2.1 실험 및 시뮬레이션 개요

본 연구에서는 열원 측 입․출구 온도차(ΔT)를 고려한 변유량 제어의 효과를 분석하기 위해 실험실 규모의 지열 히트펌프 모사 장치를 구축하였다. Fig. 1은 본 연구에서 사용된 모사 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 본 장치는 2.2 RT 규모의 인버터형 히트펌프를 사용하여 압축기 회전수(RPM)를 제어할 수 있으며, 이를 통해 특정 부하 조건에 맞춘 다양한 운전 상황을 구현할 수 있다. 건물 부하 및 지중 온도 모사용 항온조는 각각 5 RT 용량의 내장 히트펌프로 구성되어 있으며, 상대적으로 용량이 큰 항온설비를 통해 항온조 설정온도를 빠르게 변화시킬 수 있고, 히트펌프에 원하는 온도의 물을 공급할 수 있다. 즉, 지중 온도 변화에 따른 열원 측 순환수 입구 온도(EWT)는 항온조의 설정온도를 조정함으로써 모사 가능하다. 항온조는 설정된 온도를 만족하도록 자동 운전되며, PID(Proportional integral and derivative) 제어⁽¹²⁾를 통해 탱크 온도를 자동으로 안정적으로 유지한다. 각 실험 장비는 자체 내장된 장치를 통해 개별 운전이 가능하고, 전체 시스템은 PLC (Programmable logic controller) 제어반을 통해 통합적으로 제어된다. 또한 조건별 제어 및 데이터 수집을 위하여 SCADA 프로그램을 구축하여, PLC와 연동된 전체 시스템을 자동으로 제어․모니터링하였다. 자세한 장비의 제원은 Table 1에 제시하였다.

GSHP의 장기 성능 해석에는 Hellström⁽¹³⁾이 개발한 DST(Duct storage) 모델을 사용하였다. 본 모델은 TRNSYS Type 557 컴포넌트로 구현되어 있으며, 지중 열거동 해석을 위한 다수의 연구에서 활용되어 검증된 바 있다. 본 연구에서는 총 7 공의 보어홀로 구성하였으며, 각 보어홀은 일정 간격으로 배열된 원통형 구조로 배치하였다.

따라서 본 연구에서는 실험을 통해 ΔT를 고려한 변유량 제어가 히트펌프의 운전 성능에 미치는 영향을 분석하고, 이를 바탕으로 지열 히트펌프 장기 성능에 대한 평가를 수행하였다.

Fig. 1 Schematic of the experimental apparatus.

2.2 실험 방법론

본 실험에서는 냉․난방 모드별 일정 부하 조건하의 열원 측 입구 온도(EWT)에 따른 유량 변화를 1초 간격으로 계측하였으며, 이를 1분 평균한 데이터를 활용하였다. Table 2는 실험 조건을 나타낸다. 2.2 RT 소형 압축기를 사용함에 따라 적절한 부하 수준을 모사하기 위해 부하 측 항온조 온도는 냉방 시 12℃, 난방 시 38.5℃로 설정하였다. EWT 조건에 따라 부하측 입․출구 온도차가 달라지는 점을 고려하여, 가장 불리한 EWT 조건에서도 최소 4℃ 이상의 온도차가 확보되도록 부하 측 유량은 30 LPM으로 고정하였다. 아울러 시스템 운영 조건 변화에 따른 부하 측 출구 온도(LLT) 변동을 최소화하고 동일한 부하 조건을 유지하기 위해 인버터 주파수(Hz)를 조정하여 압축기 회전수(RPM)를 제어하였다. 열원 측 항온조의 온도는 KS B 8292(물-물 지열원 열펌프 유닛)을 기준을 참조하여 냉방 시 15~30℃, 난방 시 5 ~ 15℃ 범위로 5℃ 간격으로 단계적으로 설정하였으며, 유량은 각 열원 조건에 따라 3단계로 변화를 주어 열원 측 입․출구 온도차(ΔT)를 형성하였다.

2.3 시뮬레이션 방법론

GSHP 시스템에서 지중으로 전달되는 열 부하($Q_g$)는 식(1)과 같이 히트펌프의 성능계수(COP)를 기반으로 건물 부하($Q_b$)로부터 계산된다. 여기서 $COP_c$와 $COP_h$는 각각 냉방 및 난방 시 히트펌프의 성적계수를 나타내므로 지중 부하($Q_g$)는 냉방 시에는 건물 부하($Q_b$)보다 크고, 난방 시에는 건물 부하($Q_b$)보다 작다.

식(2)은 실험실에서 수집한 데이터를 바탕으로 열원 측 입구 온도(EWT)와 입․출구 온도차(ΔT)를 독립변수로 하는 1차 다항식 형태의 COP 예측 식이다. 본 예측 식은 TRNSYS 장기 시뮬레이션에서 시간별 COP을 근사하기 위한 목적을 가진다. 다항식 차수를 높이면 예측 성능이 일부 향상될 수 있으나, 장기간 다양한 운전 구간에 대한 계측 데이터가 부족한 상황에서 고차식을 적용하면 외삽 구간에서 비현실적 값이 산출될 위험이 있다. 이에 계산식의 외삽 안정성, 물리적 타당성 및 해석의 용이성을 고려하여 단순 1차 다항식을 채택하였다. 또한 본 연구는 EWT와 ΔT가 히트펌프 성능을 결정짓는 핵심 변수라는 실험적․물리적 근거에 따라 두 변수를 선험적으로 선정하였으므로, 별도의 통계적 영향도 분석은 수행하지 않았다. 회귀계수 값은 Table 3에 제시하였다.

시뮬레이션에서는 냉방 및 난방 모드 모두에서 설정 부하를 10.5 kW로 고정하였으며, 열원 측 순환수의 유량은 Table 4에 제시된 바와 같이 각 모드별 입․출구 온도차(ΔT) 네 가지 Case 조건을 만족하도록 식(3)을 활용하여 산정하였다. 또한 설정 부하(10.5 kW)에 따른 지중부하($Q_g$)와 COP을 계산하기 위해, 식(1)과 식(2)을 상호 수렴 방식으로 연계한 계산을 수행하였다. 이 과정에서 EWT는 TRNSYS Type 557을 통해 계산되었으며, 모든 계산은 반복 수렴 과정을 통해 동시에 산정되었다. 시뮬레이션에 사용된 주요 입력 파라미터는 Table 5에 정리하였고, 이를 토대로 10년간의 장기 시뮬레이션을 수행하였다.

열원 측 입․출구 온도차(ΔT)에 따른 펌프 소비 동력의 변화를 더욱 현실적으로 반영하기 위해 순환펌프의 소비전력을 근사적으로 산정하였다. EG(Ethylene glycol) 35% 유체의 밀도($\rho$ = 1,045 $kg/m^3$)를 적용하였으며, 보어홀 한 공당 약 10 m의 전양정($H_{total}$)이 요구되는 것으로 가정하였다. 이에 따라, 식(4)을 이용하여 펌프의 소비전력을 산정한 후, 계산된 값에 설계 계수($F_d$ = 2)를 적용하여 정격 용량을 최종적으로 산정하였다.

또한, 실제 순환펌프의 소비전력은 유량 증가에 따라 선형적으로 증가하지 않고, 펌프의 회전수 및 유량 변화에 따라 세제곱 관계를 보이므로, 식(5)의 상사 법칙(Affinity law)을 적용하여 유량 변동에 따른 펌프 소비전력 변화를 비선형적으로 반영하였다.

이를 통해 시뮬레이션에서는 시간 단계별 유량 변화에 따라 펌프 전력이 동적으로 변하도록 모델링하였으며, 보다 현실적인 에너지 성능 평가가 가능하도록 구성하였다.

3.1 실험 결과

Fig. 2는 냉방 및 난방 모드에서 열원 측 입구 온도(EWT)와 유량 변화에 따른 히트펌프의 성능계수(COP) 변화를 나타낸 것이다. 히트펌프의 사이클 효율은 열원 측 온도 조건에 크게 의존하므로, 두 운전 모드 모두에서 EWT 변화에 따른 COP의 뚜렷한 상승 및 하강 경향이 확인되었다.

냉방 모드에서는 동일한 EWT 조건에서 유량이 증가함에 따라 COP이 완만히 증가하는 경향을 보였다. 이는 유량 증가에 따라 열원 측 열교환기의 열전달량이 증가하고, 압축기 부하가 상대적으로 감소하여 사이클 효율이 향상되었기 때문으로 판단된다. 반면, 동일 유량 조건에서 EWT가 15℃에서 30℃로 증가할수록 열원 수의 열 흡수 능력이 저하되어 COP이 점진적으로 감소하는 경향을 나타냈다.

특히 낮은 EWT 구간(약 15℃ 부근) 즉, 고효율 구간에서는 유량 변화에 따른 COP의 차이가 크게 나타났으며 최대 약 0.6의 차이를 보였다. 이는 Fig. 3에서 확인할 수 있듯, 낮은 EWT 구간(고효율 운전점)에서는 유량 감소에 따른 전열 성능 저하가 발생하면 압축비(Compression ratio)의 상승에 대한 COP의 민감도가 상대적으로 커서, 소폭의 온도 리프트(Temperature lift) 증가만으로도 압축기 소요 동력이 크게 증가하여 COP이 급격히 하락하는 것으로 판단된다. 이는 해당 구간이 증발온도와 응축 온도의 차가 작아 시스템의 온도 리프트가 최소화되는 조건이기 때문이다.

난방 모드에서도 유량 증가에 따른 COP의 상승 경향이 관찰되었으나, 그 변화 폭은 냉방 모드에 비해 비교적 완만한 것으로 나타났다. 유량 증가 시 냉방 모드의 온도 리프트 감소 폭은 2℃인 것에 비해 난방 모드의 감소 폭은 1.3℃로 더 작았기 때문이다. 즉, 난방 운전은 냉방 운전 대비 상대적으로 높은 온도 리프트 조건에서 작동하므로, 유량 변화가 응축 압력 저하 및 사이클 효율 개선에 미치는 민감도(Sensitivity)가 낮게 나타난 것으로 분석된다. 한편, EWT가 5℃에서 20℃로 상승함에 따라 COP가 뚜렷하게 향상되었는데, 이는 고온의 열원 수 조건에서 냉매의 증발 압력이 상승하고 압축비가 감소함으로써 사이클 효율이 향상된 결과로 해석된다.

이러한 결과는 냉방 및 난방 모드 모두에서 EWT와 유량이 히트펌프의 열원 측 열교환 성능과 사이클 효율에 중요한 영향을 미치는 변수로서 특히, EWT가 유리한 조건에서는 비교적 높은 유량을 유지하는 것이 시스템의 열교환 성능 및 종합 효율 향상에 긍정적인 효과를 가져올 수 있음을 확인하였다.

Fig. 2 Experimental results of COP variation according to EWT and flow rate in heating and cooling modes.

Fig. 3 Comparison of cooling and heating cycle P-h diagrams under variations in source-side flow rate within the high-efficiency operating region.

3.2 시뮬레이션 결과

실험을 통해 계측한 열원 측 입․출구 온도차(ΔT)와 EWT 데이터를 기반으로 구축한 식(2)의 COP 예측 회귀모델의 정합성을 분석하고자 Fig. 4과 같이 산점도 분포를 분석하였다. 전체 데이터 중 80%를 학습, 20%를 검증으로 분할하여 평가한 결과, 냉방 및 난방 예측 모두에서 R²이 0.9 이상으로 나타나 높은 예측 정확도를 보였으며, RMSE와 MAE 또한 1 미만으로 매우 낮은 오차율을 보여 모델의 정합성이 우수함을 확인하였다.

실험 데이터를 기반으로 구축한 회귀모델(식(2))을 활용하여 열원 측 입구 온도(EWT)와 입․출구 온도차(ΔT) 간의 연속적인 관계를 확장하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 해당 결과를 통해 실험으로 수행하지 않은 조건 구간에서도 COP의 분포를 시각적으로 확인할 수 있었고, 히트펌프의 열원 조건 변화에 따른 성능 변화를 확인하였다.

본 회귀모델은 2.3절에서 언급한 바와 같이, 이후 장기 시뮬레이션 과정에서 시간 단계별로 계산되는 EWT와 ΔT 값을 입력받아 COP을 산정하는 예측식으로 적용되었다. 이를 통해 다양한 운전 조건에서의 시스템 성능 변화를 효율적으로 반영할 수 있도록 하였다.

Fig. 4 Result of predicted COP based on experimental data using EWT and source-side temperature difference.

Fig. 5 COP performance curve derived from the regression model.

Fig. 6 Comparison of 10-year cumulative electricity consumption by ΔT in cooling and heating modes.

Fig. 6은 냉방 및 난방 모드에서 열원 측 입․출구 온도차(ΔT)에 따른 지열 히트펌프와 순환펌프의 10년 누적 전력 소비량을 시뮬레이션한 결과를 보여준다.

냉방 모드에서는 ΔT가 2℃에서 5℃로 증가함에 따라 히트펌프의 전력 소비는 209.4 MWh에서 222.0 MWh로 약 6% 증가한 반면, 순환펌프의 전력 소비는 108.1 MWh에서 7.1 MWh로 급격히 감소하였다. 특히 ΔT가 2℃에서 3℃로 증가할 때 펌프 전력이 약 70% 이상 감소한 것이 확인되며, 이는 열원 펌프가 ΔT를 2℃ 유지하기 위해 정격 유량에 근접한 상태로 운전되다가 ΔT 증가에 따라 요구 유량이 줄어들면서, 펌프 소비전력이 식(5)에 의해 급격히 감소한 것으로 판단된다.

히트펌프 측에서는 ΔT 증가에 따라 입․출구 온도차가 커지며 압축기 부하가 소폭 증가하는 경향을 보였지만, 순환펌프의 소비전력 절감 효과가 이를 상회하여 전체 시스템 전력 기준으로는 ΔT = 5℃에서 가장 낮은 소비량(총 229.1 MWh)을 나타냈다. 이에 따라 해당 시스템 조건에서 ΔT = 5℃를 최적 ΔT(Optimal ΔT)로 판단하였다.

한편 난방 모드에서는 ΔT 변화에 따른 전력 소비 차이가 상대적으로 작게 나타났다. 히트펌프 소비전력은 ΔT = 2℃에서 5℃로 증가함에 따라 194.6 MWh에서 204.4 MWh로 약 4.9% 증가하였으며, 순환펌프 소비전력은 같은 구간에서 28.6 MWh에서 1.7 MWh로 점진적으로 감소하였다. 이는 난방 운전 시 지중 열원의 온도 변화폭이 냉방 시보다 작아, ΔT 증가에 따른 순환펌프 소비전력 감소 효과가 상대적으로 제한적으로 나타났기 때문이며, 해당 시스템 조건에서는 ΔT = 4℃일 때 전체 전력 소비가 가장 낮아, 이를 난방 시 최적 ΔT(Optimal ΔT)로 도출하였다.

이러한 결과는 ΔT 제어를 통해 히트펌프 소비전력과 순환펌프 소비전력을 균형 있게 고려함으로써 전체 시스템의 전력 소비를 효과적으로 절감할 수 있음을 보여준다. 따라서 대상 시스템의 운전 조건에 적합한 ΔT 기반 변유량 제어 전략은 시스템 운전 효율 향상을 달성할 수 있는 효과적인 방안으로 판단된다.