Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 October 2018. 510-518
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180042

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 개발

  •   이론적 고찰

  •   변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 개발

  • 변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 검증

  •   대상 건물 개요

  •   변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 검증

  • 결 론

서 론

전 세계적으로 에너지 절감과 온실가스 감축에 대한 관심이 높아지면서 전체 에너지 소비에 상당 부분 영향을 미치는 건축물 부분의 에너지 절감에 대한 필요성 및 노력이 증대되고 있다. 국내에서는 단기적인 에너지 절감이 아닌 에너지 공급의 안정화 및 에너지 비용 절감과 온실가스 감축을 유도하는 신재생 에너지 활용을 중심으로 에너지 정책에 대한 투자가 이루어지고 있다.

‘신에너지 및 재생에너지개발·이용·보급촉진법’(산업통상자원부) 등의 제도 마련 및 시행을 통해 특정 건물에 대해 공급을 의무화 하며 신재생 에너지 개발 및 사용을 유도한다. 신재생 에너지 중 냉난방 시스템으로 사용 시 높은 효율을 나타내며 긴 기기 수명으로 적은 유지보수비가 사용되는 지열 시스템의 설치가 증가하고 있다. 열원의 안정적인 공급과 연중 효율적인 운영이 가능하여 지열 시스템을 활용한 에너지 절감 효과가 높아 설치가 증가하는 반면 효율적인 활용이 이루어지지 않고 있다.1) 신재생관련 제도 준수를 위해 필요 이상 용량의 시스템을 설치 후 비효율적인 운영으로 인한 에너지 낭비가 발생한다. 성능이 우수한 지열 시스템은 설치한 반면 주 열원으로 다른 열원 시스템을 사용하거나 대부분 부분 부하 상태로 운영 되지만 지중 순환수의 정유량 제어를 통해 에너지 낭비가 발생한다.

1) 장향인 외 4명, 건축물 신재생에너지원의 이용 현황 및 문제점 분석, 한국태양에너지학회 논문집, 32(5), 2012

지열 시스템의 보급이 증대되면서 관련된 연구가 최근 진행되고 있다. 손병후(2014)는 업무용 건물을 대상으로 실제 에너지 소비량과 지열 시스템의 에너지 소비량을 비교 및 냉난방 성능 분석을 실시했으며 Ozgener (2007)는 실제 지열 시스템의 실험적 성능 평가를 실시했다. Aymeric Girard (2015)는 지열 시스템의 성능 향상 방안으로 태양열 시스템과의 복합 운영 방안을 제안하고 운영방안 적용에 따른 성능 분석을 실시했다. 지열 시스템의 운영 방안 개발에 관련된 연구는 국내보다 앞서 국외에서 활발히 진행되고 있으며 국내에서는 설계 및 운영 초기 단계에서 활용 될 수 있는 지열 시스템의 성능 평가 및 효율적인 설계 방안 등 에 대한 연구는 많이 이루어지고 있지만 시스템의 효율적인 운영 방안 개발 등 지열 시스템의 운영 방안 개선에 관한 연구는 미흡하다.

이에 본 연구에서는 지열 시스템의 비효율적인 운영으로 인한 에너지 낭비를 방지하기 위해 지중 순환수의 변유량 제어를 통한 여러 대의 지열 히트펌프 시스템의 운영 방안을 제안하고자한다. 개발한 운영방안을 실제 지열 시스템의 설치된 건물을 대상으로 시뮬레이션을 활용한 검증을 실시하고자 한다.

변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 개발

국내의 지열 히트펌프 시스템은 하나의 실외기에 다수의 실내기가 연결되어 있으며 각각의 실내기의 운영 상태에 따라 대부분 부분부하 상태로 운전된다. 이와 관련하여 실내 부하 변동에 대응하여 실외기가 운전되도록 용량 가변형 압축기를 활용한 지열 히트펌프 시스템의 사용이 증가하고 있다. 반면 지중 순환수의 경우 정속펌프를 활용해 부하와 상관없이 정유량으로 공급되어 부분부하 운전 시 효율이 저감되는 문제가 발생한다.2) 부하에 대응하여 지중 순환수 변유량 제어를 통해 시스템 효율 향상 및 에너지 절감이 가능하다.

2) 송수원, 주거용 건물 지열원 멀티 히트펌프시스템의 지열순환펌프 가변유량제어에 관한 실증연구, 설비공학논문집, 25(8), 2013

이론적 고찰

지열 히트펌프 시스템의 순환펌프의 유량제어를 통한 시스템 성능 개선에 관련된 선행 연구는 미비한 실정이지만 송수원(2013)은 주거용 건물의 순환펌프의 가변유량 제어방법을 제안하고 실제 시스템에 적용하여 타당성을 검증했으며 Shin (2018)은 지열 시스템의 변유량 제어 방안을 제안하고 시뮬레이션을 통해 제안 방법의 에너지 절감 및 성능 향상을 검증했다. 선행 연구들을 통해 지중 순환수의 변유량 제어를 통한 에너지 절감 및 성능 향상에 대한 가능성을 확인했다. 본 논문에서는 멀티 지열 히트펌프 시스템의 순환수 변유량 제어 방안을 활용한 시스템 운영 방안을 제안하고자 한다.

지열 히트펌프 시스템에서 열 교환이 이루어 질 때 평균 온도차는 식 (1)과 같으며 전체 열전달 계수를 활용하는 열량은 식 (2)와 같다.

tm=Ftm,cf  (1)

q=UAtm  (2)

열 교환기와 주변 사이의 열전달 및 위치에너지와 운동에너지의 변화를 무시하고 비열이 일정하다고 가정하면 고온 유체와 저온 유체의 총 에너지 평형을 적용하여 열량은 식 (3)과 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.

q=m·hhh,i-hh,o=m·chc,i-hc,o  (3)

q=m·hcp,hth,i-th,o=m·ccp,ctc,i-tc,o  (4)

이와 같은 관계식을 통해 식 (5)과 같이 지중 순환수 유량 계산이 가능다. 히트펌프 COP는 식 (6)과 같으며 동일한 실내 부하 상황에서 대응하여 지중 순환수 유량 변화 시 순환펌프 소비동력 감소로 인해 COP 향상이 가능한 것을 확인 할 수 있다.

msource=mrefrieranth/Cp,sourcetsource  (5)

COPsys=qwc+wp+wf  (6)

변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 개발

정유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안

지열 히트펌프 시스템의 기존 운영 방안은 설정온도에 따른 대수제어로 각 지열 히트펌프의 냉‧온수 출구 온도에 따라 대수 제어를 하는 방식이다. 냉‧온수 설정 온도를 기준으로 설정 상한치가 되면 시스템을 운영하고 냉‧온수 출구 온도가 설정 온도 하한치에 도달하면 히트펌프의 운전을 멈추는 운영 방식으로 운영 알고리즘은 Figure 1과 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120506/images/Figure_KIAEBS_12_5_06_F1.jpg
Figure 1.

Existing operating algorithm

① 지열 히트펌프 시스템이 작동 중이지 않는 경우

히트펌프의 냉수 출구온도가 설정온도 보다 높으면 (Tw>Tset-d) 지열 히트펌프 시스템을 작동시킨다. 그 후 설정 냉수 출구온도를 맞추는지 여부에 따라 다음 히트펌프의 운영을 결정한다. 히트펌프 냉수 출구온도가 설정온도보다 낮으면 (Tw<Tset-d) 현재 상태를 유지한다.

② 지열 히트펌프 시스템이 작동 중인 경우

히트펌프의 냉수 출구온도가 설정온도 보다 낮으면 (Tw<Tset-d) 히트펌프의 운영을 중지한다. 그 후 히트펌프 냉수 출구온도가 설정 온도보다 높으면(Tw>Tset-d ) 설정 온도를 맞추기 위해 추가적으로 히트펌프를 운영시키며 히트펌프의 냉수 출구온도가 설정온도보다 낮아지면 순차적으로 작동을 중지한다.

변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안

지열 히트펌프 시스템의 지중 순환수 유량을 제어 포인트로 추가하여 유량에 따른 순차적 운영 방안을 제안한다. 지중 순환수 공급 유량이 최대가 됐을 때 히트펌프가 순차적으로 작동되는 방식으로 일반적인 변유량 시스템에서 사용되는 방식과 유사하다. 지중 순환수의 최대 유량은 설계 시 정해진 값으로 기존 운영 방식에서 정유량으로 공급하는 유량과 같다. 지중 순환수 변유량 제어를 활용하여 최대 유량에 따른 순차적 운영 방안에 대한 알고리즘은 Figure 2와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120506/images/Figure_KIAEBS_12_5_06_F2.jpg
Figure 2.

Proposed operating algorithm

① 지열 히트펌프 시스템이 작동 중이지 않는 경우

실내온도가 설정온도보다 높으면 (TRoom>Tset,Room) 히트펌프를 작동시킨다. 그 후 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 유량이 최대 유량 보다 작으면 (mmax>m) 비례제어에 의한 신호 값(0<Singal≤1)에 의해 비례적으로 펌프의 공급 유량을 결정한다. 한 대의 지중 순환수 유량이 최대 유량이 되어도 실의 부하를 담당하지 못하는 경우 다음 히트펌프를 작동 시킨다. 지중 순환수 유량이 최대 유량 보다 크면(mmax<m) 현 상태를 유지한다.

② 지열 히트펌프 시스템이 작동 중인 경우

지열 순환펌프 유량이 최대 유량보다 크면 (mmax<m) 히트펌프 시스템의 작동을 중지한다. 한 대의 히트펌프 지열 순환펌프 유량이 설정 값보다 작아지면(mmax>m) 현 상태를 유지한다.

변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 검증

대상 건물 개요

지중 순환수 변유량 제어를 활용하여 최대 유량에 따른 운영 방안 검증을 위한 대상 건물은 대구광역시에 위치한 문화 및 집회시설, 업무시설, 판매시설 등으로 구성된 복합용도의 건물로 건물 개요는 Table 1과 같다.

Table 1. Summary of Target Building

Category Contents
LocationDaegu, Korea
Building typeMixed-use building (Cultural and meeting facilities, business facilities, sales facilities)
Building storiesThe second basement/The ninth floor
Total Floor area49,667 m2

대상건물의 열원 설비로는 지열 히트펌프 시스템과 빙축열 시스템, 보일러가 사용되고 있다. 지열 히트펌프 시스템은 320 RT 용량으로 총 7대가 운영되고 있으며 예비펌프 1대를 포함하여 8대의 순환펌프가 사용되며 시스템 정보는 Table 2, Table 3과 같다.

Table 2. Summary of Geothermal Heat Pump System

Category Contents
Quantity7
Capacity (USRT)CoolingHeating
48.344.4
Entering Source Temperature (℃)255
Supplied Temperature (℃)1240
Flow Rate (LPM)600600

Table 3. Summary of Circulation Pump

Category Contents
Quantity8
Power (kW)7.5
Head (M)35
Flow Rate (LPM)700

변유량 제어를 활용한 지열 시스템 운영 방안 검증

건물 상세 해석 프로그램인 TRNSYS (Transient Systems Simulations)를 활용한 시뮬레이션을 통해 대상건물 구현 및 개발 지열 시스템 운영 방안 적용을 통한 검증을 실시한다. Table 4는 시뮬레이션에 사용된 대표실의 온습도 조건을 나타낸다. 지열 히트펌프 시스템을 구현하기 위해 히트펌프는 물 대 물 방식의 Type927을 사용하며, 지중열교환기는 수직형 열교환기 Type557a를 사용한다. 지중 순환 펌프 및 냉수 공급 펌프는 Type3b를 사용한다.

Table 4. Summary of Circulation Pump

Category SummerWinter
Temperature (℃)Humidity (%)Temperature (℃)Humidity (%)
Exhibition2450±52040±5
Office2450±52240±5
Library2440±52040±5
Meeting Room2450±52040±5

대상 건물의 기존 지열 시스템 운영 방안을 CASE 1으로 선정 하였고 개발한 운영 방안을 CASE 2로 선정했다. Figure 3은 시스템 운영 시 외기온도 및 실내온도를 나타내며 실내 설정온도 편차 (24±0.5℃)내에서 제어가 가능했다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120506/images/Figure_KIAEBS_12_5_06_F3.jpg
Figure 3.

Room Temperature

Figure 4는 지중 순환수의 유량을 분석한 그래프로 CASE 1의 경우 지속적으로 정유량을 공급하며 CASE 2의 경우 부하에 대응하여 유량의 변화가 있는 것을 확인 할 수 있다. 변유량 제어를 활용한 최대 유량에 따른 지열 시스템 운영 방안 적용 후 평균 유량 1,651 lpm으로 감소하여 최대 설계유량에 비해 약 66% 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120506/images/Figure_KIAEBS_12_5_06_F4.jpg
Figure 4.

Flow Rate

Figure 5는 지열 시스템의 총 에너지 소비량을 분석한 그래프로 CASE 1에 비해 CASE 2의 경우 약 22%의 에너지 소비량이 절감되며 Figure 6은 부하에 따른 히트펌프 시스템 COP를 나타내는 그래프로 CASE 1의 경우 평균 3.07, Case 2의 경우 평균 3.59로 부하 변동에 따른 변유량 제어로 펌프 에너지 소비가 감소하여 COP가 상승하는 것을 확인 할 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120506/images/Figure_KIAEBS_12_5_06_F5.jpg
Figure 5.

Energy Consumption

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Figure 6.

COP

결 론

지열 히트펌프 시스템의 보급은 증대되고 있는 반면 효율적인 운영은 이루어지고 있지 않다. 지열 시스템의 지중 순환수 정유량 제어를 통항 에너지 낭비 감소 및 효율적인 운영을 위해 지중 순환수의 변유량 제어를 활용한 지열 히트펌프 시스템의 운영 방안을 제안했으며 본 연구의 결과는 다음과 같다.

(1) 지열 시스템의 COP 및 유량 산출에 대한 이론적 고찰을 통해 지중 순환수 변유량 제어를 통한 COP 향상 및 에너지 절감 가능성을 확인할 수 있다.

(2) 지중 순환수의 변유량 제어를 활용하여 최대 유량에 따른 순차적 제어 방안을 제안하고 기존의 설정온도에 따른 대수제어로 각 지열 히트펌프의 냉‧온수 출구 온도에 따라 대수 제어를 하는 방식과 실내 열 환경, 지중 순환수 유량, 에너지 소비량 및 COP 분석을 통해 제안한 지열 시스템 운영방안을 평가한다.

(3) 제안한 운영방안 적용 시 기존의 운영 방안에 비해 COP가 0.61 향상되며 에너지 소비량의 경우 약 15.6 GJ 감소하여 에너지 효율 향상 및 에너지 절감이 가능한 운영 방안임을 확인 할 수 있다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(18CTAP-C143443-01)에 의해 수행되었습니다.

References

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