This study presents a numerical simulation model of energy pile in unsaturated soil condition. Conjugated heat transfer through a vertical ground heat exchanger was simulated with three dimensional finite elemental analysis using transient conductive heat transfer model. Intermittent operation mode was modeled to be a forced convective heat boundary conditions which represented the convective heat transfer of circulating fluid. To take into account the unsaturated ground condition, non-homogeneous soil thermal conductivity and heat capacity, which vary with depth above the ground water table, were applied to the ground elements using a three phase model. The developed model was validated with an analytical infinite line source model. The results of comparison analysis show that there is a limitation of analytical model to predict the performance of intermittent operation mode because of big difference due to steady-state borehole assumption of analytical solution within few hours. However, the numerical results showed relatively good agreement with the analytical solution after few hours. Parametric studies with various ground water table conditions were also conducted to investigate the influence of unsaturated soil conditions on the performance of the ground heat exchanger. Simulation results considering unsaturated soil showed up to 40 percent drop of mean heat exchange rate compared to that for saturated soil condition. These results indicate that taking the unsaturated soil condition into account can provide more accurate design and performance evaluation for operation of vertical ground heat exchangers.
본 연구에서는 불포화 지반 조건을 고려한 에너지 파일의 수치 해석 모델이 소개되었다. 수직형 지중 열교환기의 복합적인 열흐름을 묘사하기 위하여 비정상 전도 열흐름을 고려한 3차원 유한 요소 모델이 사용되었다. 간헐 운전 모드는 순환 열유체의 대류 현상을 고려한 강제 대류 경계 조건으로 표현되었다. 지반의 불포화 조건을 고려하기 위하여 지반의 지하수위 위쪽에서 깊이에 따라 변화하는 지반열전도도와 체적 비열이 삼상 모델로 구현되어 지반 요소에 적용되었다. 개발된 모델은 무한 선형 열원의 해석해와 비교 검증 되었다. 비교 해석 결과 수시간 내의 해석 시간 내에서는 해석해의 정상 보어홀 가정 사항으로 인하여 수치해와 해석해와의 큰 차이를 나타내었다. 하지만 수 시간의 해석 시간이 경과한 후에는 두 결과 값이 비교적 일치하는 값을 보였다. 불포화 지반 조건이 지중열교환기의 성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 개발된 모델을 이용한 매개 변수 해석이 수행되었다. 해석 결과 불포화 지반 조건을 고려시 지반이 포화되었을 경우에 비교하여 약 40%의 성능 감소를 나타냄을 알 수 있었다. 이 결과로부터 불포화 지반 조건을 고려하는 것이 지중 열교환기의 성능 평가 및 설계시 보다 정확한 결과를 제공할 수 있음을 알 수 있었다.
