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목차

[표제지 등]=0,1,2

제출문=i,3,1

에너지ㆍ자원기술개발사업 최종보고서 초록=ii,4,1

요약문=iii,5,4

목차=vii,9,4

표목차=xi,13,2

그림목차=xiii,15,5

제1장 서론=1,20,1

제1절 연구의 필요성=1,20,1

1. 신재생에너지 및 열펌프시스템 필요성[원문불량;p.3]=1,20,5

2. 지열 냉난방시스템 소개=5,24,6

3. 기술적 필요성=11,30,1

4. 경제적 필요성=11,30,6

제2절 연구 목표 및 내용=17,36,1

1. 연구 목표=17,36,1

2. 연구 내용=18,37,3

3. 연구 방법=21,40,16

제3절 기대 효과 및 활용 방안=37,56,1

1. 기대 효과=37,56,1

2. 활용 방안=38,57,1

제4절 보고서의 구성=38,57,1

제2장 지열냉난방시스템의 기초=39,58,1

제1절 지열냉난방시스템 개요=39,58,2

1. 에너지원으로서의 지열[원문불량;p.41,44]=40,59,5

2. 지열원 열펌프 시스템의 종류 및 특징=45,64,5

3. 지중 열교환기 순환유체의 열교환 방식=49,68,2

4. 지중 열교환기 파이프=50,69,1

5. 지중 열교환기 시공=50,69,3

6. 지중 열교환기 순환유체=52,71,1

7. 지열원 열펌프 시스템의 냉방 및 난방 사이클=52,71,3

8. 열펌프 유닛의 성능 및 시험 규격=54,73,1

9. 지열원 열펌프 시스템의 설계=54,73,2

10. 지열원 열펌프 시스템의 비용=55,74,3

11. 지열원 열펌프 시스템의장점=57,76,2

제2절 지열원 열펌프 시스템 보급 현황=58,77,1

1. 국내 보규 현황=58,77,2

2. 국외 보급 현황=59,78,3

제3절 지열원 열펌프 시스템 보급 활성화 방안=61,80,2

제4절 향후 국내 전망=62,81,3

제3장 지열냉난방시스템의 국내적용성 평가=65,84,1

1. 핵심요소 분석=65,84,1

2. 대지면적 분석=65,84,2

3. 기후조건 분석=66,85,1

4. 냉난방방식 분석=66,85,2

5. 에너지 요금 조건 분석=67,86,2

6. 지반특성 분석=68,87,24

7. 국내 HDPE재료 검토=91,110,4

8. 국내 그라우팅재료 검토=95,114,20

제4장 소형 지열냉난방시스템의 냉난방 성능 분석=115,134,1

제1절 소형 지열냉난방시스템 적용 건물=115,134,1

1. 적용 건물 개요=115,134,1

2. 적용 건물에 대한 냉난방 부하 계산[원문불량;p.116]=115,134,6

제2절 소형 지열원 열펌프 시스템=120,139,1

1. 시스템 개요=120,139,1

2. 시스템 시공[원문불량;p.121]=120,139,4

3. 지중 열교환기 성능 분석을 위한 현장 열응답 시험장치=123,142,2

제3절 현장 열응답 시험을 통한 지중 열교환기의 성능 분석=124,143,2

1. 실험장치 및 방법=125,144,2

2. 실험결과 및 고찰=126,145,10

3. 소결론=135,154,2

제4절 소형 지열원 열펌프 시스템의 냉난방 성능 분석=136,155,2

1. 실험장치 및 방법=137,156,2

2. 냉난방 성능 분석 방법=138,157,3

3. 지중온도 및 외기온도 변화=140,159,3

4. 지중 열교환기 파이프 표면온도 변화=142,161,2

5. 냉방 성능 분석=143,162,3

6. 난방 성능 분석=145,164,3

7. 부동액의 열프 입구온도 변화의 영향=147,166,4

8. 소결론=150,169,2

제5장 사무용 건물 실증시스템 성능 분석=152,171,1

제1절 복합 지열원 열펌프 시스템 적용 건물=152,171,1

1. 적용 건물 개요 및 설계 시 주안점=152,171,2

2. 적용 건물에 대한 냉난방 부하 계산=153,172,10

제2절 사무용 건물에 적용된 복합 지열원 열펌프 시스템=163,182,1

1. 복합 지열원 열펌프 시스템 개요=163,182,1

2. 복합 지열원 열펌프 시스템 설계 시 주안점=164,183,1

3. 복합 지열원 열펌프 시스템 시공=164,183,15

제3절 복합 지열원 열펌프 시스템의 냉난병- 성능 분석=179,198,1

1. 현장 열응답 시험을 통한 지중 열교환기의 성능 분석=179,198,2

2. 냉난방 성능 분석을 위한 실험장치=180,199,5

3. 냉난방 성능 분석 방법=185,204,4

4. TAB를 통한 기본 성능 평가=188,207,15

5. 난방 성능 분석=202,221,3

6. 냉방 성능 분석=205,224,2

7. 소결론=206,225,1

제4절 지열냉난방시스템의 경제성 분석=207,226,1

1. 투자비 분석=207,226,4

2. 운전비 분석=211,230,2

3. 경제성 평가=212,231,2

제6장 결론=214,233,1

1. 설계 분석을 통한 복합 지열원 열펌프 시스템의 적용 타당성=214,233,1

2. 시험용 지열냉난방 시스템 및 수직형 지중열교환기의 성능 분석=215,234,2

3. 사무용 건물에 적용된 지열냉난방시스템의 냉난방 성능 분석=216,235,1

4. 사무용 건물에 적용된 지열냉난방시스템의 경제성 분석=217,236,1

5. 연구개발 결과의 활용=217,236,1

제7장 향후 연구를 위한 제언=217,236,1

참고문헌=218,237,5

부록 A. 열펌프 유닛 선정 결과=223,242,12

부록 B. 열펌프 유닛 표준 용량 및 냉난방 성능 데이터=235,254,5

부록 C. 기호설명=240,259,1

표목차

표 1.1. 각국의 히트펌프 보급 현화=2,21,1

표 1.2. 지열냉난방실증연구의 목표 및 평가지표=17,36,1

표 1.3. 지열냉난방실증연구의 연구내용=18,37,1

표 1.4. 지열냉난방시스템의 1차년도 연구내용=19,38,1

표 1.5. 2차년도의 연구내용=20,39,1

표 2.1. 전형적인 토양 및 암석의 물성치 [Salomone And Marlowe(1993)]=44,63,1

표 2.2. 그라우팅 재료 [(IGSHPA(2000)]=51,70,1

표 2.3. 지열원 열펌프 시스템 설계 소프트웨어=56,75,1

표 2.4. 지열원 열펌프 시스템 설치 사이트 및 용도=59,78,1

표 2.5. 세계 각 국의 지열원 열펌프 시스템 설치 현황(2000년 기준)=60,79,1

표 3.1. 건물의 종류별 냉난방부하 계산결과=66,85,1

표 3.2. Subscripts And Shape Factor Of Soil Constituent(Nobre And Thomson, 1993)=70,89,1

표 3.3. Soil Thermal Properties(IGSHPA, 1988)=72,91,1

표 3.4. Thermal Conductivity And Diffusivity Of Sand And Clay Soils(ASHRAE, 1997)=73,92,1

표 3.5. Physical Properties Of Tested Soil=77,96,1

표 3.6. Soil Types With Water Content And Dry Density=78,97,1

표 3.7. Comparison Soil Properties With Thermal Conductivities Of Fine-Grained Soils=83,102,1

표 3.8. 암종별 열전도도율=88,107,1

표 3.9. 각 보오링의 열전도율=90,109,1

표 3.10. HOPE 수도관의 국내 규격=92,111,1

표 3.11. HOPE 수도관의 기본물성=93,112,1

표 3.12. HOPE의 기본 특성=94,113,1

표 3.13. Grout Properties(IGSHPA, 1991)=96,115,1

표 3.14. Permeability Of Grouting Materials(American Colloid Co. and Baroid(N.L. Industries)=97,116,1

표 3.15. Thermal Expansion Coeffciaentss Of Materials=102,121,1

표 3.16./그림 3.16. Particle Diameter Information Of Tested Soil=105,124,1

표 3.17. Thermal Conductivity Of Cement Grouts=106,125,1

표 3.18. Thermal Conductivity Of Bentonite Grouts=112,131,1

표 4.1. 적용 건물 구성 재료 및 이들 재료의 물성치=117,136,1

표 4.2. 적용 건물의 설계 조건=118,137,1

표 4.3. 적용 건물의 냉난방 피크부하 및 전체 부하=119,138,1

표 4.4. 소형 지열원 열펌프 시스템 개요=121,140,1

표 4.5. 현장 열응답 시험에서 변수의 불확실도=126,145,1

표 4.6. 현장 열응답 시험과 계산에 의한 유효 열전도도[W/mK]=136,155,1

표 4.7. 성능 측정 변수 및 이들 변수의 불확실도=137,156,1

표 4.8. 소형 지열원 열펌프 시스템 냉난방 성능 분석 결과=147,166,1

표 5.1. 실증연구를 위한 대상건물 개요=153,172,1

표 5.2. 냉난방부하계산을 위한 건물의 개요=154,173,1

표 5.3. 실증적용건물의 상세 제원=154,173,1

표 5.4. 냉난방부하집계표=158,177,1

표 5.5. 실증연구를 위한 복합 지열원 열펌프 시스템 개요=163,182,1

표 5.6. 지중 열교환기 그라우팅 재료 혼합 비율=171,190,1

표 5.7. 복합 지열원 열펌프 시스템에 사용된 열펌프 유닛의 제원=172,191,1

표 5.8. 각종 펌프류=173,192,1

표 5.9. 복합 지열원 열펌프 시스템의 성능 분석을 위한 측정 데이터=180,199,1

표 5.10. 히트펌프 성능측정 결과=198,217,1

표 5.11. 급,배기팬 성능측정 결과=200,219,1

표 5.12. 냉,온수 순환펌프 성능측정 결과=201,220,1

표 5.13. 보일러, 냉동기방식의 일반냉난방시스템 투자비=208,227,1

표 5.14. 복합형 지열냉난방시스템의 실제 투자비=209,228,1

표 5.15. 일반형 지열냉난방설비의 투자비=210,229,1

표 5.16. 기존 냉난방시스템의 운전비=211,230,1

표 5.17. 지열냉난방시스템의 운전비=212,231,1

그림목차

그림 1.1. 지열 파이프 매설=6,25,1

그림 1.2. 내부시스템 개념도=6,25,1

그림 1.3. 국내 냉난방기 출하대수(1991∼2001)=13,32,1

그림 1.4. 열전도도 측정 센서=22,41,1

그림 1.5. 열전도도 시험 모식도=22,41,1

그림 1.6. 현장 열전도 시험기의 개략도=23,42,1

그림 1.7. 열교환기의 시간에 따른 열전도율 변화=24,43,1

그림 1.8. TEMP/W의 개요=25,44,1

그림 1.9. Pipe Initial Condition=25,44,1

그림 1.10. Pipe Analyzing=25,44,1

그림 1.11. Pipe 주변지반의 온도 Contour=25,44,1

그림 1.12. 시범적용대상 건물의 정면도=26,45,1

그림 1.13. 실증적용대상 건물의 지열적용 개념도=26,45,1

그림 1.14. Trace700의 실행화면=29,48,1

그림 1.15. GLHE Pro의 자료입력 화면=30,49,1

그림 1.16. TRNSYS를 이용한 지열히트펌프시스템 시뮬레이션=31,50,1

그림 2.1. 세계적인 지열분포도(지질자원연구원 지열자원연구실 제공)=40,59,1

그림 2.2. 봉산제조공장의 지열보일러(지질자원연구원 지열자원연구실 제공)[원문불량;p.41]=41,60,1

그림 2.3. 지열의 발생 및 이동개념도(지질자원연구원 지열자원연구실 제공)[원문불량;p.41]=41,60,1

그림 2.4. 지열원의 순차적인 이용방법 개요도(지질자원연구원 지열자원연구실 제공)=42,61,1

그림 2.5. 포항의 지열개발용 시추현장(지질자원연구원 지열자원연구실 제공)=43,62,1

그림 2.6. 지열에너지의 이용(출처:에너지관리공단 홈페이지)[원문불량;p.44]=44,63,1

그림 2.7. 지열냉난방시스템의 종류[ORNL/DOE(2001)]=45,64,1

그림 2.8. 상업용 또는 공공기관에 적용된 토양 열원 열펌프 시스템=46,65,1

그림 2.9. 일반 주택에 적용된 토양 열원 열펌프 시스템=47,66,1

그림 2.10. 토양 열원 열펌프 시스템에서 수평형 지중 열교환기의 시공=47,66,1

그림 2.11. 지하수 열원 열펌프 시스템=48,67,1

그림 2.12. 지표수 열원 열펌프 시스템=48,67,1

그림 2.13. 냉각탑을 병용하는 복합 지열원 열펌프 시스템=49,68,1

그림 2.14. 보조 열원(보일러 또는 히터)을 병용하는 복합 지열원 열펌프 시스템=49,68,1

그림 2.15. 수직 U자 관 지중 열교환기 파이프 설치 개략도[IGSHPA(2000)]=51,70,1

그림 2.16. 지열원 열펌프 시스템의 작동원리: 냉방 및 난방 사이클=53,72,1

그림 2.17. 연간 난방 및 냉방 비용 비교 [EPA(1993)]=57,76,1

그림 2.18. 국내 지열원 열펌프 시스템 설치 현황(2000년∼2003년)=59,78,1

그림 3.1. 수-수 방식의 지열냉난방 개념도=67,86,1

그림 3.2. 수-공기 방식의 지열냉난방 개념도=67,86,1

그림 3.3. Thermal Properties Of Unfrozen Soils(After Kersten. 1949)=71,90,1

그림 3.4. TP02 Non-Steady-State Probe Consists Of A Needle With 2 Thermocouple Junctions(One Of Which Acts As a Reference And A Heating Wire(Hukseflux co.)=74,93,1

그림 3.5. System Diagram Of TP02 Sensor And CR10X Logger=75,94,1

그림 3.6. Testing For Conductivitv Of Sand=76,95,1

그림 3.7. Grain Size Analysis Of Tested Soil=77,96,1

그림 3.8. Thermal Conductivity Test Data Of Soil In Lab=78,97,1

그림 3.9. Thermal Conductivity Wifh Water Content And Dry Density=79,98,1

그림 3.10. 함수율과 밀도에 따른 열전도도=80,99,1

그림 3.11. Soil Conductivity Tester; Labtop. Logger And Needle Sensor=81,100,1

그림 3.12. Testing For Conductivity Of Fine-Grained Soils=82,101,1

그림 3.13. 흙의 열전도도 시험결과=84,103,1

그림 3.14. The Relationship Of Thermal Conductivty And Drv Density=84,103,1

그림 3.15. The Relationship Of Thermal Conductivity And Water Content=85,104,1

그림 3.16. The Relationship Of Thermal Conductivity And Water Content For Uniform Dry Density(0.80-0.86t/㎥)=86,105,1

그림 3.17. The Relationship Of Thermal Conductivity And Volumetric Water Content=87,106,1

그림 3.18. Chemical Structure Changes Of Montmorillonite With Water=87,106,1

그림 3.19. 현장 열젼도율 측정장비=90,109,1

그림 3.20. 보어홀 1의 시험결과=90,109,1

그림 3.21. 보어홀 2의 시험결과=90,109,1

그림 3.22. Crack Length With The Lapse Of Time(Ecoconcrete Institule)=100,119,1

그림 3.23. Cemenl Grout Crack as Shrinkage=101,120,1

그림 3.24. Grain Size Analysis Of Sand=104,123,1

그림 3.25. Cement Grout Samples=106,125,1

그림 3.26. Comparison Of Thermal Conductivities At Wet And Drv Conditions=107,126,1

그림 3.27. Crystal Structure Of Montmorillonite=108,127,1

그림 3.28. Structure Of Montmorillonite=108,127,1

그림 3.29. Chemical Structure Changes of Bentonite With Water=109,128,1

그림 3.30. Drv State By Bentonite Types=112,131,1

그림 3.31. Comparison Of Thermal Conductivities for Bentonite Products=113,132,1

그림 4.1. 소형 지열원 열펌프 시스템 적용 건물=115,134,1

그림 4.2. 적용건물 1층 평면도 및 지열원 열펌프 시스템 배치도[원문불량;p.116]=116,135,1

그림 4.3. 적용건물의 인원, 조명. 기기 스케줄(평일)=118,137,1

그림 4.4. 적용건물의 인원, 조명, 기기스케줄(토요일)=118,137,1

그림 4.5. 적용건물의 인원, 조명, 기기 스케줄(공휴일, 일요일)=119,138,1

그림 4.6. 적용건물의 월별 냉난방 부하=120,139,1

그림 4.7. 지중 열교환기,열펌프 유닛 및 배관 구성도[원문불량;p.121]=121,140,1

그림 4.8. 제 1 보어홀 굴착공사=122,141,1

그림 4.9. 제 1 보어흘 천공 완료=122,141,1

그림 4.10. 제 1 보어홀 파이프 매설 준비=122,141,1

그림 4.11. 제 1 보어 파이프 매설=122,141,1

그림 4.12. 열펌프 유닛 배관 연결=122,141,1

그림 4.13. 시스템 설치 완료 후 시운전=122,141,1

그림 4.14. 현장 열응답 시험(In-Situ Thermal Response Test Apparatus) 장치=123,142,1

그림 4.15. 수직형 지중 열교환기 단면도=124,143,1

그림 4.16. 현장 열응답 시험 장치 구성도=125,144,1

그림 4.17. 현장 열응답 시험에서 측정된 입/출구 온도 및 입력 열량=127,146,1

그림 4.18. 수치 1차원 해석 모델을 위한 검사체적 및 유효 파이프 변환 형상=129,148,1

그림 4.19. 로그 좌표 상에 표현된 지중 열교환기 입/출구 온도의 평균 (a) 보어홀 #1; (b) 보어홀 #2=132,151,2

그림 4.20. 측정 결과와 계산 결과의 비교: (a) 평균온도; (b) 모델 오차=134,153,1

그림 4.21. 측정과 계산에 의한 그라우트/토양 혼합층의 유효 열전도도 비교=135,154,1

그림 4.22. 소형 지열원 열펌프 시스템 성능분석 장치 개략도=138,157,1

그림 4.23. 지중 열교환기 입/출구 온도 측정=139,158,1

그림 4.24. 실내 온/습도 측정=139,158,1

그림 4.25. 소비 전력 측정=139,158,1

그림 4.26. 데이터 획득/저장 시스템=139,158,1

그림 4.27. 일일 평균 지중온도 및 외 기온도 변화=141,160,1

그림 4.28. 상관식에 의한 지중온도와 측정된 지중온도의 비교=142,161,1

그림 4.29. 상관식에 의한 외기온도와 측정된 외기온도의 비교=143,162,1

그림 4.30. 지중 열교환기 파이프 표면온도(일일 평균) 변화=143,162,1

그림 4.31. 지중 열교환기 열방출률, 순환유체 온도, 냉방 성능계수 및 소비전력 변화: 2003년 8월 5일=144,163,1

그림 4.32. 냉방 성능계수 및 시스템 수비전력 변화 : 2003년 7월 2일-2003년 9월 2일=145,164,1

그림 4.33. 지중 열교환기 열흡수율, 순촨유체 온도, 난방 성능계수 및 시스템 소비전력 변화 : 2004년 1월 20일=146,165,1

그림 4.34. 난방 성능계수 및 시스템 소비전력 변화 : 2003년 12월 2일-2004년 2월 2일=147,166,1

그림 4.35. 지중 열교환기 순환유체의 열펌프 입구온도 변화가 열펌프 소비전력 및 냉방 성능에 미치는 영향=148,167,1

그림 4.36. 지중 열교환기 순환유체의 열펌프 입구온도 변화가 열펌프 소비전력 및 난방 성능에 미치는 영향=149,168,1

그림 5.1. 성능 분석을 위한 지열원 열펌프 시스템 및 대상건물 개략도=152,171,1

그림 5.2. 지중 열교환기 보어홀 천공=165,184,1

그림 5.3. 지중 열교환기 파이프(고밀도 폴리에틸렌 U자 관)보어홀 내 삽입=165,184,1

그림 5.4. 그라우팅 장비를 이용한 지중 열교환기 보어홀 그라우팅=166,185,1

그림 5.5. 지중 열교환기 파이프와 수평 트렌치 파이프 연결=166,185,1

그림 5.6. 순환펌프 설치 및 지중 열교환기 배관 연결=167,186,1

그림 5.7. 열펌프 유닛 천장 고정=167,186,1

그림 5.8. 열펌프 유닛의 흡/배기구와 덕트 연결=168,187,1

그림 5.9. 열펌프 유닛의 열원 측 배관 및 드레인 배관 연결=168,187,1

그림 5.10. 지중 열교환기의 유한요소 해석 결과=170,189,1

그림 5.11. 지중 열교환기 시공=171,190,1

그림 5.12. 천장 설치형 물 대 공기 열펌프 유닛=172,191,1

그림 5.13. 열펌프 유닛과 흡/배기 덕트의 연결=173,192,1

그림 5.14. 시공완료 후, 기계실 내 모습=174,193,1

그림 5.15. 냉각탑 설치 전경=174,193,1

그림 5.16. 복합 지열원 열펌프 시스템 자동제어 화면=175,194,1

그림 5.17. 복합 지열원 열펌프 시스템 자동제어 도움말 화면=175,194,1

그림 5.18. 각 구역별 온도 설정 및 운전 현황 화면: 대상건물 1층=176,195,1

그림 5.19. 각 구역벌 온도 설정 및 운전 현황 화먼: 대상건물 2층=176,195,1

그림 5.20. 각 구역별 온도 설정 및 운전 현황 화면: 대상건물 3층=177,196,1

그림 5.21. 자동 모니터링 장비=177,196,1

그림 5.22. 자동제어 및 모니터링 장비=178,197,1

그림 5.23. 시스템 전력 소비량 모니터링 장비=178,197,1

그림 5.24. 현장 열응답 시험 결과 : (a) 지중열교환기 입/출구 온도, 평균온도 및 입력 열량; (b) 로그 좌표 상에 표현된 평균온도=179,198,1

그림 5.25. 냉난방 성능 분석을 위한 데이터 측정 지점=181,200,1

그림 5.26. 기상관측 시스템=182,201,1

그림 5.27. 온도 측정용 열전대 설치=182,201,1

그림 5.28. 지중 열교환기 입/출구 온도 측정=183,202,1

그림 5.29. 온도 측정용 데이터 획득 시스템=183,202,1

그림 5.30. 시스템 소비 전력 측정: 배전반에 클램프 설치=184,203,1

그림 5.31. 시스템 소비 전력 측정: 전력 측정기=184,203,1

그림 5.32. 물 대 공기 열펌프 유닛의 난방 모드 운전 개략도 및 성능 분석에 필요한 데이터 측정 위치=187,206,1

그림 5.33. 물 대 공기 열펌프 유닛의 냉방 모드 운전 개략도 및 성능 분석에 필요한 데이터 측정 위치=188,207,1

그림 5.34. 히트펌프의 풍량비교=199,218,1

그림 5.35. 각종 팬의 성능측정결과=200,219,1

그림 5.36. 순환펌프의 유량측정결과=202,221,1

그림 5.37. 난방 성능 측정기간 중 외기온도 변화 : 2005년 1월 7일-2005년 2월 28일=203,222,1

그림 5.38. 외기온도 및 시스템 운전에 따른 각종 온도 변화 : 2005년 2월 1일=203,222,1

그림 5.39. 지중 열교환기 입/출구 온도 및 열교환 성능의 일일 변화 : 2005년 2월 1일\=204,223,1

그림 5.40. 지중 열교환기 입/출구 온도차 및 에너지 소비량, 시스템 난방 성능계수의 일일 변화 : 2005년 2월 1일=204,223,1

그림 5.41. 지중 열교환기 입/출구 온도 및 열교환 성능의 일일 변화 : 2005년 6월 31일=205,224,1

그림 5.42. 지중 열교환기 입/출구 온도차 및 에너지 소비량, 시스템 난방 성능계수의 일일 변화 : 2005년 6월 1일=205,224,1