지열히트펌프 시스템 설계

㈜엑서지엔지니어링

김 진 상

차례

I. 시스템 개요

II. 시스템 구성요소

III. 시스템 설계

IV. 요소 설계

V. 설계 최적화

VI. 주요 고려 사항

I. 시스템 개요

I-1. 지열히트펌프 시스템의 구성

I-2. 지열에너지의 이용

I-3. 신재생에너지의 이용

I-4. 시스템의 루프

I-5. 열교환기의 종류

I-1. 지열히트펌프 시스템의 구성

• 건물

• 히트펌프 유니트

• 지중열교환기

• 기타

– 배관/덕트

– 제어

건물히트펌프유니트

지중열교환기

지열히트펌프시스템의 구성

I-2. 지열에너지의 이용

• 냉방운전

–저장

• 지중열교환기에열을 저장

• 난방운전

–이용

• 지중열교환기에서열을 추출하여이용

지열에너지의 흐름

건물히트펌프

유니트

지중열교환기

냉방

난방

I-3. 신재생에너지의 이용

• 신재생에너지 이용량

지열히트펌프의 총에너지 생산량에서

화석에너지 소비량을 제외한 량

1

1

I-4. 시스템의 루프

• 지중 루프

• 냉매 루프 (히트펌프 유니트)

• 공기 루프

• 순환수 루프 (물-물)

• 보조급탕 루프

물-물 히트펌프 시스템의 루프

냉방운전 냉매 루프

HotGas

Cold Liquid

Cool Vapor

Cool Liquid

Condenser

IGSHPA Installation Guide 6

I-5. 열교환기의 종류

II. 시스템 구성요소

II-1. 부하의 종류

II-2. 에너지 계산

II-3. 히트펌프 유니트

II-4. 지중열교환기

II-5. EWT

II-1. 부하의 종류

• 설계 부하

– 설계일(Design Day)의 부하

• 에너지 부하

– 주어진 기간 동안 냉난방에 필요한 에너지

– 일간, 월간, 연간 등

• 지중 부하

– 지중열교환기 설계에 필요한 부하

– 에너지부하를 근거로 계산

• 공기열원 히트펌프의 설계

II-2. 에너지계산

• 정확한 경제성 분석에 필요

• 시스템간의 비교에 필수적임

• 지중열교환기 설계에 필수

– 일간 부하

– 월간 부하

– 연간 부하

-10.5℃ 16.7℃ 19.4℃ 35.9℃

12,000kcal/hr 9,000kcal/hr설계 난방 부하 설계 냉방 부하

외기 온도

부

하

II-2-가. 에너지계산 – Design Day

• Design Day의 자료를 근거로 계산

– 2σ, 3σ

• 가장 신뢰도가 낮은 방법

• 공기열원 히트펌프에 사용

• 지열원 히트펌프에는 부적합

– 가장 부정확한 에너지계산 방법

II-2-나. 에너지계산 – Bin 방법

• 대형 건물 이외에 널리 적용

• 온도구간을 Bin이라 함

– 화씨로 5도가 널리 쓰임

• 외기온도와 부분부하 고려

• 간단하면서 비교적 정확

II-2-다. 에너지계산 – Hour by Hour 방법

• 가장 정확한 방법

• 기상 데이터를 근거

• 대형 프로젝트에 사용

II-3. 히트펌프 유니트

• 물열원 히트펌프 유니트

– 물-공기 히트펌프 유니트

– 물-물 히트펌프 유니트

• 히트펌프 유니트의 특성인자

– 히트펌프 유니트의 냉방/난방 용량

– 히트펌프 유니트의 소비전력

– 히트펌프 유니트의 COP

• 히트펌프 성능에 영향을 미치는 인자

– 공통• Entering Water Temperature

• 지중측 유량

– 물-물 히트펌프 유니트• 순환수 온도

• 순환수 유량

– 물-공기 히트펌프 유니트• 공기 루프 조건

• 난방시 Entering Water Temperature 이낮아지는 경우 (동일한 순환루프 조건)

– 난방 용량이 급격히 감소

– 효율이 낮아짐

• 난방시 순환수 온도가 높아지는 경우(동일한 지중루프 조건)

– 높아질 수록 용량이 감소

– 효율이 낮아짐

II-4. 지중열교환기

• 지중 루프 부동액과 지중암반층과 열교환

– HDPE 파이프

– 그라우트 재료

• Transient 거동

Q=UE AE x T

II-5. Entering Water Temperature

• EWT

– 히트펌프 유니트 기준

– 히트펌프 유니트로 Entering

– Entering Source Temperature라고부르기도 함

• LWT

– 히트펌프를 나가서 지중열교환기로 가는온도

– LST라고 부르기도함

• ELT (물-물 히트펌프)

– 히트펌프 유니트 기준

– 히트펌프 유니트로 Entering

– 실내 부하를 담당하는 순환수

• LLT (물-물 히트펌프)

– 히트펌프를 나가서 건물로 가는 온도

지중열교환기

물-공기히트펌프

유니트건물

EWT & 부동액유량

지중열교환기

물-물히트펌프

유니트건물

EWT & 부동액 유량

LLT & 순환수유량

• EWT 선정 항목

– 냉방 Minimum EWT• 설계기간 동안 냉방운전시 EWT의 하한선

– 난방 Maximum EWT• 설계기간 동안 난방운전시 EWT의 상한선

• EWT의 운전 범위 결정

– 지중루프의 운전 범위 결정

– 히트펌프 유니트 용량의 범위 결정

• 물-물 히트펌프 유니트 선정

– 지중 루프• EWT : 5℃

• 유량 : 10.0 LPM

– 순환수 루프• LLT : 45℃

• 유량 : 10.0 LPM

– 냉난방 용량 검토

– 지중 루프• EWT : 30℃

• 유량 : 10.0 LPM

– 순환수 루프• LLT : 7℃

• 유량 : 10.0 LPM

-10.5 16.7 19.4 35.9

12,000kcal/hr 9,000kcal/hr

-10.5 16.7 19.4 35.9

12,000kcal/hr 9,000kcal/hr

III. 시스템 설계

III-1. 일반적인 절차

나. 에너지데이터 확보

다. 열교환기 방식 결정

라. 주요 시스템 결정

마. EWT결정

바. 시스템 요소 설계

III-2. 설계 검토

III-1. 일반적인 설계절차

• 건축주와 협의

• 설계 부하 및 에너지 데이터 확보

• 지중열교환기 방식 결정

• 주요 시스템 결정

– 히트펌프 유니트 방식(물-물, 물-공기)

• EWT결정

• 시스템 요소의 설계

• 설계 검토 및 반복

Conceptual Design for Efficiengy(Load,energy,approval for Enviroments)

Any Opportunistic Options such as Treated sewege or raw water?

Enough Ground Water Potential forGWHP with separate water rejection?

Hard rock, good quality water?

Enough Land for Horiizontal HeatExchanger?

Enough Land for Pond Loop?Is Owner Interested?

Geology Suitable for Vertical Borehole?

HybridOther HVAC

Evaluate Resources,Arrange for Use & Permits

Injection Return orSurface Discharge

Evaluate StandingColumn Well

Geotechnical Evaluation(drainage,water supply)

Test Bores: Drill rates, Lith-ology, Thermal Conductivity

Do test well for Production and quality

Design Development

출처: Geology and Drilling Methods for Ground Source Heat Pump Installation,

Harvey M. Sach, ASHRAE

III-1-나. 에너지데이터 확보

• Weather Data

• 에너지 데이터

– Daily Energy• Design Day

– Monthly Energy

– Yearly Energy

• 설계에 필요한 데이터 확보

• 경제성 검토/방식간 비교등에 활용

지중 온도 데이터

그림 8) 지중 100m와 200m의 온도 분포

III-1-다. 열교환기 방식의 결정

III-1-라. 주요 시스템의결정• 히트펌프 유니트 방식

– 물-물 히트펌프 방식

– 물-공기 히트펌프 방식

• 순환수루프 주요 결정– 냉난방시 순환수 온도 및 유량

– 단말기 방식의 결정

• 공기 루프 결정

• 하이브리드 열원 적용 여부– 타 열원과 병용

• 주요 고려 인자

– 공간 높이

– 천정 서비스 공간

– 소음

– 외관

– User Requirement

– 효율

III-1-마. EWT 결정

• EWT와 부동액 유량 결정

• 히트펌프 유니트 선정에 영향

– 냉방 및 난방 능력

• 시스템 COP에 영향

• 지중열교환기 설계에 영향

– 초기 투자비에 영향

• 시스템의 성능에 영향

III-1-바. 지열히트펌프 시스템 요소설계

• 지열히트펌프 유니트 선정

– 지중루프 운전 조건, 부하측 운전조건

• 지중열교환기 설계

– 지중루프 운전 조건 및 지중 조건

• 순환수 루프의 설계

– 순환수 유량 및 압력 강하

• 공기 루프의 설계

– 공기 유량 및 압력 강하

III-2. 설계 검토

• 초기 투자 금액

• 투자회수기간/ROI

• 성능

• 요구사항

VI. 요소 설계

VI-1. 히트펌프 유니트의 선정

VI-2. 지중열교환기 설계

VI-3. 지중루프 순환시스템

VI-4. 공기루프 분배시스템

IV-1. 히트펌프 유니트의 선정

• 영향을 미치는 인자– 지중루프 운전조건 (EWT 및 유량)

– 부하측 운전조건 (LLT 및 유량/설정 조건)

• 유니트 선정 소프트웨어 사용– 히트펌프 유니트 제조업체 제공

– 운전조건으로 제조업체 대리점에 의해 계산

• 성능표를 사용– 가능한 자세한 표를 사용

– Interpolation을 적용

• 카탈로그상의 공칭 열량

Load26,600 BtuhSHF = 0.83

HP 02526,700 BtuhSHF = 0.69

HP 033

4,300

22,300

8,200

18,500

9,600

22,200

Latent (Btuh)

Sensible(Btuh)

3,800

Heat Pump Sizing

HP 03331,800 BtuhSHF = 0.70

NTS

IV-2. 지중열교환기 설계

• 부하– 장비 부하의 합계

– 건물 에너지 데이터

• 설계 방법– 경험

– 설계 소프트웨어• 정확도가 높은 소프트웨어

• 여러 기능의 소프트웨어

• 중요성– 초기투자비용과 직결

– 성능과 안정적인 운전과 직결

• 설계 인자/입력 자료– Undisturbed Ground Temperature

– 지중 평균 온도구배

– 지중의 추정 열전도율

– 보어홀 칫수

– 파이프의 재질 및 칫수

– 그라우트 재료 (벤토나이트/실리카샌드)

– 부동액 특성

– EWT/유량

– 건물/지중 에너지 계산

• 지중열전도 시험

– 실제와 같은 형상과 재질을 사용

– 실제 열량 이상을 공급하여 시험

– 지중의 열전도율을 측정

– 적용에 앞서 신뢰도 검증

– 총 지중열교환기의 길이에 반영(깊이 or 개수)

• 지중 암반의 특성

– 깊이에 따른 영향

IV-3. 지중루프 순환시스템

• Reverse Return

• Flusing & Purging

• Pressure Drop

• Power Consumption

• Variable Capacity

IV-4. 공기루프 분배시스템

V. 시스템 최적화

V. 지열히트펌프 시스템 최적화 목표

1. 시스템 성능

가. 시스템 COP냉방 시스템 COP

난방 시스템 COP

나. 펌프 동력비

2. 경제성

가. 투자회수기간

나. ROI

• 최적화 문제 (최소화 또는 최대화)

– 최적화의 목표함수의 예• 성능

• 투자회수기간

• 건물의 가치

– 구속 조건의 예• 초기투자비

• 투자회수기간

• 인자별 민감도 분석 등 수행

VI. 주요 고려 사항

VI-1-가. Primary-Secondary 시스템

VI-1-나. 부분부하

VI-2. 하이브리드 시스템

VI-3. 제습

VI-4. IAQ

VI-5. 급탕

IV-1-가. Primary/Secondary Variable Flow

VI-1-나. 부분 부하 운전

VI-2. 하이브리드 시스템

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

0 20 40 60 80 100

Number of Solar Collectors

Borefield length (ft)

Total Cost Borefield +Solar ($)

VI-3. 제습

LAT sensor

Reheat coil

Space between reheat and evaporator coils to maximize moisture removal

Evaporator coil

Low fan speed duringdehumidification mode

Install humidifier

Requires dehumidification

VI-4. Indoor Air Quality

INDOOR AIR QUALITY

OUTDOOR AIR QUALITY

MOBILE TRANSPORTATIO

N SOURCES

ENERGY GENERATI

ON SOURCES

MANUFACTURING SOURCES

HVAC SYSTEMS SOURCES

NATURAL SOURCES

BUILDING MATERIALS SOURCES

ACTIVITIES RELATED SOURCES

GROUND WATER QUALITY

NATURAL SOURCES VAPOR

INTRUSION

WELL UNDERSTOOD PARTIALLY UNDERSTOOD LITTLE UNDERSTOOD

VENTILATION, TEMPERATURE, HUMIDITY

COMBUSTION POLLUTANTS

CO CO2 NOx OCCUPATIONAL THRESHOLD LIMIT

VALUES (TLV)

Asbestos, Pesticides, Lead Dust etc.

Tobacco Smoke

RADON

VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS (VOC’s)

PAH’s, Aldehydes, Ethers, etc.

Course Fine Ultra-fine ORGANIC DUST

Allergens

MycotoxinsGlucans

Endotoxins

OZONE

Heavy MetalsDioxins

DUST VS. CONTAMINANT

DUST• Goals:

dust buildupsoilingmaintenanceequipment protection

CONTAMINANT• Goals:

illnessirritationabsenteeismproductivity

VI-5. 급탕

• 급탕의 일반적인 성격– 부하의 집중이 심함

– 탱크에 축열 (적은 용량의 히트펌프)

• 낮은 온수 온도– 50~55℃

• 저온 냉수와 혼합– 동절기 5℃

• 탱크의 용량– 히트펌프가 순간 부하를 담당 여부

온수55℃

냉수 5℃

히트펌프가열

온수 55℃

기타

• 냉난방의 경향– 10년전/10년후 부하

– 냉방 부하

• 고객의 기대– 다른 시스템과의 비교/차별화

– 에너지비용/Comfort 및 Quality

• 지열히트펌프 시스템 설계– 냉난방 설비 설계 + 지중열교환기 설계

– Integration

• 사업자, 고객, 수익

감사합니다.

김진상jkim@exergy.co.kr