KR20160028283A - 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법 - Google Patents

코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

코일형 에너지 파일의 지반-속채움재-열교환기의 열거동특성을 반영한 지열냉난방시스템을 설계하도록 한 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법이 제시된다. 제시된 코일형 에너지 파일 설계 장치는 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대한 유효 열저항값을 산출하고, 가정한 코일형 에너지 파일들의 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토하고, 가정한 코일형 에너지 파일의 길이를 건물파일 길이와 비교하여 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단하고, 설계 완료로 판단하면 최종 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이를 설정한다.

Description

코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DESIGNING COILED ENERGY FILE}
본 발명은 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일형 에너지 파일이 적용되는 지열냉난방시스템을 설계하는 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법에 대한 것이다.
지열에너지는 지하의 마그마나 태양에너지를 지반이 저장하고 있는 에너지로 약 200m 이내의 비교적 낮은 심도의 일정한 온도(대략 10 ~ 15도)를 이용하는 것으로 여름철에는 냉방원(cooling source)으로 겨울철에는 난방원(heating source)으로 이용하는 방법으로 효율이 약 3.5 이상으로 매우 좋은 시스템이다.
하지만, 지열에너지를 위한 설비에서 냉난방 설비(덕트, 배관)의 비율이 대략 20% 정도이고, 히트 펌프(즉, 히트 펌프, 순환 펌프)의 비율이 대략 30% 정도이고, 지중열교환기(즉, 보어 홀, 파이프)의 비율이 대략 50% 정도를 차지한다.
이때, 지열에너지 설비는 지중열교환을 담당하는 지중열교환기의 비율이 대략 50% 정도를 차지하여 보급에 어려움을 겪고 있다. 이에, 지중열교환기 설치비용 절감을 위한 에너지 파일 시스템이 개발되었다.
에너지 파일은 구조지반 안정성 확보 및 지열에너지 활용이 동시에 가능한 파일로, 구조용 중고파일(PHC)내부에 지중열교환용 파이프를 삽입하고, 이를 통해서 물을 흘려 지열교환을 수행하는 시스템이다.
지열냉난방시스템 설계는 일반적으로 건물의 냉난방 부하산정 이후 이에 적합한 장비산정 및 열교환기를 설계하게 된다. 일반적인 설계 순서는 건물의 냉난방 부하산정, 설비사양, 운전조건설정, 지반 및 재료 열특성 설정 이후 지반, 열교환기, 속채움간의 장단기 열교환 해석을 수행하고, 이를 통하여 건물의 소요 열교환기 길이를 산정하게 된다.
이때, 지반-열교환기-속채움간의 열교환해석은 열교환기 형태에 상이한 거동특성을 보인다. 하지만, 종래의 지열냉난방시스템 설계에서는 에너지 파일에 대한 지반-열교환기-속채움간의 열교환해석이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 상용으로 개발된 프로그램들은 대부분이 수직형 열교환기(도 1 참조)에 대한 것으로 에너지 파일에 대해서는 설계가 불가능하고, 에너지 파일용으로 개발된 프로그램들도 국내에서 사용하는 코일형 에너지 파일(도 2 참조)에 대해서는 설계가 불가능하여 이를 통하여 장단기적인 열거동특성을 예측이 불가능한 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0941731호(명칭: 지중열 교환시스템 및 그의 시공방법) 한국등록특허 제10-0967179호(명칭: 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치 방법)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 코일형 에너지 파일의 지반-속채움재-열교환기의 열거동특성을 반영한 지열냉난방시스템을 설계하도록 한 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 장치는, 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 설계 가정부; 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대한 유효 열저항값을 산출하는 유효 열저항값 산 정부; 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일들의 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토하는 장기 지중온도 증가효과 검토부; 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일의 길이를 산출하는 코일형 에너지 파일 길이 산출부; 코일형 에너지 파일 길이 산출부에서 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 건물파일 길이와 비교하여 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단하는 판단부; 및 판단부에서 설계 완료로 판단하면 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이 산출부에서 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 최종 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이로 설정하는 제어부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법은, 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 단계; 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대한 유효 열저항값을 산출하는 단계; 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 가정한 코일형 에너지 파일들의 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토하는 단계; 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 가정한 코일형 에너지 파일의 길이를 산출하는 단계; 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 건물파일 길이와 비교하여 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단하는 단계; 및 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 판단하는 단계에서 설계 완료로 판단하면 가정한 코일형 에너지 파일의 갯수 및 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 최종 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이로 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법은 지반-속채움재-열교환기의 열거동특성을 반영한 코일형 에너지 파일을 설계할 수 있는 효과가 있다.
또한, 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법은 기존의 건물의 냉난방시스템(전기히트펌프) 및 일반적인 지열시스템(수직밀폐형)과 장기 경제성 평가를 수행한 결과 에너지 파일시스템은 전기히트펌프에 비해서 효율상승으로 장기적으로 유지관리비 절감을 통한 경제성을 확보할 수 있고, 기존 지열시스템에 비해서는 초기 공사비 절감으로 경제성 우위를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 지열에너지를 이용하기 위한 종래의 설비 설계 기술을 설명하기 위한 도면.
도 3 및 도 4는 일반적인 지열시스템과 코일형 에너지 파일 시스템의 열전달 거동 특성을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 장치를 설명하기 위한 블록도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 7 및 도 8은 지열에너지를 이용하기 위한 종래의 설비 설계 방법과 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법을 비교 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3 및 도 4는 일반적인 지열시스템과 코일형 에너지 파일 시스템의 열전달 거동 특성을 설명하기 위한 도면이다.
일반적인 지열시스템은 수직 형태의 지중열교환기로 구성되며(도 3 참조), 코일형 에너지 파일 시스템은 지중에서 열교환을 수행하는 플라스틱 파이프의 길이 및 직경이 직선이 아닌 코일형으로 구성(도 4 참조)되어 있다. 그에 따라, 코일형 에너지 파일 시스템은 종래의 지열시스템에 비해서 열전달 면적이 대략 8배 정도 증가하며, 장단기적으로 열교환기 주변매체(지반, 속채움재 등)와의 열교환 특성 및 지중온도변화는 상이하게 된다.
따라서, 기존의 설계순서 및 방법을 사용시 정확한 에너지 파일 시스템의 거동을 산정하기 어렵다. 이에 본 발명의 실시예에서는 기존의 방법을 개선한 코일형 에너지 파일 시스템의 설계 알고리즘 및 방법을 제안한다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 코일형 에너지 파일 열저항, 코일열교환기 열교환 분석, 지반(풍화토층) 열전도도, 파일배치(간격, 배치형태) 및 장기성능평가를 위한 알고리즘 및 설계시스템을 제시한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 냉난방 부하산정부(105), 지중온도 수집부(110), 설비사양 선정부(115), 토양열전도도 수집부(120), 열저항값 산출부(125), 설계 가정부(130), 유효 열저항값 산정부(135), 장기 지중온도 증가효과 검토부(140), 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145), 판단부(150), 제어부(155)를 포함하여 구성된다.
냉난방 부하산정부(105)는 건물의 냉난방 부하를 산정한다. 즉, 냉난방 부하산정부(105)는 코일형 에너지 파일이 설치될 건물의 냉난방 부하를 산정한다.
지중온도 수집부(110)는 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 지중온도를 수집한다. 이때, 지중온도 수집부(110)는 센서를 이용하여 직접 해당 지역의 지중온도를 측정하거나, 미리 측정된 지중온도들의 평균값을 지중온도로 수집한다.
설비사양 선정부(115)는 냉난방 부하산정부(105)에서 산정한 건물의 냉난방 부하 및 지중온도 수집부(110)에서 수집한 지중온도를 근거로 설비사양을 선정한다. 즉, 설비사양 선정부(115)는 건물의 냉난방 부하 및 지중온도를 근거로 설치될 코일형 에너지 파일의 설비사양을 선정한다.
토양열전도도 수집부(120)는 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 토양열전도도를 수집한다. 이때, 토양열전도도 수집부(120)는 해당 지역에 대한 현장 시험을 통해 토양열전도도를 직접 측정하거나, 하기의 수학식 1에 기재된 열전도도 예측식을 이용하여 산출한 열전도도를 토양열전도도로 수집한다.
Figure pat00001
여기서, λ는 코일형 에너지 파일이 설치된 지역 지반의 토양열전도도(W/mK)이고, rd는 코일형 에너지 파일이 설치된 지역 지반의 건조단위중량(㎏/㎥)이고, Sr은 코일형 에너지 파일이 설치된 지역 지반의 포화도(%)이다.
열저항값 산출부(125)는 설비사양 선정부(115)에서 선정된 설비 사양에 해당하는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출한다. 이때, 열저항값 산출부(125)는 PHC 파일, 속채움 및 열교환기를 포함하는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하기 위해 3차원 유한요소 열해석이 가능한 프로그램(Abaqus, Comsol 등)을 이용한다. 열저항값 산출부(125)는 프로그램을 통해 순환수 유체 흐름 해석이 가능한 수치해석을 통해 순환수의 평균 온도 및 보어 홀의 벽면 온도를 산출한다. 열저항값 산출부(125)는 산출한 순환수의 평균 온도 및 보어 홀의 벽면 온도와 단위 길이당 열 전달을 이용하여 열저항값을 산출한다. 이를 수학식으로 표현하면 하기의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00002
여기서, Rb는 코일형 에너지 파일의 열저항값이고, Tf는 순환수의 평균 온도(℃)이고, Tb는 보어 홀의 벽면 온도(℃)이고, ql은 단위 길이당 열 전달(W/m)이다.
열저항값 산출부(125)는 상술한 수학식 2를 통해 산출한 코일형 에너지 파일의 열저항값을 저장하여 데이터베이스를 확보하고, 이를 근거로 보간법을 이용한 간편 코일형 에너지 파일의 열저항값 산출식(즉, 하기의 수학식 3)을 통해 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출한다.
Figure pat00003
여기서, Rb는 코일형 에너지 파일의 열저항값이고, Dg는 코일형 에너지 파일의 내경(m)이고, pitch는 코일 피치(m)이다. β0 및 β1은 보간법을 이용한 코일 피치에 따른 코일형 에너지 파일의 열저항값에 대한 계수로 각각 0.115, -0.472이다.
설계 가정부(130)는 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정한다. 즉, 설계 가정부(130)는 대상 지역의 토양열전도도 및 코일형 에너지 파일의 열저항값을 근거로 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정한다. 이때, 설계 가정부(130)는 제어부(155)의 재설정 요청을 수신하면 대상 지역의 토양열전도도 및 코일형 에너지 파일의 열저항값을 근거로 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 재설정한다.
유효 열저항값 산정부(135)는 설계 가정부(130)에서 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대해 유효 열저항값을 산출한다. 즉, 유효 열저항값 산정부(135)는 단일 말뚝 열교환 해석해를 근거로 단일 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산정한다. 여기서, 유효 열저항값 산정부(135)는 코일형 열교환기 해석해(즉, 하기의 수학식 4)를 이용하여 단일 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산정한다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, x, y, z는 각각 지중 열 저항을 측정하는 지점의 좌표이고, r0는 코일의 반지름이다. c는 비열, t는 시간, u는 직교좌표계에서 x,y,z방향 벡터, a는 열확산계수, λ는 열전도도, p는 밀도, u'는 임의의 위치, t'는 임의의 시간, erfc는 보상오차함수(complementary error function)이다.
그리고, A±(u, z')는
Figure pat00006
이고, F(x,y,z')는
Figure pat00007
이다.
장기 지중온도 증가효과 검토부(140)는 설계 가정부(130)에서 가정한 코일형 에너지 파일들에 대한 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토한다. 즉, 장기 지중온도 증가효과 검토부(140)는 군 말뚝의 열간섭 효과 산정식 및 코일형 열교환기 해석해를 이용하여 장기 지중온도 증가효과를 검토한다. 즉, 장기 지중온도 증가효과 검토부(140)는 하기의 수학식 5를 이용하여 군 말뚝의 열간섭 효과 산정식의 해를 산출한다.
Figure pat00008
여기서, p는 지반의 밀도(㎏/㎥)이고, Cp는 지반의 비열(J/㎏K)이고, dsep는 보어 홀 중심 간의 간격(m)이고, L은 Tp가 0일 때의 지중 열교환기 요구 길이(m)이고, Qstored는 코일형 에너지 파일의 주변에 저장하는 열용량이다.
여기서, 상술한 수학식 5는 한 보어 홀의 4방향 모두에 다른 보어 홀이 있는 것으로 가정한 것이며, 실제로는 모서리에 위치한 보어 홀이나 일렬로 된 말뚝 배치의 경우 주위에 말뚝이 1개 내지 3개가 있을 수 있다. 장기 지중온도 증가효과 검토부(140)는 이를 반영하기 위해 보정계수(PF(Partial Factor))를 사용하는데, 보정계수와 최종 Tp는 하기의 수학식 6과 같다.
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, PF는 보정계수이고, N1 내지 N4는 주위 보어 홀이 각각 1~4개인 보어 홀 개수이고, Tp는 군 단위 말뚝 열교환 해석해이다.
코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)는 코일형 에너지 파일 길이를 산출한다. 즉, 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)는 하기의 수학식 7을 이용해 코일형 에너지 파일 길이를 산출한다.
Figure pat00011
여기서, qa는 연간 토양에 흡수 또는 방출되는 열량(W)이고, Rgm는 각각 연간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항(mK/W)이고, Rga는 각각 월간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항(mK/W)이고, Rgd는 각각 일간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항(mK/W)이고, q1c는 건물의 냉방 피크 부하 (W), q1h는 건물의 난방 피크 부하(W)이고, EER은 히트 펌프(Heat pump)의 냉방 성능계수, COP는 히트 펌프(Heat pump)의 난방 성능계수이고, Rb는 보어홀의 열 저항(mK/W)이고, PLFm은 월간 부분 부하율이고, FSC는 열 교환기 파이프 부근에서 단기적으로 순환하는 열손실계수이고, Tg는 계절의 영향을 받지 않는 지반의 초기 온도(℃)이고, Twi는 열 교환기 입구의 온도(℃)이고, Two는 열 교환기 출구의 온도(℃)이고, Tp는 천공 간의 열 간섭에 의한 영향을 반영하는 온도 지수(℃)이다. 여기서, 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)는 열 교환기의 입구 및 출구의 온도를 산출하기 위해 열 교환기의 순환유량 및 입출구 온도를 입력받는다.
판단부(150)는 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)에서 산출한 코일형 에너지 파일 길이와 건물파일 길이를 근거로 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단한다. 이때, 판단부(150)는 코일형 에너지 파일 길이가 건물파일 길이 미만이면 에너지 파일의 설계 완료로 판단한다.
제어부(155)는 판단부(150)에서 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하면 해당 에너지 파일의 갯수 및 길이는 최종 코일형 에너지 파일 길이 및 갯수로 설정한 후 코일형 에너지 파일의 설계를 종료한다. 제어부(155)는 판단부(150)에서 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하지 않으면 설계 가정부(130)에게로 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치의 재설정을 요청하는 재설정 요청을 전송한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 건물의 냉난방 부하를 산정한다(S50). 즉, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일이 설치될 건물의 냉난방 부하를 산정한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 지중온도를 수집한다(S100). 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 센서를 이용하여 직접 해당 지역의 지중온도를 측정하거나, 미리 측정된 지중온도들의 평균값을 지중온도로 수집한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 기산정한 건물의 냉난방 부하 및 기수집한 지중온도를 근거로 설비사양을 선정한다(S150). 즉, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 건물의 냉난방 부하 및 지중온도를 근거로 설치될 코일형 에너지 파일의 설비사양을 선정한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 토양열전도도를 수집한다(S200). 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 해당 지역에 대한 현장 시험을 통해 토양열전도도를 직접 측정하여 토양열전도도를 수집한다. 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일이 설치된 지역 지반의 건조단위중량과, 지반의 포화도를 이용하여 열전도도를 산출하여 토양열전도도를 수집할 수도 있다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 기선정된 설비 사양에 해당하는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출한다(S250). 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 PHC 파일, 속채움 및 열교환기를 포함하는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하기 위해 3차원 유한요소 열해석이 가능한 프로그램(Abaqus, Comsol 등)을 이용한다. 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 프로그램을 통해 순환수 유체 흐름 해석이 가능한 수치해석을 통해 순환수의 평균 온도 및 보어 홀의 벽면 온도를 산출한다. 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 산출한 순환수의 평균 온도 및 보어 홀의 벽면 온도와 단위 길이당 열 전달을 이용하여 열저항값을 산출한다. 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 산출한 코일형 에너지 파일의 열저항값을 저장하여 데이터베이스를 확보하고, 이를 근거로 보간법을 이용한 간편 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정한다(S300). 즉, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 대상 지역의 토양열전도도 및 코일형 에너지 파일의 열저항값을 근거로 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 기가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대해 유효 열저항값을 산출한다(S350). 즉, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 단일 말뚝 열교환 해석해를 근거로 단일 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산정한다. 여기서, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 열교환기 해석해(즉, 상술한 수학식 4)를 이용하여 단일 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산정한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 기가정한 코일형 에너지 파일들에 대한 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토한다(S400). 즉, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 군 말뚝의 열간섭 효과 산정식 및 코일형 열교환기 해석해를 이용하여 장기 지중온도 증가효과를 검토한다. 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 모서리에 위치한 보어 홀이나 일렬로 된 말뚝 배치의 경우 주위에 말뚝이 1개 내지 3개가 있을 수 있으므로 보정계수(PF)이용하여 장기 지중온도 증가효과를 검토한다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일 길이를 산출한다(S450). 즉, 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)는 연간 토양에 흡수 또는 방출되는 열량, 연간, 월간 및 일간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항, 건물의 냉방 및 난방 피크 부하, 히트 펌프의 냉방 및 난방 성능계수, 보어홀의 열 저항, 월간 부분 부하율, 열 교환기 파이프 부근에서 단기적으로 순환하는 열손실계수, 계절의 영향을 받지 않는 지반의 초기 온도, 열 교환기 입구 및 출구의 온도(℃), 천공 간의 열 간섭에 의한 영향을 반영하는 온도 지수를 근거로 코일형 에너지 파일 길이를 산출한다. 이때, 코일형 에너지 파일 길이 산출부(145)는 열 교환기의 입구 및 출구의 온도를 산출하기 위해 열 교환기의 순환유량 및 입출구 온도를 입력받는다.
코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 기산출한 코일형 에너지 파일 길이와 건물파일 길이를 근거로 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단한다. 이때, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일 길이가 건물파일 길이 미만이면 에너지 파일의 설계 완료로 판단한다. 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하면(S500; 예), 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 해당 에너지 파일의 갯수 및 길이는 최종 코일형 에너지 파일 길이 및 갯수로 설정한 후 코일형 에너지 파일의 설계를 종료한다(S550). 여기서, 코일형 에너지 파일 설계 장치(100)는 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하지 않으면 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 재설정한 후 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단될 때까지 상술한 S300 단계 내지 S550 단계를 반복 수행한다.
도 7 및 도 8은 지열에너지를 이용하기 위한 종래의 설비 설계 방법과 본 발명의 실시예에 따른 코일형 에너지 파일 설계 방법을 비교 설명하기 위한 도면이다. 코일형 에너지 파일은 기존의 수직밀폐형 지열교환기 시스템과 상이하게 직경이 크고 길이가 짧은 형태를 하고 있다. 따라서, 도 7에 도시된 기존의 해석 모델들은 지열교환기가 에너지 파일로 시공됨에 따라 두꺼워진 파일 반경과 파일의 열용량을 무시하기 때문에 short term 해석에 한계를 보이며 또한 짧아진 파일의 길이 때문에 열원을 무한으로 가정한 모델들의 long term 해석에서의 한계점을 보인다. 또한, 코일형 에너지 파일은 파일 내부에 설치되는 열교환기의 형태에 따라서도 해석방법이 상이할 수 있는데, 최근 국내에서 많이 사용되고 있는 코일형 에너지 파일에 대해서는 해석 방법이 전무한 상태이다. 이에 본 발명의 실시예에서는 최근 국내에서 많이 사용되는 코일형 에너지 파일에 대한 해석이 가능한 코일형 에너지 파일 설계 장치(100) 및 방법을 제시하였다.
도 8을 참조하면, 라인 소스 설계, 원통 소스 설계 등의 기존의 설계 방식의 경우 코일형 에너지 파일을 이용한 실제 실내 시험의 실험값과 상당한 차이를 가짐을 알 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 설계 방식을 이용하는 경우 실제 실내 시험의 실험값과 매우 유사한 값을 예측할 수 있음을 알 수 있다.
이를 통해, 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법은 지반-속채움재-열교환기의 열거동특성을 반영한 코일형 에너지 파일을 설계할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.
또한, 코일형 에너지 파일 설계 장치 및 방법은 기존의 건물의 냉난방시스템(전기히트펌프) 및 일반적인 지열시스템(수직밀폐형)과 장기 경제성 평가를 수행한 결과 에너지 파일시스템은 전기히트펌프에 비해서 효율상승으로 장기적으로 유지관리비 절감을 통한 경제성을 확보할 수 있고, 기존 지열시스템에 비해서는 초기 공사비 절감으로 경제성 우위를 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
100: 코일형 에너지 파일 설계 장치 105: 냉난방 부하산정부
110: 지중온도 수집부 115: 설비사양 선정부
120: 토양열전도도 수집부 125: 열저항값 산출부
130: 설계 가정부 135: 유효 열저항값 산정부
140: 장기 지중온도 증가효과 검토부
145: 코일형 에너지 파일 길이 산출부
150: 판단부 155: 제어부

Claims (20)

  1. 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 설계 가정부;
    상기 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대한 유효 열저항값을 산출하는 유효 열저항값 산정부;
    상기 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일들의 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토하는 장기 지중온도 증가효과 검토부;
    상기 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일의 길이를 산출하는 코일형 에너지 파일 길이 산출부;
    상기 코일형 에너지 파일 길이 산출부에서 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 건물파일 길이와 비교하여 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부에서 설계 완료로 판단하면 상기 설계 가정부에서 가정한 코일형 에너지 파일의 갯수 및 상기 코일형 에너지 파일 길이 산출부에서 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 최종 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이로 설정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    코일형 에너지 파일이 설치될 건물의 냉난방 부하를 산정하는 냉난방 부하산정부;
    상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 지중온도를 수집하는 지중온도 수집부;
    상기 냉난방 부하산정부에서 산정된 냉난방 부하 및 상기 지중온도 수집부에서 수집한 지중온도를 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 설비 사양을 선정하는 설비사양 선정부;
    상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 토양열전도도를 수집하는 토양열전도도 수집부; 및
    상기 설비사양 선정부에서 선정된 설비 사양에 대응되는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하는 열저항값 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 토양열전도도 수집부는,
    현장 시험을 통해 토양열전도도를 측정하거나, 상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역 지반의 건조단위중량 및 포화도를 근거로 상기 토양열전도도를 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 열저항값 산출부는,
    상기 코일형 에너지 파일의 순환수 평균 온도, 보어 홀 벽면 온도 및 단위 길이당 열 전달을 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하거나,
    상기 코일형 에너지 파일의 내경, 코일 피치 및 코일 피치에 따른 계수를 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 설계 가정부는,
    상기 토양열전도도 수집부에서 수집한 토양열전도도 및 상기 열저항값 산출부에서 산출한 코일형 에너지 파일의 열저항값을 근거로 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유효 열저항값 산정부는,
    지중 열 저항을 측정하는 지점의 좌표, 코일의 반지름, 비열, 시간, 직교좌표계에서 지중 열 저항을 측정하는 지점의 좌표의 방향 벡터, 열확산계수, 열전도도, 밀도, 및 보상오차함수를 근거로 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 장기 지중온도 증가효과 검토부는
    지반 밀도, 지반 비열, 보어 홀 중심 간 간격, 지중 열교환기 요구 길이 및 코일형 에너지 파일의 주변에 저장하는 열용량을 근거로 군 말뚝의 열간섭 해를 산출하고, 주위 보어 홀의 개수 및 보어 홀의 총 개수를 근거로 보정계수를 산출하고, 상기 군 말뚝의 열간섭 해에 상기 보정계수를 곱하여 최종 군 말뚝의 열간섭 해를 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코일형 에너지 파일 길이 산출부는,
    연간 토양에 흡수 또는 방출되는 열량, 연간, 월간 및 일간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항, 건물의 냉방 및 난방 피크 부하, 히트 펌프의 냉방 및 난방 성능계수, 보어홀의 열 저항, 월간 부분 부하율, 열 교환기 파이프 부근에서 단기적으로 순환하는 열손실계수, 계절의 영향을 받지 않는 지반의 초기 온도, 열 교환기 입구 및 출구의 온도(℃), 천공 간의 열 간섭에 의한 영향을 반영하는 온도 지수를 근거로 코일형 에너지 파일 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 코일형 에너지 파일 길이가 건물파일 길이 미만이면 상기 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 판단부에서 설계 완료가 아닌 것으로 판단하면 상기 설계 가정부에게로 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치의 재설정을 요청하고,
    상기 설계 가정부는 상기 제어부의 재설정 요청에 따라 상기 설정된 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 재설정하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 장치.
  11. 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 가정한 코일형 에너지 파일 각각에 대한 유효 열저항값을 산출하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 가정한 코일형 에너지 파일들의 군 말뚝 열교환 해석해를 근거로 장기 지중온도 증가효과를 검토하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 가정한 코일형 에너지 파일의 길이를 산출하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 산출한 코일형 에너지 파일의 길이를 건물파일 길이와 비교하여 코일형 에너지 파일의 설계 완료 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 판단하는 단계에서 설계 완료로 판단하면 상기 가정한 코일형 에너지 파일의 갯수 및 상기 산출한 코일형 에너지 파일 길이를 최종 코일형 에너지 파일의 갯수 및 코일형 에너지 파일 길이로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 코일형 에너지 파일이 설치될 건물의 냉난방 부하를 산정하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 지중온도를 수집하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 산정된 냉난방 부하 및 상기 수집한 지중온도를 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 설비 사양을 선정하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역의 토양열전도도를 수집하는 단계; 및
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 선정된 설비 사양에 대응되는 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 토양열전도도를 수집하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 현장 시험을 통해 토양열전도도를 측정하거나, 상기 코일형 에너지 파일이 설치될 지역 지반의 건조단위중량 및 포화도를 근거로 상기 토양열전도도를 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 열저항값을 산출하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 코일형 에너지 파일의 순환수 평균 온도, 보어 홀 벽면 온도 및 단위 길이당 열 전달을 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하거나, 상기 코일형 에너지 파일의 내경, 코일 피치 및 코일 피치에 따른 계수를 근거로 상기 코일형 에너지 파일의 열저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 수집한 토양열전도도 및 상기 산출한 코일형 에너지 파일의 열저항값을 근거로 대상 지역에 설치될 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 가정하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 유효 열저항값을 산출하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 지중 열 저항을 측정하는 지점의 좌표, 코일의 반지름, 비열, 시간, 직교좌표계에서 지중 열 저항을 측정하는 지점의 좌표의 방향 벡터, 열확산계수, 열전도도, 밀도, 및 보상오차함수를 근거로 코일형 에너지 파일의 유효 열저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 장기 지중온도 증가효과를 검토하는 단계는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 지반 밀도, 지반 비열, 보어 홀 중심 간 간격, 지중 열교환기 요구 길이 및 코일형 에너지 파일의 주변에 저장하는 열용량을 근거로 군 말뚝의 열간섭 해를 산출하는 단계;
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 주위 보어 홀의 개수 및 보어 홀의 총 개수를 근거로 보정계수를 산출하는 단계; 및
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 군 말뚝의 열간섭 해에 상기 보정계수를 곱하여 최종 군 말뚝의 열간섭 해를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 코일형 에너지 파일의 길이를 산출하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 연간 토양에 흡수 또는 방출되는 열량, 연간, 월간 및 일간 단위의 시간에 대한 지중의 유효 열 저항, 건물의 냉방 및 난방 피크 부하, 히트 펌프의 냉방 및 난방 성능계수, 보어홀의 열 저항, 월간 부분 부하율, 열 교환기 파이프 부근에서 단기적으로 순환하는 열손실계수, 계절의 영향을 받지 않는 지반의 초기 온도, 열 교환기 입구 및 출구의 온도(℃), 천공 간의 열 간섭에 의한 영향을 반영하는 온도 지수를 근거로 코일형 에너지 파일 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  19. 청구항 11에 있어서,
    상기 설계 완료 여부를 판단하는 단계에서는,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 코일형 에너지 파일 길이가 건물파일 길이 미만이면 상기 코일형 에너지 파일의 설계 완료로 판단하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 코일형 에너지 파일 설계 장치에 의해, 상기 설계 완료 여부를 판단하는 단계에서 설계 완료가 아닌 것으로 판단하면 코일형 에너지 파일의 갯수 및 배치를 재설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코일형 에너지 파일 설계 방법.
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