• 한국기계가공학회지
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• 제15권5호
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• pp.8-17
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• 2016

While greenhouses have been utilized as a sustainable alternative to traditional soil farming, they are often powered by diesel boilers that necessitate vast amounts of non-renewable energy and emit toxic fumes. Thus, geothermal heat pumps have been proposed as a more energy-efficient substitution for diesel boilers. Currently, most horticultural facilities in the United States use shallow geothermal systems, and are often equipped with horizontal underground heat exchangers as well as heat pump equipment. These shallow geothermal systems require a large drilling site and heat pump to function, which results in high maintenance costs. The heat pump itself consumes a large amount of power, which degrades system performance. Conversely, high temperatures can be attained within a single borehole in deep geothermal vertical closing systems without using a heat pump. This setup can dramatically reduce the power consumption and improve system performance. In this study, we have modeled a circulation simulator after the circulation systems in deep geothermal facilities to analyze a 2000-meter borehole in Naju-Sanpo-myeon. The simulator is operated by manipulating various putative parameters affecting system performance to analyze the system's coefficient of performance.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.24-30
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• 2016

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.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.119-119
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• 2010

무한 지속 가능한 지열 에너지를 활용한 공조시스템인 지열원 냉난방 시스템은 기존의 공조 시스템보다 열원이 안정적이기 때문에 높은 효율과 우수한 성능을 가지므로, 기후변화협약 대응의 주요수단으로서 기술개발과 보급이 증대되고 있다. 본 연구에서는 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템에 대한 실증 연구를 통하여 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 하절기 냉방 성능을 분석하였다. 대수층 축열 냉난방 시스템은 주입정과 양수정의 2개의 우물공이 설치되어 있으며, 겨울 난방 운전 중에 한 개의 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입한 후 낮은 온도의 지하수를 타 우물공에 축열하고, 하절기에 겨울에 저온으로 축열된 우물공으로부터 지하수를 열펌프로 유입하여 온도가 증가된 지하수를 타 우물공에 주입한다. 즉, 계절별로 열펌프에서 생성된 냉수와 온수의 대수층 축열을 위하여 계절별로 주입정과 양수정이 바뀌게 된다. 본 연구의 대수층 축열 지열원 열펌프 시스템의 2009년 8월의 주요일자별 시스템 운전 중의 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 각각 4.7과 3.4이상의 우수한 성능을 나타냈다. 또한, 모든 일자에 대하여 외기온도가 $31.6^{\circ}C$서 $22^{\circ}C$까지 변화가 크게 나타났지만 열펌프 유닛 COP와 시스템 COP의 변화는 미소하였다. 이는 양수정으로부터의 지중 순환수가 운전기간 중에 $17.5^{\circ}C$로 일정하게 유지되었기 때문이다. 양수정과 주입정 사이에 5개의 관측공을 설치하였으며, 양수정 측에 인접한 관측공의 온도는 거의 변화가 없었으며, 단기간이지만 널리 사용되고 있는 수직밀폐형 시스템과 달리 지속적인 냉방운전 중의 양수 온도의 증가는 발생하지 않아 안정적인 성능을 나타냈다. 주입정에 인접한 모니터링 홀의 온도는 심도가 깊은 곳의 온도가 낮은 곳보다 높게 나타났다. 이는 냉방 운전 시 열펌프 유닛의 실외열교환기에서 지중 순환수가 냉매로부터 열을 취득하여 온도가 상승하면서 주입정측에 온열이 축열이 진행되었기 때문으로 분석되며, 하절기의 냉방 운전 시간이 증가할 경우 축열 효과는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 양수정과 주입정 중간의 모니터링 홀의 온도는 2009년 8월 가동 중에 온도변화는 없었는데, 이는 양수정과 주입정 사이의 열간섭이 발생하지 않았기 때문으로 분석된다. 일자별로 운전 중의 열펌프 유닛 COP는 차이가 없었지만, 운전 및 정지 시간을 모두 포함한 시스템 소비전력과 냉방용량을 모두 합산하여 산정한 일일 평균 냉방 열펌프 유닛 COP와 냉방 시스템 COP는 일자별로 다소 차이가 발생하였는데, 이는 각 일자별로 열펌프 유닛 가동율의 차이로 인하여 열펌프 유닛 가동 전에 먼저 작동되는 지중순환펌프의 운전 소비전력의 차이와 열펌프의 단속운전 시의 열손실과 추거 소비전력의 차이 때문이다.

• 한국결정성장학회:학술대회논문집
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• 한국결정성장학회 1996년도 제11차 KACG 학술발표회 Crystalline Particle Symposium (CPS)
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• pp.219-222
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• 1996

수열법은 밀폐용기중에서 10$0^{\circ}C$이상의 가열, 가압된 수용액이 반응에 관여하는 것으로써, 수정, CaCO3, AlPO4, GaPO4 등과 같은 단결정의 육성 뿐만 아니라 균일분산계로부터 균일한 결정성의 미립자 합성에도 폭넓게 이용되고 있다. 세라믹분말의 합성에 있어서, 이 방법은 특히 형상, 입자크기의 제어가 용이할 뿐만 아니라 고상법, 졸-겔법, 공침법에서와 같은 열처리, 분쇄과정이 필요없기 때문에 고순도의 초미립자를 얻을 수 있는 장점이 있다. 근년 미국, 일본에서는 수열법을 이용한 유전, 압전체 등 세라믹분말의 일부가 공업적인 규모로 대량 생산되고 있다. 그러나 이에 대한 국내 기술은 아직 초기단계에 이르고 있는 실정이다. 따라서 본 연구실에서는 수열법에 의한 단결정 육성 (예; 자수정, CaCO3, AlPO4, GaPO4, KTP, Emerald 등), 박막제조 (예; GaP, PbTiO3, BaTiO3 등), 정제 (고령토, 장석, 도석 등), 원석처리 (진주, 인공 emerald, 비취 등) 그리고 각종 세라믹분말의 합성 등과 같은 다양한 기반기술의 축적과 동시에 공업화에 대응한 수열장치를 위하여 반응용기의 대형화, 엄밀한 밀폐방식, 실용적인 수열조건 등을 개발해 오고 있다. 본 발표에서는 현재까지의 연구개발 내용 중에서 결정성 미립자에 관련한 세라믹분말의 합성에 대한 일부의 결과들을 보고한다. 일반적으로 수열장치는 전기로, 반응용기, 온도 및 압력제어계 등을 기본으로 하고 있으며 시판용의 대부분이 교반기가 부착된 수직형 (vertical type)이다. 이와 같은 방식에 있어서는 엄밀한 밀폐가 곤란, 반응온도의 한계성 (25$0^{\circ}C$ 이하), 증진율의 한계성 (소량생산) 등과 같은 점이 있기 때문에 본 연구실에서는 개폐식 전기로내에 엄밀한 밀폐가 가능한 수평식(horizontal type)의 반응용기를 채택한 뒤 이를 회전 또는 시이소(seesaw)식으로 움직일 수 있도록 하여 연속공정화, 온도구배의 자율조절 그리고 보다 저온에서도 인위적인 이온의 확산을 효율적으로 유도할 수 있도록 하였다. 이와 같은 방식은 기존의 방식과 비교하여 반응용기 내에 응집현상과 미반응물이 존재하지 않으며 또한 단분산으로 결정성 미립자를 대량적으로 얻을 수 있는 장점이 있었다. 다음은 이상과 같이 본 연구실에서 자체 개발한 수열장치를 이용하여 PbTiO3, (Pb,La)TiO3Mn, BaTiO3, ZnSiO4:Mn, CaWO4 등과 같은 세라믹분말에 대한 합성 실험의 결과이다. 압전성, 초전성이 우수한 PbTiO3 및 (Pb,La)TiO3:Mn 분말의 수열합성은 PbO, TiO2, La2O3 등의 분말을 출발원료로 하여 합성도도 25$0^{\circ}C$부근의 알카리성 용액중에서 결정성 PbTiO3 및 (Pb,La)TiO3:Mn 미립자를 단상으로 얻었으며 입자의 형상 및 크기는 합성온도와 수열용매의 종류에 의존하였다. 유전체로서 폭넓게 응용되고 있는 BaTiO3 분말은 Ba(OH)2.8H2O, TiO2와 같은 최적의 출발원료를 선택함으로써 15$0^{\circ}C$ 부근의 저온영역에서도 용이하게 합성할 수 있었다. 특히 본 연구에서는 수용성인 Ba(OH)2.8H2O를 사용함으로써 host-guest적인 반응을 유도시키는데 있어 물의 가장 실용적이고 효과적인 수열용매임도 알았다. ZnSiO4:Mn, CaWO4, MgWO4와 같은 형광체 분말은 공업적으로 고상반응 또는 습식법에 의해 얻어지고 있으나 이들 방법에 있어서는 분쇄공정으로 인한 형광특성의 저하와 같은 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 수열법을 이용하여 이들 화합물의 합성을 시도하였으며 그 결과 합성온도 30$0^{\circ}C$ 부근의 알칼리성 용액중에서 수열적으로 얻어짐을 알았다. 여기서의 합성분말을 이용하여 실제 조명램프로 제조한 결과 녹색, 청색 발광용 형광체로서 우수한 형광특성을 나타내었다. 천연에서 소량 산출되고 있는 고가의 (Li,Al)MnO2(OH)2:Co 분말은 도자기의 전사지용 청색안료로써 이용되고 있다. 본 연구실에서는 LiOH.H2O, Al(OH)3, MnO2 등의 분말을 출발원료로 하고 24$0^{\circ}C$ 온도 부근 그리고 물을 수열용매로 하여 천연산에 필적하는 (Li,Al)MnO2(OH)2:Co 분말을 인공적으로 합성하였다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2010년도 추계 학술발표회
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• pp.800-807
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• 2010

In this study, a series of numerical analyses has been performed in order to evaluate the performance of a full-scale closed-loop vertical ground heat exchanger constructed in Wonju. The circulation pipe HDPE, borehole and surrounding ground were modeled using FLUENT, a finite-volume method (FVM) program, for analyzing the heat transfer process of the system. Two user-defined functions (UDFs) accounting for the difference in the temperatures of the circulating inflow and outflow water and the change of the surrounding ground temperature with depth were adopted in the FLUENT model. The thermal properties of materials estimated in laboratory were used in the numerical analyses to compare the thermal efficiency of the cement grout with that of the bentonite grout used in the construction. The results of the simulation provide a verification of the in situ thermal response test data. The numerical model with the ground thermal conductivity of 4W/mK yielded the simulation result closer to the in-situ thermal response test than with the ground thermal conductivity of 3W/mK. From the results of the numerical analyses, the effective thermal conductivities of the cement and bentonite grouts were obtained to be 3.32W/mK and 2.99 W/mK, respectively.

• 대한기계학회논문집B
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• 제37권7호
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• pp.637-646
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• 2013

본 연구에서는 밀폐된 정방형관 내에서 자성유체의 자연대류현상에 대하여 수치해석적으로 접근하였다. GSMAC(Generalized-Simplified Marker and Cell method)법을 이용하여 자성유체의 지배방정식을 풀었으며 외부에서 인가자장의 세기 및 방향에 따른 자연대류현상과 열전달 특성을 수치해석적으로 규명하였다. 자성유체의 자연대류현상은 인가자장의 세기 및 방향에 따라 제어되었다. 자장이 수직방향으로 인가될 경우 자장의 세기 H가 4000일 때 평균 Nusselt 수가 최소가 되었고 자장이 수평방향으로 인가될 경우 자장의 세기 H가 12000일 때 평균 Nusselt 수가 최소가 되었다. 또한, 이 지점을 기준으로 자장의 인가방향과 관계없이 자장의 세기가 증가할수록 평균 Nusselt 수가 증가하였다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2008년도 추계 학술발표회
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• pp.1638-1646
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• 2008

This paper presents a series of numerical simulations on the thermal performance and sectional efficiency of a closed-loop vertical ground heat exchanger (U-loop) equipped in a geothermal heat pump system (GHP). A 2-D finite element analysis, ANSYS, was employed to evaluate the temperature distribution on the borehole cross section involving HDPE pipe/grout/soil formation to compare the sectional efficiency between the conventional U-loop and a new latticed HDPE pipe system which is equipped with a thermally insulating latice in order to reduce thermal interference between the inflow and outflow pipes. In addition, a 3-D finite volume analysis (Fluent) was used to simulate the operating process of the closed-loop vertical ground heat exchanger by considering the effect of grout's thermal properties, rate of circulation pump, distance between the inflow and outflow pipes, and the effectiveness of the latticed HDPE pipe system. It was observed that the thermal interference between the two strands of U-loop is of importance in determining the efficiency of the ground heat exchanger, and thus it is highly recommendable to modify the cross section configuration of the conventional U-loop system by including a thermally insulating latice between the two strands.

• 에너지공학
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• 제13권4호
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• pp.296-300
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• 2004

본 연구는 지열원 물 대 물(water to water)히트 펌프 시스템의 냉방 및 난방 운전시 성능 특성과 경제성 평가에 관한 것이다. 5개의 보어홀당 지중 100m의 깊이로 밀폐 수직형 지중 열교환기(closed-vertical ground source)가 설치된 냉난방 시스템이 적용된 건축물에 대하여 냉난방 운전성능을 평가하였으며, 연간 소비전력을 측정하여 실제 시스템의 경제성을 분석하였다. 또한, 순환수의 입구온도에 따른 시스템의 운전 성능을 분석한 결과 난방시에는 COP가 3.0에서 4.2로 증가한 반면, 냉방시에는 5.0에서 3.7로 감소하였다. 본 실험을 통해서,대상 건축물에 대한 지열 냉난방 시스템의 수명주기비용은 기존 냉난방 시스템(보일러+에어컨)에 비해서 68%까지 절감되었으며, 시스템의 경제성을 고려해 볼 때 기존 건축물에도 지열원 냉난방 시스템을 적용하는 것이 타당하다.

• 한국태양에너지학회 논문집
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• 제31권4호
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• pp.80-86
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• 2011

Investigation of the effective soil thermal conductivity(k) is the first step in designing the ground loop heat exchanger(borehole) of a geothermal heat pump system. Another important factor is the borehole thermal resistance($R_b$). Thermal response tests offer a good method to determine the ground thermal properties for the total heat transport in the ground. This is done by supplying a constant heat power into a borehole heat exchanger. There are two methods to supply a constant heat power. One is to employ the electricity provided by Korea Electric Power Corporation(KEPCO). The other is to use electricity generated by a generator. In this study, the power supply regulation was found to reduce when the electricity generated by the generator was used. This is because the generator evaluated with the power supply characteristically reduces the power supply regulation between an overload and a complex using. But it sometimes occurs a power supply regulation in In-situ thermal response test. In this case getting of k,$R_b$ requires delay times and restored normal state. However, the effect of the delay times and restored normal state on the soil thermal conductivity and borehole thermal resistance is very small. Therefore it is possible to use a generally accepted delay times and restored normal state in the analysis. In this work, it is also shown that an acceptable range of ${\Delta}k$, ${\Delta}R_b$ for normal state and regulation state might be approximately 0.01-0.16W/m k, and -0.004-0.007m K/W, respectively. Thus, restored normal state of power supply regulation is valuable to recommend.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.193-193
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• 2011

현재까지 대부분의 지열원 열펌프 시스템에 관한 연구는 열펌프 유닛과 지중열교환기에 대해 개별적으로 수행되었으며, 열펌프 유닛과 지중열교환기 설계 및 최적화의 공통변수인 지중순환수 유량에 따른 시스템 전체에 대한 연구성과는 매우 미미한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 인증되어 보급되고 있는 물매물 지열원 열펌프 유닛의 성능 자료를 분석하고, 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 열펌프 유닛의 성능 실험 및 지중열교환기 형상에 관한 설계 및 분석을 수행하여 지열원 열펌프 시스템 최적화에 관한 기반 기술 확보하고자 하였다. 현재 국내의 물대물 지열원 열펌프 유닛의 냉방 및 난방 조건에서의 최소 인증 COP는 각각 4.1과 3.45이다. 다양한 용량 및 성능을 갖는 국내 인증 물대물 지열원 열펌프 유닛에 대한 정량적 성능 분석을 위하여 3.5kW(1RT) 용량당의 지중순환수 유량과 COP를 고찰하였다. 냉방운전시 3.5kW 단위 용량당 열펌프 유닛의 지중순환수 유량은 10.73에서 18.52LPM을 나타냈으며, 난방운전에는 10.41에서 18.16LPM을 나타냈다. 이때, 냉방 COP는 4.1에서 5.4의 값을 나타냈으며, 난방 COP는 각각 3.5에서 4.2를 나타냈다. 인증 열펌프 유닛에서 지중순환수 유량과 열펌프 유닛의 냉난방 성능은 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 지중순환수 유량에 따른 지열원 열펌프 유닛과 시스템의 성능을 정량적으로 분석하고자 지중순환수 유량 변화에 따른 물대물 지열원 열펌프 유닛 성능 실험을 수행하고 이를 기반으로 지중열교환기를 설계 및 분석하였다. 냉난방 각 운전모드에서 ISO 13256-2 규격과 NRGT 101 규격을 기준으로 지중순환수와 부하측 유량 6LPM 에서 36LPM 사이에서 변화시키며 성능 실험을 수행하였다. 냉방 및 난방모드 모두 유량이 증가함에 따라 열펌프 유닛 COP가 증가하였으나, 유량 증가에 따른 열펌프 유닛 COP 증가율은 감소하였다. 지중순환수 유량이 18LPM 이상에서는 COP 상승폭은 미소하였다. 기존문헌의 부하 산정자료와 열펌프 유닛 실험 성능 데이터를 이용하여 지식경제부 고시 2009-332호에 준하여 수직밀폐형 지중열교환기를 설계하고 순환펌프 소요동력을 이용하여 시스템 COP를 분석하였다. 지중열교환기 설계 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 상용지중열교환기 설계프로그램인 GLD 프로그램을 사용하였다. 지중순환수와 부하측 2차 유체 유량 증가 시에 열펌프 유닛 COP 증가율 대비 시스템 COP 증가율은 감소하였으며, 난방모드에서는 일정 유량 이상에서는 열펌프 유닛 COP는 증가하였으나, 시스템 COP는 감소하였다. 또한, 지중순환수 유량 증가에 따라 지중열교환기 길이가 증가하였으며, 냉난방시의 지중열교환기 길이차이가 증가하였다. 지열원 열펌프 시스템의 고효율화 및 시공비 절감을 통한 경제성 확보를 위해서는 지열원 열펌프 유닛 성능과 지중열교환기 형상 공통 변수인 지중순환수 유량을 함께 고려하여 시스템을 설계하여야한다.