• 한국지반공학회논문집
• /
• 제29권8호
• /
• pp.37-51
• /
• 2013

에너지파일은 말뚝 내부에 열교환을 위한 순환파이프를 설치하여 파이프 내에 열전달 유체를 순환시킴으로써 주변 지반의 열에너지와 말뚝 간의 열교환을 가능하게 한 구조물이다. 에너지파일은 기존의 지중 열교환기와 비교하여 경제적, 시공적인 측면에서 많은 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 코일형 PHC 에너지파일을 시공하여 그 열적거동을 실험 및 수치해석을 통하여 평가하였으며, 해당 에너지파일의 예비설계를 수행하였다. 현장 시공된 코일형 PHC 에너지파일에 대한 현장 열응답시험(thermal response test, TRT)를 실시하고, 이 결과를 Man et al.(2010)이 제안한 개선된 원통형 열원 모델(solid cylinder source model) 결과와 비교하였다. 또한 현장 열응답 시험 결과를 FLUENT를 이용한 전산유체(computational fluid dynamics, CFD) 수치해석을 통해 모사함으로써, 대상 지반의 열전도도를 역해석을 통해 산정하였다. 코일형 PHC 에너지파일에 설치된 코일형 열교환 파이프의 파이프 루프 간 간격에 따른 열간섭을 평가하기 위하여 코일피치에 변화를 주며 수치해석을 수행하였으며, 결과를 통해 코일피치에 따른 에너지파일의 열거동 및 열교환 효율을 평가하였다. 마지막으로 수치해석을 통해 코일형 PHC 에너지파일과 일반적인 복합 U-형 열교환 파이프가 삽입된 PHC 에너지파일 간의 열교환 효율을 비교하여 코일형 PHC 에너지파일의 등가 열교환율(또는 등가 환산계수)을 제시하였고, 이를 PILESIM2를 이용한 설계 알고리즘에 적용함으로써 해당 에너지파일의 예비설계를 수행하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
• /
• pp.167.2-167.2
• /
• 2010

본 연구에서는 지열 에너지원으로써 터널 내부 벽면의 항온성을 이용하여 터널 외벽에 텍스타일 형태의 열교환기를 설치하고 열적 거동을 평가하였다. 터널의 라이닝 부분에서는 여러 가지 요인에 의해 지하수가 터널 내부로 유입하게 되므로 지하수의 유무에 대한 열적 거동 및 유동액의 순환 속도에 따른 영향, 열교환 파이프 배열 형태에 따른 영향을 현장 시험 시공과 현장 열응답시험을 통하여 평가하고자 하였다. 또한 3-D 유한체적해석 프로그램(FLUENT)을 이용하여 숏크리트와 라이닝의 열전도도를 고려한 열교환기의 성능을 분석하였다. 수치해석 결과 열교환 파이프 주변에 지하수의 흐름이 존재할 경우 열전달이 상대적으로 더 원활히 이루어졌으며 순환속도가 빠를 때 보다 느릴수록 효율이 높게 나타났다. 또한, 파이프의 간격이 넓을수록, 파이프의 길이가 길수록 효율이 높게 나타났다. 라이닝 및 숏크리트의 열전도도가 증가함에 따라 에너지 텍스타일의 열전달 효율이 높게 나타났다. 현장 시험을 통해 비슷한 길이의 파이프가 사용된 경우, 파이프 배열 형태에 따라 수평형보다는 수직형 배열의 효율이 높게 측정되었다.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제35권2호
• /
• pp.361-375
• /
• 2015

에너지파일은 기존의 수직밀폐형 지중열교환기를 경제적으로 대체할 수 있는 새로운 형태의 지중열교환기이다. 즉, 에너지파일은 건물의 기초 구조물과 지중열교환기의 역할을 동시에 수행하는 에너지 구조체로서, 말뚝 기초 내부에 열교환 파이프를 삽입하고 파이프를 통해 유체를 순환시켜 지반과의 열교환을 유도한다. 본 연구에서는 병렬 U형(5쌍, 8쌍, 10쌍)의 열교환 파이프를 대구경 현장타설 에너지파일에 삽입하여, 3본의 에너지파일을 실규모로 시공하였다. 또한 현장 열응답 시험(In-situ thermal response tests, TRTs)을 수행하고 시공된 현장타설 에너지파일과의 열교환 효율을 비교하기 위하여 30m 깊이의 수직밀폐형 지중열교환기를 별도로 시공하였다. 병렬 U형 현장타설 에너지파일에 대해서는 냉난방 부하를 인공적으로 주입하는 열교환 성능 평가시험을 수행하여 열교환 성능(heat exchange rate)을 평가하였다. 마지막으로 현장타설 에너지파일의 적용성 평가를 위해 산정된 상대 열교환 효율(relative heat exchange efficiency) 및 열교환 성능을 선행 연구 결과와 비교하였으며, 본 연구에서 시공된 현장타설 에너지파일은 안정적이고 효율적인 열성능을 보이는 것으로 나타났다.

• 한국태양에너지학회 논문집
• /
• 제31권4호
• /
• pp.80-86
• /
• 2011

Investigation of the effective soil thermal conductivity(k) is the first step in designing the ground loop heat exchanger(borehole) of a geothermal heat pump system. Another important factor is the borehole thermal resistance($R_b$). Thermal response tests offer a good method to determine the ground thermal properties for the total heat transport in the ground. This is done by supplying a constant heat power into a borehole heat exchanger. There are two methods to supply a constant heat power. One is to employ the electricity provided by Korea Electric Power Corporation(KEPCO). The other is to use electricity generated by a generator. In this study, the power supply regulation was found to reduce when the electricity generated by the generator was used. This is because the generator evaluated with the power supply characteristically reduces the power supply regulation between an overload and a complex using. But it sometimes occurs a power supply regulation in In-situ thermal response test. In this case getting of k,$R_b$ requires delay times and restored normal state. However, the effect of the delay times and restored normal state on the soil thermal conductivity and borehole thermal resistance is very small. Therefore it is possible to use a generally accepted delay times and restored normal state in the analysis. In this work, it is also shown that an acceptable range of ${\Delta}k$, ${\Delta}R_b$ for normal state and regulation state might be approximately 0.01-0.16W/m k, and -0.004-0.007m K/W, respectively. Thus, restored normal state of power supply regulation is valuable to recommend.

• 한국산학기술학회논문지
• /
• 제19권10호
• /
• pp.128-135
• /
• 2018

현재 지열 열펌프 시스템에 수직밀폐형 지중열교환기가 가장 많이 적용되고 있으며, 수직밀폐형 지중열교환기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자로는 지중 열전도율(k)과 보어홀 전열저항($R_b$)이 있다. 본 연구에서는 현장에서 측정된 열응답시험 데이터를 이용하여 보어홀 전열저항을 계산하였으며 지중열교환기 개별 설계인자들(순환수유량, 파이프 수, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 도출된 그라우팅 열저항은 문헌에 제시된 다양한 상관식과 비교 분석하였다. 시험데이터를 통해 본 시험에서의 지중열교환기 보어홀 전열저항은 0.1303 W/m.K로 나타났으며, 보어홀 전열저항에서 그라우트 열저항이 66.6 %, 파이프 열저항이 31.5 %, 순환수 대류열저항이 1.9 %를 차지하여 그라우트가 보어홀 열전달에 가장 큰 영향을 미치는 인자임을 확인하였다. 또한 각 설계인자의 설계변수가 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 분석한 결과 실리카샌드를 혼합하여 그라우트 열전도율를 높이는 방법이 파이프 수 증가나 순환수 유량증가보다 열전달 증진에 더 효과적임을 알 수 있었다.

• 한국산학기술학회논문지
• /
• 제21권2호
• /
• pp.32-38
• /
• 2020

본 연구는 제주도에 설치된 제주형 지중열교환기의 열적 특성을 분석하기 위해서 시험 방법 및 평가 방법을 정립하고, 열응답시험 (TRT)을 통하여 다양한 지역에 설치된 지중열교환기의 지중온도와 열적 특성을 분석하였다. 제주도는 화산암반층으로 이루어져 지하수의 유동이 잘 발달되어 있으며, 제주형 지중열교환기는 보어홀을 굴착 한 이후에 지하수 수위로 부터 30 m 까지 지중열교환기를 설치할 수 있다. 지중열교환기는 여러개의 파이프가 보어홀 내부에 삽입되는 구조로 되어있다. 제주형 지중열교환기의 특성을 살펴보기 위해 제주도 관내 4곳 (표선, 제주, 남원, 한림)에 설치된 지중열교환기에 대한 시험을 수행하였다. 분석결과 제주형 지중열교환기의 경우 열교환기에 열량을 투입 후 1 ~ 3시간 안에서 지중 순환수 온도가 안정화 되었으며, 열교환기가 설치된 지역에 따라서 투입열량에 따른 지중 순환수 온도 상승이 다르게 나타났다. 한림의 경우 지중열교환기 용량이 73.4 kW (냉방) / 82.8 kW (난방)로 가장 높게 나타났으며, 제주의 경우 34.1 kW (냉방) / 23.3 kW (난방)로 가장 작게 계산되었다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
• /
• 대한기계학회 2007년도 춘계학술대회B
• /
• pp.3401-3406
• /
• 2007

This study was performed to acquire the reliable in-situ thermal conductivity of closed type ground heat exchanger used in ground source heat pump. We selected four sites(Cheonan, Daejeon, Daegu, Gwangju) which are central area of South Korea. Test results show that the effective thermal conductivities are 2.33 W/m$^{\circ}C$, 2.50 W/m$^{\circ}C$, 2.75 W/m$^{\circ}C$ and 2.86 W/m$^{\circ}C$. From this data, we can see that thermal conductivity varies about the range of 23% with the sites. Also, thermal conductivity increases up to 20% by changing grouting material from low salica sand to high one.

• 대한기계학회:학술대회논문집
• /
• 대한기계학회 2007년도 춘계학술대회B
• /
• pp.3371-3376
• /
• 2007

The design of a ground-source heat pump system includes specifications for a ground loop heat exchanger where the heat transfer rate depends on the thermal conductivity of the ground. To evaluate this heat transfer property, in-situ thermal response tests on four vertical test boreholes with different grouting materials were conducted by adding a monitored amount of heat to water over various test lengths. By measuring the water temperatures entering and exiting the loop, water flow rate, and heat load, effective thermal conductivity values of the ground were determined. The effect of increasing thermal conductivity of grouting materials from 0.82 to 1.05 W/m$^{\circ}C$ resulted in overall increases in effective ground thermal conductivity by 25.8% to 69.5%.

• 산업기술연구
• /
• 제31권B호
• /
• pp.27-36
• /
• 2011

In this paper, the applicability of cement grout has been studied as an alternative to bentonite grout for backfill ground heat exchangers. To provide an optimal mixture design, the thermal conductivity of cement grout and bentonite grout with various mixture ratios were experimentally evaluated and compared. Numerical analyses using Fluent(FVM program) were applied to compare the thermal transfer efficiency of the cement grout with that of the bentonite grout used in the construction. Also the effective ground thermal conductivity was measured by In-situ thermal response test. The results showed that the thermal efficiency of the cement grout was better than the bentonite grout. Consequently, the cement grout could be an alternative with more thermal efficiency to bentonite grout for ground heat exchangers.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
• /
• 대한설비공학회 2008년도 동계학술발표대회 논문집
• /
• pp.33-38
• /
• 2008

A ground-loop heat exchanger in a ground source heat pump system is an important unit that determines the thermal performance of a system and its initial cost. The Size and performance of this heat exchanger is highly dependent on ground thermal properties. A proper design requires certain site-specific parameters, most importantly the ground effective thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the undisturbed ground temperature. This study was performed to investigate the effect of some parameters such as borehole lengths, various grouting materials and U-tube configurations on ground effective thermal conductivity. In this study, thermal response tests were conducted using a testing device with 9-different ground-loop heat exchangers. From the experimental results, the length of ground-loop heat exchanger affects to the effective thermal conductivity. Among the various grouting materials, the bentonite-based grout with silica sand shows the largest thermal conductivity value.