Thermal properties of soils are frequently required for geotechnical engineering design problems. More spe-cifically, they play important roles in design of ground heat exchangers(GHEs), energy pile, road including underground pipe lines or cables, nuclear waste disposal facility, and decision of frozen depth. Among several soil thermal properties, ground thermal conductivity is the most important property as it controls the heat flow behavior. Moreover, it is necessary to measure the ground thermal conductivity over more spacious area continuously for a large scale geotechnical structure.
Therefore, this research investigates the applicability of optical fiber sensors for measurement of ground thermal conductivity since they exhibit good results for a monitoring system applied to the geotechnical struc-tures. An equipment for thermal response test(TRT) was developed, and it basically uses optical fiber sensors. New Fiber Bragg Grating(FBG) sensors as well as Resistance Temperature Detector(RTD) sensors were adopted to measure the ground thermal conductivity of soil filled in a steel box. TRTs using both U-type and spiral coil type GHEs were conducted. Ground thermal conductivity of a soil obtained from TRTs using U-type GHE was consistent with the thermal conductivity evaluated by original line source model with time, and by heat flow method using the similar properties of soil. Ground thermal conductivity from TRT using spiral coil type GHE was about two and half bigger than that of U-type GHE. Another TRT considering soil layers composed of sand and clay was conducted. Gound thermal conductivity was 10% smaller than that of single layer.
It can be concluded that the TRT equipment embedding FBG sensors can be well applied for thermal re-sponse tests. There is also surely difference of ground thermal conductivity between single layer and multi layers. Therefore, it is necessary to consider the non homogeneous soil condition in measuring the ground thermal conductivity. The testing equipment developed in this study is more applicable to measure thermal properties of soils in spacious area continuously, especially in measuring an equivalent ground thermal con-ductivity considering multi-layer of soils.
본 연구에서는 광섬유 센서 기반 스마트 모니터링 시스템이 지중 열전도도 측정에도 효율적으로 적용될 수 있는지를 분석하였다. 이를 위해 광섬유 온도센서를 이용하여 지반의 열전도도를 측정할 수 있는 열응답 시험기가 개발되었다. 개발된 열응답 시험기는 기존의 RTD(Resistance Temperature Detector) 온도 센서 외에 광섬유 센서의 한 종류인 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서도 실시간적으로 측정할 수 있는 시스템으로 구성되어 있다. 개발된 장비의 적합성 검증을 위하여 주문진 표준사를 이용하여 모형토조 내에 일정한 간극비에 맞추어 시료가 조성되었으며 지중 열교환기는 U자형 파이프와 코일형 파이프가 사용되었다. 열응답 시험을 통하여 광섬유 센서와 RTD 센서를 동시에 이용하여 온도값을 측정하여 표준사의 열전도도 값을 산출하였다. 그 결과 모형실험을 통한 열전도도 값은 실내 정상 상태법의 실험을 통해 얻어진 열전도도 값과 선형 열원 모델(line source model) 해석해와 거의 유사하게 나타났으며 광섬유 센서와 RTD 센서와의 온도차는 0.1∼0.3°로써 유사한 값을 나타내었다. 코일형 파이프를 이용한 주문진 표준사의 열전달 효율값은 U자형 교환기를 통해 얻어진 값보다 2.5배 이상 높았다. 또한 주문진 표준사와 카올린 점토로 구성된 다층지반의 열전달 효율값은 단일지반에 비해 10% 이상 감소되었다.
따라서 본 연구에서 개발된 광섬유 기반 열응답 시험기는 지반의 열전도도를 측정하는데 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 다층지반의 열전달 효율값은 단일지반에 비해 분명한 차이가 있었다는 것을 알 수 있었으며 이에 따라 다층 지반을 고려한 지반의 열전도도 평가 모델 개발이 필요할 것으로 생각된다. 또한 광섬유 센서는 향후 지열시스템 가동에 따른 지중열교환기의 손상도 평가 및 경보시스템 개발을 위해 지중열교환기의 거동을 실시간으로 모니터링 하는데 있어서도 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
