Abstract
The in-situ thermal response test for the design of a ground heat exchanger of geothermal heat pumps have difficulty in predicting the outlet temperature according to the variation of conditions due to the expense and time. This paper suggests a 3-D CFD analysis method to predict the heat transfer performance of vertical type ground heat exchanger, which is mostly used in national, and the outlet temperature and the slope of two in-situ thermal response tests were compared to test the proposed CFD reliability. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature was predicted to within $0.5^{\circ}C$ of the actual value and the slope was predicted to within 1.6%. The reliability of the CFD analysis method was confirmed using this process, and the outlet temperature prediction of the two in-situ thermal response tests was obtained by changing ${\pm}20%$ of the flow rate and the effective thermal conductivity conditions, respectively. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature of Case 1 was 28.0 (-20%) and $29.6^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.6^{\circ}C$ (-20%) and $28.0^{\circ}C$ (+20%) for the effective thermal conductivity variation, and the outlet temperature of Case 2 was 28.4 (-20%) and $29.8^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.7^{\circ}C$(-20%) and $28.4^{\circ}C$(+20%) for the effective thermal conductivity variation.
지열원 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기 설계를 위해 수행하는 현장 열응답 시험은 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 조건 변화에 따른 출구온도 예측이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 수직형 지중 열교환기의 열전달 성능을 예측하기 위한 방안으로 3차원 CFD 해석 기법을 제안하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도와 기울기 값을 비교하여 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하였다. CFD 해석 결과, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 이내에서 예측하였고, 기울기 값은 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 이를 통해 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 각각 ${\pm}20%$ 변화시키면서 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다. 첫 번째 현장(Case 1)의 경우 유량 변화에 따라 $28.0^{\circ}C$(-20%)와 $29.6^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.6^{\circ}C$(-20%)와 $28.0^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였으며, 두 번째 현장(Case 2)의 경우 유량 변화에 따라 $28.4^{\circ}C$(-20%)와 $29.8^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.7^{\circ}C$(-20%)와 $28.4^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 각각 예측하였다.
