지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템의 개발 = Development of the Integrated Ground Source Heat Pump System on a Shared Ground Loop

국문 초록 (Abstract)

지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템(IGSHP ; Integrated Ground Source Heat Pump System on a Shared Ground Loop)이란 지열에너지를 이용하여 건물의 냉·난방과 급탕 등을 행하는 지열히트펌프 시스템의 일종으로서 냉·난방용 지열히트펌프의 냉방운전 시 지중으로 버리는 응축열을 급탕용 지열히트펌프(급탕설비, 축열식 바닥난방 코일, 기타의 각종 온수코일 등을 위한 온수 생산 전용 지열히트펌프를 말한다, 이하 동일)의 증발기 가열원으로 활용할 수 있어서 급탕용 지열히트펌프의 시스템 성적계수를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 냉·난방용 지열히트펌프의 냉방 운전 시 열원(수열체)의 용량을 증가시켜 냉·난방용 지열히트펌프 시스템의 시스템 성적계수를 동시에 높일 수 있다는 장점이 있고, 추가적으로 냉·난방용 지열히트펌프와 급탕용 지열히트펌프의 열원측 수배관 회로가 서로 통합되어 있어서 냉·난방 및 급탕 운전 시 지열원 펌프를 공용으로 사용할 수 있으므로 지열원측의 반송동력(수배관(water pipe)내 열매체 운반을 위한 펌프의 동력을 말한다, 이하 동일)을 점감할 수 있다는 점 등이 큰 특징이라고 할 수 있다.
연구진은 기존에 이러한 지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템의 개발 및 경제성 분석[1]에 대한 유사 연구결과를 이미 발표한 바 있었으며, 이번 연구에서는 이렇게 기 연구된 지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템의 실제 설치 현장에서의 운용 및 자동제어 방법에 대한 연구를 지속하여 건물의 추가 에너지 절감 항목을 찾아내기 위해 기존 연구를 확장하여 진행하였다. 특히 실제 사용중인 건물에서의 지열히트펌프의 열원 통합에 의한 효과에 더하여 외기보상 제어방식, 순차적 수요제어방식 등의 자동제어에 의한 효과를 추가함으로써 그 효과를 배가 및 최적화 하는데 경주해왔다.
히트펌프 장비 시스템 측면에서 연구진의 기존 연구에서는 물-물 지열히트펌프에 한정된 연구이었지만, 이번 연구에서는 현장에서 그 쓰임새가 점차 확대되고 있는 물-공기 지열히트펌프에 까지 확장하여 검증하였다. 또한 실제 현장의 냉·난방 설비 시스템에 대하여 실증실험과 Trnsys시뮬레이션을 동시에 진행한 후 그 결과에 대해 M&V(Measurement and Verification ; 측정 및 검증)를 수행한 후 그 결과를 바탕으로 Trnsys시뮬레이션의 베이스라인을 보정 후 그 효과를 보다 정밀하게 검증하였다.
지열히트펌프에 대한 외기보상제어는 냉·난방용 지열히트펌프 시스템의 자동제어장치에 연결된 온도센서를 이용하여 외기온도를 실시간 감지해내고, 이를 기준으로 건물 부하측으로 공급되어지는 온수의 공급온도를 차등 공급하는 방식(외기온도가 올라갈수록 급탕부하가 감소하므로 공급 온수의 온도를 낮추고, 반대로 외기온도가 내려가면 급탕부하가 증가하므로 공급 온수의 온도를 올리는 방식)이며, 보통의 건축물에서 온수 및 구조체의 과열 방지, 사용 에너지 절감, 거주 공간의 보건용 공조 등을 위해 선택되어질 수 있는 방식으로 알려져 있다. 그러나, 외기보상제어를 급탕 외 난방에 까지 무리하게 확대 적용할 경우에는, 특히 호텔, 숙박시설, 상업용 건물 등에서, 재실자의 쾌적감(PMV) 등에 문제가 생길 소지가 있으므로, 상대적으로 비교적 무리없이 적용할 수 있는 급탕수 공급 부분에 한정하여 적용하였다.
한편, 순차적 수요제어는 지열히트펌프 시스템에서 겨울철 난방모드와 급탕모드의 사용 시간대가 서로 겹칠 경우 지열부하가 과중해져 땅속 온도가 많이 하락하여 시스템의 성적계수(COP)가 낮아지는 점을 개선하기 위하여 급탕운전과 난방운전의 운전 시간대역을 철저히 분리하여 운전하는 방식이다. 물론 이 때에는 보통 급탕용 온수 저장탱크를 다소 크게 설계하여 그 저장량을 늘려야 하며, 난방운전 시간대에는 급탕운전을 하지 않게 운전 스케줄을 별도로 설계해야 한다. 이러한 순차적 수요제어 방식의 운전제어는 한정된 지중열교환기를 가장 효과적으로 사용할 수 있는 방식 중 하나이므로, 지열히트펌프 시스템의 제어분야에서는 외기보상제어와 더불어 현업에서 실제의 냉·난방 및 급탕 설계에 적극 반영하도록 추천돼야 할 항목이라고 사료된다.
이렇게 이번 연구를 통하여 기존 연구[1]에서의 지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템이 적용된 건물의 에너지 절감항목에 더하여 시스템 운용상 자동제어 측면에서의 절감항목(외기보상제어, 순차적 수요제어)을 추가함으로써 지중열교환기를 공유하는 통합형 지열히트펌프 시스템의 효과를 나름 최대화할 수 있었다. 앞으로 이번 연구 결과를 포함한 건물 에너지 절감 기술을 현장에 보다 많이 적용 및 응용하여 재생에너지 중 하나인 지열 히트펌프 냉·난방 시스템을 더욱더 고효율적 시스템으로 건물에 적용할 수 있게 되기를 기대해 마지않는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

An integrated geothermal system in which the heat pumps for air conditioning and hot water both share the same ground loop was proposed in our previous study. Although this system produced electricity savings of about 13% compared to a Conventional geothermal system in which the two heat pumps operated on their own ground loop, practical aspirations regarding further lowering the operation cost of the integrated geothermal system and the possibility of the energy savings being low during winter initiated further investigation into potential energy conservation measures at no initial cost increase, if possible. Outdoor reset control for hot water circulation and sequential heat pump operation, both of which can be included at no extra cost, were subsequently targeted as potential measures for greater electricity savings and economic feasibility. When these measures were incorporated into the integrated geothermal system, electricity savings of approximately 25% during the heating season compared to the Conventional geothermal system were predicted. Eventually it leads to the electricity cost savings up to KRW 9.6 million a year at today’s rates compared to the Conventional geothermal system, and the break-even point reached only around one year after installation.

목차 (Table of Contents)

• 요약
• 표목차
• 그림목차
• 사진목차
• 기호설명
• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목표 1
• 2. 지열히트펌프 시스템의 에너지효율 개선에 관한 선행연구 5
• II. 이론적 고찰 8
• 1. 지열에너지와 히트펌프 8
• 1) 지열에너지 개요 8
• 2) 히트펌프 시스템 기술 11
• 3) 히트펌프 시스템의 분류 및 특징 16
• 4) 지열히트펌프 시스템 기술 21
• 5) 지열히트펌프 시스템의 특장점 27
• 6) 지열 냉·난방 및 급탕 시스템 29
• (1) 수직 밀폐형 지열히트펌프 시스템(Vertical Closed Loop System) 30
• (2) 수평 밀폐형 지열히트펌프 시스템(Horizontal Closed Loop System) 31
• (3) 에너지 파일형 밀폐 지열히트펌프 시스템 32
• (4) 개방형 지열히트펌프 시스템(Open Loop System) 33
• (5) 물-물 및 물-공기 지열히트펌프 시스템 39
• (6) 수축열 지열히트펌프 시스템 40
• (7) 하이브리드 지열히트펌프 시스템 43
• 2. 지열에너지 기술 및 시장동향 45
• 1) 지열 직접이용 분야 국내·외 기술개발 현황 45
• 2) 세계 지열히트펌프 시스템 관리 규정 현황 46
• 3) 국내 지열히트펌프 시스템 관리 규정 현황 55
• 4) 국내 신재생에너지 국가 목표 62
• 3. 지열히트펌프 시스템의 폐열(지열히트펌프의 응축열) 회수 기술 64
• 1) 기존의 지열히트펌프 폐열회수 기술 64
• 2) 기존의 지열히트펌프 폐열회수의 문제점 65
• III. 실증실험 67
• 1. 연구 준비단계 67
• 1) 통합형 지열히트펌프 시스템(IGSHP)의 개요 67
• 2) 통합형 지열히트펌프 시스템(IGSHP)의 냉방 시즌 운전 70
• 3) 통합형 지열히트펌프 시스템(IGSHP)의 난방 시즌 운전 72
• 2. 통합형 지열히트펌프 시스템의 설계 75
• 3. 지중열전도도 테스트 82
• 1) 지중열전도도 테스트의 이론적 배경 82
• 2) 열전도도 테스트 진행 및 분석 83
• 4. GLD 시뮬레이션 88
• 1) GLD시뮬레이션의 입력 매개변수 88
• 2) GLD 시뮬레이션의 실행 결과 92
• 5. 실증실험 준비 94
• 1) 실증실험 개요 94
• 2) 실증실험 장치의 설치 95
• 3) 실증실험 사전준비 96
• 6. 실증실험 진행 102
• IV. Trnsys시뮬레이션 및 M&V 111
• 1. Trnsys시뮬레이션 111
• 2. M&V(측정 및 검증) 123
• 1) Trnsys 모델 보정(Model calibration) 123
• 2) 냉방 단독운전(GSHPch)에 대한 M&V 125
• 3) 난방 단독운전(GSHPch)에 대한 M&V 127
• 4) 급탕 단독운전(GSHPhw)에 대한 M&V 128
• 5) 냉방과 급탕의 폐열회수운전(GSHPch + GSHPhw)에 대한 M&V 130
• 6) 난방과 급탕의 동시운전(GSHPch + GSHPhw)에 대한 M&V 132
• V. 에너지 절약적 제어 140
• 1. 에너지 절약적 제어의 적용 140
• 2. 데이터 수집과 시뮬레이션 진행 145
• VI. 연구 결과 및 고찰 149
• 1. Trnsys시뮬레이션 분석 149
• 2. 경제성 분석 154
• 3. 토론(Discussion) 159
• VII. 결 론(Conclusion) 161
• 참고문헌(Reference) 163
• 영문초록(Abstract) 166