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지하수 부존지역에서 최적 지열에너지 활용방식 수치 모의
Numerical Simulations for Optimal Utilization of Geothermal Energy under Groundwater-bearing Conditions 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.24 no.4, 2014년, pp.487 - 499  

김진성 (한국농어촌공사 농어촌연구원) ,  차장환 ((주)지오그린21) ,  송성호 (한국농어촌공사 농어촌연구원) ,  정교철 (안동대학교 지구환경과학과)

초록
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최근 지열에너지 활용 증가 추세와 더불어 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형의 효율이 더 높다는 연구결과가 제시됨에도 불구하고, 국내 지열냉난방시스템의 열교환 방식은 수직밀폐형 방식이 주를 이루고 있다. 따라서, 본 연구에서는 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형 방식의 효율성을 검증하기 위하여, 수리지질 및 열적 특성을 반영한 최적의 지열에너지 활용 방식을 수치 모의하였다. 1차 모의 결과, 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 지열냉난방시스템을 활용하는 경우 수직밀폐형보다 지하수를 직접 이용하는 수직개방형이 더욱 효과적인 것으로 분석되었으며, 수직개방형 중에서는 SCW (standing column well)형 보다는 주입정과 추출정이 분리된 복수관정형에서 지반과 열교환을 통해 얻을 수 있는 주입수와 추출수의 온도차 (${\Delta}$)가 커 더욱 효율적인 것으로 나타났다. 2차 모의에서는 수직개방형 지열에너지 공급방식인 단일관정형, SCW형, 복수관정형을 대상으로 열 이송, 이격거리 및 유량, 지하수 수리경사 등을 고려한 최적의 활용 방식을 검토하였으며, 이를 바탕으로 지열냉난방시스템의 지중 열교환 방식 선정 시 활용할 수 있는 흐름도를 제시하였다. 본 연구결과 제시된 다양한 선정 기준을 기초로 실제 선정 시에는 전체 지열냉난방 시스템에 대한 COP (coefficient of performance) 계산 및 세부적인 타당성 검토가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

While the vertical open type of heat exchanger is more effective in areas of abundant groundwater, and is becoming more widely used, the heat exchanger most commonly used in geothermal heating and cooling systems in Korea is the vertical closed loop type. In this study, we performed numerical simula...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 지하수 부존지역에서 수리지질학적, 열적 특성을 반영한 최적의 지열에너지 활용 방식을 수치 모의를 통하여 검토하였다. 이를 위하여 1차적으로 지하수 부존 지역에 적합한 열교환 방식을 모의하였으며, 세부적인 활용방식을 결정하기 위하여 2차적으로 최적의 지열에너지 활용방식을 모의하였다.
  • 1차 모의 결과, 지하수 부존 지역에서 지열에너지 열교환 방식은 수직개방형이 적합한 것으로 판명되어, 2차 모의에서는 수직개방형의 최적 이용방식에 대하여 모의하였다. 본 모의에서는 수직개방형의 3가지 열교환 방식에 대하여 개념모델을 구축하고 유한요소 모델을 이용한 지하수 유동 및 열 이송 모의를 통하여 지하수 부존 지역에서 최적의 지열에너지 활용방식을 도출하고자 하였다.
  • 본 연구의 1차 모의에서는 지하수 부존량이 풍부한 지역의 수리지질 및 지온 분포 특성과 열물성을 반영하여 최적의 열교환 방식을 결정하고자 하였다. 모의 결과는 동일한 조건에서 열교환 방식별로 추출되는 온도를 통하여 비교하였다.

가설 설정

  • 냉난방 시기는 냉난방시스템을 가동하는 농가의 운전조건과 냉난방 시 주입수 온도(난방 시 2~7℃, 냉방 시 27~35℃)를 기준으로, 난방 시의 최소값과 냉방 시의 최대값을 적용하여 온도 변화를 극대화하였다. 또한, 지표의 온도변화는 없고 모델영역 내에서 깊이에 따른 지하수의 수직적 온도 분포가 일정하다고 가정하였으며, 난방은 11월부터 다음해 4월까지 6개월 동안 2℃의 주입수를 주입하며, 냉방은 7~8월의 2개월 동안 35℃의 주입수를 주입하여 열교환을 수행하도록 설정하여 10년간 모의하였다.
  • 지하수 유동에 이용되는 지배방정식은 모의 영역이 포화대이고 대수층은 다공성 매질로 변형되지 않으며, 유체는 비압축성(incompressible)으로 지하수시스템은 등온 조건 하에 있다는 가정으로부터 도출된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지열냉난방시스템은 어떻게 구분되는가? 지열냉난방시스템은 열교환 방식에 따라 지중에 설치된 배관 내에서 순환하는 물이나 순환수를 통해서 열교환을 하는 밀폐형(closed loop type)과 지하수를 직접 양수하여 열교환을 하는 개방형(open type)으로 나눌 수 있다(Kim et al., 2013).
국내 지열냉난방시스템의 열교환 방식은 어떤 방식이 주를 이루고 있는가? 최근 지열에너지 활용 증가 추세와 더불어 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형의 효율이 더 높다는 연구결과가 제시됨에도 불구하고, 국내 지열냉난방시스템의 열교환 방식은 수직밀폐형 방식이 주를 이루고 있다. 따라서, 본 연구에서는 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형 방식의 효율성을 검증하기 위하여, 수리지질 및 열적 특성을 반영한 최적의 지열에너지 활용 방식을 수치 모의하였다.
복수관정형에 대한 모의결과 유량이 증가함에 따라 냉방모드의 경우 16.3~12.2℃의 차이를 보이며 난방모드는 6.8~4.9℃로 온도변화 폭이 감소하였는데 그 이유는 무엇으로 판단 되는가? 9℃로 온도변화 폭이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 유량이 증가함에 따라 추출정에서 주입수의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단된다. 이격거리 20 m의 경우, 냉방모드 시 온도 차이는 유량이 증가함에 따라 18.
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참고문헌 (18)

  1. European Geothermal Energy Council (EGEC), 2009, Geothermal heat pumps - ground source heat pumps, Retrieved from http://egec.info/wp-content/uploads/2011/01/EGEC-Brochure-GSHP-2009.pdf. 

  2. Hahn, J. S., 1999, Groundwater environment and contamination, Pakyoungsa, 85p (in Korean). 

  3. Hahn, J. S., Hahn, H. S., Hahn, C., Kim, H. S., and Jean, J. S., 2006, Design guidlines of geothermal heat pump system using standing column well, Economic and Environmental Geology, 39(5), 607-613 (in Korean with English abstract). 

  4. Kim, H. C. and Lee, Y. M., 2007, Heat flow in the Republic of Korea, Journal of Geophysical Research, 112, B05413, doi:10.1029/2006JB004266. 

  5. Kim, H. S., 2011, Optimal well array for high performance system design of ATES, MSc Thesis, Kongju National University, 45p (in Korean with English abstract). 

  6. Kim, J. H., Park, J. H., Kim, Y. Y., Park, S. Y., Kim, Y. H., and Lee, J. M., 2006, A practical study on the ground heat pump with standing column well, Ministry of Commerce Industry and Energy, 2004-N-GE11-P-01, 124-147 (in Korean). 

  7. Kim, J. S. and Kong, H. J., 2011, Overview of ground heat exchanger on standing column well type, Geothermal Energy Journal, 7(1), 6-12 (in Korean). 

  8. Kim, J. S., Song, S. H., and Jeong, G. C., 2013, Thermal conductivity from an in-situ thermal response test compared with soil and rock specimens under groundwater-bearing conditions, The journal of Engineering Geology, 23(4), 389-398 (in Korean with English abstract). 

  9. Korea energy management corporation (KEMCO), 2014, 2014 Energy statistics handbook, 130-131 (in Korean). 

  10. Kwon, K. S., Lee, J. Y., and Mok, J. K., 2012, Update of current status on ground source heat pumps in Korea (2008-2011), Journal of the Geological Society of Korea, 48(2), 193-199 (in Korean with English abstract). 

  11. Lee, C. H., Park, M. S., Min, S. H., Choi, H. S., and Sohn, B. H., 2010, Evaluation of performance of grouts and pipe sections for closed-loop vertical ground heat exchanger by in-situ thermal response test, The journal of Korean Geotechnical Society, 26(7), 93-106 (in Korean with English abstract). 

  12. Lee, J. Y., 2009, Current status of ground source heat pumps in Korea, Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 1560-1568. 

  13. Lee, J. Y., Won, J. H., and Hahn, J. S., 2006, Evaluation of hydrogeologic conditions for groundwater heat pumps: analysis with data from national groundwater monitoring stations, Geoscience Journal, 10(1), 91-99. 

  14. Nam, Y. J., 2011, Numerical analysis for the effect of ground and groundwater conditions on the performance of ground source heat pump systems, Korean Jouranl of Air-conditioning and Refrigeration Engineering, 23(5), 321-326 (in Korean with English abstract). 

  15. Nordic Energy Research, 2005, Ground source cooling, EU Commission SAVE Programme & Nordic Energy Research, 21p. 

  16. Park, S. G., In, N. S., Song, Y. S., Oh, J. N., Jeon, B. K., Lee, S. I., and Yang, D. J., 2006, Research of two-well type ground water heat pump system, Ministry of Commerce Industry and Energy, 2004-N-GE11-P-02, 73-105 (in Korean). 

  17. Shim, B. O. and Lee, C. W., 2010, Status of underground thermal energy storage as shallow geothermal energy, Economic and Environmental Geology, 43(2), 197-205 (in Korean with English abstract). 

  18. Song, Y. H. and Lee, Y. M., 2006, Status and outlook of geothermal energy exploitation technologies, The Korean Society for New And Renewable Energy 2006 Fall conference, 20-23 (in Korean with English abstract). 

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