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지열열펌프 설비 설계 기준
1. 일반사항
1.1 목적
- 지열 에너지를 사용하는 지열열펌프 설비를 사용 목적에 적합하도록 설계하는 기준을 제시
1.2 적용범위
- 공간의 냉방, 난방, 급탕 또는 프로세스 가열을 위해 지열을 활용하는 열펌프 시스템 전반의 설계에 적용
1.3 용어 정의
- 인증서: 지열원열펌프에 대한 인증서
- 사업용량: 지열시스템의 냉/난방 설치용량 중 큰 값 + 급탕용량
- 설치용량: 인증서에 표기된 열펌프의 냉/난방 정미능력
- 설계용량: 시스템 설계를 위해 열원측/부하측에 적용된 EWT 기준으로 시험성적서 또는 성능표에 분석된 열펌프 정미능력
- 열펌프 COP(Coefficient of Performance): 열펌프의 성능계수
- 시스템 COP(Coefficient of Performance): 지중 순환펌프의 소요동력을 포함한 지열시스템 성능계수
1.4 참조 기준
1.4.1 관련 법규
- 저탄소 녹생성장 기본법, 동 시행령
- 신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급 촉진법, 동 시행령, 동 시행규칙
- 녹색건축물 조성 지원법, 동 시행령, 동 시행규칙
- 신·재생에너지설비의 지원·설치·관리에 관한 기준
- 온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률 시행령
- 신․재생에너지 공급의무화제도 및 연료 혼합의무화제도 관리․ 운영지침
- 신재생에너지설비 시공기준
- 일반 건축물 신재생 에너지 설비시스템 표준설계 가이드라인, 한국에너지공단, 2010
- KIAEBS S-4 지열냉난방설비 설계 기준 2015-한국건축친환경설비학회
- KCS 31 50 15 05 지열원열펌프설비공사
2. 조사 및 계획
- 내용 없음.
3. 자재
- KCS 31 50 15 05에 따른다.
4. 설계
4.1 지열원열펌프 설비의 도입절차
- 지열 이용시스템의 사용용도 검토(냉방, 난방, 급탕 등)
- 대상 건축물과 대지의 특성 확인
- 법적 규제 확인
- 지질의 상태 확인(열전도 테스트)
- 주변의 영향 확인 / 개방형의 경우 지하수영향조사 및 수질, 지하수 수량 확인
- 경제성 등을 고려하여 시스템의 종류 및 용량을 적절히 선정
- 그 밖의 필요사항 확인
4.2 지열원열펌프 설비의 설계 프로세스
- 내용 없음.
4.3 지열원열펌프 설비의 설계
- 대상건물의 부하계산
- 부하계산 전문프로그램을 이용하여 건축물의 용도 및 건축재, 마감재 등을 반영하여 계산한다.
- 대상건물의 현장파악
- 천공 가능한 위치 및 면적을 산정한다.
- 기계실, 부하 존, 타 공조시스템과의 연계상황을 파악한다.
- 수전 용량, 전기 사양을 확인한다.
- 옥외 시공부위에 대한 토목관로, 기반시설 인입에 대한 간섭여부를 파악한다.
- 지중열교환기 및 시스템 일반형식 결정
- 대상 건축물의 부하패턴, 부하용량, 천공 부지의 상황을 고려하여 지중 시스템을 밀폐형 또는 개방형으로 할지 설계 방안을 선정한다.
- 냉․난방 부하만 처리할 것인지, 급탕부하도 처리할 것인지, 건물 높이가 낮아 물-냉매 방식이 효과적인지 등을 고려하여 부하측 시스템을 물-냉매 방식으로 할지 물-물 방식할지 결정한다.
- 선정 시 KS 인증된 고효율의 지열원열펌프를 적용한 시스템을 우선 고려한다.
- 전력피크 및 사용자의 운전비 절감을 위해 수축열 지열시스템 및 냉각탑, 보일러 등과 연동된 지열하이브리드 시스템을 비교․검토하여 최적설계안을 선정한다.
- 표준 규격의 지열시스템 기본설계
- 시스템 설계 시 현장의 지중 열전도 테스트 결과를 반영하여 기본설계를 한다.
- 시험천공 및 지열 지중열전도 테스트
- 시험천공 및 지열 열전도 테스트는 기본설계의 타당성을 검증하고 최종적인 지열시스템의 사양을 결정하기 위함이다.
- 시험 홀에 정해진 열부하를 주입하면서 열교환기 내부를 순환하여 지중으로 발산하는 유체 온도변화의 경사도 및 주입된 열량을 기준으로 하여 측정하게 된다.
- 작도법(순환시 및 회복시) 및 히스토리 매칭법의 두 가지 이상의 분석방법을 이용하여 유효 열전도율 λ[W/(m·K)]를 결정하고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 측정 단위 길이당 열교환량 ql [W/m]을 결정한다. (열전도도 및 지중초기온도 측정)
- 시뮬레이션 프로그램은 국제적으로 통용, 인정되는 전문 설계 프로그램(GLD, GLHEPro, GchpCalc, EED, FEFLOW 등)을 이용한다.
- 시뮬레이션에서 20년 이상의 유입온도(EWT)(entering water temperature) 변화를 검토하여, 설계 시 적용한 냉방 유입온도(EWT)와 난방 유입온도(EWT)가 확보되는지 확인해야 한다.
- 지열 열교환기 규격 확정 및 시공설계
- 지열 열교환기 설계프로그램을 사용하여 시험시추 암반의 성상 및 열전도 테스트 결과를 입력하여 계산한다.
- 필요데이터는 건물의 연간부하, 현장의 열전도 데이터, 현장의 암반구성 데이터, 히트펌프 규격, 지중 평균온도, 순환수 규격, 지중열교환기 배치 등이다.
- 지열열펌프의 용량은 지중열교환기의 단위길이 당 열교환량 (보통 60 W/m) 산출방법을 이용한다.
- 평일 8시간, 냉방 3개월, 난방 4개월의 일반 업무시설(공조 이용)의 경우는 50 ~ 70 [W/m]
- 상기 이외의 경우는 30 ~ 40 [W/m]을 적용하되 건물의 특성에 맞는 냉‧난방 운전시간 등을 고려하여 반영한다.
- 지중 열교환기의 총길이는 냉난방시 지중열교환기 필요길이의 최대값으로 한다.
- 보어 홀 개수는 지중열교환기 필요길이를 지중열교환기 1개당 길이를 나누어 산출한다.
- N: 지중열교환 보어 홀의 개수 [개]
- D: 지중열교환기 1개당 길이 [m/개]
- Lc: 지중열교환기 필요길이 [m]
- 지중 열교환기에 사용하는 열매체는 원칙적으로 물로 한다. 다만, 한랭지 등의 동결방지 대책으로서 부동액의 사용을 검토하는 경우는 기기에 대한 영향, 안정성 및 환경성 등을 고려하여 결정한다. 또한 부동액을 주입할 경우 15%농도 이상(동결점 –6℃)확보하도록 한다.
- 시스템 일반장비 규격 확정
- 시스템 용량, 순환 펌프, 팽창탱크, 냉온수 저장탱크, 순환배관을 선정한다.
- 상기 지열원열펌프설비의 설계기준은 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정 (산업통상자원부 고시 제2016-249호)신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침 (센터공고 제 2018-5호)에 준하여 설계적용 한다.
- 녹색기술, 녹색제품을 적용 시 녹색인증제 운영요령에 준하여 설계에 적용한다.
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