EWT를 고려한 지중열교환기 파이프 선정에 관한 연구
류형규
*†, 정민호
*, 이병석
*, 최현준
**, 최항석
**대림산업 기술개발원
*, 고려대학교 건축사회환경공학부
**A Study on Selection of Pipe Materials Considering EWT
Hyung-Kyou Ryu
*†, Min-Ho chung
*, Byung-seok Lee
*, Hyun-Jun Choi
**, Hang-Seok Choi
***
Technology Research & Development Institute, Daelim Industrial Co., Ltd., Korea
**
School of Civil, Environmental and Architectural. Engineering, Korea University, Korea
Abstract
This paper proposes an optimum pipe material (PVC vs. PE) design & selection for open loop ground heat exchangers. Heat exchange efficiency and/or workability, and the need for trench insulation were investigated by comparing EWT (cooling mode) of each system.
CFD simulations for the PVC and PE pipe with the same inner diameter show similar EWT. This is because the PVC pipe has a small thickness but a low thermal conductivity as compared to the PE pipe, and thus these two properties tend to offset each other.
However, a hypothetically insulated pipe led to a meaningful drop of EWT. This means pipe insulation is of importance in performance of ground heat exchangers. From analyzing climate data and system operation, it is not advantageous to insulate trench pipes due to construction difficulties and ground temperature characteristics that are seasonally varied.
Key words: Geothermal energy(지열에너지), Open Type Ground Heat Exchanger(개방형 지중열교환기), EWT(Entering Water Temperature ; 히트펌프 입구온도), GHX(지중열교환기), PVC(폴리염 화비닐), PE(폴리에틸렌)
3) 기 호 설 명
: 파이프를 통과하는 열량, W
: 파이프의 열전도율, W/m℃
, : 파이프의 내외부 지름 및 길이, mm
: 파이프의 내외부 온도, ℃
: 지온증가율, 지표면 온도, ℃
: 지반의 지온경사
†Corresponding author
Tel.: +82-2-369-4196, Fax: +82-2-369-5345 E-mail: [email protected]
접수일 : 2014년 4월 8일
심사일 : 1차:2014년 4월 10일, 2차:2014년 4월 30일 채택일 : 2014년 5월 16일
1. 서 론
지열시스템은 지하수를 직접 순환시키는 개방
형(Open Ttpe) 지중열교환 방식과 지중과 간접
열교환하는 밀폐형(Close Type) 방식으로 구분할
수 있으며, 개방형은 밀폐형에 비해 지하수를 직
접 순환하여 열교환하기 때문에 전도로만 열을
교환하는 밀폐형에 비해 지중에너지를 보다 효과
적으로 얻을 수 있다. 이러한 지중열교환기를 더
욱 효율적으로 이용하기 위해서는 히트펌프로 들어
가는 유체(부동액 또는 지하수)의 온도인 Entering
Water Temperature(EWT)를 난방 시에는 높게,
냉방 시에는 낮게 공급하여야 한다.
본 연구는 개방형 지중열교환기의 내부 케이싱으 로 사용하고 있는 플라스틱 파이프 중 PVC(VG1) 와 PE를 대상으로 EWT 관점에서의 열교환 효율 과 시공성, 그리고 지중열교환기와 히트펌프를 연결 하는 트렌치 수평배관 단열 필요성을 검토하였다.
2. 지중열교환기 2.1. 지중열교환기 파이프 재질 검토
Table 1은 PVC와 PE를 이용한 개방형 지중열 교환기 내부케이싱 재료와 시공 모습이다. PVC 는 4 m 길이의 직관 파이프를 케이블로 지지하면 서 본드로 이어 붙여 시공한다. 따라서 시공 중 파이프 탈락이 발생할 수 있으며, 탈락 시 숏컷에 의한 열교환 능력 저하가 우려된다. PE는 열을 이 용한 융착으로 접합한 후 크레인을 통해 공 내로 삽입하기 때문에 접합부위가 견고하지만, 공 내 삽입 시 크레인 등 중장비가 필요하다.
열교환 측면에서 밀폐형은 지중에 유출입 두 개의 파이프가 매설되어 전도에 의해 열교환이 이루어진다. 따라서 유입부는 지중과 열교환이 잘 되도록 열전도율이 높고, 유출부는 교환된 열이 보호되도록 열전도율이 낮은 재료가 유리하다. 유 출입부 사이는 가능한 열간섭이 없도록 거리를 두고 시공하는 것이 바람직하다. 개방형의 내부케 이싱은 지중과 열교환 된 지하수를 히트펌프로 공급함과 동시에 최대한 교환된 열을 보호할 수 있어야 하기 때문에 열전도율이 낮은 재료가 유 리하다. 파이프와 지중과의 열교환은 원통전열 식 (1)로 표현되며, 열전도율이 낮고, 두께가 두꺼우 면 파이프를 통한 지중과 열출입이 최소화된다.
ln
(1)
2.2. 수평 트렌치배관 단열 필요성
Fig. 1에서 보는바와 같이 개방형 및 밀폐형 지 중열교환기는 트렌치 수평배관을 통해 히트펌프
와 연결되며, 동결심도를 피해 지표로부터 약 1.2
∼ 1.5 m 하부에 시공된다. 그러나 이 깊이는 외 기의 영향을 많이 받기 때문에 파이프의 단열 시 공 필요성 검토가 요구된다. 즉, 지중온도가 냉방 시 EWT보다 낮고, 난방 시 EWT보다 높으면 트 렌치 배관을 통한 열교환을 증가 시킬 수 있기 때 문에 히트펌프 효율 향상에 도움이 된다. 히트펌 프 냉난방 용량 산정을 위한 EWT 기준은 열교환 방식에 따라 Fig. 1에 표시된 온도와 같다.[1]
Table 1 Pipe Materials
Materials Construction
PVC
PE
Fig. 1 Trench construction
3. 지중열교환기 파이프 단열 필요성 검토 3.1. 지중열교환기 모델링[2]
본 연구에서는 파이프 종류에 따른 EWT 변화
를 다중물리모델을 해석할 수 있는 전산유체해석
(CFD) 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이
용하였으며, 개방형 중 SCW를 모델로 Fig. 2(a)
(a) 2D Axisymmetric (b) Pipe model Fig. 2 Simulation modeling
Table 2 Pipe properties
PVC Pipe PE Pipe Thermal
Conductivity,
0.19 W/mK 0.42 W/mK Pipe thickness 7.0 mm 10.4 mm
Table 3 Boundary conditions of GHX
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 와 같이 축대칭의 원통 좌표계를 사용하였다. 시
뮬레이션 대상인 SCW는 국내에서 사용하는 개 방형 지중열교환기의 일반적인 형태이다. SCW의 구조는 Fig. 2(b)와 같으며, 시공은 ∅ 200 mm로 450 m ∼ 500 m를 천공한 후, 천공 홀 내에 PVC 재질의 내부케이싱을 삽입하고, 내부케이싱 내부 에 심정펌프를 설치한다. 시공 후 심정펌프를 가 동하면 천공 홀 내에 고인 지하수는 지상의 히트 펌프를 거쳐 열에너지를 교환한 후 다시 지중열 교환기로 유입되며, 천공 홀 벽을 타고 내려가면 서 지중과 열교환 한 후 내부케이싱 최하부의 유 공관을 통해 다시 심정펌프로 유입된다. 그러나 컴퓨터의 수치해석 계산의 한계로 인하여 반지름 0.1 m로 지표에서 150 m 하부까지 구성하였고, 지반의 외부경계는 반경 7.5 m까지 지표하부 160 m까지 경계로 모델링하였다. 지중열교환기 유입/
유출부의 경계는 Fig. 2(b)와 같이 구성하였고, 파 이프의 물성치는 Table 2를 적용하였다. 파이프 를 통과하는 유체를 비압축성 유체로 고려하고, 지중열교환기 주변의 지반을 등방의 균질한 고체 (Solid)로 가정하였다. 지반의 간극수 이류에 의한 열교환은 고려하지 않고[3], SCW와 지반 사이의 전도에 의한 열교환만 고려하였다. 즉, 대수층의 지하수가 지중열교환기로 유입되어 열교환효율에 도움이 되는 것을 배제하고 열교환기 내의 지하수 만 순환 되는 것으로 악조건의 상황을 가정하였다.
지중열교환기 주입유량은 3 kg/s, LWT(Leaving Water Temperature)는 30℃로 일정한 유량과 LWT 를 경계조건으로 설정하였고, 약 24시간의 열교환 거동에 대해 수치해석을 수행하였다. 지열경사를 모사하기 위해 깊이에 따른 지중온도를 식 (2)를 이용하여 해석모델의 경계조건으로 적용했다.
(2)
여기서,
는 지표면 온도의 기준값으로 16℃,
은 지반의 지열경사로 0.022를 적용하였다. Table 3에 해석에 적용된 지중열교환기의 물리적 경계 조건을 정리하였다. 개방형 지중열교환기는 지하 수를 이용하므로 Table 4와 같이 일반적인 물의 조건을 적용하였으며, 이와함께 지반의 물성치를 나타내었다. 열전도도에 따른 지중열교환기 효율 을 비교하기 위해 3.0, ∼ 4.0 W/mK의 세 가지 열전도도를 적용하였다.
3.2. 내부케이싱 단열 필요성 검토
파이프 물성치에 따른 SCW의 PVC와 PE의 냉방
시 EWT 해석결과를 Fig. 3에 나타내었다. EWT는
해석 초기에 PE의 EWT가 PVC의 EWT보다 다
소 크게 평가되었다. 즉, PVC(
=0.19 W/mK)에
Table 4 Properties of Materials
Material Property Dimensional value
Fluid
Thermal conductivity of
fluid,
0.6 W/mK Heat capacity of fluid,
4180 kJ/㎥K
Kinematic viscosity of fluid,
1.0×10
-6㎡/s Mass flow rate,
1 kg/s
Ground
Thermal conductivity of
ground,
3 ∼ 4 W/mK Heat capacity of ground,
1,000 kJ/㎥K Ground temperature gradient,
0.02215
(a) ks=3.0 W/mK (b) ks=3.5 W/mK (c) ks=4.0 W/mK
Fig. 3 EWT with boundary condition
비해 상대적으로 열전도도가 큰 PE(
=0.42 W/mK) 의 경우에 경계면에서의 열간섭이 상대적으로 컸 다. 하지만 해석이 진행되면서 거의 유사한 값으 로 수렴되는 경향이 나타났다. 이는 PE의 열전도 도가 PVC에 비해 약 2.2배 크지만 동시에 파이프 두께도 1.5배 정도 두꺼우므로 PE의 열경사가 PVC 보다 작게 된다. 따라서 전체적으로 두 종류 파이프 를 통과하는 열유속(Heat Flux)이 유사하게 나타 난 것으로 판단된다.
그러나 파이프가 완전 단열조건으로 가정한 모 델과 비교한 경우에는 완전 단열조건의 EWT가 약 0.2℃ 정도 낮게 평가되었다. 이는 실제 물성치 를 고려한 경우와 비교하여, 경계면에서 발생하는
열간섭이 최소화되었기 때문에 EWT가 낮아진 것으로 판단된다. 이 차이는 실제 시공 길이인 400
∼ 500 m 지중열교환기에서는 더욱 커질 것으로 예상된다. 따라서 향후 지중열교환기의 성능을 보 다 향상시키기 위해서는 단열 성능이 강화된 파 이프의 개발 또는 선정이 필요할 것으로 판단된 다. 현재 단열성이 있는 기존 파이프로 차음층을 갖는 NC 저소음관이 있으며, 이 차음층으로 인해 일반관에 비해 보온 단열 효과가 있는 것으로 알 려져 있다.
3.3. 수평 배관의 단열 필요성 분석
지중온도와 EWT 변화에 따른 지중열교환기 트렌치 수평배관의 에너지 득실을 검토하기 위하 여 기상청 2012년 지중온도 데이터를 분석[4]하였 다. 지중온도를 계측하고 있는 총 20개 지역 중 13개 지역(서울, 부산, 인천, 수원, 대전, 춘천, 강 릉, 북강릉, 포항, 목포 여수, 울릉도, 제주)은 5 m 깊이, 7개 지역(서귀포, 진주, 철원, 전주, 청주, 안 동, 서산)은 1.0 m까지 정보를 제공하고 있으며, 공통적인 깊이인 1.0 m를 대상으로 분석하였다.
냉방기간은 6월 ∼ 9월, 난방 기간은 11월 ∼ 3월 로 설정하였다.
각 그림의 붉은색 및 파란색 라인은 신재생에 너지 설비심사 세부기준에 제시되어 있는 개방형 및 밀폐형 방식의 EWT 기준을 나타낸 것이다.
겨울철(붉은색)에는 기준 라인보다 높게 유지되
는 것이 유리하고, 여름철(파란색) 기준 라인보다
낮게 유지되는 것이 바람직하다. Fig. 4는 서울의 심도별 지중온도를 나타낸 것으로 지표에서 지중 으로 내려갈수록 월별 온도 변화가 작아지는 것 을 볼 수 있다. 냉방 시는 밀폐형 EWT 25 ℃ 기 준으로 8월, 개방형은 EWT 15 ℃ 기준으로 6월
∼ 9월까지의 지중온도가 EWT보다 높아 손실이 발생할 수 있으며, 난방 시는 밀폐형 EWT 5 ℃ 기준으로 2월, 개방형은 10 ℃ 기준으로 12월 ∼ 3월까지의 지중온도가 EWT보다 낮아 손실이 발 생할 수 있다.
Table 20 Regions exceeding EWT standards
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
CoolingClose 0 0 0 0 0 0 0 16 2 1 0 0 Open 0 0 0 0 15 20 20 20 20 20 10 2
HeatingClose 1 12 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Open 18 18 18 7 0 0 0 0 0 0 0 15
Fig. 4 Ground temperature of Seoul
Fig. 5 Ground temperature by Region-1
Fig. 6 Ground temperature by Region-2
Fig. 7 EWT during cooling
Fig. 8 EWT during heating
Fig. 5와 Fig. 6은 각각 총 20개 지역 중 서울을
중심으로 비교적 중부에 위치한 10개 지역과 부
산을 중심으로 비교적 남부에 위치한 10개 지역
을 나누어 표시하였다. 냉방 시는 밀폐형 EWT
25 ℃ 기준으로 8월에 16개 지역(울릉도, 강릉. 북
강릉, 청원 제외), 9월에 2개 지역(진주, 서귀포),
개방형은 EWT 15 ℃ 기준으로 6월 ∼ 9월까지
모든 지역이 지중온도가 EWT보다 높아 손실이 발생할 수 있다. 난방 시는 밀폐형 EWT 5 ℃ 기 준으로 1월에 1개 지역(청원), 2월에 12개 지역(서 울, 수원, 인천, 춘천, 전주, 울릉도, 강릉, 북강릉, 서산, 대전, 청원, 안동), 3월에 4개 지역(춘천, 울 릉도, 북강릉, 청원), 개방형은 10 ℃ 기준으로 12 월에 15개 지역(진주, 포항, 부산, 서귀포, 제주 제 외), 1월 ∼ 3월은 18개 지역(서귀포, 제주 제외)이 지중온도가 EWT보다 낮아 손실이 발생할 수 있다.
상기의 결과를 보면, 밀폐형 지중열교환기는 수 평 트렌치 배관에 단열을 하지 않는 것이 유리하 고, 개방형 지중열교환기는 단열을 하는 것이 유 리한 것으로 보인다. 그러나 여기서 비교한 EWT 기준은 히트펌프 냉난방 산정을 위한 시험조건이 며, 실제 개방형 지중열교환기를 가동하는 경우에 는 처리 부하와 가동시간에 따라 수시로 변한다.
Fig. 7과 Fig. 8은 수원에 위치한 공동주택 내 운동시설에 설치된 30 RT 용량의 히트펌프 가동 시 개방형 지중열교환기 냉난방 운전 시의 EWT 를 측정한 결과로 냉방 시 평균 26.8 ℃, 난방 시 평균 15.8 ℃로 나타났다. 시공 시 트렌치 배관 단 열은 하지 않았다. 측정 결과로 보면 냉방 시는 거의 모든 지역에서 단열을 하지 않는 것이 유리 하고, 난방 시는 11월을 제외하고는 단열을 하는 것이 유리한 것으로 나타났다. 그러나 측정 대상 건물이 공동주택 내 주민운동시설[5]로 난방부하 보다는 냉방부하가 크기 때문에 EWT가 높게 나 타난 것이다. 따라서 냉난방 부하 밸런스가 맞는 건물에서는 난방 시에도 수평배관의 단열을 하지 않는 것이 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
뿐만 아니라 지중의 습기와 우천 시 단열 성능을 유지 시킬 수 있는 재료의 선정이 사실상 어렵기 때문에 지중 수평 배관의 단열은 필요하지 않은 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 개방형 지중열교환기 플라스틱 파이 프의 최적 선정 및 설계에 관한 것으로, EWT 관 점에서 열교환 효율과 시공성, 그리고 트렌치 수 평배관의 단열 필요성을 검토한 것으로 연구 결 과는 다음과 같다.
(1) PVC(본드)와 PE(융착)의 접합방법 차이로 시공 후에는 PE를 이용한 융착 시공방법이 탈락에 의한 하자가 적을 것으로 판단된다.
PVC 파이프는 탈락의 우려가 없이 확실한 접합이 되도록 시공 방법의 개선이 필요하다.
(2) CFD 시뮬레이션을 통하여 동일한 내경의 PVC와 PE의 냉방 시 EWT 차이를 분석한 결과, 유의미한 차이는 나타나지 않았다. 그 러나 완전 단열 파이프와 비교할 경우 EWT 가 약 0.2 ℃ 낮게 나타나 파이프 단열성능 이 EWT에 영향이 있다. 따라서 향후 단열 성능이 강화된 파이프의 개발 또는 선정이 필요하다.
(3) 기상청의 지중온도 데이터를 신재생에너지 설비심사 세부기준의 EWT 기준과 비교하 여 트렌치 수평배관의 단열 필요성을 검토 한 결과, 국내 20개 지역에서 개방형 방식 이 난방 시에는 18개 지역, 냉방 시에는 20 개 지역에서 만족하지 못하여 단열이 필요 한 것으로 나타났다.
(4) 그러나 기상데이터를 실제 냉난방 운전 결 과와 분석한 결과, 실제 개방형 운전 시 EWT는 냉방시 평균 26.8 ℃, 난방 시 평균 15.8 ℃로 나타나 단열을 하지 않는 것이 유리한 것으로 검토되었다.
참고문헌
