This study was performed to construct a geothermal data base about thermal conductivity of ground heat exchanger and thermal properties of grouting material which used to refill the borehole. We have acquired geothermal data sets from 39 sites over wide area of South Korea except to Jeju island. From data analysis, the range of thermal conductivity is $1.5{\sim}4.0$ W/mK. It means that thermal conductivity varies with grouting material as well as regional geology and ground water system.
A detailed geothermal characteristics survey with numerical simulations of the heat transfer in a site for ground source heat pump system is necessary for deploying a shallow geothermal utilization system. Density, specific heat, thermal diffusivity, and thermal conductivity are measured on 91 core samples from a 300 m deep borehole in KIGAM(Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources). The heat flow is estimated from the thermal gradient and average thermal conductivity and the correlation between fracture system and hydraulic conductivity is analyzed. From the obtained ground information of the study site the performance of the ground heat pump system can be analyzed with some detailed numerical simulations for seasonal heat pump operation skill and optimal system design techniques.
This paper presents the results of a laboratory study on the thermal conductivity of sand (silica, quartzite, limestone and masonry sand)-water mixtures used in ground heat exchanger backfilling materials. Nearly 150 tests were performed in a thermal conductivity measuring system (TPSYS02) to characterize the relationships between the thermal conductivity of mixtures and the water content. The results show that the thermal conductivity of mixtures increases with increasing dry density and with increasing water content. The results also show that for constant water contents and a dry density value, the thermal conductivity of mixtures increases with increasing thermal conductivity of solid particles. The measurement results were also compared with the most widely used empirical prediction models for the thermal conductivity of soils.
Among the various ground source heat pump systems, vertical-type heat pump systems have been distributed greatly. Most of the vertical-type ground source heat pump systems have been designed based on the Korean Ministry of Knowledge Economy Announcement in Korea. In this study, the design process of the vertical-type ground source heat pump system in the announcement was analyzed, and the effects of the design parameters on the ground loop heat exchanger were investigated. Borehole thermal conductivity was the highest dominant design parameter for ground loop heat exchangers. The borehole thermal conductivity was changed according to the pipe and grout thermal conductivity. For optimal design of the ground heat pump system, it is highly recommended that the design process in the announcement will be revised to adopt the various tubes and grout which have higher thermal conductivity. In addition, the certification standard for heat pump unit should be revised to develop the heat pump with a small flow rate.
Cement mortar and concrete can be used as grouts but problems regarding shrinkage and the discord of coefficients of thermal expansion between grouts and HDPE pipes has to be solved. Thermal conductivities of wet condition two times larger than those of dry condition, except for pure cement mortar. The addition of sand into the cement grouts greatly increases the thermal conductivity. The addition of bentonite into the cement grouts reduces thermal conductivity thus reducing the density. Bentonite grouting must be used only below the groundwater table since bentonite grouts possesses high shrinkage property in dry condition. The addition of sand prevents the shrinkage of bentonite grouts. Bentonite manufactured in Korea can be used since they possess similar thermal conductivities with imported products. The addition of sand into the bentonite grouts greatly increases the thermal conductivity.
지중 토양의 열 물리적 성질 중 열전도도(thermal conductivity)는 지열 히트펌프 시스템(ground-coupled heat pump systems)의 지중열교환기 설계 과정에서 매우 중요한 변수다. 토양의 열전도도는 3상 구조로 인해 함수비와 건조밀도의 영향을 많이 받는다. 본 논문에서는 수평형 지중열교환기의 트렌치 뒤채움재로 사용되는 9종류의 토양(모래-물혼합물)을 대상으로 열전도도 측정결과와 기존 상관식에 의한 계산결과를 비교하였다. 건조토인 경우, 2상 구조의 열전도도 예측모델인 준이론 모델에 의한 열전도도 계산 결과는 측정 결과와 큰 차이를 보였다. 불포화토인 경우, 기존 모델 중 Cote와 Konrad가 제시한 모델에 의한 계산 결과가 측정 결과와 가장 잘 일치하였다. 또한 토양의 열전도도와 함수비, 종류 등이 수평형 지중열교환기의 설계 길이에 미치는 영향을 고찰하였다. 뒤채움재로 사용되는 토양의 열전도도가 증가할수록 수평형 지중열 교환기의 설계 길이는 감소하였다.
This paper reviewed and evaluated some of the commonly used prediction models for thermal conductivity of soils with the experimental data. Semi-theoretical models for two-component materials were found inappropriate to estimate the thermal conductivity of dry state soils. It came out that the model developed by Cote and Konrad gave the best overall prediction results for unsaturated soils available in the literature. However, it still needs to be improved to cover a wider range of soil types and degrees of saturation. In the present study, parametric analysis is also conducted to investigate the effect of soil type and moisture content on the horizontal ground heat exchanger design. The analysis shows that horizontal ground heat exchanger pipe length is reduced with the increase of soil thermal conductivity and water content. The calculation results also show that horizontal ground heat exchanger size can be reduced to a certain extent by using backfilling material with a higher thermal conductivity of solid particles.
In this paper, the applicability of cement grout has been studied as an alternative to bentonite grout for backfill ground heat exchangers. To provide an optimal mixture design, the thermal conductivity of cement grout and bentonite grout with various mixture ratios were experimentally evaluated and compared. Numerical analyses using Fluent(FVM program) were applied to compare the thermal transfer efficiency of the cement grout with that of the bentonite grout used in the construction. Also the effective ground thermal conductivity was measured by In-situ thermal response test. The results showed that the thermal efficiency of the cement grout was better than the bentonite grout. Consequently, the cement grout could be an alternative with more thermal efficiency to bentonite grout for ground heat exchangers.
This paper presents the measurement of ground thermal conductivity and the characteristics of ground thermal diffusion by a ground heat exchanger(GHE). A borehole is installed to a depth of 175 m with a diameter of 150 mm. To analyze the thermal diffusion property of the GHE, thermocouples are installed under the ground near the GHE. The outdoor temperature, the ground temperature, and the water temperature of the GHE are monitored for evaluating the characteristics of ground thermal diffusion. The ground thermal conductivity is evaluated by the in-situ thermal response tester and the line source model. It is found to be 3.08 W/$m^{\circ}C$ in this study. The ground temperature is greatly dependent on the outdoor temperature from the ground surface to 2.5 m in depth and is stable below 10 m in depth. The surface temperature of the GHE varies as a function of the temperature of circulating water. But the ground temperature at 1.5 m far from the GHE is not changed in accordance with the temperature of circulating water.
A semi-closed loop ground heat exchanger is proposed and its performance is compared through the measuring the effective thermal conductivity of the ground. In-situ tests based on the line source model are carried out to evaluate the thermal characteristics of each ground heat exchanger which has different penetration water flow rate. The test results show the increasing effective thermal conductivity of ground as the penetration water flow rate(PWFR) is increased. Therefore, the higher thermal performance of the proposed semi-closed ground heat exchanger can be expected.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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