Investigation of Thermal and Hydraulic Characteristics for the Performance Analysis of a Borehole Heat Exchanger

지중 열교환기 효율 분석을 위한 지반내 열적.수리적 특성 조사

Sim, Byeong-Wan;Lee, Yeong-Min;Kim, Hyeong-Chan;Song, Yun-Ho
심병완;이영민;김형찬;송윤호

  • Published : 20060000

Abstract

Several hydraulic and geothermal characteristic surveys are carried out in a site for the ground source heat pump system to estimate the long-term performance of a shallow geothermal utilization system. Estimated mean thermal conductivity from density, specific heat, and thermal diffusivity measurements of 61 core samples from a 300 m deep borehole is 2.98W/m-K. Estimated heat flow from the thermal gradient(20°C/km) and average thermal conductivity(2.98W/m-K) is 59.7mW/m2. The correlation between the fracture system and the hydraulic conductivity is analyzed because ground water flow can give influences at the efficiency of the heat pump system. We estimated in-situ thermal conductivity as 3.28W/m-K, 10 percent larger than the value from the sample, and heat exchange rate of a borehole in double U-tube system through a thermal response test. Based on the estimated thermal properties, the long-term performance of the borehole heat exchanger system can be evaluated by numerical simulations. In addition, heat pump operation method and optimal system design techniques can be developed.

천부 지열활용 시스템의 장기적인 효율을 추정하기 위하여 지중 열교환기를 설치한 부지에서 몇가지 수리 및 지열 특성 조사를 수행하였다. 본 연구에서는 300m 심도의 관측공에서 61개의 코아샘플을 채취한 후, 밀도, 비열, 열확산율을 측정하여 열전도도를 산출하였다. 그리고 열전도도 산술평균값(2.98W/m-K)과 지온경사(20°C/km)를 이용하여 지열류량(59.7mW/m2)을 산출하였으며, 또한 지하수의 유동 특성이 지중 열교환기 효율에 많은 영향을 미치기 때문에 균열시스템과 수리전도도간의 상관성을 추정하였다. 그리고 열응답 실험을 통하여 원위치 열전도도를 측정하여 코아 샘플의 열전도도보다 10% 높은 3.28W/m-k의 값을 얻었으며, 이를 통하여 시추공의 열교환율을 계산하였다. 조사된 연구지역 지반의 열적 수리적 특성들은 수치 시뮬레이션을 통하여 지열펌프 시스템의 활용 기술 및 최적 지중 열교환기 시스템 설계를 개발하거나 시스템의 장기적인 효율을 예측하는데 활용된다

Keywords

References

  1. 김형찬, 송무영, 1999, 지온경사 산출을 위한 효율적인 온도검층자료 이용방법 연구, 자원환경지질학회지, Vol.32, No.5,pp.503-517
  2. 박덕원, 2004, 물성에 의한 석재의 품질도, 대한지질공학회지, 제14권, 제1호, pp. 61-69
  3. 송윤호, 김형찬, 심병완,이창범, 박덕원, 이성곤, 이종철, 이병태, 박인화, 이태종, 이철우, 문상호, 김연기, 이병대, 임현철, 2004, 지열자원 부존특성 규명 및 활용기반기술 연구, 한국지질자원연한국지질자원연구원 연구보고서, KR-04(연차)- 08, 국무총리실, p. 16
  4. 송윤호, 김형찬, 이철우, 황세호, 조병욱, 심병완, 안은영, 2005a, 국내 지하 열 자원 활용기술 개발의 중장기 계획, 한국지질자원연구원 연구보고서, 2004-R-NC02-P-01-0- 000, 산업자원부, p. 94
  5. 송윤호, 김형찬, 심병완, 이창범, 박덕원, 이태종, 이철우, 박인화, 임현철, 김유숙, 김연기, 이병대, 2005b, 지열자 원 부존특성 규명 및 활용기반기술 연구, 한국지질자원연구원 연구보고서, OAA2004018-2005(2), 과학기술부,p. 43
  6. 심병완, 2005, 대수층 축열 에너지 (ATES) 시스템에서 지 하수 유동 영향에 의한 지반내 온도 분포 예측 시뮬레이션, 한국지열에너지학회 논문집, 1권 1호, pp.1-8
  7. Beardsmore, G. R., and Cull, J. P., 2001, Crustal heat flow -A guide to measurement and modelling, Cambridge University Press, p. 15
  8. Busso, A., Georgiev, A., and Roth, P., 2003, Underground thermal energy storage - First thermal response test in South Africa, RIO 3 - World Climate and Energy Event, Rio de Janeiro, Brazil, pp. 189-196
  9. Forster, A., Schrotter, J., Merriam, D. F., and Blackwell, D. D., 1997, Application of optical-fiber temperature logging-An example in a sedimentary environment, Geophysics, Vol. 62, No. 4, pp. 1107-1113 https://doi.org/10.1190/1.1444211
  10. Fujii, H., Itoi, R., Fujii J., and Uchida. Y., 2005, Optimizing the design of large-scale ground-coupled heat pump systems using groundwater and heat transport modeling, Geothermics, Vol. 34, pp. 347-364 https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2005.04.001
  11. Gehlin, S., 2002, Thermal response test - Method development and evaluation, Doctoral Thesis 2002:39, Lulea University of Technology, Sweden
  12. GroBwig, S., Hurtig, E., and Kuhn, K., 1996, Fibre optic temperature sensing: A new tool for temperature measurements in borehole, Geophysics, Vol. 61, No. 4, pp. 1065-1067 https://doi.org/10.1190/1.1444027
  13. Hepbasli, A., 2002, Performance evaluation of a vertical ground-source heat pump system in Izmir, Turkey, International Journal of Energy Research, Vol. 26, pp. 1121-1139 https://doi.org/10.1002/er.839
  14. Hepbasli, A., Akdemir, O., and Hancioglu, E., 2003, Experimental study of a closed loop vertical ground source heat pump system, Energy Conservation and Management, Vol. 44, pp. 527-548 https://doi.org/10.1016/S0196-8904(02)00073-0
  15. Houlsby, A. C., 1990, Construction and design of cement grouting, John Wiley & Sons, Inc., New York, p. 464
  16. Hurtig, E., GroBwig, S., Jobmann, M., Kühn, K., and Marschall, P., 1994, Fibre-optic temperature measurements in shallow boreholes: experimental application for fluid logging, Geothermics, Vol. 23, No. 4, pp. 355-364 https://doi.org/10.1016/0375-6505(94)90030-2
  17. Hurtig, E., GroBwig, S., and Kuhn, K., 1996, Fiber optic temperature sensing: application for subsurface and ground temperature measurements, Tectonophysics, Vol. 257, No. 1, pp. 101-109 https://doi.org/10.1016/0040-1951(95)00124-7
  18. Kutzner C., 1996, Grouting of rock and soil, A.A Balkema, Rotterdam, p. 282
  19. Lee, Y., Deming, D., and Chen, K. F., 1996, Heat flow and heat production in the Arkoma Basin and Oklahoma Platform, southeastern Oklahoma, Journal of Geophysical Research, Vol. 101, No. B11, pp. 25387-25401 https://doi.org/10.1029/96JB02532
  20. Lee, Y., and Deming, D., 1998, Evaluation of thermal conductivity temperature corrections applied in terrestrial heat flow studies, Journal of Geophysical Research, Vol. 103, No. B2, pp. 2447-2454 https://doi.org/10.1029/97JB03104
  21. Moye, D.G., 1967, Drilling for foundation exploration, Civil Engineering Transaction, Institute of Engineering, Australia, pp. 95-100
  22. Pollack, H. N., Hurter, S. J., and Johnson, J. R., 1993, Heat flow from the Earth's interior: analysis of the global data set, Reviews of Geophysics, Vol. 31, No. 3, pp. 267-280 https://doi.org/10.1029/93RG01249
  23. Rohner, E., Basatti, S., and Kohl, T., 2005, New large geothermal project in Zurich/Switzerland for heating and cooling, Proceedings World Geothermal Congress, Antalya, Turkey
  24. Signorelli, S., 2004, Geoscientific investigations for the use of shallow low-enthalpy systems, Doctoral Thesis, ETH No. 15519, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, Switzerland, p. 159
  25. VDI, 2000, Thermal use of the underground fundamentals, approvals, environmental aspects, VDI 4640, Part 1 Part 4
  26. Wisian, K. W., Blackwell, D. D., Bellani, S., Henfling, J. A., Normann, R. A., Lysne, P. C., Förster, A., and Schrotter, J., 1998, Field comparison of conventional and new technology temperature logging systems, Geothermics, Vol. 27, No. 2, pp. 131-141 https://doi.org/10.1016/S0375-6505(97)10013-X