1. 서 론
2. 저심도 유닛형 지중열교환기
2.1 저심도 유닛형 지중열교환기 개요
2.2 지표면 열유속 메커니즘
3. 수치해석 시뮬레이션
3.1 시뮬레이션 개요 및 조건
3.2 시뮬레이션 결과
4. 결 론
1. 서 론
지열 히트펌프 시스템 (Ground Source Heat Pump System, GSHPs)은 지중열원을 이용하여 안정적 시스템 운전이 가능하고, 에너지 생산에 대한 높은 신뢰성을 가진다. 또한, 냉열과 온열을 생산할 수 있기 때문에 건물의 냉난방 공조 설비로 도입되고 있다. 그러나, 천공비, 그라우팅비, 설비 장치비 등의 높은 초기투자비용으로 인해 보급이 지연되고 있으며, 특히 소규모 공사일수록 투자비용은 증가하게 된다1). 이러한 지열 히트펌프 시스템의 초기투자비용을 저감시키고, 더불어 시공에 대한 신뢰성 향상 및 시장 경쟁력 확보를 위해 다각적인 방면에서 시뮬레이션이나 실증실험을 통해 기술개발 및 연구가 수행되고 있다.
한편, 지열 히트펌프 시스템의 초기투자비용 중에서 천공비용은 가장 큰 비중을 가진다. 지중열교환기의 천공길이 및 천공비용을 감소시키고자 수평형 지중열교환기가 하나의 대안으로 개발되었으며, 이에 관하여 지중열교환기 설계방안 제안 및 성능분석, 도입 타당성에 관한 연구가 수행되고 있다2-4). Sohn5)은 슬링키 (Slinky) 형태의 수평형 지중열교환기를 이용한 지열 히트펌프를 대상으로 실증실험을 통해 냉난방 성능을 분석하고, 국내 적용 가능성을 판단하였다. Yoon and Lee6)는 지열 설계프로그램을 이용하여 수평형 지중열교환기의 효율 및 경제성을 분석하고, 지중열교환기 성능에 영향을 미치는 인자를 분석하였다. Naili et al.7)은 순환수 유량, 지중열교환기 길이, 설치 심도 등의 대양한 설계인자가 수평형 지중열교환기 열교환 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
수평형 지중열교환기 외에도, 기존 지열 히트펌프 시스템의 단점을 극복하기 위해 저심도 유닛형(Low-depth Unit-type) 지중열교환기도 개발되고 있다. 저심도 유닛형 지중열교환기에 관하여 설계인자에 따른 성능검토 및 도입 타당성 연구가 수행되고 있다. Oh and Nam8)은 저심도 유닛형 지중열교환기의 최적설계를 위해 그라우트 재료에 따른 시스템 성능검토를 수행하였으며, Kim et al.9)은 유닛형 지중열교환기의 배열타입 및 암석종류에 따른 채열성능을 분석하고, 이를 이용하여 기존 냉난방 공조시스템, 수직밀폐형 지열 시스템과 함께 경제성을 비교분석 하였다. 그 결과, 수직밀폐형 지열 시스템 대비 평균 25%의 초기투자비용 절감이 가능한 것을 확인하였다.
이처럼, 수평형 지중열교환기와 저심도 유닛형 지중열교환기는 기존 수직밀폐형 지중열교환기의 설치비용을 저감시킬 수 있는 획기적인 대안으로 개발되었으나, 지표면으로부터 10 m 이내의 얕은 심도에 설치되기 때문에 외기조건에 시스템 성능이 많은 영향을 받는다. 이에 따라, 시스템 설치지역의 기후 및 기상조건에 의해 지중열교환기의 열교환 성능이 다르게 나타나고, 시스템 경제성 또한 차이가 발생된다. 따라서, 얕은 심도에 설치되는 수평형과 저심도 유닛형 지중열교환기 설계 시, 지역별 외기조건을 필수적으로 고려해야하며 이에 따른 시스템 성능검토가 이루어져야한다. 그러나, 선행연구에서는 지역별 외기조건에 따른 유닛형 지중열교환기의 성능을 정량적으로 분석한 연구는 드문 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 유닛형 지중열교환기 도입지역의 지중온도를 비교분석하고, 이에 따른 시스템 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 검토하였다.
2. 저심도 유닛형 지중열교환기
2.1 저심도 유닛형 지중열교환기 개요
기존 수직밀폐형 지열 히트펌프 시스템의 높은 초기투자비용과 설치공정의 복잡화 등의 단점을 획기적으로 극복할 수 있는 대안으로 선행연구8)에서는 지표면으로부터 심도 10 m이내의 저심도에 설치할 수 있는 유닛형 지중열교환기를 개발하였다. 유닛형 지중열교환기는 직육면체의 모듈에 지중열교환기를 설치하여 냉난방 열원으로 이용하는 기술이다. 기존 수직밀폐형 지중열교환기 보다 열교환 효율은 비교적 낮으나,8,10,11) 천공비용을 획기적으로 절감할 수 있으며 설치공정이 단순화 되어 공기단축 및 시공의 용이성 등의 장점이 있다.
Fig. 1은 유닛형 지중열교환기의 개요도를 나타낸다. 유닛형 지중열교환기는 4 m × 4 m × 4 m의 정육면체 형태로 구축되었으며, 백호(Back Hoe) 등의 굴착기계가 지반을 굴착할 수 있는 최대굴착 심도를 고려하여 지표면으로부터 깊이 2 m ~ 6 m 지점에 설치된다.
2.2 지표면 열유속 메커니즘
지표면은 하루를 주기로 냉각 및 가열되며, 태양고도, 기상 및 기후조건에 의해 각 지역의 지표면 온도는 다르게 나타난다. 특히, 유닛형 지중열교환기는 지표면으로부터 심도 10 m 이내에 설치되기 때문에 태양복사열 및 외기조건에 의해 시스템 성능이 많은 영향을 받으며 도입 지역에 따라서 이러한 외부조건에 의한 영향범위가 달라질 수 있다. 이에 따라, 유닛형 지중열교환기의 정확한 설계를 위해, 지표면 부근에서 발생하는 열유속(Heat Flux) 영향을 고려한 시스템 성능분석이 필요하다.
Fig. 2는 지표면 열유속 메카니즘을 나타낸다. 본 연구에서는 지표면 부근에서 발생하는 열이동에 대해 태양복사열, 기온, 풍속 및 지중열을 고려한 지표면 열유속 메커니즘을 에너지 밸런스를 이용하여 구축하였다12). 한편, 지표연 열유속 평형식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
| $$Q_{flux}=R_{sol\;}+R_{sky}-R_{surf}-H_{surf}-L_{surf}$$ | (1) |
여기서, Qflux는 지표면 열유속, Rsol은 태양의 전천일사량, Rsky는 지표면에서 대기로의 방사량, Rsur f는 지표면 방사량, Hsur f는 지표면 대류에 의한 열전달, Lsur f는 지표면 증발에 의한 잠열이동을 나타낸다.
3. 수치해석 시뮬레이션
3.1 시뮬레이션 개요 및 조건
유닛형 지중열교환기의 채열성능을 정확하게 분석하기 위해 토양과 지중열교환기 사이에서 발생하는 물질 이동과 열교환 해석이 요구된다. 본 연구에서는 선행연구12)에서 개발한 지중열교환기 성능예측 해석툴(FEFLOW)을 이용하여 유닛형 지중열교환기의 수치해석 모델을 구축하였다. 성능예측 해석툴은 토양 모델, 지중열교환기 해석모델, 지표면 열유속 모델을 결합한 모델(Coupled-model)로써, 지표면 부근에서 태양복사열 및 외기조건에 의해 변화되는 열이동을 동적으로 해석할 수 있으며, 지중열교환기 채열운전에 따른 토양의 열환경 및 지중열교환기의 성능을 종합적으로 분석할 수 있다. 지중열교환기 성능해석 방법 및 수치해석 모델의 검증은 선행연구에서 실험결과와 시뮬레이션 해석결과의 비교를 통해 수행되었다12).
Fig. 3은 유닛형 지중열교환기의 수치해석 모델을 나타낸다. 유닛형 지중열교환기의 일부분을 수치해석 모델로 구축하고 채열성능 분석을 수행하였으며, 분석결과를 이용하여 지중열교환기 전체의 채열성능을 예측하였다. 한편, 토양 모델은 시스템 운전에 따른 토양 및 지중열교환기 상호 간 열영향 범위를 고려하여 10 m 깊이로 재현하였으며, 유닛형 지중열교환기 모델은 지표면으로부터 심도 2 m ~ 6 m 지점까지 설치하였다. 지표면 열유속 모델은 시뮬레이션 모델의 상부 레이어 전체면에 적용하였다.
Table 1은 수치해석 시뮬레이션 조건을 나타낸다. FEFLOW와 User Subroutine을 연동한 결합모델을 이용하여 입력조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 지중열교환기는 관경 40 A(do: 0.04 m, di: 0.0362 m)의 HDPE 파이프를 이용하고, 유닛 모듈의 그라우트 재료는 콘크리트로 가정하였다. 또한 해석영역은 지중열교환기 채열에 따른 열영향 범위를 고려하여 4 m × 0.2 m × 10 m로 구축하였다.
Table 1 Simulation conditions
한편, 유닛형 지중열교환기의 채열성능 분석을 위해 운전기간은 난방기간 3개월로 설정하였으며, 운전시간은 09시부터 18시까지로 설정하였다. 또한 열원수 조건은 기존 공기열원 시스템 대비 지열 에너지 이용의 우위를 확보하기 위해 지중열교환기로 유입되는 열원수의 온도제한을 5℃로 설정하고, 열원수의 초기 입 · 출구 온도차는 10℃, 유량은 9.1 l/min으로 설정하였다.
Table 2는 시뮬레이션 Case study 조건과 지역별 연평균기온 및 지표면온도를 나타낸다. 동일한 설계조건 및 운전조건 내에서 도입 지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열성능에 대한 공학적 근거를 구축하기 위해 Case study를 수행하였다. 도입 지역은 한국의 위도(Latitude)를 고려하여 국내 3개 지역으로 구분하고, 그 중 대표도시인 서울(37°), 대전(36°), 부산(35°)으로 선정하였다. 각 지역의 기상 및 기후조건을 해석모델에 반영하여 유닛형 지중열교환기의 채열성능을 예측하였다.
Table 2 Case study condition and average annual outdoor/ground surface temperature
| Location | Average annual outdoor temp. | Average annual ground surface temp. | |
| Case 1 | Seoul | 12.9°C | 14.6°C |
| Case 2 | Daejeon | 13.3°C | 15.6°C |
| Case 3 | Busan | 15.1°C | 16.7°C |
한편, 유닛형 지중열교환기 채열량은 파이프 내부에서 순환하는 열원수의 입출구 온도차와 열원수 유속 및 파이프 단면적에 의해 방정식 (2)와 같이 계산된다.
| $$Q_h=\frac{v\rho A\times C\times(T_o-T_i)}d$$ | (2) |
여기서, Qh는 단위 m당 채열량(W/m), v는 열원수의 유속(m/s), 𝜌는 열원수의 밀도(kg/㎥), A는 파이프 단면적 (m2), C는 비열(kJ/kg·℃), To는 열원수의 출구온도(℃), Ti는 열원수의 입구온도(℃), d는 유닛형 지중열교환기의 길이를 나타낸다.
3.2 시뮬레이션 결과
유닛형 지중열교환기의 채열성능은 태양 복사열과 외기조건에 의해 많은 영향을 받는다. 따라서, 지중열교환기의 채열성능과 시스템 도입 지역의 외기조건에 의한 상관관계를 정확하게 분석하기 위해, 도입 지역의 외기온도 및 지표면 부근의 지중 온도변화를 정확하게 분석해야한다.
본 연구에서는 기상청에서 제공하고 있는 데이터를 이용하여 2009년부터 2018년까지 서울, 대전 및 부산의 연간 지중심도 1 m 및 지중심도 5 m의 온도변화를 분석하였다.
Fig. 4는 지중심도 1 m와 5 m지점의 연간 온도변화를 나타낸다. 각 지역별 지중심도 1m 지점의 연간 온도변화는 외기온도 변화양상과 비슷하게 확인되었다. 동절기(12월 ~ 2월)의 평균온도는 부산지역이 가장 높게 확인되었으며, 서울지역과 대전지역에 비해 각각 5.06℃, 3.51℃ 높게 나타났다. 이는, 지중심도 1 m 지점까지는 외기온도에 의한 영향이 미치고 있으며, 동절기 외기온도가 비교적 높은 부산지역에서 지중온도가 높은 것으로 판단된다. 한편, 지중심도 5 m 지점에서 동절기의 평균온도는 서울, 대전, 부산지역별로 각각 16.8℃, 17.5℃, 17.9℃으로 확인되었다. 서울지역과 부산지역의 동절기의 평균온도차는 1.11℃로 나타났다. 지중심도가 깊어질수록 외기에 의한 영향이 감소되고, 계절변화에 의한 토양온도 변화폭이 높지 않은 것으로 확인되었다.
Fig. 5는 서울지역의 일주일간 열원수 입출구 온도변화 및 동절기 동안의 일평균 채열량을 나타낸다. 열원수 출구온도는 시스템 운전시작 후 급격하게 감소하는 양상을 나타내며, 열원수 초기 출구온도는 10.7℃에서 6.8℃까지 운전시작 후 시간이 지남에 따라 지속적으로 저하된다. 이에 따라 동절기 동안의 일평균 채열량은 지속적인 감소하는 추세를 나타낸다. 그러나, 시스템 장기운전으로 인해 지중열원 온도가 평형상태에 도달하면 일평균 채열량은 일정한 값에 수렴하는 양상을 나타낸다.
Fig. 6은 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열량 및 히트펌프 난방성능계수를 나타낸다. 유닛형 지중열교환기의 채열량은 서울, 대전, 부산 순서로 각각 33.9 W/m, 34.2 W/m, 37.2 W/m로 확인되었다. 부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역 보다 각각 9.7%, 8.8% 채열성능이 향상되었다. 이는, 동절기 지중온도가 비교적 높은 부산지역에서 열원온도가 우위를 가지기 때문에 다른 지역 보다 높은 채열성능을 기대할 수 있는 것으로 판단된다. 한편, 열원수 평균 출수온도의 차이는 도입지역에 따라 큰 차이는 없었는 것으로 확인되었으며, 이에 따라 히트펌프 평균 난방성능계수도 세 지역 모두 비슷한 수준으로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 또한 지역 기후조건이 지중온도 변화에 미치는 영향을 비교검토하고, 지역 기후에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 비교분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 정리하였다.
본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 최적설계수법 구축을 위해 공학적 접근방법을 통한 수치해석 연구를 수행하였다. 또한 지역 기후조건이 지중온도 변화에 미치는 영향을 비교검토하고, 지역 기후에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열성능을 Case Study를 통해 정량적으로 비교분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 정리하였다.
(1) 지역별 지중심도 1 m 지점의 동절기(12월~2월) 평균온도는 서울, 대전, 부산 순서로 각각 5.4℃, 7.0℃, 10.5℃로 확인되었으며, 지중심도 5 m 지점에서는 각각 16.8℃, 17.5℃, 17.9℃로 나타났다. 지중심도 1 m 지점까지는 외기온도에 의한 영향이 미치고 있으며 외기온도가 비교적 높은 부산지역에서 다른 지역 보다 지중온도가 높게 확인되었다.
(2) 열원수 출구온도는 시스템 운전시작 후 급격하게 감소하는 양상을 나타내었으며, 일주일 동안 열원수 초기 출구온도는 10.7℃에서 6.8℃까지 감소하였다. 이에 따라 동절기 동안의 일평균 채열량은 지속적으로 감소하는 추세를 나타내었으나, 시스템 운전으로 인해 지중열원온도가 평형상태에 도달하면 채열량은 일정한 값에 수렴하는 양상을 나타내었다.
(3) 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 채열량은 서울, 대전, 부산 순서로 각각 33.9 W/m, 34.2 W/m, 37.2 W/m로 확인되었다. 부산지역에서 채열량이 가장 높은 것으로 확인되었으며, 서울지역과 대전지역 보다 각각 9.7%,. 8.8% 채열성능이 향상되었다. 이는, 동절기 지중온도가 비교적 높은 부산지역에서 열원온도가 우위를 가지기 때문에 다른 지역보다 높은 채열성능을 나타내는 것으로 판단된다.
향후, 유닛형 지중열교환기의 보급 및 활성화를 위해 도입지역에 따른 유닛형 지중열교환기의 민감도 분석결과를 바탕으로 소규모 건축물 도입 타당성 분석을 수행할 예정이다.
