• 한국지열·수열에너지학회논문집
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• 제7권2호
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• pp.10-15
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• 2011

A ground loop heat exchanger for the ground source heat pump system is the core equipment determining the thermal performance and initial cost of the system The length and performance of the heat exchanger is dependent on the ground thermal conductivity, the operation hours, the ground loop diameter, the grout, the ground loop arrangement, the pipe placement and the design temperature. The result of this simulation shows that higher thermal conductivity of grouting materials leads to the decrease length of geothermal heat exchanger from 100.0 to 84.4%.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
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• 대한설비공학회 2008년도 하계학술발표대회 논문집
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• pp.776-781
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• 2008

A ground heat exchanger in a GSHP system is an important unit that determines the thermal performance of a system and its initial cost. The Size and performance of this heat exchanger is highly dependent on the thermal properties. A proper design requires certain site-specific parameters, most importantly the ground effective thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the undisturbed ground temperature. This paper is part of a research project aiming at constructing a database of these site-specific properties, especially ground effective thermal conductivity. The objective was to develop and evaluation method, and to provide this knowledge to design engineers. To achieve these goals, thermal response tests were conducted using a testing device at nearly 150 locations in Korea. The in-situ thermal response is the temperature development over time when a known heating load imposed, e.g. by circulating a heat carrier fluid through the test exchangers. The line-source model was then applied to the response test data because of its simplicity. From the data analysis, the range of ground effective thermal conductivity at various sites is $1.5{\sim}4.0\;W$/mK. The results also show that the ground effective thermal conductivity varies with grouting materials as well as regional geological conditions and groundwater flow.

• 한국지반공학회논문집
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• 제26권7호
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• pp.107-115
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• 2010

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중열교환기 뒤채움 용도로, 기존 벤토나이트 그라우트의 대안으로서 시멘트 그라우트의 적용성을 검토하였다. 실내 시험을 통하여 물/시멘트 비, 천연규사 첨가비 흑연 첨가비의 변화에 따른 시멘트 그라우트 열전도도 및 유동성에 미치는 영향을 평가하였으며 배합비에 따른 시멘트 그라우트의 일축압축강도를 측정하였다. 실제 지중열교환기용 파이프내 순환유체의 온도변화가 시멘트 그라우트의 재료적 안정성에 미치는 영 향을 검토하기위해 $-5^{\circ}C$와 $50^{\circ}C$를 한 주기로 하여 일축압축강도를 반복적으로 측정하였다. 또한, 시멘트 그라우트가 지중에서 양생된 후, 냉난방 운전에 따른 순환수의 계절적 변화에 의한 시멘트 그라우트와 순환파이프의 접촉면의 양호한 부착성 유지 여부를 판단하기 위해 시멘트 그라우트에 HDPE 파이프를 삽입한 시료의 등가투수계수를 flexible wall penneameter) 이용하여 장기간 측정하였다.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
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• 대한설비공학회 2009년도 하계학술발표대회 논문집
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• pp.579-585
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• 2009

Recently, Vertical-Closed Loop system using geothermal which is the most efficient among the building cooling and heating systems is coming into wide spread due to assistance of domestic policies. However, there is a limitation that a design of ground heat exchanger taking 60% of construction cost is done by GLD and GLHEPRO programs without specific guidelines and consideration on Entering Water Temperature(EWT). For getting an optimal EWT, we analyzed the costs for construction of ground heat exchanger and cooling and heating for 15 years. In the results, reduction of construction costs as the length of ground heat exchanger shortens was much greater than increase of the electrical power consumption as COP gets low. EWT that COP of heat pump can be 3.76 or above was below $31^{\circ}C$ in cooling and was over $5^{\circ}C$ in heating.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.546-549
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• 2007

지열 냉난방 시스템의 설계는 냉난방 공간의 크기에 따라 필요한 부하를 계산하여 설계하게된 다. 설계 부하를 충분히 소화할 수 있는 지열교환기의 길이와 보어홀의 깊이 및 개수는 지반의 열적 특성에 크게 좌우된다. 열전도율이 큰 지반일수록 지열교환기 내의 열 흡수 및 소산이 효과적으로 이루어져 지열교환기의 길이도 상대적으로 짧아질 수 있다. 즉, 효율적이고 정확한 설계를 하기 위해서는 지반, 암반 및 지중열교환기의 물리적 특성에 따른 열적 특성을 설계자는 미리 숙지하여야 한다. 현재 국내에서 수직 밀폐형 지중열교환기의 그라우트로 벤토나이트를 가장 많이 사용하고 있으나, 해외의 경우 지중 조건에 따라 시멘트 또는 벤토나이트를 적절히 선택하여 시공하고 있다. 이는 벤토나이트의 특성상 적용 조건이 제약을 받기 때문이며, 특히 지하수가 존재하지 않을 경우 사용이 사실상 불가능하다. 국내에서 이에 대한 충분한 연구는 아직 이루어지지 않았으며, 시멘트 그라우트를 사용하기 위한 물리적, 열적 특성에 대한 연구가 필요한 시점이라 판단하여 본 연구를 수행하였다. 시멘트 그라우트의 경우 수화반응이 일어나는 초기의 건조수축을 최소화하는 배합비로 물성을 구성하였으며, 벤토나이트는 일반 현장 시공 비율을 사용하였다. 열전도율은 첫째 실내 시험으로 시멘트 그라우트에 대한 열판시험법과 벤토나이트 그라우트에 대한 탐침시험법으로 수행하여 구하였으며, 두 번째 방법인 현장 시공으로 직접 현장열응답시험을 수행하여 그라우트 간의 열적 특성을 비교하였다. 또한 기존 시멘트그라우트의 열적 특성을 개량한 코오롱건설에서 개발한 시멘트 그라우트에 대한 열적 거동도 기존 타 그라우트의 열적 거동과 비교하였으며, 개발 제품의 성능이 상당히 우수함을 알 수 있었다.

• 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.

• 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.

• 한국태양에너지학회 논문집
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• 제33권1호
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• pp.57-65
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• 2013

The temperatures with the ground depth, the positions of circulation water in ground heat exchanger were measured and thermal diffusion characteristics with the distances of the direction normal to the borehole was analysed. The deeper the depth of ground, the less the influences of outdoor temperature, but below 10m of ground, there was no influences of ground temperature. When the depth of trench pipe was below the depth of 2m, there was no influence. In the ground of 10m when the distances between the pipe and the other places were above 0.5m, the variations of temperature were less than $1.6^{\circ}C$ and above 2.5m they were less than $0.1^{\circ}C$. When the distances of bore hole were above 5m, there were no. influences of the nearest ground heat exchanger.

• 대한건축학회논문집:구조계
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• 제34권3호
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• pp.87-93
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• 2018

Ground source heat pump(GSHP) system is one of the high efficiency heat source systems which utilizes the constant geothermal energy of a underground water or soil. However, the design of conventional GSHP system in the domestic market is dependent on the experience of the designer and the installer, and it causes increase of initial installation cost or degradation of system performance. Therefore, it is necessary to develop a guideline and the optimal design method to maintain stable performance of the system and reduce installation cost. In this study, in order to optimize the GSHP system, design factors according to ground heat exchanger(GHX) type have been examine by simulation tool. Furthermore, the design factors and the correlation of a single U-tube and a double U-tube were analyzed quantitatively through sensitivity analysis. Results indicated that, the length of the ground heat exchanger was greatly influenced by grout thermal conductivity for single U-tube and pipe spacing for double U-tube.

• 신재생에너지
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• 제3권4호
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• pp.38-46
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• 2007

In order to characterize the thermal conductivity and viscosity of grout materials used for backfilling ground heat exchangers, nine bentonite grouts and cement grouts being adapted in the United State have been considered in this study. The bentonite grouts indicate that the thermal conductivity and viscosity increase with the content of bentonite or filler (silica sand). In addition, material segregation can be observed when the viscosity of grout is relatively low. The saturated cement grouts appear to possess much higher thermal conductivity than the saturated bentonite grouts, and the reduction of thermal conductivity in the cement grouts after drying specimens is less than the case of the bentonite grouts. Maintaining the moisture content of grouts is a crucial factor in enhancing the efficiency of ground heat exchangers.