히트펌프 시뮬레이터를 활용한 지열 히트펌프의 유량 제어 성능 분석

초록

본 연구에서는 지열 히트펌프(GSHP) 시스템의 장기 성능을 ΔT 기반 변유량 제어 조건에서 비교․분석하기 위해, 실험실 규모의 GSHP 모사 장치를 구축하고 실험 및 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 결론은 다음과 같다. (1) 실험적 분석 결과, 열원 측 입구 온도(EWT)가 높을수록 냉방 모드에서 COP는 감소하였으며, 난방 모드에서는 EWT 상승에 따라 COP이 뚜렷하게 향상되었다. 또한 동일한 EWT 조건에서 유량 증가 시 COP이 증가하는 경향을 보여, EWT와 유량이 히트펌프의 열교환 성능과 사이클 효율에 중요한 영향을 미치는 변수임을 확인하였다. 특히 낮은 EWT 영역(약 15℃ 부근)에서는 유량 변화에 따른 COP 차이가 크게 나타나, 열원 조건이 양호한 고효율 구간에서는 비교적 높은 유량 유지가 효율 향상에 효과적임을 확인하였다. (2) 시뮬레이션 결과, 냉방 모드에서 ΔT가 2℃에서 5℃로 증가함에 따라 히트펌프 소비전력은 약 6% 증가한 반면, 순환펌프 소비전력은 약 93% 감소하였다. 이에 따라 전체 시스템 전력 소비는 ΔT = 5℃에서 최솟값을 나타냈으며, 본 연구에서는 이를 냉방 시 최적 ΔT로 도출하였다. 반면 난방 모드에서도 ΔT가 증가함에 따라 순환펌프의 소비전력은 감소하는 경향을 보였으나, 난방 운전 시 지중 열원의 온도 변화폭이 냉방 시보다 작아 히트펌프 소비전력은 소폭 증가하였고, 전체 소비전력 변화폭은 상대적으로 제한적이었다. 본 연구 결과를 종합적으로 검토한 결과, ΔT 기반 변유량 제어를 적용할 경우 불필요한 펌프 에너지 소비를 효과적으로 절감함과 동시에 전체 시스템의 전력 소비를 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 연구에서는 다양한 운전 부하 조건에서 EWT 및 ΔT를 장기간 계측하고, 이를 바탕으로 고차원 모델 개발을 통해 EWT에 따른 가변 ΔT 운전 전략을 수립하고, 이를 GSHP 시스템에 적용함으로써 지중 열적 균형 유지 및 에너지 절감 효과를 검증할 필요가 있다.

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