Model Development to Simulate Geothermal Heat Transport and Sensitivity Analyses on the Design Parameters of Closed-loop Geothermal Heat Pump System

doi:None

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2008 Vol.45, Issue 4 Preview Page Next Page

Model Development to Simulate Geothermal Heat Transport and Sensitivity Analyses on the Design Parameters of Closed-loop Geothermal Heat Pump System 폐쇄형 지열 열펌프 시스템을 포함한 지중 열 거동 정밀 시뮬레이션 모델 개발과 영향 인자별 민감도 분석: 김성균, 배광옥, 이강근, 심병완, 송윤호
Seong-Kyun Kim, Gwang-Ok Bae, Kang-Kun Lee, Byoung-Ohan Shim and Yoonho Song

31 August 2008. pp. 326-336

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Abstract

To simulate geothermal heat transport associated with the closed-loop geothermal heat pump (GHP) system, a numerical model named “Modified TOUGHREACT” is developed in this study. It can simulate temperature changes in the GHP system with circulating water through the pipe as well as it computes groundwater flow and aquifer temperature changes. The proposed model is based on TOUGHREACT, a widely accepted three-dimensional numerical simulator for heat and water flow and geochemical reactions in geothermal systems. To verify the model, simulation results are compared with the analytical solution of line source model and data set from an in-situ thermal response test. Simulation results are in very close agreement with both the analytical solution and field test data. The proposed model is used to analyze the sensitivities of design parameters that can affect the performance of the closed-loop GHP system. The most sensitive parameters on the system are the thermal conductivity of aquifer and the Darcian groundwater velocity considering acceptable distribution range in the realm of nature. Maximum change of the circulating fluid temperature at the outlet is about 4℃ when thermal conductivity of the aquifer changes from 2 W/m-K to 5 W/m-K and the Darcian groundwater velocity changes from 10-8 m/s to 10-6 m/s, respectively. The numerical model can be applied to the optimal design and the evaluation of long-term performance of the GHP system.

Keywords

Geothermal heat pump system

Borehole heat exchanger

Modified TOUGHREACT

Thermal response test

Sensitivity analysis

폐쇄형 지열 열펌프 시스템을 포함하는 지중 열 거동 양상을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있는 수치 모델인 Modified TOUGHREACT를 개발하였다. 정밀한 계산을 위해 지하수의 흐름과 대수층의 온도 변화와 더불어 U-tube 내부를 흐르는 순환 유체의 온도 변화까지 반영할 수 있도록 하였다. 이 모델은 열 및 유체의 흐름과 지화학 반응 모의에 널리 사용되는 TOUGHREACT를 기반으로 하고 있고, 폐쇄형 지열 열펌프 시스템의 시뮬레이션에 적합하도록 수정 및 추가한 모듈을 검증하기 위해 선공급원 모델(line source model) 해석해와 현장 열 응답 시험 자료를 이용하였다. 해석해 결과와 열 응답 시험 자료 모두 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 검증된 모델을 사용하여 폐쇄형 지열 열펌프 시스템에 영향을 주는 변수들에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 각 변수 값의 범위는 자연계에서 취득 가능한 범위로 설정하였고, 이 때 지중 열전도도와 지하수의 유속(Darcian velocity)이 지열펌프 시스템에 가장 큰 영향을 주는 변수들로 확인되었다. 지중 열전도도를 2 W/m-K에서 5 W/m-K로 변화시켰을 때와 지하수의 유속을 10-8 m/s에서 10-6 m/s로 변화시켰을 때, 출수구에서의 순환 유체의 온도 차이가 각각 4℃ 정도 발생하였다. 이 연구를 통해 개발한 수치 모델은 폐쇄형 지열 열펌프 시스템의 최적 설계와 장기적인 효율 예측에 활용될 수 있을 것이다.

키워드

지열 열펌프 시스템

지중 열교환기

Modified TOUGHREACT

열 응답 시험

민감도 분석

References

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Information

Publisher :The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers
Publisher(Ko) :한국자원공학회
Journal Title :Journal of the Korean Society for Geosystem Engineering
Journal Title(Ko) :한국지구시스템공학회지
Volume : 45
No :4
Pages :326-336

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Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

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