초록 ▼

□연구 목표
▪ 지열시스템 통합 구체축열시스템 활용기술 개발

□차년도 세부목표
▪ 1차년도: 구체축열시스템 해석 모델 및 방열량 해석 방법
▪ 2차년도: 실내외 부하조건에 따른 구체축열시스템의 제어 및 운영방안 도출
▪ 3차년도: 지열시스템과의 통합 구성안의 운전조건에 따른 냉방성능 및 에너지성능 평가

□연구의 배경 및 필요성
▪ 온실가스 배출의 국제 규제 강화로 인한 태양열, 지열 등의 신재생에너지에 대한 관심 고조됨과 동시에, 여름철 쾌적한 실내환경 조성 요구로 인해 구조체 축

□연구 목표
▪ 지열시스템 통합 구체축열시스템 활용기술 개발

□차년도 세부목표
▪ 1차년도: 구체축열시스템 해석 모델 및 방열량 해석 방법
▪ 2차년도: 실내외 부하조건에 따른 구체축열시스템의 제어 및 운영방안 도출
▪ 3차년도: 지열시스템과의 통합 구성안의 운전조건에 따른 냉방성능 및 에너지성능 평가

□연구의 배경 및 필요성
▪ 온실가스 배출의 국제 규제 강화로 인한 태양열, 지열 등의 신재생에너지에 대한 관심 고조됨과 동시에, 여름철 쾌적한 실내환경 조성 요구로 인해 구조체 축열 부하 제거를 통한 구체축열시스템에 대한 관심이 증가하고 있음.
▪ 신도시 개발, 공공기관 이전 등 대규모 건설 시장에서의 친환경건축물 조성 시, 지열에너지 활용 친환경 냉난방시스템 개발이 필요하며, 이를 위해 지열시스템 통합 구체축열시스템 활용기술(최적 제어 및 운영방안 등) 개발이 필요함.
▪ 기존 연구에서는 국내 기후조건에서의 비주거용 건물에 적용된 경우에 대한 이론 및 현장실측 연구는 드물며, 구체축열시스템의 운전 및 제어 전략에 대한 연구도 아직 미비한 수준임 => 따라서 본 연구에서는 사례건물의 현장실측을 통한 기초 운전데이터를 확보하고 이를 바탕으로 부하에 따른 구체축열시스템 운전 가이드라인을 도출하고, 지열원 활용 구체축열시스템에 대한 시뮬레이션 성능평가를 진행함

□주요성과1: 구체축열시스템 기존 연구/적용사례 분석 및 국내 사례건물 실제 운전데이터 확보
▪ 동계측정 결과: 1차 및 2차실측 시, 1.5m에서의 실 공기온도는 각각 평균 22.5, 23.6℃, 수직 온도분포는 각각 평균 22.3～3.0℃, 23.2～24.0℃로 온도차가 1℃ 미만이었음. 2차실측 시의 예상온열감(Predicted Mean Value)는 –0.01～0.24로 쾌적한 범위 유지. 천장 표면온도는 각각 평균 23.8, 24.5℃였으며, 전반적으로 고른 온도분포 보임
▪ 하계측정 결과: 1,2차 실측 시 설정온도 19℃, 21℃로 운전됨. 천장 표면온도 경우 1,2차 실측 시 각각 평균 19.5℃, 19.4℃로 나타남. 1,2차 실측 시 실내 노점온도는 평균 17.7℃, 15.6℃로 천장 표면온도는 노점온도보다 높게 유지되었고, 실제로도 결로가 발생하지 않음. 실내 열쾌적감 분석: 1,2차 실측 모두 실내 수직온도 평균 0.5℃ 이내였으며, PMV값은 각각 –1.29~0.60, -1.05~-0.36였음

□주요성과2: 구체축열시스템 해석 모델 고찰 및 설계변수에 따른 방열특성 분석
▪ 공급 온수온도 증가에 따라 방열량, 환수온도 강하, 평균 표면온도 모두 증가. 면적당 방열량 및 평균 표면온도는 공급 온수온도 40℃일 때 89.6 W/㎡, 27.2℃, 80℃일 때 268.7 W/㎡, 41.5℃였음
▪ 공급 온수유량 증가에 따라 방열량, 평균 표면온도 증가. 그 증가폭은 점차 감소. 환수온도 강하폭은 점차 감소. 면적당 방열량 및 평균 표면온도는 공급 온수유량 3 LPM일 때 143.5 W/㎡, 31.2℃, 6 LPM일 때 179.1 W/㎡, 34.4℃였음
▪ 콘크리트 슬래브 두께를 변화함으로써 구조체의 열용량 및 배관 상·하부의 열저항비를 조절하여 반응시간을 조절할 수 있음

□주요성과3: 구체축열시스템 제어 및 운영방안 도출
▪ ECC 건물의 현장조사: 구체축열시스템이 현열 냉난방을 담당하고 VAV 공조시스템(Variable Air Volume System)으로 제습환기를 담당. 공급온도 설정을 통해 구체축열시스템의 방열량을 조절함 (현재 하계 19℃, 동계 29℃로 설정)
▪ 건물 동적 에너지해석 시뮬레이션 (EnergyPlus) 이용 일별 평균 외기온도에 따른 냉난방부하 패턴 분석: 동계 난방부하는 하계 냉방부하에 비해 외기온에 선형 비례하는 경향이 큼. 외기온에 따라 로드죤 설정 (난방부하 6개, 냉방부하 4개)
▪ ECC의 로드죤에 따른 운전 가이드라인 도출: 구체축열시스템의 방열량 고려 후, 표면결로 방지 혹은 열쾌적 확보가 가능한 수준에서 적정 냉온수 공급온도 설정. 하계의 경우, 구체축열시스템의 방열량은 별도의 제습이 없다면 표면결로 발생 가능성이 커지므로 부하의 50% 이상을 담당하기 힘듦. 동계의 경우, 구체축열시스템의 방열량으로 대부분의 난방부하를 담당할 수 있을 것으로 판단됨

□주요성과4: 지열원 통합안 도출 및 지열 통합 구체축열시스템 에너지 소비량 평가
▪ 통합안1의 경우 실온은 Packaged Terminal Heat Pump(PTHP)로 제어하되, 냉동기 및 냉각탑과 연결된 구체축열시스템이 현열부하의 일부를 담당. 통합안2와 3의 경우는 냉각탑 대신 수평개방형 및 수직밀폐형의 지중열교환기와 연결됨
▪ PTHP로 모든 냉난방부하를 담당하는 기존안 대비 구체축열시스템 적용된 통합안1~3이 19.6~19.88%의 전기소비량 감소효과 있음 => 지중열교환기의 적정 설계를 통한 성능 확보 시 에너지 소비량 감소 효과 증대할 것으로 판단됨
▪ 통합안1의 경우 구조체 매설 파이프로의 냉수공급으로 인해 밤시간동안 실내온도가 기존안에 비해 약 1℃ 낮게 유지되었고, 초기 운전 시 실내 설정온도 달성을 위한 PTHP 시스템의 에너지소비량이 상당량 감소함.
▪ 구체축열시스템 공급냉수 설정은 실내 노점온도와 방랭면 온도를 기준으로 결로가 발생하지 않는 범위내에서 설정되어야 함 => 이는 구체축열시스템의 방랭량을 제한하는 요인이 됨
▪ 또한 제습시스템의 통합설계 시에는 건물 피크부하 및 구체축열시스템의 부하담당률, 그리고 공기시스템의 냉각코일을 통한 제습량 및 급기 온도저하를 고려하여 과냉(overcooling)을 방지하여야 함

□성과 활용 방안
▪ 국내 구체축열시스템 보급 확대: 실제 제어 운영이 가능하도록 현장실측 및 조사를 통한 기존 사례 분석 및 하계 결로를 고려한 운전 가이드라인 개발에 기여
▪ 국내 하계 전력량 피크치 저감: 구체축열시스템의 냉방 운전을 통해 국내 여름철 피크부하 저감 가능
▪ 본 연구성과를 바탕으로 중공슬래브를 사용하는 경량 건물에 구체축열시스템 적용 시 냉난방 효과를 최적화하기 위해 상변화물질 활용 연구 추가 진행 및 콘크리트 타설 시 파이프를 매입하는 습식 시공 방식에서 건식 공업화 시공 가능한 구체축열시스템 제품 개발 및 기업화 추진 가능 (현재 타 과제에서 본 과제의 연장선상으로 (주)포스코건설과 함께 진행 중)