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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 부산대학교 건축공학과 (Department of Architectural Engineering Pusan National University, Busan, 46241, Korea)
  2. (주)지지케이 (GGK Company Limited, 69-63 Sansu-ro, 12737, Korea)
  3. 한국지하수지열협회 (Korea Groundwater and Geothermal energy Assosiation, Seoul, 06349, Korea)



페어링 기술(Pairing technology), 복수 지열정(Two-well), 수주 지열정(Standing Column Well), 실증 실험(Real-scale experiment)

기호설명

c:물의 비열 [kJ/kg․K]
H.COP:히트펌프 냉방성능 계수
mload:부하 순환수 유량 [kg/s]
Qload:히트펌프의 열교환 성능 [kW]
S.COP:시스템 전체 냉방성능 계수
Wsp:심정펌프 소비전력 [kW]
Whp:히트펌프 소비전력 [kW]
Wcp1:열원측 순환펌프 소비전력 [kW]
Wcp2:부하측 순환펌프 소비전력 [kW]

1. 연구배경 및 목적

신재생에너지 이용 기술 중에서, 지열 히트펌프 시스템은 연중 안정적인 열원 공급으로 타 열원 시스템보다 우수한 에너지 이용 효율을 가진다. 특히, 대수층의 지하수를 이용하는 개방형 지열 히트펌프 (Groundwater Heat Pump, GWHP) 시스템은 지하수와 직접적인 열교환을 수행함으로써 밀폐형 지열 히트펌프 시스템보다 월등히 높은 성능을 기대할 수 있다. 또한, 한정된 설치부지 내에서 대형 냉난방 수요가 요구될 때 대응이 가능하며, 지하수 및 지반조건에 따라 밀폐형 시스템에 비해 지열공 설치 개수가 작기 때문에 경제성을 확보할 수도 있다. 그러나 개방형 지열 히트펌프 시스템은 대수층의 양, 지하수 수질, 지반 투수계수 등의 수리지질조건에 크게 영향을 받기 때문에 토양 내부에 대수층이 풍부하게 존재하지 않거나 지하수 수질 및 지반 투수계수 조건이 불리할 경우 시스템 운영에 제한을 받는다.

따라서, 지반의 수리지질학적 조건에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 설계방법 및 운전방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, Sciacovelli et al.(3)과 Park et al.(4)은 개방형 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 설계인자에 따른 토양 내 수리지질 조건 검토에 관한 연구을 수행하였다. Russo and Civita(5)는 개방형 지열 시스템의 성능향상을 위해 지열공 최적배치 방안을 연구하였다. Kim et al.(6)은 개방형 지열 시스템의 설계방법을 개선한 연구를 진행하였다. 한편, Bae et al.(7)은 시뮬레이션을 이용하여 시스템 도입에 따른 토양 내 지중열 및 지하수 이동에 관한 연구를 실시하였으며, 그 결과 지반 투수계수가 불리하거나 양수량이 많은 경우, 주입정의 지하수위 상승이 확인되었다. 다른 연구(8)에서는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 장기 운전시 관정 막힘(Clogging)에 따른 주입정의 지하수의 토출(Overflow)로 인해 운전제한 발생을 방지하고자, 관정 간 도수통로를 연결한 복수정 지열 시스템을 시뮬레이션으로 구축하여 지하수위 조절 효과를 분석하였다. 하지만, 현재까지 수행된 연구는 주로 수치 시뮬레이션을 이용한 연구가 대부분이며 실험적 단계에 머무르고 있다.

따라서 본 연구에서는 개방형 지열 시스템을 대상으로 취수정과 주입정의 지하수위를 조절할 수 있는 복수정 페어링 시스템을 구축하고, 이를 활용하여 장기운전에서 안정적인 시스템 성능이 확보될 수 있는 설계수법 및 운전수법을 개발하고자 한다. 본 논문에서는 개발 시스템과 기존 방식인 SCW 지열 시스템을 실제 규모로 구축하여 시스템 냉방성능을 비교분석하였다.

2. 복수정 페어링 시스템 개요

복수정 페어링은 기존의 복수정 지열 시스템에서 발생하는 취수정의 지하수 고갈과 주입정의 넘침 현상으로 인한 시스템 운전 제한이나 운전 정지와 같은 문제를 방지함과 더불어 양 관정의 지하수위를 조절을 통해 열원이용 효율을 증대시킬 수 있는 시스템이다.

Fig. 1은 기존의 복수정 지열 시스템과 본 연구에서 개발한 복수정 페어링 시스템을 나타낸다. 본 연구에서 개발한 복수정 페어링 시스템은 기존의 복수정 지열 시스템의 취수정과 주입정 사이에 도수통로를 병렬로 설치하여 수위차에 의해 양 관정의 지하수위를 조절할 수 있다.

Fig. 1. Groundwater flow according to system operation.
../../Resources/sarek/KJACR.2018.30.4.186/fig1.png

또한, 취수정과 주입정 양측에 심정펌프를 설치하여, 양 관정의 수리지질 특성을 고려하여 취수와 주입 기능이 전환될 수 있게 설계하였다. 이를 통해, 복수정 지열 시스템의 취수량과 주입량의 불균형을 제어할 수 있으며, 지하수열의 온도와 토양 및 관정 내 지하수위를 일정 수준으로 유지 시킬 수 있다. 이 외에도, 대상건물의 냉난방 운전시기를 고려하여 계절 가변식으로 교차 활용이 가능하다.

3. 실험개요 및 방법

3.1 실험개요

본 시스템은 서울특별시 노원구 소재의 S대학교 도서관 건물에 설치되었다. 시스템 도입 전 설계 양수량 확보 가능성 및 스케일 발생가능성을 확인하기 위하여 단계대수성 시험과 침전가능성이 높은 광물을 대상으로 평행모델링을 실시하였다. 그 결과, 설계 양수량 이상의 확보가 가능하며, 스케일 발생가능성도 낮음을 확인하였다.

복수정 페어링 지열 시스템의 정량적인 냉방성능 평가를 위해 복수정 페어링 지열 시스템과 대조군으로 SCW 지열 시스템을 동일 부지내에 설치하였다(Fig. 2 참조). 두 시스템은 서로 다른 대수층에서 열원수를 양수하게 되며, 또한, 상호간의 열간섭을 최소화하기 위해서 21 m를 이격하여 설치하였다. Fig. 3은 SCW 지열 시스템과 복수정 페어링 지열 시스템의 개요도를 나타낸다. SCW 지열 시스템은 Well 1 지열공으로 시스템을 구성되며, Well 1 지열공의 구경은 300 mm, 심도 500 m로 설치하였다. 복수정 페어링 지열 시스템의 지열공은 Well 2~Well 5 총 4개의 지열공으로 구성되며, 각 지열공은 구경 300 mm, 심도 250 m으로 동일하다. 도수관은 Well 2와 Well 3 지열공 사이와 Well 4와 Well 5 지열공 사이에 설치하였다. 각 도수관은 구경 125 mm, 길이 15m로 동일하며, 겨울철 동파방지 및 시공성과 경제성을 고려하여 서울지역 동결심도(2)이하인 심도 1.5 m 지점에 설치하였다. 심정펌프는 Well 2, Well 4, Well 5 지열공에 각각 설치하였으며, 온도제어 및 개별제어에 의해 동일 시간대에 1개의 심정펌프만 가동된다. 복수정 페어링 지열 시스템은 총 3가지의 운전모드를 구현할 수 있다(Table 1 참조). 운전모드의 변환을 통해 우수한 열원온도를 가지는 취수정에서 양수를 실시하여 시스템의 성능저하를 방지할 수 있다. Well 4와 Well 5는 양 측에 심정펌프를 설치하여 취수정과 주입정 역할의 상호교환이 가능하다. 이를 통해 취수정의 지하수위 저감으로 인한 펌프 양정을 감소시키고, 주입정의 지하수 토출에 따른 운전제한을 방지할 수 있으며, 계절가변시 축적된 지하수열의 활용이 가능하다. 본 실험에서는 간절기의 냉방기간을 측정하여 부하가 크지 않아 Mode 1의 운전방식으로만 실험을 진행하였다.

Fig. 2. Borehole Site Plan.
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Fig. 3. Schematic diagram of Ground Source Heat Pump(GSHP) System.
../../Resources/sarek/KJACR.2018.30.4.186/fig3.png

Table 1. Operating Mode

Operating Mode

Supply Well

Diffusion Well

Mode 1

Well 3

Well 2

Mode 2

Well 4

Well 5

Mode 3

Well 5

Well 4

기존 SCW 지열 시스템과 복수정 페어링 지열 시스템의 냉방성능을 정량적으로 분석하기 위해 단일 축열조에서 생산되는 부하를 동일하게 대응할 수 있게 설계하였으며, 각 시스템의 히트펌프와 판형열교환기는 동일한 성능의 제품을 사용하였다. 각 시스템에 사용된 기기의 사양은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. System Configuration

System sections

Specification

SCW

Two-Well Pairing

Well side

Borehole

Number

1

4

Depth

500 m

250 m

Diameter

300 mm

300 mm

Submersible pump

Depth

50 m

50 m

Power

3.7 kW

3.7 kW

Heat Pump side

Heat exchanger

Heat exchange capacity

104.6 kW

Design temperature

120℃

Heat pump

Heat exchange type

Water to water

Heating capacity

88.2 kW

Cooling capacity

84.5 kW

Circulation pump

Power

1.5 kW

Load side

Heat storage tank

Capacity

3,094 L

Circulation pump

Power

1.5 kW

3.2 실험방법

본 실험은 2017년 9월 10일부터 9월 28일까지의 냉방운전을 대상으로 실시하였다. 두 지열 시스템은 건물 내 설치된 축열조에 발생한 부하에 대응할 수 있도록 운전을 실시하였으며, 유량 조건을 동일하게 하여 실험을 진행하였다. 또한, 축열조의 설계온도(10℃±2℃)에 따라 가동 및 정지를 반복한다. 하루 중 시스템의 가동시간은 08:00~22:00이며, 토요일을 제외한 주중과 일요일에 운전을 실시한다. Table 3에 본 실험의 조건을 정리하였다.

Table 3. Experiment Condition

Factor

Condition

Building type

Library

Cooling load temperature set

10℃

Deadbend set

2℃

Maximum heat exchanger flow rate set

324 L/min

Maximum heat pump flow rate set

246 L/min

Maximum load flow rate Set

246 L/min

Operation period

9/10~9/28

Operation time

08:00~22:00(14 hours)

3.3 분석 방법

두 지열 시스템의 정량적인 냉방성능 분석을 위해서 시스템 가동시간 내의 열원측 및 부하측의 온도와 유량 그리고 소비전력(히트펌프, 순환펌프, 심정펌프)을 측정하여 히트펌프와 시스템 전체의 냉방성능 계수를 계산하였다. 히트펌프의 냉방성능 계수는 식(1), 시스템 전체의 냉방성능 계수는 식(2)를 통해 계산된다.

(1)
H . C O P = Q l o a d W h p

(2)
S . C O P = Q l o a d W h p + W s p + W c p 1 + c p 2

여기서, Qload는 히트펌프를 통해 축열조에서 제거하는 열량으로써 식(3)을 통해 계산하였다.

(3)
Q l o a d = m l o a d × c × Δ T l o a d

식(3)에 이용된 △Tload는 부하측의 공급온도와 환수온도의 차이를 나타낸다.

4. 실험결과

4.1 지하수와 순환수 온도 및 유량 분석

Fig. 4(a)은 전체 실험기간 동안 SCW 지열 시스템 가동에 따른 관정 내의 지하수온도 및 순환수의 온도를 나타낸다. Tas(Heat Source_In)은 심정측에서 열교환기로 들어가는 온도를 나타낸다. 시스템 가동 시작시점부터 가동이 정지되는 부분까지 온도는 상승한다. 실험기간 동안 최소 21.2℃, 최대 25.2℃사이에서 값의 변화가 나타나며, 평균 온도는 23.5℃를 나타낸다. Tbs(Heat Source_Out)는 열교환기에서 열교환 후 다시 심정으로 주입되는 온도로써 Tas와 평균 온도차는 4.0℃로 확인되었다. Tcs(Heat Pump_In)과 Tds(Heat Pump_Out)는 열교환기에서 열교환 후 히트펌프로 들어가는 입수온도와 출수온도를 나타낸다. Tcs는 Tas의 온도 영향을 받아 시스템 운전에 가동에 따라 온도가 증가하는 양상을 나타내었으며, Tcs와 Tds는 각각 평균 25.9℃와 30.3℃로 확인되었다. Tes(Load_In)와 Tfs(Load_Out)는 히트펌프와 축열조 사이를 순환하는 부하측 입·출구 온도를 나타낸다. Tes와 Tfs의 평균 온도는 각각 5.3℃, 9.1℃로 나타났다. 한편, 가동시간 내 심정측(Fas), 열원측(Fbs), 부하측 (Fcs) 평균 순환수 유량은 각각 279 L/min, 231 L/min, 231 L/min으로 확인되었다.

Fig. 4(b)는 실험기간 동안 복수정 페어링 지열 시스템 가동에 따른 관정 내의 지하수 온도 및 순환수 온도를 나타낸다. Tat(Heat Source_In)와 Tbt(Heat Source_Out)는 심정과 열교환기 사이의 지하수 온도이며, 시스템 가동에 따른 Tat의 변화는 최소 15.5℃, 최대 17℃로 최대와 최소 온도 차이가 1.5℃로 확인되었으며, Tat와 Tbt의 평균값은 각각 16.4℃와 20.3℃로 나타났다. Tct(Heat Pump_In)와 Tdt(Heat Pump_Out)는 열교환기와 히트펌프 사이의 순환수의 온도로 평균값은 각각 18.7℃와 23.5℃로 나타났다. Tet(Load_In)와 Tft(Load_Out)는 히트 펌프와 축열조 사이의 순환수 온도로 평균값은 각각 5.5℃와 10.3℃로 확인되었다. 복수정 페어링 지열 시스템의 평균 순환수 유량은 심정측(Fat) 296 L/min, 열원측(Fbt) 232 L/min, 부하측(Fct) 230 L/min로 나타났다.

Fig. 4. Temperature variation of heat source, heat pump and Load side during operation.
../../Resources/sarek/KJACR.2018.30.4.186/fig4.png

SCW 지열 시스템과 복수정 페어링 지열시스템의 Heat Source_In(Ta)와 Heat Pump_In(Tc)의 평균 온도 차이는 각각 7.1℃, 7.2℃로 확인되었다. 이는 SCW 지열 시스템의 심도가 깊어 초기 지하수온이 높으며, 단일 관정에서 취수 및 주입으로 인해 열 간섭이 일어난 것으로 판단된다. 한편, 두 지열 시스템의 Load_In(Te)의 온도차이는 0.6℃로 나타났으며, 이러한 차이는 동일 유량조건에서 열원온도의 차이에 의해 기인한 것으로 판단된다. 한편, 두 지열 시스템의 평균 순환수 유량 차이는 최대 17 L/min으로 6%의 차이를 나타냈다.

4.2 소비전력 분석

Fig. 5(a)는 시스템 운전기간 동안 SCW 지열 시스템의 히트펌프(Whp.s), 심정펌프(Wsp.s), 열원측 순환펌프(Wcp1.s), 부하측 순환펌프(Wcp2.s)의 소비전력을 시간평균으로 나타낸 그래프이다. SCW 지열 시스템의 히트펌프 소비전력의 평균은 4.7 kW이며, 심정펌프는 1.1 kW, 열원측과 부하측 순환펌프는 각각 0.4 kW로 확인되었다. SCW 지열 시스템의 전체 소비전력은 6.6 kW로 나타났다.

Fig. 5(b)는 복수정 페어링 지열 시스템의 히트펌프(Whp.t), 심정펌프(Wsp.t), 열원측 순환펌프(Wcp1.t), 부하측 순환펌프(Wcp2.t)의 소비전력을 시간평균으로 나타낸 그래프이다. 복수정 페어링 지열 시스템의 히트펌프 소비전력(Whp.t)의 평균은 4.0 kW로 SCW 지열 시스템과 비교하였을 때, 0.7 kW의 차이가 나타났으며, 심정펌프(Wsp.t), 열원측 순환펌프(Wcp1.t), 부하측 순환펌프(Wcp2.t)의 소비전력은 각각 1.1 kW, 0.4 kW, 0.4 kW로 SCW 지열 시스템과 큰 차이가 없었다. 복수정 페어링 지열 시스템의 전체 소비전력은 5.9 kW로 확인되었다.

Fig. 5. Power consumption of the system.
../../Resources/sarek/KJACR.2018.30.4.186/fig5.png

히트펌프의 소비전력은 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 18% 낮게 측정되었으며, 시스템 전체 소비전력은 12%의 낮게 나타났다. 두 지열 시스템의 소비전력의 차이는 열원온도에 의한 히트펌프의 소비전력의 차이에 의한 영향이 크게 나타났다. 하지만 복수정 페어링 지열 시스템의 장기운전에 따라 취수정의 지하수위 저감이 발생할 수 있으며, 이에 따른 펌프 소비동력의 차이가 발생할 수 있다. 따라서 향후 장기적인 실험데이터를 통한 추가적인 데이터의 분석이 필요하다.

4.3 냉방성능 분석

냉방성능 분석에 앞서 식(3)을 이용하여 두 지열 히트펌프 시스템의 부하량(Qload)을 산출하였다. 그 결과 SCW 지열 시스템의 시간평균 부하량은 20.8 kW, 복수정 페어링 지열 시스템은 23.8 kW로 확인되었다. 이는 복수정 페어링 지열 시스템의 열원온도가 SCW 지열 시스템의 열원온도보다 낮아 부하량의 차이를 나타낸 것으로 판단된다. Fig. 6은 두 지열 시스템의 히트펌프 냉방성능 계수(H.COP)와 시스템 전체 냉방성능 계수(S.COP)를 나타낸다. SCW 지열 시스템과 복수정 페어링 지열 시스템의 H.COP의 평균은 각각 4.8과 6.5로 복수정 페어링 지열 시스템이 36% 높게 나타났으며, S.COP는 SCW 지열 시스템이 3.4, 복수정 페어링 지열 시스템이 4.3으로 확인되었다. 시스템 전체 COP는 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 29%는 높게 나타났다.

Fig. 6. Cooling performance of the SCW system and Two-well pairing system.
../../Resources/sarek/KJACR.2018.30.4.186/fig6.png

5. 결 론

본 연구에서는 복수정 지열 시스템 가동시 발생하는 취수정의 지하수위 저감 및 주입정의 지하수위 상승으로 인한 성능저하 및 운전제한 문제를 해결하기 위해 복수정 페어링 지열 시스템을 개발하였다. 또한, 본 연구에서 개발한 시스템을 SCW 지열 시스템과 동일 부지 내에 설치하고, 동일부하 조건에서 실험을 진행하여 시스템의 냉방성능을 정량적으로 분석하였다. 결론은 다음과 같다.

(1) 시스템 가동에 따른 지하수 온도(Ta)의 변화는 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 작게 나타났다. 또한, 지하수 온도의 평균은 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 7.1℃ 낮게 나타났다. 이는, SCW 지열 시스템의 굴착 심도가 깊어 초기 지하수 온도가 높으며, 단일관정에서 취수 및 주입이 이루어지기 때문에 시스템 가동에 따른 지하수 온도에 영향을 주는 것으로 판단된다.

(2) 히트펌프의 성능을 결정짓는 주요인자인 열교환기에서 히트펌프로 유입되는 순환수의 온도(Tc)는 지하수 온도(Ta)의 영향을 받았다. 이를 통해서 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템 보다 부하에 안정적인 대응 성능을 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

(3) 복수정 페어링 지열 시스템과 SCW 지열 시스템의 심정펌프 및 순환펌프의 동력은 비슷한 값으로 확인되었다. 하지만, 히트펌프의 소비전력은 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 18% 낮게 측정되었다. 시스템 전체 소비전력은 히트펌프 소비전력의 차로 인해 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 12% 낮게 측정 되었다.

(4) 두 지열 시스템의 히트펌프의 열교환성능과 소비전력를 통해 히트펌프 냉방성능 계수(H.COP)와 시스템 전체 냉방성능 계수(S.COP)를 계산하였다. 그 결과 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 H.COP는 36%, S.COP는 29% 높게 나타났다. 이는 복수정 페어링 지열 시스템이 SCW 지열 시스템보다 효율적인 냉방운전이 가능함을 시사한다.

후 기

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(17CTAP-C116546-02)에 의해 수행되었습니다.

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