지열 이용 2단 열원 냉난방 및 급탕 열펌프 시스템의 성능 분석 연구 = Performance analysis of two stage heat source cooling, heating and hot water heat pump system using geothermal energy

국문 초록 (Abstract)

현재 국내 지열에너지 이용 분야는 천부지열 냉난방방식이 주류를 이루고 있다. 그러나 아직은 뚜렷한 기술적 진보나 성과가 많이 부족한 형편으로, 경제성에 확신이 적거나 그 효율성을 의심받는 사례도 간혹 있다. 따라서 지열에너지 이용기술에 대한 기술의 정립과 실증시험을 통한 검증이 시급히 이루어져야 하겠다.
또한, 지열히트펌프의 폐열(응축열) 회수 측면에서는 지금도 효율 향상을 위해 지열히트펌프의 응축기로부터의 폐열을 직접 회수하여 재사용하는 방식이 일부 사용되어지고 있으나, 이러한 방법은 단순히 지중으로 버려지는 폐열을 재사용하는 것에 지나지 않았다.
연구진은 폐열의 회수방식 중 냉난방용 지열히트펌프(GSHPch)의 응축열(폐열)을 회수하여 급탕용 부스터 지열히트펌프(GSHPhw)의 증발기 가열원으로 사용함으로써 냉난방 지열히트펌프(GSHPch)와 급탕용 부스터 지열히트펌프(GSHPhw)의 성적계수를 동시에 높이는 시스템을 제안하였다[1]
본 연구에서는 기 개발된 2단 열원방식 지열히트펌프에 대해 Trnsys시뮬레이션과 실제의 실증시험을 추가로 진행하여 시스템 성적계수의 향상을 확인하고, 건물의 연간 에너지 절감량을 추정하여 경제성을 분석하였다.
시험 방법 측면에서, 먼저 2단 열원 냉난방 및 급탕 열펌프 시스템의 경제성에 대한 정량적 검토를 목적으로 2가지의 시뮬레이션을 진행하였다. GLD(Ground Loop Design)[6]를 이용하여 시스템 성적계수 분석 및 천공수 절감효과를 분석하고, TRNSYS[7]로 연간 시뮬레이션 및 소비전력량(경제성)과 성적계수를 분석하였다.
실제 현장에 적용된 지열히트펌프의 응축온도 변화에 따른 성능(Capacity)과 동력(Power Input) 변화의 특성값은 미리 GLD와 TRNSYS에 입력하여 시뮬레이션을 진행하였다. 특히 TRNSYS 에서는 냉난방과 급탕의 동시성을 고려한 시나리오별 성능과 소비전력량을 예측해보았으며, 히트펌프의 응축온도에 따른 성능(Capacity)과 동력(Input power)의 특성값은 TRNSYS 내부에‘External Files’의 형태로 미리 입력하였고, 실제 진행된 전라북도 전주시 대신 서울시의 연평균 기후를 사용하였다.
그 다음 2단 열원 냉난방 및 급탕 열펌프 시스템이 실제 설치된 현장에서 검증테스트를 진행하였다. 현장 설치조건 및 설비현황은 시뮬레이션에서와 동일하며, 그 결과 값을 GLD와 TRNSYS 결과 값과 함께 비교하였다.
전체적으로 냉난방 지열히트펌프의 폐열(응축열)을 회수하여 급탕용 부스터 지열히트펌프(GSHPhw)에 사용함에 따라 급탕용 부스터 지열히트펌프(GSHPhw)는 연중 약 60% 이상의 COPhw 상승이 가능하며, 냉난방 지열히트펌프(GSHPch)는 냉방 운전 시 약 5~10% 정도의 COPcs 상승이 예상된다. 또한, 초기 투자비를 줄일 수 있는 방법으로도 활용이 가능하며, 고온급탕이 가능한 시스템으로도 만들 수 있는 기술적 가능성을 검증하였다.
본 연구에서 2단 열원 냉난방 및 급탕 열펌프 시스템의 경제성을 다각도로 분석함으로써 그 효과를 증명하였으며, 이러한 노력이 국내 지열에너지의 효율적 이용 분야에 조금이라도 도움이 되기를 간절히 바란다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper introduces an economical analysis of a new geothermal heat pump system that reuses condenser waste heat of the cooling and heating geothermal heat pump (GSHPch) for the low-temperature heat source of the hot water geothermal heat pump (GSHPhw). After feasibility tests using GLD and TRNSYS simulation, the proposed system is actually installed and has been thoroughly tested. It is observed that 1) COP (Coefficient of Performance) of GSHPhw can improve by 62%, 2) the number of bore holes can be reduced by two, and 3) hot water supply temperature of GSHPhw can increase up above 60 °C. Also it is
analyzed that 1) around ten million Won of the initial investment cost can be saved by the reduced number of bore holes, and 2) around one million Won of the annual electricity bill can be saved by the increased COP of GSHPhw.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• II. 이론적 고찰 4
• 1. 지열에너지 4
• 2. 열전도도 테스트(열응답 테스트) 9
• 3. 지열히트펌프시스템 15
• 4. 지열히트펌프시스템의 폐열(응축열) 회수 21
• III. 연구내용 26
• 1. GLD·TRNSYS 시뮬레이션의 조건 26
• 2. 시험 장치 및 시험 방법 29
• IV. 연구 결과 및 고찰 38
• 1. GLD 시뮬레이션 38
• 2. TRNSYS 시뮬레이션 42
• 3. 실증시험 48
• 4. 2단 열원 냉난방 및 급탕 열펌프 시스템의 성적계수 53
• 5. 경제성 분석 53
• V. 결 론 55
• 참고문헌 56
• 영문초록(Abstract) 57