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단일심정 지열히트펌프의 수치적 모델링 Part II: 단일심정 지열히트펌프의 성능평가를 위한 매개변수 연구
Numerical Simulation of Standing Column Well Ground Heat Pump System Part II: Parametric Study for Evaluation of the Performance of Standing Column Well

박두희    (한양대학교 건설환경공학과   ); 김광균    (한양대학교 건설환경공학과   ); 곽동엽    (UCLA 건설환경공학과   ); 장재훈    (한양대학교 건설환경공학과   ); 나상민    (GS건설(주)  );
  • 초록

    본 논문에서는 동반논문에서 구축된 수치해석 모델을 이용하여 SCW의 성능을 평가하기 위한 매개변수연구를 수행하였다. 매개변수연구에는 공극률, 투수계수, 열전도도, 비열, 지열경사 등 5개의 지반환경변수와 유량, 심정심도, 심정직경, 유입관 직경, 블리딩율의 설계변수가 적용되었다. 수치해석은 24시간 연속가동과 가동 중지를 반복하는 14일간의 가동 두 가지로 수행되었다. 해석결과 SCW 성능에 중요한 영향을 미치는 변수는 열전도도, 수리전도도, 지열경사, 유량, 심정 심도, 블리딩율인 것으로 나타났다. 열전도도가 높을수록 SCW의 효율이 향상되는 것으로 나타났다. 지열경사가 클수록 심정 저부의 온도가 증가하여 난방모드에서는 효율이 향상되지만, 냉방모드에서는 유입수의 온도가 증가하여 오히려 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 수리전도도도는 $10^{-4}m/s$ 이상일 경우에는 큰 영향을 미칠 수 있으나 $10^{-6}m/s$ 이하에서는 영향이 적은 것으로 나타났다. 심정심도가 증가할수록 SCW의 효율이 향상되는 것으로 나타났지만 심정심도를 높일수록 시공비가 증가하게 된다. 블리딩을 적용하며 추가적인 비용 없이 심정온도를 조절할 수 있으며 성능을 향상시킬 수 있는 매우 효과적인 방법인 것으로 나타났다. 단, 블리딩은 유출수를 배출할 공간이 확보되며 지하수량이 풍부한 경우에만 적용할 수 있다. 본 매개변수 연구결과, SCW의 성능에 영향을 미치는 요소는 매우 다양하며 이들의 복합적인 영향을 정확하게 규명하기 위해서는 수치적 모델을 수행해야 할 필요가 있는 것으로 나타났다.


    The SCW numerical model described in the companion paper was used to carry out a comprehensive parametric study to evaluate the performance of the SCW. The five ground related parameters, which are porosity, hydraulic conductivity, thermal conductivity, specific heat, geothermal gradient, and five SCW design parameters, which are pumping rate, well depth, well diameter, dip tube diameter, bleeding rate, were used in the study. Two types of numerical simulations were performed. The first type was used to perform short-term (24-hour) simulation, while the second type 14 day simulation. The study results indicate that the parameters that have important influence on the performance of SCW were hydraulic conductivity, thermal conductivity, geothermal gradient, pumping rate, and bleeding rate. The thermal conductivity had the most important influence on the performance of the SCW. With the increase in the geothermal gradient, the performance increased in the heat mode, but decreased in the cooling mode. The hydraulic conductivity influenced the performance when the value was larger than $10^{-4}m/s$ . The depth of the well increased the performance, but at the cost of increased cost of boring. The bleeding had an important influence on SCW, greatly enhancing the performance at a limited increased cost of operation. Overall, this study showed that various factors had a cumulative influence on the performance of the SCW, and a numerical simulation can be used to accurately predict the performance of the SCW.


  • 주제어

    Design parameters .   Geothermal heat pump .   Numerical analysis .   Parametric study .   Standing column well.  

  • 참고문헌 (11)

    1. 농어촌진흥공사 (1996), 한국지하수총람, 농어촌진흥공사, 의왕, p.1097. 
    2. 송윤호, 김형찬, 심병완, 김형수 (2008), 지하 열 자원 부존.활용 정보 시스템 구축, 2005-R-GH01-P-01, 지식경제부, 과천, pp.44-56. 
    3. 이영민, 김형찬, 송윤호 (2006), "시추공 온도자료를 이용한 고기후 연구에 대한 개관", 자원환경지질, 제39권, 제1호, pp.95-102.     
    4. 이인모 (2001), 암반역학의 원리, 새론, 서울, p.372. 
    5. 최병윤 (2004), "국내 열펌프 보급의 문제점및 해결방안", 대한설비공학회 강연회 및 기타간행물, pp.89-113. 
    6. 한정상, 한혁상, 한찬, 김형수, 전재수 (2006), "수주지열정(SCW) 을 이용한 천부지열 냉난방시스템 설계지침", 자원환경지질, Vol.39, No.5, pp.607-613.     
    7. Goodman, R.E. (1989), Introduction to Rock Mechanics, Wiley, p.562. 
    8. Hellstrom, G. (1991), Ground Heat Storage. Thermal Analyses of Duct Storage Systems-Theory, Department of Mathematical Physics, University of Lund, Sweden. 
    9. Salomone, L., and Marlowe, J. (1989), "Soil & Rock Classification for the Design of Ground Coupled Heat Pump Systems: Field Manual", Special Report EPRI CU-6600, Eletric Power Research Institute. 
    10. 박두희, 김광균, 곽동엽, 장재훈, 박시삼 (2009), "단일심정 지열 히트펌프의 수치해석 모델링 Part I: 수치해석 모델 검증", 한국지반공학회, 제26권, 제2호, pp.33-43.     
    11. 권오일, 백용, 서용석, 임성빈 (2006), "국내 기온분포와 암종에 따른 암반의 열화심도 추정에 관한 연구", 한국지반환경공학회 학술발표회논문집, pp.135-140. 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (1)

    1. Park, Du-Hee ; Kim, Kwang-Kyun ; Kwak, Dong-Yeop ; Chang, Jae-Hoon ; Park, Si-Sam 2010. "Numerical Simulation of Standing Column Well Ground Heat Pump System Part 1: Validation of the Numerical Model" 韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, 26(2): 33~43     

 저자의 다른 논문

  • 박두희 (22)

    1. 2008 "주파수 의존성을 고려한 등가선형해석기법의 검증" 韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society 24 (12): 113~120    
    2. 2008 "신(新) 유사정적 사면안정해석 기법 개발" 지반과 기술 5 (3): 25~32    
    3. 2009 "우리나라 매입말뚝공의 과제" 地盤 : 한국지반공학회지 25 (2): 11~19    
    4. 2010 "시간영역 인공지진파 생성" LHI journal of land, housing, and urban affairs 1 (1): 51~57    
    5. 2010 "단일심정 지열히트펌프의 수치적 모델링 Part I: 수치해석 모델 검증" 韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society 26 (2): 33~43    
    6. 2011 "단일심정 지열히트펌프의 수치적 모델링" 지열에너지저널 = Korea journal of geothermal energy 7 (1): 13~23    
    7. 2011 "소형 FWD와 반복평판재하시험에서의 변형계수(Ev2)와의 상관관계 평가" 한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society 10 (3): 33~41    
    8. 2013 "빔요소와 Rigid 링크를 이용한 수평하중에 대한 말뚝 거동 3차원 유한요소해석" LHI journal of land, housing, and urban affairs 4 (3): 271~277    
    9. 2013 "국내지진시 산사태 재해도 작성 연구" 한국방재학회지 = The Magazine of the Korean Society of Hazard Mitigation 13 (3): 48~55    
    10. 2013 "운영 중인 도로 터널의 내진 성능 평가" Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집 15 (2): 69~80    
  • 김광균 (1)

  • 장재훈 (2)

  • 나상민 (2)

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