단일심정 지열히트펌프 시스템의 수치적 모델 개발과 영향 인자별 민감도 분석

Abstract

지열은 고효율 신재생에너지로 각광을 받고 있으며 건축물의 냉난방 설비 시스템으로 활용이 점차 확산되고 있다. 이중 지하수 열원 히트펌프인 단일심정(SCW, Standing Column Well)은 에너지 효율, 설치공사비용 및 설치면적 등이 우수하여 여러 가지 측면에서 실용화에 가장 근접한 지열 히트펌프 시스템이며 현재 해외에서 활용실적이 크게 증가하고 있는 추세이다. 국내는 지하수가 풍부하고 지하수위가 높으며 기반암층 심도가 낮아 SCW를 적용하기에 이상적임에도 불구하고 SCW 관련된 활용 및 연구 실적이 제한적이며 설계기준이 아직 정립되지 않았다. 또한 국내에는 아직 SCW의 성능을 평가할 수 있는 수치해석 모델이 없으며 국내 자료를 적용한 수치해석이 수행된바 없다. 본 연구에서는 정밀한 SCW 수치적 모델을 구축• 검증하였으며 이를 이용한 매개변수 연구를 수행하여 SCW 성능에 영향을 미치는 변수를 규명하였다. 나아가 고급 수치해석을 수행하여 SCW 시공 및 운영에 따른 안정성을 평가하였다. 최종적으로 연구결과를 기반으로 SCW 설계 가이드라인을 제시하였다. 본 연구에서 구축된 수치해석 모델을 미국과 국내에서 계측된 데이터와 비교하여 정확성을 검증한 결과, 수치모델은 매우 정밀하며 SCW의 거동을 정확하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다. SCW 수치모델은 포괄적인 매개변수 해석과 지반과 심정 내 온도변화 예측에 적용되었다. 매개변수연구 결과 SCW 성능에 중요한 영향을 미치는 변수는 열전도도, 수리전도도, 지열경사, 유량, 심정심도, 블리딩율인 것으로 나타났다.