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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 보어홀 열저항 산정 모델의 적합성을 검증하기 위하여 U자형과 W자형 지중 열교환기를 매립지 부지에 설치한 후 100시간 연속 운전 조건으로 현장 열성능 실험을 실시하여 열교환율을 측정하였다. 또한 보어홀 열저항 산정 모델들을 이용하여 열효율을 산정한 후 이를 실험값과 비교 분석하였다.
제안 방법
- (1) 현장 열성능 실험을 통해 냉방 가동 조건을 가정하여 지중으로 투입되는 순환수 온도를 31도로 제어하였으며 100시간 연속 열성능 실험을 수행하였다. 열성능 실험 결과 W자형 이용시 100시간 평균 열교환율은 40.
- 2 절에서 소개된 100시간 연속 운전 조건의 열성능 실험 결과와 보어홀 열저항 이론해를 이용하여 열교환율 값을 산정하였다. 지반으로 투입되는 순환수 온도는 냉방가동 조건을 모사하기 위하여 31°C로 제어하였다.
- 따라서 본 연구에서는 보어홀 열저항 산정 모델의 적합성을 검증하기 위하여 U자형과 W자형 지중 열교환기를 매립지 부지에 설치한 후 100시간 연속 운전 조건으로 현장 열성능 실험을 실시하여 열교환율을 측정하였다. 또한 보어홀 열저항 산정 모델들을 이용하여 열효율을 산정한 후 이를 실험값과 비교 분석하였다.
- Table 1에 나타난 PB 파이프, 그라우트의 물성값을 3장에 제시된 SF, EQD, multi-pole 모델식에 적용하여 보어홀의 열저항 값을 이론적으로 산정하였다. 또한 지반의 열저항을 산정하기 위하여 지반의 열전도도, 비열 그리고 밀도와 같은 열물성은 깊이에 따른 가중 평균값으로 적용하였다. 본 현장에서의 지반의 등가 열전도도는 2.
- 본 논문에서는 매립토 지반에 U자형과 W자형의 지중 열교환기를 설치하고 현장 열성능 실험을 수행하여 열교환율을 산정하였다. 이를 보어홀 열저항을 산정하기 위한 이론해들을 이용하여 비교 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 은 순환수의 질량 흐름 속도(mass flow rate, kg/s)이고 c는 순환수의 비열 그리고 L은 보어홀의 설치 깊이이다. 본 연구에서 제작된 열성능 실험기는 지중의 보어홀에 매설된 지중 열교환기 내부를 순환수로 공급하고 유체의 온도변화를 감지하는 시스템으로 구성되어져 있으며 순환수를 공급하는 수조 내에 히터를 통하여 일정한 전력을 공급할 수 있다. 또한 히터 내의 온도를 일정하게 제어할 수 있는 온도 제어기가 설치되어 있기에 열교환기 유입수 온도를 일정하게 유지하고 유출수 온도를 계측하면 지반과의 열교환율을 측정할 수 있다.
- 그리고 열교환율을 산정하기 위해서는 열전달 매개체의 열저항을 산출하여야 한다. 본 연구에서는 현장 열성능 실험을 통하여 열교환기로 유입되는 온도를 일정하게 제어하면서 유출수 온도를 측정한 후 식 (1)을 이용하여 열 교환율을 산정하였다.
- 5는 이론해와 열성능 실험 결과 계측된 값을 근거로 식 (2)를 이용하여 산출된 열교환율 값을 보여준다. 이론해의 경우 보어홀 열저항 값은 SF, EQD, multi-pole 모델을 적용하여 산정하였으며 지반의 열저항 값은 무한선형열원을 이용하여 모두 동일하게 적용하였다. 분석 결과 W자형 이용시 100시간 평균 열교환율은 40.
- 본 논문에서는 매립토 지반에 U자형과 W자형의 지중 열교환기를 설치하고 현장 열성능 실험을 수행하여 열교환율을 산정하였다. 이를 보어홀 열저항을 산정하기 위한 이론해들을 이용하여 비교 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 인천국제공항 제 2여객터미널 건설 부지에 U자형과 W자형 지중 열교환기를 15cm 보어홀 직경 내에 수직 깊이 50m로 설치하였다. 지중 열교환기는 PB(polybutylene) 소재의 파이프(외경/내경: 20mm/16mm)가 사용되었고 보어홀 내부는 벤토나이트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있으며 열교환기 배치 상태는 Fig.
- 본 연구에서는 인천국제공항 제 2여객터미널 건설 부지에 U자형과 W자형 지중 열교환기를 15cm 보어홀 직경 내에 수직 깊이 50m로 설치하였다. 지중 열교환기는 PB(polybutylene) 소재의 파이프(외경/내경: 20mm/16mm)가 사용되었고 보어홀 내부는 벤토나이트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있으며 열교환기 배치 상태는 Fig. 1과 같다. 보어홀 간 간격은 6m이며 실험지역에 대해 지반조사를 수행한 결과 실트 및 모래질 퇴적층과 풍화암, 연암 등으로 구성되어 있었다.
데이터처리
- 보어홀 열저항 산정 모델의 정확성을 검증하기 위해 Table 3과 같이 실험값과 이론해로 구해진 열교환율 값에 대한 상대오차와 RMSE(root mean square error) 값을 도출하였다. 비교 결과 SF 방법은 열교환율 값을 과소평가하였으며 EQD와 multi-pole method가 실험값과 비슷한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
이론/모형
- Multi-pole 모델은 Bennet et al.(1987)이 제안한 방법으로 보어홀 내 파이프의 위치를 복소수 좌표화하여 보어홀의 열저항을 계산한다. 파이프의 위치를 각각 설정할 수 있어 series sum 모델과는 다르게 파이프의 개수에 제한을 받지 않는다.
- Table 1은 보어홀 열저항을 산정하기 위해 이론해에 적용된 물성값을 나타내고 있다. Table 1에 나타난 PB 파이프, 그라우트의 물성값을 3장에 제시된 SF, EQD, multi-pole 모델식에 적용하여 보어홀의 열저항 값을 이론적으로 산정하였다. 또한 지반의 열저항을 산정하기 위하여 지반의 열전도도, 비열 그리고 밀도와 같은 열물성은 깊이에 따른 가중 평균값으로 적용하였다.
- 4와 같이 B case처럼 시공되었기에 SF에 적용된 계수는 B case의 값을 적용하였다. 그러나 W자형의 경우 A와 B case의 중간 형태로 시공되었기에 W자형에서 SF에 적용된 계수는 A와 B case의 값을 근거로 보간법(Interpolation)을 적용하여 산정하였다. Table 1은 보어홀 열저항을 산정하기 위해 이론해에 적용된 물성값을 나타내고 있다.
- 보어홀 열저항은 지중 열교환기로부터 채움재, 혹은 에너지 파일의 경우 파일로 이루어진 보어홀 벽면까지의 열전도와 관련된 열 저항을 의미하며, 지중 열교환기 설계에 있어 가장 큰 영향을 미치는 설계변수 중의 하나이다. 대표적인 지열 설계프로그램인 ground loop design(GLD)을 이용하여 보어홀 열저항의 변화에 따라 산정된 지중 열교환기의 요구 깊이를 Fig. 2에 나타내었다.
- , 2011). 지반의 열저항은 식 (18)과 같이 Kelvin의 무한선형열원이론을 사용하였다. 무한선형열원이론은 해석의 편리성과 정확성으로 인해 가장 많이 사용되고 있으며 Kelvin의 열 이론으로부터 출발하였으며 Carslaw & Jaeger(1947)에 의해 제안되었다.
성능/효과
- (2) 보어홀 열저항 산정 모델의 정확성을 검증하기 위해 실험값과 이론해로 구해진 열교환율 값에 대한 상대오차와 RMSE(root mean square error) 값을 도출하였으며, 그 결과 SF 방법은 열교환율 값을 과소평가하며 EQD와 multi-pole method가 실험값과 비슷한 결과를 나타내었다. 하지만 multi-pole 모델은 SF와 EQD 방법과는 달리 지반의 열전도도를 반영할 수 있기에 향후 보다 정확한 보어홀 열저항 이론 해의 분석을 위해 지반의 열전도도가 보어홀 열저항에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 71W/m 값을 나타냈으며 W자형 이용시 U자형에 비해 10∼15%정도 열교환율이 상승되는 것을 알 수 있다. 또한 시간이 지날수록 열교환율은 지반에 축적된 열량으로 인하여 감소됨을 알 수 있으며 일정한 시간 이후에는 거의 정상상태에 도달하고 있음을 알 수 있다.
- 분석 결과 W자형 이용시 100시간 평균 열교환율은 40.76W/m, U자형 이용시는 35.71W/m 값을 나타냈으며 W자형 이용시 U자형에 비해 10∼15%정도 열교환율이 상승되는 것을 알 수 있다.
- 보어홀 열저항 산정 모델의 정확성을 검증하기 위해 Table 3과 같이 실험값과 이론해로 구해진 열교환율 값에 대한 상대오차와 RMSE(root mean square error) 값을 도출하였다. 비교 결과 SF 방법은 열교환율 값을 과소평가하였으며 EQD와 multi-pole method가 실험값과 비슷한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
- 열성능 실험 결과 W자형 이용시 100시간 평균 열교환율은 40.76W/m, U자형 이용시는 35.71W/m 값을 나타냈으며 W자형 이용시 U자형에 비해 10∼15% 정도 열교환율이 상승되었는데 이는 W자형이 U자형에 비해 보어홀 내 매체와의 열교환면적이 높아 보다 우수한 열전달 성능을 나타낸 것으로 판단된다.
후속연구
- (2) 보어홀 열저항 산정 모델의 정확성을 검증하기 위해 실험값과 이론해로 구해진 열교환율 값에 대한 상대오차와 RMSE(root mean square error) 값을 도출하였으며, 그 결과 SF 방법은 열교환율 값을 과소평가하며 EQD와 multi-pole method가 실험값과 비슷한 결과를 나타내었다. 하지만 multi-pole 모델은 SF와 EQD 방법과는 달리 지반의 열전도도를 반영할 수 있기에 향후 보다 정확한 보어홀 열저항 이론 해의 분석을 위해 지반의 열전도도가 보어홀 열저항에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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