상세 시뮬레이션 기반 지중열교환기 최적 설계 방법에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

지열원 히트펌프 시스템은 지중의 안정적인 온도를 이용하는 냉난방 겸용 고효율 신재생에너지 시스템이다. 지열원 히트펌프 시스템은 건물, 히트펌프, 지중열교환기의 세 가지 루프로 구성되며 시스템의 안정적인 운용을 위해서는 지중열 교환기 길이를 적절하게 설계해야 한다.
일반적으로 지중열교환기의 설계는 지중열교환기의 용량 또는 지중 순환수의 유입온도(EWT)등의 단일 결과 값만을 제공하는 지중열교환기 설계 프로그램을 이용하여 수행된다. 그러나 설계 프로그램을 이용한 지중열교환기의 설계 작업은 건설 프로젝트의 설계 단계에서 수행되는 비용에 대한 고려와 각 설계안에 대한 비교 및 의사결정, 그리고 향후 이어지는 상세설계 및 해석 등의 작업과는 별도로 진행하여야 한다는 번거로움이 있다. 또한, 주거 밀도와 건폐율이 높은 지역에서는 지중열교환기를 설치 할 공간이 부족하다는 문제점이 있어 다양한 배열 형태 및 설계 대안에 대한 검토가 필요하지만, 단일 솔루션만을 제공하는 설계 프로그램은 이러한 결과를 제공하기에 충분하지 않다.
본 연구에서는 동적 에너지 해석 목적으로 고안된 상세 시뮬레이션 프로그램 및 최적화 방법론을 이용한 지중열교환기 설계 방법을 제안하고자 한다. 프로젝트 여건에 적합한 다수의 설계 대안을 도출하고 비용에 대한 고려 및 의사결정 지원이 가능하도록 유전자 알고리즘을 이용하여 다목적 최적설계를 수행하였으며, 상세 설계 목적으로 사용 가능한 단일목적 최적설계를 수행하였다. 이러한 일련의 과정은 상세 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 17(Transient system simulation ver. 17)의 플랫폼 내에서 수행되었으며, 지중열교환기의 다양한 배열 형태를 반영하고자 수정 DST(Duct Storage)모델을 사용하였다.
본 연구의 결과를 통해 제안된 설계 방법은 각 설계 대안에 대한 정량적인 비교 및 기술적인 의사결정을 지원할 수 있을 것으로 판단되며, 최적화된 지중열교환기의 설계 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 상세 시뮬레이션 프로그램의 특성 및 장점을 활용하면 향후 다양한 설비 시스템과의 연동 해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Ground-source heat pump systems (GSHP) are high efficiency renewable energy systems for both heating and cooling that uses stable ground temperatures over years. The GSHP system is consisted of three loops: building, heat pumps, and ground heat exchangers. In order to stably operate the system, the ground heat exchangers must be properly sized.
Generally, the sizing of the ground heat exchanger was performed by using a ground loop design program. They provides only a single solution, such as the total length of ground heat exchangers or the entering water temperature (EWT) to heat pumps. In such a case, the sizing process of the GSHP system should be separately performed in a design stage to carry out cost calculations, comparison of alternative sizing scenarios, decision making, and detailed simulation. In addition, in a high density urban area, there is a lack of space to install the ground heat exchangers, so a variety of configurations and design alternatives need to be considered.
One of the appropriate approaches is a detailed simulation based optimization methodology. In this study, we propose a sizing method for ground heat exchangers using a detailed simulation program in conjunction with optimization methodologies. To derive a number of design alternatives and consider the cost and support the decision making simultaneously, a multi-objective optimization sizing method was performed. Then, a single-objective optimization sizing that can be used for detailed ground heat exchanger design purposes was performed.
This process was implemented in the platform of the detailed simulation program TRNSYS 17 (Transient system simulation ver. 17) and a modified DST (Duct Storage) model was used to consider various arrangements of ground heat exchangers.
The results of this study show that the proposed sizing method can support quantitative comparison of each design alternative and technical decision making. In addition to providing an optimal design solution for ground heat exchangers, it is possible to further perform a whole system analysis with the same simulation project.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 ⅰ
• Abstract ⅲ
• 목 차 ⅴ
• 표 목차 ⅶ
• 그림 목차 ⅷ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 2
• 제 2 장 지중열교환기 설계에 관한 예비적 고찰 6
• 2.1 지중열교환기 설계 인자 6
• 2.2 선행연구 조사 7
• 제 3 장 수정 Duct Storage(DST) 모델 10
• 3.1 트랜시스 DST 모델 10
• 3.2 DST모델의 비정형 배열 해석 방법 11
• 3.3 Equivalent borehole spacing 13
• 3.4 파라미터 최적화를 통한 회귀식 수립 18
• 제 4 장 다목적 최적화 알고리즘을 이용한 지중열교환기 최적 설계안 도출 25
• 4.1 Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II 26
• 4.2 지중부하 및 동적 COP 계산 28
• 4.3 GSHP 시스템의 생애주기비용 산정 30
• 4.4 다목적 최적화 시뮬레이션 32
• 제 5 장 단일목적 최적화 알고리즘을 이용한 지중열교환기 최적설계 37
• 5.1 단일목적 최적화 알고리즘 37
• 5.2 TRNOPT 최적화 시뮬레이션 39
• 5.3 시뮬레이션 결과 비교 41
• 제 6 장 결 론 44
• 참 고 문 헌 46
• 부 록 53