수평 매트형 지중 열교환기의 난방기 열성능 분석 (Thermal Performance Analysis of the Horizontal Mat-Type Ground Heat Exchanger in Heating Season)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 36권 / 12호 / 577 ~ 585페이지
· 저자명 : 이상하, 이태하, 장휴산, 김찬규, 백승효, 여명석

초록

본 연구는 수평 매트형 GHE을 제안하고 난방 시기 열적 성능을 평가하였다. 먼저, 수평 매트형 GHE의 실질적인 성능을 평가하기 위해 토양 열물성치의 검증을 진행하였으며, 이를 바탕으로 GHE의 검증을 진행하고 검증 모델을 토대로 다양한 매설 깊이와 인입 열매 온도 조건에서 Parametric simulation을 수행하였다. 이를 통해 수평 매트형 GHE의 조건별 성능을 평가하고자 하였다.
(1) 기존 수평형 GHE는 주로 직선형 배관, Slinky 또는 Spiral과 같은 배관 배열 방식을 사용하고 있지만 용량 대비 대지 면적이 많이 필요하다는 문제가 있다. 이에 비해, 모세유관 기반의 수평 매트형 GHE는 넓은 열교환 면적으로 성능 향상을 기대할 수 있으며 이로 인해 필요 대지 면적을 감소시켜 대지면적 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되어 효과적인 대안으로 제안하였다.
(2) 수평 매트형 GHE의 검증을 위해 먼저 토양의 열물성치를 추정하고, 이를 바탕으로 TRNSYS 18을 사용하여 해석 모델 구축하였다. 토양 모델의 정확성을 검증한 결과, 평균 2 값은 0.98로 높은 신뢰성을 보였다. 또한 GHE의 검증에서는 출입구 온도를 기준으로 한 시뮬레이션 결과와의 비교에서 상대 오차가 최대 5% 이내로 나타났다. 이를 통해 TRNSYS 18 기반의 해석 모델이 수평 매트형 GHE 모델이 실제 성능을 적절히 모사할 수 있음을 확인하였다.
(3) 검증된 모델을 기반으로 매설 깊이와 인입 열매의 온도를 변화시켜 Parametric simulation을 수행하였다. 최대 GHE의 피크 열교환량은 인입 열매 온도 3℃, 매설 깊이 7.5 m case에서 143.04 W/m²로 나타났으며, 모든 case에서 열교환량이 12시간 이후에는 피크 열교환량에서 약 58% 감소하는 경향을 보였으며, 매설 깊이가 이보다 더 깊어질수록 지중온도는 소폭 하락하여 열교환량은 피크 값에 비해 1.63%~3.33% 감소하였다.
(4) 기존 연구에 따르면, Slinky와 Spiral 타입의 수평형 GHE의 면적당 열교환량은 약 50 W/m² 로 보고되었다. 본 연구에서는 4.5 m 깊이에서 인입 열매 온도에 상관없이 50 W/m²을 초과하였지만, 연구 간 조건이 상이하므로, 이러한 결과는 다양한 변수에 따라 달라질 수 있음을 고려해야한다.


본 연구를 통해 단기간의 수평 매트형 GHE의 피크 열교환량 및 성능 저하를 확인하였다. 또한, 지중온도가 GHE의 열적 성능에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. 토양의 조건에 따라 최적의 설치 조건이 달라지므로 토양의 물성치를 통한 온도 분포를 정확히 파악하는 것이 중요하다. 그러나 이번 연구에서는 약 10시간 정도의 GHE의 단기적인 열적 성능만 검증되었기 때문에, 향후 장기 운영 시 열성능 평가를 위한 추가 연구가 필요하며, 장기적인 운영에서의 열 회복력과 지중온도 변화 등을 고려한 구체적인 분석이 필요하다. 그리고 히트펌프와 연결된 전체 시스템 단위에서의 성능 검증, 건물의 쾌적성 평가, 모세유관으로 인한 펌프의 에너지 소비와 토양의 열 회복력 등 다양한 측면에 대한 추가 연구가 필요하다.

영어초록

This study analyzed thermal performance of a horizontal mat-type ground heat exchanger (GHE) using capillary tubes through numerical simulations with TRNSYS 18. Although horizontal GHEs are cost-effective alternatives to vertical systems, they typically exhibit lower thermal performances and require more installation space. In consideration of these challenges, this research examined effects of installation depth and inlet fluid temperature on heat exchange efficiency. The TRNSYS 18 model validated against experimental data showed a high accuracy with relative errors between 2% and 5%. Simulations indicated that an increase in installation depth generally resulted in an improvement in heat exchange. However, this improvement stabilized beyond an optimal depth of approximately 7.5 m. In particular, an increase in depth from 1.5 to 4.5 m resulted in a 30% enhancement in heat exchange rate. The maximum performance was recorded at a depth of 7.5 m, with a slight decline of 1.63% to 3.33% observed at 10 m. It was found that higher inlet fluid temperatures reduced heat exchange efficiency due to a diminished temperature differential with the ground. This study concludes that a depth of approximately 4.5 m is needed to achieve a thermal exchange rate of 50 W/m², with 7.5 m providing optimal overall performance.

참고자료

· 없음