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LOOP형 지열원 열펌프시스템 

발표자 : 박성구

목 차 

1 

지열원 열펌프시스템 개요 

2 

수직형 지열원 열펌프시스템의 설계 

3 

수직형 지열원 열펌프시스템의 시공 

4 

결론

-1 - 

1. 기술의 개요 

[1] 지열시스템의 원리 

ⅰ) 난방시 ⅱ) 냉방시 

외부의 차가운 순환유체(5℃이하)를 지중 열교환기 

를 통해 15±5℃로 가열하여 실내로 인입함으로써 

실내에서열을취득 

외부의 따뜻한 순환유체(24℃이상)를 지중 열교환기 

를 통해 15±5℃로 냉각하여 실내로 인입함으로써 

실내에서열을제거

-2 - 


[2] 지열시스템의 종류 

Closed Loop 수직형 (Ground Source) 

Closed Loop 수평형 (Ground Source) 

• 열교환기 설치면적 

축소가능 

• 중대형 건물에 적합 

• 초기시설비 과다수요 

• 열교환기 설치면적 과다 

• 소형 건물에 적합 

• 초기시설비 적절 

Closed Loop 지표수 (Surface Water) 

Open Loop 지하수 (Ground Water) 

• 설치 조건에 제약을 

받음 

• 중소형 건물에 적합 

• 초기시설비 저렴 

• 수자원 확보가 필요 

• 대형 건물에 적용가능 

• 초기시설비 가장 경제적임

-3 - 


[2] 지열시스템의 종류 [수평형] 

매설형태 : 수평형 단층구조 

흐 름 : 직 렬 

대표관경 : 40 - 50 [A] 

길 이 : 105 – 150 [m(trench)/ton] 

매설깊이 : 1.2 – 2.0 [m] 

매설형태 : 수평형 복층구조 


대표관경 : 40 - 50 [A] 

길 이 : 60 – 90 [m(trench)/ton] 

매설깊이 : 1.2 – 2.0 [m] 

매설형태 : 수평형 4층구조 

흐 름 : 병 렬 

대표관경 : 병렬 20 - 25 [A] 

헤더 40 – 50 [A] 

매설깊이 : 2 [m], 이격 : 0.3 [m]

-4 - 


[2] 지열시스템의 종류 [수직형] 

매설형태 : 수직형 단일구조 


대표관경 : 25 - 40 [A] 

길 이 : 100 – 120 [m/ton] 

매설깊이 : 1.2 – 2.0 [m] 

매설형태 : 수직형 단일구조 

흐 름 : 병 렬 

대표관경 : 20 - 32 [A] 

길 이 : 100 – 135 [m/ton] 

매설깊이 : 1.2 – 2.0 [m]

-5 - 

2. 수직형 지열원 열펌프시스템의 설계 

[1] 시스템 설계 및 시공 공정도 

부하계산 

설계 

건축물의 냉/난방 부하계산 

TC TEST, GLD 프로그램 운영 지중열교환기 설계 

지중루프 설치 

보어홀 천공 

루프 공압테스트 

그라우팅 

트랜치 작업 

분배헤더 연결 

목적 : 효과적인 열전달, 자연환경 보존 

재료 : 벤토나이트, 실리카샌드 

공압테스트 

열교환기 죠닝 

기계장비 설치 

플러싱 및 퍼징 

시스템 시운전 

냉/온수 탱크, 순환펌프, 지열히트펌프 

배관내 이물질 제거 및 공기빼기 

데이터 수집-시스템 매칭 

정상 운전


[2] 냉/난방 부하계산 

건축물의 냉 · 난방 부하계산 

-냉·난방부하계산- 

• 상용 부하계산 프로그램을 사용하여 계산수행 

• 일반조건, 실내조건, 열관류율, 실외조건 

실별자료 조건을 입력하여 계산수행 

- 부하계산 순서 - 

• 대상 건축물의 건축 도면을 분석 

• 부하계산을 위한 입력값을 입력 

• 프로그램을 실행하여 부하계산 값을 산출 

-6 -


[3] 수직형 지열 열교환기 구성요소 

구성요소 

공급/환수 헤더 

(Supply/Return 

Header) 

-지열원 열펌프와 지열 열교환기 

사이에 위치 

- 부동액(순환유체)분배 및 이송 

Loops 

- 공급헤더와 환수헤더 사이의 관군 

리버스 리턴 

(Reverse Return) 

U-Bend 

- 각 Loops내 부동액(순환유체)의 

유량 균등배분 

- 일련의 파이프 정렬방법 

- 지열 열교환기 바닥부 연결방법 

- 부동액(순환유체)의 방향을 전환함 

-7 -


[4] 지중열교환기 설계시 고려사항 

1. 지열 열교환기의 layout 결정 2. 지열 열교환기 파이프의 선정 

- 열교환기 타입 : 수직형, 수평형 

- 순환 유체의 흐름 : 직렬형, 병렬형 

- 파이프의 열전도율, 강도 

-내구성및가격고려 

3. 지열 열교환기 규모 선정 및 설계 

- 지열 열교환기 순환 유체의 최저유속 결정 

- 매설되는 파이프의 위치 결정 

- 지중의 온도결정 

- 특정 깊이에서의 연간 최고 및 최저 온도의 결정 

- 히트펌프로 유입되는 순환 유체의 최고 및 최저 온도 결정 

- 지반과 루프의 온도차를 계산 

- 토양의 저항 값 계산 

- 냉/난방 운전비율 계산 

-지열열교환기길이의계산 

-8 -

-9 - 


[4] 시스템 설계 [지중 열전달 개요] 

Fluid 

HDPE Pipe 

Heat Transfer 

Ground 

• 지중 열교환기 열전달 Factor 

1. HDPE Pipe 열전도도 

2. HDPE Pipe의 열간섭 현상 

3. Grout 재료의 열전도도 

4. 지중 지반의 열전도도 

Temp 

Tf 

Grout 

Cooling Mode 

Average Ground 

Temperature 

R 

• 지중 열교환기 성능 향상 설계방안 

1. HDPE Pipe 유동유체 열전달 효과증대 

(부동액 미첨가 방안 및 최적유속 선정) 

2. HDPE Pipe의 열간섭 저감[이격클립 사용] 

3. Grout 재료의 열전도도 향상[Silica-Sand 첨가]

-10 - 


[4] 시스템 설계 [유효 열저항 값 산정] 

Ground 

Fluid 

HDPE Pipe 

Grout 

Borehole 

Cooling Mode 

• Thermal Resistance Model 

Rt = Rpp + Rg + Rgroud 

Rt : 총합 열저항 

Rpp : 열교환기 파이프 열저항 

[Rp1, Rp2 혼합열 저항] 

Rg : 유효 그라우트 열저항 

Rground : 지중 지반의 열저항

-11 - 


[4] 시스템 설계 [유효 열저항 값 산정] 

1. Rpp = Rpipe Db : 보어홀 직경 

1 

2. Rg = 

2 

Sb Kg 

파이프 배치 

[RP1 = RP2 = Rpipe] 

β 

Db 

Sb =βo( ) 

βo 

DP.O 

β 

A(좁은간격) 20.10 -0.9447 

B(보통간격) 17.44 -0.6052 

C(넓은간격) 21.91 -0.3796 

Rpp : 열교환기 파이프 열저항 

Rg = 유효 그라우트 열저항 

Kg : 그라우트 열전도값 

Sb : 보어홀 형상계수 

DP.O : 열교환기 파이프 외경 

3. Rground = 

Ln(r/rb) 

2 πΚ 

Rground : 지중 지반의 열저항 

rb : 보어홀 반경 

r : 보어홀로부터의 이격거리

-12 - 


[4] 시스템 설계 [그라우트 재료 선정] 

보어홀 특성별 열전달 비교 

[그라우트 재료 및 파이프 이격거리] 

Grout 선정시 고려사항 

1. Grout 재료의 열전도도 

- 열교환기 성능향상 요소 

2. 투수성 

3. 팽윤성 

4. 점도 

5. 수화열 

6. 유독성 

7. 경제성 

8. 작업성


[4] 시스템 설계 [그라우트 슬러리량 계산] 

1. 단위 길이 당 보어홀 체적 계산 

(1) 보어홀 직경(D) = [m] 

(2) 지중 열교환기 파이프의 직경(D) = [m] 

그라우트 슬러리 소요량 계산 

(3) 보어홀 내 지중 열교환기 파이프 개수 (N) = (단일 U자관 파이프 N = 2, 이중 U자관 파이프 N = 4) 

(4) 보어홀 체적 = [liter/m] 

2. 보어홀 당 또는 전체 보어홀 체적 계산 

(1) 보어홀 길이() = [m] 

(2) 보어홀 개수() = 

(3) 단일 보어홀 체적() = = [liter/bore] 

(4) 전체 보어홀 체적() = = [liter] 

3. 그라우트 슬러리 소요량 계산 

(1) 그라우트 슬러리 팽윤량 (제품별) [liter/bag] 

그라우트 주입파이프 크기에 따른 그라우트 슬러리 이송유량 

그라우트 파이프 내경[Inch] 

그라우트 이송유량[l/min] 

3/4 11.4 ~ 18.9 

1 18.9 ~ 30.3 

1-1/4 30.3 ~ 75.7 

2 75.7 ~ 189.3 

-13 -

-14 - 


[4] 시스템 설계 [지중 열전도도 측정] 

In-Situ Thermal Conductivity Test 

-In-Situ TC Test 목적- 

• 지중 열전도 값을 정확하게 얻어 

시스템의 최적 설계에 적용 

• 지중 깊이에 따른 토양 물성치가 

상이함 

☞ 지중 토양 물성치의 평균값으로 설계 

In-Situ TC Test 

-In-Situ TC Test 방법– 

In-Situ TC Test 설치 

• 현장에 시추공 천공 

• In-Situ TC Test 장비설치 

• 지중 열교환기 입/출구 온도, 히터열량등 

데이터값을 측정 

• Line Source-Method 법을 사용하여 

열전도 계수값 산출

-15 - 


[4] 시스템 설계 [지중 열전도도 측정] 

지중 순환유체 온도 

-해석이론- 

• Kelvin의 Line-Source Method 적용 

- 보어홀을 무한히 긴 열원으로 가정 

- 열전달은 열원의 수직방향으로만 발생 

- 열원의 온도는 일정하게 유지됨 

온도 기울기 - 열전도도 산정수식 – 

k 

= 

Q 

( 4× 

π × Depth × slope) 

• Q : Heat Injection [W] 

• Depth : Borehole Depth [m] 

• Slope : Ave.Loop Temp vs Time [Semi-Log]

-16 - 


[4] 시스템 설계 [지중 열전도도 측정 – 광주지역 실예] 

Items 

Borehole 

Grout 

Ground Heat 

Exchanger 

Location 

Site(Gwang-ju) 

Depth[m] 215 

Diameter[m] 152 

Materials 

Bentonite-Silica Sand 

Solids[%] 24 

Type 

Materials 

Single U-Tube 

High-Density Polyethylene 

Pipe Size[mm] 30 

Thermal Conductivity[W/m℃] 0.42 

Fluid 

Water 

Power Injection[W] 2,560 

Test Duration Tine[hr] 40 

Slope 0.3318 

Ground Thermal Conductivity Value[W/m℃] 2.86

-17 - 


[4] 시스템 설계 [지중 열교환기 최적 설계 - 광주지역 계산 실예] 

GLHEPRO 설계 

항 목 

Input Data 

1. Peak Load 

Cooling 

Heating 

467,208[kcal/hr] 476,280[kcal/hr] 

Type 

Rock 

2.Ground Thermal Conductivity 

2.86 [W/m℃] 

Undisturbed Temp 

16.7 [℃] 

Diameter 

152 [mm] 

3.Borehole 

Spacing Distance 

4 [m] 

Geometry 

40 Holes [5ⅹ8; Rectangular] 

Thermal Resistance 

0.1352 [m℃/W] 

Type 

13.6% Methanol/Water 

4.Fluid Mass Flow Rate 

1,600 [lpm] 

Density 

980.1 [kg/m3] 

Material 

HDPE 

5.Loop Type SDR-11 

Diameter 

30 [mm] 

6.Results Total Borehole Depth 7,511[m] Total Number 37.6[200m/hole]

-18 - 

3. 수직형 지열원 열펌프시스템의 시공 

1) 천공작업 

2) 지중열교환기설치 

천공기 천공기 설치 천공 작업 

지중 열교환기 누수테스트 합격 인증필 열교환기 설치전 누수테스트

-19 - 


3) 그라우팅 작업 

그라우트 재료 그라우트 재료 혼합 교반작업 

그라우팅 작업 

그라우팅 작업완료 

설치 후 지중열교환기 누수테스트

-20 - 


4) 트렌치 작업 

트렌치 터파기 트렌치 터파기 트렌치 파이프 융착 

트렌치 연결사진 

트렌치 연결 후 누수테스트 

트렌치 연결 후 누수테스트

-21 - 


5) 되메우기 작업 

트렌치 연결완료 되메우기 작업 되메우기 완료 

다지기 작업 

다지기 작업 

다지기 작업 완료


6) 기계실 설비공사 

지열헤더 연결 순환펌프 설치 냉/온수 탱크 설치 

히트펌프 설치 및 장비연결 

자동제어 시스템 설치 

시스템 설치완료 

-22 -

-23 - 


7) 순환유체 유량측정 8) 소비전력 측정 9) 온도측정 및 데이터 수집 

순환유체 유량측정 전압, 전류, 역률 및 소비전력 측정 온도, 유량, 소비전력 데이터 수집


- 지열원 열펌프시스템 시공순서 및 요약 - 

천공작업 

지중열교환기 설치 전 

누수테스트 

지열루프 설치 

그라우팅 

방법 

직 경 

깊이 

목 적 

방 법 

목적 

방법 

회전드릴 비트사용, 압축공기 분사 

[Air Rotary Drilling] 

4~6 [inch] 

300 [m] 이내 

지열 열교환기 파이프의 손상여부 점검 

10[kgf/m2] 압력으로 1시간 이상 가압-압력변화 점검 

보어홀 내 U-Tube 설치 

열교환기-지반의 공간을 채워 열전달 촉진 

시추공 내 지표수 침투 방지 및 지하수 오염 방지 

지열 열교환기 고정역활 

Bottom Up 

지중열교환기 설치 후 목적 보어홀내열교환기설치후파이프손상유무점검 

누수테스트 방 법 10[kgf/m2] 압력으로 1시간 이상 가압-압력변화 점검 

트렌치 작업 

히트펌프 및 실내설비 

목 적 

방 법 

지열 열교환기 간 파이프 연결 

지중 1.5~2.0 [m] 터파기 후 지중배관 연결 

히트펌프/시스템 기기연결[일반 설비와 동일함] 

-24 -

-25 - 

4. 결 론 

열교환기 성능향상 

수직형 지열 열교환기 성능향상 방안 

부동액(순환유채) 

난류유동 형성 

열교환기 파이프 파이프 간 열간섭 효과 저감 

그라우트 재료 열전도도가 큰 재료 사용 

Re>2,500 

이격 클립사용 

Silica-Sand 혼합 

수직형 지열 열교환기 설계 입력값 범위 

보어홀 직경 

4~6[inch] 

보어홀 

보어홀 깊이 

보어홀 이격거리 

50~300[m] 

4~6[m] 

지중조건 

지중온도 

15±5 (℃) 

지중열전도도 

2.0~3.5[W/m℃] 

부동액(순환유체) 

종류 

물, 물+에탄올, 물+메탄올, 물+에틸렌글리콜, 물+프로필렌글리콜 

설계유량 

10[lpm/RT] 

종류 

고밀도 폴리에틸렌 

열교환기 파이프 

직경 

3/4~1-1/4[inch] 

루프 설치 형상 

단일형, 복합형 

보어홀 내 파이프 이격거리 

근접, 보통, 최대이격 

그라우트 

재료 

벤토나이트, 벤토나이트+실리카샌드 

열전도값 범위 

0.66 ~ 2.0 [W/m℃] 

설계 예측기간 

10년

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