• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권1호
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• pp.28-35
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• 2016

지열원 히트펌프 시스템에서 지중 열교환기 설계를 위해 수행하는 현장 열응답 시험은 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 조건 변화에 따른 출구온도 예측이 어려운 실정이다. 본 연구에서는 국내에서 주로 사용하는 수직형 지중 열교환기의 열전달 성능을 예측하기 위한 방안으로 3차원 CFD 해석 기법을 제안하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도와 기울기 값을 비교하여 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하였다. CFD 해석 결과, 2개소의 현장 열응답 시험의 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 이내에서 예측하였고, 기울기 값은 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 이를 통해 CFD 해석 방법의 신뢰성을 확인하고, 2개소의 현장 열응답 시험의 유량 및 지중 유효 열전도도 조건을 각각 ${\pm}20%$ 변화시키면서 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였다. 첫 번째 현장(Case 1)의 경우 유량 변화에 따라 $28.0^{\circ}C$(-20%)와 $29.6^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.6^{\circ}C$(-20%)와 $28.0^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 예측하였으며, 두 번째 현장(Case 2)의 경우 유량 변화에 따라 $28.4^{\circ}C$(-20%)와 $29.8^{\circ}C$(+20%), 지중 유효 열전도도 변화에 따라 $29.7^{\circ}C$(-20%)와 $28.4^{\circ}C$(+20%)로 현장 열응답 시험의 출구온도를 각각 예측하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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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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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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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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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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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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• 한국방재학회 2010년도 정기 학술발표대회
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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.

• 한국지반공학회논문집
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• 제28권12호
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• pp.5-15
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• 2012

본 연구에서는 일련의 현장 열응답 시험결과를 동일한 지중열교환기와 지반 조건에 대한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 수치해석 결과와 비교하고 역해석을 통해 지반의 열전도도를 평가하였다. 총 6개의 보어홀을 원주에 소재하고 있는 시험시공 현장에 설치하였으며 순환 파이프의 형상과 그라우트 재료에 대한 수직 밀폐형 지중열교환기의 성능을 비교하기 위해 일반적인 U형 순환 파이프와 새롭게 개발된 3공형 순환 파이프를 보어홀 내 시공하였다. 수치해석은 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 적용하여 3차원 열전달 거동 해석을 수행하였으며 각각의 보어홀에 대해 시간에 따른 순환수의 유입, 유출 온도 차이와 지반의 깊이별 온도변화를 User Define Function (UDF)을 이용하여 실제 조건을 모사하였다. 주어진 보어홀 조건과 실내시험을 통해 시험시공 현장의 열 물성을 입력치로 적용하여 수치 해석을 수행하였으며, 현장 열응답 시험에서 측정된 시간에 따른 유입, 유출 순환수의 온도 변화를 모사하였다. 수치해석 결과, 지반의 열전도도를 3W/mK로 적용하였을 때 보다 4W/mK일 때 현장 열응답 시험과 유사한 결과를 얻었다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제26권7호
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• pp.93-106
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• 2010

현장 열응답 시험을 통해 지중 유효 열전도도를 산출하여 각 보어홀의 성능을 비교하기 위해 강원도 원주 현장에 6개의 보어홀을 시험 시공하였다. 6개의 보어홀은 그라우트 종류와 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면에 따른 영향을 검토하도록 시공되었다. 그라우트 재료는 벤토나이트와 시멘트를 사용하였으며 첨가재는 천연규사와 흑연, 파이프 단면은 기존 U-tube 파이프 단면과 유입과 유출 파이프 사이에 파이프를 추가로 삽입한 새로운 3공형 파이프 단면을 적용하였다. 현장 열응답 시험으로 산정한 지중 유효 열전도도 결과는 시멘트 그라우트로 시공한 보어홀의 경우가 벤토나이트 그라우트로 시공한 경우에 비해 전열 성능이 향상됨을 보였으며 흑연을 추가로 사용한 경우가 천연규사만 사용한 경우보다 높은 효율을 보였다. 또한, 유입과 유출 파이프 사이에 물을 채워 부분적 단열 구간을 형성한 새로운 3공형 파이프 단면의 경우가 기존 U-tube 파이프 단면에 비해 높은 효율을 보였다. 가상 건물에 대한 지중열교환기 설계를 수행하여 지중열교환기 시공비를 비교한 결과, 시멘트 그라우트에 첨가재로 천연규사와 흑연을 함께 사용한 경우가 벤토나이트 그라우트에 첨가재로 천연규사를 사용한 기존의 시공방법 보다 낮은 시공비로 설계가 가능하였다. 마지막으로 본 현장 열응답 시험결과를 바탕으로 일련의 경제성 분석을 통하여 새로이 제시된 첨가제와 3공형 파이프 단면의 적용성을 평가하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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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.

• 한국지반공학회논문집
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• 제32권7호
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• pp.5-14
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• 2016

최근 들어 경제적이고 친환경적인 에너지 활용을 위하여 지열에너지의 필요성이 점차 증대되고 있다. 특히 지열히트펌프 시스템(geothermal heat pump system)으로 불리는 지열 냉난방 시스템의 적용성이 계속 확대되고 있다. 이러한 지열히트펌프 시스템에서 지반의 열전도도와 열확산계수와 같은 지중 열물성은 설계 과정에서 매우 중요한 변수이기에 현장 열응답 시험(thermal response test)을 통해 지반의 열전도도를 산출해야 한다. 본 논문에서는 U와 2U 타입의 지중 열교환기를 매립지 지반에 설치한 후 48시간 동안 현장 열응답 시험을 수행하였으며 지반의 열전도도 뿐만 아니라 지반의 열확산계수를 비선형 회귀분석을 통해 산정할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 지중 열교환기가 설치된 지반의 시료를 채취하여 실내 열물성 실험을 수행하였으며 이를 현장 열응답 시험을 통해 도출된 지반의 열전도도 및 열확산계수 값과 비교하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제35권2호
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• pp.361-375
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• 2015

에너지파일은 기존의 수직밀폐형 지중열교환기를 경제적으로 대체할 수 있는 새로운 형태의 지중열교환기이다. 즉, 에너지파일은 건물의 기초 구조물과 지중열교환기의 역할을 동시에 수행하는 에너지 구조체로서, 말뚝 기초 내부에 열교환 파이프를 삽입하고 파이프를 통해 유체를 순환시켜 지반과의 열교환을 유도한다. 본 연구에서는 병렬 U형(5쌍, 8쌍, 10쌍)의 열교환 파이프를 대구경 현장타설 에너지파일에 삽입하여, 3본의 에너지파일을 실규모로 시공하였다. 또한 현장 열응답 시험(In-situ thermal response tests, TRTs)을 수행하고 시공된 현장타설 에너지파일과의 열교환 효율을 비교하기 위하여 30m 깊이의 수직밀폐형 지중열교환기를 별도로 시공하였다. 병렬 U형 현장타설 에너지파일에 대해서는 냉난방 부하를 인공적으로 주입하는 열교환 성능 평가시험을 수행하여 열교환 성능(heat exchange rate)을 평가하였다. 마지막으로 현장타설 에너지파일의 적용성 평가를 위해 산정된 상대 열교환 효율(relative heat exchange efficiency) 및 열교환 성능을 선행 연구 결과와 비교하였으며, 본 연구에서 시공된 현장타설 에너지파일은 안정적이고 효율적인 열성능을 보이는 것으로 나타났다.