[논문]유출지하수 열원 지열히트펌프용 Pond Loop 열교환기의 열전달 성능

박근우; 김윤호

유출지하수 열원 지열히트펌프용 Pond Loop 열교환기의 열전달 성능
Heat Transfer Performance of Pond Loop type Heat Exchanger for Ground Source Heat Pump using Extruding Ground Water 원문보기

박근우 (삼양코너지(주)) , 김윤호 (삼양코너지(주))

유출지하수나 지료수를 열원으로 하는 지열히트펌프의 기초자료로 활용하기 위하여 Pond Loop형 열교환기를 설계, 제작하여 유동이 없는 수조 내에서 수조의 온도가 변화함에 따라 일정한 열교환기 입구온도를 유지하면서 열전달량을 측정하였다. 그 결과 수조를 Heat Source로 사용하는 경우 5,500${\sim}$4,500 kcal/h의 열량이 전달되었고, 수조를 Heat Sink로 사용할 경우 5,200${\sim}$3,500 kcal/h의 열량이 전달되었다. 또한 열교환기 관내 유속이 증가함에 따라 열전달량이 증가하는 경향성을 확인할 수 있었고, 이는 동시에 열교환기 입출구의 차압을 증가시킴을 알 수 있었다. 열교환기의 설계단계애서 사용하였던 열전달관계식으로 구한 총괄열전달계수, U와 실험값을 통해 유추한 U값을 비교 한 결과 실험에 의해 유추된 U값이 24${\sim}$27% 설계치 보다 크게 나타났다. 본 연구를 통하여 유출지하수 뿐만 아니라 하수 및 하천수를 이용한 지열히트펌프의 기초자료를 확보할 수 있었다.

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문제 정의

Pond Loop형 열교환기는 미국 등지에서는 부분적 9 로 사용되고 있으나, 국내의 경우에는 사용한 예가 없고 이에 대한 기초자료가 부족한 상황이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 유효지표수에 이용할 수 있는 Pond Loop형태의 열교환기의 열전달 성능을 실험을 통하여 파악하고 이를 토대로 설계의 기초자료로 활욤하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 유출지하수의 기준온도를 15P로 가정하고 이를 Heat Source(난방모드)로 사용하는 경우와 Heat Sink (냉방모드)로 사용하는 경우에 대해서 실험을 진행하였다. Table 2에 본 실험을 수행한 조건들을 정리하였다.

제안 방법

유출수를 저장하는 저장 탱크를 제작하여 지하수를 높이 Im 정도 채우고 자체 제작한 Pond Loop형 열교환기를 탱크의 중심부에 설치하였다, Pond Loop형 열교환기의 입출구 조건을 유지하기 위해 항온칠러를 설치하였고 이와 열교환을 할 수 있도록 판형열교환기를 설치하였다. Pond Loop형 열교 환기와 판형 열교환기의 입출구에 온도, 압력센서를 설치하고 질량유량계를 사용하여 열전달능력을 파악할 수 있도록 하였다. 또한 압력센서에 의해 Pond Loop형 열교환기와 판형열교 환기의 압력강하 득성을 파악하였다.
열교환기의 형태는 원형으로 하였고 동알길이에 보다 Compact하게 제작하기 위해 radi기 방향으로 4열, 수직방향으로 10열로 제삭하였다. 또한 관외측의 열전날 저하현상을 방지하기 위해 상하좌우로 10mm의 산격을 유지하도록 제작하였다.
Pond Loop형 열교 환기와 판형 열교환기의 입출구에 온도, 압력센서를 설치하고 질량유량계를 사용하여 열전달능력을 파악할 수 있도록 하였다. 또한 압력센서에 의해 Pond Loop형 열교환기와 판형열교 환기의 압력강하 득성을 파악하였다. Table 1은 본 실험에 사용된 실험장치의 제원이다.
본 연구에서는 열전달관계식에 의해서 설계한 Pond Loop 형 열교환기를 제작하였고, 열전달성능 파악을 위한 실험장치 믈 설치하여 실험을 진행하였다.
본 절에서는 실험을 통하여 얻어진 Pond Loop헝 열교환기의 성능을 바탕으로 설계인자인 총괄열전날계수 U값을 산출 하였다. 일반적인 열교환기와 달리 Pond Loop형 열교환기는 Tank의 온도가 동일하기 때문에 Fig.
관의 재질은 PE이며 시중에서 흔히 구할 수 있는 X-L Pipe를 사용하였다. 열교환기의 형태는 원형으로 하였고 동알길이에 보다 Compact하게 제작하기 위해 radi기 방향으로 4열, 수직방향으로 10열로 제삭하였다. 또한 관외측의 열전날 저하현상을 방지하기 위해 상하좌우로 10mm의 산격을 유지하도록 제작하였다.
유출수를 저장하는 저장 탱크를 제작하여 지하수를 높이 Im 정도 채우고 자체 제작한 Pond Loop형 열교환기를 탱크의 중심부에 설치하였다, Pond Loop형 열교환기의 입출구 조건을 유지하기 위해 항온칠러를 설치하였고 이와 열교환을 할 수 있도록 판형열교환기를 설치하였다. Pond Loop형 열교 환기와 판형 열교환기의 입출구에 온도, 압력센서를 설치하고 질량유량계를 사용하여 열전달능력을 파악할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 실험에서 사용한 Pond Loop 형 열교환기의 사진이다. 관의 재질은 PE이며 시중에서 흔히 구할 수 있는 X-L Pipe를 사용하였다.
1은 본 실험에서 사용한 Pond Loop 형 열교환기의 사진이다. 관의 재질은 PE이며 시중에서 흔히 구할 수 있는 X-L Pipe를 사용하였다. 열교환기의 형태는 원형으로 하였고 동알길이에 보다 Compact하게 제작하기 위해 radi기 방향으로 4열, 수직방향으로 10열로 제삭하였다.

성능/효과

1. Heat Source 모드에서의 열전달량은 열교환기 입구의 온도차가 11~7℃ 범위에서 5, 500~4, 500 kcal/h로 나타났다.
2. Heat Sink로 열교환기 입구의 온도차가 16~6℃ 사이에서 5, 200~ 3, 500kcal/h의 열량을 전달할 수 있었다.
3. Heat Source 모드에서의 U값은 250~ 300kcal/hm2℃e 고, Heat Sink 모드에서의 U값은 190~300 kcal/hm²℃로 나타났다. 진체적으로 U값은 LMTD와 반비 례관계로 나타났다.
본 실험을 통해서 유출수（혹은 지표수）를 Heat Source로 사용할 경우 수조의 온도와 열교환기 입구의 온도차가 11~ 71인 경우 상기 제원의 Pond Loop형 열교환기를 통해 5,500~4,500 kcat/h의 열량을 전달할 수 있음을 확인하였다.
6은 Heat sink모드에서의 결과이다. 시간이 경과함에 따라 LMTD는 7℃에서 4SC토 감소하고 있고 U값은 190에서 300 kcal/hm²℃로 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 LMTD가 감소함에 따라 열전달의 유효성 이 증가함을 보여준다’

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