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가설 설정
- 5의 결과를 부하가 집중적으로 걸리는 1, 2월(난방, 60일)과 7, 8월(냉방, 65일) 로 구분하여 나타낸 것이다. 본 분석에서는 건물 특성을 고려하여 오전 8시부터 오후 10시(14시간)까지 시스템이 가동(간헐 운전 또는 on-off 운전)되는 것으로 가정하였다. 따라서 Fig.
- 본 연구에서는 Fig. 1의 상업용 건물에 현장 타설 에너지파일과 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 동특성 시뮬레이션을 통해 시스템 성능을 분석하였다. 이를 위해 서울의 2009년 외기 데이터를 적용하여 대상 건물의 최대 냉난방 부하와 시간대별 에너지 부하를 계산하였다.
- 에너지 파일을 적용하기 위해, 대상 건물의 전체 기초 파일중 45개의 파일을 선정하였다. 여기에 파일당 4개의 U자관(U-tube)을 삽입하는 것으로 가정하였다. 에너지파일의 평균 깊이와 지름은 각각 20 m와 1.
- 연구에서는 상업용 건물에 현장 타설 에너지 파일과 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 동특성 시뮬레이션을 통해 시스템의 성능을 분석하였다. 대상 건물의 최대 냉난방 부하와 시간대별 에너지 부하 그리고 각종 지중 열물성 데이터를 적용하여 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지 파일의 열전달 성능 그리고 시스템의 냉난방 성능 등을 예측하였다.
제안 방법
- (5) Katsura et al.(6)은 다수의 에너지파일에 대한 열전달 성능을 원통열원 모델(cylinder source model)을 적용하여 분석한 후, 기존 해석기법을 보완하였다. Wood et al.
- Wood et al.(7)은 21개의 에너지파일을 이용한 단독주택(72 m 2)용 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 실험을 통해 분석하였다. 난방 운전 중 에너지 파일 순환수와 지중 온도 변화를 측정하였으며, 아울러 에너지 파일의 열전달 성능과 시스템의 계간 난방성능(SPFh)을 분석하였다.
- (7)은 21개의 에너지파일을 이용한 단독주택(72 m 2)용 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능을 실험을 통해 분석하였다. 난방 운전 중 에너지 파일 순환수와 지중 온도 변화를 측정하였으며, 아울러 에너지 파일의 열전달 성능과 시스템의 계간 난방성능(SPFh)을 분석하였다.
- 아울러 지하층의 수평배관에 의한 열손실 등을 감안한 후, 외재적 유한차분법(explicit FDM)을 적용하여 순환수와 지중 토양 사이의 열전달량을 계산한다. 다음으로 에너지파일의 열전달량과 히트펌프의 성능 특성을 조합하여 에너지파일 순환수의 히트펌프 입구 온도(EWT)와 출구 온도(LWT) 그리고 히트펌프의 소비전력(W) 등을 계산한다.
- 연구에서는 상업용 건물에 현장 타설 에너지 파일과 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 동특성 시뮬레이션을 통해 시스템의 성능을 분석하였다. 대상 건물의 최대 냉난방 부하와 시간대별 에너지 부하 그리고 각종 지중 열물성 데이터를 적용하여 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지 파일의 열전달 성능 그리고 시스템의 냉난방 성능 등을 예측하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 부하 계산에 필요한 건물 각 부위(외벽·내벽·바닥·지붕·창호 등)의 두께와 열전도도 그리고 열관류율 등은 현행 국내 건축법에 명기된 값들을 적용하였다. 또한 환기량, 인체 발열량, 기기와 조명 발열량 등은 기존 연구결과(13)에 제시된 값들을 적용하였다. 시스템 용량 선정에 필요한 냉난방 설계 일(design day)은 8월 16일과 1월 23일이었으며, 따라서 최대(peak) 부하는 각각 171.
- 대표적으로 Sohn and Choi(12)는 상업용 건물에 적용된 PHC 에너지파일 이용 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 성능 분석을 통해 PHC 에너지파일과 시스템의 장단기 열전달 성능을 예측하였다. 이렇듯 국내에서는 PHC 에너지파일과 관련된 연구가 주로 수행되었으며, 현장 타설 에너지파일(cast-in-place energy pile, 또는 ‘에너지파일’)의 열전달 성능과 이를 적용한 시스템의 장단기 성능 분석에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
- 5 m이며, 파일 사이의 평균 간격은 5 m로 하였다. 아울러 그림에서 보듯이 파일 주변 토양은 3개의 토양층(ground layer)으로 구성되어 있으며, 각각의 토양층에 대한 열물성 값들을 시뮬레이션에 적용하였다.
- 이상에서 언급한 각종 입력 데이터를 이용하여, 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지파일 지중 열교환기의 열전달 성능 그리고 히트펌프의 성능과 에너지 소비량 등을 분석하였다. 이때 분석기간을 단기(1년)와 장기(20년)로 구분하였다.
- 이를 위해 서울의 2009년 외기 데이터를 적용하여 대상 건물의 최대 냉난방 부하와 시간대별 에너지 부하를 계산하였다. 이를 바탕으로 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지파일의 열전달 성능 그리고 시스템의 냉난방 COP 등을 예측하였다.
- 1의 상업용 건물에 현장 타설 에너지파일과 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 동특성 시뮬레이션을 통해 시스템 성능을 분석하였다. 이를 위해 서울의 2009년 외기 데이터를 적용하여 대상 건물의 최대 냉난방 부하와 시간대별 에너지 부하를 계산하였다. 이를 바탕으로 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지파일의 열전달 성능 그리고 시스템의 냉난방 COP 등을 예측하였다.
- 또한 각각의 에너지파일 출구부터 히트펌프까지 연결된 수평 배관의 길이는 약 3,000 m를 적용하였다. 이상에서 언급한 각종 입력 데이터를 이용하여, 에너지파일 순환수의 온도 변화와 에너지파일 지중 열교환기의 열전달 성능 그리고 히트펌프의 성능과 에너지 소비량 등을 분석하였다. 이때 분석기간을 단기(1년)와 장기(20년)로 구분하였다.
- 현장 타설 에너지파일의 직경·길이·개수·간격 등의 조건과 파일 주변 3개 토양층의 열전도도(1.2, 1.5, 3.1 W/mK)와 지하수 흐름(1.16×10-6 m/s) 등의 지반 조건 그리고 히트펌프의 냉난방 성능 특성 등을 입력 변수로 하였다.
대상 데이터
- 에서 차용하였다. 대상 건물은 지하 1층과 지상 3층 규모이며, 전체 공조면적은 2,289 m2이다. 이중 지열 히트펌프 시스템이 지상 1층(1,210 m2)의 냉난방을 감당한다.
- 3은 히트펌프를 포함한 전체 시스템의 개략도와 에너지파일의 사양을 도시한 것이다. 에너지 파일을 적용하기 위해, 대상 건물의 전체 기초 파일중 45개의 파일을 선정하였다. 여기에 파일당 4개의 U자관(U-tube)을 삽입하는 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 동특성 시뮬레이션에 필요한 입력 변수 중 일부(대상 건물의 냉난방 부하와 히트펌프 성능 특성 등)를 선행연구(12)에서 차용하였다. 대상 건물은 지하 1층과 지상 3층 규모이며, 전체 공조면적은 2,289 m2이다.
- 부하 계산에 필요한 건물 각 부위(외벽·내벽·바닥·지붕·창호 등)의 두께와 열전도도 그리고 열관류율 등은 현행 국내 건축법에 명기된 값들을 적용하였다.
- 시스템 시뮬레이션은 TRNSYS의 수직형 지중열교환기 해석 모듈(duct storage model, DST)을 수정한 TRNVDSTP 모델(14)을 이용하였다. 기존 DST 모델은 토양층의 평균 열물성만을 고려한다.
- 반면, 본 모델은 에너지파일 주변의 각각의 토양층에 대한 열물성과 지하수 유동까지 고려한다. 아울러 지하층의 수평배관에 의한 열손실 등을 감안한 후, 외재적 유한차분법(explicit FDM)을 적용하여 순환수와 지중 토양 사이의 열전달량을 계산한다. 다음으로 에너지파일의 열전달량과 히트펌프의 성능 특성을 조합하여 에너지파일 순환수의 히트펌프 입구 온도(EWT)와 출구 온도(LWT) 그리고 히트펌프의 소비전력(W) 등을 계산한다.
성능/효과
- (1) 대상 건물의 냉난방 에너지부하량 차이 때문에, 최저 EWT와 최고 EWT는 시간이 지남에 따라 감소하였다.
- (2) 장기간(20년) 시뮬레이션 결과에서 현장 타설 에너지파일의 단위 길이당 최대 열 추출량은 82.7 W/m 그리고 최대 방출량은 235.8 W/m인 것으로 분석되었다.
- (3) 대상 건물의 난방 에너지부하(133.1 MWh)를 감당하기 위해 20년 동안 평균 94.3 MWh의 에너지를 지중에서 추출하며, 냉방 에너지부하(54.1 MWh)를 감당하기 위해 65.7 MWh의 에너지를 지중으로 방출하는 것으로 분석되었다.
- (4) 시스템의 20년 평균 냉․난방 계간성능계수는 각각 4.72와 3.45인 것으로 예측되었다.
- 11이 20년 동안의 결과를 월 평균 값으로 정리한 것이라면, Table 2는 20년 평균값들을 정리한 것이다. 대표적으로, 본 시스템에 적용된 에너지파일의 단위 길이당 최대 열 추출량은 82.7 W/m 그리고 최대 방출량은 235.8 W/m인 것으로 분석되었다. 아울러 전체 시스템의 냉․난방 계간성능계수(SPF)는 각각 4.
- 7 MWh의 전력을 소비하는 것으로 계산되었다. 또한 냉방 기간(54.1 MWh) 중 총 65.7 MWh의 에너지를 지중으로 방출하며, 11.5 MWh의 전력을 소비하는 것으로 분석되었다.
- 대상 건물의 부하 변동에 따라 에너지파일의 열전달 특성 역시 변하였다. 본 시뮬레이션에 적용된 에너지파일의 최대 열 추출량(난방)과 방출량(냉방)은 각각 74.8 kW와 211.8 kW로 계산되었다. 이때 에너지파일의 단위 길이당 최대 열 추출량은 83.
- 48 kW(난방)이었다. 아울러 냉방 시 평균 115.09 kW의 부하를 건물에서 제거하며, 난방 시에는 평균 62.12 kW의 에너지를 건물에 공급하는 것으로 분석되었다.
- 8 W/m인 것으로 분석되었다. 아울러 전체 시스템의 냉․난방 계간성능계수(SPF)는 각각 4.72와 3.45인 것으로 예측되었다. 여기서 계간성능계수는 히트펌프와 순환펌프의 소비전력을 모두 고려한 평균 개념으로 볼 수 있다.
- 8은 지열 히트펌프의 냉․난방 COP와 히트펌프의 소비전력 변화에 대하여 전체 시뮬레이션 결과 중 1, 2월과 7, 8월 결과만 선택하여 도시한 것이다. 전체적으로 대상 건물의 냉난방 부하 변동에 따라 히트펌프의 소비전력과 공조 공간으로 공급 또는 공조 공간에서 제거하는 에너지량(QL)이 변하는 것을 볼 수 있다. 평균 냉․난방 COP는 각각 5.
- 43 MWh의 에너지를 지중으로 방출하는 것으로 예측되었다. 전체적으로 본 시스템은 대상 건물의 난방 부하(133.1 MWh)를 위해 20년 동안 평균 94.3 MWh의 에너지를 지중에서 추출하며, 이때 38.7 MWh의 전력을 소비하는 것으로 계산되었다. 또한 냉방 기간(54.
- 평균 냉․난방 COP는 각각 5.13과 3.77인 것으로 분석되었으며, 냉·난방 운전시 히트펌프의 평균 소비전력은 각각 22.64 kW(냉방)와 16.48 kW(난방)이었다.
후속연구
- (5) 현장 타설 에너지파일의 열전달 성능이나 건물 부하와 시스템 운전 시간에 따른 순환수의 온도 변화 등은 에너지파일 시스템을 설계하는 데 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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