지하수의 온도는 일반적으로 계절과 관계없이 일정하게 유지되기 때문에 이러한 특성을 냉난방에 활용할 경우 많은 양의 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다. 본 연구는 지하수정호와 결합한 복합지열시스템(CWG system)의 열교환특성을 평가하고 기존 시스템(수직밀폐형, 개방형(SCW) 지열시스템)과의 비교를 통해 복합지열시스템의 상대적인 효율과 적용성을 평가하기 위해 수행하였다. 연구는 실내시험과 현장실증시험으로 구분하여 수행하였으며, 실내시험에서는 금속재질 열교환기의 열교환량을 평가하고 현장실증시험을 위한 설계인자를 도출하였고 현장실증험에서는 실규모의 복합지열시스템과 기존 시스템을 동일한 환경에 각각 설치하여 평가하고 상호 대비를 통해 복합지열시스템의 효율과 현장적용성을 평가하고 이를 검증하였다.
실내시험 결과, 비교군인 PE(25A) 대비 스테인레스관(STS 20A, 32A, 50A)의 대한 열교환량은 STS(20A)에서 평균 357.5%, STS(32A)에서 468.1%, STS(50A)에서 548.9% 높은 것으로 파악되었다. 또한, 모든 조건에서 순환수량 70L/min에서 가장 높은 열교환량을 보였다. 열교환 효율이 높은 스테인레스의 규격별 열교환량 검토결과 규격이 커질수록 열교환량 증가(50A > 32A > 20A)하나 열교환량 증가분은 선형적 비례관계를 보이지 않는 것으로 파악되었다. 이는 규격이 커짐에 따라 열교환이 가능한 접촉면적 증대하기 때문으로 판단된다. 규격별 최적 순환수량 평가하면 STS 20A의 경우 66.2L/min로 평가되었으며, STS 32A는 87.9L/min, STS 50A는 113.3L/min로 평가되었다.
현장실증시험에서는 지하수정호와 결합한 복합지열시스템의 열교환량을 평가하기 위하여 소구경 및 대구경의 복합지열시스템을 설치하였으며, 기존 시스템과의 비교분석을 위하여 상용화된 대표적인 지열시스템인 수직밀폐형 지열시스템과 개방형(SCW) 지열시스템을 설치하여 동일한 시험을 수행하였다. 또한, 현장실증시험의 객관적 검증을 위해 복합지열시스템과 기존 시스템에 대한 공인시험을 수행하였다.
복합지열시스템에서 순환수와 지하수 온도차에 따른 열교환 특성은 온도차가 증가할수록 열교환량이 비례적으로 증대되는 매우 높은 유의성을 보이는 것으로 확인되었다. 주입에너지에 따른 지하수 온도변화를 보면, Coaxial형 및 U-tube형에서 나타난 바와 같이 양수량이 동일한 경우 지하수의 온도변화는 주입열량이 높을수록 선형적인 증가양상을 보인다. 각 시스템별 열교환량을 분석한 결과 대구경 복합지열시스템에서 총 881.39kW/hr로 평가되어 기존 수직밀폐형 대비 약 143.3배, SCW 대비 약 15.3배의 열교환량을 보인다. 소구경 복합지열시스템 중 Coaxial형에서는 160.59kW/hr의 열교환량을 보이고 있으며, 이는 기존 수직밀폐형 대비 약 26.1배, SCW 대비 약 2.8배의 열교환량을 나타낸다. 소구경 복합지열시스템 중 U-tube형에서 163.60kW/hr의 열교환량을 보이고 있으며, 이는 기존 수직밀폐형 대비 약 26.5배, SCW 대비 약 2.8배의 열교환량을 나타내고 있다. 비교공인 SCW의 경우 57.68kW/hr의 열교환량을 보여 수직밀폐형 대비 약 9.4배의 높은 열교환량을 보였다.
공인시험 결과를 바탕으로 각 시스템별 열교환량을 분석한 결과, 대구경 복합지열시스템에서 총 587.7kW/hr로 평가되어 기존 수직밀폐형 대비 약 77배, SCW 대비 약 8배의 열교환량을 나타냈다. 소구경 복합지열시스템 중 Coaxial형에서는 137.5kW/hr의 열교환량을 보이고 있으며, 이는 기존 수직밀폐형 대비 약 18배, SCW 대비 약 2배의 열교환량을 나타냈다. 소구경 복합지열시스템 중 U-tube형에서 46.3kW/hr의 열교환량을 보이고 있으며, 이는 기존 수직밀폐형 대비 약 19배, SCW 대비 약 2배의 열교환량을 보인다.
연구를 통해 복합지열시스템을 설치하는 경우, 상용화된 지열시스템 대비 열교환 효율이 높고 지하수에 포함되어 있는 다량의 에너지를 활용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 연구성과를 기초로 하여 지하수 사용 시설에 대한 복합지열시스템 적용가능여부와 부지특성에 맞는 선택적 설계조건 및 시공과정에 대한 표준화의 기본 틀을 제시하여 연구결과가 기술상용화에 실질적 활용 가능하도록 하였다. 이와 같은 연구성과를 고려할 때, 지하수와 에너지를 동시에 활용하고자 하는 시설재배지 등 다양한 시설에서 복합지열시스템의 적용성이 높을 것으로 기대된다.

The temperature of underground water generally remains constant regardless of the season. therefore, it is possible to get plenty of energy if we use characteristics of underground water for both cooling and heating. This study evaluated the heat exchange characteristics of a complex geothermal system(CWG system) combined groundwater well and evaluates relative efficiency/adaptability through comparison with existing geothermal systems(vertical closed loop system, open loop system(SCW)). This study was divided into lab test and field test. Lab tests, the amount of heat exchange of metal heat exchangers was evaluated and design factors were derived for field tests. In field test, the CWG system and an existing system were installed in the same environment to assess and verify the efficiency and site applicability of the CWG system through mutual contrast.
As a result of lab tests, the heat exchange rate of STS (20A), STS(32A), STS(50A) was 357.5%, 468.1%, 548.9% higher than that of comparative PE (25A). It also showed the highest heat exchange capacity in the circulating water flow rate of 70L/min under all conditions. As a result of the thermal efficiency of stainless steel heat exchanger with high heat exchange efficiency, it was found that the heat exchange rate increases (50A> 32A> 20A) as the standard size increases, but it was linear relationship. This is judged to be due to increased contact area possible for heat exchange as the standard grows. The optimum circulating water flow rate was evaluated as 66.2L/min for STS 20A, 87.9L/min for STS 32A and 113.3L/min for STS 50A.
In field test, small aperture and large aperture CWG system combined well was installed to evaluate the heat exchange capacity. And, for comparative analysis with existing systems, the same test was performed by installing vertical closed loop geothermal systems and open loop geothermal systems(SCW), typical geothermal systems that were commercialized. In addition, a official test of CWG systems and existing systems was carried out for objective verification of the field test. The heat exchange capacity of CWG system according to temperature difference between circulating water and underground water shows very high significance by increasing proportionally. The temperature change of underground water according to injection energy, shows very high linear growth aspect as injection thermal volume heightens. The results of an analysis of heat transfer for each system, it is evaluated as 881.39kW / hr in large aperture CWG system, which is about 143.3 times higher than conventional vertical closed loop type and about 15.3 times higher than SCW. The coaxial type small aperture CWG system shows a heat exchange rate of 160.59 kW/hr, which is about 26.1 times higher than the conventional vertical closed loop type and about 2.8 times higher than the SCW. The U-tube type small aperture CWG system shows a heat exchange rate of 163.60 kW/hr, which is about 26.5 times higher than the conventional vertical closed loop type and about 2.8 times higher than the SCW. In the case of the comparative SCW, the heat exchange rate was 57.68 kW/hr, which was about 9.4 times higher than the vertical closed loop type. Based on the results of the official tests, the heat exchange capacity for each system was analyzed. The heat exchange capacity of large aperture CWG system was estimated to total 587.7kW/hour, with an heat exchange capacity of about 77 times compared to the existing vertical closed loop type and about 8 times compared to SCW. The heat exchange capacity of small aperture CWG system was estimated to total 137.5kW/hr, with an heat exchange capacity of about 18 times compared to the existing vertical closed loop type and about 2 times compared to SCW.
This studies have shown that the installation of CWG system is more efficient in heat exchange than commercial geothermal system and can utilize the large amounts of energy contained in groundwater. In addition, a basic framework for standardization of selective design conditions and construction processes consistent with the applicability of the CWG system to the underground water using facilities based on research performance was provided to enable practical use of the research results. Given these achievements, it is expected that the CWG system will be highly applicable in various facilities, including greenhouse and cultivation sites where underground water and energy are to be utilized simultaneously.