[논문]밀폐형과 개방형이 결합된 복합지열시스템의 지중열교환기 성능 분석

박영윤; 송재용; 이근춘; 김기준; 목종구; 박유철

doi:10.7857/jsge.2017.22.5.023

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This study was conducted to evaluate performance of geothermal heat exchanger (GHE) in the combined well and open-closed loops geothermal (CWG) systems. The CWG systems were designed to combine open loop geothermal heat pumps and closed loop geothermal heat pumps for high energy efficiency. GHE of t...

This study was conducted to evaluate performance of geothermal heat exchanger (GHE) in the combined well and open-closed loops geothermal (CWG) systems. The CWG systems were designed to combine open loop geothermal heat pumps and closed loop geothermal heat pumps for high energy efficiency. GHE of the CWG systems could be installed at pumping wells for agricultural usage. To get optimal heat exchange capacity of GHE of the CWG systems, 4 GHEs with various materials and apertures were tested at laboratory scale. Polyethylene (PE) and stainless steel (STS) were selected as GHE materials. The maximum heat exchange capacity of GHEs were estimated to be in the range of 33.0~104 kcal/min. The heat exchange capacity of STS GHEs was 2.4~3.2 times higher than that of PE GHE. The optimal cross section area of GHE and flow rate of circulating water of GHE were estimated to be $2,500mm^2$ and 113 L/min, respectively. For more complicated GHE of the CWG systems, it is necessary to evaluate GHEs at various scales.

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문제 정의

, 2017). 이번 연구는 고효율의 지열시스템을 개발하기 위한 기초연구로, 개방형과 밀폐형이 결합된 복합지열시스템의 지중열교환기 재질과 규격에 따른 열교환효율과 지중열교환기 내 단위 단면적당 최적의 순환수량을 비교 및 분석하기 위해 수행하였다.
이 연구는 지열냉난방시스템에서 지열공의 에너지 효율을 높이기 위해서 개발된 복합지열시스템 내 밀폐형 형태의 지중열교환기의 열교환효율을 평가하기 위해서 수행되었다. 복합지열시스템은 이전의 밀폐형과 개방형을 결합한 형태로 지하수 관정에 밀폐형 지중열교환기를 설치하는 방식이다.

가설 설정

일반적으로 지열냉난방시스템에서 순환수는 열교환 후 지하로 다시 주입된 순환수의 수온이 주변 지하수의 영향으로 순환수의 수온이 빠르게 열교환 전으로 회복되는 것으로 가정한다. 그러나 지중환경에 따라서 순환수 수온의 회복속도가 다르게 나타날 수 있다.
는 4시간의 시험동안에 주입수와 유출수에서 측정된 수온차의 평균값을 의미한다. 이번 연구에서는 물의 비중이 1 kg/m³으로 가정하고 열량을 계산하였다.

제안 방법

개방형에서 동일한 지열공에서 양수와 환수를 병행하는 스텐딩 컬럼 웰(standing column well) 방식이 있다. 이 연구에서 제안한 복합지열시스템은 개방형의 단일지열공(one well type) 내부에 밀폐형 방식의 지중열교환기를 결합한 시스템이다(Fig. 1). 복합지열시스템은 지하수를 많이 사용하는 시설재배에 적합한 시스템으로 관정으로부터 뽑아낸 지하수는 지상에서 개방형 방식으로 열교환을 한 후 농업용수로 사용할 수 있다.
또한 측정된 수온을 이용하여 열교환기수조에서 교환된 열량(ΔQ)을 계산하였다.
지중열교환기에서 측정된 수온차이를 이용하여 각 지중열교환기의 ΔH를 계산하였다.
이번 연구에서는 주입수(W1)과 열교환기수조의 수온(W2)을 수온차이 ΔT(W1 −W2)를 이용하여 ΔT가 3, 5, 7, 10oC일 경우에 지중교환기의 재질, 규격 및 순환수 유량에 따른 열에너지교환량을 평가하였다(Fig. 6).
Table 3에 국내에서 판매되는 스테인리스관의 규격을 정리하였으며 이를 이용하여 각 규격별 스테인리스관의 단면적을 계산하였다. 또한 위의 증가 경향성을 이용하여 계산된 스테인리스관 규격별 최적 순환수 유량을 정리하였다. Fig.
이때 주입수의 수온(W1), 열교환기 수조 내 수온(W2), 유출수의 수온(W1')을 매 30초마다 측정하였다.
시험장치는 항온수조(water tank I), 열교환기수조(water tank II), 펌프, 유량계(flow regulator), 온도계 및 열교환기로 구성된다(Table 1). 열교환기는 PE관과 스테인리스관으로 각각 제작하였으며 복합지열시스템에 적합한 열교환기 규격 및 순환수량을 산정하기 위해 스테인리스관의직경이 28.6(ST-20A), 42.7(ST-32A), 60.5(ST-50A) mm인 열교환기를 제작하였으며 각각의 열교환기에 10, 20,30, 50, 70 및 100 L/min의 주입량으로 각각 4시간씩 시험장치를 운행하였다. 이때 주입수의 수온(W1), 열교환기 수조 내 수온(W2), 유출수의 수온(W1')을 매 30초마다 측정하였다.

대상 데이터

복합지열시스템 내 밀폐형 형태의 지중열교환기의 열교환효율을 측정하기 위해서 시험장치를 제작하였다(Fig. 2). 시험장치는 항온수조(water tank I), 열교환기수조(water tank II), 펌프, 유량계(flow regulator), 온도계 및 열교환기로 구성된다(Table 1).
2). 시험장치는 항온수조(water tank I), 열교환기수조(water tank II), 펌프, 유량계(flow regulator), 온도계 및 열교환기로 구성된다(Table 1). 열교환기는 PE관과 스테인리스관으로 각각 제작하였으며 복합지열시스템에 적합한 열교환기 규격 및 순환수량을 산정하기 위해 스테인리스관의직경이 28.

데이터처리

5). Fig. 5의 결과로부터 스테인리스관 규격별 회귀방정식과 이로부터 계산된 최적 순환수량을 계산하였다(Table 2). 최적 순환수량은 y=26.

성능/효과

또한 모든 지중열교환기에서 순환수의 유량이 증가할수록 ΔH는 감소하고 스테인리스관의 규격이 커질수록 ΔH가 증가하는 경향을 보였다(Fig. 4).
시험을 하는 동안에 PE, ST-20A, ST-32A, ST-50A에서 W1과 W1'에서 수온차이는 각각 0.3~2.2, 0.6~5.2,0.4~5.7, 0.7~5.6oC의 범위를 보였으며 스테인리스관은 PE 관에 비해서 수온변화가 뚜렷하게 나타났으며 스테인리스관의 규격에 상관없이 동일한 순환수의 유량에서는 거의 0.5oC 범위 이내에서 차이를 보였다(Fig. 3).
그러나 이번 연구에서 제안하는 복합지열시스템은 지하수 관정 내부에 밀폐형 형태의 지중열교환기를 설치하는 시스템이므로 지중열교환기의 재료를 기존의 PE관보다 열전도도가 더 좋은 스테인리스관으로 교체하는 경우에는 열교환효율이 크게 개선될 것이다. 결과적으로는 이번 실험과 유사한 환경에서 복합지열시스템을 설치 시 밀폐형에 비해서 지열공 수까지도 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
08(R²=1)의 경향성을 가지고 증가하였으며 스테인리스관의 규격이 커질수록 ΔQ의 증가율이 증가하였다. 이러한 결과는 지중열교환기를 지하수와 직접 접하게 설치하는 경우에 지중환경에 상관없이 PE관보다 스테인리스관의 열교환효율이 더 좋으며 스테인리스관의 경우에는 규격이 클수록 열교환효율이 더 좋다는 것을 의미한다. 그러나 복합지열시스템 운영 시 개방형 방식도 같이 사용하기 때문에 에너지부하량에 따라 밀폐형과 개방형 방식의 부하를 적절하게 분배하여 운영하는 것이 중요하며 복합지열시스템 운영 시 수치모델링을 통해 밀폐형과 개방형 방식의 사용 비율을 결정할 예정이다.
스테인리스로 제작된 지중열교환기의 규격의 증가에 따라서 순환수의 유량이 선형관계로 증가하다가 증가폭이 감소하는 것을 확인하였다(Fig. 5). Fig.
복합지열시스템은 이전의 밀폐형과 개방형을 결합한 형태로 지하수 관정에 밀폐형 지중열교환기를 설치하는 방식이다. 이 연구에서 PE관과 ST-20A, ST-32A, ST50A에서 최대 열교환량은 각각 33.0, 78.4, 93.4, 104kcal/min으로 PE관에 비해서 스테인리스관의 열교환량이 2.4~3.2배 더 높은 것으로 평가되었다. 이것은 기존의 밀폐형의 지중열교환기에 비해서 열교환효율이 크게 개선될 수 있다는 것을 나타낸다.

후속연구

87 W/mk로 매우 낮기 때문에(Sohn and Shin, 2006), 기존의 밀폐형 지중열교환기의 재질을 PE관에서 스테인리스관로 바꾸더라도 열교환효율의 개선을 기대하기는 어려우며 PE관(약 1,300원/m)에 비해서 스테인레스관(약 8400원/m)의 가격이 약 6배 이상 더 비싸므로 오히려 설치비만 증가하게 된다. 그러나 이번 연구에서 제안하는 복합지열시스템은 지하수 관정 내부에 밀폐형 형태의 지중열교환기를 설치하는 시스템이므로 지중열교환기의 재료를 기존의 PE관보다 열전도도가 더 좋은 스테인리스관으로 교체하는 경우에는 열교환효율이 크게 개선될 것이다. 결과적으로는 이번 실험과 유사한 환경에서 복합지열시스템을 설치 시 밀폐형에 비해서 지열공 수까지도 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
이것은 스테인리스관의 규격을 증가시키는데 소요되는 비용에 비해서 열교환효율이 크게 증가하지 않는다는 것을 의미하므로 복합지열시스템 설치 시 ST-50A로 지중열교환기를 제작하는 것이 비용대비 효과를 최대로 볼 수 있을 것으로 판단되며 이때 단위 단면적당 유량은 113 L/m²/min이다. 이번 연구에서 제시한 지중열교환기의 최적 단면적과 순환수 유량은 시스템의 규격 및 형태에 따라 달라질 수 있으므로 향후 복합지열시스템 설계 시 이번 연구에서 제시한 산정방법에 따라 지중열교환기 최적 단면적과 순환수 유량을 산정할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합지열시스템 설계 시 열교환효율(ΔH)와 순환수의 유량을 고려한 최적의 교환된 열량(ΔQ)을 산정하는 것이 매우 중요한 이유는?	ΔQ는 ΔH와 순환수의 유량과 비례관계에 있지만 ΔH와 순환수의 유량은 반비례관계에 있다(식 2). 따라서 복합지열시스템 설계 시 ΔH와 순환수의 유량을 고려한 최적의ΔQ를 산정하는 것이 매우 중요하다.
	지열냉난방시스템의 사용이 크게 증가된 이유는?	2000년 초부터 국내에 도입된 지열냉난방시스템은 정부 주도의 보급정책으로 인해 사용이 크게 증가되었다(Kwon et al., 2012; Song and Lee, 2015).
	2015년까지 국내에 설치된 지열냉난방시스템의 총용량은 ?	, 2012; Song and Lee, 2015). 2015년까지 국내에 설치된 지열냉난방시스템의 총용량은 약 852 MW이며(NREC, 2016), 최근에 시설농업분야에서 사용하는 사례가 점차 증가하고 있다(Song and Lee, 2015).

참고문헌 (11)

Bae, S., Kim, H., Kim, H., and Nam, Y., 2017, Hydraulic feasibility study on the open-loop geothermal system using a pairing technology, KIEAE J., 17, 119-124.

원문보기 상세보기
Chang, J.H., Park, D.H., Park, S.S., and Na, S.M., 2010, Evaluation of application of effective hydraulic conductivity in SCW ground heat pmmp system, 2010 Korea Geo-Environmental Society Fall Conference, Seoul, p.141-146.
ETB (Engineering ToolBox), 2017, www.engineeringtoolbox.com [accessed 17.07.04]
Jeong, E.M., Lee, W.Y., and Oh, S.I., 2010, A study on energy use of the farmers. Korea Rural Economic Institute, Seoul, 65 p.
Jo, Y.J., Lee, J.Y., Lim, S.Y., and Hong, G.P., 2009, A review on potential effects of installation and operation of ground source heat pumps on soil and groundwater environment, J. Soil Groundw. Environ., 14, 22-31.
KOSIS (Korean Statistical information service), 2017, kosis.kr [accessed 17.07.04]
Kwon, K.S., Lee, J.Y., and Mok, J.K., 2012, Update of current status on ground source heat pumps in Korea, J. Geol. Soc. Korea, 48, 93-199.
NREC (New & Renewable Energy Center), 2016, www.knrec.or.kr. [accessed 17.07.04]
Park, Y., Mok, J.K., Jang, B.J., Lee, J.Y., and Park, Y.C., 2015, Influence of closed loop ground source heat pumps on groundwater: a case study, J. Geol. Soc. Korea, 51, 243-251.

상세보기
Sohn, B.H. and Shin, H.J., 2006, Thermal conductivity measurement of grouting materials for ground heat exchanger borehole, Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng., 18, 493-500.
Song, Y. and Lee, T.J., 2015, Geothermal development in the Republic of Korea: Country update 2010-2014, Proceedings World Geothermal Congress 2015, Melbourne.

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