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1차원 수치모델과 현지측정에 의한 지중열전도율 및 보어홀 전열저항 해석에 관한 연구

A Study on the Estimation of Soil Formation Thermal Conductivities and Borehole Resistances with One-Dimensional Numerical Model and In-Situ Field Tests

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.18 no.10, 2006년, pp.783 - 790  

이세균 (충북대학교 기계공학부) ,  우정선 (한국에너지기술연구원) ,  노정근 (충북대학교) ,  김대기 (충북대학교 기계공학과 대학원)

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A one-dimensional numerical model coupled with parameter estimation is used to predict the effective thermal conductivities of soil formations and borehole resistances from in situ field test data. In this application a new method of using initial ignoring time (IIT) obtained from error estimation i...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 Lee et al ⑸의 방법을 현지측정 결과에 적용하고자 하며 이 과정에서 오차해석을 통하여 초기제외시간(initial ignoring time, IIT)을 결정하는 새로운 방법을 사용하여 해의 정밀도를 높이고자 한다. 초기제외시간은 선형열원 근사법 에서는 많이 사용되고 있는 방법이나 수치모델에 서는 본 연구에서 처음 시도되는 개념이다.

가설 설정

  • (1) 보어홀은 수직방향으로 무한히 길고 유효 튜브 내의 온도는 균일하며 모든 열의 흐름은 반 경방향이다.
  • (4) 주위 토양의 열물성치는 일정하다.
  • 위의 가정(2)는 U관 내의 대류열전달을 전도열 전달 효과로 대체한 것으로 실제 관내의 흐름은 열전달이 활발한 난류영역이 되며 따라서 온도분포 역시 거의 균일하게 나타나게 될 것이므로 열전도율이 무한히 큰 물질에 의한 전도열전달 현상과 유사하다고 볼 수 있다. 그러나 관 내벽의 대류에 의한 전열저항, 관의 두께에 의한 전열저 항, 관과 그라우트 간의 접촉전열저항 둥이 고려 되어야 하나 이 모델에서는 이들을 따로 고려하지 않고 가정(3)에 의하여 그라우트의 유효 열전 도율 #에 의한 전도저항에 포함되는 것으로 하 였다.
  • 더욱이 지중온도 변화를 보면 지표면에 가까운 약 10 m 까지는 지상온도 변화의 영향을 받지만 그 이하로 내려가면 100~150m까지 대략 일정하다. 따라서 보어흘을 흐르는 상향류와 하향류의 평균값은 깊이에 관계없이 일정하다는 가정은 보어흘 모델링에서 채택되는 근사화 방법 중의 하나이다.⑹
  • 실제로 측정 가능한 평균값은 보어흘 입, 출구의 온도인 #밖에 없으므로 보어 홀 유체온도를 #로 정의하여 깊이에 관계없이 일정값으로 가정한다. 이와 같은 보어흘의 열거동 특성은 보어흘 전열해석에서 상향류와 하향류를 합하여 온도인 하나의 유효튜브로 근사화하는 1차원 모델 설정을 가능케 한다.
  • 위의 가정(2)는 U관 내의 대류열전달을 전도열 전달 효과로 대체한 것으로 실제 관내의 흐름은 열전달이 활발한 난류영역이 되며 따라서 온도분포 역시 거의 균일하게 나타나게 될 것이므로 열전도율이 무한히 큰 물질에 의한 전도열전달 현상과 유사하다고 볼 수 있다. 그러나 관 내벽의 대류에 의한 전열저항, 관의 두께에 의한 전열저 항, 관과 그라우트 간의 접촉전열저항 둥이 고려 되어야 하나 이 모델에서는 이들을 따로 고려하지 않고 가정(3)에 의하여 그라우트의 유효 열전 도율 #에 의한 전도저항에 포함되는 것으로 하 였다.
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참고문헌 (9)

  1. Ingersoll, L. R. and Plass, H. J., 1948, Theory of the ground pipe heat source for the heat pump, ASHVE Transactions, Vol. 47, pp.119-121 

  2. Carslaw, H. S. and Jaeger, J. C., 1959, Conduction of Heat in Solids, 2nd ed., Claremore Press, Oxford 

  3. Shonder, J. A. and Beck, J. V., 1999, Determining effective soil formation thermal properties from field data using. a parameter estimation technique, ASHRAE Transactions, Vol. 105, Pt. 1, pp. 458-466 

  4. Yavuzturk, C., 1999, Modeling of Vertical Ground Loop Heat Exchanger for Ground Source Heat Pump Systems, Ph. D. Thesis, Oklahoma State University, Stillwater, OK 

  5. Lee, S. K., Kim, D. K., Woo, J. S. and Park, S.I., 2005, A study on the thermal behavior of vertical borehole heat exchanger with 1-dimensional model, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol. 25, No.1, pp.97-104 

  6. Claesson, J. and Eskilson, P., 1988, Conductive heat extraction to a deep borehole: Thermal analyses and dimensioning rules, Energy, Vol. 13, No.6, pp.509-527 

  7. Hellstrom, G. and Sanner, B., 2000, PC-programs for borehole heat exchanger design, Asterweg 2, D-35633, Lahnau, Germany 

  8. Kavanaugh, S. P., 2000, Investigation of Methods for Determining Soil and Rock Formation Thermal Properties from Short-Term Field Tests, ASHRAE 1118-TRP 

  9. Woo, J. S. and Lee, S. K., 2005, A Study on the In-Situ Geothermal Conductivity Testing and Analysis, Final Report to Ministry of Commerce, Industry and Energy, Report No. 2002-N-GE08-P-01 

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