KR101202247B1 - Method of measuring ground thermal conductivity - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지중열전도도 측정방법에 관한 것으로, 자세하게는 수직형 지중열교환기 설계에 요구되는 지중열전도도를 측정하기 위하여 열응답실험시 선형열원 방법을 이용하여 계산되는 측정치의 정밀도를 평가하여 측정치의 오차가 최소가 될 수 있도록 측정하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for measuring underground thermal conductivity, and in detail, to measure the ground thermal conductivity required for the design of a vertical underground heat exchanger, the accuracy of the measured value is evaluated by evaluating the precision of the measured value calculated using the linear heat source method during the thermal response experiment. It is about the technique of measuring so that the error can be minimized.
최근 화석연료의 고갈문제 및 환경오염 문제를 대체하기 위해 태양열, 태양광, 지열, 풍력, 조력, 파력 등등의 청정에너지 또는 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 상기한 여러 대체 에너지 중 지열에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 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. 이러한 지열이용 기술은 태양열과 같이 건물에너지로서 유용성이 높은 대체에너지 기술이기 때문에, 경제적으로 큰 잠재력을 가지고 국내시장에 넓게 퍼질 것으로 예상된다.Recently, in order to replace the problem of depletion 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. Underground has a huge amount of heat energy, it is easy to use both time and place, and the temperature distribution (maintain 15 ± 5 ℃ throughout the year) is very likely to be used as a heat source of the heat pump. 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. 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 회수(혹은 방열)하여 열원(혹은 히트 씽크)으로 이용하며, 시스템의 설계에는 필수적으로 현지 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항과 관련된 정보가 필요하다. 또한 지하에 열교환기를 삽입하여 지중열을 회수하는 시스템은 보어홀 천공에 비용이 많이 드는 문제점이 있으므로 천공비용을 줄이고 장기간 설계 성능을 유지하기 위해서는 정확한 용량 설계가 필요하다.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. 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. A heat source (or heat dissipation) by recharging (or dissipating) heat from the ground (or to the ground) by inserting grout material between the borehole and the heat exchanger and circulating the heat fluid inside the inserted loop. Heat sink, and the design of the system essentially requires information related to the effective ground heat conductivity of the local ground and the effective heat resistance of the borehole where the ground heat exchanger is embedded. In addition, the underground heat recovery system by inserting a heat exchanger in the basement has a problem of costly boring hole drilling, so accurate capacity design is necessary 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. 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 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. 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. 지중열교환기가 매설되는 현장에 따라 지표 부근의 흙에서부터 열교환기가 매설되는 최고 깊이까지 흙과 암석의 종류, 두께, 밀도, 비열, 함수율, 공극율 등 열성능과 전기한 모든 인자들의 영향을 종합적으로 고려하여 구하는 열전도도를 유효지중열전도도라 한다.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. Depending on the site where the underground heat exchanger is buried, the thermal performance and the influence of all the factors mentioned above, such as soil type, thickness, density, specific heat, moisture content, and porosity, from the soil near the surface to the maximum depth at which the heat exchanger is buried The thermal conductivity obtained is called effective ground thermal conductivity.
보어홀의 유효전열저항은 현지에 설치되는 지중열교환기의 형식, 사용하는 재료의 종류 및 혼합율, 작업상태에 대한 총합적인 전열저항이다. 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.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. 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 천공 비용을 줄이고 설계 성능을 유지하기 위해서는 정확한 측정이 필요하며 동 목적으로 지중열성능 측정 장치를 이용한다.Due to the large difference in capacity of the ground heat exchanger according to the effective ground heat conductivity and effective heat resistance of the local ground, accurate measurement is necessary to reduce the borehole drilling cost and maintain the design performance, and use the ground heat performance measuring device 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.
이하 보다 구체적으로 지중열전도도를 측정 및 분석하는 방법을 살펴본다. Hereinafter, a method of measuring and analyzing the ground thermal conductivity will be described in more detail.
종래 수직형 지중열교환기를 설계하기 위한 지중열전도도 측정기술로 대한민국 특허 출원 제 10-2006-04065233호(명칭: 지중열전도도 평가방법)이 있다. 이 기술은 지중열전도도를 평가하는데 있어서 선형열원 방정식을 이용하고 있으며, 특정 실험 기간에 대한 지중입구/출구 평균유체온도를 프로그램 내부적으로 소팅(sorting)하여 구한 기울기를 이용하여 지중열전도도를 계산한다. 하지만 이러한 결과는 측정기간별로 지중열전도도의 변화를 반영하지 못하며 최소 필요한 실험시간에 대한 결과를 반영하지 못한다. There is a Republic of Korea Patent Application No. 10-2006-04065233 (name: underground thermal conductivity evaluation method) as a technique for measuring the underground thermal conductivity for designing a conventional vertical underground heat exchanger. This technique uses a linear heat source equation for evaluating ground thermal conductivity, and calculates ground thermal conductivity using a slope obtained by internally sorting the ground inlet / outlet average fluid temperature for a specific experimental period. . However, these results do not reflect the change in ground thermal conductivity for each measurement period and do not reflect the results for the minimum required experiment time.
또한 여러 요소들에 따라 변화되는 지중입구/출구 평균 유체온도에 대한 변동특성을 반영하지 못하므로 지중열전도도 측정치에 대한 제한적인 평가가 이루어진다. In addition, limited evaluation of underground thermal conductivity measurements is made because it does not reflect the fluctuation characteristics of the ground inlet / outlet fluid temperature, which varies according to various factors.
이와 같이 기존 수행되고 있는 측정법은 자료의 특성을 고려하지 않고 고정된 실험 시간을 이용하여 지중열전도도를 측정한다는 구조적인 문제점이 있다.
As such, the existing measurement method has a structural problem of measuring the ground thermal conductivity using a fixed experiment time without considering the characteristics of the data.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지중열전도도를 측정하고 분석시 정확도를 고려한 실험 및 평가과정에서 정밀도를 단계적으로 평가하여 수렴된 값을 측정하고, 측정치가 수렴되는 양상에 따라 필요시 단계적으로 실험시간을 늘려 측정함으로써 측정값의 정밀도가 확보될 때 적은 시간의 실험을 통하여 최종 지중열전도도의 측정이 가능하도록 한 측정방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to measure the ground heat conductivity and to measure the converged value by evaluating the precision step by step in the experiment and evaluation process in consideration of accuracy in the analysis, and according to the aspect that the measurement value converges It is to provide a measuring method that enables the measurement of the final ground thermal conductivity through a small amount of time when the accuracy of the measured value is secured by increasing the experimental time in time.
또한 본 발명의 다른 목적은 열전도도 측정 및 분석시 주입전력, 순환수 유속의 변화가 특정 범위를 넘으면 지중열전도도의 측정치에 많은 오류를 가져오기 때문에 이에 대한 제어를 반영하여 이론적인 정확도를 가정하고 실험 중에 지중열전도도의 정밀도를 단계적으로 평가하므로 자료특성에 따라 짧은 시간에도 정밀한 지중열전도도 측정이 가능토록 한 측정방법을 제공하는 데 있다.
In addition, another object of the present invention is to assume a theoretical accuracy by reflecting the control of the control of the ground conductivity, if the change in the injection power, circulating water flow rate when the thermal conductivity measurement and analysis exceeds a certain range Since the precision of the ground thermal conductivity is evaluated step by step during the experiment, it is to provide a measurement method that enables accurate ground thermal conductivity measurement in a short time depending on the data characteristics.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은,The present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for eliminating the conventional drawbacks,
1) 지중열교환기에 가열된 순환수를 주입 및 유출하도록 지중열전도도 측정장치를 설치 후, 순환수의 유량, 순환수(주입 및 유출시)의 온도, 물탱크의 수위, 순환수 물탱크에 삽입된 히터의 주입전력량, 외부(대기) 온도의 모니터링을 시작하는 제 1 단계와;1) Install underground thermal conductivity measuring device to inject and circulate heated circulating water in underground heat exchanger, and then insert into circulating water flow rate, temperature of circulating water (injection and outflow), water tank level, circulating water tank A first step of starting monitoring of the injected power amount and the external (standby) temperature of the heated heater;
2) 순환수를 물탱크에 주입 및 펌프 유속 조정으로 지중열교환기에 순환될 순환수의 속도를 설정하는 제 2 단계와;2) a second step of setting the speed of the circulating water to be circulated to the underground heat exchanger by injecting the circulating water into the water tank and adjusting the pump flow rate;
3) 수위측정기 정보로부터 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되는지를 판단하여, 유지되면 다음 단계인 초기 지중온도 측정단계로 가고, 유지되지 않으면 상기 제 2 단계로 되돌아가는 제 3 단계와;3) a third step of judging whether the circulating water in the water tank is maintained at a predetermined level from the level gauge information, and if it is maintained, goes to the initial underground temperature measurement step, which is the next step, and returns to the second step if not maintained;
4) 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되면 일정시간 순환수를 가열하지 않고 순환시켜 주입순환수온도센서 및 유출순환수온도센서를 이용 지반의 초기 지중온도를 측정하는 제 4 단계와;4) a fourth step of measuring the initial underground temperature of the ground by using the inlet circulating water temperature sensor and the outflow circulating water temperature sensor by circulating the circulating water without heating the water for a predetermined time when the circulating water in the water tank is maintained at a predetermined level;
5) 지중열교환기의 주입 순환수와 유출 순환수의 온도차가 최종적으로 3.5 ℃이상 되도록 순환수 유량과 물탱크에 삽입된 히터에 공급되는 주입전력을 설정하여 물탱크 내 순환수를 가열하는 제 5 단계와;5) A fifth method of heating the circulating water in the water tank by setting the flow rate of the circulating water and the injection power supplied to the heater inserted into the water tank so that the temperature difference between the circulating water and the circulating water of the underground heat exchanger is at least 3.5 ° C. Steps;
6) 최소 24시간 이상 상기 제 5단계에 맞게 순환수를 가열 하면서 지중열교환기에 일정유량을 공급하여 제 1 단계의 모니터링 대상 값들을 측정하는 제 6단계와;6) a sixth step of measuring a value to be monitored in the first step by supplying a constant flow rate to the underground heat exchanger while heating the circulation water in accordance with the fifth step for at least 24 hours;
7) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 상기 제 6단계에 의해 측정된 값과 선형열원 방정식을 이용 평균순환수온도와 실험시간 변화를 가지고 기울기를 설정 후, 시간별 지중열전도도 변화도 그래프를 작성하는 제 7단계와;7) Using the control algorithm equipped with the control system, using the values measured in
8) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간을 기준으로 이전 6 ~ 12시간 동안의 지중열전도도 편차를 계산하는 제 8단계와;8) an eighth step of calculating the ground thermal conductivity deviation of the previous 6 to 12 hours on the basis of the final experiment time using a control algorithm equipped with a control system;
9) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 주입전력 및 순환수 유량 변동이 허용범위 내인지를 확인하여 오차범위 이내면 지중열전도도 편차가 기준 설정값 범위내인지 판단하는 제 10단계로 가고, 오차범위가 크면 열응답실험을 재실시하는 제 12단계로 가도록 판단하는 제 9 단계와;9) Go to the tenth step to check whether the variation of the injection power and circulation water flow rate is within the allowable range by using the control algorithm equipped with the control system. A ninth step of deciding to go to a twelfth step of performing a thermal response experiment again if the range is large;
10) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 계산된 지중열전도도의 편차가 기준 설정값 범위내로 수렴하는지 확인 후, 기준설정값 범위내일 경우는 최종 지중열전도도를 계산하여 최소 실험시간을 측정하는 제 11단계로 이동하고, 편차가 기준 설정값 범위보다 크면 추가실험시간을 결정하는 제 13단계로 가도록 판단하는 제 10단계와; 10) Using the control algorithm equipped with the control system, after checking whether the deviation of the ground heat conductivity calculated for 6 to 12 hours before the final experiment time converges within the standard setting value range, and if it is within the standard setting value range, the final ground heat conductivity is determined. Moving to the eleventh step of calculating the minimum experiment time, and if the deviation is greater than the reference set value range, determining the process to go to the thirteenth step of determining an additional experiment time;
11) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 지중열전도도의 편차가 기준 설정값 이내이면 최종 지중열전도도를 계산하되, 추가실험을 거친 값일 경우 편차가 허용된 기준 설정 범위값 범위내로 들어와서 실험이 중지된 시점을 최소 실험시간으로 결정하는 제 11 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법을 제공함으로써 달성된다.
11) If the deviation of ground heat conductivity is within the standard setting value using the control algorithm equipped with the control system, the final ground heat conductivity is calculated, but if it is further tested, the experiment is carried out by entering the range of the standard setting range where the deviation is allowed. It is achieved by providing a method for measuring underground thermal conductivity, characterized in that it comprises; an eleventh step of determining the stopped time as the minimum experiment time.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 12단계는 초기 지중온도와 ±0.3℃ 이내 지중온도 수렴 후에 실험을 재실시하는 제 1 단계로 되돌아 단계 일 수 있다.
In a preferred embodiment of the present invention, the twelfth step may be a step of returning to the first step of performing the experiment again after convergence of the initial underground temperature and the underground temperature within ± 0.3 ° C.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 13단계는 제 7단계로 되돌아 가서 해야할 추가 실험시간을 6 ~ 12시간으로 결정하는 단계일 수 있다.
In a preferred embodiment of the present invention, the thirteenth step may be a step of determining the additional experiment time to be returned to the seventh step as 6 to 12 hours.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 1단계에서 모니터링은 1분 ~ 10분의 측정 간격으로 할 수 있다.
The present invention is a preferred embodiment, the monitoring in the first step may be a measurement interval of 1 minute to 10 minutes.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 4단계에서는 최소 1 ~ 2 시간 가량 순환수를 가열하지 않고 순환시킬 수 있다.
The present invention is a preferred embodiment, in the fourth step can be circulated without heating the circulation water for at least 1 to 2 hours.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 5단계에서 주입전력은 50 ~ 80 W/m일 수 있다.
The present invention is a preferred embodiment, the injection power in the fifth step may be 50 ~ 80 W / m.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 9단계에서 주입전력 및 순환수 유량 변동의 허용범위는 주입전력 0.3%(표준편차/평균) 이내이고, 순환수 유량은 ±1% 이내일 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, in the ninth step, the allowable range of the injection power and the circulation water flow rate variation may be within 0.3% (standard deviation / average) of the injection power, and the circulation water flow rate may be within ± 1%.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 10단계에서 지중열전도도 편차의 기준 설정값은 ±0.05 ~ 0.1 W/m-K일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reference set value of the ground heat conductivity deviation in the tenth step may be ± 0.05 to 0.1 W / m-K.
상기와 같이 본 발명은 지중열전도도 측정 및 분석시 정확도를 고려한 실험 및 평가과정에서 정밀도를 단계적으로 평가하여 수렴된 값을 측정하고 측정치가 수렴되는 양상에 따라 단계적으로 실험시간을 늘려 측정함으로써 측정값의 정밀도가 확보될 때 적은 시간의 실험을 통하여 최종 지중열전도도를 측정함으로써 정밀한 지중열전도도 측정이 가능하여 신뢰성 높은 지중열교환기 설계가 가능하는 장점을 가진다. As described above, the present invention measures the converged value by evaluating the precision step by step in the experiment and evaluation process considering the accuracy of the ground heat conductivity measurement and analysis, and increases the experimental time step by step in accordance with the measured value converged measurement value When the precision of is secured, it is possible to accurately measure the ground heat conductivity by measuring the final ground heat conductivity through the experiment in a short time, which has the advantage of designing a reliable ground heat exchanger.
또한 본 발명은 주입전력, 순환수 유속의 변화가 특정 범위를 넘으면 지중열전도도의 측정치에 많은 오류를 가져오기 때문에 이에 대한 제어도 반영함으로써 이론적인 정확도를 가정하고 실험중에 지중열전도도의 정밀도를 단계적으로 평가하므로 자료특성에 따라 짧은 시간에도 정밀한 지중열전도도 측정이 가능하여 신뢰성 높은 지중열교환기 설계가 가능하는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
In addition, the present invention introduces a large number of errors in the measurement of the ground thermal conductivity when the change of the injected power and the circulating water flow rate exceeds a certain range, and thus reflects the control of the ground heat conductivity during the experiment. It is a useful invention with the advantage that it is possible to measure the ground heat conductivity precisely even in a short time according to the characteristics of the data and to design a reliable ground heat exchanger.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 지중열전도도 측정장치를 보인 예시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 지중열전도도 측정흐름을 보인 순서도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실험시간(Time) 변화에 따른 주입수온도(EWT), 유출수온도(LWT), 평균순환수온도(Average temp), 주입열량(Heat injection)간의 변화를 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따른 실험시간과 평균순환수온도간의 기울기 설정 사례들(a, b)을 보인 그래프이고,
도 5는 본 발명의 각 실시예에 따라 48시간 동안 지중열전도도 변화를 나타낸 그래프이다. 1 is an exemplary view showing an underground thermal conductivity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
2 is a flow chart showing the ground heat conductivity measurement flow according to an embodiment of the present invention,
Figure 3 shows the change between the injection water temperature (EWT), the effluent temperature (LWT), the average circulating water temperature (Average temp), the heat injection (Heat injection) according to the experiment time (Time) change according to an embodiment of the present invention It's a graph,
4 is a graph showing examples of setting slopes (a, b) between an experiment time and an average circulation water temperature according to each embodiment of the present invention;
5 is a graph showing the change in the ground thermal conductivity for 48 hours according to each 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.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, 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 한 실시예에 따른 지중열전도도 측정장치를 보인 예시도이다. 도시된 바와 같은 장치는 지열시스템을 설계하기 위해 도시된 바와 같은 지중열교환기에서 열응답 실험(thermal response test)을 실시하여 지중열전도도를 측정한다. 이와 같은 장치를 통한 실험 결과의 해석은 다음 수식 1과 같이 단순화된 선형열원 방정식(simplified line source equation)을 적용하였다. 1 is an exemplary view showing an underground thermal conductivity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The apparatus as shown measures ground thermal conductivity by performing a thermal response test in a ground heat exchanger as shown to design the geothermal system. For the interpretation of the experimental results through such a device, a simplified line source equation was applied as shown in
여기서 k는 평균순환수온도와 대수시간간의 기울기, Q는 주입열량(Heat injection rate, W/m), H는 지중 열교환기의 길이, λ ef 는 지중열교환기 주변암석의 열적 특성을 포함하는 유효 열전도도(effective thermal conductivity)를 나타낸다. 그리고 오차가 2.5% 이내에 해당될 경우 실험시간(t)은 5rb 2/α 이상이 되어야 한다. rb은 공의 반경이고 α는 지반의 열확산율(ground thermal diffusivity)이다. Where k is the slope between the mean circulating water temperature and the logarithmic time, Q is the heat injection rate (W / m), H is the length of the ground heat exchanger, and λ ef is the effective thermal property of the surrounding rock. It shows effective thermal conductivity. And if the error is within 2.5%, the test time (t) should be more than 5r b 2 / α. r b is the radius of the ball and α is the ground thermal diffusivity.
구체적으로 도 1을 살펴보면 일정수위의 물이 저장된 물탱크(1)에 히터 1(2a)과 히터 2(2b)가 삽입되어 물의 온도를 조절할 수 있도록 구성된다. 이때 히터는 예시된 실시예처럼 꼭 2개일 필요는 없다. 단지 많으면 온도 조절 시간이 단축될 수 있으므로 복수개로 구성할 수 있다.Specifically, referring to FIG. 1, a heater 1 (2a) and a heater 2 (2b) are inserted into a
물탱크(1)에 저장 후 데워진 물은 물탱크에 같이 설치되거나 분리 설치된 펌프(3)를 통해 자동유량 조절밸브(4)의 밸브 개폐에 의해 연결밸브 1(5)을 지나 수직 지중열교환기(6)에 공급된 후 다시 연결밸브 2(7)를 통과 후 유량 또는 유속을 측정하는 유량계(Flowmeter, 8)를 통해 물탱크로 되돌아오게 구성된다. The water heated after being stored in the water tank (1) passes through the connecting valve 1 (5) by opening and closing the valve of the automatic
상기 연결밸브 2(7)와 유량계(Flowmeter, 8) 사이에는 순환하는 물중에 포함된 공기를 배출하는 에어밴트(9)와 오염물질을 필터링하는 스크린(Screen, 10)이 설치된다. Between the connecting valve 2 (7) and the flow meter (Flowmeter, 8) is provided with an air vent (9) for discharging the air contained in the circulating water and a screen (Screen, 10) for filtering the contaminants.
상기 물탱크(1)에 저장된 물 및 순환하는 물의 온도 조절을 위해 대기 온도센서(11)와 주입 순환수 온도센서(12)와 유출 순환수 온도센서(13)가 설치된다. An
먼저 대기 온도 센서는 유량계와 펌프가 설치된 지점의 온도를 측정하도록 설치되는데, 물탱크에 유량계와 펌프가 함께 장치될 경우에는 이곳에 설치되도록 하고, 다른 곳에 설치되면 그 지점에 설치되면 된다. First, the air temperature sensor is installed to measure the temperature at the point where the flowmeter and the pump are installed. If the flowmeter and the pump are installed together in the water tank, the air temperature sensor should be installed here, and if it is installed elsewhere, it should be installed at the point.
주입 순환수 온도센서(12)는 지중열교환기에 공급되는 주입수 온도(EWT: entering water temperature) 측정용 센서로 한 실시예에 따라 바람직하게는 펌프(3)와 자동유량조절밸브(4) 사이에 설치되고, 상기 유출 순환수 온도센서(13)는 지중열교환기로부터 물탱크로 회수되는 유출수 온도(LWT: leaving water temperature) 측정용 센서로, 한 실시예에 따라 바람직하게는 스크린(10)과 자동유량조절밸브(4) 사이에 설치된다.The inlet circulating water temperature sensor 12 is a sensor for measuring the inlet water temperature (EWT) supplied to the underground heat exchanger. According to an embodiment, the inlet circulating water temperature sensor 12 is preferably provided between the
또한 상기 물탱크 내부 에는 수위측정기(15)가 설치되어 순환수의 높이를 측정하게 되고, 물탱크 상부에는 순환수 보충용 순환수 주입구(16)가 설치되어 수위측정기에서 측정된 수위 정보를 가지고 제어시스템이 제어알고리즘에 따라 필요시 순환수를 보충하게 구성된다.
In addition, the water
상기 히터 1, 2는 각각 도시된 바와 같이 제어시스템의 전력제어 단자에 연결되고, 펌프와 자동 유량 조절밸브는 각각 도시된 바와 같이 제어시스템(14)의 유량펌프 제어 단자에 연결된다. 연결된 히터 1, 2의 온도 제어는 제어시스템의 제어알고리즘에 따라 온도 조절이 제어되고, 펌프의 속도와 자동 유량 조절밸브의 개폐량은 제어시스템의 제어알고리즘에 따라 제어된다. 제어알고리즘과 유량 펌프 및 전력제어 단자간은 양방향 정보가 교류되어 작동된다.
The
또한 상기 유량계, 대기온도센서, 주입 순환수 온도센서, 유출 순환수 온도센서는 제어시스템(14)의 데이터 로거 단자에 연결된다. 입력된 값들은 제어시스템을 구성하는 무선랜모듈과 원격제어시스템에 측정 정보가 전송되어 처리되도록 구성된다.
The flow meter, ambient temperature sensor, inlet circulating water temperature sensor and outlet circulating water temperature sensor are also connected to the data logger terminal of the
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 지중열전도도 측정방법의 흐름을 보인 순서도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 방법은 상기 도 1의 장치를 이용하여 열응답 실험(thermal response test)에 의한 지중열전도도를 측정 및 분석하여 최적의 지중열전도도를 도출하기 위한 흐름도로, 실험시간 동안 일정 시간대의 측정 편차와 지중열전도도가 기준편차 간의 수렴관계를 고려하여 유동적인 실험시간 연장으로 지중열전도도 측정값의 정밀도를 높인 방법이다. Figure 2 is a flow chart showing the flow of the method of measuring the thermal conductivity according to an embodiment of the present invention. As shown, the method of the present invention is a flow chart for deriving an optimal ground thermal conductivity by measuring and analyzing the ground thermal conductivity by a thermal response test using the apparatus of FIG. It is a method to increase the precision of geothermal conductivity measurements by extending the experimental time in consideration of the convergence relationship between measurement deviation and geothermal conductivity in the reference time zone.
구체적으로 본 발명의 측정방법은, Specifically, the measuring method of the present invention,
1) 지중열교환기에 가열된 순환수를 주입 및 유출하도록 지중열전도도 측정장치를 설치 후, 유출 순환수의 유량, 순환수(주입 및 유출시)의 온도, 물탱크의 수위, 순환수 물탱크에 삽입된 히터에 인가되는 주입전력량, 외부(대기) 온도의 모니터링을 1분 ~ 10분의 측정 간격으로 시작하는 제 1 단계와(S101);1) After installing the underground heat conductivity measuring device to inject and circulate the heated circulating water in the underground heat exchanger, the flow rate of the circulating water, the temperature of the circulating water (injection and outflow), the water tank level, and the circulating water tank A first step of starting monitoring of an injection power amount applied to the inserted heater and an external (standby) temperature at a measurement interval of 1 minute to 10 minutes (S101);
2) 순환수를 물탱크에 주입 및 펌프 유속 조정으로 지중열교환기에 순환될 순환수의 속도를 설정하는 제 2 단계(S102)와;2) a second step S102 of setting the speed of the circulating water to be circulated to the underground heat exchanger by injecting the circulating water into the water tank and adjusting the pump flow rate;
3) 수위측정기 정보로부터 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되는지를 판단하여, 유지되면 다음 단계인 초기 지중온도 측정단계로 가고, 유지되지 않으면 상기 제 2 단계로 되돌아가는 제 3 단계(S103)와;3) determining whether the circulating water in the water tank is maintained at a predetermined level from the water level meter information, and if it is maintained, goes to the next stage of initial underground temperature measurement, and if not, returns to the second stage (S103); ;
4) 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되면 최소 1 ~ 2 시간 가량 순환수를 가열하지 않고 순환시켜 주입순환수온도센서 및 유출순환수온도센서를 이용 지반의 초기 지중온도를 측정하는 제 4 단계(S104)와;4) The fourth step of measuring the initial ground temperature of the ground using the inlet circulating water temperature sensor and the outflow circulating water temperature sensor by circulating the circulating water without heating the water for at least one to two hours if the circulating water in the water tank is maintained at a certain level. (S104);
5) 지중열교환기의 주입 순환수와 유출 순환수의 온도차가 최종적으로 3.5 ℃이상 되도록 순환수 유량과 물탱크에 삽입된 히터에 공급되는 주입전력(50 ~ 80 W/m, 실제 가동시 지중열교환기가 지반과 열교환하는 일반적인 범위)을 설정하여 물탱크 내 순환수를 가열하는 제 5 단계(S105)와;5) The injection power supplied to the circulating water flow rate and the heater inserted into the water tank so that the temperature difference between the circulating water and the circulating water of the underground heat exchanger is more than 3.5 ℃ (50 ~ 80 W / m, ground heat exchange during actual operation) A fifth step (S105) of heating the circulating water in the water tank by setting a general range of heat exchange with the ground;
6) 최소 24시간 이상 상기 제 5단계에 맞게 순환수를 가열 하면서 지중열교환기에 일정유량을 공급하여 제 1 단계의 모니터링 대상 값들을 측정하는 제 6단계(S106)와;6) a sixth step (S106) of measuring a value to be monitored in the first step by supplying a constant flow rate to the underground heat exchanger while heating the circulation water in accordance with the fifth step for at least 24 hours;
7) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 제 6단계에 의해 측정된 값과 전술한 수식 1을 이용 평균순환수온도와 ln(실험시간) 변화를 가지고 기울기를 설정 후, 도 5와 같은 시간별 지중열전도도 변화도 그래프를 작성하는 제 7단계(S107)와;7) After setting the slope using the control algorithm equipped with the control system and the change in the mean circulating water temperature and ln (experimental time) using the value measured by the sixth step and the above-described
8) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간을 기준으로 이전 6 ~ 12시간 동안의 지중열전도도 편차를 계산하는 제 8단계(S108)와;8) an eighth step (S108) of calculating a ground heat conductivity deviation of the previous 6 to 12 hours based on the final experiment time using a control algorithm equipped with a control system;
9) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 주입전력 및 순환수 유량 변동이 허용범위(주입전력 0.3%(표준편차/평균) 이내, 순환수 유량 ±1% 이내)내인지를 확인하여 오차범위 내이면 다음 단계인 지중열전도도 편차가 기준 설정값 범위내인지 판단하는 제 10단계(S110)로 가고, 오차범위가 크면 열응답실험을 재실시하는 제 12단계(S112)로 가도록 판단하는 제 9 단계(S109)와;9) Using the control algorithm equipped with the control system, check whether the fluctuation of injection power and circulating water flow rate is within the allowable range (injection power 0.3% (standard deviation / average), within circulating water flow rate ± 1%) within the error range. Next, go to the tenth step (S110) to determine whether the ground thermal conductivity deviation is within the reference set value range, and if the error range is large, the ninth step to determine to go to the twelfth step (S112) to re-execute the thermal response experiment. (S109);
10) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 계산된 지중열전도도의 편차가 기준 설정값(현장여건에 따라 기준 설정, ±0.05 ~ 0.1 W/m-K) 범위내로 수렴하는지 확인 후, 기준설정값 범위내일 경우 다음 단계인 최종 지중열전도도를 계산하여 최소 실험시간을 측정하는 제 11단계(S111)로 이동하고, 편차가 기준 설정값 범위보다 크면 추가실험시간을 결정하는 제 13단계(S113)로 가도록 판단하는 제 10단계(S110)와; 10) Using the control algorithm equipped with the control system, the deviation of the ground heat conductivity calculated for 6 to 12 hours before the final experiment time converges within the standard setting value (standard setting, ± 0.05 ~ 0.1 W / mK depending on the site conditions). After confirming, if it is within the reference set value range, it moves to the eleventh step (S111) of calculating the final underground thermal conductivity, which is the next step, and measuring the minimum experiment time, and if the deviation is larger than the reference set value range, further experiment time is determined. A tenth step S110 of determining to go to a thirteenth step S113;
11) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 지중열전도도의 편차가 기준 설정값(현장여건에 따라 기준 설정, ±0.05 ~ 0.1 W/m-K) 이내이면 최종 지중열전도도를 계산하되, 제 13단계를 거친 값일 경우 편차가 허용된 기준 설정 범위값 범위내로 들어와서 실험이 중지된 시점을 최소 실험시간으로 결정하는 제 11 단계(S112);를 포함하여 이루어진다.
11) If the deviation of the ground heat conductivity is within the reference set value (standard setting according to the site conditions, ± 0.05 ~ 0.1 W / mK) using the control algorithm equipped with the control system, the final ground heat conductivity is calculated. In the case of the coarse value, an eleventh step (S112) of determining a time point at which the experiment is stopped as the minimum experiment time comes into the allowable reference setting range value range.
상기 1 단계(S101)에서 유출 순환수의 유량, 주입 및 유출 순환수의 온도, 물탱크의 수위, 순환수 가열용 물탱크에 삽입된 히터에 인가되는 주입전력량, 대기 온도 측정은 도 1 에 도시된 유량계, 주입 순환수 온도센서, 유출 순환수 온도센서, 순환수를 가열하는 히터 1,2에 공급되는 전력량을 제어하는 제어시스템, 대기온도센서 및 수위 측정기를 통해 측정된 정보를 가지고 한다. 이때 1분 ~ 10분의 측정 간격으로 측정하는 이유는 이와 같은 간격 구간을 가질 때 그래프 상의 해석이 충분히 가능하기 때문이다. In the first step (S101), the flow rate of the outflow circulating water, the temperature of the inlet and outflow circulating water, the water level of the water tank, the amount of injection power applied to the heater inserted into the circulating water heating water tank, and the atmospheric temperature measurement are shown in FIG. It has the information measured by the flow meter, the inlet circulating water temperature sensor, the outlet circulating water temperature sensor, the control system for controlling the amount of power supplied to the
또한 그 모니터링 시간은 24시간 이상 측정하게 되는데 그 이유는 후술될 6 단계에서 최소 24시간 이상 측정하기 때문이다. 이와 같은 모니터링 시간이 필요한 이유는 보어홀의 영향을 제외시키기 위하여 지중열전도도 계산시 초기 12 시간은 제외하여 계산하고, 나머지 최소 12시간은 지중열전도도의 변화를 보기 위하여 필요하기 때문이다.
In addition, the monitoring time is measured over 24 hours because at least 24 hours in six steps to be described later. This monitoring time is necessary because the initial 12 hours are calculated to exclude the influence of the borehole, and at least 12 hours are needed to see the change in the ground thermal conductivity.
상기 6단계(S106)에서 24시간 이상이 필요한 이유는 보어홀의 영향을 제외시키기 위하여 지중열전도도 계산시 초기 12 시간은 제외하여 계산하고,나머지 최소 12시간은 지중열전도도의 변화를 보기 위하여 필요하기 때문이다.
The reason why more than 24 hours is required in the sixth step (S106) is calculated by excluding the initial 12 hours when calculating the ground heat conductivity in order to exclude the influence of the borehole, the remaining 12 hours is required to see the change in the ground heat conductivity Because.
상기 10단계(S110)에서 최종 실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 편차가 지중열전도도가 기준편차(±0.05 ~ 0.1 W/m-K) 이내에 들지 못하면 전체 실험시간은 6 ~ 12 시간만큼 늘어나게 된다. 일반적인 지중열전도도의 범위가 2.0 ~ 3.0 사이이므로 기준 편차 ±0.05 ~ 0.1 W/m-K를 만족하면 대부분이 지중열전도도 최종값에 95% 이상 수렴된 값으로 볼 수 있다.
If the deviation is not within 6 ~ 12 hours before the final experiment time in the 10 step (S110) the ground thermal conductivity within the standard deviation (± 0.05 ~ 0.1 W / mK), the total experiment time is increased by 6 to 12 hours. Since the general geothermal conductivity is in the range of 2.0 to 3.0, if the standard deviation of ± 0.05 to 0.1 W / mK is satisfied, most of the geothermal conductivity can be seen as 95% or more converged to the final value.
상기 제 12단계(S112)는 초기 지중온도와 ±0.3℃ 이내 지중온도 수렴 후에 실험을 재실시하는 제 1 단계(S101)로 가게 된다.
The twelfth step (S112) goes to the first step (S101) to perform the experiment again after convergence of the initial underground temperature and the underground temperature within ± 0.3 ℃.
상기 제 13단계(S113)는 제 7단계로 되돌아 가서 해야할 추가 실험시간을 6 ~ 12시간으로 결정하는 단계로 지중열전도도가 최종실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 편차가 ±0.1 이상일 경우 6 ~ 12시간 연장하는 단계이다. 여기서 6 ~ 12 시간의 추가시간은 지중열전도도의 변화추세에 따라 임의로 결정될 수 있다. 이를 통해 제 7단계(S107)에서 평균순환수온도와 ln(실험시간)간 기울기로 추가시간의 지중열전도도를 계산한다. 이 값들을 이용하여 다시 최종 실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 측정치가 허용범위에 들어오면 제 11단계(S111)에서 마지막 값을 최종 지중열전도도로 설정한다.
The thirteenth step (S113) is to return to the seventh step to determine the additional experiment time to be 6 to 12 hours, 6 ~ 12 if the ground heat conductivity is more than ± 0.1 for 6 to 12 hours before the final experiment time Time to extend. Here, the additional time of 6 to 12 hours may be arbitrarily determined according to the trend of the ground thermal conductivity. Through this, the underground thermal conductivity of the additional time is calculated as the slope between the average circulating water temperature and ln (experimental time) in the seventh step (S107). Using these values, if the measured value falls within the allowable range for 6 to 12 hours before the final experiment time, the final value is set as the final ground thermal conductivity in step 11 (S111).
상기 선형열원 방법을 이용하여 계산되는 측정방법은 이론적으로 실험시간이 늘어날수록 정확한 측정이 가능하나 현장실험에서 실질적인 실험시간 등에 제약이 있으므로 상기한 예와 같은 범위로 일정한 범위의 정밀도를 확보 후 최종 지중열전도도를 계산하는 것이 바람직하다.
The measurement method calculated by using the linear heat source method is theoretically accurate measurement as the experiment time increases, but there is a limitation on the actual experiment time in the field experiment, so as to secure a certain range of precision in the same range as the above example, the final underground It is desirable to calculate the thermal conductivity.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.The following is a preferred embodiment of the present invention.
(실시예 1 )(Example 1)
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실험시간(Time) 변화에 따른 주입수온도(EWT), 유출수온도(LWT), 평균순환수온도(Average temp), 주입열량(Heat injection)간의 변화를 보인 그래프이고, 도 4는 본 발명의 각 실시예에 따른 실험시간과 평균순환수온도간의 기울기 설정 사례들(a, b)을 보인 그래프이고, 도 5는 48시간 동안 지중열전도도 변화를 나타낸 그래프이다. Figure 3 shows the change between the injection water temperature (EWT), the effluent temperature (LWT), the average circulating water temperature (Average temp), the heat injection (Heat injection) according to the experiment time (Time) change according to an embodiment of the
본 발명의 각 실시 예에 따르면 실험시간과 평균순환수온도간의 기울기 설정후 실험시간에 따른 지중열전도도 변화를 보인 그래프이다. 기준편차 허용범위를 ±0.1 W/m-K로 설정한 경우 a)는 24시간 실험시간 동안 최종 6시간의 지중열전도도 변화에서 ±0.018 W/m-K의 편차를 나타내어 최종 열전도도가 2.42 W/m-K의 값에 수렴한 것으로 나타난다. 따라서 최소 실험시간도 24시간으로 결정되었다. According to each embodiment of the present invention is a graph showing the change in the ground thermal conductivity according to the experiment time after setting the slope between the experiment time and the average circulating water temperature. When the standard deviation tolerance is set to ± 0.1 W / mK, a) shows a deviation of ± 0.018 W / mK from the change of the ground thermal conductivity of the last 6 hours during the 24 hour experiment time, resulting in a value of 2.42 W / mK. Appears to converge. Therefore, the minimum experiment time was also determined to be 24 hours.
b)는 24시간 실험시간 동안 최종 6시간 지중열전도도 변화에서 ±0.1 W/m-K의 편차보다 크게 나타나 6시간의 실험시간을 추가하였다. 그리고 다시 최종 6시간 동안의 지중열전도도 변화에서 편차가 ±0.1 W/m-K 이내로 수렴되어 최종 열전도도가 1.94 W/m-K로 결정되었다. 따라서 b)의 경우 최소 실험시간이 30시간으로 결정되었다.
b) showed a greater than ± 0.1 W / mK deviation in the final 6 hour geothermal conductivity change during the 24 hour experiment, adding 6 hours of experiment time. In addition, the variation in the ground heat conductivity change during the last 6 hours converged within ± 0.1 W / mK, and the final thermal conductivity was determined to be 1.94 W / mK. Therefore, in the case of b), the minimum experiment time was determined to be 30 hours.
본 발명의 실시예에 적용된 지중 열전도도 측정 기준(신 재생에너지센터 - 신?재생에너지설비의 지원 등에 관한 지침)은 다음과 같은 기준을 따른다.Underground thermal conductivity measurement criteria (new renewable energy centers-guidelines for supporting new and renewable energy facilities, etc.) applied to the embodiment of the present invention follow the following criteria.
가. 지중열교환기 방식별 지중 열전도도 측정 기준end. Criteria for Underground Thermal Conductivity by Geothermal Heat Exchanger
1) 수직밀폐형1) Vertically sealed
가) 열전도도 측정 장치는 일정 열량을 가할 수 있도록 설계 및 제작할 것.A) The thermal conductivity measuring device should be designed and manufactured to apply a certain amount of heat.
나) 온도나 유량 등 데이터 측정 장치는 고정밀도를 유지하고, 검정 및 교정을 받은 장치를 사용할 것.B) Data measuring devices such as temperature and flow rate should be maintained with high accuracy and have been tested and calibrated.
다) 10분 이상 가열 없이 펌프 구동하며 순환수 온도 측정(초기 지중온도 측정)C) Pump operation without heating for more than 10 minutes and circulating water temperature measurement (initial underground temperature measurement)
라) 히터 전원 투입 후 48시간 연속 측정하며, 측정 데이터는 10분 이하의 간격으로 수집할 것.D) Measure for 48 hours continuously after turning on the heater, and collect the measured data at intervals of 10 minutes or less.
마) 라인소스법에 의해 지중열전도도 계산할 것.(계산시 초기 12시간의 데이터는 제외)E) Calculate the ground heat conductivity by the line source method (excluding the data of the initial 12 hours in the calculation)
바) 지중열전도도 시험성적서에는 측정시간, 초기지중온도, 지중열전도도, 보어홀의 열저항 및 천공깊이 내용이 포함될 것.F) The test report for the ground thermal conductivity shall include the measurement time, initial ground temperature, ground thermal conductivity, borehole heat resistance and depth of drilling.
사) 측정 항목 및 기준G) Measurement items and criteria
도 3에 도시된 바와 같이 현장 열전도도 실험기간동안 측정된 시간에 따른 측정기기로의 순환수의 주입시 온도(EWT: entering water temperature) 및 순환수의 유출시 온도(LWT: leaving water temperature), 이들의 평균 온도, 그리고 주입열량(heat injection rate)을 나타내었다. 여기서 지반내 초기온도를 측정하기 위하여 열원을 가하지 않고 물만 순환시키고, 나머지 시간에는 일정 열량을 가하여 주입수의 온도를 상승시킨 후 실험을 진행한다. 일정기간의 평균순환수온도와 대수 시간간 곡선의 기울기는 도 4와 같이 결정된다. As shown in FIG. 3, the inlet water temperature (EWT) and the inlet water temperature (LWT: leaving water temperature) of injecting the circulating water into the measuring device according to the time measured during the field thermal conductivity test period, these The average temperature and the heat injection rate are shown. In order to measure the initial temperature in the ground, only water is circulated without adding a heat source, and during the rest of the time, a certain amount of heat is added to increase the temperature of the injected water before the experiment. The slope of the curve between the mean circulating water temperature and the logarithmic time over a period is determined as shown in FIG. 4.
선형열원모델에서 일정한 초기시간을 제외하면 도 4와 같이 피팅선 기울기는 일정한 값을 나타내어야 한다. 그러나 실제 대기온도 변화, 주입전력의 변동, 유속의 변화, 지질 및 지층의 불균질성, 지하수 유동 등의 다양한 특성에 의하여 시간에 따라 변동하기도 한다. 이러한 영향들은 평균순환수온도와 대수시간의 기울기에 영향을 미치는데 이러한 특성을 시간변화를 적용한 기울기들을 평가함으로써 보다 정확한 지중열전도도를 구할 수 있다. Except for a constant initial time in the linear heat source model, the fitting line slope should show a constant value as shown in FIG. However, it may fluctuate with time due to various characteristics such as actual air temperature change, injection power change, flow rate change, geological and strata inhomogeneity, and groundwater flow. These effects affect the mean circulating water temperature and the slope of logarithmic time, and more accurate underground thermal conductivity can be obtained by evaluating the slopes of these characteristics using time variation.
지중열전도도의 편차가 특정 기준에 미달할 경우 실험시간을 연장함으로써 보다 정확한 지중열전도도를 측정할 수 있다. 그러나 현실적인 한계 등으로 무한정 실험시간을 늘릴수 없으므로 일정한 정밀도를 확보한 지중열전도도의 측정이 요구된다. 따라서 특정 기간의 측정치 평가를 통하여 단계별로 실험시간을 연장하여 실험을 진행하는 것이 실험의 효율성을 보장할 수 있다.
If the ground thermal conductivity does not meet certain criteria, the more accurate ground thermal conductivity can be measured by extending the experiment time. However, due to realistic limitations, it is not possible to extend the experiment time indefinitely, so it is required to measure the ground thermal conductivity with a certain accuracy. Therefore, it is possible to guarantee the efficiency of the experiment by extending the experiment time step by step through evaluating the measured value of a specific period.
도 5에서 편차는 24시간 실험에서 최종실험시간 이전 6시간 동안 지중열전도도 최대편차가 각각 0.018(a)와 -0.16(b)를 나타내었다. 편차 허용기준을 ±0.1 W/m-K이라고 하면 a 실험에서는 24시간 내 수렴값을 구하기에 적절하나, b 그래프에서는 초과하여 실험시간을 6시간 추가하여 다시 계산하였다. 그 결과 추가된 구간에서 편차가 기준을 만족하여 최종적으로 30 시간의 실험시간이 요구되었음을 알 수 있다. In FIG. 5, the maximum deviations of the geothermal thermal conductivity were 0.018 (a) and -0.16 (b) for 6 hours before the final experiment time in the 24-hour experiment. If the deviation limit is ± 0.1 W / m-K, it is appropriate to obtain a convergence value within 24 hours in experiment a, but it was recalculated by adding 6 hours to the experiment. As a result, it can be seen that the experimental period of 30 hours was finally required because the deviation satisfies the criteria in the added section.
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.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims and their equivalents. Of course, such modifications are within the scope of the claims.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 물탱크 (2a) : 히터 1
(2b) : 히터 2 (3) : 펌프
(4) : 자동유량 조절밸브 (5) : 연결밸브 1
(6) : 수직 지중열교환기 (7) : 연결밸브 2
(8) : 유량계 (9) : 에어밴트
(10) : 스크린 (11) : 대기 온도센서
(12) : 주입 순환수 온도센서 (13) : 유출 순환수 온도센서
(14) : 제어시스템 (15) : 수위 측정기
(16) : 순환수 주입구 Description of the Related Art
(1): water tank (2a):
(2b): Heater 2 (3): Pump
(4): Automatic flow control valve (5): Connecting
(6): vertical underground heat exchanger (7): connecting
(8): flow meter (9): air vent
(10): screen (11): ambient temperature sensor
(12) Inlet circulating water temperature sensor (13): Outlet circulating water temperature sensor
(14): control system (15): level gauge
(16): circulating water inlet
Claims (8)
2) 순환수를 물탱크에 주입 및 펌프 유속 조정으로 지중열교환기에 순환될 순환수의 속도를 설정하는 제 2 단계와;
3) 수위측정기 정보로부터 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되는지를 판단하여, 유지되면 다음 단계인 초기 지중온도 측정단계로 가고, 유지되지 않으면 상기 제 2 단계로 되돌아가는 제 3 단계와;
4) 물탱크 내 순환수가 일정수위로 유지되면 일정시간 순환수를 가열하지 않고 순환시켜 주입순환수온도센서 및 유출순환수온도센서를 이용 지반의 초기 지중온도를 측정하는 제 4 단계와;
5) 지중열교환기의 주입 순환수와 유출 순환수의 온도차가 최종적으로 3.5 ℃이상 되도록 순환수 유량과 물탱크에 삽입된 히터에 공급되는 주입전력을 설정하여 물탱크 내 순환수를 가열하는 제 5 단계와;
6) 최소 24시간 이상 상기 제 5단계에 맞게 순환수를 가열 하면서 지중열교환기에 일정유량을 공급하여 제 1 단계의 모니터링 대상 값들을 측정하는 제 6단계와;
7) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 상기 제 6단계에 의해 측정된 값과 선형열원 방정식을 이용 평균순환수온도와 실험시간 변화를 가지고 기울기를 설정 후, 시간별 지중열전도도 변화도 그래프를 작성하는 제 7단계와;
8) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간을 기준으로 이전 6 ~ 12시간 동안의 지중열전도도 편차를 계산하는 제 8단계와;
9) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 주입전력 및 순환수 유량 변동이 허용범위 내인지를 확인하여 오차범위 이내면 지중열전도도 편차가 기준 설정값 범위내인지 판단하는 제 10단계로 가고, 오차범위가 크면 열응답실험을 재실시하는 제 12단계로 가도록 판단하는 제 9 단계와;
10) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 최종 실험시간 이전 6 ~ 12시간 동안 계산된 지중열전도도의 편차가 기준 설정값 범위내로 수렴하는지 확인 후, 기준설정값 범위내일 경우는 최종 지중열전도도를 계산하여 최소 실험시간을 측정하는 제 11단계로 이동하고, 편차가 기준 설정값 범위보다 크면 추가실험시간을 결정하는 제 13단계로 가도록 판단하는 제 10단계와;
11) 제어시스템이 구비된 제어알고리즘을 이용 지중열전도도의 편차가 기준 설정값 이내이면 최종 지중열전도도를 계산하되, 추가실험을 거친 값일 경우 편차가 허용된 기준 설정 범위값 범위내로 들어와서 실험이 중지된 시점을 최소 실험시간으로 결정하는 제 11 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
1) Install underground thermal conductivity measuring device to inject and circulate heated circulating water in underground heat exchanger, and then insert into circulating water flow rate, temperature of circulating water (injection and outflow), water tank level, circulating water tank A first step of starting monitoring of the injected power amount and the external (standby) temperature of the heated heater;
2) a second step of setting the speed of the circulating water to be circulated to the underground heat exchanger by injecting the circulating water into the water tank and adjusting the pump flow rate;
3) a third step of judging whether the circulating water in the water tank is maintained at a predetermined level from the level gauge information, and if it is maintained, goes to the initial underground temperature measurement step, which is the next step, and returns to the second step if not maintained;
4) a fourth step of measuring the initial underground temperature of the ground by using the inlet circulating water temperature sensor and the outflow circulating water temperature sensor by circulating the circulating water without heating the water for a predetermined time when the circulating water in the water tank is maintained at a predetermined level;
5) A fifth method of heating the circulating water in the water tank by setting the flow rate of the circulating water and the injection power supplied to the heater inserted into the water tank so that the temperature difference between the circulating water and the circulating water of the underground heat exchanger is at least 3.5 ° C. Steps;
6) a sixth step of measuring a value to be monitored in the first step by supplying a constant flow rate to the underground heat exchanger while heating the circulation water in accordance with the fifth step for at least 24 hours;
7) Using the control algorithm equipped with the control system, using the values measured in step 6 and the linear heat source equation, set the slope with the average circulating water temperature and the change in the experiment time, and then plot the graph of the ground thermal conductivity change over time. A seventh step;
8) an eighth step of calculating the ground thermal conductivity deviation of the previous 6 to 12 hours on the basis of the final experiment time using a control algorithm equipped with a control system;
9) Go to the tenth step to check whether the variation of the injection power and circulation water flow rate is within the allowable range by using the control algorithm equipped with the control system. A ninth step of deciding to go to a twelfth step of performing a thermal response experiment again if the range is large;
10) Using the control algorithm equipped with the control system, after checking whether the deviation of the ground heat conductivity calculated for 6 to 12 hours before the final experiment time converges within the standard setting value range, and if it is within the standard setting value range, the final ground heat conductivity is determined. Moving to the eleventh step of calculating the minimum experiment time, and if the deviation is greater than the reference set value range, determining the process to go to the thirteenth step of determining an additional experiment time;
11) If the deviation of ground heat conductivity is within the standard setting value using the control algorithm equipped with the control system, the final ground heat conductivity is calculated, but if it is further tested, the experiment is carried out by entering the range of the standard setting range where the deviation is allowed. An eleventh step of determining the stopped time as the minimum experiment time; underground thermal conductivity measurement method comprising a.
상기 제 12단계는 초기 지중온도와 ±0.3℃ 이내 지중온도 수렴 후에 실험을 재실시하는 제 1 단계로 되돌아 가는 단계인 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
The twelfth step is a step of returning to the first step of performing the experiment again after convergence of the initial underground temperature and the ground temperature within ± 0.3 ℃, the underground thermal conductivity measurement method.
상기 제 13단계는 제 7단계로 되돌아 가서 해야할 추가 실험시간을 6 ~ 12시간으로 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
The thirteenth step is to return to the seventh step to determine the additional experiment time to be carried out 6 to 12 hours, characterized in that the thermal conductivity measurement method.
상기 제 1단계에서 모니터링은 1분 ~ 10분의 측정 간격으로 하는 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
In the first step, the monitoring is the thermal conductivity measurement method, characterized in that at a measurement interval of 1 minute to 10 minutes.
상기 제 4단계에서는 최소 1 ~ 2 시간 가량 순환수를 가열하지 않고 순환시키는 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
In the fourth step, the underground thermal conductivity measurement method characterized in that the circulation of the circulation water without heating for at least 1 to 2 hours.
상기 제 5단계에서 주입전력은 50 ~ 80 W/m인 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
The geothermal thermal conductivity measurement method of the fifth step, characterized in that the injection power is 50 ~ 80 W / m.
상기 제 9단계에서 주입전력 및 순환수 유량 변동의 허용범위는 주입전력 0.3%(표준편차/평균) 이내이고, 순환수 유량은 ±1% 이내인 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
In the ninth step, the tolerance range of the injection power and the circulating water flow rate is within 0.3% (standard deviation / average) of the injection power, and the circulating water flow rate is within ± 1%.
상기 제 10단계에서 지중열전도도 편차의 기준 설정값은 ±0.05 ~ 0.1 W/m-K인 것을 특징으로 하는 지중열전도도 측정방법.
The method according to claim 1,
And a reference set value of the ground thermal conductivity deviation in the tenth step is ± 0.05 to 0.1 W / mK.
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