This research presents an experimental and numerical evaluation of heat exchange rate and suggests design parameters applicable to energy piles. Ground thermal properties are frequently required for geotechnical engineering design problems. More specifically, they play important roles in design of ground heat exchangers(GHEs) including energy piles, road including underground pipe lines or cables, nuclear waste disposal facility, and decision of frozen depth. Among several design parameters for GHEs system, the ground thermal conductivity and borehole thermal resistance are the most important properties as they control the heat flow behavior. Even though there are appropriate theories and design software programs to design vertical type GHEs, there are a few design methods for energy piles, and there is no detail guideline and design program for energy piles in Korea.
Therefore, this research suggests a design method in order to evaluate heat exchange rate, ground thermal conductivity and borehole thermal resistance of energy piles based on thermal response test (TRT), thermal performance test (TPT) and numerical analysis. First of all, ground thermal conductivity model of multilayer soils was suggested and verified with indoor and field TRTs results. The TRTs and TPTs were conducted for a vertical type system which is composed of U, 2U, W and coil type GHEs. The 2U and W type GHEs showed the most economic efficiency based on a cost-efficiency analysis. Besides that, the borehole thermal resistance value obtained from the TRT and TPT results was compared with various analytical solutions. The results shows that the shape factor (SF) model which is the most widely used method overestimates the borehole thermal resistance while the multipole method was in better agreement with the numerical analysis results. Secondly, TRTs and TPTs were conducted on W and coil type energy piles, and a modified multipole model for line type GHEs including pile portion was suggested.
Finally, an advanced life cycle cost analysis for GHE systems was introduced considering influence factors and a correlation analysis showed that initial operation cost could affect LCC results very significantly. Thus, the real GHE system was installed in energy piles and an optimum operation mode such as intermittent operation and application of thermal storage tank was analyzed based on real operation data.
Therefore, it can be expected to design accurate GHEs system including energy pile from this research.
본 연구에서는 열성능 실험을 이용하여 에너지파일의 열효율을 측정하고 설계 인자를 평가하는 방법을 제시하고자 하였다. 지반의 열물성은 지반공학적 설계를 위해 필요하며 최근에는 지중 열교환 시스템과 같은 설계 단계에서 중요한 역할을 한다. 특히 지반의 열전도도와 보어홀의 열저항은 지중 열교환 시스템에서 가장 중요한 설계 인자라고 할 수 있다. 일반적인 수직밀폐형 타입의 지중 열교환기를 설계할 수 있는 이론과 프로그램들이 많이 보급되어 있지만 에너지파일을 활용한 이론 및 적절한 가이드 라인은 제시되어 있지 않은 실정이다.
따라서 본 연구에서는 열응답 시험, 열성능 실험 그리고 수치해석 방법을 이용하여 에너지파일 적용시 지반의 열물성, 보어홀 열저항 그리고 열효율을 측정할 수 있는 설계방법을 제시하였다. 우선, 다층 지반을 고려한 등가 열전도도를 측정할 수 있는 이론해가 개발되었으며 이를 현장 열응답 시험을 통해 검증하였다. 수직밀폐형과 에너지파일 적용시 다층지반 열전도도 해석해를 이용하여 지반의 등가 열전도도를 측정할 수 있었다. 또한 지중 열교환기의 실제 열효율을 분석하기 위하여 열성능을 측정할 수 있는 장비를 개발하였으며 개발된 장비를 이용하여 실증 실험을 통해 수직 밀폐형과 에너지파일에 대해 현장 열전도도 실험 및 열성능 실험을 수행하였다. 열성능 실험 결과를 토대로 비용 분석을 수행한 결과 수직밀폐형에서는 2U와 W 타입 열교환기의 성능이 가장 경제적인 것을 알 수 있었으며 에너지 파일형에서는 코일형의 열효율이 우수함을 알 수 있었다.
현장 열응답 시험과 열성능 실험을 토대로 보어홀 열저항을 계산하여 이론해와 비교한 결과 기존에 주로 쓰이던 SF 방법보다 지반의 열물성을 반영할 수 있는 멀티폴 방법이 실험값과 유사함을 알 수 있었다. 또한 에너지파일 적용시 파일 부분을 반영하여 멀티폴 방법을 토대로 보어홀 열저항 산정식을 제시하여 이를 실험값을 통해 검증하였다. 이 밖에, 본 연구에서 제시된 설계 인자와 지하수 흐름 및 군말뚝에 의한 열간섭 효과 등이 반영된 에너지 파일 설계 프로그램이 개발되었으며 본 설계 프로그램을 이용하여 에너지 파일을 이용한 실증 지중 열교환 시스템을 설계하였다.
그 밖에 지중 열교환 시스템의 경제성을 분석하기 위하여 잔존가치 및 정부 보조금과 같은 실질 인자들을 반영하여 개선된 생애주기분석 방법을 제시하였으며 인자들 간의 상관 분석을 실시하여 초기 시공비와 운영비가 생애주기 비용에 큰 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이를 실제 지중 열교환 시스템에 적용하기 위하여 에너지파일 6본을 활용한 지중 열교환 시스템이 인천국제공항 건설시험소 현장에 설치되었다. 지중 열교환 시스템의 생애주기 비용을 감소하기 위하여 다양한 운영방법을 적용해 보았으며 부분 운영이 연속 운영보다 생애주기 비용이 약 2배이상 감소함을 알 수 있었으며 또한 수축열 시스템을 적용하면 약 20% 이상 운전비가 절감될 것으로 기대된다.
마지막으로, 본 연구에서 제시된 에너지파일 설계인자가 반영된 설계 프로그램이 개발되었으며 개발된 프로그램으로 본 실증 시스템이 설계되었다. 따라서 실시간으로 계측되고 있는 냉난방 운영 데이터를 토대로 본 연구에서 개발된 지중 열교환 설계 인자를 이용하여 전체 시스템의 정합성을 검증할 예정이다.
