지열원 히트펌프 시스템의 운전방식에 따른 시스템 효율 향상 방법 연구

Abstract

본 연구는 2008년에 완공된 400RT의 지열원 히트펌프 시스템을 대상으로 지열 시스템의 성능평가를 실시하였고 그 자료를 바탕으로 지열원 히트펌프 시스템의 효율적인 운전을 위한 시스템 운전방법을 제안하고자 한다.

지열 시스템의 성능평가는 총 3회 실시하였다. 첫 번째 성능 평가는 입주 전 겨울철(1월)에 지열 시스템 설치 후 정상적으로 작동이 되는지 알아보기 위해 실시하였고 두 번째 성능평가부터는 실제 냉난방 부하량에 지열 시스템이 잘 대응하고 있는지와 지열 시스템의 효율이 어느 정도 되는지 알아보기 위하여 실시하였다. 그리고 추가적으로 지열파이프가 설치된 지역의 지중 온도를 깊이별로 측정하여 측정기간 내에 지중 온도의 변화가 어떻게 되는지 살펴보았다.

위 성능평가를 간락하게 기술하면 입주 전 성능 평가는 측정일 동안 평균 COP는 4.26으로 나타났다. 이는 지열월 히트펌프 시스템의 정상 작동여부를 관찰하기 위하여 실내 필요 난방부하량보다 많이 투입되어 기기의 가동율이 높았기 때문에 비교적 높은 지열 시스템 COP가 나타났다. 8월에 측정한 여름철 지열원 히트펌프 시스템 성능평가 결과, 측정 평균 COP는 3.74로 나타났고 지중 온도 변화는 측정 최고 온도 30.2℃와 측정 최저 온도 15.8℃ 이며 지중 온도 회복 시간은 히트펌프의 작동이 정지하는 시점의 지중온도에 따라 다르게 나타나지만 19.4℃일 경우 약 15시간이 소요되었고 23.3℃에는 약 30시간이 걸렸다. 12월에 측정한 겨울철 지열원 히트펌프 시스템 성능평가 결과, 측정평균 COP는 3.79로 나타났고 지중 온도 변화는 측정 최고 온도 14.9℃이고 최저 온도는 9.7℃로 나타났다. 그리고 지중 온도 회복 시간은 1시간 이상 연속 운전이 없었기 때문에 히트펌프 기기의 최저 온도에서 회복하는 시간은 측정 할 수 없었지만 가동율이 낮으면 지중 온도가 서서히 회복 되고 있음을 관찰 할 수 있었다.

앞서 실시한 지열원 히트펌프 시스템의 성능 측정 데이터를 바탕으로 히트펌프 운전 특성을 분석한 결과 히트펌프 운전율이 특정 존에 편중되어 있음을 알았다. 그리고 이 편중 현상이 히트펌프의 기기 특성(응축기를 냉각시키는 순환수 쪽에 히트펌프로 들어오는 온도에 따라 히트펌프 성능이 변한다.)과 연관되어 제대로 된 효율을 발휘하지 못하고 있음을 알았다.

이 현상은 지열 시스템의 운전특성과 연관 있었다. 현재 사용되고 있는 운전특성은 다음 세 가지로 나타낼 수 있다.

1) Zone 단위의 대수 제어

2) 24시간을 기준으로 Main 존의 로테이션이 이루어짐

3) 존의 로테이션 교대시간이 17시에 이루어짐

여기서 1)과 3)으로 인해 특정 존의 히트펌프에 운전율이 집중되고 있었다. 그래서 본 연구에서는 Zone 단위 제어방식을 순차제어 방법에서 교차제어 방법으로 바꾸는 것과 존 로테이션 교대시간을 17시에서 12시로 바꿀 것을 제안한다. 이 제안방법을 적용하여 특정 존에 집중되던 운전율이 분산되는 것을 <그림 3.45>를 통해 알 수 있었다.

기존의 운전 방법에 제안된 방법을 적용하여 COP 변화를 예측해본 결과 Case 1의 COP가 3.71에서 4.02로 0.3만큼 상승하여 기존 소비 전력보다 약 8%가 절감되고 Case 2는 COP가 4.08에서 4.13으로 0.05 상승하여 기존 소비 전력보다 약 2%가 절감됨을 알 수 있었다.

기존의 운전법에서 개선된 운전법으로 지열원 히트펌프 시스템의 운전법만 바꾸더라도 시스템 효율이 상승됨을 알 수 있었다.

The geothermal system is safety, efficiency and pure alternative energy system. The ground-source heat pump system(GSHPs) is very suitable and useful in korea because there are four seasons and high thermal conductance of rock and soil.

Recently, GSHPs is progressed to a larger system scale in HVAC of commercial building. But this is handled and designed without consideration about geothermal properties and characteristics of heat pump.

The purpose of this study is proposing effective handling of the GSHPs with case of 400RT GSHPs in commercial building in seoul.

The case, IT complex building, is divided into four part and is a building with four stories below and twenty-two above the ground, the area is 11,478 ㎡, the plottage is 19,138 ㎡.

The GSHPs of 400RT is composed to 4 zones, component of 4 zones are explained to below.

There are sixteen 25RT heat pump, five interior and ground source pumps. And a zone consists of 4 heat pump, 1 interior pump and 1 ground source pump. The rest of interior pump and ground source pump are spare pump.

This GSHPs was measured three times in 2008, January, August and December, august is Summer season, January and December are winter seasons.

The factors of measurement consist of things by measurement equipment and disaster prevention center in building. Things by measurement equipment are leaving and entering source temperature(LST, EST), leaving and entering load temperature(LLT, ELT) in heat pump, flow rate in interior pumps, indoor temperature, diffusor temperature in indoor, and so on. Things by measurement of disaster prevention center are heat pump on/off time, power consumption, outdoor temperature, value of heating(or cooling) load and so on.

The handling method of existing GSHPs is sequence control which is operated that one after another rotation zone at circulation periodically by 24hours. And the changing rotation time is 17 o'clock.

A phenomenon, concentration of heating and cooling load on a specific zone, was surveyed.

Consequently, it is proposed that zigzag rotation and changing rotation time to noon(12 o'clock) for preventing the concentration of load of specific zones.

When change the handling method of GSHPs, the prediction of efficiency change of heat pump device results in 3.71 by existing handling method and 4.05 by proposed handling method.