[논문]저심도 지중열교환기 개발을 위한 그라우트 재료에 따른 채열성능 검토 연구

오진환; 남유진

doi:10.17664/ksgee.2015.11.2.007

저심도 지중열교환기 개발을 위한 그라우트 재료에 따른 채열성능 검토 연구
The Performance Analysis for Low-Depth Unit-type Ground Heat Exchanger According to Grouting Materials 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.11 no.2, 2015년, pp.7 - 11

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the demand for sustainable energy sources is increasing, ground-source heat pump (GSHP) systems are receiving growing attention. However, the initial cost of GSHP system is higher than it of the conventional systems, especially, in small-size buildings. Therefore, for the application to the small-size building, it is necessary to develop small-size ground heat exchanger with small-size buildings. In this study, analysis of unit-type heat exchanger due to grouting materials. As a result, 1492.14 W of heat exchange rate was acquired in the condition of cement-silica sand-graphite materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 중·소규모 주택 및 건물에 적용 가능한 유닛형 지중열교환기의 최적 설계를 위하여 수치 시뮬레이션을 활용한 그라우트 재료의 변화에 따른 시스템 성능 검토를 실시하였으며, 시뮬레이션 개요 및 결과를 서술하였다.
본 논문에서는 중·소규모 주택에 적용 가능한 유닛형 지중열교환기의 최적 설계를 위하여 그라우트 재료에 따른 채열 성능 검토를 실시하였다.

가설 설정

14 m/s, 초기 순환수 온도차는 10℃로 설정하였다. 또한, 초기 지중온도는 16℃로 가정하였고, 장기 운전 시 과도한 채열로 인한 시스템 효율 감소를 고려하여 히트펌프에서 지중으로 들어가는 온도를 5℃로 제한하였으며, 경계 조건은 단열(Heat flux = 0) 조건으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. Table 2는 해석 모델의 물성치 조건을 나타낸다.
2m × 6m의 모델 범위를 설정하여 지중 열 이동의 영향범위를 고려하였다. 영역 중심 심도 2m 지점에 지중열교환기(U-tube, 32A, 내경 26 mm, 외경 32 mm)하고, 동계 3개월(12~2월) 동안 09:00~18:00에 운전하는 것으로 가정하였다.
지반은 우리나라의 일반적 조건인 화강암으로 가정하였으며, 유속은 0.14 m/s, 초기 순환수 온도차는 10℃로 설정하였다. 또한, 초기 지중온도는 16℃로 가정하였고, 장기 운전 시 과도한 채열로 인한 시스템 효율 감소를 고려하여 히트펌프에서 지중으로 들어가는 온도를 5℃로 제한하였으며, 경계 조건은 단열(Heat flux = 0) 조건으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

제안 방법

2는 시뮬레이션 모델 개념도를 나타낸다. 굴삭기로 굴삭 가능한 2~4m 지점에 지중열교환기를 매설하고, 그라우트 재료에 따른 채열성능을 검토하였다. 시뮬레이션 해석은 유닛형 지중열교환기의 한 부분의 채열량 분석을 통해 전체 채열 성능을 분석하였다.
열용량은 물질 고유의 비열, 밀도, 부피 비를 고려하여 고체 및 간극 부분을 포함한 고액 상 병렬 모델에 따라 계산하였다. 또한, 외기 및 지표면 부근의 열교환을 고려한 지표면 열플럭스 계산도 병행하였다. 지표면 열이동 모델은 기상청의 과거 10년치 평균인 표준기상데이터에 기반하여 지표면 장파복사, 태양 장파복사 및 단파복사, 대류열전달, 현열 및 잠열 이동을 이론식에 근거하여 산출되어 경계조건으로 설정하는 모델이다.
유닛형 지중열교환기 시스템의 최적설계를 위해서는 형상, 설치심도, 지중열교환기 사이간격, 그라우트 재료 등 다양한 설계변수들을 검토하여야 한다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기의 정확한 해석을 위해 선행연구[13,14]에서 개발된 지중열교환기, 토양 내 3상(고체, 액체, 기체)의 변화를 고려한 지중열이동 모델을 응용하여 3D 시뮬레이션 모델을 구축하였으며, 토양 내 고체상의 각 성분의 열전도율과 혼합 비율을 이용하여 가중기하평균 방적식을 사용하여 고체상의 열전도율을 계산하였다. 열용량은 물질 고유의 비열, 밀도, 부피 비를 고려하여 고체 및 간극 부분을 포함한 고액 상 병렬 모델에 따라 계산하였다.
Table 3은 각 Case 조건을 나타낸다. 본 논문에서는 총 3가지 Case를 설정하여 Case 1부터 3까지 각각 그라우트 재료를 콘크리트, Bentonite-Silica sandGraphite, Cement-Silica sand-Graphite로 설정하였다. 각 Case의 열전도율의 경우 선행연구[15]의 내용을 참고하였다.
굴삭기로 굴삭 가능한 2~4m 지점에 지중열교환기를 매설하고, 그라우트 재료에 따른 채열성능을 검토하였다. 시뮬레이션 해석은 유닛형 지중열교환기의 한 부분의 채열량 분석을 통해 전체 채열 성능을 분석하였다.
시뮬레이션은 Tetra 메쉬로 형상화 하여 정확도를 높였으며, 4m × 0.2m × 6m의 모델 범위를 설정하여 지중 열 이동의 영향범위를 고려하였다.

이론/모형

본 논문에서는 유닛형 지중열교환기의 정확한 해석을 위해 선행연구[13,14]에서 개발된 지중열교환기, 토양 내 3상(고체, 액체, 기체)의 변화를 고려한 지중열이동 모델을 응용하여 3D 시뮬레이션 모델을 구축하였으며, 토양 내 고체상의 각 성분의 열전도율과 혼합 비율을 이용하여 가중기하평균 방적식을 사용하여 고체상의 열전도율을 계산하였다. 열용량은 물질 고유의 비열, 밀도, 부피 비를 고려하여 고체 및 간극 부분을 포함한 고액 상 병렬 모델에 따라 계산하였다. 또한, 외기 및 지표면 부근의 열교환을 고려한 지표면 열플럭스 계산도 병행하였다.
지표면 열이동 모델은 기상청의 과거 10년치 평균인 표준기상데이터에 기반하여 지표면 장파복사, 태양 장파복사 및 단파복사, 대류열전달, 현열 및 잠열 이동을 이론식에 근거하여 산출되어 경계조건으로 설정하는 모델이다. 지중 채열량 예측은 질량, 구성물질, 선형 운동량 및 에너지 등 물질 보존법칙에 기초하여 삼차원 수치분석을 수행하는 해석코드 FEFLOW를 사용하였다. 세부 해석 방정식에 대한 설명은 선행연구에서 보고되어 생략한다.

성능/효과

(1) 지중온도 분석 결과, 심도가 깊어질수록 지표면 열플럭스의 영향이 점차 줄어들어 안정적인 온도 변화를 보이며, 지표면과 심도 6m의 온도차이는 3개월간 평균 6.21℃ 차이를 나타냈다.
(2) Cement-Silica sand-Graphite(Case 3)을 그라우트 재료로 사용할 경우, Bentonite-Silica sandGraphite(Case 2)를 사용했을 때 보다 약 16% 더 높은 채열성능을 나타냈다.
(3) 종합적 해석결과, 지중열교환기 주위의 열전도율이 채열 성능에 미치는 영향이 크다고 판단되므로 시공 시 그라우트 재료의 선택 및 시공의 정밀성이 요구된다.
[1]이 GLD 프로그램을 활용하여 지중열전도도, 보어홀 열 저항, 지중초기온도, 관경 등 설계조건 변화에 따른 지중열교환기 길이 변화를 검토하여 보어홀 열 저항이 0.02 m·K/W 증가 시 지중열교환기 총 길이의 냉방 7.2%, 난방 9.3% 증가함을 확인하였으며, Son[2]은 시뮬레이션을 통한 토양 열전도도와 수분함량이 수평형 지중 열교환기 설계 길이에 미치는 영향을 고찰하여 토양의 열전도도가 증가할수록 수평형 지중열교환기의 설계 길이는 감소하고, 트렌치 깊이를 깊게 할수록 지중열교환기 길이가 감소함을 확인하였다.
[9]은 시뮬레이션과 실험을 통하여 수직 밀폐형 시스템의 60m, 70m, 80m, 90m, 100m 각 심도별 최적의 채열 성능을 분석, 총 지중열교환기 길이를 산정하고 경제성 평가를 수행하였다. 그 결과, 70m 깊이가 총 11,628m, 182.2만원의 비용을 나타내 가장 효율적임을 확인하였다. Mohamed et al.
[11]은 유전자 알고리즘을 활용하여 시뮬레이션을 실시, 각 설계인자별 수직 U-tube 열교환기의 최적 설계를 위한 새로운 방법을 제안하고 경제성 평가를 수행하였다. 그 결과, 기존 설계의 경우보다 전체 시스템 비용을 약 5.5% 절감할 수 있음을 확인하였다.
[4]은 수치 시뮬레이션을 이용하여 이격거리에 따른 복수정(Twowell) 개방형 지열 시스템의 채열성능을 검토하였다. 그 결과로써, 관정간의 이격거리가 멀어지면 지중방열로 인한 열원수 온도에 미치는 영향이 미미해짐을 확인하였다.
35℃로 나타났다. 심도 0.1m의 지중온도의 경우, 지표면 열플럭스의 영향으로 인하여 외기와 비슷한 양상의 온도변화를 나타냈으며, 심도가 깊어질수록 점차 영향이 줄어들어 심도 2m부터 온도가 점차 안정적으로 변하는 것을 확인하였다. 또한, 심도 2m의 지중온도는 지중열교환기의 채열로 인한 지중온도 하락을 나타냈다.
5는 동계 3개월의 단위길이 당 일평균 채열량을 나타낸다. 열원 온도의 하락으로 인한 채열성능 저하를 확인하였으며, Case 1부터 3까지 각각 3개월 평균 18.92 W/m, 16.46 W/m, 19.13 W/m의 채열성능을 확인하였다.
유닛형 지중열교환기는 기존의 일반적인 수직 밀폐형 지중열교환기에 비해 다소 효율은 낮으나, 초기투자비 절감, 공기 단축, 시공의 용이성 등 다양한 이점으로 인해 적용 가능성이 충분하다고 판단하였다. 유닛형 지중열교환기의 설명 및 개발에 관해서는 선행연구[12]에서 설명이 되어 본 논문에서는 생략한다.

후속연구

향후, 더욱 다양한 Case study를 실시하여 시스템설계 인자가 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 최적설계 기법을 구축할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유닛형 지중열교환기 시스템의 최적의 설계를 위해 고려해야 하는 것은?	유닛형 지중열교환기 시스템의 최적설계를 위해서는 형상, 설치심도, 지중열교환기 사이간격, 그라우트 재료 등 다양한 설계변수들을 검토하여야 한다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기의 정확한 해석을 위해 선행연구[13,14]에서 개발된 지중열교환기, 토양 내 3상(고체, 액체, 기체)의 변화를 고려한 지중열이동 모델을 응용하여 3D 시뮬레이션 모델을 구축하였으며, 토양 내 고체상의 각 성분의 열전도율과 혼합 비율을 이용하여 가중기하평균 방적식을 사용하여 고체상의 열전도율을 계산하였다.
	지열 히트 펌프 시스템의 단점은?	이에 대한 해결 방안으로서, 신재생에너지 이용기술이 주목받고 있으며 그 중 지열 히트 펌프 시스템은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중온도를 활용한 온도차 에너지 이용기술로서 냉·난방 에너지 절감 효과가 크다. 하지만, 타 열원 시스템이 비하여 높은 설치비 및 고심도 시공에 대한 신뢰성이 낮은 문제점이 있다. 특히, 중·소규모 주택 및 건물에서는 높은 시공비로 인하여 보급이 지연되고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 최적설계를 통한 시스템 효율 향상 및 단가 절감을 도모하는 방안이 있으며, 국내·외 많은 연구들이 시뮬레이션과 실험을 통하여 진행되고 있다.
	지열 히트 펌프 시스템의 장점은?	각 국가에서는 다양한 에너지 규제를 실시하고 있지만, 증가되는 에너지 수요 및 최대 전력 수요 문제에 적극적으로 대응하기 어려운 부분이 많다. 이에 대한 해결 방안으로서, 신재생에너지 이용기술이 주목받고 있으며 그 중 지열 히트 펌프 시스템은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중온도를 활용한 온도차 에너지 이용기술로서 냉·난방 에너지 절감 효과가 크다. 하지만, 타 열원 시스템이 비하여 높은 설치비 및 고심도 시공에 대한 신뢰성이 낮은 문제점이 있다.

참고문헌 (15)

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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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