[논문]개방형 지열 시스템 설계법 개발을 위한 관정 주위 지중 온도 환경 검토

배상무; 김홍교; 김현우; 남유진

doi:10.17664/ksgee.2017.13.1.014

개방형 지열 시스템 설계법 개발을 위한 관정 주위 지중 온도 환경 검토
Study on the Underground Thermal Environment around Wells for a Design Method of Open-Loop Geothermal System 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.13 no.1, 2017년, pp.14 - 20

배상무 (부산대학교 건축공학과) , 김홍교 (부산대학교 건축공학과) , 김현우 (부산대학교 건축공학과) , 남유진 (부산대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Groundwater heat pump (GWHP) system can achieve higher performance of the system by utilizing heat source of the annual constant groundwater temperature. The performance of GWHP system depends on the ground thermal environment such as groundwater temperature, groundwater flow rate and hydraulic conductivity. In this study, the geothermal environment was analyzed by using numerical simulation for develop the two-well geothermal system. As the result, this paper shows the change of the groundwater level and underground temperature around wells according to the conditions of flow rate and hydraulic conductivity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 지하수의 유동, 지하수위 변화 및 지중온도 변화를 동시에 정확하게 해석한 연구는 드물다. 따라서, 본 연구에서는 개방형 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 지하수지중열 이동 해석 툴을 이용한 시뮬레이션을 실시하여, 설계인자 도출 및 개방형 지열 시스템의 최적 설계법 개발을 하고자 한다. 본 논문에서는, 지중 환경 및 시스템 도입 조건에 따른 관정 주변의 지하수수위 및 지중온도 분포에 대해 서술하였다.
따라서, 본 연구에서는 개방형 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 지하수지중열 이동 해석 툴을 이용한 시뮬레이션을 실시하여, 설계인자 도출 및 개방형 지열 시스템의 최적 설계법 개발을 하고자 한다. 본 논문에서는, 지중 환경 및 시스템 도입 조건에 따른 관정 주변의 지하수수위 및 지중온도 분포에 대해 서술하였다.
본 연구에서는 복수정 지열 시스템 운전에 따른지중 열 환경을 해석하기 위해 지중 투수계수 및 지하수 유량 조건에 따른 지하수 유동, 지하수 수위 및지중 온도변화를 정량적으로 분석하였다. 본 연구의결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 복수정 지열 시스템을 대상으로 지중의 투수계수와 양수량에 의한 지하수 유동, 지하수 수위 변화 및 지중온도 변화에 따른 지중 열 환경을 정량적으로 해석하기 위해 Case study를 진행하였다
본 연구에서는 양수량과 투수계수의 2가지 케이스를 통해 지하수 수위 및 지중온도 변화를 확인하고자 하였다. Fig.

가설 설정

두 개의 관정 간 이격거리를 15 m로 설정하여 열간섭에 의한 영향을 방지하고자 하였다. 관정의 총 깊이는 300 m이며 100 m~200 m에 풍부한 대수층이 존재한다고 가정하고 50 m 길이의 스크린을 심도 150 m에 설치하였다.
열량(Heatflux) 및 유량(Flowflux)의 유입 조건은 운전 시간에 맞추어 결정하였다. 또한, 취수정 및 주입정의 온도차이는 10℃이며 초기 지중온도는 16℃로 가정하였다. 지반 조건은 국내 기반암인 화강암의지중 열물성치를 적용하였다.

제안 방법

Table 1은 시뮬레이션 조건을 나타낸다. 관정에 유입되는 양수량은 100, 200, 300 m³/day로 설정하였다. 지하수의 유속은 등류 흐름이라 가정하고 등류유량 공식인 Manning 방정식 (2)을 이용하여 산출하였다.
또한 열적, 수리적 영향범위를 충분히 고려하여 60 m × 90 m × 300 m의 해석영역을 설정하고 그 중심에 관경 300 mm의 관정을 설치하였다. 두 개의 관정 간 이격거리를 15 m로 설정하여 열간섭에 의한 영향을 방지하고자 하였다. 관정의 총 깊이는 300 m이며 100 m~200 m에 풍부한 대수층이 존재한다고 가정하고 50 m 길이의 스크린을 심도 150 m에 설치하였다.
또한, 양수 또는 주입 운전 중인 복수의 관정 주변에서 발생하는 수리적, 열적 변화를 정확하게 재현하기는 쉽지 않다. 따라서 본연구에서는, 지하수 유동 및 지중온도 변화 예측을 위해 선행연구[12, 13]에서 개발된 지하수 이동 및지중열을 동시에 해석이 가능한 프로그램 FEFLOW를 이용하여 복수정 지열 시스템의 지하수의 유동,지하수위 및 지중온도 변화를 수치를 통해 정량적으로 해석할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구축하였다.
또한 열적, 수리적 영향범위를 충분히 고려하여 60 m × 90 m × 300 m의 해석영역을 설정하고 그 중심에 관경 300 mm의 관정을 설치하였다.
Mengying Li와 NoamLior[5]는 EGS(Enhanced Geothermal System) 우물정 지열 시스템의 설계 가이드라인 구축을 위해 에너지 경제성 분석 및 시스템 성능 검토를 하였다. 시스템 성능 향상을 위해서 우물정 개수 증가, 우물정의 단면 증대, 단열재 추가 등의 방법을 이용하여 시스템의 에너지 최적화 이용 수법을 제시하였다.
시스템 운전시간은 09:00~18:00으로 총 9시간이며 운전기간은 3개월간 난방운전을 실시하였다. 열량(Heatflux) 및 유량(Flowflux)의 유입 조건은 운전 시간에 맞추어 결정하였다.
시스템 운전시간은 09:00~18:00으로 총 9시간이며 운전기간은 3개월간 난방운전을 실시하였다. 열량(Heatflux) 및 유량(Flowflux)의 유입 조건은 운전 시간에 맞추어 결정하였다. 또한, 취수정 및 주입정의 온도차이는 10℃이며 초기 지중온도는 16℃로 가정하였다.
3은 본 연구에서 이용된 지중열 및 지하수 이동 해석을 위한 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 정확한 해석을 위해 Tetra-mesh를 이용하여 토양 및 관정의 형상을 구축하였다. 또한 열적, 수리적 영향범위를 충분히 고려하여 60 m × 90 m × 300 m의 해석영역을 설정하고 그 중심에 관경 300 mm의 관정을 설치하였다.

대상 데이터

또한, 취수정 및 주입정의 온도차이는 10℃이며 초기 지중온도는 16℃로 가정하였다. 지반 조건은 국내 기반암인 화강암의지중 열물성치를 적용하였다. 또한, 초기 지하수 수위는 −30 m로 설정하였다.

이론/모형

관정에 유입되는 양수량은 100, 200, 300 m³/day로 설정하였다. 지하수의 유속은 등류 흐름이라 가정하고 등류유량 공식인 Manning 방정식 (2)을 이용하여 산출하였다.

성능/효과

(1) 복수정을 이용한 지열 시스템의 성능은 양수량 및 지반 조건에 의해 크게 영향을 받으며, 그 중지반 투수계수의 영향도가 큰 것을 확인하였다. 특히, 양수량 300 m³/day, 투수계수 10⁻⁶m/s 조건일 때,주입정 측의 지하수 수위는 −5.
(2) 양수량이 증가할수록 주입정의 방출열에 의한 지중온도 변화 및 취수정 열간섭을 증가시키므로 관정 간 충분한 이격거리를 확보해야한다.
(3) 투수계수가 작을수록 시스템 운전에 의한 관정 간 동수구배는 증가되지만, 동일 양수량에서 투수계수에 따른 지하수의 이동속도는 동일하므로, 열원수의 온도변화도 거의 없었다.
Case 1(100 m3/day, k = 10−4) 보다 지하수위 상승률이 높았으며, 투수계수 조건에 따라 지하수 수위 변화가증가되는 것을 확인하였다.
[6]는 개방형 지열 시스템의 개선을 위해 우물관정형 지중열교환기를 대상으로 보어홀 열저항의 현장 열응답 시험(Thermal Response Test)을 해석하고 기존의 설계 문제점을 도출하여 개선된 설계방법을 제안하였다. 그 결과, 개선된 설계 방법을 적용하면 기존의 설계방법 보다 보어홀 열저항은 43%, 설계 길이는 약 5%를 감소하였다. Hwang et al.
한편, Cho and Nam[9]은 복수정을 이용한 개방형 시스템을 대상으로 시뮬레이션을 활용하여 지반 투수계수 및 양수량 조건에 따른 시스템 성능의 관계성을 분석하고자 하였다. 그 결과, 양수량이 증가할수록 주입정에서 방출된 열이 취수정의 열원수온도에 큰 영향을 주며 지반 투수계수에 따라 지중열 및 지하수의 이동속도 변화를 확인하였다.
27℃의 온도차를 보였다. 동일한 투수계수 조건에서 양수량에 따른 지하수 수위변화는 미미하였으나, 두케이스의 주입정 측 지중온도는 약 7℃의 차이를 보였다. 또한, 양수량의 증가로 인해 취수정에 열간섭이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
79로 나타났다. 두 케이스 비교를 통해 양수량에 따른 주입정의 지하수 수위변화는 거의 없는 것으로 확인되었다. Fig.
열원 온도의 감소는 결과적으로 시스템 성능 감소를 예측할 수 있다. 따라서,열원 온도의 변화를 통해, 본 연구에서 구축한 지반 조건에서는 양수량 300 m³/day 초과 시에는 관정 간열간섭 및 열원 온도 감소로 인한 시스템 성능 저하를 예상할 수 있다.
동일한 투수계수 조건에서 양수량에 따른 지하수 수위변화는 미미하였으나, 두케이스의 주입정 측 지중온도는 약 7℃의 차이를 보였다. 또한, 양수량의 증가로 인해 취수정에 열간섭이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과, 정적수위 −7 m에서 난방운전 시 −35 m까지 수위가 하락하였으며 정적수위의 회복은 최대 48시간이 소요된다고 하였다.
이를 통해, 지중온도의 변화는 지반 투수계수의 영향 보다 양수량 조건에 의한 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 양수량 100 m³/day 조건에서 평균 열원 온도는 11.3℃로 나타났으며 최대 9.75℃까지감소하는 것으로 확인되었다. 양수량이 많은 300m³/day 조건에서는 평균 열원 온도가 6.
15는 시스템 운전에 따른 주입정 측의 평균 열원 온도를 나타낸다. 양수량이 증가할수록 관정 간 열 간섭의 발생으로 인해 평균 열원 온도가 감소하는 것을 확인하였다. 열원 온도의 감소는 결과적으로 시스템 성능 감소를 예측할 수 있다.
양수량이 일정하고 투수계수 조건이 다를 경우에는 평균 열원 온도의 변화가 1℃ 이내로 투수계수 변화에 따른 열원 온도변화는 거의 없는 것으로 확인되었다. 이를 통해, 지중온도의 변화는 지반 투수계수의 영향 보다 양수량 조건에 의한 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 양수량 100 m³/day 조건에서 평균 열원 온도는 11.
8 m의 수위차를 확인하였다. 이를 통해, 투수계수의 값이 작고 양수량이 많은 조건에서는 지하수가 주변지반으로 확산되지 못하고 관정 내에 지속적으로 쌓여 지하수 수위가 증가되는 것으로 확인되었다. Fig.

후속연구

향후, 복수정을 이용한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 획기적인 보급을 위해 다양한 설계인자를 고려한 시스템 성능분석을 통해 최적 설계법을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반의 투수계수란?	Table 2는 시뮬레이션 케이스 조건을 나타낸다. 지반의 투수계수는 지중 내에 흐르는 유체의 투과성을 나타내는 계수로서, 유체의 점성, 입도분포, 간극비, 지중 포화상태 등에 의해 결정된다. 또한, 복수정 지열 시스템에서 토양의 투수계수는 지중에서지하수의 유동 및 지하수의 수위에 영향을 미치게 된다. 한편, 양수량은 열량을 결정하는 인자로서 열량은 다음의 방정식 (3)에 의해 산출되었다.
	지열 히트펌프 시스템은 어떻게 구분되는가?	지열 히트펌프 시스템은 지중열을 열원으로 간접적으로 열교환을 하는 수직밀폐형(Closed-loop) 시스템과 지하수를 직접 이용하는 개방형(Open-loop) 시스템으로 구분된다. 개방형 지열 시스템은 수직밀폐형 시스템에 비해 지하수를 직접 열 교환하여 에너지 이용 효율이 높으며, 시스템 용량 대비 천공 소요면적이 적다[2].
	개방형 지열 시스템이 수직밀폐형과 비교해 가지는 단점은?	또한, 건축물이 대형화 및 고층화되고 있는 대용량 설계에 적합하다. 그러나, 수직밀폐형에 비해 지하수처리 장치나 수중 펌프 등의 기기가 필요하고 지하수 수위, 대수층 유무, 지하수 수질과 같은 수리조건이나 지중 상태에 따라 설치비용과 시스템 성능이 큰 영향을 받는다.

참고문헌 (13)

2015 Korea Energy Handbook, 2015, Korea Energy Management Corporation, pp. 11-13.
Koo-Sang Kwon, Jin-Yong Lee, and Jong-Koo Mok, 2012, Update of current status on ground source heat pumps in Korea (2008-2011), The Geological Society of Korea, Vol. 48, No. 2, pp. 193-199.
Alexander Rode, Tanja Liesch, and Nico Goldscheider, 2015, Open-loop geothermal heating by combined extraction-injection one-well systems: A feasibility study, Geothermics, Vol. 56, pp. 110-118.

상세보기
Stefano Lo Russo and Massimo Vincenzo Civita, 2009, Open-loop groundwater heat pumps development for large buildings : A case study, Geothermics, Vol. 38, Issue. 3, pp. 335-345.

상세보기
Mengying Lio and Noam Lior, 2015, Energy analysis for guiding the design of well systems of deep Enhanced Geothermal Systems, Energy, Vol. 93, Part. 1, pp. 1173-1188.

상세보기
Woojin Kim, Seungrae Lee, Junseo Jeon, Minjun Kim, Minseop Kim, and Yoonsoo Jen, 2016, Improved Design Method of Open Loop Geothermal System and its Applications, The Korean Society for New and Renewable Energy, Vol. 12, No. 4, pp. 122-130.

상세보기
Hwang Kwang-Il, Shin Dong-Keol, Kim Joong-Hun, and Shin Seung-Ho, 2009, A Case Study on the Seasonal Temperature Variations in Depth of a Vertically-installed Geothermal Heat Exchange, The Korean Solar Energy Society, Vol. 29, No. 3, pp. 45-50.
Hyo Jae Lim, Jeong-Tae Kwon, Chang Eob Kim, Hyoung Jin Kong, and Seong Koo Park, 2009, An Experimental Study of Ground Water Source Two Well Type Geothermal Heat Pump System, The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, Vol. 54, No. 8, pp. 468-474.
Jeong-Heum Cho and Yujin Nam, 2015, The Effect of Soil Permeability and Pumping Rate on Performance of Two-well Geothermal Heat pump system, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 11, No. 4, pp. 28-34.

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윤용남, 2003, 수문학 기초와 응용, 청문각, 서울, pp. 122-125.
佐藤邦明, 岩佐義朗, 2002, 地下水理學, 丸善出版株式會社, 일본, pp. 49-52.
Yujin Nam and Ryozo Ooka, 2010, Numerical simulation of ground heat and water transfer for groundwater heat pump system based on real-scale experiment, Energy and Buildings, Vol. 42, Issue 1, pp. 69-75.

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Yujin Nam, Ryozo Ooka, and Suckho Hwang, 2008, Development of a numerical model to predict heat exchange rates for a ground source heat pump system, Energy and Buildings, Vol. 40, Issue 12, pp. 2133-2140.

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