하이브리드 열원 연결형 지중열교환기 그룹/개별 운전 방안 및 장기 성능 효과 분석 = Analysis of Hybrid Heat Source Connected Ground Heat Exchanger with Group/Individual Operation Strategies and Long-Term Performance

국문 초록 (Abstract)

세계적으로 탄소 중립을 달성하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 건축 부문은 전체 탄소 배출의 약 30%를 차지하며, 이에 따라 정부는 건축물에서 신재생 에너지 시스템의 보급과 활성화에 주력하고 있다. 건축물에 주로 적용되는 신재생 에너지 시스템에는 태양광, 태양열, 지열 히트펌프 시스템 등이 있다. 특히 지열 히트펌프 시스템은 지중을 열원으로 활용하여 일정한 온도를 유지하는 특성이 있어, 계절과 날씨의 영향을 크게 받지 않는다. 이로 인해 공랭식 히트펌프 시스템보다 더 높은 열교환 효율을 보이며, 높은 열용량과 항온성을 지니고 있어 장기간 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

연중 냉난방 부하의 불균형이 심한 건물에서는 지중에 열축적이 발생하여 지중온도 불균형을 야기할 수 있다. 또한, 다수의 지중열교환기 간의 열간섭으로 인해 특정 지중열교환기의 과열 또는 과냉이 발생하여 열교환 효율이 저하될 수 있다. 따라서 부하 불균형 및 열간섭 현상을 고려한 적절한 설계가 필수적이다.
이러한 부하 불균형 및 열간섭 현상에 대응하기 위한 선행 연구들은 대부분 지중열교환기의 병렬운전을 기반으로 간헐적 운전 및 하이브리드 열원을 결합한 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 지중온도 불균형 및 열축적을 일정 수준 해소하여 지중온도 회복을 이룰 수 있었지만, 병렬운전을 기반으로 운전되기 때문에 부하 불균형이 심한 경우나 열간섭으로 인한 특정 지중열교환기의 열축적 문제를 대응하기에 어려움이 있다.
본 논문에서는 하이브리드 열원을 연결한 그룹/개별 운전 방안을 제시하고, 이를 활용하여 부하 불균형이 심한 상황에서 급탕 부하를 감당할 때 기존 방식의 지중열교환기만 사용한 경우와 제안하는 태양광열 모듈을 결합한 그룹/개별 운전의 효과를 비교 분석하였다. 제안하는 그룹/개별 운전은 원통형 배열의 총 7개의 지중열교환기를 사용하였으며, 가운데 지중열교환기는 하이브리드 열원인 태양광열 모듈의 부하를 감당하고, 바깥의 지중열교환기는 급탕 부하를 감당하였다.

지중열교환기만 활용하여 급탕 부하를 감당할 시, 지중과 열교환을 마치고 토출되는 유체의 온도는 급격히 저하되는 경향을 보였다. 반면, 제안하는 그룹/개별 운전의 경우, 열교환을 마치고 토출되는 유체의 온도는 일정 수준을 유지하려는 경향을 보였으며, 기존 방식에 비해 약 0.7℃ 더 높았다. 이는 태양광열 모듈의 부하를 감당하는 가운데 지중열교환기의 지중온도 상승으로 인해 열간섭을 통해 바깥 지중열교환기의 지중온도가 회복된 것으로 판단된다.
또한, 제안하는 방식의 경제성을 평가하기 위해 초기 설치 비용을 산정하여 비교 분석하였다. 기존 방식은 14개의 지중열교환기를 활용한 반면, 제안하는 방식은 7개의 지중열교환기와 22개의 태양광열 모듈을 활용하였다. 초기 투자 비용을 비교한 결과, 제안하는 방식은 기존 방식에 비해 약 51,000,000원의 비용을 절감할 수 있었다.
본 연구의 결과를 통해 제안하는 하이브리드 열원을 활용한 그룹/개별 운전은 부하 불균형이 심한 상황에서 열간섭을 통해 지중온도 회복 및 지중온도 불균형을 완화할 수 있음을 확인하였고, 초기 투자 비용을 줄일 수 있어 경제적 이점을 확보할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Efforts to achieve Net zero are actively progressing worldwide. The building sector accounts for approximately 30% of total carbon emissions, prompting governments to focus on the dissemination and activation of renewable energy systems in buildings. The renewable energy systems commonly applied to buildings include solar power, solar thermal, and geothermal heat pump systems. Ground source heat pump systems, in particular, maintain a constant temperature by utilizing the ground as a heat source, making them less affected by seasonal and weather variations. Consequently, they demonstrate higher heat exchange efficiency compared to air-source heat pump systems and possess high thermal capacity and thermal stability, allowing for long-term stable use.
In buildings with significant year-round heating and cooling load imbalances, heat accumulation in the ground can lead to ground temperature imbalances. Additionally, thermal interference among multiple ground heat exchangers (BHEs) can result in overheating or overcooling of specific BHEs, causing a decrease in heat exchange efficiency. Therefore, appropriate design considering load imbalance and thermal interference is essential.

Previous studies addressing these load imbalance and thermal interference issues mostly conducted simulations based on parallel operation of ground source heat pumps (GSHPs) and intermittent operation with hybrid heat sources. This approach has partially mitigated ground temperature imbalances and thermal accumulation, facilitating some degree of ground temperature recovery. However, operating based on parallel configuration poses challenges in effectively addressing severe load imbalances or thermal issues in specific GSHPs due to thermal interference.

This paper proposes a group/individual operation method connected with hybrid heat sources and compares its effectiveness with the traditional method of using only BHEs in handling domestic hot water loads under severe load imbalance conditions. The proposed group/individual operation uses a cylindrical arrangement of seven BHEs, with the central BHE handling the load of the hybrid heat source (solar thermal modules) and the outer BHEs handling the domestic hot water load.
When using only BHEs to handle the domestic hot water load, the temperature of the fluid discharged after heat exchange with the ground showed a tendency to decrease rapidly. In contrast, with the proposed group/individual operation, the temperature of the fluid discharged after heat exchange maintained a more stable level and was approximately 0.7°C higher than in the traditional method. This improvement is attributed to the rise in ground temperature of the central BHE handling the solar thermal module load, which facilitated the recovery of ground temperature in the outer BHEs through thermal interference.
Furthermore, an economic evaluation was conducted to compare the initial installation costs of the proposed method and the traditional method. The traditional method utilized 14 BHEs, whereas the proposed method employed seven BHEs and 22 solar thermal modules. The comparison of initial investment costs revealed that the proposed method could reduce costs by approximately 51,000,000 KRW compared to the traditional method.

The results of this study confirm that the proposed hybrid heat source utilizing group/individual operation can alleviate ground temperature imbalance and promote recovery through thermal interference in situations with significant load imbalance. Additionally, it can reduce initial investment costs, thereby securing economic advantages.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 방법 및 범위 3
• 제 2 장 지중열교환기 설계에 관한 예비적 고찰 6
• 2.1 지중열교환기 설계 6
• 2.2 선행연구 조사 7
• 제 3 장 FLS 모델 구현 및 검증 15
• 3.1 FLS (Finite line source) 모델 16
• 3.2 지중열교환기 모델링 19
• 3.3 TRNSYS DST (Duct storage) 모델 28
• 3.4 FLS (Finite line source) 모델 검증 시뮬레이션 31
• 3.5 시뮬레이션 결과 비교 및 분석 36
• 제 4 장 하이브리드 열원을 활용한 그룹/개별 운전 42
• 4.1 하이브리드 열원 시스템 43
• 4.2 급탕 시스템 49
• 4.3 그룹/개별 운전 시뮬레이션 54
• 4.4 시뮬레이션 결과 비교 및 분석 60
• 4.5 초기 투자 비용 분석 64
• 제 5 장 결론 67
• 참고문헌 70