초록 ▼

○ 지반 조건을 고려한 지중 열 물성 D/B 구축 및 평가 기술 개발
▶ 국내 4개 권역별 주요 화강 풍화토 대상으로 열전도도 D/B구축(100건)
▶ 함수비,건조단위중량,광물구성,모관흡수력,입도분포에 따른 열전도도 분포 양상 비교 분석
○ 지반의 열전달 거동 모델 개발
▶열-수리-역학 거동이 연동된 유한요소 수치해석기법 개발
- 기존 수치 기법 대비 95% 수준의 정확도 확보
○ 지열 전환 및 저장 해석 모델 개발 및 기존 프로그램 및 이론해 대비 검증
▶지열교환기 형태에 따른 열전달 수치해석

○ 지반 조건을 고려한 지중 열 물성 D/B 구축 및 평가 기술 개발
▶ 국내 4개 권역별 주요 화강 풍화토 대상으로 열전도도 D/B구축(100건)
▶ 함수비,건조단위중량,광물구성,모관흡수력,입도분포에 따른 열전도도 분포 양상 비교 분석
○ 지반의 열전달 거동 모델 개발
▶열-수리-역학 거동이 연동된 유한요소 수치해석기법 개발
- 기존 수치 기법 대비 95% 수준의 정확도 확보
○ 지열 전환 및 저장 해석 모델 개발 및 기존 프로그램 및 이론해 대비 검증
▶지열교환기 형태에 따른 열전달 수치해석기법 개발 및 검증
- ABAQUS/Standard 대비 99 % 수준의 정확도 확보
- 코일형 지열 교환기 해석 모델 및 해석해 개발
○ 지반 열 물성 추정 프로그램 개발
▶ 광물 특성, 지반 함수비, 간극비 등의 지반의 기본 물성치를 활용한 인공신경망 이론 기반 열특성 추정 모델의 개발
▶사용자 친화적 인터페이스를 갖춘 열특성 추정모델 프로그램 개발
○ 지열 전환 및 저장 해석 모델 개발 (II)
▶ 불균질한 지반의 열전달 특성을 고려한 지열교환기-지반 열 교환/저장 거동 해석기법 개발
▶ 다층 지반 및 지반의 불균질성을 고려한 등가 열 물성계수 역해석 기법 개발
○ 시공 경제성 평가 및 운영 중 지반 열 환경 평가 연구
▶ 지열교환기 배치 간격으로 인한 열간섭 효과에 대한 연구
▶ 열교환 파이프 배치 형태 및 간격별 열효율 평가
▶광대역 지반의 장기 열 저장/전환 거동 평가
○ UTECUS 스마트 모니터링 네트워크 개발
▶ 핵심 계측 인자 및 계측 지점 도출
▶ 다중 계측 센서 배치를 통한 스마트 모니터링 네트워크 시스템 개발
○ UTECUS 설계 프로그램 개발
▶ 하이브리드 에너지 및 에너지 피크 부하를 고려한 지열에너지 전환/활용/저장 시스템 설계 프로그램의 완성
▶ 열-수리-역학, 하이브리드모듈 추가
▶ 설계프로그램의 적용: 개발된 프로그램으로 기본 설계 실시, 설계 프로그램의 제도적 보완 및 인증추진
○ UTECUS 경제성 분석 및 최적 운전 방안 도출
▶ 경제성 예측 기법 개발: 기존 경제성 분석 기법과의 비교
▶ 모니터링을 통한 최적운영방안 도출: 제안된 운영방안 전후 운영비 비교
▶ 최적 운전을 위한 경제성 예측 기법 개발
○ Mockup 실증 실험을 통한 시스템 검증
▶ Mockup 실증 실험을 통한 최적 운전 방안 검증
▶ 실증 실험을 통한 설계 프로그램 검증
▶ 최적 운영 모드 프로그램화
▶ 모니터링 시스템 및 설계 프로그램의 보완 및 수정을 통한 통합화
▶ 지열 시스템 제도 개선: 기존의 제도화 및 지침서 보완

Abstract ▼

Ⅳ. Results
1stYear
Establish database of heat properties considering soil conditions
- Conduct experiments for weathered granite soil and build heat conductivity database
- Test methodology: Probe test, FDM, HPM
- Object samples: 4 zones in domestic (Sejong, Pyeongchang, Geumjeong, Da

Ⅳ. Results
1stYear
Establish database of heat properties considering soil conditions
- Conduct experiments for weathered granite soil and build heat conductivity database
- Test methodology: Probe test, FDM, HPM
- Object samples: 4 zones in domestic (Sejong, Pyeongchang, Geumjeong, Damyang)
- Build heat conductivity database for weathered granite soil of 4 zones in domestic (Sejong, Pyeongchang, Geumjeong, Damyang)
- Comparative analysis of distribution of thermal conductivity according to water content, dry unit weight, composition of mineral, capillary absorption force, size distribution
- In domestic weathered granite soil, thermal conductivity in dry condition varies from 0.15 to 0.3 W/mk.
- In domestic weathered granite soil, increase of thermal conductivity according to water content is influenced by dry unit weight and content of clay mineral
Development of heat transfer behavior model of ground
- Development of finite element numerical analysis model combined with heat-water-physical behavior
- Securement of 95% accuracy compared to existing numerical method
- Securement of 95% accuracy compared to U type GHE test
- Securement of 95% accuracy compared to Coil type GHE test / Fluent
- Improvement of 20% accuracy for developed algorithm
2stYear
Develop the program for estimating the geo-thermal property
- Develop a thermal property prediction model based on the ANN unsing basic properties of grounds, such as mineral characteristics, moisture content in the ground and void ratios
- Develop the user friendly program for estimating thermal property.
- Research on the optimal performance of the ANN model when five input parameters (water content, porosity, thermal conductivity, uniform coefficient, and curvature coefficient), single hidden layer, Logsig-Tansig transmission function, and nine numbers of neuron
- Estimating the thermal conductivity with more than 0.85 of the coefficient of determination using the ANN model.
- User friendly programming of the new estimating model for the thermal conductivity using the porosity and water content based on database which established by laboratory test.
Simulate the thermal storage & recovery for large scale space
- Develop the pipe element module for conduction and convetion phenomena based on the FEM.
- Evaluation of the groundwater impact on the geothermal system performance
- Developing the pipe-flow element which model convective heat transfer between fluid flow inside the pipe and surrounding material, and also advective and conductive heat movement of the fluid inside the pipe.
- Estimating the more reliable geo-thermal property using the developed FEM code and back analysis program.
- Research on the effect of the groundwater and water velocity inside pipe to the long-term heat exchanger performance
Develop a method to estimate optimal operation cost
- Measuring the heat exchange rate for various type of the vertical heat exchangers which installed on the field (Mockup1).
- Measuring the optimal construction cost considering the heat efficiency for various type of the heat exchanger
- Measuring the heat exchange rate for various type of the vertical heat exchangers which installed on the field (Mockup1).
- Optimal economic assesment considering various type of the heat exchangers.
- Improving 10~15% heat efficiency and 5% cost reduction using the W-type exchanger compared to U-type
Develop a UTECUS smart monitoring network
- Compare the error rate of electric sensor and fiber sensor for evaluating application of fiber-optic temperature sensor
- Mesasurement of error rate of optical fiber sensor and electrical sensor for application of fiber-optic temperature sensor through steel box model experiment.
- Within error rate of fiber sensor and electric sensor 5% during TRT
3stYear
Develop a UTECUS designing program
- localization of design method of closed vertical type and energy pile
- soil property module, coil type GHE design module, groundwater flow module
- Accuracy for energy pile design was improved input thermal property module : database extension for reliability improvement of thermal property estimation program, empirical data in diverse soil conditions
- Application of design algorithm considering groundwater flow : analytical solution in the program was numerically verified(accuracy : more than 95%)
- can consider diverse type of GHE module which is applicable both of closed vertical type and energy pile was built
Establish UTECUS system and development of economic analysis program
- Establish closed vertical type Mockup1 for verification of design module
- Establish Mockup2 geothermal heating/cooling system using energy pile
- Verifying accuracy for optimal operation plan and comparing it’s result
- Verifying the program through experiments
- Optimal operation mode was programmed
- Verifying accuracy of the program through comparison with other design program
- Software registration to professional organization based on verified data

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 4
• 요 약 문 ... 7
• Summary ... 12
• CONTENTS ... 17
• 목 차 ... 19
• 그림 차례 ... 21
• 표 차례 ... 27
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 30
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성 ... 30
• 1. 연구개발 개요 ... 30
• 2. 연구개발의 중요성 ... 35
• 제 2 절 연구 목표 및 내용 ... 43
• 1. 연구 최종 목표 ... 43
• 2. 연구 목표 및 내용 ... 44
• 3. 연구 개발 추진 전략 및 방법 ... 45
• 4. 국제공동연구개발 추진계획 ... 62
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 64
• 제 1 절 국내기술 및 산업동향 ... 64
• 1. 기술 동향 ... 64
• 2. 시장동향 ... 65
• 3. 국내 연구개발 인적/물적 인프라 ... 67
• 제 2 절 국외 기술 및 산업 동향 ... 69
• 1. 기술 동향 ... 69
• 2. 시장동향 ... 70
• 제 3 절 연구과제의 타 산업 및 국내외 연계·협력 가능성 ... 72
• 1. 기계 공조 및 히트 펌프 관련 산업계와의 협력 ... 72
• 2. 참여기업(인천국제항공사)과의 추후 협력 ... 73
• 3. 지열관련 유럽 우수 대학 및 연구소와의 협력 ... 73
• 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과 ... 76
• 1절. 지반 조건을 고려한 지중 열 물성 D/B 구축 및 평가기술 개발 ... 76
• 1. 국내 화강 풍화토의 열전도도에 관한 데이터베이스 구축 ... 76
• 2. 지반 열 물성 추정 프로그램 개발 ... 112
• 2절. 설계프로그램 개발 ... 122
• 1. 지열 시스템 설계 ... 122
• 2. 주요 설계 모듈 ... 129
• 3. 지하수 흐름 반영 ... 158
• 4. Mockup 실험을 통한 모듈 검증 ... 176
• 3절. 광대역 지반의 장기 열저장/전환 거동 해석 ... 215
• 1. SUPG 수치기법 ... 216
• 2. 지하수 흐름에 대한 개발된 THM 코드의 비교 검증 ... 218
• 3. 단일(Single) 열교환 시스템에서 지하수 흐름의 영향(TRT, TPT) ... 221
• 4. 그룹(Group) 열교환 시스템에서 지하수 흐름의 영향 ... 228
• 4절. UTECUS 스마트 모니터링 네트워크 개발 ... 231
• 1. 광섬유 센서의 원리 ... 232
• 2. 스마트 모니터링 실험 ... 235
• 5절. UTECUS 경제성 분석 기법 개발 ... 243
• 1. 경제성 모델 및 기존 사례 조사 ... 243
• 2. 인천국제공항 제 2여객터미널 경제성 분석 ... 253
• 3. 인천공항 3단계 건설 부지 열교환기 유형별 시험시공 및 경제성 평가 ... 255
• 4. 경제성 분석 프로그램 Module 개발 ... 272
• 6절. 시스템 검증 및 운영 평가 ... 299
• 1. 경제적 운영방안 제시 ... 300
• 2. Mockup2 에너지 파일 시스템 구축 ... 303
• 3. Mockup2 시스템 최적운전방안 ... 312
• 제 4 장 연구 목표 달성도 ... 344
• 1. 연차별 연구 목표 및 연구개발 수행 현황 ... 344
• 2. 연구개발 목표의 달성도 ... 346
• 제 5 장 연구개발결과의 활용 계획 ... 348
• 제 1 절 연구결과의 활용방안 ... 350
• 1. 인천국제공항 지열 설비 설계 및 유지관리 현장 적용 및 실용화 방안 모색 ... 350
• 2. 추후 연구 ... 351
• 제 2 절 기대성과 및 파급효과 ... 351
• 1. 학문적, 인력양성 측면 ... 351
• 2. 기술적, 경제·산업적 측면 ... 352
• 3. 국가이미지 제고 및 해외 시장 진출 ... 353
• 제 3 절 연구결과의 기업 활용방안 ... 354
• 1. 참여기업의 현황분석 ... 354
• 2. 참여기업별 연계방안 및 추진전략 ... 356
• 제 6 장 참고문헌 ... 359
• 끝페이지 ... 365