토드 기딩스(Todd Giddings) / 저자 토드(Todd)는 지하수전문 지질학자이며, 개방 루프 지열 히트펌프 경력만 40년이 넘는다. IGSHPA 공인 교사이자, 공인 설치자, 공인 수직 루프 설치이다. 저자의 자책 (40년)과 사무실 (31년) 모두 지열 히트펌프 시스템이 설치되어 있다. 저자는 IGSHPA 컨퍼런스 및 교육 위원회 회원이다.

펜실베니아 주립대학의 사무용 건물에는 운영비가 매우 적은 혁신적인 하이브리드 광전지(PV)태양열 개방 루프형 지열 히트펌프(GEO) 냉난방 환기(HVAC) 시스템이 설치되어 있다. 두 가지를 혼성한 시스템 요소 (PV와 GEO)에서는 지열 히트펌프 장치가 27kW 광전지 태양전지판 어레이의 출력에 그 자체 가열 COP와 냉각 COP를 곱하는 효과가 있어 상호작용에 공동상승 효과가 일어난다. 결국 PV와 GEO 하이브리드 시스템 구성은 단순히 건물에 출력을 더하는 것 이상의 효과를 낸다.〈그림 1〉을 보면 건물의 남동향 지붕 대부분을 PV태양전지판이 차지하고 있는 것을 볼 수 있다.

다섯 대의 49,000btuh 개방 루프 지열 히트펌프 장치마다 물-냉매 열교환 코일의 온도차를 지정한 수준(ΔT)으로 유지하는 내부 변조 밸브가 있다. 52℉ 지하수의 가열 COP를 최적화 하기 위해 가열 ΔT는 9℉로 프로그램되어 있고, 냉각 모드에서 지하수의 펌핑 속도를 최소화 하기 위해 냉각 ΔT 는 20℉로 프로그램되어 있다. 지열 히트펌프 장치는 가열 COP는 5.1, 냉각 COP는 10.0(EER = 34.3)로 저설정 장치이다. 온도조절장치는 1단계(실질 용량의 66%)

만으로 유인 설정점까지 최적으로 회복할 수 있는 점진 회복 기능으로 주중과 주말 무인 복구 방식으로 프로그램 되어 있다. 유인 설정점을 유지하기 위해 압축기는 고설정 단계와 저설정 단계 비례적분 제어 방식을 쓴다.

총 21톤의 개방 루프 지열 히트펌프 장치를 지원하기에 적절한 지하수 흐름을 만드는 대지 아래 대수층의 용량을 기준으로 사무용 건물을 건설할 수 있도록 사무실 주차장 부지를 선택하였다. 건물의 하이브리드 시스템으로 지하수를 공급하는 우물 안 수중 펌프 모터에 가변 주파수 구동 (VFD) 컨트롤러를 설치하였다. VFD 컨트롤러는 각 히트펌프 장치 내 가변 흐름 속도와 히트 펌프를 구동하는 구역 개수에 우물 펌프의 출력을 맞춘다. 따라서 VFD 컨트롤러는 변화무쌍한 지하수 흐름, 다시 말해 개방 루프 히트펌프에 우물 펌프의 출력을 맞춘다.

10,000평방피트 사무용 2층 건물은 그 하이브리드 시스템이 놀라운 성능을 내도록 수많은 에너지 효율 기능을 넣어 설계됐다. 외벽 두께는 모두 6인치나 8인치이고, 반사형 펠라 슬림 셰

이드로 13/16-공기층을 넣은 2중 유리 펠라 여닫이창을 달았다. 외부 유리판은 저방사 코팅을 하였다. 지붕은 폭 5피트인 태양열 오버행과 색이 연한 아스팔트 지붕널을 이었다. 내부 형광등은 모두 고효율 T-8 전구, 외부 주차장 조명은 5,000°K(주간 밝기)의 LED 램프를 설치하였다.

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2019년 2월호 참조