경제성평가툴

1. GSHPS.EXE 개요

TRNSYS 메인 프로그램인 Simulation Studio에서 작성된 “지열원냉난방히트펌프시스템” 성능평가용 프로젝트 GSHPS(Ground Source Heat Pump System).TPF(TRNSYS Project File)는 TRNSYS 정식 유료 라이센서가 있어야만 활용이 가능하며 또한 TRNSYS 초보자에게는 사용자 환경이 복잡하다. 따라서 GSHPS.EXS는 GSHPS.TPF를 TRNSYS add-on 프로그램인 TRNEdit(TRNSYS Edit) S/W에서 제공되는 메뉴바(Menu bar), 콤보박스(Combo box), 외부문서 할당(assigned)문 및 텍스트 에디터 등 다양한 기능을 이용하여 TRNSYS 비전문가가 쉽게 사용할 수 있도록 사용자 친화적 환경으로 개발된 프로그램으로 TRNSYS 라이센서 구매 없이 모든 OS에서 사용이 가능한 stand-alone 실행화일(EXE) 형태로 컴파일 된 보급형 프로그램이다.

2. GSHPS.EXE 프로그램 환경

GSHPS.EXS는 지열원 히트펌프시스템의 시뮬레이션을 손쉽게 수행 할 수 있도록 사용자 친화적인 GUI(Graphic User Interface) 환경을 제공하였으며 메인 탭(Main Screen Tab), 해석기간 및 해당기상데이터 탭(Simulation Time & Weather Dat Tab), 주설비 탭(Main Component Tab), 부설비 탭(Pump and Pipe Tab), 시스템제어 탭(System ON-OFF Control Tab) 및 시스템성능평가결과 탭(System Result Tab)으로 구성하여 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 하였다. 각각의 개별 탭에서 제공되는 다양한 콤보박스, 수치입력기 등을 활용하여 사용자가 평가하고자 하는 히트펌프시스템 설치 대상 지역별기상데이터(서울, 대전, 대구, 광주, 제주), 구성설비(지열열교환기, 히트펌프, 수축열냉조, 건축물부하, 실내 유닛, 펌프, 배관)와 히트펌프 성능데이터(저효율, 중효율, 고효율 성능데이터)값을 항목별로 입력 또는 선택하여 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 구성하였다.
GSHPS.EXE 시뮬레이션 후 TRNSYS 그래픽 온라인플롯(Online Plotter)과 생성 결과 파일(tempmass.out, power.out, sum.out)을 열성능과 경제성 평가를 위한 후처리 용도로 온도-유량-제어.xls, 순시치에너지-순시치성능계수.xls, 월별누적xls, 효율별 열-경제성분석.xls를 제공하여 기존 대비 상대적 고효율히트펌프 설비로의 교체 시 성능평가와 투자회수 ROI법으로 사전 사업성 평가를 할 수 있도록 하였다.

3. GSHPS.EXE 프로그램 기능

GSHPS.EXE는 지열원 냉난방 히트펌프시스템의 동적 열성능평가 도구의 기능은 과거의 기상데이터 또는 현 설비의 성능데이터를 근거로 1) TRNSYS 제공 그래픽 온라인플롯으로 시뮬레이션 진행 중 지열열교환기-히트펌프설비-축냉열조-실내유닛 밀폐형 배관 사이 펌프와 히트펌프 작동 스케쥴에 따라 냉난방 열매체의 온도와 유량 상태 평가, 2)냉난방기 히트펌프시스템 순시치에너지(응축기방열량, 증발기흡열량, 압축기소비전력, 건물냉난방공급열량)와 히트펌프시스템 순시치성능계수 COP 평가, 3)냉난방기 히트펌프시스템 월별누적치에너지(응축기방열량, 증발기흡열량, 압축기소비전력, 건물냉난방공급열량) 및 계절별성능계수 SPF(Seasonal Performance Factor) 평가를 수행할 수 있다. 그리고, 기존 히트펌프 대비 상대적 중효율 및 고효율 히트펌프설비로의 교체 시 사전 열성능평가와 ROI 기반 사업성 평가등의 미래 값들을 예측 평가 할 수 있는 도구이다.

4. GSHPS.EXE 프로그램 입력 및 선택 항목

지열원 냉난방 히트펌프시스템 성능평가용 GSHPS.EXE의 입력항목은 <표 1>에서와 같이 해석기간 및 기상파일, 주설비, 부설비, 시스템제어 메뉴에서 사용자 “기존시스템”의 세부항목의 해당 값을 입력한다. “기존시스템” 대비 중-고효율 히트펌프 설비 교체시 히트펌프 냉난방성능데이터만을 바꾸고 나머지 지열열교환기, 건축물&실내 FCU, 수축냉열조, 순환펌프, 설비 ON-OFF 제어로직등의 세부항목은 모두 동일하게 입력 및 설정 후 3번의 시뮬레이션을 수행하여 성능평가를 실시하다.

효율별 성능평가시 GSHPS.EXE 프로그램 입력 및 설정 값(냉난방 성능데이터 만 변경) 표
메뉴명 그룹명 항목 세부항목 기존 시스템 중효율 시스템 고효율 시스템
해석 기간 1. 시뮬레이션 기간 시뮬레이션 시작월 1월(JAN) 1월(JAN) 1월(JAN)
시뮬레이션 시작일 1일 1일 1일
시뮬레이션 기간 1년 1년 1년
기상 파일 1. 지역별기상데이터 시간별 년간 데이터 서울시 서울시 서울시
주설비 1. 히트펌프 열매체 및 성능데이터 온도수 지열 열매체 비열 [KJ/kg-K] 3.17 3.17 3.17
순환수 비열 [KJ/kg-K] 4.19 4.19 4.19
냉방기 성능데이터 열원 온도수 5 5 5
냉방기 성능데이터 열싱크 온도수 5 5 5
난방기 성능데이터 열원 온도수 5 5 5
난방기 성능데이터 열싱크 온도수 5 5 5
성능데이터 냉방기 성능데이터 저효율 중효율 고효율
난방기 성능데이터 저효율 중효율 고효율
2. 지열 열교환기 설치깊이 [M] 150 150 150
설치개수 [-] 7 7 7
지중열전도도 [W/m-K] 15.12 15.12 15.12
뒤채움재(Back Fill) 열전도도 [W/m-K] 17.28 17.28 17.28
3. 수축열냉조 부피 [m3] 15.0 15.0 15.0
4. 건축물&실내유니트 외피 열손실 UA [KJ/hr-K] 8,000 8,000 8,000
건축물 열용량 CAP [KJ/K] 60,000 60,000 60,000
실내유닛유효도E * 냉온수최소열용량Cmin [KJ/hr-K] 13,376 13,376 13,376
부설비 1. 펌프 지열 열매체 설계유량 [kg/hr] 14,000 14,000 14,000
소요축동력[KJ/hr] 14,000 14,000 14,000
냉온수 설계유량 [kg/hr] 14,000 14,000 14,000
소요축동력 [KJ/hr] 14,000 14,000 14,000
건물 냉난방 설계유량 [kg/hr] 4,000 4,000 4,000
소요축동력 [KJ/hr] 4,000 4,000 4,000
2. 배관 지열트랜치- 히트펌프 배관 내경 [M] 0.2 0.2 0.2
배관 길이 [M] 20 20 20
총괄열전달계수 [KJ/hrm2K] 3.0 3.0 3.0
히트펌프- 수축열냉조 배관 내경 [M] 0.2 0.2 0.2
배관 길이 [M] 20 20 20
총괄열전달계수 [KJ/hrm2K] 3.0 3.0 3.0
수축열냉조- 히트펌프 배관 내경 [M] 0.2 0.2 0.2
배관 길이 [M] 20 20 20
총괄열전달계수 [KJ/hrm2K] 3.0 3.0 3.0
수축열냉조- 실내유닛 배관 내경 [M] 0.2 0.2 0.2
배관 길이 [M] 15.0 15.0 15.0
총괄열전달계수 [KJ/hrm2K] 3.0 3.0 3.0
실내유닛- 수축열냉 배관 내경 [M] 0.2 0.2 0.2
배관 길이 [M] 15.0 15.0 15.0
총괄열전달계수 [KJ/hrm2K] 3.0 3.0 3.0
제어 스케쥴 1. 난방기 1월1일~3월15일 1(작동) 1(작동) 1(작동)
3월16일~10월30일 0(정지) 0(정지) 0(정지)
11월1일~12월30일 1(작동) 1(작동) 1(작동)
2. 냉방기 1월1일~6월30일 0(정지) 0(정지) 0(정지)
7월1일~9월15일 1(작동) 1(작동) 1(작동)
9월16일~12월30일 0(정지) 0(정지) 0(정지)
3. 주별 월요일~금요일 1(작동) 1(작동) 1(작동)
토요일~일요일 0(정지) 0(정지) 0(정지)
4. 일별 0시~9시 0(정지) 0(정지) 0(정지)
9시~19시 1(작동) 1(작동) 1(작동)
19시~24시 0(정지) 0(정지) 0(정지)

[표 1] 효율별 성능평가시 GSHPS.EXE 프로그램 입력 및 설정 값(냉난방 성능데이터 만 변경)

5. GSHPS.EXE 프로그램 결과 항목

GSHPS.EXE 를 활용한 지열원 냉난방 히트펌프시스템의 시간별 응축기, 증발기, 압축기, 실내유닛열량 및 성능계수를 평가한다. 기존 저효율 히트펌프시스템 대비 상대적 중효율 히트펌프시스템 및 고효율 히트펌프시스템 성능평가는 시뮬레이션 결과 생성된 결과 파일 sum.out과 효율별 열-경제성분석.xls를 활용하여 <표 2>와 같이 결과를 도출한다.

지열원 히트펌프시스템 순시치열량 및 성능계수 COP 온라인플롯 화면

[그림 2] 지열원 히트펌프시스템 “순시치열량 및 성능계수 COP” 온라인플롯 화면

저효율, 중효율, 고효율 히트펌프시스템 성능평가 결과표
저효율시스템 중효율시스템 고효율시스템
Q11)
[GJ]
Q22)
[GJ]
Q33)
[GJ]
Q44)
[GJ]
SPF5)
[-]
Q1
[GJ]
Q2
[GJ]
Q3
[GJ]
Q4
[GJ]
SPF
[-]
Q1
[GJ]
Q2
[GJ]
Q3
[GJ]
Q4
[GJ]
SPF
[-]
JAN 69.4 51.5 17.8 66.9 3.89 67.6 54.9 12.6 65.3 5.34 67.0 56.0 11.0 64.8 6.12
FEB 58.9 43.3 15.6 55.8 3.78 57.3 46.3 11.0 54.3 5.19 56.7 47.2 9.6 53.8 5.94
MAR
(15일)
33.0 23.5 9.4 31.2 3.49 32.0 25.2 6.8 30.3 4.72 31.7 25.8 5.9 30.0 5.38
APR 해당사항 없음 해당사항 없음 해당사항 없음
MAY 해당사항 없음 해당사항 없음 해당사항 없음
JUN 해당사항 없음 해당사항 없음 해당사항 없음
JUL 41.1 56.8 15.7 54.6 3.62 41.1 52.1 10.9 54.6 4.77 41.1 50.5 9.3 54.6 5.41
AUG 43.0 59.4 16.4 58.2 3.62 43.0 54.4 11.4 58.2 4.76 43.0 52.7 9.8 58.2 5.40
SEP(15일) 18.7 25.8 7.1 25.2 3.62 18.7 23.7 5.0 25.2 4.76 18.7 22.9 4.2 25.2 5.40
OCT 해당사항 없음 해당사항 없음 해당사항 없음
NOV 67.5 47.9 19.6 61.2 3.44 65.2 50.8 14.4 59.2 4.53 64.5 51.8 12.6 58.5 5.10
DEC 62.3 45.8 16.5 59.0 3.78 60.5 48.8 11.7 57.4 5.18 59.9 49.8 10.1 56.8 5.93
난방기 291 212 79 274 3.68 282 226 56.5 266 4.99 280 231 49.1 264 5.69
냉방기 102 142 39 138 3.62 103 130 27.3 138 4.76 103 126 23.3 139 5.40
년간 393 354 118 412 385 356 83 404 382 356 72 402

Q1 : 응축기방열량 [GJ]

Q2 : 증발기흡열량 [GJ]

Q3 : 압축기소비열량 [GJ]

Q4 : 건축물공급량 [GJ]

SPF : 계절별성능지표 [-]

[표 2] 저효율, 중효율, 고효율 히트펌프시스템 성능평가 결과