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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 나선형 파이프를 에너지 파일에 삽입하여 지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기로 사용하여 이러한 문제점들을 개선하였다. 실험에서는 현재 국내 주거용 건물에서 대부분 사용하고 있는 바닥 복사 난방과 결합하여 이와 같은 시스템의 국내 주거 건물에서의 난방성능과 적용성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 나선형 지중열교환기를 이용한 지열원 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다.연구의 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 나선형 파이프를 에너지 파일에 삽입하여 지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기로 사용하여 이러한 문제점들을 개선하였다. 실험에서는 현재 국내 주거용 건물에서 대부분 사용하고 있는 바닥 복사 난방과 결합하여 이와 같은 시스템의 국내 주거 건물에서의 난방성능과 적용성을 분석하였다.
- 본 실험에서 사용된 지중열교환기는 나선형 파이프를 건물의 기초로 사용되는 PHC파일에 삽입한 것으로 초기설치비를 절약하였고 또한 기초물의 얕은 설치 깊이에서도 충분한 열 교환을 진행할 수 있도록 파이프의 길이를 길게 하였다. 파일의 그라우팅재료로 모래를 사용하여 열전달 효율을 향상시켰다.
- 본 실험에서 사용된 지중열교환기는 나선형 파이프를 건물의 기초로 사용되는 PHC파일에 삽입한 것으로 초기설치비를 절약하였고 또한 기초물의 얕은 설치 깊이에서도 충분한 열 교환을 진행할 수 있도록 파이프의 길이를 길게 하였다. 파일의 그라우팅재료로 모래를 사용하여 열전달 효율을 향상시켰다.
- 나선형 파이프는 열전달이 우수하고 내식성에 대한 저항성이 뛰어나고 연성이 좋은 폴리부틸렌을 원료로 하여 만든 것으로 1본당 총 길이는 196m이고 두께는 25A이다. 또한 온도가 비교적 높은 지표보다는 지중 깊은 곳과 열 교환이 잘 이루어지도록 하기 위하여 열교환기의 하단 피치간격은 조밀하고 상단의 간격은 성기게 설계하였다.
- 본 실험에서는 실내 난방 부하를 충분히 만족시킬 수 있도록 하기 위해 2본의 지중열 교환기를 선정하여 진행하였다.
- 실험기간동안 실내 설정온도인 20℃를 유지하기 위하여 세대내로의 온수 공급 온도를 40℃로 설정하였고 관내 열손실을 고려하여 실외기인 온수 버퍼탱크내의 온수 온도를 45℃로 설정하였다. 버퍼탱크내의 온수 온도에 따라서 열원 측 히트펌프와 순환펌프가 자동제어 된다.
- 버퍼탱크내의 온수 온도에 따라서 열원 측 히트펌프와 순환펌프가 자동제어 된다. 실내로 공급되는 온수는 실내에 위치한 분배기에 의하여 각 실로 수송되고 또한 각 실의 실내온도에 의해 분배기의 개폐가 자동제어 되도록 설계하였다.
- 본 실험은 2012년 2월 15일에 시작하여 한주간의 난방 운전을 진행하였다. 부하를 최소로 하여 시스템 성능의 최고치를 검증하기 위하여 실험기간동안 재실자는 없는 상태에서 조명설비도 전부 끄고 창호와 문도 모두 닫았다.
- 실험을 통하여 지중열교환기 입ㆍ출구 온도, 세대내 입ㆍ출구 온도, 외기온도, 세대내 각방의 실내 온도 등을 측정하였다. 이 중 배관온도는 관내에 설치한 RTD 온도 센서를 이용하여 측정하여 모니터링 시스템을 통하여 데이터를 얻었고 실내온도는 각 방에 설치된 열전대를 통해 데이터를 측정하였다.
- 실험을 통하여 지중열교환기 입ㆍ출구 온도, 세대내 입ㆍ출구 온도, 외기온도, 세대내 각방의 실내 온도 등을 측정하였다. 이 중 배관온도는 관내에 설치한 RTD 온도 센서를 이용하여 측정하여 모니터링 시스템을 통하여 데이터를 얻었고 실내온도는 각 방에 설치된 열전대를 통해 데이터를 측정하였다. 외기온도는 실외에 설치한 기상 스테이션을 통하여 측정하였다.
- 질량유량과 온도차는 실험을 통하여 측정하였고 비열은 상온에서의 물의 비열을 사용하여 계산하였다. 그림 7은 부하 측 열량, 히트펌프 전력소모량과 순환펌프 전력소모량을 나타낸 그래프이다.
- 산출해낸 난방 능력과 히트펌프에 의해 소모된 전력량을 이용하여 히트펌프의 난방 성적계수를 계산하였다. 그리고 히트펌프와 순환펌프의 전력소모량의 합을 이용하여 전체 시스템의 성적계수를 계산하였다.
- 산출해낸 난방 능력과 히트펌프에 의해 소모된 전력량을 이용하여 히트펌프의 난방 성적계수를 계산하였다. 그리고 히트펌프와 순환펌프의 전력소모량의 합을 이용하여 전체 시스템의 성적계수를 계산하였다. 난방 성적 계수는 식(2)에 의해 구해진다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 건물은 인천시 Y대학교에 위치한 저에너지 친환경 공동주택으로 총 다섯 세대로 구성되었다. 그 중 2008년 신규 개정된 법규에 의해 설계한 베이스 모델 대비 에너지 절감 80% 모델을 선정하여 실험용 세대로 하였다.
- 본 실험에서 사용된 건물은 인천시 Y대학교에 위치한 저에너지 친환경 공동주택으로 총 다섯 세대로 구성되었다. 그 중 2008년 신규 개정된 법규에 의해 설계한 베이스 모델 대비 에너지 절감 80% 모델을 선정하여 실험용 세대로 하였다. 표1은 실험 대상 건물에 대한 설명이다.
- 80% 모델은 거실과 침실 4개로 구성되었고 침실3을 제외한 나머지 실들은 남면을 향하도록 위치하여 있다. 본 실험 세대는 PVC 단창 52mm 3중 일면로이유리와 외단열을 통해 열손실과 실내 부하를 최소로 하였다. 그림2는 실험용 세대의 평면과 각 실의 위치를 표시하였다.
- 그림3은 본 실험에서 사용된 시스템의 계통도이다. 실험에서 사용한 히트펌프의 난방능력은 9,501kcal/h이고 전력소비량은 2.06kW이다. 순환펌프의 전력소비량은 각각 350W, 550W이다.
성능/효과
- Montagud et al1)은 스페인에 위치한 건물에 지열원 히트펌프 시스템을 적용하여 2005년부터 5년동안 지속적으로 작동한 후 전체기간의 성능을 분석하였고 KadirBakirci2)은 터키에 위치한 주거용 건물을 대상으로 가장 추운 한 달의 난방성능을 분석하였다.위의 실험에서 사용한 지중열교환기는 수직 U자형으로 현재 가장 많이 사용되면서 열 교환 효율도 가장 좋다.그러나 지중열교환기는 매설을 포함한 전체 시스템의 초기 설치비가 전체 초기 설치비용의 30-50%를 차지하며 기존 냉난방 설비보다 큰 것이 단점이다3).
- (1) PHC파일의 얕은 매설 깊이에서도 그 속의 지중열교환기는 외기온도의 영향을 적게 받고 입ㆍ출구온도를 일정한 범위로 유지하였다. 입구온도는 0-3℃, 출구 온도는 4-6℃ 범위로 측정되었다.
- (2) 실험 세대는 난방이 시작된 후에 얼마 지나지 않아서 설정 온도인 20℃를 안정적으로 도달하고 전체 실험기간 지속적으로 유지하는 것을 확인할 수 있다.
- (3) 난방 운전기간 동안 실내온도는 외부로부터 유입되는 일사의 영향을 많이 받으며 이는 온수의 공급에도 영향을 미친다.
- (4) 지열원 히트펌프 시스템의 난방 성적계수는 시간당 최대 5.4, 최소 3.8로 나타났고 전체 시스템의 난방 성적계수는 최대 3.7, 최소 2.5로 나타났다. 이들 모두 난방이 진행되면서 지열원의 온도가 감소함에 따라 성능이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구를 통해 건물일체형 지열원 히트펌프 시스템의 국내 주거용 건물에서 충분히 적용 가능한 것이 검증되었다고 사료된다.
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