KR100997162B1 - Apparatus for measuring the effective thermal conductivity of the ground using multi-cable - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치에 관한 것으로, 자세하게는 지중열교환기 내 심도별로 유효지중열전도도를 측정할 수 있으며, 또한 동시에 여러 지중열교환기에서 유효지중열전도도를 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus for measuring the effective ground thermal conductivity using a multi-cable, and in detail, it is possible to measure the effective ground thermal conductivity for each depth in the ground heat exchanger, and also to measure the effective ground thermal conductivity in several ground heat exchangers at the same time. To a measuring device.
최근 화석연료의 고갈문제 및 환경오염 문제를 대체하기 위해 태양열, 태양광, 지열, 풍력, 조력, 파력 등등의 청정에너지 또는 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 상기한 여러 대체 에너지 중 지열에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, in order to replace the problem of exhaustion of fossil fuels and environmental pollution, interest in clean energy or alternative energy such as solar, solar, geothermal, wind, tidal, wave power, etc. is increasing. In particular, the interest in geothermal energy among the various alternative energy is increasing.
지중은 방대한 양의 열에너지를 가지고 있으며, 장소적, 시간적으로 이용하기 용이하고, 온도분포(연중 15± 5℃ 유지)가 안정되어 있어 히트펌프의 열원으로 이용될 수 있는 가능성이 매우 높다.Underground has a huge amount of heat energy, it is easy to use in place and time, and the temperature distribution (maintain 15 ± 5 ℃ throughout the year) is very likely to be used as a heat source of the heat pump.
지열이용 기술은 태양열과 같이 건물에너지로서 유용성이 높은 대체에너지 기술이기 때문에, 경제적으로 큰 잠재력을 가지고 국내시장에 넓게 퍼질 것으로 예상된다.
Since geothermal technology is an alternative energy technology that is highly useful as a building energy like solar heat, it is expected to spread widely in the domestic market with great economic potential.
지열을 열원으로 하는 지열원 열펌프시스템은 지중열을 열원으로 이용하는 열펌프시스템으로서 수직 밀폐형, 수평 밀폐형, 개방형 등 지중열원을 이용하기 위하여 적용하는 기술에 따라 여러 가지로 분류된다.Geothermal heat source heat pump system that uses geothermal heat as a heat source is classified into various types according to the technology applied to use underground heat source such as vertical hermetic, horizontal hermetic, open type.
이러한 지열원 열펌프시스템에서 밀폐형식의 루프형 지중열교환기를 이용하는 수직밀폐형 시스템은 지중열을 회수하기 위하여 지중에 보어홀을 천공하고, 보어홀 내부로 열교환기(또는 '열교환관' 또는 '루프'라 통칭함)를 삽입하고, 보어홀과 열교환기 사이에는 그라우트 재료를 충전시키며 상기 삽입한 루프의 내부로 열유체를 순환시킴으로서 지중으로부터(혹은 지중으로) 열을 회수하여(혹은 방열하여) 열원으로(혹은 히트싱크로) 이용하며, 시스템의 설계에는 필수적으로 현지 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항과 관련된 정보가 필요하다.In such a geothermal heat pump system, a vertically sealed system using a closed loop underground heat exchanger drills a borehole in the ground to recover underground heat, and heat exchangers (or 'heat exchange tubes' or 'loops') into the borehole. (Collectively referred to), filling grout material between the bore hole and the heat exchanger, and circulating the heat fluid into the interior of the inserted loop to recover heat from the ground (or to the ground) (or to dissipate heat) to the heat source. (Or heat sink), and the design of the system is essential for the information related to the effective ground heat conductivity of the local ground and the effective heat resistance of the borehole in which the ground heat exchanger is embedded.
지하에 열교환기를 삽입하여 지중열을 회수하는 시스템은 보어홀 천공에 비용이 많이 드는 문제점이 있으므로 천공비용을 줄이고 장기간 설계 성능을 유지하기 위하여는 정확한 용량 설계가 필요하다.The system for recovering the ground heat by inserting a heat exchanger in the basement has a problem of costly boring hole drilling. Therefore, accurate capacity design is required to reduce the drilling cost and maintain the long-term design performance.
이러한 열교환기를 삽입하는 수직밀폐형 시스템은 열유체 유입관과 열유체 유출관을 각각 한개씩 이용하는 2관식을 많이 적용하고 있으며, 천공 비용을 줄이고 보어홀 단위 길이당 열회수 효율을 높이기 위하여 열유체 유입관과 열유체 유출관를 각각 1개와 2개를 이용하는 3관식과, 각각 2개를 이용하는 4관식과 그 이상을 이용하는 방법도 실제 적용된다. The vertically sealed system in which the heat exchanger is inserted employs a two-pipe type using one thermal fluid inlet tube and one thermal fluid outlet tube, and in order to reduce drilling costs and increase heat recovery efficiency per bore hole unit, the thermal fluid inlet tube and heat The three-pipe system using one and two fluid outlet pipes and the four-pipe system using two or more fluids are also applied.
열교환기를 삽입하는 수직밀폐형 시스템은 현지에 설치된 열유체 유입관과 열유체 유출관을 통하여 열유체를 순환시키면서 지중으로부터 열을 회수(혹은 지중으로 열을 방열)하게 되는데, 열을 회수(혹은 방열)하는 과정에서 열교환 성능과 관련된 열특성(열물성)은 크게 현지 지중의 유효열전도도와 보어홀의 유효전열저항의 2가지로 분류 된다.The vertically sealed system inserting a heat exchanger recovers heat from the ground (or dissipates heat into the ground) while circulating the heat fluid through the installed heat fluid inlet pipe and heat fluid outlet pipe. In the process, the thermal properties related to heat exchange performance are classified into two types: effective thermal conductivity of the local ground and effective thermal resistance of the borehole.
현지 지중의 유효지중열전도도는 열유체 유입관과 열유체 유출관이 매설된 전체 지중의 깊이에 대한 지중 환경의 총합적인 열전도도이다.The effective ground thermal conductivity of the local soil is the total thermal conductivity of the underground environment over the depth of the entire ground where the thermal fluid inlet and thermal fluid outlets are buried.
지중열교환기가 매설되는 현장에 따라 지표 부근의 흙에서부터 열교환기가 매설되는 최고 깊이까지 흙과 바위의 종류, 두께, 밀도, 비열, 함수율, 기공율, 지하수의 흐름 정도 등 열성능과 관련된 인자의 환경이 다름으로 전기한 모든 인자들의 영향을 종합적으로 고려하여 구하는 열전도도를 유효열전도도라 한다. Depending on the site of the underground heat exchanger, the environment of factors related to thermal performance varies from soil near the surface to the maximum depth at which the heat exchanger is buried, such as soil type, thickness, density, specific heat, moisture content, porosity, and groundwater flow. The thermal conductivity obtained by considering the effects of all the factors described above is called effective thermal conductivity.
보어홀의 유효전열저항은 현지에 설치되는 지중열교환기의 형식, 사용하는 재료의 종류 및 혼합율, 작업상태에 대한 총합적인 전열저항이다.The effective heat resistance of the borehole is the total heat resistance of the type of underground heat exchanger installed locally, the type and mixing rate of the materials used, and the working conditions.
유효전열저항은 보어홀의 직경, 2관식 혹은 3관식 혹은 4관식 등의 튜브 적용 형식, 튜브의 재료, 두께 및 관경, 보어홀과 루프 사이를 채우는 그라우트 재료의 종류나 혼합율, 보어홀과 매설된 튜브의 이격 거리, 유입 및 유출되는 순환 열유체의 상태, 작업자의 숙련도 등에 따라 달라지며 전기한 모든 인자들의 영향을 총합적으로 고려하여 구하는 전열저항을 유효전열저항이라 한다.Effective heat resistance includes borehole diameter, tube type such as two or three or four tube type, material, thickness and diameter of the tube, type or mixing ratio of grout material between the bore hole and loop, bore hole and buried tube It depends on the separation distance, inflow and outflow of circulating heat fluid, and operator's skill. The heat resistance obtained by considering the effects of all the factors mentioned above is called effective heat resistance.
현지 지중의 유효지중열전도도와 유효전열저항에 따라 지중열교환기 용량 차이가 크게 산출됨으로 보어홀 천공비용을 줄이고 설계 성능을 유지하기 위하여는 정확한 측정이 필요하며 동 목적으로 지중열성능 측정 장치를 이용한다.As the difference in the capacity of the ground heat exchanger is largely calculated according to the effective ground heat conductivity and the effective heat resistance of the local ground, accurate measurement is necessary to reduce the borehole drilling cost and maintain the design performance, and the ground heat performance measuring device is used for this purpose.
측정 결과를 이용하여 분석하는 이론에는 선형열원방법(line source method), 실린더열원방법(cylinder source method), 수치해석방법(numerical method) 등이 있으며, 그 중에서 선형열원방법이 많이 적용되고 있으나 정확한 분석 결과를 시스템 설계에 적용하기 위해 2가지 이상의 방법을 적용하여 분석한 후 평균값을 적용함이 바람직하다.
Theories analyzed using the measurement results include linear source method, cylinder source method, and numerical method. Among them, linear heat source method is widely applied, but accurate analysis In order to apply the results to the system design, it is desirable to analyze two or more methods and then apply the average value.
종래 유효지중열전도도를 측정하는 방법은 일반적으로 지중열교환기 공내 순환수를 일정 투입 전력으로 지속적으로 가열하면서 순환시켜 일정기간의 평균 입출구 온도 변화 데이터를 선형이론에 대입하여 유효지중열전도도를 계산한다. 이 방법은 하나의 시스템에서 지중열교환기 전체 심도의 평균 유효지중열전도도를 구하는 것이다. Conventionally, the method of measuring the effective ground thermal conductivity is calculated by circulating the circulating water in the ground heat exchanger continuously with a constant input power, and substituting the average inlet / outlet temperature change data for a certain period into a linear theory to calculate the effective ground thermal conductivity. . This method finds the average effective ground heat conductivity of the total depth of the ground heat exchanger in one system.
참고되는 특허로는 대한민국 특허 출원 제10-2008-0001101호(명칭 : 유량 및 전열용량 자동제어형 지중열전도 테스트장치), 대한민국 실용신안 출원 제 20-2006-0017895호(명칭 : 지중 열전도도 측정장치), 대한민국 실용신안 출원 제 20-2006-0026553호(명칭 : 냉각수단을 구비한 지중 열전도도 측정장치) 및 대한민국 실용신안 출원 제 20-2008-0002956호(명칭 : 현지 지중열성능 측정 장치) 등이 있다.Patents referred to are Korean Patent Application No. 10-2008-0001101 (Name: Automatically controlled underground thermal conductivity test device for flow rate and heat transfer capacity), Korean Utility Model Application No. 20-2006-0017895 (Name: Underground thermal conductivity measurement device) , Republic of Korea Utility Model Application No. 20-2006-0026553 (Name: underground thermal conductivity measuring device with cooling means) and Republic of Korea Utility Model Application No. 20-2008-0002956 (Name: local geothermal performance measuring device) have.
하지만 상기와 같은 종래 기술을 이용하여 측정시의 문제점으로는 유효지중열전도도를 현장에서 측정시 그 대상 지반이 불균질하며 여러 개의 층으로 나타날 수 있으며, 또한 같은 현장에서도 여러 지중열교환기공에서 다른 유효지중열전도도를 나타낼 수 있어서 그 측정값의 신뢰도가 떨어진다는 문제점이 있다.
However, as a problem when measuring using the prior art as described above, when the effective ground thermal conductivity is measured on-site, the ground of the object is heterogeneous and may appear in several layers, and also in the same site, different effective in several ground heat exchange pores. There is a problem that the ground thermal conductivity can be represented, so that the reliability of the measured value is poor.
따라서 지중열교환기가 많이 설치되는 넓은 대규모 현장에서 위치에 따라 유효지중열전도도는 큰 편차를 보일 수 있으므로, 한 지점의 유효지중열전도도가 전체 지반을 대표하기는 어려우며, 또한 심도별로도 큰 차이를 나타낸다. Therefore, the effective ground heat conductivity may vary greatly depending on the location in large and large sites where many ground heat exchangers are installed. Therefore, the effective ground heat conductivity at one point is difficult to represent the entire ground, and also shows a great difference by depth. .
그러므로 정확한 지중열교환기 설계를 위해서는 지반 내 유효지중열전도도 분포를 정밀하게 파악하는 것이 요구된다.
Therefore, accurate ground heat exchanger design requires accurate understanding of the distribution of effective ground heat conductivity in the ground.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지중열교환기의 심도별 유효지중열전도도를 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an apparatus capable of measuring the effective ground thermal conductivity of each depth of the ground heat exchanger.
본 발명의 다른 목적은 다수개의 지중열교환기별 유효지중열전도도를 함께 측정하여 신뢰성 있는 유효지중열전도도 분포를 측정함과 동시에 개별 지중열교환기의 심도별 온도 변화도 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a device that can measure the effective ground heat conductivity of each ground heat exchanger together to measure the effective distribution of effective ground heat conductivity and at the same time measure the temperature change of each individual ground heat exchanger. have.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 지중에 천공된 보어홀에 설치된 지중열교환기에 삽입되어 유체를 가열 및 심도별 온도측정을 하는 멀티케이블과;The present invention to achieve the object as described above and to solve the conventional drawbacks is inserted into the underground heat exchanger installed in the bored hole hole in the ground and the multi-cable to heat the fluid and measure the temperature by depth;
멀티케이블이 감겨진 멀티케이블릴에 연결된 광섬유센서연결선을 통해 입력된 지중열교환기에 충전된 유체의 심도별 온도정보를 처리하는 광섬유센서 온도측정기와;An optical fiber sensor temperature measuring device for processing temperature information of depths of fluid charged in the underground heat exchanger input through an optical fiber sensor connecting line connected to a multi-cable reel wound with a multi-cable;
상기 멀티케이블릴에 연결된 히팅케이블연결선을 통해 히팅케이블의 온도를 제어하는 히팅케이블 온도컨트롤러;로 구성되어 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.
A heating cable temperature controller for controlling the temperature of the heating cable through the heating cable connecting line connected to the multi-cable reel; configured to measure the effective ground thermal conductivity for each depth, effective ground thermal conductivity measurement apparatus using a multi-cable By providing.
또한 본 발명은 다른 실시형태로 다수 지점의 지중에 천공된 보어홀에 설치된 지중열교환기에 삽입되어 유체를 가열 및 심도별 온도측정을 하는 멀티케이블과;In another embodiment, the present invention is a multi-cable which is inserted into the underground heat exchanger installed in the borehole perforated in the ground of multiple points to heat the fluid and measure the temperature by depth;
다수 지점의 지중열교환기에 삽입된 멀티케이블이 각각 감겨진 복수개의 멀티케이블릴에 개별 연결된 복수개의 광섬유센서연결선이 연결된 다중채널확장기와; A multi-channel expander connected to a plurality of optical fiber sensor connecting lines individually connected to a plurality of multi-cable reels in which multi-cables inserted into multiple underground heat exchangers are respectively wound;
다중채널확장기를 통해 입력된 다수 지점의 지중열교환기에 충전된 유체의 지점별 및 심도별 온도정보를 처리하는 광섬유센서 온도측정기와;An optical fiber sensor temperature measuring device for processing point information and point-by-depth temperature information of the fluid filled in the underground heat exchanger of multiple points inputted through the multi-channel expander;
상기 다수지점에 설치된 멀티케이블릴에 연결된 히팅케이블연결선을 통해 복수지점의 개별 히팅케이블의 온도를 제어하는 다중채널 히팅케이블 온도컨트롤러;로 구성되어 지점별 및 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.
Multi-channel heating cable temperature controller for controlling the temperature of the individual heating cable of a plurality of points through a heating cable connecting line connected to the multi-cable reel installed in a plurality of points; consists of measuring the effective ground thermal conductivity for each point and depth It is achieved by providing a device for measuring the effective ground thermal conductivity using a multi-cable.
또한 본 발명은 상기 온도컨트롤러와 연결되어 히팅케이블의 온도, 전력을 시간대별로 기록하는 데이터로거;를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
In another aspect, the present invention is characterized in that it further comprises a data logger connected to the temperature controller for recording the temperature, power of the heating cable for each time zone.
본 발명에서 상기 멀티케이블은 광섬유센서와 히팅케이블이 피복재에 의해 하나의 통합 케이블로 구성된 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the multi-cable is characterized in that the fiber optic sensor and the heating cable are composed of one integrated cable by the covering material.
본 발명에서 상기 피복재 표면에는 눈금자가 표시되어 있는 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the coating material surface is characterized in that the ruler is displayed.
본 발명에서 상기 광섬유센서와 히팅케이블 사이에는 열전도성 칸막이를 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the thermally conductive partition is installed between the optical fiber sensor and the heating cable.
본 발명에서 상기 피복재는 PVC로 이루어져 광섬유센서와 히팅케이블 둘레를 코팅하여 형성되거나 감겨져 구성된 것을 특징으로 한다.
In the present invention, the coating material is made of PVC, characterized in that formed or wound by coating the optical fiber sensor and heating cable circumference.
본 발명에서 상기 광섬유센서 온도측정기는 지중열교환기에 삽입된 광섬유를 일정 간격의 측정지점별로 측정하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the optical fiber sensor temperature measuring unit is characterized in that for measuring the optical fiber inserted into the underground heat exchanger for each measuring point of a predetermined interval.
상기와 같이 본 발명은 지중열교환기의 유효지중열전도도를 심도별로 측정할 수 있다는 장점을 가진다.As described above, the present invention has the advantage that the effective ground heat conductivity of the ground heat exchanger can be measured for each depth.
또한 하나 또는 여러 지중열교환기에서 유효지중열전도도 측정이 요구될 때 하나의 시스템으로 여러 지중열교환기에서 동시에 실험이 가능하여 경비와 시간을 크게 줄일 수 있다는 장점을 가진다.In addition, when effective ground heat conductivity measurement is required in one or several ground heat exchangers, it is possible to simultaneously experiment in several ground heat exchangers with one system, which has the advantage of greatly reducing the cost and time.
또한 기존 순환수 유동 방식의 유효지중열전도도 측정장치는 순환수, 주입전력, 순환펌프, 연결부 단열 등의 여러 가지의 복잡한 구성을 구비하여 그 관리 사항이 많지만 본 발명은 광섬유 온도 센서와 히팅 케이블 그리고 표면에 눈금자가 결합된 멀티케이블을 이용하여 간결하게 측정을 수행할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
In addition, the effective ground heat conductivity measuring device of the existing circulating water flow system has various complicated configurations such as circulating water, injection power, circulating pump, and connection insulation, but there are many management matters. It is a useful invention with the advantage that the measurement can be carried out concisely using a multi-cable coupled to the surface of the ruler is an invention that is expected to be used in industry.
도 1은 본 발명의 한실시 예에 따른 전체 구성을 보인 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전체 구성을 보인 개략적인 구성도이고,
도 3은 본 발명에 따른 멀티케이블을 이용한 지중열교환기내 온도 측정방법을 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한실시예에 따른 유효지중열전도도 측정 장치에 이용되는 멀티케이블의 구성도이고,
도 5는 본 발명에서 히팅케이블의 가열에 의한 지중열교환기내 순환수 온도 상승과 가열중지시 나타나는 온도회복곡선을 보인 그래프이고,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 온도 회복 데이터를 이용한 유효지중열전도도 측정예를 보인 그래프이다.1 is a schematic diagram showing an overall configuration according to an embodiment of the present invention,
2 is a schematic diagram showing an overall configuration according to another embodiment of the present invention,
Figure 3 is an exemplary view showing a temperature measuring method in the underground heat exchanger using a multi-cable according to the present invention,
4 is a block diagram of a multi-cable used in the apparatus for measuring the effective ground thermal conductivity according to an embodiment of the present invention,
5 is a graph showing a temperature recovery curve appearing when the temperature of the circulating water rises and stops heating in the underground heat exchanger due to the heating of the heating cable in the present invention;
6 is a graph showing an example of the measurement of the effective ground thermal conductivity using the temperature recovery data according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 한실시예에 따른 전체 구성을 보인 개략적인 구성도이고,도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전체 구성을 보인 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 멀티케이블을 이용한 지중열교환기 내 온도 측정방법을 보인 예시도이다.1 is a schematic diagram showing the overall configuration according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing the overall configuration according to another embodiment of the present invention, Figure 3 is a multi Exemplary diagram showing the temperature measurement method of underground heat exchanger using a cable.
도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 지열을 이용하기 위해 지중에 보어홀을 일정 깊이로 천공하고, 이 보어홀(101)에 지중열교환기(1)를 설치한 후 작동유체를 지중열교환기(1)에 충전하며, 작동유체가 충전된 지중열교환기(1) 내부에 작동유체를 가열하고 가열된 작동유체를 심도별로 온도를 측정하는 멀티케이블(2)이 필요 길이만큼 삽입된 것을 보인다. 작동유체는 멀티케이블(2) 설치 이전에 충전될 수도 있고 멀티케이블(2) 설치 이후에 충전 할수도 있다.As shown in the figure, the construction of the present invention drills a borehole to a certain depth in the ground in order to use geothermal heat, and installs the
멀티케이블(2)의 일측단은 멀티케이블(2)이 감겨진 멀티케이블릴(3)과 연결된다. One end of the multi-cable 2 is connected to the
멀티케이블릴(3)에 장치된 광섬유센서연결포트(31)에 연결된 광섬유센서연결선(33)은 심도별 온도정보를 처리하는 광섬유센서 온도측정기(4)와 연결되어 구성된다.The optical fiber
또한 상기 멀티케이블릴(3)의 히팅케이블포트(32)에 연결된 히팅케이블연결선(34)을 통해 히팅케이블의 온도를 제어하는 히팅케이블 온도컨트롤러(5)가 구성되어 히팅케이블의 온도를 필요로 하는 임의의 온도로 승온시켜 작동유체를 가열하도록 구성된다.In addition, the heating
히팅케이블 온도컨트롤러와 연결된 데이터로거(6)는 히팅케이블의 온도, 전력을 시간대별로 기록하도록 구성된다.
The
또한 상기에서 지중열교환기(1)가 현장의 여러 지점에 다수개 설치되어 구성시는 도 2 도시된 것처럼 복수개의 멀티케이블(2)이 각각 개별 지중열교환기(1)에 삽입되는데, 이 경우 다중채널 확장기(7)를 구비하여 광섬유센서 연결선(33)들을 각각 연결하고, 다중채널 확장기(7)를 광섬유센서 온도 측정기(4)에 연결하여 구성한다. 이와 같이 구성함으로써 다수개의 지중열교환기(1)별 유효지중열전도도를 동시에 측정할 수 있게 된다.
In addition, a plurality of geothermal heat exchanger (1) is installed at various points of the site in the above configuration, as shown in FIG. 2, a plurality of multi-cables (2) are respectively inserted into the individual geothermal heat exchanger (1). The
마찬가지로 다수개의 멀티케이블(2)에 히팅을 하기 위해 히팅케이블 온도컨트롤러도 다중채널히팅케이블 온도컨트롤러로 구성하면 복수개의 멀티케이블(2)을 히팅시키게 된다.
Similarly, if the heating cable temperature controller is also configured as a multi-channel heating cable temperature controller to heat a plurality of multi-cables (2) is to heat the plurality of multi-cables (2).
상기 지중열교환기(1)의 형태는 U자형 또는 일자형 어느 것을 이용해도 된다.The
도면 편의상 상기 광섬유센서 온도측정기, 히팅케이블 온도컨트롤러, 데이터로거 등의 작동을 위한 전원 장치가 생략되었으나 이와 같은 전원공급장치가 구비됨은 공지의 사실이다.
For convenience of illustration, the power supply device for the operation of the optical fiber sensor temperature measuring instrument, heating cable temperature controller, data logger, etc. is omitted, but it is known that such a power supply device is provided.
상기 멀티케이블(2)을 구성하는 구성요소 중 하나는 광섬유센서인데, 이 광섬유센서를 이용하여 지중열교환기(1) 내의 일정지점별 온도측정이 가능하여, 심도별 측정이 가능하게 된다. 광섬유센서는 이와 같이 설정에 따라 일정 간격의 지점별 다양한 온도 측정이 가능하다.
One of the components constituting the multi-cable (2) is an optical fiber sensor, by using the optical fiber sensor it is possible to measure the temperature at a certain point in the underground heat exchanger (1), it is possible to measure by depth. In this way, the optical fiber sensor can measure various temperatures for each point at a predetermined interval.
상기 광섬유 센서 온도 측정기는 일반적으로 50 cm 이상의 간격으로 전체 멀티케이블(2) 범위에서 지속적인 온도가 측정이 가능하다. 측정 가능 길이는 광섬유 센서 온도 측정기 종류에 따라 3 km, 5km, 10km 등으로 허용 가능한 멀티케이블(2) 길이가 결정되며, 측정 간격은 임의로 조정이 가능하며 유효지중열전도도를 측정하는 시간 범위에 이용하는데 문제가 없다.
The optical fiber sensor temperature measuring device can generally measure the continuous temperature over the entire
상기 열교환기와 보어(bore) 홀 사이의 공간은 그라우팅재로 충전될 수도 있고, 지하수로 충전될 수도 있고, 흙으로 충전될 수도 있으며 부분적으로 빈 홀 상태의 공간일 수도 있다.
The space between the heat exchanger and the bore hole may be filled with grouting material, filled with groundwater, filled with soil, or partially empty.
상기 열교환기 내는 열교환용 작동유체가 충전되는데 본 발명의 한실시예에 따른 작동 유체는 물을 사용하지만 열교환이 잘 일어날 수 있는 기타 여러 가지 작동유체가 혼합되어 사용될 수 있음은 물론이다. 예를 들어 히트파이프에서 일반적으로 사용되는 메탄올, 아세톤 등등의 유체가 혼합 또는 이용될 수 있다.
The heat exchanger is filled with a working fluid for heat exchange. The working fluid according to an embodiment of the present invention uses water, but various other working fluids that may well exchange heat may be used. For example, fluids such as methanol, acetone, and the like commonly used in heat pipes may be mixed or used.
상기와 같이 구성됨으로써 본 발명은 지중열교환기(1)의 심도별로 유효지중열전도도를 측정할 수 있으며 동시에 여러 지중열교환기(1)에서 유효지중열전도도를 측정할 수 있게 된다.
By constructing as described above, the present invention can measure the effective ground heat conductivity for each depth of the ground heat exchanger (1), and at the same time, it is possible to measure the effective ground heat conductivity in the various ground heat exchangers (1).
도 4는 본 발명의 한실시예에 따른 유효지중열전도도 측정 장치에 이용되는 멀티케이블의 구성도이다. 도시된 단면에 나타난 바와 같이 멀티케이블(2)은 광섬유센서(21)와 히팅케이블(22)이 PVC 등의 재질로 이루어진 피복재(23)에 의해 하나의 통합 케이블로 구성되어 멀티케이블릴(3)에 감겨 있다가 함께 풀리거나 다시 감기게 된다. 이와 같이 일체로 구성하게 되면 구성하면 광섬유센서(21)가 위치하는 곳까지 히팅케이블(22)이 함께 내려가게 되어 유체의 온도를 광섬유센서(21)가 위치한 곳까지 균일하게 동시에 승온시킬 수 있어 측정값의 신뢰도가 높아지게 된다. Figure 4 is a block diagram of a multi-cable used in the apparatus for measuring the effective ground heat conductivity according to an embodiment of the present invention. As shown in the cross-section shown, the multi-cable (2) is composed of a single integrated cable by the
또한 히팅케이블(22)을 이용한 유체의 승온장치를 구비함으로써 종래와 같이 별도의 온수공급탱크 및 승온장치와 전력공급장치와 같은 일정 규모 이상의 부피를 차지하는 장치 없이도 간단히 유체의 온도를 승온시켜 신뢰성 있게 여러 지점의 온도를 측정할 수 있게 된다. In addition, by providing a heating device for the fluid using the
상기 PVC등으로 피복된 피복재(23) 표면에는 눈금자(24)가 표시되어 지중열교환기(1)의 열교환기에 삽입된 멀티케이블(2)의 삽입 깊이를 측정할수 있게 구성되어 있다. 물론 일정 간격으로 온도를 측정할 수 있는 광섬유센서(21)를 사용하기 때문에 심도별 측정시 열교환기 내에 풀려 설치된 광섬유센서(21)의 하부 지점 위치와 작동유체에 잠긴 상부 지점의 위치를 광섬유센서 온도 측정기에 전송되는 정보를 가지고 알수 있지만, 실제 입력된 정보가 맞는지 육안 검사하여 검증할 수 있도록 표면에 눈금자(24)를 인쇄하여 구성하였다.A
또한 도면에서 보면 광섬유센서(21)와 히팅케이블(22) 둘레에 PVC로 이루어진 피복재(23)가 형성된 구조가 사각단면으로 구성되어 있지만 이러한 사각 단면 구조로만 특히 한정되는 것은 원형단면을 포함한 여러 원형 또는 다각구조를 가질 수 있다. 단지 PVC와 같은 피복재에 의해 광섬유센서와 히팅케이블이 한몸체를 이루게 코팅 또는 감싸지게 구성되면 족하다. In addition, in the drawings, the structure in which the covering
또한 본 발명의 한 실시예에 따른 도면에서는 피복재가 내구성이나 열전도성이 좋아 PVC로 구성되어 있지만, 열전도성을 가지면서 피복재 역할을 할수 있는 것이면 다른 재질을 사용해도 된다. In addition, in the drawing according to an embodiment of the present invention, the coating material is made of PVC having good durability or thermal conductivity, but other materials may be used as long as the coating material can serve as the coating material while having thermal conductivity.
또한 광섬유센서(21)와 히팅케이블(22)을 피복재(23)를 이용하여 일체화시 서로간의 형태를 유지하면서 피복되도록 하기 위해 광섬유센서와 히팅케이블은 중간에 열전도성 칸막이(25)를 설치하면 실 사용시 멀티케이블을 구성하는 광섬유센서와 히팅케이블 간의 뒤틀림등을 예방할 수 있어서 편리하다. In addition, the
열전도성 칸막이(25)는 열전도성을 가지는 플라스틱이나 금속재를 이용하여 구성할 수 있다. 다만 열전도성능이 떨어지고, 단열효과를 가지는 세라믹 등은 사용하면 좋지 않다.The thermally
상기 도시된 바와 같이 히팅케이블은 전원이 공급되는 전열선에 절연 피복된 형태로 전기가 인가되면 발열되어 지중열교환기에 충전된 작동유체를 가열하게 된다.
As shown in the drawing, the heating cable generates heat when electricity is applied to the heating wire to which power is supplied and heats the working fluid charged in the underground heat exchanger.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 유효지중열전도도를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the method for measuring the effective ground thermal conductivity according to the present invention having the configuration as described above are as follows.
먼저, 도 1 내지 4에 따른 구성을 구비한 상태에서 개별 지중열교환기에서의 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같은 단계를 가진다.First, a method of measuring effective ground thermal conductivity of each depth in an individual ground heat exchanger in a state having the configuration according to FIGS. 1 to 4 will be described.
지중열교환기에 삽입된 히팅케이블을 이용하여 지중열교환기에 충전된 유체의 온도를 필요 온도만큼 가열하는 단계와;Heating the temperature of the fluid charged in the underground heat exchanger to a required temperature by using a heating cable inserted into the underground heat exchanger;
이후 히팅케이블에 의한 유체의 가열을 중단하는 단계와;Then stopping heating of the fluid by the heating cable;
이후 지중열교환기에 삽입된 광섬유센서에 의한 심도별 온도 측정 정보를 이용하여 광섬유센서 온도 측정기에서 지중열교환기내 심도별 회복되는 온도를 지속적으로 측정하는 단계와;Thereafter continuously measuring the temperature recovered by the depth in the underground heat exchanger in the optical fiber sensor temperature measuring device using the temperature measurement information for each depth by the optical fiber sensor inserted into the underground heat exchanger;
이후 시간의 경과에 따른 지중 열교환기내 온도회복 데이터를 이용 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 단계;로 이루어진다.
Thereafter, measuring the effective ground thermal conductivity of each depth using the temperature recovery data in the underground heat exchanger over time.
상기에서 가열은 히팅케이블과 연결된 히팅케이블 온도 컨트롤러에 의해 히팅케이블 온도를 조절하면 된다.
In the above heating, the heating cable temperature is controlled by a heating cable temperature controller connected to the heating cable.
또한 상기에서 상기와 같은 개별 지중열교환기에서의 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 방법을 응용한 다 지점에서의 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같은 단계를 가진다.In addition, the method of measuring the effective ground thermal conductivity for each depth in the individual ground heat exchanger as described above will be described a method for measuring the effective ground thermal conductivity for each depth at multiple points has the following steps.
다수개의 지점에 설치된 지중열교환기에 각각 삽입된 히팅케이블을 이용하여 지점별 지중열교환기에 충전된 유체의 온도를 필요 온도만큼 가열하는 단계와;Heating the temperature of the fluid charged to the underground heat exchanger for each point by using a heating cable respectively inserted into the underground heat exchangers installed at the plurality of points;
이후 다수 지점별로 설치된 히팅케이블에 의한 유체의 가열을 중단하는 단계와;Thereafter, the step of stopping the heating of the fluid by the heating cable installed for each point;
이후 다수 지점에 설치된 지중열교환기에 각각 삽입된 광섬유센서에 의한 심도별 온도 측정 정보를 다중채널확장기를 통해 동시에 입력받은 광섬유센서 온도 측정기에서 다수 지점에 설치된 개별 지중열교환기내 심도별 회복되는 온도를 지속적으로 각각 측정하는 단계와;Afterwards, temperature measurement information of each depth by the optical fiber sensors inserted into the underground heat exchangers installed at the multiple points are continuously inputted by the depth sensor in the individual underground heat exchangers installed at the multiple points in the optical fiber sensor temperature measuring device which is simultaneously input through the multi-channel expander. Measuring each;
이후 시간의 경과에 따른 다수 지점의 개별 지중 열교환기내 온도회복 데이터를 이용 지점별 및 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 단계;로 이루어진다.
Thereafter, measuring the effective ground thermal conductivity of each point and depth using the temperature recovery data in the individual underground heat exchanger of a plurality of points over time.
상기에서 가열은 다수개의 히팅케이블과 연결된 다중채널 히팅케이블 온도 컨트롤러에 의해 각각의 히팅케이블 온도를 조절하면 된다.
In the above heating, each heating cable temperature is controlled by a multi-channel heating cable temperature controller connected to a plurality of heating cables.
보다 구체적으로 상기와 같이 구성된 본 발명 장치를 이용한 유효지중열전도도 측정 및 해석방법을 살펴본다.More specifically look at the effective ground heat conductivity measurement and analysis method using the device of the present invention configured as described above.
일정기간 지중열교환기(1) 내 작동유체인 순환수에 히팅케이블을 통해 열을 주입하면 도 5와 같이 지중열교환기(1)의 온도가 상승하다가 가열중지시 온도회복곡선처럼 온도가 하강한다. 이때 광섬유센서 온도 측정기에서 가열중지 후 멀티케이블(2) 내 광섬유센서를 통한 지중열교환기(1) 내 회복되는 심도별 온도를 지속적으로 측정하여 해석하면 심도별 유효지중열전도도를 계산할 수 있다. When heat is injected into the circulating water, which is the working fluid in the
이 방법은 토양 또는 암반 내 설치된 지중열교환기(1) 내 유체 또는 지반의 온도변화를 이용하여 해석하는 방법으로서 지중열교환기(1) 내 순환수를 일정기간 가열 후 회복되는 지중열교환기(1) 내 유체의 온도 자료를 이용한다. This method is to analyze by using the temperature change of the fluid or ground in the ground heat exchanger (1) installed in the soil or rock, which is recovered after heating the circulation water in the ground heat exchanger (1) for a certain period of time (1) Use temperature data of my fluid.
Kelvin의 무한 선형열원이론에서 이 방법을 적용하기 위해서 다음의 식 1과 식 2로 간략하게 나타낼 수 있다.
To apply this method in Kelvin's infinite linear heat source theory, it can be simplified by the following equations (1) and (2).
여기서 t는 가열중지 후 경과시간 Ts는 가열중지 후 지중열교환기(1) 내 순환수 온도 (℃), Ti는 초기 지중 온도(℃), tp는 전체 열주입 시간(s)이다. Where t is the elapsed time after stopping heating T s is the circulating water temperature (° C.) in the underground heat exchanger (1) after stopping heating, T i is the initial underground temperature (° C.), and t p is the total heat injection time (s).
유효지중열전도도 λs는 지중열교환기(1)에 공급되는 단위 길이당 투입전력 (W/m) q와 사이클 당 온도변화 m(degree/cycle)을 이용하면 식 2와 같이 나타낼 수 있으며, 측정 사례는 도 6에 있다. 사례로 도 6의 온도 측정치에 최적수렴선을 도시하여 t+tp의 한사이클(0.1 ~ 1 또는 1 ~ 10, 또는 10 ~ 100)에 대한 좌변축의 온도변화량을 m으로 설정한다. 도 6의 한사이클당 좌변축의 온도변화량이 3.37, 그리고 단위길이당 투입전력 q가 55 W/m 이므로, 이를 식 2에 적용하면 유효지중열전도도 λs 는 2.97이 된다. The effective ground heat conductivity λ s can be expressed as
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 지중열교환기 (2) : 멀티케이블
(3) : 멀티케이블릴 (4) : 광섬유센서 온도 측정기
(5) : 히팅케이블 온도컨트롤러(또는 다중 히팅케이블 온도컨트롤러)
(6) : 데이터로거 (7) : 다중채널 확장기
(21) : 광섬유센서 (22) : 히팅케이블
(23) : 피복재 (24) : 눈금자
(25) : 열전도성칸막이 (31) : 광섬유센서연결포트
(32) : 히팅케이블포트 (33) : 광섬유센서연결선
(34) : 히팅케이블연결선 (101) : 보어홀<Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
(1): underground heat exchanger (2): multi-cable
(3): Multi cable reel (4): Fiber optic sensor temperature measuring instrument
(5): Heating cable temperature controller (or multiple heating cable temperature controller)
(6): data logger (7): multi-channel expander
(21): fiber optic sensor (22): heating cable
(23): cladding material (24): ruler
(25): Thermally conductive partitions (31): Optical fiber sensor connection port
(32): Heating cable port (33): Fiber optic sensor connection cable
(34): Heating cable connection line (101): Bore hole
Claims (8)
멀티케이블이 감겨진 멀티케이블릴에 연결된 광섬유센서연결선을 통해 입력된 지중열교환기에 충전된 유체의 심도별 온도정보를 처리하는 광섬유센서 온도측정기와;
상기 멀티케이블릴에 연결된 히팅케이블연결선을 통해 히팅케이블의 온도를 제어하는 히팅케이블 온도컨트롤러;로 구성하되,
상기 광섬유센서 온도측정기는 지중열교환기에 삽입된 광섬유를 일정 간격의 측정지점별로 측정하도록 구성하여 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치.
A multi-cable including a heating cable inserted into an underground heat exchanger installed in a bored hole drilled in the ground and a fiber optic sensor for heating a fluid, and a fiber optic sensor for measuring temperature according to depths, by a coating material marked with a ruler on its surface;
An optical fiber sensor temperature measuring device for processing temperature information of depths of fluid charged in the underground heat exchanger input through an optical fiber sensor connecting line connected to a multi-cable reel wound with a multi-cable;
Heating cable temperature controller for controlling the temperature of the heating cable through the heating cable connecting line connected to the multi-cable reel;
The optical fiber sensor temperature measuring device is an effective ground heat conductivity measurement apparatus using a multi-cable, characterized in that for measuring the effective ground thermal conductivity for each depth by configuring to measure the optical fiber inserted into the ground heat exchanger at a predetermined interval.
다수 지점의 지중열교환기에 삽입된 멀티케이블이 각각 감겨진 복수개의 멀티케이블릴에 개별 연결된 복수개의 광섬유센서연결선이 연결된 다중채널확장기와;
다중채널확장기를 통해 입력된 다수 지점의 지중열교환기에 충전된 유체의 지점별 및 심도별 온도정보를 처리하는 광섬유센서 온도측정기와;
상기 다수지점에 설치된 멀티케이블릴에 연결된 히팅케이블연결선을 통해 복수지점의 개별 히팅케이블의 온도를 제어하는 다중채널 히팅케이블 온도컨트롤러;로 구성하되,
상기 광섬유센서 온도측정기는 지중열교환기에 삽입된 광섬유를 일정 간격의 측정지점별로 측정하도록 구성하여 지점별 및 심도별 유효지중열전도도를 측정하는 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치.
A multi-cable including a heating cable inserted into an underground heat exchanger installed in a borehole perforated at a plurality of points, and a heating cable for heating a fluid, and an optical fiber sensor for measuring temperature according to depths, comprising a single integrated cable by a cladding material on the surface of which a scale is marked;
A multi-channel expander connected to a plurality of optical fiber sensor connecting lines individually connected to a plurality of multi-cable reels in which multi-cables inserted into multiple underground heat exchangers are respectively wound;
An optical fiber sensor temperature measuring device for processing point information and point-by-depth temperature information of the fluid filled in the underground heat exchanger of multiple points inputted through the multi-channel expander;
A multi-channel heating cable temperature controller for controlling the temperature of the individual heating cable of a plurality of points through a heating cable connecting line connected to the multi-cable reel installed in a plurality of points;
The optical fiber sensor temperature measuring device is configured to measure the optical fiber inserted into the ground heat exchanger by measuring points at a predetermined interval to measure the effective ground thermal conductivity of each point and depth, the effective ground heat conductivity measurement apparatus using a multi-cable.
상기 온도컨트롤러와 연결되어 히팅케이블의 온도, 전력을 시간대별로 기록하는 데이터로거;를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치.
The method according to claim 1 or 2,
And a data logger connected to the temperature controller to record the temperature and power of the heating cable for each time zone.
상기 광섬유센서와 히팅케이블 사이에는 열전도성 칸막이를 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치.
The method according to claim 1,
An effective ground thermal conductivity measurement apparatus using a multi-cable, characterized in that a thermally conductive partition is installed between the optical fiber sensor and the heating cable.
상기 피복재는 PVC로 이루어져 광섬유센서와 히팅케이블 둘레를 코팅하여 형성되거나 감겨져 구성된 것을 특징으로 하는 멀티케이블을 이용한 유효지중열전도도 측정 장치.The method according to claim 1,
The covering material is made of PVC coating the fiber optic sensor and heating cable circumference formed or wound is effective effective thermal conductivity measurement apparatus using a multi-cable.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100057666A KR100997162B1 (en) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | Apparatus for measuring the effective thermal conductivity of the ground using multi-cable |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100057666A KR100997162B1 (en) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | Apparatus for measuring the effective thermal conductivity of the ground using multi-cable |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101400886B1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-05-29 | (주) 소암컨설턴트 | 3d distributed underground temperature measuring system |
| WO2016068736A1 (en) | 2014-10-31 | 2016-05-06 | Neostrain Spółka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia | Method, system and prefabricated multi-sensor integrated cable for detection and monitoring of a fluid flow, in particular of a fluid flow in filtration processes, especially of leakage in constructions and/or in ground |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008256386A (en) * | 2007-04-02 | 2008-10-23 | Public Works Research Institute | Heating-type ground water resistivity logging method, detector for heating-type ground water resistivity logging, and measuring instrument for heating-type ground water resistivity logging |
-
2010
- 2010-06-17 KR KR1020100057666A patent/KR100997162B1/en active IP Right Grant
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