열펌프 유닛 성능과 지열원 냉난방 시스템 설계에 관한 연구

김남태(Kim, Namtae),조찬용(Cho, Chanyong),최종민(Choi, Jong Min) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

현재까지 대부분의 지열원 열펌프 시스템에 관한 연구는 열펌프 유닛과 지중열교환기에 대해 개별적으로 수행되었으며, 열펌프 유닛과 지중열교환기 설계 및 최적화의 공통변수인 지중순환수 유량에 따른 시스템 전체에 대한 연구성과는 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 인증되어 보급되고 있는 물매물 지열원 열펌프 유닛의 성능 자료를 분석하고, 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 열펌프 유닛의 성능 실험 및 지중열교환기 형상에 관한 설계 및 분석을 수행하여 지열원 열펌프 시스템 최적화에 관한 기반 기술 확보하고자 하였다. 현재 국내의 물대물 지열원 열펌프 유닛의 냉방 및 난방 조건에서의 최소 인증 COP는 각각 4.1과 3.45이다. 다양한 용량 및 성능을 갖는 국내 인증 물대물 지열원 열펌프 유닛에 대한 정량적 성능 분석을 위하여 3.5kW(1RT) 용량당의 지중순환수 유량과 COP를 고찰하였다. 냉방운전시 3.5kW 단위 용량당 열펌프 유닛의 지중순환수 유량은 10.73에서 18.52LPM을 나타냈으며, 난방운전에는 10.41에서 18.16LPM을 나타냈다. 이때, 냉방 COP는 4.1에서 5.4의 값을 나타냈으며, 난방 COP는 각각 3.5에서 4.2를 나타냈다. 인증 열펌프 유닛에서 지중순환수 유량과 열펌프 유닛의 냉난방 성능은 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 지중순환수 유량에 따른 지열원 열펌프 유닛과 시스템의 성능을 정량적으로 분석하고자 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 지열원 열펌프 유닛 성능 실험을 수행하고 이를 기반으로 지중열교환기를 설계 및 분석하였다. 냉난방 각 운전모드에서 ISO 13256-2 규격과 NRGT 101 규격을 기준으로 지중순환수와 부하측 유량 6LPM 에서 36LPM 사이에서 변화시키며 성능 실험을 수행하였다. 냉방 및 난방모드 모두 유량이 증가함에 따라 열펌프 유닛 COP가 증가하였으나, 유량 증가에 따른 열펌프 유닛 COP 증가율은 감소하였다. 지중순환수 유량이 18LPM 이상에서는 COP 상승폭은 미소하였다. 기존문헌의 부하 산정자료와 열펌프 유닛 실험 성능 데이터를 이용하여 지식경제부 고시 2009-332호에 준하여 수직밀폐형 지중열교환기를 설계하고 순환펌프 소요동력을 이용하여 시스템 COP를 분석하였다. 지중열교환기 설계 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 상용지중열교환기 설계프로그램인 GLD 프로그램을 사용하였다. 지중순환수와 부하측 2차 유체 유량 증가 시에 열펌프 유닛 COP 증가율 대비 시스템 COP 증가율은 감소하였으며, 난방모드에서는 일정 유량 이상에서는 열펌프 유닛 COP는 증가하였으나, 시스템 COP는 감소하였다. 또한, 지중순환수 유량 증가에 따라 지중열교환기 길이가 증가하였으며, 냉난방시의 지중열교환기 길이차이가 증가하였다. 지열원 열펌프 시스템의 고효율화 및 시공비 절감을 통한 경제성 확보를 위해서는 지열원 열펌프 유닛 성능과 지중열교환기 형상 공통 변수인 지중순환수 유량을 함께 고려하여 시스템을 설계하여야한다.

동계 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기와 비교 및 열적 성능 분석

이상하(Sang Ha Leigh),장휴산(Hyusan Jang),유석(Shuo Liu),이태하(Tae Ha Leigh),여명석(Myoung Souk Yeo) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

국내에서 대부분의 지열 히트펌프는 수직형 지중 열교환기와 결합되어 사용 중이다. 수직형 지중 열교환기는 설치 시 천공을 뚫는데 큰 비용이 발생하는 데 비해, 수평형 지중 열교환기는 천부에 설치하므로 설치 비용이 비교적 적게 든다. 반면 수직형 지중 열교환기에 비해 외기의 영향을 받아 상대적으로 안정적인 성능을 내지 못하고, 넓은 대지 면적이 필요하다. 수평형 지중 열교환기 중 열교환 성능이 좋은 모세유관을 활용한 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기 대비 열적 성능을 알아보고자 하며, 시뮬레이션을 통해 비교 분석을 진행하였다. 본 연구에서 난방기 매트형 수평형 지중 열교환기 한 모듈의 지중 열교환 성능은 약 500W로 15m 수직형 지중 열교환기와 비슷하였다.

동계 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기와 비교 및 열적 성능 분석

이상하(Sang Ha Leigh),장휴산(Hyusan Jang),유석(Shuo Liu),이태하(Tae Ha Leigh),여명석(Myoung Souk Yeo) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

국내에서 대부분의 지열 히트펌프는 수직형 지중 열교환기와 결합되어 사용 중이다. 수직형 지중 열교환기는 설치 시 천공을 뚫는데 큰 비용이 발생하는 데 비해, 수평형 지중 열교환기는 천부에 설치하므로 설치 비용이 비교적 적게 든다. 반면 수직형 지중 열교환기에 비해 외기의 영향을 받아 상대적으로 안정적인 성능을 내지 못하고, 넓은 대지 면적이 필요하다. 수평형 지중 열교환기 중 열교환 성능이 좋은 모세유관을 활용한 매트형 수평형 지중 열교환기의 수직형 지중 열교환기 대비 열적 성능을 알아보고자 하며, 시뮬레이션을 통해 비교 분석을 진행하였다. 본 연구에서 난방기 매트형 수평형 지중 열교환기 한 모듈의 지중 열교환 성능은 약 500W로 15m 수직형 지중 열교환기와 비슷하였다.

현장열응답 시험을 통한 수평형 지중열교환기의 지중열전도도 특성 연구

김민준(Kim, Min-Jun),최충현(Choi, Choong-Hyun),우정태(Woo, Jeong-Tae),장근선(Chang, Keun-Sun),최연성(Choi, Youn-Sung),이현수(Lee, Hyun-Su),김주형(Kim, Ju-Houng) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

수평형 지중열교환기의 지중온도 및 지중열전도도를 분석하기 위해서 경기테크노파크 화단에 수평형 지중열교환기를 설치하였다. 수평형 지중열교환기는 수평 길이 50m, 폭 2.7m, 깊이 2m에 파이프 규격 30mm, 파이프 길이 400m 1본을 매설하였다. 2009년 7월부터 2010년 5월까지 총 7회에 걸쳐 현장열응답방식을 이용하여 지중열전도도를 측정하였다. 측정결과를 분석해보면 수평형 지중열교환기의 지중온도는 계절적인 영향을 많이 받았으며, 지중열전도도는 계절적인 요인과는 무관하게 1.51{pm}0.1W/mk 범위에서 잘 일치함을 보였다. 이러한 결과로서 수평형 지중열교환기의 현장열응답시험은 현장설치 조건을 모두 반영한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

현장열응답시험을 이용한 복수관정 지중열교환기 사례 연구

김민준(Min Jun Kim),임지환(Ji Hwan Lim),원철호(Chul Ho Won),김창섭(Chang Seob Choi),양찬우(Chan Woo Yang),최충현(Choong Hyun Choi) 대한설비공학회 2020 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2020 No.6

본 연구에서는 강원도 평창군 대하면에 위치한 시설하우스에 설치될 복수관정 지중열교환기의 현장열응답시험을 통하여 우물공의 열특성을 살펴보았다. 당현장에 설치된 복수관정 지중열교환기는 취수정과 주입정의 깊이 42 m, 공간 이격거리 25 m, 지하수 수위는 1번 지중열교환기 10 m, 2번 지중열교환기 8 m에서 수위가 형성된 지중열교환기이다. 시험결과 두 사이트에 지중열교환기 순환수 유량은 250 ~ 260 L/min 범위로 측정되었다. 지중열교환기에서 취수된 지중순환수에 각각 시간당 100 ㎾의 열량을 투입하여 주입정에 주입한 결과, 1번 지중열교환기의 경우 취수정에서 취수되는 지중순환수 온도가 초기 14.6 ℃에서 24시간 경과 후 19.9 ℃로 상승한 반면에 2번 지중열교환기의 지중순환수 온도는 초기 13.6 ℃에서 24시간 경과 후 0.2 ℃ 상승한 13.8 ℃로 거의 상승하지 않았다.

그라우트 종류와 열교환 파이프 단면에 따른 수직 밀폐형 지중열교환기의 지중 유효열전도도 평가

이철호(Lee, Chulho),박문서(Park, Moonseo),민선홍(Min, Sunhong),강신형(Kang, Shin-Hyung),최항석(Choi, Hangseok) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중열교환기 뒤채움용 그라우트의 종류와 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면에 따른 지중열교환기의 성능을 비교 평가하기 위해 현장 시험 시공과 현장 열응답 시험을 수행하였다. 뒤채움용 그라우트재는 벤토나이트와 시멘트를 사용하였으며 첨가제로는 천연규사와 흑연을 적용하였다. 지중열교환기 파이프 단면은 일반적으로 시공되는 U-loop 파이프 단면과 파이프 사이의 열간섭 효과를 최소화 한 3공형 파이프 단면이 적용되었다. 시멘트-천연규사 그라우트재가 벤토나이트-천연규사 그라우트재 보다 큰 지중 유효열전도도를 보이고 흑연을 첨가한 그라우트는 시멘트와 벤토나이트 모두에서 천연규사만 첨가하였을 때 보다 지중 유효열전도도가 높게 나타났다. 3공형 파이프 단면의 경우 단면에 따른 영향을 비교하기 위해 그라우트는 시멘트-천연규사와 벤토나이트-천연규사를 사용하였으며 지중 유효열전도도 측정결과 각각 3.64 W/mK, 3.40 W/mK으로 일반 U-loop 파이프 단면을 사용하였을 때 보다 높게 나타났다.

직접순환식 수직밀폐형 지열원 열펌프 시스템 기술

김민성(Minsung Kim),우정선(Joungson Woo),백영진(Young-Jin Baik),나호상(Ho-Sang Ra) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.5

지열원 열펌프 시스템은 재생에너지원 중 상대적으로 작은 공간에서 열원 추출이 가능하여 국내에 널리 적용되어 왔다. 지중열교환기로서 에탄올 부동액이 순환되는 수직밀폐형이 선호되어 왔는데, 이는 설비나 시공이 비교적 단순하고 지중환경에 유해한 영향이 적기 때문이다. 그러나 지중열교환기는 지중순환수와 열펌프의 작동냉매와의 열교환을 수행하는 지열열교환기가 필수적으로 요구되는데, 지중순환수의 매개적 역할로 인하여 지열열교환기와 지중순환펌프 등이 추가 설비로서 요구된다. 이러한 2차유체 순환루프는 지중온도와 냉매온도간의 차이를 증가시키고 지중순환펌프의 동력에 대한 에너지손실이 상대적으로 크게 되어 지열원 열펌프의 열손실에 중요한 영향을 미친다. 본 연구에서는 이의 대안으로 지중순환루프에 냉매가 직접 순환하여 열교환을 하는 직접순환식 지중열교환기와 이를 적용한 열펌프 시스템에 대하여 소개하고자 한다. Ground source heat pump systems(GSHP) have been installed widely in Korea since it can extract renewable heat resources in a small area. As a ground heat exchanger, a vertical closed-loop type with brine circulation is preferred since it is simple and less harmful to ground environment. However, it requires a geothermal heat exchanger between the refrigerant in a heat pump and the brine. By adding a secondary heat exchange loop, circulation pumps should be attached and the temperature difference between refrigerant and ground is increased, which are important parts of performance degradation. In this paper, direct exchange(DX) geothermal heat pump is introduced as an alternative.

그룹 운전 및 비정형 배열 해석을 위한 FLS 기반 지중열교환기 모델 개발

박영준,박승훈,김의종 대한설비공학회 2024 설비공학 논문집 Vol.36 No.4

본 연구에서는 지열 히트펌프 시스템의 성능에 크게 영향을 끼치는 부하 불균형을 대응하고자 다양한 배열과 공별 및 그룹 운전이 가능한 FLS기반 모델을 개발하였다. 개발한 모델과 동일 조건으로 TRNSYS에 내장된 DST 모델 결과를 비교하였고 지중열교환기 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT를 중심으로 분석하였다. 분석결과, 두 모델의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 평균 오차는 각각 0.11℃, 0.06℃로 차이가 거의 없는 것으로 확인하였다. 또한 DST 배열뿐만 아니라, I자형 배열을 구현하여 시뮬레이션을 진행하였고 시간이 지남에 따라 두 배열의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 차이가 점차 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 다양한 배열에 따라 열교환 효율을 높일 수 있는 적절한 설계에 대한 필요성을 확인하였다. 공별 특성을 알 수 없고 병렬운전만 모사할 수 있는 DST 모델의 한계를 극복하고자 공별 온도 추출 및 공별 계산이 가능한 제안하는 FLS 모델을 활용하여 중앙에 위치한 지중열교환기와 바깥에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT를 확인하였다. 바깥에 위치한 지중열교환기에 비해 중앙에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT는 각각 최대 1.67℃, 0.84℃로 더 높게 나타났다. 이는, 중앙에 위치한 지중열교환기가 열간섭을 심하게 받았기에 나타난 결과임을 알 수 있었고 이러한 해석 결과를 바탕으로 다양한 공별 혹은 존별 운전 방안을 통해 지중온도 변화에 효과적으로 대응할 수 있음을 예측할 수 있었다. 지열 히트펌프 시스템을 안정적이며 장기적으로 높은 COP를 유지하며 사용하기 위해선 현재까지 구현한 FLS 기반 모델을 토대로 장기 시뮬레이션을 통한 최적화 엔지니어링이 필요하며 하이브리드 열원을 조합한 공별 및 그룹 운전 제어 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다. A geothermal heat pump system is a renewable energy system that utilizes the ground as a heat source to meet heating and cooling demands of buildings. Thermal efficiency of a commonly used vertical closed-loop system is affected by thermal interference and load imbalance significantly, necessitating appropriate design of ground heat exchangers and implementation of various optimal control methods. However, the widely used ground heat exchanger model, the DST (Duct-Storage) model, has limitations as it cannot simulate irregular arrangements or individual control strategies among ground heat exchangers. On the other hand, the FLS (Finite Line Source) model can overcome such limitations of the DST model. In this study, we developed an FLS model to estimate the expected Entering Water Temperature (EWT) under specific conditions and validated it by comparing it with the DST model for typical cases. Results demonstrated that the proposed FLS model had similar thermal responses to the DST model, showing only negligible deviations. Furthermore, by utilizing the proposed FLS model, various operating cases can be simulated, e.g., irregular arrangements and separate controls, confirming its ability to overcome limitations of the DST model.

Horner plot을 이용한 열응답 실험 해석

한국지구시스템공학회 2008 한국지구시스템 공학회지 Vol.45 No.4

지중열교환기 시스템의 열교환율은 지반의 유효열전도도와 큰 연관성을 나타내므로 열응답 실험과 그 해석방법은 경제적인 지열 히트펌프 시스템 설계를 위하여 매우 중요하다. 2회의 열응답 실험이 200m심도의 수직밀 폐형 지중열교환기에서 실시되었으며, 일반적인 라인소스 모델과 Horner plot 방법을 이용하여 지반의 열전도도를 계산하였다. 본 연구에서는 일반적인 선형열원 방정식과 순환펌프 가동에 의한 회복되는 순환수 온도 자료를 이용한 Horner plot 방법 적용, 그리고 순환펌프 중지 후 광섬유온도 센서를 이용한 회복되는 지반의 온도를 이용한 Horner plot 방법을 적용하였다. 일반적인 선형열원 방정식에 의한 지중열교환기공의 평균 유효열전도도는 2.75 W/m/K이며, 그리고 히터를 중지 시킨 후 순환펌프만 계속 가동시켜 회복되는 자료의 Horner plot 방법을 적용하여 계산된 유효열전도도가 2.87 W/m/K이다. 광섬유 센서 온도 측정법을 이용한 Horner plot 방법 적용에서는 2.88 W/m/K의 평균유효 열전도도와 심도별 유효열전도도를 나타내었으며, 코어의 평균 열전도도는 2.90 W/m/K이다. 3가지 TRT 해석 결과를 코어 열전도도와 비교한 결과 각 해석 방법들이 적절한 신뢰성을 가지는 것으로 판단되었다. 지중열교환기 시스템의 열교환율은 유효열전도도에 따라 크게 달라지므로 지반의 특성 및 목적에 가장 적합한 열응답 실험 및 해석 방법을 선택하여 유효열전도도를 계산하는 것이 경제적인 시스템 설계에 중요하다고 판단된다.

열응답 실험 및 열저항 해석을 통한 장심도 수직밀폐형 지중열교환기의 성능 분석

심병완,박찬희,조희남,이병대,남유진,Shim, Byoung Ohan,Park, Chan-Hee,Cho, Heuy-Nam,Lee, Byeong-Dae,Nam, Yujin 대한자원환경지질학회 2016 자원환경지질 Vol.49 No.6

300 m 이상의 장심도 지중열교환기는 도심지나 넓은 부지를 확보가기 어려운 지역에 지열냉난방 시스템을 경제적으로 설치하는데 유리하다. 그러나 실제 시공에서는 여러 가지 문제들로 인하여 보편적으로 시도되지 않았고, 일반적으로 100 ~ 200m 심도로 설치되어 왔다. 본 연구에서는 일반적인 시추공 직경 150 mm에 U 파이프는 50A 규격으로 외경 50 mm의 300 m 심도로 지중열교환기를 설치하였다. 고밀도 PE관은 단위 길이당 비중이 $0.94{\sim}0.96g/cm^3$으로 지열공 내부에 채워진 지하수 영향으로 부력이 존재하여, 이를 개선하기 위해 4.6 kg 무게의 금속으로 제작된 하중밴드 10개조를 설치하여 부력의 영향을 감소시켰다. 지중열교환기의 길이 산정 및 성능평가를 위한 기초조사로서 지반조사 및 열응답실험이 실시되었다. 지반내 온도구배는 100 m 심도까지는 주변 지하수 이용에 의한 영향 등으로 $15^{\circ}C$ 정도의 분포를 보이며 그 하부는 $1.9^{\circ}C/100m$의 지온증온율을 나타내고 있다. 열응답실험은 기존에 설정된 표준 방식으로 48 시간 진행되었으며 평균 주입전력은 17.5 kW이며 평균 순환수 유량은 28.5 l/min, 그리고 평균 입출구 온도차는 $8.9^{\circ}C$로 나타났다. 측정된 지중열전도도는 3.0 W/mk이며, 공내열저항은 0.104 mk/W로 나타났다. Stepwise 평가에서 지중열전도도 변화는 초기 13시간을 제외한 이후에는 표준편차가 0.16으로 매우 안정된 값으로 수렴한 것으로 나타났다. 그리고 공내열저항의 민감도를 분석한 결과 파이프의 구경과 그라우팅 물질의 열전도도가 증가함에 따라 그 값이 미미하게 감소하는 경향을 나타내었다. Due to the limited areal space for installation, borehole heat exchangers (BHEs) at depths deeper than 300 m are considered for geothermal heating and cooling in the urban area. The deep vertical closed-loop BHEs are unconventional due to the depth and the range of the typical installation depth is between 100 and 200 m in Korea. The BHE in the study consists of 50A (outer diameter 50 mm, SDR 11) PE U-tube pipe in a 150 mm diameter borehole with the depth of 300 m. In order to compensate the buoyancy caused by the low density of PE pipe ($0.94{\sim}0.96g/cm^3$) in the borehole filled with ground water, 10 weight band sets (4.6 kg/set) were attached to the bottom of U-tube. A thermal response test (TRT) and fundamental basic surveys on the thermophysical characteristics of the ground were conducted. Ground temperature measures around $15^{\circ}C$ from the surface to 100 m, and the geothermal gradient represents $1.9^{\circ}C/100m$ below 100 m. The TRT was conducted for 48 hours with 17.5 kW heat injection, 28.65 l/min at a circulation fluid flow rate indicates an average temperature difference $8.9^{\circ}C$ between inlet and outlet circulation fluid. The estimated thermophysical parameters are 3.0 W/mk of ground thermal conductivity and 0.104 mk/W of borehole thermal resistance. In the stepwise evaluation of TRT, the ground thermal conductivity was calculated at the standard deviation of 0.16 after the initial 13 hours. The sensitivity analysis on the borehole thermal resistance was also conducted with respect to the PE pipe diameter and the thermal conductivity of backfill material. The borehole thermal resistivity slightly decreased with the increase of the two parameters.