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논문

지중 열교환기 효율 분석을 위한 지반내 열적.수리적 특성 조사

Investigation of Thermal and Hydraulic Characteristics for the Performance Analysis of a Borehole Heat Exchanger

심병완|이영민|김형찬|송윤호
한국자원공학회 (The Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers)|2006.04|한국자원공학회지 (Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers)|제43권 제2호|pp. 97-105

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Heat transfer열전도Ground source heat pump지중 열교환기Heat exchange rateThermal response testBorehole heat exchanger열응답 실험지열펌프원위치 열전도도열교환율In-situ thermal conductivity
주제분류자원공학

초록

천부 지열활용 시스템의 장기적인 효율을 추정하기 위하여 지중 열교환기를 설치한 부지에서 몇가지 수리 및 지열 특성 조사를 수행하였다. 본 연구에서는 300m 심도의 관측공에서 61개의 코아샘플을 채취한 후, 밀도, 비열, 열확산율을 측정하여 열전도도를 산출하였다. 그리고 열전도도 산술평균값(2.98W/m-K)과 지온경사(20°C/km)를 이용하여 지열류량(59.7mW/m2)을 산출하였으며, 또한 지하수의 유동 특성이 지중 열교환기 효율에 많은 영향을 미치기 때문에 균열시스템과 수리전도도간의 상관성을 추정하였다. 그리고 열응답 실험을 통하여 원위치 열전도도를 측정하여 코아 샘플의 열전도도보다 10% 높은 3.28W/m-k의 값을 얻었으며, 이를 통하여 시추공의 열교환율을 계산하였다. 조사된 연구지역 지반의 열적 수리적 특성들은 수치 시뮬레이션을 통하여 지열펌프 시스템의 활용 기술 및 최적 지중 열교환기 시스템 설계를 개발하거나 시스템의 장기적인 효율을 예측하는데 활용된다.

Abstract

Several hydraulic and geothermal characteristic surveys are carried out in a site for the ground source heat pump system to estimate the long-term performance of a shallow geothermal utilization system. Estimated mean thermal conductivity from density, specific heat, and thermal diffusivity measurements of 61 core samples from a 300 m deep borehole is 2.98W/m-K. Estimated heat flow from the thermal gradient(20°C/km) and average thermal conductivity(2.98W/m-K) is 59.7mW/m2. The correlation between the fracture system and the hydraulic conductivity is analyzed because ground water flow can give influences at the efficiency of the heat pump system. We estimated in-situ thermal conductivity as 3.28W/m-K, 10 percent larger than the value from the sample, and heat exchange rate of a borehole in double U-tube system through a thermal response test. Based on the estimated thermal properties, the long-term performance of the borehole heat exchanger system can be evaluated by numerical simulations. In addition, heat pump operation method and optimal system design techniques can be developed.

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