In recent years, utilization of geothermal energy for buildings has increased significantly. In the geothermal energy systems, open loop system shows better efficiency than closed loop system because of direct heat exchange with underground water or surface water. However technical and institutional standardization for design of the open loop system has not been established currently. This paper presents the result of numerical study on design of the Standing Column Well(SCW).
The GLHEPro is the typical program for design of SCW in Korea. But it has several problems without considering convection, advection, bleeding, etc. And most of the cases exhibit error due to the simplification of the ground heat exchanger. This study evaluated effectiveness of design method of SCW by using a numerical program(COMSOL Multiphysics) and a simulation function of the GLHEPro. The result of numerical study is similar to the real Thermal Response Test(TRT) result, but the EWT(Entering Water Temperature) of TRT estimated by GLHEPro is higher than the real data. This can be explained by the fact that GLHEPro uses the calculation method of closed loop system for concentric tube. Therefore the design method of using GLHEPro will result in an excessive length of ground heat exchanger which is longer than actually we need.
The improved design method uses a real volumetric heat capacity of ground and a calculated borehole thermal resistance obtained by the numerical study. Along with the change of volumetric heat capacity, the gap of an effective thermal conductivity of the ground is 18.9% and that of design length is 15.5%. And a calculated borehole thermal resistance by numerical study decreases about 45% from it calculated by the existing design method on average. By using this method we can design more accurate length of heat exchanger. The improved design method can reduce length of SCW ground heat exchanger about 4.7%.
신.재생에너지 중 지열 에너지는 다른 에너지원에 비해 가장 효율적이고 친환경적인 에너지로써 해마다 생산량이 증가하고 있다. 지열 냉난방 시스템 중 개방형 시스템은 지하수 또는 지표수와 직접 열교환을 하기 때문에 밀폐형 보다 상대적으로 효율이 높다고 평가받고 있다. 하지만 개방형 시스템은 다양한 지반환경 요소들로부터 영향을 받기 때문에 정확한 설계가 어렵다. 아직까지 개방형 지중 열교환기에 대한 제도적·기술적 표준화가 미흡하며, 정확한 설계 방법 개발을 위한 연구들이 진행 중이다. 본 연구에서는 개방형 지열 시스템 중 우리나라에서 가장 보편적으로 사용하는 우물 관정형 지중 열교환기에 대하여 GLHEPro를 이용한 현행 설계 방법에 대한 문제점을 분석하였다. 그리고 수치해석과 GLHEPro 시뮬레이션을 통해 기존 설계 방법의 실효성을 평가하였으며, 개선된 설계 방법을 제시하고 개선 전·후를 비교하였다.
우리나라에서 우물 관정형 지중 열교환기를 설계할 때 사용하는 대표적인 설계 프로그램인 GLHEPro는 밀폐형 지중 열교환기만 설계할 수 있는 프로그램이므로 개방형 지중 열교환기에서의 대류나 이류 현상 등 을 제대로 고려하지 못한다. 그리고 GLHEPro로 설계 시 구성 요소들의 단순화 및 생략 적용에 따른 오차발생으로 정확한 설계가 어렵다. 또한 GLHEPro에서는 블리딩(bleeding)에 대한 설계적용이 불가한 문제점이 있다.
상용 수치해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 GLHEPro 시뮬레이션 기능을 이용한 현장 열응답 시험의 EWT(Entering Water Temperature) 산출 방법을 검증하였다. GLHEPro 시뮬레이션 기능을 이용하여 총 4개 사례들에 대한 현장 열응답 시험의 EWT를 산출하였으며, 수치해석으로 구한 EWT 및 실제 데이터와 비교·분석하였다. 수치해석 결과는 대체로 실제 EWT와 거의 일치한 반면, GLHEPro로 산출된 EWT는 실제 보다 높게 산출되었다. 그 이유는 GLHEPro가 밀폐형으로 EWT를 산출하기 때문에 상대적으로 열전달이 더 작게 일어나기 때문인 것으로 예상된다. 그러므로 GLHEPro를 이용한 우물 관정형 지중 열교환기 설계는 실제 필요한 열교환기 길이보다 더 길게 과도한 설계가 될 것으로 예상된다.
개선된 설계 방법은 실제 지반의 용적열용량 적용과 수치해석을 통한 보어홀(borehole) 열저항 산정 및 적용이다. 용적열용량이 변화함에 따라 지반의 유효 열전도도가 약 18.9%, 설계 길이가 약 15.5% 정도 변동되었다. 일반적으로 우리나라에서는 우물 관정형 지중 열교환기 설계 시 임의로 약 $2350-2615 kJ/K\cdot m^{3}$ 정도를 적용한다. 하지만 용적열용량의 변화에 따라 지반의 유효 열전도도와 설계 길이가 변하는 것을 고려했을 때 실제 지반의 용적열용량을 적용해야 정확한 설계가 가능하다고 판단된다. 또한 수치해석으로 산출된 보어홀 열저항이 기존 설계 방법으로 구한 값보다 45% 정도 작게 나타났다. 그 이유는 GLHEPro에서는 밀폐형인 동심이중관형(Concentric Tube)으로 산출하기 때문에 수치해석 보다 상대적으로 크게 산출되는 것으로 예상된다. 그러므로 수치해석을 통해 보어홀 열저항을 산출하여 설계에 적용하는 것이 더욱 정확할 것이다. 실제 사례들을 대상으로 개선 전·후를 비교한 결과 개선된 방법에 의한 설계 길이가 개선 전 보다 약 4.7% 정도 감소하였다.
