공기열원 히트펌프 제상운전 특성을 반영한 건물에너지모델링 프로그램 로직 도출에 관한 연구 = The Study on Developing a logic that Reflects Actual Defrost Operation Characteristics in Air-source Heat Pump System Modeling for Building Energy Modeling Programs

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 건물에너지모델링 프로그램에서 공기열원 히트펌프 시스템의 겨울철 제상운전을 보다 현실적으로 반영하기 위한 개선 로직을 제안한다. 기존 건물에너지모델링 프로그램에서는 제상운전의 영향이 난방 성능 저하의 주요 원인임에도 불구하고 이를 단순화 하여 표현하거나 충분히 반영하지 못하고 있는게 사실이다. 특히 제조사별로 제상운전 제어로직이 상이하여, 제상운전 돌입 조건, 지속조건, 빈도 등에 대한 실제 데이터 기반 분석이 부족한 실정이다.
이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 실제 현장에서 측정된 외기 온도, 습도, 난방 부하, 제상운전 시작 및 종료 시점 등의 데이터를 수집하고 실제 제품의 제상운전 패턴을 분석하였다.
분석 결과, 제상운전 빈도와 운전 시간은 외기 조건과 난방 부하에 큰 영향을 받았으며, 제조사가 만든 제품의 특성을 건물에너지모델링 프로그램에 적용할 필요성을 확인할 수 있었다.
이러한 분석을 바탕으로, 제상운전 특성을 로직화 하여, 건물에너지모델링 프로그램에 반영하여 분석한 결과, 기존 제상운전 모델 대비, 난방에너지 소비량이 약 4% 감소하였다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 공기열원 히트펌프의 난방 성능 예측 신뢰도를 향상시키고, 나아가 에너지절감 설계 및 정책 수립, 탄소배출 저감 계획 수립에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes an improved logic for building energy modeling programs to more realistically reflect the winter defrosting operation of air-source heat pump systems. Existing building energy modeling programs often oversimplify or fail to adequately reflect the impact of defrosting, a major cause of heating performance degradation. In particular, the defrosting control logic varies across manufacturers, resulting in a lack of data-based analysis of defrosting initiation, duration, and frequency.
To address this issue, this study collected field-measured data on outdoor temperature, humidity, heating load, and defrosting start and end times, and analyzed the defrosting operation patterns of actual products.
The analysis revealed that the frequency and duration of defrosting were significantly influenced by outdoor conditions and heating load, highlighting the need to incorporate manufacturer-specific product characteristics into building energy modeling programs.
Based on this analysis, the defrosting operation characteristics were logically defined and incorporated into the building energy modeling program. The results showed a reduction in heating energy consumption of approximately 4% compared to existing defrosting models. This is expected to improve the reliability of predicting the heating performance of air-source heat pumps and, furthermore, make a practical contribution to energy-saving design and policy establishment, as well as carbon emission reduction plans.

목차 (Table of Contents)

• I. 소개 1
• II. 제상운전의 이론적 배경 9
• 1. 제상운전의 목적 9
• 2. 공기열원 히트펌프 시스템에서의 제상운전 방법 12
• III. 실제 제품과 모델링 프로그램과의 운전방식 비교 15
• 1. 주요 제조사별 공기열원 히트펌프 시스템에서의 제상운전 방식 15
• 2. 주요 모델링 프로그램의 제상운전에 대한 에너지 성능 계산 방법 19
• IV. 실제 난방운전에서의 실외기 제상운전 실험 29
• 1. 실험 조건 (실험실 모델 / 외기 조건 / 제품 용량 / 운전 시간 등) 29
• 2. 제품 특징 34
• 3. 제상운전에 관한 제품 특성 40
• 4. 실험 외부상태 조건 46
• 5. 실험결과 및 분석 49
• V. 건물에너지모델링 프로그램의 실사용 운전방식을 반영한 제상운전 로직 개선 연구 54
• 1. 모델링 프로그램 54
• 2. 모델 조건 55
• 3. 모델링 결과 (기존 모델링 프로그램의 로직) 68
• 4. 실제 제품운전 특성을 반영한 제상운전 로직 개발 74
• 5. 신규 로직을 반영한 에너지모델링 결과 비교 분석 80
• VI. 결론 83
• 참 고 문 헌 84
• ABSTRACT 85