지난 6월18일부터 20일까지 평창 알펜시아리조트에서 개최된 대한설비공학회 하계학술대회에서는 지열·수열설비전문위원회 특별세션이 진행됐다. 이번 세션을 통해 지중열교환기 기술연구 등 다양한 지열시스템 연구동향에 대한 발표가 진행됐다.

 

지열시스템 초기투자비 절감방안 모색

 

채호병 부산대학교 박사연구원은 초기투자비 절감을 위한 다층지반 열물성추정에 관한 연구를 진행했다.

 

ZEB 3등급 이상을 달성하기 위해서는 신재생에너지 활용이 필수적이다. 우리나라는 주로 태양광을 활용하고 있는 상황으로 이는 설치면적 부재로 3등급 달성의 어려움이 예상되고 있다. 이 때 다른 대안으로 떠오르는 방안은 지열시스템이다.

 

지열히트펌프는 안정적 열원온도로 타시스템과 비교 시 효율이 높지만 초기투자비가 높은 단점이 있다.

 

이에 따라 수평형 지중열교환기나 에너지파일형을 사용하는 경우도 많지만 이는 도심부 활용에 제한적이라는 단점이 있다.

 

채호병 연구원은 정확한 가이드라인이 없는 초기투자비 저감·회수방안 마련을 위해 실험을 진행했다.

 

지열히트펌프시스템 열온도는 열응답시험 통해 얻게된다. 그러나 이는 전도만 고려하게 돼 지하수 등의 영향을 반영하지 못하는 문제로 지하수 흐름 분석의 어려움이 있다.

 

이에 따라 연구진들은 순환유체의 온도분포를 깊이별로 연속적으로 측정하며 가열 중 상황과 순환정지 후 온도거동을 모두측정했으며 광센서안을 추가적으로 설치했다. 또한 기존장비구조를 유지하면서 센서만 추가로 활용해 실용성과 현장적용성을 확보했다.

 

실험검증은 일본 아키타현에서 실시했으며 총 4개의 2.4w/m·k열교환기가 설치됐다. 방식은 순환정지 후 온도회복곡선분석(RTT) 통해 영향을 파악했으며 검증은 지하수 흐름이 빠른 일본 아키타현에서 실시했다.

 

각각의 순환유체 평균값 비교 시 유사함을 확인했을 때 레이어1의 경우 초기온도와 유사한 온도를 나타냈으며 지하수 흐름이 없는 곳에는 온도가 상승하는 것을 확인하며 유사검증을 마쳤다.

 

장기운전실험을 통해 4개 히트펌프를 대상으로 지중열교환기 입출구온도조사를 진행한 결과 기존 열전도도와 유사함을 확인했다.

 

연구진들은 이후 데이터를 기반으로 시나리오들을 설정해 건물부하에 대응해 성능이 어느정도 발생하는 지를 계산했다. 이 때 COP가 3.5 이상인 경우에만 초기투자비를 계산했다.

 

LCC 분석결과 정부로부터 보조금 30%를 지원받는다고 가정했을 때 1.7년으로 빠른 회수가 가능할 것으로 나타났다.

 

채호병 부산대 회원은 “지하수 흐름층까지 열교환기를 설계했을 때 16.8%의 초기설치비 절감효과가 나타났다”라며 “공기열원히트펌프와 비교 시 운영비가 36.6% 절감되는 효과를 얻었다”고 말했다.

 

지중열교환기 파이프 위치변화에 따른 열성능·설계길이 영향분석

 

김성민 한국냉동공조시험연구원 연구원은 보어홀 내 파이프위치변화에 대해 발표했다.

 

2004년 신재생에너지 보급정책 이후 지열에너지 설비활용이 증가하며 공공·민간건물에 지열에너지설비시스템 적용이 증가하고 있다.

 

도심지에는 수직밀폐형 열교환기 설계가 제한돼 정밀하며 효율적인 설계연구의 필요성도 증가하고 있다.

 

수직밀폐형 열교환기는 암반에서 수직으로 보어홀 천공해 지중열교환기를 설치하는 것으로 파이프 내부 작동유체 순환해 암반과 열교환하는 방식으로 그라우트 충진재 통해 보어홀과 암반과의 열전달이 이뤄진다.

 

기존 설계방법은 GLD(Ground Loop Design) 프로그램으로 열펌프용량·부하운전 특성·건물부하 및 냉난방 운전특성·열펌프 운전특성·초기지중온도·지중열전도율 등 지중조건을 설계하는 방식이었다.

 

이는 파이프위치를 평균간격으로만 적용할 경우 다양한 현장특성을 반영하기 어렵다는 한계가 있다.

 

이에 따라 연구진들은 보어홀 내 파이프 위치변화가 지중열교환기의 열성능 및 설계길이 영향을 확인했다.

 

동일위치에 지중열교환기 2공을 각각 벽에 붙인 방식과 보통간격으로 설치해 동일조건에서 GLD 분석을 실시했다. 이 때 지중열교환기간의 영향이 없도록 시험공간격을 10m로 설치했다.

벽에붙인 방식에는 간격유지클립이 활용된다. 이는 지중열교환기 설치 시 파이프를 보어홀 벽면에 고정하는 부자재로 보어홀 내 파이프 위치를 일관되게 유지되도록 돕는 역할을 한다.

 

시험방식은 지중열교환기를 연결해 순환펌프로 1시간 순환해 초기지중온도 측정한 이후 48시간동안 일정열량을 공급해 지중열전도율을 산출하는 방식으로 진행했다.

 

시험조건 및 방법은 신재생에너지 설비 지원 등에관한 지침 등을 참고했으며 로그시간에 따른 온도기울기를 확인했다.

 

시험결과 초기 지중온도는 16.7℃로 두 방식 모두 동일했으며 단위길이당 60.5w로 열량 투입 종료 후 평균 순환수온도는 간격유지클립을 활용했을 때 0.94℃ 감소했다.

 

지중열전도율은 2.88W로 일반대비 2.9% 증가했으며 부하를 13kW로 동일하게 설정했을 때 벽에붙임 182m, 보통간격 206m으로 12.5% 감소했다.

 

동일한 부하설계를 바탕으로 지중열교환기 설계길이는 벽면붙임이 182.3m, 보통간격이 206.1m로 설계돼 벽면붙임 방식이 보통간격보다 11.5%의 설계길이 감소효과를 나타냈다.

 

김민성 연구원은 “수직밀폐형 지중열교환기에 간격유지클립을 적용할 경우 보어홀 전열저항이 낮아져 설계길이를 감소시킨다”라며 “수직밀폐형 지중열교환기의 보어홀 내 파이프 위치가 지중열교환기 설계길이 변화에 영향을 미치므로 주로 설계인자로 고려해야 할 것으로 판단한다”고 말했다.

지열시스템 내 엑서지분석사례 공유

박수현 전남대학교 석사과정생은 지열교환기 엑서지분석결과를 공유했다.

 

에너지분석은 에너지양적은 고려가능하지만 질적 품질 고려못한다는 한계가 있따. 이에 따라 시스템 성능향상을 위해 어느요소를 어떻게 개선해야할지 설명할 수 없다.

 

엑서지 분석법은 에너지의 질적측면을 고려한 방식으로 △열역학 제1법칙 △열역학 제2법칙 △기준상태 등을 고려한 것을 말한다.

 

엑서지란 유용한 일을 할 수 있는 에너지 질적상태 고려한 시스템 분석법으로 외기온도를 기준으로 온엑서지와 냉엑서지로 구분된다.

 

연구진들은 그라운드에 묻힌 지열교환기와 토양이 있는 부분에 대한 엑서지 분석을 실시했다.

 

지열교환기 분석을 위한 필수고려사항은 시간경과에 따라 변화하는 토양 열저항이다. 이 때 지열교환기 유체가 움직일 수 있도록 추가적으로 보어홀 값과 토양사이 시간에 따른 토양열저항을 고려해야 한다.

 

연구진들은 엑서지 분석을 통해 질적손실을 정량화하며 시스템의 실질적인 비효율을 진단해 개선방안을 도출하는 것으로 기존 열저항 분석 시 이뤄지지 않았던 토양열저항 분석을 실시하고자 했다.

 

환경온도 30℃ 토양온도 15℃ 냉방운전 가정을 가정해 시스템별 엑서지 수지식을 작성해 엑서지 소비량이 이뤄진 부분을 확인했다.

 

시간경과에 따른 토양의 엑서지흐름분석결과 토양으로부터 발생한 냉엑서지는 일정하게 유지되지만 엑서지출력은 점차 감소했다.

 

이는 토양온도가 일정해 토양에서 제공하는 냉엑서지는 유지되지만 시간에 따라 토양열저항이 증가함에 따라 엑서지소비 증가가 이뤄지기 때문인 것으로 파악된다.

 

냉엑서지 추출을 위해 가동되는 펌프의 투입 엑서지를 기준으로 추출비율을 산정한 결과에서도 시간이 지남에 따라 냉엑서지 출력효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

 

박수현 전남대 석사과정생은 “시간이 지남에 따라 토양열저항이 증가해 엑서지소비 증가하고 결과적으로 지열교환기에서 출력되는 냉엑서지가 점차 감소했다”라며 “정유량 조건하에 동일한 펌프투입전력대비 출력되는 엑서지값지속감소함을 확인했으며 시간경과에 따라 펌프투입전력대비 냉엑서지 출력효율성 점차 저하되는 것을 알 수 있었다”라고 말했다.