대한기계설비산업연구원(원장 이언구)은 ‘대용량 지열설비 이용을 위한 개방형 지중열교환기 용량 설계 Tool 개발’에 대한 연구보고서를 발표했다.
지열은 땅속에서 열교환 된 유체를 이용하는 것 외에는 전통적인 기계설비 냉난방시스템과 비교해 구성과 원리면에서 차이가 없지만 기존 기계설비 시스템의 보조역할로 인식하거나 정책에 따라 어쩔 수 없이 도입해야 하는 천덕꾸러기 신세를 면치 못하고 있다.
기계설비분야의 확장을 위해서라도 새로운 기술을 적극 포용하는 자세가 필요한데 기계설비산업연구원은 지열에너지 중에서 고밀도로 개발되는 우리나라 도심 상황에 맞게 지하수를 활용하는 기술을 연구했다.
연구보고서에 따르면 서울과 같이 고밀도의 개발이 이뤄지는 도시에서는 증가하는 지열시스템의 설치용량을 밀폐형 방식의 지중열교환기로 해결하는 것은 한정된 대지 여건으로 인해 점차 어려워질 것으로 예측된다.
최근 최상층의 상량식을 마친 롯데월드타워, 가락시장 현대화사업과 같은 현장은 밀폐형의 지중열교환기를 설치할 공간이 부족해 건물의 하부에 기초와 함께 지중열교환기를 설치한 바 있다. 이럴 경우 지중열교환기 공사와 토목공사와의 간섭이 발생해 공기 지연이 발생할 수 있고 간섭으로 인한 지중열교환기의 파손이 우려되기 때문에 개방형으로 공법을 전환할 필요가 있다.
수직밀폐형은 지중열교환기 설계를 위해 GLD, GchpCalc, GLHEPRO, CLGS 등 전용 설계프로그램 등을 개발, 사용하고 있지만 개방형 지중열교환기는 GLHEPRO를 변형해 사용하고 있는 실정이다. 이마저도 민간현장에서는 건물의 최대부하를 지중열교환기 용량으로 나눠 단순히 수량을 산정하는 것이 일반적으로 지중의 특성이나 건물의 특성을 반영한 설계가 이뤄지고 있지 않다.
따라서 이번 연구는 지중의 열적 특성 이론을 고려한 개방형 지중열교환기 용량 설계 Tool을 제작하는 것을 목적으로 한다. 내용은 크게 지중특성을 반영하기 위한 지중열저항 계산과 지중열부하량 산정을 위한 연간 부하계산의 두 개 주제로 이뤄졌다.
이를 위해 개방형 지중열교환기의 천공 길이와 흐름 방향에 따른 특징을 중점적으로 조사했다. ASHRAE에서 제공하는 기존 수직밀폐형의 이론을 검토해 보어홀의 열저항을 개방형으로 사용 가능하도록 수식을 변환, 지중부하에 따른 열교환기 길이를 계산할 수 있도록 했다.
또한 지중으로 연간 건물부하를 예측하는 알고리즘을 개발했으며 건물이 위치한 지역의 기상데이터, 재실자 스케줄, 연간 대 일일부하의 진폭률 등을 추가로 입력하면 정밀 시뮬레이션 결과와 유사한 형태의 계산 값을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 실제 건물의 운영 시간 및 냉난방 시즌에 따른 보다 정밀한 계산이 가능하다.
서울시 소재 업무시설을 대상으로 동적 열부하해석 프로그램을 이용한 시뮬레이션과 4차 다항함수를 이용해 계산한 결과를 비교하면 연중 부하변화뿐만 아니라 일일의 변화 패턴까지 매우 유사하게 표현할 수 있다. 동적열해석 시뮬레이션 결과와 4차 다항함수로 계산한 부하계산 결과를 월별로 집계한 것을 비교해보면 5~9월에는 최대 17% 최소 7%의 오차를 나타낸다.
이를 결합해 건물의 최대 냉난방부하 계산결과만으로 연간 건물부하를 예측하고 개방형 지중열교환기의 길이를 계산하는 Spreadsheet 형태의 프로그램을 제작했다.
동적 열해석 시뮬레이션 결과와 4차 함수를 이용한 결과를 비교할 수 있으며 △건물의 연간 부하계산결과 △냉난방 최대 부하 구분 △건물 연간부하 집계 △ 지중으로 투입되는 부하 집계 등이 그래프로 표시된다. 또한 △지중열교환기 유효 열교환 길이 △열저항값 △지중열교환기 길이 △해당 건물에 필요한 총 지중열교환기 수량 등도 계산할 수 있다.
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