지열 히트펌프 시스템 설계를 위한 국내 암종의 열전도도 특성 연구 = Thermal Conductivity Characteristics of Different Rock Types in Korea for Designing Ground Source Heat Pump System
저자
발행사항
부산 : 부산대학교, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 부산대학교 : 지구환경시스템학부-지질환경과학전공 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
부산
형태사항
77 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 함세영
UCI식별코드
I804:21016-000000161054
DOI식별코드
소장기관
지열에너지는 지구 내부로부터 유래하며 마그마열, 지층의 열, 방사성 붕괴열 등에서 유래하며, 온도에 따라 중·저온(10∼90℃) 에너지와 고온(120℃ 이상) 에너지로 구분된다. 지열에너지는 전체 태양복사 에너지의 약 47%에 해당한다. 중·저온 지열에너지는 히트펌프를 이용한 냉난방으로 상용화되고 있으며, 고온 에너지는 증기를 이용한 운동에너지를 통해 전기 발전으로 이용되고 있다. 지열원의 가정/건물용 히트펌프 냉난방 시스템은 화석연료를 대체해 CO2 발생을 저감하는 역할을 하고 있다. 그러나, 히트펌프 냉난방 시스템 설계를 위해서는 시추공의 지중열과 기반암의 열전도도와 풍화대와 구조대, 연약지반에 의한 시추공의 붕괴, 지하수위와 대수층의 변화 등의 복합적인 상황을 조사하여 반영하여야 한다. 또한 지열 시스템 설치 후 예기치 못한 문제(시추공의 막힘 및 붕괴, 파쇄대와 균열대 발생)로 인한 사후관리에 있어서도 적절히 대응하는데 어려움이 있으며, 문제 발생 후 대안적인 공법과 보수가 이루어지고 있다. 그러므로 보다 정확한 암석의 특성을 반영하고 예측하여 지열원 히트펌프 시스템을 설계·시공하여야 한다. 본 연구에서는 국내의 지질도 및 지열주제도와 몇 가지 암종의 시료의 열전도도 측정과 시험 시추를 통한 현장의 열응답시험(Thermal response test)을 통한 열전도도 측정을 비교 분석하였다. 또한 저온(5~ 25℃)의 지열을 이용한 히트펌프 시스템 및 시추공의 설계 방법을 고찰하였다. 기존의 지열 히트펌프 시스템의 효율을 향상시키기 위해서 실제 현장의 시료의 측정 결과값을 현재 지열 냉난방 설계를 위한 Ground Loop Design(2009) 프로그램과 GLHEPro ver.4.1.7 프로그램에 적용하였다. 또한 기존의 Soil Properties의 평균값을 반영한 설계와 열물성치를 시료의 측정값을 반영한 설계를 비교해보았다. 이를 통해 암석의 열물성치와 열전도도와의 관계를 이용해서 지열 냉난방 시스템 설계의 주 요인 및 개선방법을 고찰하였다. 본 연구에서 열 확산율이 0.096 ~ 0.135 m2/day일 때, 열전도도는 2.5 ~ 3.5 W/mK에서 열교환 길이는 6.4 ~ 7.8km를 보였으며, 열전도도가 높을수록 열 확산율은 낮아졌다. 열 확산율이 0.096 ~ 0.135 m2/day일 때, 열전도도는 2.5 ~ 3.5 W/mK에서 열교환 길이는 6.4 ~ 7.8km를 보였으며, 열전도도가 높을수록 열 확산율은 낮아졌다. 또한 열전도도가 높을수록 그리고 열 확산율이 낮을수록 열교환 길이는 짧아진다. 한편, 밀도가 0.80mg/cm3이고, 비열이 0.80J/gK부터 0.86 J/gK까지 변화할 때, 열확산율이 0.096~0.135 m2/day 범위에서 열교환 길이는 7.4km부터 약 7.8km까지 증가한다. 따라서, 열전도도, 밀도, 비열이 높아질수록 열 확산율은 낮아지고, 열 확산율이 낮아질수록 열교환 길이는 감소하게 된다. 따라서 열 확산율을 감소시키는 것이 열교환 길이를 줄일 수 있는 중요한 요건이 된다.
더보기Geothermal energy is produced from the heat of the Earth’s interior, magma heat, geological formation heat, radioactive decay heat, etc and is divided into medium/low temperature (10 ~ 90°C) and high temperature (>120°C) energies. Geothermal energy also accounts for 47% of total solar radiation energy. Medium and low-temperature geothermal energy is utilized for heating and cooling through heat pump and high-temperature energy is used for electricity generation through steam pressure. Heat pump cooling and heating systems for homes and buildings based on geothermal source replace fossil fuels and reduce CO₂ emissions. In order to design the heat pump cooling and heating system, it is necessary to investigate and consider complex situations such as the underground heat of boreholes, the thermal conductivity of the bedrock, borehole collapse due to weathered zone and fracture zone, groundwater level change, and aquifer types. In addition, after the installation of the geothermal source heat pump system, the boreholes are needed to repair in order to solve various problems. Therefore, geothermal source heat pump system should reflect and predict accurate rock characteristics. In this study, thermal conductivity measurements of several rock types in Korea by divided-bar method in-situ thermal response test were conducted and the two methods were compared in terms of the measurement characteristics. In order to improve the efficiency of the existing geothermal source heat pump system, the measurement results of the divided-bar method were applied to the Ground Loop Design (2009) program and the GLHEPro ver. 4.1.7 program for geothermal heating and cooling design. The relationship between thermal properties (thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat, and density) of the rocks was analyzed for designing geothermal heating and cooling system design. As a result, the thermal diffusivity values were estimated as 0.096 ~ 0.135 m2/day, the thermal conductivity values 2.5 to 3.5 W/mK, and the heat exchange length 6.4 to 7.8km. The higher the thermal conductivity, the lower the thermal diffusivity. In the range of 0.096 to 0.135 m2/day of the thermal diffusivity, thermal conductivity values were between 2.5 and 3.5 W/mK and the heat exchange lengths were between 6.4 and 7.8km. The higher the thermal conductivity, the lower the thermal diffusivity. In addition, the higher the thermal conductivity and the lower the thermal diffusivity, the shorter the heat exchange length. On the other hand, with the density of 0.80 mg/cm3 and thermal diffusivity of 0.096 ~ 0.135 m2/day, when the specific heat changes from 0.80 to 0.86 J/gK, the heat exchange length increases from 7.4 to 7.8 km. Therefore, as the thermal conductivity, density, and specific heat increase, the thermal diffusivity decreases; and the thermal diffusivity decreases, the heat exchange length decreases. Hence, reducing thermal diffusivity is an important factor for shortening heat exchange length.
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