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열응답시험을 이용한 수평형 지중열교환기 열특성 연구

A Study on the Thermal Characteristics of Horizontal Ground Heat Exchanger using Thermal Response Test

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.3, 2016년, pp.24 - 30  

장근선 (선문대학교 기계공학과) ,  김민준 (선문대학교 기계공학과대학원) ,  김영재 (선문대학교 환경생명화학공학과)

초록
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현재까지 지열 열펌프 시스템지중열교환기는 수직 밀폐형과 개방형 지중열교환기가 주로 설치되어 열응답시험을 이용한 열특성 평가가 수행되어 왔다. 본 논문에서는 열응답시험과 선형열원법을 이용하여 수평형 지중열교환기의 열특성을 분석하였다. 또한 지열 열펌프 시스템은 매일 단속 운전되어지므로 일일부하시험을 수행하여 수평형 지중열교환기의 지중온도순환수 평균온도 일별 변화를 고찰하였다. 시험을 위해 경기도 안산에 직선식 수평형 지중열교환기(심도 2 m, 길이 50 m 8줄)를 설치하였다. 시험결과 수평형 지중열교환기의 지중 열전도율은 연중 $1.43{\sim}1.64W/m{\cdot}K$ 범위로 비교적 큰 변화가 없으며 12월에 최대값을, 5월에 최소값을 갖는 것으로 나타났다. 12일간 지중 열교환기로 하루 10시간동안 6.0 kW의 열량을 투입하는 연속 부하시험을 6월, 9월, 12월에 수행한 결과 지중온도는 이 기간 동안 각각 $4.31^{\circ}C$, $3.14^{\circ}C$, $1.21^{\circ}C$ 상승하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Vertical and standing column well ground heat exchangers have mostly been installed for ground source heat pump systems (GSHP) and thermal response tests (TRT) have been applied to evaluate the thermal characteristics for these heat exchangers. In this paper, the TRT coupled with a line source metho...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 열응답시험을 이용하여 수평형지중열교환기의 열적특성을 살펴보았으며, 선형열원법 (Line source method)을 이용하여 지중 열전도율을 산출하고 연중 변화특성을 분석 하였다. 또한 부하시험(Load test)을 수행하여 수평형 지중열교환기의 지중 온도 변화 특성을 살펴보았으며, 계절특성이 수평형 지중열교환기에 미치는 영향을 살펴보았으며, 수직형 지중열교환기의 열적특성과 비교 분석하였다.

가설 설정

  • 그림에서 Tf는 순환수 평균온도를 Qin은 투입열량을 나타낸다. 부하시험에서는 지열 열펌프 시스템이 냉방운전으로 하루에 10시간 운전되어지고 14시간 정지되어 있다고 가정하였다. 이때 순환펌프는 초기온도 측정을 위해 열량 투입 전후로 1시간 가동하였으며, 열량투입 직전의 순환수 평균온도가 지중열교환기 초기온도로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지중열교환기는 어떻게 구분되는가? 지열 열펌프 시스템은 지중의 열원을 이용하며, 지중 열교환기는 난방운전 시에는 지중으로부터 열원을 흡수 하는 히트소스(Heat source), 냉방운전 시에는 열펌프에서 발생한 열을 지중에 방열하는 히트싱트(Heat sink) 역할을 담당한다. 지중열교환기는 지중에 설치되어지는 형상에 따라 크게 수직형(Vertical)과 수평형(Horizontal) 으로 구분되어진다. 현재 국내에 설치되는 지중열교환기는 수직형이 대부분 보급되고 있으나, 지중열교환기를 설치할 수 있는 부지확보가 비교적 용이한 비닐하우스, 학교 등에서 수평형 지중열교환기가 적용되는 사례들이 늘어나고 있다[1, 2].
지열 열펌프 시스템이 설치되는 현지에서 열응답시험은 무엇에 사용되고 있는가? 오늘날 전 세계적으로 지열 열펌프 시스템이 설치되어지는 현지의 지중열교환기의 열적특성을 평가하는 방법으로 열응답시험(Thermal Response Test : TRT)이 사용되고 있다[3]. 현장 열응답시험은 수직 밀폐형 지중열교환기의 지중 열전도율 및 보어홀 열저항을 산출하기 위한 방법으로 많이 사용되어 왔지만[4, 5] 지중열교환기에 일정한 열량을 일정한 시간동안 투입하여 개방형 지중열교환기(Standing Column Well : SCW) 등 다른 형태의 지중열교환기의 열적특성을 분석하는데 확장 사용되고 있다.
지열 열펌프 시스템은 어떤 역할을 하는가? 지열 열펌프 시스템은 지중의 열원을 이용하며, 지중 열교환기는 난방운전 시에는 지중으로부터 열원을 흡수 하는 히트소스(Heat source), 냉방운전 시에는 열펌프에서 발생한 열을 지중에 방열하는 히트싱트(Heat sink) 역할을 담당한다. 지중열교환기는 지중에 설치되어지는 형상에 따라 크게 수직형(Vertical)과 수평형(Horizontal) 으로 구분되어진다.
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참고문헌 (7)

  1. Park. Y. J., and Kang. S. H., Performance analysis of the horizontal ground source heat pump for greenhouse, Proceedings of the SAREK, 2011, Winter Annual Conference, pp. 447-452, 2011. 

  2. Sohn, B.G., Performance analysis of ground- coupled heat pump system with slinky-type horizontal heat exchanger, KJACR, Vol. 24. No. 3, pp. 230-239, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2012.24.3.230 

  3. Sanner, B., Hellstrom, G., Spitler, J., and Gehlin, S., More than 15 years of mobile thermal response test - a summary of experiences and prospects, Proceeding European geothermal congress, Pisa, Italy, 2013. 

  4. Gehlin S.E.A., Thermal response test - method development and evaluation, PhD thesis, Lulea University, Sweden, 2002. 

  5. Beier RA, Smith M.D., Spliter J.D., Reference data sets for vertical borehole ground heat exchanger models and thermal response test analysis, Geothermics 40, pp. 79-85, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.geothermics.2010.12.007 

  6. Lee, S.K., Woo, J.S., and Kim, D.G., A study of determining initial ignoring time of line source model used in estimating the effective soil formation thermal conductivities. Journal of Energy Engineering, Vol. 17, No. 3, pp 167-174, 2008. 

  7. Chang, K.S. and Kim, M.J., A study on the determining initial ignoring time for the analysis of ground thermal conductivity of SCW type ground heat exchanger, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 26(10), pp. 453-459, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2014.26.10.453 

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