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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현장 열응답 시험을 통해 지중 열전도도 뿐만 아니라 지중 열확산계수도 도출할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 U자형과 2U자형 지중 열교환기를 매립지 부지에 설치한 후 48시간 동안 현장 열응답 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 지중 열교환기를 설치한 후 지반의 열전도도를 산정하기 위하여 U자형과 2U자형 지중 열교환기에 대해 현장 열응답 실험을 실시하였다. 지중 열교환기가 설치된 보어홀에 장비를 연결하여 48시간 동안 현장 열응답 시험을 수행하였다.
제안 방법
- (2) 현장 열응답 시험 결과를 비선형 회귀분석에 적용하여 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수 값의 적합성을 검증하기 위하여 지층별 시료를 채취하여 실내 비정상 탐침법을 실시하거나 문헌값을 이용하였다. 각 지층별로 얻어진 열전도도와 열확산계수 값을 깊이별 가중 평균하여 등가의 단일 지반으로 환산 결과 열전도도는 2.
- Yoon et al.(2013)은 U자형과 W자형 지중 열교환기를 설치하여 지중과의 열효율을 측정할 수 있는 열성능 실험(thermal performance test)을 수행하였으나 본 연구에서는 W자형과 거의 유사한 열전달 거동을 보이는 2U자형 지중 열교환기를 설치하였다. 지중 열교환기는 PB(polybutylene) 소재의 파이프(외경/내경: 20mm/16mm)가 사용되었고 보어홀 내부는 벤토 나이트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있다.
- 5m까지의 매립층의 경우 현장에서 탐침장비를 지반에 꽂아 열물성을 측정하였으며 그 밖의 세 지층은 현장 SPT 시험으로부터 시료를 채취하였다. 마지막 층인 화강풍화암(weathered granite rock)을 제외한 퇴적층(sedimentary soil)과 화강풍화토층(weathered granite soil)은 현장 단위중량과 함수비에 맞게 실내에서 시료를 성형하여 열물성을 측정하였다. 퇴적층의 현장 간극비(0.
- 620mm2/s로 예측되었다. 마지막으로 화강풍화암층은 풍화된 암석의 특성상 실내 탐침법으로 물성을 측정하기에는 어려움이 있어 GLD(2012)에 의거하여 열물성을 도출하였다. Table 2는 지중 열교환기가 설치된 지반에서의 열전도도와 열확산계수 값을 나타내고 있다.
- 본 논문에서는 매립토 지반에 U자형과 2U자형의 지중 열교환기를 설치하고 48시간 연속으로 현장 열응답 시험을 실시하였다. 열응답 시험 결과를 무한 선형 열원 이론에 대입하여 지반의 열전도도 뿐만 아니라 열확산계수 값을 도출하여 통계적 유의성을 분석하였다.
- 이때 히터 투입 전 30분간 무부하 운전을 통해 도출된 지반의 초기 온도는 15.8∼16.5°C였으며 실험 시 유량은 난류 조건 형성을 위하여 6∼8lpm 값으로 제어하였고 순환수 온도뿐만 아니라 유량 값도 10분 간격으로 실시간으로 계측 저장하였다.
- 열응답 시험 결과를 무한 선형 열원 이론에 대입하여 지반의 열전도도 뿐만 아니라 열확산계수 값을 도출하여 통계적 유의성을 분석하였다. 이렇게 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수 값의 적합성을 검증하기 위하여 지중 열교환기가 설치된 현장에서 상이한 지층별로 시료를 채취하여 실내에서 비정상 팀 침법을 이용하여 지반의 열전도도와 열확산계수를 측정하여 상호 비교 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현장 열응답 시험을 통해 지중 열전도도 뿐만 아니라 지중 열확산계수도 도출할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 U자형과 2U자형 지중 열교환기를 매립지 부지에 설치한 후 48시간 동안 현장 열응답 실험을 실시하였다. 실험 결과를 비선형 회귀분석(non-linear regresssion analysis) 방법을 적용용하여 지중 열전도도와 지중 열확산계수를 예측한 후 통계적 유의성을 검증하였다.
- 4와 같이 지중 열교환기를 설치한 후 지반의 열전도도를 산정하기 위하여 U자형과 2U자형 지중 열교환기에 대해 현장 열응답 실험을 실시하였다. 지중 열교환기가 설치된 보어홀에 장비를 연결하여 48시간 동안 현장 열응답 시험을 수행하였다. 이때 히터 투입 전 30분간 무부하 운전을 통해 도출된 지반의 초기 온도는 15.
- 현장 열응답 시험으로부터 산출된 지중 열물성 값의 적합성을 검증하기 위하여 지중 열교환기가 설치된 지반에서 시료를 채취하여 각 지층별 지반의 열전도도와 열확산계수를 측정하였다. SPT(standard penetration test) 시험시 교란 시료를 실내로 운반하여 현장 물성에 맞게 시료를 성형하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 크게 네 개 층으로 구성된 시료 중 지표면에서 3.5m까지의 매립층의 경우 현장에서 탐침장비를 지반에 꽂아 열물성을 측정하였으며 그 밖의 세 지층은 현장 SPT 시험으로부터 시료를 채취하였다. 마지막 층인 화강풍화암(weathered granite rock)을 제외한 퇴적층(sedimentary soil)과 화강풍화토층(weathered granite soil)은 현장 단위중량과 함수비에 맞게 실내에서 시료를 성형하여 열물성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 매립지 지반에 U자형과 2U자형 지중 열교환기를 15cm 보어홀 직경 내에 수직 깊이 50m로 설치하였다(Fig. 1). Yoon et al.
- (2013)은 U자형과 W자형 지중 열교환기를 설치하여 지중과의 열효율을 측정할 수 있는 열성능 실험(thermal performance test)을 수행하였으나 본 연구에서는 W자형과 거의 유사한 열전달 거동을 보이는 2U자형 지중 열교환기를 설치하였다. 지중 열교환기는 PB(polybutylene) 소재의 파이프(외경/내경: 20mm/16mm)가 사용되었고 보어홀 내부는 벤토 나이트 그라우트를 채운 형태로 구성되어 있다. 보어홀 간 간격은 6m이며 실험지역에 대해 지반조사를 수행한 결과 실트 및 모래질 퇴적층과 풍화암, 연암 등으로 구성되어 있었다(Fig.
데이터처리
- (1) 48시간 동안의 현장 열응답 시험시 시간에 따른 순환수의 분포는 비선형 거동을 보이며 초기 12시간의 데이터를 제외한 후 이를 무한 선형 열원 모델에 대입하여 비선형 회귀 분석을 실시하였다. 분석 결과 계수에 대한 유의성 및 분산비 검증에서 모두 유의성을 충족하였으며 결정계수 값도 0.
- Fig. 4와 Fig. 5와 같이 도출된 U자형과 W자형의 지중 열교환기의 현장 열응답 시험 결과를 이용하여 비선형 회귀분석을 실시하였다. 초기 12시간의 데이터를 제외한 후의 Fig.
- 실험 결과를 비선형 회귀분석(non-linear regresssion analysis) 방법을 적용용하여 지중 열전도도와 지중 열확산계수를 예측한 후 통계적 유의성을 검증하였다. 또한 현장에서 상이한 지층 별로 시료를 채취하여 실내에서 비정상 탐침법(non-steady state probe method)을 이용하여 지반의 열전도도와 열확산계수를 측정하여 현장 열응답 시험 결과와 비교 분석하였다.
- 이를 위해 U자형과 2U자형 지중 열교환기를 매립지 부지에 설치한 후 48시간 동안 현장 열응답 실험을 실시하였다. 실험 결과를 비선형 회귀분석(non-linear regresssion analysis) 방법을 적용용하여 지중 열전도도와 지중 열확산계수를 예측한 후 통계적 유의성을 검증하였다. 또한 현장에서 상이한 지층 별로 시료를 채취하여 실내에서 비정상 탐침법(non-steady state probe method)을 이용하여 지반의 열전도도와 열확산계수를 측정하여 현장 열응답 시험 결과와 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 매립토 지반에 U자형과 2U자형의 지중 열교환기를 설치하고 48시간 연속으로 현장 열응답 시험을 실시하였다. 열응답 시험 결과를 무한 선형 열원 이론에 대입하여 지반의 열전도도 뿐만 아니라 열확산계수 값을 도출하여 통계적 유의성을 분석하였다. 이렇게 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수 값의 적합성을 검증하기 위하여 지중 열교환기가 설치된 현장에서 상이한 지층별로 시료를 채취하여 실내에서 비정상 팀 침법을 이용하여 지반의 열전도도와 열확산계수를 측정하여 상호 비교 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이론/모형
- 따라서 화강풍화토는 Lee(2010)에 의해 제시된 식 (11)을 이용하여 열전도도를 도출하였으며 현장 함수비(w)는 30.6%, 건조밀도(ρd)는 1.65t/m3로 조사되었다.
- 식 (7)∼(9)를 통해 도출된 현장 지반에서의 등가 열전도도와 열확산계수 값의 적합성을 검증하기 위해 Table 2의 네 개의 현장 지층에 따른 열전도도와 열확산계수 값을 깊이별 가중 평균하여 얻어진 등가 환산된 값과 비교하였다. 이 중 식 (9)를 통해 열확산계수를 구하기 위해 적용된 보어홀 열저항 값은 Multipole 방법을 통해 산출되었다. Multipole 방법은 보어홀 열저항을 산정하는데 있어 가장 정확한 것으로 알려져 있다(Bennet et al.
성능/효과
- (3) 지열 냉난방 시스템 설계시 지반의 열전도도는 현장 열응답 시험을 통해 도출된 값을 적용하지만 지반의 열확산계수는 기존 문헌을 통해 임의의 값을 적용하고 있는 실정이기에 이는 설계의 부정확성을 초래할 수 있다. 하지만 본 연구를 통해 현장 열응답 시험을 통해 지반의 열전도도 뿐만 아니라 지반의 열확산계수 값도 도출할 수 있다는 것을 알 수 있었기에 실제 지열 냉난방 시스템 설계시 지반의 열확산계수 값도 본 연구에서 제시한 현장 열응답 시험을 통해 도출된 값을 적용하면 보다 정확하고 합리적인 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- (2) 현장 열응답 시험 결과를 비선형 회귀분석에 적용하여 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수 값의 적합성을 검증하기 위하여 지층별 시료를 채취하여 실내 비정상 탐침법을 실시하거나 문헌값을 이용하였다. 각 지층별로 얻어진 열전도도와 열확산계수 값을 깊이별 가중 평균하여 등가의 단일 지반으로 환산 결과 열전도도는 2.126W/(m･K), 열확산계수는 1.043mm2/s 값을 나타냈다. 따라서 현장 열응답 시험을 비선형 회귀분석에 적용하여 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수는 실제 지반 시료를 채취하여 실내 탐침법을 통해 얻어진 열전도도와 열확산계수 값과 10% 이내에서 정확히 일치함을 알 수 있었다.
- 043mm2/s 값을 나타냈다. 따라서 현장 열응답 시험을 비선형 회귀분석에 적용하여 도출된 지반의 열전도도와 열확산계수는 실제 지반 시료를 채취하여 실내 탐침법을 통해 얻어진 열전도도와 열확산계수 값과 10% 이내에서 정확히 일치함을 알 수 있었다.
- 분석 결과 계수에 대한 유의성 및 분산비 검증에서 모두 유의성을 충족하였으며 결정계수 값도 0.94∼0.98 정도의 높은 정확성을 보였다.
- Table 7은 실내 실험을 통해 도출된 등가 열물성 값과 현장 열응답 시험을 통해 도출된 열물성 값을 나타내고 있다. 비교 결과 현장 실험과 실내 실험을 통해 도출된 지반 열전도도와 열확산계수 값은 10% 이내에서 일치함을 알 수 있다. 따라서 현장 열응답 시험을 통해 지반의 열전도도 뿐만 아니라 지열 냉난방 시스템 설계에서 또다른 중요한 설계 변수인 열확산계수 값도 통계적으로 유의하게 도출할 수 있음을 알 수 있다.
- 48시간 동안의 입출구 온도차는 4∼7°C 정도 값을 나타냈으며 U자형의 경우 38W/m, 2U자형의 경우 62W/m의 열량이 산출되었다. 이를 토대로 U자형과 2U자형 지중 열교환기 이용에 따른 지반의 열전도도는 각각 2.127과 2.166W/(m･K) 값을 보였다. 열교환기 형태별 지반의 열전도도가 1∼2% 범위 내에서 차이를 보였으나 이는 지반의 초기온도가 완전히 일치하지 않았고 열교환기 형태의 차이 때문인 것으로 판단된다.
- 98 정도의 높은 정확성을 보였다. 이를 토대로 U자형과 2U자형 지중 열교환기 이용에 따른 지반의 열전도도는 각각 2.127과 2.166W/(m･K) 값을 보였으며 열확산계수는 각각 1.139와 0.902mm2/s 값을 보였다.
- 마지막 층인 화강풍화암(weathered granite rock)을 제외한 퇴적층(sedimentary soil)과 화강풍화토층(weathered granite soil)은 현장 단위중량과 함수비에 맞게 실내에서 시료를 성형하여 열물성을 측정하였다. 퇴적층의 현장 간극비(0.912)와 현장 함수비(28.5%)에서의 지반 열전도도는 1.803W/(m･K), 열확산계수는 0.798mm2/s로 측정되었다. 하지만 화강풍화토층의 경우 건조단위중량이 매우 높아 현장 함수비와 간극비에 맞게 시료를 조성하는데 어려움이 있었다.
후속연구
- 하지만 본 연구를 통해 현장 열응답 시험을 통해 지반의 열전도도 뿐만 아니라 지반의 열확산계수 값도 도출할 수 있다는 것을 알 수 있었기에 실제 지열 냉난방 시스템 설계시 지반의 열확산계수 값도 본 연구에서 제시한 현장 열응답 시험을 통해 도출된 값을 적용하면 보다 정확하고 합리적인 설계가 가능할 것으로 판단된다. 아울러 본 연구 결과는 지중 열물성 값이 중요한 변수로 작용하는 방사성폐기물을 지중에 안전하게 처분하기 위한 열-수리-역학 해석에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- (3) 지열 냉난방 시스템 설계시 지반의 열전도도는 현장 열응답 시험을 통해 도출된 값을 적용하지만 지반의 열확산계수는 기존 문헌을 통해 임의의 값을 적용하고 있는 실정이기에 이는 설계의 부정확성을 초래할 수 있다. 하지만 본 연구를 통해 현장 열응답 시험을 통해 지반의 열전도도 뿐만 아니라 지반의 열확산계수 값도 도출할 수 있다는 것을 알 수 있었기에 실제 지열 냉난방 시스템 설계시 지반의 열확산계수 값도 본 연구에서 제시한 현장 열응답 시험을 통해 도출된 값을 적용하면 보다 정확하고 합리적인 설계가 가능할 것으로 판단된다. 아울러 본 연구 결과는 지중 열물성 값이 중요한 변수로 작용하는 방사성폐기물을 지중에 안전하게 처분하기 위한 열-수리-역학 해석에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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