지열히트펌프는 외기 영향이 적은 지중온도를 활용해 건물 냉난방을 실시하는 시스템이다. 공기열원히트펌프에 비해 뛰어난 성능을 갖고있지만 건물부하에 따른 연속운전에 의해 지중온도가 변화함에 따라 시스템성능이 감소한다.

수열히트펌프는 수열원을 이용해 냉난방하는 시스템으로 풍부한 열원을 보유하고 있어 단위네트워크모델로 활용할 수 있다는 잠재력이 있다. 

권영식 부산대학교 건축공학과 학생은 지난 6월19일부터 6월21일까지 열린 대한설비공학회(회장 최준영) 하계학술발표대회 '에너지시스템예측'세션에서 ‘지·수열하이브리드 히트펌프시스템' 연구발표를 진행했다.

권 학생은 “지·수열원을 동시 이용하기 위해 3 Way 밸브를 이용해 시스템모델을 설정한 뒤 동적에너지시뮬레이션 기반 타당성분석을 실시해 최적화 설계방식을 적용한 지하수이용히트펌프(GWHP)시스템 성능·열원온도 변화·에너지소비 등을 정량평가했다”고 말했다. 

권 학생이 제작한 GWHP시스템은 일반적인 지열원열펌프(GSHP)시스템에 수열원히트펌프(WSHP)시스템을 결합한 형태로 난방기간 중 지열원 온도가 하강해 수열원보다 온도가 낮아지면 수열원을 사용하며 냉방기간 중 지열원 온도가 상승해 수열원보다 온도가 높아지면 수열원을 사용한다.

GWHP시스템 대표일에 대한 성능과 열원온도를 분석한 결과 냉난방 성능은 각각 20%, 2% 증가했고 연간성능·열원온도분석 결과 GSHP시스템 냉난방 COP는 4.89, 3.76에 비해 GWHP시스템 COP는 5.6, 3.86으로 기존시스템보다 성능이 향상됐다. 냉방시 기존 GSHP시스템 보어홀 온도는 GWHP시스템보다 최대 3.5℃ 높아져 성능이 저하되는 것으로 확인됐다.

권 학생은 “냉방 COP가 크게 증가한 이유는 기존 GSHP는 지상열원을 사용해 피크부하에 대응한 반면 하이브리드히트펌프는 지상과 수열원 모두 사용해 대응했기 때문”이라며 “그에 비해 난방 COP는 큰 차이가 나지 않았다”라고 분석했다.

또한 시스템 과대설계문제를 방지하기 위해 알고리즘을 이용해 시스템용량 최적화를 실시했다. 히트펌프냉난방용량 10%·지중열교환기 길이 7%·HST부피 15%가 감소하는 것을 확인했다. 

권 학생은 "펌프유량은 지열원·수열원·부하측에서 각각 6%, 13%, 13%감소했고 히트펌프 용량으로 인해 냉난방COP가 감소했지만 최적설계방법으로 도출된 시스템용량은 건물 냉난방부하를 충분히 대응할 수 있을 것"이라고 말했다.

경제성을 분석한 결과 취수거리를 100m로 설정했을 때 기존시스템대비 총 비용이 약 5.3% 절감됐다. 

권 학생은 "지·수열하이브리드 히트펌프시스템 타당성에 대한 기초적인 결과를 마련했다"라며 "이번 연구가 효율적인 히트펌프시스템 구현을 위한 최적설계기법에 기여하길 기대한다"고 전했다.