기호설명

1. 연구배경 및 목적

냉매 유량 가변형(Variable Refrigerant Flow) 히트펌프는 부하 변동에 따른 압축 용량 가변형 운전으로 전력사용량을 상당히 절감할 수 있다. 그러나 대부분 지열 히트펌프 시스템의 경우 냉매 유량 가변형 히트펌프 타입이라 하더라도 응축과 증발 열원인 지중 순환수를 운송하는 순환펌프를 정유량으로 운전하고 있어 부분부하 조건에서도 지중 순환펌프(Ground loop pump: GLP)의 출력을 조절할 수 없기 때문에 반송동력의 손실을 피할 수 없었다. 이에 따라 여러 선행 연구들이 지중 순환펌프의 변유량 제어에 관한 에너지 절감 및 성능 향상에 대한 가능성을 실증하였다. Kang and Park⁽¹⁾은 펌프의 임펠러 외경 커팅과 회전수 제어를 실측하여 회전수 제어 시 기존 방식에 비해 평균 79.5%의 동력 감소, 연간 약 64%의 전력량이 감소될 수 있음을 확인하였다. Song⁽²⁾은 열원 측 입출구 온도차를 이용한 펌프 유량을 제어하였을 때 유량은 설계값 대비 약 66% 감소, 소비동력은 94.6%까지 절감할 수 있음을 실증하였다. Cervera-Vazquez et al.⁽³⁾은 멀티스테이지 지열 히트펌프 시스템의 지중 순환펌프에 인버터 제어를 적용하여 32%의 에너지 절감이 가능함을 실증하였다. 다른 선행 연구들은 지중 순환펌프의 변유량 제어에 따른 동력 및 에너지 절감량을 시뮬레이션으로 계량하기도 하였다.^(4,5) 즉, 공조 부하에 대응할 수 있는 유량 가변형 지중 순환펌프를 설치하고 실내외 환경 조건에 따라 적절한 변유량 제어로 입출수 온도차를 일정하게 유지시켜 주면 펌프의 소비전력을 절감할 수 있음을 시사하고 있다.

지열 히트펌프 시스템은 실내 설정온도 및 운전조건을 만족하면 히트펌프가 멈추게 되고 따라서 지중 순환펌프도 순차적으로 정지하게 된다. 특히 부분부하 조건에서는 이러한 ON/OFF 가동을 짧은 주기로 반복하는 단속운전이(Short cycling) 빈번히 발생하게 된다. 지중 열교환기를 포함한 열원 측 배관 내부 및 히트펌프 내부의 순환수가 그대로 정체 및 잔류하게 되면 지중에서 열교환이 제대로 이루어지지 않아 다음 재운전 시 열원 부하를 가중시키고 결국 냉난방 성능을 감소시키는 원인이 된다. 이때, 지열 히트펌프가 운전 중이 아니더라도 지중 순환펌프를 별도로 가동을 시켜 지중순환수의 열 방출(냉방 시) 및 열 흡수(난방 시)를 유도함이 바람직하다.

부가적으로 지열 히트펌프 열원측 출구에 버퍼 탱크(Ground loop buffer Tank: GLBT)를 설치하여 열원의 열용량을 증대시켜 지중순환수의 진폭 감쇄율(Decrement factor)을 증가시키면 최대부하를 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라, 지열 히트펌프가 부분 부하 운전을 실시하여 지중순환수 유량이 줄어들거나 기동을 정지하더라도 약 15~20℃로 조절된 순환수를 버퍼 탱크에 저장해놓을 수 있다. 이후 지열 히트펌프의 정상운전 가동 시 이를 지열 히트펌프의 예냉용 열원(냉방 시) 및 예열용 열원(난방 시)으로 활용할 수 있다.

일반적인 지열 히트펌프 시스템에서 버퍼 탱크는 부하측에 냉난방 및 급탕을 안정적으로 공급하기 위해 주로 설치되지만^(6-8), 지중열교환기 수를 줄이기 위해 지중 열교환기 대체용으로 지중 축열조를 설치한 선행 연구 이외에^(9,10) 지중 순환수의 온도관리 특히 열원 입구온도제어를 위해 설치된 사례는 찾아보기 힘들었다.

본 연구는 열원측 지중 순환루프에 버퍼탱크를 설치하여 운전정지 기간에도 순환펌프를 조건에 따라 가동하고 순환수 유량을 조절하여 버퍼탱크 내 순환수의 온도를 일정하게 유지시켜, 가동 직후 피크부하를 줄이고자 한다. 또한 히트펌프의 압축비를 감소시킬 수 있도록 EWT도 조절하여 히트펌프 시스템 효율을 향상하고자 하는데 목적이 있다.

2. 지중 순환수 변유량 및 열원 입구온도 제어 지열 히트펌프 시스템

본 지열 히트펌프 시스템은 물-공기 방식이며 인버터형 스크롤 압축방식 히트펌프와 수직 밀폐형 지중열교환기를 사용한다(Fig. 1a). 지중 순환펌프는 히트펌프 지중 순환수 입구 측에, 열원 버퍼 탱크는 히트펌프 지중 순환수 출구 측에 설치되어 있다. 본 지열 히트펌프 시스템은 다음과 같은 조건에 따라 1) 지중 순환펌프의 기동/정지 및 회전 속도를 제어하여 순환수의 유량을 조절하고, 2) 열원 버퍼 탱크 상부와 하부에서 순환수를 분사하여 탱크 중심부에서 난류 충돌을 유도하여(Fig. 1b) 순환수 온도를 조절한다.

⦁외기온도가 건물의 냉난방 부하를 가중하는 조건이면 순환펌프를 고속으로 운전하고 저감하는 조건이면 저속으로 운전한다.

⦁건물의 공조 부하가 적거나 부하 측 온․습도 등이 설정 조건에 이르게 되어 히트펌프의 압축기의 압축비가 감소하게 되면 지중열교환기의 열교환량도 감소하게 된다. 따라서 열원측 입출구 온도차도 상대적으로 줄어들게 되는데, 이때 지중 순환펌프의 출력을 열원측 입출구 온도차 변화량에 비례하도록 제어하면 열원측 입출구 온도차를 어느 정도 일정하게 유지할 수 있다.

⦁식(1)에 따라 냉방 시 순환펌프 출력은(PGLP) 열원 입구온도가 높을수록, 입․출구 온도차가 클수록, 외기온도가 높을수록 증가시키고, 난방 시 펌프 출력은 열원 입구온도가 낮을수록, 입․출구 온도차가 클수록, 외기온도가 낮을수록 증가시킨다.

⦁TBT를 감지하여 냉방 운전 시 TBT≧20℃, 난방 운전 시 TBT≤13℃이면 순환펌프를 가동하고, 냉방 운전 시 TBT≤18℃, 난방 운전 시 TBT≧15℃이면 순환펌프를 정지한다.

Fig. 1 Geothermal heat pump system.

3. 테스트 시스템 구성 및 실험방법

3.1 테스트 시스템 구성

테스트 시스템은(Table 1, Fig. 2a & 2b) 실내기 8대로 공조 부하 조절이 가능한 실험실의 공조 열원으로 사용되었다. 기존 정유량 지중 순환펌프만 설치된 베이스 시스템에 (Fig. 3a) 인버터 순환펌프와 열원 버퍼 탱크 각각의 성능을 확인하기 위해 인버터 펌프만 설치된 시스템(VF 시스템; Fig. 3b), 정유량 펌프에 열원 버퍼탱크가 설치된 시스템(CF+BT 시스템; Fig. 3c), 인버터 펌프와 열원 버퍼탱크가 동시에 설치된 시스템으로(VF+BT 시스템; Fig. 3d) 구분하였다.

Table 1 Specification of test system components

System component	Specification
Geothermal heat pump (GHP)	Water-to-Air type; Nominal cooling capacity: 52.1 kW; Rated cooling power: 11.9 kW; Nominal heating capacity: 54.9 kW; Rated heating power: 14.6 kW; Refrigerant: R-410A
Ground loop pump (GLP)	Inline type with VVVF controls; Max. head: 20 m; Max flow rate: 177 lpm (10.62 CMH); Rated power: 3.7 kW
Ground loop buffer tank (GLBT)	Volume: 3,700 liter; Diameter: 1.4 m; Height: 2.4 m
Ground heat exchanger (GHX)	3 bore holes; Closed loop U-tube type; Depth: 200 m; Diameter: 0.15 m; HX fluid: 15% Ethanol+Water
Indoor unit	4-way cassette type; Rated flow rate: 20 CMM; Rated heating and cooling capacity: 7 kW

Fig. 2 Test system.

Fig. 3 Configurations of test systems.

4. 실험결과 및 성능 분석

테스트 시스템의 2시간 연속 냉방 실험 결과 열원 버퍼탱크가 설치된 CF+BT 시스템과 VF+BT 시스템의 EWT는 실험 초기에는 베이스 시스템의 EWT와 유사하였으나 10-15분 후 버퍼탱크 및 지중 열교환기를 통과한 지중 순환수가 히트펌프에 유입되면서 EWT가 버퍼탱크의 초기온도만큼 낮아졌다가 결국 베이스 시스템의 EWT보다 2℃ 정도 낮게 유지되는 것으로 나타났다(Fig. 4a). 따라서 CF+BT 시스템과 VF+BT 시스템의 지열 히트펌프의 평균 소비전력은 베이스 시스템 대비 각각 7.6%, 7.4% 정도 적었다(Table 3). 특히 VF+BT 시스템은 베이스 시스템 대비 평균 33% 줄어든 지열순환수 유량으로(11.5→7.67 CMH) 운전하여 열원 입출구 온도차가 평균 2도 정도 상승하였으며(4→6℃) 지중 순환펌프의 평균 소비전력도 베이스 시스템 대비 58% 줄어들었다(2.07→0.87 kW). 반면 VF 시스템도 베이스 시스템 대비 평균 31% 줄어든 유량으로 운전하여 (11.54→7.93 CMH) 지중 순환펌프의 평균 소비전력을 베이스 시스템 대비 평균 56% 줄일 수 있었지만 (2.07→0.91 kW) EWT를 베이스라인보다 더 낮출 수는 없었다. 최종적으로 VF+BT 시스템의 시스템 평균 냉방 소비전력은 베이스 시스템 대비 15.8% 줄어들었고(12.54→10.56 kW) 평균 냉방 시스템 COP는 21.7% 향상 되었다(3.24→3.94).

2시간 연속 난방 실험 결과 열원 버퍼탱크가 설치된 CF+BT 시스템과 VF+BT 시스템의 EWT가 베이스 시스템의 EWT보다 1.3~1.5℃ 정도 높게 유지되는 것으로 나타났다(Fig. 5a). VF 시스템과 VF+BT 시스템은 베이스 시스템 대비 평균 44% 줄어든 유량으로(11.1→6.2 CMH) 운전하여 열원 입출구 온도차가 각각 평균 2.2℃, 2.5℃ 상승하였으며 지중 순환펌프의 평균 소비전력도 베이스 시스템 대비 약 68% 줄어들었다 (2.07→0.65 kW). 특히 VF+BT 시스템은 높아진 EWT와 줄어든 지열 순환수 유량 덕분에 베이스 시스템 대비 시스템 평균 난방 소비전력이 8.4% 줄어들었고(17.32→15.87 kW) 평균 난방 시스템 COP는 14.5% 향상되었다 (3.18→3.64).

냉난방 실험 모두에서 VF 시스템의 지열 히트펌프의 평균 소비전력이 베이스 시스템보다 약간씩 증가하였는데(냉방: +3.8%; 난방: +3.2%) 열원수 유량 감소에 따른 응축온도 및 응축압력 상승(냉방 시), 증발온도 및 증발압력 하강으로(난방 시) 압축기의 압축비가 상승하여 소비전력 증가하였기 때문으로 사료된다.

Fig. 4 Cooling test results.

Fig. 5 Heating test results.

5. 결 론

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.