1. 서 론
2. 변유량 제어 지열냉난방시스템 필요성
3. Random PWM 기능이 탑재된 인버터(V/F) 구동형 유도전동기
4. Random PWM 시뮬레이션 및 실험
5. 지열냉난방시스템 실증 시험
6. 결 론
1. 서 론
대부분의 지열냉난방시스템은 정유량 운전방식으로 운영되며 이는 시스템에 적용되는 순환펌프가 직입기동 방식임을 의미한다. 직입기동 방식은 신호에 따라 가동과 정지를 반복하는 단순 기동방식으로 잦은 기동과 정지에 따른 충격 토크는 전압 및 전류 스파이크에 의해 모터 기어 및 절연체에 영향을 미쳐 수명이 저하되는 결과를 가져온다. 통상 펌프는 단상 모터의 경우 정격 전류의 4 ~ 9배, 삼상모터의 경우 2 ~ 5배 정도의 기동전류가 필요하며, 이러한 기동 전류는 전원계통의 전압강하를 유발시켜 타 부하시설에 영향을 미칠 수 있고 수전설비용량을 증대시키는 원인 중 하나이며, 기동전류가 크면 역률이 나빠지는 관계로 운전비용(전기요금)이 더 발생하게 된다1). 본 연구에서는 소비전력 절감을 위해 전압 및 주파수를 가변 제어하는 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency Inverter) 제어를 적용하며, 해당 방식은 인버터를 통해 주파수에 따른 전압값을 변환하여 순환펌프 출력값을 제어하는 방식이다. 인버터 제어는 시스템 부하에 따라 펌프의 부드러운 가동과 정지를 통해 안정적인 운전이 가능하며, 직입기동 대비 가동 및 정지 발생 빈도가 적어지고 이에 따른 모터의 수명 증가, 시스템 부하 감소, 소음 저감 효과를 확보할 수 있다2). 또한, 부하 변동에 따라 펌프 출력을 제어함으로써 에너지 비용 절감 효과를 얻을 수 있으며, 시스템의 자동화 구축에 용이하다. 그간 지열냉난방시스템 변유량과 관련된 기술은 부하측 사용 조건에 따라 부하측 순환유량을 제어하는 시스템으로 배관 내 온도 및 압력 차를 통한 제어가 다수이며, 지중열교환기에서 히트펌프에 열을 전달하는 지중수 순환펌프의 제어가 아닌 히트펌프에서 생산된 열을 부하측으로 전달하는 순환펌프를 변유량 제어하는 방식을 채택하고 있으며, 일반적으로 배관의 온도 및 압력 차, 비례제어밸브 등 간접요인 측정을 활용하여 제어하는 방식이다. 간접요인 측정에 따른 제어방식은 부하측 순환매체로 사용되는 냉매(R410A)의 특성상 직접 측정을 할 수 없음에 따라 부가장비를 통한 요인 측정 및 이에 따른 제어방식이다. 이 제어방식은 변화의 원인이 되는 요인에 대한 직접 측정이 아닌 간접 측정을 적용함으로써 부하 변화량에 대한 빠른 대응 및 정밀제어가 어려우며, 시스템을 위한 압력 및 온도센서, 비례제어밸브 등 부가장비가 필요하여 초기비용이 늘어나는 단점이 있다. 또한 지열시스템에 적용되는 정유량 운전방식의 순환펌프는 최대부하가 발생하는 빈도가 적음에도 불구하고 통상적으로 실제 필요한 출력보다 충분한 여유율을 가지고 설계된다. 순환펌프가 운전할 경우 지열히트펌프의 요구 유량보다 많은 유량을 공급하면서 전력을 낭비하게 되는데, 설계 여유율만큼의 출력값을 제한하는 기능을 포함시킴으로서 불필요하게 낭비되는 에너지 소비를 절감하였다3). 상기 기술들을 적용한 결과로 시스템 COP (Coefficient of Performance) 향상이 가능하고 통상 20년의 운영기간을 고려할 시 이 변유량 제어방식을 채택할 경우 적은 에너지로 냉난방시스템을 운영할 수 있어 운영비용을 절감할 수 있다.
2. 변유량 제어 지열냉난방시스템 필요성
현재 지열시스템은 제어 구성이 단순하고 신뢰성이 입증된 정유량 운전이 대다수 적용되고 있으나, 에너지 소비 및 운전효율 측면에서는 부족한 성능을 보여주고 있다. 정유량 운전 방식의 순환펌프는 수요측 요구량(부하량)과 관계없이 항상 정속운전(최대출력운전)함으로써 실제 수요측 요구량을 충족하기 위해 필요한 에너지보다 많은 에너지를 소모하고 있다. 세계 최대 물 공급 회사인 Thames Water사에 따르면 펌프의 수명주기(10년)간 펌프를 운영하는데 드는 총 비용은 펌프의 구매비용 5%, 전력소비비용 85%, 유지보수 비용 10% 정도로 분석하고 있는데, 이는 지열시스템 운영 기간 동안 펌프의 소비동력 최적화가 휠씬 적은 에너지와 비용으로 최적의 실내 환경을 조성할 수 있음을 의미한다. 현재 시장에 판매되는 지열 냉난방시스템 제품의 경우 운전방식은 정유량 운전이 대다수이며 부속장비인 축열탱크를 이용하거나 냉방 운전 시 폐열을 재활용하는 방식으로 에너지 효율을 제고하고 있으나, 해당 방식들은 일반적인 정유량 지열시스템 대비 추가 장비가 들어감에 따라 초기비용이 높으며 유지보수 시점이 증가하여 비용 또한 높은 단점을 지니고 있다. 따라서 가장 일반적인 정유량 지열시스템과 동등한 수준의 장비가 적용되면서 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있는 근본적인 해결책이 필요하다고 여겨진다. 냉난방시스템은 건물 및 시설에서 에너지 소비가 가장 많은 분야로 갈수록 증가하고 있는 냉난방 수요를 고려 시 최적화된 냉난방 운영방안에 대한 고민이 필요한 시점이다. 즉, 건물 및 시설이 어떤 환경에서 무슨 목적을 위해 활용되고 있는가에 따라 냉난방 요구량이 변화하는데 현재 적용되는 지열시스템의 경우 건물의 요구량(부하)와 상관없이 운영되어 개선이 필요하다. 미국 ASHRAE (미국냉난방공조공학회)에서 전세계 냉난방시스템 현황을 조사한 결과 설계부하의 60% 이하에서 운전하는 시간이 총 운전시간의 90%로 나타났으며, 이는 부하패턴을 고려치 않을 시 낭비되는 에너지량이 많음을 의미한다. 따라서 기존 수요측 요구량(부하량)에 대응하지 못하는 지열냉난방시스템의 문제를 해결하고자 수요반응형 절전 지열냉난방시스템 개발을 추진하였고, 그 결과 수요측 냉난방 요구량에 따라 가변 운전되는 지열히트펌프의 순환펌프를 제어하는 기술을 개발하였으며, 이를 통해 건물 및 시설 부하량에 따른 지열냉난방시스템 운영이 가능하게 함으로써 최적 효율 지열냉난방 운전을 실현하였다.
3. Random PWM 기능이 탑재된 인버터(V/F) 구동형 유도전동기
지열냉난방시스템에서 냉난방을 위해 필요한 열에너지, 즉 열량은 식(1)과 같이 지중수 유량과 온도차에 의해 얻어진다.
유량은 면적과 유속의 곱으로 결정되어지며, 이때 면적은 유체가 순환하는 배관의 관경에 비례하므로 동일 면적의 배관에서 유속이 변화하면 유량 또한 비례하여 변화한다. 지열냉난방시스템에서 유량은 매우 중요한 부분 중 하나인데 이는 유량에 따라 열교환 효율과 에너지 소비량(소비전력량)이 변화할 수 있기 때문이다. 동일 관경 배관 기준으로 유량은 유속에 비례하게 되는데 유속이 늦어져도 순환유체와 히트펌프 간 접촉시간이 늘어나기 때문에 열교환간의 온도차가 커져 필요한 열량을 낼 수가 있다. 이렇게 순환펌프 출력 값을 제어함에 따라 항상 일정한 출력 값으로 운전되는 정유량 운전대비 순환펌프 소비전력량 감소 효과를 확보할 수 있는 것이다. 펌프 모터의 회전속도는 식(2)에 따라 주파수에 비례함에 착안하여 주파수 제어를 통한 모터 회전속도를 제어하며, 모터 회전속도에 따라 유량을 제어함으로써 변유량 운전을 한다.
제안한 기술은 부하측 요구량에 대응하여 변동하는 히트펌프 운전전류값을 검출하여 PLC의 프로그램에서 연산된 입력신호(4 ~ 20 mA)로 변환하여 인버터에 보내면 인버터에서 순환펌프의 주파수 및 전압값을 조절하여 순환펌프에 출력신호를 주는 과정으로 제어된다. 또한 일정한 유량을 제공해주는 정유량 운전이 아닌 변유량 운전을 통해 유량을 제어함을 고려하여 배관 내 공기 제거가 용이하도록 배관 설계 진행이 필요하고, 유체의 공기를 제거하여 열전도성을 유지함으로써 시스템 효율 증가 효과와 부식 및 스케일링, 슬러지 생성 방지 효과를 확보하였다. 즉 공동현상 발생을 방지함으로써 히트펌프 및 순환펌프 등 주요 장비의 손상을 방지하고 소음 제거 효과를 거두었다.
전동기는 생산된 전기의 약 70%를 소비하는 것으로 알려져 있으며 여러 종류의 전동기 중 3상 유도전동기는 국가 전체 전력 소비량의 40%를 차지하고 있고, 전체 전동기의 약 91%를 점유하고 있다. 이 중 3상 유도전동기는 쉬운 기동 및 운전 등 전기적 특성, 강인한 기계적 특성 등이 사용에 편리하며, 희토류 사용이 없고 구조가 단순하여 가격이 저렴하기 때문에 이전부터 모든 산업기계의 구동원으로서 사용되고 있다. 유도 전동기는 계통 전원에 직결하여 운전하는 것이 일반적이며 속도 조절이 필요한 경우 전통적으로 Y-Δ 전환, 슬라이닥스 등을 이용한 1차 공급 전압 조절, 권선형 유도전동기에서는 2차 저항 제어 등을 이용한다. 하지만 위 경우 모두 공급 전원의 주파수가 변경되는 것이 아니기에, 기계적 속도가 느려진 만큼 슬립이 커지면서 효율이 저하된다. 하지만 그의 속도는 전원의 주파수와 전동기의 극수로 결정되기 때문에, 일정 속도로 밖에 운전이 되지 않는 문제점이 있다. 이 유도전동기의 속도를 바꾸는 장치로서 개발된 것이 인버터(VVVF, Variable Voltage Variable Frequency Inverter)로서 이것은 임의의 주파수와 임의의 전압을 발생하는 것이 가능한 전력변환장치이다. 전동기의 속도는 전원의 주파수(1차 주파수)에 비례하므로 주파수를 바꾸는 것으로 전동기의 속도를 제어하는 것이 된다. 그러므로 주파수의 변화에 따른 전동기의 내부 임피던스도 변화하기 때문에, 단지 주파수만을 변화시키는 것은 과 여자에 의한 자기포화나 약 여자에 의한 토크 부족을 일으킨다. 그러므로 전동기에 주어지는 전압은 주파수에 따라서 자속을 일정하게 제어할 필요가 있다. 또한 전동기의 속도는 전동기의 발생 토크와 부하토크의 교점으로 정해지므로 주파수를 변화하면 속도도 변화한다. 속도의 저하에 따라서 동기속도도 저하시키기 위해 미끄럼은 거의 일정하고, 미끄럼을 바꾸는 방식에 따른 효율이 좋은 속도제어가 가능하다. 또한 저속회전에서 고속회전까지 손쉽게 고정밀도의 속도제어가 가능하므로 유도전동기의 속도제어 방법으로 현재 널리 사용되고 있다. 변유량 제어에 사용되는 VVVF 인버터는 전동차 등 대용량 기기부터 도입이 시작, 이제는 수 마력급 소형 전동기까지 적용할 수 있게 되었다. 현재까지는 주로 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 인버터 하드웨어를 구축하였으나 높은 Gate Charge 및 기생 다이오드의 Reverse Recovery Charge, Tail Current 등이 매 스위칭마다 손실을 일으키며, 이 손실은 스위칭 속도에 비례하여 커진다. 이러한 이유로 IGBT를 사용한 종래의 인버터들은 가청 주파수 대역 내(20 kHz 이하)의 높지 않은 속도로 스위칭하는 것이 일반적이다. 가청 주파수 이내의 하드 스위칭 방식으로 전동기를 제어하는 종래의 인버터는 스위칭 소음이 발생하고, 이는 사람이 듣기에 높고 날카로운, 불쾌한 소리로 들린다. 즉, 인버터와 모터의 소음을 합한 시스템 단위의 소음을 최소화하기 위하여, 인버터는 ‘스위칭 소음’과 ‘손실(열 발생)’ 모두를 적절한 수준으로 관리하여야 하나, 이는 서로 트레이드-오프 관계에 있다고 할 수 있다. 고정된 주파수로 구동하는 IGBT 기반의 고전적인 인버터로는 위의 트레이드-오프 관계를 돌파할 수 없고, 결국 일정 수준 이상의 시스템 소음을 항상 동반할 수밖에 없다고 정리할 수 있다. 스위칭 주파수가 여러 대역에 걸치게 하며 소음의 절대값을 줄이는 RPWM (Random Pulse Width Modulation) 등 몇 가지 방법이 제안, 연구되어 실제 제품 대부분에도 이미 적용되고 있다. 하지만, 손실 등을 포함한 ‘시스템 소음’을 저감하는 방법은 정립되지 않았으며, 이에 대한 연구도 미비하다. 이러한 작금의 상황을 개선하기 위해 본 연구에서는 ‘하드웨어’와 ‘펌웨어(제어 및 변조 알고리즘)’ 측면을 모두 고려하여 종합적인 가청소음 저감 방안을 제시하고자 한다.
4. Random PWM 시뮬레이션 및 실험
사람의 귀는 이론적으로 15 Hz에서 20 kHz까지의 주파수 대역의 인지가 가능하지만 대부분의 성인들이 느낄 수 있는 대역은 10 ~ 14 kHz정도로 범위가 줄어든다. 특히 주파수 대역이 2 kHz에서 6 kHz부분에서 더욱 민감함을 알 수 있다. 하지만 대부분의 PWM (Pulse Width Modulation) 제어 방식의 인버터에서는 주파수를 가변시키기 위해서 2 ~ 6 kHz의 스위칭 주파수를 사용하고 있으며, 이 스위칭 주파수가 종종 유도전동기를 통해 청각적인 소음을 발생시키고 있다. 이 소음은 사람의 귀가 가장 민감하게 들을 수 있는 범위 안에 들어가고, 때로는 아주 미세한 소음까지도 사용자가 감지하게 된다. 높은 주파수 대역에서도 대부분의 사람들은 매우 불편함을 느낄 수 있으며, 이는 높은 주파수 소음은 감추기가 쉽지 않고 유도전동기로부터 멀리 떨어진 곳에서도 들을 수 있기 때문이다. 이때 소음을 제거할 수 있는 첫번째 방법은 인버터 출력 전압에서 이 저주파 대역의 전기적인 소음을 제거하는 것이지만 이 방법은 인버터 출력단에 별도의 장치를 추가하지 않고서는 쉽지가 않다. 저주파수 소음은 스위칭 주파수의 1 ~ 2배 되는 곳에 좁은 대역을 형성하게 된다. 둘째로는 민감한 대역의 바깥 부분에서 운전되도록 스위칭 주파수를 올리거나 내려주는 방법을 들 수 있다. 이때 스위칭 주파수를 무작정 낮추는 것은 전류와 전압파형을 완전히 왜곡시키게 되고 전압 파형을 가장 근사치의 사인파 형태로 만드는 것이 불가능하므로 좋은 해결책이 되지 못한다. 이럴 경우에는 유도전동기의 성능이 상당히 감소하게 된다. 소음을 감소시킬 수 있는 방법은 여러 가지가 있는데 그 중 가장 효율적이고 비용이 저렴한 방법은 주어진 V/F패턴(출력전압 Voltage와 주파수 Frequency비를 제어)을 벗어나지 않으면서 최대한 소음이 발생하지 않도록 스위칭 주파수를 자동으로 조정하는 방식이다. 연구 자료에 따르면 유도전동기에서 발생하는 손실은 스위칭 주파수의 영향을 받지 않는 것으로 나타나 있으며, 4 ~ 8 kHz 정도의 스위칭 주파수에서 인버터의 손실은 가장 적고, 전압 왜곡에 의한 손실은 낮은 주파수 대역에서 최대이므로 전체적인 효율은 이 대역의 스위칭 주파수에서 가장 높게 나타난다. 이런 이유로 인해 에너지 소비를 감소시키고 다양한 공명 주파수들을 방지하기 위해서 스위칭 주파수를 4 ~ 8 kHz로 사용하는 것을 권장하고 있으므로 본 연구에서는 6 kHz를 사용하여 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다.
또한 고정 스위칭 주파수 PWM으로 구동되는 전동기의 고조파는 협대역으로 존재하게 된다. 통상적으로 협대역의 소음은 광대역의 소음에 비해 사람에게 더 고통스럽게 느껴진다고 알려져 있다4). RPWM은 랜덤함수에 의해 매 인버터 스윗칭 순간마다 다른 스윗칭 주파수로 on 또는 off 되도록 전자기적 소음의 파워 스펙트럼이 광대역으로 분산되는 효과를 갖는 PWM 방식이다. RPWM을 적용함에 따라 기존 고정 스위칭 주파수 PWM의 협대역 고조파가 광대역으로 퍼지게 되면서 사람이 듣기에 불쾌하게 느낄 수 있는 소음을 줄일 수 있다5).
스위칭 주파수가 일정 또는 가변되는 PWM 시스템에서 k차 고조파에 의한 신호의 세기 는 n번째 스위칭 구간에서 온(on)되는 시점 및 기본파 1주기의 스위칭 횟수 N에 대해 다음과 같은 관계를 가진다.
여기서, 는 통계적 기대치를 의미하며, 은 n번째 스위칭 구간의 듀티비를 나타낸다. 식(3)은 정현파 함수의 합으로 PWM 삼각파 주파수가 일정하다면 이 되므로 통계적 기대치()도 0이 된다. 이 랜덤변수라면, 식(3)은 다음과 같이 쓸 수 있다.
식(4)는 급수의 각 항들이 여현 함수 형태로 감소하며, k가 증가함에 따라 파워 스펙트럼의 세기가 감소함을 의미한다. 또한, N이 랜덤변수라면 식(3)은 다음과 같이 쓸 수 있다.
식(5)에서 K는 발생할 수 있는 랜덤수의 가짓수를 나타내며, 일정하지 않은 스위칭 횟수 가 증가함에 따라 파워 스펙트럼은 높은 주파수 영역으로 이동하게 된다. 만일 N이 랜덤하게 변화하면 k차 고조파의 세기는 연속적인 스펙트럼의 형태로 분산되어 나타난다. 이상에서 인버터 스위칭 온/오프 각 또는 기본파 1주기 내의 스위칭 횟수를 제어함에 따라 전자기적 소음의 파워 스펙트럼의 분포를 제어할 수 있고 Fig. 1과 같이 주파수와 삼각파의 기울기를 랜덤으로 둔 PWM 삼각파를 이용함으로써 RPWM을 구현할 수 있다.
본 연구에서는 RPWM (Random PWM) 기법으로 6 kHz를 중심으로 5,990 ~ 6,010 Hz 범위에서 캐리어 주파수를 변화시켜 인버터의 파형을 모사하였다. PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 진행했으며 전체 회로도는 Fig. 2와 같다. 기본적인 구조는 3상 인버터와 같으며 Fig. 2의 제어회로 부분에서 주파수와 삼각파의 기울기를 랜덤으로 하였다.
기본파의 주파수가 20 Hz에서 Fig. 3과 Fig. 4는 각각 RPWM을 적용하지 않았을 때와 적용했을 때의 FFT (Fast Fourier Transform) 기법을 사용하여 출력파형의 주파수 분석한 결과이다. 두 결과 파형을 비교하면 기본파의 크기는 변하지 않았지만 고조파의 크기는 감소한 것을 확인할 수 있다. 또한 해당 고조파들 주변으로 스펙트럼이 넓어지는 형태로 변화하므로 전자기적 소음 파워 스펙트럼 역시 광대역으로 분산되는 효과를 얻을 수 있다. Fig. 5는 실제 3.7 kW 유도전동기에 RPWM 알고리즘을 적용하여 얻은 출력파형의 FFT 결과이며, 시뮬레이션 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다. 기본파의 주파수를 40 Hz로 변경하여 진행한 결과는 Fig. 6과 Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 RPWM의 효과는 동일하다. 실제 실험 결과인 Fig. 8도 시뮬레이션 결과와 유사하다. 기본파의 주파수가 20 Hz에서 RPWM을 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 THD (Total Harmonic Distortion)의 크기는 모두 약 1.848%로 변동범위를 늘려도 고조파들의 에너지는 유지된다. 기본파의 주파수가 40 Hz에서도 THD는 모두 약 1.099%로 에너지는 유지된다.
두 번째로 Fig. 9와 Fig. 10은 캐리어 주파수 변동범위를 5,990 ~ 6,010 Hz 범위에서 5,800 ~ 6,200 Hz로 늘려서 시뮬레이션을 진행한 결과이다.
Fig. 9와 Fig. 10은 각각 기본파 주파수가 20 Hz, 40 Hz일 때의 FFT 결과이다. 두 결과 모두 캐리어 주파수 변동범위를 더 늘릴 경우에도 기본파 성분은 유지하되 고조파 성분들의 스펙트럼이 더 퍼지는 모습을 확인할 수 있다. 또한 기본파 주파수가 20 Hz, 40 Hz일 때의 THD의 크기는 각각 약 1.848%, 약 1.099%로 주파수 변동범위를 늘려도 고조파들의 에너지는 거의 비슷하게 유지되는 것으로 확인된다.
5. 지열냉난방시스템 실증 시험
본 연구 결과의 성능 및 기술 수준 검증을 위해 동일한 장소에서 변유량 운전 방식과 정유량 운전 방식에 대한 성능 검증을 진행하였으며, 지열냉난방시스템에 대한 형식승인 시험이 없는 관계로 KOLAS 인증시험기관인 한국냉동공조인증센터에 시험을 의뢰하였다. 시험 대상 공간에서 비교대상 두 가지 운전방식이 유사한 부하량을 가지도록 시험조건을 설정하여 진행하였다. 지열냉난방시스템 모델 DHGV-L75는 지중 열교환기, 지열원 히트펌프, 순환펌프, 자동제어반 등의 기기로 구성되어 지중 열원을 이용하여 건물 및 시설 등의 수요측(부하측)이 요구하는 냉난방을 제공하는 시스템이며 규격은 Table 1과 같고 전체 구조는 Fig. 11과 같다.
Table 1
System that provides cooling and heating
| Model name | Standard | Power (kW) | Purpose | ||
| Cooling | Heating | ||||
| 1 | DHGV-L75 | 75 kW | 71.363 | 73.646 | Use for cooling and heating of buildings and facilities |
제품의 계통도는 Fig. 12와 같다. 지중열교환기와 지중수 순환펌프와 히트펌프를 제어하는 지열제어반을 포함하여 구성되었다. 지중열교환기는 지중 순환수와 땅속 사이의 열교환이 이루어지는 장치이다. Fig. 13은 순환펌프 및 히트펌프 적용부이다. 순환펌프는 지중열교환기의 파이프 내부의 작동 유체를 순환시키고, 히트펌프는 지중 열을 흡수하여 실내기로 전달하거나 실내 열을 흡수하여 지하로 방출함으로써 실내온도를 조절하기 위한 열교환 장치이다. Fig. 14의 자동제어반에서 수요측 요구량에 따라 순환펌프 출력값을 제어하면, 순환펌프를 사용하여 지중 순환수를 순환시키고, 지열원 히트펌프를 통해 수요측(부하측)에 열에너지를 제공한다.
부하 사용용량에 따른 순환펌프 출력제어값은 실내기 및 지열수 입출구의 온도 및 히트펌프 운전전류값에 기하여, 미리 정해진 순환펌프 제어용 datasheet에 기하여 정해지며, 지열제어반의 메인 제어부는 부하측의 부하 사용 용량에 따른 순환펌프 출력제어값으로 인버터를 통하여 조정된 전력을 전원선을 통해 지열수 순환펌프로 공급함으로써 순환펌프를 제어한다. 또한 최초 설치 시 시운전 가동 프로세스를 진행함으로써 해당 지열시스템에 적합한 “최대 유량제한 출력”을 진행하는데 순환펌프 최대 주파수부터 일정 비율로 줄여가면서 히트펌프 최대 운전전류에 따른 온도차가 허용치에 도달되는 지점을 찾으며 최소 전류에 따른 순환펌프 최저 주파수 지점 또한 동일한 방식으로 검출하여 최대 및 최소 운전 지점에서의 주파수값을 시스템에 적용하여 해당 주파수 범위를 벗어나지 않도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 정유량 운전 시 순환펌프는 항상 100% 출력으로 구동됨에 따라 불필요한 소비동력이 발생하지만, 변유량 제어 시는 순환펌프의 최대 출력구간을 조정함으로써 사용량에 따라 전체 소비동력을 저감할 수 있다.
지열냉난방시스템에 대한 형식승인 시험이 없는 관계로 KOLAS 인증시험 기관인 한국냉동공조인증센터에 의뢰자 제시 시험을 통해, 동일한 장소에서 규격제품(변유량 운전 방식)과 비교제품(정유량 운전 방식)에 대한 성능 검증을 진행했다. 시험 대상 공간에서 비교대상 2가지 운전방식이 유사한 부하량을 가지도록 시험조건을 설정했으며, 시험 진행 시간은 규격제품의 주 적용공간이 건물임을 고려하여 일반 사무공간 근무시간에 맞춰 8 hr 가동하는 조건으로 설정했다. 규격제품과 비교제품에 대한 시험은 동일한 시험항목과 시험방식을 적용하여 진행하여 두 제품에 대한 성능을 비교할 수 있도록 하였다.
Fig. 15의 시험 결과에 따라 정유량 운전 시 순환펌프는 최대 출력치에 근접한 325.5 LPM까지 유량을 제공하였으며, 평균 제공 유량은 316.7 LPM으로 항상 약 100% 출력으로 구동됨에 따라 불필요한 소비동력이 발생하지만, 변유량 제어 시는 순환펌프의 최대 출력구간을 조정함으로써 평균 유량 102.7 LPM 만큼 제공함으로써 사용량에 따라 전체 소비동력을 저감할 수 있다.
Fig. 16의 시스템 소비전력 데이터를 통해 수요측 요구량에 반응한 최적 유량제어가 가능한 기술로 높은 소비전력 절감효과를 확인할 수 있다. 연간 소비전력량은 식(6)과 같이 나타낸다. Table 2를 보면 절감률은 본 규격제품 소비전력 절감에 대한 시험성적서 결과값을 적용할 경우 22%에 달하는 것을 확인할 수 있다.
Table 2
KOREA REFRIGERATION & AIR-CONDITIONING ASSESSMENT CENTER test report KRAAC-AR-24-018, KRAAC-AR-24-019
|
Products subject to specification technology (A) |
Constant water flow products (B) | Savings (B-A) | Savings rate | |
| Main power supply (kWh) | 57.0 | 72.8 | 15.8 | 22% |
따라서 당사가 개발한 제품은 수요에 대응한 지열냉난방시스템으로 시스템 최적 운영에 목적이 있으며, 이를 위한 결과로 시스템 COP 향상이 가능함을 확인할 수 있었다. 시스템 COP는 간단히 말하면 입력 에너지 대비 출력 에너지 비율을 수치로 나타낸 성능계수로 산출식은 식(7)과 같다.
Table 3을 보면 시스템 COP가 향상됨에 따라 동일 에너지(열량)를 공급함에 있어서 소비되는 에너지(전기)가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 적은 에너지로 냉난방시스템을 운열할 수 있다는 것을 의미한다.
6. 결 론
본 연구에서는 수요측 요구량에 따라 변화하는 히트펌프 운전률에 대응하여 순환펌프 출력값을 제어함으로써 최적 유량 제어가 가능한 기술로 높은 소비전력 절감효과를 나타낸다. 최대유량제한출력과 히트펌프 운전상황에 따라 순환펌프 가동률을 조정하는 기술을 적용함으로써 정유량 제어 방식 대비 약 22%의 전체 시스템 소비전력 절감효과가 있다. 즉 주 제어대상인 순환펌프를 기준으로 할 경우 소비전력 절감률이 약 89%의 우수하여 시스템 COP를 향상시킨 결과치를 보였다. 따라서 지중에서 열을 가져와 사용 후 남는 열을 축열탱크 등을 이용하여 재활용해 에너지 소비를 저감하는 기존 방식과 달리 처음부터 수요측 요구량에 맞춰 필요한 열량만큼만 가져와 활용한다는 측면에서 통상 20년간 운영되는 지열냉난방시스템의 수명을 고려할 시 매우 유의미한 운영비용 절감 효과를 가져올 수 있었다.
또한 변유량 제어에 사용되는 VVVF 방식의 인버터에는 Random PWM 변조 방법을 채택하여 스윗칭 주파수 고조파들 주변으로 스펙트럼이 넓어지는 형태로 만듦으로써 전자기적 소음의 파워 스펙트럼 역시 광대역으로 분산되는 효과를 얻을 수 있었다. 실증 시험 현장에서는 소리의 저감 효과를 감지할 수 있었지만 계측기의 미비로 정량적인 감소 효과를 얻어내지 못한 점은 향후 연구과제로 남겨두기로 하였다.
