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기계설비산업硏, 개방형 지중열교환기 설계 Tool 개발

해당 건물 필요한 열교환기 길이 및 수량 예측 가능

대한기계설비산업연구원(원장 이언구, KRIMFI: Korea Research Institute of Mechanical Facilities Industry)대용량 지열설비 이용을 위한 개방형 지중열교환기 용량 설계 Tool 개발에 대한 연구보고서를 발표, 손쉽게 연간 건물부하를 예측하고 개방형 지중열교환기의 길이를 계산하는 Tool을 공개했다.

 

2004년 이후 국내에는 총 11개의 신재생에너지가 지정됐고 지금까지 그 틀이 유지되고 있다. 그중 건물에 직접 이용 가능하고 계절과 기상 조건에 관계없이 사용할 수 있는 에너지원은 지열이 유일하다. 또한 비싼 초기투자비에도 불구하고 저렴한 운영비로 인해 경제성을 갖추고 있고 자연에너지 활용이라는 지속 가능성으로 친환경성도 인정을 받고 있다.

 

신재생에너지관련 주요 통계자료를 보면 태양열, 태양광, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오, 폐기물, 연료전지 9가지분야를 에너지톤(toe)으로 환산한 통계에서 폐기물이 여전히 67%로 첫 번째이며, 지열에너지는 0.9%7번째에 있다. 따라서 전체적인 통계 수치만으로는 국내에서의 지열에너지 위상은 매우 낮은 것으로 평가될 수 있다.

 

그러나 지열에너지의 사용분야를 건물로 그 범위를 한정하면 상황은 달라진다특히 공공기관 설치의무화에 힘입어 건물에 직접 적용이 가능한 태양광, 태양열, 지열, 연료전지의 4가지 중에서 지열에너지는 2014년 잠재량이 80%로 단연 첫 번째고, 이 제도가 시행된 2004년 이후 누적 보급량에서도 그 비중이 78%로 가장 높다.

 

설치의무화 제도에서 지열 냉난방시스템의 선호도가 높은 이유는 지열에너지가 계절과 기상조건에 관계없이 직접적인 건물의 냉난방에 적용이 가능하고 다른 신재생에너지와 비교해 비용효율적이 때문이다.

 

미국 환경보호청(EPA: Environment Protection Agency)지열을 이용한 냉난방 방법은 현존하는 건물의 냉난방기술 중에서 에너지소비가 적고 환경친화적이며 비용효과가 가장 높은 시스템으로 규정했다. 이미 국내에서도 운영을 통한 에너지절감효과는 계속 증명이 되고 있기 때문에 지열은 지속적인 연구개발을 통해 계속 발전시켜나가야 할 분야임에는 틀림없다.

 

지열은 땅속에서 열교환 된 유체를 이용하는 것 외에는 전통적인 기계설비 냉난방시스템과 비교해 구성과 원리 면에서 차이가 없다. 하지만 기존 기계설비 시스템의 보조역할로 인식하거나 제도·정책에 따라 어쩔 수 없이 도입해야 하는 천덕꾸러기 취급을 받고 있는 것이 사실이다. 기계설비분야의 영역확장을 위해서라도 새로운 기술을 적극적으로 포용하는 자세가 필요한 실정이다.

 

건물 연간부하 손쉽게 예측

지열에너지 중에서 고밀도로 개발되는 우리나라 도심상황에 맞게 지하수를 활용하는 기술을 연구했다. 연구내용은 크게 두개의 주제로 개방형 지중열교환기 용량계산간단한 수학함수를 이용해 건물의 연간부하를 누구나 손쉽게 예측할 수 있는 방법으로 이뤄졌다.

 

지열의 가장 중요한 지중 열적, 물리적인 원리를 이해하지 않은 채 설계와 시공이 이뤄질 경우, 기존에 경험하지 못한 다른 종류의 실수를 범할 수 있기 때문에 지중특성을 고려한 설계는 필수적이다. 이번 연구를 통해 건물의 연간부하를 누구나 손쉽게 예측할 수 있는 방법을 제안하고 지열뿐만 아니라 건물의 연간 에너지계산이 필요한 전통적인 기계설비분야에서도 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대된다.

 

연구보고서에 따르면 서울과 같이 고밀도의 개발이 이뤄지는 도시에서는 증가하는 지열시스템의 설치용량을 밀폐형 방식의 지중열교환기로 해결하는 것은 한정된 대지여건으로 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 지중열 교환기 공사와 토목공사와의 간섭이 발생해 공기지연이 발생할 수 있고 지중열교환기의 파손이 우려되기 때문에 개방형으로 공법을 전환할 필요가 있다.

 

수직밀폐형은 지중열교환기 설계를 위해 GLD, GchpCalc, GLHEPRO, CLGS등 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.

 

Spreadsheet 형식, 손쉬운 사용

이번 연구는 지중의 열적 특성 이론을 고려한 개방형 지중열교환기 용량 설계 Tool을 제작하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 개방형 지중열교환기의 천공길이와 흐름방향에 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.

 

이를 이용해 샘플 건물에 적용하면 필요한 총 개방형 지중열교환기 수량, 건물부하 및 지중특성을 고려한 지중열교환기의 형식, 그리고 최대부하만으로 계산했을 때의 수량이 계산돼 합리적인 설계를 할 수 있도록 했다.

 

동적 열해석 시뮬레이션 결과와 4차 함수를 활용한 결과를 비교할 수 있으며 건물의 연간 부하계산결과 냉난방 최대 부하 구분 건물 연간부하 집계 지중으로 투입되는 부하집계 등이 그래프로 표시된다. 또한 지중열교환기 유효 열교환 길이 열저항값 지중열교환기 길이 해당 건물에 필요한 총 지중열교환기 수량 등도 계산할 수 있다.