[논문]수평 직선형 지중 열교환기 설계 방안 제안

김민준; 이승래; 윤석; 전준서

doi:10.17664/ksgee.2016.12.4.001

수평 직선형 지중 열교환기 설계 방안 제안
Suggestions of Design Method for a Horizontal Straight Ground Heat Exchanger 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.12 no.4, 2016년, pp.1 - 7

김민준 (KAIST 건설및환경공학과 대학원) , 이승래 (KAIST 건설및환경공학과 대학원) , 윤석 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 전준서 (KAIST 건설및환경공학과 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a design method for the horizontal straight ground heat exchanger (GHE) based on the Kavanaugh design method. In order to examine suitability of the suggested design method, a horizontal line type GHE was installed in a steel box of which the size was $5m{\times}1m{\times}1m$ filled with dried Joomunjin standard, and a thermal response test (TRT) was conducted for 21 hours. A numerical analysis was performed for a simulation of a peak month operation and for its verification by finite element method (FEM). According to the simulation results, it was concluded that the suggested design method for a horizontal straight GHE is reliable for the estimation of a design length.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 이론을 바탕으로 수평형 지중 열교환기의 가장 기본적인 형태인 직선형 열교환기에 대한 설계 길이 산정 방안을 식으로 제안하였다. 또한 제안된 설계식은 수치해석을 이용한 시뮬레이션을 통해 타당성을 검토하였고, 수치해석의 검증은 실내 열응답 시험의 결과와 비교하여 이루어졌다.

제안 방법

(1) 수직형 지중 열교환기의 설계식에서 수직형에 해당하는 보어홀의 열저항, 지중온도, 온도간섭효과를 수평형 지중 열교환기에 맞게 수정하여 수평형지중 열교환기의 설계식으로 제시하였다. 또한 이를 열교환기 성능의 영향인자인 지반의 열전도도에 대하여 GLD를 이용한 설계 결과와 비교해보았으며, 결과로 약 3.

대상 데이터

본 연구에서는 5 m × 1 m × 1 m 크기의 실내 모형 토조를 제작한 후 토조 내부에 주문진 표준사를 채워 지중 열교환기 주변을 둘러싼 지반을 조성하였다. 토조 내부에 PB (Polybutylene)로 제작된 U자형 열교환기를 설치하고 이를 Yoon et al.

성능/효과

(3) 제안된 설계식을 이용하여 임의의 경우에 대하여 수평형 지중 열교환기 설계를 하였고, 설계 결과를 이용하여 피크 달에 대하여 수치해석 시뮬레이션을 수행해본 결과 32.2℃ 보다 낮은 31.9℃를 보여 건물 부하를 만족하는 성능을 발휘하여 설계 길이로 적합한 것으로 나타났다.
(1) 수직형 지중 열교환기의 설계식에서 수직형에 해당하는 보어홀의 열저항, 지중온도, 온도간섭효과를 수평형 지중 열교환기에 맞게 수정하여 수평형지중 열교환기의 설계식으로 제시하였다. 또한 이를 열교환기 성능의 영향인자인 지반의 열전도도에 대하여 GLD를 이용한 설계 결과와 비교해보았으며, 결과로 약 3.5% 이내의 차이를 보여 두 방법의 설계 결과가 거의 유사함을 확인하였다.
5 W가 나왔다. 또한 지반의 온도와 열교환기의 출구 온도에 대해 상대오차 분석을 해본 결과 오차율이 각각 1.8%와 0.3% 이내로 나타나 수치해석의 사용을 검증하였다.

후속연구

향후 본 연구에서 개발된 설계식을 바탕으로 수평형 열교환기의 형태 또는 다양한 지반 조건을 고려한 열교환기의 설계가 가능한 방안들에 대해 추가적인 연구가 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 히트펌프 시스템의 종류는 무엇이 있는가?	지열 히트펌프 시스템은 지중 열교환기의 형태에 따라 크게 밀폐형과 개방형으로 구분되며, 세부적으로 밀폐형은 지중 열교환기의 설치 방향에 따라 수직형과 수평형으로 분류할 수 있다. 일반적으로 부지 소요가 적고, 많은 연구들이 진행되고 있는 수직밀폐형이 가장 많이 사용되고 있으나, 최근에는 별도의 천공이 필요하지 않아 상대적으로 초기 설치비용이 저렴한 수평형 지열 시스템의 사용이 대두되고 있다[1].
	국내에서 지열 히트펌프 시스템의 수요가 증가한 이유는?	산업이 급속도로 발달함에 따라 전 세계적으로 지구온난화 등의 환경적인 문제와 주된 에너지원인화석 연료 고갈 등의 문제로 인해 신재생 에너지원의 필요성이 대두되고 있다. 여러 신재생 에너지 중에서도 특히 연중 일정하게 유지되는 지중의 온도를 에너지원으로 사용하는 지열 냉난방 시스템은 그 활용과 빈도가 점점 늘어나 신축 구조물이나 초고층 빌딩 등에 활발하게 적용되고 있으며, 현재 국내에서도 공공건물에 대한 신재생 에너지 이용 의무화 조치로 인해 지열 히트펌프 시스템의 수요가급격하게 증가하고 있다.
	국제지열히트펌프협회에서 제시한 지열 히트펌프 시스템 간편식을 국내에서 사용하기엔 부적합한 이유는 무엇인가?	국제지열히트펌프협회(IGSHPA, international ground source heat pump association)[4]에서는 수평형 설계에 관한 간편식을 제시하였지만, 이는 지열시스템의 기본 설계 인자인 건물의 월별부하와 연간부하만으로는 설계가 불가능하여 국내에서 사용되기에 적합하지 않다.

참고문헌 (13)

Chang, K. S., Kim, M. J., and Kim, Y. J., 2016, A study on the Thermal Characteristics of Horizontal Ground Heat Exchanger using Thermal Response Test, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 17, No. 3, pp. 24-30.

원문보기 상세보기
Congedo, P. M., Colangelo, G., and Starace, G., 2012, CFD simulation of horizontal ground heat exchangers: A comparison among different configurations, Applied Thermal Engineering, Vol. 33-34, pp. 24-32.

상세보기
Yoon, S., Lee, S. R., and Go, G. H., 2016, Evaluation of thermal efficiency in different types of horizontal ground heat exchangers, Energy and Buildings, Vol. 105, pp. 100-105.
International Ground Source Heat Pump Association., 2011, Ground Source Heat Pump Residential and Light Commercial Design and Installation Guide.
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Gaia Geothermal Ground Loop Design Software, GLD2012.
Ministry of Commerce, Industry and Energy., 2007, Development of design package for ground loop heat exchanger of ground source heat pump system.
Bose, J. E., Parker, J. D., and McQuiston, F. C., 1985, Design/data manual for closed-loop ground-coupled heat pump system, ASHRAE, 3-40p.
Kusuda, T. and Achenbach, P. R., 1965, "Earth temperatures and thermal diffusivity at Selected stations in the U.S." ASHRAE Transactions, Vol. 71, Part 1.
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Kim, M. J., Lee, S. R., Yoon, S., and Go, G. H., 2016, Thermal performance evaluation and parametric study of a horizontal ground heat exchanger Geothermics, Vol. 60, pp. 134-143.

상세보기
Yoon, S., Lee, S. R., Go, G. H., Jianfeng, X., Park, H., and Park, D., 2014, Thermal transfer behavior in two types of W-shaped ground heat exchangers installed in multilayer soils, Geomechanics and Engineering, Vol. 6, No. 1, pp. 79-98.

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Comsol Inc., 2015, Comsol Multiphysics reference manual Version. COMSOL 5.1. USA.

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