지반의 열-수리 현상에 대한 수치해석에서 경계조건은 해석결과의 정확도에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 지반과 대기의 상호작용을 고려한 열-수리 경계조건을 제시하였다. 지면의 에너지 평형은 태양복사, 지구복사, 바람에 의한 대류, 수분 증발에 대한 잠열 그리고 지중으로의 열전도로 구성된다. 각각의 열흐름에 대한 방정식을 제시하고, 불포화 지반의 열-수리 현상에 대한 해석프로그램과 연계하여 수치해석을 수행하였다. 울산기상대에서 관측된 기상데이터를 이용한 수리-열적 해석에서 실측된 지표면 온도와 수치해석 결과가 매우 유사하였다. 낮시간의 수분 증발에 의한 잠재열은 비포장 지면의 온도를 낮추며, 야간시간에는 지면조건의 영향이 감소한 열적평형 상태에 도달하였다. 지면의 온도변화는 지중으로 깊어질수록 열확산으로 감소하였다. 지표면의 온도가 주요 관심사인 수치해석에서는 지반과 대기의 열-수리적 상호작용을 고려한 수치해석을 수행해야 한다.
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.
It is difficult to accurately measure the ground resistance because it varies widely not only with the type of soil but also with the ground parameters; the moisture, the temperature the buried depth of electrodes, and the ground augmentation material and so on. Therefore, in this paper we analyzed the relation between the parameters and the resistance of ground in order to obtain a method of maintaining ground resistance stable. In experiments, the variation coefficients of ground resistance were calculated by the monthly measured data. The ground resistance decreases as the length of the ground rod increases. The variation between the ground resistance and the moisture rate of soil was low in case of using the ground augmentation material. Without the ground augmentation material, the ground resistance decreases as the moisture rate of soil increases. The ground resistance becomes small when the earth temperature becomes low.
The ground source heat pump (GSHP) system is a kind of the temperature differential energy system using relatively stable underground temperature as heat source of space heating and cooling. This system can achieve higher performance of system than it of conventional air source heat pump systems. However, its superiority of the system performance is different according to installation location or local climate, because the system performance depends on the underground condition which is decided by annual average air temperature. In this study, in order to estimate the feasibility of the ground source heat pump system according to the local climate, numerical simulation was conducted using the ground heat transfer model and the surface heat balance model. The case study was conducted in the condition of Seoul, Daejeon, and Busan, In the result, the heat exchange rate of Busan was 34.33 W/m as the largest in heating season and it of Seoul was 40.61 W/m as the largest in cooling.
This paper proposes an optimum operation method for open type ground heat exchangers. A series of TRTs and artificial heating/cooling operations were carried out while monitoring temperature in the hole of SCW. The ground temperature naturally increases with depth, but a switch between the cooling/heating mode results in a change in the distribution of ground temperature. The effect of the mode change was evaluated by performing LMTD and COMSOL multiphysics analysis for a reduced model with the depth of 150 m. As a result, in the cooling mode, the upstream operation is more efficient than the downstream operation and reduces EWT by $2.26^{\circ}C$. On the other hand, in the heating mode, the downstream operation is advantageous over the upstream operation and increases EWT by $3.19^{\circ}C$. The merit of the optimum operation will be enhanced for the typical dimension of SCW with a depth of 400~500 m. In the future, an open type ground heat exchanger system adopting the optimum operation with variation in the ground temperature will be used in practice.
In this study,the compact type solar thermal and ground coupled heat pump hybrid system for space heating/cooling and hot water supply has been developed. This hybrid system was installed in Zero Energy Solar House(ZeSH) in KIER for the demonstration. The thermal performance and operational characteristics of this hybrid system were analysed especially. The results are as follows. (1) This hybrid system was designed in order to address the existing disadvantages of solar thermal/ground coupled heat pump system. For this design, all parts except solar collector and ground coupled heat pump were integrated into a single product in a factory. The compact type unit includes two buffer tanks, an expansion tank, pumps, valves, a controller, etc. This system has an advantage of easy installation with simple plumbing work even in narrow space. (2) The thermal charging and discharging time of the buffer tanks and its characteristics by ground coupled heat pump, and heat pump COP according to geo-source temperature and buffer storage temperature have been studied. This system was found to meet well to the heat load without any other auxiliary heating equipment. (3) The operating hours of the ground coupled heat pump as a backup device of solar thermal can be reduced significantly by using solar heat. It was also found that the minimum heating water supply setting temperature and maximum cooling water supply setting temperature make an influence on the heat pump COP. The lower heating water and the higher cooling water temperature, the higher COP. In this respect, the hybrid system's performance can be improved in ZeSH than conventional house.
본 연구에서는 에너지 파일의 장기적인 운용이 지반의 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해, 에너지 파일이 설치된 지반을 모사하고 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 간헐적 냉방조건(8시간 운용, 16시간 정지)에서 에너지 파일 내부에 설치된 열순환 파이프의 외경에서부터 파일 표면까지의 이격거리를 변화시켜가면서 수행하였다. 해석결과, 에너지 파일의 간헐적 냉방운용 조건에서의 장기적인 열교환은 지반 내부의 열적 회복력을 감소시키고, 잔류열에너지를 유발하여 주변지반의 온도를 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 주변지반의 온도는 에너지 파일에 가까워질수록 더 높은 온도를 갖는 것으로 나타나며, 열순환 파이프 외측 콘크리트 말뚝의 표면간의 거리가 줄어들수록 온도는 더욱 증가하는 것으로 나타났다.
Ground-coupled heat pump (GCHP) systems have become an efficient alternative to conventional cooling and heating methods due to their higher energy using efficiency. Although some experimental and simulation works related to performance analysis of GCHP systems for commercial buildings have been done, relatively little has been reported on the performance evaluation of GCHP systems for school buildings. The purpose of this simulation study is to evaluate the performance of a hypothetical GCHP system for a school building in Seoul. We collected various data of building specifications and construction materials for the building and then modeled to calculate hourly building loads with SketchuUp and TRNSYS V17. In addition, we used GLD (Ground Loop Design) V2016, a GCHP system design and simulation software, to design the GCHP system for the building and to simulate temperature of circulating water in ground heat exchanger. The variation of entering source temperature (EST) into the system was calculated with different prediction time and then each result was compared. For 20 years of prediction time, EST for baseline design (Case A) based on the hourly simulation results were outranged from the design criteria.
Ground source heat pump is a central heating and cooling system that pumps heat to or from the ground. Building Integrated Geothermal system used in this experiment is one of the Ground Source Heat Pump Systems which utilize energy pile. The purpose of this study is to evaluate heating performance of the system. The building is a low-energy experiment apartment in Yonsei University Songdo Campus and the subject is one of the energy reduced houses in this apartment. In the experiment, indoor temperature, outdoor temperature and the inlet and outlet temperature of ground heat exchanger and subject model, were measured. Then the heat pump's Coefficient of performance(COP) of the heat pump was calculated. As a result, the COP of heat pump is 4-5. Although the depth of the ground heat exchanger in this experiment is shallower than usual heat exchanger, the result of heating performance of this system was good as well.
Permafrost refers to the condition where the ground is frozen. It is crucial to review and evaluate the ground's characteristics before construction. In this study, electrical resistivity surveying is chosen as the investigative technique to apply and illustrate the results on the state of permafrost ground and to summarize its applicability. Field experiments are conducted in the Yeoncheon area of South Korea, which has a freezing index of 522.6°C·days. The target area is categorized into two ground conditions: the first where the original ground freezes, and the second involves excavating the original ground up to a depth of 3 meters, backfilling it, and then artificially injecting fluid. Thus, frozen ground conditions are simulated under both natural and artificial circumstances. Electrical resistivity surveys are performed under both above-freezing and sub-zero temperature conditions, with the experiments conducted at sub-zero temperatures revealing relatively more high-resistivity zones due to the temperature conditions. In this area, the distribution of soil moisture content is also investigated using the Time Domain Reflectometry (TDR) technique. It is observed that the ground into which water is artificially injected had a relatively higher moisture content, although the difference is minor. Finally, a 3D map of the target ground is constructed based on the measured electrical resistivity values, and through this, the distribution of porosity, a crucial design parameter, is also depicted. This research demonstrates that the electrical resistivity technique can effectively evaluate the state of frozen and unfrozen ground and further suggests that it can detailed extract the characteristics of the target ground.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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