[논문]수직밀패형 지중열교환기의 설계인자가 보어홀 전열저항에 미치는 영향에 관한 연구

장근선; 김민준

doi:10.5762/kais.2018.19.10.128

수직밀패형 지중열교환기의 설계인자가 보어홀 전열저항에 미치는 영향에 관한 연구
A Study on the Effects of Design Parameters of Vertical Ground Heat Exchanger on the Borehole Thermal Resistance 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.128 - 135

초록
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현재 지열 열펌프 시스템에 수직밀폐형 지중열교환기가 가장 많이 적용되고 있으며, 수직밀폐형 지중열교환기의 성능에 영향을 미치는 주요 인자로는 지중 열전도율(k)과 보어홀 전열저항($R_b$)이 있다. 본 연구에서는 현장에서 측정된 열응답시험 데이터를 이용하여 보어홀 전열저항을 계산하였으며 지중열교환기 개별 설계인자들(순환수유량, 파이프 수, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 도출된 그라우팅 열저항은 문헌에 제시된 다양한 상관식과 비교 분석하였다. 시험데이터를 통해 본 시험에서의 지중열교환기 보어홀 전열저항은 0.1303 W/m.K로 나타났으며, 보어홀 전열저항에서 그라우트 열저항이 66.6 %, 파이프 열저항이 31.5 %, 순환수 대류열저항이 1.9 %를 차지하여 그라우트가 보어홀 열전달에 가장 큰 영향을 미치는 인자임을 확인하였다. 또한 각 설계인자의 설계변수가 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 분석한 결과 실리카샌드를 혼합하여 그라우트 열전도율를 높이는 방법이 파이프 수 증가나 순환수 유량증가보다 열전달 증진에 더 효과적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, vertical closed ground heat exchangers are the most widely utilized geothermal heat pump systems and the major influencing parameters on the performance of ground heat exchangers are the ground thermal conductivity(k) and borehole thermal resistance($R_b$). In this study, the borehole thermal resistance was calculated from the in-situ thermal response test data and the individual effects of design parameters (flow rate, number of pipe, grout composition) on the borehole thermal resistance were analyzed. The grout thermal resistance was also compared with the correlations in the literatures. The borehole thermal resistance of the investigated ground heat exchanger results in 0.1303 W/m.K and the grout thermal resistance (66.6% of borehole thermal resistance) is the most influencing parameter on borehole heat transfer compared to the other design parameters (pipe thermal resistance, 31.5% and convective thermal resistance, 1.9%). In addition, increasing the thermal conductivity of grout by adding silica sand to Bentonite is more effective than the other design improvements, such as an increase in circulating flowrate or number of tubes on enhancing borehole heat transfer.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic of an in-situ TRT apparatus
그림 Fig. 3. Ln time vs. T_f
그림 Fig. 2. Variation of the circulation water temperature, Q with operating time
그림 Fig. 4. Variation of the borehole thermal resistance with operating time
그림 Fig. 5. Contribution of individual thermal resistance
그림 Fig. 6. Borehole configurations of GHXs made with a single U-pipe.
표 Table 1. Borehole configurations coefficients
표 Table 2. Parameter value
그림 Fig. 7. Variation of the grout thermal resistance with correlation equation and pipe diameter.
그림 Fig. 8. Variation of the R_b with silica sand.
그림 Fig. 9. Contribution of individual thermal resistance
표 Table 3. Variable of individual thermal resistance

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지중에 설치된 지중열교환기에 대해 열응답시험을 수행하여 지중 열전도율 및 보어홀 전열저항을 산출하고 지중열교환기 개별 설계인자들(순환수 유동, 파이프, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 수치적으로 계산하였다. 도출된 그라우팅 열저항은 문헌에 나와 있는 다양한 그라우팅 열저항 상관식들과 비교하였고 실험값에 가장 근접한 상관식을 이용하여 지중열교환기 설계프로그램(GLD : Ground Loop Design)[9]의 보어홀 전열저항 값과 비교하였으며, 또한 실제 지중열교환기의 보어홀 설계시 설계인자들이 보어홀 전열저항에 미치는 영향도를 분석하였다.
본 연구에서는 깊이 150 m, 보어홀 관경 150 mm에 HDPE 2관식 30A 파이프를 삽입하고 그라우팅재로 벤토나이트(20 wt%)와 물(80 wt%) 혼합물로 제작된 수직 밀폐형 지중열교환기의 특성을 살펴보았다.
그라우트에 관련된 열저항을 계산하기 위한 많은 연구들이 진행되었으며, 이와 관련된 상관식이 도출되었다. 본 연구에서는 발표된 상관식들과 시험에서 계산된 그라우트 열저항과 비교․분석해 보았다.

가설 설정

㉡ 지중에서의 열전달은 반경방향으로 1차원으로 가정한다.
㉢ 지중 열전달 과정은 보어홀 안에서 지연시간 응답(Late-Time Responses)의 경우 준-평형상태(Quasi-Steady State)로 가정한다.
본 연구에 사용된 지중열교환기는 시추기가 굴착하면서 육안으로 확인한 결과 지중암반은 화강암(Granite)로 확인되었으며, 토사층이 25 m가 존재하였으나 전부 암반으로 가정하였다. 따라서 지중 토양의 체적비열은 \(pC_p:2.
지중 열전도율을 계산하고 나면 열응답시험에서 획득한 시험데이터를 이용하여 보어홀 전열저항을 계산할 수 있으며, 해석을 위해 다음과 같이 가정하였다.

제안 방법

㉠ 지반 매질은 동질성과 등방성으로 보았다.
1은 수직밀폐형 지중열교환기의 지중 열전도율 측정시험의 개략를 보여주고 있다. 그림에서 보듯이현장에 설치된 지중열교환기와 시험기를 연결한 후 초기에 열량공급 없이 펌프를 이용하여 지중열교환기 내부의 물을 1시간 동안 순환시켜 지중 초기온도를 구하였다. 이후 지중열교환기로 일정한 열량을 48시간 동안 투입하여 시간에 따른 지중열교환기의 입·출구 온도를 측정 하였다.
따라서 본 연구에서는 지중에 설치된 지중열교환기에 대해 열응답시험을 수행하여 지중 열전도율 및 보어홀 전열저항을 산출하고 지중열교환기 개별 설계인자들(순환수 유동, 파이프, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 수치적으로 계산하였다. 도출된 그라우팅 열저항은 문헌에 나와 있는 다양한 그라우팅 열저항 상관식들과 비교하였고 실험값에 가장 근접한 상관식을 이용하여 지중열교환기 설계프로그램(GLD : Ground Loop Design)[9]의 보어홀 전열저항 값과 비교하였으며, 또한 실제 지중열교환기의 보어홀 설계시 설계인자들이 보어홀 전열저항에 미치는 영향도를 분석하였다.
현재 수직밀폐형 지중열교환기의 보어홀 전열저항을 계산하는 방법으로 GLD(Ground Loop Design)[9] 프로그램이 사용되고 있다. 따라서 앞에서 정의된 그라우트 상관식(Sharqawy et al.[7])을 이용한 지중열교환기의 보어홀 전열저항 값을 계산하고 GLD 프로그램에서 계산된 값과 비교하여 보았다. 상세한 열응답시험 방법과 이를 이용한 GLD 프로그램 계산 방법은 참고문헌[1, 3,11]에 나타나 있다.
또한 ksoil은 보어홀 대표암반의 값으로 본 해석에서는 실험에서 측정된 지중 열전도율 ksoil = 3.03W/(m·K)를 적용하였다.
현재 지열 열펌프 시스템에 적용되고 있는 수직밀폐형 지중열교환기의 설계인자들(순환수유량, 파이프 수, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 살펴보기 위해 열응답시험을 수행하였으며, 시험데이터를 통하여 도출된 그라우팅 열저항과 문헌의 상관식을 이용한 그라우팅 열저항 계산값과 비교 분석하였다. 또한 각 설계인자의 설계변수 변화가 지중열교환기의 열저항 감소에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 주요 결론을 얻었다.
본 연구에서 계산된 그라우트 열저항값과 상관식의 값을 비교분석하기 위하여 상관식을 이용한 그라우트 열저항을 계산하였다. 그라우팅 열저항을 산출하기 위해서는 그라우트의 열전도율과 보어홀 내부의 형상을 알아야 한다.
이후 지중열교환기로 일정한 열량을 48시간 동안 투입하여 시간에 따른 지중열교환기의 입·출구 온도를 측정 하였다.
현재 지열 열펌프 시스템에 적용되고 있는 수직밀폐형 지중열교환기의 설계인자들(순환수유량, 파이프 수, 그라우팅재)이 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 살펴보기 위해 열응답시험을 수행하였으며, 시험데이터를 통하여 도출된 그라우팅 열저항과 문헌의 상관식을 이용한 그라우팅 열저항 계산값과 비교 분석하였다. 또한 각 설계인자의 설계변수 변화가 지중열교환기의 열저항 감소에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 그라우트는 벤토나이트 계열(Bentonite)과 물의 혼합물로 배합비는 중량비로 2 : 8로 배합하였다. 또한 그라우트의 열전도를 높이기 위한 방법으로 벤토나이트 계열에 실리카샌드(Silica Sand, 규사)를 같이 배합하는 경우가 늘어나고 있다.
0 ℃ 범위에서 일정하게 유지하였다. 본 연구에서는 경기도 안산에 보어홀 150 mm, 깊이 150 m, 그라우팅재는 물+벤토나이트(80:20), HDPE 30A와 40A 파이프가 삽입된 지중열 교환기 2본을 제작하였다.

이론/모형

또한 그라우트의 열전도를 높이기 위한 방법으로 벤토나이트 계열에 실리카샌드(Silica Sand, 규사)를 같이 배합하는 경우가 늘어나고 있다. 따라서 벤트나이트계열과 실리카샌드의 배합비에 대한 열전도율은 산업통상자원부 고시[2]에 정의된 물질 중에서 Thermal Grout Select와 Vokey Grout의 평균값을 사용하였다. 본 해석에 사용된 각각의 변수들의 값은 Table 2에 정리하였다.

성능/효과

1. 본 연구에 사용된 수직밀폐형 지중열교환기의 지중 열전도율은 3.03 W/(m.K)로 측정되었으며, 보어홀 전열저항은 0.1303 (m.K)/W로 계산되었다. 보어홀 전열저항에 영향을 미치는 인자들을 분석한 결과 지중 순환수가 1.
3. 수직밀폐형 지중열교환기의 설계인자의 변화가 보어홀 전열저항에 미치는 영향을 분석한 결과 그라우팅의 열전도율을 증가시키는 방법(열저항 21.6 % 감소)이 파이프 수를 늘리는 방법(열저항 15.5 % 감소)보다 열저항 감소에 보다 효과적이며, 지중 순환수 유량증가(열저항 0.7 % 감소)는 거의 효과가 없는 것으로 분석되었다.
GLD 프로그램에서 는 보어홀 내부에서의 파이프 위치에 따라서 보어홀 전열저항이 계산되고 있다. Fig. 8에서 보면 GLD 프로그램에서 계산된 값의 경우 실험식과 가장 유사한 상관식에서 계산된 값 보다 높은 값을 보였으며, 프로그램에서 보어홀 벽면에 파이프가 배치되는 경우보다 상관식에서 계산된 값이 더 낮게 나타났다. 또한 벤토나이트 계열에 실리카샌드 비율이 증가하는 경우 상관식의 변화량보다 GLD 프로그램에서 변화량이 더 크게 나타났다.
7 % 감소)로 나타났다. 결과적으로 보어홀 전열저항을 낮추기 위해서는 그라우팅 재료를 바꾸거나 파이프 삽입 개수를 늘려야 큰 효과를 볼 수 있음을 알 수 있다.
001), 수직방향 지중온도 구배가 충분히 작을 경우에 지중열교환기 내부에서 열전달은 반경방향(Radial)으로만 이루어진다고 가정할 수 있다. 따라서 지중열교환기에서 후기 시간(Late time response) 동안의 보어홀 내부 열적 반응은 준평형상태 열전달(Quasi-Steady State Heat Transfer)로 나타나 보어홀 전열저항도 거의 일정한 값을 보여준다.
8에서 보면 GLD 프로그램에서 계산된 값의 경우 실험식과 가장 유사한 상관식에서 계산된 값 보다 높은 값을 보였으며, 프로그램에서 보어홀 벽면에 파이프가 배치되는 경우보다 상관식에서 계산된 값이 더 낮게 나타났다. 또한 벤토나이트 계열에 실리카샌드 비율이 증가하는 경우 상관식의 변화량보다 GLD 프로그램에서 변화량이 더 크게 나타났다. 이는 현재 GLD 프로그램을 통한 지중열교환기 길이를 산출할 경우 건물부하에 대한 지중열교환기 길이가 더 많이 산출됨을 의미하며, 실제 데이터보다 프로그램을 이용시 실리카샌드 비율변화에 따른 지중열교환기 길이변화량이 더 크게 나타남을 의미한다.
6 % 감소되어 그라우트 설계 변수가 보어홀 열전달에 가장 큰 영향을 줌을 알 수 있다. 또한 파이프 삽입 개수를 증가시킬 경우 열저항이 15.5 % 감소하는 것으로 나타났으며, 지중 순환수 유량 증가의 효과는 무시할 정도로(0.7 % 감소)로 나타났다. 결과적으로 보어홀 전열저항을 낮추기 위해서는 그라우팅 재료를 바꾸거나 파이프 삽입 개수를 늘려야 큰 효과를 볼 수 있음을 알 수 있다.
5는 보어홀 전열저항에 영향을 미치는 인자들의 전열저항 값과 영향도를 보여주고 있다. 보어홀 전열저항에 영향을 미치는 인자 중에서 지중 순환수의 경우 전체 전열저항 중에서 약 1.9 %로 영향도가 가장 낮게 나타났으며, HDPE 파이프는 약 31.5 %, 그라우팅재는 약 66.6 %로 가장 크게 영향을 미쳤다.
K)/W로 계산되었다. 보어홀 전열저항에 영향을 미치는 인자들을 분석한 결과 지중 순환수가 1.9 %, HDPE 파이프가 31.5 %, 그라우팅재가 66.6 % 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
본 시험에서 보어홀 전열저항은 지중열교환기로 열량 투입 후 12 ∼ 48시간에서 평균하여 산출하였으며, 보어홀 전열저항은 0.1303 (m. K)/W로 계산되었다.
0 %보다 적은 변동율로 안정적으로 투입 됨을 보여준다. 지중열교환기에 열량투입 후 12시간이 지났을 때 순환수의 평균온도는 약 29.1 ℃를 보였으며, 이후 순환수의 온도곡선의 증가율도 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
2는 시간변화에 따른 지중열교기의 순환수 입·출구 온도변화, 평균온도 변화, 투입열량 변화를 보여주고있다. 지중열교환기의 지중온도는 15.6 ℃로 측정되었으며, 지중열교환기로 투입된 열량은 단위길이당 63 W/m (9.35 kW)로 시험이 진행되는 48시간 동안 투입열량은 표준편자가 1.0 %보다 적은 변동율로 안정적으로 투입 됨을 보여준다. 지중열교환기에 열량투입 후 12시간이 지났을 때 순환수의 평균온도는 약 29.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 열펌프 시스템에 적용되고 있는 수직밀폐형 지중열교환기의 열 전도율은?	1. 본 연구에 사용된 수직밀폐형 지중열교환기의 지중 열전도율은 3.03 W/(m.K)로 측정되었으며, 보어홀 전열저항은 0.1303 (m.K)/W로 계산되었다. 보어홀 전열저항에 영향을 미치는 인자들을 분석한 결과 지중 순환수가 1.9 %, HDPE 파이프가 31.5 %, 그라우팅재가 66.6 % 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
	지열 열펌프 시스템이 큰 효율을 보일 수 있는 이유는?	지열 열펌프 시스템(Geothermal Heat Pump System)은 신재생에너지의 활용 및 시스템 고효율이라는 큰 장점을 가지고 있으며, 국내의 경우 대체에너지 이용법에의하여 공공부문에서 신재생에너지 설치가 의무화되면서 신축건물의 냉난방설비로 지열 열펌프 시스템의 보급이 증가하고 있는 추세이다. 지열 열펌프 시스템은 연중 일정하게 유지되는 지중 열원(국내의 경우 15 ℃ ∼ 18℃) 온도를 이용하기 때문에 계절에 따라서 외기온도 변화가 큰 폭으로 변화되는 공기열원 열펌프 시스템보다 높은 시스템효율을 보인다[1].
	지열 열펌프 시스템의 장점은?	지열 열펌프 시스템(Geothermal Heat Pump System)은 신재생에너지의 활용 및 시스템 고효율이라는 큰 장점을 가지고 있으며, 국내의 경우 대체에너지 이용법에의하여 공공부문에서 신재생에너지 설치가 의무화되면서 신축건물의 냉난방설비로 지열 열펌프 시스템의 보급이 증가하고 있는 추세이다. 지열 열펌프 시스템은 연중 일정하게 유지되는 지중 열원(국내의 경우 15 ℃ ∼ 18℃) 온도를 이용하기 때문에 계절에 따라서 외기온도 변화가 큰 폭으로 변화되는 공기열원 열펌프 시스템보다 높은 시스템효율을 보인다[1].

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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K. S. Chang, M. J. Kim, "Analysis and thermal response test for vertical ground heat exchanger with two U-loop configuration", International Journal of Energy Research, Vol.40, No.2, pp.189-197, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.1002/er.3448

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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