[논문]수평형 지중열교환기의 열성능에 관한 연구

백성권; 안형준

문제 정의

국내에서 가장 많이 사용하는 밀폐형 지중열교환기는 수직형으로 이에 대한 연구는 많이 수행되었으나, 수평형에 대한 연구가 드물고 그 성능에 대한 검토가 미흡하여 본 연구를 수행하였다. 일반적으로 부지가 넓은 현장에 주로 적용되는 형태이며 그 시공방법이 간단하고 시공비가 수직형에 비해 저렴하기 때문에, 지중열교환기를 설치할 부지만 충분하다면 이 방법을 선호하는 것이 당연하다고 판단된다.
시험 목적은 부지 내의 지하수 특성을 도출하여 향후 지열에너지의 효율적 이용 및 개발의 위한 기초자료를 확보하는데 우선적인 목적이 있다. 시험 내용은 부지 내 지반의 투수성 및 저류성을 파악하기 위해 주입시험과 양수시험을 실시하였다.
지하수의 존재와 유동에 따라 지중의 열분포와 열교환의 특성이 크게 달라지기 때문이다. 이를 고려하기 위해 본 연구에서는 현장시험을 통해 지하수 영향평가를 시도하였다.

가설 설정

열전도율을 산출하는 기본적인 이론으로는 1차원 정상 상태의 열원 해석 방법이 사용되었다. 가열을 시작하여 최초 과도 상태 이후에는 온도 상승은 가열 전력 와 매체의 열전도율 에만 좌우된다고 가정한다. 열전도율은 시각 과 에서 구한 온도 측정값으로 계산할 수 있다(Kosky and McVey, 1986).

제안 방법

1. 수평형 지중열교환기를 U자형, Extended Slinky형, Slinky형의 3가지 종류에 대하여 시험적용 및 현장성능평가를 실시하였다. 그 결과를 수직형 지중열교환기와 비교할 경우 각각 52%, 62%, 66%의 열교환성능을 나타내었다.
2. 매트형 열교환기를 적용한 수평형지중열교환기를 개발하여 지하수가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 시험적용한 후 현장실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과를 수직형 지중열교환기와 비교하면 지하수가 없는 경우에는 약 134%, 지하수가 있는 경우에는 약 201%로 높게 나타났다.
4(25호)의 HDPE 재질의 파이프를 사용하였다. 각 열교환기 마다 3개의 Thermocouple을 설치하여 위치별 온도의 변화를 측정하였다.
다양한 수평형 지중열교환기에 대하여 시험적용 및 현장실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
시험 목적은 부지 내의 지하수 특성을 도출하여 향후 지열에너지의 효율적 이용 및 개발의 위한 기초자료를 확보하는데 우선적인 목적이 있다. 시험 내용은 부지 내 지반의 투수성 및 저류성을 파악하기 위해 주입시험과 양수시험을 실시하였다. 또한 과업지역내의 전반적인 지하수 유동체계 파악을 위하여 국제적으로 공인된 MODFLOW (Mcdonald and Harbaugh, 1988) 프로그램을 이용하여 지하수 유동모델링을 수행하였다.
시험구간 내의 저류계수도 산술평균으로 계산하여 과업구간 대표값을 산정하였다.
수평형이나 지하수형과 같이 선형열원 방정식으로 해석을 한 후 이 값을 수직형과 비교하여 그 성능을 판단할 수 있다. 즉, 열전도율은 100 m 깊이에 설치된 수직형 지중열교환기의 해석 방법으로 구하였다.
수평형이나 지하수형과 같이 선형열원 방정식으로 해석을 한 후 이 값을 수직형과 비교하여 그 성능을 판단할 수 있다. 즉, 열전도율은 50 m 깊이에 설치된 수직형 지중열교환기의 해석 방법으로 구하였다.

대상 데이터

수평형 지중열교환기의 성능평가를 위해 3 종류의 지열교환기를 설치하였으며, 외경 3.4(25호)의 HDPE 재질의 파이프를 사용하였다. 각 열교환기 마다 3개의 Thermocouple을 설치하여 위치별 온도의 변화를 측정하였다.
매트형은 일반 수평형에 비해 파이프 굵기가 가늘며, 설치면적을 효율적으로 활용할 수 있으므로 우수한 성능을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 지하수의 영향을 고려하기 위해 지하수가 있는 지표하 5 m와 지하수가 없는 지표하 2 m 지저에 각가 설치하였다. 이때 지중열교환기의 아래와 윗면에 미리 모래와 부직포를 깔아 뒷채움 시 지중열교환기를 보호하였다.
현장 시험은 경기도 용인시 포곡면 전대리에 위치하고 있는 코오롱 건설(주) 기술연구소 부지 내에서 수행 하였으며, 기간은 2005년 11월 30일부터 12월 1일까지 실시하였다.

데이터처리

대수층에서 산정한 수리전도도가 시험별, 해석 방법별 조금씩 차이가 나기에 이를 통계 처리하여 평균치(mean, average)로 표현하여 과업구간 내 대표 수리전도도를 산정하였다.

이론/모형

시험 내용은 부지 내 지반의 투수성 및 저류성을 파악하기 위해 주입시험과 양수시험을 실시하였다. 또한 과업지역내의 전반적인 지하수 유동체계 파악을 위하여 국제적으로 공인된 MODFLOW (Mcdonald and Harbaugh, 1988) 프로그램을 이용하여 지하수 유동모델링을 수행하였다.

성능/효과

(1) 충분한 뒷채움재의 다짐: 지중열교환기와 지반 사이의 간극을 없애고, 지반내 간극도 줄여줌으로서, 지중열교환기의 열전도율을 향상시킬 수 있다.
(2) 충분히 깊은 심도에 설치: 본 연구에서는 지중 2 m에 시공하였으나, 보다 깊은 심도에 설치할 필요가 있을 것으로 판단되며, 2~5 m 사이가 가장 추천할만 하다. 현장 사정상 2 m 이하로 설치가 불가능할 경우 지표면 단열재 시공으로 대기의 온도 영향을 최소화 하여야만 한다.
3. 이상과 같이 수평형 지중열교환기의 성능평가를 실시한 결과 부지가 큰 학교나 레저시설 등에서는 수평형 지중열교환기의 적용성이 높을 것으로 판단된다. 특히 설계상 성토와 같은 지반공사가 수반되는 경우에는 최소의 비용으로 높은 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
매트형 열교환기를 적용한 수평형지중열교환기를 개발하여 지하수가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 시험적용한 후 현장실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과를 수직형 지중열교환기와 비교하면 지하수가 없는 경우에는 약 134%, 지하수가 있는 경우에는 약 201%로 높게 나타났다. 앞서 살펴본 U자형 및 Slinky형 지중열교환기에 비해 매우 높은 값으로 나타나 성능상으로는 유리하다.
수평형 지중열교환기를 U자형, Extended Slinky형, Slinky형의 3가지 종류에 대하여 시험적용 및 현장성능평가를 실시하였다. 그 결과를 수직형 지중열교환기와 비교할 경우 각각 52%, 62%, 66%의 열교환성능을 나타내었다. 수평형 지중열교환기가 수직형에 비해 낮은 성능을 보이는 것은 예상되었으나 U자형에 비해 Slinky형의 성능이 약 27%높은 것으로 나타나 예상보다 성능향상에 크지 않음을 알 수 있다.
그 결과를 수직형 지중열교환기와 비교할 경우 각각 52%, 62%, 66%의 열교환성능을 나타내었다. 수평형 지중열교환기가 수직형에 비해 낮은 성능을 보이는 것은 예상되었으나 U자형에 비해 Slinky형의 성능이 약 27%높은 것으로 나타나 예상보다 성능향상에 크지 않음을 알 수 있다. 이는 지중열교환기 설치시 다짐의 정도와 관련된 것으로 파악되어 수평형 지중열교환기의 설치시 다짐에 유의해야 할 것으로 판단된다.
시험방법 및 분석과정은 생략하기로 하고 시험결과를 간략하게 요약하면 우선 과업지역 내의 주요 매질은 자갈에서 중립질 모래로 구성되어 있었으며, 수리전도도(K)는 주입시험결과 3.54×10^-3~2.04×0^-1 cm/s, 양수시험결과 2.09×0^-1~ 3.00×0^-1 cm/s 로 나타났다.
이상 결과에 의하면, 수평형은 수직형의 길이 대비 그 성능이 상당히 떨어지는 것으로 판단되며, 시공비의 절감 측면에서는 시공이 가능하나 효율적인 측면에서는 상당히 불리하다.
이와 같은 시험결과에 따라 수직형에 비해 오히려 매트형 지중열교환기의 성능이 우수하며, 같은 매트형 지중열교환기라 할지라도 지하수의 영향을 받을 경우 66% 열전도 성능이 향상되었음을 알 수 있다.

후속연구

매트형은 일반 수평형에 비해 파이프 굵기가 가늘며, 설치면적을 효율적으로 활용할 수 있으므로 우수한 성능을 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 지하수의 영향을 고려하기 위해 지하수가 있는 지표하 5 m와 지하수가 없는 지표하 2 m 지저에 각가 설치하였다.
하지만 그에 비해 그 설계 용량과 시공방법에 대해서는 정확한 계산을 하기가 쉽지 않을뿐더러, 이를 검증할 데이터도 부족한 편이다. 본 연구 자료들이 앞으로 국내에서 수평형을 시공하는데 있어서 작은 도움이 되기를 기대한다.
앞서 살펴본 U자형 및 Slinky형 지중열교환기에 비해 매우 높은 값으로 나타나 성능상으로는 유리하다. 하지만 매트형 열교환기는 세관으로 구성되어 지반에 설치할 때 손상될 우려가 크고 장기적인 성능의 확인이 필요하므로 향후에도 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

수평형 지중열교환기의 열성능에 관한 연구 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

수평형 지중열교환기의 열성능에 관한 연구 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper