열원 버퍼 탱크와 인버터 펌프를 이용하여 지중 순환수 유량 및 열원 입구온도를 제어하는 지열 히트펌프 시스템

• Published in: 설비공학 논문집, 35(8) Vol. 35; no. 8; pp. 412 - 420
• Main Authors: 박종갑(Jong Gab Park), 김선혜(Sean Hay Kim), 신정수(Jeong Soo Shin)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.08.2023
• Subjects: 기계공학; Ground loop pump(열원 순환펌프); EWT control(열원 입구온도 제어); Flow rate control(유량 제어); Ground loop buffer tank(열원 버퍼탱크); Geothermal heat pump system(지열 히트펌프 시스템)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2023.35.8.412

본 연구는 지열 히트펌프 시스템의 열원측 지중 순환루프에 버퍼탱크를 설치하고 변유량 지중 순환펌프를 조건에 따라 가동하여 ① 순환수 유량을 조절하고 ② 버퍼탱크 내 난류충돌을 유도하여 순환수의 온도를 일정하게 유지하였다. 이를 통해 운전정지 후 재가동시 피크부하를 줄이고 EWT를 낮게(냉방 시) 또는 높게 (난방 시) 유지하여 지열 히트펌프 시스템의 냉난방 효율을 향상하고자 하였다. 기존 시스템과(베이스 시스템: 정유량 지중 순환펌프, 열원 버퍼 탱크 미설치) 비교하였을 때 신규 시스템의 냉난방 성능은 다음과 같다. (1) 베이스 시스템 vs. VF 시스템: 냉방 실험 결과 지중 순환펌프가 변유량으로 제어되어 순환수 유량이 31% 줄어들면 지중 순환펌프의 평균 소비전력은 약 56% 줄어들고 열원 입출구 온도차는 2℃ 정도 상승하였다. 난방 실험 결과 순환수 유량이 44% 줄어들면 지중 순환펌프의 평균 소비전력은 약 68% 줄어들고 열원 입출구 온도차는 2.2℃ 정도 상승하였다. (2) 베이스 시스템 vs. CF+BT 시스템: 냉방 실험 결과 실험 초기에는 CF+BT 시스템의 EWT는 베이스 시스템의 EWT와 유사하였으나 버퍼탱크 및 지중열교환기를 통과한 지중순환수가 히트펌프에 유입되면서 결국 베이스 시스템의 EWT보다 2℃ 정도 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 난방 실험 결과 베이스 시스템의 EWT보다 1.3~1.5℃ 정도 높게 유지되는 것으로 나타났다. (3) 베이스 시스템 vs. VF+BT 시스템: 냉방 실험 결과 변유량 제어로 순환수 유량이 33% 줄어들면 지중 순환펌프의 평균 소비전력은 약 58% 줄어들고 열원 입출구 온도차는 2℃ 정도 상승하였으며 지중 순환수가 버퍼탱크에 유입되면서 EWT는 2℃ 정도 낮아졌다. 따라서 VF+BT 시스템의 히트펌프는 압축비가 줄어들어 히트펌프 평균 소비전력은 평균 7.4% 낮아졌다. 최종적으로 VF+BT시스템의 시스템 평균 냉방 소비전력은 베이스 시스템 대비 15.8% 줄어들었고 평균 냉방 시스템 COP는 21.7% 향상되었다.난방 실험 결과 순환수 유량이 44% 줄어들면 지중 순환펌프의 평균 소비전력은 약 68% 줄어들고 열원 입출구 온도차는 2.5℃ 정도 상승하였다. 지중 순환수가 버퍼탱크에 유입되면서 EWT는 1.5℃ 정도 높아졌다. 따라서 VF+BT 시스템의 히트펌프의 평균 소비전력은 평균 0.3% 낮아졌다. 최종적으로 VF+BT시스템의 시스템 평균 난방 소비전력은 베이스 시스템 대비 8.4% 줄어들었고 평균 난방 시스템 COP는 14.5% 향상되었다. Table 2의 초기 온도로 베이스 시스템 가동을 시작한 후 실내 설정온도를 만족하여 시스템이 일시 가동 정지할 때까지 보통 2시간 정도 소요되었기 때문에 본 연구에서는 실험 시간을 2시간으로 설정하였다. 그러나 향후 연구에서는 냉난방 효율이 가장 좋은 것으로 나타난 VF+BT 시스템을 계절과 부하 조건을 달리하여 장기간 실증을 진행할 예정이다. 특히 VF+BT 시스템은 간헐 운전 시 강점이 있으므로 봄 가을철 현실적인 부분부하 조건에서 2달 이상 연속 실험을 수행할 예정이다. 또한 본 시스템의 열원 버퍼탱크는 지중 순환수의 난류 충돌을 유도하여 일정한 온도를 유지하고자 하나, 축열탱크(Thermal Energy Storage)의 성층화가 열원 기기의 냉난방 효율 향상에 더 유리하다는 점을 차용하여 열원 버퍼 탱크의 성층화에 대한 연구개발도 진행할 예정이다. A new geothermal heat pump system that could control ground loop flow rate was developed by installing a variable volume ground loop pump. It could manage ground loop water temperature by installing a ground loop buffer tank to maintain water temperature within a fixed range by promoting turbulence crossflow. This new system could minimize peak loads when resuming operations after a pause. It could increase the system's cooling and heating efficiency by lowering the EWT during cooling and raising the EWT during heating. This new system consumes 15.8% less electricity than the base system for cooling and increases the cooling system's COP by an average of 21.7%. Additionally, it consumes 8.4% less electricity than the base system for heating and increases the heating system's COP by an average of 14.5%. KCI Citation Count: 0