[논문]다양한 형상의 SCW형 지중 열교환기 열전달 특성에 관한 연구

장근선; 김민준

doi:10.6110/kjacr.2014.26.10.460

[국내논문] 다양한 형상의 SCW형 지중 열교환기 열전달 특성에 관한 연구
A Study on the Heat Transfer Characteristics of Various Construction of SCW Type Ground Heat Exchanger 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.10, 2014년, pp.460 - 466

장근선 (선문대학교 기계공학과) , 김민준 (선문대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper uses in-situ thermal response tests to present the characteristics of the ground thermal conductivities of three different SCW GHX. These SCW GHXs were installed in the same site in Seojong City. The three different cases are distinguished by the flow direction and the presence of a filler. The first type (A) is constructed for water to flow downstream. The second (B) and third (C) types are designed for water to flow upstream, and a filler is additionally inserted into the third type. The results of the in-situ thermal response tests, indicate that the ground thermal conductivity for types (A), (B) and (C) are of $4.84W/m{\cdot}K$, $3.40W/m{\cdot}K$, and $11.62W/m{\cdot}K$, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본고에서는 세종시에 위치한 정부출연연구기관 신축부지에 3가지 타입의 SCW형 지중 열교환기를 설치한 후 우물공 내부 지중 상태를 영상촬영기를 이용하여 파악하였으며 지열 우물공의 길이를 산출하고 이를 바탕으로 3가지 타입의 SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도를 산출하여 비교하고자 한다.
본 논문에서는 동일한 현장에 적용된 3가지 형상의 SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도 측정시험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 SCW형 지중 열교환기에서 실제 지하수가 유동하는 거리 즉, 지하수 안정수위에서부터 유공관 끝단까지의 거리를 측정하여 사용하였으며, SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도 계산식은 식(2)와 같이 정의하였다.
본 연구는 세종시 4 생활권 연구부지에 위치한 정부출연 연구기관 신축부지 현장으로 각 타입의 SCW형 지중 열교환기를 설치한 후 공내부 열상촬영기를 이용하여 우물공 내부를 영상촬영하였으며, SCW형 지중 열교환기의 사양은 다음과 같다.⁽⁴⁾
스팀과 지중 순환수를 열교환시키기 위해 판형열교환기를 사용하였으며, SCW형 지중 열교환기를 평가하기 위해 제작된 시험기는 (0∼120) kW까지 투입열량을 제어할 수 있도록 설계하였다.
지중 순환수의 온도를 측정하기 위해 검교정이 이루어진 RTD 센서(± 0.1℃)를 시험기 입출구에 설치하였으며, 전자식 유량계(정밀도 ± 0.5%)를 사용하여 순환수 유량을 측정하였다.
5%)를 사용하여 순환수 유량을 측정하였다. 지중 열교환기에 열량이 투입된 이후에 24시간 이상 시험을 진행하면서 데이터를 5분 간격으로 취득하였다.
본 시험에서는 SCW형 지중 열교환기로 열량을 투입하기 위해 스팀보일러를 이용하였다. 투입열량은 스팀보일러에서 발생한 스팀의 양을 컨트롤 밸브를 사용하여 지중 열교환기에 적정한 열량을 투입하였다. 스팀과 지중 순환수를 열교환시키기 위해 판형열교환기를 사용하였으며, SCW형 지중 열교환기를 평가하기 위해 제작된 시험기는 (0∼120) kW까지 투입열량을 제어할 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

Fig. 1 a type의 경우 우물공 깊이는 423 m, 우물공의 직경 200 mm, 내부케이싱으로 수도용 경질 폴리염화비닐관 125 A가 사용되었다. 우물공 내부의 지하수 안정 수위는 12 m, 유공관 최하단부의 깊이는 414 m로 지열 우물공 길이는 402 m로 측정되었다.
Fig. 1 b type, c type의 경우는 우물공 깊이 296 m, 우물공의 직경 200 mm, 환수관으로 수도용 경질 폴리염화비닐관 50 A가 사용되었다. 우물공 내부의 지하수 안정수위는 14 m, 유공관 최하단부의 깊이는 284 m로 지열 우물공 길이는 270 m로 측정되었다.
본 시험에서는 SCW형 지중 열교환기로 열량을 투입하기 위해 스팀보일러를 이용하였다. 투입열량은 스팀보일러에서 발생한 스팀의 양을 컨트롤 밸브를 사용하여 지중 열교환기에 적정한 열량을 투입하였다.

성능/효과

(1) a type의 SCW형 지중 열교환기는 지중초기온도는 18.43℃, 지중 열전도도는 4.84 W/mK로 측정되었다.
(2) b type의 SCW형 지중 열교환기는 지중초기온도는 17.30℃, 지중 열전도도는 3.40 W/mK로 측정되었다. b type의 경우 지하수 유동방향과 지열 우물공 길이에서 많은 손실이 존재하기 때문에 지중 열전도도가 a type에 비해 상대적으로 낮게 측정된 것으로 보인다.
(3) c type의 SCW형 지중 열교환기는 지중초기온도 16.71℃, 지중 열전도도는 11.62 W/mK로 측정되었다. c type의 경우 지중 열전도도가 a, b type 지중 열교환기에 비해 월등히 높게 나타났으며, 이는 채움재가 우물공 내부에 채워지면서 순환수의 일부가 대수층으로 유출 및 유입되었기 때문으로 생각된다.
(4) 본 시험 결과를 보면 c type의 경우 SCW형 지중 열교환기가 적용되어지는 현장에서 지하수 대수층이 복수로 발달된 지형의 경우에 매우 적합한 지중 열교환기로 사료되어진다.
a type의 SCW형 지중 열교환기는 수직 밀폐형 지중 열교환기보다 열교환기의 심도가 약 230 m 깊어지면서 지중초기온도가 2.37℃ 높게 나타났으며, 지중 열전도도 또한 2.34 W/m · K 높게 나타났다.
c type 지중 열교환기의 경우 b type 지중 열교환기의 시험이 종료된 이후에 우물공 내부에 채움재를 삽입하고 15일 후에 시험이 진행되었다. 따라서 c type의 지중 열교환기의 경우 지하수가 유입되지 않는 한 지중초기온도가 b type의 경우보다 높거나 같아야 하는데 본 시험에서는 지중초기온도가 b type의 경우 17.30℃, c type 16.71℃로 c type 지중 열교환기가 0.59℃ 낮게 나타났다. 이는 우물공 내부에 채움재가 채워지면서 순환수가 우물공 최하단으로 유입되어 심정펌프 방향으로 순환하는데 있어 채움재가 저항으로 작용하면서 심도가 깊은 쪽 대수층으로 순환수 일부가 유출되고 심도가 낮은 쪽에 발달한 대수층에서 지하수가 유입되었기 때문으로 생각되어진다.
1에서 b type의 SCW형 지중 열교환기의 시험데이터를 보여주고 있다. 시험에서 우물공에 투입된 평균 열량은 약 62.1 kW(230 W/m)로 24시간동안 안정적으로 투입되었으며, 시험용 우물공에 설치된 심정펌프의 지하수 평균유량은 약 225 lpm으로 나타났다. 본 시험용 지중 열교환기의 지중초기온도는 17.
1에서 c type의 SCW형 지중 열교환기의 시험데이터를 보여주고 있다. 시험에서 우물공에 투입된 평균열량은 약 62.3 kW(231 W/m)로 24시간동안 안정적으로 투입되었다. 시험용 우물공에 설치된 심정 펌프의 지하수 평균유량은 약 220 lpm으로 측정되었다.
1에서 a type의 SCW형 지중 열교환기의 시험데이터를 보여주고 있다. 시험에서 우물공에 투입된 평균열량은 약 89.9 kW(220 W/m)로 24시간동안 안정적으로 투입되었다. 시험용 우물공에 설치된 심정펌프의 지하수 평균유량은 약 270 lpm으로 나타났다.
4는 로그시간에 대한 순환수 평균온도 그래프를 보여주고 있다. 위 그래프에서 구해진 데이터에서 지중 열교환기에 열량투입 후 2시간의 데이터를 제외한 순환수 평균온도(T_-mean) 데이터를 이용하여 직선의 기울기를 구하는데 본 시험에서는 기울기가 3.62로 계산되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도를 측정하기 위한 방법으로 어떠한 시험이 진행되는가?	SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도를 측정하기 위한 방법으로 현장열응답시험이 진행된다. SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도 산출을 위한 시험방법은 지식경제부 고시 2012-7호(2)(신재생에너지 설비지원, 설치, 관리에 관한 기준)에 정리되어 있으며, Table 1은 SCW형 지중 열교환기 지중 열전도도 시험조건을 보여주고 있다.
	SCW형 지중 열교환기의 정의는 무엇인가?	국내에서 적용되어지는 SCW형 지중 열교환기의 정의는 지중에 수직으로 우물공을 설치하고 우물공으로부터 지하수를 취수하여 열원으로 사용한 후 지하수를 다시 동일한 우물공으로 재주입하는 지중 열교환기를 말한다. Fig.
	SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도 측정시험은 어떠한 과정으로 진행되는가?	2는 SCW형 지중 열교환기의 지중 열전도도 측정시험의 개략도를 보여주고 있다. 지중 열교환기와 시험기를 파이프로 연결한 후 심정펌프를 이영하여 지하수를 순환시키면서 우물공 내부를 청소한다. 지중 열교환기로부터 배출되는 이물질(유공관 찌꺼기 및 암석가루)을 제거하기 위해 여과기 및 미세필터를 사용하였다. 지중초기온도는 우물공 내부 청소를 진행하면서 측정(약 5시간 후)하였다. 지중 열교환기로부터 배출되는 이물질의 양이 시험 진행에 지장이 없다고 판단이 되면 지중 열교환기로 열량을 투입한다. 이때 투입열량은 지열 우물공 길이에 (200∼500) W/m의 곱으로 산정한다.

참고문헌 (7)

Kim, M. J. and Choi, C. H., 2013, A study on the KS (Korea Standard) of SCW type ground heat exchanger, Journal of Geothermal Energy, Vol. 9, No. 4, pp. 39-46.
Ministry of Knowledge Economy, 2012, Standards of support, installation, and management for new and renewable energy system, Ministry of Knowledge Economy Announcement 2012-3.
Choi, H. S., Choi, H. J., Lee, C. H., and Yun, M. S., 2013, A assessment ground thermal conductivity for SCW type ground heat exchanger design, Journal of Geothermal Energy, Vol. 9, No. 3, pp. 67-73.
Kim, M. J. and Chang, K. S., 2013, SCW type ground heat exchanger analysis using borehole photo shoot, Journal of Geothermal Energy, Vol. 9, No. 4, pp. 47-54.
Park, D. H., Kwak, D. Y., Kim, K. K., Park, S. S., and Na, S. M., 2010, Numerical simulation of standing column well, Proceedings, World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia.
Lee, S. H., Park, C. H., Yoon, T. I., An, K. M., and Choi, Y. S., 2010, An experimental study on the bleed effect of standing column well(SCW) type heat exchanger, Proceedings of the SAREK 2010 Winter Annual Conference, pp. 446-452.
Zheng Deng, 2004, Modeling of standing column wells in ground source heat pump systems, Ph.D thesis, Oklahoma State University, OK, U.S.A.

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