CFD 시뮬레이션을 이용한 모듈형 지중열교환기의 성능 인자 검토

• Published in: 설비공학 논문집, 32(7) Vol. 32; no. 7; pp. 334 - 339
• Main Authors: 김권예(Kwon Ye Kim), 김재민(Jae Min Kim), 남유진(Yujin Nam)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.07.2020
• Subjects: 기계공학; Modular ground heat exchanger(모듈형 지중열교환기); Ground heat exchange rate(지중열교환량); Ground heat exchanger(지중열교환기); Ground source energy(지중열원); Computational fluid dynamics(전산유체역학)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2020.32.7.334

본 연구에서는 소규모 건축물에서의 지열시스템 도입 활성화를 위해 모듈러 지중열교환기를 제안하고 CFD 해석을 통한 설계 인자 영향도 분석을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 저심도 모듈러 지중열교환기는 일반적인 수직밀폐형 지중열교환기에 비해 낮은 심도에서 채열 및 방열을 하므로 외기온의 변화에 따른 열원 온도 변화가 상대적으로 크며 파이프 단위 길이당 채열량 또한 낮다. (2) 난방의 경우, 외기온도 10℃, 입수온도 0℃의 조건에서 10.87 W/m의 연속 채열이 가능하며, 평균 입수온도가 낮을수록 외기온도가 높을수록 더 많은 지중에서의 채열이 가능함을 확인하였다. (3) 외기온도가 0℃ 이하인 경우, 지중으로부터의 채열은 연속적으로 어려울 수 있으나, 지중온도 회복 여부에 따라 채열 성능이 개선될 수 있는 만큼 향후 비정상 계산을 통한 재검토가 필요하다. 본 논문에서는 모듈형 지중열교환기의 성능과 설계 인자에 대한 상호 관계성을 확인하기 위해 정상상태 해석을 수행하였으나, 운전 시간이나 지중온도 회복에 대한 영향을 고려하지 못한 한계점이 있다. 향후, 외기온의 변화, 운전시간 변화 등을 고려한 비정상 계산을 수행하여 보다 정확한 결과를 도출할 예정이다. 또한, 실증 실험 및 시뮬레이션 정확도 검증을 실시함과 동시에 저심도 모듈형 지중열교환기의 간이 설계를 위한 모델식을 개발하여 실제 설계에 활용할 계획이다. Recently, as a measure for global warming, zero energy building has become a major issue as a means of conserving energy and reducing carbon emission in the building. In this situation, the focus on renewable energy systems has intensified as well as ongoing technology development. Especially, the ground source heat pump system (GSHP) attains high efficiency by using the annual stable ground temperature. However, it is difficult to introduce it in small-scale buildings because of initial investment costs, such as excavation costs and the installation of the GSHP. In this study, the performance factors of the low-depth modular heat exchanger were reviewed for the development of the ground heat exchanger that is relatively inexpensive and can respond to small-scale buildings compared to the vertical type ground heat exchanger. Assuming an underground heat exchanger is installed in the ground, an analytical model was built and the circulating water temperature was calculated by using the CFD program. Additionally, to find out the factors affecting the performance of the low-depth ground heat exchanger, the prediction of heat exchange rate was performed. KCI Citation Count: 1