김재민
(Jae Min Kim)
1
배상무
(Sangmu Bae)
1
남유진
(Yu Jin Nam)
1†
-
부산대학교 건축공학과
(Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Pusan, 46241,
Republic of Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
지열 히트펌프(Ground source heat pump), 지중열교환기(Ground heat exchanger), 성능검토(Performance analysis), 도입 타당성 분석(Feasibility analysis), 유닛형 지중열교환기(Unit-type ground heat exchanger)
기호설명
PF：n년 후 비반복비용의 현재가치
PA：n년 후 반복비용의 현재가치
A：반복비용
F：n년 후 비반복비용
i：실질할인율
j：명목할인율
k：물가상승률
NPV：Net present valu
1. 연구배경 및 목적
지열 히트펌프 시스템은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중열원을 이용함으로써 타열원 시스템보다 안정적인 효율을 기대할 수 있다. 특히, 지열 히트펌프
시스템은 기존의 공기열원 시스템보다 우위에 있는 열원을 활용할 수 있기 때문에 히트펌프 압축기의 소요되는 동력을 절감시키면서 냉․난방 효율을 증대시킬
수 있다.
(1) 그러나 지열 히트펌프 시스템은 공기열원 시스템보다 에너지 이용 효율이 우수함에도 불구하고, 천공 비용을 포함한 높은 초기투자비용과 시스템 도입을
위한 부지 확보가 어려워 중․소규모 건축물에 보급 및 활성화가 지연되고 있다. 따라서 지열히트펌프 시스템의 높은 초기투자비용을 절감하고 시장 경쟁력을
확보하고자, 에너지 파일과 같이 구조물을 이용한 지중열교환기나 수평형 지중열교환기에 대한 연구가 다양하게 수행되고 있다.
Lee et al.
(2)은 별도의 천공비용이 소요되지 않는 건물 기초를 이용한 에너지 파일형 지열히트펌프 시스템을 공동주택에 적용하여 냉․난방 성능 실험을 실시하였다. Yoon
(3)은 열교환기 타입과 트렌치 깊이 등을 고려하여 수평형 지중열교환기의 시공비를 산정하고, 설계 영향인자들을 분석하였다. Selamat et al.
(4)은 수평형 지중열교환기 형상과 파이프 재료에 따른 수치해석을 통하여 최적설계수법 개발에 대한 연구를 수행하였다. 하지만 소규모 건축물의 기초에는 파일
시공 사례가 드물며, 수평형 지중열교환기는 넓은 부지가 필요하기 때문에 소규모 건축물에는 도입이 어렵다. 이러한 문제점을 극복하고자 Oh et al.
(5)은 소규모 건축물에 도입이 용이한 저심도 유닛형 지중열교환기를 제안하고 수치해석을 통한 성능 예측을 수행하였다.
본 연구에서는 유닛형 지중열교환기의 열교환 해석 모델을 이용하여 파이프 배열 타입 및 토양 조건에 따른 수치해석을 실시하고 소규모 건축물에서의 도입
타당성을 검토하고자 한다.
2. 연구방법
2.1 시뮬레이션 개요
건물 직하 유닛형 지중열교환기는 심도 2~10 m에 설치되어 천공비용 절감이 가능하며, 콘크리트 그라우트로 유닛화하여 설치가 용이하다. 또한,
Fig. 1과 같이 건축물의 기초 하부에 설치되기 때문에 외기에 의한 영향이 적은 시스템이다. 배열타입에 따라 직렬형과 병렬형으로 분류할 수 있으며, 이에 따라
순환수의 출수온도나 지중 채열량, 경제성 측면에서 차이가 발생한다. 병렬형은 지중열교환기의 접합 개소가 증가하여 직렬형에 비해 초기투자비용이 다소
상승하며, 시공의 신뢰성과 유지․보수성이 비교적 좋지 않다. 따라서 본 연구에서는 건물 직하 유닛형 지중열교환기의 배열타입에 따른 성능 예측과 경제성
분석을 통한 도입 타당성을 검토하고자 하였다. 성능 분석을 위해 선행연구에서 개발된 지중열교환기와 토양 간의 열교환 모델
(5)과 유닛형 지중열교환기 모델
(6)을 이용하여 3차원 수치해석을 실시하였다. 또한, 지중열교환기의 한 부분 중 직렬로 연결된 유닛 모델은 다수의 U-tube에서 순환수의 흐름이 연속되도록
해석코드를 입력하여,
Fig. 2(a)와 같이 전체 입․출구는 하나만 존재하도록 하였다.
Fig. 1. Unit-type GHX under a building.
Fig. 2. Simulation model.
2.2 시뮬레이션 해석 조건
Table 1과 같이 시뮬레이션 해석 조건을 설정하였으며, FEFLOW와 User subroutine을 연동하여 시뮬레이션을 실시하였다. 관경 40 A의 파이프를
삽입하고 그라우팅재는 콘크리트로 가정하였다. 운전이 지속됨에 따라 지중열교환기 주변 토양의 온도는 점차적으로 감소하여 외기온도 이하로 떨어질 수 있다.
이에 따라 지열 이용의 우위성을 확보하기 위해 입수온도가 5℃ 이상에서 채열하는 것으로 설정하였다.
(7) 토양 및 지중 열교환기의 초기온도와 초기 입․출구 온도차는 각각 16℃와 5℃, 순환수 유량은 14.98 LPM, 운전조건은 난방 3개월(12~
2월)동안 운전시간 09:00~18:00로 설정하였다. 해석 영역의 토양 조건은 화강암으로 가정하였으며, 입력된 열물성치 조건은
Table 2와 같다.
Table 1. Simulation Conditions
|
Calculation Tool
|
FEFLOW+User subroutine
|
|
GHX
|
Single U-tube 40 A/Concrete Grouting
|
|
Operation Condition
|
Initial Temperature 16℃/Initial △T5℃/Limitation Temperature 5℃
|
|
12/1~2/28(3 months), 09:00~18:00
|
|
Flow Rate
|
14.98 LPM
|
Table 2. Thermal Properties
|
|
Porosity
|
Thermal Conductivity (W/m·K)
|
Heat Capacity (MJ/m3·K)
|
|
Concrete
|
0.001
|
1.50
|
2.80
|
|
GHX
|
0.001
|
0.41
|
2.38
|
|
Granite
|
0.01
|
3.50
|
2.92
|
|
Gravel
|
0.35
|
1.83
|
2.97
|
|
Sand
|
0.30
|
1.14
|
1.44
|
Table 3. Simulation cases
|
(per unit)
|
Parallel type
|
Serial type
|
|
Case 1-1
|
Case 2-1
|
Case 1-2
|
Case 2-2
|
Case 1-3
|
Case 2-3
|
Case 1-4
|
Case 2-4
|
|
Depth of GHX
|
4 m
|
6 m
|
4 m
|
6 m
|
4 m
|
6 m
|
4 m
|
6 m
|
|
Number of U-tube
|
1
|
1
|
2
|
2
|
3
|
3
|
4
|
4
|
|
Length of pipe
|
4 m
|
8 m
|
8 m
|
16 m
|
12 m
|
24 m
|
16 m
|
32 m
|
시뮬레이션 케이스는
Fig. 2(b)와 같이 지중열교환기의 설치심도와 직렬로 연결되는 파이프의 길이에 따라 분류하였다. 건물 직하 유닛형 지중열교환기는 건축물 기초 하부에 설치되는 것을
고려하여 지표면으로부터 2 m 하부에 설치된다. 시뮬레이션 모델의 U-tube 입․출구 사이 간격은 0.5 m, 콘크리트 그라우팅은 0.7 m로 설정하였으며,
해석 영역은 지중열교환기 간 이격거리(0.2 m)를 고려하여 0.2 m × 4 m × 6 m로 설정하고, 인접 열교환기가 무한히 반복되는 것을 가정하여
무차원화시킨 유닛형 1개 파이프를 대상으로 계산을 실시하였다. Case 1-1과 2-1은 병렬형, 그 외 Case들은 직렬형으로 구분되며, 시뮬레이션
상에서 순환수의 흐름이 연결되는 U-tube 개수에 따라 직렬로 연결되는 파이프의 길이를 조정하였다. 또한, 건물 직하 유닛형 지중열교환기는 심도
2~10 m 정도에 설치되기 때문에 토양 조건에 따른 성능 예측이 필요하다. Case 1-1의 경우, 화강암과 자갈, 모래의 조건에서 수치 해석을
실시하고 토양 조건에 따른 성능을 비교·분석하였다.
3. 시뮬레이션 결과 분석
Fig. 3은 전체 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 직렬로 연결되는 파이프의 길이가 증가할수록 단위 길이 당 채열 성능은 감소하였지만, 전체 채열량과
순환수의 출수온도는 증가하였다. 이와 같은 양상은 수직밀폐형 시스템에서도 나타나며,
(8) 열교환 성능의 관점에서는 병렬로 연결된 다수의 지중열교환기가 더 효과적일 수 있다는 것을 시사한다. 하지만, 경제성의 관점에서는 직렬로 연결된 부분이
짧을수록 접합 개소의 증가로 초기투자비용의 증가를 초래할 수 있다. 따라서 시공비와 채열 성능을 모두 만족하는 사양으로 설계할 필요가 있다. 한편,
파이프의 길이가 2배로 증가할 때 입․출구온도 차는 평균적으로 1.41배 증가하는 것으로 나타났다. 이는 지중에서 연속적으로 순환하는 파이프의 길이가
증가할수록 단위 길이 당 채열 성능이 감소하는 원인으로 판단된다. 심도 4 m에서 병렬형(Case 1-1)과 직렬형(Case 1-4)의 채열 성능은
3.17 W/m의 차이를 보였으며, 심도 6 m에서 병렬형(Case 2-1)과 직렬형(Case 2-4)은 3.13 W/m의 차이를 나타냈다. 또한,
심도 6 m에서 심도 4 m보다 단위길이 당 채열 성능이 평균적으로 18% 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 3. Comparison of simulation results.
Fig. 4는 토양 조건에 따른 Case 1-1의 채열량과 순환수의 평균 출수온도를 나타내는 그래프이다. 토양의 열전도도가 높을수록 채열 성능과 순환수의 평균
출수온도는 증가하는 양상을 나타냈다. 열전도도가 가장 높은 화강암은 12.27 W/m, 자갈은 9.71 W/m의 채열 성능을 나타냈다. 토양 조건이
모래일 경우, 채열 성능은 화강암의 70% 수준인 8.57 W/m으로 나타났다.
Fig. 4. Simulation results according to soil condition(Case 1-1).
4. 도입 타당성 분석
4.1 도입 타당성 분석 개요
건물 직하 유닛형 지중열교환기는 건축물 하부에 설치하여 지표 플럭스의 영향을 많이 받는 수평형 지중열교환기의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 초기투자비용
절감과 유닛화로 인한 시공의 용이성 증대로 지열히트펌프 시스템의 시장 진입이 어려운 소규모 건축물에서의 보급을 확대할 수 있다. 본 연구에서는 기존
수직밀폐형 시스템과 비교하여 건물 직하 유닛형 지중열교환기의 도입 타당성을 검토하기 위해, 기존 공조시스템 대비 초기투자비용 회수기간을 경제성 분석의
지표로 활용하였다. 초기투자비용과 운전비용, 교체 및 수선비용을 고려한 모든 비용은 NPV법을 적용하여 현재가치로 환산하였으며, 적용된 NPV법은
식(1)~
식(3)과 같다.
(9) 실질할인율은 한국은행 11년(2006~2015) 동안의 3년 만기 국고채 수익률의 평균값인 3.50%를 명목할인율로 가정하고, 최근 11년 동안의
물가상승률 평균값인 2.33%를 적용하여 1.14%로 산출하였다.
도입타당성 분석을 위해 국토교통부의 농촌주택 표준모델
(10)(농림-09-29-1)을 대상 건물로 선정하였다. 동적 열에너지 해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS로 대상건물의 냉·난방 부하를 분석하여, 시스템
용량을 산정하였다. 시뮬레이션 조건은
Table 4와 같이 설정하였으며, 단열조건은 중부지방 에너지 절약 설계기준을 만족하도록 하였다. 냉·난방 운전 시간은 단독주택 재실자의 조건을 고려하여 20:00~07:00로
설정하였으며, 대상 건물에 축열조를 보유하고 있어 열교환기 운전시간과 건물 부하 발생 시간의 차이를 대응할 수 있는 것으로 가정하였다. 시뮬레이션
결과, 대상 건물의 월별 냉·난방 부하는
Fig. 5(b)와 같이 나타났으며 냉·난방 피크부하는 각각 8.35 kW, 13.22 kW로 나타났다.
Table 4. Simulation conditions
|
Model
|
Air-conditioning area
|
Set temperature
|
Heating & Cooling schedule
|
Insulation condition
|
|
Standard model of rural house
|
93 m2
|
Cooling 26℃
Heating 22℃
|
20:00~07:00
|
Energy saving designing standard of central region(11)
|
Fig. 5. Simulation model&Monthly load.
4.2 초기투자비용 산정
수직밀폐형의 설치비용은 실제 지열시공 업체의 견적서와 신재생에너지 원별 기준단가
(12)를 참고하였다. 유닛형은 토양 조건에 따른 Case 1-1의 시뮬레이션 결과를 이용하여 화강암 조건의 채열량을 69.85% 수준으로 저감시켜 토양
조건을 모래로 가정하였다. 보정된 채열 성능으로 유닛형의 시스템 용량을 산정하고, 실증실험 구축비용
(13)에 근거하여 설치비용을
Table 5와 같이 산정하였다. 각각의 Case에 따라 설치 심도와 굴착량을 고려하여 천공비와 그라우팅비를 산정하였으며, 제작비는 표준품셈
(14)을 참고하여 파이프의 길이와 배열타입에 따른 접합개소를 고려하여 산정하였다. 또한 경유보일러와 공기열원시스템으로 구성한 기존 공조시스템은 대상건물의
공조면적을 고려하여 설치비용을 산정하였다. 대상 건물의 피크부하 대응이 가능한 각 지중열교환기별 필요개수는
Table 6과 같으며, 유닛형은 시스템 용량에 따라 지중열교환기의 증설이 용이하기 때문에 필요개수는 소수점 이하까지 표현되었다.
Table 5. Installation costs of the GHX per unit(1,000 won)
|
|
Closed-Loop
|
Unit-type
|
|
Case 1-1
|
Case 2-1
|
Case 1-2
|
Case 2-2
|
Case 1-3
|
Case 2-3
|
Case 1-4
|
Case 2-4
|
|
Excavation
|
7,000
|
220
|
330
|
220
|
330
|
220
|
330
|
220
|
330
|
|
Pipe casing
|
900
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
Grouting
|
1,000
|
160
|
240
|
160
|
240
|
160
|
240
|
160
|
240
|
|
Production
|
1,300
|
4,710
|
5,400
|
2,700
|
3,390
|
2,030
|
2,720
|
1,690
|
2,380
|
|
Labor
|
1,300
|
100
|
150
|
100
|
150
|
100
|
150
|
100
|
150
|
|
Cost per unit
|
11,500
|
5,190
|
6,120
|
3,180
|
4,110
|
2,510
|
3,440
|
2,170
|
3,100
|
Table 6. Required number of GHX for the simulation model
|
|
Closed-Loop(1)
|
Unit-type
|
|
Case 1-1
|
Case 2-1
|
Case 1-2
|
Case 2-2
|
Case 1-3
|
Case 2-3
|
Case 1-4
|
Case 2-4
|
|
HER(W/m)
|
45.58
|
8.57
|
7.31
|
7.30
|
6.03
|
6.70
|
5.42
|
6.35
|
5.12
|
|
Length of pipe(m) (Depth of borehole)
|
150
|
300
|
600
|
300
|
600
|
300
|
600
|
300
|
600
|
|
Total HER(W)
|
6,837
|
2,571
|
4,384
|
2,190
|
3,616
|
2,011
|
3,251
|
1,906
|
3,071
|
|
Required number
|
2.00
|
5.16
|
3.04
|
6.08
|
3.68
|
6.60
|
4.08
|
6.96
|
4.32
|
Fig. 6은 지중열교환기별 대상 건물의 초기투자비용을 나타내는 그래프이다. 수직밀폐형의 초기투자비용은 27,690천 원, 가장 저렴한 기존 공조시스템은 수직밀폐형의
37% 수준인 10,230천 원으로 나타났다. 유닛형은 Case 1-1을 제외하고 수직밀폐형 대비 평균 25%의 초기투자비용 절감이 가능하였다. 또한,
설치 심도가 깊어짐에 따라 평균적으로 16% 저렴하였으며, 직렬 파이프의 길이가 증가할수록 제작비 감소로 인하여 초기투자비용이 저렴한 것으로 나타났다.
Fig. 6. Initial investment costs.
4.3 연간운전비용 산정
정부는 2009년부터 신재생에너지의 주택보급 활성화를 위해 지열 냉·난방 전기요금에 대하여 누진제 대신 일반용 전기요금을 적용하도록 하였다. 따라서
지열 냉·난방 요금은 일반용 전기요금, 기존 공조시스템의 냉방요금은 누진제를 적용하여 산정하였다. 운전비용 산출을 위해 지열 히트펌프 COP는 히트펌프
성능곡선
(15)과 순환수의 평균 출수온도를 이용하여 산정하였으며, 공기열원시스템은 2.5로 가정하였다. 유닛형의 냉방 성능 분석은 실시할 예정으로, 냉방 COP는
난방 COP와 동일한 것으로 가정하였다. 또한 기존 공조시스템의 난방 요금 산정을 위해 K사 가정용 기름보일러를 선정하여 84%의 난방 효율을 적용하였으며,
경유 가격은 2017년 11월 3주차 주간 국내 유가동향을 참고하였다.
Table 7은 이를 바탕으로 각 시스템의 연간운전비용을 나타내는 표이다. 기존 공조시스템의 연간운전비용은 1,325천 원으로 가장 높게 나타났으며, 지열 히트펌프
시스템은 히트펌프 COP가 높을수록 연간운전비용이 저렴한 것으로 나타났다. 히트펌프 COP가 가장 우수한 수직밀폐형의 연간운전비용은 408천 원으로
가장 저렴하였으며, 기존 공조시스템보다 916천 원 저렴한 것으로 나타났다. 히트펌프 COP가 비슷한 수준으로 산출된 유닛형의 연간운전비용은 422~424천
원으로 나타났다.
Table 7. Annual operation cost
|
|
Conventional system
|
Closed-Loop
|
Unit-type
|
|
Case 1-1
|
Case 2-1
|
Case 1-2
|
Case 2-2
|
Case 1-3
|
Case 2-3
|
Case 1-4
|
Case 2-4
|
|
Heat pump COP
|
2.500
|
4.271
|
3.890
|
3.892
|
3.892
|
3.896
|
3.895
|
3.900
|
3.897
|
3.904
|
|
Annual operation cost(1,000 won)
|
1,325
|
408
|
424
|
423
|
423
|
423
|
423
|
423
|
423
|
422
|
4.4 도입 타당성 분석 결과
본 연구에서는 기존 공조시스템 대비 초기투자비용 회수기간을 경제성 분석의 지표로 활용하여 건물 직하 유닛형 지중열교환기의 도입 타당성을 검토하였다.
경제성 분석 결과, 각 시스템의 초기투자비용 회수기간은
Table 8과 같이 산출되었다. 소규모 건축물에서의 경제성은 유닛형이 수직밀폐형보다 우수한 것으로 확인되었다. 이는 수직밀폐형과 유닛형의 연간운전비용은 비슷한
수준이지만 유닛형이 평균 25% 낮은 초기투자비용으로 설치가 가능하였기 때문이다. 따라서
Fig. 7에서 지열히트펌프 시스템의 그래프 기울기와 양상은 유사하였으며, 경제성에 가장 큰 영향을 주는 요소는 초기투자비용으로 나타났다.
Table 8. Payback period of initial investment cost compared to the conventional system
|
|
Closed-Loop
|
Unit-type
|
|
Case 1-1
|
Case 2-1
|
Case 1-2
|
Case 2-2
|
Case 1-3
|
Case 2-3
|
Case 1-4
|
Case 2-4
|
|
Payback period(year)
|
14
|
19
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
9
|
Fig. 7. Results of the feasibility study.
초기투자비용 회수기간은 수직밀폐형과 유닛형이 각각 14년과 9~19년으로 분석되었으며, Case 1-1을 제외한 유닛형은 수직밀폐형보다 초기투자비용
회수가 더 빠른 것으로 나타났다. 또한, 유닛형은 설치 심도와 직렬 파이프의 길이가 증가할수록 단위길이 당 채열량은 감소하지만, 파이프의 접합개소,
연결재료 비용 등의 초기설치비용이 상대적으로 낮아 경제성이 우수한 것으로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 지열히트펌프 시스템의 초기투자비용 절감이 가능한 건물 직하 유닛형 지중열교환기의 채열 성능을 예측하고, 도입 타당성을 검토하고자 수직밀폐형과
건물 직하 유닛형 지중열교환기의 경제성 분석을 수행하였다. 도입 타당성 검토를 위해 기존 공조시스템 대비 초기투자비용 회수기간을 경제성 분석의 지표로
활용하였으며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 유닛형의 채열 성능은 심도 4 m에서 12.27 W/m~9.10 W/m로 나타났으며, 심도 6 m에서 10.46 W/m~7.33 W/m로 나타나
평균 18%의 차이를 나타냈다. 또한, 직렬 파이프가 증가할수록 단위길이 당 채열 성능은 감소하고 순환수의 평균 출수온도는 상승하였다. Case 1-1은
토양 조건에 따라 화강암에서 가장 높은 채열 성능을 나타냈으며, 모래의 조건에서 화강암의 69.85% 수준인 8.57 W/m의 채열 성능을 나타냈다.
(2) 수직밀폐형과 기존 공조시스템의 초기투자비용은 각각 27,690천 원, 10,230천 원으로 산출되었다. 유닛형은 Case 1-1을 제외하고
수직밀폐형 대비 평균 25%의 초기투자비용 절감이 가능하였으며, 설치 심도가 6 m일 때 4 m에서보다 평균 16% 저렴한 것으로 나타났다.
(3) 기존 공조시스템과 수직밀폐형, 유닛형의 연간운전비용은 각각 1,325천 원, 408천 원, 422~424천 원으로 산출되었다. 지열 히트펌프
시스템의 연간운전비용은 비슷한 수준이며, 기존 공조시스템보다 평균 68% 저렴한 것으로 나타났다.
(4) 도입 타당성 분석 결과, 수직밀폐형과 유닛형(Case 2~4)의 초기투자비용 회수기간은 각각 14년과 9년으로 나타나, 소규모 건축물에서의
건물 직하 유닛형 지중열교환기의 경제성을 확인하였다. 또한, 건물 직하 축열기능을 활용하여 건물 폐열을 저장하는 운전을 한다면 더 높은 경제성이 확보될
것으로 기대된다.
후 기
이 논문은 2017년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2015R1D1A3A01020132).
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