그룹 운전 및 비정형 배열 해석을 위한 FLS 기반 지중열교환기 모델 개발

초록

본 연구에서는 지열 히트펌프 시스템의 성능에 크게 영향을 끼치는 부하 불균형을 대응하고자 다양한 배열과 공별 및 그룹 운전이 가능한 FLS기반 모델을 개발하였다. 개발한 모델과 동일 조건으로 TRNSYS에 내장된 DST 모델 결과를 비교하였고 지중열교환기 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT를 중심으로 분석하였다. 분석결과, 두 모델의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 평균 오차는 각각 0.11℃, 0.06℃로 차이가 거의 없는 것으로 확인하였다. 또한 DST 배열뿐만 아니라, I자형 배열을 구현하여 시뮬레이션을 진행하였고 시간이 지남에 따라 두 배열의 평균 벽면 온도(Tb)와 EWT의 차이가 점차 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 다양한 배열에 따라 열교환 효율을 높일 수 있는 적절한 설계에 대한 필요성을 확인하였다. 공별 특성을 알 수 없고 병렬운전만 모사할 수 있는 DST 모델의 한계를 극복하고자 공별 온도 추출 및 공별 계산이 가능한 제안하는 FLS 모델을 활용하여 중앙에 위치한 지중열교환기와 바깥에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT를 확인하였다. 바깥에 위치한 지중열교환기에 비해 중앙에 위치한 지중열교환기의 평균 벽면 온도(Tb) 및 EWT는 각각 최대 1.67℃, 0.84℃로 더 높게 나타났다. 이는, 중앙에 위치한 지중열교환기가 열간섭을 심하게 받았기에 나타난 결과임을 알 수 있었고 이러한 해석 결과를 바탕으로 다양한 공별 혹은 존별 운전 방안을 통해 지중온도 변화에 효과적으로 대응할 수 있음을 예측할 수 있었다. 지열 히트펌프 시스템을 안정적이며 장기적으로 높은 COP를 유지하며 사용하기 위해선 현재까지 구현한 FLS 기반 모델을 토대로 장기 시뮬레이션을 통한 최적화 엔지니어링이 필요하며 하이브리드 열원을 조합한 공별 및 그룹 운전 제어 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 사료된다.

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