초록 ▼

지열히트펌프에 활용되고 있는 수직형 열교환기를 수평형 열교환기로 대체한 지열 히트펌프 가능성와 환기 목적으로 매설된 수평형 환기시스템에 대한 성능을 파악하여, 주거용 건축물에 일반적으로 설치되고 있는 수직형 지열시스템을 대신할 수 있는 수평형 지열 시스템의 개발에 목적을 두고 있다.
1차년도에서는 전반적인 실험준비와 이에 대한 설치방법과 방안제시를 하는데 역점을 두고 진행되었다.
2차년도에서는 소규모 주거용 건축물에 히트펌프 설치를 위하여 냉방과 난방부하를 먼저 계산하고, 이에 따른 매설파이프 형태 및 길이의 결정은 중요

지열히트펌프에 활용되고 있는 수직형 열교환기를 수평형 열교환기로 대체한 지열 히트펌프 가능성와 환기 목적으로 매설된 수평형 환기시스템에 대한 성능을 파악하여, 주거용 건축물에 일반적으로 설치되고 있는 수직형 지열시스템을 대신할 수 있는 수평형 지열 시스템의 개발에 목적을 두고 있다.
1차년도에서는 전반적인 실험준비와 이에 대한 설치방법과 방안제시를 하는데 역점을 두고 진행되었다.
2차년도에서는 소규모 주거용 건축물에 히트펌프 설치를 위하여 냉방과 난방부하를 먼저 계산하고, 이에 따른 매설파이프 형태 및 길이의 결정은 중요한 요소이다. 이를 위하여 소규모 주거용 건축물을 상정하여 Energy Plus에 기반을 둔 Design builder를 이용하여 냉난방부하를 계산하였고, 이를 토대로 GLD(Ground Loop Design)프로그램을 활용하여 매설관의 적정형태는 Slinky type, 매설길이는 4개의 트렌치(각 트렌치 별 135.7m)와 총 542.8m, 적정 지중 깊이는 지중 3m, 히트펌프는 3RT 용량으로 결과를 얻었다. 수평형으로 매설된 관과 연계된 히트펌프의 성능을 파악하기 위하여 실물실험을 수행하였으며, 난방 기간 동안 전체 시스템에 대한 COP는 3.62로, 이는 수직형과 비슷한 성능을 보임에 따라 초기설치비 등에서 유리한 수평형으로 대체가 가능할 것으로 사료된다.
3차년도에서는 환기목적의 수평형 열교환기의 성능 검토하기 위해서는 지중 깊이에 따른 온도 변화가 선행되어야 하나, 본 연구의 대상지역인 창원의 경우는 기상청에서 지중 깊이에 따른 지중온도를 제공하고 있지 않으므로 지중온도를 예측할 필요가 있다. 지중온도는 지표면 근처에서는 외기 영향에 크게 좌우되며, 땅속 깊이가 깊을수록 외기 및 시간지연으로 인하여 파장형태가 변화될 수 있다. 본 연구에서는 파장형태로 표현되는 것에 초점을 맞추어 기상청에서 제공되고 있는 지역에 대하여 외기온도와 지중 깊이별 온도에 대한 최고온도가 나타나는 시기를 조사하여 이를 위상보정을 통하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 부산지역의 경우, 지중 3m지점에서는 실측값과 시뮬레이션 결과값과의 차이는 0.2℃, 서울지역의 경우는 1.0℃로 잘 일치하는 것으로 나타났다. 위상보정방법을 근거로 창원지역 지중 3m 지점의 최저 및 최고온도는 4월과 10월이며, 10.6℃와 20.3℃로 예측할 수 있다.
4차년도에서는 수평형 열교환기를 통과하는 공기 온도는 지중온도에 큰 영향을 받으므로 지중온도 예측은 필요한 요소이므로, 앞 절에서 언급한 위상보정방법을 통하여 설치 대상 지역의 지중 깊이별 온도는 구할 수 있을 것으로 판단된다. 수평형 열교환기는 환기를 목적으로 하고 있으므로 출구온도의 예측은 중요하다고 할 수 있다. 수평형 열교환기에 유입되는 유체온도는 관표면과 대류열전달로 인하여 유체온도가 하강(상승)하게 됨에 따라 열평형식을 활용하여 구할 수 있다. 이 경우 관표면의 온도는 장시간 지중에 매설되어 있는 관계로 지중온도와 동일하다고 할 수 있다. 또한 수평형 열교환기의 출구온도에 영향을 미치는 요소로는 매설길이, 매설관의 관경과 유속으로 각각의 요소에 출구온도를 예측하고, 이를 근거로 매설지침을 제안하고자 하였다. 출구온도 예측을 위하여 지중깊이 3m의 동일지점으로 3개 지역을 선택하였으며, 창원지역의 경우 매설관의 관경이 100㎜, 유속이 3m/s인 경우, 매설관의 길이가 40m인 경우 출구온도는 25.7℃, 60m인 경우 출구온도는 23.9℃, 100m인 경우 출구온도는 21.6℃로 예측하였다. 이와 같이 매설관경, 길이, 유속에 따른 출구온도 예측과 이에 따른 매설지침을 제시하였다.
5차년도에서는 3, 4차년도에서 수평형 열교환기의 성능 및 지침 중심에서 보다 쉽게 출구온도를 예측하기 위하여 Energy Plus프로그램을 활용하고자 하였다. Energy Plus프로그램에서 사용되는 기상데이터와 실물 실험에서 적용된 외기데이터와는 차이가 발생하고 있으므로 이를 동일하게 검증하는 것에는 문제점이 있으므로, 계산식에 의한 결과값 및 실측 결과값에 대하여 3단 논법에 의거하여 각각의 결과에 대한 상관관계를 파악하여 Energy Plus프로그램의 사용에 대한 타당성을 검토하였다. Energy Plus프로그램에서 지중온도의 입력조건은 3차년도에서 위상보정을 통하여 구한 깊이 3m의 월별온도를 “deep”항에 입력하여 구한 각각의 결과값에 대한 상관관계를 살펴보면, EnergyPlus와 실험 결과값에 대한 상관계수는 0.825, EnergyPlus와 수치해석 결과값에 대한 상관계수는 0.722로 나타남에 따라, Louis et al.의 해석결과에 의하면 모든 결과에서 “strong association”에 속하므로 EnergyPlus를 이용하여 출구온도를 예측하는 것은 타당성이 있다고 판단된다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 3Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5 1. 연구과제의 개요 ... 5 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6 5. 연구결과의 활용계획 ... 7 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7Ⅲ. 연구성과 ... 8끝페이지 ... 10