This research presents an advanced design technology of ground coupled heat pump system that uses coil heat exchanger, which is particularly applicable to horizontal ground heat pump system and energy pile. Since the performance of ground heat pump system is influenced by complex soil behavior, the prediction of soil thermal conductivity is very important. Thus, this research proposes a new artificial neural network model to predict soil thermal conductivity. The model is verified for datasets that have not been introduced during the training stage, and it presents reasonable prediction results even for the new testing data.
Then, firstly this research presents an optimum design of horizontal ground heat pump system. A three dimen-sional numerical analysis model simulating the thermal behavior of a horizontal coil heat exchanger is devel-oped, and the accuracy of the model is verified through indoor thermal response tests. After that, a total of 160 parametric studies are conducted using numerical simulation models in order to grasp the degree of effects that key input parameters would have on the output. Then, an optimum design condition is suggested using several economic analysis tools, and the economic analysis factors show that certain design conditions provide the most economic feasibility. Meanwhile, along with the optimization technique in the initial design phase, another significant factor that affects the horizontal system performance is rainfall infiltration. Thus, this research sug-gests a new performance evaluation algorithm that considers the rainfall infiltration and examines the effect of rainfall on the system performance. According to the performance test results in unsaturated ground with vary-ing thermal conductivity profile, the rainfall infiltration increases the thermal efficiency compared with that without rainfall.
Secondly, this research provides a reliable design technology of energy piles. Especially, experimental and nu-merical studies are conducted to determine an effective borehole thermal resistance of coil energy pile, which is considered as a key design parameter. A thermal response test using precast high-strength concrete energy pile is conducted to validate the effective borehole thermal resistance. Besides, parametric studies using a numerical analysis are carried out to suggest a multiple regression equation for estimating the effective borehole thermal resistance of coil energy pile. Furthermore, the effect of groundwater advection on long-term ground tempera-tures is examined by several analytical models. With the proposed technologies, the research finally suggests a novel hybrid design algorithm for coil energy piles that includes the groundwater advection effect. The accuracy of analytical model is verified for its design application, and then the effect of groundwater advection on the design results is investigated. Moreover, when there is an extreme disparity between cooling and heating loads, the hybrid design can be applied to decrease the total heat exchanger length of the energy piles and to reduce the entering water temperature variance caused by the heat interference.
본 연구에서는 코일형 열교환기를 사용하는 지중열교환시스템의 개선된 설계기술을 제시하였다. 그 중에서도 주로 저심도 지반에 설치되는 수평형 시스템과 에너지파일의 최적 설계에 주안점을 두고 연구를 수행하였다. 지중열교환시스템의 성능은 열교환기가 설치되는 지반조건에 의해 가장 큰 영향을 받기 때문에 지반의 열 전도도를 정확히 예측하는 것이 아주 중요하다. 본 연구에서는 저심도 지반의 열전도도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 인공신경망 모델을 제시하였고, 모델 구축 단계에 사용되지 않은 새로운 데이터 적용을 통해 개발된 예측 모델의 신뢰성을 검증하였다.
제안된 지반 열물성 추정기술을 기반으로 본 연구는 첫째로 수평형 시스템의 최적 설계 기술을 제시하였다. 이를 위해 코일형 수평형 열교환기의 열적 거동을 모사하는 3차원 수치해석 모델을 개발하였고, 현장 열응답시험과의 비교 검증을 통해 수치해석모델의 신뢰성을 확보하였다. 주요 핵심 입력인자들이 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하고자 수치해석을 이용한 160건의 매개변수 연구를 수행하였고, 경제성 분석을 통해 경제적 타당성이 가장 높은 최적의 설계 조건을 제시하였다. 한편, 초기 설계 단계에서의 최적화 기술과 더불어 수평형 시스템 성능에 영향을 미치는 또 다른 핵심인자는 지표면에서의 강우침투이다. 본 연구에서는 강우침투를 고려한 수평형 시스템의 새로운 성능평가 기술을 제시하였고, 강우침투가 시스템 성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 해석 결과에 따르면, 강우침투로 인해 지반의 열전도도가 점진적으로 증진되며, 이러한 현상이 전체 시스템 효율을 향상시킨다는 것을 확인하였다.
두 번째로 본 연구는 코일형 에너지 파일에 대해 신뢰성 있는 설계 기술을 제시하였다. 특히, 에너지 파일의 핵심적인 설계변수라고 할 수 있는 보어홀 열저항을 산정하기 위한 다양한 실험적, 수치해석적 연구를 수행하였다. PCH 에너지 파일의 현장 열 응답 실험이 수행되었고, 열 응답 실험을 모사하는 수치해석 모델이 개발되었다. 수치해석 모델을 활용한 다양한 매개변수연구가 수행되었고, 최종적으로 코일형 에너지 파일의 유효 보어홀 열저항을 산정할 수 있는 다중 선형 회귀식이 제안되었다. 이와 더불어 지하수 유동에 따른 지반의 장기적 열 거동 변화를 평가함으로써 지하수 흐름이 열 교환기 설계 길이에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 냉난방간 부하 불균형이 발생할 시 부하 불균형으로 인한 열 간섭 문제를 완화시키고 시스템 성능을 향상 시킬 수 있는 하이브리드 설계 기술을 새롭게 제안하였다.
