[논문]이중관형 지중열교환기 구성에 따른 현장 열성능 평가

이석재; 정현석; 오광근; 박상우; 최항석

doi:10.17664/ksgee.2019.15.4.008

이중관형 지중열교환기 구성에 따른 현장 열성능 평가
Evaluation on in-situ Thermal Performance of Coaxial-type Ground Heat Exchanger with Different Configurations 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.15 no.4, 2019년, pp.8 - 15

이석재 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 정현석 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 오광근 (대림산업 건설사업부) , 박상우 (육군사관학교 토목환경과) , 최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to design coaxial-type Ground Heat Exchangers (GHEXs) efficiently, the effect of components (i.e, heat exchange pipe and grouting material) on the thermal performance of coaxial-type GHEXs should be identified in advance. In this paper, three coaxial-type GHEXs with different configurations were constructed in a test bed. Then, the effect of heat exchange pipes and grouting materials on the thermal performance of coaxial-type GHEXs was investigated by performing in-situ thermal response tests (TRTs) and thermal performance tests (TPTs). In the TRTs, the effective thermal conductivities of the coaxial-type GHEXs with concrete grouting and STS pipes were improved by 6.15 and 22.7%, respectively compared to those of bentonite grouting and HDPE pipes. Additionally, in the TPTs, the use of concrete grouting and STS pipes in the coaxial-type GHEXs enhanced the in-situ thermal performance by 15 and 33.8%, respectively.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Boring investigation results
그림 Fig. 1. Overview of test bed.
그림 Fig. 2. Sectional view of coaxial-type GHEX.
그림 Fig. 3. Construction procedure of coaxial-type GHEX.
표 Table 2. Construction conditions of GHEXs
그림 Fig. 4. Schematic of field test (TRT and TPT).
그림 Fig. 5. Results of TRT (Inlet and outlet temperature).
표 Table 3. Experimental conditions of TRT
그림 Fig. 6. Results of TRT (Analyzed by infinite line source model).
그림 Fig. 7. Experimental set-up of TPT.
그림 Fig. 8. Results of TPT (Operation time only).
표 Table 4. Experimental conditions of TPT

AI 본문요약
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문제 정의

단, 지중열교환기 주변 지반의 조성을 인위적으로 변경하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 그라우팅과 외관 파이프 재료를 달리하여 이중관형 지중열교환기의 열성능을 향상시키는 방법을 고려하였다.
본 논문에서는 이중관형 지중열교환기의 구성에 따른 열성능을 평가하기 위해 세가지 이중관형 지중열교환기를 현장에 시공하고 현장 열응답 시험 및 열성능 시험을 수행하였다. 현장시험 결과를 이용하여 이중관형 지중열교환기의 파이프 재질과 그라우팅 재료가 유효 열전도도와 평균 열교환량에 미치는 영향을 분석하였다.
본 논문에서는 이중관형 지중열교환기의 열성능에 대한 열교환 파이프 및 그라우팅 재료의 영향을 평가하기 위해, 테스트베드를 구축하고 세 가지 이중관형 지중열교환기를 시공하였다. 이후 현장 열응답 시험(Thermal response test, TRT) 및 열성능 시험(Thermal performance test, TPT)을 수행함으로써 각 구성요소가 이중관형 지중열교환기의 열성능에 미치는 영향을 평가하였다.

가설 설정

이때, 선형 열원 모델의 경우에는 지중열교환기를 선으로 가정하며, 외관 내에 내관이 삽입되어있는 이중관형 지중열교환기의 형상은 정밀하게 고려하지 못한다. 따라서 본 연구를 통해 산정된 유효 열전도도 값은 시공된 지중열교환기 간에 상대적인 열성능을 비교하기 위하여 적용될 수 있으며, 테스트베드 지반의 등가 열전도도를 의미하지는 않는다.

제안 방법

시험은 일주일간 수행되었으며, 간헐적 거동을 적용하여(8시간 가동-16시간 정지) 일반 상업 건물의 냉난방 부하를 모사하였다. Fig.
3에 제시한 순서와 같이 시공하였다. 외관 파이프 결속 시, 6 m의 분절형 파이프를 HPDE 파이프는 전기 융착, STS 파이프는 용접을 이용하여 연결부위의 수밀성을 확보하였으며, 내관은 연결부위 없이 50 m의 롤형 파이프를 이용하여 설치하였다.
현장 열성능 시험(Thermal Performance Test, TPT)은 간헐적으로 일정한 온도에서 가동하는 지열 냉난방 시스템을 모사하는 시험방법이다[13-15]. 이 시험방법은 현장 열응답 시험(TRT)이 실제 지열냉 난방 시스템에서의 지중열교환기의 열성능을 나타내는 지표로 활용하기 어렵기 때문에 추가로 수행하였다. 현장 현장 열성능 시험(TPT)은 동일한 현장에 시공된 지중열교환기 간의 실제 열성능을 비교할 수 있다.
현장 현장 열성능 시험(TPT)은 동일한 현장에 시공된 지중열교환기 간의 실제 열성능을 비교할 수 있다. 이 시험은 항온수조를 통해 유입수 온도와 순환수 유량을 일정하게 유지하여 수행한다. 유입수 온도는 냉방의 경우 30°C로 설정하며, 순환수 유량은 열교환 파이프 내에서 난류조건이 형성되는 최소 유량 이상으로 유지한다.
본 논문에서는 이중관형 지중열교환기의 열성능에 대한 열교환 파이프 및 그라우팅 재료의 영향을 평가하기 위해, 테스트베드를 구축하고 세 가지 이중관형 지중열교환기를 시공하였다. 이후 현장 열응답 시험(Thermal response test, TRT) 및 열성능 시험(Thermal performance test, TPT)을 수행함으로써 각 구성요소가 이중관형 지중열교환기의 열성능에 미치는 영향을 평가하였다.
현장 열응답 시험을 통해 산정된 지중열교환기의 유효 열전도도가 클수록 지중열교환기의 실제 가동 시 더 큰 열성능을 기대할 수 있다. 현장 열응답 시험시, 지중열교환기 순환수에 일정한 열량을 주입하여 유입수와 유출수의 온도 변화를 측정한다. 그 후 측정 결과를 선형 열원 모델(line heat source model)에 적용하여 분석하게 된다[12].
본 논문에서는 이중관형 지중열교환기의 구성에 따른 열성능을 평가하기 위해 세가지 이중관형 지중열교환기를 현장에 시공하고 현장 열응답 시험 및 열성능 시험을 수행하였다. 현장시험 결과를 이용하여 이중관형 지중열교환기의 파이프 재질과 그라우팅 재료가 유효 열전도도와 평균 열교환량에 미치는 영향을 분석하였다. 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

그라우팅 재료로 벤토나이트와 시멘트 그라우트를 사용하였다. 비정상 열선법을 적용한 QTM-500으로 재료 자체의 열전도도 측정한 결과, 벤토나이트와 시멘트의 열전도도는 각각 0.
37 W/mK로 나타났다. 외관 파이프는 Stainless steel (STS)과 High-density polyethylene (HDPE)가 선정되었고 각 재료의 열전도도는 STS는 16 W/mK, HDPE는 0.4 W/mK이다. STS의 열전도도가 월등히 높기 때문에 외관이 HPDE인 이중관형 지중열교환기에 비해 열교환 효율이 더 클 것으로 예상된다.

이론/모형

현장 열응답 시험시, 지중열교환기 순환수에 일정한 열량을 주입하여 유입수와 유출수의 온도 변화를 측정한다. 그 후 측정 결과를 선형 열원 모델(line heat source model)에 적용하여 분석하게 된다[12]. 유효 열전도도 산정식은 다음 식 (1)과 같다.

성능/효과

(1) 이중관형 지중열교환기에 현장 열응답 시험(TRT)를 수행한 결과, 콘크리트 그라우팅을 사용할 경우, 벤토나이트 그라우팅을 사용하는 경우에 비해 유효 열전도도가 6.15% 향상되었다. 또한, 지열냉난방 시스템의 지중열교환기의 열성능을 직접 비교할 수 있는 현장 열성능 시험(TPT)에서 콘크리트 그라우팅을 사용한 경우, 평균 열교환량이 15% 증가하였다.
(2) 현장 열응답 시험(TRT) 결과, STS파이프를 사용한 이중관형 지중열교환기가 HDPE파이프를 사용한 경우에 비해 유효 열전도도가 22.7% 증가하였다. 또한, 현장 열성능 시험(TPT) 결과, STS파이프를 사용한 경우의 평균 열교환량, 즉 열성능이 33.
그라우팅 재료의 열전도도 차이에 의하여 시멘트로 그라우팅한 이중관형 지중열교환기(Case 2)가 벤토나이트로 그라우팅한 Case 1에 비하여 유효 열전도도가 6.15% 높은 것으로 나타났다.
15% 향상되었다. 또한, 지열냉난방 시스템의 지중열교환기의 열성능을 직접 비교할 수 있는 현장 열성능 시험(TPT)에서 콘크리트 그라우팅을 사용한 경우, 평균 열교환량이 15% 증가하였다. 따라서 시멘트 그라우팅에 대한 적절한 재료 선정과 시공관리가 이루어진다면 지열냉난방 시스템에서는 시멘트 그라우팅이 벤토나이트 그라우팅보다 우수한 열성능과 경제적 효과를 제공할 것이라 사료된다.
7% 증가하였다. 또한, 현장 열성능 시험(TPT) 결과, STS파이프를 사용한 경우의 평균 열교환량, 즉 열성능이 33.8% 증가하였다. 단, 파이프 재료는 열성능 향상으로 감소되는 천공 깊이와 파이프 가격을 고려하여 선정해야한다.
그라우팅 재료로 벤토나이트와 시멘트 그라우트를 사용하였다. 비정상 열선법을 적용한 QTM-500으로 재료 자체의 열전도도 측정한 결과, 벤토나이트와 시멘트의 열전도도는 각각 0.86 W/mK, 1.37 W/mK로 나타났다. 외관 파이프는 Stainless steel (STS)과 High-density polyethylene (HDPE)가 선정되었고 각 재료의 열전도도는 STS는 16 W/mK, HDPE는 0.
외관을 STS 파이프로 시공한 Case 3은 Case 1에 비해 열교환량이 약 33.8% 향상하였다. 이는 STS의 열전도도가 HDPE의 열전도도에 비해 월등히 높기 때문이며, 전술한 바와 같이 휴지기로 인하여 현장 열응답 시험에 비해 Cas e 3와 Cas e 1의 차이가 더 큰 것으로 나타났다.
외관을 STS 파이프로 시공한 Case 3의 유효 열전도도는 동일한 규격의 HDPE 파이프로 외관과 내관을 시공한 경우(Case 1)보다 비해 유효 열전도도가 22.7% 상승하였다.
충청남도 당진시 매방리에 위치하는 테스트베드는 지반조사를 통하여 규암(quartzite) 및 석영질 사암(quartz arenite) 그리고 화강암(granite)으로 구성된 것으로 나타났다. 또한, 지표 10.

후속연구

이는 STS의 열전도도가 HDPE의 열전도도에 비해 월등히 높기 때문이며, 전술한 바와 같이 휴지기로 인하여 현장 열응답 시험에 비해 Cas e 3와 Cas e 1의 차이가 더 큰 것으로 나타났다. 단, 본 현장에 시공된 STS 파이프의 단위 길이당 가격은 약 20,000원으로 단위 길이당 가격이 12,000원인 HDPE파이프에 비해 약 67%가 높으므로, 설계단계에서 성능 향상으로 인해 절약되는 천공깊이와 파이프 가격 등을 종합적으로 고려하여 현장에 최적화된 파이프 재료를 선택해야 한다.
이때, 선형 열원 모델의 경우에는 지중열교환기를 선으로 가정하며, 외관 내에 내관이 삽입되어있는 이중관형 지중열교환기의 형상은 정밀하게 고려하지 못한다. 따라서 본 연구를 통해 산정된 유효 열전도도 값은 시공된 지중열교환기 간에 상대적인 열성능을 비교하기 위하여 적용될 수 있으며, 테스트베드 지반의 등가 열전도도를 의미하지는 않는다.
또한, 지열냉난방 시스템의 지중열교환기의 열성능을 직접 비교할 수 있는 현장 열성능 시험(TPT)에서 콘크리트 그라우팅을 사용한 경우, 평균 열교환량이 15% 증가하였다. 따라서 시멘트 그라우팅에 대한 적절한 재료 선정과 시공관리가 이루어진다면 지열냉난방 시스템에서는 시멘트 그라우팅이 벤토나이트 그라우팅보다 우수한 열성능과 경제적 효과를 제공할 것이라 사료된다.
단, 시멘트 그라우팅은 재료선정이나 시공관리가 제대로 이루어지지 않으면 시간이 경과함에 따라 파이프와 그라우트 사이에 공극이 형성되어 지중열교환기의 열성능 감소를 초례할 수 있다 [16, 17]. 따라서, 이에 대한 적절한 보완이 이루어진다면 아직까지 대부분의 현장에서 벤토나이트를 그라우팅 재료를 주로 사용하고 있는 실정에서, 이중관형 지중열교환기 뿐만 아니라 수직밀폐형 지중열교환기에 대해서도 시멘트 그라우팅을 적용하여 시공하는 것이 경제적, 성능적 측면에서 유리할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지열 냉난방 시스템이란?	지열 냉난방 시스템은 지열에너지를 건물의 냉난방에 활용하는 시스템으로, 냉난방에 요구되는 에너지를 효과적으로 절약할 수 있는 시스템이다. 일반적으로 수직밀폐형 지중열교환기는 천공깊이를 50m 이상으로 시공하고, 순환수를 통해 지반과 열교환을 유도함으로써 지열을 획득한다.
	지열냉난방 시스템에서는 시멘트 그라우팅이 벤토나이트 그라우팅보다 우수한 열성능과 경제적 효과를 가져올 것이라고 판단하는 근거는?	(1) 이중관형 지중열교환기에 현장 열응답 시험(TRT)를 수행한 결과, 콘크리트 그라우팅을 사용할 경우, 벤토나이트 그라우팅을 사용하는 경우에 비해 유효 열전도도가 6.15% 향상되었다. 또한, 지열냉난방 시스템의 지중열교환기의 열성능을 직접 비교할 수 있는 현장 열성능 시험(TPT)에서 콘크리트 그라우팅을 사용한 경우, 평균 열교환량이 15% 증가하였다. 따라서 시멘트 그라우팅에 대한 적절한 재료 선정과 시공관리가 이루어진다면 지열냉난방 시스템에서는 시멘트 그라우팅이 벤토나이트 그라우팅보다 우수한 열성능과 경제적 효과를 제공할 것이라 사료된다.
	수직밀폐형 지중열교환기의 지열획득 방법은?	지열 냉난방 시스템은 지열에너지를 건물의 냉난방에 활용하는 시스템으로, 냉난방에 요구되는 에너지를 효과적으로 절약할 수 있는 시스템이다. 일반적으로 수직밀폐형 지중열교환기는 천공깊이를 50m 이상으로 시공하고, 순환수를 통해 지반과 열교환을 유도함으로써 지열을 획득한다. 하지만, 수직밀폐형 지중열교환기는 천공비나 시공부지 등의 초기 투자비용이 과도하게 발생한다는 단점이 지열 냉난방 시스템의 보급이 걸림돌이 될 수 있다.

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표제어: PCR

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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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