지열원 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기 설계를 위해 수행하는 현장 열응답 시험은 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 조건 변화에 따른 출구온도 예측이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 수직형 지중 열교환기의 열전달 성능을 예측하기 위한 방안으로 3차원CFD 해석 기법을 제안하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도와 기울기 값을 비교하여 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하였다. CFD 해석 결과, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 이내에서 예측하였고, 기울기 값은 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 이를 통해 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 각각 ${\pm}20%$ 변화시키면서 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다. 첫 번째 현장(Case 1)의 경우 유량 변화에 따라 $28.0^{\circ}C$(-20%)와 $29.6^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.6^{\circ}C$(-20%)와 $28.0^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였으며, 두 번째 현장(Case 2)의 경우 유량 변화에 따라 $28.4^{\circ}C$(-20%)와 $29.8^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.7^{\circ}C$(-20%)와 $28.4^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 각각 예측하였다.
지열원 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기 설계를 위해 수행하는 현장 열응답 시험은 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 조건 변화에 따른 출구온도 예측이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 수직형 지중 열교환기의 열전달 성능을 예측하기 위한 방안으로 3차원 CFD 해석 기법을 제안하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도와 기울기 값을 비교하여 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하였다. CFD 해석 결과, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 이내에서 예측하였고, 기울기 값은 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 이를 통해 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 각각 ${\pm}20%$ 변화시키면서 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다. 첫 번째 현장(Case 1)의 경우 유량 변화에 따라 $28.0^{\circ}C$(-20%)와 $29.6^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.6^{\circ}C$(-20%)와 $28.0^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였으며, 두 번째 현장(Case 2)의 경우 유량 변화에 따라 $28.4^{\circ}C$(-20%)와 $29.8^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.7^{\circ}C$(-20%)와 $28.4^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 각각 예측하였다.
The in-situ thermal response test for the design of a ground heat exchanger of geothermal heat pumps have difficulty in predicting the outlet temperature according to the variation of conditions due to the expense and time. This paper suggests a 3-D CFD analysis method to predict the heat transfer p...
The in-situ thermal response test for the design of a ground heat exchanger of geothermal heat pumps have difficulty in predicting the outlet temperature according to the variation of conditions due to the expense and time. This paper suggests a 3-D CFD analysis method to predict the heat transfer performance of vertical type ground heat exchanger, which is mostly used in national, and the outlet temperature and the slope of two in-situ thermal response tests were compared to test the proposed CFD reliability. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature was predicted to within $0.5^{\circ}C$ of the actual value and the slope was predicted to within 1.6%. The reliability of the CFD analysis method was confirmed using this process, and the outlet temperature prediction of the two in-situ thermal response tests was obtained by changing ${\pm}20%$ of the flow rate and the effective thermal conductivity conditions, respectively. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature of Case 1 was 28.0 (-20%) and $29.6^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.6^{\circ}C$ (-20%) and $28.0^{\circ}C$ (+20%) for the effective thermal conductivity variation, and the outlet temperature of Case 2 was 28.4 (-20%) and $29.8^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.7^{\circ}C$(-20%) and $28.4^{\circ}C$(+20%) for the effective thermal conductivity variation.
The in-situ thermal response test for the design of a ground heat exchanger of geothermal heat pumps have difficulty in predicting the outlet temperature according to the variation of conditions due to the expense and time. This paper suggests a 3-D CFD analysis method to predict the heat transfer performance of vertical type ground heat exchanger, which is mostly used in national, and the outlet temperature and the slope of two in-situ thermal response tests were compared to test the proposed CFD reliability. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature was predicted to within $0.5^{\circ}C$ of the actual value and the slope was predicted to within 1.6%. The reliability of the CFD analysis method was confirmed using this process, and the outlet temperature prediction of the two in-situ thermal response tests was obtained by changing ${\pm}20%$ of the flow rate and the effective thermal conductivity conditions, respectively. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature of Case 1 was 28.0 (-20%) and $29.6^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.6^{\circ}C$ (-20%) and $28.0^{\circ}C$ (+20%) for the effective thermal conductivity variation, and the outlet temperature of Case 2 was 28.4 (-20%) and $29.8^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.7^{\circ}C$(-20%) and $28.4^{\circ}C$(+20%) for the effective thermal conductivity variation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
2개소의 실험 현장에 대한 모델링은 매설된 지중 열교환기와 지중을 반(half)으로 단순 형상화하여 대칭(symmetry) 조건을 사용하였다. 지중 열교환기의 주변 열환경을 분석하고 표현하기 위해 지중을 직경 10m, 깊이는 각각 155m(Case 1), 205m(Case 2)의 반(half) 원기둥 형태로 형상화하였고, 그 중심에 지중 열교환기를 모델링하였다.
3) 현장 열응답 시험의 유량 조건을 기준 대비 ±20%변화시켜 CFD를 수행한 결과, Case 1의 경우 28.0℃(-20%)와 29.6℃(+20%)로 예측하였고, Case 2의 경우 28.4℃(-20%)와 29.8(+20%)로 예측하였다.
4) 현장 열응답 시험의 지중 유효 열전도도 조건을 기준 대비 ±20% 변화시켜 CFD를 수행한 결과, Case 1의 경우 29.6℃(-20%)와 28.0℃(+20%)로 예측하였고, case 2의 경우 29.7℃(-20%)와 28.6℃(+20%)로 예측하였다.
CFD 해석 결과의 신뢰성을 확인하기 위해 2.5절의 물성치와 경계조건을 이용하여 CFD 해석을 수행하였다. Fig.
CFD 해석 결과의 신뢰성을 확인한 후, 현장 열응답시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 기준 대비±20%로 각각 변화시켜 CFD를 수행한 후 조건변화에 따른 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다.
본 연구에서는 대칭조건을 이용한 3차원 CFD 해석 기법을 제안하여 직경 및 깊이가 서로 다른 2개소의 수직형 지중 열교환기 현장 열응답 시험과의 정확성을 비교· 평가하고, 현장 열응답 시험에서 유량변화 및 지중 유효 열전도도 변화에 따른 지중 열교환기의 출구온도를 각각 예측하였다.
본 연구에서는 대칭조건을 이용한 3차원 CFD 해석 기법을 제안하여 직경 및 깊이가 서로 다른 2개소의 수직형 지중 열교환기의 현장 열응답 시험과의 정확성을 비교·평가하고, 현장 열응답 시험에서 유량변화 및 지중 유효 열전도도 변화에 따른 지중 열교환기의 출구온도를 예측하였으며, 연구결과는 다음과 같다.
시간에 따른 지중 열교환기 입구온도는 2개소의 현장 열응답 시험을 통해 측정된 입구온도를 profile로 작성하여 CFD 해석에 사용하였다.
현장 열응답 시험장비는 열원(히터), 순환펌프, 온도 및 소비전력 측정장치, 데이터 로거로 구성된다. 시험 방법은 지중에 U자형 지중 열교환기를 설치하고 지중 열교환기 내에 순환유체인 물을 주입한다. 펌프를 가동하여 열교환기 내의 이물질 및 공기를 완전히 제거한다.
2개소의 실험 현장에 대한 모델링은 매설된 지중 열교환기와 지중을 반(half)으로 단순 형상화하여 대칭(symmetry) 조건을 사용하였다. 지중 열교환기의 주변 열환경을 분석하고 표현하기 위해 지중을 직경 10m, 깊이는 각각 155m(Case 1), 205m(Case 2)의 반(half) 원기둥 형태로 형상화하였고, 그 중심에 지중 열교환기를 모델링하였다. 형상 모델링은 격자생성 프로그램인 GAMBIT 2.
2개소 현장 열응답 시험에서 지중 열교환기를 순환하는 작동유체는 물이 사용되었다. 지중의 밀도와 비열은 일반적 암석의 평균값을 물성치로 설정하였고, 지중의 열전도도는 Table 2에서와 같이 2개소의 현장 열응답 시험을 통해 얻은 지중 유효 열전도도를 사용하였으며, Table 3과 같다.
대상 데이터
2개소 현장 열응답 시험에서 지중 열교환기를 순환하는 작동유체는 물이 사용되었다. 지중의 밀도와 비열은 일반적 암석의 평균값을 물성치로 설정하였고, 지중의 열전도도는 Table 2에서와 같이 2개소의 현장 열응답 시험을 통해 얻은 지중 유효 열전도도를 사용하였으며, Table 3과 같다.
2개소의 현장 열응답 시험 결과를 Table 2에 나타내었다. 48시간 동안 시험 데이터를 취득하였고, 작동유체의 입․출구온도 평균값과 시간을 선형화한 방정식의 기울기는 Case 1이 1.8781, Case 2가 1.8151이었다. 지중 유효 열전도도의 값은 Kelvin의 선형 열원 모델을 적용하여 단순화된 선형 방정식을 사용하여 계산하였으며, Case 1이 2.
첫 번째 현장(Case 1)은 충남에 위치하고, 지중 열교환기 매설 깊이는 150m, 관경은 32mm이다. 두 번째 현장(Case 2)은 강원도에 위치하고, 매설 깊이는 200m, 관경은 40mm이다. 2개소 모두 HDPE 재질의 열교환기를 사용하였으며, Table 1과 같다.
첫 번째 현장(Case 1)은 충남에 위치하고, 지중 열교환기 매설 깊이는 150m, 관경은 32mm이다. 두 번째 현장(Case 2)은 강원도에 위치하고, 매설 깊이는 200m, 관경은 40mm이다.
1에 현장 열응답 시험의 개략도를 나타내었다. 현장 열응답 시험장비는 열원(히터), 순환펌프, 온도 및 소비전력 측정장치, 데이터 로거로 구성된다. 시험 방법은 지중에 U자형 지중 열교환기를 설치하고 지중 열교환기 내에 순환유체인 물을 주입한다.
이론/모형
상용코드인 FLUENT 6.3.35를 사용하여 CFD 해석을 수행하였으며, 비정상 유동에 대한 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식 그리고 k-epsilon 난류 모델을 이용하였다.
수직형 지중 열교환기를 최적 설계하기 위해 지중 유효 열전도도를 정확하게 산정한 후 설계에 적용하는데, 실무적으로 현장 열응답 시험(In-Situ Thermal Response Test)을 수행하고 시험결과를 선형 열원 모델(Line-Source Model)로 해석하는 방법으로 얻게 된다[1].
지중 유효 열전도도를 산정하기 위한 이론으로 선형 열원 모델을 적용하였으며 식 (1)로 나타낼 수 있다.
지중 유효 열전도도의 값은 Kelvin의 선형 열원 모델을 적용하여 단순화된 선형 방정식을 사용하여 계산하였으며, Case 1이 2.53, Case 2는 2.41 [W/m · K]을 얻었다.
지중 열교환기의 주변 열환경을 분석하고 표현하기 위해 지중을 직경 10m, 깊이는 각각 155m(Case 1), 205m(Case 2)의 반(half) 원기둥 형태로 형상화하였고, 그 중심에 지중 열교환기를 모델링하였다. 형상 모델링은 격자생성 프로그램인 GAMBIT 2.2.30을 이용하였다. Case 1의 경우 35만개, Case 2의 경우 50만개의 격자로 구성되었으며, 격자의 skewness는 0.
성능/효과
1) 현장 열응답 시험의 3차원 열전달 유동에 대해 제안한 CFD 해석 기법을 이용하여 수직형 지중 열교환기에 대해 적절히 모사할 수 있음을 확인하였다.
2) CFD 해석 결과 2개소의 지중 열교환기 출구온도는 0.5℃ 범위 내에서 예측하였고, 기울기는 1.6%이내에서 적절히 예측함을 보였다.
지중 열교환기 출구온도는 지열원 히트펌프 COP 및 지중 열교환기 길이 설계에 중요한 인자로, 지중 유효 열전도도가 높은 경우 지중으로부터의 흡열량과 지중으로의 방열량에 대한 회복이 상대적으로 빠르기 때문에 지열원 히트펌프 시스템의 성능이 증가하여 지중 열교환기의 길이를 줄일 수 있으므로 설치비용을 절약할 수 있음을 확인할 수 있다.
현장 열응답 시험 결과와 CFD 결과값 비교를 통해 본 연구에서 제안한 3차원 수직형 지중 열교환기 해석 기법이 높은 신뢰성을 갖는 것으로 판단할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지열원 히트펌프 시스템은 무엇으로 구분되는가?
지열원 히트펌프 시스템은 지중을 히트싱크(heat sink) 또는 열원(heat source)으로 이용하여 건물 냉․난방에 필요한 에너지를 공급하는 시스템으로, 지중의 토양을 이용하는 밀폐형 시스템과 지하수를 이용하는 개방형 시스템으로 구분된다.
지열원 히트펌프 시스템은 무엇인가?
지열원 히트펌프 시스템은 지중을 히트싱크(heat sink) 또는 열원(heat source)으로 이용하여 건물 냉․난방에 필요한 에너지를 공급하는 시스템으로, 지중의 토양을 이용하는 밀폐형 시스템과 지하수를 이용하는 개방형 시스템으로 구분된다.
밀폐형 지열원 히트펌프 시스템에 사용되는 수직형 지중 열교환기는 어떻게 시공되는가?
국내에서는 주로 수직형 지중 열교환기를 사용하는 밀폐형 시스템이 이용되고 있다. 수직형 지중 열교환기는 수직으로 천공된 보어홀(borehole)에 지중과 열교환을 위한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 재질의 U자형 열교환기를 삽입한 후, 열교환기와 보어홀 벽면 사이의 빈 공간을 그라우팅 재료(grouting material)를 채워 시공한다. 여기서 수직형 지중 열교환기는 전체 지열원 히트펌프시스템의 성능과 초기 투자비를 결정하는 중요한 요소 중 하나이다.
참고문헌 (6)
S. K. Yim, "The Practical Study of Geothermal Heat Pump System", 2002-N-GE11-P-030, 2005.
Y. B. lee, S. I. Cho, C. H. Kang, I. K. Jung, C. G. Lee, J. H. Sung, S. O. Chung, Y. B. Kim, "Analysis of Heat Transfer Characteristics in Soil for Development of a Geothermal Heat Exchanger System", Korean Society for Agricultural Machinery, Vol. 30, No. 3, pp. 185-191, 2005.
S. S. Kim, "A Study on the Heat Pump System by using Geothermal Energy", Gyeongsang National University, Doctoral dissertation, 2010.
S. W. Woo, J. H. Kim, S. H. Shin, K. I. Hwang, "The Comparison of the EWT&LWT between Field Measurement and CFD of Vertical-type Geothermal Heat Exchanger", Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 3, No. 1, pp. 11-16, 2007.
S. K. Lee, J. S. Woo, D. K. Kim, "A Study of Determining Initial Ignoring Time of Line Source Model used in Estimation the Effective Soil Formation Thermal Conductivities", Journal of Energy Engineering, Vol. 17, No. 3, pp. 167-174, 2008.
K. Torikoshi, G. N. Xi, "Numerical study of flow and thermal fields in finned tube heat exchangers", Proceedings of the IMECE, HTD-317-1, pp. 453-458. 1995.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.