지중온도 경사를 이용한 냉난방 모드 전환 지중열교환기 개발
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대림산업 기술개발원 스마트/에코팀 류형규 과장
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1. 서 론
우리나라와 같이 수도권을 중심으로 고밀도 개발이 이루어지는 지역에서 밀폐형(수직 또는 수평형) 지중열교환기(Ground Heat Exchanger; GHX)를 대용량으로 설치할 경우에 공간 제약으로 시공이 원활하지 않거나, 지열 냉난방 시스템을 제대로 활용하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 개방형 지중열교환기는 천공 개수가 적고, 공간의 활용도가 우수하기 때문에 초기 설치비용 측면에서 유리할 뿐만 아니라 에너지 절감효과를 높일 수 있다. 최근 들어 개방형 지열 냉난방 시스템에 대한 인식이 바뀌고 있고, 적용사례가 증가됨에 따라, 국내 여건에 적합한 공법 개발과 이에 대한 정밀한 검증이 필요하다.
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지중온도는 지하 1~2m 깊이에서는 1일 중의 변화가 거의 없으나, 1년을 통해서 보면 약간의 변화가 생긴다. 그러나 지하 10~20m 깊이에서는 계절에 따른 변화는 없으며, 하부로 내려갈수록 온도가 상승한다. 일반적으로 화산지대를 제외하고, 1km당 20~30℃의 지하 증온율을 나타낸다.(1) 이러한 특성으로 인하여 개방형과 같이 500m 깊이로 굴착하는 경우에는 상·하부가 10~15℃ 이상 온도 차이가 나타날 수 있다. 따라서 이러한 지하증온율 특성을 이용하면, 지중열교환기를 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 즉, 냉방 시에는 지표 상부온도를 이용하고, 난방 시에는 지중 하부온도를 이용하면, 히트펌프로 유입되는 온도인 EWT의 효율적인 이용이 가능하다. 이러한 지중온도 경사를 이용하기 위해서는 지중의 특정 위치에서 흡입·토출이 가능해야 하며, 물질 교환(지하수)에 의해 열전달이 이루어지는 개방형 방식이 유리하다.
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본 연구에서는 개방형 지중열교환기에 깊이별로 온도센서를 설치하여 냉난방 운전 및 열응답 시험 시의 지중온도 변화를 측정하였다. 또한 현재 상용화되고 있는 지중열교환기의 특징을 분석하고, CFD 시뮬레이션을 통해 지하수 흐름 방향에 따른 지하증온율의 효과를 검증하였으며, 이를 제어하여 지중온도 경사를 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
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2. 개방형 지중열교환기 종류 및 특징
개방형 지중열교환기는 심정펌프의 위치와 내부 케이싱 구성에 따라 <그림 1>과 같이 세 가지 방식으로 시공되고 있다. A Type은 개방형의 가장 대표적인 방식인 SCW(Standing Column Well)이며, B Type은 지중 공벽의 붕괴를 방지하기 위하여 천공벽과 내부 파이프 사이에 충진재를 삽입한 CTW(Coaxial Thermal Well)이고, C Type은 최근 지열업체에서 개발한 공법으로 내부 케이싱이 없다.
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중략
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2014년 10월 신기술
대림산업 기술개발원 스마트/에코팀 류형규 과장
우리나라와 같이 수도권을 중심으로 고밀도 개발이 이루어지는 지역에서 밀폐형(수직 또는 수평형) 지중열교환기(Ground Heat Exchanger; GHX)를 대용량으로 설치할 경우에 공간 제약으로 시공이 원활하지 않거나, 지열 냉난방 시스템을 제대로 활용하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 개방형 지중열교환기는 천공 개수가 적고, 공간의 활용도가 우수하기 때문에 초기 설치비용 측면에서 유리할 뿐만 아니라 에너지 절감효과를 높일 수 있다. 최근 들어 개방형 지열 냉난방 시스템에 대한 인식이 바뀌고 있고, 적용사례가 증가됨에 따라, 국내 여건에 적합한 공법 개발과 이에 대한 정밀한 검증이 필요하다.
지중온도는 지하 1~2m 깊이에서는 1일 중의 변화가 거의 없으나, 1년을 통해서 보면 약간의 변화가 생긴다. 그러나 지하 10~20m 깊이에서는 계절에 따른 변화는 없으며, 하부로 내려갈수록 온도가 상승한다. 일반적으로 화산지대를 제외하고, 1km당 20~30℃의 지하 증온율을 나타낸다.(1) 이러한 특성으로 인하여 개방형과 같이 500m 깊이로 굴착하는 경우에는 상·하부가 10~15℃ 이상 온도 차이가 나타날 수 있다. 따라서 이러한 지하증온율 특성을 이용하면, 지중열교환기를 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 즉, 냉방 시에는 지표 상부온도를 이용하고, 난방 시에는 지중 하부온도를 이용하면, 히트펌프로 유입되는 온도인 EWT의 효율적인 이용이 가능하다. 이러한 지중온도 경사를 이용하기 위해서는 지중의 특정 위치에서 흡입·토출이 가능해야 하며, 물질 교환(지하수)에 의해 열전달이 이루어지는 개방형 방식이 유리하다.
본 연구에서는 개방형 지중열교환기에 깊이별로 온도센서를 설치하여 냉난방 운전 및 열응답 시험 시의 지중온도 변화를 측정하였다. 또한 현재 상용화되고 있는 지중열교환기의 특징을 분석하고, CFD 시뮬레이션을 통해 지하수 흐름 방향에 따른 지하증온율의 효과를 검증하였으며, 이를 제어하여 지중온도 경사를 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
개방형 지중열교환기는 심정펌프의 위치와 내부 케이싱 구성에 따라 <그림 1>과 같이 세 가지 방식으로 시공되고 있다. A Type은 개방형의 가장 대표적인 방식인 SCW(Standing Column Well)이며, B Type은 지중 공벽의 붕괴를 방지하기 위하여 천공벽과 내부 파이프 사이에 충진재를 삽입한 CTW(Coaxial Thermal Well)이고, C Type은 최근 지열업체에서 개발한 공법으로 내부 케이싱이 없다.