http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2014.26.9.401
지중온도 경사를 이용한 효율적 지중에너지 이용 방안에 관한 연구
A Study on Effective Energy Use of the Open Type Ground Heat Exchanger Using Underground Temperature Gradient
류형규(Hyungkyou Ryu)1†, 정민호(Minho Chung)1, 이병석(Byungseok Lee)1, 류효준(Hyojun Rhew)2, 최현준(Hyunjun Choi)3, 최항석(Hangseok Choi)3
1
대림산업 기술개발원,
2대림I&S,
3고려대학교 건축사회환경공학부
1
Technology Research and Development Institute, Daelim Industrial Co., Ltd., Korea
2
Daelim Information and Service Co., Ltd., Korea
3
School of Civil, Environmental and Architectural. Engineering, Korea University (Received January 27, 2014; revision received July 3, 2014; Accepted: July 4, 2014)
Abstract This paper proposes an optimum operation method for open type ground heat exchangers. A series of TRTs and artificial heating/cooling operations were carried out while monitoring temperature in the hole of SCW. The ground temperature naturally increases with depth, but a switch between the cooling/heating mode results in a change in the distribution of ground temperature. The effect of the mode change was evaluated by performing LMTD and COMSOL multiphysics analysis for a reduced model with the depth of 150 m. As a result, in the cooling mode, the upstream operation is more efficient than the downstream operation and reduces EWT by 2.26℃. On the other hand, in the heating mode, the downstream operation is advantageous over the upstream operation and increases EWT by 3.19℃. The merit of the optimum operation will be enhanced for the typical dimension of SCW with a depth of 400~500 m. In the future, an open type ground heat exchanger system adopting the optimum operation with variation in the ground temperature will be used in practice.
Key words Open type ground heat exchanger(개방형 지중열교환기), SCW(스탠딩컬럼웰), LMTD(대수평균온도차), EWT(히트펌프 입구온도), LWT(히트펌프 출구온도), TRT(열응답 시험)
†Corresponding author, E-mail: [email protected]
기호설명
: 대수평균온도차 [℃]
: 지온증가율 [℃]
: 지표면 온도 기준값 [℃]
: 지반의 지온경사
1. 서 론우리나라와 같이 수도권을 중심으로 고밀도 개발이 이루어지는 지역에서 밀폐형 (수직 또는 수평형) 지중 열교환기를 대용량으로 설치할 경우에 공간 제약으로 시공이 원활하지 않거나, 지열 냉난방 시스템을 제대 로 활용하지 못하는 경우가 발생할 수 있다 . 그러나 개방형 지중열교환기는 천공개수가 적고 , 공간의 활용 도가 우수하기 때문에 초기 설치비용 측면에서 유리할
뿐만 아니라 에너지 절감효과를 높일 수 있다 . 최근 들어 개방형 지열 냉난방 시스템에 대한 인식 이 바뀌고 있고 적용사례가 증가됨에 따라 개방형 지 중열교환기에 대한 정밀한 검증과 함께 국내 여건에 적합한 공법 개발이 필요하다 .
본 연구는 보다 효율적인 개방형 지중열교환기 이용 방안을 제시하기 위하여 수행하였다 . 이를 위하여 현재 상용화되어 있는 세 가지 개방형 방식을 대상으로 천공 길이 및 심정펌프 위치에 따른 유효 열교환 길이와 내부 케이싱 유무 및 관경에 따른 천공 홀 내 유속 차이를 분석하였다 . 이 중 한 가지 지중열교환기(Fig. 1의 ‘B’
Type)를 시험시공하여 깊이 별로 온도센서를 설치하고
열응답 시험 및 냉난방 시 온도변화를 분석하였다 . 실험
결과에 나타난 냉난방 전환 시 지중온도 변화를 통해
지하수 흐름 방향에 따른 열교환 특성의 차이가 있음을
확인하였으며 , 이를 LMTD 및 CFD 시뮬레이션을 이용 하여 증명하였다.
2. 개방형 지중열교환기 종류 및 특징
개방형 지중열교환기는 심정펌프 위치와 내부케이 싱 유무에 따라 Fig. 1과 같이 세 가지 방식으로 시공 된다 . ‘A’ Type은 가장 대표적인 개방형 방식인 SCW (Standing Column Well)이며, ‘B’ Type은 지중공벽 함몰 방지를 위하여 공벽과 내부케이싱 사이에 충진재를 삽 입한 CTW(Coaxial Thermal Well)이고, ‘C’ Type(이하 ‘A’,
‘B’, ‘C’)은 최근 지열업체에서 개발한 공법으로 충진 재를 삽입하고 내부케이싱이 없는 구조이다.
방식별 유체흐름의 특징은 ‘A’, ‘B’의 경우, 내부케이 싱 내에 설치된 심정펌프가 작동하면 , 내부케이싱 하부 유공관을 통해 히트펌프로 지하수가 공급된다 . 히트펌 프에서 환수된 지하수는 지표 약 13 m 지점에서 토출되 어 상부에서 하부(Down Stream; 하향흐름)로 내려가면 서 지중공벽과 열교환 된다. ‘C’는 지중 상부 30~50 m에 서 심정펌프가 작동되고 , 히트펌프에서 환수된 지하수는 지중 최하부로 토출되어 충진재를 거쳐 상부 (Up Stream;
상향흐름)로 올라가면서 지중공벽과 열교환 된다.
1공당 30 RT를 기준으로 개산(槪算)할 경우 업체의 시공 기준에 따라 , 각 방식별 지열공의 유효 열교환 길 이는 ‘A’, ‘B’가 487 m, ‘C’가 심정펌프 위치에 따라 350~
370 m로 산정된다. 신재생에너지센터 공고 제2012-7호 에는 실내부하 12시간/1일 미만에서 최소 1 kW 당 4.7 m(212.8 W/m), 실내부하가 12시간/1일 이상에서 최소 1 kW 당 5.5 m(181.8 W/m) 이상으로 지중열교환기 길이 를 시공하도록 명시되어 있다 . 따라서 ‘C’는 심정펌프 위치로 인해 유효 열교환 길이가 짧아지기 때문에 설 계부하보다 실제 시공 시 큰 부하를 담당하게 될 가능 성이 있다 (Table 1 참조).
Fig. 1 Effective length of GHX.
Table 1 Reduction in effective length of GHX 30 RT/hole A, B Type C Type Location of Submersible
Pump or Discharge Point(m) 13 30 50 Length of Ground Heat
Exchanger(m) 500 400 400
Effective Length of Ground
Heat Exchanger(m) 487 370 350
Heat Capacity(W/m) 215.6 283.8 300
Table 2 Flow rate in each GHX(@ 250 LPM) Type Qty Diam
(m) Area
(㎡)
Flow
(m/s) Section
A
Ground
~ 500 m
A B D
1 1
0.200 0.100
0.031 0.008 0.024
0.13 0.531 0.177
B
Ground
~ 500 m
A' B' C D'
1 1 3
0.200 0.075 0.030
0.031 0.004 0.002 0.025
0.133 0.943 1.965 0.167
C
Ground
~ 50 m
A B C D
1 1 1
0.200 0.065 0.050
0.031 0.003 0.002 0.026
0.133 1.256 2.122 0.159 50 m
~ 400 m
A B D
1 1
0.200 0.065
0.031 0.003 0.028
0.133 1.256 0.148
반면, 250 LPM으로 유량이 동일한 경우, 지중열교 환기 단면 형상에 따른 D지점의 유속을 계산하면, ‘A’,
‘B’는 0.177 m/s, 0.167 m/s, ‘C’는 0.148~0.159 m/s로 가 장 느린 것으로 나타나, ‘C’가 공벽과 열교환 하는 기 회가 가장 많은 것으로 분석되었다(Table 2 참조).
3. 개방형 지중열교환기 지중온도 모니터링 3.1 열응답 시험 및 온도 모니터링 개요
Fig. 2는 Fig. 1의 개방형 지중열교환기 중에서 Down
Stream 방식인 ‘B’를 도식화 한 것이며, 실험을 위해 수
원에 위치한 공동주택 내 운동시설에 30 RT 용량으로
시험시공하고, 지표로부터 100 m, 200 m, 300 m, 400 m
지점의 내부케이싱 외벽에 온도센서 (Thermo Couple)를
설치하였다 . 이후 열응답 시험과 약 1년간 실제 냉난
방 운전 데이터를 취득하여 지중열교환기 깊이에 따른
지중온도 변화를 분석하였다.
(1)Fig. 2 Configuration of GHX.
3.2 냉난방 중의 지중온도 변화
Fig. 3~Fig. 6은 냉난방 시 지중으로 흡방출된 열량 (막대그래프)과 지중온도 변화를 나타낸 것이다. 지중 으로의 흡방출 열량은 지중온도변화에 거의 비례하는 것으로 나타났다. Fig. 3은 난방 시 지중온도 변화를 나 타낸 것으로 지표로 부터 100 m, 200 m, 300 m, 400 m 의 순서로 지중온도가 높게 나타나고 있다 . 이는 지하 수의 열에너지가 건물의 난방에너지로 사용되어 , 차가 워진 지하수가 지중으로 주입됨에 따라 지표 가까운 위치는 온도가 낮아지고, 깊은 위치는 지온경사에 의 해 온도가 상승한 것으로 해석된다 . Fig. 4는 난방에서 냉방으로 바뀌는 시점으로 , 지표로부터 300 m, 200 m, 400 m, 100 m의 순서로 지중온도가 높게 유지되는 것 을 볼 수 있다. 냉방 시는 건물의 부하를 히트펌프를 통해 지중으로 방출시켜야하기 때문에, 지중으로 주입 되는 지하수의 온도는 올라간다 . 따라서 지표 가까운 위치의 온도는 높고 , 깊은 지중의 상대적으로 온도가 낮아지게 된다. Fig. 5는 냉방 시의 지중온도 변화로 Fig. 4에서 설명한 바와 같이 지표에서 가까운 위치인 100 m는 온도가 가장 높고, 깊은 지중의 위치인 300 m 와 400 m는 낮은 순서로 유지되는 것을 확인할 수 있 다 . 여기서 300 m, 400 m의 온도가 비슷한 이유는 건 물이 부분부하 상태가 되어, 주입되는 온도와 열량이 간헐적이기 때문인 것으로 판단된다 . Fig. 6은 냉방 중 4일간의 데이터를 나타낸 것으로 하루 중의 온도 순서 도 Fig. 5와 동일한 것으로 나타났다.
Fig. 3 Operation record(Heating).
Fig. 4 Operation record(Heating → Cooling).
Fig. 5 Operation record(Cooling).
Fig. 6 Operation record(Cooling by day).
Fig. 7 TRT result.
Fig. 8 Enlargement of TRT data from “A” in Fig 8.
Fig. 9 Slope of ground temperature.
3.3 열응답 시험 중의 지중온도 변화
Fig. 7은 열응답 시험 기간의 지중온도를 나타낸 것 으로 투입된 열량은 일반적인 냉방 시보다 많은 107 ~ 108 kW가 일정하게 투입되었다. Fig. 8은 열응답 시험 초기인 Fig. 7의 “A” 부분을 확대한 것으로 온수가 투 입됨에 따라 지중온도가 100 m, 200 m, 300 m, 400 m 의 순서에서 400 m, 300 m, 200 m, 100 m로 완전히 역 전되는 것을 볼 수 있다 . 열응답 시험의 경우 투입되
는 열량이 일정하기 때문에 실제 냉방 시보다 온도 역 전 현상이 뚜렷하게 나타났다 . 이러한 현상은 Fig. 4의 난방에서 냉방으로 전환되는 시점과 Fig. 5의 냉방 시 온도변화와 유사한 패턴이다.
Fig. 9는 현장실험에서 측정한 지중온도경사를 나타 낸 것으로 냉난방을 하지 않은 상태인 2012년 12월 4일~
17일의 평균온도를 이용하였다. 50 m에서 약 15.4℃, 500 m에서 약 24.5℃로 100 m 깊이마다 약 2.1℃의 비 율로 상승하고 있다 .
3.4 대수평균온도차
Down Stream 방식에서 냉난방 전환 시 온도 역전 현 상과 지중온도경사의 관계를 파악하기 위하여 Fig. 10과 식 (1)을 이용하여 대수평균온도차(LMTD; Logarithmic Mean Temperature Difference)
(2)를 계산하였다.
(1)
계산을 단순화하기 위하여 지중열교환기를 일반적 인 공조기의 열교환기로 간주하고 , 히트펌프 출구에서 나오는 지하수를 공조기의 공기 온도와 동일한 것으로 가정하였다. 히트펌프의 EWT는 물-물 지열원 열펌프 유닛 성능시험기준 중 개방형 기준
(3)인 냉방 시 25℃와 난방 시 10℃로 각각 설정하고, 온도차는 5℃로 설정하 였다 . 지중온도경사는 본 연구의 지중온도 현장 측정 결과를 활용하였다. 계산 결과, Fig. 11과 Fig. 12에서 보는 바와 같이 난방 시는 Down Stream인 ‘A’, ‘B’, 냉 방 시는 Up Stream인 ‘C’가 유리한 것으로 나타났다. 즉, 개방형 지중열교환기도 일반적인 공조기와 같이 흐름 이 역류를 형성할 경우에 열교환 효율이 증가하는 것 으로 나타났다.
Fig. 10 Concept of LMTD.
Table 3 Boundary conditions of SCW Parameter Dimensional Value Depth of domain
160 m
Depth of pipe
150 m
Radius of domain
7.5 m Inner radius of pipe
50 mm Outer radius of pipe
100 mm
Fig. 13 2D Axisymmetric model of SCW.
Fig. 11 LMTD calculation for heating.
Fig. 12 LMTD calculation for cooling.
4. CFD 시뮬레이션
4.1 지중열교환기 모델링(5)(6)(7)
본 연구에서는 LMTD 계산을 통해 개략적으로 검증 한 개방형 지중열교환기의 지하수 순환 방향에 따른 지중열교환기 성능 차이를 분석하기 위해 다중물리모 델을 해석할 수 있는 전산유체해석(CFD) 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하였다. Fig. 13과 같이 축대칭 모델 구성을 위해 유속 방향 요소를 갖는 원통 좌표계를 사용하였으며, 지중열교환기 형상은 SCW를 기본으로 하여 구성하였다. Table 3에 해석에 적용된 지중열교환기의 물리적 경계조건을 정리하였다 . 수치 모델에서 지중열교환기는 직경 0.1 m로 지표에서 150 m 하부까지 설치하는 것으로 구성하였고, 지반의 외 부경계를 반경 7.5 m까지 지표하부 160 m까지의 경계 로 모델링하였다.
파이프를 통과하는 유체를 비압축성 유체로 고려하고 , 지중열교환기 주변의 지반을 등방의 균질한 고체 (Solid) 로 가정하였다. 지반의 간극수 이류에 의한 열교환은 고려하지 않고, SCW과 지반 사이의 전도에 의한 열교환
만 고려하였다 .
(4)지중열교환기 주입유량은 3 kg/s, LWT (Leaving Water Temperature)는 30℃로 일정한 유량과 LWT를 경계조건으로 설정하였고, 약 24시간의 열교 환 거동에 대해 수치해석을 수행하였다. 지열경사를 모사하기 위해 깊이에 따른 지중온도를 식 (2)를 이용 하여 해석모델의 경계조건으로 적용하였다 .
(2) 여기서 ,
는 지표면 온도의 기준값으로 16℃,
은 지반의 지열경사로 0.02215을 적용하였다.
Table 4는 수치해석 모델에 적용된 지반과 순환유체 의 열-물성을 나타냈다. 지반의 열전도도에 따른 지중 열교환기의 효율을 비교하기 위해 3.0 W/mK, 3.5 W/mK, 4.0 W/mK의 세 가지 열전도도를 적용하였다. 냉방과 난방 시에 따른 최적의 주입방향을 검토하기 위해 순환수 주입방향을 영향인자로 설정하여 수치해석을 수행하였 으며, 모델형상은 Fig. 14와 같다. 여기서 Down Stream 은 Fig. 1에서의 ‘A’, ‘B’, Up Stream은 ‘C’에 해당된다.
즉 , Down Stream 경계조건에서는 지표 상부에서부터
지하수와 지중 사이의 열교환이 진행되고, Up Stream
경계조건에서는 지중열교환기 하단(지표로부터 150 m
지점 )부터 상부로 올라오면서 지중과 열교환 된다.
Material Property Dimensional Value
Fluid
Thermal conductivity of fluid,
Heat capacity of fluid,
Kinematic viscosity of fluid,
Mass flow rate,
0.6 W/mK 4180 kJ/㎥K 1.0×10
-6㎡/s
1 kg/s
Ground
Thermal conductivity of ground,
Heat capacity of ground,
Ground temperature gradient,
3~4 W/mK 1,000 kJ/㎥K
0.02215 Table 4 Material properties in numerical model
(a) Down Stream (b) Up Stream Fig. 14 Comparison of circulating direction.
Fig. 15 Temperature difference in cooling.
Fig. 16 Temperature difference in heating.
Table 5 Temperature difference in cooling/heating mode
Cooling Heating
Down Stream 2.79℃ 7.64℃
Up Stream 5.67℃ 3.88℃
⊿EWT A & B 2.26℃ 3.19℃
4.2 지하수 흐름에 따른 냉난방 EWT 변화
냉방 시는 30℃로 일정한 LWT를 경계조건으로 설정 하였고 , 난방 시는 5℃로 설정하였다. 주입방향에 따른 열교환 거동에 대해 약 24시간의 수치해석을 진행하였 다 . Fig. 15는 냉방 시 순환수의 주입방향에 따른 지중온 도를 나타낸 것이다 . Fig. 8의 열응답 시험 결과와 동일 하게 Down Stream 시는 30 m 지점의 온도가 높고, Up Stream 시는 150 m 지점의 온도가 높게 산정되었다.
Down Stream의 EWT는 지중 150 m 지점인 Fig. 15의
“A”이며, Up Stream의 EWT는 지중 30 m 지점인 “B”이 다 . “A”와 “B”의 온도차는 약 2.26℃이며, 냉방 시는 EWT가 낮은 것이 유리하므로 낮은 온도 공급이 가능한
“B”의 Up Stream이 효율적이다. Down Stream을 모사한 모델에서 지표로부터 30 m와 150 m 지점의 지중온도 차이는 2.79℃, Up Stream을 모사한 모델에서 두 지점 사이의 지중온도 차이는 5.67℃로 산정되었다. Fig. 16은 난방 시 순환수의 주입방향에 따른 지중온도를 나타낸 것이다 . Down Stream의 EWT는 지중 150 m 지점인 Fig.
16의 “A”이며, Up Stream의 EWT는 지중 30 m 지점인
“B”이다. “A”와 “B”의 온도차는 최종적으로 3.19℃로 산정
되었으며 , 난방 시는 EWT가 높은 것이 유리하므로 Down Stream이 효율적이다. Down Stream을 모사한 모델에서 지표로부터 30 m와 150 m 지점의 지중온도 차이는 7.6 4℃, 순환수를 Up Stream으로 주입한 모델에서 두 지점 사이의 지중온도 차이는 3.88℃로 계산되었다.
냉난방 시 순환수 주입방향에 따른 지중온도와 EWT
차이를 Table 5에 정리하였다. 냉방 시는 Up Stream으로
순환수를 주입하는 것이 효과적이고, 난방 시는 Down
Stream으로 순환수를 주입하는 것이 효과적이다. 이는
지중온도가 지표로부터의 거리가 증가할수록 상승하기
때문이다 . 냉방 시는 상대적으로 낮은 온도인 지중 상부
를 이용하고 , 난방 시는 상대적으로 높은 온도의 지중
하부를 이용하는 것이 유리하다. 본 결과는 150 m 모델
을 대상으로 한 것으로 실제 시공 길이인 400~500 m 적
용 시 , 그 차이는 더욱 클 것으로 예상된다.
(a)
= 3.0 W/mK
(b)
= 3.5 W/mK
(c)
= 4 W/mK
Fig. 17 Effect of circulating direction with different ground thermal conductivity.
Table 6 Temperature difference with different ground thermal conductivity and circulating direction
= 3.0 W/mK
= 3.5 W/mK
= 4.0 W/mK Down Stream 2.56℃ 2.79℃ 2.98℃
Up Stream 5.36℃ 5.67℃ 5.91℃
Down-Up 2.80℃ 2.88℃ 2.93℃
4.3 지반 열전도도에 따른 EWT 변화
지반의 열전도도가 순환수 주입방향에 따른 지중열 교환기 효율에 미치는 영향을 냉방 시로 국한하여 검토 하였다 . 지반의 열전도도가 3.0 W/mK, 3.5 W/mK, 4.0 W/mK인 경우에 대해 순환수 주입방향에 따라 지표로 부터 30 m와 150 m 지점의 지중온도를 Fig. 17과 Table 6에 정리하였다. 지반의 열전도도가 증가함에 따라 Down Stream과 Up Stream 모두에서 30 m와 150 m 지점의 지 중온도 차이가 크게 산정되었다 . 이는 깊이별 지중온도 의 차이가 클수록 유체와 지반 사이에서 열교환이 활발 히 이루어 진 것을 의미한다. 또한, 지반의 열전도도가 증가할수록 Up Stream과 Down Stream 시의 지중온도차 가 증가하여 순환수의 주입방향이 SCW의 열교환 효율에 미치는 영향이 증가하고 , 이는 주입방향이 개방형 지중 열교환기 설계에 중요한 요소가 될 수 있음을 시사한다.
5. 결 론
본 연구는 국내에서 상용화되고 있는 개방형 지중 열교환기의 특징을 분석하여, 보다 효율적인 이용 방 안을 제시하기 위하여 수행하였으며 , 현재까지의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다 .
1) 세 가지 종류의 개방형 지중열교환기를 검토한 결 과 , 큰 특징으로 상하 열교환 흐름 방향으로 구분이 가능하였다 . 또한 심정펌프 위치에 따라 유효 열교 환 길이에서 차이가 발생했으며 , 내부케이싱 유무 및 관경의 차이로 천공 홀 내 유속이 달라져 열교 환 기회가 달라질 수 있음을 알 수 있었다.
2) 개방형 지중열교환기 Fig. 1의 ‘B’를 시험 시공하고 깊이별로 온도센서를 설치하여 열응답 시험 및 냉 난방 시의 지중온도 변화를 모니터링 한 결과, 난방 에서 냉방으로 전환될 때 지중온도가 역전되는 현상 이 나타났다 . 이는 ‘B’의 유체흐름이 Down Stream 이고 , 지중온도는 땅 속으로 깊이 들어갈수록 증가 하는 특징으로 인해 나타나는 현상으로 분석되었다.
3) Down Stream 방식의 냉난방 전환 시 지중온도 역전 현상과 지중온도경사의 관계를 LMTD 계산을 통해 분석한 결과 , Down Stream 방식은 난방에 유리하고, Up Stream은 냉방에 유리한 것으로 분석되었다.
4) 전산유체해석 프로그램(COMSOL)을 이용하여 150 m의 축소 모델을 정밀하게 모사한 결과, 흐름방향 에 따라 냉방 시 EWT가 약 2.26℃ 낮아지고, 난방 시 약 3.19℃ 높아졌다. 본 연구는 150 m 축소 모델을 대상으로 하였으므로 실제 시공 길이인 400~500 m 적용 시는 그 차이는 더욱 클 것으로 예상된다.
5) 따라서 지중열교환기 설계 시 냉방이 더 많이 요구
되는 경우에는 Up Stream 방식, 난방이 더 많이 요 구되는 경우에는 Down Stream 방식을 선택하는 것 이 유리한 것으로 판단된다.
6) 본 연구에서는 실험은 Down Stream 방식에 대해서 만 이루어졌으므로 , 향후 Up Stream 방식에 대한 온 도변화 실험을 실시하여 본 연구에 대한 검증을 실 시할 계획이며, 지중 온도 구배를 이용하는 구체적 인 방안에 대한 연구도 추가로 실시할 계획이다.
References
