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가설 설정
- ATES 의 가동 조건은 사계절을 각각 3개월로 가정하여 봄과 가을에는 가동 중단, 여름에는 주입공에 35℃의 지하수 주입, 그리고 겨울에는 주입공에 5℃의 지하수를 주입하는 것으로 설정하였다.
- 또한 온도에 따른 유체의 밀도와 점성은 일정하며, 양수된 지하수는 전량 재 주입된다. 마지막으로 광역적인 지하수 흐름은 없다고 가정하였다.
제안 방법
- ATES 의 열 간섭에 영향을 미치는 요인들인 이격거리, 대수층 수리전도도, 그리고 주입/양수량을 Table 2와 같이 변화시켜 지하수-지열 거동 모델링을 수행하였다.
- 따라서 ATES 의 고효율 시스템을 위해서는 이격거리와 주입/양수량을 최적화 하여 열 간섭계수가 1보다 작게 설계 하여야 하겠다. ATES 활용을 위한 안성의 실증건물을 대상으로 15년간의 지하수-지열 장기 예측모델링을 수행하였다. 모델링 결과 시스템 가동 7년경과 후 시스템의 효율은 여름과 겨울에 각각 36 RT와 31 RT 로 계산 되었다.
- 두 번째 분석에 사용된 모델의 조건은 수리전도도와 주입/양수량이 각각 10-4 m/s 와 300m3/day 로 일정하고 이격거리가 40, 60, 80 m 인 즉, 열 간섭계수가 1, 0.7, 0.5인 경우이다. 분석결과는 Fig.
- 또한 이러한 열 간섭의 정도는 대수층의 수리 전도도, 열을 저장하는 시추공 간의 이격거리, 주입/양수량 등에 의해 결정되어지는 것으로 알려져 있다(5). 따라서 이 연구에서는 열 간섭에 영향을 미치는 위 세 가지 요인들을 고려한 지하수-지열거동 모델링을 수행 하였고, 모델링 결과로부터 열 간섭정도를 정량적으로 분석하였다. 또한 열 간섭에 따른 ATES 의 시스템 효율도 분석하였다.
- ATES 의 열 간섭은 이격거리, 대수층의 수리전도도, 주입/양수량 등에 의해 결정된다고 알려져 있다. 따라서 이 연구에서는 위의 변수들을 이용하여 지하수-지열 거동 모델링을 수행하여 열 간섭 현상을 확인 하였다. 또한 열 간섭을 정량화하기 위하여 열 간섭계수(CTI)를 정의 하였으며, 열 간섭계수에 따른 시스템 효율을 비교분석하였다.
- 따라서 이 연구에서는 열 간섭에 영향을 미치는 위 세 가지 요인들을 고려한 지하수-지열거동 모델링을 수행 하였고, 모델링 결과로부터 열 간섭정도를 정량적으로 분석하였다. 또한 열 간섭에 따른 ATES 의 시스템 효율도 분석하였다.
- 따라서 이 연구에서는 위의 변수들을 이용하여 지하수-지열 거동 모델링을 수행하여 열 간섭 현상을 확인 하였다. 또한 열 간섭을 정량화하기 위하여 열 간섭계수(CTI)를 정의 하였으며, 열 간섭계수에 따른 시스템 효율을 비교분석하였다. 분석 결과 열 간섭 계수가 1일 때 시스템 효율이 상대적으로 크게 감소하는 것을 확인 할 수 있으며, 특히 주입/양수량이 클 때 더욱더 효율이 낮아지는 것을 알 수 있다.
- 모델링 설정은 모델 영역 내에서 열 간섭에 영향을 미치는 요인들 즉, 이격거리, 대수층 수리전도도, 그리고 주입/양수량을 Table 2와 같이 변화하여 총 72가지의 경우에 대해서 모델링을 수행 하였다.
- 모델링에 이용된 변수는 이격거리 80 m, 대수층 수리전도도 2× 10-4 m/s, 그리고 주입/양수량은 100 m3/day 로 설정하였다.
- 열 간섭에 따른 효율의 변화 분석은 두 가지의 경우에 대해서 수행하였다. 첫 번째 분석에 사용된 모델의 조건은 수리전도도와 주입/양수량이 각각 10-4 m/s 와 200 m3/day 로 일정하고 이격거리가 40, 60, 80 m 인 즉, 열 간섭계수가 1, 0.
- 87 m2(약 150평)이고, 필요한 냉난방 부하는 약 20 RT 이상으로 예측된다. 위 시설물의 열 간섭정도와 냉난방 효율을 예측하기위한 지하수-지열 장기 예측 모델링을 수행 하였다. 모델링에 이용된 변수는 이격거리 80 m, 대수층 수리전도도 2× 10-4 m/s, 그리고 주입/양수량은 100 m3/day 로 설정하였다.
- 열 간섭에 따른 효율의 변화 분석은 두 가지의 경우에 대해서 수행하였다. 첫 번째 분석에 사용된 모델의 조건은 수리전도도와 주입/양수량이 각각 10-4 m/s 와 200 m3/day 로 일정하고 이격거리가 40, 60, 80 m 인 즉, 열 간섭계수가 1, 0.6, 0.4인 경우이다. 분석 결과는 Fig.
대상 데이터
- 안성 소재 모 기업을 대상으로 충적 대수층 축열 시스템을 이용한 냉난방 시설이 시공 중이다. 냉난방 대상건물은 약 495.87 m2(약 150평)이고, 필요한 냉난방 부하는 약 20 RT 이상으로 예측된다. 위 시설물의 열 간섭정도와 냉난방 효율을 예측하기위한 지하수-지열 장기 예측 모델링을 수행 하였다.
- 모델링을 위한 모델영역은 160× 100× 50 m 로설정하였으며 총 격자의 요소는 25,940개이고, 자유도는 219,870이다.
성능/효과
- 모델링 결과 시스템 가동 7년경과 후 시스템의 효율은 여름과 겨울에 각각 36 RT와 31 RT 로 계산 되었다. 대상 건물의 부하는 약 20 RT 로 주입/양수량을 100m3/day 로 했을 때 충분히 대상 건물의 부하를 만족 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 5에서 보듯이 시스템 가동이 약 7년 정도 경과한 뒤 냉난방 효율이 여름에는 36 RT, 겨울에는 31 RT 로 일정하게 유지 되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 연구지역은열 간섭에 의한 효율의 감소는 없을 것으로 판단 되며, 냉난방 대상 건물의 필요 부하는 주입/양수량을 100 m3/day 로 하면 충족할 수 있을 것으로 판단된다.
- 7일 때는 1%, 1일 때는 22% 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 위 결과로부터 ATES 의 고효율 설계를 위해서는 열 간섭계수를 1미만으로 설계를 해야 한다는 것을 추론할 수 있다.
- ATES 활용을 위한 안성의 실증건물을 대상으로 15년간의 지하수-지열 장기 예측모델링을 수행하였다. 모델링 결과 시스템 가동 7년경과 후 시스템의 효율은 여름과 겨울에 각각 36 RT와 31 RT 로 계산 되었다. 대상 건물의 부하는 약 20 RT 로 주입/양수량을 100m3/day 로 했을 때 충분히 대상 건물의 부하를 만족 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 모델링 결과로부터 이격거리가 짧을수록 그리고 주입/양수량이 클수록 대수층 내 열 간섭이 커지는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 원인은 시스템이 작동하게 되면 주입과 양수가 동시에 일어나기 때문에 이격거리가 짧고 주입/양수량이 클수록 대수층 내 유체의 이동이 더욱더 빨라지기 때문에 대류에 의한 열 간섭이 잘 일어나는 것으로 판단된다.
- 또한 열 간섭을 정량화하기 위하여 열 간섭계수(CTI)를 정의 하였으며, 열 간섭계수에 따른 시스템 효율을 비교분석하였다. 분석 결과 열 간섭 계수가 1일 때 시스템 효율이 상대적으로 크게 감소하는 것을 확인 할 수 있으며, 특히 주입/양수량이 클 때 더욱더 효율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 ATES 의 고효율 시스템을 위해서는 이격거리와 주입/양수량을 최적화 하여 열 간섭계수가 1보다 작게 설계 하여야 하겠다.
- 4인 경우이다. 분석 결과는 Fig.3에서와같이 가동기간이 5년경과 되었을 때, 열 간섭계수가 커지면 효율은 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 열 간섭 계수 0.4를 기준으로 0.6일 때는 약 0.1%, 1일 때는 약 7% 감소하는 것을 알 수 있다.
- 5인 경우이다. 분석결과는 Fig. 4에서와 같이 가동기간이 5년경과 되었을 때, 열 간섭 계수 0.5를 기준으로 0.7일 때는 1%, 1일 때는 22% 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 위 결과로부터 ATES 의 고효율 설계를 위해서는 열 간섭계수를 1미만으로 설계를 해야 한다는 것을 추론할 수 있다.
- 예측 모델링 결과로부터 이 지역의 열 간섭 계수는 0.4로 나타났고, Fig. 5에서 보듯이 시스템 가동이 약 7년 정도 경과한 뒤 냉난방 효율이 여름에는 36 RT, 겨울에는 31 RT 로 일정하게 유지 되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 연구지역은열 간섭에 의한 효율의 감소는 없을 것으로 판단 되며, 냉난방 대상 건물의 필요 부하는 주입/양수량을 100 m3/day 로 하면 충족할 수 있을 것으로 판단된다.
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