[논문]고성능저가형 지중열교환기 개발연구

안형준; 백성권; 임성균

문제 정의

따라서 건축 및 토목공사의 지반 굴착, 성토 등에 수평형 지중 열교환기를 설치하면 저가로 설치가 가능하다. 본 연구는 지반공사에 부가적으로 수평형 지중열교환기를 설치하는 기술을 개발하기 위해 수행되었으며 수평형 지중 열교환기의 개발을 위해 열교환파이프의 종류, 열교환 파이프 설치방법에 따른 성능평가, 지하수 영향평가 등율 연구하였다. 수평형 지중열교환기는 국내에 충분한 연구자료가 없어 적용이 어려운 실정이며 본 연구 결과가 앞으로 국내에서 수평형을 시공하는 데 있어서 작은 도움이 되기를 기대한다.
돤다. 따라서 본 연구에서는 이를 고려하기 위해 현장시험을 통해 지하수 영향평가를 실시하였다.

가설 설정

선형 열원이론에 따라 매질에 가열을 시작하여 최초 과도 상태 이후에는 온도 상승은 가열 전력 Q와 매체의 열전도 율 k에만 좌우된다고 가정한다. 열전도율은 시각tl과 t2에서 구한 온도 측정값으로 계산할 수 있다(Kosky and McVey, 1986).

제안 방법

외경 3.4ctn의 HDPE 재질의 파이프를 사용하였으며 각 열교환기마다 3개의 Thermocouple을설치하여 위치별 온도의 변화를 측정하였다.
2와 같다. 지표 2m 깊이로 굴착하여 열교환파이프를 설치하고 모래로 보호한 후 굴착토로 되메우기를 실시하였다.
지중열교환기의 성능평가는 일정 용량의 전기히터 로열을 공급하고 이에 따른 순환매체의 온도 변화를 측정한 후 이것을 선형 열원에 따른 열전도율로 계산하여 분석한다. 이는 이론상 수직형 지중 열교환기의 성능평가에 적합한 방법이므로 수평형이나 지하수형 지중 열교환기의 경우 수직형 지중 열교환기의 성능비로 평가하게 된다.
있다. 이실험은 지하수의 영향을 고려하기 위해 지하수 유무에 따라 2가지로 설치하여 수행하였다. 이때 지중 열교환기의 아래와 윗면에 미리 모래와 부직포를 깔아 뒷채움 시 지중 열교환기를 보호하였다.
시험 내용은 부지 내지반의 투수성 및 저류 성을 파악하기 위해 주입 시험과 양수시험을 실시하였다. 또한 과업지역 내의 전반적인 지하수 유동체 계 파악을 위하여 국제적으로 공인된 M0DFL애 애cdonald and Harbaugh, 1988) 프로그램을 이용하여 지하수 유동모델링을 수행하였다.
설치된 매트형 지중열교환기에 앞서 소개한 시험 방법을 통해 열교환성능 울 평가하였다. 시험은 약 40-50시간동안 3Kw의 전열을 가하고 이에 따른 순환 유체의 온도 변화를 측정하여 평가하였다.
통해 열교환성능 울 평가하였다. 시험은 약 40-50시간동안 3Kw의 전열을 가하고 이에 따른 순환 유체의 온도 변화를 측정하여 평가하였다. 그 결과는 Fig.
다양한 수평형 지중 열교환기에 대하여 시험적용 및 현장 실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과는 다음과 같다.
2) 매트형 열교환기를 적용한 수평형 지중 열교환기를 개발하여 지하수가 있는 경우와 없는 경우에 대하여 현장 실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과를 수직형 지중 열교환기와 비교하면 지하수가 없는 경우에는 약 134%, 지하수가 있는 경우에는 약 201%로 높게 나타났다.
미국 등에서 일반적으로 사용되는 U-Type 및 Slinky type의 3종류의 지중열교환기에 대한 성능을 평가하였다. 외경 3.

이론/모형

실시하였다. 또한 과업지역 내의 전반적인 지하수 유동체 계 파악을 위하여 국제적으로 공인된 M0DFL애 애cdonald and Harbaugh, 1988) 프로그램을 이용하여 지하수 유동모델링을 수행하였다.

성능/효과

실험 결과 수평형 지중열교환기는 수직형과 비교해열전도율이 상당히 작게 나타나며, 이는 지반 매질의 특성과 흙의 다짐 상태, 설치심도에 따른 지중온도의 영향에 따른 것으로 판단된다. 따라서 수평 형의 성능을 높이기 위해서는 충분한 채움재의 다짐, 깊은 심도에 설치하는 것이 중요하다.
시험 결과를 간략하게 요약하면 우선 과업지역 내의 주요 매질은 자갈에서 중립질 모래로 구성되어 있었으며, 수리 전도도(K)는 주입시험 결과 3.54X0-3~ 2.04>40-1 cm/sec, 양수시험 결과 2.09X0-1 ~ 3.00>10-1 cm/sec 로 나타났다.
이러한 실험 결과를 확률분포를 통해 평균 한 결과 값은 시험구간 내 대표 수리 전도도(K)는 1.52>10-1 cm/sec, 저류계수(S)는 1.77x10-2 으로 산정되었다.
시험 결과에서 매트형 지중열교환기는 수직 형보다 높은 열교환 성능을 갖는 것을 알 수 있다. 이처럼 지중 열교환기의 성능은 지반의 열물성뿐만 아니라 열교환 파이프나 그라우팅, 뒷채움재 등의 열물성과 형태에도 많은 영향을 받는 것을 알 수 있다.
1) 3가지 종류에 수평형 지중열교환기를 설치하고 성능을 평가한 결과, 수직형지 중열교환기와 비교하면 각각 52%, 62%, 66%의 열교환성 눙을 나타내었다. U자형에 비해 Slinky형의 성능이 약 27% 높은 것으로 나타났으며 성능 향상을 위해 설치시 뒷채움 재의 다짐에 유의해야 할 것으로 판단된다.
나타내었다. U자형에 비해 Slinky형의 성능이 약 27% 높은 것으로 나타났으며 성능 향상을 위해 설치시 뒷채움 재의 다짐에 유의해야 할 것으로 판단된다.
현장 실험을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과를 수직형 지중 열교환기와 비교하면 지하수가 없는 경우에는 약 134%, 지하수가 있는 경우에는 약 201%로 높게 나타났다. 앞서 살펴본 U자형 및 Slinky형 지중 열교환기에 비해 성능이 우수하지만, 매트형 열교환기는 세관으로 구성되어 지반에 설치할 때 손상될 우려가 크고 장기적인 성능의 확인이 필요하므로 향후에도 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구는 지반공사에 부가적으로 수평형 지중열교환기를 설치하는 기술을 개발하기 위해 수행되었으며 수평형 지중 열교환기의 개발을 위해 열교환파이프의 종류, 열교환 파이프 설치방법에 따른 성능평가, 지하수 영향평가 등율 연구하였다. 수평형 지중열교환기는 국내에 충분한 연구자료가 없어 적용이 어려운 실정이며 본 연구 결과가 앞으로 국내에서 수평형을 시공하는 데 있어서 작은 도움이 되기를 기대한다.
그 결과를 수직형 지중 열교환기와 비교하면 지하수가 없는 경우에는 약 134%, 지하수가 있는 경우에는 약 201%로 높게 나타났다. 앞서 살펴본 U자형 및 Slinky형 지중 열교환기에 비해 성능이 우수하지만, 매트형 열교환기는 세관으로 구성되어 지반에 설치할 때 손상될 우려가 크고 장기적인 성능의 확인이 필요하므로 향후에도 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
3) 이상과 같이 수평형 지중 열교환기의 성능평가를 실시한 결과 부지가 큰 학교나 레저시설 등에서는 적용성이 높을 것으로 판단되며 특히 건축, 토목사업의 지반공사 과정에 포함하여 적용할 경우 최소의 비용으로 높은 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구를 통해 고성눙 저가형 수평형 지중 열교환기의 개발 가능성을 확인하였으며 향후 실용화를 위해 구조물 하부에 설치할 경우 의 성능 특성과 설치기법에 대한 추가적인 연구와 평가를 수행할 예정이다.

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