전 세계는 온실가스에 대한 기후변화 문제를 해결하기 위해 국가 간 기후변화 협약으로 온실가스 감축을 의무화하고 있으며 최근 정부도 온실가스 감축목표를 2030년까지 2018년 배출량 대비 기존 26.3%에서 대폭 상향해 40%를 감축하기로 했다.
세계 각국은 온실가스를 감축하여 기후변화 위기에 대응하기 위해 다양한 노력들을 하고 있다. 특히, 건물에너지 절감에 대한 해결책으로 ‘제로에너지빌딩’에 관심을 가지게 되었다. 이와 같은 추세에 발맞춰, 정부도 저탄소화 사회 구현을 위해 2020년부터 신축 또는 증, 개축하는 연면적 1,000㎡ 이상 공공 건축물을 대상으로 ‘제로에너지건축물 인증’을 의무화 하고 있다. 2030년부터는 500㎡ 이상의 공공, 민간 신축건물을 대상으로 ‘제로에너지건축물 인증’을 의무화 하였다. 또한 정부는 2004년부터 1,000㎡이상의 공공건물을 신축, 증축, 개보수하는 경우 건물 에너지 수요의 일부가 재생에너지를 담당하는 ‘신재생에너지 설치의무화’를 운영하고 있으며, 이 의무 비율은 2011년 10%에서 2020년 30%, 2030년도에는 40%로 확대되었다.
따라서 ‘제로에너지건축물 의무화’, ‘신재생에너지 설치의무화’로 건물에너지를 절감하기 위해 단열, 고효율 설비시스템과 함께 신재생에너지 도입이 불가피해졌다. 한편, 태양광, 태양열, 지열, 연료전지 등 다양한 대체 신재생에너지원의 활용에 대한 연구가 이루어지고 있지만 태양광, 태양열과 지열을 제외하고는 지역적인 제약성 등으로 인해 아직까지 건물부문의 적용에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 이에 시공의 어려움과 높은 초기투자비가 필요함에도 불구하고 상업용, 주거용 건물에 주요 냉난방 설비로 지열원 히트펌프시스템이 늘어나게 되었다.
지열원 히트펌프시스템은 동절기에는 지중으로부터 열을 얻어 난방을 수행하고, 하절기에는 냉방공간에서 나온 열을 지중공간에 배출함으로써 냉방을 수행하는 장치이다. 이와 같은 장치는 계절 간 난방 및 냉방부하가 균형을 이루고 있는 경우에는 큰 효과를 볼 수 있지만, 냉난방부하가 균형을 이루지 못하는 국내와 같은 기후에서는 동절기의 난방부하가 냉방부하에 비해 상대적으로 크기 때문에 버려지는 열보다 빼앗기는 열이 더 많다. 따라서 지중온도 하락으로 해가 거듭될수록 난방 성능이 낮아지는 문제가 발생한다. 지열원 냉난방 히트펌프시스템이 설치되어있는 건물을 대상으로 분석한 결과, 5년에 약 1∼2℃ 지중온도가 감소하고 있었다. 이에 따라 냉방 COP는 운영초기에 감소하다가 일정 수준을 유지 하지만, 난방 COP는 매년 지속적으로 감소하였다. 아울러, 다양한 연구 사례를 통해 분석한 결과, 평균 지중 온도는 3.0∼12.0℃ 하락하였고 그에 따른 COP는 약 0.5∼2.2로 감소하는 문제가 있어, 추가적인 열원이 요구된다.
한편, 난방기간 동안 부족한 지열원에 추가 열원을 보충하기 위해 지열원 히트펌프시스템의 보조열원으로서 태양열원 시스템의 가능성을 검토한 결과, 태양열원 시스템은 미활용 에너지 중 지리적으로 제약이 없으며 소규모 단위 건물부터 대규모 지역에서 이용 가능한 친환경 재생에너지로 지열원 히트펌프시스템의 보조열원으로 가장 적합하였다. 또한 태양열원 시스템은 태양열원을 난방과 급탕에만 활용함으로써 하절기의 공급에 비해 수요가 적어 가동율이 저하되고 동절기에는 수요에 비해 공급이 적어 추가열원 발생으로 높은 설비투자비가 필요하여 경제성 등의 이유로 보급이 활발하지 못하는 실정이다.
이에 본 연구에서는 태양열원 연계 지열원 히트펌프 시스템이 설치되어있는 국내 사무용 건물을 대상으로 운전제어 알고리즘을 적용하여 성능에 관한 실험을 수행하였다.
지열원 히트펌프시스템을 단독 운전한 날과 태양열과 연계 운전한 대표일의 성능을 분석한 결과, 열원측 공급온도가 6.6℃상승하였고 동일 난방부하 대비 공급열량은 23% 증가하였다. 따라서 지열원 단독운전의 경우에 비해 히트펌프 전력소비량은 약 16.8%, 반송동력은 약 28.4%를 절감하여, 총 19.8% 수준의 전력소비를 줄일 수 있었으며 히트펌프시스템의 반송동력을 포함한 시스템 COP는 4.0 대비 5.4로 성능이 크게 향상된 결과를 얻었다. 난방기간 동안 히트펌프 열원측 공급온도에 따른 COP 분석결과, 히트펌프시스템의 시스템 COP는 기존 지열원 단독운전 시 4.8∼6.0 대비 태양열원 연계 운전 시 5.4∼7.4로 향상된 결과를 보여주었다.
따라서 지열원 히트펌프 성능 향상을 위해 태양열원 시스템이 불가피하나, 태양열원 시스템이라는 추가적인 시스템의 도입과 적용을 위해서는 효율적인 설계와 운전으로 지열원 히트펌프시스템과의 최적 조합 및 효과를 내는 것이 중요하다.
이에 본 연구에서는 건물 난방부하가 주어지면, 여기에 대응하여 지열원 히트펌프시스템에 태양열 시스템을 연계하기 위한 태양열 집열기, 축열조 용량 등의 최적 설계 및 지열원 히트펌프 운전에서 태양열원 방식으로의 절환온도 등 운전 기법 제안을 위해 시스템을 구성하는 요소들의 관계식을 기반으로 해석모델을 수립한 후 해석 도구를 이용해 다양한 수치실험을 수행하였다.
주어진 조건에서 태양열원 연계 지열원 히트펌프시스템의 난방운전 패턴은 일반적으로 태양열원이 부족한 오전에는 지열을 열원으로 운전하다가 절환온도에 도달하면 태양열을 열원으로 사용하는 결과를 보였다. 다만, 설계 변수인 태양열 집열면적이 일정 범위를 벗어나 용량이 과대해지면 과도한 축열에 의해 난방개시 직후 태양열원 운전을 함으로써 오히려 성능이 감소하는 결과를 초래하였다. 또한 축열용량이 과소 설계되거나, 시스템 절환온도를 일정범위 이하로 설정하게 되면 잦은 시스템 전환으로 비효율적인 운전 결과를 보였다.
본 연구에서는 태양열을 히트펌프 열원으로 사용하는 일간 운전시간의 사전검토를 통해 설계 및 운전 변수의 해석범위와 기준모델을 설정해 수치실험에 사용하였다. 설정한 해석 범위 내에서 설계 변수인 태양열 집열면적은 집열면적이 증가함에 따라 일간 전력소비량은 감소하고 COP는 증가해 성능이 향상되는 경향을 보여주다가, 집열면적이 일정 값을 넘어서면 오히려 일간 전력소비량이 증가하고 COP는 감소하는 경향을 보여주었다. 따라서 검토 조건 하에서 최적의 집열면적이 존재하였으며 특히, 집열면적을 무조건 증가시키면 성능은 낮아지면서 비용만 낭비하는 결과가 되므로 주의하여야 한다. 축열용량도 같은 경향을 나타냈으며 검토 조건 하에서 최적의 축열용량이 존재하였다. 따라서 지나치게 큰 축열용량이 선정되면 설치비 낭비는 물론 시스템의 성능이 떨어져 오히려 불리해진다. 운전 변수인 지열원에서 태양열원으로의 시스템 절환온도 변화는 열원의 온도 수준이 낮고 태양열원 기여율도 크게 감소하는 상대적으로 낮은 영역을 제외하면 본 연구의 검토 범위 내에서는 시스템 절환온도가 증가함에 따라 일간 전력소비량은 점근적으로 감소하고, COP는 증가하는 경향을 보였다.
수치해석 결과를 활용하여 해석 대상 건물 난방부하와 정격 히트펌프 시스템 및 열교환기 용량이 주어졌을 때 설계 및 운전 변수의 수준에 따라 태양열원 연계 히트펌프 난방운전을 통해 최소의 에너지를 소비하면서 요구되는 부하를 처리할 수 있는 최적 설계 및 운전 조건 기법(태양열 집열면적 선정, 축열조 용량 선정, 시스템 설정온도 결정)을 제안하였다.
수치해석 결과를 활용한 최적 설계 및 운전 기법을 실험을 수행한 경기도 화성시에 위치한 사무용 건물에 적용한 결과, 태양열 집열면적은 실험 조건인 150m²에서 최적 설계 조건은 225m²으로 과소 설계되었고, 축열용량은 실험 조건인 4톤에서 최적 설계 조건은 3톤으로 과대 설계된 것으로 분석되었다. 지열원에서 태양열원으로의 시스템 절환온도는 실험 운전 조건인 25.7℃에서 최적 운전 조건은 25.5℃로 적정하게 설정된 것으로 판단된다.
설비시스템을 교체하는 것은 물리적 한정되어 있기 때문에 실험을 수행한 사무용 건물을 대상으로 수치해석 결과를 활용한 최적 설계 및 운전 기법을 적용하여 효과를 검증한 결과, 이미 설치된 지열원 히트펌프 시스템에 태양열 시스템을 추가한 후 경험적인 운영을 통해 대표일 조건에서 일간 19.8%의 전력소비를 줄일 수 있었다. 여기에, 본 연구에서 얻은 최적 설계 및 운전조건을 적용하면 하루 동안 26.5%의 추가적인 전력소비가 절감 가능한 것으로 나타났다. 한편, 이 결과를 난방기간 전체에 적용한 결과, 지열원만을 이용한 경우에 비해 연간 평균 31.2%의 전력소비 절감이 가능한 것으로 판명되었다.

Countries around the world have made it mandatory to reduce greenhouse gas (GHG) emissions via international agreements on climate change to address the climate change problem caused by GHG emissions, and the South Korean government has also increased its GHG reduction target by 2030 from 26.3% to 40% of the GHG emissions in 2018.
Countries have made several efforts to respond to the climate change crisis by reducing GHG emissions. In particular, these countries are interested in “zero energy buildings (ZEB)” as a solution to the reduction in building energy. In line with this trend, to implement a low-carbon society, the Korean government is also making it mandatory to achieve “ZEB certification” for newly built, extended, or reconstructed public buildings with a total floor area of 1,000 m² or larger from 2020. New public and private buildings with a total floor area of 500
m² or larger are mandated to achieve “ZEB certification” from 2030. In addition, the Korean government has implemented “mandatory installation of renewable energy systems” in which renewable energy must be used for a certain percentage of the building energy demand for newly built, extended, and reconstructed public buildings with a total floor area of 1000 m² or larger since 2004, and this percentage has increased from 10% to 30% and 40% in 2011, 2020, and 2030, respectively.
“ZEB certification” and “mandatory installation of renewable energy systems” have ensured the inevitable introduction of renewable energy along with insulation and high-efficiency equipment systems for a reduction in building energy. Meanwhile, studies have been conducted on the use of various alternative renewable energy sources, such as sunlight, solar heat, ground heat, and fuel cells; however, it remains extremely difficult to apply them to the building sector, except for sunlight and solar heat energies, owing to regional restrictions. Consequently, more geothermal heat pump systems have been installed in commercial and residential buildings as main cooling and heating equipment, despite their difficult installations and high initial investment.
Geothermal heat pump systems achieve heating in winter by obtaining heat from the ground and cooling in summer by releasing the heat from the cooling space to the ground. They can be significantly effective if heating and cooling loads in different seasons are balanced. However, for the climate in Korea where heating and cooling loads are not balanced, the amount of heat obtained from the ground is larger than that released to the ground because the heating load in winter is relatively larger than the cooling load in summer. Therefore, the heating performance decreases each year, owing to a reduction in ground temperature. The analysis of buildings where geothermal cooling and heating heat pump systems were installed indicated that the ground temperature decreased by approximately 1∼2℃ in five years. Accordingly, although the cooling coefficient of performance (COP) decreased at the beginning of operation and then remained constant, the heating COP continuously decreased annually. In addition, the analysis of various research cases demonstrated that the average ground temperature decreased by 3.0∼12.0 ℃, thereby reducing COP to approximately 0.5∼2.2. This indicates that additional heat sources are required.
When solar thermal systems were examined as an auxiliary heat source for geothermal heat pump systems, to supplement an additional heat source for insufficient geothermal energy during the heating period, they were determined to be the most suitable as an auxiliary heat source for geothermal heat pump systems because they have no geographical restrictions among unused energy and are eco-friendly renewable energy systems that can be employed in both small individual buildings and large areas. Meanwhile, the operating ratio of solar thermal systems decreases in summer because the demand is smaller than the supply, as solar thermal energy is solely adopted for heating and hot water supply, and a high capital investment in equipment is required in winter, as an additional heat source is required because the supply is smaller than the demand. Owing to its low economic efficiency, the dissemination of solar thermal systems is inactive.
Therefore, in this study, an operation control algorithm was applied to an office building with a solar assisted geothermal heat pump system in South Korea, and then an experiment was conducted on performance.
Performance was analyzed on the day when the geothermal heat pump system was solely operated and the representative day when solar-assisted operation was performed. It was deduced that the supply temperature on the heat source side increased by 6.6℃ and the amount of heat supplied increased by 23% compared to the same heating load. Compared to the case in which the geothermal heat pump system was solely operated, the heat pump power consumption decreased by approximately 16.8% and the conveyance energy decreased by approximately 28.4%, thereby reducing the overall power consumption by approximately 19.8%. System COP, including the conveyance energy of the heat pump system, increased from 4.0?5.4, thus indicating a significant improvement in performance. When COP was analyzed according to the supply temperature on the heat source side of the heat pump during the heating period, the COP of the heat pump system ranged from 4.8 to 6.0 when the geothermal heat pump system was solely operated and from 5.4 to 7.4 when the solar-assisted operation was performed, thereby exhibiting improved results.
Via experimental research, an improvement in performance by improving the thermal environment on the heat source side of the heat pump using solar thermal energy was verified.
Although a solar thermal system is required to improve the performance of the geothermal heat pump, it is important to achieve the optimal combination and its effects with the geothermal heat pump system using efficient designs and operations for the introduction and application of the system.
Therefore, in this study, an analysis model was established based on the relationships between system components, and then various numerical experiments were performed using an analysis tool to propose optimal design parameters for the solar-assisted geothermal heat pump system, such as the solar collector and heat storage tank volume, and operation techniques, such as the switching temperature from geothermal to solar heat pump operations, under the given building heating load conditions.
Under the given conditions, the heating operation pattern of the solar-assisted geothermal heat pump system generally indicated that ground heat was adopted as a heat source in the morning when solar thermal energy was insufficient, while the solar heat was adopted as a heat source when the switching temperature was reached. However, when the solar collector area, a design parameter, exceeded a certain range and the capacity was excessive, the system performance rather decreased as solar thermal energy was used for the heating operation, immediately after heating commenced, owing to the excessive heat storage. In addition, when the heat storage tank volume was designed to be excessively small or the system switching temperature was set to be below a certain range, inefficient operation results were observed because of frequent system switching.
In this study, the analysis ranges of the design and operating parameters, including a reference model, were set via the preliminary examination of the daily operation time that adopted solar heat as the heat source of the heat pump, and they were used in numerical experiments. Within the set analysis range, as the solar collector area, a design parameter, increased, the daily power consumption decreased and COP increased, thereby exhibiting an improvement in performance. When the solar collector area exceeded a certain value, the daily power consumption rather increased and COP exhibited a tendency to decrease. The optimal solar collector area was under the examined conditions, and it is crucial to proceed cautiously because an unconditional increase in the solar collector area may decrease the performance and waste installation cost. The heat storage tank volume also exhibited the same tendency, and the optimal value existed under the examined conditions. The selection of an excessively large heat storage tank volume is rather unfavorable because it wastes the installation cost and degrades the system performance. Within the range examined in this study, except for the range in which the level of the heat source was low and the solar contribution rate significantly decreased, the daily power consumption asymptotically decreased and COP tended to increase as the system switching temperature from ground to solar heat, which is an operating parameter, increased.
The numerical analysis results were utilized, and an optimal design and operation technique (selection of the solar collector area, selection of the heat storage tank volume, and determination of the system set temperature) was proposed to handle the required load while consuming minimal energy via solar-assisted heat pump heating operations, according to the levels of the design and operating parameters under the given heating load of the target building, rated heat pump system, and heat exchanger capacity.
When the optimal design and operation technique was applied to an office building located in Hwaseong City, Gyeonggi-do, where experiments were performed, it was inferred that the solar collector area was under-designed, as the optimal design condition was 225 m², while the experimental condition was 150 m², and that the heat storage tank volume was over-designed, as the optimal design condition was 3 Ton, while the experimental condition was 4 Ton. The system switching temperature appears to have been set appropriately as the optimal operation condition was 25.5 ℃, while the experimental operation condition was 25.7 ℃.
Because physical limitations are inherent in replacing equipment systems, the effect of the optimal design and operation technique was verified by applying it to the office building. Via empirical operations after adding the solar thermal system to the already installed geothermal heat pump system, the daily power consumption could be reduced by 19.8% under the representative day conditions. When the optimal design and operation conditions obtained in this study were additionally applied, the daily power consumption could be reduced by 26.5%. When this result was applied to the entire heating period, it was determined that the annual power consumption can be reduced by 31.2% on average, compared to the case in which only geothermal energy was adopted.