수치해석법을 이용한 개방형 지열 시스템의 최적 설계법에 관한 연구 :

조정흠

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조정흠 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 남유진

발행연도: 2016

저작권: 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

수치해석법을 이용한 개방형 지열 시스템의 최적 설계법에 관한 연구

조정흠 건축공학과 2016.01 학위논문

2014

개방형 지열 시스템의 최적 설계를 위한 수치해석 수법 개발에 관한 연구

조정흠 , 김풍용 , 남유진 대한설비공학회 학술발표대회논문집 2014.06 학술대회자료

개방형 지열 시스템(Two-Well)의 최적설계법을 위한 수치시뮬레이션

조정흠 , 김풍용 , 황석호 외 1명 대한건축학회 학술발표대회 논문집 2014.04 학술대회자료

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건축물에 활용되는 다양한 신재생에너지 이용 기술 중에서 태양광, 태양열, 바이오매스 등의 기타 신재생에너지원과 비교하여 시스템 효율이 높고 건축물의 냉난방 부하에 안정적으로 대응할 수 있는 지열 히트펌프 시스템(Ground Source Heat Pump systems, GSHPs)이 주목받고 있다. 지열 히트펌프 시스템은 연간 항온성을 유지하는 지중열(지하수)을 열원으로 이용하는 시스템으로서, 대표적으로 지중열을 간접적으로 이용하는 밀폐형 시스템(Closed-loop system)과 지하수를 열원으로 직접 이용하는 개방형 시스템(Open-loop system)으로 구분된다. 그 중 개방형 시스템은 열원인 지하수와 직접 열교환하므로 밀폐형 시스템과 비교하여 단일 관정깊이 당 에너지 이용 효율이 높으며, 동일 용량 대비 초기투자비용이 적은 경제성 있는 시스템이라고 할 수 있다. 특히, 건축물이 고층화됨에 따라 대용량 냉난방부하에 대응하기 위해서는 시스템 용량 대비 천공개수가 적고, 공간의 활용도가 높은 개방형 시스템을 설치하는 것이 초기투자비용 뿐만 아니라 에너지 절감효과를 높일 수 있다. 하지만, 개방형 시스템은 도입 지반조건 및 지하수 수리조건에 따라 시스템 성능 및 시공비가 크게 좌우되는 단점이 있다. 또한, 지하수를 열교환매체로 사용함에 따라 지하수 고갈 및 오염에 대한 우려와 인식 부족 등으로 밀폐형 시스템에 비하여 국내 도입이 미비한 상태이다.
지하수를 열원으로 직접 이용하는 개방형 지열시스템의 성능은 밀폐형 시스템에 비해 지반 및 지하수 수리조건, 관정간 이격거리, 대수층 유무, 양수량 조건 등의 다양한 설계인자에 큰 영향을 받으므로 정량적 분석에 근거한 설계 가이드라인의 제시가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 복수정(Two-well)을 이용한 개방형 지열시스템을 대상으로 3D 모델링을 실시하고 지중열 및 지하수 이동 동시해석 시뮬레이션을 수행하였다. 수치해석 결과를 통하여 복수정 시스템의 설계인자별 열원수 온도 변화 및 시스템 채열 성능을 분석하였으며, 해석결과를 바탕으로 복수정 시스템의 도입 타당성을 평가하였다. 또한 본 연구의 수치해석 결과를 토대로 복수정을 이용한 개방형 지열시스템의 설계인자별 최적 설계법을 제시하고자 한다.

1. 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구범위 및 방법 4
2. 개방형 지열시스템 6
2.1 국내 지하수 및 지반의 열적수리적 특성 6
2.2 개방형 지열시스템의 개요 8
2.2.1 개방형 지열시스템의 정의 8
2.2.2 복수정(Two-well) 시스템 10
2.2.3 SCW(Standing Column Well) 시스템 13
2.2.4 국내외 연구동향 15
2.3 개방형 지열시스템의 국내외 가이드라인 19
2.3.1 국내 가이드라인 19
2.3.2 국외 가이드라인 22
3. 해석수법 검토 및 수치모델 검증 26
3.1 개방형 지열시스템의 해석수법 검토 26
3.1.1 지중열 및 지하수 이동 해석수법 28
3.1.2 지중채열량 예측 시뮬레이션 30
3.2 지중채열량 예측 해석 모델링 검증 32
3.2.1 수치해석 모델 조건 32
3.2.2 수치해석 모델 타당성 검토 35
4. 수치해석을 이용한 지중채열량 예측 38
4.1 지중채열량 예측 시뮬레이션 모델 38
4.1.1 지중채열량 예측 해석 조건 38
4.1.2 열원수 온도 및 지중채열량 해석결과 43
4.2 지반조건에 따른 최적설계안 검토 82
4.2.1 화강암 조건에서의 최적설계 82
4.2.2 지반 투수계수 조건을 고려한 최적설계 92
4.2.3 Case Study를 통한 최적설계 검토 97
5. 시스템 도입 타당성 분석 101
5.1 도입 타당성 분석 개요 101
5.2 초기투자비용 및 연간운전비용 산정 102
5.2.1 초기투자비용 산정 102
5.2.2 연간운전비용 산정 111
5.3 시스템 도입 타당성 분석 실시 116
6. 결론 121
참고문헌 125
부록 131
Abstract 140

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