지반 특성을 고려한 지중 열교환기 설계 모듈의 개선 및 설계프로그램에의 활용

Abstract

지열 히트펌프 시스템은 높은 효율로 인해 천부지열에너지를 이용하는 시스템으로 널리 사용되어 왔다. 지열 히트펌프 시스템은 사계절 일정한 지중 온도를 이용하여 여름에는 지중에 열을 방출시키고 반대로 겨울에는 지중의 열을 흐부하는 시스템이다. 지열에너지는 어떤 형태의 탄소에너지도 방출하지 않아서 전통적인 냉난방 시스템의 좋은 대안이 될 수 있는 에너지이다. 최근에는 건물의 기초 말뚝을 직접 지중 열교환기로 이용하는 에너지파일 등이 등장함에 따라 지열 히트펌프 시스템의 이용은 점점 복잡해지고 다양화되는 추세에 있다. 또한 호환성에 따라 코일형 교환기 등의 새로운 지중 열교환기에 대한 이용도 증가하고 있다. 하지만, 이를 설계하는 방법은 이런 변화를 따라가지 못하고 있다. GLD, EED, PILESIM2 등의 다양한 상용 설계 프로그램이 있지만 이들은 단지 수직밀폐형 시스템과 선형 열교환기 등 전통적인 방식만을 반영하고 있다. 게다가 지중 열교환기가 매설되는 지중에 관한 현상에 대한 반영은 거의 고려되지 않고 있는 실정으로 다양한 지열시스템의 상황을 반영할 새로운 모듈을 개발해야 하는 실정이다. 본 연구에서는 지열시스템의 설계에 중요한 역할을 하는 몇가지 중요한 변수들을 조사하였다. 먼저 열 성능 실험(TPT)을 통한 보어홀 열 저항 산정 방법을 검증하였고, 지하수 흐름을 반영할 수 있는 코일형 열교환기의 해석해를 제안하였다. 지중의 지하수 흐름은 보어홀 사이의 열 간섭과 지중의 열 저항을 감소시키는 것으로 알려져 있는 중요한 설계 요소이다. 이와 같이 본 논문에서는 연구된 결과를 통한 수정된 지열시스템 설계 방법을 고안하였으며, 이 설계 결과는 다른 상용프로그램들과 비교되었다.