Evaluation of Performance of Grouts and Pipe Sections for Closed-loop Vertical Ground Heat Exchanger by In-situ Thermal Response Test

현장 열응답 시험을 통한 수직 밀폐형 지중열교환기용 그라우트와 열교환 파이프 단면의 성능 평가

  • Lee, Chul-Ho (School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) ;
  • Park, Moon-Seo (School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) ;
  • Min, Sun-Hong (School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) ;
  • Choi, Hang-Seok (School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) ;
  • Sohn, Byong-Hu (Plant Research Division Building & Urban Research Department, KICT)
  • 이철호 (고려대학교 건축.사회환경공학부) ;
  • 박문서 (고려대학교 건축.사회환경공학부) ;
  • 민선홍 (고려대학교 건축.사회환경공학부) ;
  • 최항석 (고려대학교 건축.사회환경공학부) ;
  • 손병후 (한국건설기술연구원 건축도시연구본부 설비플랜트연구실)
  • Received : 2010.04.26
  • Accepted : 2010.07.07
  • Published : 2010.07.31

Abstract

In performing a series of in-situ thermal response tests, the effective thermal conductivities of six vertical closed-loop ground heat exchangers were experimentally evaluated and compared one another, which were constructed in a test bed in Wonju. To compare thermal efficiency of the ground heat exchangers in field, the six boreholes were constructed with different construction conditions: grouting materials (cement vs. bentonite), different additives (silica sand vs. graphite) and the shape of pipe-sections (general U-loop type vs. 3 pipe-type). From the test results, it can be concluded that cement grouting has a higher effective thermal conductivity than bentonite grouting, and the efficiency of graphite better performs than silica sand as a thermally-enhancing addictive. In addition, a new 3 pipe-type heat exchanger provides less thermal interference between the inlet and outlet pipe than the conventional U-loop type heat exchanger, which results in superior thermal performance. Based on the results from the in-situ thermal response tests, a series of economic analyses have been made to show the applicability of the new addictives and 3 pipe-type heat exchanger.

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.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 한국건설교통기술평가원

References

  1. 건설교통부 (1998), "귀래-매지간 도로확장 및 포장공사 토질조사보고서", 시추 주상도 (BB1-BB5), 국토관리청, 원주.
  2. 길후정, 이강자, 이철호, 최항석 (2009), "Numerical Evaluation on Thermal Performance and Sectional Efficiency of Closed-Loop Vertical Ground Heat Exchanger", 한국지반공학회 논문집, 제 25 권 3호, pp.57-64.
  3. 손병후, 신현준, 안형준 (2005), "열응답 시험과 변수 평가 모델을 이용한 그라우트/토양 혼합층의 열전도도 산정", 대한설비공학회 논문집, 제 17권 2호, pp.173-182
  4. 손병후, (2007), "그라우팅 재료가 지중 유효 열전도도에 미치는 영향", 대한기계학회 2007 춘계학술대회 강연 및 논문 초록집, pp.1333-1338.
  5. 이세균, 우정선, 김대기 (2008), "지중유효열전도율 해석에 사용되는 선형열원 모델의 초기제외시간 결정에 관한 연구", 에너지공학회 논문집, 제 17권 3호, pp.167-174.
  6. 임효재, 정계훈, 한지원, 박경우 (2007), "국내의 주요 지역에서 밀폐형 열교환기의 열전도도 측정", 대한기계학회 2007 춘계학 술대회 초록집, pp.1363-1368.
  7. 정영만, 구경민, 황유진, 장세용, 이영호, 이동혁, 이재근 (2008), "지중열전도도 측정과 지중열교환기의 열확산 특성 분석", 대한설비공학회 논문집, 제 20권 11호, pp.739-745.
  8. 지식경제부 (2008), "신.재생에너지설비의 지원.설치.관리에 관한 기준", 지식경제부고시 제2008 - 232호.
  9. 최항석, 이철호, 최효범, 우상백 (2008), "지중 열교환기용 뒤채움재의 물리적 특성 연구", 한국지반공학회 논문집, 제24권 1호, pp.37-49.
  10. Carslaw, H. S. and Jaeger, J. C. (1959), Conduction of Heat in Solids, 2nd edition, Oxford Science Publications, pp.261-262.
  11. Gaia Geothermal, LLC (2005), Ground Loop Design 5.0.
  12. Gehlin, S. (2002), Thermal Response Test (Method Development and Evaluation, Doctoral Thesis, Lulea Univ. of Tech.
  13. Kavanaugh S. P. and Rafferty K. (1997), Ground-Source Heat Pumps : Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings, ASHRAE.
  14. IGSHPA and Oklahoma State University (2000), Closed-Loop /Ground-Source Heat Pump System : Design and Installation Standards 2000, Oklahoma State University, Stillwater Oklahoma.
  15. Ingersoll, L. R. Zobel O. J. and Ingersoll A. C. (1954), Heat Conduction : with Engineering and Geological Applications, 2nd ed. McGraw-Hill, New York.
  16. Paul, N. D. and Remund, C. P. (1997), "Physical, thermal and hydraulic properties of bentonite-based grouts", Electric Power Research Institute, Final Report No.TR109160, ERI Project RP38 81-1.
  17. PCA (Portland Cement Association) (1997), "Portland Cement, Concrete and Heat of Hydration", Concrete Technology Today, Vol.18, No.2.