CFD를 이용한 기상청 지중온도의 地中熱源 유효성에 관한 연구 [피트의 외기온도 저감효과를 중심으로] = Effectiveness on Soil Temperature of KMA as Ground Heat Source Using CFD Simulation [Focused on Decreased Temperature of Fresh Air in the Pit]
Despite its classification of renewable energy source, the cool pit system which utilizes ground source heat, its implementation confronts major difficulties due to the lack of sufficient data required at the beginning of schematic phase. Therefore, during architectural planning process, in order to apply cool-pit system using ground heat source, one would need to establish a basic data set of soil temperature in reference to KMA's soil temperature existing database.
The current research measured the experiment data of decreased external temperature of the cool-pit system in operation in two time intervals: one in mid-season (May) and the other in summer season (July). And based on this experiment, one could establish CFD model in relation to ground source heat behavior. Also, the weather datas including ground temperature provided by KMA were applied to CFD simulation in order to verify its validity.
The results of the research on application of KMA's weather data soil temperature and ground source heat CFD model of cool-pit system are as followings.
① The effectiveness of decreased temperature between the period of mid season(May) and the period of summer season (July) was greater proportionally to higher external temperature. During mid-season, a decrease of 2.1℃ was recorded between the highest external temperature and the highest temperature around the air exhaust area of the pit in times of the greatest heat exchange activity. During summer season, given the identical pre-condition, one could remark the temperature decrease of 6.3℃.
② The modeling for the ground heat source CFD simulation was analyzed, for the simplest and the most prompt evaluation method, in grid formation of 260,000 cells and 1000,000 cells. The analysis of the modeling by 260,000 cells gave out temperature difference within the pit of 0.96℃ and 0.06, and 1.23℃~0.08℃ for the 1,000,000 cells. Also, the temperature measured around pit's exhaust fan, which effectuate pre-cooling after undergoing heat exchange of the ground source heat, differed by 0.33℃ for the 260,000 cells and 0.27℃ for the 1,000,000 cells from the actually measured data.
③ The difference(tolerance) between the experiment data and the result of the CFD simulation within the pit was 0.2℃~0.6℃(1.0%~3.1%) for the mid season and 0.4℃~2.1℃(1.6%~7.3%) for the summer season. This tolerance near the pit's exhaust fan as recorded for 0.6℃(3.1%) during mid season and 0.8℃(3.3%) for the summer season.
④ The difference(tolerance) between the actually measured data and the result of the CFD simulation using KMA's weather data within the pit was 0.7℃~2.3℃(3.3%~9.5%) for the mid-season and 0.5℃~2.9℃(2.0%~12.1%) for the summer season. This tolerance near the pit's exhaust fan as recorded for 1.9℃(10.7%) during mid season and 1.1℃(4.5%) for the summer season.
The method of CFD application on the effectiveness of fresh air temperature decrease, proposed in current research, was only able to evaluate the result of temperature decrease around pit's exhaust area and air-intake of the compressor. Thus, one may conclude that the analysis of different relationships among the depth of the ground heat source, liquid containment, and the air current distribution within the pit, humidity variables of and , could not be included in this research.
Therefore, a more thoroughly in depth research, which verifies the validity of the establishment of CFD models in consideration of characteristics of variables which directly concerns performance evaluation of ground sources heat system and boundary conditions between ground heat and the pit, is required.
This research has established ground heat source modeling using CFD and analysed the effectiveness of temperature decrease in application of KMA's weather data. In consequence, one may hope to effectively utilize un-used energy of the ground heat through the proposed cool-pit system, which pre-heat and pre-cool natural air current, for the sustainable architecture.
지중열원을 이용한 쿨피트시스템은 냉방열원으로 활용 할 수 있는 신재생에너지 임에도 불구하고 초기 설계단계에서 충분한 자료 제공이 없어 적용하지 못하고 있는 실정이다. 그러므로, 건축계획시 지중열원을 이용한 쿨피트시스템을 적용하기 위해서는 설계단계에서의 기상청 기후자료의 지중온도를 이용하여 간편하게 지중열원에 대한 기초 자료 제공이 필요하다.
본 연구는 실제 가동중인 쿨피트시스템에 대한 외기온도 저감효과를 중간기(5월)와 하절기(7월)로 구분하여 실측하였고, 실측 자료를 근거로 지중열원에 대한 CFD 모델을 구축하였다. 또한, 기상청 기후자료의 지중온도 등을 활용한 CFD 시뮬레이션을 실시하여 그 유효성을 검증하였다.
쿨피트시스템에 대한 지중열원 CFD 모델 구축과 기상청 기후자료 지중온도의 활용에 관한 연구의 결과는 다음과 같다.
① 쿨피트시스템의 중간기(5월)와 하절기(7월)에 외기온도 저감효과는 외기온도가 높을 수록 저감효과가 비례적으로 증가되는 것으로 분석되었다. 중간기에는 외기 최고온도 기준 대비 지중열교환이 최고치인 피트 배기 부근의 최고온도를 비교하여 2.1℃ 가 저감되었고, 하절기에 중간기와 동일한 조건으로 비교하여 6.3℃ 가 저감되는 것으로 확인하였다.
② 지중열 CFD 시뮬레이션을 위한 모델 구축은 격자 형성을 간편하고 신속한 평가방법을 위하여 26만셀 & 100만셀로 구분하여 분석하였다. 26만셀의 결과치로 피트내에서의 온도차는 0.96℃~0.06 이며, 100만셀의 결과치로 피트내에서의 온도차는 1.23℃~0.08℃로 분석되었다. 또한, 피트의 지중열교환후 외기온도 저감효과를 통하여 예냉효과를 실현하는 피트 배기부근에서의 온도 결과로서 실측치 대비 26만셀에서의 온도차는 0.33℃이며 100만셀에서의 온도차는 0.27℃로 분석되었다.
③ 중간기의 측정에 의한 실측치와 CFD 시뮬레이션에 의한 결과치와 하절기의 측정에 의한 실측치와 CFD 시뮬레이션에 의한 결과치에 대한 분석 결과는 피트내에서의 온도차(오차율)는 중간기에 0.2℃~0.6℃(1.0%~3.1%), 하절기에 0.4℃~2.1℃(1.6%~7.3%) 로 분석되었다. 피트 배기부근의 온도차(오차율)는 중간기에 0.6℃(3.1%), 하절기에는 0.8℃(3.3%)로 분석되었다.
④ 중간기의 측정에 의한 실측치와 기상청 기후자료 지중온도 등을 활용한 CFD 시뮬레이션에 의한 예측치와 하절기의 측정에 의한 실측치와 기상청 기후자료 지중온도 등을 활용한 CFD 시뮬레이션에 의한 예측치에 대한 분석 결과는 피트내에서의 온도차(오차율)는 중간기에 0.7℃~2.3℃(3.3%~9.5%), 하절기에 0.5℃~2.9℃(2.0%~12.1%) 로 분석되었다. 피트 배기부근의 온도차(오차율)는 중간기에 1.9℃(10.7%), 하절기에는 1.1℃(4.5%)로 분석되었다.
본 연구에서 제시한 지중열원을 이용한 외기온도 저감효과에 대한 CFD 활용 기법은 피트 배기와 콤프레샤 급기 부분의 온도 저감에 대한 결과만을 평가하였으나, 지중의 깊이와 수분함량 그리고 피트내의 기류분포, 습도, 및 값 등의 변수 변화에 대한 상관관계를 분석하지 못한 것이 본 연구의 한계로 판단된다.
따라서 추후 연구과제로는 본 연구에서 지중열원 시스템의 성능평가와 관련하여 지중과 피트내의 경계조건에 대한 변수 특성을 고려하고 CFD 모델 구축에 관하여 유효성을 심도 깊게 검증하는 등의 연구가 요구된다.
본 연구는 CFD를 이용하여 피트의 지중열원 모델을 구축하였으며, 피트의 지중열원 CFD 모델을 이용하여 기상청 기후자료 지중온도 등을 활용한 외기온도 저감효과를 분석하였다. 지중열 미사용에너지를 쿨피트 시스템으로 예열 및 예냉을 활용한 지속가능한 건축물의 활성화에 기여할 수 있기를 바랍니다.
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