[논문]학교 건물용 지열 히트펌프 시스템 설계와 지중 순환수 온도 변화 분석

손병후

doi:10.17664/ksgee.2020.16.1.017

[국내논문] 학교 건물용 지열 히트펌프 시스템 설계와 지중 순환수 온도 변화 분석
Design of Ground-Coupled Heat Pump (GCHP) System and Analysis of Ground Source Temperature Variation for School Building 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.16 no.1, 2020년, pp.17 - 25

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Ground-coupled heat pump (GCHP) systems have become an efficient alternative to conventional cooling and heating methods due to their higher energy using efficiency. Although some experimental and simulation works related to performance analysis of GCHP systems for commercial buildings have been done, relatively little has been reported on the performance evaluation of GCHP systems for school buildings. The purpose of this simulation study is to evaluate the performance of a hypothetical GCHP system for a school building in Seoul. We collected various data of building specifications and construction materials for the building and then modeled to calculate hourly building loads with SketchuUp and TRNSYS V17. In addition, we used GLD (Ground Loop Design) V2016, a GCHP system design and simulation software, to design the GCHP system for the building and to simulate temperature of circulating water in ground heat exchanger. The variation of entering source temperature (EST) into the system was calculated with different prediction time and then each result was compared. For 20 years of prediction time, EST for baseline design (Case A) based on the hourly simulation results were outranged from the design criteria.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Air view and actual building for this simulation study.
그림 Fig. 2. Modelling of target building for this simulation study.
그림 Fig. 3. Outdoor air temperature and hourly building dnergy loads.
그림 Fig. 4. Cooling and heating characteristics of heat pump applied in this simulation.
표 Table 1. Design parameters of building energy demand and heat pump capacity
그림 Fig. 5. Hourly calculated EST variations with different number of boreholes.
표 Table 2. Thermal properties of ground or design specifications of vertical GHE
그림 Fig. 6. Monthly EST for Case A (64 holes).
그림 Fig. 7. Comparison of calculated EST by line-source model (LS) with TRNSYS DST model (DST).
그림 Fig. 8. Comparison of calculated EST with operation time and number of boreholes.
그림 Fig. 9. Monthly and hourly EST variation for Case C.
표 Table 3. Simulation results of maximum EST with different design cases

AI 본문요약
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가설 설정

지중 열교환기는 단일 U자관(single U-tube)을 보어홀에 삽입한 수직 밀폐형 방식이다. U자관의 재질은 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이며 수직 보어홀 안에서 두 파이프는 일정 간격을 유지하는 것으로 가정하였다. Table 1에 분석에 적용한 냉난방 부하와 히트펌프 성능을 정리하였다.
대상 건물은 하루 10시간(08:00~18:00)·주 5일 사용하며, 주말과 공휴일에는 행정실에 최소 사용자만 있는 것으로 가정하였다.
실제 고등학교 건물에 지열 히트펌프 시스템을 설치한다고 가정한 후, 국내 기준의 설계 절차에 따라 시스템 사양을 설계하였다. 설계 사양을 이용하여 시뮬레이션 기간과 해석 모델을 다르게 적용했을 때, 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도(EST)를 비교 하였다.
대상 건물은 하루 10시간(08:00~18:00)·주 5일 사용하며, 주말과 공휴일에는 행정실에 최소 사용자만 있는 것으로 가정하였다. 아울러 대상 건물의 전체 공조 공간을 지열 시스템이 담당하는 것으로 가정하였다.
이번 논문은 Fig. 1의 고등학교 건물에 수직 지중열교환기를 이용하는 지열 시스템을 설치한다고 가정하였다. 국내 설계 지침[7]을 적용하여 시스템을 설계한 후, 설계 사양에 따른 지중 순환수 온도 변화를 분석하였다.

제안 방법

(3) 다양한 조건을 이용하여 지열 시스템 사양을 시뮬레이션한 후, 보어홀 깊이 200 m와 개수 64홀을 기준 사양으로 결정하였다. 이 사양으로 최고 EST의 월 평균 값을 계산한 결과, 설계 온도 조건을 만족하였다.
1의 고등학교 건물에 수직 지중열교환기를 이용하는 지열 시스템을 설치한다고 가정하였다. 국내 설계 지침[7]을 적용하여 시스템을 설계한 후, 설계 사양에 따른 지중 순환수 온도 변화를 분석하였다. 이를 위해 먼저 대상 건물의 냉난방 부하를 계산하였다.
이를 위해 먼저 대상 건물의 냉난방 부하를 계산하였다. 다음으로 부하 값과 히트펌프 성능 데이터 등을 상용 설계 프로그램에 입력하여 시스템을 설계하였다. 이어서 시뮬레이션을 통해 월별 또는 시간대별 지중 순환수 온도 변화를 분석하였다.
국내 현장에서 주로 사용하는 설계 소프트웨어인 GLD[16]는 지중열교환기 설계와 온도 계산에 선형 열원 모델(LS)을 적용한다. 대상 건물의 냉난방 최대 부하 조건에서 보어홀 깊이와 지중열교환기 파이프 길이를 계산한 후, 월별 EST 변화를 산정할 한다. 아울러 GLD V2016은 1년에 대한 시간대별 EST 변화를 계산할 수 있다.
일반적으로 벤토나이트 그라우트 자체의 열전도도는 벤토나이트와 물 또는 첨가제 혼합비에 따라 다르며, 이 열전도도 값에 따라 지중열교환기 설계 사양이 달라진다. 따라서 그라우트의 열전도도가 지중 열교환기 설계 길이와 지중 순환수 온도에 미치는 영향도 분석하였다.
난방 운전에서는 그 반대다. 따라서 냉난방 설계일(design day) 조건에서 Table 1과 Table 2의 데이터를 입력하여 보어홀 깊이를 200 m로 결정하였다. 이어서 보어홀 깊이를 고정한 상태에서 보어홀 개수에 따른 EST 변화를 계산하였다.
하지만 1년을 넘기면 계산에 시간이 오래 걸리기 때문에, 이용에 제약이 따른다. 따라서 동특성 해석 프로그램인 TRNSYS[15]를 이용하여 장기간(20년)의 시간대별 EST 변화를 계산한 후, 기준 사양(Case A)의 타당성을 검토하였다.
설계 사양을 이용하여 시뮬레이션 기간과 해석 모델을 다르게 적용했을 때, 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도(EST)를 비교 하였다.
대상 건물 모델링을 위해 동특성 성능 분석 프로그램인 TRNSYS와 연동할 수 있는 SketchUp 프로그램을 이용하였다. 실제 도면을 이용하여 대상 건물을 모델링한 후, TRNSYS V17[15]을 이용하여 시간대별 냉난방 부하를 계산하였다. 이때 용도가 비슷한 공간들을 하나의 구역(zone)으로 묶어 해석하는 것이 편리하다.
지중 초기 온도와 지중 유효 열전도도는 현장에서 열응답 시험(thermal response test, TRT)을 통해 산정하지만, 이번 분석에서는 기존 문헌[17]을 참고하였다. 아울러 벤토나이트 (bentonite)와 물을 질량 비율로 30%대 70%로 혼합한 재료(열전도도 0.82 W/mK)를 보어홀에 주입하는 것으로 설정하였다[17]. 일반적으로 벤토나이트 그라우트 자체의 열전도도는 벤토나이트와 물 또는 첨가제 혼합비에 따라 다르며, 이 열전도도 값에 따라 지중열교환기 설계 사양이 달라진다.
설계 사양을 이용하여 시뮬레이션 기간과 해석 모델을 다르게 적용했을 때, 지중 순환수의 히트펌프 입구 온도(EST)를 비교 하였다. 아울러 보어홀 그라우팅 재료의 열전도도가 보어홀 개수와 EST 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
앞서 언급한 설계 소프트웨어[16]에 현실적으로 적용 가능한 조건들을 입력하여 해당 건물에 적합한 지열 시스템을 설계하였다. 초기 설계 결과, 보어홀 깊이 200 m와 개수 64홀 지중열교환기 사양(‘기준 사양’, Case A)이 해당 건물에 적합하였다.
국내 설계 지침[7]을 적용하여 시스템을 설계한 후, 설계 사양에 따른 지중 순환수 온도 변화를 분석하였다. 이를 위해 먼저 대상 건물의 냉난방 부하를 계산하였다. 다음으로 부하 값과 히트펌프 성능 데이터 등을 상용 설계 프로그램에 입력하여 시스템을 설계하였다.
이때 용도가 비슷한 공간들을 하나의 구역(zone)으로 묶어 해석하는 것이 편리하다. 이번 분석에서는 행정실, 교실, 복도, 식당, 조리실, 기타 공간 등 5개 공간으로 구분하였다. 대상 건물은 하루 10시간(08:00~18:00)·주 5일 사용하며, 주말과 공휴일에는 행정실에 최소 사용자만 있는 것으로 가정하였다.
따라서 냉난방 설계일(design day) 조건에서 Table 1과 Table 2의 데이터를 입력하여 보어홀 깊이를 200 m로 결정하였다. 이어서 보어홀 깊이를 고정한 상태에서 보어홀 개수에 따른 EST 변화를 계산하였다. 참고로 지중 순환수 펌프 인입 전력 14.
다음으로 부하 값과 히트펌프 성능 데이터 등을 상용 설계 프로그램에 입력하여 시스템을 설계하였다. 이어서 시뮬레이션을 통해 월별 또는 시간대별 지중 순환수 온도 변화를 분석하였다.
이어서 보어홀 깊이를 고정한 상태에서 보어홀 개수에 따른 EST 변화를 계산하였다. 참고로 지중 순환수 펌프 인입 전력 14.1 kW와 모터 효율 85%를 적용하였다.

대상 데이터

3은 냉난방 부하 계산에 적용한 서울 표준 외 기 온도와 부하 계산 결과다. 건물에 사용된 벽체와 창호, 지붕 등의 물성 값과 건물 각 부위의 두께와 열전도도 그리도 열관류율 등은 실제 설계 자료를 이용하였다. 시스템 용량 선정에 필요한 냉난방 설계 일(design day)은 각각 8월 16일(냉방)과 1월 22일(난방)이었으며, 이에 해당하는 최대 냉난방 부하는 각각 497.
대상 건물은 총면적 약 10,432 m² , 공조 면적 5,068 m² 의 고등학교 건물(일반 학급 24학급, 특수 학급 1학급, 약 300명 수용)이다. Fig.

데이터처리

2는 3D 모델링 결과를 보여준다. 대상 건물 모델링을 위해 동특성 성능 분석 프로그램인 TRNSYS와 연동할 수 있는 SketchUp 프로그램을 이용하였다. 실제 도면을 이용하여 대상 건물을 모델링한 후, TRNSYS V17[15]을 이용하여 시간대별 냉난방 부하를 계산하였다.

이론/모형

시간대별 냉난방 부하와 지중 정보를 GLD V2016[16]에 입력하여 가상 지열 시스템을 설계하였다. Fig.
지열 시스템과 지중열교환기 사양을 산정하기 위해 Table 1과 Table 2의 정보를 ASHRAE[2] 방법에 적용하였다.
지중열교환기 설계 길이에 영향을 미치는 주요 요인들에는 지중 초기 온도(initial ground temperature)와 지중 유효 열전도도(ground effective thermal conductivity) 그리고 그라우트 열전도도와 보어홀 열저항 등이 있다. 지중 초기 온도와 지중 유효 열전도도는 현장에서 열응답 시험(thermal response test, TRT)을 통해 산정하지만, 이번 분석에서는 기존 문헌[17]을 참고하였다. 아울러 벤토나이트 (bentonite)와 물을 질량 비율로 30%대 70%로 혼합한 재료(열전도도 0.

성능/효과

(1) 표준 외기 온도와 공간용도 등을 적용하여 해당 건물의 최대 부하(kW)를 계산했을 때, 최대 난방 부하는 최대 냉방 부하보다 컸다. 하지만 난방기간 거주 시간보다 냉방기간 거주 시간이 더 길기 때문에 전체 에너지 요구량(kWh)에서는 냉방 요구량이 더 컸다.
(2) 시뮬레이션 결과 EST는 대상 건물의 냉난방 부하 양상에 따라 변하였다. 아울러 보어홀 개수가 증가할수록 최고 EST는 하강하며, 최저 EST는 상승하였다.
(4) 두 종류의 해석 모델(LS 대 DST)을 적용하여 단기간(1년)의 EST 변화를 계산한 결과, 두 결과는 잘 일치하였다. 이를 바탕으로 DST 모델을 적용하여 Case A의 장기간(20년) 변화를 계산한 결과, 설계 온도 조건을 벗어났다.
(2) 시뮬레이션 결과 EST는 대상 건물의 냉난방 부하 양상에 따라 변하였다. 아울러 보어홀 개수가 증가할수록 최고 EST는 하강하며, 최저 EST는 상승하였다.
(4) 두 종류의 해석 모델(LS 대 DST)을 적용하여 단기간(1년)의 EST 변화를 계산한 결과, 두 결과는 잘 일치하였다. 이를 바탕으로 DST 모델을 적용하여 Case A의 장기간(20년) 변화를 계산한 결과, 설계 온도 조건을 벗어났다.
초기 설계 결과, 보어홀 깊이 200 m와 개수 64홀 지중열교환기 사양(‘기준 사양’, Case A)이 해당 건물에 적합하였다.

후속연구

(6) 이번 결과는 학교 건물에 지열 시스템을 적용할 때 참고자료로 활용할 수 있다. 아울러 해당 건물처럼 냉난방 요구량이 크게 차이나는 경우, 하이브리드 지열 시스템 적용도 고려할 수 있다.
아울러 해당 건물처럼 냉난방 요구량이 크게 차이나는 경우, 하이브리드 지열 시스템 적용도 고려할 수 있다. 향후 지열 단독 시스템이나 하이브리드 시스템에 대한 경제성 분석이 필요하며, 이러한 결과를 종합하면 학교 건물에 필요한 지열 시스템의 설계 지침을 구축 할 수 있다.

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표제어: PCR

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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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