코일형 PHC 에너지파일의 열적 거동 및 설계법에 관한 연구

Abstract

에너지파일은 말뚝 내부에 열교환을 위한 순환파이프를 설치하여 파이프 내에 열전달 유체를 순환시킴으로써 주변 지반의 열에너지와 말뚝 간의 열교환을 가능하게 한 구조물이다. 에너지파일은 기존의 지중 열교환기와 비교하여 경제적, 시공적인 측면에서 많은 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 코일형 PHC 에너지파일을 시공하여 그 열적거동을 실험 및 수치해석을 통하여 평가하였으며, 해당 에너지파일의 예비설계를 수행하였다. 현장 시공된 코일형 PHC 에너지파일에 대한 현장 열응답시험(thermal response test, TRT)를 실시하고, 이 결과를 Man et al.(2010)이 제안한 개선된 원통형 열원 모델(solid cylinder source model) 결과와 비교하였다. 또한 현장 열응답 시험 결과를 FLUENT를 이용한 전산유체(computational fluid dynamics, CFD) 수치해석을 통해 모사함으로써, 대상 지반의 열전도도를 역해석을 통해 산정하였다. 코일형 PHC 에너지파일에 설치된 코일형 열교환 파이프의 파이프 루프 간 간격에 따른 열간섭을 평가하기 위하여 코일피치에 변화를 주며 수치해석을 수행하였으며, 결과를 통해 코일피치에 따른 에너지파일의 열거동 및 열교환 효율을 평가하였다. 마지막으로 수치해석을 통해 코일형 PHC 에너지파일과 일반적인 복합 U-형 열교환 파이프가 삽입된 PHC 에너지파일 간의 열교환 효율을 비교하여 코일형 PHC 에너지파일의 등가 열교환율(또는 등가 환산계수)을 제시하였고, 이를 PILESIM2를 이용한 설계 알고리즘에 적용함으로써 해당 에너지파일의 예비설계를 수행하였다. An energy pile encases heat exchange pipes to exchange thermal energy with the surrounding ground formation by circulating working fluid through the pipes. An energy pile has many advantages in terms of economic feasibility and constructability over conventional Ground Heat Exchangers (GHEXs). In this paper, a coil-type PHC energy pile was constructed in a test bed and its thermal performance was experimentally and numerically evaluated to make a preliminary design. An in-situ thermal response test (TRT) was performed on the coil-type PHC energy pile and its results were compared with the solid cylinder source model presented by Man et al. (2010). In addition, a CFD numerical analysis using FLUNET was carried out to back-analyze the thermal conductivity of the ground formation from the Ttype PHC energy RT result. To study effects of a coil pitch of the coil-type heat exchange pipe, a thermal interference between the heat exchange pipes in PHC energy piles was parametrically studied by performing the CFD numerical analysis, then the effect of the coil pitch on thermal performance and efficiency of heat exchange were evaluated. Finally, an equivalent heat exchange efficiency factor for the coil-type PHC energy pile in comparison with a common multiple U-type PHC energy pile was obtained to facilitate a preliminary design method for the coil-type PHC energy pile by adopting the PILESIM2 program.