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문제 정의
- 본 연구는 기존 지열시스템의 효율에 대한 개선방안을 위하여 지중 열교환 효율을 높일 수 있도록 열전달 효율이 높은 재질의 열교환기를 사용하였다. 지열 및 지하매질에서 유동 가능한 지하수를 포함하는 지하수열을 동시 활용하기 위하여 분석 및 적용성을 검토하였다.
- 본 연구는 기존 지열시스템의 효율에 대한 개선방안을 위하여 지중 열교환 효율을 높일 수 있도록 열전달 효율이 높은 재질의 열교환기를 사용하였다. 지열 및 지하매질에서 유동 가능한 지하수를 포함하는 지하수열을 동시 활용하기 위하여 분석 및 적용성을 검토하였다. 실내시험을 통해 재질별 열교환 효율을 검토하여 현장실증시험을 위한 열교환기 재질, 길이, 규격 등 실증시험 설계인자를 도출하였다.
제안 방법
- 초기 주입량은 약 5 l/min로 설정하였다. W1이 모두 소진될 때까지 시험을 수행하며 W1, W2 및 W3의 온도를 5초단위로 연속 측정한다. 시험이 완료된 후 동일조건에서 W1의 주입량을 조정(약 5→ 10→ 15→ 20→ 30→ 40→ 50 l/min)하여 동일한 방법으로 실험을 수행하였다(Fig.
- 실내시험에서 수행된 열교환기는 상용화된 제품으로 제작하였으며, 이로 인하여 동일한 규격에 대한 시험을 실시할 수 없었다. 따라서, 동일 규격일 때의 효율을 평가하기 위하여 열교환기의 단위면적에 대한 열교환 효율을 검토하였다. 검토결과 25.
- 2). 시험완료 후 주입량에 따른 유입수(W1)와 유출수(W3)의 온도차를 분석하여 재료별 열교환기의 열효율을 평가하고 이를 토대로 현장실증시험용 열교환기 재료를 선정하였다(Fig. 3).
- 이외에도 Tank 1, Tank 2의 정확한 유량을 측정할 수 있는 유량계와 Tank 1, Tank 2 및 최종유출수의 온도를 측정할 수 있도록 온도계를 설치하였다(Table 3). 실내시험 방법은 열교환기 내의 유량을 조절함으로써 열교환기 재질 및 유량에 대한 효율을 평가하도록 계획하였다(Fig. 2).
- 실내시험은 열교환기 내부 및 외부 유체의 주입속도, 유체 온도, 열교환기 재질 및 규격의 변화에 따른 효율 검증을 통해 현장실증시험을 위한 지열시스템 설치와 관련된 최적의 설계인자 도출을 목적으로 수행하였다. 시험장치는 2개의 열교환기 내 순환수를 모사하는 Tank 1, 지하수가 유동하는 지중 상황을 모사하는 Tank 2, 지중 열교환기의 재질별 효율을 평가하기 위한 동관, 스테인레스관 및 PE관으로 제작된 열교환기, 열교환기 내 유량을 일정량을 유동시기기 위한 펌프로 구성된다(Table 2).
- 실내시험을 통해 재질별 열교환 효율을 검토하여 현장실증시험을 위한 열교환기 재질, 길이, 규격 등 실증시험 설계인자를 도출하였다. 실내시험을 바탕으로 설계된 열교환기를 통해 시공성을 검증하였으며 현장 열효율 시험 및 열응답 시험을 통해 열교환 효율과 유효 열전도도를 측정하여 변화양상을 고찰하고 평가하였다.
- 지열 및 지하매질에서 유동 가능한 지하수를 포함하는 지하수열을 동시 활용하기 위하여 분석 및 적용성을 검토하였다. 실내시험을 통해 재질별 열교환 효율을 검토하여 현장실증시험을 위한 열교환기 재질, 길이, 규격 등 실증시험 설계인자를 도출하였다. 실내시험을 바탕으로 설계된 열교환기를 통해 시공성을 검증하였으며 현장 열효율 시험 및 열응답 시험을 통해 열교환 효율과 유효 열전도도를 측정하여 변화양상을 고찰하고 평가하였다.
대상 데이터
- 열교환기의 재질에 따른 효율을 평가하기 위하여 실험대상 열교환기는 동관, 스테인레스관 및 PE관으로 구분하여 제작하였다(Table 1). 규격은 PE관의 경우 기존 지열시스템에 많이 적용되는 32.00 mm PE관을 사용하였으며, 동관은 25.58 mm와 53.98 mm로 구경을 달리하였고 스테인레스관은 60.5 mm의 상용화된 관을 적용하여 시험을 수행하였다(Fig. 1).
- 실내시험은 열교환기 내부 및 외부 유체의 주입속도, 유체 온도, 열교환기 재질 및 규격의 변화에 따른 효율 검증을 통해 현장실증시험을 위한 지열시스템 설치와 관련된 최적의 설계인자 도출을 목적으로 수행하였다. 시험장치는 2개의 열교환기 내 순환수를 모사하는 Tank 1, 지하수가 유동하는 지중 상황을 모사하는 Tank 2, 지중 열교환기의 재질별 효율을 평가하기 위한 동관, 스테인레스관 및 PE관으로 제작된 열교환기, 열교환기 내 유량을 일정량을 유동시기기 위한 펌프로 구성된다(Table 2). 이외에도 Tank 1, Tank 2의 정확한 유량을 측정할 수 있는 유량계와 Tank 1, Tank 2 및 최종유출수의 온도를 측정할 수 있도록 온도계를 설치하였다(Table 3).
- 열교환기의 재질에 따른 효율을 평가하기 위하여 실험대상 열교환기는 동관, 스테인레스관 및 PE관으로 구분하여 제작하였다(Table 1). 규격은 PE관의 경우 기존 지열시스템에 많이 적용되는 32.
성능/효과
- 6). Tank 1 (W1)과 Tank 2 (W2)의 온도차를 감안할 때, 주입수의 유량이 약 5 l/min인 경우 평균 약 69.5%(약 4.17℃)의 열을 Tank 2로 방출하였으며, 주입량이 증가할수록 열손실율이 감소하여 약 30 l/min의 경우에는 28.4%(1.55℃) 정도만 열교환기에서 외부로 방출하는 것으로 파악되었다(Table 5).
- 열교환기 내 주입유량에 따른 열교환기별 효율을 분석하면, PE관 대비 금속관의 열전달효율이 매우 높게 나타났으며, 금속관의 경우 구경이 증가할수록 효율이 높아지는 것으로 파악되었으나 현 유량에서의 구경증대에 따른 효율개선은 크지 않은 것으로 분석되었다(Table 12). 각 주입량별 PE관 대비 효율을 분석하면 5 l/min의 경우 PE관 대비 동관, 스테인레스관은 3.2~3.5배 정도의 열전달 효율을 나타내고 있으며, 주입량이 증가할수록 효율은 점차적으로 증가되어 30 l/min의 경우에는 PE관 대비 동관(25.58 mm)가 5.17배, 동관(53.98 mm)가 6.13배, 스테인레스관(60.50 mm)가 6.5배 정도를 보인다. 5 l/min의 PE관 대비 효율을 검토하면, 30 l/min의 동관(25.
- 열교환기 내 주입유량에 따른 열교환기별 효율을 분석하면, PE관 대비 금속관의 열전달효율이 매우 높게 나타났으며, 금속관의 경우 구경이 증가할수록 효율이 높아지는 것으로 파악되었으나 현 유량에서의 구경증대에 따른 효율개선은 크지 않은 것으로 분석되었다. 각 주입량별 PE관 대비 효율을 분석하면 5 l/min의 경우 PE관 대비 동관, 스텐레스관은 3.2~3.5배 정도의 열전달 효율을 나타내고 있으며, 주입량이 증가할수록 효율은 점차적으로 증가되어 30 l/min의 경우에는 PE관 대비 동관(25.58 mm)가 5.17배, 동관(53.98 mm)가 6.13배, 스테인레스관(60.50 mm)가 6.5배 정도를 보였다.
- 따라서, 동일 규격일 때의 효율을 평가하기 위하여 열교환기의 단위면적에 대한 열교환 효율을 검토하였다. 검토결과 25.58 mm 구경의 동관이 PE관 대비 약 3.8~5.9배 정도의 효율을 나타내어 단위 면적당 열교환 효율이 가장 높게 평가되었다(Table 13). 또한, 열교환기 내 주입유량이 증대될수록 PE관 대비 효율이 증가하는 양상을 보이고 있다.
- 지열은 열전도율에 따라 지열이 전도됨으로써 일정량 이상의 지열 확보는 불가능하다. 그러나 지하수 유동을 발생시킬 경우 유동하는 지하수에서 지속적으로 지하수열이 공급됨으로 인하여 높은 열교환 효율을 유지할 것으로 판단된다.
- 단위면적에 대한 열교환 효율 검토결과 25.58 mm 구경의 동관이 PE관 대비 약 3.8~5.9배 정도의 효율을 나타내어 단위면적당 열교환 효율이 가장 높게 평가되었다. 또한 열교환기 내 주입유량이 증대될수록 PE관 대비 효율이 증가하는 양상을 보였다.
- 9배 정도의 효율을 나타내어 단위면적당 열교환 효율이 가장 높게 평가되었다. 또한 열교환기 내 주입유량이 증대될수록 PE관 대비 효율이 증가하는 양상을 보였다.
- 9배 정도의 효율을 나타내어 단위 면적당 열교환 효율이 가장 높게 평가되었다(Table 13). 또한, 열교환기 내 주입유량이 증대될수록 PE관 대비 효율이 증가하는 양상을 보이고 있다. 구경이 상대적으로 큰 53.
- 열교환기 구경 변화에 따른 효율을 검토하기 위하여 각 열교환기별 유속에 따른 효율을 분석하면, 유속이 증가할수록 열전달량이 증가하는 양상을 보이고 있으며, 금속재질이 PE관에 비해 유속증가에 따른 기울기가 커 유속이 증가할수록 상대적으로 높은 효율을 보이는 것으로 파악되었다(Table 14). 또한, 금속관의 경우 구경이 증대될수록 동일 유속하에서 열전달량이 높아지는데 이는 동일한 길이 내에서 구경이 커질수록 접촉면적이 구경에 비례하여 증대되고 유입유량은 구경 반지름의 제곱에 비례하여 증대되기 때문으로 판단된다.
- 열교환기 구경 변화에 따른 효율을 검토한 결과 유속이 증가할수록 열전달량이 증가하는 양상을 보이고 있으며, 금속재질이 PE관에 비해 유속증가에 따른 기울기가 커 유속이 증가할수록 상대적으로 높은 효율을 보이는 것으로 파악되었다.
- 13). 열교환기 내 주입유량에 따른 분석결과를 볼 때, 일반적인 PE관을 유사 규격의 금속관으로 교체할 경우, 열전달 효율이 6배 정도 증대될 수 있음을 알 수 있으며, 이는 금속관으로 설치된 지열공 1공만으로도 기존 지열공 6개 설치효과를 나타낼 수 있음을 의미한다. 단, 이와 같은 효율은 지하수의 양수를 동반할 경우 가능하다.
- 열교환기 내 주입유량에 따른 열교환기별 효율을 분석하면, PE관 대비 금속관의 열전달효율이 매우 높게 나타났으며, 금속관의 경우 구경이 증가할수록 효율이 높아지는 것으로 파악되었으나 현 유량에서의 구경증대에 따른 효율개선은 크지 않은 것으로 분석되었다. 각 주입량별 PE관 대비 효율을 분석하면 5 l/min의 경우 PE관 대비 동관, 스텐레스관은 3.
- 열교환기 내 주입유량에 따른 열교환기별 효율을 분석하면, PE관 대비 금속관의 열전달효율이 매우 높게 나타났으며, 금속관의 경우 구경이 증가할수록 효율이 높아지는 것으로 파악되었으나 현 유량에서의 구경증대에 따른 효율개선은 크지 않은 것으로 분석되었다(Table 12). 각 주입량별 PE관 대비 효율을 분석하면 5 l/min의 경우 PE관 대비 동관, 스테인레스관은 3.
- 58 mm) 열교환기 주입 유량에 따른 온도변화 그래프에서 얻어진 거듭제곱공식을 대입하여 보정하였다. 열교환기를 통과한 유체가 배출한 열량을 검토하면, 5 l/min의 경우 최솟값인 21.66 kcal/min의 열량을 배출하였고 유량이 증가할수록 배출열량도 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 10).
- 58 mm) 열교환기 주입 유량에 따른 온도변화 그래프에서 얻어진 거듭제곱공식을 대입하여 보정하였다. 열교환기를 통과한 유체가 배출한 열량을 검토하면, 5 l/min의 경우 최솟값인 21.66 kcal/min의 열량을 배출하였고 유량이 증가할수록 배출열량도 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 10).
- 여기서, ΔT는 온도변화 보정값, Q는 주입유량이다. 열교환기를 통과한 유체가 배출한 열량을 검토하면, 5 l/min의 경우 최솟값인 22.93 kcal/min의 열량을 배출하였고 유량이 증가할수록 배출열량도 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 11).
- 여기서, ΔT는 온도변화 보정값, Q는 주입유량이다. 열교환기를 통과한 유체가 배출한 열량을 검토하면, 5 l/min의 경우 최솟값인 6.57 kcal/min의 열량을 배출하였고 유량이 증가할수록 배출열량도 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 9).
- 23 정도이다. 이들 동관의 유속에 따른 열교환 효율을 검토하면 유속이 빠를수록 열전달량의 비가 소규모 증대되는 양상을 보이고 있으나 내경 비율인 1 : 2.23과 유사한 1 : 2.1(10 cm/sec 일 경우) ~ 1 : 2.4(100 cm/sec 일 경우)를 나타내어 동일재질에서 규격의 비율만큼 효율도 증대되는 것으로 확인되었다. 즉 구경이 2배 증대되면, 열전달량도 2배 증가되는 것으로 나타났다.
- 또한, 금속관의 경우 구경이 증대될수록 동일 유속하에서 열전달량이 높아지는데 이는 동일한 길이 내에서 구경이 커질수록 접촉면적이 구경에 비례하여 증대되고 유입유량은 구경 반지름의 제곱에 비례하여 증대되기 때문으로 판단된다. 즉, 구경이 커질수록 열교환기와 순환유체와의 접촉면적이 넓고 열교환기 내의 유입유량이 증대됨으로써 효율이 높아지는 것으로 볼 수 있다(Fig. 15).
후속연구
- 즉 구경이 2배 증대되면, 열전달량도 2배 증가되는 것으로 나타났다. 그러나 이는 2개 구경에 국한되어 시험한 데이터로써 구경 증가에 따른 정확한 효율증대를 평가하기 위해서는 추가적으로 다양한 구경에 대한 시험이 수행되어야 할 것이다.
- 이와 같은 현장실내시험 결과를 토대로 하여 일반적인 PE관을 유사 규격의 금속관으로 교체할 경우 열전달 효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있어, 금속재질 열교환기의 현장 적용성을 검토하고 현장실증시험을 실시하여 시공성을 검증한다면 기존 밀폐형 지중열교환기와의 비교를 통해 실용화 가능성을 검토할 수 있을 것으로 판단된다.
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