• 대한설비공학회:학술대회논문집
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• 대한설비공학회 2004년도 하계학술발표 논문집
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• pp.238-238
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• 2004

• 설비공학논문집
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• 제28권10호
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• pp.402-407
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• 2016

Ground-coupled heat pump systems have been widely used, as they are regarded as a renewable energy source and ensure a high annual efficiency. Among the system components, borehole heat exchangers (BHE) play an important role in decreasing the entering water temperature (EWT) to heat pumps in the cooling season, and consequently improve the COP. The optimal sizing of the BHEs is crucial for a successful project. Other than the existing sizing methods, a simulation-based design tool is more applicable for modern complex geothermal systems, and it may also be useful since design and engineering works operate on the same platform. A simulation-based sizing method is proposed in this study using the well-known Duct STorage (DST) model in Trnsys. TRNOPT, the Trnsys optimization tool, is used to search for an optimal value of the length of BHEs under given ground loads and ground properties. The result shows that a maximum EWT of BHEs during a design period (10 years) successfully approaches the design EWT while providing an optimal BHE length. Compared to the existing design tool, very similar lengths are calculated by both methods with a small error of 1.07%.

• 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.

• 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.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제14권7호
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• pp.3164-3169
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• 2013

본 연구에서는 수직형 지중 열교환기의 3차원 CFD 해석 기법을 제안하여 2개소의 현장 열응답 시험과 비교하였다. CFD 해석 비교를 위해 GAMBIT을 이용하여 지중과 지중 열교환기 형상을 모델링하였으며, 상용코드인 FLUENT를 사용하여 3차원 열전달 유동 해석을 수행하였다. 2개소의 현장 열응답 시험에서 도출된 지중 유효 열전도도와 지중 초기온도를 경계조건으로 사용하였으며, 시간에 따른 지중 열교환기의 입구온도 변화는 profile을 사용하여 실제 조건을 모사하였다. CFD 해석 결과 2개소의 지중 열교환기 출구온도는 $0.5^{\circ}C$ 범위 내에서 예측하였고, 기울기는 1.6% 이내에서 적절히 예측하였다. 향후 CFD 해석 기법을 활용하여 지중 열교환기 깊이, 형상 및 배열 변화 등에 따른 성능예측에 활용하고자 한다.

• 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.

• 한국지열·수열에너지학회논문집
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• 제18권3호
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• pp.1-6
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• 2022

Ground source heat pump (GSHP) system is highly efficient and environment-friendly and supplies heating, cooling and hot water to buildings. For an optimal design of the GSHP system, the ground thermal properties should be determined to estimate the heat exchange rate between ground and borehole heat exchangers (BHE) and the system performance during long-term operating periods. However, the process increases the initial cost and construction period, which causes the system to be hindered in distribution. On the other hand, much research has been applied to the artificial neural network (ANN) to solve problems based on data efficiently and stably. This research proposes the predictive performance model utilizing ANN considering local characteristics and weather data for the predictive performance model. The ANN model predicts the entering water temperature (EWT) from the GHEs to the heat pump for the modular GHEs, which were developed to reduce the cost and spatial disadvantages of the vertical-type GHEs. As a result, the temperature error between the data and predicted results was 3.52%. The proposed approach was validated to predict the system performance and EWT of the GSHP system.

• 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.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.579-582
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• 2009

The thermal conductivity and viscosity(or workability) of graphite-added bentonite grouts and cementitious grouts have been evaluated and compared to determine the suitability of these materials for backfilling vertical boreholes of ground heat exchangers. Seven bentonite grouts from different product sources and a portland cement grout with various mixture ratios were considered in this paper. As a new additive for grout, we choose graphite which has high thermal conductivity. The bentonite grouts indicate that the thermal conductivity and viscosity increase with the content of bentonite or with an addition of Graphite compared with that of silica sand. In case of cementitious grout also increase the thermal conductivity and decrease the workability dramatically though an addition of Graphite. Therefore, we cautiously select the amount of graphite and mixture ratio of bentonite and cement considering not only thermal conductivity but also viscosity for the optimum condition of backfilling material.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2010년도 춘계 학술발표회
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• pp.615-624
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• 2010

In this paper, the applicability of cement grout has been studied as an alternative to bentontite grout to backfill ground heat exchangers. To provide an optimal mixture design, the groutabilty and thermal conductivity of cement grouts with various mixture ratios were experimentally evaluated and compared. The unconfined compression strength of cement grout specimen was measured, which are exposed to cyclic temperature variation ranging from $50^{\circ}C$ to $-5^{\circ}C$. In addition, the integrity of the interface between circulating HDPE pipes and cement grout by performing equivalent hydraulic conductivity tests, in which a pipe locates at the center of the specimen.