기호설명

1. 연구배경 및 목적

최근, 정부는 ‘재생에너지 3020 이행계획’에 따라 2030년까지 재생에너지 설비용량을 63.8 GW까지 늘려 재생에너지 발전량 비중을 20% 까지 확대 보급하고 이를 위해 재생에너지 신규설비용량의 95% 이상을 신재생에너지로 공급하는 계획을 수립하였으며, 일부 자치단체에서는 민간 건축물에 있어서도 신재생에너지 설비를 일정 비율 도입하도록 하고 있다. 이러한 움직임에 따라 공공 및 민간 건축물에서의 신재생에너지 이용 기술에 대한 관심이 고조되고 있으며, 태양광, 지열 등의 시스템이 특히 주목받고 있다. 한편, 지열시스템은 연중 일정 온도를 유지하는 지중이나 지하수를 열교환 매체로 이용하여 건물의 냉난방 열원을 공급하는 히트펌프 이용 기술로 건물 설계 시 외관에 큰 지장이 없어 신축 건물을 중심으로 중대형 건물에 도입되어왔다. 이때 지열시스템에서 이용되는 지중열교환기는 수직형(Vertical)과 수평형(Horizontal)으로 나누어지는데, 깊은 심도의 안정된 지중온도를 이용할 수 있는 수직형이 시스템 용량 확보에서도 유리하여 널리 보급되고 있고 국내에서는 대부분이 수직형 밀폐형으로 설치되고 있다.⁽¹⁾ 하지만, 다른 신재생에너지 기술에 비해 천공비, 그라우팅비, 설치비 등 초기투자비용이 크고, 중대형 건물에서 대부분 설치되고 있으며, 소형 건물에서는 경제성이 떨어진다는 지적이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 비교적 낮은 심도로 천공하여 경제성을 높이는 저심도 수평형 열교환기가 연구되고 있다. 저심도 수평형 열교환기는 기존의 지열 시스템의 단점인 천공 비용을 줄이고 효율을 높여 소규모 건물에서도 적용 가능한 시스템이다. Fig. 1은 본 연구의 모듈형 지중열교환기의 개략도를 나타낸다.

Fig. 1 Schematic diagram of modular ground heat exchanger.

한편, 이러한 지중열교환기를 효율적으로 이용하기 위해서는 지중열교환기의 용량이나 성능을 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 지중열교환기의 성능 해석을 위해 실증 실험이나 해석적 접근이 이용되고 있다. 수직밀폐형 지중열교환기에 대한 성능 실험은 GSHP시스템이 개발된 이후로 많은 연구자들에 의해 수행되었으며, 최근에는 실제 건물을 대상으로 한 성능 실험도 많이 이루어지고 있다. Hwang과 Song⁽²⁾은 토양 내에서의 열의 이동을 정밀하게 해석하는 방법인 FEFLOW를 이용하여 지중열교환기의 형상에 따른 열 전달효율을 검토하기 위하여 파이프 내의 순환 유체와 지중과의 열전달량을 계산할 수 있는 코드를 만들어 형상에 따른 성능을 비교 검토하였다. 그 결과 연간 평균 채열량은 U-tube 방식은 약 25.5 W/m, Double U-tube 방식은 약 29 W/m, 그리고 Coaxial 방식은 약 31 W/m가 나왔다. 이에 따라 U-tube 방식을 기준으로 할 때 Double U-tube 방식은 13%, Coaxial 방식 21%로 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, Lee et al.⁽³⁾은 CFD를 이용하여 수직형 열교환기의 열거동 해석을 검토하였으며, 지중의 열확산속도 및 확산거리 등 열 유동에 대한 기본적인 특성에 근거하여 열교환 파이프의 매설 간격 및 코일 피치 등을 검토한 결과, 매설간격은 50 cm, 파이프 코일의 피치 간격은 40 cm정도가 적합할 것이라는 결론을 얻었다. 한편, Kim⁽⁴⁾과 Woo⁽⁵⁾는 2차원 및 3차원 CFD 해석과 실측 데이터와의 비교 분석을 실시하였으며 수직형 지중열교환기의 출구온도의 실측값을 예측하였다. 또한, Oh et al.⁽⁶⁾은 지열 시스템의 초기 시공비 절감을 위한 대안으로 저심도 유닛형을 개발하고 채열 성능을 예측하기 위한 시뮬레이션을 실시하여 최적화된 설계안을 제시하였다. 지중열교환 파이프의 이격 거리를 0.1 m, 0.2 m, 0.3 m로 변화시켰을 경우, 이격거리가 커질수록 단위 길이 채열량은 증가하며 최대 57% 차이가 발생하여 전체 채열량의 관점에서 보면, 0.1 m가 1414.80 W으로 가장 큰 용량을 가질 수 있었다. 그리고 지중열교환 파이프 이격거리의 차이가 지중열교환기 사이 간격의 차이보다 채열량이 더 큰 영향을 미침을 확인했다. 더욱이, Kim et al.⁽⁷⁾은 건물 직하형 모듈형 지중열교환기의 채열 성능 및 도입 타당성 분석을 위해, 지중채열량 예측 모델과 User subroutine을 이용한 해석 결과를 바탕으로 경제성 분석을 실시하였으며, 초기투자비 회수기간 산정 결과 수직밀폐형(14년)에 비해 모듈형(10년)으로 도입 가능성이 높은 것으로 확인되었다.

하지만, 이러한 저심도 모듈형 지중열교환기를 설계에 반영하기 위해서는 시스템 설계에 간편하게 적용할 수 있는 설계법이 필요하다. 기존의 수직밀폐형 설계의 경우, GLD, EED, GLHEPro 등의 설계 툴이 활용될 수 있으나 일반적인 수직 밀폐형 시스템이 아닌 비정형 지중열교환기의 경우, 형상 설계가 어렵고 지상부 열플럭스의 영향을 충분히 고려해야 하므로 채열량 예측에 어려움이 있다.

따라서, 본 연구에서는 소규모 건물에 대응 가능한 저심도 지중열교환기의 성능예측법 개발을 위한 기초 연구로서, 저심도 지중열교환기의 성능에 영향을 미치는 인자들의 영향도를 분석하기 위해 CFD를 이용한 채열 성능 예측을 실시하였다.

2. 연구방법

2.2 해석 조건

Table 1과 Table 2는 본 해석의 상세 조건이다. 해석 모델에서의 토양, 콘크리트, 지중열교환기(GHX)는 비압축적 고체로 가정하였고, 순환수는 난류 조건의 액체(물)로 설정하였다. 외기온은 -10℃에서 30℃로 변화하는 것으로 가정하였고, 순환수 입수온도는 냉방 및 난방 운전 조건에 따라 -5℃에서 40℃로 설정하였다. 또한, 지표면으로부터의 태양 복사에 의한 열취득을 최대한 배제한 상태에서의 지중채열량을 고려하기 위해, 기상청 1988년~2007년 전국 평균일사량의 월별 최저치(212.86 W/m2)를 참고하여 지표면 태양복사량(heat flux)을 200 W/m²으로 고정하고, 지중 초기온도는 16℃로 가정하였다. 해석 시간과 모델 구성을 단순화하기 위해 해석 모델의 측벽면 경계조건을 단열로 하고 반복되는 파이프 모듈을 무차원화하여 계산하였다. 본 논문에서는 외기온도 및 순환수 입수온도가 지중 온도 및 채열량에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 하였다. Fig. 2는 한 유닛 중 하나의 모듈만 빼내어 해석모델로 만든 것이다.

Fig. 2 Schematic diagram of the simulation model.

Fig. 3 Temperature distribution of base case.

3. 시뮬레이션 결과 분석

Fig. 3은 CFD 해석결과의 일부를 나타내며 외기온도 및 입수온도에 따른 열교환기 주변의 온도분포를 파악할 수 있다. 그림 왼쪽은 외기온도 0℃, 입수온도 5℃의 결과를, 그림 오른쪽은 외기온도 30℃, 입수온도 5℃의 결과를 각각 나타낸다. 입수온도가 낮을수록 많은 지중채열량을 확보할 수 있으나 장기 운전에서는 주변 지중온도 저하로 지중과 파이프내 순환수 온도차가 작아져 채열이 어려워짐을 알 수 있다.

한편, Fig. 4에 외기온도 및 입수온도에 따른 채열량 케이스 스터디 결과를 요약하여 나타내었다. Fig. 4의 해석결과는 1개의 모듈형 지중열교환기(0.7 m×0.2 m×2 m)가 연속 운전을 한다고 가정을 하고 정상상태에서 얻을 수 있는 설계치를 가정하여 산정한 결과이다. 입수온도 0℃ 외기온 -10℃에서는 3.48 W의 채열이 가능하나 입수온도 5℃로 연속운전을 할 경우는 채열이 불가능함을 알 수 있다.

Fig. 4 Heat exchange rate according to difference between inlet temperature and outlet temperature.

Table 3의 외기온도 0℃, 입수온도 5℃ 조건을 기준케이스로 가정하였을 시의 상대적 채열량을 나타낸다. 이를 통해 각 케이스의 외기온도 조건과 입수온도 조건이 채열량에 미치는 영향을 정량적으로 파악할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 소규모 건축물에서의 지열시스템 도입 활성화를 위해 모듈러 지중열교환기를 제안하고 CFD 해석을 통한 설계 인자 영향도 분석을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 저심도 모듈러 지중열교환기는 일반적인 수직밀폐형 지중열교환기에 비해 낮은 심도에서 채열 및 방열을 하므로 외기온의 변화에 따른 열원 온도 변화가 상대적으로 크며 파이프 단위 길이당 채열량 또한 낮다.

(2) 난방의 경우, 외기온도 10℃, 입수온도 0℃의 조건에서 10.87 W/m의 연속 채열이 가능하며, 평균 입수온도가 낮을수록 외기온도가 높을수록 더 많은 지중에서의 채열이 가능함을 확인하였다.

(3) 외기온도가 0℃ 이하인 경우, 지중으로부터의 채열은 연속적으로 어려울 수 있으나, 지중온도 회복 여부에 따라 채열 성능이 개선될 수 있는 만큼 향후 비정상 계산을 통한 재검토가 필요하다.

본 논문에서는 모듈형 지중열교환기의 성능과 설계 인자에 대한 상호 관계성을 확인하기 위해 정상상태 해석을 수행하였으나, 운전 시간이나 지중온도 회복에 대한 영향을 고려하지 못한 한계점이 있다. 향후, 외기온의 변화, 운전시간 변화 등을 고려한 비정상 계산을 수행하여 보다 정확한 결과를 도출할 예정이다. 또한, 실증 실험 및 시뮬레이션 정확도 검증을 실시함과 동시에 저심도 모듈형 지중열교환기의 간이 설계를 위한 모델식을 개발하여 실제 설계에 활용할 계획이다.