[논문]대수층 축열 에너지(ATES) 활용 시스템 모델의 설계인자 추정을 위한 시뮬레이션

심병완

대수층 축열 에너지(ATES) 활용 시스템 모델의 설계인자 추정을 위한 시뮬레이션
Simulation for the Estimation of Design Parameters in an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) Utilization System Model 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.10 no.4, 2005년, pp.54 - 61

초록
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대수층 축열 에너지(ATES) 시스템은 지반의 특성과 이용량에 따라 매우 경제적인 새로운 대체에너지로 이용될 수 있다. 적절한 ATES 시스템 설계를 통하여 주어진 수리지질 특성에 적합한 ATES 시스템을 개발하기 위해서는 대수 층내 수리열역학적 과정의 이해가 필수적이다. 본 논문에서는 지하수 양수 및 열펌프에 이용된 불을 재주입하는 방식의 지하수 열펌프 운영에 대한 두 가지 시나리오를 통하여 두 개의 층으로 이루어진 대수층 모델에 적용하여 대수층내 열 저장에 대한 수리열역학적 현상을 시뮬레이션하였다. 첫 번째 시나리오에서는 양수 우물과 주입 우물을 계절에 따라 서로 교대로 시스템을 운영한 경우에 열 거동에 의한 온도 분포와 지하수위를 시뮬레이션 하였으며, 두 번째는 주입과 양수 우물 위치를 고정하여 시뮬레이션 하였다. 356일 이후 주입 우물 주변의 온도 분포는 주입수의 온도와 주입정으로 부터의 거리에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 지표온도 분포는 30과 50 m 심도의 온도 분포에 비하면 미미한 변화만 나타났으며, 각 층에서의 열 거동은 공극률과 지하수의 유동 특성에 따라 매우 민감한 것으로 나타났다. 그리고 양수와 주입우물에서의 지하수위와 온도변화를 모니터링하여 열펌프 운영 방식에 따른 효율성을 실험하고, 두 우물간의 열 간섭현상을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An aquifer thermal energy storage (ATES) system can be very cost-effective and renewable energy sources, depending on site-specific parameters and load characteristics. In order to develop the ATES system which has certain hydrogeological characteristics, understanding the thermohydraulic process of an aquifer is necessary for a proper design of an aquifer heat storage system under given conditions. The thermohydraulic transfer for heat storage was simulated according to two sets of simple pumping and waste water reinjection scenarios of groundwater heat pump system operation in a two-layered aquifer model. In the first set of the scenarios, the movement of the thermal front and groundwater level was simulated by changing the locations of injection and pumping wells in a seasonal cycle. However, in the second set the simulation was performed in the state of fixing the locations of pumping and injection wells. After 365 days simulation period, the shape of temperature distribution was highly dependent on the injected water temperature and the distance from the injection well. A small temperature change appeared on the surface compared to other simulated temperature distributions of 30 and 50 m depths. The porosity and groundwater flow characteristics of each layer sensitively affected the heat transfer. The groundwater levels and temperature changes in injection and pumping wells were monitored and the thermal interference between the wells was analyzed to test the effectiveness of the heat pump operation method applied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 지열 자원 이용에 따른 지반의 열 거동 시뮬레이션을 통하여 대수층내 열 거동 특성을 추정하기 위한 것이다. 본 연구에서는 대수층 축열의 활용 형태를 시뮬레이션하기 위하여 FEFLOW 모델(Wasy software, 2003)을 이용하였다.

가설 설정

공극율 이외의 다른 입력변수는 동일한 두 층을 가정하여 온도 분포를 시뮬레이션함으로써 공극율에 따른 지하 열 거동의 민감도를 파악하는데 유용할것으로 판단된다. 그리고 지표에서의 경계조건은 두 우물에서 같은 양의 주입과 양수 이외의 지하수 유출이나 유입은 없으며, 대수층 하부는 불투수층으로 가정하였다. 전체 시뮬레이션 구간은 6, 272개의 유한요소와 4,887 개의 격자로 구성되어 있으며, 삼각 프리즘 형태의 유한요소 형태를 이용하였다.

제안 방법

첫 번째 운영 방식은 먼저 여름에 90일간 A 우물에서 50 tf/day의 물을 양수하B 열펌프에 순환시켜 발생된 35℃의 지하수를 B 우물에 주입한 후, 주입과 양수를 90 일간 중지시킨다. 그리고 겨울에 주입 우물과 양수 우물을 바꾸어 5℃의 50 m3/day의 물을 90일간 주입하고, 다시 95일간 주입과 양수를 중지시킨 후 대수층내 온도변화를 시뮬레이션하였다. 실제 봄과 가을동안에는 지하수 열펌프 시스템을 이용한 급탕과 난방 등 여러가지 변수가 많으나 본 연구에서는 대수층 축열 에너지 이용을 위한 기본적인 모델을 시뮬레이션하기 위하여 1년간 전체 지하수 열펌프 작동단계를 단순화시킨 형태를 이용하였다.
전체 시뮬레이션 구간은 6, 272개의 유한요소와 4,887 개의 격자로 구성되어 있으며, 삼각 프리즘 형태의 유한요소 형태를 이용하였다. 그리고 보다 정밀한 형태의 계산을 가능하게 하고, 오차를 감소시키기 위하여 우물에 가까울수록 격자 크기를 작게 설정하였다(Fig. 2). 대수층 축열방식의 지하수 열펌프 이용을 위한 A 우물과 B 우물간 거리는 20 m로 설정하였으며, 스크린은 지면으로부터 -30 ~ -50 m 사이에 설치되어 있는 것으로 설정하였다.
실제 봄과 가을동안에는 지하수 열펌프 시스템을 이용한 급탕과 난방 등 여러가지 변수가 많으나 본 연구에서는 대수층 축열 에너지 이용을 위한 기본적인 모델을 시뮬레이션하기 위하여 1년간 전체 지하수 열펌프 작동단계를 단순화시킨 형태를 이용하였다. 두 번째 방식에서는 처음 180일간 첫 번째 방법과 동일한 운영 방식을 이용하였으나, 그 이후에는 주입 우물과 양수 우물을 고정시켜 이전과 동일한 양의 5℃ 물을 90일간 주입하고 다시 95일간 주입과 양수를 중지시킨 후 대수층 내 온도분포를 시뮬레이션하였다. '
일반적인 방법으로 대수층에서 두 개의 우물을 이용하는 경우, 지하수를 양수하여 열펌프에 순환시킨 후 이용된 물을 대수층에 재주입하는 방식으로서, 계절별로 양수와 주입 우물을 교환하여 지하수 열펌프 시스템을 운영흐]는 방식과 계절과 상관없이 각각 양수 우물과 주입 우물을 고정하여 운영하는 방식이 있다(Fig 3). 본 연구에서는 Fig. 3에서 소개된 두 가지 방식을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 첫 번째 운영 방식은 먼저 여름에 90일간 A 우물에서 50 tf/day의 물을 양수하B 열펌프에 순환시켜 발생된 35℃의 지하수를 B 우물에 주입한 후, 주입과 양수를 90 일간 중지시킨다.
그리고 겨울에 주입 우물과 양수 우물을 바꾸어 5℃의 50 m3/day의 물을 90일간 주입하고, 다시 95일간 주입과 양수를 중지시킨 후 대수층내 온도변화를 시뮬레이션하였다. 실제 봄과 가을동안에는 지하수 열펌프 시스템을 이용한 급탕과 난방 등 여러가지 변수가 많으나 본 연구에서는 대수층 축열 에너지 이용을 위한 기본적인 모델을 시뮬레이션하기 위하여 1년간 전체 지하수 열펌프 작동단계를 단순화시킨 형태를 이용하였다. 두 번째 방식에서는 처음 180일간 첫 번째 방법과 동일한 운영 방식을 이용하였으나, 그 이후에는 주입 우물과 양수 우물을 고정시켜 이전과 동일한 양의 5℃ 물을 90일간 주입하고 다시 95일간 주입과 양수를 중지시킨 후 대수층 내 온도분포를 시뮬레이션하였다.
지하수 열펌프 시스템 이용시 지중 열 거동을 파악하기 위하여 가상의 대수층을 설정하였으며(Fig. 1), 입력변수는 Table 과 같다. 3차원 모델링을 실시하기 위한 시뮬레이션 구간은 100(x)xl00(y)x50(z) m 크기의 성질이 다른 두 개의 층으로 구성된 모델을 설정하였다.

대상 데이터

2). 대수층 축열방식의 지하수 열펌프 이용을 위한 A 우물과 B 우물간 거리는 20 m로 설정하였으며, 스크린은 지면으로부터 -30 ~ -50 m 사이에 설치되어 있는 것으로 설정하였다. 열 경계조건으로 대수층의 초가온도는 16℃이며, 주입 우물에서 여름에 35℃ 와 겨울에 51의 물을 주입하는 것으로 설정하였다.
그리고 지표에서의 경계조건은 두 우물에서 같은 양의 주입과 양수 이외의 지하수 유출이나 유입은 없으며, 대수층 하부는 불투수층으로 가정하였다. 전체 시뮬레이션 구간은 6, 272개의 유한요소와 4,887 개의 격자로 구성되어 있으며, 삼각 프리즘 형태의 유한요소 형태를 이용하였다. 그리고 보다 정밀한 형태의 계산을 가능하게 하고, 오차를 감소시키기 위하여 우물에 가까울수록 격자 크기를 작게 설정하였다(Fig.

이론/모형

4. Simulated temperature distributions according to the ATES system operation with the cycling regime method.
본 연구에서는 대수층 축열의 활용 형태를 시뮬레이션하기 위하여 FEFLOW 모델(Wasy software, 2003)을 이용하였다.

성능/효과

A와 B 우물에 대한 시뮬레이션 결과 최종 온도는 18.2℃와 12.3℃로서, A 우물은 B 우물의 영향에 의한 열간섭에 의하여 2.2℃의 온도가 상승한 것으로 나타났다. 두 우물간 최종 온도차는 5.
7은 두 우물에서 시간에 따른 수위와 온도 변화를 나타낸 것으로서 주입과 양수에 따른 두 우물간 지하수위변화나 온도의 영향을 추정할 수 있다. A와 B 우물에서 열수나 냉수의 주입이 정지된 시점에서 급격한 온도 변화를 나타내었으나, 그 후 안정화되면서 시간에 따른 점진적인 온도변화를 보였다. B 우물에서 35℃ 열수의 주입을 정지시킨 후 90일이 지난뒤 28.
공극율에 따라 대수층의 열전도도와 열확산계수가 급격히 달라지기 때문에 시뮬레이션 결과와 같이 열 거동은 대수층의 특성과 조건에 따라 많은 차이를 보일 수 있는것으로 판단되며, 또한 양수와 주입 방식에 따라 지하수열펌프의 효율도 크게 차이를 나타내는 것을 알 수 있다. 국내에서는 지흐]수가 풍부한 지역이 많으므로 대수층 축열시스템을 구축하는데 매우 유리하며, 저비용으로 지하수열원을 이용한 냉난방 시스템을 활용할 수 있다.
그리고 90일 후 주입을 중단하였을때 급격히 초기수위로 하강하는 것으로 나타났다. 그러나 180일 후 A 우물에서 주입을 시작후, 약 0.2 m 정도의 급격한 수위상승과 함께 점진적으로 수위가 상승하는 것으로 나타났다. A 우물의 주입시 점진적인 수위 상승은 B 우물의 양수에 의한 영향과 함께 상부층이 주입과 앙수에 의한 영향을 동시에 받아 수위가 상승하는 것으로서, 양수시에도 상부층의 영향과 함께 주입정과의 거리가 20 m로 가까우므로 직접적인 수위 간섭현상을 나타낸다.
2℃ 사이로서 대수층의 초기조건 16P와는 밑으로 me에서 위로는 7℃의 차이를 보인다. 그리고 하부대수층에서 각각 주입 우물 주변의 온도 분포가 주입수의 온도에 따라 지배적인 분포를 가지는 것을 알 수 있다. 이와 같이 장기간 대수층내 온도가 유지되는 것은 공극내 지하수의 비열이 크기 때문에 지표와 가까운 비포화대의 암석이나 토양처럼 태양복사열에 의하여 쉽게 온도변화가 급격히 나타나지 않기 때문이다.
9℃이며, 대수층 초기온도조건 16℃와는 약 2~4℃ 정도의 차이를 보인다. 따라서 대수층 축열을 이용한 두 가지 방식에서 주기적으로 주입 우물과 양수 우물을 교환하여 이용한 방식이 대수층 축열에너지의 회수율이 높게 나타났다.
9℃이며, 대수층의 초기조건 16℃와는 약 2~4℃ 정도의 차이를 보인다. 따라서 주기적으로 주입과 양수 우물을 교환하여 이용하는 것이 대수층 축열 에너지의 회수율을 높일 수 있는 것으로 나타났으며, 다음 주기의 운영 사이클에서는 여름철 냉방을 위하여 기준온도인 16℃ 보다 약 6℃ 낮은 지하수를 대수 중 죽열 에너지로 초기에 이용할 수 있다.
(Warner and Alagn, 1984). 시뮬레이션 결과 나타난 온도 범위는 약 10.0 ~21.2℃ 사이로서 대수층의 초기조건 16P와는 밑으로 me에서 위로는 7℃의 차이를 보인다. 그리고 하부대수층에서 각각 주입 우물 주변의 온도 분포가 주입수의 온도에 따라 지배적인 분포를 가지는 것을 알 수 있다.
지하수 열펌프 시스템 운영에 따른 두 우물에서의 수위와 열 변화를 1년간 시뮬레이션한 결과, 대수층에서 양수 우물과 주입 우물을 설정하여 계절별로 바꾸어 지하수 열펌프를 운용하는 방식에서는 두 우물에서 최종적으로 약 11.2℃의 온도차가 나타났다. 그리고 계절과 상관없이 각각 양수와 주입 우물을 지정하여 양수된 지하수를 열펌프에 이용 후 순환된 물을 대수층으로 재주입하는 방식에서는 두 우물간 최종 온도차는 5.
하부대수층에 주입된 열이 공극율이 작은 상부층을 통과하는데 공극율이 상대적으로 큰 하부대수층의 열 거동형태와 비교하여 많은 시간이 소요되었으며, 하부 대수층은 95일간 지하수 열펌프의 운영 중지 이후에도 이전의 주입 수 온도에 지배적인 영향을 받고 있으며, 주입 방식에 따른 온도 분도 형태도 많은 차이가 나타났다.

후속연구

ATES 시스템의 경제적인 설계와 구축을 위해서는 현장 실험이나 지하수 열펌프 운영 경험 등과 함께 지하의 온도 변화예측을 위한 지중 열 거동 시뮬레이션 기술이 요구된다. 본 연구는 지하수 열펌프의 운영 시나리오를 이용하여 임의의 대수층내 열 거동을 해석함으로써, 실제 경제적인 시스템을 개발하는데 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

송윤호, 김형찬, 심병완, 이창범, 박덕원, 이성곤, 이종철, 이병태, 박인화, 이태종, 이철우, 문상호, 김연기, 이병대, 임현철, 2004, 지열자원 부존특성 규명 및 활용기반기술 연구, 한국지질자원연구원 연구보고서, KR-04(연차)-08, 국무총리실, p. 123
심병완, 정상용, 강동환, 김규범, 박희영, 2000, 영산강 . 섬진강 유역의 지하수 데이터베이스 자료에 대한 지구통계학적 분석, 지질공학, 10(2), 131-142

상세보기
한정상, 한규상, 한혁상, 한찬, 친환경, 2004, 댗에너지인 천부지중열을 이용한 지열펌프 냉난방 시스템, 한림원
Claesson, L, HellstOm, G, and Probert, T., 1994, Simulation models for ATES, International symposium of aquifer thermal energy storage, Univ. of Alabama, p. 131-136
Mirza, C., Goutama, M.W., and Lau, K.C., 1994, Developing an expert system for aquifer thermal energy storage, International symposium of aquifer thermal energy storage, Univ. of Alabama, p. 97-106
Molson, J.W., Frind, E.O., and C.D. Palmer, 1992, Thermal energy storage in an unconfined aquifer: 2. Model development, validation and application, Water Resources Research, 28, 2857-2867

상세보기
Palmer, C.D., Blowes, D.W., Frind, E.O., and Molson, J.W., 1992, Thermal energy storage in an unconfined aquifer: 1. Field injection experiment, Water Resources Research, 28, 2845-2856

상세보기
Pruess, K., 1991, TOUGH2 A General Purpose Numerical Simulator for Multiphase Fluid and Heat Flow, Lawrence Berkeley Laboratories, LBL-29400
Sanner, B., 1999, A different approach to shallow geothermal energy-underground thermal energy storage (UTES), International summer school on direct application of geothermal energy course note, Institute of Applied Geosciences, Justus-Liebig-Univ., German, p. 12
Spitz, K. and Moreno, J., 1996, A practical guide to groundwater and solute transport modeling, John Wiley & Sons Inc., p. 461
Warner, D.L. and Alagn, U., 1984, Thermal impact of residential ground-water heat pump, Ground Water, 22(1), 6-12

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Wasy software, 2003, FEFLOW white papers, 1. p. 366

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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