천부 지열에너지로서의 지하 열에너지 저장 기술 동향

심병완,이철우,Shim, Byoung-Ohan,Lee, Chol-Woo 대한자원환경지질학회 2010 자원환경지질 Vol.43 No.2

Recently abrupt climate changes have been occurred in global and regional scales and $CO_2$ reduction technologies became an important solution for global warming. As a method of the solution shallow underground thermal energy storage (UTES) has been applied as a reliable technology in most countries developing renewable energy. The geothermal energy system using thermal source of soil, rock, and ground water in aquifer or cavern located in shallow ground is designed based on the concept of thermal energy recovery and storage. UTES technology of Korea is in early stage and consistent researches are demanded to develop environmental friendly, economical and efficient UTES systems. Aquifers in Korea are suitable for various type of ground water source heat pump system. However due to poor understanding and regulations on various UTES high efficient geothermal systems have not been developed. Therefore simple closed U-tube type geothermal heat pump systems account for more than 90% of the total geothermal system installation in Korea. To prevent becoming wide-spread of inefficient systems, UTES systems considering to the hydrogeothemal properties of the ground should be developed and installed. Also international collaboration is necessary, and continuous UTES researches can improve the efficiency of shallow geothermal systems. 최근 급격한 기후변화가 세계적 또는 국지적으로 발생하고 있으며, 지구온난화에 대한 대책으로 $CO_2$ 저감 기술들이 중요한 해결책으로 여겨지고 있다. 이 기술들에 대한 한 방법으로서 대체에너지를 개발하고 있는 대부분의 국가에서 천부 지하 열에너지 저장 (UTES: underground thermal energy storage)은 신뢰성 있는 냉난방 기술로 적용되어 왔다. 천부의 토양이나 암반, 대수층내 지하수 및 지하공간내 저장된 유체 등의 열 에너지원을 이용하는 지열 시스템은 일반적으로 열에너지의 회복과 저장의 개념을 기반으로 한다. 아직 국내에서는 이러한 기술 개발이 기초적이지만 지속적인 연구들을 수행한다면 보다 친환경적이며 경제성 및 효율이 높은 시스템을 개발할 수 있을 것으로 본다. 국내 지반은 대수층이 전국적으로 분포하고 있으므로 수리지열학적 특성을 활용한 고효율의 시스템 개발이 용이하다. 그러나 UTES에 대한 이해 부족 및 제도적 문제들로 다양한 시스템이 개발되지 못하고 국내에는 90% 이상이 단편적인 폐회로형 지열시스템으로 보급되고 있다. 비효율적인 지열시스템의 보급 확산을 방지하기 위해서는 지반의 수리 지열학적 특성을 반영한 선진화된 UTES 시스템들을 개발할 필요가 있다. 개선된 시스템 보급을 위하여 국제적인 협력이 필수적이며, 지속적인 UTES 연구를 통하여 천부 지열시스템의 효율을 개선시킬 수 있다.

단열암반 대수층에서 조석분석법을 이용한 수리상수 추정

심병완,정상용,Shim Byoung Ohan,Chung Sang Yong 한국지하수토양환경학회 2004 지하수토양환경 Vol.9 No.3

해안가에 발달된 단열암반 대수층에서 수리지질 인자를 추정하기 위하여 조석에 의한 지하수위 변동 현상을 이용하는 조석분석법을 적용하였다. 두 관측정의 지하수위 시계열 자료는 조석에 의한 대수층내 유효응력 전달에 의해 조수위 변동과 비슷한 사인곡선 형태로 나타났다. 교차상관함수를 이용하여 조석과 두 관측정의 지하수위 변동 사이의 개략적인 시간지연을 계산하였으며, 그 결과 심도가 깊은 공의 시간지연이 크게 나타났다. 그리고 조석효율과 시간지연을 계산하여 이들로부터 각각의 저류계수를 추정한 결과 큰 차이를 나타내었다. 본 연구지역에서 실시된 순간충격 시험에 의하여 측정된 저류계수는 조석분석법에서 시간지연을 이용하여 계산한 값과 유사하게 나타나며, 심도가 깊은 공에서 보다 비슷한 값을 나타내고 있다. 조석효율은 피압층에 발달된 균열로 인한 자유면대수층의 영향과 수직적인 지하수 유동에 의해 대수층의 수리상수를 추정하는데 한계가 있는 것으로 사료된다. 따라서 조석분석법은 해안대수층의 수리지질인자를 추정하는데 지하수공의 위치나 대수층의 수리지질적 특성을 고려하여 해석한다면 경제적이고 유용한 방법으로 판단된다. The oceanic tides have an effect on groundwater levels in coastal fractured rock aquifers. The observed groundwater table fluctuations caused by the effective stress through an aquifer are shown as sine curves similar with tidal fluctuation. To estimate a hydrogeologic parameter, tidal method is utilized with groundwater level fluctuations of two monitoring wells. Cross correlation function is used to calculate time lags between observed groundwater levels and tide, and the deeper well shows longer time lag. The storage coefficients calculated by using tidal efficiency and time lag show large differences. The storage coefficients obtained by using time lags are close to the result of slug test, and that of the deeper well shows closer value by slug test. The tidal efficiency is unsatisfied to apply in the tidal method because of an effect of phreatic aquifer and the vertical flow of groundwater through fractured confining bed. This tidal method can be an economical and effective way to define the parameter by considering the location of observation well and hydrogeologic characteristics of a coastal aquifer.

열응답 실험 및 열저항 해석을 통한 장심도 수직밀폐형 지중열교환기의 성능 분석

심병완,박찬희,조희남,이병대,남유진,Shim, Byoung Ohan,Park, Chan-Hee,Cho, Heuy-Nam,Lee, Byeong-Dae,Nam, Yujin 대한자원환경지질학회 2016 자원환경지질 Vol.49 No.6

300 m 이상의 장심도 지중열교환기는 도심지나 넓은 부지를 확보가기 어려운 지역에 지열냉난방 시스템을 경제적으로 설치하는데 유리하다. 그러나 실제 시공에서는 여러 가지 문제들로 인하여 보편적으로 시도되지 않았고, 일반적으로 100 ~ 200m 심도로 설치되어 왔다. 본 연구에서는 일반적인 시추공 직경 150 mm에 U 파이프는 50A 규격으로 외경 50 mm의 300 m 심도로 지중열교환기를 설치하였다. 고밀도 PE관은 단위 길이당 비중이 $0.94{\sim}0.96g/cm^3$으로 지열공 내부에 채워진 지하수 영향으로 부력이 존재하여, 이를 개선하기 위해 4.6 kg 무게의 금속으로 제작된 하중밴드 10개조를 설치하여 부력의 영향을 감소시켰다. 지중열교환기의 길이 산정 및 성능평가를 위한 기초조사로서 지반조사 및 열응답실험이 실시되었다. 지반내 온도구배는 100 m 심도까지는 주변 지하수 이용에 의한 영향 등으로 $15^{\circ}C$ 정도의 분포를 보이며 그 하부는 $1.9^{\circ}C/100m$의 지온증온율을 나타내고 있다. 열응답실험은 기존에 설정된 표준 방식으로 48 시간 진행되었으며 평균 주입전력은 17.5 kW이며 평균 순환수 유량은 28.5 l/min, 그리고 평균 입출구 온도차는 $8.9^{\circ}C$로 나타났다. 측정된 지중열전도도는 3.0 W/mk이며, 공내열저항은 0.104 mk/W로 나타났다. Stepwise 평가에서 지중열전도도 변화는 초기 13시간을 제외한 이후에는 표준편차가 0.16으로 매우 안정된 값으로 수렴한 것으로 나타났다. 그리고 공내열저항의 민감도를 분석한 결과 파이프의 구경과 그라우팅 물질의 열전도도가 증가함에 따라 그 값이 미미하게 감소하는 경향을 나타내었다. Due to the limited areal space for installation, borehole heat exchangers (BHEs) at depths deeper than 300 m are considered for geothermal heating and cooling in the urban area. The deep vertical closed-loop BHEs are unconventional due to the depth and the range of the typical installation depth is between 100 and 200 m in Korea. The BHE in the study consists of 50A (outer diameter 50 mm, SDR 11) PE U-tube pipe in a 150 mm diameter borehole with the depth of 300 m. In order to compensate the buoyancy caused by the low density of PE pipe ($0.94{\sim}0.96g/cm^3$) in the borehole filled with ground water, 10 weight band sets (4.6 kg/set) were attached to the bottom of U-tube. A thermal response test (TRT) and fundamental basic surveys on the thermophysical characteristics of the ground were conducted. Ground temperature measures around $15^{\circ}C$ from the surface to 100 m, and the geothermal gradient represents $1.9^{\circ}C/100m$ below 100 m. The TRT was conducted for 48 hours with 17.5 kW heat injection, 28.65 l/min at a circulation fluid flow rate indicates an average temperature difference $8.9^{\circ}C$ between inlet and outlet circulation fluid. The estimated thermophysical parameters are 3.0 W/mk of ground thermal conductivity and 0.104 mk/W of borehole thermal resistance. In the stepwise evaluation of TRT, the ground thermal conductivity was calculated at the standard deviation of 0.16 after the initial 13 hours. The sensitivity analysis on the borehole thermal resistance was also conducted with respect to the PE pipe diameter and the thermal conductivity of backfill material. The borehole thermal resistivity slightly decreased with the increase of the two parameters.

해안 대수층에서 지하수 장기 모니터링을 통한 수리 특성 조사

심병완,이철우,Shim, Byoung-Ohan,Lee, Chol-Woo 대한자원환경지질학회 2011 자원환경지질 Vol.44 No.3

도서지역의 지하수는 중요한 수자원으로 이용되고 있으나 지하수의 과잉 개발은 해수침투를 유발하거나 온천공에서는 온도 저하 등의 문제를 일으킬 수 있다. 본 연구는 석모도 매음리 일대의 온천공 및 지하수공에서 장기 모니터링을 실시하여 연구지역의 수리지질 특성을 추정하였다. 온천공 모니터링 결과 계절적인 수위 변화나 지속적인 수위 하강 또는 상승은 나타나지 않았으며, 공내 약 10 m 내외 심도에서 측정된 지하수온은 몇 개의 공에서 대기 최고온도와 2~5개월 정도의 시간차를 보이며 일년 주기로 나타났다. 그리고 조석 변동에 따른 유효응력 변화를 분석하여 저류계수를 계산하였다. 조석 영향을 분석한 결과 조석효율 요소를 이용하여 계산된 저류계수가 시간지연 요소를 이용한 값들보다 다소 크게 나타났다. 여러 가지 대수층 조건을 가정한 조석 분석법은 넓은 범위의 저류계수 값을 산정할 수 있으나, 본 연구에서 적용한 조석 분석법으로 계산된 값은 합리적이라 판단된다. 측정된 수위 및 조석 변동 형태가 동남향 방향으로 유사한 이유는 지반내 수리지질적인 연결성 또는 단열계의 분포특성에 의한 것으로 추정된다. 본 연구의 결과는 적정 지하수 사용량 또는 지하수 부존 평가나 온천공들의 개발 및 허가량 등에 대한 평가 자료로 이용될 수 있다. Groundwater in small islands is used as main water resource but the overuse of groundwater may cause seawater intrusion and temperature decrease in geothermal wells. This study aimed to characterize the hydrogeology of Maeum-ri area in Seokmo Island of Ganghwagun using long-term monitoring at groundwater wells and geothermal wells. In the monitoring period seasonal water level change, consistent drop or increase of water levels are not detected. The groundwater temperature about 10m below ground surface shows year cycle variation having two to five months difference with ambient temperature cycle. The storativity was calculated by tidal method. The storativity estimated by adapting tidal efficiency factor showed some larger values than that by using tidal time lag. The result suggested that the tidal method assuming several assumptions on aquifer condition may produce broad ranges but the calculated ranges at this application are reasonable. The similar shape of groundwater level change and tidal effects was observed at several wells clustered east-south-east direction which may implicate the distribution of vertical fracture system strongly related with groundwater flow channels. The applied methodology and study results will bc valuable to evaluate optimal pumping rate for the preservation of groundwater resources, and to manage geothermal development.

대수층 축열 에너지(ATES) 활용 시스템 모델의 설계인자 추정을 위한 시뮬레이션

심병완,Shim Byoung-Ohan 한국지하수토양환경학회 2005 지하수토양환경 Vol.10 No.4

대수층 축열 에너지(ATES) 시스템은 지반의 특성과 이용량에 따라 매우 경제적인 새로운 대체에너지로 이용될 수 있다. 적절한 ATES 시스템 설계를 통하여 주어진 수리지질 특성에 적합한 ATES 시스템을 개발하기 위해서는 대수 층내 수리열역학적 과정의 이해가 필수적이다. 본 논문에서는 지하수 양수 및 열펌프에 이용된 불을 재주입하는 방식의 지하수 열펌프 운영에 대한 두 가지 시나리오를 통하여 두 개의 층으로 이루어진 대수층 모델에 적용하여 대수층내 열 저장에 대한 수리열역학적 현상을 시뮬레이션하였다. 첫 번째 시나리오에서는 양수 우물과 주입 우물을 계절에 따라 서로 교대로 시스템을 운영한 경우에 열 거동에 의한 온도 분포와 지하수위를 시뮬레이션 하였으며, 두 번째는 주입과 양수 우물 위치를 고정하여 시뮬레이션 하였다. 356일 이후 주입 우물 주변의 온도 분포는 주입수의 온도와 주입정으로 부터의 거리에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 지표온도 분포는 30과 50 m 심도의 온도 분포에 비하면 미미한 변화만 나타났으며, 각 층에서의 열 거동은 공극률과 지하수의 유동 특성에 따라 매우 민감한 것으로 나타났다. 그리고 양수와 주입우물에서의 지하수위와 온도변화를 모니터링하여 열펌프 운영 방식에 따른 효율성을 실험하고, 두 우물간의 열 간섭현상을 분석하였다. An aquifer thermal energy storage (ATES) system can be very cost-effective and renewable energy sources, depending on site-specific parameters and load characteristics. In order to develop the ATES system which has certain hydrogeological characteristics, understanding the thermohydraulic process of an aquifer is necessary for a proper design of an aquifer heat storage system under given conditions. The thermohydraulic transfer for heat storage was simulated according to two sets of simple pumping and waste water reinjection scenarios of groundwater heat pump system operation in a two-layered aquifer model. In the first set of the scenarios, the movement of the thermal front and groundwater level was simulated by changing the locations of injection and pumping wells in a seasonal cycle. However, in the second set the simulation was performed in the state of fixing the locations of pumping and injection wells. After 365 days simulation period, the shape of temperature distribution was highly dependent on the injected water temperature and the distance from the injection well. A small temperature change appeared on the surface compared to other simulated temperature distributions of 30 and 50 m depths. The porosity and groundwater flow characteristics of each layer sensitively affected the heat transfer. The groundwater levels and temperature changes in injection and pumping wells were monitored and the thermal interference between the wells was analyzed to test the effectiveness of the heat pump operation method applied.

지하수 유동 영향에 따른 지하수 이용 열펌프 시스템의 대수층 온도 변화 예측 모델링

심병완(Shim, Byoung-Ohan),송윤호(Song, Yoon-Ho) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) can be a cost-effective and renewable geothermal energy source, depending on site-specific and thermohydraulic conditions. To design an effective ATES system having influenced by groundwater movement, understanding of thermo hydraulic processes is necessary. The heat transfer phenomena for an aquifer heat storage are simulated using FEFLOW with the scenario of heat pump operation with pumping and waste water reinjection in a two layered confined aquifer model. Temperature distribution of the aquifer model is generated, and hydraulic heads and temperature variations are monitored at the both wells during 365 days. The average groundwater velocities are determined with two hydraulic gradient sets according to boundary conditions, and the effect of groundwater flow are shown at the generated thermal distributions of three different depth slices. The generated temperature contour lines at the hydraulic gradient of 0.00 1 are shaped circular, and the center is moved less than 5m to the groundwater flow direction in 365 days simulation period. However at the hydraulic gradient of 0.01, the contour center of the temperature are moved to the end of boundary at each slice and the largest movement is at bottom slice. By the analysis of thermal interference data between two wells the efficiency of the heat pump system model is validated, and the variation of heads is monitored at injection, pumping and no operation mode.

지하수 히트펌프 시스템의 대수층 활용 사례 연구

심병완(Shim, Byoung-Ohan),이철우(Lee, Chul-Woo) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11

The validation of a groundwater source heat pump system installation site is estimated by bydrogeothermic model ing. The hydraulic characteristics of the aquifer system is evaluated from pumping and recovery tests. In addition, the temperature distribution by the pumping and the injection of groundwater, and water level fluctuations are simulated by numerical modeling. The total cooling and heating load for the building is designed as 120RT(refrigeration ton) and the ground water source heat pump system covers 50RT as a subsidiary system The scenario of heat pump operation is organized as pumping and inject ion of groundwater that is performed for 8 hours per day in cooling mode for 90 days during the summer season The heat transfer by the injected warm water is limited near the inject ion wells in the simulated temperature distribution. The reason is that the given operation time is too short to expect broad thermal diffusion in large volume of the aquifer in the simulation time The simulated groundwater level and temperature distribution can be used as important data to develope an energy effective pumping and injection well system. Also it will be very useful to evaluate the hydraulic capacity of a target groundwater reservoir.

광섬유 센서를 이용한 지중 열교환기 시스템 온도 모니터링

심병완(Shim, Byoung-Ohan),이영민(Lee, Young-Min),김형찬(Kim, Hyoung-Chan),송윤호(Song, Yoon-Ho) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.06

Fiber optic distributed temperature sensing and thermal line sensor are applied in an observation borehole and a loom deep borehole heat exchanger. For the case of permanently installed system fiber optic DTS is very useful. By comparing with TLS, fiber optic DTS shows good accuracy and reliability. Ground water flow can give influences at heat exchange rate of the heat pump system. According to the hydraulic characteristics and temperature-depth profile, we consider that temperature-depth profile do not seem to be dependent on ground water flow. A permanent installation of fiber optic cable is expected as a reliable temperature measurement technique in a borehole heat exchanger system.

지열 히트펌프 시스템의 계절별 지중 열교환 특성 및 지반내 온도 변화

심병완(Shim, Byoung-Ohan) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06

The geothermal heat pump system is designed for cooling and heating for three stories building (2,435 m²) includes total 79 heat pumps. Therefore, the monitoring system is installed for each floor and the data is automatically transmitted to the monitoring system. Heat exchange rate and temperature of a geothermal heat pump system have been monitored for a long period. The seasonal operation of geothermal heat pump shows the different shape of heat exchange rate for cooling and heating. Ground water flow can influence on heat exchange rate and thermal storage of the system. In order to define the hydraulic characteristics and groundwater temperature variation, the relationships among air temperatures, groundwater temperatures, water table, and precipitation are analysed.

Spatial analysis and ranges of thermal conductivity of rocks

심병완(Shim, Byoung-Ohan),박정민(Park, Jeong-Min),백승균(Baek, Seung-Gyun),김형찬(Kim, Hyoung-Chan) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

A web GIS based database system of thermophysical property of rocks in Korea is under construction. Rock samples were randomly collected over the whole country and sample spacings were generally 1 to 10 km. Thermal diffusivity, spedific heat, thermal conductivity, specific heat, density and porosity were measured on a collection of 1,560 rock samples in the laboratory. The sampled rocks were classified into igneous, metamorphic and sedimentary rock types and the variables were statistically studied. The thermal conductivity were compared with thermal diffusivity, porosity and dry density to define any correlations and the distribution of thermal conductivity is characterized by the geostatistical analysis. The optimal mapping of thermal conductivity is very useful as a practical design component for any geothermal systems.