[논문]지열원 히트펌프 시스템의 최적 설계 기법 연구

최종민

doi:10.17664/ksgee.2018.14.4.0035

지열원 히트펌프 시스템의 최적 설계 기법 연구
Study on the Optimum Design of Ground Source Heat Pumps 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.14 no.4, 2018년, pp.35 - 42

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Among the various ground source heat pump systems, vertical-type heat pump systems have been distributed greatly. Most of the vertical-type ground source heat pump systems have been designed based on the Korean Ministry of Knowledge Economy Announcement in Korea. In this study, the design process of the vertical-type ground source heat pump system in the announcement was analyzed, and the effects of the design parameters on the ground loop heat exchanger were investigated. Borehole thermal conductivity was the highest dominant design parameter for ground loop heat exchangers. The borehole thermal conductivity was changed according to the pipe and grout thermal conductivity. For optimal design of the ground heat pump system, it is highly recommended that the design process in the announcement will be revised to adopt the various tubes and grout which have higher thermal conductivity. In addition, the certification standard for heat pump unit should be revised to develop the heat pump with a small flow rate.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Design process of the vertical-type ground loop heat exchanger.
그림 Fig. 2. Variation rate of GLHX length as a function of distance between boreholes.
표 Table 1. Design parameters
그림 Fig. 3. Variation rate of GLHX length as a function of radial pipe placement.
그림 Fig. 4. Variation rate of GLHX length as a function of thermal conductivity.
그림 Fig. 5. Variation rate of GLHX length as a function off low rate.
그림 Fig. 6. Structure of a vertical-type GLHX.
표 Table 2. Variation rate of GLHX length according to parameter's property
그림 Fig. 7. Temperature variation in TRT test.
그림 Fig. 8. Thermal conductivity as a function of HDPE pipe conductivity.
그림 Fig. 9. Thermal conductivity as a function of grout conductivity.
그림 Fig. 10. Thermal conductivity as a function of ground conductivity.

AI 본문요약
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문제 정의

1 W/m·K의 열전도도를 갖는 그라우트가 보급되고 있다[21]. 본 논문에서는 그라우트와 HDPE 배관의 열전도도 변화에 따른 보어홀 열전도도 변화에 관한 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 국내에서 수직밀폐형 지열원 히트펌프 시스템의 설계에 일반 적으로 적용되고 있는 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침의 시스템 설계 절차 및 내용을 분석하였다[11].
본 연구에서는 전절의 지중열교환기 설계 절차에 따라 GLD 프로그램을 사용하여 설계 파라미터에 따른 지중열교환기 설계 영향도를 검토하였다. 지침에 따른 각 설계 변수와 범위는 Table 1과 같다.
본 연구에서는 현재 국내에서 적용되고 있는 수직 밀폐형 지열원 히트펌프 시스템의 설계 절차 및 자료를 조사하고, 설계 변수에 따른 설계 영향도 분석을 통해 수직밀폐형 지열원 히트펌프의 최적 설계에 관한 기반 기술을 제공하고자 한다.
수직밀폐형 지중열교환기 길이가 열전도도에 의해 가장 큰 영향을 받으므로 이에 대한 향상 방안 검토를 위하여 지중열교환기 구성인자가 열전도도에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

HDPE 배관의 열전도도는 기존의 0.4 W/m·K에서 출시되고 있는 제품인 0.7 W/m·K까지 변화시켰으며, 그라우트의 열전도도는 국내 설치기준에서 제시된 최대값인 1.1 W/m·K에서 새로운 제품의 최대값인 2.1 W/m·K의 범위에서 변화시키며 지중열전도도 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 국내에 가장 널리 보급된 수직밀폐형 지열원 히트펌프 시스템의 설계 절차인 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침의 내용을 분석하고 설계인자에 따른 수직밀폐형 지중열교환기 길이 영향도를 분석하여 다음의 결론을 얻었다.
지중열교환기 설계 표준 조건으로 보어홀 간격은 6 m, U-tube 이격거리는 평균 이격거리, 보어홀 열전도도는 2.8 W/m·K, 단위 용량당 평균 유량은 단위용량 3.5 kW(1RT) 당 11.3 LPM으로 선정하고 표준 조건에서의 GLD에 의하여 계산된 냉방 모드에서의 지중열교환기 길이를 기준(100%)으로 설계 변수의 변화에 따른 지중열교환기 설계 길이 변화율을 분석하였다.
지중열교환기는 U자형의 HDPE 배관과 그라우트 및 토양으로 구성되어 실제 지중 열교환기의 성능을 예측할 수 있도록 구성하였다. 지중열교환기의 보어홀은 직경 0.
15 m, 깊이는 150 m이며 HDPE배관이 U자 형태로 그라우트 내부에 위치하고, 배관은 SDR 11(40 mm) HDPE 배관을 적용하였다. 지중토양의 범위는 경계조건의 영향을 받지 않을 만큼 크게 설정하여 직경 8 m의 원통으로 모델링하였다. 열응답시험 과도해석은 한국에너지공단의 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정 및 지침[11]에 규정된 열전도도 측정 항목 및 기준에 따라 진행하였으며, 지중열전도도는 라인소스법에 따라 수치해석 결과를 이용하여 계산하였다

대상 데이터

지침에 따른 각 설계 변수와 범위는 Table 1과 같다. 건물부하데이터는 집단주거시설인 아파트에 대한 기존 문헌의 자료[14]를 활용하였으며, 총 난방 면적은 87,264 m² 이다. 연간 냉방부하와 난방부하는 각각 5.
지중열교환기는 U자형의 HDPE 배관과 그라우트 및 토양으로 구성되어 실제 지중 열교환기의 성능을 예측할 수 있도록 구성하였다. 지중열교환기의 보어홀은 직경 0.15 m, 깊이는 150 m이며 HDPE배관이 U자 형태로 그라우트 내부에 위치하고, 배관은 SDR 11(40 mm) HDPE 배관을 적용하였다. 지중토양의 범위는 경계조건의 영향을 받지 않을 만큼 크게 설정하여 직경 8 m의 원통으로 모델링하였다.

이론/모형

C 이내로 지중열교환기 과도 시험 조건이 구성되어 매우 정도높은 수치해석이 요구된다[14]. 본 연구에서는 Fluent를 이용하여 열응답 과도 수치해석을 수행하였으며, 해석모델에서 깊이에 따른 토양온도와 투입열량을 구현하기 위해 FLUENT 모델에서 제공하는 UDF(User Defined Function)을 작성하여 사용하였다.
열응답시험 과도해석은 한국에너지공단의 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정 및 지침[11]에 규정된 열전도도 측정 항목 및 기준에 따라 진행하였으며, 지중열전도도는 라인소스법에 따라 수치해석 결과를 이용하여 계산하였다
지중열교환기 열응답 과도해석모델 검증을 위해 참고문헌[11]에 따라 열전도도 시험을 실시하였다. Fig.

성능/효과

U-tube 이격거리가 증가함에 따라 지중열교환기 총길이가 감소하였으며, 이는 U-tube 유입관(In)과 유출관(Out) 사이의 열간섭 감소로 인해 지중열교환기 성능이 향상되었기 때문인 것으로 분석된다. U-tube 이격거리가 평균거리에서 벽면으로 증가한 경우 지중열교환기 길이는 각각 9% 감소하였고, 배관 이격거리가 감소한 경우는 각각 4.6% 증가하였다. 하지만, U-tube 배관 이격거리 증가시에는 스페이서 등의 설치에 따른 비용 증가와 공사기간이 증가하므로 실제 지중열교환기 설계에 반영하는 것은 시공 공정에 대한 상세 분석을 기반으로 적용하여야 한다.
4는 보어홀의 지중열전도도에 따른 지중열교환기 길이 변화율을 나타낸다. 냉방모드 및 난방모드 모든 경우에 지중열전도도가 증가함에 따라 보어홀과 지중과의 열전달 성능이 증가하여 지중열교환기 길이가 상대적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 지중열전도도가 2.
10은 지중토양의 열전도도 변화에 따른 지중 열교환기의 유효열전도도 변화를 나타낸다. 모든 그라우트의 열전도도에 대하여 지중토양의 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 유효열전도도가 증가하였다. 지중토양의 열전도도 증가 시에 그라우 트의 열전도도 증가에 따른 지중열교환기의 유효열전도도 증가율이 증가하였다.
9는 그라우트 열전도도 변화에 따른 지중열 교환기의 유효열전도도 변화를 나타낸다. 모든지중 토양의 열전도도에 대하여 그라우트의 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 유효열전도도가 증가하였다. 지중토양의 열전도도가 큰 경우 그라우트의 열전도도 증가에 따른 지중열교환기의 유효열전 도도 증가율이 증가하였다.
보어홀 간격, U-tube 이격거리, 보어홀 유효열전도도 증가와 지중순환수 유량 감소에 따라 지중열교환기 길이가 감소하였다. 유효열전도도 증가에 의한 지중열교환기 변화폭이 최대 33.
총 냉방부하와 난방부하 차이가 크지 않으므로 히트펌프의 운전 특성에 따라 냉방시 지중열교환기에서의 열방출량이 난방시 지중열교환기에서의 열흡수량보다 커서 냉방시의 지중열교환기 설계 길이가 난방시의 지중 열교환기 설계 길이보다 길게 나타났다. 보어홀 간격이 증가함에 지중열용량이 증가하여 냉방시의 지중 축열에 의한 지중온도 증가가 감소하여 냉방시 요구되는 지중열교환기 길이가 감소하였고, 이로인해 난방시 지중온도 감소로 인해 지중열교환기 설계 길이가 증가하였다. 보어홀 간격이 4.
수직밀폐형 지중열교환기의 유효열전도도는 HDPE 배관과 그라우트 및 지중토양의 열전도도 증가에 따라 모두 증가하였으나, 현재 사용 및 적용가능한 HDPE 배관의 열전도도 증가에 따른 지중열교환기 유효열전도도 변화는 미소하였으며, 그라우트의 열전도도 변화에 따른 지중열교환기의 유효열전도도 변화율은 지중토양의 열전도도 변화에 따른 지중열교환기 유효열전도도 대비 작게 나타났다. 열전도도가 향상된 그라우트 채용에 의하여 지중열교환기 열성능 향상이 가능할 것으로 분석되므로 현재 일부 그라우트만이 통용되고 있는데, 고효율의 그라우트 적용이 가능하도록 설계 절차에 대한 제도 보완이 필요하다고 분석된다.
열전도도 실험값은 2.802 W/m·K를 나타내고 수치 해석 결과는 2.947 W/m·K로 4.9% 이내의 오차로 잘 일치하였다.
냉방모드에서의 지중열교환기 길이가 난방 모드에서의 지중열교환기 길이보다 크므로, 최종적으로 지중열교환기 길이 변화율은 냉방모드에서의 지중열교환기 변화율로 산정하였다. 열전도도 증가에 의한 지중열교환기 감소폭이 33.1%로 다른 설계 변수에 비해 약 3배 이상 높게 나타났다. 지중열전도도가 지중열교환기 최적화 설계 변수 중에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
보어홀 간격, U-tube 이격거리, 보어홀 유효열전도도 증가와 지중순환수 유량 감소에 따라 지중열교환기 길이가 감소하였다. 유효열전도도 증가에 의한 지중열교환기 변화폭이 최대 33.1%로 다른 설계변수에 비해 약 3배 이상 높게 나타나서, 지중열전도도가 지중열교환기 설계에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
HDPE 배관의 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 열전도도가 증가하였다. 지중 토양의 열전도도 값이 높은 경우 HDPE 배관의 열전도도 변화에 따른 지중열교환기의 유효열전도도 증가율이 다소 크게 나타났다. HDPE 배관의 열전 도도가 널리 사용되어 온 0.
5는 지중순환수 유량에 따른 지중열교환기 길이 변화율을 나타낸다. 지중순환수 유량이 감소함에 따라 지중열교환기 길이는 감소하는 경향을 나타내었다. 단위용량(1 RT, 3.
지중열교환기 유효열전도도에 대한 수치해석 결과 HDPE 배관과 그라우트의 열전도도 증가에 따라 유효열전도도가 증가하였다. 최근에 열전도도가 향상된 HDPE 배관과 그라우트가 상용화됨에 따라 성능이 향상된 HDPE 배관과 그라우트 적용에 대한기준을 수립하여 지중열교환기 최적설계를 위한 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침에 대한 제도적인 보완이 요구된다.
지중열전도도가 2.0 W/m·K에서 3.6 W/m·K의 범위에서 변화될 때 2.8 W/m·K 냉방 조건에서의 지중열교환기 길이대비 변화율은 냉방시 88.3%에서 121.4%로 나타났고, 난방시에는 44.2%에서 55.9%로 상대적으로 다른 변수 대비 변화율이 크게 나타났다.
1%로 다른 설계 변수에 비해 약 3배 이상 높게 나타났다. 지중열전도도가 지중열교환기 최적화 설계 변수 중에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
모든 그라우트의 열전도도에 대하여 지중토양의 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 유효열전도도가 증가하였다. 지중토양의 열전도도 증가 시에 그라우 트의 열전도도 증가에 따른 지중열교환기의 유효열전도도 증가율이 증가하였다.
2는 보어홀 간격에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기 총 길이 변화율을 나타낸다. 총 냉방부하와 난방부하 차이가 크지 않으므로 히트펌프의 운전 특성에 따라 냉방시 지중열교환기에서의 열방출량이 난방시 지중열교환기에서의 열흡수량보다 커서 냉방시의 지중열교환기 설계 길이가 난방시의 지중 열교환기 설계 길이보다 길게 나타났다. 보어홀 간격이 증가함에 지중열용량이 증가하여 냉방시의 지중 축열에 의한 지중온도 증가가 감소하여 냉방시 요구되는 지중열교환기 길이가 감소하였고, 이로인해 난방시 지중온도 감소로 인해 지중열교환기 설계 길이가 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GLD 프로그램 어떻게 구성되어 있는가?	GLD 프로그램은 부하 데이터 모듈과 보어홀 설계 모듈로 구성되어 있다. 부하데이터 모듈에는 해당 건물의 월별, 연간부하와 피크부하를 입력하게 되어있다. 또한 히트펌프의 용량, 소비전력, COP 등을 입력하게 되어있다. 보어홀 설계 모듈에는 지중 열교환기 형식별 입력 화면으로 구성되어 있으며, 냉·난방 운전모드에서 작동유체의 입구 온도와 유량, 종류 등을 입력하게 되어있다. 또한, 토양의 초기온도, 열전도도 등과 모델링의 예측기간, 보어홀의 열저항, 배관의 종류 및 관경 등과 그라우트의 열전도도 등을 입력하게 되어있다[13].
	지열원 히트펌프시스템이란?	경제성장과 생활수준 향상에 따른 쾌적성 요구가 증가함에 따라 건축물의 냉난방 시스템에서의 에너지 소비가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 친환경적인 신재생에너지 적용 냉난방 공조시스템인 지열원 히트펌프시스템의 보급 확대가 지속적으로 이루어지고 있다[1, 2]. 최근 건물분야의 이산화탄소 배출 저감을 위해 그린건축 또는 제로에너지 건물이 주목받고 있다[3].
	지중열교환기 설계의 필요사항은?	지중열교환기는 충분한 열용량을 확보할 수 있도록 설계되어야 한다고 명시되어 있다. 지중열교환기 설계에 이용되는 프로그램은 부하, 지중 조건, 히트 펌프 등의 특성을 반영할 수 있어야 하며, 장기간 운전에 따른 지중온열환경 변화를 예측할 수 있어야 한다. 지중열교환기는 GLD, GLHEPro, GshpCalc, EED의 지중열교환기 설계프로그램을 이용하여 설계하도록 규정되어 있으나, 주로 GLD 프로그램이 사용되고 있다[12].

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저자의 다른 논문 :

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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