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수직형 지중열교환기의 열교환 유효도 측정 기술에 대한 연구

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Alternative Title
A study on the Heat Transfer Effectiveness Measurement of a Vertical Geothermal Heat Exchanger
Abstract
본 연구에서는 수직형 지중열교환기의 열교환 유효도 측정 기술에 대하여 기존의 열유체식 지중열교환 유효도 측정 방식과 전자식 지중열교환 유효도 측정 방식을 통한 토양의 지중 열적 거동을 예측하고 지중열교환기의 지중열교환 유효도를 측정하여 검증하였다. 또한 기존의 열유체식 지중열교환 유효도에 측정 방식과 전자식 지중열교환 유효도 측정 방식을 비교 분석하여 기존의 열교환 유효도 대한 측정 장치에 대비 전자식 지중열교환 유효도 상호대비 우수성 및 보안점을 파악하였으며, 마지막으로 전자식 지중열교환 유효도 측정장치를 이용하여 지중 열적 거동의 각 구간별 경계 구분에 대해서 분석하였다. 이와 같은 연구를 수행한 결과는 다음과 같다.
열유체식 지중열교환 유효도 측정 방식에 대한 내용을 보면 KIER내에 천공되어 있는 150m의 지중열교환기에 대해서 측정하였으며, 이에 따른 내용을 보면 총 측정 시간은 49시간이며 5분 간격으로 유량, 지중열교환기 입·출구 온도 및 전력 등에 대한 데이터를 수집하였다. 그 후 Kelvin의 열 이론식으로부터 해석 되어진 선형열원 모델을 이용하여 지중열교환 유효도를 도출하였다. 또한 전자식 지중열교환 유효도 측정 방식에 의해서 지중열 교환기 깊이별 온도측정을 한 후, Fourier의 법칙에 의해서 깊이별 지중온도에 따른 토양의 열적 거동 및 지중열교환 유효도 특성을 도출하였다.
먼저 열유체식 지중열교환 유효도 측정 방식에 의해서 측정되어진 데이터를 분석한 결과 지중열교환기 입·출구 온도는 안정적인 평균 온도차 4.7℃를 보이면서 서서히 증가 측정 시간이 지날수록 안정적으로 보이는 것을 확인할 수 있었고, 지중열교환기 입구 측으로 공급되는 평균 열량은 8.4kW로 분석되었으며 실제 측정 장치에 공급된 소비전력에 근접한 값을 나타내었다. 지중열교환기 입·출구 온도 측정 후 대수시간에 대한 평균온도 변화 곡선의 기울기는 1.7263으로 나타났고 열전달률 및 기울기에 의한 평균 지중열교환 유효도 결과 값은 2.58[W/mK]로 측정되었다.
전자식 지중열교환 유효도 측정 장치를 이용하여 열유체식 지중열교환 유효도를 측정하였던 같은 현장에 대해서 깊이별 온도변화를 측정하였다. 그 결과 일사영향을 받는 지표면으로부터 25m까지는 26℃에서 15.3℃의 급격한 온도변화 분포를 보이고 25m에서 75m까지는 15.3℃~15.6℃의 온도 분포를 보였으며 75m 이상의 깊이에서의 온도변화는 안정적인 기울기에 따라 온도가 일정하게 증가함을 보였다. 이와 같은 온도 변화만을 보면 지표면에서부터 25m까지는 Solar zone, 25m~75m 사이에 Neutral zone, 75m이상에서의 깊이에서는 Geothermal zone으로 나눌 수 있다. 여기서 Neutral zone은 계절적인 일사영향이나 심부지열의 영향을 받는 각 zone의 경계가 되어 일정한 온도를 유지하는 구간이라 봤을 때 계절적인 요소에 따라 깊이별 온도 변화가 안정적이며 동일한 형태로 나타나는 구간을 말하며 계절적인 깊이별 온도 측정 결과 55m ~ 75m에서 가장 안정적이며 동일한 형태의 온도 분포를 보였다. 따라서 지표면에서 55m까지는 일사영향을 받는 Solar zone, 55m~75m는 Neutral zone, 75m이상의 깊이에서는 심부지열의 영향을 받는 Geothermal zone으로 나타났다. 마지막으로 안정적인 온도변화를 갖은 Geothermal zone의 평균 지중열교환 유효도는 2.63[W/mK]으로 측정되었으며 이와 같은 측정값은 열유체식 지중열교환 유효도 측정장치를 통한 지중열교환 유효도 값에 대한 오차가 2% 이내로 나타났다.
결론적으로 열유체식 지중열교환 유효도 측정장치는 지중열교환기에 전체 깊이에서의 일관적인 지중열교환 유효도 측정이 가능하고 전자식 지중열교환 유효도 측정장치는 깊이에 따른 국부적인 지중열교환 유효도 측정이 가능하였다. 열유체식 방식은 지중열교환기의 전체적인 관점에서의 지중열교환 유효도 측정에 관하여 매우 유용한 측정방식임을 알 수 있었지만, 많은 시간과 전력 및 현지 환경 등에 많은 제약을 받는 것으로 알 수 있었다. 반면에 전자식 측정방식은 깊이별 온도 변화를 통한 토양의 지중 열적 거동 분석이 가능하고 이를 통해 깊이별 지중열교환 유효도 측정이 가능하였으며, 전반적으로 측정시간이 짧고 현지 환경적인 제약을 받지 않았다. 하지만 Geothermal zone을 제외한 Solar zone과 Neutral zone에 대해서는 온도 분포가 급격하게 변하고, 온도구배의 변화가 안정적이지 않아 지중열교환 유효도 분석하는데 있어 용의하지 않음을 알 수 있었으며 상호보완적으로 개선이 필요함을 알 수 있었다.
One of key design factors is the geothermal heat transfer effectiveness of the actual site to be installed. The effectiveness is the function of geological characteristics such as soil and rock and ground water contact etc. Therefore, the actual site measurement is so important for the successful design and operation of ground source heat pump(GSHP) system. The purpose of this study is to investigate the convectional thermal response test(cTRT) based on kelvin's line source theorem and to compare and propose and validate a better enhanced thermal response test(eTRT) based on Fourier's law. The main results are:
(1) The average effectiveness from cTRT at the KIER(Korea Institute of Energy Research) site was measured as 2.58 W/m.K at KIER experiment site.
(2) The average effectiveness from eTRT at the KIER site was measured as 2.63 W/m.K at KIER experiment site.
(3) The study indicated that eTRT could be used with eTRT to predict a more detail temperature variation depending upon the depth.
Therefore, this study could conclude that eTRT could be utilized with cTRT to understand the actual site thermal characteristics along the depth.
Author(s)
고건혁
Issued Date
2009
Awarded Date
2009. 2
Type
Dissertation
URI
http://dcoll.jejunu.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000004634
Alternative Author(s)
Ko, Gun-Hyuk
Affiliation
제주대학교 대학원
Department
대학원 기계공학과
Advisor
현명택
Table Of Contents
Ⅰ. 서론 = 1
1-1 연구배경 = 1
1-2 국내외 연구동향 = 4
1) 국외동향 = 4
2) 국내동향 = 5
1-3 연구 목적 = 6
Ⅱ. 지중열교환 유효도 측정에 관한 이론 = 7
2-1 지중열교환 유효도 측정방법의 종류 = 7
1) 정상상태법 = 7
2) 과도상태법 = 7
3) 현지측정법 = 8
2-2 현지 지중열교환 유효도 측정 분석 방법 = 11
1) 선형열원 모델(Line source method)(cTRT) = 11
2) Fourier의 법칙을 이용한 모델(eTRT) = 16
Ⅲ. 실험장치 및 방법 = 18
3-1 열유체식 지중열교환 유효도 측정장치(cTRT) = 18
1) 실험 장치 = 18
2) cTRT 현지 지중열교환 유효도 산출 방법 = 24
3-2 전자식 지중열교환 유효도 측정장치 = 27
1) 실험장치 = 27
2) eTRT 현지 지중열교환 유효도 산출 방법 = 30
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 = 33
4-1 cTRT를 통한 지중열교환 유효도 측정 결과 = 33
4-2 eTRT를 통한 지중열교환 유효도 측정 결과 = 38
Ⅴ. 결론 = 46
참고문헌 = 48
Degree
Master
Publisher
제주대학교 대학원
Citation
고건혁. (2009). 수직형 지중열교환기의 열교환 유효도 측정 기술에 대한 연구
Appears in Collections:
Faculty of Applied Energy System > Mechanical Enginering
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