탄소중립 달성을 위해 건물에서도 화석연료의 감축이 요구되고, 이로 인해 재생 에너지로의 전환이 진행되고 있다. 지열원은 비교적 안정적으로 에너지를 공급할 수 있다. 하지만 일반적으로 사용하는 수직형 지중열교환기를 사용한 지열히트펌프를 이용하기위한 설치비용이 적지 않아 주로 공공시설 및 대형 빌딩에서 사용되고 있다. 이런 설치비용의 문제점을 보완하기위해 직선형이 아닌 지중열교환기의 표면적을 증가시키는 형태의 지중열교환기들이 연구되고 있다.
본 연구에서는 매트형 수평형 지중 열교환기를 적용가능성을 평가하기 위해 Energyplus 시뮬레이션 및 실험을 통해 수평형 지중열교환기의 열적 성능을 평가하였으며, 시뮬레이션을 통해 난방기에 건물에 적용할시 매트형 수평형 지중열교환기와 사용하기에 적절한 건물의 용도 및 말단 시스템의 조합과 각 조합의 에너지소모량을 비교 및 분석하였다.
시뮬레이션 적용을 위해 매트형 지중열교환기 모델링을 진행하였다. 이 모델을 통해 인천지역에서의 바닥복사난방과 히트펌프로 이루어진 간단한 시스템의 겨울철 난방에 대한 시뮬레이션을 진행했을 때 매트형 지중열교환기 하나의 모듈(20 개의 모세유관)의 흡열량을 도출하였다.
매트형 지중열교환기 모델을 검증하기 위해 방열량을 Energyplus 시뮬레이션과 실험을 비교하였다. 우선 지중 온도 모델은 trial-anderror 방식으로 시뮬레이션에 필요한 토양의 파라미터를 도출하였다. Energyplus 시뮬레이션으로 겨울철 매트형 지중열교환기의 모듈(20개의 모세유관)당 최대 방열량은 약 124W이고 이때 지중열교환기를 순환하는 유체의 입·출구 온도차는 약 1.6℃였다. 이를 실제로 구축한 테스트셀에서 실험을 진행했을 때 방열량은 124W, 온도차는 동일하였다. 이는 트렌치 배관이 외기에 노출되어 손실되는 열량을 고려하지 않는다면 거의 일치하는 수치를 보였다.
검증된 모델을 통해 매트형 지중열교환기를 사용했을 때 적절한 건물의 용도 및 난방방식을 찾기 위해 시뮬레이션을 진행했다. 사무용 건물과 FCU, 주거용 건물과 바닥난방을 커플링 했을 때의 경우를 설정하여 진행했다. 기본적으로 두 경우의 난방 시간이 달라 직접적인 비교가 어렵지만, 심야전기를 이용해 온수를 만든다고 하였을 때, 주거용 건물에서의 히트펌프 에너지 소모가 적었다. 그리고 외기보상제어를 적용하여 에너지소모의 추가적인 감소와 지중온도하락을 줄일 수 있었다. 이는 지중열교환기의 설계 길이의 감소로 이어지며, 수평형 지중 열교환기들의 소요면적의 감소로 이어진다. 그러므로 매트형 수평형 지중열교환기를 이용하는 지열히트펌프는 주거용으로 바닥복사난방 방식에 외기보상제어를 사용하는 시스템과 커플링하여 사용하는 것이 적절하다.