수직밀폐형 지중열교환기 성능 향상에 관한 연구 = Study on the performance enhancement of vertical-type ground loop heat exchanger

국문 초록 (Abstract)

최근의 신‧재생 에너지 설치 의무화 사업은 공공기관이 신축하는 연면적 1,000 이상의 건축물에 대하여 총 에너지 사용량의 10% 이상을 신‧재생 에너지 설치에 투자하도록 의무화하는 제도이다. 각종 산업시설 및 생활과정에서 발생하는 폐열과 태양열, 풍력, 지열 등의 자연에너지와 같은 저급에너지를 효과적으로 이용하기 위하여 개발된 히트펌프 응용 기술의 발달은 상당한 수준에 달하고 있다. 특히 수직밀폐형 지중열교환기를 적용한 지열원 히트펌프 시스템의 보급이 급증하고 있는 추세이며 관련 연구들이 많이 수행되어지고 있다. 하지만 현재까지의 연구들은 히트펌프의 성능이나 유량 변화, 지중의 온도 변화에 따른 연구들이 주로 수행되었고 지열원 히트펌프 시스템에서 가장 큰 비중을 차지하는 지중열교환기의 길이에 관한 연구는 부족한 실정이다.

본 논문에서는 지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기 길이 변화에 영향을 주는 변수들을 선정하여 변수들에 따른 지중열교환기 길이 변화를 분석하였다. 또 지중열교환기 구성 요소별 검토를 통하여 지중열전도도 증가 방안을 검토하여 지중열교환기 길이 변화에 대한 영향도를 분석하였으며, 피크부하와 히트펌프 성능 및 유량 변화에 따른 지중열교환기의 길이 변화도 분석하였다.

지열원 히트펌프 시스템의 지중열교환기 길이 변화에 영향을 주는 변수들로 보어홀 간격, 보어홀 직경, U-tube 이격거리, EWT, 지중열전도도가 있으며 이 중에서 냉‧난방 모드를 모두 고려하면 지중열전도도가 지중열교환기의 길이 변화에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 보여지며 냉방모드에서는 EWT가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

관 내측 열전달 계수를 향상시키기 위해 HDPE 배관 내부에 나선형 돌기를 구성하였지만 지중열교환기의 길이 변화에는 큰 영향을 끼치지 않았으며 그라우트 열전도도와 토양 열전도도가 증가함에 따라 지중열교환기의 길이는 짧아지는 경향을 보였으며 비교적 영향이 크게 나타났다. 또 피크부하가 감소함에 따라 지중열교환기의 길이도 감소하였으며 히트펌프 유량이 작을수록 지중열교환기의 길이는 짧았으며 히트펌프의 성능이 좋을수록 냉방모드에서의 지중열교환기의 길이는 짧아지는 경향을 나타냈고 난방모드에서는 길어지는 경향을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• List of Table ⅰ
• List of Figure ⅱ
• Nomenclatures ⅴ
• 국 문 요 약 ⅵ
• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 지열원 히트펌프 시스템 3
• 1.2.1 지열원 히트펌프 시스템 개요 3
• 1.2.2 지열원 히트펌프 시스템 원리 9
• 1.3 연구동향 12
• 1.4 연구목적 15
• 2. 연구내용 및 연구방법 16
• 2.1 연구내용 16
• 2.2 지중열교환기 설계 변수 선정 16
• 2.3 시스템 설계 프로그램 및 주요 입력 데이터 18
• 2.3.1 건불 부하 데이터 20
• 2.3.2 히트펌프 유닛 선정 22
• 2.3.3 기타 설계 입력 데이터 24
• 3. 설계 변수의 지중열교환기 길이 영향도 분석 26
• 3.1 보어홀 간격 변화에 따른 영향 26
• 3.2 보어홀 직경 변화에 따른 영향 29
• 3.3 U-tube 이격거리 변화에 따른 영향 31
• 3.4 EWT 변화에 따른 영향 34
• 3.5 지중열전도도 변화에 따른 영향 38
• 3.6 설계 변수에 따른 영향도 40
• 4. 지중열교환기 성능 향상에 관한 연구 42
• 4.1 지중열교환기 구성 요소에 따른 지중열교환기 길이 변화 43
• 4.1.1 HDPE 배관 내부 열전달 계수 변화 영향 43
• 4.1.2 그라우트 열전도도 변화 영향 48
• 4.1.3 토양 열전도도 변화 영향 52
• 4.2 피크부하 변화에 따른 영향 56
• 4.3 히트펌프 성능 및 유량 변화에 따른 영향 59
• 5. 결 론 64
• 참고문헌 66
• ABSTRACT 71