• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2010년도 추계 학술발표회
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• pp.800-807
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• 2010

In this study, a series of numerical analyses has been performed in order to evaluate the performance of a full-scale closed-loop vertical ground heat exchanger constructed in Wonju. The circulation pipe HDPE, borehole and surrounding ground 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 water and the change of the surrounding ground temperature with depth were adopted in the FLUENT model. The thermal properties of materials estimated in laboratory were used in the numerical analyses to compare the thermal efficiency of the cement grout with that of the bentonite grout used in the construction. The results of the simulation provide a verification of the in situ thermal response test data. The numerical model with the ground thermal conductivity of 4W/mK yielded the simulation result closer to the in-situ thermal response test than with the ground thermal conductivity of 3W/mK. From the results of the numerical analyses, the effective thermal conductivities of the cement and bentonite grouts were obtained to be 3.32W/mK and 2.99 W/mK, respectively.

• 대한설비공학회:학술대회논문집
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• 대한설비공학회 2006년도 하계학술발표대회 논문집
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• pp.707-712
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• 2006

Knowing the ground thermal conductivity is very importnat in designing ground heat exchangers. Knowledge of the ground soil and rock composition information dose not guarantee the prediction of accurate thermal information. In Situ testing of ground heat exchangers is becoming popular. However, in situ testing are performed at construction sites in real life. Adequate data collection and analysis are not easy mainly due to poor power quality. Power fluctuation also causes the fluctuation of received data. The power quality must be maintained during the entire in situ testing processes. To accurately analyse the test data, the understanding of the response of the power fluctuation is essential. Testing under the power quality varied by tester is very difficult. Analyzing power variation by numerical simulation is a realistic option. By varying power in a sinosuidal manner, its effects on predicting thermal conductivity from thermal response plots made from the test data are examined.

• 한국지열·수열에너지학회논문집
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• 제15권2호
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• pp.1-9
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• 2019

In a ground-source heat pump (GSHP) system, a vertical ground heat exchanger (GHE) is widely accepted due to a higher thermal performance. In the vertical GHE, grout (also called grouting material) plays an important role in the heat transfer performance and the initial installation cost of the GHE. Bentonite-based grout has been used in practice because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. This study evaluated the thermo-physical properties of the bentonite-based grouts through lab-scale measurements. In addition, we conducted performance simulation to analyze the effect of mixed ratio of grouts on the design length and thermal performance of the vertical GHE. The simulation results show that thermally-enhanced grouts improve the heat transfer performance of the vertical GHE and thus reduce the design length of GHE pipe.

• 한국태양에너지학회 논문집
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• 제32권5호
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• pp.68-74
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• 2012

Investigation of the effective soil thermal conductivity($k$) is the first step in designing the ground loop heat exchanger(borehole) of a geothermal heat pump system. Another important factor is the borehole thermal resistance($R_b$). Thermal response tests offer a good method to determine the ground thermal properties for the total heat transport in the ground. The first step is measured for initial soil temperature. This is done by supplying a only pump power into a borehole heat exchanger. They need to supply into water unload heat power more than 30 minutes. In this study, the initial soil temperature was found to analysis $14.1{\sim}16.0^{\circ}C$,the ratio was 68.7% represented. In this case of $k$, was 2.1~3.0 $W/m{\cdot}k$, $R_b$ was 0.11~0.20 $m{\cdot}K/W$. In this work, it is also shown that the distribution of a soil thermal conductivity and borehole thermal resistance were on the influence of initial soil temperature. And soil thermal conductivity was related with factors of equation by linear least square method, borehole thermal resistance was on the influence of composite factors.

• 지질공학
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• 제23권4호
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• pp.389-398
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• 2013

국내에서 열물성에 관한 연구는 지역별, 암종별 열물성 파악을 위주로 진행되었으나, 지열냉난방시스템 설계 시에 실시하는 TRT (thermal response test)의 열전도도와 차이가 크게 나타남에 따라 본 연구에서는 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 시료를 통한 열전도도와 TRT를 통한 열전도도를 비교하였다. 토양 시료의 열전도도는 1.32 W/m-K, 암석 시료의 열전도도는 2.88 W/m-K로 나타났으며, TRT로 측정된 열전도도는 3.13 W/m-K로 나타나 암석 시료보다 약 10% 정도 높게 나타났다. 연구지역은 지하수가 풍부하고 0.01의 수리경사를 가지고 있어 이 차이는 지하수 흐름에 의한 영향이라고 판단된다. 라인소스(line source) 이론에 따르면 TRT는 지반의 순수한 열전도도를 산정하는 것이 목적이므로, 국내 SCW (standing column well)형의 TRT는 라인소스 이론에 적합하지 않으며 지열냉난방시스템 설계 시에는 시료를 통한 열전도도값을 사용하는 것이 타당하다고 판단된다.

• 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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• 제39권9호
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• pp.5-11
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• 2023

지반구조물의 해석에 있어서 해석의 고려 대상과 분야가 점점 다변화되고 있으며, 특히 지반동결과 관련된 분야에서 지반재료의 열적거동 특성에 대한 예측의 필요성이 중요해지고 있다. 신뢰성 있는 지반의 동결거동 평가를 위해서는 다양한 조건에서의 시료의 유효 열전도도 변화에 대한 고려가 필요하다. 본 논문에서는 시료의 간극률, 초기 포화도, Read time 설정을 달리하여 탐침 실험을 수행하였고, 이를 통해 동결 사질토의 유효 열전도도에 영향을 미치는 인자들을 평가하였다. 서로 다른 간극률 조건에서 실험을 수행한 결과, 시료의 간극률이 작을수록 동결토의 유효 열전도도는 증가하는 경향이 나타났다. 반면, 시료의 포화도가 증가할수록 동결토의 유효 열전도도는 증가하였다. 유효 열전도도 측정에 대한 계측기 Read time 설정의 민감도가 존재하였는데, Read time을 1분으로 설정하여 측정하였을 때 측정값의 범위가 국내의 선행연구결과와 유사하게 나타났다.

• 설비공학논문집
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• 제17권8호
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• pp.695-703
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• 2005

The objective of this study is to determine the effective thermal conductivity and thermal resistance values in test boreholes with three different fill materials. To evaluate these heat transfer properties, in-situ tests on four vertical boreholes were conducted by adding a monitored amount of heat to water over various test lengths. Two parameter estimation models, line-source and numerical one-dimensional models, for evaluation of thermal response test data were compared when applied on the same four data sets. Results show that the average thermal conductivity deviation between measured data and these two models is in the range of $3.03\%$ to $4.45\%$. The effect of increasing grout thermal conductivity from 1.34 to 1.82 $W/m^{\circ}C$ resulted in overall increases in effective formation thermal conductivity by $11.1\%$ to $51.9\%$ and reductions in borehole thermal resistance by $11.6\%$ to $26.1\%$.

• 설비공학논문집
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• 제17권2호
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• pp.173-182
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• 2005

The Performance of U-tube ground heat exchanger for geothermal heat Pump systems depends on the thermal properties of the soil, as well as grout or backfill materials in the borehole. In-situ tests provide a means of estimating some of these properties. In this study, in-situ thermal response tests were completed on two vertical boreholes, 130 m deep with 62 mm diameter high density polyethylene U-tubes. The tests were conducted by adding a monitored amount of heat to water over a $17\~18$ hour period for each vertical boreholes. By monitoring the water temperatures entering and exiting the loop and heat load, overall thermal conductivity values of grout/soil formation were determined. Two parameter estimation models for evaluation of thermal response test data were compared when applied on the same temperature response data. One model is based on line-source theory and the other is a numerical one-dimensional finite difference model. The average thermal conductivity deviation between measured data and these models is of the magnitude $1\%$ to $5\%$.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제21권1호
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• pp.512-520
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• 2020

개방형 지중열교환기(SCW)는 수직 밀페형 지중열교환기에 비해 높은 용량과 효율을 갖고 있어 최근에 우리나라에서 많이 보급되고 있는 추세이다. SCW형 지중열교환기의 여러 설계 및 운전변수 중 블리딩 운전이 지중 열전도율, 보어홀 열저항 등 열성능 개선에 가장 효과가 큰 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 SCW형 지중열교환기가 설치된 현장의 열응답시험 결과를 기반으로 블리딩해석 모델을 정립하고 블리딩율 및 지하수 유입수의 위치변화가 SCW형 지중열교환기 열성능에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 고찰하였다. 해석결과 지하수가 지중열교환기 상부에서 유입될 경우 지중열교환기 순환수의 시간에 따른 온도증가는 블리딩율이 증가함에 따라 낮아지는 경향을 보였으며, 지중 열전도율은 30% 블리딩율에서 179% 증가하는 결과를 보였다. 반면에 지하수가 지중열교환기 하부에서 유입될 경우 지중열교환기 순환수는 지중과 먼저 열교환을 한 후 유입수와 하단에서 혼합되기 때문에 지중열교환기 순환수의 온도증가는 상부 유입의 경우보다 적으며 블리딩율이 약 10%를 초과하면 일정하게 유지되는 경향을 보였다.