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지중열교환기의 종류에 따른 열전달 성능에 관한 연구
A study on the Heat Transfer Performance according to Ground Heat Exchanger Types 원문보기

生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, v.10 no.4, 2010년, pp.75 - 80  

황석호 (연세대학교 친환경건축연구센터) ,  송두삼 (성균관대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Generally, ground-source heat pump (GSHP) systems have a higher performance than conventional air-source systems. However, the major fault of GSHP systems is their expensive boring costs. Therefore, it is important issue that to reduce initial cost and ensure stability of system through accurate pre...

주제어

#지열시스템   #지중열교환기   #수치해석   #열교환량  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구는 지중열교환기의 형상에 따른 지중으로의 열전달량을 분석하여 성능을 검증하는 연구를 수행하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 기존의 지중 열 및 유체 이동 해석 프로그램을 활용하여 토양내에서의 열의 이동을 정밀하게 해석할 수 있는 방법을 이용하여, 지중열교환기의 단면형상에 따른 열전달효율을 검토하기 위하여 지중열교환기 내의 순환유체와 지중과의 열전달량을 계산할 수 있는 사용자 코드를 개발하고, 이를 이용하여 지중열교환기 형상에 따른 성능을 비교 검토하였으며, 본 논문에서는 해석 방법에 대한 소개를 목적으로 한다.

가설 설정

  • U-tube와 Double U-tube 시스템은 Coaxial 시스템의 내관과 동일하며, 파이프의 중심간격이 67mm인 열교환기를 사용하였다. 그라우팅 재료는 시멘트 모르타르로 가정하였으며, 해석 대상 공간은 지중열교환기 중심에서 반경 3m의 원주로 가정하였다.
  • 해석의 경계조건으로 토양의 초기온도와 경계면 온도는 15℃로 하였으며, 냉난방 운전시의 지중열교환기 내부로 유입되는 열매체의 온도는 냉방시 25℃, 난방시 5℃로 일정하다고 가정하였다. 또한, 해석조건에서 지하수에 흐름은 없는 것으로 가정하였다.
  • 지중열교환기는 일반적인 폴리에틸렌 재질의 튜브를 사용하였으며, 충진재는 시멘트 모르타르로 가정하였다. 시스템의 운전은 연간운전을 가정하여, 난방 6개월, 냉방 6개월로 하였다. 해석의 경계조건으로 토양의 초기온도와 경계면 온도는 15℃로 하였으며, 냉난방 운전시의 지중열교환기 내부로 유입되는 열매체의 온도는 냉방시 25℃, 난방시 5℃로 일정하다고 가정하였다.
  • 해석대상의 물성치와 시스템의 운전조건은 표 1과 같다. 지중열교환기는 일반적인 폴리에틸렌 재질의 튜브를 사용하였으며, 충진재는 시멘트 모르타르로 가정하였다. 시스템의 운전은 연간운전을 가정하여, 난방 6개월, 냉방 6개월로 하였다.
  • 직경 174mm의 보아홀을 가정하여, Coaxial 시스템은 외관의 외경이 100mm, 내경이 97mm, 내관의 외경은 33mm, 내경은 30mm이다. U-tube와 Double U-tube 시스템은 Coaxial 시스템의 내관과 동일하며, 파이프의 중심간격이 67mm인 열교환기를 사용하였다.
  • 시스템의 운전은 연간운전을 가정하여, 난방 6개월, 냉방 6개월로 하였다. 해석의 경계조건으로 토양의 초기온도와 경계면 온도는 15℃로 하였으며, 냉난방 운전시의 지중열교환기 내부로 유입되는 열매체의 온도는 냉방시 25℃, 난방시 5℃로 일정하다고 가정하였다. 또한, 해석조건에서 지하수에 흐름은 없는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
건물부분에서 적용 가능한 신재생에너지는 무엇이 있는가? 현재 건물부분에서 적용 가능한 신재생에너지는 태양광/태양열, 풍력 및 지열 등이 있으며, 이중에서 지열이용 시스템은 다른 신재생에너지와 비교하여 에너지 비용과 유지관리비용 측면에서 우수한 성능을 보이기 때문에 많이 적용되고 있다. 하지만, 다른 신재생에너지 시스템과 마찬가지로 초기투자비용의 상승이 적용에 걸림돌이 되고 있어, 최근의 연구에서는 건물기초를 이용한 건물일체형 지열시스템을 적용하여 초기투자비용을 줄이며, 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
지열이용 시스템은 타 신재생에너지와 비교하여 어떤 이점을 갖는가? 현재 건물부분에서 적용 가능한 신재생에너지는 태양광/태양열, 풍력 및 지열 등이 있으며, 이중에서 지열이용 시스템은 다른 신재생에너지와 비교하여 에너지 비용과 유지관리비용 측면에서 우수한 성능을 보이기 때문에 많이 적용되고 있다. 하지만, 다른 신재생에너지 시스템과 마찬가지로 초기투자비용의 상승이 적용에 걸림돌이 되고 있어, 최근의 연구에서는 건물기초를 이용한 건물일체형 지열시스템을 적용하여 초기투자비용을 줄이며, 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
지열이용 시스템의 단점은 무엇인가? 현재 건물부분에서 적용 가능한 신재생에너지는 태양광/태양열, 풍력 및 지열 등이 있으며, 이중에서 지열이용 시스템은 다른 신재생에너지와 비교하여 에너지 비용과 유지관리비용 측면에서 우수한 성능을 보이기 때문에 많이 적용되고 있다. 하지만, 다른 신재생에너지 시스템과 마찬가지로 초기투자비용의 상승이 적용에 걸림돌이 되고 있어, 최근의 연구에서는 건물기초를 이용한 건물일체형 지열시스템을 적용하여 초기투자비용을 줄이며, 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Ingersoll, L.R., et al., 1954, Theory of earth heat exchangers for the heat pump, heating, piping and air conditioning, 22:5 (May), Design/Data Manual for Closed-Loop, Ground-Coupled Heat Pump Systems by Bose, J. E., et al., ASHRAE. 

  2. Bernier, M.A., 2003, Gound-coupled heat pump system simulation, ASHRAE Transaction, Vol. 107, No. 1, pp. 605-616. 

  3. Bose, J.E., 1984, Closed Loop Ground Coupled Heat Pump Design Manual, Engineering Technology Extension Oklahoma State University. 

  4. Ruhaak, W. et al., 2008, 3D finite volume groundwater and heat transfer modeling with non-orthogonal grids, using a coordinate transformation method, Advances in Water Resources, Vol. 31, pp. 513-524. 

    상세보기 crossref

  5. Xinguo, L., et al., 2005, Inner heat source model with heat and moisture transfer in soil around the underground heat exchanger, Applied Thermal Engineering, Vol. 25, pp. 1565-1577. 

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  6. Carslaw, H.S. and Jaeger, J.G., 1959, Conduction of Heat in Solids 2nd edition, Oxford Univ. Press, London, pp.261-262. 

  7. Bose, J.E., 1984, Closed Loop Ground Coupled Heat Pump Design Manual, Engineering Technology Extension Oklahoma State University. 

  8. Hwang, S.H., Ooka, R., Nam, Y.J., 2010, Evaluation of estimation method of ground properties for the ground source heat pump system, Renewable Energy, Volume 35, Issue 9, pp. 2123-2130. 

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  9. Kavanaugh, S.P., 2000, Investigation of Methods for Determining Soil and Rock Formation Thermal Properties from Short-Term Field Tests, ASHRAE 1118-RTP. 

  10. Park, H.S., 2006, Calculation of Effective Thermal Conductivity of Soil EffGeothermal Response Test, Journal of RIST, Vol. 20, No. 2, pp. 103-110. 

  11. FEFLOW 5.1 Reference Manual, WASY Software 

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