Geothermal energy has been widely used around the world instead of fossil fuel due to some environmental advantages. The ground-source heat pump (GSHP) system uses a constant ground temperature to emit heat in summer and to obtain heat during winter for heating and cooling energy. The GSHP system can be divided into a closed type system including vertical and horizontal system and an open type system. Since the horizontal system is relatively inexpensive and easy to install compared to other types of systems, it can be useful depending on the purpose of installation. However, while most of the recent researches have been mainly focused on the vertical geothermal system, study on performance of heat exchanger in the horizontal system is somewhat insufficient. Thus, it is necessary to investigate optimal conditions and affecting parameters for effective use of horizontal ground heat exchanger.
Prior to conduct numerical analyses and experiments, installation costs of horizontal and vertical system were compared to show the advantage of using a horizontal system by using GLD (ground loop design) which is one of geothermal design programs. It was shown that the horizontal system is more beneficial than the vertical system in terms of installation cost and construction time when the value of ground thermal conductivity is more than 1 W/mK.
With horizontal slinky and spiral coil type GHEs installed in 5m x 1m x 1m steel box filled with dried Joomunjin sand, TRTs (thermal response tests) were conducted to evaluate heat exchange rates by changing different pitch spaces of horizontal slinky and spiral coil type GHEs. Then the spiral coil type GHE showed 30~40% higher heat exchange rates per pipe length than horizontal slinky type GHEs. Moreover, due to limitation of site experiments, a numerical analysis was performed for parametric study of horizontal heat exchanger and for its verification using a numerical program which is based on FEM (finite element method). First, heat exchange rates of slinky and coil type heat exchangers were obtained respectively to compare the results of experiments and it seemed that the results of TRTs and numerical analysis were almost matched. Second, a parametric study considering slinky and spiral coil type ground heat exchangers (GHEs) and ground conditions with varying thermal conductivity and pipe diameter was conducted. Spiral coil type GHE showed 10~11% higher heat exchange rate than horizontal slinky type GHEs regardless of soil conditions. As a result, it was concluded that among horizontal GHE design parameters, GHE type and soil thermal conductivity are main factors to determine the heat exchange rate of GHE while the pipe diameter does not have any effect on the GHE performance.
지열 에너지는 일부 환경적 이점 때문에 전 세계적으로 널리 이용되고 잇다. 이러한 지열원 히트펌프 시스템은 연중 일정하게 유지되는 지중의 온도를 이용하여 여름에는 열을 방출하고 겨울에는 열을 흡수하는 시스템이다. 지열 시스템은 수직형과 수평형 시스템을 포함한 밀폐형과 개방형 시스템으로 나뉠 수 있다. 수평형 시스템은 다른 타입의 시스템에 비해 비교적 저렴하고 설치가 용이하므로, 설치 목적에 따라 효율적일 수 있다. 그러나 최근 연구의 대부분은 주로 수직형 시스템에 집중되어있는 반면에 수평형 지중 열교환기의 성능에 관한 연구는 다소 부족한 실정이다. 따라서 수평형 지중 열교환기의 성능에 미치는 영향인자에 대하여 조사 할 필요가 있다.
연구를 수행하기 전에 수평형 지열 시스템 이용의 타당성을 제시하기 위하여 지열 설계 프로그램의 하나인 GLD를 이용하여 수직형 시스템과 수평형 시스템의 시공비를 분석해 보았다. 그 결과 지반의 열전도도가 약 1 W/mK이상일 때는 수평형 시스템이 시공비와 공기를 고려하였을 때 수직형 시스템에 비해서 유리한 것으로 나타났다.
또한 주문진 표준사로 채워져 있는 5m x 1m x 1m 크기의 모형토조를 이용하여 수평 Slinky형과 Coil형 지중 열교환기의 Pitch 간격을 바꿔가며 각각의 경우에 대한 열응답 시험을 수행하여 열교환기의 성능을 평가하였다. 그 결과 Coil형이 Slinky형에 비해 30~40% 높은 열교환율을 보였다. 나아가 FEM 기반의 상용 프로그램을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 우선 앞서 언급했던 시험을 그대로 모사하기 위해 동일한 경계조건 및 모형을 사용하여 수행하였고, 그 결과는 거의 일치함을 볼 수 있었다. 다음으로 검증된 경계조건과 모형을 이용하여 열교환기의 종류, 지반의 열전도도, 파이프의 직경이 수평형 지중 열교환기의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위한 매개변수 연구를 수치해석을 통해 수행하였다. 그 결과 Coil형이 가장 우수한 성능을 보였고, 지반의 열전도도가 가장 열교환기의 성능을 결정하는 중요한 인자였으며, 파이프의 직경은 열교환기의 성능에는 거의 영향을 미치지 않았다.
