[논문]지역 기후가 유닛형 지중열교환기 성능에 미치는 영향

배상무; 김재민; 남유진

doi:10.7836/kses.2019.39.1.067

지역 기후가 유닛형 지중열교환기 성능에 미치는 영향
Analysis on the Effect of Local Climate on the Unit-type Ground Heat Exchanger 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.1, 2019년, pp.67 - 76

배상무 (부산대학교 건축공학과) , 김재민 (부산대학교 건축공학과) , 남유진 (부산대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A ground source heat pump (GSHP) system can stable system operation by using underground heat source and has high reliability for energy production. However, wide-spread of the GSHP system is delayed to high initial investment costs. In previous studies, horizontal and unit-type ground heat exchanger (GHX) have developed to overcome disadvantages such as high initial cost. However, these performances of GHXs are greatly influenced by climate and weather conditions. It is necessary to analyze the performance of GHX according to the ground temperature change in the installation site. In this study, the ground temperature of each installation site confirmed and performance of unit-type GHX quantitatively analyzed by numerical analysis. As the result, the performance of the unit type GHX was 33.9 W/m in Seoul, 34.2 W/m in Daejeon, and 37.2 W/m in Busan.The result showed the difference performance of GHX according to local climate was maximum of 9.7%.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of the Unit-type GHX
그림 Fig. 2 Mechanism of the groundsurface heat flux¹²⁾
그림 Fig. 3 Numerical model of unit-type GHX
표 Table 1 Simulation conditions
표 Table 2 Case study condition and average annual outdoor/ground surface temperature
그림 Fig. 4 Underground temperature at depth 1 m and 5 m
그림 Fig. 5 Daily average HER according to change of EWT
그림 Fig. 6 Performance of uni-type GHX according to local climate

AI 본문요약
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문제 정의

Table 2는 시뮬레이션 Case study 조건과 지역별 연평균기온 및 지표면온도를 나타낸다. 동일한 설계조건 및 운전조건 내에서 도입 지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열성능에 대한 공학적 근거를 구축하기 위해 Case study를 수행하였다. 도입 지역은 한국의 위도(Latitude)를 고려하여 국내 3개 지역으로 구분하고, 그 중 대표도시인 서울(37°), 대전(36°), 부산(35°)으로 선정하였다.
따라서, 본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기 도입지역의 지중온도를 비교분석하고, 이에 따른 시스템 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기 도입지역의 지중온도를 비교분석하고, 이에 따른 시스템 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기 도입지역의 지중온도를 비교분석하고, 이에 따른 시스템 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 검토하였다.

가설 설정

FEFLOW와 User Subroutine을 연동한 결합모델을 이용하여 입력조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 지중열교환기는 관경 40 A(d_o: 0.04 m, d_i: 0.0362 m)의 HDPE 파이프를 이용하고, 유닛 모듈의 그라우트 재료는 콘크리트로 가정하였다. 또한 해석영역은 지중열교환기 채열에 따른 열영향 범위를 고려하여 4 m × 0.

제안 방법

Table 1은 수치해석 시뮬레이션 조건을 나타낸다. FEFLOW와 User Subroutine을 연동한 결합모델을 이용하여 입력조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 지중열교환기는 관경 40 A(d_o: 0.
도입 지역은 한국의 위도(Latitude)를 고려하여 국내 3개 지역으로 구분하고, 그 중 대표도시인 서울(37°), 대전(36°), 부산(35°)으로 선정하였다. 각 지역의 기상 및 기후조건을 해석모델에 반영하여 유닛형 지중열교환기의 채열성능을 예측하였다.
또한 열원수 조건은 기존 공기열원 시스템 대비 지열 에너지 이용의 우위를 확보하기 위해 지중열교환기로 유입되는 열원수의 온도제한을 5℃로 설정하고, 열원수의 초기 입 · 출구 온도차는 10℃, 유량은 9.1 l/min으로 설정하였다.
본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 또한 지역 기후조건이 지중온도 변화에 미치는 영향을 비교검토하고, 지역 기후에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 비교분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 정리하였다.
또한 해석영역은 지중열교환기 채열에 따른 열영향 범위를 고려하여 4 m × 0.2 m × 10 m로 구축하였다.
본 연구에서는 기상청에서 제공하고 있는 데이터를 이용하여 2009년부터 2018년까지 서울, 대전 및 부산의 연간 지중심도 1 m 및 지중심도 5 m의 온도변화를 분석하였다.
유닛형 지중열교환기의 채열성능을 정확하게 분석하기 위해 토양과 지중열교환기 사이에서 발생하는 물질이동과 열교환 해석이 요구된다. 본 연구에서는 선행연구¹²⁾에서 개발한 지중열교환기 성능예측 해석툴(FEFLOW)을 이용하여 유닛형 지중열교환기의 수치해석 모델을 구축하였다. 성능예측 해석툴은 토양 모델, 지중열교환기 해석모델, 지표면 열유속 모델을 결합한 모델(Coupled-model)로써, 지표면 부근에서 태양복사열 및 외기조건에 의해 변화되는 열이동을 동적으로 해석할 수 있으며, 지중열교환기 채열운전에 따른 토양의 열환경 및 지중열교환기의 성능을 종합적으로 분석할 수 있다.
2는 지표면 열유속 메카니즘을 나타낸다. 본 연구에서는 지표면 부근에서 발생하는 열이동에 대해 태양복사열, 기온, 풍속 및 지중열을 고려한 지표면 열유속 메커니즘을 에너지 밸런스를 이용하여 구축하였다¹²⁾. 한편, 지표연 열유속 평형식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
3은 유닛형 지중열교환기의 수치해석 모델을 나타낸다. 유닛형 지중열교환기의 일부분을 수치해석 모델로 구축하고 채열성능 분석을 수행하였으며, 분석결과를 이용하여 지중열교환기 전체의 채열성능을 예측하였다. 한편, 토양 모델은 시스템 운전에 따른 토양 및 지중열교환기 상호 간 열영향 범위를 고려하여 10 m 깊이로 재현하였으며, 유닛형 지중열교환기 모델은 지표면으로부터 심도 2 m ~ 6 m 지점까지 설치하였다.
한편, 유닛형 지중열교환기의 채열성능 분석을 위해 운전기간은 난방기간 3개월로 설정하였으며, 운전시간은 09시부터 18시까지로 설정하였다. 또한 열원수 조건은 기존 공기열원 시스템 대비 지열 에너지 이용의 우위를 확보하기 위해 지중열교환기로 유입되는 열원수의 온도제한을 5℃로 설정하고, 열원수의 초기 입 · 출구 온도차는 10℃, 유량은 9.

대상 데이터

도입 지역은 한국의 위도(Latitude)를 고려하여 국내 3개 지역으로 구분하고, 그 중 대표도시인 서울(37°), 대전(36°), 부산(35°)으로 선정하였다.

데이터처리

성능예측 해석툴은 토양 모델, 지중열교환기 해석모델, 지표면 열유속 모델을 결합한 모델(Coupled-model)로써, 지표면 부근에서 태양복사열 및 외기조건에 의해 변화되는 열이동을 동적으로 해석할 수 있으며, 지중열교환기 채열운전에 따른 토양의 열환경 및 지중열교환기의 성능을 종합적으로 분석할 수 있다. 지중열교환기 성능해석 방법 및 수치해석 모델의 검증은 선행연구에서 실험결과와 시뮬레이션 해석결과의 비교를 통해 수행되었다¹²⁾.

성능/효과

(1) 지역별 지중심도 1 m 지점의 동절기(12월~2월) 평균온도는 서울, 대전, 부산 순서로 각각 5.4℃, 7.0℃, 10.5℃로 확인되었으며, 지중심도 5 m 지점에서는 각각 16.8℃, 17.5℃, 17.9℃로 나타났다. 지중심도 1 m 지점까지는 외기온도에 의한 영향이 미치고 있으며 외기온도가 비교적 높은 부산지역에서 다른 지역보다 지중온도가 높게 확인되었다.
(2) 열원수 출구온도는 시스템 운전시작 후 급격하게 감소하는 양상을 나타내었으며, 일주일 동안 열원수 초기 출구온도는 10.7℃에서 6.8℃까지 감소하였다. 이에 따라 동절기 동안의 일평균 채열량은 지속적으로 감소하는 추세를 나타내었으나, 시스템 운전으로 인해 지중열원온도가 평형상태에 도달하면 채열량은 일정한 값에 수렴하는 양상을 나타내었다.
(3) 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열량은 서울, 대전, 부산 순서로 각각 33.9 W/m, 34.2 W/m, 37.2 W/m로 확인되었다.
부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역 보다 각각 9.7%, 8.8% 채열성능이 향상되었다. 이는, 동절기 지중온도가 비교적 높은 부산지역에서 열원온도가 우위를 가지기 때문에 다른 지역 보다 높은 채열성능을 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
⁹⁾은 유닛형 지중열교환기의 배열타입 및 암석종류에 따른 채열성능을 분석하고, 이를 이용하여 기존 냉난방 공조시스템, 수직밀폐형 지열 시스템과 함께 경제성을 비교분석 하였다. 그 결과, 수직밀폐형 지열 시스템 대비 평균 25%의 초기투자비용 절감이 가능한 것을 확인하였다.
2 W/m로 확인되었다. 부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역 보다 각각 9.7%, 8.8% 채열성능이 향상되었다. 이는, 동절기 지중온도가 비교적 높은 부산지역에서 열원온도가 우위를 가지기 때문에 다른 지역 보다 높은 채열성능을 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
2 W/m로 확인되었다. 부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역보다 각각 9.7%,. 8.
6은 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열량 및 히트펌프 난방성능계수를 나타낸다. 유닛형 지중열교환기의 채열량은 서울, 대전, 부산 순서로 각각 33.9 W/m, 34.2 W/m, 37.2 W/m로 확인되었다. 부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역 보다 각각 9.
이에 따라 동절기 동안의 일평균 채열량은 지속적으로 감소하는 추세를 나타내었으나, 시스템 운전으로 인해 지중열원온도가 평형상태에 도달하면 채열량은 일정한 값에 수렴하는 양상을 나타내었다.
9℃로 나타났다. 지중심도 1 m 지점까지는 외기온도에 의한 영향이 미치고 있으며 외기온도가 비교적 높은 부산지역에서 다른 지역보다 지중온도가 높게 확인되었다.
11℃로 나타났다. 지중심도가 깊어질수록 외기에 의한 영향이 감소되고, 계절변화에 의한 토양온도 변화폭이 높지 않은 것으로 확인되었다.
이는, 동절기 지중온도가 비교적 높은 부산지역에서 열원온도가 우위를 가지기 때문에 다른 지역 보다 높은 채열성능을 기대할 수 있는 것으로 판단된다. 한편, 열원수 평균 출수온도의 차이는 도입지역에 따라 큰 차이는 없었는 것으로 확인되었으며, 이에 따라 히트펌프 평균 난방성능계수도 세 지역 모두 비슷한 수준으로 확인되었다.

후속연구

향후, 유닛형 지중열교환기의 보급 및 활성화를 위해 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 민감도 분석결과를 바탕으로 소규모 건축물 도입 타당성 분석을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 히트펌프 시스템은 어떻게 활용되고, 어떤 장점이 있는가?	지열 히트펌프 시스템 (Ground Source Heat Pump System, GSHPs)은 지중열원을 이용하여 안정적 시스템운전이 가능하고, 에너지 생산에 대한 높은 신뢰성을 가진다. 또한, 냉열과 온열을 생산할 수 있기 때문에 건물의 냉난방 공조 설비로 도입되고 있다. 그러나, 천공비, 그라우팅비, 설비 장치비 등의 높은 초기투자비용으로 인해 보급이 지연되고 있으며, 특히 소규모 공사일수록 투자비용은 증가하게 된다1).
	수평형 지중열교환기와 저심도 유닛형 지중열교환기의 단점은 무엇인가?	이처럼, 수평형 지중열교환기와 저심도 유닛형 지중열교환기는 기존 수직밀폐형 지중열교환기의 설치비용을 저감시킬 수 있는 획기적인 대안으로 개발되었으나, 지표면으로부터 10 m 이내의 얕은 심도에 설치되기 때문에 외기조건에 시스템 성능이 많은 영향을 받는다. 이에 따라, 시스템 설치지역의 기후 및 기상조건에 의해 지중열교환기의 열교환 성능이 다르게 나타나고, 시스템 경제성 또한 차이가 발생된다.
	지열 히트펌프 시스템의 단점은 무엇이 있는가?	또한, 냉열과 온열을 생산할 수 있기 때문에 건물의 냉난방 공조 설비로 도입되고 있다. 그러나, 천공비, 그라우팅비, 설비 장치비 등의 높은 초기투자비용으로 인해 보급이 지연되고 있으며, 특히 소규모 공사일수록 투자비용은 증가하게 된다1). 이러한 지열 히트펌프 시스템의 초기투자비용을 저감시키고, 더불어 시공에 대한 신뢰성 향상 및 시장 경쟁력 확보를 위해 다각적인 방면에서 시뮬레이션이나 실증실험을 통해 기술개발 및 연구가 수행되고 있다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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Bae, S., Feasibility analysis and Performance Prediction of Ground Source Heat Pump System using Deep Ground Heat Exchanger, Master Thesis, Pusan National University, Korea, 2017.
Nam, Y., Ooka, R., and Hwang, S., Development of a Numerical Model to Predict Heat Exchange Rates for Ground-source Heat Pump System, Energy and Buildings, Vol. 40, pp. 2133-2140, 2008.

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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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