[논문]모니터링 및 시뮬레이션을 통한 SCW형 지열 시스템의 성능인자 분석에 관한 연구

이상준; 남유진

doi:10.17664/ksgee.2013.9.2.008

[국내논문] 모니터링 및 시뮬레이션을 통한 SCW형 지열 시스템의 성능인자 분석에 관한 연구
Study on the performance analysis of SCW geothermal system by simulation and monitoring 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.9 no.2, 2013년, pp.8 - 15

이상준 (청주대학교 건축공학과) , 남유진 (청주대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, an interest in the use of renewable energy has been growing up due to the rise of raw material price, international oil price and depletion of fossil energy. Ground source heat pump system has a high efficiency by using the constant temperature of underground and various types of the systems have been installed and utilized in the building. there are few studies on the system performance factors in the SCW system. Furthermore, even though the performance of the system depends on the temperature of heat source, the research on their relationship is rare. In this research, in order to analyze the performance factor for the open-loop system the monitoring of the real building with the standing column well systems and the simulation with building model were conducted.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 지하수 열오염이나 지반침하 등의 우려를 가지고 있는 개방형 지열시스템의 올바른 이용 및 보급을 위해서는 설계 및 시공 기준을 정립하기 위한 연구가 시급히 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 개방형 시스템 중 국내에서 가장 널리 이용되고 있는 SCW(Standing Column Well)형 지열시스템을 대상으로 시스템 성능인자를 분석하기 위해 실제 운영 중인 건물에서의 모니터링을 실시함은 물론, 시뮬레이션 툴을 이용한 케이스스터디를 실시하였다. 본 논문에서는 대학 캠퍼스 내에 설치된 개방형 지열시스템의 난방운전 모니터링 결과에 대해 분석하고, 상용프로그램인 GLHEPro를 이용한 성능인자 분석에 대한 결과를 보고한다.
따라서, 본 연구에서는 개방형 시스템 중 국내에서 가장 널리 이용되고 있는 SCW(Standing Column Well)형 지열시스템을 대상으로 시스템 성능인자를 분석하기 위해 실제 운영 중인 건물에서의 모니터링을 실시함은 물론, 시뮬레이션 툴을 이용한 케이스스터디를 실시하였다. 본 논문에서는 대학 캠퍼스 내에 설치된 개방형 지열시스템의 난방운전 모니터링 결과에 대해 분석하고, 상용프로그램인 GLHEPro를 이용한 성능인자 분석에 대한 결과를 보고한다.
본 시스템은 관정 내의 지하수를 직접 양수하여 히트펌프의 열원으로 이용한 후 다시 같은 관정에 주입하는 방식으로 밀폐형에 비해 단일 관정당 열교환 성능이 우수하다. 본 연구에서는 열원측 순환수의 온도변화 및 시스템 성능 분석을 위해 모니터링을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 SCW형 지열시스템 대상으로 운전제어방법과 토양 조건이 지중 채열량 및 열원온도에 미치는 영향을 검토하기 위해, 동축 이중관방식의 SCW형 지중열교환기를 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다. 건물의 냉난방 부하는 저자의 선행연구에서 얻은 표준주택 모델의 부하계산 결과를 참고하여 설정하였다.
본 연구에서는 SCW형 지열시스템의 성능인자 검토를 위해 SCW형 지열 시스템이 시공, 운영되고 있는 충북 소재 C대학의 건물을 대상으로 난방 운전 모니터링을 실시하였다. Table 1은 대상 건물의 시스템 개요를 나타낸다.
본 연구에서는 SCW형 시스템의 성능인자를 분석하기 위해 실제로 시공, 운영되고 있는 캠퍼스 내 건물의 모니터링을 실시하였다. 또한 운전제어방법과 토양 조건에 따른 채열량 및 열원온도의 변화를 검토하기 위해, 동축 이중관방식의 지중열교환기를 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다.

제안 방법

2와 3은 대상 건물의 측정 위치 및 계통도를 나타낸다. 각 시스템의 열원측 및 부하측 출입구 온도, 히트펌프 소비전력, 순환수 유량 등을 측정하여 히트펌프 출입구 온도와 시스템 성능과의 상관관계를 분석하였다. 또한, 축열조를 보유한 타입 (Building A)과 지열시스템 단독으로 부하에 대응하는 타입(Building B)을 비교 분석하였다.
각 시스템의 열원측 및 부하측 출입구 온도, 히트펌프 소비전력, 순환수 유량 등을 측정하여 히트펌프 출입구 온도와 시스템 성능과의 상관관계를 분석하였다. 또한, 축열조를 보유한 타입 (Building A)과 지열시스템 단독으로 부하에 대응하는 타입(Building B)을 비교 분석하였다. 운전 모니터링은 2013년 1월 1일 ∼2013년 2월 25일까지 실시하였다.
SCW형 지열시스템의 설계툴을 개발하기 위해서는 시스템 성능에 영향을 미치는 인자들에 대한 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 현행 에너지관리공단 기준으로 이용되고 있는 수치해석 프로그램(GLHEPro)을 분석함과 동시에 케이스스터디를 통한 시스템 성능인자 분석을 실시하였다. SCW형 지열 시스템의 열교환 메카니즘은 크게 보어홀 내부의 열 이동과, 보어홀 주변 토양 및 지하수와 보어홀간의 열 이동으로 구분되며, 이것을 동시에 해석하는 것이 필요하다.
Heat pump는 Climate Master사의 Classic Model 30을 사용하여 1년간의 냉·난방 운전계산을 실시하여 각 케이스의 결과를 비교분석하였다.
은 선행연구 및 ASHRAE 연구보고서^[7]에서 수치해석을 통한 SCW형 지열시스템의 성능인자에 대한 분석을 실시하고 그 결과를 종합하여 GLHEPro를 완성하고 상용화하였다. 특히, FVM모델에 근거한 토양내 열이동 모델을 이용하여 지하수 및 지중열 이동을 해석하였다. Fig.
본 연구에서는 SCW형 지열시스템 대상으로 운전제어방법과 토양 조건이 지중 채열량 및 열원온도에 미치는 영향을 검토하기 위해, 동축 이중관방식의 SCW형 지중열교환기를 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다. 건물의 냉난방 부하는 저자의 선행연구에서 얻은 표준주택 모델의 부하계산 결과를 참고하여 설정하였다. Heat pump는 Climate Master사의 Classic Model 30을 사용하여 1년간의 냉·난방 운전계산을 실시하여 각 케이스의 결과를 비교분석하였다.
본 연구에서는 SCW형 시스템의 성능인자를 분석하기 위해 실제로 시공, 운영되고 있는 캠퍼스 내 건물의 모니터링을 실시하였다. 또한 운전제어방법과 토양 조건에 따른 채열량 및 열원온도의 변화를 검토하기 위해, 동축 이중관방식의 지중열교환기를 대상으로 시뮬레이션을 실시하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

토양 모델은 고체 영역과 유체 영역의 2상 모델로 구성하고 지하수 이동은 Darcy 법칙에 근거한 방정식으로 해석하였다.

성능/효과

4와 5는 건물A와 건물B의 2013년 1월1일∼ 2월 25일까지의 열원측 출입구 온도의 온도거동을 나타낸다. 건물A는 지중에서 채열한 열량을 바로 공급하지 않고 축열조를 거친 후 가동 스케쥴에 맞게 열량을 공급해 비교적 안정적인 열원 온도를 유지하는 것을 확인하였다. 반면 건물 B는 별도의 축열 시스템을 사용하지 않기 때문에 2차측의 부하에 대응하여 히트펌프를 가동하며 히트펌프의 가동 여부에 따라 건물A 보다 큰 온도 변화 폭을 보였다.
)[kwh], COP (Coefficient Of Performance)를 나타낸다. 축열조를 보유한 건물A에서는 비교적 안정된 부하조건 및 운전조건으로 인해 일정한 소비전력 및 히트펌프 COP를 얻는 것으로 확인되었다. 건물A의 2월 기간 평균 열원 온도는 13.
각 건물의 운전 데이터를 종합해 본 결과, 건물 A 평균 COP가 3.9로 나타났으며 건물B 평균 3.3으로 나타났다. 축열조가 있는 건물A에서 건물B 보다 안정적인 COP변화를 확인하였으며, 건물B에서는 채열량의 변동에 따라 COP가 달라지는 것을 볼 수 있다.
3으로 나타났다. 축열조가 있는 건물A에서 건물B 보다 안정적인 COP변화를 확인하였으며, 건물B에서는 채열량의 변동에 따라 COP가 달라지는 것을 볼 수 있다.
8과 9는 부하측 온도변화 및 채열량 계산 결과를 나타낸다. 건물A는 Fig. 8에서 보이는 것과 같이 축열조를 거쳐 난방을 하기 때문에 운전 개시 시간에 피크 부하가 가동시에 비해 높지 않은 것을 확인할 수 있으며 야간에 축열하는 것을 확인할 수 있다. 건물B는 Fig.
9에서 보이는 것과 같이 부하에 즉각적으로 대응하기 때문에, 운전개시와 함께 높은 난방부하에 대응하나, 시간이 흐름에 따라 채열량이 서서히 낮아지는 것을 볼 수 있다. 따라서 사용 전력량에 비해 채열량이 낮아 결과적으로 낮은 COP가 계산되었다.
Spitler et al.은 선행연구 및 ASHRAE 연구보고서^[7]에서 수치해석을 통한 SCW형 지열시스템의 성능인자에 대한 분석을 실시하고 그 결과를 종합하여 GLHEPro를 완성하고 상용화하였다. 특히, FVM모델에 근거한 토양내 열이동 모델을 이용하여 지하수 및 지중열 이동을 해석하였다.
(1) 축열조를 가진 건물 A와 축열조 없이 지열 시스템이 직접 부하에 대응하는 건물 B의 열원 온도를 모니터링 한 결과, 2개월간의 난방운전 기간에도 거의 일정한 열원 온도를 유지하였다.
(2) 축열시스템을 가진 건물 A는 축열시스템이 없는 건물 B보다 안정적인 COP보이는 것을 확인했다.
(3) 시스템 성능인자 검토를 위한 시뮬레이션 결과, 난방시 열원온도를 높게 제한할수록 채열량은 적어지나 평균 열원수온도는 높아지는 것을 확인하였다.
(4) 토양 조건에 따른 채열량의 변화를 검토한결과 토양에 비해 암석이 약 2배 높은 채열이 가능한 것으로 나타났다.

후속연구

하지만, 높은 공간 효율 및 시스템 효율과 막대한 지하수 이용 포텐셜을 고려하면, 개방형 지열시스템의 보급 가능성은 크다고 할 수 있다. 또한, 지하수 열오염이나 지반침하 등의 우려를 가지고 있는 개방형 지열시스템의 올바른 이용 및 보급을 위해서는 설계 및 시공 기준을 정립하기 위한 연구가 시급히 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 개방형 시스템 중 국내에서 가장 널리 이용되고 있는 SCW(Standing Column Well)형 지열시스템을 대상으로 시스템 성능인자를 분석하기 위해 실제 운영 중인 건물에서의 모니터링을 실시함은 물론, 시뮬레이션 툴을 이용한 케이스스터디를 실시하였다.
향후, 본 연구를 통해 도출한 SCW 지열시스템의 인자들을 영향도 분석을 통해 최적설계툴 개발에 이용할 수 있는 방법을 모색할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCW형 지열 시스템의 열교환 메카니즘을 구분하면?	따라서 본 연구에서는 현행 에너지관리공단 기준으로 이용되고 있는 수치해석 프로그램(GLHEPro)을 분석함과 동시에 케이스스터디를 통한 시스템 성능인자 분석을 실시하였다. SCW형 지열 시스템의 열교환 메카니즘은 크게 보어홀 내부의 열 이동과, 보어홀 주변 토양 및 지하수와 보어홀간의 열 이동으로 구분되며, 이것을 동시에 해석하는 것이 필요하다. 특히, Fig.
	지열 히트펌프 시스템은 어떻게 나눠지는가?	[1] 다양한 신재생 에너지 이용기술 중 지열히트펌프 시스템은 지중의 항온성을 이용함으로써 높은 효율성과 큰 열원 공급 능력을 확보할 수 있는 기술로 국내외관련 기술 개발 및 보급이 활발하게 이루어지고 있다. 지열 히트펌프 시스템은 크게 밀폐형 (Closed-loop)과 개방형(Open-loop)으로 나누어 지며 각각 다양한 형식이 개발, 이용되고 있다. 국내에서는 주로 밀폐형에 관한 연구나 기술 개발은 많으나[2-4], 개방형에 관한 연구는 실제 적용 건물에 대한 실증 연구[5]나 단순 모델식을 이용한 해석[6] 등이 있으나 밀폐형에 비해 관련 연구가 드물다.
	개방형 지열 히트펌프 시스템에 관한 연구에는 무엇이 있는가?	지열 히트펌프 시스템은 크게 밀폐형 (Closed-loop)과 개방형(Open-loop)으로 나누어 지며 각각 다양한 형식이 개발, 이용되고 있다. 국내에서는 주로 밀폐형에 관한 연구나 기술 개발은 많으나[2-4], 개방형에 관한 연구는 실제 적용 건물에 대한 실증 연구[5]나 단순 모델식을 이용한 해석[6] 등이 있으나 밀폐형에 비해 관련 연구가 드물다. 하지만, 높은 공간 효율 및 시스템 효율과 막대한 지하수 이용 포텐셜을 고려하면, 개방형 지열시스템의 보급 가능성은 크다고 할 수 있다.

참고문헌 (7)

신에너지 및 재생에너지 개발.이용.보급 촉진법, 2013, 제15조 신 재생 에너지 공급의무 비율, 국가 법령 정보 센터, http://www.law.go.kr/
Nam Y. J., 2011, Numerical Analysis for the Effect of Ground and Groundwater Conditions on the Performance of Ground Source Heat Pump Systems, Journal of the SAREK, Vol. 23 No. 5, pp. 321-326.
Shin U. C., Baek N. C., Kim O. J. Koh D. Y., 2006, Analysis of Thermal Performance of Ground-Source Heat Pump System, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 26, No. 2, pp. 95-101.
Lee M. T., Kim Y. I., Kang B. H., 2007, Dynamic Simulation of round Source Heat pump with a Vertical U-tube Ground Heat Exchanger, journal of the SAREK, Vol. 19, No. 5, pp.372-378.
Lee W. H., Kim J. Y., Hong W. H., Ahn C. H., A Study on Recovery Time of Ground Water Temperature of Small Scale GWHP Using Standing Column Well in Case of Heating Journal of the Architectural institute of korea, Vol. 24, no. 7, pp. 223-230.
Park J. S., Park D. H., 2012, A Evaluation of Long-term Operating of SCW System Considering Density Variation of Groundwater, Korean Geo-Environmental Society Conference/September 21, pp. 153-158.
J.D. Spitler, S.J. Rees, Z. Deng, A. Chiasson, C.D. Orio, C. Johnson, 2002, R&D Studies Applied to Standing Column Well Design, ASHRAE Final Report

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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