Ground-source heat pump (GSHP) systems have been widely used to obtain shallow depth geothermal energy with high energy efficiency. The GSHP system uses a constant ground temperature to emit heat during summer and vice versa during winter for heating and cooling. Geothermal energy does not emit any types of carbon energy, and therefore it can be considered as alternavive to traditional heating and cooling system.
Recently, the GSHP system has been diversified and has become complicated and the use of this system has been extended to various civil engineering structures such as energy pile systems. This system uses foundation piles as ground heat exchangers (GHEs). With the growing use of the energy pile, also the use of coil-type GHE has been also increased due to the compatibility between them.
However, the current design method failed to keep pace with this change. There are many available commercial geothermal design programs such as GLD, EED, PILESIM2, etc. Nevertheless, almost of them can only consider vertical closed-loop system and rod-type GHEs. Furthermore, even though the GHE is embedded in the ground, phenomena related to the ground is not considered significant because most de-sign programs are based on mechanical engineering. Therfore, it is necessary to develop a new module and design factors that can reflect various situations of GSHP system.
This study investigates several important factors that play an important role in the design of GSHP system. First, the most appropriate method to calculate the borehole thermal resistance is suggested through the thermal performance test (TPT) results. Second, a new analytical model for a coil type GHE that can reflect the groundwater flow in the ground is proposed. Groundwater advection in the ground is known for reducing the thermal interference between boreholes and the ground thermal resistance. This paper devised a modified design method based on the research results. Finally, the design result is compared with those of other commcial programs.
지열 히트펌프 시스템은 높은 효율로 인해 천부지열에너지를 이용하는 시스템으로 널리 사용되어 왔다. 지열 히트펌프 시스템은 사계절 일정한 지중 온도를 이용하여 여름에는 지중에 열을 방출시키고 반대로 겨울에는 지중의 열을 흐부하는 시스템이다. 지열에너지는 어떤 형태의 탄소에너지도 방출하지 않아서 전통적인 냉난방 시스템의 좋은 대안이 될 수 있는 에너지이다.
최근에는 건물의 기초 말뚝을 직접 지중 열교환기로 이용하는 에너지파일 등이 등장함에 따라 지열 히트펌프 시스템의 이용은 점점 복잡해지고 다양화되는 추세에 있다. 또한 호환성에 따라 코일형 교환기 등의 새로운 지중 열교환기에 대한 이용도 증가하고 있다.
하지만, 이를 설계하는 방법은 이런 변화를 따라가지 못하고 있다. GLD, EED, PILESIM2 등의 다양한 상용 설계 프로그램이 있지만 이들은 단지 수직밀폐형 시스템과 선형 열교환기 등 전통적인 방식만을 반영하고 있다. 게다가 지중 열교환기가 매설되는 지중에 관한 현상에 대한 반영은 거의 고려되지 않고 있는 실정으로 다양한 지열시스템의 상황을 반영할 새로운 모듈을 개발해야 하는 실정이다.
본 연구에서는 지열시스템의 설계에 중요한 역할을 하는 몇가지 중요한 변수들을 조사하였다. 먼저 열 성능 실험(TPT)을 통한 보어홀 열 저항 산정 방법을 검증하였고, 지하수 흐름을 반영할 수 있는 코일형 열교환기의 해석해를 제안하였다. 지중의 지하수 흐름은 보어홀 사이의 열 간섭과 지중의 열 저항을 감소시키는 것으로 알려져 있는 중요한 설계 요소이다.
이와 같이 본 논문에서는 연구된 결과를 통한 수정된 지열시스템 설계 방법을 고안하였으며, 이 설계 결과는 다른 상용프로그램들과 비교되었다.
