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순환식 지하수 수막시스템 그린하우스 난방을 위한 스탠딩컬럼웰 열교 환율 산정
심병완,심병완,백승균,정성훈 한국 지열 · 수열에너지학회 2024 한국지열·수열에너지학회논문집 Vol.20 No.2
In order to design a standing column well (SCW) for a sustainable groundwater curtain system for greenhouse heating, we conducted parameter sensitivity tests. These tests simulated the outlet temperature changes of the SCW in a groundwater recirculating greenhouse cultivation system. Our modeling considered ground thermal conductivity and hydrogeological conditions. Specifically, we examined several factors, including SCW length, enhanced thermal conductivity of the ground, and groundwater circulation rate. The simulation results indicated that there was not a significant difference in the heat exchange rate based on the characteristics of enhanced thermal conductivity. However, we anticipate a substantial difference in the case of varying SCW lengths. Therefore, we conclude that the simulation results are primarily influenced by conductive heat exchange values, as the circulating water remains at a constant groundwater level.
SHARP 모델을 이용한 해안 대수층의 해수침투 경계면 추정
심병완,정상용 한국지하수토양환경학회 2003 지하수토양환경 Vol.8 No.1
SHARP numerical model was used to estimate the interface, ranges and seasonal variations of seawater intrusion. The interface obtained from the SHARP model represented more sensitive to seasonal variations than that estimated from the monitoring wells. When TDS and groundwater velocity vector distributions generated by SUTRA simulations are compared to the interfaces obtained from SHARP simulation, the difference of the range on seawater intrusion is less than 50 m, and the range of seawater intrusion from seasonal variations has the difference of about 12 m. These differences are small for the numerical simulation of the coastal aquifer at regional scale. Therefore, the model with sharp interface is very useful to estimate the interface at this study site, where is regional aquifer system in the scale of seawater infusion. However the SHARP model have some limitations in simulating the range of seawater intrusion, when the hydrodynamic dispersion is significant for seawater intrusion at local aquifer system.
심병완 한국자원공학회 2008 한국자원공학회지 Vol.45 No.4
The selection of TRT and its interpretation method are important to design an economical geothermal heat pump system because heat exchange rate of a borehole heat exchanger system highly depends on effective thermal conductivity of ground.Two thermal response tests (TRTs) are performed in a 200 m long vertical closed-loop borehole heat exchanger, and thermal conductivities are estimated with a conventional method using the line source theory, and the Horner plot method. The Horner plot method is applied to recovered circulation fluid temperatures during fluid circulation after power shut-in, and recovered ground temperatures were measured by a fiber optic temperature sensing method. The estimated thermal conductivity using the conventional method is 2.75W/m/K, and that using the Horner plot method is 2.87 W/m/K. The average effective thermal conductivity using the Horner plot method with fiber optic temperature sensing data is 2.88 W/m/K and the average core sample thermal conductivity measured in a lab is 2.90 W/m/K. By comparison of each results with core thermal conductivity data, three different interpretation methods show reliable results.
심병완,이철우 한국자원공학회 2007 한국자원공학회지 Vol.44 No.1
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. 지하수원 히트펌프 시스템 설치 부지의 타당성이 수리지열학적 모델링을 통하여 해석되었다. 시스템이 설치된 대수층의 수리적 특성 파악을 위하여 수리시험을 실시하였고, 수치 모델링을 통하여 양수정과 주입 우물간에 열적 간섭 및 수위변동을 추정하였다. 대상 건물의 총설계 냉난방 용량은 120 RT이며, 보조용으로 지하수원 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 용량은 50 RT로 설계되어 있다. 수리시험결과 이 시스템의 대상 대수층은 지하수 저류층으로서 용량이 크지 않은 편으로 판단된다. 모델링을 위한 히트 펌프 운영 시나리오는 여름철 냉방 모드로 대수층에서 90일간 양수와 24 °C의 지하수 주입을 하루 8시간 실시하는 것으로 설정하였다. 시뮬레이션 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 온도변화에 의한 효율성의 감소는 추정되지 않는다. 예측된 지하수위 변동곡선에서 지하수 주입시 주입공의 수위는 지표보다 최소 14.3 m 에서 최대 18.2 m 정도 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.
지구물리 탐사자료의 지구통계학적 분석에 의한 부산 동남해안 지역의 해수침투 특성
심병완,정상용,김희준,성익환,김병우 한국지하수토양환경학회 2002 지하수토양환경 Vol.7 No.4
본 연구는 부산시 동남해안 지역에서 해수침입의 지역적 특성과 해수침입의 범위를 파악하기 위하여 지하수 모니터링공의 자료분석과 지구통계학적 기법을 이용하였다. 강수에 의한 직접적인 지하수의 충진으로 모니터링 우물에서의 지하수위는 강수량과 비례하지만 전기전도도는 강수량과 대체로 반비례하는 것으로 나타났다. 모니터링 우물에서 전기전도도는 약 24m심도에서 급격히 증가되어 26m전후에서 20,000$\mu\textrm{s}$/cm를 초과하였고, 지하수위와 전기전도도를 비교한 결과, 지하수위가 낮아질수록 해수와 담수의 경계면이 상승하는 경향을 보인다. 교차상관성 분석에 의하면 지하수위와 강수량은 시차가 0일 때 교차상관 계수가 최대이지만, 전기전도도와 강수량의 교차상관계수는 시차가 9일 때 최대로 나타났다. 이것은 지하수위 변동이 강수에 의하여 단시간에 영향을 받고 있으나, 해수와 담수의 경계면은 강수에 의하여 매우 느리게 반응한다는 것을 나타낸다. 2개의 측선에서 실시된 수평전기탐사 자료의 역산결과, Line 1에서는 동쪽 끝에서 내륙으로 약 14m지점까지, Line 2에서는 동남쪽 끝에서 내륙으로 약 25m지점까지 해수가 침투한 것으로 나타났다 5월과 7월에 슬럼버져 배열의 수직전기탐사를 실시하여 획득한 자료는 각각 대수정규분포를 나타내었고, 크리깅에 의한 겉보기비저항 분포도와 전기비저항 분포도를 비교하면 5월보다 7월에 비저항치가 상승한 것으로 나타났다. 이것은 6, 7월에 내린 강수로 지하수의 함양량이 증가하여 대수층내 해수의 농도가 감소하였기 때문이다 겉보기비저항의 수직단면도 및 평면도 그리고 전기비저항 분포도를 분석한 결과. 지구통계학적 기법은 해안 지역에서의 전기비저항 분포 변화를 파악하는데 매우 유용하였다. Data analysis of groundwater monitoring wells and geostatistical methods are used to identify the local characteristics of sea water intrusion and the range of sea water intrusion at the southeastern coastal area of Busan, Korea. Rainfall and groundwater level of two monitoring wells show a linear correlation because of the direct groundwater recharge by the precipitation. However, rainfall and electric conductivity have the inverse relationship because of the increase of groundwater. Electric conductivity rapidly increased at 24m depth and exceeded 20,000$\mu\textrm{s}$/cm near 26m depth in the monitoring wells. The variations of groundwater level and electric conductivity show that the interface between sea water and fresh water tends to move upward when groundwater level goes down. In the cross correlation analysis, groundwater level versus rainfall represents the largest cross correlation coefficient in 0 time lag but the cross correlation coefficient of electric conductivity versus rainfall is the largest when the time lag is 9 days. This suggests that the fluctuations of groundwater level respond to rainfall in a short time, but the interface between sea water and fresh water respond very slow to rainfall. Horizontal extents of sea water intrusion are estimated to 14 m from the east of Line 1, and 25 m from the southeast end of Line 2 in the inversion of dipole-dipole profiling data of two survey lines. The data of VES by the Schulumberger array in May and July show lognormal distributions. In the kriged apparent resistivity and earth resistivity distributions, the resistivities of July are increased comparing to those of May. This reflects that the concentration of sea water in aquifer is reduced due to the increased groundwater recharge from the rainfall in June and July. In analyzing the vertical and horizontal apparent resistivities and earth resistivity distributions, the geostatistical methods are very useful to identify the variations of earth resistivity distributions at the coastal area.
해안 대수층에서 지하수 장기 모니터링을 통한 수리 특성 조사
심병완,이철우,Shim, Byoung-Ohan,Lee, Chol-Woo 대한자원환경지질학회 2011 자원환경지질 Vol.44 No.3
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.
지중 열교환기 효율 분석을 위한 지반내 열적.수리적 특성 조사
심병완,이영민,김형찬,송윤호 한국자원공학회 2006 한국자원공학회지 Vol.43 No.2
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.
단열암반 대수층에서 조석 분석법을 이용한 수리상수 추정
심병완,정상용 한국지하수토양환경학회 2004 지하수토양환경 Vol.9 No.3
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. 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.
대수층 축열 에너지(ATES) 활용 시스템 모델의 설계인자 추정을 위한 시뮬레이션
심병완,Shim Byoung-Ohan 한국지하수토양환경학회 2005 지하수토양환경 Vol.10 No.4
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.