KR102162892B1 - Modeling and size computing method of Vertical Borehole Heat Exchangers in Ground-coupled heat pump systems - Google Patents

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Abstract

지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 용량 산정방법이 개시된다.
본 발명의 일례에 의한 지중열교환기가 U자형 배열, L자형배열, I자형배열 및 속이 빈 사각형배열 중 어느 하나의 비정형 배열구조를 가지는 지열히트펌프 시스템에서의 지중열교환기 용량산정방법은, 상기 비정형 배열구조를 가지며, 지중열교환기가 삽입되는 보어홀들 간의 최단거리인 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 배열되는 대상 배열구조에서, 상기 대상 배열구조를 구성하는 대상 보어홀들의 개수(N) 및 상기 대상 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 대상 보어홀들 간의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 산출하고, 원형 단면에 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되고, 상기 대상 배열구조와 보어홀들의 개수(N) 및 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 적용한 원통형 배열구조를 구성하고, 상기 원통형 배열구조를 구성하는 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고 보어홀들 간의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 산출하는 제1단계와; 동일한 보어홀 개수를 가지는 상태에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 차이가 최소화되도록 하여 상기 대상 배열구조를 상기 원통형 배열구조로 변환하는 경우에 적용될 보어홀 간격값을, 수정 보어홀 간격값(Bopt)으로 하여 산출하는 제2단계와; 상기 수정 보어홀 간격값(Bopt)을 이용하여 상기 대상 배열구조의 용량인 지중 축열조의 부피(V)를 산출하는 제3단계를 구비한다.Disclosed is a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger having an irregular arrangement in a geothermal heat pump system.
The underground heat exchanger capacity calculation method in a geothermal heat pump system having an irregular arrangement of any one of a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, an I-shaped arrangement, and a hollow square arrangement according to an example of the present invention In a target arrangement structure that has an arrangement structure and is arranged so that the borehole spacing (B), which is the shortest distance between the boreholes into which the underground heat exchanger is inserted, is the same, the number of target boreholes constituting the target arrangement structure (N) and Define the center coordinate values (Xi, Yi) of each of the target boreholes, calculate the sum of the target distances (S t ), which is the sum of the distances between the target boreholes, and a plurality of boreholes are arranged in a circular cross section and at the center The located borehole is surrounded by six boreholes separated by the same distance (B), and the borehole closest to the boundary is arranged with three boreholes separated by the same distance (B), and the target arrangement structure and the boreholes are Construct a cylindrical array structure in which the number (N) and borehole spacing (B) are equal to each other, and define the center coordinate values (Xi, Yi) of each of the boreholes constituting the cylindrical array structure, and A first step of calculating a reference distance sum (S d ) which is a sum of distances; The borehole spacing value to be applied in the case of converting the target array structure to the cylindrical array structure by minimizing the difference in the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) in the state of having the same number of boreholes, the modified borehole spacing value (B a second step of calculating with opt ); And a third step of calculating the volume ( V ) of the underground heat storage tank, which is the capacity of the target array structure, using the modified borehole spacing value (B opt ).

Description

지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 용량 산정방법{Modeling and size computing method of Vertical Borehole Heat Exchangers in Ground-coupled heat pump systems}Modeling and size computing method of Vertical Borehole Heat Exchangers in Ground-coupled heat pump systems

본 발명은 지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 모델링 방법 및 이를 통한 용량 산정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원통형 배열 구조 이외에 사각형, U 자형, L 자형, I 자형 배열구조 등의 비정형 배열구조를 가지는 지중열교환기의 용량을 최적화 알고리즘을 이용하여 산정할 수 있는 지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 용량 산정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a modeling method of an underground heat exchanger having an atypical arrangement structure in a geothermal heat pump system and a capacity calculation method through the same, and in more detail, in addition to a cylindrical arrangement structure, a square, U-shaped, L-shaped, I-shaped arrangement, etc. The present invention relates to a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger having an irregular arrangement structure in a geothermal heat pump system that can calculate the capacity of an underground heat exchanger having an irregular arrangement structure using an optimization algorithm.

일반적으로 지열 히트펌프 시스템은 지중열교환기와 히트펌프를 포함하고, 지중열교환기로부터의 지중 열원을 흡수 또는 방출하며 히트펌프와 연계된 건물에 대해서 냉방 및 난방을 수행하는 공기조화기이다. 지열 히트펌프 시스템은 냉방 시에는 건물 내의 열을 지중으로 방출하고, 난방 시에는 지중의 열을 흡수하여 건물 내로 공급함으로써 냉방 및 난방 운전을 행한다.In general, a geothermal heat pump system is an air conditioner that includes an underground heat exchanger and a heat pump, absorbs or discharges an underground heat source from the underground heat exchanger, and performs cooling and heating for a building connected with the heat pump. The geothermal heat pump system performs cooling and heating operations by releasing heat in a building into the ground during cooling, and absorbing the heat from the ground during heating and supplying it into the building.

이러한 지열 히트펌프 시스템에서 지중열교환기 내부를 순환 후 히트펌프로 유입되는 열매체의 지중열교환기 출구온도(EWT:Entering Water Temperature)는 히트펌프의 성능을 결정하는 주요인자이며, 동일한 지중 부하조건에서도 지중열교환기의 개수 및 배열 간격, 지중 특성에 따라 값이 달라진다. 일반적으로 지중열교환기 출구온도(EWT)의 최대 거동 범위는 시스템 설계자에 의도에 의해 결정되며, 설계 시 최소 10년 이상의 장기간 시스템 운전 조건에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 거동범위가 설계 범위 내에서 유지되는지 파악하는 것이 중요하다. In such a geothermal heat pump system, the EWT (Entering Water Temperature) of the heat medium flowing into the heat pump after circulating the inside of the underground heat exchanger is a major factor that determines the performance of the heat pump. The value varies depending on the number of heat exchangers, the spacing of arrangement, and the characteristics of the ground. In general, the maximum behavior range of the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) is determined by the intention of the system designer, and the behavior range of the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) is within the design range under long-term system operating conditions of at least 10 years at the time of design. It is important to know if it is maintained in the.

지중열교환기를 과잉으로 설계하면 설계자가 정한 지중열교환기 출구온도(EWT)의 최대 및 최소 범위에 동떨어져 설계의도를 반영하지 못하고 초기 투자비 상승을 초래한다. 반면, 지나치게 축소된 길이로 설계하게 되면 지중열교환기 출구온도(EWT)가 설계 범위를 넘어서고 경우에 따라서는 히트펌프 수용 범위를 넘어서 시스템이 제대로 작동하지 않게 되는 문제점을 야기하게 된다.If the underground heat exchanger is designed excessively, it falls outside the maximum and minimum range of the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) set by the designer, which does not reflect the design intention and causes an increase in initial investment cost. On the other hand, if the length is too shortened, the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) exceeds the design range and, in some cases, exceeds the heat pump accommodation range, resulting in a problem that the system does not operate properly.

따라서 장기간 운전 상황에서 지중열교환기의 출구온도(EWT)가 설계 조건에 근접하도록 지열열교환기의 용량을 최적으로 산정하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to optimally calculate the capacity of the geothermal heat exchanger so that the outlet temperature (EWT) of the geothermal heat exchanger approaches the design conditions in a long-term operation situation.

이러한 용량 산정을 위해 Duct Storage 모델(이하 'DST 모델')이 제안된 바 있다. DST 모델은 열확산 방정식의 선형성과 원통좌표계를 이용하여 3차원의 복잡한 열전달 현상을 2차원으로 단순화시켜 계산하도록 고안된 것으로 그 구조의 예가 도 1에 도시된다.For this capacity calculation, a duct storage model (hereinafter referred to as'DST model') has been proposed. The DST model is designed to simplify and calculate a complex three-dimensional heat transfer phenomenon in two dimensions by using the linearity of the thermal diffusion equation and a cylindrical coordinate system, and an example of the structure is shown in FIG. 1.

DST모델은 도 1에 도시된 바와 같이, 모든 경우에 대해 수직밀폐형 지중열교환기의 배열은 원통형인 것으로 가정한다. 즉 원형 단면에 지중열교환기가 삽입설치되는 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되는 것으로 가정한 상태에서, 원통형의 규칙적인 보어홀 배열을 대상으로 지중 열저장 부피인 지중 축열조의 부피를 수치적으로 계산하는 모델이다. In the DST model, as shown in Fig. 1, it is assumed that the arrangement of the vertically enclosed underground heat exchanger is cylindrical in all cases. That is, a plurality of boreholes in which an underground heat exchanger is inserted and installed in a circular cross section are arranged, and the borehole located in the center is surrounded by six boreholes spaced apart by the same distance (B), and the borehole closest to the boundary is the same distance (B). It is a model that numerically calculates the volume of the underground heat storage tank, which is the underground heat storage volume, for a cylindrical regular borehole arrangement, assuming that three boreholes are arranged.

이에 따라, 사용자가 지중열교환기의 개수(N), 간격(B), 깊이(H) 및 수직밀폐형 지중열교환기의 물성치와 지중 열 물성치 값 등을 입력하면 원통형의 배열이 자동으로 형성되며, 지중과의 열전달을 지중 축열조의 부피(VDST) 라는 단순한 파라미터로 계산한다. 지중 축열조의 부피(VDST)는 지중열교환기의 개수(N), 간격(B), 깊이(H) 의 함수이며 사용자가 요구되는 입력값을 입력하면 아래의 수학식과 같이 지중 축열조의 부피(VDST)가 산정 계산되게 된다. Accordingly, when the user enters the number of underground heat exchangers (N), spacing (B), depth (H), and the properties of the vertically enclosed underground heat exchanger and the thermal properties of the ground, a cylindrical arrangement is automatically formed. The heat transfer between and is calculated with a simple parameter called the volume of the underground heat storage tank (V DST ). The volume of the underground heat storage tank (V DST ) is a function of the number of underground heat exchangers (N), the interval (B), and the depth (H), and if the user enters the required input value, the volume of the underground heat storage tank (V DST ) is calculated and calculated.

Figure 112018066723210-pat00001
Figure 112018066723210-pat00001

그러나 DST모델은 본래 지중 축열(BTES, Borehole Thermal Energy Storage) 해석 모델로 고안되었기 때문에 원통형 배열구조를 가지는 경우에만 적용이 가능하여 원통형 배열구조만을 해석할 수 있다는 한계점이 있다. However, since the DST model was originally designed as a borehole thermal energy storage (BTES) analysis model, it can be applied only when it has a cylindrical array structure, so it has a limitation that it can only analyze a cylindrical array structure.

대한민국 등록특허공보 제10-0955393호(2010.04.21.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-0955393 (2010.04.21.)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 용량 산정방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger having an irregular arrangement structure in a geothermal heat pump system capable of overcoming the above-described conventional problems.

본 발명의 다른 목적은 원통형 배열구조가 아닌 비정형 배열구조를 가지는 경우에도 간편하게 용량을 산정할 수 있는 지열 히트펌프 시스템에서 비정형 배열 구조를 가지는 지중열교환기의 용량 산정방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger having an atypical arrangement structure in a geothermal heat pump system that can easily calculate the capacity even when it has an irregular arrangement instead of a cylindrical arrangement.

본 발명의 목적은 상술한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기한 목적의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 지중열교환기가 원통형 배열구조가 아닌 U자형 배열, L자형배열, I자형배열 및 속이 빈 사각형배열을 포함하는 비정형 배열구조를 가지는 지열히트펌프 시스템에서의 지중열교환기 용량산정방법은, 상기 비정형 배열구조를 가지며, 지중열교환기가 삽입되는 보어홀들 간의 최단거리인 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 배열되는 대상 배열구조에서, 상기 대상 배열구조를 구성하는 대상 보어홀들의 개수(N) 및 상기 대상 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 아래의 [수학식 1]을 이용하여 대상 보어홀들 간의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 산출하고, 원형 단면에 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되고, 상기 대상 배열구조와 보어홀들의 개수(N) 및 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 적용한 원통형 배열구조를 구성하고, 상기 원통형 배열구조를 구성하는 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고 아래의 [수학식 1]을 이용하여 보어홀들 간의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 산출하는 제1단계와; 동일한 보어홀 개수를 가지는 상태에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 차이가 최소화되도록 하여 상기 대상 배열구조를 상기 원통형 배열구조로 변환하는 경우에 적용될 보어홀 간격값을 아래의 [수학식 2]를 이용하여 수정 보어홀 간격값(Bopt)으로 하여 산출하는 제2단계와; 상기 수정 보어홀 간격값(Bopt)을 아래의 [수학식 3]에 적용하여 상기 대상 배열구조의 용량인 지중 축열조의 부피(V)를 산출하는 제3단계를 구비한다.According to the embodiment of the present invention for achieving some of the above objects, the underground heat exchanger according to the present invention is not a cylindrical arrangement, but a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, an I-shaped arrangement, and an atypical arrangement including a hollow square arrangement. The method for calculating the capacity of an underground heat exchanger in a geothermal heat pump system having the above is a target arrangement structure in which the borehole spacing (B), which is the shortest distance between the boreholes into which the underground heat exchanger is inserted, is the same. In, the number of target boreholes constituting the target arrangement structure (N) and the center coordinate values (Xi,Yi) of each of the target boreholes are defined, and target boreholes using the following [Equation 1] The target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between them, is calculated, and a plurality of boreholes are arranged in a circular cross section, and the borehole located at the center is surrounded by six boreholes spaced by the same distance (B), and the boundary The adjacent boreholes consist of a cylindrical arrangement in which three boreholes spaced apart by the same distance (B) are arranged, and the target arrangement structure, the number of boreholes (N), and the borehole spacing (B) are the same. , Define the center coordinate values (Xi,Yi) of each of the boreholes constituting the cylindrical array structure, and calculate the sum of the distances between the boreholes (S d ) using the following [Equation 1] A first step and; In the case of converting the target array structure to the cylindrical array structure by minimizing the difference in the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) in the state of having the same number of bores, the following [Equation 2] A second step of calculating a modified borehole spacing value (B opt ) by using; A third step of calculating the volume ( V ) of the underground heat storage tank, which is the capacity of the target array structure, is applied by applying the modified borehole spacing value (B opt ) to the following [Equation 3].

Figure 112018066723210-pat00002
Figure 112018066723210-pat00002

Figure 112018066723210-pat00003
Figure 112018066723210-pat00003

(여기서, b0 = -6.91407010, b1 = 1.69218975, b2 = -0.04428898, b3 = 4.66241132, b4 = -0.61527356, b5 = 0.10019864이다)(Where b 0 = -6.91407010, b 1 = 1.69218975, b 2 = -0.04428898, b 3 = 4.66241132, b 4 = -0.61527356, b 5 = 0.10019864)

Figure 112018066723210-pat00004
Figure 112018066723210-pat00004

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 지중열교환기가 원통형 배열구조가 아닌 U자형 배열, L자형배열, I자형배열 및 속이 빈 사각형배열을 포함하는 비정형 배열구조를 가지는 지열히트펌프 시스템에서의 지중열교환기 용량산정방법은, 상기 비정형 배열구조를 가지며, 지중열교환기가 삽입되는 보어홀들 간의 최단거리인 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 배열되는 대상 배열구조에서, 상기 대상 배열구조를 구성하는 대상 보어홀들의 개수(N) 및 상기 대상 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 아래의 [수학식 1]을 이용하여 대상 보어홀들 간의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 산출하고, 원형 단면에 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되고, 상기 대상 배열구조와 보어홀들의 개수(N) 및 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 적용한 원통형 배열구조에서의 보어홀들 간의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 아래의 [수학식 4]를 이용하여 산출하는 제1단계와; 동일한 보어홀 개수를 가지는 상태에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 차이가 최소화되도록 하여 상기 대상 배열구조를 상기 원통형 배열구조로 변환하는 경우에 적용될 보어홀 간격값을 아래의 [수학식 2]를 이용하여 수정 보어홀 간격값(Bopt)으로 하여 산출하는 제2단계와; 상기 수정 보어홀 간격값(Bopt)을 아래의 [수학식 3]에 적용하여 상기 대상 배열구조의 용량인 지중 축열조의 부피(V)를 산출하는 제3단계를 구비한다.According to another embodiment of the present invention for achieving some of the above technical problems, the underground heat exchanger according to the present invention is not a cylindrical arrangement, but a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, an I-shaped arrangement, and a hollow rectangular arrangement The method for calculating the capacity of an underground heat exchanger in a geothermal heat pump system having an arrangement structure is an object that has the above irregular arrangement structure and is arranged so that the borehole spacing (B), which is the shortest distance between the boreholes into which the underground heat exchanger is inserted, is the same. In the arrangement structure, the number of target boreholes constituting the target arrangement structure (N) and the center coordinate values (Xi,Yi) of each of the target boreholes are defined, and the target using [Equation 1] below The target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between the boreholes, is calculated, and a plurality of boreholes are arranged in a circular cross section, and the borehole located at the center is surrounded by six boreholes separated by the same distance (B), and the boundary In the borehole closest to and in a cylindrical arrangement in which three boreholes spaced apart by the same distance (B) are arranged, and the target arrangement structure and the number of boreholes (N) and borehole spacing (B) are the same A first step of calculating a reference distance sum (S d ), which is a sum of distances between the boreholes of, using [Equation 4] below; In the case of converting the target array structure to the cylindrical array structure by minimizing the difference in the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) in the state of having the same number of bores, the following [Equation 2] A second step of calculating a modified borehole spacing value (B opt ) by using; A third step of calculating the volume ( V ) of the underground heat storage tank, which is the capacity of the target array structure, is applied by applying the modified borehole spacing value (B opt ) to the following [Equation 3].

Figure 112018066723210-pat00005
Figure 112018066723210-pat00005

Figure 112018066723210-pat00006
Figure 112018066723210-pat00006

(여기서, b0 = -6.91407010, b1 = 1.69218975, b2 = -0.04428898, b3 = 4.66241132, b4 = -0.61527356, b5 = 0.10019864이다)(Where b 0 = -6.91407010, b 1 = 1.69218975, b 2 = -0.04428898, b 3 = 4.66241132, b 4 = -0.61527356, b 5 = 0.10019864)

Figure 112018066723210-pat00007
Figure 112018066723210-pat00007

Figure 112018066723210-pat00008
Figure 112018066723210-pat00008

상기 대상 거리합(St)/상기 기준거리합(Sd)은 5.5 이하의 값을 가질 수 있다.The target distance sum (S t )/the reference distance sum (S d ) may have a value of 5.5 or less.

상기 U자형 배열은 지중열교환기가 삽입되는 보어홀이 점으로 표시된 '

Figure 112018066723210-pat00009
'형상의 배열구조이고, 상기 L자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00010
'형상의 배열구조이고, 상기 I자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00011
'형상의 배열구조이고, 상기 사각형 배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00012
' 형상의 배열구조일 수 있다.In the U-shaped arrangement, the borehole into which the underground heat exchanger is inserted is marked with dots.
Figure 112018066723210-pat00009
'It is a shape arrangement structure, and in the L-shaped arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00010
'It is a shape arrangement structure, and in the I-shaped arrangement, the borehole is indicated by a dot'
Figure 112018066723210-pat00011
'It is a shape arrangement structure, and in the square arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00012
'It may be an arrangement of shapes.

상기 지중열교환기는 수직밀폐형 지중열교환기일 수 있다.The underground heat exchanger may be a vertically enclosed underground heat exchanger.

상술한 바와 같은 본 발명에 의할 경우, 지열히트펌프 시스템의 주요 설계인자인 지중열교환기의 출구온도(EWT)가 설계조건에 부합하도록 최적화 알고리즘을 통해 지중 열교환기의 용량을 산출함에 의해, 지나친 투자비 상승을 최소화 또는 방지하고, 시스템 운영비 및 시스템 안정화의 최적화를 이룰 수 있는 장점이 있다. According to the present invention as described above, by calculating the capacity of the underground heat exchanger through an optimization algorithm so that the outlet temperature (EWT) of the underground heat exchanger, which is the main design factor of the geothermal heat pump system, meets the design conditions, excessive It has the advantage of minimizing or preventing an increase in investment cost, and optimizing system operation cost and system stabilization.

또한, 비정형 배열구조를 가지는 경우에도 간단하면서도 용이하게 지중 열교환기의 용량을 산출하는 것이 가능하다.In addition, even in the case of having an irregular arrangement structure, it is possible to calculate the capacity of the underground heat exchanger simply and easily.

본 발명의 효과는 상술한 것에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those described above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 원통형 지중열교환기 배열구조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 개략도이다.
도 3은 특정 비정형 배열구조와 새로이 수정된 원통형 배열구조를 서로 대비하여 나타낸 것이다.
도 4는 DST 모델과 HR 모델의 입력값들을 나타낸 것이다.
도 5는 최적화 알고리즘을 통해 도출된 수정 보어홀 간격(Bopt) 값과 대상 거리합(St)을 나타낸 것이다.
도 6은 특정 배열구조의 보얼홀의 DST모델과 HR 모델의 EWT 비교 그래프이다.
도 7은 원통형 배열구조와 L 형 배열구조의 보어홀 사이의 거리값을 계산하는 과정을 도시한 것이다.
도 8은 Bopt/B 와 St/Sd 의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 Sd/B와 보어홀 개수 사이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 지중열교환기의 용량을 산출하는 방법의 사용성을 검토하기 위하여 수행한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 수정된 대상배열구조 모델과 HR모델의 EWT 평균오차를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram of an arrangement structure of a cylindrical underground heat exchanger.
2 is a schematic diagram of a geothermal heat pump system according to an embodiment of the present invention.
3 shows a specific atypical arrangement structure and a newly modified cylindrical arrangement structure in contrast to each other.
4 shows input values of the DST model and the HR model.
5 shows a modified borehole spacing (B opt ) value and a target distance sum (S t ) derived through an optimization algorithm.
6 is a graph showing the comparison of EWT between the DST model and the HR model of a specific arrangement of a borehole.
7 shows a process of calculating the distance value between the borehole of the cylindrical arrangement structure and the L-shaped arrangement structure.
8 is a graph showing the relationship between B opt /B and S t /S d .
9 is a graph showing the correlation between S d /B and the number of boreholes.
10 is a graph showing simulation results performed to examine the usability of a method of calculating the capacity of an underground heat exchanger.
11 shows the EWT mean error of the modified target array structure model and the HR model.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings without any other intention except to provide a thorough understanding of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명에서 보어홀은 지중열교환기가 삽입 설치되는 홀을 의미하는 것으로, 보어홀과 지중열교환기가 동일한 의미로 서로 혼동되어 사용될 수 있다. 이에 따라, 분명하게 구분하여 기재된 경우를 제외하고는 보어홀이 지중열교환기의 의미로 사용될 수 있다.In the present invention, a bore hole means a hole in which an underground heat exchanger is inserted and installed, and a bore hole and an underground heat exchanger may be confused with each other for the same meaning. Accordingly, boreholes can be used in the meaning of underground heat exchangers, except when clearly classified and described.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a geothermal heat pump system according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템(100)은 지중열교환기(110), 히트펌프(120), 냉난방을 필요로 하는 건물(130)을 구비한다.As shown in FIG. 2, the geothermal heat pump system 100 according to an embodiment of the present invention includes an underground heat exchanger 110, a heat pump 120, and a building 130 that requires cooling and heating.

상기 히트펌프(120)는 냉매를 압축시키는 압축기(122), 냉매와 지중을 순환하는 지중순환수가 열교환을 행하는 열원측 열교환기(124), 건물(130)을 순환하는 부하 순환수가 냉매와 열교환하는 부하측 열교환기(126)를 구비한다. 이외에 통상의 기술자에게 잘 알려진 구성요소가 포함될 수 있으며, 통상의 히트펌프(120)의 구성을 가질 수 있다. 상기 지중순환수는 일명 작동유체라고도 불리며, 물이나, 물과 메탄올의 혼합물, 물과 에틸알콜의 혼합물 등, 다양한 종류 및 다양한 혼합 비율로 만들어진 부동액이 사용된다.The heat pump 120 includes a compressor 122 for compressing a refrigerant, a heat exchanger 124 for a heat source side for heat exchange between the refrigerant and the underground circulating water circulating in the ground, and the load circulating water circulating in the building 130 for heat exchange with the refrigerant. A load-side heat exchanger 126 is provided. In addition, components well known to those of ordinary skill in the art may be included, and may have a configuration of a conventional heat pump 120. The underground circulating water is also called a working fluid, and an antifreeze made of various types and mixing ratios such as water, a mixture of water and methanol, a mixture of water and ethyl alcohol, etc. is used.

이러한 히트펌프(120)는 열원측 열교환기(124) 및 부하측 열교환기(126)가 상기 지중열교환기(110) 및 건물(130)과 연결될 수 있도록 제조사에서 하나의 모듈유닛으로 만들어져 출하될 수 있다. 이러한 히트펌프(120)는 상기 지중열교환기(300)를 흐르는 작동유체의 유량이 일정한 값으로 고정한 상태에서 설계되어 운전된다.The heat pump 120 may be manufactured and shipped as a single module unit by a manufacturer so that the heat source side heat exchanger 124 and the load side heat exchanger 126 can be connected to the underground heat exchanger 110 and the building 130. . The heat pump 120 is designed and operated in a state in which the flow rate of the working fluid flowing through the underground heat exchanger 300 is fixed at a constant value.

상기 지중열교환기(110)는 지중에 매립되어 열원측 열교환기(124)를 통과하면서 히트펌프(120)의 냉매와 열교환하는 작동유체를 통해 지중의 열원과 열교환시킨다. 상기 지중열교환기(110)는 수직 밀폐형 지중열교환기가 적용될 수 있다.The underground heat exchanger 110 is buried in the ground and passes through the heat source side heat exchanger 124 to exchange heat with the underground heat source through a working fluid that exchanges heat with the refrigerant of the heat pump 120. The underground heat exchanger 110 may be applied as a vertical sealed underground heat exchanger.

이러한 지중열교환기(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 정형배열구조인 원통형 배열구조, 비정형 배열구조인 속이빈 사각형 배열구조, U 자형 배열구조, L 자형 배열구조, 및 I 자형 배열구조를 가지게 된다.As shown in FIG. 3, the underground heat exchanger 110 has a cylindrical arrangement structure as a regular arrangement structure, a hollow square arrangement arrangement as an irregular arrangement structure, a U-shaped arrangement structure, an L-shaped arrangement structure, and an I-shaped arrangement structure. Will have.

원통형 배열구조에서는 모든 경우에 대해 수직밀폐형 지중열교환기의 배열이 원통형인 것으로 가정한다. 이 경우 지중열교환기가 각각 삽입설치되는 복수의 보어홀들은 원형단면에 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고 있으며, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되는 구조를 가지는 것으로 가정한 모델이다.In the cylindrical arrangement, it is assumed that the arrangement of the vertically enclosed underground heat exchanger is cylindrical in all cases. In this case, the plurality of boreholes into which each underground heat exchanger is inserted are arranged in a circular cross-section, and the borehole located in the center is surrounded by six boreholes spaced by the same distance (B), and the borehole closest to the boundary is the same distance. This model is assumed to have a structure in which three boreholes spaced apart by (B) are arranged.

상기 U자형 배열은 지중열교환기가 삽입되는 보어홀이 점으로 표시된 '

Figure 112018066723210-pat00013
'형상의 배열구조이고, 상기 L자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00014
'형상의 배열구조이고, 상기 I자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00015
'형상의 배열구조이고, 상기 사각형 배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00016
' 형상의 배열구조이다. In the U-shaped arrangement, the borehole into which the underground heat exchanger is inserted is marked with dots.
Figure 112018066723210-pat00013
'It is a shape arrangement structure, and in the L-shaped arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00014
'It is a shape arrangement structure, and in the I-shaped arrangement, the borehole is indicated by a dot'
Figure 112018066723210-pat00015
'It is a shape arrangement structure, and in the square arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00016
'It is an arrangement of shapes.

좀더 구체적으로, 사각형 배열구조는 보어홀들이 인접 보어홀과의 최단거리인 보어홀 간격이 서로 동일하면서 직사각형 또는 정사각형을 이루는 형태로 배열되는 구조이다. 그리고, U 자형 배열구조는 보어홀들이 인접 보어홀과의 최단거리인 보어홀 간격이 서로 동일하면서 U 자 형으로 배열되는 구조이다. L 자형 배열구조는 보어홀들이 보어홀 간격이 서로 동일하면서 수직배열과 수평배열을 하여 L 자형으로 배열되는 구조이고, I 자형 배열구조는 보어홀들이 보어홀 간격이 서로 동일하면서 일방향으로 배열되는 구조이다. More specifically, the square arrangement structure is a structure in which the boreholes are arranged in a form of a rectangle or a square while the borehole spacing, which is the shortest distance from the adjacent borehole, is the same. In addition, the U-shaped arrangement structure is a structure in which the boreholes are arranged in a U-shape with the same borehole spacing, which is the shortest distance between the adjacent boreholes. The L-shaped arrangement structure is a structure in which the boreholes are arranged in an L-shape with the same borehole spacing and vertical and horizontal arrangements, and the I-shaped arrangement is a structure in which boreholes are arranged in one direction with the same borehole spacing. to be.

상기 원통형 배열구조는 일반적으로 지중 열교환기의 용량산정을 위한 모델로 잘 알려진 DST모델에 적용되는 배열구조로, 지중열교환기의 용량인 지중 축열조의 부피(V DST)를 간단한 수학식을 통해 쉽게 산출이 가능한 장점을 가진다. 그러나 원통형 배열구조를 제외한 속이 빈 사각형 배열구조, U 자형 배열구조, L 자형 배열구조, 및 I 자형 배열구조 등의 비정형 배열구조를 가지는 경우에는 지중열교환기의 용량을 산정하는 것이 어렵다.The cylindrical array structure is an array structure applied to the well-known DST model as a model for calculating the capacity of an underground heat exchanger, and the volume of the underground heat storage tank ( V DST ), which is the capacity of the underground heat exchanger, is easily calculated through a simple equation. This has the possible advantage. However, it is difficult to estimate the capacity of an underground heat exchanger in the case of irregular arrangements such as a hollow rectangular arrangement, a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, and an I-shaped arrangement excluding cylindrical arrangements.

따라서, 본 발명에서는 비정형 배열구조의 경우에 지중열교환기의 용량을 쉽게 산출하는 방법을 설명한다. 본 발명에서는 비정형 배열구조와 원통형 배열구조의 열간섭 효과의 차이를 이용하여, 비정형 배열구조의 지중열교환기 용량을 산정함에 있어, 비정형 배열구조와 동일한 열간섭 효과를 가지는 원통형 배열구조로 변환하는 방법을 이용하여 지중 열교환기의 용량을 산출하는 방법을 사용한다.Therefore, in the present invention, a method of easily calculating the capacity of an underground heat exchanger in the case of an irregular arrangement will be described. In the present invention, a method of converting to a cylindrical array structure having the same heat interference effect as an irregular array structure in calculating the capacity of an underground heat exchanger of an irregular array structure by using the difference in the heat interference effect of the irregular array structure and the cylindrical array structure The method of calculating the capacity of the underground heat exchanger is used.

잘 알려진 바와 같이, 원통형 배열구조는 비정형 배열구조에 비하여 열간섭 효과가 강하게 나타나는 배열구조이다. 즉 가장 중심부에 위치한 중심 보어홀(또는 지중열교환기)은 인접하면서 중심 보어홀을 둘러싸는 6개의 보어홀(또는 지중열교환기)의 영향을 받는다. As is well known, the cylindrical array structure is an array structure in which the heat interference effect is stronger than that of the irregular array structure. That is, the central borehole (or underground heat exchanger) located at the center is affected by six boreholes (or underground heat exchanger) adjacent and surrounding the central borehole.

그러나, I 자형 배열구조의 경우에 하나의 보어홀(또는 지중열교환기)은 좌우 또는 상하로 인접한 2개의 보어홀(또는 지중열교환기)에 의해 영향을 받게 되므로 I 자형 배열의 열간섭 효과는 원통형 배열의 열간섭 효과보다 약하게 나타난다. 또한, 사각형 배열구조나 L 자형 배열구조의 경우에는 원통형 배열구조에 비해서는 열간섭 효과가 약하지만 I 자형 배열구조보다는 열간섭 효과가 강하게 나타나게 된다.However, in the case of an I-shaped arrangement, one borehole (or underground heat exchanger) is affected by two adjacent boreholes (or underground heat exchangers) left and right or up and down, so the heat interference effect of the I-shaped arrangement is cylindrical. It appears weaker than the thermal interference effect of the array. In addition, in the case of the rectangular array structure or the L-shaped array structure, the thermal interference effect is weaker than that of the cylindrical array structure, but the thermal interference effect appears stronger than the I-shaped array structure.

이 경우 속이빈 사각형 배열구조, U 자형 배열구조, L 자형 배열구조, 및 I 자형 배열구조 등의 비정형 배열구조의 열간섭 효과를 산출하여 이와 동일하거나 유사한 열간섭 효과를 가지는 원통형 배열구조를 묘사하는 것이 가능하다. 이 경우 새로이 묘사된 원통형 배열구조의 보어홀 간격은 비정형 배열구조의 실제 보어홀 간격(B)보다 더 커지게 된다. 이는 원통형 배열구조의 열간섭 효과가 비정형 배열구조의 열간섭 효과보다 더 강하게 나타나기 때문에 나타나는 결과이다. In this case, by calculating the thermal interference effect of atypical array structures such as hollow square array structure, U-shaped array structure, L-shaped array structure, and I-shaped array structure, a cylindrical array structure having the same or similar thermal interference effect is described. It is possible. In this case, the borehole spacing of the newly described cylindrical array structure becomes larger than the actual borehole spacing (B) of the irregular array structure. This is a result that appears because the thermal interference effect of the cylindrical array structure is stronger than that of the irregular array structure.

본 발명에서는 비정형 배열구조를 열간섭 효과가 동일하게 나타나는 원통형 배열구조로 새로이 묘사하여 해석하고자 하였고, 이때 수정된 원통형 배열구조의 보어홀 간격을 수정 보어홀 간격(Bopt) 으로 칭하기로 한다. In the present invention, the atypical array structure was newly described and analyzed as a cylindrical array structure having the same heat interference effect, and at this time, the borehole spacing of the modified cylindrical array structure will be referred to as a modified borehole spacing (B opt ).

비정형 배열구조를 원통형 배열구조로 새로이 수정하여 묘사하는 것이 가능하게 되면, 이 상태에서 DST 모델, 즉 일반적으로 알려진 원통형 배열구조의 용량산출을 위한 수학식을 이용하여 지중열교환기의 용량을 산출하는 것이 가능하고, 수정된 원통형 배열구조의 경우 지중열교환기 출구온도(EWT)가 비정형 배열구조의 지중열교환기의 출구온도(EWT)와 유사한 거동을 보이게 됨을 확인하였다. When it becomes possible to describe the atypical array structure by revising it as a cylindrical array structure, it is possible to calculate the capacity of the underground heat exchanger using the DST model, that is, the equation for calculating the capacity of the generally known cylindrical array structure. It was confirmed that in the case of the modified cylindrical arrangement structure, the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) showed a behavior similar to that of the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) of the irregular arrangement structure.

결과적으로 비정형 배열구조의 경우 수정 보어홀 간격(Bopt)을 산출하게 되면, 원통형 배열구조로 수정하는 것이 가능하고 이 경우 지중열교환기의 용량을 산출하는 것이 가능해짐을 알 수 있다.As a result, it can be seen that in the case of an atypical array structure, if the modified borehole spacing (B opt ) is calculated, it is possible to modify the cylindrical array structure, and in this case, it is possible to calculate the capacity of the underground heat exchanger.

도 3은 특정 비정형 배열구조와 새로이 수정된 원통형 배열구조를 서로 대비하여 나타낸 것이다.3 shows a specific atypical arrangement structure and a newly modified cylindrical arrangement structure in contrast to each other.

도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 배열구조의 경우에는 수정된다고 하여도 동일한 보어홀 간격(B)을 가지게 된다. 하지만, 그러나 열간섭 효과가 약하게 나타나는 사각형 배열인 경우에는 수정보어홀 간격(Bopt _ REC)이 원래의 사각형 배열구조의 보어홀 간격(B)보다 커야 한다. 같은 원리로, 열간섭 효과가 약하게 나타나는 배열일수록 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 증가하게 된다. 이에 따라 U 자형 배열구조의 수정보어홀 간격(Bopt _U), L 자형 배열구조의 수정보어홀 간격(Bopt _L), I 자형 배열구조의 수정보어홀 간격(Bopt_I)의 순으로 값이 점점 커지게 된다.As shown in Fig. 3, in the case of the cylindrical arrangement structure, even if it is modified, it has the same borehole spacing (B). However, in the case of a rectangular array in which the thermal interference effect is weak, the number information hole spacing (B opt _ REC ) should be larger than the borehole spacing (B) of the original rectangular array structure. According to the same principle, the value of the crystal borehole spacing (B opt ) increases as the array shows weaker thermal interference effect. Accordingly, the values of the number information hole spacing of the U-shaped array structure (B opt _U ), the number information fishing hole spacing of the L-shaped array structure (B opt _L ), and the number information fishing hole spacing of the I-shaped array structure (B opt_I ) are in order. It gets bigger and bigger.

본 발명에서는 수정된 원통형 배열구조의 지중열교환기 출구온도(EWT)가 원래의 비정형 배열구조의 지중열교환기의 출구온도(EWT)와 같아지도록 하는 수정 보어홀 간격 값을 최적의 수정 보어홀 간격(Bopt) 값이라 전제하였다.In the present invention, the modified borehole spacing value that makes the modified cylindrical structure of the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) equal to the original irregularly structured underground heat exchanger outlet temperature (EWT) is set to the optimal modified borehole spacing ( B opt ) value.

최적의 수정 보어홀 간격(Bopt) 값의 산출을 위한 최적화 수행의 기준이 되는 지중 열교환기 모델로 HR(Hybrid Reduction) 모델을 사용하였다. 이외에 다른 기준 모델도 사용이 가능하나, HR 모델은 지열응답함수라고 하는 g-function을 사용하여 지중열교환기의 순환수, 보어홀, 그리고 지중에서 일어나는 물리적인 열전달의 현상들을 수학적으로 계산하는 모델로, 지중열교환기의 배열을 정확히 묘사하는 모델로 알려져 있으며, 실제값에 근사하게 접근가능한 모델이라 알려져 있다.The HR (Hybrid Reduction) model was used as an underground heat exchanger model, which is the basis for performing optimization for calculating the optimal modified borehole spacing (B opt ). Other reference models can be used, but the HR model is a model that mathematically calculates the circulating water, boreholes, and physical heat transfer phenomena occurring in the ground using a g-function called the geothermal response function. It is known as a model that accurately describes the arrangement of an underground heat exchanger, and is known as a model that approximates the actual value.

본 발명에서는 HR모델의 결과가 실제 값에 근사한다는 가정하에 최적의 수정 보어홀 간격(Bopt) 값을 찾기 위한 최적화 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 도 3에 나타난 사각형, U 자형, L 자형, I 자형의 배열에 대해 실제 보어홀 간격(B)이 각각 5m, 6m, 7m 일 때를 가정한 HR모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 후, HR모델과 동일한 조건에서 수정된 원통형 배열구조의 모델을 찾기 위한 최적화 작업을 수행하였다.In the present invention, an optimization simulation was performed to find an optimal modified borehole spacing (B opt ) value under the assumption that the result of the HR model is close to the actual value. To this end, simulation was performed using the HR model assuming that the actual borehole spacing (B) is 5m, 6m, and 7m for the rectangular, U-shaped, L-shaped, and I-shaped arrangement shown in FIG. 3, respectively, Optimization work was performed to find the modified cylindrical array model under the same conditions as the HR model.

최적화 작업은 TRNSYS에서 제공하는 TRNOPT 최적화 도구를 이용하여 진행하였다. TRNOPT는 GenOpt 최적화 프로그램을 TRNSYS 내에서 사용할 수 있도록 라이브러리 형태로 제공되는 컴포넌트이다. GenOpt에서 제공하는 여러 알고리즘 중, 본 연구에서는 좌표 추정 알고리즘(Coordinate research algorithm)을 이용하였다. 이 알고리즘은 설계변수, 목적함수 및 제약조건을 사용자가 직접 TRNSYS 템플릿 내에서 정의하여 사용할 수 있다. 해당 알고리즘은 목적함수의 값이 최소가 되도록 만드는 설계변수의 값 또는 조합을 찾도록 지정되어 있다. 사용자가 실수 집합에 대한 설계변수의 최대값과 최소값, 초기값을 정의하면 해당 범위 내에서 목적함수가 최소값이 될 때 설계변수는 수렴한다. The optimization work was performed using the TRNOPT optimization tool provided by TRNSYS. TRNOPT is a component provided in the form of a library so that the GenOpt optimization program can be used in TRNSYS. Among the several algorithms provided by GenOpt, this study used a coordinate research algorithm. This algorithm allows the user to define and use design variables, objective functions and constraints directly in the TRNSYS template. The algorithm is specified to find the value or combination of design variables that make the value of the objective function minimal. If the user defines the maximum, minimum, and initial values of the design variable for a set of real numbers, the design variables converge when the objective function becomes the minimum value within the range.

최적화 알고리즘의 목적함수는 10년 동안의 DST모델과 HR모델의 EWT 차이가 최소가 되도록, 아래의 목적함수 수학식과 같이 정의하였고, 원통형 배열구조인 DST모델의 보어홀 간격(B)을 설계변수(x)로 지정하였다. The objective function of the optimization algorithm was defined as the following objective function equation so that the EWT difference between the DST model and the HR model for 10 years is minimal, and the borehole spacing (B) of the DST model, which is a cylindrical array structure, is a design variable ( x).

Figure 112018066723210-pat00017
Figure 112018066723210-pat00017

여기서,"EWTDST"는 원통형 배열구조인 DST모델의 지중열교환기의 출구온도(EWT)값을 의미하며, "EWTHR"은 HR모델의 지중열교환기의 출구온도(EWT)값을 의미한다. EWT는 매 시간 간격(i)으로 통상의 기술자에게 잘 알려진 DST 모델 및 HR 모델의 방식으로 계산되며, 시뮬레이션 시간(n)은 10년 후 시점인 87600h 으로 설정하였다. 최적화를 위해 사용된 지중부하는 최대 냉방 및 난방 부하가 각각 389kW, 256kW 이며, 연간 총 냉방 및 난방 부하가 각각 509.8MWh, 372.6MWh로 냉방이 우세한 지중부하이다. 해당 알고리즘에서 목적함수의 값이 최소가 되도록 하는 최적화 작업을 위한 두 모델의 경우 입력값은, 도 4에 도시된 바와 같이, 수직밀폐형 지중 열교환기 관련하여는 보어홀 간격(B), 보어홀 개수(N), 보어홀 깊이, 헤더깊이, 작동유체밀도, 작동유체 비열, 작동유체 유량, 파이프 열전도도, 뒤채움재 열전도도, 보어홀 반지름, 보어홀 내경 및 외경, 보어홀 중심간 거리값이 입력값으로 입력되고, 지중 열 물성치로는 열전도도, 열확산계수, 지중 열용량, 초기온도값이 입력값으로 입력되고, 히트펌프 성능계수 등이 입력값으로 입력되었다. Here, "EWT DST " means the outlet temperature (EWT) value of the underground heat exchanger of the DST model having a cylindrical arrangement structure, and "EWT HR " means the outlet temperature (EWT) value of the underground heat exchanger of the HR model. EWT is calculated by the method of DST model and HR model well known to those skilled in the art at every time interval (i), and the simulation time (n) is set to 87600h, which is the time point after 10 years. The ground load used for optimization was 389kW and 256kW, respectively, with the maximum cooling and heating loads, respectively, and the annual total cooling and heating loads were 509.8MWh and 372.6MWh, respectively, which is the ground load with the dominant cooling. In the case of two models for optimization work in which the value of the objective function is minimized in the corresponding algorithm, the input values are, as shown in FIG. 4, the borehole spacing (B) and the number of boreholes in relation to the vertically enclosed underground heat exchanger. (N), Borehole Depth, Header Depth, Working Fluid Density, Working Fluid Specific Heat, Working Fluid Flow, Pipe Thermal Conductivity, Backfill Thermal Conductivity, Borehole Radius, Borehole Inner and Outer Diameter, Borehole Center Distance The values were entered as values, and thermal conductivity, thermal diffusion coefficient, underground heat capacity, and initial temperature were input as input values, and heat pump performance coefficients were input as input values.

도 5는 최적화 알고리즘을 통해 도출된 수정 보어홀 간격(Bopt) 값을 나타낸 것이다. 상기 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 비정형 배열구조를 원통형 배열구조로 묘사하여 해석하고자 할 때 필요한 보어홀 간격 값을 의미한다.5 shows a modified borehole spacing (B opt ) value derived through an optimization algorithm. The modified borehole spacing (B opt ) value denotes a borehole spacing value required for analysis by describing an irregular array structure as a cylindrical array structure.

도 5에 도시된 바와 같이, 실제 보어홀 간격(B)이 5m, 6m, 7m이고, 보어홀 개수가 19, 37, 61개인 사각형, U 자형, L 자형, I 자형 배열구조의 비정형 배열구조를 원통형 배열구조로 묘사하는 경우, 수정 보어홀 간격(Bopt) 값이 실제값보다 더 커짐을 알 수 있고, 열간섭 효과가 적은 배열일수록 수정 보어홀 간격(Bopt) 값이 더 커짐을 알 수 있다. As shown in Fig. 5, an atypical arrangement structure of a rectangular, U-shaped, L-shaped, and I-shaped arrangement with an actual borehole spacing (B) of 5m, 6m, and 7m and the number of boreholes of 19, 37, 61 In the case of describing as a cylindrical arrangement, it can be seen that the value of the modified borehole spacing (B opt ) is larger than the actual value, and the array with less thermal interference effect is the larger the value of the modified borehole spacing (B opt ). have.

또한, 도 6의 상단에 도시된 그래프에 목적함수로 정의된 EWT의 평균오차값을 나타내었으며, 시뮬레이션이 종료되는 시점에 '0'으로 수렴함을 알 수 있다.In addition, the average error value of the EWT defined as the objective function is shown in the graph shown at the top of FIG. 6, and it can be seen that it converges to '0' when the simulation is finished.

도 6의 하단에 도시된 그래프에서는 보어홀 개수 61개, 보어홀 간격 5m의 I 자형 배열구조를, 도 5의 값을 통해 원통형 배열구조로 묘사하여 나타낸 시뮬레이션 결과로, 새로이 묘사된 원통형 배열구조의 모델과 HR모델의 10년간 EWT 변화를 나타낸 것이다.In the graph shown at the bottom of FIG. 6, the I-shaped arrangement structure with 61 boreholes and 5m borehole spacing was depicted as a cylindrical arrangement through the values of FIG. 5, as a result of the simulation. It shows the EWT change over the 10 years of the model and the HR model.

도 6의 중간에 도시된 그래프는 두 모델의 EWT 차이를 나타낸 것이다. The graph shown in the middle of FIG. 6 shows the difference in EWT between the two models.

도 6에 도시된 바와 같이, 냉방이 우세한 부하패턴에서의 최대 EWT는 원통형 배열구조 모델의 EWT가 HR모델의 결과와 약 1℃의 차이만을 보였다. HR모델이 보어홀의 열용량을 고려하여 설계된 모델인 것을 고려하면, 두 모델의 이러한 EWT 차이는 보어홀 열용량을 계산에 반영하지 않는 DST모델의 최대부하가 발생하는 시점에서 열응답이 HR모델보다 빠르기 때문에 발생하는 차이로 보여진다. As shown in Fig. 6, the maximum EWT in the load pattern in which cooling is dominant is the difference between the EWT of the cylindrical array model and the HR model by about 1°C. Considering that the HR model is a model designed in consideration of the heat capacity of the borehole, this difference in EWT between the two models is because the thermal response is faster than the HR model at the point of the maximum load of the DST model that does not reflect the borehole heat capacity in the calculation. It is seen as a difference that occurs.

도 5에서 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 보어홀 개수(N), 배열구조의 차이, 실제 보어홀 간격(B) 등에 의해 일정한 규칙을 가지는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 열간섭 현상이 강하게 나타나는 조밀한 배열에서 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 작아진다. 실제 보어홀 간격(B)이 작을수록, 보어홀 개수(N)가 적을수록 보어홀의 배열은 조밀해지며, 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 작아진다. 또한, 동일한 보어홀 간격(B)을 가지는 배열구조의 경우, I형 배열구조보다 열간섭 현상이 강하게 나타나는 사각형의 배열구조에서 수정 보어홀 간격(Bopt) 값은 작게 나타난다. In FIG. 5, it can be seen that the modified borehole spacing (B opt ) has a constant rule depending on the number of boreholes (N), the difference in the arrangement structure, and the actual borehole spacing (B). For example, the value of the crystal borehole spacing (B opt ) becomes small in a dense arrangement where the thermal interference phenomenon is strong. The smaller the actual borehole spacing (B), the smaller the number of boreholes (N), the denser the arrangement of boreholes, and the smaller the value of the modified borehole spacing (B opt ). In addition, in the case of the arrangement structure having the same borehole spacing (B), the crystal borehole spacing (B opt ) value is smaller in the rectangular arrangement structure in which the thermal interference phenomenon is stronger than the I-type arrangement structure.

이에 따라, 열간섭 현상은 보어홀 개수(N)와 실제 보어홀 간격(B), 그리고 배열구조의 형태에 영향을 받는다고 판단할 수 있다. Accordingly, it can be determined that the thermal interference phenomenon is affected by the number of boreholes (N), the actual borehole spacing (B), and the shape of the arrangement structure.

본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 특정 배열에서의 열간섭 효과를 보어홀 간 거리의 합으로 나타내고자 하였다. 도 7의 (a)는 원통형 배열구조에서의 보어홀들 간의 거리의 합인 거리합(S)을 구하는 방법을 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 L 자형 배열구조에서의 보어홀들 간의 거리의 합을 구하는 방법을 나타낸 것이다. In the present invention, as shown in FIG. 7, the thermal interference effect in a specific arrangement was intended to be expressed as the sum of the distances between boreholes. 7(a) shows a method of obtaining the sum of distances (S), which is the sum of distances between boreholes in a cylindrical arrangement, and FIG. 7(b) shows the distance between boreholes in an L-shaped arrangement. It shows how to find the sum.

보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 보어홀들 간의 거리의 합인 거리합(S)을 아래의 [수학식 1]을 이용하여 산출하여 열간섭 효과를 나타내고자 하였다. The central coordinate values (Xi,Yi) of each of the boreholes are defined, and the sum of distances (S), which is the sum of the distances between the boreholes, is calculated using [Equation 1] below to show the thermal interference effect.

Figure 112018066723210-pat00018
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이러한 [수학식 1]을 통해 구해진 보어홀 간격(B)와 보어홀 개수(N) 및 배열구조를 달리하는 비정형 배열구조 각각의 보어홀 사이의 거리의 합인 대상 거리합(St)은 도 5에 도시되어 있다.The target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between the borehole spacing (B), the number of boreholes (N), and the boreholes of each of the irregular arrangement structures with different arrangement structures obtained through [Equation 1], is shown in FIG. 5 Is shown in.

본 발명에서는 상기 [수학식 1]을 토대로 보어홀이 원통형 배열구조를 가지는 모델을 기준으로 하여 이 경우의 보어홀 사이의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 계산하고, 원통형 배열구조로 묘사하고자 하는 비정형 배열구조의 대상 배열의 보어홀 사이의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 계산하고 이를 비율로 나타내었다. 만일, 묘사하고자 하는 대상 배열이 원통형 배열이라면 St/Sd 값은 '1'이 된다. In the present invention, based on the above [Equation 1], the reference distance sum (S d ), which is the sum of the distances between the boreholes in this case, is calculated based on the model in which the borehole has a cylindrical array structure, and is described as a cylindrical array structure. The target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between the boreholes of the target array of the desired irregular array structure, was calculated and expressed as a ratio. If the target array to be described is a cylindrical array, the value of S t /S d is '1'.

도 3에 도시된 비정형 배열구조인 대상 배열구조에서 실제 보어홀 간격(B)과 최적화를 통해 얻어진 수정 보어홀 간격(Bopt) 값을 비율로 나타내어 St/Sd 값과의 관계를 정리하면 도 8과 같은 그래프가 얻어진다.In the target array structure, which is an atypical array structure shown in Fig. 3, the relationship between the actual borehole spacing (B) and the modified borehole spacing (B opt ) obtained through optimization is expressed as a ratio to summarize the relationship with the S t /S d value. A graph as shown in Fig. 8 is obtained.

도 8에 도시된 바와 같이, Bopt/B 는 St/Sd 값이 증가할수록 증가한다. 또한, 각 점은 실제 보어홀 간격(B) 값에 의해 구분되어 나타나는데, 이는 실제 보어홀 간격(B)값이 수정 보어홀 간격(Bopt) 값의 주요한 매개 변수라는 것을 보여준다. 이에 본 발명에서는 수정 보어홀 간격(Bopt) 값을 얻기 위한 방법으로 St/Sd 값과 B값을 독립변수로 하는 산출식을 도출하여 이용하였다. 산출식은 수학식 2를 통해 나타내었다.As shown in Figure 8, B opt /B is S t /S d It increases as the value increases. In addition, each point is represented by the actual borehole spacing (B) value, which shows that the actual borehole spacing (B) value is a major parameter of the modified borehole spacing (B opt ) value. Accordingly, in the present invention, as a method for obtaining a modified borehole spacing (B opt ) value, a calculation formula using S t /S d value and B value as independent variables was derived and used. The calculation formula is expressed through Equation 2.

Figure 112018066723210-pat00019
Figure 112018066723210-pat00019

(여기서, b0 = -6.91407010, b1 = 1.69218975, b2 = -0.04428898, b3 = 4.66241132, b4 = -0.61527356, b5 = 0.10019864이다.)(Here, b 0 = -6.91407010, b 1 = 1.69218975, b 2 = -0.04428898, b 3 = 4.66241132, b 4 = -0.61527356, b 5 = 0.10019864.)

상술한 수학식 2를 통해 수정 보어홀 간격(Bopt)이 산출되면, 이를 이용하여 지중열교환기의 용량을 산정하는 것이 가능하다.When the modified borehole interval B opt is calculated through Equation 2, it is possible to calculate the capacity of the underground heat exchanger using this.

즉, 잘 알려진 DST 모델의 지중 축열조의 부피(VDST)를 구하는 식에서 보어홀 간격을 상기 수정 보어홀 간격(Bopt) 값으로 대체한 수학식인 아래의 수학식 3을 이용하여 지중열교환기의 용량을 산출하는 것이 가능하다.That is, the capacity of the underground heat exchanger using Equation 3 below, which is an equation that replaces the borehole spacing with the modified borehole spacing (B opt ) value in the formula for obtaining the volume (V DST ) of the underground heat storage tank of the well-known DST model. It is possible to calculate

Figure 112018066723210-pat00020
Figure 112018066723210-pat00020

한편, 기준 거리합(Sd) 값은 보어홀 개수(N)와 실제 보어홀 간격(B)과 강한 상관관계가 있다. Meanwhile, the value of the sum of the reference distances (S d ) has a strong correlation with the number of boreholes (N) and the actual borehole spacing (B).

도 9는 DST모델의 원통형 배열구조를 가지는 경우의 기준 거리합(Sd) 값, 보어홀 개수(N), 실제 보어홀 간격(B)의 상관관계를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the correlation between the reference distance sum (S d ) value, the number of boreholes (N), and the actual borehole spacing (B) in the case of having a cylindrical arrangement structure of the DST model.

도 9에 도시된 바와 같이, 원통형 배열구조에서 7, 19, 37, 61, 91개의 보어홀을 가지는 경우, 'Sd/B' 값은 보어홀 간격(B)에 관계없이 항상 일정한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. As shown in Fig. 9, in the case of having 7, 19, 37, 61, 91 boreholes in the cylindrical arrangement, the'S d /B' value always has a constant value regardless of the borehole spacing (B). Can be confirmed.

이를 수학식으로 나타내면, 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다.If this is expressed as Equation 4, it can be expressed as Equation 4 below.

Figure 112018066723210-pat00021
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상기 수학식 4를 이용하면 원통형 배열구조에서 쉽게 예측할 수 없는 7, 19, 37, 61, 91 이외의 보어홀 개수를 가지는 원통형 배열구조의 기준 거리값(Sd)을 계산하는 것이 가능하다.Using Equation 4, it is possible to calculate the reference distance value (S d ) of the cylindrical array structure having the number of bore holes other than 7, 19, 37, 61, 91, which cannot be easily predicted in the cylindrical array structure.

상술한 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 지중열교환기의 용량을 산출하는 방법의 사용성을 검토하기 위하여 수행한 시뮬레이션 결과가 도 10에 도시된다.A simulation result performed to examine the usability of a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger using Equations 1 to 4 described above is shown in FIG. 10.

도 10에 도시된 바와 같이, Case A(사각형 배열구조), Case B(변형 L 자형 배열구조), Case C(I 자형 배열구조)에 대해 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 HR모델과 비교하였다. 각 그래프의 상단에는 목적함수 수학식에 따른 EWT 평균오차값을 나타내었고, 중단에는 DST모델과 HR모델의 최대 EWT값의 차이를 나타내었고, 하단에는 DST모델과 HR모델의 10년간 최대 EWT의 변화를 각각 나타냈다. As shown in FIG. 10, simulations were performed for Case A (rectangular arrangement), Case B (transformed L-shaped arrangement), and Case C (I-shaped arrangement), and the results were compared with the HR model. At the top of each graph, the average EWT error value according to the objective function equation is shown, the difference between the maximum EWT value of the DST model and the HR model is shown at the middle, and the change in the maximum EWT for 10 years between the DST model and the HR model at the bottom. Respectively.

Case A 와 Case C의 보어홀 배열에서는 보어홀 개수(N)가 다르더라도 목적함수값으로 나타난 EWT 평균오차가 각각 0.041℃, 0.064℃로 나타났으나 Case B와 같이 수학식 1 내지 4의 도출시 데이터에 포함되지 않은 배열에 대해서는 EWT 평균오차가 0.427℃로 비교적 크게 나타났다.In the borehole arrangement of Case A and Case C, even though the number of boreholes (N) is different, the average EWT errors represented by the objective function values were 0.041℃ and 0.064℃, respectively, but when the equations 1 to 4 were derived as in Case B, For arrays not included in the data, the average EWT error was relatively large, 0.427°C.

도 11은 도 10에 도시된 배열을 바탕으로 지중부하 패턴이 다른 경우 비정형 배열구조를 원통형 배열구조인 정형 배열구조로 수정하여 적용한 수정된 대상배열구조 모델과 HR모델의 EWT 평균오차를 나타낸 것이다. Case I은 수정된 대상배열구조 모델을 도출하는 과정에서 사용된 지중부하이며, Case II, III, IV는 각각 수정된 대상배열구조 모델의 적용성을 검토하기 위해 사용된 지중부하이다. 부하 균형비는 연간 냉방 및 난방 총 지중부하를 합산하여 냉방부하가 차지하는 비율로 나타낸 것이며, 부하균형비가 '0'에 가까운 경우는 난방이, '1'에 가까울수록 냉방이 우세한 부하임을 의미한다. FIG. 11 shows the EWT average error of the modified target array structure model and the HR model applied by modifying the atypical array structure to a regular array structure, which is a cylindrical array structure, when the underground load pattern is different based on the array shown in FIG. 10. Case I is the ground load used in the process of deriving the modified target arrangement model, and Case II, III, and IV are the ground loads used to examine the applicability of the modified target arrangement model, respectively. The load balance ratio is expressed as the ratio of the cooling load by summing the total ground load for cooling and heating annually, and when the load balance ratio is close to '0', it means that heating is the dominant load, and the closer to '1', the cooling is the dominant load.

부하 균형비 0.58의 Case I은 냉방이 우세하나 냉방 및 난방 지중부하가 비교적 균형을 이루는 지중부하이다. Case II는 부하 균형비 0.43으로 난방이 우세하나, Case I과 마찬가지로 지중부하는 비교적 균형을 이룬다. Case II의 결과로 보아, 지중부하가 난방이 우세하더라도 냉방 및 난방 부하가 균형을 이루는 경우 수정된 대상배열구조 모델을 적용한 수정 모델과 HR모델의 EWT 평균오차는 Case I과 비슷한 수준의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Case III 과 Case IV와 같이 부하균형비가 각각 0.86, 0.17로 냉방 또는 난방이 지배적인 경우에는 EWT 평균오차가 크게 증가함을 확인할 수 있다.Case I, with a load balance ratio of 0.58, is a ground load in which cooling predominates, but cooling and heating ground loads are relatively balanced. In Case II, heating is dominant with a load balance ratio of 0.43, but like Case I, the ground load is relatively balanced. As a result of Case II, even if heating is dominant in the ground load, when the cooling and heating loads are balanced, the EWT average error of the revised target arrangement model and the HR model is similar to that of Case I. Can be confirmed. However, as in Case III and Case IV, when the load balance ratio is 0.86 and 0.17, respectively, when cooling or heating is dominant, it can be seen that the average EWT error increases significantly.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 정형구조인 원통형 배열구조를 이용하여 비정형의 배열구조를 가지는 경우에 지중열교환기의 용량을 산정할 수 있는 방법에 대하여 제시한다. 본 발명에서 수학식 1 내지 4를 적용하여 지중열교환기의 용량을 산정하는 것이 가능한 경우는 St/Sd 값이 5.5 이하인 경우에 적합하다. As described above, the present invention proposes a method for calculating the capacity of an underground heat exchanger in the case of having an atypical arrangement structure using a cylindrical arrangement structure which is a regular structure. In the present invention, when it is possible to calculate the capacity of an underground heat exchanger by applying Equations 1 to 4, it is suitable when the S t /S d value is 5.5 or less.

St/Sd 값이 5.5인 경우는 61개의 보어홀이 I형의 배열구조를 가지도록 배치된 경우에 해당되는 것으로, 이 경우는 보어홀 간격이 5m로 배열된 것이라 할지라도 305m 이상의 지중열교환기를 단일 시스템으로 운용하는 경우에 해당하므로, 일반적인 사례라고 보기 어렵다. 따라서, 본 발명은 St/Sd 값이 5.5 이하인 일반적인 사례에 해당되는 경우에 유효하게 적용될 수 있다.The case where the S t /S d value is 5.5 corresponds to the case where 61 boreholes are arranged to have an I-type arrangement structure.In this case, underground heat exchange of 305m or more even if the borehole spacing is arranged in 5m. It is a case of operating the device as a single system, so it is difficult to regard it as a general case. Accordingly, the present invention can be effectively applied in the case of a general case in which the S t /S d value is 5.5 or less.

본 발명의 실시예에서는 속이빈 사각형 배열구조, U 자형 배열구조, L 자형 배열구조, 및 I 자형 배열구조를 가지는 대상배열구조를 원통형 배열구조로 수정하여 지중열교환기의 용량을 산정하는 방법에 대하여 설명하고 있으나, 속이빈 사각형 배열구조, U 자형 배열구조, L 자형 배열구조, 및 I 자형 배열구조를 포함하여 원통형 배열구조를 가지지 아니하는 모든 비정형 배열구조에 동일한 방식으로 적용하여 지중열교환기의 용량을 산정하는 것이 가능하다.In an embodiment of the present invention, a method of calculating the capacity of an underground heat exchanger by modifying the target array structure having a hollow rectangular array structure, a U-shaped array structure, an L-shaped array structure, and an I-shaped array structure into a cylindrical array structure. Although described, the capacity of the underground heat exchanger is applied in the same way to all irregular arrangements that do not have a cylindrical arrangement, including a hollow square arrangement, a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, and an I-shaped arrangement. It is possible to calculate.

상술한 바와 같은 본 발명에 의할 경우, 지열히트펌프 시스템의 주요 설계인자인 지중열교환기의 출구온도(EWT)가 설계조건에 부합하도록 최적화 알고리즘을 통해 지중 열교환기의 용량을 산출함에 의해, 지나친 투자비 상승을 최소화 또는 방지하고, 시스템 운영비 및 시스템 안정화의 최적화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 또한, 비정형 배열구조를 가지는 경우에도 간단하면서도 용이하게 지중 열교환기의 용량을 산출하는 것이 가능하다.According to the present invention as described above, by calculating the capacity of the underground heat exchanger through an optimization algorithm so that the outlet temperature (EWT) of the underground heat exchanger, which is the main design factor of the geothermal heat pump system, meets the design conditions, excessive It has the advantage of minimizing or preventing an increase in investment cost, and optimizing system operation cost and system stabilization. In addition, even in the case of having an irregular arrangement structure, it is possible to calculate the capacity of the underground heat exchanger simply and easily.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다. Since the description of the above-described embodiment is merely an example with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present invention, it should not be construed as limiting the present invention. In addition, it will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that various changes and changes can be made without departing from the basic principles of the present invention.

110 : 지중열교환기 120 : 히트펌프
130 : 건물110: underground heat exchanger 120: heat pump
130: building

Claims (5)

수직밀폐형 지중열교환기가 원통형 배열구조가 아닌 U자형 배열, L자형배열, I자형배열 및 속이 빈 사각형배열을 포함하는 비정형 배열구조를 가지는 지열히트펌프 시스템에서의 수직밀폐형 지중열교환기 용량산정방법에 있어서,
상기 비정형 배열구조를 가지며, 지중열교환기가 삽입되는 보어홀들 간의 최단거리인 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 배열되는 대상 배열구조에서, 상기 대상 배열구조를 구성하는 대상 보어홀들의 개수(N) 및 상기 대상 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 아래의 [수학식 1]을 이용하여 대상 보어홀들 간의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 산출하고,
원형 단면에 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되고, 상기 대상 배열구조와 보어홀들의 개수(N) 및 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 적용한 원통형 배열구조를 구성하고, 상기 원통형 배열구조를 구성하는 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고 아래의 [수학식 1]을 이용하여 보어홀들 간의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 산출하는 제1단계와;
동일한 보어홀 개수를 가지는 상태에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 차이가 최소화되도록 하여 상기 대상 배열구조를 상기 원통형 배열구조로 변환하는 경우에 적용될 보어홀 간격값을 아래의 [수학식 2]를 이용하여 수정 보어홀 간격값(Bopt)으로 하여 산출하는 제2단계와;
상기 수정 보어홀 간격값(Bopt)을 아래의 [수학식 3]에 적용하여 상기 대상 배열구조의 용량인 지중 축열조의 부피(V)를 산출하는 제3단계를 구비하여,
상기 대상 배열구조와 상기 원통형 배열구조의 열간섭 효과의 차이를 이용하여, 상기 대상 배열구조와 동일한 열간섭 효과를 가지는 원통형 배열구조로 변환하는 방법을 이용하여 지중 열교환기의 용량을 산출함을 특징으로 하는 지중열교환기 용량산정방법.
Figure 112020041771422-pat00022

Figure 112020041771422-pat00023

(여기서, b0 = -6.91407010, b1 = 1.69218975, b2 = -0.04428898, b3 = 4.66241132, b4 = -0.61527356, b5 = 0.10019864이다)
Figure 112020041771422-pat00024
In the method for calculating the capacity of a vertically sealed underground heat exchanger in a geothermal heat pump system in which the vertically sealed underground heat exchanger has an irregular arrangement including a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, an I-shaped arrangement and a hollow square arrangement instead of a cylindrical arrangement. ,
In the target arrangement structure having the atypical arrangement structure and arranged such that the borehole spacing (B), which is the shortest distance between the boreholes into which the underground heat exchanger is inserted, is the same, the number of target boreholes constituting the target arrangement structure (N ) And the center coordinate values (Xi,Yi) of each of the target boreholes, and calculate the target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between target boreholes, using the following [Equation 1],
A plurality of boreholes are arranged in a circular cross section, and the borehole located at the center is surrounded by 6 boreholes separated by the same distance (B), and the borehole closest to the boundary is 3 boreholes separated by the same distance (B). Are arranged, and the target arrangement structure and the number of boreholes (N) and the borehole spacing (B) are applied so that they are equal to each other, and the center coordinate value of each of the boreholes constituting the cylindrical arrangement structure A first step of defining (Xi,Yi) and calculating a reference distance sum (S d ) which is the sum of distances between boreholes using the following [Equation 1];
In the case of converting the target array structure to the cylindrical array structure by minimizing the difference in the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) in the state of having the same number of bores, the following [Equation 2] A second step of calculating a modified borehole spacing value B opt using
A third step of calculating the volume (V) of the underground heat storage tank that is the capacity of the target array structure by applying the modified borehole spacing value (B opt ) to the following [Equation 3],
The capacity of the underground heat exchanger is calculated using a method of converting the target array structure into a cylindrical array structure having the same thermal interference effect as the target array structure by using the difference between the heat interference effect of the target array structure and the cylindrical array structure. Underground heat exchanger capacity calculation method.
Figure 112020041771422-pat00022

Figure 112020041771422-pat00023

(Where b 0 = -6.91407010, b 1 = 1.69218975, b 2 = -0.04428898, b 3 = 4.66241132, b 4 = -0.61527356, b 5 = 0.10019864)
Figure 112020041771422-pat00024
 수직밀폐형 지중열교환기가 원통형 배열구조가 아닌 U자형 배열, L자형배열, I자형배열 및 속이 빈 사각형배열을 포함하는 비정형 배열구조를 가지는 지열히트펌프 시스템에서의 수직밀폐형 지중열교환기 용량산정방법에 있어서,
상기 비정형 배열구조를 가지며, 지중열교환기가 삽입되는 보어홀들 간의 최단거리인 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 배열되는 대상 배열구조에서, 상기 대상 배열구조를 구성하는 대상 보어홀들의 개수(N) 및 상기 대상 보어홀들 각각의 중심 좌표값(Xi,Yi)을 정의하고, 아래의 [수학식 1]을 이용하여 대상 보어홀들 간의 거리의 합인 대상 거리합(St)을 산출하고,
원형 단면에 복수의 보어홀들이 배치되고 중심에 위치한 보어홀을 동일한 간격(B)만큼 이격된 6개의 보어홀들이 둘러싸고, 경계와 가장 근접한 보어홀은 동일한 간격(B) 만큼 이격된 3개의 보어홀들이 배열되고, 상기 대상 배열구조와 보어홀들의 개수(N) 및 보어홀 간격(B)이 서로 동일하도록 적용한 원통형 배열구조에서의보어홀들 간의 거리의 합인 기준 거리합(Sd)을 아래의 [수학식 4]를 이용하여 산출하는 제1단계와;
동일한 보어홀 개수를 가지는 상태에서 지중열교환기 출구온도(EWT)의 차이가 최소화되도록 하여 상기 대상 배열구조를 상기 원통형 배열구조로 변환하는 경우에 적용될 보어홀 간격값을 아래의 [수학식 2]를 이용하여 수정 보어홀 간격값(Bopt)으로 하여 산출하는 제2단계와;
상기 수정 보어홀 간격값(Bopt)을 아래의 [수학식 3]에 적용하여 상기 대상 배열구조의 용량인 지중 축열조의 부피(V)를 산출하는 제3단계를 구비하여,
상기 대상 배열구조와 상기 원통형 배열구조의 열간섭 효과의 차이를 이용하여, 상기 대상 배열구조와 동일한 열간섭 효과를 가지는 원통형 배열구조로 변환하는 방법을 이용하여 지중 열교환기의 용량을 산출함을 특징으로 하는 지중열교환기 용량산정방법.
Figure 112020041771422-pat00025

Figure 112020041771422-pat00026

(여기서, b0 = -6.91407010, b1 = 1.69218975, b2 = -0.04428898, b3 = 4.66241132, b4 = -0.61527356, b5 = 0.10019864이다)
Figure 112020041771422-pat00027

Figure 112020041771422-pat00028

In the method for calculating the capacity of a vertically sealed underground heat exchanger in a geothermal heat pump system in which the vertically sealed underground heat exchanger has an irregular arrangement including a U-shaped arrangement, an L-shaped arrangement, an I-shaped arrangement and a hollow square arrangement instead of a cylindrical arrangement. ,
In the target arrangement structure having the atypical arrangement structure and arranged such that the borehole spacing (B), which is the shortest distance between the boreholes into which the underground heat exchanger is inserted, is the same, the number of target boreholes constituting the target arrangement structure (N ) And the center coordinate values (Xi,Yi) of each of the target boreholes, and calculate the target distance sum (S t ), which is the sum of the distances between target boreholes, using the following [Equation 1],
A plurality of boreholes are arranged in a circular cross section, and the borehole located at the center is surrounded by 6 boreholes separated by the same distance (B), and the borehole closest to the boundary is 3 boreholes separated by the same distance (B). Are arranged, and the reference distance sum (S d ), which is the sum of the distances between the boreholes in the cylindrical arrangement structure in which the target arrangement structure and the number of boreholes (N) and the borehole spacing (B) are equal to each other, is determined by [ A first step of calculating using Equation 4];
In the case of converting the target array structure to the cylindrical array structure by minimizing the difference in the underground heat exchanger outlet temperature (EWT) in the state of having the same number of bores, the following [Equation 2] A second step of calculating a modified borehole spacing value (B opt ) by using;
A third step of calculating the volume (V) of the underground heat storage tank that is the capacity of the target array structure by applying the modified borehole spacing value (B opt ) to the following [Equation 3],
The capacity of the underground heat exchanger is calculated using a method of converting the target array structure into a cylindrical array structure having the same thermal interference effect as the target array structure by using the difference between the heat interference effect of the target array structure and the cylindrical array structure. Underground heat exchanger capacity calculation method.
Figure 112020041771422-pat00025

Figure 112020041771422-pat00026

(Where b 0 = -6.91407010, b 1 = 1.69218975, b 2 = -0.04428898, b 3 = 4.66241132, b 4 = -0.61527356, b 5 = 0.10019864)
Figure 112020041771422-pat00027

Figure 112020041771422-pat00028

 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 대상 거리합(St)/상기 기준거리합(Sd)은 5.5 이하의 값을 가짐을 특징으로 하는 지중열교환기 용량산정방법.
The method according to claim 1 or 2,
The target distance sum (S t ) / the reference distance sum (S d ) is an underground heat exchanger capacity calculation method, characterized in that having a value of 5.5 or less.
 청구항 3에 있어서,
상기 U자형 배열은 지중열교환기가 삽입되는 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00029
'형상의 배열구조이고, 상기 L자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00030
'형상의 배열구조이고, 상기 I자형배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00031
'형상의 배열구조이고, 상기 사각형 배열은 상기 보어홀이 점으로 표시된 '
Figure 112018066723210-pat00032
' 형상의 배열구조임을 특징으로 하는 지중열교환기 용량산정방법.
The method of claim 3,
In the U-shaped arrangement, the borehole into which the underground heat exchanger is inserted is marked with dots.
Figure 112018066723210-pat00029
'It is a shape arrangement structure, and in the L-shaped arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00030
'It is a shape arrangement structure, and in the I-shaped arrangement, the borehole is indicated by a dot'
Figure 112018066723210-pat00031
'It is a shape arrangement structure, and in the square arrangement, the borehole is indicated by dots'
Figure 112018066723210-pat00032
'A method for calculating the capacity of an underground heat exchanger characterized by a shape arrangement.
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