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문제 정의
- 국내 지열 냉난방 기술의 국외(몽골) 진출 타당성을 분석하기 위해 본 연구를 수행하였다. 우리와 비슷한 조건이나 비교적 저온인 환경에서 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석한 사례는 많다.
제안 방법
- (5-12) 하지만 몽골과 같이 매우 열악한 환경에서 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석한 사례는 매우 드물다. 따라서 몽골 울란바토르와 같은 한랭지에 지열 히트펌프 시스템을 보급하기 전에, 적용 가능성과 기술적 타당성 등을 먼저 분석하였다. 이를 위해 Fig.
- 1의 단독주택에 지열 히트펌프 시스템(이하 ‘한랭지형 지열 시스템’ 또는 ‘지열 시스템’)을 설치하였다. 아울러 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 본 결과는 한랭지형 지열 시스템 보급에 필요한 기초 자료가 될 것이다.
- 2에 도시하였다. 수직형 지중열교환기(ground loop)․히트펌프(heat pump)․실내 설비(FCU와 바닥 난방코일)․순환 펌프(circulation pump)․버퍼탱크(buffer tank)․판형 열교환기(heat exchanger) 등으로 시스템을 구성하였다. 버퍼탱크(1,000 L)는 히트펌프가 생산한 냉․온수를 저장했다가 실내로 공급한다.
- 다만 울란바토르의 여름철 지중 온도가 낮은 점을 감안하여 지중 순환수의 순환만으로 냉방부하의 일부를 감당할 수 있게 하였다. 이를 위해 지중열교환기와 버퍼탱크 사이에 판형 열교환기를 설치하였다.
- 지중열교환기 설치를 위해 총 10개(100 m 깊이 4홀과 150 m 깊이 6홀)의 보어홀(borehole)을 6 m 간격으로 천공하였다. 이때 보어홀 직경은 200 mm이다.
- 히트펌프는 물 대 물 방식이며 작동유체(냉매)는 R22이다. 현장 설치에 앞서, 히트펌 한랭지(몽골) 지열 히트펌프 시스템의 난방 성능 분석 프의 성능 특성을 실험실에서 분석하였다. Fig.
- 14)(13)을 이용하였다. 설계에 앞서, 시험용 지중열교환기를 대상으로 열응답 시험(in-situ thermal response test)을 수행하였다. 이를 통해 지중 유효 열전도도(1.
- 설계에 앞서, 시험용 지중열교환기를 대상으로 열응답 시험(in-situ thermal response test)을 수행하였다. 이를 통해 지중 유효 열전도도(1.94 W/mK)와 지중 초기 온도(3.2℃)를 산정한 후 설계에 적용하였다. 참고로 열응답 시험에서 측정한 지중 초기 온도는 Han et al.
- 2에 표시한 지점에서 온도(T형 열전대)와 유량(Dualpulse, DP490)을 측정하였다. 또한 전력․전력량 변환기(LightStar, KTW-116A)로 시스템의 소비전력(W)과 전력량(Wh)을 측정하였다. 최종적으로 데이터로거(Hanyoung, GR100)를 이용하여 1초 간격으로 데이터를 저장한 후, 순간 또는 적산 값을 계산하였다.
- 또한 전력․전력량 변환기(LightStar, KTW-116A)로 시스템의 소비전력(W)과 전력량(Wh)을 측정하였다. 최종적으로 데이터로거(Hanyoung, GR100)를 이용하여 1초 간격으로 데이터를 저장한 후, 순간 또는 적산 값을 계산하였다.
- 몽골 울란바토르와 같은 한랭지에 지열 히트펌프 시스템을 보급하기 위해, 적용 가능성과 기술적 타당성 등을 분석하였다. 이를 위해 수직 밀폐형 지열 시스템을 단독 주택에 설치한 후, 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다.
- 몽골 울란바토르와 같은 한랭지에 지열 히트펌프 시스템을 보급하기 위해, 적용 가능성과 기술적 타당성 등을 분석하였다. 이를 위해 수직 밀폐형 지열 시스템을 단독 주택에 설치한 후, 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 1은 수직 밀폐형 지열 히트펌프 시스템이 설치된 대상 건물(단독주택)의 외관을 보여준다. 대상 건물의 냉난방 면적은 420 m2 (지상 1층과 2층 각각 192 m2, 차고 36 m2 )이며 울란바토르의 겨울철 외기 온도를 감안하여 차고(garage)도 난방 대상인 것이 특징이다. 냉난방 첨두부하(peak load)는 각각 33.
- 이때 보어홀 직경은 200 mm이다. 직경 32mm의 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 U관(U-tube) 형상으로 성형한 후 보어홀에 삽입하였다. 따라서 수평 트렌치 배관을 제외한 수직 U관의 전체 길이는 1,300m다.
- 한랭지에 적합한 히트펌프를 제작하여 대상 건물의 기계실에 설치하였다. 히트펌프는 물 대 물 방식이며 작동유체(냉매)는 R22이다.
- (4)이 지하수를 이용하여 측정한 결과(3∼6℃)와 유사하였다. 지중 순환수로 에틸렌글리콜(20%)-물(80%) 혼합유체를 사용하였다. 순환수의 난방 설계온도(design target temperature), 즉 최저 운전 온도는 -10℃이다.
- 시스템의 난방 성능을 분석하기 위해 2013년 10월 19일부터 2014년 3월 26일까지 데이터를 측정하였다. Fig.
- 51 MWh의 에너지를 땅에서 추출하였다. 시스템은 총 83.55 MWh 의 난방열을 공급하였으며, 총 30.27 MWh의 전력을 소비하였다. 따라서 난방 SPF는 2.
데이터처리
- Kline(14)이 제안한 방법에 따라 분석 결과에 영향을 미치는 데이터의 편차들을 조합하여 불확실도(uncertainty)를 계산하였으며, Table 2에 계산 결과를 정리하였다.
성능/효과
- 따라서 수평 트렌치 배관을 제외한 수직 U관의 전체 길이는 1,300m다. 마지막으로 보어홀 내 빈 공간을 2.2 W/mK의 열전도도를 갖는 시멘트 그라우트로 마감하였다.
- 따라서 시스템 성능과 내구성을 모두 만족하는 최적 운전 시간에 대한 연구가 더 필요하다. 마지막으로 일평균 EST와 LST는 각각 -1.8℃와 -5.9℃였고, 일일 총 열 추출량은 665.6 kWh였다.
- 2회 운전되었으며 이때 1회 운전 시간은 평균 9분이었다. 전체적으로 매우 낮은 외기 온도에도 불구하고 시스템은 매우 안정적으로 가동되었다. 총 1,002.
- 시스템의 일일 난방 용량과 소비 전력은 327.3∼1,008.9kWh(평균 704.4 kWh)와 114.9∼360.6 kWh(평균 255.5kWh)였으며, 이 두 결과도 정점(2014년 3월 2일)을 기준으로 증가하다가 점차 감소하는 경향을 보였다.
- 9에 도시하였다. 측정기간 중 일평균 LLT의 변동 폭은 최저 46.5℃, 최고 48.9℃였고 ELT는 최저 42.1℃, 최고 44.5℃였다. 시스템의 일일 난방 용량과 소비 전력은 327.
- 10(b)에 시스템과 히트펌프의 일평균 계간성능계수(SPF)와 가동 시간을 도시하였다. 일일 난방 용량과 소비 전력 그리고 가동 시간은 외기 온도가 상승(난방 부하 감소)함에 따라 감소하지만, 시스템과 히트펌프의 난방 SPF는 거의 일정하였다. 이는 외기 온도, 즉 대상 건물의 난방 부하에따라 시스템 가동 시간에서 차이가 있기 때문이다.
- 76이다. 전체 측정 기간에 대해 평균 EST는 -0.97℃였고, 표에는 표시하지 않았지만 평균 LLT는 47.54℃였다.
- (1) 본 시스템은 실내 온도와 온수 설정 온도에 따라 운전(on)과 정지(off)를 반복하였다. 이러한 운전 방식은 지중 순환수가 비교적 일정한 온도를 유지하는데 기여하였다.
- (4) 일일 난방 공급량은 327.3∼1,008.9 kWh(평균 704.4 kWh) 그리고 소비 전력은 114.9∼360.6 kWh(평균 255.5 kWh)였다.
- (2) 대상 지역의 외기 온도를 감안했을 때, 지중열교환기를 포함한 전체 시스템은 안정적인 성능을 발휘하였다.
- (3) 측정 기간 중 일평균 EST는 0.9℃(2013년 10월 21일)에서 -2.7℃(2014년 3월 2일)까지 감소하다가 이후 외기 온도가 상승함에 따라 -1.3℃(2014년 3월 26일)까지 상승하였다.
- (5) 일일 난방 용량과 소비 전력 그리고 가동 시간은 외기 온도가 상승함에 따라 감소하지만, 시스템과 히트펌프의 난방 SPF는 측정기간 내내 거의 일정하였다.
- (6) 측정 기간 중 지중열교환기는 총 53.51 MWh의 에너지를 땅에서 추출하였다. 시스템은 총 83.
후속연구
- 아울러 데이터 획득 장비를 이용하여 성능 분석에 필요한 데이터를 측정하였다. 본 결과는 한랭지형 지열 시스템 보급에 필요한 기초 자료가 될 것이다.
- 이는 실제 지중열교환기(100 m/4홀, 150 m/6홀, 총 1300m)를 130 m/10홀로 볼 때, 약 780 m(130 m/6홀)까지 줄일 수 있다는 것과 같은 의미다. 하지만 이 결과는 본 현장에만 한정할 수 있으며, 일반화를 위해 장기간의 성능 측정과 시뮬레이션 분석이 더 필요하다.
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