KR200447992Y1 - 현지 지중열성능 측정 장치 - Google Patents

현지 지중열성능 측정 장치 Download PDF

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KR200447992Y1 KR2020080002956U KR20080002956U KR200447992Y1 KR 200447992 Y1 KR200447992 Y1 KR 200447992Y1 KR 2020080002956 U KR2020080002956 U KR 2020080002956U KR 20080002956 U KR20080002956 U KR 20080002956U KR 200447992 Y1 KR200447992 Y1 KR 200447992Y1
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Abstract

본 고안은 지중열을 열원으로 이용하는 지열원 열펌프시스템에 적용되는 지열원 열펌프시스템용 밀폐형식의 루프형 지중열교환기의 용량을 설계함에 필수적으로 필요한 데이터인 지중열교환기가 매설되는 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정 및 분석하기 위한 현지 지중열성능 측정 장치에 관한 것이다.
이러한 본 고안에 따른 현지 지중열성능 측정 장치는 지중의 보어홀에 매설된 지중열교환기를 순환하는 순환열유체의 온도변화를 감지하여 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정하는 수단에 있어서, 상기 지중열교환기를 순환하는 유체의 유로를 구성하는 기계부와, 상기 기계부를 순환하는 순환열유체의 순환과 온도 그리고 전력량을 제어하는 제어부와, 상기 기계부와 제어부로부터 감지된 신호를 표시하는 표시부, 및 상기 기계부와 제어부에서 감지된 데이터를 분석하는 데이터 분석부를 포함하여 구성되는데,
상기 기계부는 케이스의 내부에 설치되고, 상기 지중열교환기의 양단에 연결된 유체순환관의 중간에 구비되며, 순환열유체가 들어있는 유체탱크와 ; 상기 유체순환관의 중간에 구비되어 순환열유체를 가열하는 히터와 ; 상기 유체순환관 중간에 구비되어 순환열유체를 펌핑하여 강제 순환시키는 펌프와 ; 상기 유체순환관의 중간에 구비되어 유체순환관을 순환하는 순환열유체의 양을 감지하는 유량계와 ; 상기 유체순환관의 지중열교환기의 유입, 유출구 측에 각각 연결된 유체온도센서를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는 외부로부터 장치에 공급되는 전원을 단속하는 주전원스위치와 ; 상기 히터에 공급되는 전원을 단속하는 히터스위치와 ; 상기 히터에 공급되는 전력량을 조절하는 전력조절기와 ; 상기 펌프에 공급되는 전원을 단속하는 펌프스위치를 포함하여 구성되고,
상기 표시부는 공급되는 전원의 전압을 표시하는 볼트미터와 ; 공급되는 전원의 전류를 표시하는 암페어미터와 ; 상기 유체온도센서로부터 감지된 온도를 표시하는 유체온도표시계와 ; 공급되는 전원의 전력을 표시하는 전력표시계를 포함하여 구성되며,
상기 데이터분석부는 상기 유체온도센서로부터 감지되는 온도와, 전력조절기로부터 감지되는 히터에 공급되는 전력량과, 전력표시계로부터 감지되는 펌프에 공급되는 전력량과, 유량계에서 감지되는 순환열유체 유량에 대한 데이터 수집을 위한 데이터로거와 ; 수집된 데이터를 분석처리하기 위한 프로그램을 구비한 데이터 분석장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
지중열, 지중열교환기, 유효지중열전도도, 유효전열저항

Description

현지 지중열성능 측정 장치{In-Situ Geothermal Characteristics Tester}
본 고안은 지중열교환기가 설치되는 현지 지중과 보어홀의 열성능을 측정 및 분석하는 장치에 관한 것으로써, 상세하게는 지중열을 열원으로 이용하는 지열원 열펌프시스템에 적용되는 지열원 열펌프시스템용 밀폐형식의 루프형 지중열교환기의 용량을 설계함에 필수적으로 필요한 데이터인 지중열교환기가 매설되는 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정 및 분석하기 위한 지중열성능 측정 장치에 관한 것이다.
지열을 열원으로 하는 지열원 열펌프시스템은 지중열을 열원으로 이용하는 열펌프시스템으로서 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, 이하에서는 "루프"라 통칭한다.))을 삽입하고, 보어홀과 루프 사이에는 그라우트 재료를 충진시키며 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.
지하에 루프를 삽입하여 지중열을 회수하는 시스템은 보어홀 천공에 비용이 많이 드는 문제점이 있으므로 천공 비용을 줄이고 장기간 설계 성능을 유지하기 위하여는 정확한 용량 설계가 필요하다.
이러한 루프를 삽입하는 수직밀폐형 시스템은 열유체 유입관과 열유체 유출관을 각각 한개씩을 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.
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)은 크게 현지 지중의 유효열전도도와 보어홀의 유효전열저항의 2가지로 분류된다.
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, 지하수 의 흐름 정도 등 열성능과 관련된 인자의 환경이 다름으로 전기한 모든 인자들의 영향을 종합적으로 고려하여 구하는 열전도도를 유효열전도도라 한다.
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 순환열유체의 상태, 작업자의 숙련도 등에 따라 달라지며 전기한 모든 인자들의 영향을 총합적으로 고려하여 구하는 전열저항을 유효전열저항이라 한다.
현지 지중의 유효지중열전도도와 유효전열저항에 따라 지중열교환기 용량 차이가 크게 산출됨으로 보어홀 천공 비용을 줄이고 설계 성능을 유지하기 위하여는 정확한 측정이 필요하며 동 목적으로 지중열성능 측정 장치를 이용한다.
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 설계에의 적용을 위하여 2가지 이상의 방법을 적용하여 분석한 후 평균값을 적용함이 바람직하다.
지열원 열펌프시스템용 밀폐형식의 루프형 지중열교환기의 설치공사는 야외, 도심지 등 설치장소가 일정하지 않은 관계로 현지에서 측정을 하기 위하여는 지중열교환기 공사를 하는 장소로 이동을 하여야 하므로 이동이 쉽도록 지중열성능 측 정 장치의 부피와 무게를 최소화 할 필요가 있다.
이동을 쉽게 하기 위하여 바퀴가 달린 트레일러에 덮개를 만들고 그 내부에 지중열성능 측정 장치를 구성하여 자동차를 이용하여 끄는 형식으로 제작할 수 있으며, 자동차 트렁크에 적재하여 이동할 수 있도록 소형화하여 제작할 수 있다.
본 제안의 기술은 자동차 트렁크에 적재하여 이동할 수 있도록 하는 소형화 장치에 관한 것이다.
그러나 종래의 현지 지중열성능 측정 장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.
지열원 열펌프시스템용 밀폐형식의 루프형 지중열교환기의 설치공사가 야외 현지에서 이루어지는 작업의 특성상 튜브 내를 흐르는 순환열유체에는 튜브 재료 조각, 그라우트 재료, 공급 순환수의 불순물 등이 존재하며, 이러한 분순물의 제거를 위하여 지중열성능 측정 장치에 스트레이너를 설치한다.
그러나, 기존의 장치는 스트레이너 내부의 오염상태를 육안으로 확인이 불가능한 밀폐구조이며, 지중으로부터 물탱크에 연결되는 배관 중간에 설치되므로 설치를 위하여 배관 길이가 길어지며, 세척을 위하여 분해 조립시에 연결 배관 혹은 케이싱을 함께 분해해야만 하는 어려움이 있었다.
또한, 현지에서 실험을 위하여 밀폐형식의 루프형 지중열교환기에 밀폐구조로 연결을 한 후, 열유체를 펌프를 이용하여 순환시키며, 지중열성능 측정 시험 장치를 정상적으로 가동시키기 위하여는 지중열교환기와 지중열성능 측정 시험 장치 배관 내에 잔류하는 공기를 완전하게 배출시켜야하지만, 지중열교환기는 100m 내외로 지하로 깊게 설치되어 있고, 순환하는 열유체는 한쪽 방향으로만 순환하므로 배 관 내에 잔류하는 공기를 완전하게 배출시키는데 어려움이 있었다.
또한, 지중열성능 측정 장치를 이용하여 현지에서 실험을 성공적으로 하기 위하여는 순환열유체에 투입하는 열량을 일정하게 유지하면서 공급을 해야만 하며, 열손실이 없어야만 한다.
바람직하게는 현지 지중열성능 측정 시험 중에 투입되는 열량 중에서 손실량의 허용범위를 2 % 이내이어야 한다. 그러나 종래의 지중열성능 측정 장치는 전기저항식 히터를 순환열유체 탱크 내에 수직으로 설치하는 경우가 있으나 밀폐형 루프의 재질인 HDPE(고밀도 폴리에틸렌)의 열팽창이 순환열유체인 물의 열팽창보다 커서 수위가 저하하며, 그에 따라 전기저항식 히터의 전열부분이 물에 잠기는 길이가 줄어들어 전기저항식 히터의 전열기가 정상으로 작동이 되지 않을 수 있으며, 순환수 이외의 공기로 열손실이 발생하는 문제가 있으며, 이를 해소하기 위해 전기저항식 히터의 전열부분이 물에 잠기도록 하는 것이 바람직하고, 전기저항식 히터를 물에 잠기게 위하여 줄어드는 깊이에 해당하는 순환수를 외부에서 보충시킬 수 있으나 측정 시험장치를 가동하는 중에 외부에서 순환수를 보충하는 것은 그에 상당하는 열손실을 유발시킴으로 결국은 열손실을 크게 하게 된다.
지중열성능 측정 장치를 이용하여 현지에서 실험을 성공적으로 하기 위하여는 순환열유체에 투입하는 전력을 안정되게 유지하면서 일정하게 공급을 해야 하며, 현지 지중열성능 측정 시험 중에 투입하는 전력의 질을 표준편차는 평균전력의 ㅁ 1.5% 이하이고, 최대편차는 평균전력의 ㅁ 10% 이하로 하는 것이 바람직하다.
그러나 기존의 장치는 여러 개의 전기저항식 히터를 설치하고 각 히터에 on- off 스위치를 설치하여 전력을 조절하고 있으며, 이렇게 조절되는 기존의 장치는 지중열교환기를 설치하는 현지에서는 주변에서 전기를 사용하는 여건에 따라 전압이 변하므로 전기저항식 히터가 목표로 하는 정격 열에너지를 순환열유체에 공급 조절하는데 정밀도 유지가 어려웠었다.
본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 자동차 트렁크에 적재하여 이동할 수 있도록 소형으로 구성되어, 야외, 도심지 등 설치장소의 환경이 좋지 않은 장소에도 용이하게 운반하여 사용할 수 있고, 배관이나 케이스를 분해하지 않고 순환열유체의 오염 여부를 육안으로 확인할 수 있으며, 스트레이너를 쉽게 세척할 수 있는 지중열성능 측정 장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 바이패스밸브를 구비하여 유체순환관 내에 잔류하는 공기를 쉽게 배출시킬 수 있으며, 현지 지중의 열성능 측정 시험의 주요 인자인 전력 공급을 현지의 전력상태 환경에 따라 자동 또는 수동으로 제어할 수 있어 보다 정밀한 시험이 가능한 현지 지중열성능 측정 장치를 제공함을 목적으로 한다.
이러한 본 고안에 따른 지중열성능 측정 장치는 지중의 보어홀에 매설된 지중열교환기를 순환하는 순환열유체의 온도변화를 감지하여 지중의 유효지중열전도 도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정하는 수단에 있어서, 상기 지중열교환기를 순환하는 유체의 유로를 구성하는 기계부와, 상기 기계부를 순환하는 순환열유체의 순환과 온도를 제어하는 제어부와, 상기 기계부와 제어부로부터 감지된 신호를 표시하는 표시부, 및 상기 기계부와 제어부에서 감지된 데이터를 분석하는 데이터분석부를 포함하여 구성되는데,
상기 기계부는 케이스의 내부에 설치되고, 상기 지중열교환기의 양단에 연결된 유체순환관의 중간에 구비되며, 순환열유체가 들어있는 유체탱크와 ; 상기 유체순환관의 중간에 구비되어 순환열유체를 가열하는 히터와 ; 상기 유체순환관 중간에 구비되어 순환열유체를 펌핑하여 강제 순환시키는 펌프와 ; 상기 유체순환관의 중간에 구비되어 유체순환관을 순환하는 순환열유체의 양을 감지하는 유량계와 ; 상기 유체순환관의 지중열교환기의 유입, 유출구 측에 각각 연결된 유체온도센서를 포함하여 구성되고,
상기 제어부는 외부로부터 장치에 공급되는 전원을 단속하는 주전원스위치와 ; 상기 히터에 공급되는 전원을 단속하는 히터스위치와 ; 상기 히터에 공급되는 전력량을 조절하는 전력조절기와 ; 상기 펌프에 공급되는 전원을 단속하는 펌프스위치를 포함하여 구성되고,
상기 표시부는 공급되는 전원의 전압을 표시하는 볼트미터와 ; 공급되는 전원의 전류를 표시하는 암페어미터와 ; 상기 유체온도센서로부터 감지된 온도를 표시하는 유체온도표시계와 ; 공급되는 전원의 전력을 표시하는 전력표시계를 포함하여 구성되며,
상기 데이터분석부는 상기 유체온도센서로부터 감지되는 온도와, 전력조절기로부터 감지되는 히터에 공급되는 전력량과, 전력표시계로부터 감지되는 펌프에 공급되는 전력량과, 유량계에서 감지되는 순환열유체 유량에 대한 데이터 수집을 위한 데이터로거와 ; 수집된 데이터를 분석처리하기 위한 프로그램을 구비한 데이터 분석장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 고안은 지열원 열펌프시스템용 밀폐형식의 루프형 지중열교환기의 설치공사는 야외, 도심지 등 설치장소가 일정하지 않은 관계로 현지에서 측정을 하기 위하여는 지중열교환기 공사를 하는 장소로 이동을 하여야 하므로 이동이 쉽도록 현지 지중열성능 측정 시험 장치의 부피와 무게를 최소화 할 필요가 있는데, 본 고안은 구조가 단순하여 전체 크기가 작음으로 필요한 장소로 용이하게 운반하여 사용할 수 있고, 배관이나 케이스를 분해하지 않고 순환열유체의 오염 여부를 육안으로 확인할 수 있으며, 스트레이너를 쉽게 세척할 수 있다.
또한, 바이패스밸브를 구비하여 유체순환관 내에 잔류하는 공기를 쉽게 배출시킬 수 있으며,
현지 지중의 열성능 측정 시험의 주요 인자인 전력 공급을 현지의 전력상태 환경에 따라 자동 또는 수동으로 제어할 수 있어 보다 정밀한 시험이 가능하게 하는 효과가 있다.
이하, 본 고안에 따른 지중열성능 측정 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 고안에 따른 지중열성능 측정 장치의 구성도이다.
도시한 바와 같이, 본 고안에 따른 지중열성능 측정 장치는 기계부(1)와 제어부(2)와 표시부(3)와 데이터분석부(4)로 구성된다.
상기 기계부(1)는 지중의 보어홀(300)에 매설된 지중열교환기(100)에 순환열유체를 순환시키기 위한 기구들로서, 케이스(10)의 내부에 구성되어 있다.
상기 보어홀(300)에는 그라우트 채움(200)을 하며, 이 그라우트 채움은 통상적으로 지중열을 이용한 열펌프시스템에서 지열교환기를 지중에 매설함에 사용되는 것으로 이애 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 기계부(1)는 상기 지중열교환기(100)의 양단에 연결된 유체순환관(11)의 중간에 구비되며, 순환열유체가 저장된 유체탱크(12)와 ; 상기 유체순환관(11a)의 중간에 구비되어 순환열유체를 가열하는 히터(13)와 ; 상기 유체순환관(11) 중간에 구비되어 순환열유체를 펌핑하여 강제 순환시키는 펌프(14)와 ; 상기 유체순환관(11)의 중간에 구비되어 유체순환관(11)을 순환하는 순환열유체의 양을 감지하는 유량계(15)와 ; 상기 유체순환관(11)의 지중열교환기(100)의 유입, 유출구 측에 각각 연결된 유체온도센서(113a, 113b)를 포함하여 구성된다.
상기 유체탱크(12)는 도시한 바와 같이 지중열교환기(100)를 통과한 유체가 바로 유체탱크(12)로 유입 될 수 있도록 유체순환관(11)의 중간에 연결하되 상기 지중열교환기(100)의 유출측과 인접된 부분에 연결되어 지중열교환기(100)를 통과한 순환열유체가 바로 유체탱크(12)로 되돌아 갈 수 있게 하였다.
상기 유체탱크(12)로부터 순환열유체가 배출되는 배출구 즉, 배출측 순환관(11)이 연결되는 부분에는 순환열유체 중의 이물질을 걸러내기 위한 스트레이너(12a)가 더 설치되어 있다.
상기 스트레이너(12a)는 도시한 바와 같이 유체탱크(12)의 벽에 설치되어 있어 오염 여부를 육안으로 쉽게 확인 할 수 있으며, 용이하게 착탈시킬 수 있다.
상기 히터(13)는 유체순환관(11)을 순환하는 순환열유체를 가열하는 수단으로 상기 유체탱크(12)와 지중열교환기(100) 사이에 연결되어 있다.
상기 히터(13)는 전기저항식 히터로서 다수가 직렬로 연결되어 있으며, 이 히터들을 통하여 순환열유체가 흐르도록 설치되어 있다.
상기 히터(13)와 유체탱크(12) 사이에는 상기 펌프(14)와 유량계(15)가 설치되어 있다.
상기 펌프(14)는 통상적으로 사용되는 유체 펌핑용 펌프로서 유체순환관(11) 내를 흐르는 순환열유체를 펌핑(pumping)하여 순환시키며, 상기 유량계(15)는 펌핑되어 순환하는 유체의 양을 감지한다.
상기 유량계(15)의 일측에는 유체순환관을 순환하는 유체의 양을 조절하기 위한 유량조절밸브(151)가 설치되어 있다.
상기 유체온도센서(113a, 113b)는 지중열교환기(100)로 유입되는 순환열유체의 온도와 지중열교환기로부터 배출되는 유체의 온도를 감지하기 위한 수단으로 감 지된 온도는 후술하는 표시부(3)를 통해 표시되고, 데이터분석부(4)에서 저장 및 비교 분석된다.
상기와 같이 구성된 기계부(1)는 지중열교환기(100)와 기계부(1)의 유체순환관(11)이 용이하게 분리 및 결합될 수 있어야 하며, 이렇게 지중열교환기(100)와 유체순환관(11)을 용이하게 연결 또는 분리하기 위해 상기 지중열교환기(100)의 양단에 각각 연결관(11a)이 연결되고 이 연결관(11a)의 단부에는 유체순환관(11)이 연결되는 퀵커플러(111a, 111b)가 설치되어 있다.
상기 퀵커플러(111a, 111b)는 통상적으로 유체를 송수하는 배관자제로 많이 사용되는 것을 선택하여 사용될 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한 상기 유체순환관(11)의 상기 유체순환관(11)의 지중열교환기(100)와 연결되는 단부 사이에는 지중열교환기로 공급되는 순환열유체를 유체탱크(12)로 순환시키기 위한 바이패스관이 연결되고 이 바이패스관에는 바이패스밸브(112)가 설치되어 있다.
이렇게 바이배스관을 연결하고 바이패스밸브(112)를 설치하여 바이패스관으로 순환열유체가 순환되게 함으로서 공기가 혼합된 유체가 지중열교환기(100)로 유입되는 것을 방지하게 된다.
즉, 지중열교환기(100)로 유체를 공급하기 전에 유체를 한동안 바이배스시켜 유체탱크(12)나 후술하는 에어벤트밸브(132)를 통해 배출시킴으로서 순환열유체로부터 공기를 제거한다.
상기 에어벤트밸브(132)는 유체순환관(11)의 가장 높은 부분에 설치하며 바람직하게는 순환열유체가 상기 히터(13)를 통과하면서 가열됨에 의해 유체 중에 기포가 발생될 수 있으므로 히터(13)를 통과한 최상부분에 설치한다.
또한, 상기 케이스(10)의 내부에는 내부온도센서(102)와 감지부분만 외부에 노출된 외부온도센서(103)가 더 설치되어 본 고안의 현지 지중열성능 측정 장치가 구동되는 대기의 온도를 감지할 수 있게 하였으며, 케이스(10)의 일측에는 케이스 내부에 고이는 수분을 배출시키기 위한 드레인밸브(101)를 설치하여 케이스의 내부에 고인 물을 배출시킬 수 있게 하였다.
기계부(1)에는 유체탱크(12)용 드레인밸브(121)과 히터(13)용 드레인밸브(131)가 더 설치된다.
상기와 같이 구성된 기계부(1)는 상기 제어부(2)에 의해 제어되며, 상기 제어부(2)는 외부로부터 장치에 공급되는 전원을 단속하는 주전원스위치(21)와 ; 상기 히터(13)에 공급되는 전원을 단속하는 히터스위치(25)와 ; 상기 펌프(14)에 공급되는 전원을 단속하는 펌프스위치(24)를 포함하여 구성된다.
상기 주전원스위치(21)는 본 고안의 장치에 공급되는 전원을 근본적으로 단속하기 위한 스위치로서 이를 차단시키면 전체 장치에 전원이 공급되지 않는다.
상기 히터스위치(25)와 펌프스위치(24)는 각각 히터(13)와 펌프(14)에 공급되는 전원을 개별적으로 단속하는 스위치이다.
또한, 상기 제어부(2)에는 상기 히터에 공급되는 전력량을 조절하는 전력조절기(26)를 구비하고 있다.
이 전력조절기(26)는 도시한 바와 같이 수동용과 자동용으로 구성되며, 수동용은 저항식조절기(261)이고, 비례 조절하여 자동으로 공급하는 자동전력조절기(262)가 자동조절용이다.
이렇게 저항식조절기(261)와 자동전력조절기(262)를 설치함으로서 이들을 선택할 수 있는 즉, 전력조절을 자동으로 하거나 수동으로 할 수 있도록 선택하는 역할을 하는 전환스위치(23)가 더 설치되어 있다.
상기 전환스위치(23)는 사용자의 조작에 의해 전력 제어 방식을 바꾸는 수단으로 자동전력조절기(262)가 선택되면 공급되는 전력은 자동전력조절기(262)에 의해 자동으로 비례제어되고, 저항식조절기(261)가 선택되면 전력의 제어는 사용자가 저항식조절기(261)를 조작함에 의해 이루어진다.
미설명 부호 22는 부전원스위치로 과전압 등에 의해 장치가 손상되는 것을 단속하기 위한 안전조치의 일환으로 설치하며 이를 개폐하여 전체 장치에의 전원 공급을 단속한다.
이렇게 조절되는 전력량은 후술하는 표시부(3)에 표시되어 눈으로 확인할 수 있다.
상기 표시부(3)는 공급되는 전원의 전압을 표시하는 볼트미터(31)와 ; 공급되는 전원의 전류를 표시하는 암페어미터(32)와 ; 상기 유체온도센서(113a)로부터 감지된 온도를 표시하는 유체온도표시계(33)와 ; 펌프에 공급되는 전원의 전력을 표시하는 전력표시계(34)를 포함하여 구성된다.
상기 유체온도센서(113a)에 의하여 감지되는 순환열유체의 온도가 유체온도 표시계(33)에 설정된 상한온도 이상으로 감지되면 주전원스위치을 차단한다. 상기 유체온도표시계(33)에 설정된 온도는 이미 잘 알려진 지중열성능 측정 장치의 유체 온도로 이는 통상적으로 50℃ 정도이고 이는 상황이나 조건에 따라 달라질 수 있는 것으로 이를 제한할 수는 없다.
이러한 표시부(3)를 구성하는 수단들은 통상적으로 사용되는 것을 선택하여 구성될 수 있는 것으로 상세한 설명은 생략한다.
상기 기계부(1)를 구성하는 유체온도센서(113a, 113b)들에 의해 감지된 온도와 전력조절기(26)로부터 감지되는 히터로 투입되는 전력량, 전력표시계(34)로부터 감지되는 펌프에 공급되는 전력량, 유량계(15)로부터 감지되는 순환열유체유량은 데이터분석부(4)에서 분석되어 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정된다.
상기 데이터분석부(4)는 상기 유체온도센서(113a, 113b)로부터 감지되는 온도와, 자동전력조절기(26)로부터 감지되는 히터로 투입되는 전력량, 전력표시계(34)로부터 감지되는 펌프에 공급되는 전력량과, 유량계(15)에서 감지되는 순환열유체 유량에 대한 데이터 수집을 위한 데이터로거(41)와 ; 수집된 데이터를 분석처리하기 위한 프로그램을 구비한 데이터 분석장치(42)를 포함하여 구성된다.
이러한 데이터분석부(4)를 구성하는 데이터 로거(41)나 데이터분석장치(42)는 통상의 컴퓨터 등이 사용될 수 있으며, 데이터분석장치(42)에 설치된 데이터 분석 프로그램은 측정 결과를 분석하는 방법에 따라 달라 질 수 있으며, 이러한 측정 결과를 이용하여 분석하는 방법은 선형열원방법, 실린더열원방법, 수치해석방법 등 이 있으며, 그 중에서 많이 사용되는 선형열원방법을 적용할 수 있으나, 정확한 분석 결과를 얻기 위하여 2가지 이상의 방법을 적용하여 분석한 후 평균값을 적용함이 바람직하다.
일예로 선형열원방법을 이용할 경우 현지 지중의 유효지중열전도도는 다음의 수식에 의하여 구해진다.
Figure 112008016340253-utm00001
위의 식에서
Figure 112008016340253-utm00002
는 현지 지중의 유효지중열전도도(W/mK),
Figure 112008016340253-utm00003
는 전기저항식 히터와 순환펌프의 가동에 따라 순환열유체의 흐름을 통하여 지중열교환기에 공급되는 전력량(W/hr),
Figure 112008016340253-utm00004
은 지중열교환기 루프의 설치 깊이(m),
Figure 112008016340253-utm00005
는 순환열유체의 온도 상승과 측정시간의 대수화에 의해 도출되는 특성식의 기울기이다.
또한 선형열원방법에 의한 현지 지중의 유효전열저항은 다음의 수식에 의하여 구해진다.
Figure 112008016340253-utm00006
위의 식에서 Rb 는 보어홀의 유효전열저항(mK/W), Tf 는 순환열유체의 온도(K), α는 열확산율(k/ρc)로서 ρ는 밀도(kg/m3), 와 c는 비열(J/kgK), t는 시간(hr), rb는 보어홀의 반경(m), T0는 초기지중온도(K) 이다.
도 1은 본 고안에 따른 지중열성능 측정 장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기계부
10 : 케이스 101 : 드레인밸브 102 : 내부온도센서
103 : 외기온도센서
11 : 유체순환관 111a, 111b : 퀵커플러
112 : 바이패스밸브 113a, 113b : 유체온도센서
12 : 유체탱크 12a : 스트레이너(Strainer)
121 : 드레인밸브
13 : 히터 131 : 드레인밸브
132 : 에어벤트밸브
14 : 펌프
15 : 유량계 151 : 유량조절밸브
2 : 제어부
21 : 주전원 스위치 22 : 부전원 스위치 23 : 전환스위치
24 : 펌프스위치 25 : 히터스위치
26 : 전력조절기 261 : 저항식조절기 262 : 자동전력조절기
3 : 표시부
31 : 볼트미터 32 : 암페어미터 33 : 유체온도표시계
34 : 전력표시계
4 : 데이터분석부
41 : 데이터로거 42 : 데이터 분석장치
100 : 지중열교환기 200 : 그라우트 채움
300 : 보어홀

Claims (10)

  1. 지중의 보어홀(300)에 매설된 지중열교환기(100)를 순환하는 순환열유체의 온도변화와 투입되는 전력량의 변화를 감지하여 지중의 유효지중열전도도와 지중열교환기가 매설된 보어홀의 유효전열저항을 측정 및 분석하는 수단에 있어서,
    상기 지중열교환기(100)를 순환하는 유체의 유로를 구성하는 기계부(1)와, 상기 기계부(1)를 순환하는 순환열유체의 순환과 온도를 제어하는 제어부(2)와, 상기 기계부와 제어부로부터 감지된 신호를 표시하는 표시부(3), 및 상기 기계부와 제어부에서 감지된 데이터를 분석하는 데이터분석부(4)를 포함하여 구성되데,
    상기 기계부(1)는 케이스(10)의 내부에 설치되고, 상기 지중열교환기(100)의 양단에 연결된 유체순환관(11)의 중간에 구비되며, 순환열유체가 저장된 유체탱크(12)와 ; 상기 유체순환관(11)의 중간에 구비되어 순환열유체를 가열하는 히터(13)와 ; 상기 유체순환관(11) 중간에 구비되어 순환열유체를 펌핑하여 강제 순환시키는 펌프(14)와 ; 상기 유체순환관(11)의 중간에 구비되어 유체순환관(11)을 순환하는 순환열유체의 양을 감지하는 유량계(15)와 ; 상기 유체순환관(11)의 지중열교환기(110)의 유입, 유출구 측에 각각 연결된 유체온도센서(113a, 113b)를 포함하여 구성되고,
    상기 제어부(2)는 외부로부터 장치에 공급되는 전원을 단속하는 주전원스위치(21)와 ; 상기 히터(13)에 공급되는 전원을 단속하는 히터스위치(25)와 ; 상기 펌프(14)에 공급되는 전원을 단속하는 펌프스위치(24) 및 ; 히터에 공급되는 전력량을 제어하는 전력조절기(26)를 포함하여 구성되고,
    상기 표시부(3)는 공급되는 전원의 전압을 표시하는 볼트미터(31)와 ; 공급되는 전원의 전류를 표시하는 암페어미터(32)와 ; 상기 유체온도센서(113a, 113b)로부터 감지된 온도를 표시하는 유체온도표시계(33)와 ; 펌프에 공급되는 전원의 전력을 표시하는 전력표시계(34)를 포함하여 구성되며,
    상기 데이터분석부(4)는 상기 유체온도센서로부터 감지되는 온도와, 전력조절기(26)로부터 감지되는 히터로 투입되는 전력량, 전력표시계(34)로부터 감지되는 펌프에 공급되는 전력량, 유량계(15)로부터 감지되는 순환열유체유량에 대한 데이터 수집을 위한 데이터로거(41)와 ; 수집된 데이터를 분석처리하기 위한 프로그램을 구비한 데이터 분석장치(42)를 포함하여 구성되며,
    상기 유량계(15)와 히터(13) 사이에는 유량조절밸브(151)가 더 구비 됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체탱크(12)의 유출측에 연결된 유체순환관(11)의 입구에는 순환열유체 중의 이물질을 걸러내기 위한 스트레이너(12a)가 더 설치됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체순환관(11)은 상기 지중열교환기(100)의 양단에 각각 연결된 연결관(11a)에 연결되며, 상기 연결관(11a)의 유체순환관(11)이 연결되는 단부에는 퀵커플러(111a, 111b)가 설치됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 케이스(10) 내부의 상기 유체순환관(11)의 지중열교환기(100)와 연결되는 단부 사이에는 지중열교환기로 공급되는 순환열유체를 유체탱크(12)로 순환시키기 위한 바이패스관이 연결되고 이 바이패스관에는 바이패스밸브(112)가 설치됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 케이스(10)의 내부에는 내부온도센서(102)가 설치되고, 케이스의 벽에는 외부온도센서(103)가 더 설치됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체순환관(11)의 중간에는 에어벤트밸브(132)가 더 설치됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부(2)에 구성된 전력조절기(26)는 히터에 공급되는 전원의 전력량을 수동으로 조절하기 위한 저항식조절기(261)과 ;
    히터에 공급되는 전원의 전력량을 비례 조절하여 자동으로 공급하기 위한 자동전력조절기(262)와 ;
    전력공급량을 상기 자동전력조절기(262)가 자동으로 조절하게 하거나 상기 저항식조절기(261)을 사용자가 수동으로 조절할 수 있도록 선택하기 위한 전환스위치(23)가 더 구비됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체온도센서(113a)에 의하여 감지되는 순환열유체의 온도가 유체온도표시계(33)에 설정된 상한온도 이상으로 감지되면 주전원스위치가 차단됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 히터(13)는 다수가 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 지중열성능 측정 장치.
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