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가설 설정
- 입력값으로 하여 계산을 수행하였다. 계산 수행 시, 열원의 수직축에서 반경 방향으로 전도에 의해서만 열이 전달되며, 보어흘 형상은 보어 홀의 수직축을 중심으로 완전 대칭인 것으로 가정하였다. .
제안 방법
- 이에 본 연구는 Sohn et al의 연구의 연장선으로, 국내 세 지역(경기도 고양, 용인, 충청남도 천안에 그라우트를 달리하여 시험용 지중 열교환기를 설치하고 열응답 시험을 수행하였으며, 시험결과와 계산결과를 비교하였다. 또한 그라우트 종류에 따른 혼합층의 유효 열전도도 및 보어흘 열저항 변화를 고찰하였다.
- 계산결과를 비교하였다. 또한 그라우트 종류에 따른 혼합층의 유효 열전도도 및 보어흘 열저항 변화를 고찰하였다.
- 또한 순환유체 유량, 지중 열교환기 입 . 출구 온도, 전열기 전력 소모량 등을 측정하기 위한 각종 계측기와 데이터 획득 장치 등으로 계측부를 구성하였다.
- 사이트 A(경기도 고양)의 지중 열교환기는 Sohn et aL의 시험에 사용된 것이며, 이 열교환기를 이용하여 열응답 시험을 다시 수행하였다. 그리고 사이트 A로부터 200m 떨어진 장소에 사이트 B의 지중 열교환기를 시공하였다. 사이트 A, B, C의 보어홀에 각기 다른 종류의 그라우트를 주입하였으며, 사이트 D에 사용된 그라우트는 사이트 C의 그라우트와 동일하다.
- 다음으로 순환유체의 초기온도를 측정하고, 전열기를 가동하여 순환유체에 열을 가하면서 온도, 유량, 전력량 등을 1분 간격으로 측정하였다.
- 지중 열교환기 파이프 주위 그라우트/토양 혼합층의 유효 열전도도를 산정하기 위해, 본 연구에서는 현장 열응답 시험을 수행하였으며 또한 시험 데이터를 라인소스 모델과 1차원 수치 모델의 입력값으로 하여 계산을 수행하였다. 계산 수행 시, 열원의 수직축에서 반경 방향으로 전도에 의해서만 열이 전달되며, 보어흘 형상은 보어 홀의 수직축을 중심으로 완전 대칭인 것으로 가정하였다.
- 2는 현장 열응답 시험에서 측정된 지중 열교환기 입구와 출구에서 순환유체의 온도, 그리고 이들의 평균 온도 및 열입력량 등을 사이트별로 나타낸 것이다. 각 사이트에서 19, 25, 42, 23 시간 동안 열응답 시험을 수행하였으며, 시험 중 순환 유체 에 가해지는 평균 열 입 력량은 Table 1에 주어져 있다.
- 본 연구에서는 국내 세 지역(경기도 고양, 용 인, 충청남도 천안에 그라우트를 달리하여 설치된 O 지중 열교환기를 대상으로 현장 열응답 시험 수행하고, 이 지중 열교환기 파이프 주위 그 라우트/토양 혼합층의 유효 열전도도를 산정하였다. 또한 열응답 시험 데이터를 이용하여 계산을 수행하고, 시험으로부터 산정된 열전도도와 비교 하였다.
대상 데이터
- 1에 도시하였다. 그림과 같이 시험용 지중 열교환기, 열원부, 순환부, 계측 부로 시험장치를 구성하였다. 열원부는 지중 열교환기 순환유체에 일정 열량을 가하는 전열기 및 수조로 구성되어 있고, 순환부는 순환펌프 및 배관 등으로 구성되어 있다.
- 사이트 A(경기도 고양)의 지중 열교환기는 Sohn et aL의 시험에 사용된 것이며, 이 열교환기를 이용하여 열응답 시험을 다시 수행하였다. 그리고 사이트 A로부터 200m 떨어진 장소에 사이트 B의 지중 열교환기를 시공하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 국내 세 지역(경기도 고양, 용 인, 충청남도 천안에 그라우트를 달리하여 설치된 O 지중 열교환기를 대상으로 현장 열응답 시험 수행하고, 이 지중 열교환기 파이프 주위 그 라우트/토양 혼합층의 유효 열전도도를 산정하였다. 또한 열응답 시험 데이터를 이용하여 계산을 수행하고, 시험으로부터 산정된 열전도도와 비교 하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
이론/모형
- 해석을 위한 경계조건과 초기조건들을 이용하여 1차원 유한차분 모델로 계산하였으며, 비선형최적화기법 중 하나인 simplex 알고리즘을 적용하였다. 계산의 수렴조건은 다음과 같다.
- 5는 보어 홀의 유효 열저 항을 계산한 결과이다. 여기서 유체의 대류열전달계수로 순환 유체의 열저항을 계산하고, Remund가 제시한 방법으로 그라우트와 지중 열교환기 파이프의 열저항을 계산하였다. 또한, 값의 차이만 있을 뿐 사이트 A와 B의 전체적인 경향은 유사하기 때문에 사이트 B, C의 결과만 도시하였다.
성능/효과
- 사이트 A, B, C의 보어홀에 각기 다른 종류의 그라우트를 주입하였으며, 사이트 D에 사용된 그라우트는 사이트 C의 그라우트와 동일하다. 보어홀 시추시 배출되는 암석 조각을 육안으로 검사하였으며, 모든 사이트의 지하 6~10m 지점부터 화강암층이 출현하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 결과에 영향을 미치는 측정 데이터의 편차 등을 조합하여 시험결과의 상대 불확실도를 계산한 결과, 혼합층의 유효 열전도도는 ±3.7%, 보어 홀 유효 열저항은 ±4.3%인 것으로 나타났다.
- 의 시험 데이터와 본 데이터가 유사한 결과를 보였다. 따라서, 이 지중 열교환기가 최초 설치 당시의 열교환 능력을 현재에도 유지하고 있음을 아울러 확인할 수 있었다. Fig.
- 식(3)~ (5)의 단순 라인소스 해석은 열응답 시험 데이터로부터 그라우트/토양 혼합층의 열전도도를 산정하는 데 쉽게 적용될 수 있지만, 그림에서와 같이 기울기가 여러 개 나타날 수 있다. 즉, 60분 (lnt=4.09)부터의 결과를 보면, 사이트 A는 2개, 그리고 사이트 B, C는 3개의 기울기를 갖는 것으로 나타났다. 그러나 모든 사이트에서 390분을 전후로 한 시점부터 시험 종료까지 거의 일정한 값이 유지되는 것을 볼 수 있다.
- 09)부터의 결과를 보면, 사이트 A는 2개, 그리고 사이트 B, C는 3개의 기울기를 갖는 것으로 나타났다. 그러나 모든 사이트에서 390분을 전후로 한 시점부터 시험 종료까지 거의 일정한 값이 유지되는 것을 볼 수 있다.
- 있다. 여기서, Salomone and Marlowe""가 제시한 화강암(granite)의 열확산계수와 보어흘의 반경 등을 이 기준에 대입하여 계산한 결과, 단순 라인 소스 해석에 필요한 데이터는 평균 372분(6.2시간) 이후의 데이터인 것으로 나타났다. 따라서 계산에 의한 최소 기준시점과 각 사이트에서의 최소 기준시 점(사이트 A 400분; B 410분; C 370분; D 400분) 사이에는 큰 차이가 없었다.
- 열응답 시험 초반부의 오차가 상대적으로 크게 나타났지만, 기준시점 이후부터 안정적인 결과를 보이고 있다. 전체적으로 라인소스 모델과 수치모델에 의한 열전도도는 3.03 - 4.45% 절대편차 내에서 열응답 시험에 의한 열전도도와 일치하였다.
- 전체적으로 그라우트의 열전도도가 증가함에 따라 보어흘 유효 열저항은 감소하였다. 사이트 c와 D의 조건들은 동일하기 때문에 유효 열저항 역시 거의 같은 값을 보였으며, 또한 열응답 시험 데이터의 기울기 변화와 마찬가지로, 시험 수행 시간에 대한 영향은 없는 것으로 확인되었다.
- 사이트 c와 D의 조건들은 동일하기 때문에 유효 열저항 역시 거의 같은 값을 보였으며, 또한 열응답 시험 데이터의 기울기 변화와 마찬가지로, 시험 수행 시간에 대한 영향은 없는 것으로 확인되었다.
- 1488 m℃/W이었다. 이 값들을 기준으로 하여 시험 종료까지의 열저항값들을 비교했을 때, 1.17~ 3.39% 절대편차 내에서 열저항값들이 변하였다.
- 이 평균 열저항값들은 2% 절대편차 내에서 일치하였다. 보어홀에 주입된 그라우트의 열전도도가 L34W/m℃에서 1.82W/m℃로 증가할 때, 그라우트/토양 흔합층의 유효 열전도도는 11.1-51.9 % 증가하였으며, 보어흘 유효 열저항은 11.6- 26.1% 감소하였다.
- (1) 사이트별 그라우트/토양 혼합층의 유효 열전도도는 3.51 W/m℃, 3.16W/m℃, 2.31 W/m℃, 그리고 2.33 W/m℃이었다.
- (3) 기 준시점 부터 시험 종료까지 의 보어 홀 열저항 값들은 1.17~3.39% 절대편차 내에서 변하였다. 이로부터 열웅답 시험 수행시간에 대한 영향은 없는 것으로 확인되었다.
- (4) 보어홀에 주입된 그라우트의 열전도도가 1.34 W/m℃에서 1.82W/m℃로 증가할 때, 그라우트/ 토양 혼합층의 유효 열전도도는 11.1-51.9% 증가하였으며, 보어홀 유효 열저항은 11.6-26.1% 감소하였다.
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