이기때문에시스템이운전하는시간동안에너지가계속축적되어 EST가오르는것을볼수있다. Case 별적용한 4대의히트펌프의합산소비전력의경우 Case 3에대비하여냉방시최대 Case 1은 14.29%, Case 2는 6.97%, Case 4는 8.02%, Case 5는 12.76% 의차를보여주며, 난방시최대 Case 1은 2.87%, Case 2는 2.64%, Case 4는 1.54%, Case 5는 2.80% 의차를보인다. 냉방시에는수열원적용비율이높아질수록높은성능을보여주고, 난방시에는지열원적용비율이높아질수록높은성능을보여준다. 월평균 Case별히트펌프 4대평균 COP의경우 Case 3에대비하여냉방시최대 Case 1은 14.84%, Case 2는 7.60%, Case 4는 7.56%, Case 5는 14.76% 의차를보여주며, 난방시최대 Case 1은 2.53%, Case 2는 1.64%, Case 4는 1.46%, Case 5는 2.58% 의차를보여준다. 냉방시에는수열원적용비율이높아질수록낮은소비전력을보이고난방시지열원의비율이높아질수록낮은소비전력보여주는것을알수있다. 또한 Case 별로간절기에성능격차가커지는것을볼수있다. 냉방의경우수열원단독시스템 (Case 5) 이지열원단독시스템 (Case 1) 에대비하여평균 EST가 3.8 o C 낮으며, 수열원단독시스템 COP의경우에는 7.60이며, 지열원단독시스템 COP의 5.64보다 25.8% 높은성능을보여준다. 난방의경우지열원단독시스템 (Case 1) 이수열원단독시스템 (Case 5) 에대비하여평균 EST가 3.3 o C 높으며, 수열원단독시스템 COP의경우에는 2.43이며, 지열원단독시스템 COP의경우 2.32보다 4.5% 높은성능을보여준다. 이를통해 COP와에너지소요량은 EST에따라영향을받는다는것을알수있다. 본연구에서는시뮬레이션상에서출력된 COP 값이제원상의 COP 값에대비하여낮은것을볼수있다. 원인을분석하기위해, 시뮬레이션에적용한히트펌프의정격운전조건 (EST 냉방 : 25 o C 난방 : 12 o C, ELT 냉방 : 40 o C 난방 : 5 o C) 에서시뮬레이션과제원상의 COP를비교하였으며, 제원상의경우 COP c : 5.61 COP h : 4.08, TRNSYS18의경우 COP c : 4.21 COP h : 2.60으로나타난다. 따라서 TRNSYS18상의수-수방식히트펌프컴포넌트의냉 난방성능데이터가본연구에서적용한히트펌프보다낮은효율의히트펌프를기준으로제작되었기때문에낮은성능을나타내는것으로분석된다. 추후연구과제로지열원히트펌프시스템의시뮬레이션상으로구현하지못한에너지축적에의한지중열교환효율저하에따른연구가필요하다. 4. 결론 본연구는수열원과지열원적용비율에따른히트펌프시스템성능비교를 Case 별로동적열부하시뮬레이션인 TRNSYS18로구현하여소비전력및 COP로성능비교분석을진행하였다. (1) 냉방의경우수열원단독시스템이지열원단독시스템에대비하여평균 EST가 3.8 o C 낮으며, COP 의경우에는 7.60이며, 지열원단독시스템의 COP인 5.64보다 25.8% 높은성능을보여준다. 또한에너지소요량은 11.16% 낮은것을보여준다. 난방의경우지열원단독시스템이수열원단독시스템에대비하여평균 EST가 3.3 o C 높으며, COP의경우에는 2.43이며, 지열원단독시스템의 COP인 2.32보다 4.5% 높은성능을보여준다. 또한에너지소요량은 5.14% 낮은것을보여준다. (2) 냉방시는수열원히트펌프적용비율이많은 Case가, 난방시에는지열원히트펌프적용비율이많
지열원및수열원비율에따른복합열원히트펌프시스템성능평가연구 19 은 Case의순서대로 COP는큰값이에너지소요량은작은값이산출되었다. 따라서복합열원히트펌프시스템을적용할대상건물의냉방부하가큰경우수열원의비율을높이고, 난방부하가큰경우지열원비율을높여야한다. (3) 추후연구를통해열원의종류와제원을상세하게구현하여시뮬레이션을진행할계획이다. 열원의특성인지중열교환기의종류와연중수열원의온도가중요한요소로작용하기에, 큰차이를보일것으로분석된다. 아울러여러종류의변수를지정하여그에따른제어로직을설정하여비교분석을진행하여, 복합열원히트펌프시스템의최적제어로직을제시하고자한다. 후 기 이논문은정부 ( 환경부환경기술개발사업 ) 의재원으로, 한국환경산업기술원의지원을받아수행된연구임 (No. 2020003160021). References 1. Bea, S., Jeon, J. Y., Kwon, Y. S., and Nam, Y., Study on the Operation Method of Ground Source Heat Pump System Considering Recovery of Ground Temperature,, Vol. 16, No. 4, pp. 24-30. 2. Bae, H. H., Lee, D. H., Lee, S., Kim, B., and Ahn, Y. C., A Study on the Performance Improvement of a Simultaneous Heating and Cooling Water Source Heat Pump System by Controlling of the Refrigerant Flow Rate in an Outdoor Unit, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 3, pp. 131-136. 3. Sohn, B., Design of Ground-Coupled Heat Pump (GCHP) System and Analysis of Ground Source Temperature Variation for School Building,, Vol. 16, No. 1, pp. 17-25. 4. Ko, Y., Park, S., and Min, J., Comparison of Heat Pump Performance and Energy Consumption Patterns according to Heat Sources for Optimal Control of Multi-Source Heat Pumps, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 16, No. 4, pp. 31-38. 5. Cho, Y. U., Woo, T., Chung, K. S., and Kim, Y., Study on Energy Consumption of Air-source, Ground-source and Dual-source Heat Pump during Intermediate Season,, Vol. 9, No. 4, pp. 1-7. 6. Sohn, B., Lee, D. Y., Choi, J. H., and Min, K. C., Performance Analysis of Cooling Tower-Assisted Hybrid Ground-Coupled Heat Pump (HGCHP) System, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. C, Vol. 4, No. 1, pp. 19-26. 7. Klein, S. A., 2019, TRNSYS18 Base Manual, KESTech, Kocaeli, Turkey. 8. Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017, Standard of Building Saving, MLIT criteria 2017-881.