저에너지주택에 설치된 3RT급 지열히트펌프가 실제 냉난방부하에서 적절하게 작동됨에 따라 국내 주택에 보급되고 있는 5RT급 지열히트펌프 용량설계에 대한 고민이 필요해 질 것으로 보인다.
백남춘 에너지기술연구원 박사를 비롯해 3명은 설비공학논문집 10월호(Vol 28)에 ‘저에너지주택의 지열히트펌프시스템 냉난방 성능분석’ 논문을 발표했다.
이번 연구는 실제 거주하는 저에너지주택을 대상으로 지열히트펌프시스템의 혹한 및 혹서일 동적운전 특성과 장·단기 열성능을 분석했으며 이를 통해 향후 주거건물의 시스템 최적화와 보급 촉진을 위한 기초자료를 제공코자 진행됐다.
실증대상은 대전시 유성구에 위치한 경골목구조 1층에서 3층까지 스킵플로어 형태로 설계됐으며 2011년 7월 준공됐다. 외피 부위별 단열구조와 단열수준은 Roof 0.10W/m²K, Wall 0.13W/m²K, Floor 0.10W/m²K, Window 0.97W/m²K이었다.
3RT급 지열히트펌프와 태양열 급탕시스템이 연계된 하이브리드 방식이 적용된 주택으로 지열히트펌프는 급탕 우선방식으로 운전되며 급탕탱크의 중상단부에 설치된 열교환기를 통해 급탕온도가 일정온도 이하가 되면 히트펌프에 의해 가열되는 구조다.
또한 냉난방을 위해 150리터의 버퍼탱크에 저장되는 냉온수는 모든 실에 설치된 6대의 천정 카세트형 팬코일 유닛과 바닥 난방배관을 통해 냉방 또는 난방용으로 각각 공급된다. 지열히트펌프시스템 사양 중 지중열교환기는 120m 깊이의 수직형 보어홀 2개를 직렬형태로 연결했으며 히트펌프용량은 준공당시 5RT였으나 건물부하에 비해 과다한 것으로 판단돼 3RT급으로 교체됐다.
지열히트펌프시스템의 연간 동적 열성능을 평가하기 위해 2013년 10월1일부터 2014년 9월30일까지 1년간 모니터링 자료를 분석했다.
분석결과 외기온이 영하로 유지되는 동절기 전형적인 혹한일의 지열히트펌프는 새벽시간대와 저녁부터 심야까지 단속적 운전이 지속됐으며 1회 작동시간은 약10분으로 일일 총 작동시간은 271분이었다.
하절기 전형적인 혹서기 지열히트펌프 작동은 외기온이 높아지는 주간대에 집중되며 심야시간대에는 간헐적으로 이뤄졌다. 작동패턴은 동절기와 동일하게 단속적 운전특성을 보였으며 히트펌프 1회 가동시간은 약7분으로 일일 총 가동시간은 147분이었다.
동절기 지중열교환기 출구 열매체는 난방초기(11월초) 13℃ 내외에서 난방말기(2월말) 9℃ 내외로 점차 낮아져 이 기간 난방시스템 COP는 4.6에서 3.7로 저하됐다.
하절기 지중열교환기 출구 열매체는 냉방초기(6월초) 14℃ 내외에서 냉방말기(8월말) 17℃ 내외로 점차 상승했다. 난방기간에 비해 상대적으로 적은 온도변화를 보였으며 이 기간 냉방시스템 COP는 4.7에서 3.9로 저하됐다.
전일 난방되는 동절기의 연간 히트펌프 전력사용량은 1,815kWh로 간헐적으로 냉방되는 하절기(259kWh)에 비해 7.5배 이상 많았으며 연간 냉난방시스템 COP는 각각 4.2와 4.1로 거의 동일하게 나타났다.
연구 결과에 대해 “저에너지주택에 설치되는 3RT급 지열히트펌프가 실제 냉난방부하에 대응해 적절하게 작동하는 것으로 확인됐다”라며 “이에 따라 국내 주택에 보급되고 있는 지열히트펌프 용량이 대부분 5RT급인 점을 고려할 때 향후 주택의 냉난방 부하 및 제어조건에 따른 적절한 용량설계가 이뤄져야 한다”고 밝히고 있다.
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