현재까지 지열 열펌프 시스템의 지중열교환기는 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 지중온도 및 순환수 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.
현재까지 지열 열펌프 시스템의 지중열교환기는 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 지중온도 및 순환수 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.
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...
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 method was applied to evaluate the thermal characteristics of the horizontal ground heat exchanger (HGHX). Load tests of a HGHX were also performed to examine the daily variations of the ground and fluid temperatures associated with the daily intermittent operation of GSHP. For this test, the straight HGHX (depth 2 m, length 50 m, 8 line) was installed in Ansan city. The results showed that the variations of ground thermal conductivity of HGHX during one year were relatively small with the range of $1.43{\sim}1.64W/m{\cdot}K$, and the maximum and minimum values appeared in December and May, respectively. Load tests with heat injection rate of 6.0 kW for 10 hours per day to HGHX during twelve days were performed in June, September and December, and resulted in a ground initial temperature rise of $4.31^{\circ}C$, $3.14^{\circ}C$, and $1.21^{\circ}C$ during these days, respectively.
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 method was applied to evaluate the thermal characteristics of the horizontal ground heat exchanger (HGHX). Load tests of a HGHX were also performed to examine the daily variations of the ground and fluid temperatures associated with the daily intermittent operation of GSHP. For this test, the straight HGHX (depth 2 m, length 50 m, 8 line) was installed in Ansan city. The results showed that the variations of ground thermal conductivity of HGHX during one year were relatively small with the range of $1.43{\sim}1.64W/m{\cdot}K$, and the maximum and minimum values appeared in December and May, respectively. Load tests with heat injection rate of 6.0 kW for 10 hours per day to HGHX during twelve days were performed in June, September and December, and resulted in a ground initial temperature rise of $4.31^{\circ}C$, $3.14^{\circ}C$, and $1.21^{\circ}C$ during these days, respectively.
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.
제안 방법
본 연구에서는 수평형 지중열교환기의 열특성을 분석하기 위해 심도 2 m의 직선식 수평형 지중열교환기를 제작하고 열응답시험기를 이용하여 지중온도, 지중 열전 도율 등의 열전달 특성을 고찰하였으며 부하시험을 수행하여 지중열교환기의 지중 초기온도 및 순환수 평균온도 일일 변화를 분석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
1은 수평형 지중열교환기의 형상 및 시험 개략도를 보여주고 있다. 본 시험을 위해 제작된 수평형 지중열교환기는 지중토양 매설깊이 2 m, 수평길이 50 m, 폭 2.7 m로 굴착하였으며, 다듬질 기계로 수평하게 다듬질을 한 후 길이 50 m, 직경 30 mm 배관을 0.3 m간격으로 8개(총 배관길이 400 m) 매설하였다. Table 1은 수평형지중열교환기의 제원을 보여주고 있다.
이론/모형
열응답시험을 통해 얻은 데이터로부터 선형열원법을 이용하여 지중열전도율을 계산하기 위해서는 초기 시험 데이터의 적절한 제외가 필요하다. 본 논문에서는 Lee 등[6]이 이용한 평균자승오차(MSE, Mean Square Error) 분석법을 사용하여 수평형 지중열교환기의 초기제외시간(IIT, Initial Ignoring Time)을 결정하였다.
성능/효과
1. 수평형 지중열교환기에 열응답시험과 선형열원법을 적용하기 위해 초기제외시간을 분석하고 지중 열교환기의 길이를 수정하여 사용한 결과 수평형지중열교환기의 10월 지중 열전도율은 1.54 W/m․K로 나타났다.
2. 연중 수평형 지중열교환기의 지중온도 및 지중 열전도율을 측정한 결과 지중온도는 3 ∼ 24 ℃ 범위에서 변화하였으며, 주변온도와 비교하였을 때 지중 최고/최저온도는 약 1달 후쯤 나타났다. 지중 열전도율은 연중 1.
3. 수직형 지중열교환기와 수평형 지중열교환기에 대한 부하시험을 수행하여 비교한 결과 수평형 지중 열교환기의 일별 초기온도 변화는 수직형과 유사한 상승패턴을 보이나 6월과 9월은 초기온도 상승률이 수직형에 비해 크게 나타났으며 반면에 12월은 낮게 나타났다.
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.
참고문헌 (7)
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.
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
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.
Gehlin S.E.A., Thermal response test - method development and evaluation, PhD thesis, Lulea University, Sweden, 2002.
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
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.
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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