[논문]복수정 페어링 기술을 이용한 개방형 지열 시스템의 수리적 타당성 검토

배상무; 김홍교; 김현우; 남유진

doi:10.12813/kieae.2017.17.3.119

복수정 페어링 기술을 이용한 개방형 지열 시스템의 수리적 타당성 검토
Hydraulic feasibility study on the open-loop geothermal system using a pairing technology 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.17 no.3, 2017년, pp.119 - 124

배상무 (Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.) , 김홍교 (Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.) , 김현우 (Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.) , 남유진 (Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Groundwater heat pump (GWHP) system has high coefficient of performance than conventional air-source heat pump system and closed-loop type geothermal system. However, there is problem in long-term operation that groundwater raise at the diffusion well and reduced at the supply well. Therefore, it is necessary to accurately predict the groundwater flow, groundwater movement and control the groundwater level in the wells. In this research, in consideration of hydrogeological characteristic, groundwater level and groundwater movement were conducted analysis in order to develop the optimal design method of the two-well system using the pairing pipe. Method: For the optimum design of the two-well system, this research focused on the design method of the pairing pipe in the simulation model. Especially, in order to control the groundwater level in wells, pairing pipe between the supply well and diffusion well was developed and the groundwater level during the system operation was analyzed by the numerical simulation. Result: As the result of simulation, the groundwater level increased to -2.65m even in the condition of low hydraulic conductivity and high pumping flow rate. Consequently, it was found that the developed system can be operated stably.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

Case 2(Q:1,500 ㎥/d)는 Case 1(Q:1,000 ㎥/d)과 결과비교를 통해 양수량에 따른 관정 간 지하수위 변화를 분석하고자 하였다. Case 2-1(k:1×10^-6 m/s)의 취수정 지하수위는 -9.
그러나 이러한 방정식을 이용하여 복수정 페어링 시스템의 관정 간 지하수위 변화, 페어링 내부의 지하수 유동과 지중의 지하수 흐름을 동시에 해석하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 양 관정 및 토양 내부에서 발생하는 수리적 변화와 페어링의 지하수 유동을 정확하게 재현하고자 선행연구^12,13)에서 검증된 지중열-지하수 이동 동시 해석 프로그램(FEFLOW)을 이용하여 관정 주변 지하수 유동을 정량적으로 검토하였다.
본 시스템의 이용에 있어 장기적인 지하수 양수 또는 주입으로 인해 지하수위가 점차적으로 하강 또는상승되게 되는데, 이로 인해 시스템 운전이 어려워지는 상황도 발생한다. 따라서 본 연구에서는 취수정과 주입정의 관정으로 페어링 파이프로 연결한 복수정 지열 시스템을 제안하고 이 기술의 실현 가능성과 효과에 대해 수리적 검토를 실시하였다. 본 논문에서는 페어링 기술을 적용한 복수정 지열 시스템의 해석 모델을 이용하여 장기운전에 따른 지하수 유동 및 지하수위 변화를 정량적으로 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 취수정과 주입정의 관정으로 페어링 파이프로 연결한 복수정 지열 시스템을 제안하고 이 기술의 실현 가능성과 효과에 대해 수리적 검토를 실시하였다. 본 논문에서는 페어링 기술을 적용한 복수정 지열 시스템의 해석 모델을 이용하여 장기운전에 따른 지하수 유동 및 지하수위 변화를 정량적으로 검토하였다.
본 연구에서는 복수정 페어링 기술을 이용한 개방형 지열 시스템의 도입 적합여부를 판단하기 위해 양수량과 지반 투수계수 조건을 통해 관정 주변의 지하수위에 대한 영향도를 정량적 검토를 실시하였다.
본 연구에서는 취수정 및 주입정의 지하수위 조절 및 지속가능한 운전수법 개발을 위해 복수정 페어링 시스템을 구축하였다. 또한, 양 관정 내 지하수의 유동에 따른 지하수위를 수치 시뮬레이션을 이용하여 검토하였다.
본 연구에서는 페어링(Pairing) 기술을 이용하여 기존의 복수정 지열 시스템의 문제점을 획기적으로 해결하고자 하였다. 페어링 기술은 시스템 운전에 따른 주입정의 넘침 현상을 방지하고 취수정의 지하수위 저감을 조절을 통해 취수량과 주입량의 불균형을 제어하고 지하수열의 낭비와 지하수 순환장애요인을 개선하여 시스템 운영에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
<표2>는 시뮬레이션 Case study 조건을 나타낸다. 양수량과 지반 투수계수의 두 가지 조건을 이용하여 페어링 파이프 설치에 따른 유용성을 판단하고자 하였다.

가설 설정

한편, 복수정 지열 시스템의 설치지역이 지하수 수질이 우수하고, 투수계수가 높아 지하수의 유동이 원활한 수리지질 조건에서는 시스템 운전제한 등의 기술적인 문제점이 발생되기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 복수정 페어링을 이용한 개방형 지열 시스템의 설치지역은 국내 기반암인 화강암으로 투수계수가 낮고, 지하수의 유동이 다소 불리한 지질 조건이라 가정하였다.¹⁰⁾
시뮬레이션 해석영역은 60m × 75m × 300m으로 관경 300mm의 주입정과 취수정을 설치하였으며, 관정 간 열적 간섭을 방지하고자 이격거리를15m로 설정하였다. 또한, 지중으로부터 깊이 150m ~ 200 m 지점에 대수층이 흐른다고 가정하여 길이 50m의 스크린(Screen)을 설치하였다. 두 개의 관정을 연결하는 페어링 파이프는 깊이 1m 지점에 설치하여 관정 내 지하수위를 조절하고자 하였다.

제안 방법

토양을 포함한 주입정 및 취수정 내 지하수 이동을 정확하게 해석하기 위해 포화 또는 불포화 상태의 토양을 고체, 액체, 기체의 3상(Phase)으로 구분하여 모델화하였다. 각 상에 대해 물질 및 에너지 이동은 아래의 질량 보존의 법칙(3), 운동량 보존의 법칙(4), 에너지 보존의 법칙(5)을 만족하도록 해석 모델을 구축하였다.¹⁴⁾
에서 검증된 지중열-지하수 이동 동시 해석 프로그램(FEFLOW)을 이용하여 관정 주변 지하수 유동을 정량적으로 검토하였다.
또한, 지중으로부터 깊이 150m ~ 200 m 지점에 대수층이 흐른다고 가정하여 길이 50m의 스크린(Screen)을 설치하였다. 두 개의 관정을 연결하는 페어링 파이프는 깊이 1m 지점에 설치하여 관정 내 지하수위를 조절하고자 하였다. 운전시간은 24시간으로 지속적인 운전을 통해 지하수위를 측정하고자 하였다.
본 연구에서는 취수정 및 주입정의 지하수위 조절 및 지속가능한 운전수법 개발을 위해 복수정 페어링 시스템을 구축하였다. 또한, 양 관정 내 지하수의 유동에 따른 지하수위를 수치 시뮬레이션을 이용하여 검토하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
초기 지하수위(Static Water level)는 시스템 운전에 따라 취수정 측에서는 관정을 중심으로 지하수위가 감소하고, 주입정 측은 반대로 지하수위가 상승 한다. 변화된 지하수 위 기울기(Slope)를 초기 지하수위와 대등하게 회복시키기 위해 취수정과 주입정을 동기화시키는 도수통로(Spill way)를 구축하였다. 도수통로는 관정 간 지하수의 수두 차이를 통해 서로 순환이 가능하여 지하수위를 제어할 수 있는 시스템이다.
⁴⁾은 베이징 평야의 수문 지질(hydro-geological) 분석을 통해 얕은 대수층의 단위 면적당 용량을 산출하였다. 산출 결과를 바탕으로 지하수 이용 히트펌프 시스템의 부하 용량과 성능을 평가하였다.
Fei and Pingfang³⁾는 지하수 이용 히트펌프 시스템의 에너지 절약을 위해 에너지 및 엑서지(Exergy) 분석 방법을 사용하여 시스템의 성능 인자를 조사하였다. 실험 결과로부터 얻은 설계인자를 통해 시스템 구성 요소의 특성을 분석하였다. 또한, Liang et al.
두 개의 관정을 연결하는 페어링 파이프는 깊이 1m 지점에 설치하여 관정 내 지하수위를 조절하고자 하였다. 운전시간은 24시간으로 지속적인 운전을 통해 지하수위를 측정하고자 하였다. 토양의 초기 수리지질 조건은 시스템 운전에 따라 주입정의 넘침 현상을 의도적으로 발생시키기 위하여 초기 지하수위를 -10m, 지반 투수계수를 1×10^-6m/s로 설정하여 토양 내 지하수의 이동이 어렵게 하였다.
지하수위 측정은 주입정 중심으로부터 1.5m 이격 지점으로 설정하였으며 비교 케이스 조건은 Case 3-1(k:1×10-6 m/s), Case 3-2(k:5×10-7 m/s), Case 3-3(k:1×10-7 m/s)으로 하였다.
지하수위는 지반 투수계수와 동일한 지점에서 측정하였으며, 투수 계수는 1×10-7 m/s으로 토양 내 지하수 유동이 어려운 지반 조건으로 케이스 조건은 Case 1-3(Q:1,000 ㎥/d), Case 2-3(Q:1,500 ㎥/d), Case 3-3(Q:2,000 ㎥/d)으로 설정하였다.
⁶⁾은 개방형과 밀폐형 지열 시스템의 관측공에서 30개월 동안 수온, 지하수위 및 전기전도도를 측정하였다. 측정된 데이터를 통해 개방형과 밀폐형 지열 시스템이 지하수의 수리지질학적인 특성에 미치는 영향을 평가하였다. Kim et al.
2는 본 연구에서 이용된 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 토양을 포함한 주입정 및 취수정 내 지하수 이동을 정확하게 해석하기 위해 포화 또는 불포화 상태의 토양을 고체, 액체, 기체의 3상(Phase)으로 구분하여 모델화하였다. 각 상에 대해 물질 및 에너지 이동은 아래의 질량 보존의 법칙(3), 운동량 보존의 법칙(4), 에너지 보존의 법칙(5)을 만족하도록 해석 모델을 구축하였다.

대상 데이터

시뮬레이션 해석영역은 60m × 75m × 300m으로 관경 300mm의 주입정과 취수정을 설치하였으며, 관정 간 열적 간섭을 방지하고자 이격거리를15m로 설정하였다.

이론/모형

복수정 페어링 내부의 지하수 유동 해석방법은 다공성 매질을 투과하는 유체 이동의 경험식으로부터 유도된 Darcy의 법칙(1)에 의해 해석된다.
는 에너지 발생항을 나타낸다. 본 수치해석 수법은 유한요소법에 근거하였으며 유저 서브루틴(User Subroutine)에 의해 운전 조건들을 제어하도록 하였다.

성능/효과

(1) 동일한 투수계수 조건에서는 양수량이 클수록 관정 주위의 지하수 수두차가 커졌다. 가장 열악한 조건인 Case 3-3(k:1×10^-7m/s, Q:2,000 ㎥/d)에서, 취수정 주위의 지하수위는-26.
(2) 동일한 양수량 조건(Q:2,000 ㎥/d)에서 투수계수가 가장 작은 Case 3-3 (k:1×10-7 m/s)의 지하수위는 -2.65m까지 상승하였으며, 가장 큰 Case 3-1 (k:1×10-6 m/s)의 지하수위는-8.19m로 확인되었다
(3) 양수량이 크고, 지반 투수계수가 작아 토양 내 지하수 유동이 어려운 조건에서는 페어링 시스템을 통한 수위 조절 효과가 큰 것으로 확인되었다. 따라서, 페어링 파이프를 적용한 개방형 지열 시스템은 수리적 조건이 다소 불리한 지반에서도 장기운전이 가능할 것으로 판단된다.
가장 열악한 조건인 Case 3-3(k:1×10-7 m/s, Q:2,000 ㎥/d)에서, 취수정 주위의 지하수위는-26.1m, 주입정 주위의 지하수위는 -4.30m로 확인되었으며 주입정과 취수정의 수두차는 최대 21.8m로 나타났다.
⁷⁾은 주택 및 소규모 건물에 적용할 수 있는 SCW 지열 히트펌프 시스템을 대상으로 난방 성능을 평가하고, 시스템 성능에 영향을 미치는 설계인자를 분석하였다. 그 결과, 히트펌프의 평균 난방성능계수는 5.9로 확인하였다. 또한, Park et al.
(3) 양수량이 크고, 지반 투수계수가 작아 토양 내 지하수 유동이 어려운 조건에서는 페어링 시스템을 통한 수위 조절 효과가 큰 것으로 확인되었다. 따라서, 페어링 파이프를 적용한 개방형 지열 시스템은 수리적 조건이 다소 불리한 지반에서도 장기운전이 가능할 것으로 판단된다.
페어링 기술은 시스템 운전에 따른 주입정의 넘침 현상을 방지하고 취수정의 지하수위 저감을 조절을 통해 취수량과 주입량의 불균형을 제어하고 지하수열의 낭비와 지하수 순환장애요인을 개선하여 시스템 운영에 대한 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 대수층이 존재 하는 유효심도 내에서 지중의 수리 특성을 고려하여 취수정과 주입정의 상호 기능 전환이 가능하다. 이러한 복수정 페어링 기술을 이용한 개방형 지열 시스템은 지하수 순환을 결합, 제어함으로써 취수정 및 주입정 간 지하수위를 조절하고 우물정의 열교환 효율 및 에너지 이용 효율의 극대화로 시공비 절감효과와 시스템 성능을 향상을 시킬 수 있다.
38m 증가하였다. 또한, 양수량의 증가에 따른 페어링 파이프의 관정 간 지하수위 조절 및 이용성 검토를 위해 토양 내 지하수 이동이 어려운 Case 1-3(Q:1,000 ㎥/d)과 Case 2-3(Q:1,500 ㎥/d)을 비교한 결과, 취수정 및 주입정 지하수위는 양수량이 많은 Case 2-3이 초기 지하수위와 대등한 값을 나타냈다.
복수정 지열 시스템의 다양한 설계인자 중에서 양수량과 투수 계수는 지하수의 유동 및 수위를 결정하는 중요한 요소임을 확인하였다.
Case 1-3은 관정과 관정 주변의 수위차가 크지만 취수정과 주입정의 지하수위는 동일한 것으로 나타났다. 이를 통해, 낮은 지반 투수계수로 인해 지하수의 이동이 어려운 토양 조건은 관정과 관정 주위의 수위차가 증가하기 때문에 페어링 파이프 내 수두차를 이용하여 초기 지하수위와 비슷한 양상의 수위를 유지하는 것을 확인하였다.
이를 통해, 양수량의 증가는 페어링을 이용하여 초기 지하수 위와 대등한 수위로 회복시키고 관정 간 수두차가 증가하는 것을 확인 하였으며 이러한 수두 차는 페어링 파이프 내 지하수의 이동에 영향이 있다는 것을 확인하였다.
62m으로 확인되었다. 주입정의 지하수위는 초기 지하수위보다 0.38m, 취수정의 지하수위는 초기 지하수위 보다 0.87m 증가하였다. 또한, Case 1-3(k:1×10^-7m/s) 취수정 및 주입정의 지하수위는 -9.
19m 까지 상승하였다. 지반 투수계수 조건에 따라 지하수위차이는 최대 5.63m로 확인되었다. 지반 투수계수가 낮은 지반조건에서는 지하수위의 기울기 변화는 급격히 증가하였다.
32m 증가하였다. 지반 투수계수변화에 따른 관정 간 지하수위 변화는 거의 없는 것으로 확인 되었으나 관정 주위의 수위 차가 크게 발생되었다. Case 1-1과 Case 1-3의 주입정 주위의 수위 차는 3.

후속연구

향후, 복수정 페어링을 이용한 지열 시스템의 최적설계수법 개발을 위해 다양한 수리지질학적 설계인자에 따른 시스템 성능을 분석하고 본 기술의 도입 타당성을 검토할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복수정 시스템의 특징은?	개방형 (Open-loop tpye) 지열 시스템은 동일한 관정 내에서 취수(pumping)와 주입(injection)을 연계시킨 SCW(Standing Column Well) 시스템과 취수정(Supply well)과 주입정(Diffusion well)을 구분하여 이용하는 복수정 시스템이 있다. 복수정 시스템은 지하수 수질이 좋고 대수층이 발달한 지역에서 이용되며, 취수정을 통해 양수 하고 지하수는 지상에서 열교환 후 동일 대수층 내에 설치된 주입정으로 재순환되는 지속가능한 시스템이다. 이러한, 복수정 지열 시스템은 미국에서 지난 20년간 가장 성공적으로 적용되어온 지하수 이용 지열 히트펌프 시스템(Groundwater Heat Pump System, GWHPs)으로 대규모 빌딩, 학교 및 상업지역에서 냉난방 시스템으로 사용되고 있다.
	개방형 (Open-loop tpye) 지열 시스템의 종류는?	개방형 (Open-loop tpye) 지열 시스템은 동일한 관정 내에서 취수(pumping)와 주입(injection)을 연계시킨 SCW(Standing Column Well) 시스템과 취수정(Supply well)과 주입정(Diffusion well)을 구분하여 이용하는 복수정 시스템이 있다. 복수정 시스템은 지하수 수질이 좋고 대수층이 발달한 지역에서 이용되며, 취수정을 통해 양수 하고 지하수는 지상에서 열교환 후 동일 대수층 내에 설치된 주입정으로 재순환되는 지속가능한 시스템이다.
	복수정 지열 시스템의 단점은?	복수정 지열 시스템은 지중의 지하수를 축열조 또는 열원으로 이용하기 때문에 기존의 공기열원 시스템이나 밀폐형 지열 시스템 (Closed-loop type)보다 우수한 성능을 기대할 수 있다. 그러나, 수리지질학적으로 대수층이 충분히 존재하는 지역에 설치해야하며 지하수의 수질에 의한 관정 내 스케일 발생, 지하수위 저감 등의 단점이 있다. 또한, 시스템 운전에 따라 취수정의 지하수위 저감과 주입정의 지하수 상승 현상으로 인해 시스템 운영에pISSN 2288-968X, eISSN 2288-9698http://dx.doi.org/10.12813/kieae.2017.17.3.119제한이 발생된다. 따라서 복수정 지열 시스템 도입 시 지반 특성과 지하수의 수리조건을 고려한 시스템 설계수법과 성능향상을 위한 운전방법의 개발이 필요하다.

참고문헌 (14)

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배상무, 김홍교, 김현우, 남유진, "개방형 지열 시스템 설계법 개발 을 위한 관정 주위 지중 온도 환경 검토", 한국지열에너지학회논문집, 제 13권 제 1호, 2017 // (Bae, Sangmu, Kim, Hongkyo, Kim, Hyeon-Woo, Nam, Yujin "Study on the Underground Thermal Environment around Wells for a Design Method of Open-Loop Geothermal System" Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Vol.13, No.1, 2017)

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원문보기 상세보기
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Yujin Nam, Ryozo Ooka, "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, 2010

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H.-J.G. Diersch, FEFLOW Reference Manual, WASY GmbH, 2002

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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