• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.17 no.1
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• pp.28-35
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• 2016

The in-situ thermal response test for the design of a ground heat exchanger of geothermal heat pumps have difficulty in predicting the outlet temperature according to the variation of conditions due to the expense and time. This paper suggests a 3-D CFD analysis method to predict the heat transfer performance of vertical type ground heat exchanger, which is mostly used in national, and the outlet temperature and the slope of two in-situ thermal response tests were compared to test the proposed CFD reliability. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature was predicted to within $0.5^{\circ}C$ of the actual value and the slope was predicted to within 1.6%. The reliability of the CFD analysis method was confirmed using this process, and the outlet temperature prediction of the two in-situ thermal response tests was obtained by changing ${\pm}20%$ of the flow rate and the effective thermal conductivity conditions, respectively. The results of CFD analysis showed that the outlet temperature of Case 1 was 28.0 (-20%) and $29.6^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.6^{\circ}C$ (-20%) and $28.0^{\circ}C$ (+20%) for the effective thermal conductivity variation, and the outlet temperature of Case 2 was 28.4 (-20%) and $29.8^{\circ}C$ (+20%) for the flow rate variation and $29.7^{\circ}C$(-20%) and $28.4^{\circ}C$(+20%) for the effective thermal conductivity variation.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.167.2-167.2
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• 2010

본 연구에서는 지열 에너지원으로써 터널 내부 벽면의 항온성을 이용하여 터널 외벽에 텍스타일 형태의 열교환기를 설치하고 열적 거동을 평가하였다. 터널의 라이닝 부분에서는 여러 가지 요인에 의해 지하수가 터널 내부로 유입하게 되므로 지하수의 유무에 대한 열적 거동 및 유동액의 순환 속도에 따른 영향, 열교환 파이프 배열 형태에 따른 영향을 현장 시험 시공과 현장 열응답시험을 통하여 평가하고자 하였다. 또한 3-D 유한체적해석 프로그램(FLUENT)을 이용하여 숏크리트와 라이닝의 열전도도를 고려한 열교환기의 성능을 분석하였다. 수치해석 결과 열교환 파이프 주변에 지하수의 흐름이 존재할 경우 열전달이 상대적으로 더 원활히 이루어졌으며 순환속도가 빠를 때 보다 느릴수록 효율이 높게 나타났다. 또한, 파이프의 간격이 넓을수록, 파이프의 길이가 길수록 효율이 높게 나타났다. 라이닝 및 숏크리트의 열전도도가 증가함에 따라 에너지 텍스타일의 열전달 효율이 높게 나타났다. 현장 시험을 통해 비슷한 길이의 파이프가 사용된 경우, 파이프 배열 형태에 따라 수평형보다는 수직형 배열의 효율이 높게 측정되었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.123.2-123.2
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• 2010

본 논문에서는 2008년 4월 이후 지열원 열펌프가 설치되어지는 현장에 시험공의 지중열전도도를 현장열응답법을 이용하여 측정하였으며, 그간에 측정된 지중열전도도를 이용하여 전국의 지중온도 및 지중열전도도의 산포도를 정리하였다. 지중열교환기의 심도가 150m일 때 지중온도 분포는 약 $12.0{\sim}19^{\circ}C$의 넓은 분포를 보였으나 대부분의 지중온도가 $15.0{\sim}17.0^{\circ}C$의 범위에 분포하였으며, 지중열전도도의 경우도 마찬가지로 1.50 ~ 9.00 W/mk 값으로 아주 넓은 분포를 보였으나 2.30 ~ 2.90W/mk 값이 가장 많이 나타냈다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.122.1-122.1
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• 2010

수평형 지중열교환기의 지중온도 및 지중열전도도를 분석하기 위해서 경기테크노파크 화단에 수평형 지중열교환기를 설치하였다. 수평형 지중열교환기는 수평 길이 50m, 폭 2.7m, 깊이 2m에 파이프 규격 30mm, 파이프 길이 400m 1본을 매설하였다. 2009년 7월부터 2010년 5월까지 총 7회에 걸쳐 현장열응답방식을 이용하여 지중열전도도를 측정하였다. 측정결과를 분석해보면 수평형 지중열교환기의 지중온도는 계절적인 영향을 많이 받았으며, 지중열전도도는 계절적인 요인과는 무관하게 $1.51{\pm}0.1W/mk$ 범위에서 잘 일치함을 보였다. 이러한 결과로서 수평형 지중열교환기의 현장열응답시험은 현장설치 조건을 모두 반영한 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2010.02a
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• pp.91.1-91.1
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• 2010

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중 열교환기를 현장 시험시공하고 현장 열응답 시험을 수행하여 보어홀과 지반의 유효열전도도를 측정하였다. 뒤채움용 그라우트재는 벤토나이트와 시멘트가 고려되었으며 첨가제로는 천연규사와 흑연을 사용하고, 지중 열교환기 파이프 단면은 일반적으로 시공되는 U-loop 파이프 단면과 파이프 사이의 열간섭 효과를 최소화 한 3공형 파이프 단면이 착용되었다. 시멘트-천연규사 그라우트재가 벤토나이트-천연규사 그라우트재 보다 큰 유효열전도도를 보이고 흑연을 첨가한 그라우트는 시멘트와 벤토나이트 모두에서 천연규사만 첨가하였을 때 보다 유효열전도도가 높게 나타났다. 3공형 파이프 단면의 경우 단면에 따른 영향을 비교하기 위해 그라우트는 시멘트-천연규사와 벤토나이트-천연규사를 사용하였으며 유효 열전도도 측정결과 각각 3.65 W/mK, 3.40 W/mK으로 일반 U-loop 파이프 단면을 사용하였을 때 보다 높게 나타났다.

• Journal of the Korean Geotechnical Society
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• v.28 no.12
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• pp.5-15
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• 2012

In this study, a series of CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical analyses were performed in order to evaluate the thermal performance of six full-scale closed-loop vertical ground heat exchangers constructed in a test bed located in Wonju. The circulation HDPE pipe, borehole and surrounding ground formation 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 fluid and the variation of the surrounding ground temperature with depth were adopted in the FLUENT model. The relevant thermal properties of materials measured in laboratory were used in the numerical analyses to compare the thermal efficiency of various types of the heat exchangers installed in the test bed. The simulation results provide a verification for the in-situ thermal response test (TRT) data. The CFD numerical back-analysis with the ground thermal conductivity of 4 W/mK yielded better agreement with the in-situ thermal response tests than with the ground thermal conductivity of 3 W/mK.

• Journal of the Korean Geotechnical Society
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• v.26 no.7
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• pp.93-106
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• 2010

In performing a series of in-situ thermal response tests, the effective thermal conductivities of six vertical closed-loop ground heat exchangers were experimentally evaluated and compared one another, which were constructed in a test bed in Wonju. To compare thermal efficiency of the ground heat exchangers in field, the six boreholes were constructed with different construction conditions: grouting materials (cement vs. bentonite), different additives (silica sand vs. graphite) and the shape of pipe-sections (general U-loop type vs. 3 pipe-type). From the test results, it can be concluded that cement grouting has a higher effective thermal conductivity than bentonite grouting, and the efficiency of graphite better performs than silica sand as a thermally-enhancing addictive. In addition, a new 3 pipe-type heat exchanger provides less thermal interference between the inlet and outlet pipe than the conventional U-loop type heat exchanger, which results in superior thermal performance. Based on the results from the in-situ thermal response tests, a series of economic analyses have been made to show the applicability of the new addictives and 3 pipe-type heat exchanger.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.167.1-167.1
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• 2010

본 연구에서는 수직 밀폐형 지중열교환기 뒤채움용 그라우트의 종류와 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면에 따른 지중열교환기의 성능을 비교 평가하기 위해 현장 시험 시공과 현장 열응답 시험을 수행하였다. 뒤채움용 그라우트재는 벤토나이트와 시멘트를 사용하였으며 첨가제로는 천연규사와 흑연을 적용하였다. 지중열교환기 파이프 단면은 일반적으로 시공되는 U-loop 파이프 단면과 파이프 사이의 열간섭 효과를 최소화 한 3공형 파이프 단면이 적용되었다. 시멘트-천연규사 그라우트재가 벤토나이트-천연규사 그라우트재 보다 큰 지중 유효열전도도를 보이고 흑연을 첨가한 그라우트는 시멘트와 벤토나이트 모두에서 천연규사만 첨가하였을 때 보다 지중 유효열전도도가 높게 나타났다. 3공형 파이프 단면의 경우 단면에 따른 영향을 비교하기 위해 그라우트는 시멘트-천연규사와 벤토나이트-천연규사를 사용하였으며 지중 유효열전도도 측정결과 각각 3.64 W/mK, 3.40 W/mK으로 일반 U-loop 파이프 단면을 사용하였을 때 보다 높게 나타났다.

• Journal of the Korean Geotechnical Society
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• v.32 no.7
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• pp.5-14
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• 2016

The use of geothermal energy has increased for economically and environmentally friendly utilization, and a geothermal heat pump (GSHP) system for space heating and cooling is being used widely. As ground thermal properties such as ground thermal conductivity and ground thermal diffusivity are substantial parameters in the design of geothermal heat pump system, ground thermal conductivity should be obtained from in-situ thermal response test (TRT). This paper presents an experimental study of ground thermal properties of U and 2U type ground heat exchangers (GHEs) measured by TRTs. The U and 2U type GHEs were installed in a partially saturated dredged soil deposit, and TRTs were conducted for 48 hours. A method to derive the thermal diffusivity as well as thermal conductivity was proposed from a non-linear regression analysis. In addition, remolded soil samples from different layers were collected from the field, and soil specimens were reconstructed according to the field ground condition. Then equivalent ground thermal conductivity and ground thermal diffusivity were calculated from the lab test results and they were compared with the in-situ TRT results.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.35 no.2
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• pp.361-375
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• 2015

An energy pile is one of the novel ground heat exchangers (GHEX's) that is a economical alternative to the conventional closed-loop vertical GHEX. The combined system of both a structural foundation and a GHEX contains a heat exchange pipe inside the pile foundation and allows a working fluid circulating through the pipe, inducing heat exchange with the ground formation. In this paper, a group of energy piles equipped with parallel U-type (5, 8 and 10 pairs) heat exchange pipes was constructed in a test-bed by fabricating in large-diameter cast-in-place concrete piles. In addition, a closed-loop vertical GHEX with 30m depth was constructed nearby to conduct in-situ thermal response tests (TRTs) and to compare with the thermal performance of the cast-in-place energy piles. A series of thermal performance tests was carried out with application of an artificial cooling and heating load to evaluate the heat exchange rate of energy piles. The applicability of cast-in-place energy piles was evaluated by comparing the relative heat exchange efficiency and heat exchange rate with preceding studies. Finally, it is concluded that the cast-in-place energy piles constructed in the test-bed demonstrate effective and stable thermal performance compared with the other types of GHEX.