경사형 순환 지열히트펌프 설계인자 최적화 = Optimization of Design Variables for Inclined Closed-Loop Geothermal Heat Pump

국문 초록 (Abstract)

지열히트펌프는 지중의 안정적인 온도를 활용하여 높은 효율을 달성할 수 있는 냉난방 기술로, 지중 열교환기 설치 각도에 따라 수직형, 수평형, 경사형으로 나뉜다. 일반적으로 활용되는 수직형 및 수평형 지열히트펌프는 설치 공간에 따른 제약이 커서 적용 확대에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 경사형 지열히트펌프가 활용될 수 있다. 이때, 경사형 지열히트펌프의 성능 및 경제성은 지중 순환 유체의 속도, 열교환기 길이, 개수 및 각도와 같은 설계 인자 값에 따라 달라진다. 따라서 본 연구에서는 경사형 지열히트펌프의 경제성을 향상시키기 위하여 설계 인자의 최적화를 수행하였다.
이를 위해 지중 열교환기 시스템을 모사하는 수치 해석 모델을 개발하고, 지중 열교환기 길이와 각도, 지중 순환 유체 속도, 채움재 열전도도, 전기 비용을 주요 변수로 설정하여 성능 및 비용에 대한 영향을 분석하였다. 인자 영향 분석 결과, 지중 순환 유체 속도, 지중 열교환기 길이 및 각도에 대한 총 비용 곡선은 아래로 볼록한 형태를 보여 최적값의 존재와 탐색의 필요성을 시사하였다. 또한, 채움재 열전도도의 증가는 총 비용을 감소시켰으며, 보다 높은 열전도도를 갖는 채움재 소재 개발의 필요성을 나타냈다.
개발된 수치 해석 모델을 기반으로 입자군집최적화 기법을 적용하여 경사형 지열히트펌프 설치 및 20년 운영의 총 현재 비용을 최소화하는 최적 인자 조합을 도출하였다. 최적화 결과로 최적 해는 기본 모델 대비 지열히트펌프 비용을 10.68%만큼 감소시켰다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ground‐source heat pump (GSHP) systems utilize the stable underground temperature to achieve high heating and cooling efficiency and can be classified into vertical, horizontal, and inclined configurations depending on the installation angle of the ground heat exchanger. However, conventional vertical and horizontal GSHPs face significant spatial limitations in densely populated areas due to the large installation surface area. Inclined GSHPs can serve as an effective alternative to overcome these spatial constraints. The performance and economic feasibility of inclined GSHPs, however, are strongly affected by design variables such as circulating fluid velocity, ground heat exchanger length and inclination angle, and the number of heat exchangers. Therefore, this study aims to enhance the economic performance of inclined GSHP systems through optimization of key design parameters.
A numerical model was developed to simulate heat transfer in the ground heat exchanger, and the effects of major parameters including ground heat exchanger length and inclination angle, circulating fluid velocity, grout thermal conductivity, and electricity price were analyzed. The parametric analysis revealed that the total cost curves with respect to circulating fluid velocity, ground heat exchanger length, and inclination angle exhibited convex shapes, implying the existence of optimal values and the need for optimization. In addition, increasing grout thermal conductivity continuously reduced the total cost, indicating the importance of developing grout materials with higher thermal conductivity.
Based on the developed numerical model, a particle swarm optimization (PSO) algorithm was applied to identify the optimal combination of design parameters that minimizes the total present value of installation and 20 years of cooling operation. The optimal solution reduced the total cost by 10.68% compared to the base model.

목차 (Table of Contents)

• 초 록 i
• 목 차 ii
• 표 목차 iv
• 그림 목차 v
• 제１장 서 론 1
• 제２장 연구 방법론 7
• 2.1 경사형 지열히트펌프 수치 해석 모델 구축 8
• 2.1.1 모델 도메인 및 지오메트리 8
• 2.1.2 지배 방정식 9
• 2.1.3 격자 생성 10
• 2.2 최적화 11
• 2.2.1 최적화 목적함수 11
• 2.2.2 최적화 기법 이론: 입자 군집 최적화 16
• 2.2.3 최적화 전체 과정 16
• 제３장 결 과 18
• 3.1 지중 열교환기 조건 18
• 3.2 도메인 재료 물성 19
• 3.3 초기 및 경계 조건 19
• 3.4 비용 조건 22
• 3.5 격자 모델링 22
• 3.6 해석 조건 27
• 3.7 기본 모델 결과 28
• 3.8 설계 인자 영향 분석 30
• 3.8.1 설계 인자 영향 분석 설정 30
• 3.8.2 설계 인자 영향 분석 결과 31
• 3.9 최적화 46
• 3.9.1 최적화 설정 46
• 3.9.2 최적화 결과 50
• 제４장 결 론 54
• 참고 문헌 57
• 부록 A. 입자군집최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 61
• 부록 B. COMSOL Multiphysics 63
• B.1 격자 생성 방법 63
• B.2 시뮬레이션 자동화 환경 구축 64
• 부록 C. 지열히트펌프 시스템의 열역학적 이론 68
• 부록 D. 냉방 부하 71
• Abstract 74