[논문]지중열교환기 성능 향상에 관한 연구

김욱중; 이공훈; 김민수

문제 정의

본 연구는 지열히트펌프의 적용성 확대를 위하여 지열을 사용하면서도 실내로 냉매를 직접 전송하는 방식의 시스템을 개발하는데 유용하게 적용될 수 있는 고효율의 지중열교환기 개발을 목적으로 이미 제안하고 기초 실험을 수행했던⁽⁴⁾ 반밀폐형 지중열교환기에 대해 근거의 보완과 검증을 하고자 수행되었다.
본 연구에서는 지열 이용 히트펌프 시스템의 열성능에 미치는 지중열교환기의 영향을 알아 보기 위하여 냉방능력 약 80 kW 규모의 지열원히트펌프 시스템이 적용된 연면적 1700 m²인 건물을 대상으로 물 대 물 방식의 히트펌프 모델이 적용된 TRNSYS를 사용하여 동적 시뮬레이션을 실시하였다. 동적 시뮬레이션 결과 지중열교환기의 그라우트의 종류(열전도도의 차이)에 따라 시스템의 연중 COP가 크게는 45% 이상 변화가 발생하였으며 특히 하계 운전에서의 성능 변화에 미치는 영향이 크게 나타났다.

제안 방법

8 ton/h으로 증가할 때 다시 감소하는 현상이 발생하였으며 이에 대한 보완이 필요함을 발표하였다.⁽⁴⁾ 이같은 실험 결과의 재확인과 수돗물을 이용하여 투수함에 따라 변화하는 투수량의 영향 등을 살펴보기 위하여 실험 방법에서 언급했던 바와 같이 투수 부분에도 적산 유량계 대신 질량유량계를 이용하여 실험을 수행하였다.
방법으로는 Shin et al.⁽⁵⁾이 냉방능력 약 80 kW 규모의 지열원히트펌프 시스템이 적용된 건물을 대상으로 수행한 것과 동일하게 TRNSED 모델링과 TRNSYS를 사용한 동적 시뮬레이션을 통하여 주요 설계 변수에 따른 시스템의 연간 운전 특성을 분석하였다.
순환 유체의 온도 측정에는 4선식의 RTD를 사용하였으며 투수와 실내 공기온도는 열전대(T type)를 사용하였다. 가열열량은 전력량계(ELCon trol사, VIP 396)를 사용하여 측정하였으며 온도와 전력량 및 질량유량계의 신호는 개인용 컴퓨터와 데이터 처리장치(HP, HP34970A)로써 저장하고 처리하였다.
2 ton/h씩 증가시키면서 약 48시간 이상 실험을 수행하였으며 온도, 유량 및 전략량을 1분 간격으로 저장하였다. 그리고 측정 결과는 라인 소스 모델에 근거한 다음의 식으로부터 유효 열전도도를 계산하였다.
본 연구에서는 이와 같은 결과를 토대로 투수량을 0.0 ton/h부터 0.2 ton/h씩 증가시키면서 약 48시간 이상 실험을 수행하였으며 온도, 유량 및 전략량을 1분 간격으로 저장하였다.
순환 유체의 양은 질량유량계(RHEONIX, RHM 12GNT)를 사용하였으며 투수량(penetration water flow rate, PWFR)의 역시 질량유량계(Micro Motion, F025)를 사용하여 측정하였다.
그리고 기상자료는 전국 16개 지역의 20년 월평균 외기온 및 일사량을 근거로 TRNSYS의 Type 54 (Weather data generator)를 사용하여 생성하였다. 시스템의 설계조건으로서 지열원히트펌프 시스템의 정격 난방 COP는 부하측 유입수온과 열원측 열매체 유입온도가 각각 45℃ 와 0℃를 기준으로 하였으며, 정격 냉방 COP는 각각 12℃와 25℃를 기준으로 하였다.
지중열교환기의 열적인 특성, 즉 지중열교환기의 유효 열전도도에 따른 지열히트펌프 시스템의 연간 운전 특성을 조사하였다. 방법으로는 Shin et al.

대상 데이터

15 m와 약 150 m 이며 그라우트 재질로는 쇄석을 사용하였다. 가열장치는 지중열교환기 순환유체에 약 10 kW의 열량을 가하는 전기히터와 단열된 수조로 구성되어 있으며, 브라인 순환을 위해서는 펌프를 사용하였고 투수용 물은 별도의 펌프를 사용하지 않고 수도로부터 공급된 시수를 사용하였다. 가열 장치는 지중열교환기 순환유체에 약 10 kW의 열량을 가하는 전기히터와 단열된 수조로 구성되어 있으며, 브라인 순환을 위해서는 펌프를 사용하였고 투수용 물은 별도의 펌프를 사용하지 않고 수도로부터 공급된 시수를 사용하였다.
15 m와 약 150 m 이며 그라우트 재질로는 쇄석을 사용하였다. 가열장치는 지중열교환기 순환유체에 약 10 kW의 열량을 가하는 전기히터와 단열된 수조로 구성되어 있으며, 브라인 순환을 위해서는 펌프를 사용하였고 투수용 물은 별도의 펌프를 사용하지 않고 수도로부터 공급된 시수를 사용하였다. 가열 장치는 지중열교환기 순환유체에 약 10 kW의 열량을 가하는 전기히터와 단열된 수조로 구성되어 있으며, 브라인 순환을 위해서는 펌프를 사용하였고 투수용 물은 별도의 펌프를 사용하지 않고 수도로부터 공급된 시수를 사용하였다.
가장 기본이 되는 지열히트펌프의 성능은 주어진 성능곡선을 곡선맞춤(curve fitting)하여 적용하였으며 수직 밀폐형의 지중열교환기 모델은 TESS에서 TRNSYS용으로 개발한 “Type 557”을 채택하였다. 그리고 기상자료는 전국 16개 지역의 20년 월평균 외기온 및 일사량을 근거로 TRNSYS의 Type 54 (Weather data generator)를 사용하여 생성하였다. 시스템의 설계조건으로서 지열원히트펌프 시스템의 정격 난방 COP는 부하측 유입수온과 열원측 열매체 유입온도가 각각 45℃ 와 0℃를 기준으로 하였으며, 정격 냉방 COP는 각각 12℃와 25℃를 기준으로 하였다.
반밀폐형 지중열교환기는 Fig. 7에 상세히 나타낸 바와 같이 32A의 폴리에틸렌관을 사용하였으며 15A의 엑셀관에 약 4 m 간격으로 물 흐름용 노즐을 만들어 투수용 파이프로 사용하였다. 보어홀의 직경과 깊이는 각각 0.
7에 상세히 나타낸 바와 같이 32A의 폴리에틸렌관을 사용하였으며 15A의 엑셀관에 약 4 m 간격으로 물 흐름용 노즐을 만들어 투수용 파이프로 사용하였다. 보어홀의 직경과 깊이는 각각 0.15 m와 약 150 m 이며 그라우트 재질로는 쇄석을 사용하였다. 가열장치는 지중열교환기 순환유체에 약 10 kW의 열량을 가하는 전기히터와 단열된 수조로 구성되어 있으며, 브라인 순환을 위해서는 펌프를 사용하였고 투수용 물은 별도의 펌프를 사용하지 않고 수도로부터 공급된 시수를 사용하였다.
순환 유체의 온도 측정에는 4선식의 RTD를 사용하였으며 투수와 실내 공기온도는 열전대(T type)를 사용하였다. 가열열량은 전력량계(ELCon trol사, VIP 396)를 사용하여 측정하였으며 온도와 전력량 및 질량유량계의 신호는 개인용 컴퓨터와 데이터 처리장치(HP, HP34970A)로써 저장하고 처리하였다.

이론/모형

가장 기본이 되는 지열히트펌프의 성능은 주어진 성능곡선을 곡선맞춤(curve fitting)하여 적용하였으며 수직 밀폐형의 지중열교환기 모델은 TESS에서 TRNSYS용으로 개발한 “Type 557”을 채택하였다.

성능/효과

35 W/m℃인 dry light soil을 기준으로 각각 약 7배와 10배의 크기를 가진 wet sand와 dense rock 경우를 비교하면 연중 운전의 COP가 약 35% 이상 상승하였으며 특히 8월 하계 운전의 경우에는 상승폭이 약 45%로 나타났다. Fig. 4는 이 결과를 종합적으로 보인 것으로서 지중열교환기의 성능 즉, 열전도도에 따라 히트펌프 시스템의 운전 성능이 크게 변화하며 특히 냉방 운전시 성능에 미치는 영향이 더 크게 나타남을 알 수 있었다.
3은 지중열교환기 그라우트의 종류에 따른 지열히트펌프 시스템의 월별 COP의 변화를 나타낸 것이며 그림에 표시된 각 그라우트의 열전도도는 TRNSYS 프로그램의 모듈로부터 추출한 것이다. 그림에 보인 바와 같이 열전도도가 0.35 W/m℃인 dry light soil을 기준으로 2배 혹은 3배의 크기를 가진 cement mortar와 damp light soil의 경우를 비교하면 열전도도가 약 2.5배 증가함에 따라 연중 운전의 COP가 20% 이상 상승함을 볼 수 있으며 특히 하계 운전시에 성능 향상이 크게 이루어짐을 알 수 있었다. 그림에 나타내지는 않았으나 열전도도가 0.
일반적으로 현장 열응답 시험에서 대두되는 문제는 시험 수행 시간이며 실제 현장 시험시간을 증가시켜가면서 그라우트와 지중의 유효 열전도도를 측정는데 시간이 길면 길수록 정확한 값을 얻을 수 있다. 대체로 50시간 이상 측정하면 만족할 만한 결과를 얻을 수 있으며, 라인 소스 모델을 사용할 때의 오차도 줄일 수 있다.⁽⁴⁾
인 건물을 대상으로 물 대 물 방식의 히트펌프 모델이 적용된 TRNSYS를 사용하여 동적 시뮬레이션을 실시하였다. 동적 시뮬레이션 결과 지중열교환기의 그라우트의 종류(열전도도의 차이)에 따라 시스템의 연중 COP가 크게는 45% 이상 변화가 발생하였으며 특히 하계 운전에서의 성능 변화에 미치는 영향이 크게 나타났다.
지중열교환기의 성능 향상을 목적으로 제안한 반밀폐형의 지중열교환기에 대하여 투수량에 따른 지중의 유효 열전도도를 현장 열응답 실험을 통하여 구한 결과 투수량이 증가함에 따라 지중의 유효 열전도도가 선형적으로 증가하였으며 투수량 실험 범위 내에서 50% 이상 증가함을 확인하였다.
최종적으로 투수량을 0.6 ton/h까지 증가시키면서 구한 유효 열전도도는 Fig. 16에 표시한 바와 같이 나타났으며 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 투수량이 증가함에 따라 지중의 유효 열전도도는 선형적으로 증가하며 투수량 시험 범위(0.6 ton/h) 내에서 50% 정도가 증가한 것으로 나타났다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 신재생에너지의 보급률은 어떠할 것으로 전망되는가?	최근 발표된 국가에너지기본계획에 따르면 우리나라의 신재생에너지의 보급률은 2030년까지 11%가 될 예정이며 이 계획에 의해 지열분야 역시 현재 대비 50배 이상의 보급이 예상되고 있다. 우리나라에서 냉난방 에너지 열원으로서의지열은 신재생에너지 중에 투자비 회수기간이 가장 짧은 열원으로 잘 알려져 있으며 이용기기의 대부분을 차지하고 있는 지열히트펌프 시스템 (ground source heat pump system)에 대한 보급 및 연구개발이 매우 활발히 이루어지고 있다.
	지중열교환기는 지열히트펌프 시스템에서 어떤 역할을 하는가?	지열히트펌프 시스템에서 지중열교환기(ground heat exchanger)는 히트펌프 시스템 전체의 성능과 초기 설치비를 결정하는 핵심기기이다.(2) 현재 지중열교환기는 다양한 형태로 이용이 되고 있으며 열원 또는 설치형식에 따라 구분된다.
	지중열교환기는 우리나라에서 어떤 방식이 주로 사용되는가?	(2) 현재 지중열교환기는 다양한 형태로 이용이 되고 있으며 열원 또는 설치형식에 따라 구분된다.(3) 다양한 형태 중에서 국내의 경우에는 설치공간을 최소화할 수 있는 수직 밀폐형이 가장 널리 채택이 되고 있으며 이 방식은 지하로 약 100~200 m 정도 천공된 보어홀에 고밀도의 폴리에틸렌 파이프를 수직으로 매설하는 방법으로서 아래쪽 말단에는 2차 유체 순환을 위한 U 밴드가 연결되며 보어홀과 파이프 사이에는 그라우트(grout)로 채우게 된다. 이같은 수직 밀폐형의 지중열교환기는 브라인과 같은 2차 유체가 히트펌프 시스템의 열교환기와 파이프 내에서만 순환하는 밀폐형과 지하 수가 열교환기 및 파이프내를 직접 흐르게 하는 개방형으로 또한 구분된다.

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