국내 16개 기상관측소에서 채취한 토양 시료에 대한 물성 실험을 통하여 토양의 공극률, 함수비, 밀도 및 입도 분포특성이 열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비가 증가함에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 입도 분포 특성에 의한 열전도도의 변화는 미비하며 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 다소 증가하는 경향을 보였다. 건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 크게 나타났다. 실험 자료를 이용하여 열전도도에 주된 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀모형 및 비선형회귀모형을 제시하였으며, 회귀모형의 결정계수는 각각 0.74 및 0.82로 높게 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 공극률과 함수비를 측정하여 토양의 열전도도를 예측하는데 이용될 수 있다.
국내 16개 기상관측소에서 채취한 토양 시료에 대한 물성 실험을 통하여 토양의 공극률, 함수비, 밀도 및 입도 분포특성이 열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비가 증가함에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 입도 분포 특성에 의한 열전도도의 변화는 미비하며 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 다소 증가하는 경향을 보였다. 건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 크게 나타났다. 실험 자료를 이용하여 열전도도에 주된 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀모형 및 비선형회귀모형을 제시하였으며, 회귀모형의 결정계수는 각각 0.74 및 0.82로 높게 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 공극률과 함수비를 측정하여 토양의 열전도도를 예측하는데 이용될 수 있다.
This paper presents a comprehensive laboratory study that examines the effects of porosity, water content, density and grain size distribution on the thermal conductivity of soils which were sampled from 16 synoptic stations of Korea. The experimental results clearly demonstrate that porosity and wa...
This paper presents a comprehensive laboratory study that examines the effects of porosity, water content, density and grain size distribution on the thermal conductivity of soils which were sampled from 16 synoptic stations of Korea. The experimental results clearly demonstrate that porosity and water content are important parameters which strongly affect the thermal conductivity of soils. Soils with lower porosities and higher water contents have higher thermal conductivities. On the contrary, increase of the matrix density slightly increases the thermal conductivity, and grain size distribution hardly affects the thermal conductivity. Dry soils with the same porosity tend to have more scattered values of thermal conductivity than wet soils. Based on the experimental results, a multiple linear regression model and a nonlinear regression model, having two regression variables of porosity and water content, were presented to predict thermal conductivity. Both models show a high accuracy of prediction with $R^2$ values of 0.74 and 0.82, respectively. Thus, it is expected that the suggested empirical models can be used for predicting thermal conductivity of soils by measuring porosity and water content.
This paper presents a comprehensive laboratory study that examines the effects of porosity, water content, density and grain size distribution on the thermal conductivity of soils which were sampled from 16 synoptic stations of Korea. The experimental results clearly demonstrate that porosity and water content are important parameters which strongly affect the thermal conductivity of soils. Soils with lower porosities and higher water contents have higher thermal conductivities. On the contrary, increase of the matrix density slightly increases the thermal conductivity, and grain size distribution hardly affects the thermal conductivity. Dry soils with the same porosity tend to have more scattered values of thermal conductivity than wet soils. Based on the experimental results, a multiple linear regression model and a nonlinear regression model, having two regression variables of porosity and water content, were presented to predict thermal conductivity. Both models show a high accuracy of prediction with $R^2$ values of 0.74 and 0.82, respectively. Thus, it is expected that the suggested empirical models can be used for predicting thermal conductivity of soils by measuring porosity and water content.
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문제 정의
토양은 고상의 토양 기질과 공극을 채우는 공기 및 물로 구성되어 있으며 이러한 구성물질과 구성비에 따라 열물성은 다르게 나타난다. 특히, 토양의 열적특성은 동일 시료에서도 공극을 채우고 있는 물과 공기의 함양에 따라 달라지므로 이 연구에서는 열전도도에 영향을 미치는 토양의 물성을 파악하고 상관성분석을 실시하였다.
제안 방법
본 연구에서는 자연 상태의 혼합된 시료를 대상으로 실험을 실시하였으며 이에 대한 비선형회귀 모형으로 건조 밀도와 함수비뿐만 아니라 공극률과 함수비의 함수에 대하여 회귀식을 추정하였다. 또한 함수비가 2% 미만인 건조상태와 2% 이상인 습윤 상태로 구분하여 제시하였다. 건조 및 습윤 상태의 열전도도는 건조밀도와 함수비를 변수로 추정하였으며 식 (6), (7)과 같다.
현장에서 채취한 시료는 보관용 PVC와 포장용 랩을 이용하여 수분 증발과 변형을 최소화하였다. 또한, 채취한 토양은 시료의 길이, 자갈의 유무 및 갈라짐 등 개략적인 상태를 파악하였으며, 10등분으로 절단한 후 왕자갈(cobble) 및 나무뿌리 등의 이물질이 많은 시료를 제외한 나머지 시료를 이용하여 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 국내 16개 기상관측소(Korea Meterological Administration, KMA)의 천부토양을 채취하여 토양의 물성(공극률, 함수비, 밀도) 및 열전도도를 측정하였으며 이들 상호간의 상관관계를 분석하였다. 또한, 측정된 자료를 이용하여 회귀분석을 통해 다중선형회귀(multiple linear regression) 모형과 Kersten(1949)이 제시한 경험식을 이용하여 다중비선형회귀(multiple non-linear regression) 모형을 제시하였다.
본 연구에서는 자연 상태의 혼합된 시료를 대상으로 실험을 실시하였으며 이에 대한 비선형회귀 모형으로 건조 밀도와 함수비뿐만 아니라 공극률과 함수비의 함수에 대하여 회귀식을 추정하였다. 또한 함수비가 2% 미만인 건조상태와 2% 이상인 습윤 상태로 구분하여 제시하였다.
00 W/mK로 5% 정도의 정밀도를 갖는다. 시료의 포화는 용기에 일정량의 물을 넣은 후 25oC의 진공오븐에서 2일 동안 실시하였으며 건조는 103oC의 건조오븐(dryoven)에서 3, 6, 9, 12, 20, 40시간 간격으로 수행하였다. 열전도도는 각 단계별 건조시료를 3시간 동안 상온에서 식힌 후 측정하였으며 측정값의 대표성을 고려하여 1회 실험 시 3곳의 열전도도를 측정하여 평균값을 이용하였다.
건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 습윤 토양에 비하여 상대적으로 크게 나타났다. 실험 자료를 이용하여 열전도도에 주로 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀 모형 및 비선형회귀 모형을 제시하였다. 회귀분석 결과 추정식은 결정계수(R2)가 각각 0.
실험은 제작된 155개의 토양 시료에 대하여 포화 및 건조 상태에 따라 공극률, 용적밀도, 함수비 및 열전도도를 측정하였다. 열전도도 측정은 탐침을 이용하는 열물성실험 장치(KD2 thermal properties analyzer, Decagon Device Inc.
실험은 제작된 155개의 토양 시료에 대하여 포화 및 건조 상태에 따라 공극률, 용적밀도, 함수비 및 열전도도를 측정하였다. 열전도도 측정은 탐침을 이용하는 열물성실험 장치(KD2 thermal properties analyzer, Decagon Device Inc.)를 사용하여 수행하였다. 측정원리는 열선을 가열하기 시작하면 열선부와 탐침 선단부의 열전대(thermocouple)가 온도를 측정하기 시작하고 열은 탐침을 따라 상대적으로 저온인 선단부로 향하게 된다.
시료의 포화는 용기에 일정량의 물을 넣은 후 25oC의 진공오븐에서 2일 동안 실시하였으며 건조는 103oC의 건조오븐(dryoven)에서 3, 6, 9, 12, 20, 40시간 간격으로 수행하였다. 열전도도는 각 단계별 건조시료를 3시간 동안 상온에서 식힌 후 측정하였으며 측정값의 대표성을 고려하여 1회 실험 시 3곳의 열전도도를 측정하여 평균값을 이용하였다. 또한 건조 시료의 경우 열물성 측정센서와 매질의 접촉을 원활하게 하기위해 윤활제를 사용하여 측정오차를 최소화하였다.
측정원리는 열선을 가열하기 시작하면 열선부와 탐침 선단부의 열전대(thermocouple)가 온도를 측정하기 시작하고 열은 탐침을 따라 상대적으로 저온인 선단부로 향하게 된다. 이 때 접촉하고 있는 토양 구성물질(토양입자, 물, 공기)에 의해 열손실이 발생하며 시간에 따른 열 손실량을 이용하여 열물성을 계산한다. 실험 장비의 열전도도 측정범위는 0.
또한 건조 시료의 경우 열물성 측정센서와 매질의 접촉을 원활하게 하기위해 윤활제를 사용하여 측정오차를 최소화하였다. 입도분석은 11개의 표준체와 입도 분석기를 이용하여 수행하였다.
전술한 바와 같이 토양의 열전도도는 주로 공극률과 함수비에 의한 영향이 크게 나타났으며 따라서 이들 인자를 이용하여 회귀식을 추정하였다. 회귀분석은 155개 시료에 대해 완전건조, 포화 및 습윤 상태 등 930개 측정 자료를 이용하여 다중선형회귀(multiple linear regression) 모형과 비선형회귀 모형으로 실시하였다.
1). 현장에서 채취한 시료는 보관용 PVC와 포장용 랩을 이용하여 수분 증발과 변형을 최소화하였다. 또한, 채취한 토양은 시료의 길이, 자갈의 유무 및 갈라짐 등 개략적인 상태를 파악하였으며, 10등분으로 절단한 후 왕자갈(cobble) 및 나무뿌리 등의 이물질이 많은 시료를 제외한 나머지 시료를 이용하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
국내 16개 기상관측소를 대상으로 직경 90 mm의 불교란 토양시료 채취기를 이용하여 천부 1 m 심도의 토양시료를 채취하였다(Fig. 1). 현장에서 채취한 시료는 보관용 PVC와 포장용 랩을 이용하여 수분 증발과 변형을 최소화하였다.
데이터처리
본 연구에서는 국내 16개 기상관측소(Korea Meterological Administration, KMA)의 천부토양을 채취하여 토양의 물성(공극률, 함수비, 밀도) 및 열전도도를 측정하였으며 이들 상호간의 상관관계를 분석하였다. 또한, 측정된 자료를 이용하여 회귀분석을 통해 다중선형회귀(multiple linear regression) 모형과 Kersten(1949)이 제시한 경험식을 이용하여 다중비선형회귀(multiple non-linear regression) 모형을 제시하였다.
전술한 바와 같이 토양의 열전도도는 주로 공극률과 함수비에 의한 영향이 크게 나타났으며 따라서 이들 인자를 이용하여 회귀식을 추정하였다. 회귀분석은 155개 시료에 대해 완전건조, 포화 및 습윤 상태 등 930개 측정 자료를 이용하여 다중선형회귀(multiple linear regression) 모형과 비선형회귀 모형으로 실시하였다.
성능/효과
7a). 공극률에 따른 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성(R2= 0.58)을 나타내며, 용적밀도와 열전도도는 정의 상관성(R2 =0.63)을 보인다.
상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비의 증가에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 낮은 함수비에서는 함수비가 증가함에 따라 열전도도는 급격한 증가를 보이지만 임계함수비 이상에서는 열전도도의 증가세가 둔화되는 현상을 나타냈다. 입도 분포 특성에 따른 열전도도의 변화는 미비하나 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 커지는 비례경향을 보였다.
591 W/mK)에 따라 다른 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 또한, 열전도 도는 입도분포 특성에 의한 영향은 미비하게 나타났으며 입자밀도와 공극률 변화에 대한 상관성은 낮게 나타났다.
천부 토양의 열전도도는 함수비와 공극률에 의해 지배적인 영향을 받는다. 상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비의 증가에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 낮은 함수비에서는 함수비가 증가함에 따라 열전도도는 급격한 증가를 보이지만 임계함수비 이상에서는 열전도도의 증가세가 둔화되는 현상을 나타냈다.
시료의 용적밀도는 포화 및 완전건조 시 각각 1.71~2.13, 1.19~1.78 g/cm3의 범위를 나타내며 평균과 표준편차는 포화 시 1.93 및 0.10 g/cm3, 완전건조 시 1.50 및 0.15 g/cm3의 값을 보였다(Fig. 3a, b). 이는 VDI(2000)에서 제시한 0.
실험 결과 토양 시료의 공극률은 포화상태의 경우 0.36~0.62이며 평균과 표준편차는 각각 0.48, 0.07이다(Fig. 2a). 완전건조상태의 공극률은 0.
5%의 감소율을 나타냈다. 실험 시료의 공극률은 토양이 갖는 일반적인 공극률에 비해 다소 큰 값을 보였으며 이는 시료에 대공극의 존재 및 부피 측정 시 시료와 용기 사이에 틈이 발생하여 나타난 것으로 판단된다.
실험에 의해 측정된 열전도도와 다중선형회귀 모형을 통해 계산된 값을 비교한 결과 높은 상관성(R2 = 0.74)을 보였으며(Fig. 10a), 모형에 의해 계산된 값과 측정값의 잔차를 도시하면−0.465~0.494의 범위를 갖는 무작위적인(random) 형태를 보였다(Fig. 10b, c).
2b). 실험에 이용된 시료는 건조되면서 다소의 부피변화가 발생하였는데, Fig. 2c는 포화 및 완전건조 상태의 공극률 변화를 나타낸 것으로 0.005~0.049의 값 변화를 보였으며 평균 0.017로 약 3.5%의 감소율을 나타냈다. 실험 시료의 공극률은 토양이 갖는 일반적인 공극률에 비해 다소 큰 값을 보였으며 이는 시료에 대공극의 존재 및 부피 측정 시 시료와 용기 사이에 틈이 발생하여 나타난 것으로 판단된다.
8은 포화 시 공극률에 따른 열전도도를 도시한 것으로, 공극률 이외의 요인에 의한 영향을 파악하기 위해 입자밀도와 공극률 변화를 bubble plot으로 나타냈다. 열전도도는 동일한 공극률을 갖는 시료에서 공극률 변화가 작을수록 큰 값을 가지는 것으로 나타났는데(Fig. 8b), 이는 함수비가 커지면서 발생하는 공극률 증가가 토양 기질의 연결성(connectivity)을 감소시키며, 결과적으로 열전도 도를 감소시키는 작용을 한 것으로 해석된다.
낮은 함수비에서는 함수비가 증가함에 따라 열전도도는 급격한 증가를 보이지만 임계함수비 이상에서는 열전도도의 증가세가 둔화되는 현상을 나타냈다. 입도 분포 특성에 따른 열전도도의 변화는 미비하나 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 커지는 비례경향을 보였다. 건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 습윤 토양에 비하여 상대적으로 크게 나타났다.
이는 건조에 따른 시료의 부피 변화가 덜 일어나 토양입자 간의 접촉도(connectivity)가 낮아지기 때문인 것으로 판단된다. 포화 및 완전건조 상태에서 시료의 공극률에 따른 열전도도는 공극을 채우고 있는 물질(공기, 물)의 열전도도(0.025, 0.591 W/mK)에 따라 다른 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 또한, 열전도 도는 입도분포 특성에 의한 영향은 미비하게 나타났으며 입자밀도와 공극률 변화에 대한 상관성은 낮게 나타났다.
표준체를 이용한 토양의 입도분석 결과 자갈(gravel)의 함량은 0.0~57.5 w%로 평균 12.8 w%이며, 실트와 점토(silt and clay)는 0.5~33.1 w%의 함량을 가지며 평균 9.7 w%이다. 또한, 모래(sand)의 경우 35.
실험 자료를 이용하여 열전도도에 주로 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀 모형 및 비선형회귀 모형을 제시하였다. 회귀분석 결과 추정식은 결정계수(R2)가 각각 0.74 및 0.82로 높게 나타났다. 그러나 다중선형회귀 모형의 경우 포화상태의 토양에서 측정된 열전도도 값은 이 회귀식에 잘 일치하지 않는 것으로 분석되었으며 이는 함수비와 공극률뿐만 아니라 다른 요인에 의한 영향도 고려해야 할 것으로 판단된다.
후속연구
82로 높게 나타났다. 그러나 다중선형회귀 모형의 경우 포화상태의 토양에서 측정된 열전도도 값은 이 회귀식에 잘 일치하지 않는 것으로 분석되었으며 이는 함수비와 공극률뿐만 아니라 다른 요인에 의한 영향도 고려해야 할 것으로 판단된다. 따라서 국내 천부 토양의 열전도도는 공극률과 함수비를 통하여 추정이 가능하며 차후 구성광물 및 입자접촉 계수 등 다른 요인에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 다중선형회귀 모형의 경우 포화상태의 토양에서 측정된 열전도도 값은 이 회귀식에 잘 일치하지 않는 것으로 분석되었으며 이는 함수비와 공극률뿐만 아니라 다른 요인에 의한 영향도 고려해야 할 것으로 판단된다. 따라서 국내 천부 토양의 열전도도는 공극률과 함수비를 통하여 추정이 가능하며 차후 구성광물 및 입자접촉 계수 등 다른 요인에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천부 토양의 온도변화는 어떻게 발생하는가?
천부 토양의 온도변화는 지표면의 온도가 하부로 전달 되면서 발생하며, 이러한 열전달은 토양의 열물성에 의해 좌우된다. 토양의 열물성 연구는 미기후에 따른 씨앗의 발아, 묘목의 출현과 정착에 관한 작물학, 토양학에서 활발하게 이루어지고 있다(Abu-Hamdeh, 2000).
국내 16개 기상관측소에서 채취한 토양 시료에 대한 물성 실험을 통하여 토양의 공극률, 함수비, 밀도 및 입도 분포특성이 열전도도에 미치는 영향을 분석한 결과는 어떠한가?
국내 16개 기상관측소에서 채취한 토양 시료에 대한 물성 실험을 통하여 토양의 공극률, 함수비, 밀도 및 입도 분포특성이 열전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 상관성 분석결과 열전도도는 공극률이 증가함에 따라 감소하는 부의 상관성을 보이며 함수비가 증가함에 따라 증가하는 정의 상관성을 갖는다. 입도 분포 특성에 의한 열전도도의 변화는 미비하며 토양 입자 밀도가 클수록 열전도도가 다소 증가하는 경향을 보였다. 건조 토양의 경우 동일한 공극률에서도 열전도도의 차이가 크게 나타났다. 실험 자료를 이용하여 열전도도에 주된 영향을 미치는 공극률과 함수비를 변수로 하는 다중선형회귀모형 및 비선형회귀모형을 제시하였으며, 회귀모형의 결정계수는 각각 0.74 및 0.82로 높게 나타났다. 따라서 본 연구 결과는 공극률과 함수비를 측정하여 토양의 열전도도를 예측하는데 이용될 수 있다.
토양은 무엇에 의해 영향을 받는가?
토양은 일반적인 열전달 매체와는 다른 매우 복잡한 물리적 요소들, 즉 공극률, 함수비, 토양 입자 밀도, 비열, 입도 분포, 유기물 함량, 기질구성광물의 종류 및 함량 등에 의해 열물성이 달라지므로, 그 해석뿐만이 아니라 측정에도 상당한 어려움이 있다. 또한 토양은 건조 및 습윤 상태의 반복, 동결과 같은 과거이력에 의해서도 열적 특성이 달라진다(De Vries, 1963).
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