수직형 지열원 냉·난방 시스템의 경제성을 고려한 인입온도(EWT)에 관한 연구

Abstract

기후변화협약 시행과 고유가 시대를 대비하기 위해 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되면서 이의 보급이 확대되고 있는 추세이다. 특히 땅속 에너지를 활용하는 지열 냉·난방 시스템은 짧은 역사에도 불구하고 경제성 및 적용이 용이하여 최근 몇 년 동안 활발히 보급되고 있는 추세이다. 지열원을 이용한 냉·난방시스템은 공기열원을 이용한 냉·난방시스템 보다 성적계수인 COP(Coefficient of Performance)가 매우 높다. 그러나 지열원을 설계한 경험이 부족한 우리나라에서는 주로 미국의 데이터 및 설계 자료에 근거하여 지중열교환기 설계를 하고 있다. 또한 미국에서 개발된 다양한 지중열교환기 설계 프로그램(GLD, GLHEPRO 등)을 이용하고 있으나 국내의 여러 시공업체들이 명확한 기준 없이 프로그램을 이용하여 지중열교환기 길이를 디자인하고 있다. 이로 인하여 지열을 이용한 냉·난방 시스템에서 약 50～60%의 시공비를 차지하는 열교환기 길이가 과대 또는 과소하게 결정될 수 있다. 이러한 문제의 원인으로는 지중열교환기 설계 프로그램에서 이용되는 EWT(지중열교환기를 통해 지열원 히트펌프로 유입되는 온도를 의미함)의 설정기준이 명확하지 않기 때문이다. Alabama대학과 Oklahoma대학에서 정한 기준은 냉·난방시 최고/최저 온도만을 기술하고 있으며 적정한 값은 설계자가 설치환경, 부하, 부하특성 특성, 경제성을 고려하여 선정하도록 되어 있다. 이에 설치비의 대부분을 차지하는 지중열교환기의 설계에 있어 경제성을 고려한 적절한 EWT를 찾는 것은 매우 중요한 과제가 아닐 수 없다. 과다한 시공, 즉 지중열교환기의 과대설계로 냉·난방 시스템의 COP가 높아지는 것은 사실이지만 실제 열교환기 과잉설계에 대한 초기투자비 증가로 오히려 장기적인 관점에서는 초기투자비를 줄이는 것이 유리할 수도 있는 것이다. 매년 100%이상 급격히 성장하고 있는 지열원 냉·난방 시스템의 활성화를 막고 있는 주된 요인은 시공비의 50～60%이상을 차지하는 지중열교환기 시공에 있으며 이를 최적으로 설계하는 방안을 도출하는 것은 지열원 냉·난방 시스템의 확대에 큰 공헌이라 할 수 있을 것이다. 본 연구는 중규모의(연면적:1,553㎡)사무소건물을 대상으로 Design Builder의 부하 시뮬레이션 프로그램을 통해 월별, 일별 부하를 구하였다. 이 부하 값을 기준으로 GLD와 GLHEPRO 프로그램을 통해 전체적으로 필요한 수직밀폐형 열교환기 길이를 EWT 변화에 따라 산정하였다. 상기의 결과값과 지열원 냉·난방시스템 설치비용을 계산한 후, 15년 동안의 사무소건물의 냉·난방 비용을 산출하여 가장 최적의 에너지비용 결과값이 나오는 EWT를 도출하였다. 15년 장기운전을 고려한 시뮬레이션 결과, EWT를 지중온도(15℃)에 가깝게 설계한 경우 COP의 향상보다는 지중열교환기의 길이에 따른 시공비가 훨씬 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있으며 가급적 지중온도에서 ΔT를 크게 설정하여 지중열교환기 길이를 짧게 설계하는 것이 유리함을 알 수 있다. 그렇다고 제조사에서 제시하는 최소운전가능 범위로 EWT를 설정하여 COP를 낮게 설계하는 것은 지열원을 이용하는 의미를 상실할 수 있으므로 공기열원 히트펌프의 COP(D (社) 공랭식 히트펌프 시뮬레이션 15년 평균) 3.76 이상으로 설계하는 것이 필요하다. 본 논문의 결과로는 중규모의 사무소건물에 대해 냉방 EWT 31℃이하, 난방 EWT 5℃이상의 값이 도출되었다.