지열히트펌프시스템설계 - 한국에너지공단kemco.or.kr/up_load/pds/hongbo/s_2.pdf ·...
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I-2. 지열에너지의 이용
• 냉방운전
–저장
• 지중열교환기에열을 저장
• 난방운전
–이용
• 지중열교환기에서열을 추출하여이용
지열에너지의 흐름
건물히트펌프
유니트
지중열교환기
냉방
난방
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
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-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-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
• 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
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
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
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
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
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
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 ($)
LAT sensor
Reheat coil
Space between reheat and evaporator coils to maximize moisture removal
Evaporator coil
Low fan speed duringdehumidification mode
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
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