서 론
연구 배경 및 목적
연구 방법
대상 건물 개요 및 시뮬레이션 입력값
대상 건물 개요
외피 설계 요소 선정
지중 열교환기 설계 개요
건물 에너지 분석 시뮬레이션 결과
Base model 냉난방 부하 분석
외피 설계 변화에 따른 냉난방 부하 패턴 분석
부하 변화 패턴에 따른 지중 열교환기 설계 결과 분석 및 고찰
결 론
서 론
연구 배경 및 목적
제로에너지건축물 인증제의 시행으로 에너지자립률 확보를 위한 신재생 에너지 시스템의 계획 및 적용이 더욱 중요해졌다. 현재는 태양광 발전의 적용이 일반적이나, 에너지자립률 100% 수준의 완전한 제로에너지건축물을 구현하기 위해서는 태양광 발전 이외의 신재생 에너지 시스템의 적용이 필수적이다. 그중 지열원을 활용한 시스템은 연중 온도가 일정하게 유지되는 지중의 열을 활용하기 때문에 안정적인 운영이 가능하여 향후 제로에너지건축물을 위한 냉난방 설비로 유망하다고 볼 수 있다. 국내에서의 지열원 활용은 지열 히트펌프 시스템 방식이 일반적이나, 초기 설치 비용이 과다하여 시스템 보급 확대에 어려움을 겪고 있다. Lee et al. (2016)의 연구에 따르면 지열 히트펌프 시스템 초기 설치 비용의 50% 이상을 지중 열교환기 설치 비용이 차지하고 있다. 규모 및 설치 방식에 따라 지중 열교환기 설치 비용은 다르게 발생할 수 있으나, 지중 열교환기 설치 비용의 절감이 지열 히트펌프 시스템의 경제성 확보를 위해 가장 중요하다고 판단할 수 있다.
지중 열교환기 설치 비용의 절감은 지중 열교환기의 용량을 감축함으로써 달성할 수 있다. Choi (2018)의 연구에 따르면, 지중 열교환기를 구성하는 배관과 그라우트 재료의 열전도율 상승에 따라 채열 성능이 향상되어 지중 열교환기의 용량이 감축함을 알 수 있다. 또한, 지중 열교환기가 담당하는 냉난방 부하의 일부를 냉각탑, 태양열 집열기와 같은 보조 열원이 담당하게 하는 지열 하이브리드 시스템 또한 지중 열교환기의 용량을 줄이는 차원에서 적절한 대안으로 볼 수 있다. Sohn et al. (2013)의 연구에서는 냉방 부하가 큰 중대형 규모의 건물을 대상으로 냉각탑 병용 지열 히트펌프 시스템의 성능을 분석했다. 냉각탑의 설치로 인해 지중 열교환기가 담당하던 냉방 부하가 감소하여 지중 열교환기 용량을 줄일 수 있었으며, 냉각탑의 용량이 증가할수록 냉방 시 최고 입수온도와 에너지 소비량이 감소하고, 지열 히트펌프 시스템의 COP가 증가함을 확인하였다. 이렇듯, 지열 하이브리드 시스템의 적용으로 지중 열교환기 용량 감축과 지열 히트펌프의 효율 향상을 모두 기대할 수 있지만, 보조 열원의 설치로 인한 추가적인 비용 부담, 제어의 복잡성은 지열 하이브리드 시스템의 적용을 어렵게 만드는 요인으로 작용한다.
이에, 지중 열교환기 용량 감축을 염두해두고 건물의 냉난방 부하를 적극적으로 변화시키는 방안을 고려해볼 수 있다. 일반적인 건물 냉난방 설비 시스템의 용량은 건물 피크 부하를 기준으로 결정되지만, 지중 열교환기 설계에서는 피크 부하 외에도 냉난방 기간 부하가 추가적으로 요구된다. 지열 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기의 역할이 히트펌프에서 필요로 하는 온도의 열매체 공급이라는 점을 고려한다면, 지중 온도가 지중 열교환기 설계에서 매우 중요한 설계 인자임을 알 수 있다. 건물의 냉난방 기간 부하는 장기간 사용에 따른 지중 온도 변화를 평가하기 위하여 필요하며, 냉난방 기간 부하가 균형을 이룰수록 지중 온도의 변화가 적어 설계에 더 유리하다고 볼 수 있다. 따라서, 냉난방 피크 부하의 감축과 기간 부하의 균형이 적절하게 이루어진다면 지중 열교환기의 용량 감축이 가능할 것으로 기대할 수 있다.
이러한 건물 냉난방 부하 변화에 따른 지중 열교환기 용량 감축 가능성은 기존 연구를 통하여 확인할 수 있다. Kim et al. (2014)의 연구에서는 한랭 기후인 몽골지역의 주택에 지열 히트펌프 시스템을 계획하기에 앞서, 대상 주택의 외벽 단열 정도를 ASHRAE 90.1에서 정의하는 한랭지의 외벽 단열 설계 기준과 패시브 하우스 기준으로 결정하고, 각 조건의 적용에 따른 지열 히트펌프의 용량 변화 정도를 평가하였다. 그 결과, 대상 주택의 외벽이 패시브 하우스 수준의 단열 수준을 가질 때, 지열 히트펌프의 용량이 16RT에서 6RT로 크게 감축됨을 확인하였다. 결과적으로 냉난방 부하의 감축과 이를 실현하기 이한 적절한 건축 계획이 뒷받침된다면, 지중 열교환기의 용량 감축 또한 기대할 수 있다.
앞서 언급하였듯이 지중 열교환기 설계에서는 냉난방 피크 부하와 기간 부하가 각기 필요하며, 최종적으로 결정되는 지중 열교환기 용량에 대한 각 부하 요소의 기여도는 각기 다르게 나타난다. 또한, 지중 열교환기 용량 감축을 가능하게 하는 피크 부하의 감축 정도와 기간 부하의 밸런싱 여부 또한 건물에 적용 가능한 건축 설계 요소의 변화 정도에 따라서 다를 것으로 예상할 수 있다. 이에 본 연구에서는, 사무소 건물을 대상으로 외피 설계 요소의 조정에 따른 건물 냉난방 부하 패턴을 분석하고, 이러한 조정이 지중 열교환기 용량 감축에 유용한지 여부를 논하고자 한다.
연구 방법
외피 설계 요소 조정에 따른 부하 패턴 분석과 이에 따른 지중 열교환기 용량 감축에 대한 분석을 위하여 본 연구에서는 DOE에서 제공하는 Commercial Reference Buildings 중 시카고 지역을 기반으로 모델링한 Medium Office를 대상 건물로 선정하였다. 대상 건물의 외벽, 창문의 단열 정도, 창문의 SHGC, 침기율을 변화시키며 기간 부하와 피크 부하를 변화시켰고, 이를 위하여 EnergyPlus 7.2.0을 이용하였다. 이후, 각 외피 설계 요소의 조정에 따른 부하 계산 결과를 GLHEPro 5.0.4에 입력하여 지중 열교환기 설계를 수행하였다. 마지막으로 기간 부하와 피크 부하의 변화 양상에 따른 지중 열교환기의 용량 변화 정도를 분석하여 외피 설계 요소의 조정에 따른 지중 열교환기 용량 감축에 대한 유용성 검증과 효과적인 부하 변화 패턴에 관한 분석을 수행하였다.
대상 건물 개요 및 시뮬레이션 입력값
대상 건물 개요
Commercial Reference Buildings의 Medium Office 건물은 3층으로 구성된 open-plan office이며, 외주부 공간에 방위별로 각 1개의 존과 내주부 공간 1개의 존, 총 5개의 존이 층마다 구성되어 있다. 대상 건물의 3D 모델링 결과와 평면 구성은 Figure 1과 같다.
사무소 건물은 기기 발열로 인해 연간 난방 부하 대비 냉방 부하가 크게 발생하는 건물 유형이다. 지중 열교환기는 냉난방 부하가 균형적인 건물에 설치하는 것이 효율적인 시스템이기에, 비교적 균형적인 냉난방 부하의 산출을 위해 냉대 기후대인 미국의 시카고 지역을 대상으로 시뮬레이션을 진행했다. 기상데이터는 Chicago-OHare의 TMY3를 이용했으며 이 외의 대상 건물 외피 설계 조건 및 발열 조건은 Table 1과 같다.
Table 1.
An overviews of the medium office building
DOE에서 제공되는 IDF 파일에는 냉난방을 위해 단일덕트 변풍량 재열 시스템이 모델링되어 있다. 그러나 본 연구에서는 에너지 소비량이 아닌 건물 냉난방 부하의 산출이 필요하기에 기존에 모델링되었던 공조 설비 대신 건물 냉난방 부하 계산을 위한 Ideal Load System을 모델링하였다. 대상 건물의 남측 존에만 지열 히트펌프 시스템을 적용하는 것으로 가정하였고, 해당 존을 Base model로 정의하였다.
외피 설계 요소 선정
건물 냉난방 부하의 변화를 위하여 건물 외피와 관련된 주요 설계 변수에 대한 조정을 수행하였다. 냉난방 부하를 변화시킬 수 있는 다양한 방안이 존재하지만, 외기 및 일사에 따라 냉난방 부하 변동에 영향을 미치는 건물 외피 설계 요소를 변경하였다. 건물의 외피는 벽체와 창으로 구성되어 있으며, 외벽 단열재, 침기율, SHGC, 창호 열관류율을 변수로 선정하여 외피 설계 요소의 기밀도, 단열성, 일사 유입 정도를 조절하였다.
첫 번째로, 난방 부하를 감소하기 위해 외벽 단열재 두께를 기존보다 두껍게 변경하였으며, 이는 시나리오 1-1에 해당한다. 두 번째로, 건물 시공에 따라 변화하는 건물의 기밀 정도의 조절을 통해 냉난방 부하를 변화시켰다. 시나리오 2-1에서는 기존보다 더 기밀한 건물로 설계하여 외기의 침입 감소를 통해 난방 부하를 감소하고자 하였고, 시나리오 2-2는 반대로 침기를 증가시키는 것으로 결정하였다. 세 번째로는, 냉방 부하의 저감을 위하여 창문의 SHGC를 감소시켰으며, 이는 시나리오 3-1, 3-2, 3-3에 해당한다. 마지막으로, 시나리오 4-1을 통하여 창호의 열관류율에 따른 영향을 평가하고자 하였다. 이를 바탕으로 Table 2와 같이 총 7가지의 시나리오를 구성하였다.
Table 2.
Selection of building envelope design variables
지중 열교환기 설계 개요
지중 열교환기 설계에는 GLHEPro, GLD와 같은 상용 프로그램이 주로 이용되며 본 연구에서는 GLHEPro 5.0.4를 이용하여 연구를 진행하였다. 앞서 EnergyPlus 7.2.0으로 산출한 냉난방 부하와 지중 열적 특성, 지중 열교환기 구성요소의 형상 및 열적 특성에 대한 정보를 GLHEPro 5.0.4에 입력하여 지중 열교환기를 설계하였다. 지중 열교환기는 일반적으로 한 홀당 약 100~150 m의 길이로 설계되고 있는 것을 고려하여 보어홀의 개수를 결정하였다. 보어홀의 배치는 격자형으로 가정하였고 배관은 Single U-tube 형태의 PN 6 고밀도 폴리에틸렌을 적용하였다. 또한, 지중 열교환기 순환 유체는 프로필렌글리콜과 물의 혼합액으로 가정하였다. 시카고 지역의 초기 지중 온도는 11.05°C로, 이는 GLHEPro에서 제공된 Chicago-OHare Intl AP 지역의 정보를 적용했다. 이 외의 지중 열교환기 설계를 위한 주요 입력값은 Table 3과 같으며, 각 구성요소의 열물성은 Table 4에 나타내었다. 히트펌프는 각 시나리오의 냉난방 피크 부하를 기준으로 결정하였다.
Table 3.
Parameters related to the GHEs and their values
건물 에너지 분석 시뮬레이션 결과
Base model 냉난방 부하 분석
Base model의 냉난방 기간 및 피크 부하를 산출하였고, 산출된 결과를 토대로 월별 냉난방 기간 및 피크 부하와 그에 따른 연간 총 냉난방 부하 및 피크 부하를 Table 5에 정리하였다. Figure 2는 대상 건물의 연간 부하 프로파일이며 난방 부하는 양수, 냉방 부하는 음수로 정의하였다. 결과적으로 Base model의 피크 부하는 난방 부하가 더 크게 발생했으나, 기간 부하는 냉방 부하가 더 크게 발생하는 상반된 결과를 보였다. 피크 부하는 난방 피크 부하 45kW, 냉방 피크 부하 36kW로 난방 피크 부하가 약 1.25배 더 크게 발생했는데, 이는 냉대 기후의 영향으로 판단된다. 기간 부하는 연간 총 난방 부하 11,378 kWh, 연간 총 냉방 부하 34,678 kWh로 냉방 기간 부하가 약 3배 더 크게 발생하였다. 사무소 건물의 경우, 인체, 조명, 기기 발열이 크게 발생하는데, 이로 인해 냉방 기간 부하가 월등하게 증가한 것이라 볼 수 있다. 따라서 겨울철 난방 피크 부하를 감소하거나, 기간 부하의 불균형 정도를 완화하기 위해 냉방 기간 부하를 감소할 수 있는 각각의 계획이 필요하다고 판단된다.
Table 5.
Results of total and peak building heating and cooling loads of base model
외피 설계 변화에 따른 냉난방 부하 패턴 분석
각 설계 변수의 조정에 따른 피크 부하와 기간 부하 산정 결과는 Table 6과 같다. 피크 부하가 감소하거나 기간 부하의 불균형 정도가 완화되는 등 부하의 변화가 지중 열교환기 용량 산정에 미치는 영향을 분석하기 위해 냉난방 부하 산출 결과를 기반으로 각 시나리오의 Base model 대비 피크 부하 증감률과 기간 부하 밸런싱 정도에 따라 부하 변화 패턴을 분류하였다. 이를 통해 두 가지 주요 부하 변화 패턴을 확인할 수 있었다. 첫 번째는 피크 부하가 감소하고 기간 부하의 불균형 정도가 심화된 경우이며, 두 번째는 피크 부하는 증가하고 기간 부하의 불균형 정도가 완화된 경우이다.
먼저, 피크 부하가 감소하고 기간 부하의 불균형 정도가 심화된 경우에는 시나리오 1-1, 2-1, 4-1이 해당하며, 이를 통해 건물의 단열 성능 및 기밀도를 향상하는 방안이 난방 기간 및 피크 부하 저감에 도움이 되는 것을 확인하였다. 이때, 시나리오 2-1과 4-1은 냉방 기간 부하가 오히려 증가하게 되어 냉난방 기간 부하의 불균형 정도가 심화됐다. 반면에, 시나리오 1-1은 냉방 기간 부하가 감소하였지만, 난방 기간 부하 또한 감소하여 여전히 기간 부하의 불균형이 큰 것을 확인할 수 있다. 모든 시나리오의 피크 부하는 Base model보다 감소하였으나, 여전히 냉방 피크 부하보다 난방 피크 부하가 더 크게 발생하고 있다. 이때, 시나리오 4-1만 예외적으로 난방 피크 부하보다 냉방 피크 부하가 더 크게 발생하여 추후 지중 열교환기 설계에 난방 피크 부하가 주요한 영향을 끼칠 것이라 예상된다.
다음으로, 피크 부하가 증가하고 기간 부하의 불균형 정도가 완화된 경우에는 시나리오 2-2, 3-1, 3-2, 3-3이 해당하며, 이를 통해 건물의 기밀 성능을 완화하거나, 일사 투과율을 감소하는 방안이 냉방 기간 및 피크 부하 저감에 도움이 되는 것을 확인하였다. 모든 시나리오의 난방 기간 부하가 증가하였고, 이로 인해 기간 부하의 불균형 정도가 완화되었다. 피크 부하의 경우, 모든 시나리오에서 난방 피크 부하가 증가하였고 여전히 냉방 피크 부하에 비해 난방 피크 부하가 월등히 크게 발생함을 알 수 있다.
Table 6.
Results of total and peak building heating and cooling load of scenarios
이러한 결과를 바탕으로 각 시나리오의 냉난방 부하 변화 패턴을 분류하였고, 이를 도식화하여 Figure 3에 나타내었다. 위의 결과는 다른 건물 유형에서도 냉난방 기간 및 피크 부하의 변화를 위한 계획으로 활용할 수 있으나, 각 건물의 부하 발생 경향에 따라 상세한 값의 조정이 필요할 것으로 판단된다. 이후 본 연구에서는 두 가지 부하 변화 패턴에 따라 피크 부하가 감소하고 기간 부하의 불균형 정도가 심해진 경우를 패턴 A, 피크 부하가 증가하고 기간 부하의 불균형 정도가 완화된 경우를 패턴 B로 정의하여 연구를 진행하였다.
부하 변화 패턴에 따른 지중 열교환기 설계 결과 분석 및 고찰
앞서 언급하였듯 지중 열교환기는 격자 형태로 설계했으며, 보어홀 한 홀당 적정 길이에 충족하는 2x2로 배치했다. 장기간 운영에 따른 지중 열교환기 용량을 산정하기 위해 시뮬레이션 기간은 10년으로 설정했다. 이러한 조건을 바탕으로 각 시나리오의 지중 열교환기를 설계했으며, 그 결과는 아래 Figure 4와 같다.
Base model에 비하여 피크 부하가 감소하고 기간 부하의 불균형 정도가 커지는 패턴 A에 해당하는 시나리오의 지중 열교환기 설계 결과를 살펴보면, 시나리오 1-1을 제외한 모든 시나리오에서 지중 열교환기의 용량이 더 증가하는 것으로 나타난다. 난방 피크 부하가 감소했음에도 불구하고 지중 열교환기 용량이 증가하는 결과가 나타났는데, 이는 두 가지 요인에 의한 것으로 판단된다. 첫 번째로, 기간 부하의 불균형 정도가 심화됨을 들 수 있다. 본 연구의 대상 건물은 난방 기간 부하 대비 냉방 기간 부하가 월등히 큰데, 외피 설계 요소의 변경으로 인해 냉방 기간 부하와 난방 기간 부하의 차가 오히려 더 커지게 되었다. 이로 인해 10년 동안의 운영 기간에 걸쳐 점진적인 지중 온도 상승을 불러올 수 있어, 방열이 더 원활하게 이뤄지도록 지중 열교환기 용량이 증가한 것으로 판단된다. 두 번째로, 피크 냉방 부하의 증가를 요인으로 볼 수 있다. 특히, 시나리오 4-1의 경우, 설계 요소의 조정으로 인하여 난방 피크 부하보다 냉방 피크 부하가 더 커지게 되었다. 난방 기간 부하 대비 냉방 기간 부하의 값이 더 커지고, 그와 동시에 피크 부하 또한 냉방 부하가 더 크게 나타나게 되어, 냉방 시 지중으로의 방열에 더 불리한 조건이 형성되게 된다. 이로 인해, 지중 열교환기 용량 또한 Base model에 비하여 시나리오 4-1의 결과가 12.4% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
반면에 시나리오 1-1에서는 지중 열교환기의 용량이 감소하였는데, 이 경우에는 기간 부하의 차이가 증가한 것이 지중 열교환기 설계에 더 유리하게 작용한 것으로 판단된다. 난방 피크 부하가 냉방 피크 부하보다 더 크기 때문에, 난방 피크 부하가 지중 열교환기 용량 결정에 있어 주요한 영향을 미칠 것으로 판단할 수 있다. 냉난방 기간 부하의 차이 증가로 인한 지중 온도의 상승이 난방 피크 부하 발생 시 지중으로부터 채열에 더 유리한 조건으로 만들었다. 즉, 운영 초기에 비해 지중 온도의 상승이 일어났지만, 난방을 위한 채열이 더 용이해졌으므로 지중 열교환기 용량 감축이 가능할 것으로 판단할 수 있다.
다음으로, Base model에 비하여 피크 부하가 증가하고 기간 부하의 불균형 정도가 완화되는 패턴 B에 해당하는 시나리오의 지중 열교환기 설계 결과를 분석했다. 특히, 기간 부하의 불균형 정도가 완화될수록 지중 열교환기 용량이 감소하는 경향을 보였다. 대상 건물은 난방 기간 부하보다 냉방 기간 부하가 월등히 크게 발생하였는데, 건물 외피 설계 요소의 변경으로 인해 난방 기간 부하는 증가하고 냉방 기간 부하는 감소하였다. 그 결과, 난방 기간 부하와 냉방 기간 부하의 차가 감소하여 기간 부하의 불균형 정도가 완화되었다. 냉방이 위주인 건물은 장기간 운영 시 지중 온도가 상승하여 냉방 시 방열에 불리한 환경으로 변화할 수 있는데, 난방 기간 부하의 증가로 인해 채열량이 증가하게 되어 지중 온도의 상승을 지체할 수 있게 된 것으로 판단할 수 있다. 시나리오 3-1, 3-2, 3-3은 피크 부하가 비슷하게 발생했으나 기간 부하의 불균형 정도가 3-2, 3-3, 3-1 순으로 완화되었고, 이 순서대로 지중 열교환기 용량 또한 감소함을 보였다. 이는 난방 시 채열량이 증가하여 냉방 시 방열에 유리한 조건으로 변화하게 되었고, 이로 인해 지중 열교환기 용량 감축이 가능했던 것으로 판단할 수 있다. 그러나 시나리오 2-2의 경우, 기간 부하의 불균형 정도가 가장 완화되었으나 지중 열교환기 용량의 감축 정도는 1.9%로 미미함을 알 수 있다. 이는 난방 피크 부하의 증가로 인한 것이라 예상된다. 냉난방 기간 부하의 불균형 정도가 완화됨에 따라 방열에는 유리하지만 채열에는 불리한 조건으로 변화하였고, 이로 인해 난방 피크 부하 발생 시 충분한 채열량을 확보하기 위해 지중 열교환기 용량이 다른 시나리오 대비 다소 크게 산정된 것으로 판단할 수 있다.
결과적으로 앞선 내용을 종합해보면 건물 냉난방 기간 및 피크 부하의 복합적인 변화를 통해 지중 열교환기 용량 감소가 가능함을 확인할 수 있었다. 기간 부하의 불균형 정도가 심화되어 지중 온도가 상승하더라도, 난방 피크 부하가 크게 발생하는 본 연구의 대상 건물에서는 채열에 유리한 조건으로 변화한 것이기에 지중 열교환기 용량 감축이 가능하였다. 그러나, 기간 부하의 불균형 정도가 완화되더라도 피크 부하가 비교적 크게 증가하는 경우에는 기간 부하의 불균형 완화가 지중 열교환기 용량 감축에는 도움이 되지 않음을 알 수 있다.
본 연구에서는 기간 부하의 밸런싱을 건물 부하 측면에서 고려했으나, 추후에는 지중 부하 측면에서의 접근 또한 필요할 것으로 보인다. 지중 온도의 변화에 직접적인 영향을 미치는 건 지중 열교환기의 채열량과 방열량이기 때문에 채열량과 방열량이 얼마나 균형을 이루고 있고, 그 피크 값이 얼마나 큰 지를 파악하는 것이 지중 열교환기 용량 감축에 있어 중요하다고 판단된다. 이를 위해서는 지중과 지중 열교환기에 대한 동적 열해석의 활용이 필요할 수 있다.
본 연구에서는 지중 열교환기 용량 감축을 위한 측면에서 기간 부하의 불균형 완화에 집중하였다. 히지만, 시나리오 2-2에서 확인할 수 있듯이, Base model 대비 냉난방 기간 부하의 합이 증가하여 지열 히트펌프 시스템의 에너지 소비량이 증가할 것으로 예상되는 경우도 발생할 수 있다. 지중 열교환기 용량 감축을 통하여 시스템의 초기 설치 비용의 절감이 가능하지만, 에너지 소비량의 증가로 인한 운영 비용의 과다 지출을 예상할 수 있다. 따라서, 추후에는 초기 설치 비용과 운영 비용을 모두 포함하는 경제성 관점에서의 건물 냉난방 부하 변화를 통한 지중 열교환기 용량 감축의 유용성에 대해서도 분석이 필요할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 외피 설계 요소 조정에 따른 지중 열교환기 용량 감축의 유용성을 검증하고, 이를 통해 지중 열교환기 용량 감축에 효과적인 부하 변화 패턴을 분석하고자 하였다. 미국 시카고 지역에 위치한 중규모 사무소 건물을 대상으로 연구를 진행하였다. 건물의 냉난방 부하 산출에는 EnergyPlus 7.2.0을 이용하였고, 산출된 냉난방 부하를 기반으로 GLHEPro 5.0.4를 이용하여 지중 열교환기를 설계하였다. 건물의 냉난방 기간 및 피크 부하는 건물 외피 설계 요소의 변경을 통해 변화시켰다. 이를 통해 변화한 부하를 피크 부하의 증감률과 기간 부하의 불균형 완화 정도에 따라 냉난방 부하 변화 패턴을 분류하였으며, 부하의 변화 패턴에 따라 지중 열교환기 용량 산정에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구의 결과에 따르면, 피크 부하가 다소 증가하더라도 냉난방 기간 부하의 불균형을 완화하는 것이 대체적으로 지중 열교환기 용량 감축에 도움이 됨을 확인할 수 있었다. 또한, 대상 건물의 난방 피크 부하가 감소하여 지중 열교환기 용량 감축이 기대되는 시나리오의 경우, 기간 부하의 불균형이 심화됨으로 인하여 지중 열교환기 용량이 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 지중 열교환기 설계에 있어 피크 부하의 영향력이 크긴 하지만, 기간 부하의 불균형 완화 또한 큰 영향력을 가진다는 것을 위 결과로부터 유추할 수 있다.
그리고 이러한 피크 부하와 기간 부하의 적절한 변화를 위해서는 건물에 적합한 건물 설계 변수의 조정과 이를 위한 분석 또한 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 대상 건물은 피크 부하 관점에서는 난방 부하가 지배적이고, 기간 부하 관점에서는 냉방 부하가 지배적인 패턴을 가지고 있는데, 일사 조절을 통한 냉방 부하의 저감이 지중 열교환기 용량 감축에 효과적인 방안임을 확인할 수 있다. 기존 연구에서 분석하였듯, 난방 부하가 지배적인 건물의 경우에는 외벽의 단열 성능을 향상하는 것이 지열 히트펌프의 경제적인 설계에 더 도움이 되었으나, 본 연구에서 다룬 사무소 건물의 경우에는 창문의 단열 성능 향상이 지중 열교환기 용량 증가를 야기하는 것으로 나타났다. 이로부터 건물의 냉난방 피크 및 기간 부하의 패턴에 따라서 지중 열교환기 용량 감축에 효과적인 부하 변화 양상이 다를 것으로 판단할 수 있으며, 따라서 지중 열교환기 용량 감축을 위해 부하의 변화를 고려한다면 이러한 관점에서의 부하 분석이 반드시 수행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 건물의 냉난방 부하를 기준으로 부하가 변화하는 경우에 관해 논하였으나, 향후에는 지중 부하 관점에서의 분석 또한 필요할 것으로 보인다. 또한, 기간 부하의 불균형 완화로 지중 열교환기 용량 감축을 달성할 수 있다고 하더라도 냉난방 기간 부하의 총합이 증가하는 경우에는 운영 비용이 증가할 수 있다. 따라서, 부하의 변화로 인해 예상되는 지중 열교환기 설치 비용의 절감 정도와 지열 히트펌프 시스템의 운영 비용을 포함하는 종합적인 관점에서의 경제성 분석 또한 부하 변화를 통한 지중 열교환기 용량 감축의 유용성을 검증하기 위하여 수행되어야 할 것으로 판단된다. 마지막으로, 부하 변화를 통한 지중 열교환기 설계의 실질적인 적용을 위해서는 부하 산정의 불확실성에 관한 분석 또한 필요할 것으로 판단된다.
