건물의 냉난방 운전을 고려한 지중 열교환기 간이 설계 방법

Abstract

지열 히트 펌프 시스템을 구성하는 지중 열교환기의 적정 설계를 위해서는 지중 온도 변화에 따른 지중 열교환기에서 추출 가능한 지중열의 산정이 필요하다. 지중열 추출에 따라서 지중의 온도가 변하고 이러한 온도 변화는 지중열 추출량에도 영향을 미칠 뿐만 아니라 지중 간의 온도차를 발생시켜 지중에서의 열전달로 인한 지중 회복에도 영향을 미친다. 이러한 지중열 추출량과 지중 온도 간의 상호 열적을 고려한 지중 열교환기 설계를 위해 본 연구에서는 설계자에게 설계의 편의성을 제공하면서 지중 열교환기에서의 열적 현상을 반영한 설계를 할 수 있는 지중 열교환기 간이 설계 방법을 제안하였다. 지중 열교환기와 지중에서의 동적 열전달을 해석하기 위한 도구로써 등가 해석 모델을 적용한 3차원 동적 지중 열교환기 시뮬레이션 모델을 제안하였다. 시뮬레이션 모델을 이용하여 건물의 냉난방 운전에 따른 지중 열교환기에서의 지중열 추출량 계산식과 지중 온도 계산식을 제안하였고 계산식의 조합을 통해 설계 프로세스를 완성하였다. 또한 지중 영역의 범위 설정 모델과 중간기 동안 냉난방 운전이 중지되었을 때 회복에 의한 지중 온도 계산식 또한 제안하여 간이 설계 방법을 보정하였다. 이렇게 구축된 지중 열교환기 간이 설계 방법을 이용하여, 1년과 20년 동안 냉난방 운전을 고려한 지중 열교환기 설계를 하였고 그 결과를 시뮬레이션 모델에 의한 결과와 비교하여 간이 설계 방법의 타당성을 검증하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 원형의 단면 형상을 가지는 지중 열교환기를 정사각형 형상으로 가정하고 직교 좌표계를 적용하여 등가 해석 모델을 제안한 뒤 이에 기반하여 3차원 동적 지중 열교환기 시뮬레이션 모델을 제안하였다. 실측 데이터와 기존의 동적 해석 모델과의 비교를 통해 시뮬레이션 모델의 지중 온도와 지중열 추출량 계산 정밀도를 검증하였다.

(2) 건물의 냉난방 운전 특성에 따른 지중열 추출량 계산식과 지중 온도 계산식을 제안하였다. 중간기 동안 냉난방 운전이 완전히 중단되는 기간의 열적 회복을 고려한 지중 온도 계산식을 제안하였고 각 계산식들의 조합을 통해 1년 이상의 장기간에 대한 설계까지 가능하도록 설계 프로세스를 구성하였다.

(3) 간이 설계 방법을 이용하여 지중 열교환기 길이와 같은 설계 변수 조건과 지중 열전도율, 그라우트 재료 열전도율, 지중 초기온도, 냉난방 운전 시간과 같은 성능 영향 인자 조건에 따른 설계를 할 수 있다. 또한 기존의 설계 방법에서 고려하지 못하였던 냉난방 운전 시간을 고려함으로써 지중에서의 열적 회복에 의한 영향을 설계 과정에서 반영할 수 있게 되었고, 이로 인하여 간이 설계 방법의 활용이 지중 열교환기 최적 설계에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.