Thermal Performances on Square Copper Coiled High Density Poly Ethylene Tube for Surface Water Source Heat Pump System

국문 초록 (Abstract)

사회가 발전함에 따라 에너지 사용량이 지속적으로 증가되고 있지만 주요한 에너지원으로 사용되고 있는 석탄, 석유 등 화석연료들은 점점 고갈되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 신재생에너지가 지속적으로 필요한 실정이다. 현재 적용되고 있는 여러 신재생에너지 중에서 지열에너지는 깨끗하고 상대적으로 안정적인 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 수열원 히트펌프 (SWSHP; surface water source heat pump) 시스템은 지열원을 이용하는 지열원 히트펌프 (GSHP; ground source heat pump) 시스템의 한가지로서 공기열원 히트펌프 (ASHP; air source heat pump) 시스템보다 높은 성적계수를 가지고 있다. 강이나 호수, 연못 근처에 위치한 건물은 SWSHP 시스템을 이용하여 여름에 냉방, 겨울에 난방 그리고 급탕을 할 수 있다.
수중 열교환기 (SWHE; surface water heat echanger)는 SWSHP의 중요한 구성부분으로서 전체 히트펌프 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다. 즉, SWHE의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다면, 전체 SWSHP 시스템의 성능도 증가될 것이다.
SWHE의 열교환 성능을 제시하는 열관류율 (U-value; overall heat transfer coefficient)은 SWSHP 시스템의 성적계수 (COP; coefficient of performance)에 큰 영향을 주고 있다. 그래서 SWHE의 U-value 증가시키는 것이 바로 히트펌프 시스템의 성능을 개선시키는 것이다. U-value는 배관 내, 외 유체의 유속, 배관 내, 외의 온도차, 배관의 재질 및 배관의 모양 등 여러 가지 요소로부터 영향을 받고 있다.
현재 많은 SWHE는 열전도도가 0.4W/mK 수준의 낮은 고밀도폴리에틸렌 (HDPE; high density poly ethylene) 배관을 열교환 배관으로 사용하고 있다. 이러한 배관은 내구성은 확보되지만 낮은 열전도도로 인해 배관의 길이와 순환펌프의 양정을 증가시켜야 하는 문제가 있다.
이와 반대로 열전도도가 높은 금속 배관을 열교환 배관으로 사용하는 경우 전도에 따른 열교환량이 많아짐에 따라 배관 전체의 U-value가 증가될 수 있으며, 동시에 히트펌프의 COP를 개선시킬 수 있다. 하지만, 금속 배관은 부식으로 인한 내구성의 문제가 발생한다.
이러한 배경에 따라 본 연구에서는 SWSHP 시스템의 성능을 개선시키기 위하여, 각형 동선을 감은 32A HDPE 배관을 제안하고, 이의 U-value와 히트펌프의 COP에 관하여 연구를 진행하였다. 우선, 일반 32A HDPE 배관에 각형 홈을 낸 다음, 그 홈에 사이즈가 맞는 각형 동코일을 감아 샘플 배관을 제작하였다. 개선 배관 (각형 동코일을 감은 HDPE 배관)의 성능 개선 여부를 검증하기 위하여 기존 배관 (일반 HDPE 배관)과 비교실험을 진행하고, 두 배관의 U-value와 COP를 각각 비교하였다. 실험결과에 따르면, 개선배관의 U-value는 자연대류 조건에서 기존 배관보다 약 18% 높게 나타났고, 강제대류 조건에서는 기존 배관보다 약 19% 높게 나타났다. 이는 각형 동코일의 핀 작용에 의한 결과로 사료된다. COP의 실험결과를 보면 자연대류 조건에서는 개선 배관이 기존 배관보다 39% 높게 나타났고, 강제대류 조건에서는 약 41% 높게 나타났다. 이를 통해 각형 동코일을 감은 HDPE 배관은 히트펌프 시스템의 에너지 절약에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Literature review 3
• 1.3 Objectives and scopes of the study 6
• II. Principle of heat pump system and heat transfer 9
• 2.1 Heat pump system 9
• 2.2 Principle of heat transfer 14
• III. Experimental setup 25
• 3.1 Preparation of experimental samples 25
• 3.2 Preparation of the experimental systems 28
• 3.3 Measuring equipment in the experiments 31
• 3.4 Experimental measurements 32
• IV. Experimental results and discussions 35
• 4.1 Velocity of water controlled in tube 35
• 4.2 Temperature difference of water in tube 39
• 4.3 Amount of heat transfer from water in tube 44
• 4.4 U-value of SWHE 48
• 4.5 Friction factor and fouling factor 54
• 4.6 COP of the SWSHP 59
• 4.7 Economic evaluation of coiled tube 62
• V. Conclusions 67
• Nomenclature 69
• References 72