지하수원 히트펌프 시스템 설치 지반의 수리지열학적 타당성 해석
심병완1)* ․ 이철우1)
Hydrogeothermal Verification of a Site for the Groundwater Source Heat Pump System
Byoung Ohan Shim
*and Cholwoo Lee
Abstract :The verification of a site for installing groundwater source heat pump system has been analysed by applying hydrogeothermal modeling. To hydraulically characterize the aquifer system pumping and recovery tests are conducted.
In addition, the temperature distribution by the pumping and injection of groundwater, and water level fluctuations are simulated by numerical modeling. The total cooling and heating load for the building to be constructed is designed as 120 RT(refrigeration ton) and the groundwater source heat pump system covers 50 RT as a subsidiary system.
In the scenario of the heat pump operation the pumping and injection of groundwater are established for 8 hours per day in the cooling mode for 90 days during the summer season. The heat transfer by injected warm water is found to be limited to nearby injection wells in the simulated temperature distribution. It is because the simulation time applied is too short to expect broad thermal diffusion in a large volume of the aquifer. Therefore, system performance due to the thermal interferences between the injection wells and pumping wells is not expected to be reduced. The simulated groundwater levels are from 14.3 to 18.2 m higher than the ground surface in the injection term. This phenomenon may cause unexpected high pressure rise in the real system and should be prevented by an initial heat pump design or a well design. The simulated groundwater level and temperature distribution can be used as important data to develop an energy effective pumping and injection well system. Also, it can be very useful to evaluate the hydraulic capacity of a target groundwater reservoir.
Key words : Groundwater source heat pump, Hydrogeothermal, Aquifer, Heat transfer modeling, Pumping well, Injection well
요 약: 지하수원 히트펌프 시스템 설치 부지의 타당성이 수리지열학적 모델링을 통하여 해석되었다 시스템이. 설치된 대수층의 수리적 특성 파악을 위하여 수리시험을 실시하였고 수치 모델링을 통하여 양수정과 주입 우물간, 에 열적 간섭 및 수위변동을 추정하였다 대상 건물의 총설계 냉난방 용량은. 120 RT이며 보조용으로 지하수원, 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 용량은50 RT로 설계되어 있다 수리시험결과 이 시스템의 대상 대수층은. 지하수 저류층으로서 용량이 크지 않은 편으로 판단된다 모델링을 위한 히트 펌프 운영 시나리오는 여름철 냉방. 모드로 대수층에서90일간 양수와24 °C의 지하수 주입을 하루 시간 실시하는 것으로 설정하였다 시뮬레이션8 . 결과 추정된 대수층내에 온도분포도에서 온수의 열간섭 현상은 주입정 주변에 매우 제한적으로 나타났다 그. 이유는 대수층의 열전도 특성과 설정된 시뮬레이션 기간이 짧기 때문에 전체적인 대수층 온도에 영향을 미치기 어렵기 때문인 것으로 보인다 설계된 주입정으로부터 양수정의 온도 간섭 현상은 거의 나타나지 않으므로 온도변. 화에 의한 효율성의 감소는 추정되지 않는다 예측된 지하수위 변동곡선에서 지하수 주입시 주입공의 수위는. 지표보다 최소14.3 m에서 최대18.2 m정도 높게 형성되는 것으로 나타났다 이러한 문제는 실제 시스템에서는. 예상하기 힘든 급격한 압력상승을 초래할 수 있으므로 초기에 예측하여 히트 펌프 또는 우물 설계를 통하여, 방지시켜주어야 된다 모사된 온도분포 및 지하수위 자료를 이용하면 효율적인 양수 및 주입정 시스템을 개발할. 수 있으며 대상 대수층의 수리성을 평가하는데도 유용할 것으로 생각된다, .
주요어: 지하수원 히트펌프 수리지열학 대수층 열 거동 모델링 양수정 주입정, , , , ,
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2006 9 6 , 2006 12 28 한국지질자원연구원 지하수지열연구부 1)
*Corresponding Author 심병완( ) E-mail; [email protected]
Address; Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM), Groundwater and Geothermal Resources Division 연구논문
서 론
신재생에너지 가운데 지열을 이용한 냉난방 시스템은 년 월 현재 전국에 여개에 설치되는 등 급속하 2005 3 , 90
게 보급되고 있다 그러나 주로 암반대수층이 많은 국내. 지반조건을 고려하지 않고 비포화대나 토양층이 두꺼운 외국의 지반조건에 적합한 기술을 도입하는 등의 문제점 이 발견되고 있으며 전반적으로 해외 기술 의존도가 높, 고 관련 기술 수준이 외국에 비하여 낮다 박용부 등( , 천부 지열에너지를 이용하는 방법 가운데 천부지 2006).
하수의 열원을 이용하는 지하수원 히트펌프 시스템은 개 회로형(open loop) 시스템으로서 지중 천공면적의 축소 로 인한 공간 및 설치비용의 감소와 함께 지하수가, 유지 하고 있는 일정 온도를 이용하여 높은 성적계수(EER, 를 얻을 수 있기 때문에 최근 국내에 많은 기술적 COP)
소개가 이루어져 왔다 김영일( , 2006;문영치, 2006;심병 완, 2005; 천영신 김동윤, , 2006; 한정상, 2004; Lee, 그러나 시스템의 설계시 지반내 수리지열학적 특 2006).
성을 제대로 고려하지 못한 경우 냉난방 용량의 부족 또 는 심지어 시스템을 포기해야하는 경우도 발생할 수 있 기 때문에 폐회로형(closed loop)시스템보다 사전 기술 적 검토가 더욱 절실하다 문영치( , 2006).따라서 효율적 이고 신뢰성 있는 시스템을 구성하기 위해서는 냉난방 용량을 고려한 우물 설계(well design), 대수층 특성 파 악 및 양수량에 따른 열교환기(heat exchanger) 선정 지, 하수 수질 등에 대한 사전 검토가 필요하다 그리고 수리. 적 영향에 의하여 발생 가능한 결과로서 지하수원 히트 펌프나 대수층 에너지 저장과 같이 지하수를 양수하거나 주입하는 열에너지 추출 시스템은 지하수환경에 영향을 줄 수 있다 따라서 시스템의 지속적인 효율성 확보 및. 대수층의 오염방지를 위해서는 설계시 수리지열학적 검 토 및 환경적인 조사가 필수적이다.
본 연구에서는 지하수원 히트펌프 시스템을 운영하고 있는 대수층의 수리적 특성을 파악하고 열 거동 모델링, 을 통하여 양수정과 주입정간의 열적 간섭 및 수위변동 을 추정하여 시스템의 효율성을 검토하고자 한다.
현장 개요
연구 지역은 충청북도 진천군 초평면 은암리에 위치한 화장품 공장의 지하수원 히트펌프 시스템이다(Fig. 1).
이 시스템이 위치한 지역의 지질은 녹회색 셰일 사암, , 자색 셰일 및 응회암으로 구성되어 있으며 주입 및 양수, 정들이 굴착된 기반암은 자색 셰일로서 매우 세립질이며 석영 방해석 소량의 운모류와 불투명 광물로 구성된다, ,
이종혁 김정환 ( , , 1971).
공장 건물의 냉난방을 위해 두 종류의 지열 히트펌프 시스템이 운용되고 있으며 전체 평면적, 4,677 m2를 냉난 방하기 위한 총설계 용량은120 RT(refrigeration ton)이 다 지중열교환기를 이용한 시스템은. 70 RT로 설계되어 있으며 보조냉난방 장치로서 지하수 히트펌프 시스템, 은
로 설계되어 있다 취수정과 주입정은 직경이
50 RT . 8
이며 심도로 각각 개 와 개
inch , 300 m 2 (H-1, H-4) 3 (H-3, 가 설치되었고 깊이의 관측정 호 H-5, H-6) , 150 m (H-2 공 이 있다) . Fig. 2는 주입 및 양수정의 모식도이며 양수, 정으로부터 관측정간의 이격거리는Table 1과 같다.
방 법
수리상수 산출
수리상수를 구하기 위한 양수시험은H-1호공과H-4호 공에서1,440분간 양수가 진행되었으며 주위의 공들에, 서 경과시간별 수위를 관측하였다 양수시험시 양수율은. H-1호공이 245 m3/day이며, H-4호공이 189 m3/day이 다 양수시험은 지하수원 히트펌프의 시스템 설치후 실. 시하였으며, H-1호공과H-4호공에서 동시에 양수가 진 행되었다 양수시험 해석에서는. H-1호공의 양수는 가장 가까이에 위치한 H-2호공을 관측공으로 이용하였으며, 호공에서 양수시에는 및 호공을 관측 H-4 H-3, H-5 H-6
공으로 이용하여 간섭에 의한 영향을 최소화하였다. Fig.
은 양수시험시 측정된 시간별 수위강하 자료를 반대수 3
그래프에 나타내어 각 우물에서의 수리상수 (semi-log)
를 계산한 것이다 그러나 실제 관측정 및 양수정의 수위. 강하는 두 양수정의 영향을 받고 있으므로 계산된 수리 상수는 다소 오차가 있을 것으로 판단된다 추정된 수리. 상수들은 모델링에서 보정(calibration) 과정을 거쳐 수
injection well
saturated confined aquifer building /heat pump
300 m
injection wells
pumping well
pumping well
observation borehole
H 2-
H-5 H-3
H-6
H-4
H-1
Fig. 1. Schematic diagram of a groundwater source heat pump system in the study site. It is assumed that each well screen is installed from top to the bottom of aquifer boundary.
천공깊이 Pump Set Depth
8" Steel Casing
6" PVC (12m)
Pump(3.75kW) SUS PIPE
8" Flange
Concrete
300 (m) 100 m
Bore Hole Depth Pipe for Observation
(30A)
천공깊이 Pump Set Depth
8" Steel Casing
6" PVC (12m)
Pump(3.75kW) SUS PIPE
8" Flange
Concrete
300 (m) 100 m
Bore Hole Depth Pipe for Observation
(30A)
천공깊이
8" Steel Casing (3m)
6" PVC Casing(12m)
PE Pipe (50m) Pipe for Observation
(30A) Only H3 8" Flange (10 k/㎠)
Concrete
300 m Well Depth
(a) Pumping Well (b) Injection well
Fig. 2. Schematic diagram of pumping (a) and injection well (b).
Table 1. Distance between pumping wells and observation boreholes
Pumping well H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6
H-1 - 23.64m 55.54m 85.58m 120.51m 121.41m
H-4 85.58m 65.19m 34.08m - 38.48m 85.31m
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 3. The semi-log graphs between drawdown versus time and the hydraulic parameters from the pumping tests( (a) H-3, (b) H-4, (c) H-5, (d) H-6). The drawdown is monitored at H-3, H-5, H-6 wells when pumping is performed at H-4 well. Q: pumping rate; r: distance between a pumping well and an observation well; Y: regression line by a least -square method;△s: the drawdown for one log cycle of time; to: the time intercept where the drawdown line intercepts the zero on the drawdown axis; T: transmissivity; S: storativity.
정된 값으로 모델에 적용하게 된다.
는 수리상수를 산출하기 위해 회복시험을 실시한 Fig 4
것으로서 양수정은, H-1호공과H-4호공이며 관측공은, 및 호공이다 호공에서의 양수시 H-2, H-3, H-5 H-6 . H-1
험은245 m3/day으로1,440분간 진행되었으며, H-4호공 에서의 양수시험은 189 m3/day로1,440분간 진행되었
다 양수중단 후 회복시험을 실시하. 여 구한 수리상수는 양수시험에 의한 수리상수와 함께Table 2에 나타내었다. 그리고H-1과H-4공은 양수정으로 지하수위 강하에 따 른well loss가 포함되어 있으므로 수정 수리상수의 신뢰 성이 다소 떨어지는 것으로 판단된다.
지하수원 이용 히트펌프 시스템의 설비가 양수시험시
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Fig. 4. Semi-log graphs between residual drawdown versus t/t' and the hydraulic parameters from the recovery tests at (a) H-1, (b) H-2, (c) H-3, (d) H-4, (e) H-5, and (f) H-6 wells. t: the time since the start of pumping; t': the time since shutdown; △s': the recovered head for one log cycle of t/t'.
양수율을 일정하게 유지하기 힘든 관계로 투수량계수는 회복시험시 구한 투수량계수가 상대적으로 정확할 것으 로 판단되며, H-3호공의 저류계수는 두 개의 양수정에서 발생된 수리적인 간섭에 의한 오차가 다소 발생한 것으로 판단된다 측정된 기반암의 대수성은 회복시험을 기준으로. 투수량계수가1.1~8.4 m2/day이며 저류계수는, 0.000169 ~ 의 범위를 나타내었다 양수시험에서 0.000579 (Table 2).
얻어진 수리상수들을 볼 때 시험 대상 지반의 대수성이 낮은 편으로 일반적인 양수목적의 우물로, 이용하기에는 어려울 것으로 생각된다(Freeze and Cherry, 1979).
지중 열 거동 모델링 지중 열 거동 모델링 이론
지하수원 히트펌프의 장기적인 효율을 해석하기 위해 서는 지하수의 부존 형태 및 유동 특성을 파악하는 것이 중요하다 대수층내 온도분포는 열전도도와 열확산율 및. 매질의 함수율에 따라 크게 달라지며 그에 따른 입력변, 수에 의하여 모델링 결과가 큰 차이를 나타낼 수 있다.
수치 모델링 기법을 통하여 실제 지하수원 히트펌프 시 스템과 유사한 경계조건 입력변수 및 시스템 운영방식, 을 설정하여 다양한 조건에서 지중 열 거동에 대한 예측 및 추정이 가능하다 본 연구에서는 열 거동 현상뿐만 아. 니라 대수층의 특성을 파악하여 양수정 및 주입정의 지 하수위가 시스템 운영시 적절한 상태를 유지하는지를 규 명하고자 하였다 지하수원 히트펌프 운영에 따른 대수. 층내 열 거동 특성 추정과 대수층내 지하수위 변동 및 온도 분포를 시뮬레이션하기 위하여 FEFLOW 모델 을 이용하였으며 이론적인 배경 (Wasy software, 2003)
은 다음과 같다.
일반적인 지반내 열 거동은 지하수 유동에 의한 대류 매질을 통한 전도 그리고 매 (convection), (conduction),
질의 불균질성에 의한 분산(dispersion)을 통하여 전달된 다 포화된 매질에서의 열유량 또는 열유속. (heat flux, W/m2)은 다음과 같다(Molson et al., 1992).
(1)
여기서, η는 공극율(porosity), cs, cw는 고체와 물의 비 열(specific heat, J/(kg-K)), vi는 지하수의 평균 속도
(average linear groundwater velocity vector, m/s), Dij는 수리동역학적 분산텐서(hydrodynamic dispersion tensor, m2/s),ρw,ρs는 물과 고체의 밀도(density, g/cm3)그리고 T, T0는 온도(temperature, K)와 기준온도 (reference temperature, K),λ는 대수층의 열전도도(aquifer thermal 이다 포화된 매질에서 외부나 내 conductivity, W/m-K) .
부의 열 유입과 유출이 없는
인 경우 지중 열 거, 동 지배방정식은 다음과 같다.
(2)
여기서, 는 유출량(discharge rate, m3/day), 는 열 거동 전면(heat front)의 대류속도(convective velocity, m/s),
는 열전도 계수(heat conduction coefficient),
는 열분산 계수(heat dispersion coefficient) 그리고
는 열 지연계수(thermal retardation coefficient) 이다.
모델 및 경계조건
지하수원 히트펌프 시스템 이용시 지중 열 거동을 파 악하기 위한 모델의 수리지질조건은 단층으로 이루어진 피압대수층으로 가정하였다. 3차원 모델링을 실시하기 위한 시뮬레이션 영역은 4000(x) × 4000(y) × 300(z)m 크기의 공극율이3%인 대수층 모델을 설정하였으며 설, 정된 초기 지하수위는 지표면하9m이다(Fig. 5).그리고 지표에서의 경계조건은 두 우물에서 같은 양의 주입과 양수 이외의 수평적인 지하수 유동에 의한 유출이나 유 입은 없으며 대수층 상부와 하부는 불투수층으로 가정, 하였다 그리고 열적 경계조건도 대수층 상부와 하부 및. 측면으로부터의 열유속(heat flux)이 없는 것으로 가정하 였다 설정된 열전도도는 참조값. (Beardsmore and Cull,
으로서 셰일의 열전도도 범위
2001) 2.1 ±0.4 W/m-K를 고려하여2.1 W/m-K로 설정하였다 전체 시뮬레이션 구. 간은17,268개의 유한요소와11,684 개의 격자로 구성 Table 2. Transmissivities and storativities at the pumping and recovery tests
Parameter Test H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6
Transmissivity(m2/day) Pumping 0.90 5.19 3.07 1.20 3.39 15.95
Recovery 3.83 4.74 2.84 1.10 4.16 8.44
Storativity(dimensionless) 0.000579 0.000169 0.000405 0.000477
되어 있으며 삼각 프리즘 형태의 유한요소 형태를 이용, 하였다 그리고 보다 정밀한 형태의 계산을 가능하게 하. 고 오차를 감소시키기 위하여 우물에 가까울수록 격자, 크기를 작게 설정하였다(Fig. 5). 초기온도는15 °C로 설 정하고, H-1, H-4우물에서 양수된 지하수가 히트펌프를 통과한 후24 °C로 데워져서H-3, H-5 및H-6 우물을 통해 대수층으로 재주입되는 것으로 설정하였다.
모델 보정
지하수 유동 모델이 설정되면 보정 과정을 통하여 자
연상태에 가장 근접한 수리지질모형을 구하게 되며 이, 렇게 얻어진 모형은 야외에서 측정되어진 지하수위 및 지하수 유동의 양상과 유사한 결과를 제공하게 된다 모. 델의 보정은 야외에서 측정 된 지하수위나 유출량 등의 실측값들과 모델링에 의한 계산 값들이 허용 오차 범위 내에서 일치하도록 하는 수리상수 경계 조건 및 지하수, 충진율 등을 구함으로써 이루어진다 따라서 보다 자연. 상태에 근접한 수리지질모형을 얻기 위해서는 야외에서 측정한 자료의 양이 충분하여야 하며 실측값들의 다양성 및 정확도도 매우 중요한 요소 중의 하나이다.
본 연구에서는 H-1, H-4호공을 양수정으로 각각 245 m3/day, 189 m3/day의 양수를 실시한 것을 H-2, H-3, 호공의 관측정 수위변화를 모델링 결과와 비교 H-5, H-6
하였다(Fig. 6). 각 공에서24 시간 이후 측정된 지하수 위 및 계산된 지하수위의 최종 수위는Table 3과 같다. 실측된 지하수위 자료와 모델링에 의하여 계산된 값들 을 비교하면 양수실험24시간후 최종적으로 각각0.06 의 오차를 나타내고 있다 그러나 호공
~2.2 m . H-2, H-3
의 경우 최종 오차는 그래프 중간부분에서 (Fig. 6a, 6b)
는5 m 이상의 큰 오차를 보인다 이것은 시스템 설치. 부지가 암반대수층으로서 두 관측공이 주변의 양수정들 과 지반내 암반 균열로 연결되어 양수 초기에 지하수위 가 급격히 낮아지는 형태를 보이기 때문이며 매질이 균, 질한 대수층 모형과는 지하수 유동특성에서 차이가 있 다 보다 정확한 모델을 설정하기 위해서는 많은 현장자. 료의 수집과 보다 복잡한 모형의 설정이 요구되지만 본 연구에서 유용할 수 있는 관측자료의 한계와 모델링 계 산시간 등으로 구성할 수 있는 모델의 제약이 따른다. 수리전도도와 비저류계수(specific storativity)는 수리 시험을 통한 각 공에서의 수리상수를 근거로 모델 보정 을 통하여 각각0.0138 m/day, 0.00007 m-1로 설정하였 다. 종분산지수(longitudinal dispersivity)는 Neuman (1990) 의 식(32)에 의하여98.89 m로 설정하였으며 횡, 분산지수(transverse dispersivity)는 종분산지수의 1/10 의 값으로 설정하였다(Table 4).
Table 3. Groundwater level comparison between measured level and calculated level from four observation wells after 24 hours pumping at H1 and H4 well
Hole number Measured groundwater drawdown (from initial groundwater level)
Calculated groundwater drawdown (from initial groundwater level)
H-2 -13.02 m -12.96 m
H-3 -17.2 m -15.0 m
H-5 -12.53 m -10.86 m
H-6 -2.16 m -2.24 m
Fig. 5. Generated finite element mesh and well locations for numerical simulation. The mesh around wells are generated finer than that near boundary to reduce calcu- lation error. Inner square(1000 × 1000 m) and outer box are presented to represent more detailed groundwater level and temperature distribution in Fig. 8 and Fig. 9.
지하수원 히트펌프 운영방식
본 시스템은 지하수를 양수하여 히트펌프에 순환시킨 후 이용된 물을 전량 대수층에 재주입하는 방식으로서, 계절과 상관없이 각각 양수정과 주입정을 고정하여 운영 하는 방식으로 되어 있다 설정된 모델에서의 운영방식.
은 지하수원 히트펌프 설계에 따라 여름에90일간 두 양 수정에서 각각144 m3/day의 물을 양수하여 히트펌프에 순환시켜 발생된24 °C의 지하수를 개의 주입정에 각3 각96 m3/day의 물을 하루에 오전 시부터 오후 시까9 5 지 시간 주입한 후 대수층내 열의 확산 분포를 계산하8 였다 본 해석에서는 시스템 운영기간을 위 시나리오에. 따라90일간으로 설정하고 시스템 중지 후 지하수위 및, 온도분포 변화를 파악하기 위하여100일까지 시뮬레이 션을 실시하였다.
결 과
지하수위 변동
시뮬레이션 결과 각 공에서의 지하수위는 일단위의 주 기적인 변동곡선을 나타내었으며, 90일의 시스템 운영 기간 동안 양수정H-1 및H-4에서는 수위가 양수시 각 각 최저-41.2 m와-43.5 m까지 하강하며 양수 중단시,
까지 회복된다
-10.2, -9.2 m (Fig. 7). 이와같이 지하수위 변동곡선의 진폭이 각각25.9, 33.7 m의 값을 나타내지
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (day) -20
-15 -10 -5 0
Drawdown (m)
H-2 Measured level Calculated level
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (day) -20
-16 -12 -8 -4 0
Drawdown (m)
H-3 Measured level Calculated level
(a) (b)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (day) -20
-16 -12 -8 -4 0
Drawdown (m)
H-5 Measured level Calculated level
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time (day) -20
-16 -12 -8 -4 0
Drawdown (m)
H-6 Measured level Calculated level
(c) (d)
Fig. 6. Comparison graphs between measured level versus calculated level at (a) H-2, (b) H-3, (c) H-5, (d) H-6 observation wells during pumping test period.
Table 4. Input parameters for FEFLOW model
Parameter Unit Assigned Value
x, y, z-hydraulic conductivity m/day 0.0138
specific storage 1/m 0.00007
volumetric heat capacity (fluid) 106 J/(m3-K) 4.2 volumetric heat capacity (solid) 106 J/(m3-K) 2.022 heat conductivity (fluid) W/(m-K) 0.51 heat conductivity (solid) W/(m-K) 2.1 longitudinal dispersivity m 98.890
transverse dispersivity m 9.889
source(+)/sink(-) of fluid J/(m2-d) 0 source(+)/sink(-) of solid J/(m2-d) 0
In-transfer rate J/(m-d-K) 0
Out-transfer rate J/(m-d-K) 0
만 전체적으로 일정한 값을 유지하고 있으며 지하수위, 가 시간에 따라 안정적인(stationary) 형태를 보이고 있 다. H-3, 5, 6 주입정에서는 시스템 운영기간동안 지표면 기준 최대14.3, 15.3, 18.2 m까지 지하수위가 상승하는 것으로 나타났다 각 주입정의 지하수위변동 진폭은.
를 나타내며 주입중단시에는 급격히 22.0, 23.6, 24.7 m ,
수위가 하강하는 형태를 나타낸다 시스템 운영이 종료. 된 뒤에는 각 공에서의 지하수위가 급격히 초기 지하수 위로 수렴하는 경향을 보인다. H-2관측공에서는 초기에 수위가 상승하는 형태로서 주입정 H-3의 영향을 주로 (a)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -50
-40 -30 -20 -10 0
groundwater level (m)
H-1 Pumping well
(b)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -10
-9.5 -9 -8.5 -8
groundwater level (m)
H-2 Observation borehole
(c)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -10
-5 0 5 10 15
groundwater level (m)
H-3 Injection well
(d)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -50
-40 -30 -20 -10 0
groundwater level (m)
H-4 Pumping well
(e)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -10
-5 0 5 10 15 20
groundwater level (m)
H-5 Injection well
(f)
0 20 40 60 80 100
Time (days) -10
0 10 20
groundwater level (m)
H-6 Injection well
Fig. 7. Simulated groundwater level fluctuations at pumping (H-1(a), H-4(d)) wells, injection (H-3(c), H-5(e), H-6(f)) wells, and an observation borehole (H-2(b)). The groundwater level table is fluctuated during 90 days system operation and recovered during last 10 days.
받고 있으나 약, 15일 이후에는 지하수위가 지속적으로 하강하므로H-1 양수정의 영향을 보다 크게 받고 있는 것을 알 수 있다.
대규모 지하수를 활용한 시스템 설계를 위해서는 정확 한 양수 및 주입실험에 의하여 최적의 수리활용 시스템 을 구성하는 것이 요구된다 만약 미리 설치된 지하수원. 히트펌프 시스템에서 과도한 수압상승이 발생된다면 조 압수조(surge tank)와 같은 충격완화 장치를 이용하여 시스템의 압력 부하를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된 다 본 연구에서는 대수층의 수리성이 다소 낮아 양수 및. 주입에 따른 수위 변화가 크게 나타나지만 양수 및 주입, 을 동시에 실시하기 때문에 전반적인 수위가 일정한 범 위에서 안정적으로 유지하고 있다 이러한 지하수위 변. 동 해석을 이용하여 대수층 활용 설계시 고려한다면 최 적 시스템 구성에 매우 유용할 것으로 판단된다.
지하수위 및 온도 분포
일간의 시뮬레이션 기간후 추정된 지하수위는
100 -.10.8
범위로 분포하고 있다 우측부의 지하
~-8.6 m (Fig. 8a).
수위는H-1과H-4의 양수정에 의한 영향이 지배적인 것 으로 나타나며 좌측에는 주입정, H-5, H-6의 영향에 따 라 초기 지하수위인-9 m보다 약간 높은 지하수위 분포 를 보인다. Fig. 8b는 초기 지하수위와 최종 지하수위차 를 분포도로서 나타낸 것으로서-1.33에서0.63의 범위 를 나타낸다.
는 에 표시된 와 의 온도분포 단 Fig. 9 Fig. 5 A-A' B-B'
면도로서 모델링을 통하여 대수층내 온도분포를 나타낸
것이다 대수층 매개변수 및 주입량이 수직적으로 동일. 하므로 심도에 따른 온도 분포는 같다 온수 주입후 주입. 공 주변의 온도분포는 주입정으로부터의 거리에 비례하 여 감소하는 것으로 나타나며 반경 약, 20~30 m안밖의 제한된 범위에서 급격한 온도 변화를 보인다 이것은 대. 수층의 수리전도도 및 공극율이 낮아 온수의 확산이 매 우 느리게 진행되므로 주입수의 온도 영향반경이 매우, 작게 나타나기 때문이다. Fig. 9a에서 주입정H-3, H-5 와 양수정H-4간의 열적 간섭은 나타나지 않는 것으로 나타났다 그리고. Fig. 9b에서는 B-B' 단면에 위치한
주입정의 온도분포를 나타낸 것으로서
H-5, H-6 Fig. 7a
와 같이 주입정 중심의 급격한 온도분포를 보이며H-6 에서는 주입중지 후 약0.5 °C의 온도 하강이 나타났다. 각 공에서의 온도차는 공 위치에 따라 지하수위와 유속 이 다르기 때문에 열적확산 속도의 차이에 의한 것으로 판단된다.
결 론
대수층의 수리상수는 회복시험에 의하여 투수량계수가 1.1~8.4 m2/day이며 저류계수는, 0.000169~0.000579의 범위를 나타내었다 수리시험결과 시스템의 기반암은 대. 수성이 다소 낮은 것으로 판단된다.
시뮬레이션 결과 대수층내 주입수의 열적 확산이 매우 느리게 진행되므로 주입수의 온도 영향반경은 약, 20~
내외로 매우 제한적으로 나타난다 따라서 주입정
30 m .
으로부터 양수정의 온도 간섭 현상이 나타나지 않으므로
1500 2000 2500
Easting (m)
1500 2000 2500
N orth ing (m )
1500 2000 2500
Easting (m)
1500 2000 2500
Northing (m)
Fig. 8. Simulated groundwater level after 100 days groundwater source heat pump system operation (a), and the difference between initial water level and final water level (b).
온도변화에 의한 지하수원 히트펌프의 효율성의 감소는 주어진 시뮬레이션 기간내에는 없을 것으로 판단된다.
그리고 겨울철에는 다시 냉수가 대수층으로 주입되게 되 므로 온도 간섭에 의한 장기적인 시스템의 성능저하는 우려되지 않는다 그 이유는 지반의 수리전도도 및 공극. 율이 낮기 때문에90일간의 주입기간은 전체적인 대수 층내 온도 분포에 영향을 주기에는 매우 짧기 때문이다.
지하수 주입시 주입공의 수위는 지표보다 14.3 m에서 최대18.2 m 정도 높게 형성되는 것으로 추정되므로 공 의 제원이나 주입정 설계에서 이러한 수압의 영향을 상 쇄시켜주어야 될 것으로 판단된다 현재 시스템 운영중. 에 이러한 현상으로 인하여 간헐적인 문제들이 발생되고 있으며 지하수원 히트펌프의 시스템의 보완이 필요한, 상태이다 지하수위 변동 시뮬레이션을 통하여 추정된. 지하수위 자료를 이용하면 이러한 문제를 사전에 해결할 수 있으며 적절한 양수 및 주입 펌프를 선택하여 전력사, 용량을 최소화하여 시스템의 효율을 최대화할 수 있다.
본 연구에서는 지하수원 이용 히트펌프 시스템의 수치 모델링을 통해 지하수위 및 온도를 추정하였으며 이러, 한 수위 및 온도 자료를 이용하면 보다 효율이 높은 지 하수원 히트펌프 시스템 설계가 가능하며 대수층의 공간 적인 활용도를 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
사 사
본 연구는 한국지질자원연구원 기본과제인 지열수자‘ 원 실용화 기술 연구(GP2007-002)’의 일환으로 수행되 었습니다.
참고문헌
김영일, 2006, “공기 지열 및 지하수 열원 열펌프의 시뮬, 레이션 지열에너지 시스템 기술자료, ”,한국설비기술협 회 설비저널 2006년 월호3 , pp. 92-100.
문영치, 2006, “지하수 이용 지열히트 펌프시스템 기술 지,
열에너지 시스템 기술자료”,한국설비기술협회 설비저
널2006년 월호3 , pp. 125-135.
박용부 박종배 임해식 백성권, , , , 2006, “지열냉난방시스템 의 적용현황 및 전망”,Huri Focus 12호,주택도시연구 원, pp. 21.
심병완, 2005, “대수층 축열 에너지(ATES) 활용 시스템 모델의 설계인자 추정을 위한 시뮬레이션”,지하수 토양 환경, 10(4), 54-61.
이종혁 김정환, , 1971,증평 지질도폭 설명서 국립지질조, 사소 과학기술처, , p. 35.
천영신 김동윤, , 2006, “지하수 열원 지열시스템 지열에너, 지 시스템 기술자료”,한국설비기술협회 설비저널2006 년 월호3 , pp. 115-124.
한정상 한규상 한혁상 한찬, , , , 2004,친환경 대체에너지인 천부 지중열을 이용한 지열펌프 냉난방 시스템 한림원, . Beardsmore, G. R., and Cull, J. P., 2001, Crustal heat flow,
0 40 80 120
Easting (m) 14
16 18 20 22 24
Temperature (oC)
H-5 H-3
H-4
0 40 80 120
Northing (m) 14
16 18 20 22 24
Temperature (oC)
H-5
H-6
(c) (d)
Fig. 9. Simulated ground temperature along the A-A' section (a) and the B-B' section (b) after 10 days shut-ins from 90 days groundwater source heat pump system operation.
Cambridge University Press, pp. 324
Freeze, R. A., and Cherry, J. A., 1979, Groundwater, Prentice-Hall, pp. 604.
Lee, J. Y., 2006, “Characteristics of ground and ground- water temperature in a metropolitan city, Korea: consi- derations for geothermal heat pumps”, Geoscience Journal, 10(2), pp. 165-174.
Molson, J. W., Frind, E. O., and Palmer, C. D., 1992,
“Thermal energy storage in an unconfined aquifer: 2.
Model development, validation and application”,
Water Resources Research, 28, pp. 2857-2867.
Neuman, S. P., 1990, “Universal scaling of hydraulic conductivities and dispersivities in geologic media”, Water Resources Research, 26(8), pp. 1749-1758.
VDI, 2000, VDI 4640 Part 1~4, Thermal use of the underground: Fundamentals, approvals, environmental aspects.
Wasy software, 2003, FEFLOW white papers, vol. 1. p.
366.
심 병 완 이 철 우
년 충남대학교 지질학과 학사 1987
년 충남대학교 지질학과 석사 1991
년 월 충남대학교 지질학과 박사 2006 2
현재 한국지질자원연구원 지하수지열연구부 선임연구원 (本 學會誌 第 卷 第 号 參照43 2 )
현재 한국지질자원연구원 지하수지열연구부 지열자원연구실 선임연구원
(E-mail; [email protected])
