선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- , 2011). 본 논문에서는 시험시공 현장에 설치된 수직 밀폐형 지중열교환기의 열응답시험 결과를 평가하기 위해 현장조건과 동일한 수직 밀폐형 지중 열교환기 모델을 수치해석에 적용하였다. 유한체적해석 (FVM) 프로그램인 FLUENT를 통한 3차원 열전달 거동해석을 위해 파이프 직경 및 두께, 보어홀, 지반등을 현장 시공 조건과 동일하게 모델링을 하였다.
- 본 논문에서는현장 열응답시험에 대한 역해석을 통해 보어홀 영향을 배제한 지중 열전도도를 산정하는 방법을 제시하고 있다. 즉, 동일한 지반조건에 다양한 시공조건(그라우트 종류, 첨가재 종류, 파이프 형상)을 갖는 6개의 서로 다른 수직밀폐형 지중열교환기 중에서 3번과 4번 지중열교환기에 수행된 열응답시험 결과와 가장 근접하도록 하는 지반의 열전도도를 역해석을 통해 유추하고 이를 나머지 4개 지중열교환기에 적용한 수치모사 결과와 현장 열응답시험 결과와 비교를 통해 역해석을 통해 예측된 지중 열전도도의 타당성을 보였다.
- 3과 같이 지반이 대부분 연암층으로 구성되어 있다. 현장 시공 및 열응답 시험은 전열성 그라우트의 성능과 순환파이프 단면 특성을 분석하기 위하여 실시하였다. 따라서, 순환 파이프를 관입한 보어홀에 시멘트 그라우트와 벤토나이트 그라우트를 각각 주입 후, 수직 밀폐형 지중열교환기에 대한 현장 열응답 시험(TRT)을 실시하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 지중열교환기를 무한길이의 직선 열원로 가정한 선형 열원 모델(Line-source model)을 적용하였다. 선형 열원 모델에서는 열전달이지중열교환기와 지반의 접촉면에서 일정한 열 유속으로 열원의 반경 방향으로만 열전달이 이루어지고, 열원의 온도는 항상 일정하게 유지된다고 가정하며 지반의 열적 물성치는 일정하고, 지하수의 이동은 고려하지 않는다. Carslaw and Jasger(1959)는 선형 열원에서 반경방향 거리(r)에서 시간에 따른 매질의 온도차를 다음 식 (2) 과 같이 제시하였다.
제안 방법
- (2009)과 Lee et al.(2010)이 제안한 3공형단면을 사용하여 파이프 단면형상 대한 영향을 비교 검토하였다. 3공형 단면은 U-tube 파이프 단면에 비해 유출입 파이프 사이에 부분적인 단열 구간이 형성 하여 파이프 간 상호 열간섭을 감소시킬 수 있어 전체 시스템의 열전달 효율을 향상 시키는 것으로 예상되었다.
- (3) 현장 열응답시험 결과에 대한 역해석을 통해 순환파이프와 그라우트를 포함한 보어홀 영향을 배제한 현장 원지반 평균 열전도도와 이를 산정하는 방법을 제안하였다. 또한, 역해석에 적용한 이외의 지중열교환기에 적용한 수치해석 모사결과와 현장 열응답 시험 결과와의 비교를 통해 획득된 현장 원지반 열전도도의 신뢰성을 검증하였다.
- 현장 시험시공은 Table 1과 같이 그라우트재의 종류, 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면 형상에 따라 상호 성능을 비교할 수 있도록 지중열교환기를 시공하였다. 1, 3, 5번 보어홀은 시멘트 그라우트로 뒤채움을 하고 2, 4, 6번 보어홀은 벤토나이트 그라우트로 뒤채움을 하여 그라우트 종류에 따른 열전달 효율을 비교하였다. 또한, 1, 2번 보어홀은 첨가재로 천연규사만을 사용하고 3, 4번 보어홀은 천연규사와 흑연을 함께 배합하여 흑연에 의한 재료의 열전도 향상을 검토하였다.
- 5m로 적용하였다. FLUENT를 이용하여 열전달 거동을 평가하기 위해 유체의 흐름(Fluid) 부분은 최대한 정밀하게 3차원 격자로 구성을 하였으며 Fig. 5와 같이 파이프 두께를 모사함으로써 순환수가 파이프를 통해 순환하면서 지중으로 열을 방출 또는 흡수하고 열전달이 파이프를 통하여 그라우트로 이루어지도록 하였다.
- 이는 수치해석 시, 다른 물성치에 비해 원지반의 열전도도는 해석에서 고려되는 깊이가 지표면부터 150m까지 이므로 각 깊이마다 실험을 통해 정확한 값을 추정하기가 불가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 이 지역 원지반의 평균 열전도도를 3.0W/mK와 4.0 W/mK의 두 가지 경우에 대해 시멘트 그라우트로 시공된 지중열교환기(3번 보어홀)에서 수행된 현장 열응답 시험 결과를 수치해석 결과와 비교하여 현장 원지반 열전도도를 유추한 후, 이 값을 나머지 보어홀에 대한 수치해석에 적용하여 수치해석 모델의 적용성과 원지반의 열전도도를 평가하였다. 다음 Table 3은 각각의 수직 밀폐형 지중열교환기에 대해 수치해석에 적용된 시멘트 그라우트, 벤토나이트 그라우트, 파이프, 지반의 물성치를 나타낸다.
- (2008)도 선형최소자승법을 이용하여 초기 시간을 제외하여야 실험오차를 최소화 할 수 있다고 하였다. 따라서 수직 밀폐형 지중열교환기의 열전달 거동을 평가하기 위해 3번 보어홀에 대해서 파이프로 순환하는 유체의 초기 안정화 시간(약 300분)까지를 고려하여 총 500분에 대한 수치해석을 실시하였다. Fig.
- 3공형 단면은 U-tube 파이프 단면에 비해 유출입 파이프 사이에 부분적인 단열 구간이 형성 하여 파이프 간 상호 열간섭을 감소시킬 수 있어 전체 시스템의 열전달 효율을 향상 시키는 것으로 예상되었다. 따라서, 본 연구에서는 파이프간 열간섭을 감소시키기 위해 U-tube 파이프 사이에 파이프 하나를 추가로 삽입한 형태로 3공형 파이프를 시공하였으며 추가로 삽입한 파이프에는 물을 채워 보어홀에 파이프 관입시 지하수에 의한 부력에 저항하도록 하였다.
- 현장 시공 및 열응답 시험은 전열성 그라우트의 성능과 순환파이프 단면 특성을 분석하기 위하여 실시하였다. 따라서, 순환 파이프를 관입한 보어홀에 시멘트 그라우트와 벤토나이트 그라우트를 각각 주입 후, 수직 밀폐형 지중열교환기에 대한 현장 열응답 시험(TRT)을 실시하였다. 천공작업 중 인근 보어홀로 지하수가 유출된 사실로부터 암반층은 지하수를 함양하고 있는 파쇄 대수층이 잘 형성된 것으로 판단된다.
- 1, 3, 5번 보어홀은 시멘트 그라우트로 뒤채움을 하고 2, 4, 6번 보어홀은 벤토나이트 그라우트로 뒤채움을 하여 그라우트 종류에 따른 열전달 효율을 비교하였다. 또한, 1, 2번 보어홀은 첨가재로 천연규사만을 사용하고 3, 4번 보어홀은 천연규사와 흑연을 함께 배합하여 흑연에 의한 재료의 열전도 향상을 검토하였다. 마지막으로 5, 6번 보어홀은 1, 2번 보어홀과 같은 종류의 그라우트를 사용하되, 파이프 단면은 새로이 제안된 3공형 단면을 사용하여 파이프단면 형성에 따른 영향을 비교 검토하였다.
- (3) 현장 열응답시험 결과에 대한 역해석을 통해 순환파이프와 그라우트를 포함한 보어홀 영향을 배제한 현장 원지반 평균 열전도도와 이를 산정하는 방법을 제안하였다. 또한, 역해석에 적용한 이외의 지중열교환기에 적용한 수치해석 모사결과와 현장 열응답 시험 결과와의 비교를 통해 획득된 현장 원지반 열전도도의 신뢰성을 검증하였다.
- 유한체적해석 (FVM) 프로그램인 FLUENT를 통한 3차원 열전달 거동해석을 위해 파이프 직경 및 두께, 보어홀, 지반등을 현장 시공 조건과 동일하게 모델링을 하였다. 또한, 현장 열응답 시험(TRT)에서 측정된 시간에 따른 순환수의 유입, 유출 온도 차이 및 지반의 깊이별 온도 변화를 User Define Function(UDF)을 이용하여 해석 모델에 적용하였으며 다양한 보어홀 조건과 역해석을 통해 산정된 원지반의 열전도도를 입력치로 적용하였다.
- 또한, 1, 2번 보어홀은 첨가재로 천연규사만을 사용하고 3, 4번 보어홀은 천연규사와 흑연을 함께 배합하여 흑연에 의한 재료의 열전도 향상을 검토하였다. 마지막으로 5, 6번 보어홀은 1, 2번 보어홀과 같은 종류의 그라우트를 사용하되, 파이프 단면은 새로이 제안된 3공형 단면을 사용하여 파이프단면 형성에 따른 영향을 비교 검토하였다.
- 문헌(Engineering Toolbox)에서 제시하는 일반적인 화강암의 열전도도는 2.6∼4.0W/mK 범위를 가지므로 수치해석에서는 먼저 3번 보어홀에 대해서 이 지역 원지반의 평균 열전도도를 3.0W/mK과 4.0W/mK으로 적용하여 역해석을 통해 현장 열응답 시험과 비교하였다.
- 본 연구에서는 CFD 수치해석을 위해 유한 체적 해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 현장에 시공된 수직 밀폐형 지중열교환기를 현장시공 조건과 동일하게 3차원 수치해석 모델링을 실시하였다. 각각의 보어홀은 보어홀의 깊이, 순환파이프(HDPE)두께 및 단면 형상을 현장 조건과 동일하도록 모델링하였으며 HDPE 순환파이프는 두께 0.
- 본 연구에서는 역해석을 통해 지중열교환기가 시공된 현장의 원지반 열전도도를 유추하고 이를 적용한 수치해석 결과와 현장 열응답 시험을 비교하여 지중 유효 열전도도를 산정하고 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 제시한다.
- 수치해석에 적용된 그라우트 재료의 열물성치는 현장시공 중 시료를 채취하여 실내시험으로 측정한 물성치를 적용을 하였다. 지반을 구성하는 암반층은 현장에서 보어홀 천공 중 채집한 화강암 시편으로부터 보어홀 전체 깊이에 대해 화강암이 주로 분포하고 있다고 판단하였다.
- 6은 시멘트 그라우트를 사용한 3번 보어홀의 현장 열응답 시험 결과와 원지반의 열전도도 3W/mK와 4W/mK를 수치해석에 적용한 해석 결과이다. 앞 절에서 언급했듯이, 다른 물성치에 비해 대상 지역 원지반의 깊이별 열전도도는 해석에서 고려되는 깊이가 150m이므로 각 지점의 정확한 값을 추정하기 어려워, 본 연구에서는 원지반의 열전도도를 시멘트 그라우트로 시공된 지중열교환기(3번 보어홀)에서 수행된 현장 열응답 시험 결과와 수치해석 결과와 비교하여 역해석을 통해 예측하였다.
- 본 논문에서는 시험시공 현장에 설치된 수직 밀폐형 지중열교환기의 열응답시험 결과를 평가하기 위해 현장조건과 동일한 수직 밀폐형 지중 열교환기 모델을 수치해석에 적용하였다. 유한체적해석 (FVM) 프로그램인 FLUENT를 통한 3차원 열전달 거동해석을 위해 파이프 직경 및 두께, 보어홀, 지반등을 현장 시공 조건과 동일하게 모델링을 하였다. 또한, 현장 열응답 시험(TRT)에서 측정된 시간에 따른 순환수의 유입, 유출 온도 차이 및 지반의 깊이별 온도 변화를 User Define Function(UDF)을 이용하여 해석 모델에 적용하였으며 다양한 보어홀 조건과 역해석을 통해 산정된 원지반의 열전도도를 입력치로 적용하였다.
- 0W/mK으로 적용하여 역해석을 통해 현장 열응답 시험과 비교하였다. 즉, 현장 열응답 시험과 가장 유사한 결과를 보이는 원지반의 열전도도를 역해석을 통해 산정한 후, 나머지 보어홀에 산정된 원지반의 열전도도를 적용하여 현장 열응답 시험 결과와 비교하였다. 이는 수치해석 시, 다른 물성치에 비해 원지반의 열전도도는 해석에서 고려되는 깊이가 지표면부터 150m까지 이므로 각 깊이마다 실험을 통해 정확한 값을 추정하기가 불가능하기 때문이다.
- 그러므로 수직 밀폐형 지중열교환기의 성능은 지중열교환기 파이프 내를 순환하는 유체와 파이프 주위 지반의 구성, 그라우팅 재료 등과 밀접한 관련이 있다. 하지만 보어홀의 열저항, 그라우팅 재료의 열물성, 파이프와 보어홀 벽면 사이의 간격 등 열교환기 성능에 미치는 변수들을 모두 개별적으로 고려하기는 불가능하므로 현장 열응답 시험(TRT)을 통해 지중의 구성 인자들의 특성을 종합하여 유효 열전도도라는 개념을 설계에 적용한다. 지중 유효 열전도도를 산정하기 위한 이론으로 선형 열원 모델(Line-source model)과 원통형 열원 모델(Cylinder-source model)이 있다.
- 현장 시험시공은 Table 1과 같이 그라우트재의 종류, 첨가재 종류, 지중열교환기 파이프 단면 형상에 따라 상호 성능을 비교할 수 있도록 지중열교환기를 시공하였다. 1, 3, 5번 보어홀은 시멘트 그라우트로 뒤채움을 하고 2, 4, 6번 보어홀은 벤토나이트 그라우트로 뒤채움을 하여 그라우트 종류에 따른 열전달 효율을 비교하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 CFD 수치해석을 위해 유한 체적 해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 현장에 시공된 수직 밀폐형 지중열교환기를 현장시공 조건과 동일하게 3차원 수치해석 모델링을 실시하였다. 각각의 보어홀은 보어홀의 깊이, 순환파이프(HDPE)두께 및 단면 형상을 현장 조건과 동일하도록 모델링하였으며 HDPE 순환파이프는 두께 0.5cm이고 외경 4.3cm이며, 보어홀 직경 15cm, 경계면 효과를 최소로 하기 위하여 지반의 해석 범위는 7.5m로 적용하였다. FLUENT를 이용하여 열전달 거동을 평가하기 위해 유체의 흐름(Fluid) 부분은 최대한 정밀하게 3차원 격자로 구성을 하였으며 Fig.
- 보어홀은 Fig. 4와 같이 1번홀을 제외한 모든 보어홀이 약 150m까지 관입이 이루어 졌으며 각각의 보어홀의 수평 이격거리는 5m로 시공되었다. 그러나 시공 후, 보어홀 하부에 굴착 시 발생하는 슬라임이 쌓여 최종 천공 깊이는 보어홀 마다 다소 차이가 있다.
- 지중열교환기 시공과 현장 열응답 시험이 진행된 시험시공 현장은 강원도 원주지역으로 Fig. 3과 같이 지반이 대부분 연암층으로 구성되어 있다. 현장 시공 및 열응답 시험은 전열성 그라우트의 성능과 순환파이프 단면 특성을 분석하기 위하여 실시하였다.
데이터처리
- 역해석을 통해 선정된 시험시공 현장 원지반의 열전도도(4W/mK)를 나머지 4개 보어홀에 대해 적용하여 수치해석을 수행하였고, Fig. 8은 1, 2, 5, 6번 보어홀에 원지반의 평균 열전도도 4W/mK를 수치해석에 적용한 결과와 각 보어홀에서 수행한 현장 열응답 시험 결과의 비교를 보여준다.
이론/모형
- 지중 유효 열전도도를 산정하기 위한 이론으로 선형 열원 모델(Line-source model)과 원통형 열원 모델(Cylinder-source model)이 있다. 본 연구에서는 지중열교환기를 무한길이의 직선 열원로 가정한 선형 열원 모델(Line-source model)을 적용하였다. 선형 열원 모델에서는 열전달이지중열교환기와 지반의 접촉면에서 일정한 열 유속으로 열원의 반경 방향으로만 열전달이 이루어지고, 열원의 온도는 항상 일정하게 유지된다고 가정하며 지반의 열적 물성치는 일정하고, 지하수의 이동은 고려하지 않는다.
- 파이프 내 순환수의 유속은 현장 열응답 시험 시 측정된 값과 동일하게 Table 2와 같이 적용 하였으며, 현장 열응답 시험과 동일한 열 부하 조건으로 수치해석을 수행하기 위해 시간에 따라 유출 파이프에서 나온 순환수의 온도에 열응답 시험기에서 가열에 의해 추가되는 온도를 일정하게 증가시켜 유입 파이프로 들어가는 순환수 유입 온도를 경계조건으로 적용하기 위해 FLUENT에서 제공하는 UDF(User Define Function)를 이용하였다.
성능/효과
- (1) 유한체적해석 프로그램인 FLUENT를 통한 3차원 열전달 거동 해석을 위해 파이프 직경 및 두께, 보어홀, 지반등을 현장 시공 조건과 동일하게 모델링한 결과, 현장 열응답 시험에서 얻어지는 실시간 유입 수와 유출수 온도변화를 수치해석을 통해 적절히 모사할 수 있음을 확인하였다.
- (2) 지중열교환기가 시공된 Test bed 시공 현장 원지반의 평균 열전도도는 현장 열응답 시험 결과에 대한 역해석을 통해 4W/mK로 평가하였다.
- (2010)이 제안한 3공형단면을 사용하여 파이프 단면형상 대한 영향을 비교 검토하였다. 3공형 단면은 U-tube 파이프 단면에 비해 유출입 파이프 사이에 부분적인 단열 구간이 형성 하여 파이프 간 상호 열간섭을 감소시킬 수 있어 전체 시스템의 열전달 효율을 향상 시키는 것으로 예상되었다. 따라서, 본 연구에서는 파이프간 열간섭을 감소시키기 위해 U-tube 파이프 사이에 파이프 하나를 추가로 삽입한 형태로 3공형 파이프를 시공하였으며 추가로 삽입한 파이프에는 물을 채워 보어홀에 파이프 관입시 지하수에 의한 부력에 저항하도록 하였다.
- Fig. 6에서 확인할 수 있듯이, 시멘트 그라우트를 사용한 3번 보어홀 지중열교환기의 수치해석 결과, 원 지반의 열전도도를 3W/mK로 적용할 때 보다 4W/mK로 적용할 때, 현장 열응답 시험 결과와 근접한 유입수와 유출수 온도변화 양상을 보였다. 또한, Fig.
- 현장 열응답 시험 결과와 수치해석 결과 모두 시멘트 그라우트를 사용한 1, 3, 5번 보어홀의 경우 벤토나이트 그라우트를 사용한 보어홀에 비해 상대적으로 높은 지중 유효 열전도도를 보였다. 또한 그라우트에 첨가재로 흑연을 첨가한 경우가 첨가하지 않은 경우보다 높은 지중 유효 열전도도가 얻어졌으며, 3공형 순환 파이프가 U-tube 순환 파이프보다 지중 유효 열전도도가 높게 나타났다. 이는 첨가재로 흑연을 첨가한 경우와 시멘트 그라우트로 시공 할 경우 벤토나이트 그라우트보다 높은 열전달 효율을 기대할 수 있으며 기존의 U-tube보다는 3공형이 유출과 유입 파이프 사이의 열간섭을 감소시켜 높은 열전달 효율을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
- 6℃가량 오른 것으로 밝혀졌다. 또한 지구온난화의 추세가 지속 될 경우 2050년에 한반도 기온은 약 3℃ 오르고 17%의 강수량 증가를 가져올 것으로 예측하였다. 따라서 코펜하겐 기후변화회의(2009)등 지구 온난화에 따른 환경 규제와 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지에 대한 관심이 점차 늘어남에 따라 국내에서도 그린 홈 100만호 보급 사업 등 신재생에너지에 대한 투자가 늘어나고 있다.
- 비록 5번 보어홀에서는 수치해석결과가 유입수와 유출수의 온도상승을 다소 과소평가하는 것으로 나타났지만, 대체로 모든 보어홀에서의 수치해석 결과와 현장 열응답 시험 결과가 잘 일치하였다. 이로부터 현장 열응답 시험을 실시한 현장의 원지반 평균 열전도도는 4W/mK 가 적합할 것으로 사료 된다.
- 수치해석 결과 평균적으로 5시간 이후에 온도-시간 관계가 선형화 되는 것으로 나타났다. 현장 열응답 시험에서 계산된 지중 유효 열전도도와 수치해석에서 계산된 지중 유효 열전도도를 다음 Table 4에 정리하였다.
- 또한 그라우트에 첨가재로 흑연을 첨가한 경우가 첨가하지 않은 경우보다 높은 지중 유효 열전도도가 얻어졌으며, 3공형 순환 파이프가 U-tube 순환 파이프보다 지중 유효 열전도도가 높게 나타났다. 이는 첨가재로 흑연을 첨가한 경우와 시멘트 그라우트로 시공 할 경우 벤토나이트 그라우트보다 높은 열전달 효율을 기대할 수 있으며 기존의 U-tube보다는 3공형이 유출과 유입 파이프 사이의 열간섭을 감소시켜 높은 열전달 효율을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 현장 열응답 시험결과와 수치해석으로 평가된 유효 열전도도가 거의 유사하게 계산 되었으므로 수치해석을 통하여 수직 밀폐형 지중열교환기의 현장 열응답 시험 모사가 가능함을 알 수 있으며, 역해석을 통하여 원지반의 열전도도를 유추할 수 있다.
- 본 논문에서는현장 열응답시험에 대한 역해석을 통해 보어홀 영향을 배제한 지중 열전도도를 산정하는 방법을 제시하고 있다. 즉, 동일한 지반조건에 다양한 시공조건(그라우트 종류, 첨가재 종류, 파이프 형상)을 갖는 6개의 서로 다른 수직밀폐형 지중열교환기 중에서 3번과 4번 지중열교환기에 수행된 열응답시험 결과와 가장 근접하도록 하는 지반의 열전도도를 역해석을 통해 유추하고 이를 나머지 4개 지중열교환기에 적용한 수치모사 결과와 현장 열응답시험 결과와 비교를 통해 역해석을 통해 예측된 지중 열전도도의 타당성을 보였다.
- 현장 열응답 시험 결과와 수치해석 결과 모두 시멘트 그라우트를 사용한 1, 3, 5번 보어홀의 경우 벤토나이트 그라우트를 사용한 보어홀에 비해 상대적으로 높은 지중 유효 열전도도를 보였다. 또한 그라우트에 첨가재로 흑연을 첨가한 경우가 첨가하지 않은 경우보다 높은 지중 유효 열전도도가 얻어졌으며, 3공형 순환 파이프가 U-tube 순환 파이프보다 지중 유효 열전도도가 높게 나타났다.
- 이는 첨가재로 흑연을 첨가한 경우와 시멘트 그라우트로 시공 할 경우 벤토나이트 그라우트보다 높은 열전달 효율을 기대할 수 있으며 기존의 U-tube보다는 3공형이 유출과 유입 파이프 사이의 열간섭을 감소시켜 높은 열전달 효율을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 현장 열응답 시험결과와 수치해석으로 평가된 유효 열전도도가 거의 유사하게 계산 되었으므로 수치해석을 통하여 수직 밀폐형 지중열교환기의 현장 열응답 시험 모사가 가능함을 알 수 있으며, 역해석을 통하여 원지반의 열전도도를 유추할 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.