• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.193-193
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• 2011

현재까지 대부분의 지열원 열펌프 시스템에 관한 연구는 열펌프 유닛과 지중열교환기에 대해 개별적으로 수행되었으며, 열펌프 유닛과 지중열교환기 설계 및 최적화의 공통변수인 지중순환수 유량에 따른 시스템 전체에 대한 연구성과는 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 인증되어 보급되고 있는 물매물 지열원 열펌프 유닛의 성능 자료를 분석하고, 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 열펌프 유닛의 성능 실험 및 지중열교환기 형상에 관한 설계 및 분석을 수행하여 지열원 열펌프 시스템 최적화에 관한 기반 기술 확보하고자 하였다. 현재 국내의 물대물 지열원 열펌프 유닛의 냉방 및 난방 조건에서의 최소 인증 COP는 각각 4.1과 3.45이다. 다양한 용량 및 성능을 갖는 국내 인증 물대물 지열원 열펌프 유닛에 대한 정량적 성능 분석을 위하여 3.5kW(1RT) 용량당의 지중순환수 유량과 COP를 고찰하였다. 냉방운전시 3.5kW 단위 용량당 열펌프 유닛의 지중순환수 유량은 10.73에서 18.52LPM을 나타냈으며, 난방운전에는 10.41에서 18.16LPM을 나타냈다. 이때, 냉방 COP는 4.1에서 5.4의 값을 나타냈으며, 난방 COP는 각각 3.5에서 4.2를 나타냈다. 인증 열펌프 유닛에서 지중순환수 유량과 열펌프 유닛의 냉난방 성능은 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 지중순환수 유량에 따른 지열원 열펌프 유닛과 시스템의 성능을 정량적으로 분석하고자 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 지열원 열펌프 유닛 성능 실험을 수행하고 이를 기반으로 지중열교환기를 설계 및 분석하였다. 냉난방 각 운전모드에서 ISO 13256-2 규격과 NRGT 101 규격을 기준으로 지중순환수와 부하측 유량 6LPM 에서 36LPM 사이에서 변화시키며 성능 실험을 수행하였다. 냉방 및 난방모드 모두 유량이 증가함에 따라 열펌프 유닛 COP가 증가하였으나, 유량 증가에 따른 열펌프 유닛 COP 증가율은 감소하였다. 지중순환수 유량이 18LPM 이상에서는 COP 상승폭은 미소하였다. 기존문헌의 부하 산정자료와 열펌프 유닛 실험 성능 데이터를 이용하여 지식경제부 고시 2009-332호에 준하여 수직밀폐형 지중열교환기를 설계하고 순환펌프 소요동력을 이용하여 시스템 COP를 분석하였다. 지중열교환기 설계 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 상용지중열교환기 설계프로그램인 GLD 프로그램을 사용하였다. 지중순환수와 부하측 2차 유체 유량 증가 시에 열펌프 유닛 COP 증가율 대비 시스템 COP 증가율은 감소하였으며, 난방모드에서는 일정 유량 이상에서는 열펌프 유닛 COP는 증가하였으나, 시스템 COP는 감소하였다. 또한, 지중순환수 유량 증가에 따라 지중열교환기 길이가 증가하였으며, 냉난방시의 지중열교환기 길이차이가 증가하였다. 지열원 열펌프 시스템의 고효율화 및 시공비 절감을 통한 경제성 확보를 위해서는 지열원 열펌프 유닛 성능과 지중열교환기 형상 공통 변수인 지중순환수 유량을 함께 고려하여 시스템을 설계하여야한다.

• Proceedings of the SAREK Conference
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• 2006.06a
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• pp.1238-1243
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• 2006

최근 열펌프 시스템 설치가 해마다 평균 10-30% 정도 꾸준히 증가하고 있다. IEA HP Annex 28, 29('열펌프 성능평가 기술', '열펌프 시장 현황 현안')등 국제공동연구를 통한 꾸준한 지열원 열펌프 시스템 응용분야의 발전은 기존의 지열원 시스템에 비해 비용과 더불어 보다 많은 에너지 절감효과를 가져왔다. 지열기술의 성공적 사용여부는 기술의 견실함, 설계기술의 개발, 기반시설설치, 히트펌프와 부품제조업자의 반응에 기인한다. 최근 주요 연구동향은 토양열전도 측정, 지열히트펌프 시스템 전주기 성능평가, 하이브리드 시스템의 초기비용 절감과 이러한 열펌프 시스템 설계방법분야 개발에 대해 초점이 맞춰지고 있다. 본 기술현안 보고서는 최근 국내외 연구동향을 정리하여 본다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.119-119
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• 2010

무한 지속 가능한 지열 에너지를 활용한 공조시스템인 지열원 냉난방 시스템은 기존의 공조 시스템보다 열원이 안정적이기 때문에 높은 효율과 우수한 성능을 가지므로, 기후변화협약 대응의 주요수단으로서 기술개발과 보급이 증대되고 있다. 본 연구에서는 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템에 대한 실증 연구를 통하여 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 하절기 냉방 성능을 분석하였다. 대수층 축열 냉난방 시스템은 주입정과 양수정의 2개의 우물공이 설치되어 있으며, 겨울 난방 운전 중에 한 개의 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입한 후 낮은 온도의 지하수를 타 우물공에 축열하고, 하절기에 겨울에 저온으로 축열된 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입하여 온도가 증가된 지하수를 타 우물공에 주입한다. 즉, 계절별로 열펌프에서 생성된 냉수와 온수의 대수층 축열을 위하여 계절별로 주입정과 양수정이 바뀌게 된다. 본 연구의 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 2009년 8월의 주요일자별 시스템 운전 중의 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 각각 4.7과 3.4이상의 우수한 성능을 나타냈다. 또한, 모든 일자에 대하여 외기온도가 $31.6^{\circ}C$서 $22^{\circ}C$까지 변화가 크게 나타났지만 열펌프 유닛 COP와 시스템 COP의 변화는 미소하였다. 이는 양수정으로부터의 지중 순환수가 운전기간 중에 $17.5^{\circ}C$로 일정하게 유지되었기 때문이다. 양수정과 주입정 사이에 5개의 관측공을 설치하였으며, 양수정 측에 인접한 관측공의 온도는 거의 변화가 없었으며, 단기간이지만 널리 사용되고 있는 수직밀폐형 시스템과 달리 지속적인 냉방운전 중의 양수 온도의 증가는 발생하지 않아 안정적인 성능을 나타냈다. 주입정에 인접한 모니터링 홀의 온도는 심도가 깊은 곳의 온도가 낮은 곳보다 높게 나타났다. 이는 냉방 운전 시 열펌프 유닛의 실외열교환기에서 지중 순환수가 냉매로부터 열을 취득하여 온도가 상승하면서 주입정측에 온열이 축열이 진행되었기 때문으로 분석되며, 하절기의 냉방 운전 시간이 증가할 경우 축열 효과는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 양수정과 주입정 중간의 모니터링 홀의 온도는 2009년 8월 가동 중에 온도변화는 없었는데, 이는 양수정과 주입정 사이의 열간섭이 발생하지 않았기 때문으로 분석된다. 일자별로 운전 중의 열펌프 유닛 COP는 차이가 없었지만, 운전 및 정지 시간을 모두 포함한 시스템 소비전력과 냉방용량을 모두 합산하여 산정한 일일 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 일자별로 다소 차이가 발생하였는데, 이는 각 일자별로 열펌프 유닛 가동율의 차이로 인하여 열펌프 유닛 가동 전에 먼저 작동되는 지중순환펌프의 운전 소비전력의 차이와 열펌프의 단속운전 시의 열손실과 추거 소비전력의 차이 때문이다.

• Journal of the Korean Solar Energy Society
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• v.31 no.6
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• pp.40-48
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• 2011

과냉 촉진을 위한 새로운 열교환기(HESC)가 생활공간의 냉난방을 위한 공기-물 열펌프의 성능계수 향상을 위해 본 연구에서 개발되었으며 그 효과를 실험적으로 분석하였다. 이 열교환기(HESC)는 여러 단계의 셀과 튜브로 구성되어 있으며, 열펌프 시스템의 응축기와 증발기 사이에 장착되었다. 실험 조건으로, 외기온은 $7^{\circ}C$에서 $-17^{\circ}C$, 입구 물 온도는 $7{\sim}10^{\circ}C$ 그리고 제 2열전달매체로서 물의 질량 유동율은 시간당 100에서 $300{\ell}$로 변화를 주었다. 본 실험에서 이 열교환기가 장착된 열펌프의 압축기에서의 냉매 입 출구 사이의 온도 차이는 열교환기가 장착되지 않은 열펌프보다 $15^{\circ}C$ 높았다. 이에 따라 이 열교환기가 장착된 열펌프 시스템은 외기온 $-10^{\circ}C$에서 COP가 0.8 증가하였다. 따라서 이 공기-물 열펌프 시스템은 최근 한국에서 실용화되고 있는 고비용이 요구되는 지열 열펌프 시스템을 대체하여 생활공간을 위한 냉난방 시스템으로서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.120-120
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• 2010

에너지 절약적 차원에서 한 대의 실외기에 다수의 실내기가 접속되는 개별공조형 멀티 열펌프에 관한 연구 및 개발과 보급이 증대되고 있다. 본 연구에서는 복수의 실내기를 갖고 가변속 압축기를 채용한 지열원 물대공기 멀티열펌프시스템을 학교 현장에 설치하여 제조사의 운전 제어 알고리즘에 따라 일일 냉난방 실증 성능 특성을 분석하였다. 2008년 9월 30일의 냉방부하가 낮은 일자에 대하여 시간에 따른 부하 변동에 따라 압축기의 용량가변으로 실내기 냉방용량은 정격용량 대비 17.1%에서 111.3%의 범위에서 변이되었으나, 열펌프 유닛의 일일 최대 COP는 6.2를 나타냈으며, 일일 평균 열펌프 유닛 COP는 4.5로 열펌프 유닛 인증 기준 이상의 성능을 나타냈다. 2008년 11월 10일 대비 2008년 12월 15일에는 시스템 가동 중의 평균 외기온도가 $9.6^{\circ}C$ 감소하였으나, 각 재실공간의 용도별 부분 부하특성으로 11월 10일 보다 난방 부하량이 작게 나타났다. 하지만, 12월 15일에는 부하량이 매우 작아서 11월 10일보다 잦은 압축기 가변에 따른 손실로 일일 평균 COP가 낮게 나타났다. 2009년 1월 12일에는 정격 용량대비 94%의 부하율로 11월 10일과 12월 15일 대비 4배 이상의 부하량으로 압축기 용량 가변율이 작아서 난방용량과 COP 변화율이 작게 나타났다. 2009년 1월 12일에는 지중순환수의 실외열교환기 유입온도가 2008년 12월 15일보다 감소하고, 시스템의 난방용량 증가로 상대적으로 응축기와 증발기 크기가 감소한 효과로 히트펌프 유닛 COP가 감소하였으나, 본 지열원 열펌프 제조사에서 생산하고 있는 본 지열원 시스템과 동일한 압축기 등을 채용한 동일 용량의 공기열원 열펌프의 1월 12일 외기온도 $-10^{\circ}C$에서의 열펌프 유닛 COP 대비 70% 우수한 성능을 나타냈다. 본 지열원 히트펌프의 2008년 11월 10일의 일일 평균 히트펌프 유닛 COP는 외기온도가 낮고 일일 부하량이 크게 나타난 1월 12일의 일일 평균 히트펌프 유닛 COP 대비 37% 높게 나타났으나, 지중순환펌프의 정속운전으로 시스템 요구 지중순환수 유량 증가에 따른 성능 향상보다 소비전력 증가 영향이 커서 1월 12일의 시스템 COP 보다 33.3% 작은 값을 나타냈다. 본 연구의 용량 가변형 압축기를 채용한 지열원 멀티 히트펌프 유닛을 지열원 냉난방 시스템의 히트펌프 유닛으로 사용할 경우 시스템 최적화를 통한 시스템 COP 향상과 연간에너지 절감을 이루기 위해서는 히트펌프의 용량 변화 시에 지중순환펌프의 순환 유량 최적화를 위한 효율적 운전 제어 알고리즘 개발이 요구된다.

• 월간 기계설비
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• s.46
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• pp.65-73
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• 1994

도시생활폐수에 포함되어 배출되는 폐열을 열펌프의 열원으로 하는 폐수열원 열펌프 시스템에 대한 관심이 오래전부터 집중되어 있었지만 폐수 열교환기 전열면의 오염문제 때문에 실용화에 커다란 진전을 보지 못하고 있다. 한편, 생활페수는 비교적 저온이기 때문에 열펌프시스템의 설계에 특별한 주의를 기울여야 한다. 즉, 이러한 폐열을 회수하여 유효에너지 자원화 하기 위한 신기술이 이루어 져야한다. 본 연구에서는 이러한 점을 감안하여 도시생활 폐수열의 이용가능성을 검토하고 이를 열원으로 하는 열펌프의 개발을 위한 폐수 열교환기의 모델을 개발하였다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1995.05a
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• pp.94-99
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• 1995

본 연구는 태양열 열펌프시스템에 의한 약 6평 규모의 실내의 난방방법으로서 간접 난방인 온수순환난방과 직접난방인 복사난방의 성능을 분석하였다. 태양열 열펌프의 최대의 열적성능을 나타낼 수 있도록 알루미늄 롤 본드형 태양열 집열기의 면적을 조절하였으며 집열효과를 극대화하기 위하여 온도감응 자동팽창밸브의 용량을 변화시켰다. 본 실험에서 적용된 태양열 열펌프 난방은 서울지방 봄 가을철의 외기온도에서 실내온도가 18~2$0^{\circ}C$로 유지되도록 설계제작되었다. 태양열 열펌프시스템에 적용된 작용유체는 온수순환 난방에는 R-12냉매. 그 대체냉매는 R-134a 및 혼합냉매, 복사난방에는 R-22냉매이었다.

• Journal of the KSME
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• v.22 no.6
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• pp.471-476
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• 1982

1.열펌프 시스템의 성능은 최적설계를 하므로서 이론적, Rankine C.O.P에 접근시킬 수 있다. 2.. 산업체 중저온 폐열회수이용에는 열펌프가 매우 유망하며 냉온수를 동시에 이용하는 경우는 더욱 유리하다. 3. 우리나라 산업계에서 보통 투자회수기간을 3년으로 본다면 전력시설용량을 500kw 이상의 산업용 소동력, 대동력의 경우 열펌프의 성적계수는 약 3.5 정도가 하한으로 볼 수 있다. 4. 공기 또는 물 열원의 가정용 열펌프는 전력비가 비싸므로 아직은 실용성이 없다.

• Journal of the KSME
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• v.25 no.4
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• pp.282-288
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• 1985

에너지 절약 장치로서 Heat pump 기술은 선진 각국에서 70년대 이후 관심 깊게 연구개발을 계속하고 있으며 지금도 보일러-열펌프 닥킹시스템(boiler-heat pump docking system), 과 성능 열펌프시스템(super efficient heat pump system)등 더욱 성능이 우수한 장치 연구를 위하여 박 차를 가하고 있다. 외국의 경우 현재 공조용으로 사용되고 있는 열펌프는 원래 냉동기 기술을 기초로 하여 개발하였기 때문에 낮은 온도의 열원에서부터 60.deg. C 정도까지의 온수를 제조 하는 것은 기술적으로 충분하다. 이를 일반 산업용으로 하기 위하여 보다 더 높은 온도의 열을 공급하기 위해서는 새로운 연구가 활발하게 전개되어 왔다. 그 결과 저온배열을 100.deg. C 내 외로 올리는 기술이 개발되고 이의 응용 예가 많으며 구미 각국에서는 정부의 지원을 얻어 실 습플렌트(demonstration plant)가 다수 설립되고 있다. 이하 각장에서는 열펌프 기술의 국제적인 동향과 우리나라의 현실, 보급장애요인 그리고 장래전망을 기술하고 또 열펌프의 보급확대 방 안을 논술하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.405-408
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• 2009

공기열원 히트펌프시스템의 문제점, 즉 열효율, 안정성, 착상에 대한 현황을 파악하고 이를 해결하기 위한 연구를 수행하였다. 열효율과 안정성을 위해 기존 시스템을 보완한 8행정 냉매사이클시스템 개발과 제어시스템의 개발을 통해 히트펌프 시스템의 효율을 2배 정도 증가시키고, 안정성을 높이며, 착상 문제를 최소화할 수 있도록 하였다. 개발된 공기열원 히트펌프시스템의 COP는 평균 5정도이고, 안정적으로 운용되는 외부 온도는 $-10^{\circ}C$에서 $55^{\circ}C$까지이다. 토출되는 온수의 온도는 $50{\sim}60^{\circ}C$정도이다. 평균 제상시간은 1분 이내이다. 앞으로 개발해야 할 문제는 외부 온도 $-10^{\circ}C$ 이하지역에서 보조열원 없이 난방을 할 수 있고 친환경 냉매를 사용하며 COP가 7이상인 고효율 히트펌프시스템를 실용화하는 것이다.