세계는 화석연료의 활용과정에서 발생한 온실가스(CO₂)로 인해 지구온난화와 이상기후에 따른 자연재해 등의 문제에 직면하고 있으며, 특히 해수면 상승으로 인해 몰디브, 키리바시, 투발루, 피지, 솔로몬제도와 같은 섬나라는 멀지 않은 미래에 사라질 위험에 처해있다(Mishra, 2017). 이에 온실가스의 배출에 의한 문제를 해결하고자 187개 국가는 이산화탄소의 배출량을 감축하기 위한 파리기후협약에 참여하고 있으며, 한국은 2030년 배출전망치 대비 37%를 저감한다는 감축목표를 UN에 제출하였다(Paris Climate Agreement, 2015). 협약체결에 따른 온실가스 감축비율의 달성과 동시에 친환경에너지 사용에 대한 사회적 요구를 해결하기 위한 대안으로 수소가스, 연료전지, 태양광, 태양열, 풍력, 수력에너지, 해양에너지, 지열, 바이오매스, 폐기물, 수열 등을 에너지원으로 이용하는 신재생에너지시스템의 개발 및 활용이 있을 수 있다. 이 중 지열에너지시스템은 냉난방에 필요한 에너지를 절감시켜 연료 구매 비용과 온실가스(CO₂)의 배출량을 저감시키는 효과를 가지고 있으며, Nam and Paek (2007)의 실증연구사례에 따르면 2006년 12월부터 2007년 6월까지의 기간 동안 지열히트펌프를 이용하여 난방용 경유 147,132 L를 절감하고 294 ton의 이산화탄소 배출을 저감한 것으로 나타났다. 이러한 장점을 바탕으로 정부는 ‘신재생에너지 기술개발 및 보급 목표’에서 1차 에너지를 기준으로 지열에너지가 차지하는 비율이 2020년엔 2.7%에서 2035년까지 8.5%가 되도록 보급을 확대할 계획이다(Ministry of Trade, Industry and Energy and Korea Energy Agency, 2016). 현 정책상으로 지열에너지 시설에 대한 인증서, 시험성적서, 성능표, 설계요약서 등의 내용을 담은 지열이용 검토서를 승인받을 경우는 정부로부터 시설설치에 따른 지원금을 받을 수 있다(Korea Energy Agency, 2014). 그러나 정부가 제공하는 보조금에도 불구하고 Yu and Bae(2010)에 따르면 지열시스템의 설치를 위해선 기존의 냉난방 설비에 비해 두 배 이상의 초기 투자비가 필요하며 이 비용 중 40~50% 정도는 지중열교환기의 설치 시 천공 비용으로 사용되는 등 시공비용 측면에서 어려움이 있는 것으로 나타났다. 지열시스템의 보급 확대를 위해 높은 시공비로 인한 어려움을 극복하고자 Kim et al.(2012)은 지중열교환기의 과도한 설계를 지양하고 효율적인 설계를 강조하였다. 지중열교환기의 설계조건과 관련해서 Yoon et al.(2013)과 Lee et al.(2014)는 U자형, W자형, 2U자형, 코일형태의 열교환기에 대해 각각 열교환 효율과 시공에 필요한 비용을 비교분석하였다. 상용화된 U자형 지중열교환기에 대해 연구한 Min and Choi(2011)에 따르면 U자형 열교환기를 지하로 관입시키는 과정에서 발생하는 관의 비틀림으로 인해 유입⋅유출관 사이의 간격이 유지되지 못할 경우, 열교환 성능이 저하될 수도 있다. 이러한 이유로 본 연구에서는 지열시스템의 보급확대를 위해 천공면적을 줄여 시공비를 절감하고, U자형 관에서 발생할 수 있는 열교환효율의 저하를 방지하기 위해 구조가 비교적 간단하고 같은 치수의 관을 직렬 또는 병렬로 연결하여 열교환면적을 증가시킬 수 있는 이중관형 지중열교환기에 대해 연구를 수행하였다. 지열시스템의 실제 상용화 조건을 만족하려면 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기 내부로 100 Lm^-1 유량의 유입이 필요한데 실제 이 조건에서 손실수두를 측정하고 유체흐름의 특성을 분석하기엔 어려움이 있기 때문에 본 실험에서는 최대 8 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 최대 70 Lm^-1의 유량까지 5 Lm^-1 간격으로 유입유량에 따른 손실수두를 측정하였다. 그리고 최종적으로는 측정된 손실수두결과를 회귀분석하여 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기가 100 Lm^-1의 유량조건일 때 예상되는 손실수두와 레이놀드수(Reynolds, 1883)를 구하여 유체의 흐름특성을 파악하고, 에너지 손실을 고려하여 최적화된 관의 설계를 하고자 하였다.

지중열교환기 내부에서 흐르는 유체는 관수로의 흐름을 가지며 Eq. (1)과 같은 베르누이방정식(Bernoulli, 1738)을 이용하면 실험수가 가지는 에너지를 길이개념으로 나타낸 수두로 정리할 수 있다.

지중열교환기 내에서 와류흐름이 발생할 경우 관의 벽 쪽 분자도 측방향으로 혼합되며 열교환을 할 수 있어 열교환 효율이 증가하기 때문에 와류가 발생하는 난류흐름은 층류에 비해 유리하며 이러한 경향은 Henze et al.(2011), Henze and Wolfersdorf(2011), 그리고 Isaev et al.(2005)의 연구결과에도 나타났다. 이런 이유로 열교환기의 설계를 위해선 유체의 흐름특성파악이 필요하기 때문에 관 내부의 흐름이 층류인지 난류인지 여부를 판단할 수 있도록 Eq. (2)와 같이 관내 유속(V), 관경(D), 동점성계수(υ)를 활용하여 레이놀드수(Re수)를 계산하고 각 유입⋅유출부에서 유입유량에 따라 층류 및 난류를 결정하였다.

이때 Re수(Reynolds Number)의 계산결과가 4,000 이하일 때의 유체흐름은 층류 ~ 전이구간에 해당하기 때문에 원형형상의 열교환기 단면에 대해 적용이 가능한 층류 원관의 마찰손실계수공식 Eq. (3)을 이용하여 마찰손실계수 λ를 구했다.

Re수가 4,000 이상인 경우는 유체가 난류의 흐름을 가지며, Eq. (4)와 같이 난류에서도 적용이 가능한 Blasius 공식(Blasius, 1912)을 이용하여 마찰손실계수λ를 산정하였다.

열교환기 내부에서는 마찰에 의한 손실이 발생할 수 있는데 관수로에서는 Eq. (5)와 같은 Darcy-Weisbach 법칙(Weisbach, 1845)을 사용할 수 있으며, 마찰손실계수(λ), 관의 길이(L), 관 직경(D), 유속(v), 중력가속도(g)를 이용해 마찰손실수두를 계산할 수 있다.

본 실험에서는 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기 내에서 100 Lm^-1 유량일 때 발생할 손실수두를 예측하기 위해 최대 8m 길이의 열교환기에서 최대 70 Lm^-1까지 5 Lm^-1 간격으로 유량을 조절하며 손실수두를 측정하였다. 이때 열교환기를 실제로 지하에 설치하기 위한 천공작업은 어려움이 있어 이를 해결하고자 지면으로부터 9.5 m 높이에 위치한 건물 옥상면과 건물외벽을 활용해 열교환기의 손실수두 관측시스템을 구축하였다(Fig. 1).

이중관형 지중열교환기를 깊은 지하까지 설치하려면 관들을 전기융착방식으로 이음처리하기 때문에 본 실험에서도 이음을 통해 열교환기를 제작하였다. 실험에 필요한 열교환기는 설계도면(Fig. 2(a))과 같이 PE (Polyethylene)재질의 D 4.0 cm 내관과 D 7.5 cm 외관을 이용해 2 m 단일형, 4 m 단일형, 2 m관 2개를 전기열융착한 4 m (2+2m) 이음형, 6 m 단일형, 4 m 외관 2개를 전기열융착한 8m (4+4m) 이음형 관을 전기열융착용 소켓과 결합하여 제작하였다(Fig. 2(b)). 열교환기 내부로 20°C의 실험수를 순환시키기 위해 2m 단일형 열교환기 실험에는 5~30 Lm^-1 범위의 유량조절이 가능한 정격출력 1,100 W의 펌프시스템을 사용했고, 4 m 단일형 및 이음형, 6 m 단일형, 8 m 이음형 열교환기 실험에는 최대 110 Lm^-1의 유량까지 조절이 가능한 정격출력 1,700 W의 펌프시스템을 사용하여 15~70 Lm^-1 범위에서 5 Lm^-1 간격으로 유입유량과 열교환기 길이 조건의 변화에 따른 손실수두를 측정하고, Re수를 계산하여 열교환기 내부에 발생하는 와류 등의 흐름특성을 파악하였다.

본 연구에선 상용화된 50 m 길이의 이중관형 지중열교환기에 대해 100 Lm^-1의 유량조건일 때 발생하는 손실수두 및 유체흐름특성을 예측하고자 하였다. 이를 위해 전기열융착 이음을 사용하여 2 m 단일형, 4 m 단일형 및 이음형, 6 m 단일형, 8 m 이음형 열교환기를 제작하고, 교환기 내부로 최대 70 Lm^-1까지 유량을 조절하며 손실수두를 측정하였다. 실험을 통한 이중관형 지중열교환기 내 유체흐름의 분석결과는 다음과 같다.