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병렬 U형 현장타설 에너지파일의 열교환 효율 및 적용성 평가
Evaluation of Heat Exchange Efficiency and Applicability for Parallel U-type Cast-in-place Energy Pile 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.2, 2015년, pp.361 - 375  

박상우 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  김병연 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  성치훈 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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에너지파일은 기존의 수직밀폐형 지중열교환기를 경제적으로 대체할 수 있는 새로운 형태의 지중열교환기이다. 즉, 에너지파일은 건물의 기초 구조물과 지중열교환기의 역할을 동시에 수행하는 에너지 구조체로서, 말뚝 기초 내부에 열교환 파이프를 삽입하고 파이프를 통해 유체를 순환시켜 지반과의 열교환을 유도한다. 본 연구에서는 병렬 U형(5쌍, 8쌍, 10쌍)의 열교환 파이프를 대구경 현장타설 에너지파일에 삽입하여, 3본의 에너지파일을 실규모로 시공하였다. 또한 현장 열응답 시험(In-situ thermal response tests, TRTs)을 수행하고 시공된 현장타설 에너지파일과의 열교환 효율을 비교하기 위하여 30m 깊이의 수직밀폐형 지중열교환기를 별도로 시공하였다. 병렬 U형 현장타설 에너지파일에 대해서는 냉난방 부하를 인공적으로 주입하는 열교환 성능 평가시험을 수행하여 열교환 성능(heat exchange rate)을 평가하였다. 마지막으로 현장타설 에너지파일의 적용성 평가를 위해 산정된 상대 열교환 효율(relative heat exchange efficiency) 및 열교환 성능을 선행 연구 결과와 비교하였으며, 본 연구에서 시공된 현장타설 에너지파일은 안정적이고 효율적인 열성능을 보이는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An energy pile is one of the novel ground heat exchangers (GHEX's) that is a economical alternative to the conventional closed-loop vertical GHEX. The combined system of both a structural foundation and a GHEX contains a heat exchange pipe inside the pile foundation and allows a working fluid circul...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 현장타설 에너지파일에 대한 성능 평가는 수행된 예가 없다. 따라서 본 논문에서는 병렬 U형 열교환 파이프가 삽입된 현장타설 에너지파일의 실제 건물의 냉난방 운용 시 효율 및 성능 평가를 위하여 냉난방 열교환 성능 평가시험을 수행하였다. 냉난방 열교환 성능 평가시험은 냉방 또는 난방 운전온도 조건에서 에너지파일 지중열교환기의 유출수 온도변화를 파악함으로써 에너지파일의 열교환량을 평가하는 시험이다.
  • 앞 절에서 설명한 바와 같이 에너지파일은 말뚝 직경에 비하여 길이가 충분히 길지 않으므로 선형 열원 모델을 적용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 상대 열교환 효율 인자를 적용하여 에너지파일 및 수직밀폐형 지중열교환기에 대한 열교환 효율을 평가하였다. 상대 열교환 효율 인자는 시간에 따른 입출구 온도 경사를 입력 열량과 열교환 파이프 길이 또는 에너지파일 길이로 환산하여 Eq.
  • 따라서 본 연구에서는 시공된 수직밀폐형 지중열교환기 및 병렬 U형 현장타설 에너지파일에 대한 현장 열응답 시험 결과를 선형 열원 모델에 적용하고, 현장타설 에너지파일에 대한 선형 열원 모델의 적용 가능성을 평가하였다. 또한 현장 열응답 시험 결과를 통해 지중열교환기 형태별 열교환 효율을 평가하기 위하여, 시간에 따른 입출구 온도 경사를 입력 열량과 열교환 파이프의 길이 또는 보어홀의 근입 길이로 환산하여 상대 열교환 효율 인자(relative heat exchange efficiency factor)를 도출하였다.
  • 본 연구에서는 에너지파일의 성능 향상을 위한 인자로 에너지파일 내부에 삽입되는 열교환 파이프의 형상 및 집적도에 초점을 맞추고, 열교환 파이프와 복합매질 사이의 접촉 면적을 증가시키는 방법을 고려하였다. 기본적으로 국외에서 현장타설 에너지파일에 활용된 사례가 있는 병렬 U형 5쌍(Pahud and Hubbuck, 2007)의 형태를 선정하였고, 이 형태에서 열교환 면적을 증가시키면서 시공성과 열간섭의 영향을 평가할 수 있도록 병렬 U형 8쌍과 병렬 U형 10쌍의 형태를 추가로 설치하였다.
  • 이에 본 연구에서는 향후 국내 현장타설 에너지파일 보급 활성화에 이바지 할 수 있도록 현장타설 에너지파일의 성능 향상을 위한 연구를 수행하였다. 일반적으로 지중열교환기의 성능은 토양의 열전도도(thermal conductivity), 열용량(heat capacity), 지하수 유동 등의 지반 조건에 영향을 받으나, 이러한 인자는 시공 부지 및 주변 환경에 의해 결정되므로 임의로 제어할 수 없는 인자들이다.

가설 설정

  • 선형 열원 모델은 열전달이 지중열교환기와 지반의 접촉면에서 일정한 열유속으로 반경 방향으로만 전달되며, 열원의 열량은 일정하게 유지된다고 가정한다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 열원을 제외한 매질의 열적 물성치는 동일하고, 열원은 매우 가는 무한 선형으로 구성되었다고 가정한다. 선형 열원 모델에서 반경방향 임의의 위치 온도는 다음과 같다.
  • 선형 열원 모델은 열전달이 지중열교환기와 지반의 접촉면에서 일정한 열유속으로 반경 방향으로만 전달되며, 열원의 열량은 일정하게 유지된다고 가정한다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 열원을 제외한 매질의 열적 물성치는 동일하고, 열원은 매우 가는 무한 선형으로 구성되었다고 가정한다.
  • 선형 열원 모델은 선형 열원을 기준으로 반경방향 임의의 위치에서 시간에 따른 온도변화를 예측할 수 있는 모델이다. 이때 선형 열원 모델은 열원 이외의 모든 매질을 균일한 매질 즉, 지반으로 가정한다. 따라서 선형 열원 모델을 통해 산정된 지반의 열전도도는 열교환 파이프와 그라우트의 열저항을 포함한 유효 열전도도이다(Park et al.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
에너지파일이란 무엇인가? 에너지파일이란 구조물 기초로 시공되는 현장타설 또는 기성 콘크리트 말뚝 내부에 열교환을 위한 순환 파이프를 설치하여 지중열교환기로 활용하는 구조물을 의미한다. 기초 구조물로 시공되는 말뚝을 지중열교환기로 활용함으로써 지중열교환기의 전체시공비에 50% 이상 차지하는 천공비를 절감하는 경제적 효과를 얻을 수 있으며, 별도의 시공부지가 필요 없다는 장점을 갖는다.
지열 냉난방 시스템의 성능은 무엇에 따라 결정되는가? 일반적으로 지중열교환기를 통한 지반과의 열교환 정도 및 효율에 따라 지열 냉난방 시스템의 성능이 결정된다. 따라서 지반과의 열교환과 관계되는 지중열교환기의 형태, 지반의 열적 물성치 등이 지열 냉난방 시스템 설계에 가장 중요한 인자가 된다.
에너지파일의 장점은? 에너지파일이란 구조물 기초로 시공되는 현장타설 또는 기성 콘크리트 말뚝 내부에 열교환을 위한 순환 파이프를 설치하여 지중열교환기로 활용하는 구조물을 의미한다. 기초 구조물로 시공되는 말뚝을 지중열교환기로 활용함으로써 지중열교환기의 전체시공비에 50% 이상 차지하는 천공비를 절감하는 경제적 효과를 얻을 수 있으며, 별도의 시공부지가 필요 없다는 장점을 갖는다. 그러나 에너지파일의 시공 깊이는 일반적으로 20~50 m 정도로, 수직밀폐형 지중열교환기에 비해 깊이가 짧아, 연중 대기온도에 영향을 받고, 또한 깊은 지반에 존재하는 암반의 높은 열전도도를 활용하는데 제한이 있다.
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참고문헌 (33)

  1. Bourne-Webb, P. J., Amatya, B., Soga, K., Amis, T., Davidson, C. and Payne, P. (2009). "Energy pile test at Lambeth College, London: Geotechnical and Thermodynamic Aspects of Pile Response to Heat Cycles." Geotechniques, Vol. 59, No. 3, pp. 237-248. 

  2. Brandl, H. (2006). "Energy foundation and other thermo-active ground structures." Geotechniques, Vol. 56, No. 2, pp. 81-122. 

  3. Carslaw, S. H. and Jaeger, J. C. (1959). Conduction of Heat in Solids, Second Ed., Claremore Press, Oxford. 

  4. Cui, P., Li, X., Man, Y. and Fang, Z. (2011). "Heat transfer analysis of pile geothermal heat exchangers with spiral coils." Applied Energy, Vol. 88, No. 11, pp. 4113-4119. 

  5. Gao, J., Zhang, X., Liu, J., Li, K. and Yang, J. (2008). "Numerical and experimental assessment of thermal performance of vertical energy piles." Applied Energy, Vol. 85, pp. 901-910. 

  6. Hamada, Y., Saitoh, H., Nakamura, M., Kubota, H. and Ochifuji, K. (2007). "Field performance of an energy pile system for space heating." Energy and Building, Vol. 39, pp. 517-524. 

  7. Ingersoll, L. R., Zobel, O. J. and Ingersoll, A. C. (1954). Heat conduction with engineering, geological and other application, McGraw-Hill, New York. 

  8. Jalaluddin, Akio Miyara, Koutaro Tsubaki, Shuntaro Inoue and Kentaro Yoshida (2011). "Experimental study of several types of ground heat exchanger using a steel pile foundation." Renewable Energy, Vol. 36, No. 2, pp. 764-771. 

  9. Johnston, I. W., Narsillio, G. A. and Colls, S. (2011). "Emerging geothermal energy technologies." KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 15, No. 4, pp. 643-653. 

  10. Jun, L., Zhang, X., Gao, J. and Yang, J. (2009). "Evaluation of heat exchange rate of GHW in geothermal heat pump system." Renewable Energy, Vol. 34, pp. 2898-2904. 

  11. Laloui, L., Moreni, M. and Vulliet, L. (2003). "Behavior of a dualpurpose pile as foundation and heat exchanger." Canadian Geotechnical Journal, Vol. 40, No. 2, pp. 388-402. 

  12. Laloui, L., Nuth M. and Vulliet, L. (2006). "Experimental and numerical investigations of the behavior of a heat exchanger pile." International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 30, pp. 763-781. 

  13. Lee, C., Park, M., Park, S., Won, J. and Choi, H. (2013). "Backanalyses of in-situ thermal response test (TRT) for evaluating ground thermal conductivity." International Journal of Energy Research, Vol. 37, No. 11, pp. 1397-1404. 

  14. Lee, C., Park, S., Won, J., Jeoung, J., Sohn, B. and Choi, H. (2012). "Evaluation of thermal performance of energy textile installed in tunnel." Renewable Energy, Vol. 42, pp. 11-22. 

  15. Lee, S. J., Min, H. S., Song, J. Y. and Jeong, S. S. (2010). "Thermal influential factors of energy pile." Journal of Korean Society of Civil Engineering, Vol. 30, No. 6C, pp. 231-239. 

  16. Li, X., Chen, Y., Chen, Z. and Zhao, J. (2006). "Thermal performances of different types of underground heat exchangers." Energy and Building, Vol. 38, pp. 543-547. 

  17. Man, L., Yang, H., Diao, N., Liu, J. and Fang, J. (2010). "A new model and analytical solutions for borehole and pile ground heat exchangers." International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, pp. 2593-2061. 

  18. Markiewicz, R. (2004). Umerische und experimentelle Untersuchungen zur Nutzung von geothermischer Energie mittels erdberuhrter Bauteile und Neuentwicklungen fur den Tunnelbau, Ph.D. Thesis, Technical Univ. of Vienna (in Austrian). 

  19. Mogensen, P. (1983). "Fluid to duct wall heat transfer in duct system storages." Proceedings of the International Conference on Suvsurface Heat Storage in Theory and Practice, Swedish Council for Building Research, June 6-8. 

  20. Monique de Moel, P. M., Bach, A. B., Rao, M. S., JingLiang, O. S. (2010). "Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia." Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 14, No. 9, pp. 2683-2696. 

  21. Morino, K. and Oka, T. (1994). "Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile." Energy and Buildings, Vol. 21, No. 1, pp. 65-78. 

  22. Nagano, K. (2007). "Energy pile system in new building of sapporo city university." Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption, Vol. 234, pp. 245-253 

  23. Nam, Y., Hwang, S. and Ooka, R. (2007). "Geothermal heat pump system using foundation pile structures." Journal of Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 3, No. 1, pp. 51-60. 

  24. Pahud, D. and Hubbuck, M. (2007). "Measured thermal performances of the energy pile system of the duck midfield as Zurick airport." Proceedings European Geothermal Congress 2007; Unterhaching, Germany, 30 May-1 June. 

  25. Park, M., Lee, C., Park, S., Sohn, B. and Choi, H. (2012). "Evaluation of ground thermal conductivity by performing in-situ thermal response test (TRT) and CFD back-analysis." Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 28, No. 12, pp. 5-15. 

  26. Park, S., Sohn, J. R., Park, Y. B., Ryu, H. K. and Choi, H. (2013). "Study on thermal behavior and design method for coil-type PHC energy pile." Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 29, No. 8, pp. 37-51. 

  27. Park, Y. B., Park, J. B. and Lim, H. S. (2007). "Construction method of ground heat exchanger using energy pile in ground source heat system." Journal of Korean Society of Civil Engineering, Vol. 55, No. 7, pp. 41-46. 

  28. Salomone, L. A. and Marlowe, J. I. (1989). Soil and rock classification according to thermal conductivity : Design of Ground-coupled Heat Pump Systems : Final Report, Electric Power Research Inst. (EPRI), EPRI-CU-6482. 

  29. Sekine, K., Shiba, Y., Ooka, R., Hwang, S. H. and Yokoi, M. (2007). "Development of a ground-source heat pump system with ground heat exchanger utilizing the cast-in-place concrete pile foundations of buildings." ASHRAE Transactions, pp. 558-566. 

  30. Sharqawy, M. H., Mokheimer, E. M., Habib, M. A., Badr, H. M., Said, N. A. and Al-Shayea, S. A. (2009). "Energy, energy and uncertainty analyses of the thermal response test for a ground heat exchanger." International Journal of Energy Research, Vol. 33, pp. 582-592. 

  31. Wagner, R. and Clauser, C. (2005). "Evaluating thermal response tests using parameter estimation for thermal conductivity and thermal capacity." Journal of Geophysics and Engineering, Vol. 2, pp. 349-356. 

  32. Wood, C. J., Liu, H. and Riffat, S. B. (2009). "Use of energy piles in a residential building, and effects on ground temperature and heat pump efficiency." Geotechniques, Vol. 59, No. 3, pp. 287-290. 

  33. Yu, H. K. (2008). "Development and performance evaluation of ground heat exchanger utilizing PHC pile foundation of building." Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 28, No. 5, pp. 56-64. 

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