2.1 지표수 열원 히트펌프 시스템

성능 분석용 시스템은 슬린키(slinky) 코일 형상의 지표수 열교환기, 히트펌프, 순환수 펌프, 실내기(FCU), 각종 계측기와 데이터획득장치 등으로 구성된다. 연못을 열원으로 활용하는 점을 제외하면, 수직 또는 수평 지중열교환기 시스템과 큰 차이는 없다. 지표수 히트펌프 시스템은 연못물을 직접 이용할 수도 있다. 하지만 히트펌프와 배관 등을 보호하기 위해 이번 연구는 지표수 열교환기 순환수와 연못물이 열을 교환하는 간접 방식을 채택하였다. Fig. 1은 실험에 사용한 지표수 히트펌프 시스템의 주요 요소들을 보여준다.

Fig. 1(a)의 연못은 바닥을 콘크리트로 처리한 인공 연못(artificial pond)으로 깊이는 약 0.8 m이고 면적은 약 1,700 m2(체적 1,360 m3)이다. Fig. 1(b)는 지표수 열교환기 코일을 성형하는 모습이고 Fig. 1(c)는 성형 후 사진이다. 지표수 열교환기 코일로 외경 25 mm, 내경 20.5 mm의 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 사용하였다. 코일 직경과 피치는 1 m와 0.3 m이고 파이프 길이는 150 m다. 이렇게 성형한 코일 10개를 연못 바닥에 설치하였다(Fig. 1(d) 참조). Fig. 1(e)는 대상 건물과 연못 사이에 설치한 맨홀 내부를 보여준다. 이 맨홀 내부에 공급과 환수 헤더(header)를 설치한 다음 모든 파이프를 연결하였고, 파이프 각각에 온도 센서, 유량계, 자동 밸브를 부착하였다. Fig. 1(f)는 히트펌프와 냉․온수 저장 탱크 등을 보여준다.

시스템에서 핵심 요소는 히트펌프와 지표수 열교환기다. 히트펌프(DHC, 20GWD)는 물 대 물 방식이고 압축기 2대를 사용한다. 냉방 정격조건(열원 25℃, 부하 측 냉수 입․출구 12℃/7.2℃)에서 용량은 80.8 kW(호칭 용량 20 RT)이고 COP는 5.39다. 참고로 난방인 경우(열원 5℃, 부하 측 온수 입․출구 40℃/44.4℃) 용량 72.8 kW, COP 3.77이다. 냉방 모드에서 히트펌프는 냉수를 생산하여 탱크(1,500 L)에 저장하며 이 냉수를 FCU로 보내 대상 공간을 냉방한다. 이때 히트펌프는 탱크 내부 설정 온도(9±1℃)에 따라 가동과 정지를 반복한다. 대상 공간은 연못 옆 건물(호서대학교 제2 공학관) 지상 1층에 있는 사무실(60 m²)과 강의실(30 m²) 그리고 지하 1층의 실험실(210 m²)이며, 이번 실험에서는 지하 1층 실험실로 한정하였다. 지표수 열교환기 순환수로 물(83.5%)- 에틸알코올(16.5%) 혼합 유체를 그리고 부하 순환수로 물을 사용하였다. 정격 소비전력 7.0 kW의 지표수 열교환기 순환수 펌프(Wilo, PI15HU1EH) 1대가 히트펌프에 대응한다.

열원 조합 방법(예 : 지표수 100%, 지표수 50%-수직 50% 등)이 시스템 성능에 미치는 영향을 규명하는 것이 연구 목적 중 하나다. 따라서 Fig. 2처럼 두 열원을 같이 이용할 목적으로 시스템을 구성하였다. 다양한 조합 방법 중 이번 실험은 지표수 히트펌프 시스템의 성능을 우선 검증하는 것으로 한정하였다. 참고로 수직 지중열교환기는 깊이 150 m와 직경 150 mm인 보어홀(borehole) 7개를 이용한다. 각각의 보어홀 안에 외경 25 mm HPDE 파이프가 단일 U관(single U-tube) 형상으로 삽입되어 있다. Fig. 1(c)에서 코일이 놓여 있는 곳 아래에 보어홀이 5 m 간격으로 일렬로 천공되어 있다. 이를 기준으로 왼쪽에는 대상 건물, 오른쪽에는 연못이 있다.

2.2 데이터 측정과 분석

지표수 히트펌프 시스템의 냉방 성능을 2016년 9월 12일부터 9월 25일까지 14일간 측정하였다. 시스템이 사무용이나 상업용 건물을 냉방한다고 가정하였으며, 이에 따라 아침 8시에서 오후 6시까지 10시간을 시스템 가동 시간으로 설정하였다. 이 시간 동안 실험 공간(210 m²)에 설치한 전기 온풍기 2대로 냉방 부하를 부가하였다. 동시에 히트펌프로 실내 온도(26℃)와 탱크 냉수 온도(9±1℃)를 유지하도록 설정하였다. Fig. 2에 표시한 위치에서 온도(Daejin, PT-100Ω)와 유량(Euromag International, MUT-1222)을 측정하였다. 히트펌프와 순환수 펌프의 전력 소비량 측정에는 전력 측정 센서(CT)와 전력·전력량 변환기(Hanyoung, WM3)를 이용하였다. 데이터로거(Hanyoung, GR100-20)를 통해 1분 간격으로 데이터를 획득한 후 성능을 분석하였다. Kline⁽¹⁶⁾이 제안한 방법으로 분석 결과의 불확실도(uncertainty)를 계산하였다(Table 1 참조).

지표수 열교환기 순환수는 열교환기 주변의 연못물과 열을 주고받는다. 시스템이 냉방 모드이면 건물에서 제거한 열을 연못으로 방출하고 난방 모드이면 연못에서 열을 얻는다. 냉방 운전 중 열교환기가 연못으로 방출하는 열량을 식(1)로 계산하였다.

식(1)에서 (entering source temperature)는 지표수 열교환기 순환수의 히트펌프 입구 온도, 즉 열교환기 출구 온도이고 (leaving source temperature)는 히트펌프 출구(열교환기 입구) 온도다. 냉방 운전 중 히트펌프가 공간에서 제거하는 열량 계산에 식(2)를 이용하였다.

식(2)에서 (entering load temperature)는 부하 순환수의 히트펌프 입구 온도를, 그리고 (leaving load temperature)는 히트펌프 출구 즉 히트펌프에서 탱크로 나가는 온도를 의미한다.

일반적으로 성능계수(COP)나 계간성능지수(SPF, seasonal performance factor)로 히트펌프 시스템의 성능을 표현한다. 이번 실험에서는 1분 간격으로 데이터를 측정했기 때문에 순간 개념인 COP를 분석하였다. 히트펌프의 전력 소비량과 식(2)로 계산한 냉방 용량을 이용하여 히트펌프의 냉방 COP를 계산하였다. 또 식(4)와 같이 순환수 펌프의 전력 소비량까지 포함하여 시스템의 냉방 COP를 계산하였다.

3.1 지표수 열교환기 성능

시스템 성능 분석에 앞서 지표수 열교환기의 열 성능을 분석하였다. 냉방 모드의 시스템을 대상으로 성능을 분석하였기 때문에, 열교환기 성능 실험에서도 열 방출(heat injection) 조건을 적용하였다. 즉 지표수 열교환기 순환수의 온도가 열교환기 출구보다 입구에서 더 높은 경우로 한정하였다. 열 성능 실험을 위해 히트펌프와 헤더(header) 사이에 열 응답 시험 장치(thermal response test unit)를 연결한 후, 약 50시간(2016년 8월 12일 15:28~8월 14일 17:24)동안 데이터를 측정하였다. 측정은 열교환기 코일 10개 중 맨홀에 가장 가까운 코일 1개를 대상으로 실험하였다. 정상 상태에서 열교환기 순환수 유량, 입·출구 온도, 히터 투입 전력, 외기 온도를 1분 간격으로 획득하였다. 이와 동시에 연못 바닥(수심 0.8 m)을 포함하여 수심 0.6 m와 0.4 m지점의 온도를 측정하였다.

측정 결과인 Fig. 3에서 입구(inlet)는 연못으로 들어가는 온도이고 출구(outlet)는 연못에서 나오는 온도다. 실험 중 입구 온도는 평균 33.4℃(32.5~34.3℃), 순환수 유량은 평균 29.6 LPM(29.2~30.4 LPM)이었다. 이렇게 연못으로 들어간 순환수는 평균 29.5℃(28.5~30.4℃)로 나오는데, 이 값은 지열 히트펌프 시스템을 설계할 때 적용하는 온도인 30℃와 비슷한 수준이다. 이때 연못 주변에서 측정한 외기 온도는 평균 28.2℃(25.9~31.7℃)이었다. Fig. 3(a)에서 열교환기 입․출구 온도, 수심 0.4 m와 0.6 m지점의 온도는 외기의 영향을 받는 것을 볼 수 있다. 수심 0.8 m지점(평균 25.9℃)도 외기의 영향을 받았지만, 다른 결과보다 상대적으로 안정적이다. 아울러 온도 변화 경향은 비슷했지만 최고 온도 출현 시점에서는 차이를 보였다. 즉, 외기를 제외한 나머지 값들의 최고 온도 출현 시점은 외기보다 다소 뒤에 있는데, 이는 연못의 열용량 때문이라고 판단된다. 참고로 실험 기간 중 연못 내부 온도는 평균 26.9℃이었다. Fig. 3(b)는 순환수 열용량(유량×비열)과 입․출구 온도차로 계산한 열량(heat injection)을 투입 전력(power input)과 비교한 결과다. 아울러 순환수 평균 온도를 입·출구 온도와 함께 표시하였다. 순환수 가열에 투입한 전력은 평균 8.39 kW(7.96~8.73 kW)이었고 순환수가 연못으로 방출하는 열량은 평균 8.08 kW (7.57~8.81 kW)이었다. 실험 중 발생하는 열 손실 때문에 두 값은 3.69%의 차이를 보였다.

두 방식의 열원을 조합해서 히트펌프를 운전하려면 각각의 성능을 정확하게 알고 있어야 한다. 정확하게 산정한 성능을 가지고 각 열원의 분담 비율을 설계할 수 있기 때문이다. 지표수 열교환기의 성능 수준을 파악하기 위해, 국내에서 주로 적용하는 방식인 수직 지중열교환기의 성능과 비교하였다. 수직 지중열교환기에 대한 열 응답 시험 결과를 Fig. 4에 도시하였다. 통상 수직 지중열교환기에 대한 열 응답 시험을 통해 지중 유효 열전도도를 구할 수 있다. 그러나 이번 논문은 열교환기 성능 비교가 목적이기 때문에 방출 열량에 중점을 두었다. 여기서 VGHE 1과 VGHE 2는 다른 사항들은 모두 같고 그라우팅 재료만 다르다.

파이프 단위 길이당 열전달량(W/m)과 유용도 변화(effectiveness, ε)를 Fig. 5에 도시하였으며, 특히 지표수 열교환기는 평균값(avg)에 대한 차이(%)도 표시하였다. 여기서 사양과 시험 조건에서 다소 차이가 있기 때문에, 두 방식을 직접 비교할 목적으로 이 두 값을 계산하였다. 이중 유용도는 식(5)와 같이 계산한다.⁽¹⁷⁾식(5)에서는 연못인 경우 열교환기 주변의 연못 온도, 수직 지중열교환기인 경우 지중 초기 온도다. 아울러 유용도는 열교환기 성능을 나타내는 지표로, 최댓값은 1이다. 열교환기 출구 온도(T_out)가 T_ground에 접근할수록 열교환기 성능이 우수하다고 볼 수 있다.

열교환기 사양을 비롯하여 실험 조건과 결과, 그라우팅 재료 등을 Table 2에 정리하였다. 지표수 열교환기의 열 성능은 53.84 W/m, VGHE 1은 29.39 W/m, VGHE 2는 32.63 W/m이었다. 지표수 열교환기의 유용도는 0.48~ 0.57(평균 0.52)이었으며 수직 지중열교환기의 유용도보다 120% 이상 컸다. 전체적으로 지표수 열교환기 성능이 수직 지중열교환기보다 우수하였다.

3.2 시스템 성능 분석

데이터의 일별 경향은 거의 비슷했기 때문에, 전체 성능 분석 결과에서 일주일 결과만 Fig. 6에 제시하였다. 분석에 필요한 데이터에는 지중 순환수와 부하 순환수의 온도, 각각의 유량, 히트펌프와 순환수 펌프의 전력 소비량이 있다. 시스템이 가동 상태일 때, EST는 평균 23.2℃(18일)에서 24.9℃(13일) 사이에서 변하였다. 즉, 후반부로 갈수록 외기 온도와 연못 온도가 내려가면서 EST도 같이 낮아졌다. Fig. 6(b)의 냉방 용량, 히트펌프와 지표수 열교환기 순환수 펌프(이하 ‘지중 순환수 펌프’)의 전력 소비량도 온도와 비슷한 경향을 보였다. 시스템이 가동 상태일 때 히트펌프의 냉방 용량은 평균 39.37 kW이었고 전력 소비량은 평균 7.05 kW이었다. 이때 지중 순환수 펌프는 평균 6.25 kW를 소비하였다.

시스템 운전 특성을 상세하게 보기 위해 특정일(9월 22일)의 온도 변화를 Fig. 7에 도시하였다. Fig. 7(a)에서 외기 온도가 상승하는 오전보다 오후에 운전 횟수가 증가하는 것을 볼 수 있다. 히트펌프는 버퍼탱크의 온도를 평균 9.6℃로 유지하였으며, 이를 위해 평균 5.8℃의 냉수를 생산하였다. 아울러 ELT는 평균 10.0℃이었고 ELT와 LLT(5.8℃) 차이는 평균 4.2℃이었다. Fig. 7(b)는 하루 운전 결과 중 특정 시간대의 데이터만 추린 그래프다. 또 부하 순환수의 온도 변화를 자세하게 보려고 버퍼탱크(Tank), FCU 입구 온도(ERT, entering room temperature)와 출구 온도(LRT, leaving room temperature)를 추가로 표시하였다. 여기서 FCU 입구 온도(ERT)는 버퍼탱크에서 FCU로 들어가는 온도이고 FCU 출구 온도(LRT)는 그 반대다. FCU 입구에서 측정한 ERT는 버퍼탱크 온도보다 다소 높았으며 평균 10.2℃이었다. 시스템이 가동 상태일 때 EST와 LST는 다소 올라갔다. Fig. 7(b)에서 보듯이 시스템은 1시간 동안 두 번 가동하였는데, 첫 번째 사이클에서 EST는 23.4℃(13:26)에서 25.8℃(13:42)까지 올라갔고, 두 번째 가동할 때에는 23.5℃(13:58)에서 26.0℃(14:13)까지 올라갔다. 이러한 결과는 정량적인 값에서 다소 차이만 있을 뿐, 정성적인 경향은 측정 기간 내내 거의 비슷하였다.

Fig. 8은 특정일의 냉방 용량과 전력 소비량 측정 결과를 나타낸 그래프다. 시스템이 가동 상태일 때, 일평균 냉방 용량(Q_l)은 39.71 kW이었고, 지표수 열교환기의 일평균 방출 열량(Q_s)은 42.32 kW이었다. 이때 히트펌프 압축기와 지중 순환수 펌프는 평균 7.02 kW와 6.25 kW의 전력을 소비하였다. 펌프 소비 전력이 건물 최대 부하(peak load)의 1.9~2.5%이면 미국 ASHRAE⁽¹⁾ 지침의 다섯 등급(A, B, C, D, F) 중 중간 등급(‘C’ grade)의 펌프를 설치한 것이다. 이 중간 등급을 적용하면 일평균 냉방 용량 39.71 kW(11.3 RT)에는 약 1 kW를 소비하는 순환 펌프가 적합하다. 따라서 실제 필요한 용량보다 6배 이상 큰 순환 펌프를 가동했다고 볼 수 있다. 실제 냉방에 필요한 지표수 열교환기는 6개인데 실험 목적으로 10개를 설치하였으며 또 수직 지중열교환기 7개도 같이 연결하였다. 아울러 모든 열교환기에 유량계와 밸브를 부착하였다. 따라서 열교환기 수두 손실과 압력 손실을 극복하기 위해 실제보다 용량이 큰 펌프를 사용할 수밖에 없었다.

지중 순환수 펌프가 먼저 가동하고 이어서 3~4분 뒤에 히트펌프가 가동하는 것을 Fig. 8(b)에서 볼 수 있다. 정지할 때에는 히트펌프가 먼저 꺼지고 나서 2분 뒤에 지중 순환수 펌프가 꺼진다. 시스템 보호가 목적이지만, 펌프 운전 시간이 시스템 COP에 영향을 미치기 때문에 이에 대한 연구가 더 필요하다. Fig. 8(b)의 냉방 용량에서 정상상태 직전의 작은 값들이 보이는데, 이는 히트펌프 정지 상태에서 부하 순환수 펌프가 먼저 가동하기 때문이다.

지표수 히트펌프 시스템의 일일 냉방 COP 변화를 Fig. 9(a)에 그리고 특정 시간 결과를 Fig. 9(b)에 나타내었다. 히트펌프의 일평균 냉방 COP는 5.67이고 시스템은 2.99이다. 앞서 기술한 것처럼 지중 순환수 펌프 용량이 과다하여 시스템 COP가 크게 감소하였다. Fig. 9(a)에서 오전 시간대 COP는 오후 시간대 값들보다 다소 높았다. 또 시스템이 가동 중일 때 시간이 경과할수록 COP가 떨어지는 것을 Fig. 9(b)에서 볼 수 있다. 일례로 13:30에 히트펌프 COP는 5.90이었으며 정지 전인 13:40에는 5.34로 10.49% 감소했다. 같은 시간 시스템 COP는 3.08에서 2.87로 7.32% 감소하였다. 이날 히트펌프와 시스템 COP의 평균 감소율은 10.03%와 6.98%이었다. 참고로 전체 기간 중 히트펌프와 시스템 COP의 평균 감소율은 9.93%와 6.67%이었다. 가동 상태에서 지표수 열교환기 순환수 온도가 상승하여 COP가 감소하였으나, 전체적으로 안정적으로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10은 히트펌프 성능 관련 변수들을 EST의 함수로 나타낸 결과다. 아울러 제조사의 히트펌프 성능 데이터(performance data)와 측정값을 비교한 결과도 함께 나타내었다. 정상 상태, 즉 히트펌프 가동 상태에서 측정 결과와 제조사 성능 데이터는 ±15%안에서 일치하였다. 통상 히트펌프의 열원 온도가 상승하면 압축기 전력 소비량은 증가하고 이에 따라 냉방 성능(용량)은 감소한다. 이러한 경향을 이번 결과에서도 볼 수 있다. 여기서 EST가 21℃와 27℃일 때, 냉방 용량은 40.34 kW에서 38.37 kW로 5.21% 감소하고 압축기 전력 소비량은 6.84 kW에서 7.20 kW로 5.26% 증가하였다. 결국 히트펌프 COP는 18.63%(6.05 → 5.11) 감소하였다.

Fig. 11은 히트펌프와 지표수 열교환기의 냉방 용량과 COP 등을 외기 온도의 함수로 도시한 결과다. 일반적으로 외기 온도가 올라가면 대상 공간의 냉방 부하도 증가하며 이에 따라 히트펌프 냉방 용량도 증가한다. 하지만 인공 부하를 제거하는 방식으로 실험했기 때문에, 히트펌프 가동 중 냉방 용량과 전력 소비량은 거의 일정하였다. Fig. 6에서 기술하였듯이 전체 기간에 대해 시스템 냉방 용량은 평균 39.37 kW이었고 히트펌프와 지중 순환수 펌프의 전력 소비량은 7.05 kW와 6.25 kW이었다. 따라서 히트펌프와 시스템의 냉방 COP는 5.71과 2.99이었다.

지표수 열교환기는 평균 43.97 kW를 연못으로 방출하였다. 물리적으로 지표수 열교환기는 냉방 부하(39.37 kW)와 순환수 펌프 전력 소비량(6.25 kW)을 연못으로 방출해야 한다. 검토 결과 실제 열량(43.97 kW)은 계산 값(45.62 kW)보다 평균 3.62% 작았다. 냉방 운전 중 지표수 열교환기 순환수에 가해진 열의 일부가 건물 인입 배관과 헤더 그리고 건물 내 배관을 통해 주변으로 손실되기 때문에 이러한 차이를 보였다. 아울러 파이프 단위 길이당 방출 열량은 48.86 W/m(43,970 W÷900 m)이고 이는 열 성능 실험에서 구한 값인 53.84 W/m(8,076 W÷150 m)보다 평균 9.25% 작은 값이다. 이 차이 또한 열 손실 때문에 발생했으며, 특히 열량 차이(43,970 W 대 8,076 W)와 파이프 길이 차이(900 m대150 m)도 원인으로 작용했다.