[논문]지표수 열교환기 설계 변수와 적용 효과에 대한 선행 분석

손병후

doi:10.17664/ksgee.2016.12.3.024

지표수 열교환기 설계 변수와 적용 효과에 대한 선행 분석
Preliminary Analysis on Design Parameters and Application Effects of Surface Water Heat Exchanger (SWHE) 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.12 no.3, 2016년, pp.24 - 32

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Commercial buildings and institutions are generally cooling-dominated and therefore reject more heat to a borehole ground heat exchanger (BHE) than they extract over the annual cycle. Shallow ponds can provide a cost-effective means to balance the thermal loads to the ground and to reduce the length of BHE. This paper presents the analysis results of the impact of design parameters on the length of SWHE pipe and its application effect on geothermal heat pump (GHP) system using BHE. In order to analysis, we applied ${\varepsilon}-NTU$ method on designing the length of SWHE pipe. Analysis results show that the required pipe length of SWHE was decreased with the increase of approach temperature difference and with the decrease of pipe wall thickness. In addition, when the SWHE was applied to the GHP system, the temperature of BHE was more stable than that of standalone BHE system.

주제어

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문제 정의

본 논문은 지표수 열교환기(surface water heat exchanger, SWHE) 설계 인자가 열교환기 파이프 길이에 미치는 영향을 분석하였다. 이때 일반적인 열교환기 설계 기법 중 하나인 유용도-NTU 법을 적용하였으며, 아울러 기존 열전달 상관식을 이용하였다.

가설 설정

12) 또는 월별(Fig. 13) 온도 변화는 거의 유사하였다.
이어서 지표수 열교환기와 보어홀 지중열교환기(이하 ‘보어홀 열교환기’)를 함께 사용한다고 가정한 후, 적용 효과를 분석하였다.

제안 방법

각종 인자가 지표수 열교환기 사양에 미치는 영향을 분석하였다. 또 보어홀 열교환기를 이용하는 지열 시스템을 설치한다고 가정한 후, 지표수 열교환기 추가 적용에 따른 효과를 분석하였다.
냉방 최고 EST를 28.8℃로 고정한 상태에서, 지표수 열교환기 추가에 따른 보어홀 열교환기 길이 절감 효과(Case-2)를 분석하였다. 앞선 결과와 마찬가지로, 시간대별(Fig.
적용 효과를 분석하기 위해, 대상 건물의 시간대별 에너지 부하(hourly energy load)와 최대 부하(peak load)를 상용 프로그램[14]으로 계산하였다. 다음으로 부하 계산 결과를 설계 프로그램[15]에 입력하여 가상 지열 히트펌프 시스템(기준 시스템)을 설계하였다. Table 1에 기준 시스템 설계 시 입력한 데이터를 정리하였다.
두 경우(Case-1과 Case-2)로 구분하여 지표수 열교환기 적용 효과를 분석하였다. 먼저 보어홀 열교환기 시스템에 지표수 열교환기를 추가할 경우, 지중 순환수의 온도 변화(Case-1)를 분석하였다.
각종 인자가 지표수 열교환기 사양에 미치는 영향을 분석하였다. 또 보어홀 열교환기를 이용하는 지열 시스템을 설치한다고 가정한 후, 지표수 열교환기 추가 적용에 따른 효과를 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
두 경우(Case-1과 Case-2)로 구분하여 지표수 열교환기 적용 효과를 분석하였다. 먼저 보어홀 열교환기 시스템에 지표수 열교환기를 추가할 경우, 지중 순환수의 온도 변화(Case-1)를 분석하였다. 이어서 지표수 열교환기 적용에 따른 보어홀 열교환기 길이 절감 효과(Case-2)를 분석하였다.
보어홀 열교환기의 순환수 온도 변화를 단기간과 장기간으로 구분하여 분석하였다. Fig.
일반적으로 지열 히트펌프 시스템의 성능은 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도(EST)에 영향을 받는다. 본 논문도 EST 변화에 초점을 맞추었으며, 이때 문헌[12, 13]에서 제시한 시뮬레이션 방법과 절차를 적용하였다.
8℃로 고정한 상태에서, 지표수 열교환기 추가에 따른 보어홀 열교환기 길이 절감 효과(Case-2)를 분석하였다. 앞선 결과와 마찬가지로, 시간대별(Fig. 12)과 월별(Fig. 13)로 구분하여 EST 변화를 분석하였다. 냉방 최고 EST를 28.
열교환기 출구 온도(coil exit temperature), 즉 히트펌프 입구 온도를 제외한 나머지 인자들(연못 온도, 파이프 두께 등)은 고정한 상태에서 파이프 길이 변화를 분석하였다(Fig. 3). 파이프 길이는 열교환기 출구 온도(Fig.
열교환기 파이프의 바깥지름(OD)이 길이에 미치는 영향을 분석하였다(Fig. 5). 이때 기본 조건은 연못물 온도 24℃, 히트펌프 냉방 COP 4.
먼저 보어홀 열교환기 시스템에 지표수 열교환기를 추가할 경우, 지중 순환수의 온도 변화(Case-1)를 분석하였다. 이어서 지표수 열교환기 적용에 따른 보어홀 열교환기 길이 절감 효과(Case-2)를 분석하였다. 일반적으로 지열 히트펌프 시스템의 성능은 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도(EST)에 영향을 받는다.
적용 효과를 분석하기 위해, 대상 건물의 시간대별 에너지 부하(hourly energy load)와 최대 부하(peak load)를 상용 프로그램[14]으로 계산하였다. 다음으로 부하 계산 결과를 설계 프로그램[15]에 입력하여 가상 지열 히트펌프 시스템(기준 시스템)을 설계하였다.

대상 데이터

Table 1에 기준 시스템 설계 시 입력한 데이터를 정리하였다. 대상 건물의 공조 면적은 약 1,022 m²(지상 1층 341.2 m²/지상 2, 3층 각각 340.4 m²)이다. 냉난방 최대 부하는 각각 107.
지표수는 체적에 따라 호수(lake water)와 연못(pond)으로 구분할 수 있다[6]. 본 연구는 저심도 인공 연못(shallow pond)으로 한정하였으며, 설계 인자로 연못 온도와 파이프 사양 등을 고려하였다. 이어서 지표수 열교환기와 보어홀 지중열교환기(이하 ‘보어홀 열교환기’)를 함께 사용한다고 가정한 후, 적용 효과를 분석하였다.

이론/모형

여기서 D_c,avg는 슬린키 코일의 평균 지름이다. 관 외측 자연대류 열전달계수 계산에는 Churchill and Chu[11]의 상관 식[식 (8)]을 적용하였다.
개방형은 호수나 연못의 물을 직접 이용하며, 밀폐형은 지표수 안에 잠긴 폴리엔틸렌 파이프를 이용한다[7]. 슬린키(slinky), 스파이럴-헬리컬(spiral-helical), 번들(loose-bundle) 등 다양한 형상의 파이프를 적용할 수 있지만, 본 논문은 슬린키 방식으로 한정하였다.
본 논문은 지표수 열교환기(surface water heat exchanger, SWHE) 설계 인자가 열교환기 파이프 길이에 미치는 영향을 분석하였다. 이때 일반적인 열교환기 설계 기법 중 하나인 유용도-NTU 법을 적용하였으며, 아울러 기존 열전달 상관식을 이용하였다. 지표수는 체적에 따라 호수(lake water)와 연못(pond)으로 구분할 수 있다[6].
열교환기 파이프가 직관(straight pipe)인 경우, 관 내측 대류열전달계수 계산에 통상 Dittus-Boelter식을 적용한다[8]. 하지만 본 연구의 대상은 슬린키 파이프 즉 곡관(curved pipe)이기 때문에, 원심력의 영향을 반영한 Rogers and Mayhew[10]의 상관 식[식 (7)]을 적용하였다. 여기서 D_c,avg는 슬린키 코일의 평균 지름이다.

성능/효과

(1) 지표수 열교환기 출구 온도가 연못물의 온도에 접근할수록 열교환기 파이프가 더 필요하다.
(2) 열교환기 파이프의 바깥지름이 클수록 길이는 다소 줄어든다. 하지만 출구 온도가 약 29℃보다 큰 경우, 바깥지름의 영향은 거의 없었다.
(3) SDR 값이 크면 열전도에 영향을 미치는 열저항이 감소하기 때문에, 파이프 길이는 감소한다.
(4) 보어홀 시스템에 지표수 열교환기를 추가하면, 지중 순환수의 온도는 감소한다.
(5) 냉방 설계 EST를 고정한 상태에서, 지표수 열교환기를 같이 사용하면 보어홀 열교환기의 길이를 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 히트펌프가 효율이 높은 이유는 무엇인가?	지열 히트펌프(ground-coupled heat pump) 시스템은 지중의 항온성을 활용하기 때문에 효율이 높은 시스템이다. 기존 냉난방 설비와 비교했을 때, 이산화탄소와 같은 온실효과 가스를 상대적으로 적게 배출하기 때문에 친환경적이다.
	냉방 에너지부하가 큰 건물의 특징은?	대상 건물의 냉난방 에너지부하가 균형을 이룰 때 지열 시스템은 효과를 크게 본다. 반면 냉방 에너지부하가 큰 건물(coolingdominated building)에서는 보어홀 열교환기 순환수의 온도가 지속적으로 상승하기 때문에, 시스템 성능은 지속적으로 감소한다. 한편 난방 위주 건물(heating-dominated building)에서는 냉방과 반대 현상이 발생하며, 이는 시스템의 난방 성능이 감소하는 원인이 된다.
	지열 히트펌프 시스템이 친환경적인 이유는?	지열 히트펌프(ground-coupled heat pump) 시스템은 지중의 항온성을 활용하기 때문에 효율이 높은 시스템이다. 기존 냉난방 설비와 비교했을 때, 이산화탄소와 같은 온실효과 가스를 상대적으로 적게 배출하기 때문에 친환경적이다. 지열 히트펌프 시스템은 또한 건물 부문의 에너지를 크게 줄일 수 있는 재생 가능 에너지원으로 주목받고 있다.

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