초록 ▼

최종목표
○ 직접순환식 수직밀폐형 지열원 열펌프 설계 및 시공 원천기술 개발
- 직접순환식 수직밀폐형 지중열교환기 설계프로그램 개발
- 직접순환식 수직밀폐형 지중열교환기 열성능 설계자료 도출
- 직접순환식 지열원 열펌프 시스템 개발 (3 RT급)
개발내용 및 결과
- 직접순환식 지중열교환기 설치 : 직접순환식 지중열교환기 설치를 위한 기본 사양을 설계하고 이를 위한 공법 등을 개발하여 설치함. 1차와 2차에 걸쳐 두번 시공하였음.
- 직접순환식 지열원 열펌프 성능실험 : DX 지중열교환기와 연계

최종목표
○ 직접순환식 수직밀폐형 지열원 열펌프 설계 및 시공 원천기술 개발
- 직접순환식 수직밀폐형 지중열교환기 설계프로그램 개발
- 직접순환식 수직밀폐형 지중열교환기 열성능 설계자료 도출
- 직접순환식 지열원 열펌프 시스템 개발 (3 RT급)
개발내용 및 결과
- 직접순환식 지중열교환기 설치 : 직접순환식 지중열교환기 설치를 위한 기본 사양을 설계하고 이를 위한 공법 등을 개발하여 설치함. 1차와 2차에 걸쳐 두번 시공하였음.
- 직접순환식 지열원 열펌프 성능실험 : DX 지중열교환기와 연계된 3 RT급 지열 열펌프에 대한 성능실험을 수행하고 100시간 이상 연속운전을 완료함.
- 장기운전성능분석 : 성능실험에서 획득된 성능지표를 이용하여 장기운전성능을 예측하고 정량적 목표를 달성함을 확인함.
- 성능해석 모듈 개발 : DX 지중열교환기를 해석할 수 있는 소스파일을 Fortran을 이용하여 Coding하고 상용툴인 TRNSYS와 연계 적용할 수 있도록 프로그램을 개발하였음.
- 시공방법 정립 : 지중열교환기 개발결과를 이용하여 시공방법에 대한 가이드라인을 만들고 활용할 수 있도록 정리하였음.
기술개발 배경
- 신재생에너지 중 열에너지의 이용에 대한 수요확대가 진행되고 있음.
- 지열냉난방분야는 건물부문은 활발하나 가정용 소형 지열열펌프 보급은 경제 성과 시공성 문제로 인해 보급이 지연되고 있음.
- 본 제안의 직접순환식 지중열교환기는 기존의 3개(냉매, 실내측, 지중순환부측)의 순환루프를 갖는 시스템과는 달리 지중순환부와 냉매루프가 하나로 통합 연결된 방식임. 이 연결부를 통하여 직접 냉매가 순환하는 방식으로 냉매와 지중부가 직접 열교환을 하므로 효율이 높으며, 순환펌프가 필요없어 효율적임.
- 지열열펌프 분야의 새로운 기술로 고효율과 친환경적이며, 신재생에너지 보급 및 내수 시장을 확보할 수 있는 미래형 열펌프 원천기술 필요함.
핵심개발 기술의 의의
- 현재 캐나다지열협회에서만 상용화된 기술을 국내에 최초로 도입하여 핵심적인 직접순환식 지중열교환기 설계/시공 기술을 확보하였으며, 이를 토대로 가정용, 소형 지열원 열펌프 시장을 창출할 수 있음.
- 주거용으로 보급이 지지부진하였던 지열원 열펌프에 대한 보급상황을 개선할 수 있었으며, 그린홈 100만호 보급사업과 연계되어 시장창출을 추진할 예정임.
- 본 연구 제안의 직접순환식 지열원 열펌프 시스템의 예상되는 장점은, . 지중열교환기로 냉매가 직접 순환하므로 시스템 구조가 간단하여 용량별 상품화(패키지화)가 가능하므로 상용화가 빠르게 진행될 수 있음.
. 열펌프 유니트의경우와 같이 수출이 가능할 것으로 판단됨.
. 보어홀의 크기와 깊이의 감소, 시공 용이성 등에 의해 설치비 절감이 예측됨.
적용 분야
- 가정용 및 소형 건물의 냉난방에 사용될 수 있음. 모듈화, 분산화 시킬 경우에는 대형빌딩에서도 적용이 가능할 것임.
- 재생열에너지의무화(RHO)와 연계된 재생열에너지 보급사업연계.
- 그린홈 100만호 보급사업과 연계된 단독주택에 보급가능하며, 중소기업 위주의 시장형성 예상.

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 9
• 목 차 ... 14
• 제 1 장 서 론 ... 17
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 17
• 1. 개발 대상 기술의 개요 ... 17
• 가. 지열원 열펌프 시스템 ... 17
• 나. 수직밀폐형 지열원 열펌프 시스템 ... 18
• 다. 직접순환식(DX, direct exchange) 지열원 열펌프 시스템 ... 20
• 2. 개발 대상 기술의 중요성 ... 25
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 28
• 1. 국내 기술 동향 및 수준 ... 28
• 2. 해외 기술 동향 및 수준 ... 30
• 3. 국내·외 경쟁기관 현황 ... 31
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적․경제적 파급 효과 ... 33
• 1. 기술적 측면 ... 33
• 2. 경제적·산업적 측면 ... 33
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 36
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 36
• 1. 최종 목표 ... 36
• 2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 36
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 38
• 1. 1차년도 ... 38
• 가. 개발목표 ... 38
• 나. 개발내용 및 범위 ... 38
• 2. 2차년도 ... 40
• 가. 개발목표 ... 40
• 나. 개발내용 및 범위 ... 40
• 3. 3차년도 ... 40
• 가. 개발목표 ... 40
• 나. 개발내용 및 범위 ... 40
• 제 3 장 연구개발 내용 및 결과 ... 42
• 제 1 절 서 론 ... 42
• 제 2 절 천부 지열원 이용 기술 ... 44
• 1. 지열원 열펌프시스템 개요 ... 44
• 가. 지열원수/냉매 열교환기 이용 형식의 열펌프시스템 ... 44
• 나. 냉매 직접팽창식 열펌프시스템 ... 45
• 2. 수직형 지중열교환기 ... 46
• 가. 간접식과 직접식 수직형 지중열교환기 ... 46
• 나. 수직형 지중열교환기 성능 ... 48
• 다. 직팽식 지중열교환기의 열교환 ... 55
• 제 3 절 직접순환식 지열원 열펌프 성능실험 ... 59
• 1. DX 지열원 열펌프 성능실험장치 구축 ... 59
• 가. 보어홀 직경 및 HDPE 재질의 U-튜브 설치형상에 따른 보어홀 총합전열저항 검토 ... 59
• 나. 실험용 DX형 지중열교환기 최소 한계용량 선정 ... 67
• 다. 실험용 1차 DX 지열원 열펌프 설치 ... 73
• 라. 실험용 2차 DX 지열원 열펌프 설치 ... 80
• 마. DX 지열원 열펌프 실험장치 설계 및 제작 ... 89
• 2. 직접순환식 지열원 열펌프 성능실험 ... 95
• 가. 적정 냉매 충진량 산정 ... 95
• 나. 시공 차에 따른 성능 변화 ... 95
• 다. 난방 100시간 성능실험 ... 96
• 라. 냉방성능실험 ... 99
• 마. 연간성능 ... 102
• 바. 단위길이 당 열용량 ... 106
• 제 4 절 직접순환식 지열원 열펌프 성능해석 ... 108
• 1. 수직밀폐형 지열원 열펌프 시뮬레이션 ... 108
• 2. 직접순환식 수직밀폐형 지열원 열펌프 시뮬레이션 ... 110
• 가. 직접순환식 수직밀폐형 지열원 열펌프 컴퍼넌트(Type 201) ... 110
• 나. 직접순환식 수직밀폐형 지중열교환기의 해석 ... 110
• 다. 직접순환식 지중열교환기 적용 모듈 ... 117
• 라. 직접순환식 지열원 열펌프 유닛 모델 ... 118
• 마. 시뮬레이션 결과 ... 120
• 제 5 절 직접순환식 지열원 열펌프 설치 가이드 ... 121
• 1. 개 요 ... 121
• 2. 현지 조사 ... 121
• 가. 현지 조사 개요 ... 121
• 나. 현지 조사의 유념사항 ... 126
• 3. DX 지중열교환기, 지열원 열펌프시스템 선정 ... 126
• 4. DX 지중열교환기 설치 ... 127
• 5. DX 지열원 열펌프시스템 설치 ... 131
• 6. 시운전 및 성능 보증 ... 134
• 7. DX 지열원 열펌프시스템 폐쇄 ... 141
• 제 6 절 결론 및 건의사항 ... 142
• 제 4 장 결과 및 사업화 계획 ... 143
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 143
• 1. 연구개발 추진일정 ... 143
• 2. 연구개발 추진실적 ... 144
• 가. 기술개발 실적 ... 144
• 나. 특허실적 ... 146
• 다. 논문실적 ... 147
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 149
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 150
• 1. 시장규모 ... 150
• 2. 사업화 계획 및 전망 ... 151
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 153
• 참고문헌 ... 154
• <부록 A> KS B ISO 13256-1, KS B ISO 13256-2 ... 155
• <부록 B> 직접순환식 지열원 열펌프 모듈 연계 TRNSYS용 변환 CODE ... 169
• 끝페이지 ... 175