KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Estimation of Thermal Conductivity of Weathered Granite Soils

화강풍화토의 열전도도 산정에 대한 연구

  • Received : 2012.01.10
  • Accepted : 2012.03.05
  • Published : 2012.04.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In general, geothermal energy pile and horizontal ground heat exchangers are installed in shallower depths than conventional vertical ground coupled heat pumps. Consequently their heat exchange performance is strongly governed by thermal conductivity of soil layer. Previous studies have shown that the thermal conductivity of soil above ground water table significantly affects the heat exchange rate because of partially saturated condition in soil and consequent variation of soil thermal conductivity. This paper presents a study result on the prediction of thermal conductivity of weathered granite soils. For weathered granite soils sampled from 5 locations, thermal conductivity tests were conducted with varying porosity and degree of saturation. The existing thermal conductivity models in literatures appeared inappropriate to the weathered granite soils. Hence, an empirical equation was proposed in this paper and its validity was examined by applying it to thermal conductivity test results obtained for weathered granite soils in this study and from literatures.

일반적으로 지열 에너지파일 및 수평형 지열교환기는 기존의 연직형 지열히트펌프에 비하여 지표면에서 가까운 깊이에 설치되며, 이 경우 지열교환기의 열 교환 거동은 토사층에서의 열전도도에 많은 영향을 받게 된다. 기존의 연구에 따르면 지하수위 상부에 놓인 흙의 열전도도는 에너지파일의 열 교환 성능에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이는 부분적으로 포화된 흙의 열전도도는 함수비에 큰 영향을 받기 때문이다. 본 연구에서는 국내에 널리 분포하고 있는 화강풍화토의 열전도도 예측에 대한 연구를 수행하였다. 5개 지역에서 채취한 화강풍화토 시료의 간극율과 포화도를 바꾸어가며 탐침법 기반 열전도도 측정시험을 수행하였고, 기존의 열전도도 추정 모델들의 적합성을 평가하였다. 마지막으로 국내 화강풍화토에 적합한 경험적 예측식을 제안하고 이를 토대로 실험자료를 분석해 보았으며 기존 문헌에 실린 실험결과에 적용하여 그 적절성을 살펴보았다.

Keywords

References

  1. 백성권, 안형준, 임성균(2007) 구조물 하부형 지중열교환기 개발 연구, 2007 하계학술발표회 논문집, 대한설비공학회, pp. 277-282.
  2. 손병후, 최항석(2011) 단일 탐침법을 이용한 수평형 지중열교환기 뒤채움재의 열확산계수 산정. 설비공학논문집, 대한설비공학회, 제23권, 제5호, pp. 356-364.
  3. 이강자(2010) 수평형 지중 열교환기 되메움재의 열특성에 관한 연구, 석사학위논문, 고려대학교.
  4. 이정훈, 주진현, 윤태섭, 이장근, 김영석(2011) 하중 조건이 지반의 열전도도에 미치는 영향: 입자 스케일에서의 연구. 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제27권, 제9호, pp. 77-86.
  5. 차장환, 안선준, 구민호, 김형찬, 송윤호, 서명석(2008) 토양의 공극률 및 함수비가 열전도도에 미치는 영향. 한국지하수토양환경학회지, 한국지하수토양환경학회, 제13권, 제3호, pp. 27-36.
  6. 차장환, 구민호, 김영석(2010) 구조모델을 이용한 다공성 매질의 유효 열전도도 분석. 한국지하수토양환경학회지, 한국지하수토양환경학회, 제15권, 제6호, pp. 91-98.
  7. Brandl, H. (2009) Energy foundations and other thermo-active ground structures. Geotechnique, Vol. 56, No. 2, pp. 81-122.
  8. Choi, J. C., Lee, S. R., and Lee D. S. (2011) Numerical simulation of vertical ground heat exchangers: Intermittent operation in unsaturated soil conditions. Computers and Geotechnics, Vol. 38, pp. 949-958. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2011.07.004
  9. Cote, J., and Konrad, J. M. (2005) A generalized thermal conductivity model for soils and construction materials. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 42, pp. 443-458. https://doi.org/10.1139/t04-106
  10. De Vries, D. A. (1963) Thermal properties of soils. In physics of plant environment. North-Holland Publishing Company, Amsterdam, The Netherlands.
  11. Esch, D. C. (2004) Thermal analysis, construction, and monitoring methods for frozen ground. Vol. 492, Resteon, VA: American Society of Civil Engineers.
  12. Farouki, O. T. (1981) Thermal properties of soils. US Army Corps of Engineers, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, N. H. CRREL Monograph 81-1.
  13. Horai, K. (1971) Thermal conductivity of rock-forming minerals. Journal of Geophysical Research, Vol. 76, pp. 1278-1307. https://doi.org/10.1029/JB076i005p01278
  14. Johansen, O. (1975) Thermal conductivity of soils. Ph.D. thesis, University of Trondheim, Norway.
  15. Kersten, M. S. (1949) Laboratory research for the determination of the thermal properties of soils. Research Laboratory Instigations, Engineering Experiment Station, University of Minnesota, Minneapolis, Minn. Tech Report 23.
  16. Lu, S., Ren, T., and Gong, Y. (2007) An improved model for predicting soil thermal conductivity from water content at room temperature. Soil Science Society of American Journal, Vol. 71, No. 1, pp. 8-14. https://doi.org/10.2136/sssaj2006.0041
  17. Mitchell, J. K. (1993) Fundamentals of soil behavior, 2nd edition, Wiley, New York.
  18. Mualem, Y. (1977) Extension of the similarity hypothesis used for modeling the soil water characteristics. Water Resource Research, Vol. 13, No. 4, pp. 773-780. https://doi.org/10.1029/WR013i004p00773
  19. Tarnawski, V. R., and Leong, W. H. (2000) Thermal conductivity of soils at very low moisture content and moderate temperatures. Transport in Porous Media, Vol. 41, pp. 137-147. https://doi.org/10.1023/A:1006738727206