[논문]공기열원 히트펌프를 위한 공기식 지중 열교환기(GAHX) 설계 및 분석 연구

이광섭; 류남진; 강은철; 이의준

doi:10.17664/ksgee.2016.12.2.001

공기열원 히트펌프를 위한 공기식 지중 열교환기(GAHX) 설계 및 분석 연구
Ground Air Heat Exchanger Design and Analysis for Air Source Heat Pump 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.12 no.2, 2016년, pp.1 - 6

이광섭 (과학기술연합대학원대학교 재생에너지공학과) , 류남진 ((주)탑솔 기술연구소) , 강은철 (한국에너지기술연구원 에너지효율연구본부) , 이의준 (한국에너지기술연구원 에너지효율연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

A ground air heat exchanger (GAHX), also called earth air heat exchanger is a useful technology to be integrated with other renewable energy technologies. In this study, ground-air heat exchanger system for the air source heat pump is introduced. The purpose of this study is to design the volumetric flow rate and the length of GAHX system. A GAHX length model equation has been developed and used for calculation. GAHX thermal efficiency are recommended as 75% and 85% in order to optimize pipe length. $2,750m^3/h$, $2,420m^3/h$ of volumetric flow rate on 88.3m, 111.7m length are suggested for providing 7.5kW thermal capacity. And the number of path is recommended more than two to minimize pressure drop. For future study, advanced model equation study with ground thermal behavior and a more efficient GAHX design will be considered.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공기식 지중 열교환기를 히트펌프 시스템과 연계할 때 히트펌프 열원으로써 요구되는 공기식 지중 열교환기의 최적 열량을 설계 해석하였다. 본 연구는 공기식 지중열교환기를 활용하여 저유량의 환기시스템의 용도가 아닌 고유량을 요구하는 히트펌프 열원용으로 설계하는 연구이다. 또한 9kW급의 공기열원 히트펌프 시스템에 필요한 약 7.
본 연구에서는 공기식 지중 열교환기를 히트펌프 시스템과 연계할 때 히트펌프 열원으로써 요구되는 공기식 지중 열교환기의 최적 열량을 설계 해석하였다. 본 연구는 공기식 지중열교환기를 활용하여 저유량의 환기시스템의 용도가 아닌 고유량을 요구하는 히트펌프 열원용으로 설계하는 연구이다.
본 연구에서는 환기부하 절감을 위한 저유량의 공기식 지중열 교환기가 아닌 히트펌프 유량을 대응할 수 있는 고유량의 공기식 지중열 교환기에 관한 연구로 수행하였다. 본 연구에서는 공기열원 히트펌프의 열원으로 적용가능한 공기식 지중 열교환기를 설계하고자 열전달 모델식을 바탕으로 공기 열원 히트펌프의 필요 용량에 맞는 공기식 지중 열교환기의 관로(Path)의 설계, 길이 및 유량 산정을 수행하였다.
Hollmuller[4], Lee[5]는 TRNSYS와 Energy Plus에 공기식 지중 열교환기를 적용시킬 수 있는 모델을 개발해 왔지만, 초기 설계단계에서 공기식 지중 열교환기의 설계를 할 수 있는 모델은 많이 연구되지 않았다[6,7]. 본 연구에서는 환기부하 절감을 위한 저유량의 공기식 지중열 교환기가 아닌 히트펌프 유량을 대응할 수 있는 고유량의 공기식 지중열 교환기에 관한 연구로 수행하였다. 본 연구에서는 공기열원 히트펌프의 열원으로 적용가능한 공기식 지중 열교환기를 설계하고자 열전달 모델식을 바탕으로 공기 열원 히트펌프의 필요 용량에 맞는 공기식 지중 열교환기의 관로(Path)의 설계, 길이 및 유량 산정을 수행하였다.

가설 설정

실험장치의 설치 위치는 충남 계룡시 인근으로 겨울철 설계 외기온도 조건을 –10℃, 지중온도는 0℃로 가정하였다.
따라서 길이 계산을 위해 모델식 (1)~(8)을 이용하지만, 관로의 유량이 커지고 길이가 길어지면 압력손실이 크게 발생하기 때문에 유량과 길이의 최적화를 위해 압력손실의 계산이 필요하다. 압력손실의 계산은 덕트의 마찰손실을 계산하는데 주로 쓰이는 베르누이 방적식을 활용한 압력손실 계산방법을 이용하여, 직경은 일정하며 파이프가 수평인 상태로 가정하였고 그 식은 다음과 같다.

제안 방법

(1) 선행연구의 계산식을 바탕으로 공기식 지중 열교환기 길이 산정 설계 모델을 개발하였고, 이를 이용하여 공기식 지중 열교환기의 최적의 열교환 효율을 산정하였다.
(3) 설계조건을 만족하기 위한 지중 열교환기의 관로의 수와 총 필요 길이를 산정하였고, 총 압력손실을 계산하였다. 그 결과 실험장치에 이용할 다익형 송풍기의 정압 성능을 고려하여 2개의 관로 이상으로 설계하여야 한다.
3은 병렬로 연력된 다중관로에 대한 시각적인 설명을 나타낸 그림이다. 각 관로를 1개에서부터 5개까지 분할하여 설계하였을 때 75%와 85%의 열교환 효율에서 7.5 kW의 열을 생산하기 위한 관로의 길이, 총 관로의 길이, 관로별 유량 및 총 압력손실을 계산하여 아래의 Table 4로 나타내었다.
5 kW의 열을 생산하기 위해 약 2,750 m³/h, 2,420 m³/h의 유량이 산정되었다. 계산된 유량을 바탕으로 관로(Path)의 최적화를 위해 관로의 개수에 따른 유량과 길이, 압력손실을 계산하였다. 또한 계산된 유량을 바탕으로 개발한 모델식에 반영하여 지중 열교환기의 길이를 산정하였다.
지중 열교환기의 효율은 지중 열교환기를 통해 나올 수 있는 최고 온도차(지중온도−입구온도) 대비 출력 온도차(출구온도−입구온도)를 의미하며, 이 효율은 높을수록 좋지만 일정 효율이상으로 효율을 높이기 위해서는 지중 열교환기 길이가 기하급수적으로 증가하게 된다. 그리하여 최적의 효율을 찾아내기 위해 모델식 (1)~(8)을 바탕으로 열교환 효율과 길이의 상관관계를 알아보기 위해 유량을 고정시킨 뒤 열효율 달성을 위한 필요길이를 계산하였다.
즉 상대적으로 파이프의 길이가 길어지면 효율은 증가하지만 열효율 85% 이후부터는 더 높은 온도를 얻기 위해 상대적으로 긴 파이프가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 길이와 유량 산정의 최적화를 위해 열효율 75%에서 85%의 범위를 지중 열교환기의 열교환 효율로 선정하였다.
이 값은 실험장치에 이용할 환기용 팬의 정압 성능과 비교하였을 때, 한계치에 가까운 값으로 팬의 과부하와 유량 값을 보여주기 힘들 것이라고 판단되었다. 따라서 지중 열교환기의 관로를 1개에서부터 5개로 변화시켜가며 7.5 kW의 열용량을 생산하기 위해 필요한 각 관로의 길이와 압력손실을 계산하였다.
본 연구는 공기식 지중열교환기를 활용하여 저유량의 환기시스템의 용도가 아닌 고유량을 요구하는 히트펌프 열원용으로 설계하는 연구이다. 또한 9kW급의 공기열원 히트펌프 시스템에 필요한 약 7.5 kW의 열원측 열량을 생산하기 위하여 공기식 지중 열교환기의 최적 길이 산정과 적정 유량을 설계 해석하였다.
계산된 유량을 바탕으로 관로(Path)의 최적화를 위해 관로의 개수에 따른 유량과 길이, 압력손실을 계산하였다. 또한 계산된 유량을 바탕으로 개발한 모델식에 반영하여 지중 열교환기의 길이를 산정하였다. 그 결과 한 개의 관로로 설계하였을 때, 실험장치에 필요한 지중 열교환기의 길이는 각각 88.

이론/모형

공기식 지중 열교환기의 길이를 설계하는 모델식은 Vlad[6]와 Paepe[7]의 계산식을 참조하여 작성하였으며, 수식 (1)부터 (4)는 기본적인 열역학 및 유체역학 공식들을 활용하였다. 열교환기의 길이를 산정하기 위해 필요한 입력데이터들은 파이프의 외경 및 내경, 열전도도, 열효율, 공기의 유량, 밀도 및 동점성 계수 등이 있으며, Table 1에 정리하였다.

성능/효과

(2) 모델식을 바탕으로 75% 와 85%의 열교환 효율에서 7.5 kW의 열용량을 생산하기 위해 약 2,750 m³/h, 2,420 m³/h의 유량이 산정하였고, 모델식을 기반으로 필요한 길이는 각각 88.3 m, 111.7 m로 계산되었다.
또한 계산된 유량을 바탕으로 개발한 모델식에 반영하여 지중 열교환기의 길이를 산정하였다. 그 결과 한 개의 관로로 설계하였을 때, 실험장치에 필요한 지중 열교환기의 길이는 각각 88.3 m, 111.7 m가 필요한 것으로 산정되었다.

후속연구

향후 연구에서는 실험장치 설계조건의 정확한 길이산정을 위해 실측 외기온도와 지중온도의 측정을 바탕으로 모델식을 이용한 계산이 필요하며, 이론적인 계산과 실제의 적용 오차를 줄이기 위한 파이프 주변 지중의 열거동을 반영한 진보적인 모델식의 연구와 실증시설과의 실험 데이터 비교 및 전산해석과의 검증 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기식 지중 열교환기는 주로 어떻게 설치하는가?	공기식 지중 열교환기는 일반적으로 Fig. 1과 같이 지표면에서부터 지중으로 1m에서 3 m 깊이에 파이프를 수평형으로 매설하여 설치한다. 외기온도보다 지중의 온도는 변화폭이 좁기 때문에 냉난방에 필요한 에너지원으로 이용이 가능하다.
	공기식 지중 열교환기의 장점은?	공기식 지중 열교환기(GAHX; Ground Air Heat Exchanger)는 지중 공기열을 이용하여 건물의 냉난방 및 환기부하를 저감시켜 주는 요소로써 많이 이용되고 있다. 외기가 지중 열교환기를 통과할 때 외기열을 회수하거나 실내열을 지중으로 방출하면서 냉난방부하 저감이 이뤄짐과 동시에 실내 환기량도 충족시켜 준다. 또한 건축물의 지반공사 시 지하공간에 설치가 용이하기 때문에 별도의 천공이 필요한 수직형 지중 열교환기보다 초기비용이 적게 발생한다. 이러한 장점을 이용하여 독일에서는 Ecoair Ground Air Heat Exchange System에 공기식 지중 열교환기(GAHX)를 적용하는 기술을 소개하고 있다[1].
	공기식 지중 열교환기는 어떤 요소로 많이 이용되었는가?	공기식 지중 열교환기(GAHX; Ground Air Heat Exchanger)는 지중 공기열을 이용하여 건물의 냉난방 및 환기부하를 저감시켜 주는 요소로써 많이 이용되고 있다. 외기가 지중 열교환기를 통과할 때 외기열을 회수하거나 실내열을 지중으로 방출하면서 냉난방부하 저감이 이뤄짐과 동시에 실내 환기량도 충족시켜 준다.

참고문헌 (7)

Rehau Ecoair Ground-Air Heat Exchange System, www.rehau.com.
Kang, E. C., Lee, E. J., and Min, K. C., 2014, Two way set temperature control impact study on ground coupled heat pump system energy saving, Korea Society of Geothermal Energy Engineerings, Vol. 10, pp. 7-12.
Muehleisen, R. T., 2012, Simple design tools for earthair heat exchangers, In Fifth National Conference of IBPSA-USA, SimBuild, pp. 723.
Hollmuller, P. and Lachal, B. M., TRNSYS compatible moist air hypocaust model, Final report, Centre universitaire d'etudes des problemes de l'energie, Geneve.
Lee, K. H. and Strand, R. K., 2008, The cooling and heating potential of an earth tube system in buildings, Energy and Buildings, Vol. 40, pp. 486-494.

상세보기
Vlad, G. E. C., Necula, H., and Badea, A., 2011, Thermoeconomic design of an earth to air heat exchanger used to preheat ventilation air in low energy buildings, International Conference on Energy, Environment, Entrepreneurship, Innovation, Lanzarote, Spania, pp. 11-16.
De Paepe, M. and Janssens, A., 2003, Thermal-hydraulic design of earth-air heat exchangers, Energy and Buildings, Vol. 35, pp. 389-397.

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저자의 다른 논문 :

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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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