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제안 방법
- (3) 지열시스템 설계 시 지반의 유효 열전도도 외에 보어홀 열저항은 중요한 설계 인자이기에 에너지 파일의 보어홀 열저항을 수치 해석을 통하여 도출해 보았다. 열응답 시험을 통한 순환수 온도와 그라우트 온도의 계측값은 수치해석 결과와 거의 일치하였다.
- Fig. 2와 같이 W자형과 3U자형 열교환기가 설치된 에너지 파일에 열응답 실험기를 적용하여 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침에 따라 30시간동안 현장 열응답 실험을 수행하였으며 순환수와 그라우트 온도값을 10분 간격으로 계측 하였다.
- 수치해석에 사용된 열 물성치는 Table 2와 같다. Soil1은 지하수위 위의 건조시료를 나타내며 현장의 시료를 채취하여 Hukseflux사의 비정상 탐침(non-steady state probe method) 장비인 TP-08을 이용하여 열전도도를 측정하였다. 또한 Soil2는 지하수위 아래로써 Soil2의 열전도도는 Park et al[6]이 제안한 현장 함수비와 단위중량에 따른 화강풍화토의 열전도도식을 이용하여 도출하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현장에 PHC 에너지 파일을 설치하고 국내 에너지 파일에는 거의 적용 실적이 없는 W와 3U 타입의 지중 열교환기를 파일 내 설치한 후 현장 열응답 실험을 수행하여 지반의 유효 열전도도를 산출하였으며 이를 실내실험을 통해 도출된 값과 상호 비교하였다. 또한 지열시스템 설계에 있어서 지반의 유효 열전도도 외에 보어홀 열저항 값도 매우 중요한 요소이기에[7] 현장 열응답 실험을 통해 보어홀의 열저항을 산정하였으며 이를 수치해석과 비교 분석하였다.
- 시멘트 그라우트, PHC 파일, PB 파이프 그리고 순환수의 물성값은 관련 문헌을 참고하였다[4]. 또한 순환수온도는 열 응답 실험데이터를 근거로 만든 함수식을 사용하여 투입하였다(Fig. 5). 유한요소 모델을 위해 Free tetrahedral 격자망이 사용되었으며 최대 요소 크기는 0.
- 시공 여건을 고려하여 PHC 파일 벽면에 열교환기를 설치하였다. 또한 열교환기 입출구 뿐만 아니라 내부 그라우트에도 온도 센서를 설치하여 열응답 실험 중 그라우트의 온도변화를 측정하였다. 열응답 장비 내의 지중 열교환기 입출구 부위에는 전기식 센서인 RTD(Resistance Temperature Detector) 센서를 설치하였으며 파일 내부 그라우트에는 광센서인 FBG(Fiber Brag Grating) 센서를 설치하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현장에 PHC 에너지 파일을 설치하고 국내 에너지 파일에는 거의 적용 실적이 없는 W와 3U 타입의 지중 열교환기를 파일 내 설치한 후 현장 열응답 실험을 수행하여 지반의 유효 열전도도를 산출하였으며 이를 실내실험을 통해 도출된 값과 상호 비교하였다. 또한 지열시스템 설계에 있어서 지반의 유효 열전도도 외에 보어홀 열저항 값도 매우 중요한 요소이기에[7] 현장 열응답 실험을 통해 보어홀의 열저항을 산정하였으며 이를 수치해석과 비교 분석하였다.
- 1과 같으며 두 파일간 간격은 2m 이다. 시공 여건을 고려하여 PHC 파일 벽면에 열교환기를 설치하였다. 또한 열교환기 입출구 뿐만 아니라 내부 그라우트에도 온도 센서를 설치하여 열응답 실험 중 그라우트의 온도변화를 측정하였다.
- 연구에서는 PHC 파일 내에 W자형과 3U자형의 지중 열교환기를 설치한 후 현장 열응답 시험을 수행하였다. 그리고 열응답 시험 데이터를 이용하여 무한 선형 열원 이론과 수치해석 모델로 계산을 수행하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 연구에서는 유한요소 해석프로그램인 COMSOL Multiphysics (Verson 4.3)을 이용하여 열교환기 형상 및 배치에 따른 에너지파일의 열적 거동을 해석하였다. 대류와 전도에 의한 수치 모델의 지배 방정식은 식 (9)와 같다.
- 또한 열교환기 입출구 뿐만 아니라 내부 그라우트에도 온도 센서를 설치하여 열응답 실험 중 그라우트의 온도변화를 측정하였다. 열응답 장비 내의 지중 열교환기 입출구 부위에는 전기식 센서인 RTD(Resistance Temperature Detector) 센서를 설치하였으며 파일 내부 그라우트에는 광센서인 FBG(Fiber Brag Grating) 센서를 설치하였다. FBG 센서는 전기식 센서와 달리 선 하나에 여러 개의 센서를 동시에 부착할 수 있는 멀티플렉싱 (multi-plexing)기능을 가지고 있다[8].
- 2와 같이 W자형과 3U자형 열교환기가 설치된 에너지 파일에 열응답 실험기를 적용하여 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침에 따라 30시간동안 현장 열응답 실험을 수행하였으며 순환수와 그라우트 온도값을 10분 간격으로 계측 하였다. 일반적으로 수직 밀폐형의 경우 48시간이상 열응답 실험이 수행되어야 하나 본 실험에서는 30시간 이내에 순환수 온도가 거의 정상상태에 도달하여 30시간 동안 실험을 수행하였다. 또한 현장 조건을 재현하여 수치모델로 계산을 실시하였으며 이를 실험값과 비교하였다.
대상 데이터
- 4는 열응답 실험의 시뮬레이션을 위한 유한요소 모델을 보여준다. 말뚝 내부에 설치된 W 타입과 3U 타입의 지중 열교환기 형태 및 배치는 Fig. 1과 같으며, Table 1에서처럼 PHC말뚝은 외경 0.4 m, 내경 0.225 m(W자형), 0.24 m(3U자형) 으로 설정하였다. 말뚝을 둘러쌓고 있는 지반(2 m×2 m×15.
- 본 연구에서는 2012년 3월 준공예정인 154kV 호매실 변전소 공사 부지에서 PHC 파일을 이용한 현장 열응답 실험을 수행하였다. 에너지 파일은 PHC 파일 내부에 PB(Polybutylene) 소재의 파이프를 3U 및 W 형태로 결속한 후 내부에 시멘트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있으며 열교환기 배치 상태는 Fig.
- 5kg의 햄 머를 76cm 높이에서 낙하시켜 샘플러가 30cm 관입하는데 필요한 타격횟수를 뜻하는 것으로써 지반의 상대적인 굳기를 나타내는 값이다. 본 현장의 지반은 실트 및 세립질과 조립질 모래로 분해되어 채취되었고 지하수위는 파일 두부에서 GL(-)4.5m 심도에 위치하였다. 또한 GL(-)11.
- FBG 센서는 전기식 센서와 달리 선 하나에 여러 개의 센서를 동시에 부착할 수 있는 멀티플렉싱 (multi-plexing)기능을 가지고 있다[8]. 실험지역에 대해 지반조사를 수행한 결과 풍화토와 풍화암으로 구성되어 있었다. 그 중 풍화토는 19/30∼50/12의 N값을 가지고 추정할 때 중간내지 조밀한 상대밀도를 나타냈다.
- 본 연구에서는 2012년 3월 준공예정인 154kV 호매실 변전소 공사 부지에서 PHC 파일을 이용한 현장 열응답 실험을 수행하였다. 에너지 파일은 PHC 파일 내부에 PB(Polybutylene) 소재의 파이프를 3U 및 W 형태로 결속한 후 내부에 시멘트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있으며 열교환기 배치 상태는 Fig. 1과 같으며 두 파일간 간격은 2m 이다. 시공 여건을 고려하여 PHC 파일 벽면에 열교환기를 설치하였다.
- 5). 유한요소 모델을 위해 Free tetrahedral 격자망이 사용되었으며 최대 요소 크기는 0.590 m, 최소 요소 크기는 0.025 m이다. 반면, 열교환기 벽면의 격자요소 형성은 직접 격자망을 구성하지 않고 Comsol Pipe 모듈에 내장된 wall layer 기능을 이용하였다.
데이터처리
- 일반적으로 수직 밀폐형의 경우 48시간이상 열응답 실험이 수행되어야 하나 본 실험에서는 30시간 이내에 순환수 온도가 거의 정상상태에 도달하여 30시간 동안 실험을 수행하였다. 또한 현장 조건을 재현하여 수치모델로 계산을 실시하였으며 이를 실험값과 비교하였다. 히터 투입 전 초기 10분 동안 무부하 운전을 통하여 지반의 초기 온도를 도출하였으며 3U자형 열교환기 설치시는 17.
이론/모형
- Soil1은 지하수위 위의 건조시료를 나타내며 현장의 시료를 채취하여 Hukseflux사의 비정상 탐침(non-steady state probe method) 장비인 TP-08을 이용하여 열전도도를 측정하였다. 또한 Soil2는 지하수위 아래로써 Soil2의 열전도도는 Park et al[6]이 제안한 현장 함수비와 단위중량에 따른 화강풍화토의 열전도도식을 이용하여 도출하였다. 시멘트 그라우트, PHC 파일, PB 파이프 그리고 순환수의 물성값은 관련 문헌을 참고하였다[4].
- 또한 Soil2는 지하수위 아래로써 Soil2의 열전도도는 Park et al[6]이 제안한 현장 함수비와 단위중량에 따른 화강풍화토의 열전도도식을 이용하여 도출하였다. 시멘트 그라우트, PHC 파일, PB 파이프 그리고 순환수의 물성값은 관련 문헌을 참고하였다[4]. 또한 순환수온도는 열 응답 실험데이터를 근거로 만든 함수식을 사용하여 투입하였다(Fig.
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