온도변화에 따른 주문진 표준사의 함수특성 및 열전도도 특성의 변화 = Effect of Temperature on Soil-Water Characteristic Curve and Thermal Conductivity of the Jumunjin Sand

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) of unsaturated soil represents
the relationship between soil saturation and matric suction and plays an
important role in predicting the physical and mechanical properties of soil.
Existing studies have reported the measurement of thermal conductivity and
changes in saturation based on the SWCC, but it is difficult to find a study on
the effect of temperature change on the relationship between saturation and
thermal conductivity. This study was conducted to accurately predict the
thermal conductivity of soil when temperature changes in the ground
significantly affect soil saturation, as observed in energy geostructures and
horizontal ground heat exchangers.In this study, experiments were conducted on Jumunjin Standard Sand to
analyze the effects of soil temperature, relative density, and saturation on
thermal conductivity. The results showed that thermal conductivity tends to
increase as relative density increases under the same temperature conditions.
On the other hand, under the same relative density conditions, temperature
changes significantly affect the slope of the SWCC and the degree of saturation,
and these differences influence the thermal conductivity. In particular,
saturation decreased rapidly with increasing temperature, and thermal
conductivity also showed a rapid decline. This is because water viscosity
decreases significantly with increasing temperature, leading to an increase in
water permeability. Additionally, thermal conductivity at the same temperature
conditions was higher at greater relative densities.
Based on the experimental results, parameters for the van Genuchten (1980)
SWCC model were calculated. The analysis revealed that the air entry value
(AEV) and air entry coefficient (𝛼 ) are affected by temperature, while the
inflection point coefficient (𝑛) and residual volumetric water content coefficient
(m) are relatively less sensitive to temperature changes.
Numerical analysis based on the experimental results showed that the heat
transfer characteristics of energy walls are strongly influenced by temperature
changes and soil thermal conductivity. In the saturated zone, high thermal
conductivity facilitates efficient heat diffusion, and the degradation of heat
transfer performance due to temperature changes is minimal. In contrast, in
the transition and residual zones, thermal conductivity decreases significantly
with rising temperatures, narrowing the heat diffusion range and reducing heat
transfer capacity. These findings suggest that temperature changes increase
soil moisture evaporation and air content in voids, leading to decreased heat
transfer. Therefore, careful consideration of soil thermal conductivity and
temperature conditions is essential for maximizing heat transfer efficiency in
the design and operation of energy walls.

국문 초록 (Abstract)

불포화토의 함수특성곡선은 흙의 포화도와 모관 흡수력의 관계를 나타내며 흙의 물리적 및 역학적 특성을 예측하는 데 중요한 역할을 한다. 기존 연구에서는 함수특 성곡선을 기반으로 포화도에 따른 열전도도와 포화도의 변화 측정 사례는 보고된 바 있으나, 온도 변화가 포화도와 열전도도의 상관관계에 미치는 영향을 다룬 연구는 찾 아보기 어렵다. 본 연구는 에너지 지반구조물 및 수평형 지열교환기를 열 교환 거동 을 통해 지반의 온도변화가 토양의 포화도에 중요한 영향을 미치는 경우 토양의 열 전도도를 정확하게 예측하기 위한 목적으로 수행되었다. 본 연구에서는 주문진 표준사를 대상으로 실험을 진행하여 토양의 온도, 상대밀도, 포화도가 열 전도도에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 동일한 온도 조건에서 상대 밀도가 증가할수록 열전도도는 증가하는 경향이 관찰되었다. 반면, 동일한 상대 밀도 조건에서는 온도 변화로 인해 함수 특성 곡선의 기울기와 포화도에 크게 영향을 미치며 이러한 차이가 열전도도에 영향을 미침을 확인하였다. 특히, 온도 상승에 따 라 포화도가 급격히 감소하며 열전도도 또한 급격히 감소하는 경향을 보였는데, 이는 온도 상승으로 인해 물의 점성계수가 크게 감소하여 투수계수가 증가하기 때문이다. 또한, 동일한 온도 조건에서의 열전도도는 상대밀도가 높을수록 더 높은 값을 나타냈 다. 실험 결과를 바탕으로 van Genuchten(1980)의 함수특성곡선 모델 파라미터를 산 정하였다. 분석 결과, 공기 함입치 (Air Entry Value, AEV) 와 공기 함입치 관련계수 (𝛼)는 온도의 영향을 받는 반면, 변곡점 관련 계수(𝑛)와 잔류 체적 함수비 계수(𝑚)는 온도의 영향을 비교적 적게 받는 것으로 나타났다. 본 실험 결과를 토대로 수치해석을 진행한 결과, 에너지 월의 열 전달 특성은 온도 변화와 토양의 열전도도에 크게 영향을 받는다는 점을 확인하였다. 포화 구역에서는 높은 열전도도로 인해 열 확산이 원활하게 이루어지며, 온도 변화에 따른 열 전달 성 능 저하가 미미하였다. 반면, 전이 구역과 잔류 구역에서는 온도 상승에 따라 열전도 도가 크게 감소하며, 열 확산 범위가 축소되고 열 전달 능력이 감소하는 경향을 보였 다. 이러한 결과는 온도 변화가 토양 내 수분 증발과 간극 내 공기 비율의 증가를 유 발하여 열 전달이 감소하는 데 기인한 것으로 해석된다. 따라서, 에너지 월 설계 및 운영 시 토양의 열전도도 특성과 온도 조건을 정밀히 고려하여 열 전달 효율을 극대 화할 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.1.1 기후변화와 지열원 냉난방 시스템 1
• 1.1.2 에너지 지반 구조물 (Ground Energy Structure) 4
• 1.2 연구 목적 및 내용 7
• 2. 이론적 배경 9
• 2.1 불포화 지반의 특성 9
• 2.1.1 불포화토의 구조 9
• 2.1.2 불포화토의 모관 흡수력 (Matric Suction) 10
• 2.1.3 불포화 투수계수와 절대 투수계수 11
• 2.2 온도변화에 의한 물리적 특성 13
• 2.2.1 물의 점성계수 및 투수계수 13
• 2.2.2 온도변화에 따른 밀도 변화 14
• 2.3 함수특성곡선 (SWCC; Soil-Water Characteristic Curve) 15
• 2.3.1 함수특성곡선의 정의 15
• 2.3.2 함수특성곡선의 이론식 17
• 2.4 흙의 열전도도 19
• 2.4.1 열전도도의 영향인자 19
• 3. 시험 장치 및 방법 21
• 3.1 시험 장치 21
• 3.1.1 Fredlund SWCC 시험 장치 21
• 3.1.2 히터가 추가된 Fredlund SWCC 시험 장치 22
• 3.2 열전도도 측정 장비 24
• 3.3 시험 재료 25
• 3.3.1 시료 성형 방법 26
• 3.3.2 시료 포화 방법 27
• 4. 시험 결과 및 분석 28
• 4.1 상온에서 상대밀도에 따른 함수특성 곡선 28
• 4.2 온도와 상대밀도에 따른 함수특성 곡선 32
• 4.2.1 온도와 상대밀도에 따른 함수특성 곡선 (Dr=50%) 32
• 4.2.2 온도와 상대밀도에 따른 함수특성 곡선 (Dr=90%) 36
• 4.2.3 온도와 상대밀도에 따른 함수특성 곡선 (Dr=30%) 40
• 4.3 상온에서 상대밀도와 온도에 따른 열전도도 변화 44
• 4.4 온도변화와 포화도에 따른 열전도도 46
• 4.4.1 온도변화와 포화도에 따른 열전도도 (Dr=50%) 46
• 4.4.2 온도변화와 포화도에 따른 열전도도 (Dr=90%) 48
• 4.4.3 온도변화와 포화도에 따른 열전도도 (Dr=30%) 50
• 4.5 상대밀도와 온도변화에 따른 열전도도 산정 곡선 52
• 4.6 온도에 따른 열전도도 54
• 4.7 온도 변화에 따른 물의 점성계수 변화와 투수계수 55
• 5. 수치해석 57
• 5.1 해석 프로그램 57
• 5.1.1 해석 조건 57
• 5.1.2 물성치 값 선정 58
• 5.2 수치 해석 결과 58
• 6. 결론 및 요약 63
• 참고문헌 65
• Abstract(영문 초록) 68