KR101420615B1 - 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템 및 이의 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 지열측정장비들과 같이 지반의 열전도도를 측정할 수 있을뿐 아니라 지반의 열성능 값도 계측할 수 있는 기능을 가지고 있다. 순환수를 공급하기 위한 수조에 일정한 열량을 제어할 수 있는 기능 외에도 순환수 투입온도를 제어하여 일정한 온도의 순환수가 공급될 수 있기에 시간에 따른 지반의 열교환율 값을 계산할 수 있다.

Description

지중 열성능 및 열전도도 측정시스템 및 이의 측정방법{A system for measurement of ground thermal performance and conductivity, and the method}

본 발명은 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무한라인소스 방정식을 이용하여 지반의 유효열전도도와 보어홀의 열저항값을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 지반으로 일정한 온도의 순환수를 투입한 후 열평형 방정식을 이용하여 지반의 열성능 값을 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 개시한다.

최근 들어 지구온난화, 화석에너지의 고갈로 인하여 에너지를 줄일 수 있는 신재생에너지원의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 신재생 에너지원의 하나로 지중열교환기 시스템이 있다.

지중열원 시스템은 비교적 일정한 온도를 유지하는 지중의 지하수의 열이나 지열을 열원으로 이용하여 여름철에는 열에너지를 방출하고 겨울철에는 열에너지를 흡수하는 시스템으로서, 이산화탄소 발생 억제 및 에너지 절약형 기술로써 국내 어디서나 이용할 수 있는 유비쿼터스(ubiquitous) 에너지로서, 안전하고 효율적인 청정 신재생 에너지의 하나이다.

이러한 지중열원 시스템은 지중의 상황에 따라 많은 영향을 받는 시스템으로 지중의 상태를 확인할 수 있는 정보의 취득은 중요한 일 중의 하나이다.

지열을 열원으로 하는 열펌프시스템은 수직밀폐형, 수평밀폐형, 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 열교환관(또는 '루프'라 통칭함)을 삽입하고, 보어홀과 루프 사이에는 그라우트 재료를 충진시키며 상기 삽입한 루프의 내부로 열유체를 순환시킴으로서 지중으로부터(혹은 지중으로) 열을 회수하여(혹은 방열하여) 열원으로 이용하며, 시스템의 설계에는 필수적으로 현지 지중의 유효지중열전도도와 열성능에 대한 정보가 필요하다.

루프를 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) 하나가 현지 지중의 유효열전도도이다.

현지 지중의 유효지중열전도도는 열유체 유입관과 열유체 유출관이 매설된 전체 지중의 깊이에 대한 지중 환경의 총합적인 열전도도이다.

지중열교환기가 매설되는 현장에 따라 지표 부근의 흙에서부터 루프가 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.

이러한 유효지중열전도도를 측정하는 장치는 실용신안공개 제2009-0009063호에 개시되어 있다.

그러나, 상기 인용문헌은 열전도도 및 열저항 측정 외의 어떠한 물성을 제공하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열전도도 측정뿐만 아니라 열성능을 측정할 수 있도록 한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 이루기 위한 수단으로서, 유체를 공급하는 수조; 수조의 유체를 가열하는 히터; 히터에 가해지는 열량 및 온도를 일정하게 제어할 수 있는 제어부, 지중에 매설된 상기 수조로 유체가 유입되는 입력부와 수조로부터 유체가 배출되는 출력부 사이에 열교환파이프가 연속적으로 이어진 순환장치; 수조에 저장된 유체를 펌핑하여 지중에 설치된 열교환파이프로 전달하는 펌프; 상기 입력부에 설치되어 유량을 체크할 수 있는 유량계; 온도센서로부터의 온도, 전력량 및 유량 데이터를 측정 및 저장할 수 있는 데이터로거로 구성된다.

본 발명에 따른 시스템은 현장에서 바로 실시간으로 열전도도뿐만 아니라 열성능을 확인할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템을 나타낸 구성도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 당업자에게는 당연히 가능하다.

본 발명에 따른 시스템은 지반의 열전도도 모델식을 도출할 수 있도록 지반의 연속적인 온도계측이 가능하게 유체를 공급하는 수조(1); 온도제어가 가능한 제어부를 갖추어 수조의 유체를 가열하기 위한 히터(2); 지중에 매설된 상기 수조로 유체가 유입되는 입력부(31)와 수조로부터 유체가 배출되는 출력부(32)와 상기 입출력부(31, 32) 사이의 열교환파이프(100)가 연속적으로 이어진 유체 순환장치(3); 수조에 저장된 유체를 펌핑하여 지중에 설치된 열교환파이프(100)로 전달하는 펌프(4); 상기 입력부(31)에 설치되어 유량을 체크할 수 있는 유량계(5); 및 온도센서(10)와 온도센서(20)에서 감지된 온도 데이터를 인식하는 데이터로거(6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수조(1)는 열교환파이프(100)에 유체를 순환시켜 지중의 온도를 전달받는 유체를 저장하는 공간을 제공하기 위한 수단으로 단열되어 내부의 유체가 외부의 온도 영향을 받지 않게 하는 것이 바람직하다.

상기 히터(2)는 수조에 저장된 유체를 가열하기 위한 수단이며, 온도를 일정하게 제어할 수 있는 제어부(7)가 내장되어 있다. 가열된 유체가 열순환파이프(100)를 통과하여 회수되는 과정에서 온도변화를 감지함으로써 지중의 열전도도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 열성능을 구할 수가 있다.

본 발명의 시스템에는 한 쌍의 온도센서(10, 20)가 설치되어 있어서 열순환파이프를 통과하여 열교환이 이루어진 유체의 온도변화를 실시간으로 감지하여 열교환파이프에서 지중으로 전도되는 열전도도 및 열성능을 실시간 감지할 수 있는 것이다.

상기 온도센서(10,20)에서 감지된 아날로그 형태의 온도 신호는 상기 데이터로거(6)에서 디지털로 변환하여 제어부에 구비된 처리장치에 의해 처리되어 원하는 정보를 얻게 된다.

이에 따라 상기 데이터로거(6)는 온도센서(10, 20)에서 감지된 데이터를 인식할 수 있는 전기신호 데이타로거와 광섬유 온도센서에서 감지된 데이터를 인식할 수 있는 8채널 광섬유 데이터로거로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 데이터로거는 온도, 유량, 압력 등의 공정변수를 아날로그로 입력한 것을 A-D변환기에 의하여 디지털로 변환하는 데 사용되는 것 중 어느 하나를 선택하여 구성할 수 있다.

지중 열교환기의 열전달 메커니즘은 열전달 유체가 보어홀 내의 파이프 내를 이동하면서 그라우트 재료와 주변의 지반으로 열을 흡수 또는 방출하는 과정이다. 지중 열교환기와 주변 지반으로의 열전달 거동은 복잡하고 복합적인 메커니즘이 관여하지만 일반적으로 지반으로의 열전달은 전도에 의해 이루어진다 (Brandl, 2006). 그리고 에너지 파일의 열교환율을 산정하기 위해서는 열전달 매개체의 열 저항을 산출하여 열교환율을 산정하여야 한다. 본 연구에서는 실험을 통하여 열교환기로 유입되는 온도를 일정하게 제어한 후 유출수 온도를 측정한 후 식 (1)을 이용하여 열 교환율을 산정하였다.

Q = mc(T _f,inlet - T _{f, outlet})/L (1)

여기서, m은 순환수의 질량 흐름 속도(mass flow rate)이고 c는 순환수의 비열 그리고 L은 파일의 길이를 나타내며, T_f,inlet 은 파이프로 공급되는 순환수 온도 및 T_{f, outlet} 은 파이프로부터 나오는 순환수의 온도를 나타낸다. 본 연구에서 제작된 열성능 실험기는 지중의 보어홀에 매설된 지중 열교환기 내부를 순환수로 공급하고 유체의 온도변화를 감지하는 시스템으로 구성되어져 있다. 지반의 유효 열전도도를 측정할 수 있는 열응답 실험 장치와 같이 순환수를 공급하는 수조 내에 히터를 통하여 일정한 전력을 공급할 수 있다. 또한 히터내의 온도를 일정하게 제어할 수 있는 온도 제어부(7)가 설치되어 있기에 열교환기 유입수 온도를 일정하게 유지하고 유출수 온도를 계측하면 지반과의 열교환율을 측정할 수 있는 기능도 탑재되어 있다. 즉 본 장비를 이용하면 지반의 열전도도를 측정할 수 있는 열응답 실험과 열효율을 측정할 수 있는 열성능 실험이 가능하다고 할 수 있다.

1 : 수조
2 : 히터
3 : 순환파이프 31 : 입력부 32 : 출력부
4 : 펌프
5 : 유량계
6 : 데이터로거
7 : 온도 제어부
10, 20 : 온도센서

Claims (6)

1. 지중에 천공된 파일 및 보어홀 내에 유체를 순환시켜주기 위한 열교환파이프와 이 파이프 내에 순환유체를 가열 공급하기 위한 수단으로 구성된 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템에 있어서,
   유체를 공급하는 수조(1), 유체를 가열하는 히터(2), 입력부(31)와 출력부(32)를 통해 열교환파이프(100)로 상기 유체를 공급하기 위한 순환장치(3), 수조에 저장된 유체를 펌핑하여 지중에 설치된 열교환파이프(100)로 전달하는 펌프(4), 상기 입력부(31)에 설치되어 유량을 체크할 수 있는 유량계(5), 온도센서(10, 20)에서 감지된 온도 데이터와 전력량 및 유량을 측정 및 저장할 수 있는 데이터로거(6), 및 상기 히터(2)에 투입되는 열량과 온도를 제어하기 위한 제어부(7)를 포함하고 있으며, 상기 제어부(7)에서 히터 내의 순환수 온도를 일정하게 제어한 후 열평형 방정식을 이용하여 지반의 열성능을 측정할 수 있도록 한 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열평형 방정식은 아래의 식으로 이루어지는 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템:
   Q = mc(T _{f. inlet} - T _{f. outlet})/L
   상기식에서, m은 순환유체의 질량흐름속도(mass flow rate, kgm^-3), c는 순환유체의 비열, L은 파일의 길이, T _{f. inlet} 은 파이프로 공급되는 순환수 온도, 및 T _{f, outlet} 은 파이프로부터 나오는 순환수의 온도를 나타낸다.
   
6. 지중 열전도도 및 열성능을 측정하는 방법에 있어서,
   지중에 천공된 파일 및 보어홀 내에 열교환파이프를 내장하여 이 파이프 내에 순환유체를 공급하는 단계;
   상기 순환유체를 가열하기 위하여 열량과 온도를 일정하게 제어하면서 히터를 통해 유체의 온도를 제어하는 단계;
   유량계를 통해 유량을 측정하는 단계;
   데이터로거를 통해 온도센서에서 감지된 온도 데이터, 전력량 및 유량을 측정 및 저장하는 단계; 및
   히터 내의 순환수 온도를 일정하게 제어한 후 열평형 방정식을 이용하여 지반의 열성능을 측정하는 단계를 포함하는 지중 열전도도 및 열성능을 측정하는 방법.
   

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