| 논문명 |
히트펌프 시뮬레이터를 활용한 지열 히트펌프의 유량 제어 성능 분석 / Performance Analysis of Flow Control in a Ground Source Heat Pump Using a Heat Pump Simulator |
| 저자명 |
박영준(Young-Joon Park) ; 김의종(Eui-Jong Kim) |
| 수록사항 |
설비공학논문집, Vol.38 No.4 (2026-04) |
| 주제어 |
열원 측 입구 온도; 지열 히트펌프; 열원 측 입?출구 온도차; 변유량 제어 ; Entering water temperature; Ground source heat pump; Source-side inlet/outlet temperature difference; Variable flow control |
| 요약1 |
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. |
| 요약2 |
This study investigates the performance of a ground source heat pump (GSHP) system using variable-flow control based on the temperature difference between the source-side inlet and outlet (ΔT), which is affected by the entering water temperature (EWT) and flow rate. A laboratory-scale test facility equipped with a thermostatic bath was utilized to analyze the coefficient of performance (COP) during both cooling and heating operations. A regression-based model for predicting COP was developed from the experimental data. The findings revealed that, under the same EWT conditions, increasing the flow rate gradually improved the COP, particularly in high-efficiency operating regions. Using the developed model, a 10-year long-term simulation was conducted to assess system-level performance. The optimal ΔT values for minimizing total energy consumption were found to be ΔT = 5℃ in cooling mode and ΔT = 4℃ in heating mode. Notably, increasing ΔT during cooling significantly reduced circulation pump power consumption, leading to enhanced overall system efficiency. |
