GHX Zonal Model을 이용한 지중 열교환기 단면 해석 모델 개발

Abstract

최근 환경의 중요성이 높아지면서 건물에서 사용하는 에너지 절감에 대한 관심이 높아져 신재생 에너지 시스템의 적용 사례가 증가하고 있다. 지열 에너지는 신재생 에너지 중에서 연중 안정적인 효율을 기대할 수 있는 에너지원으로 각광받고 있으며 건물의 냉난방 시스템에 주로 적용되고 있다. 지열 에너지 시스템은 지중 열교환기와 히트펌프, 분배장치와 말단기기 등으로 구성되며 지중 열교환기는 지열 에너지 시스템의 열성능을 결정하는 주요 부분이다. 지중 열교환기의 열성능 해석을 위해 다양한 해석 이론이 제안되었으며, 해석 이론을 바탕으로 많은 상용 프로그램이 개발되었다. 상용 프로그램은 그 목적에 따라 설계 및 연구용으로 분류되며 설계용으로 사용하는 프로그램의 경우, 간단한 이론을 적용하여 해석함으로써 구체적인 정보가 부족한 설계 단계에서 지중 열교환기의 길이 및 개수를 산정하기에 적합하지만 지중의 축열 현상이나 보어홀 간 발생하는 열간섭 현상을 반영할 수 없다. 연구용 상용 프로그램은 수치해석을 이용하여 지중의 온도를 계산하고 정밀한 해석이 가능하지만 요구하는 입력값이 많고 해석 소요 시간이 길어 다양한 상황에 대한 분석을 수행하기에 어렵다. 따라서 본 연구에서는 지중 열교환기 해석 노드 수를 줄임으로써 해석에 소요되는 시간을 줄이면서도 지중 열교환기에서 발생하는 열전달을 충분히 반영하여 정밀한 해석이 가능한 2차원 동적 해석 모델을 제안하였다. 지중 열교환기 해석 모델은 보어홀 내부를 해석하는 모델을 먼저 제안하여 해석 그리드의 타당성을 검증한 후, 지중을 포함하는 지중 열교환기 단면 모델을 제안하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 해석의 타당성을 검증하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 지중 열교환기의 정밀한 동적 열성능 해석을 위해 지중 열교환기에서 발생하는 열전달 현상을 분석하고 열성능에 영향을 미치는 인자를 도출하였다. 지중 열교환기에서 발생하는 열전달은 수평적 열전달 및 수직적 열전달로 나눌 수 있으며, 정밀한 해석을 위해 수평적 열전달을 다시 보어홀 내부에서 발생하는 열전달 및 보어홀과 지중 사이에서 발생하는 열전달로 분류하여 해석 모델을 제안하였다.

(2) 보어홀 내부에서 발생하는 열전달은 유체와 지중 사이에 발생하는 열전달 현상과 보어홀 내부에 위치한 파이프 간 발생하는 열간섭 현상으론 나누어지며 이를 고려할 수 있는 보어홀 내부 해석 모델인 Circular pattern GHX zonal model과 Square GHX zonal model을 제안하였다.

(3) 보어홀 내부에서 확산되는 열전달 현상을 반영하여 동심원 패턴을 적용한 Circular pattern GHX zonal model과 직교 좌표계를 적용하여 해석이 가능하도록 정사각형으로 형상을 치환하는 Square GHX zonal model을 제안하고 비주얼 스튜디오 2010을 이용하여 시뮬레이션 모델로 구현하였다. 2차원 과도 열해석이 가능한 PHYSIBEL Bistra 프로그램을 이용하여 두 모델간의 해석 노드 설정 및 해석의 정밀성을 비교, 검증하여 Square GHX zonal model이 지중 열교환기 단면 열해석에 더욱 타당함을 확인하고 지중을 포함하는 지중 열교환기 단면 해석 모델인 GHX zonal model로 제안하였다.

The Ground Heat Exchanger (GHX) is the main part of the geothermal system. As the thermal performance of GHX determines the thermal performance of the whole geothermal system, a proper thermal performance analysis is needed to improve the thermal efficiency of the whole system and to avoid economic losses caused by inefficient operation or improper capacity of GHX. For accurate dynamic thermal performance analysis, various heat transfer mechanisms occurring on the GHX section should be applied to the thermal analysis. Because the temperature on the GHX section is constantly changing over time through heat exchange with the ground, heat flux generated in GHX and the thermal efficiency of the GHX can be calculated over time. Therefore, an exact temperature distribution of the GHX section is important for accuracy.

Existing theories for the analysis of GHX use either a method of simplifying the GHX section or a numerical analysis method. The simplified GHX model is inadequate for dynamic analysis, as it does not consider heat interference between the two pipes located in the borehole or the thermal effect of the grout in a GHX section. On the other hand, a detailed analysis method using numerical analysis such as a finite element method (FEM) or a finite volume method (FVM) can provide a more accurate dynamic thermal analysis of GHX, but is very time-consuming. Therefore, new dynamic thermal analysis model for the GHX section is required that not only consider the heat transfer mechanism occurring on the section but can also reduce analysis time.

In this study, two types of GHX zonal model are suggested for a 2-dimensional calculation model that analyzes inside the borehole boundary while considering the heat transfer mechanisms occurring on the GHX section ; Circular pattern GHX zonal model and Square GHX zonal model. A control volume in the Circular pattern GHX zonal model is defined according to each component material of the GHX section and the heat transfer mechanism. The circular pattern inside the borehole considers the heat transfer from the pipes to the ground without change of simulation shape. Using the fact that the area of the Square GHX zonal model is equivalent to that of the GHX section, we can suggest a simple analysis grid and calculation method with rectangular coordinates.

The results from simulation using the GHX zonal model are validated with the PHYSIBEL program to verify the temperature of the nodes. The Bistra program is one of the PHYSIBEL programs used for a 2-dimensional transient thermal analysis. Dynamic thermal analysis under the same conditions is conducted and we find that the result from Square GHX zonal model demonstrates the similar tendency as PHYSIBEL. But the mean temperature of Circular pattern GHX zonal model has dropped rapidly in the first hour compared to other two models and maintained slightly higher.

Comparing the results from the Square GHX zonal model and the Circular pattern GHX zonal model, the Square GHX zonal model is more accurate for calculating temperature and has a simple methodology for defining the analysis grid. It is easy to connect boreholes with the ground and has simple and clear methodology to generate the analysis grid and to calculate temperature.