• 토지주택연구
• /
• 제3권1호
• /
• pp.83-88
• /
• 2012

In this study, physical characteristics of cement and/or concrete materials that are typically used for energy-foundation (EF) structures have been studied. The thermal conductivity and structural integrity of the cement-based materials were examined, which are commonly encountered in backfilling a vertical ground heat exchangers, cast-in-place concrete piles and concrete lining in tunnel. For this purpose the thermal conductivity and unconfined compression strength of cement-based materials with various curing conditions were experimentally estimated and compared. Hydration heat generated from massive concrete in the cast-in-place concrete energy pile was observed for 4 weeks to estimate its dissipation time in the underground. The hydration heat may mask the in-situ thermal response test (TRT) result performed in the cast-in-place concrete energy pile. It is concluded that at least two weeks are needed to dissipate the hydration heat in this case. In addition, a series of numerical analysis was performed to compare the effect of thermal property of the concrete material on the cast-in-place pile.

• 자원환경지질
• /
• 제49권6호
• /
• pp.459-467
• /
• 2016

300 m 이상의 장심도 지중열교환기는 도심지나 넓은 부지를 확보가기 어려운 지역에 지열냉난방 시스템을 경제적으로 설치하는데 유리하다. 그러나 실제 시공에서는 여러 가지 문제들로 인하여 보편적으로 시도되지 않았고, 일반적으로 100 ~ 200m 심도로 설치되어 왔다. 본 연구에서는 일반적인 시추공 직경 150 mm에 U 파이프는 50A 규격으로 외경 50 mm의 300 m 심도로 지중열교환기를 설치하였다. 고밀도 PE관은 단위 길이당 비중이 $0.94{\sim}0.96g/cm^3$으로 지열공 내부에 채워진 지하수 영향으로 부력이 존재하여, 이를 개선하기 위해 4.6 kg 무게의 금속으로 제작된 하중밴드 10개조를 설치하여 부력의 영향을 감소시켰다. 지중열교환기의 길이 산정 및 성능평가를 위한 기초조사로서 지반조사 및 열응답실험이 실시되었다. 지반내 온도구배는 100 m 심도까지는 주변 지하수 이용에 의한 영향 등으로 $15^{\circ}C$ 정도의 분포를 보이며 그 하부는 $1.9^{\circ}C/100m$의 지온증온율을 나타내고 있다. 열응답실험은 기존에 설정된 표준 방식으로 48 시간 진행되었으며 평균 주입전력은 17.5 kW이며 평균 순환수 유량은 28.5 l/min, 그리고 평균 입출구 온도차는 $8.9^{\circ}C$로 나타났다. 측정된 지중열전도도는 3.0 W/mk이며, 공내열저항은 0.104 mk/W로 나타났다. Stepwise 평가에서 지중열전도도 변화는 초기 13시간을 제외한 이후에는 표준편차가 0.16으로 매우 안정된 값으로 수렴한 것으로 나타났다. 그리고 공내열저항의 민감도를 분석한 결과 파이프의 구경과 그라우팅 물질의 열전도도가 증가함에 따라 그 값이 미미하게 감소하는 경향을 나타내었다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
• /
• 한국지반공학회 2010년도 춘계 학술발표회
• /
• pp.615-624
• /
• 2010

In this paper, the applicability of cement grout has been studied as an alternative to bentontite grout to backfill ground heat exchangers. To provide an optimal mixture design, the groutabilty and thermal conductivity of cement grouts with various mixture ratios were experimentally evaluated and compared. The unconfined compression strength of cement grout specimen was measured, which are exposed to cyclic temperature variation ranging from $50^{\circ}C$ to $-5^{\circ}C$. In addition, the integrity of the interface between circulating HDPE pipes and cement grout by performing equivalent hydraulic conductivity tests, in which a pipe locates at the center of the specimen.

• 한국태양에너지학회 논문집
• /
• 제30권4호
• /
• pp.71-78
• /
• 2010

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. The line source method is required by New and Renewable Energy Center of Korea Energy Management Corporation in analyzing data obtained from thermal response tests. Another important factor in designing the ground loop heat exchanger is the borehole thermal resistance($R_b$). There are two methods to evaluate $R_b$ : one is to use a line source method, and the other is to use a shape factor of the borehole. In this study, we demonstrated that the line source method produces better results than the shape factor method in evaluating $R_b$. This is because the borehole thermal resistance evaluated with the line source method characteristically reduces the temperature differences between an actual and a theoretical thermal behaviors of the borehole. Evaluation of $R_b$ requires soil volumetric heat capacity. However, the effect of the soil volumetric heat capacity on the borehole thermal resistance is very small. Therefore, it is possible to use a generally accepted average value of soil volumetric heat capacity($=2MJ/m^3{\cdot}K$) in the analysis. In this work, it is also shown that an acceptable range of the initial ignoring time should be in the range of 8~16hrs. Thus, a mean value of 12 hrs is recommended.

• 한국지열·수열에너지학회논문집
• /
• 제7권1호
• /
• pp.10-16
• /
• 2011

Performance of ground-source heat pumps (GSHPs) is mainly affected by ground heat exchangers which makes up more than 40% of construction cost. Exact construction and grout as backfill are important, because it is difficult to repair after being installed. As grout materials, bentonite grout material and cement material are used In this paper, thermal conductivity according to mix proportion of cement grout has been experimentally studied. Some variables were set to evaluate thermal conductivities according to change in cement content, unit water ratio, mass per volume of fresh mortar, and aggregate types. From the experimental analysis, high performance cement grout has been proposed.

• 한국산학기술학회논문지
• /
• 제17권1호
• /
• pp.28-35
• /
• 2016

지열원 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기 설계를 위해 수행하는 현장 열응답 시험은 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 조건 변화에 따른 출구온도 예측이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 수직형 지중 열교환기의 열전달 성능을 예측하기 위한 방안으로 3차원 CFD 해석 기법을 제안하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도와 기울기 값을 비교하여 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하였다. CFD 해석 결과, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 이내에서 예측하였고, 기울기 값은 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 이를 통해 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 각각 ${\pm}20%$ 변화시키면서 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다. 첫 번째 현장(Case 1)의 경우 유량 변화에 따라 $28.0^{\circ}C$(-20%)와 $29.6^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.6^{\circ}C$(-20%)와 $28.0^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였으며, 두 번째 현장(Case 2)의 경우 유량 변화에 따라 $28.4^{\circ}C$(-20%)와 $29.8^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.7^{\circ}C$(-20%)와 $28.4^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 각각 예측하였다.

• 설비공학논문집
• /
• 제16권12호
• /
• pp.1175-1182
• /
• 2004

Installations of vertical boreholes for the ground source heat pump system are expensive to install. One way to reduce the initial cost is to increase the specific heat extraction rate of borehole system. However, as the specific heat extraction rate increases the temperature of borehole fluid decreases with the resultant lower Coefficient Of Performance in Heating(COPH) of heat pump system. The purpose of this study is to provide the basic informations about the performance of heat pump system with the specific heat extraction rate and soil thermal properties such as thermal conductivity and temperature. It is shown that the specific heat extraction rate is the most important parameter for the ground source heat pump system. To obtain the reasonable COPH value (COPH > 3) the heat extraction rate should be about 25 W/m or less. Accurate measurements of soil thermal properties are also very important to design the system properly. The effects of borehole thermal resistances are also examined in this study.

• 한국지열·수열에너지학회논문집
• /
• 제13권1호
• /
• pp.14-20
• /
• 2017

Groundwater heat pump (GWHP) system can achieve higher performance of the system by utilizing heat source of the annual constant groundwater temperature. The performance of GWHP system depends on the ground thermal environment such as groundwater temperature, groundwater flow rate and hydraulic conductivity. In this study, the geothermal environment was analyzed by using numerical simulation for develop the two-well geothermal system. As the result, this paper shows the change of the groundwater level and underground temperature around wells according to the conditions of flow rate and hydraulic conductivity.

• 한국지반공학회논문집
• /
• 제29권8호
• /
• pp.65-73
• /
• 2013

지중 열교환 시스템은 지속적인 에너지 효율의 개선으로 공간 냉난방을 위한 친환경적 에너지 기술로 주목받고 있다. 지중에 매설된 파이프는 내부 유체 순환을 통하여 인접한 지반과 열적 상호작용으로부터 직접적인 열에너지 교환을 수행한다. 하지만, 파이프의 수치모델링에서 열-수리가 연관된 난류해석과 파이프의 긴 세장비에 의한 메쉬사이즈의 부적합성은 열교환 시스템의 적절한 수치해석을 어렵게 하고 있다. 본 논문에서는 파이프 내부 유체흐름에 대한 에너지 보존의 법칙을 적용하여 지배방정식을 유도하였으며, Galerkin수식화와 시간적분을 통하여 열-수리 연동일차원 파이프 요소를 개발하였다. 그리고 제안된 파이프 요소를 기 개발된 다공질 재료를 위한 열-수리-역학(Thermo-Hydro-Mechanical) 해석을 위한 유한요소 프로그램과 결합하였다. 개발된 요소를 이용한 수치해석 결과는 열응답 시험(Thermal Response Test) 결과로부터 주위지반의 유효 열전도도를 평가하기 위하여 사용하는 선형 열원 모델이 인접 파이프간의 열적상호작용과 파이프의 단부효과에 의하여 지반의 열전도도를 과다 평가하는 것으로 보여주었다. 따라서 열응답 시험 해석 결과에 대한 역해석을 적용하여 최적의 수렴성을 보여주는 변환행렬을 제시하였다.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
• /
• 대한설비공학회 2005년도 하계학술발표대회
• /
• pp.68-68
• /
• 2005