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문제 정의
- 지중 열교환기는 설치 방식에 따라서 수직형, 수평형, 지표수형, 지하수형으로 구분할 수 있으며 국내의 경우 설치 부지 문제로 수직 밀폐형 지중 열교환기를 주로 사용하고 있다. 본 논문에서는 수직 밀폐형 지중 열교환기의 열전달 거동 예측 및 단면의 형상에 따른 효율 분석을 위해 지중열 교환기와 뒷채움재 그리고 지반간의 열의 이동을 수치해석으로 모사하였다. 지중열 교환기 파이프 내로 유체의 흐름이 존재하는 경우의 열전달 거동 해석을 위해 열전달과 유체의 흐름 간의 연계 모델 해석이 가능한 유한체적해석(FVM) 프로그램인 FLUENT를 이용하여 유입 파이프와 유출 파이프 사이의 이격거리 및 뒷채움재의 종류, 파이프 사이의 단열을 위해 새로 고안된 격자형 파이프 모델에 대한 3차원 수치해석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 지중 열교환기의 HDPE 파이프의 열전달 거동 예측 및 단면의 형상에 따른 효율 분석을 위해 수치해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 지중열 교환기의 열전달 거동을 해석하였다. FLUENT 이용하여 이격거리에 따른 냉방시의 열간섭 효과를 확인하였다.
- 이처럼 온실 가스 배출을 억제하기 위한 국제적인 압력이 더욱 커지고 있고 대부분의 선진국들도 기후변화 방지를 위해 에너지 절약사업과 효율향상 위주로 정책의 틀을 짜고 있으며 신재생에너지(풍력, 지열, 태양광 등), 저탄소연료 사용 확대 등에도 관심을 갖고 적극적으로 추진하고 있다. 화석에너지를 대체할 신∙재생에너지 개발이 요구되는 국제 정세에 맞추어 정부도 신∙재생에너지의 개발 및 보급에 관심을 가지고 이에 대한 연구를 장려하고 있다. 지열에너지는 재생에너지로서 비고갈성이며 환경친화적인 에너지원이다.
가설 설정
- 또한 사용 가능한 격자의 수는 컴퓨터의 성능에 따라 제한을 갖게 되는데 본 연구에서 사용한 지중열 교환기 형상의 경우 수평 방향 길이에 비해 수직 방향의 길이가 상대적으로 길기 때문에 많은 양의 격자를 필요로 한다. 지중 열교환기의 형상을 실제 조건으로 모사하는데 있어 앞서 언급한 바와 같이 격자수의 제한으로 인해 HDPE 파이프의 두께를 고려하기 어렵기 때문에 파이프의 두께가 0mm라 가정하고 형상을 구축하였다. 따라서 해석 시에는 파이프 두께를 고려하지 않은 대신 해석 프로그램이 제안하는 Wall Thickness 기능을 이용하여 파이프 두께를 고려하였다.
- 해석 모델은 파이프와 뒷채움재, 지반 등을 포함하여 1707764개의 요소로 구성되었다. 파이프를 순환하는 열유동액의 유입 온도는 25℃(298K)로 적용(냉방모드)하고, 지반과 보어홀의 온도에 관한 초기조건은 지반과 보어홀의 지하 5m 이하의 지중 온도는 대기온도에 거의 영향을 받지 않으며 연중 약 12-15℃를 유지하므로 해석에서는 12℃으로 가정하였다. 그라우트재로는 시멘트를 사용하였고, 보편적인 지반 조건을 가정하여 지반정수를 입력하였다.
- 해석에 적용한 HDPE 파이프의 실제 두께는 4.5± 0.3mm의 값을 가지므로 5mm의 두께를 가정하여 해석에 사용하였다.
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