• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.193-193
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• 2011

현재까지 대부분의 지열원 열펌프 시스템에 관한 연구는 열펌프 유닛과 지중열교환기에 대해 개별적으로 수행되었으며, 열펌프 유닛과 지중열교환기 설계 및 최적화의 공통변수인 지중순환수 유량에 따른 시스템 전체에 대한 연구성과는 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 인증되어 보급되고 있는 물매물 지열원 열펌프 유닛의 성능 자료를 분석하고, 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 열펌프 유닛의 성능 실험 및 지중열교환기 형상에 관한 설계 및 분석을 수행하여 지열원 열펌프 시스템 최적화에 관한 기반 기술 확보하고자 하였다. 현재 국내의 물대물 지열원 열펌프 유닛의 냉방 및 난방 조건에서의 최소 인증 COP는 각각 4.1과 3.45이다. 다양한 용량 및 성능을 갖는 국내 인증 물대물 지열원 열펌프 유닛에 대한 정량적 성능 분석을 위하여 3.5kW(1RT) 용량당의 지중순환수 유량과 COP를 고찰하였다. 냉방운전시 3.5kW 단위 용량당 열펌프 유닛의 지중순환수 유량은 10.73에서 18.52LPM을 나타냈으며, 난방운전에는 10.41에서 18.16LPM을 나타냈다. 이때, 냉방 COP는 4.1에서 5.4의 값을 나타냈으며, 난방 COP는 각각 3.5에서 4.2를 나타냈다. 인증 열펌프 유닛에서 지중순환수 유량과 열펌프 유닛의 냉난방 성능은 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 지중순환수 유량에 따른 지열원 열펌프 유닛과 시스템의 성능을 정량적으로 분석하고자 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 지열원 열펌프 유닛 성능 실험을 수행하고 이를 기반으로 지중열교환기를 설계 및 분석하였다. 냉난방 각 운전모드에서 ISO 13256-2 규격과 NRGT 101 규격을 기준으로 지중순환수와 부하측 유량 6LPM 에서 36LPM 사이에서 변화시키며 성능 실험을 수행하였다. 냉방 및 난방모드 모두 유량이 증가함에 따라 열펌프 유닛 COP가 증가하였으나, 유량 증가에 따른 열펌프 유닛 COP 증가율은 감소하였다. 지중순환수 유량이 18LPM 이상에서는 COP 상승폭은 미소하였다. 기존문헌의 부하 산정자료와 열펌프 유닛 실험 성능 데이터를 이용하여 지식경제부 고시 2009-332호에 준하여 수직밀폐형 지중열교환기를 설계하고 순환펌프 소요동력을 이용하여 시스템 COP를 분석하였다. 지중열교환기 설계 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 상용지중열교환기 설계프로그램인 GLD 프로그램을 사용하였다. 지중순환수와 부하측 2차 유체 유량 증가 시에 열펌프 유닛 COP 증가율 대비 시스템 COP 증가율은 감소하였으며, 난방모드에서는 일정 유량 이상에서는 열펌프 유닛 COP는 증가하였으나, 시스템 COP는 감소하였다. 또한, 지중순환수 유량 증가에 따라 지중열교환기 길이가 증가하였으며, 냉난방시의 지중열교환기 길이차이가 증가하였다. 지열원 열펌프 시스템의 고효율화 및 시공비 절감을 통한 경제성 확보를 위해서는 지열원 열펌프 유닛 성능과 지중열교환기 형상 공통 변수인 지중순환수 유량을 함께 고려하여 시스템을 설계하여야한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.123.2-123.2
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• 2010

본 논문에서는 2008년 4월 이후 지열원 열펌프가 설치되어지는 현장에 시험공의 지중열전도도를 현장열응답법을 이용하여 측정하였으며, 그간에 측정된 지중열전도도를 이용하여 전국의 지중온도 및 지중열전도도의 산포도를 정리하였다. 지중열교환기의 심도가 150m일 때 지중온도 분포는 약 $12.0{\sim}19^{\circ}C$의 넓은 분포를 보였으나 대부분의 지중온도가 $15.0{\sim}17.0^{\circ}C$의 범위에 분포하였으며, 지중열전도도의 경우도 마찬가지로 1.50 ~ 9.00 W/mk 값으로 아주 넓은 분포를 보였으나 2.30 ~ 2.90W/mk 값이 가장 많이 나타냈다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.122.1-122.1
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• 2010

수평형 지중열교환기의 지중온도 및 지중열전도도를 분석하기 위해서 경기테크노파크 화단에 수평형 지중열교환기를 설치하였다. 수평형 지중열교환기는 수평 길이 50m, 폭 2.7m, 깊이 2m에 파이프 규격 30mm, 파이프 길이 400m 1본을 매설하였다. 2009년 7월부터 2010년 5월까지 총 7회에 걸쳐 현장열응답방식을 이용하여 지중열전도도를 측정하였다. 측정결과를 분석해보면 수평형 지중열교환기의 지중온도는 계절적인 영향을 많이 받았으며, 지중열전도도는 계절적인 요인과는 무관하게 $1.51{\pm}0.1W/mk$ 범위에서 잘 일치함을 보였다. 이러한 결과로서 수평형 지중열교환기의 현장열응답시험은 현장설치 조건을 모두 반영한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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• 2011.04a
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• pp.157-160
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• 2011

본 연구에서는 광섬유 센서 기반 스마트 모니터링 시스템이 지중 열전도도 측정에도 효율적으로 적용될 수 있는지를 분석하였다. 이를 위해 광섬유 온도센서를 이용하여 지반의 열전도도를 측정할 수 있는 열응답 시험기가 개발되었다. 개발된 열응답 시험기는 기존의 RTD(Resistance Temperature Detector) 온도 센서 외에 광섬유 센서의 한 종류인 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서도 실시간적으로 측정할 수 있는 시스템으로 구성되어 있다. 개발된 장비의 적용성 검증을 위하여 주문진 표준사를 이용하여 모형토조 내에 일정한 간극비에 맞추어 시료가 조성되었으며 지중열교환기는 U자형 파이프가 사용되었다. 20시간동안 열응답 시험을 통하여 광섬유 센서와 RTD 센서를 동시에 이용하여 온도값을 측정하여 표준사의 열전도도 값을 산출하였다. 그 결과 모형실험을 통한 열전도도 값은 탐침법을 통해 얻어진 열전도도 값과 선형 열원 모델(line source model) 해석해와 거의 유사하게 나타났으며 광섬유 센서와 RTD 센서와의 온도차는 0.1~0.3$^{\circ}$로써 유사한 값을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 개발된 광섬유 기반 열응답 시험기는 지반의 열전도도를 측정하는데 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있었으며 향후 지열시스템 가동에 따른 지중열 교환기의 손상도 평가 및 경보시스템 개발을 위해 지중열교환기의 거동을 실시간으로 모니터링 하는데 있어서도 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

• 전기의세계
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• v.37 no.10
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• pp.18-24
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• 1988

이 글에서는 토양 열특성의 종류와 각각의 특성이 내포하고 있는 의미와 전력 케이블의 설계 및 운용에 수반되어야 할 열저항율, 열확산율 및 열안정도의 측정필요성을 기술하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.167.1-167.1
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• 2010

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중열교환기 뒤채움용 그라우트의 종류와 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면에 따른 지중열교환기의 성능을 비교 평가하기 위해 현장 시험 시공과 현장 열응답 시험을 수행하였다. 뒤채움용 그라우트재는 벤토나이트와 시멘트를 사용하였으며 첨가제로는 천연규사와 흑연을 적용하였다. 지중열교환기 파이프 단면은 일반적으로 시공되는 U-loop 파이프 단면과 파이프 사이의 열간섭 효과를 최소화 한 3공형 파이프 단면이 적용되었다. 시멘트-천연규사 그라우트재가 벤토나이트-천연규사 그라우트재 보다 큰 지중 유효열전도도를 보이고 흑연을 첨가한 그라우트는 시멘트와 벤토나이트 모두에서 천연규사만 첨가하였을 때 보다 지중 유효열전도도가 높게 나타났다. 3공형 파이프 단면의 경우 단면에 따른 영향을 비교하기 위해 그라우트는 시멘트-천연규사와 벤토나이트-천연규사를 사용하였으며 지중 유효열전도도 측정결과 각각 3.64 W/mK, 3.40 W/mK으로 일반 U-loop 파이프 단면을 사용하였을 때 보다 높게 나타났다.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.20 no.1
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• pp.28-34
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• 2019

Solar energy is one of the most abundant renewable energy sources on Earth but there are restrictions on the use of solar thermal energy due to the time-discrepancy between the solar-rich season and heating demand. In Europe and Canada, a seasonal solar thermal energy storage (SSTES), which stores the abundant solar heat in the summer and uses the heat for the winter heating load, is used. Recently, SSTES has been introduced in Korea and empirical studies are actively underway. In this study, a $2,000m^2$ flat plate type solar collector and $20,000m^2$ of borehole thermal energy storage (BTES) were studied for a greenhouse in Hwaseong City, which has a heating load of 2,164 GJ/year. To predict the dynamic performance of the system over time, it was simulated using the TRNSYS 18 program, and the solar fraction of the system with the control conditions was investigated. As a result, the solar BTES system proposed in this study showed an average solar fraction of approximately 60% for 5 years when differential temperature control was applied to both collecting solar thermal energy and discharging BTES. The proposed system simplified the configuration and control method of the solar BTES system and secured its performance.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.164.2-164.2
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• 2010

KEPCO에서는 발전소로부터 생산되는 전력을 각 가정에 공급하기 위하여 전력선을 설치하고 있다. 이 전력선은 지상과 지중에 동시에 설치되고 있으며, 지상에 위치한 전력선을 가공선이라 한다. 지중에 설치된 전력선을 지중선이라 하며, 지중선을 설치하기 위한 공사를 지중화공사라 한다. 전력선은 전력이 통전될 때 일정한 온도 이상의 열이 발생하게 되며 이 열이 신속하게 외부로 빠져나가야지만 전력수송효율이 떨어지지 않게 된다. 지중화공사는 대부분 도로를 재굴착하여 설치하게 되며, 전력선을 설치한 후 주변 되메움재로는 모래를 이용하고 있다.하지만 최근 들어 모래의 수급이 딸리고, 가격이 높아지고 있는 관계로 이의 대체재료가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 전력선 되메움재인 모래의 대체재료로 건설폐기물의 일종이었던 순환골재를 이용하기 위하여 열저항특성을 분석하였다. 이미 순환골재는 2005년부터 공공 공사에 의무적으로 사용하도록 규정이 되어 있어 도로 또는 콘크리트 골재로 사용하고 있다. 순환골재를 전력선 되메움재로 사용하기 위해서는 열저항온도(thermal resistivity)가 $120^{\circ}C$-cm/W 이하가 되어야만 전력선 효율이 떨어지지 않기 때문에 이를 만족하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 QTM-500 장비를 이용하여 순환골재의 열저항 특성실험을 시행하였다. 실험의 원활한 수행을 위하여 순환골재의 입도는 5.0mm 이하로 제한하였으며, 인자로는 다짐도와 함수비를 중요한 인자로 선택하였다. 분석결과, 다짐도 및 함수비는 순환골재의 열저항온도에 영향을 미치는 주인자로 나타났으며, 일부 교호작용도 존재하는 것으로 나타났다. 향후 실험결과를 바탕으로 현장 실증실험을 수행할 예정이며, 본 연구결과는 KEPCO의 순환골재 이용기준수립에 활용할 예정이다.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.17 no.3
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• pp.24-30
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• 2016

Vertical and standing column well ground heat exchangers have mostly been installed for ground source heat pump systems (GSHP) and thermal response tests (TRT) have been applied to evaluate the thermal characteristics for these heat exchangers. In this paper, the TRT coupled with a line source method was applied to evaluate the thermal characteristics of the horizontal ground heat exchanger (HGHX). Load tests of a HGHX were also performed to examine the daily variations of the ground and fluid temperatures associated with the daily intermittent operation of GSHP. For this test, the straight HGHX (depth 2 m, length 50 m, 8 line) was installed in Ansan city. The results showed that the variations of ground thermal conductivity of HGHX during one year were relatively small with the range of $1.43{\sim}1.64W/m{\cdot}K$, and the maximum and minimum values appeared in December and May, respectively. Load tests with heat injection rate of 6.0 kW for 10 hours per day to HGHX during twelve days were performed in June, September and December, and resulted in a ground initial temperature rise of $4.31^{\circ}C$, $3.14^{\circ}C$, and $1.21^{\circ}C$ during these days, respectively.

• Economic and Environmental Geology
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• v.38 no.6 s.175
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• pp.717-729
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• 2005

Peak cooling load of large buildings is generally greater than their peak heating load. Internal and solar heat gains are used fur selection of adquate equipment in large building in cold winter climate like Canada and even Korea. The cost of geothermal heat exchanger to meet the cooling loads can increase the initial cost of ground source heat pump system to the extend less costly conventional system often chosen. Thermal ice storage system has been used for many years in Korea to reduce chiller capacity and shift Peak electrical time and demand. A distribution system designed to take advantage of heat extracted from the ice, and use of geothermal loop (geothermal heat exchanger) to heat as an alternate heat source and sink is well known to provide many benifits. The use of thermal energy storage (TES) reduces the heat pump capacity and peak cooling load needed in large building by as much as 40 to $60\%$ with less mechanical equipment and less space for mechanical room. Additionally TES can reduce the size and cost of the geothermal loop by 1/3 to 1/4 compared to ground coupled heat pump system that is designed to meet the peak heating and cooling load and also can eliminate difficuties of geothermal loop installation such as space requirements and thermal conditions of soil and rock at the urban area.