지열 냉난방 시스템의 설계는 냉난방 공간의 크기에 따라 필요한 부하를 계산하여 설계하게된 다. 설계 부하를 충분히 소화할 수 있는 지열교환기의 길이와 보어홀의 깊이 및 개수는 지반의 열적 특성에 크게 좌우된다. 열전도율이 큰 지반일수록 지열교환기 내의 열 흡수 및 소산이 효과적으로 이루어져 지열교환기의 길이도 상대적으로 짧아질 수 있다. 즉, 효율적이고 정확한 설계를 하기 위해서는 지반, 암반 및 지중열교환기의 물리적 특성에 따른 열적 특성을 설계자는 미리 숙지하여야 한다. 현재 국내에서 수직 밀폐형 지중열교환기의 그라우트로 벤토나이트를 가장 많이 사용하고 있으나, 해외의 경우 지중 조건에 따라 시멘트 또는 벤토나이트를 적절히 선택하여 시공하고 있다. 이는 벤토나이트의 특성상 적용 조건이 제약을 받기 때문이며, 특히 지하수가 존재하지 않을 경우 사용이 사실상 불가능하다. 국내에서 이에 대한 충분한 연구는 아직 이루어지지 않았으며, 시멘트 그라우트를 사용하기 위한 물리적, 열적 특성에 대한 연구가 필요한 시점이라 판단하여 본 연구를 수행하였다. 시멘트 그라우트의 경우 수화반응이 일어나는 초기의 건조수축을 최소화하는 배합비로 물성을 구성하였으며, 벤토나이트는 일반 현장 시공 비율을 사용하였다. 열전도율은 첫째 실내 시험으로 시멘트 그라우트에 대한 열판시험법과 벤토나이트 그라우트에 대한 탐침시험법으로 수행하여 구하였으며, 두 번째 방법인 현장 시공으로 직접 현장열응답시험을 수행하여 그라우트 간의 열적 특성을 비교하였다. 또한 기존 시멘트그라우트의 열적 특성을 개량한 코오롱건설에서 개발한 시멘트 그라우트에 대한 열적 거동도 기존 타 그라우트의 열적 거동과 비교하였으며, 개발 제품의 성능이 상당히 우수함을 알 수 있었다.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.1
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pp.512-520
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2020
Recently, the applications of the standing column well (SCW) ground heat exchanger (GHX) have increased significantly in Korea as a heat transfer mechanism of ground source heat pump systems (GSHP) because of its high heat capacity and efficiency. Among the various design and operating parameters, bleeding was found to be the most important parameter for improving the thermal performance, such as ground thermal conductivity and borehole thermal resistance. In this study, a bleeding analysis model was developed using the thermal response test data, and the effects of bleeding rates and bleeding locations on the thermal performance of anSCW were investigated. The results show that, when the ground water flows into the top of anSCW, the time variation of circulating water temperature decreased with increasing bleeding rate, and the ground thermal conductivity increases by as much as 179% with a 30% bleeding rate. When the ground water flows into the bottom of the SCW, the circulating water temperatures become almost constant after the increase in the beginning time because the circulating water exchanges heat with the ground structure before mixing with the ground water at the bottom.
The effect of borehole thermal resistance on the borehole length is studied. In performing this work a new concept BLRR(borehole length reduction rate) is developed based on the line source model. The solution of line source model is shown to be valid through the comparison with the data of thermal response test. It is shown that BLRR is a function of soil thermal conductivity(k) and borehole thermal resistance($R_b$). The value of BLRR increases with increasing k, which means reducing $R_b$ is more effective when k is high. The reduction of borehole length with change of $R_b$ is easily estimated with BLRR. The validity of BLRR is also examined with EED analysis.
Lee Se-Kyoun;Woo Joung-Son;Ro Jeong-Geun;Kim Dae-Ki
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.18
no.10
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pp.783-790
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2006
A one-dimensional numerical model coupled with parameter estimation is used to predict the effective thermal conductivities of soil formations and borehole resistances from in situ field test data. In this application a new method of using initial ignoring time (IIT) obtained from error estimation is tried and turned out to be successful in determining soil thermal conductivities. This method is used for single-U and double-U borehole system. The results of this method are compared and agreed well with those of existing software (GPM) in the analysis of single-U borehole data. In the analysis of double-U borehole data this method seems to be better in predicting soil and borehole properties.
Line source model is commonly used in analyzing the data obtained from thermal response test to estimate the effective soil formation thermal conductivity. In the application of line source model some part of initial data must be ignored in order to achieve more accurate result. The period of time for this initial data is called initial ignoring time(IIT) in this paper. However there has been no definite rule in determining this initial ignoring time. Therefore line source model requires experienced analyzer to select the useful data, which is somewhat subjective. One method often suggested is the calculation of IIT with non dimensional time $\tau=5$. However, this is a very theoretical result derived from a system of perfect line source model, which is somewhat different from the real system. A new method to determine IIT is presented in this study. This method requires error estimation first and IIT can be decided from the results of error estimation. This method is applied in the analysis of field test data and shows better result than the one obtained from the method using non dimensional time mentioned above as shown in Table 2.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.10
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pp.128-135
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2018
Currently, vertical closed ground heat exchangers are the most widely utilized geothermal heat pump systems and the major influencing parameters on the performance of ground heat exchangers are the ground thermal conductivity(k) and borehole thermal resistance($R_b$). In this study, the borehole thermal resistance was calculated from the in-situ thermal response test data and the individual effects of design parameters (flow rate, number of pipe, grout composition) on the borehole thermal resistance were analyzed. The grout thermal resistance was also compared with the correlations in the literatures. The borehole thermal resistance of the investigated ground heat exchanger results in 0.1303 W/m.K and the grout thermal resistance (66.6% of borehole thermal resistance) is the most influencing parameter on borehole heat transfer compared to the other design parameters (pipe thermal resistance, 31.5% and convective thermal resistance, 1.9%). In addition, increasing the thermal conductivity of grout by adding silica sand to Bentonite is more effective than the other design improvements, such as an increase in circulating flowrate or number of tubes on enhancing borehole heat transfer.
The areas consisting of frost susceptible soils in cold regions, such as the Arctic area, have problems of frost heave and thaw settlement due to the seasonal air temperature changes and internal temperature of installed structures. Ground stabilization methods for preventing frost heave and thaw settlement of frost susceptible soils include trenching, backfilling and thermo-syphon. The thermo-syphon is the method in which refrigerant can control the ground temperature by transferring the ground temperature to atmosphere in the from of two-phase flow through the heat circulation of the internal refrigerant. This numerical study applied the function of these thermo-syphon as the boundary condition through user-subroutine coding inside ABAQUS and compared and analyzed the temperature results of laboratory experiments.
Root zone cooling, such as soil or nutrient solution cooling, is less expensive than air cooling in the whole greenhouse and is effective in promoting root activity, improving water absorption rate, decreasing plant temperature, and reducing high temperature stress. The heat transfer of a soil cooling system in a plastic greenhouse was analyzed to estimate cooling loads. The thermal conductivity of soil, calculated by measured heat fluxes in the soil, showed the positive correlation with the soil water content. It ranged from 0.83 to 0.96 W.m$^{[-10]}$ .$^{\circ}C$$^{[-10]}$ at 19 to 36% of soil water contents. As the indoor solar radiation increased, the temperature difference between soil surface and indoor air linearly increased. At 300 to 800 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations, the soil surface temperature rose from 3.5 to 7.$0^{\circ}C$ in bare ground and 1.0 to 2.5$^{\circ}C$ under the canopy. Cooling loads in the root zone soil were estimated with solar radiation, soil water content, and temperature difference between air and soil. At 300 to 600 W.m$^{-2}$ of indoor solar radiations and 20 to 40% of soil water contents,46 to 59 W.m$^{-2}$ of soil cooling loads are required to maintain the temperature difference of 1$0^{\circ}C$ between indoor air and root zone soil.
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.
Kim, Yong-Hwan;Hyun, Myung-Taek;Kang, Eun-Chul;Park, Yong-Jung;Lee, Euy-Joon
Journal of the Korean Solar Energy Society
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v.26
no.4
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pp.1-7
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2006
This study is to develop a model to predict the soil temperature variation in Korea Institute of Energy Research using its thermal properties, such as thermal conductivity and diffusivity. Soil depth temperature variation is very important in the design of a proper Ground Source Heat Pump (GSHP) system. This is because the size of the borehole depends on the soil temperature distribution, and this can decrease GSHP system cost. If the thermal diffusivity and thermal conductivity are known, the soil temperature can be predicted by either the Krarti equation or the Spitler equation. Then a comparison with the Krarti equation and Spitler equation data with the real measured data can be performed. Also, the thermal properties can be reasonably approximated by performing a fit of the Krarti and Spitler equations with measured temperature data. This was done and, as a result, the Krarti equation and Spitler equation predicted values very close to the measured data. Although there is about a $0.5^{\circ}C$ difference between the deep subsurface prediction (16m - 60m), with this equation, were expected to have model this Non-Homogeneous Soil Temperature phenomenon properly. So, it has been shown that a prediction of non-homogeneous soil temperature variation influenced by solar radiation can be achieved with a model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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