다양한 조건을 고려한 에너지터널의 열 성능 평가에 대한 수치해석 연구 = Numerical Study on the Thermal Performance of Energy Tunnel Considering Various Conditions

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 에너지터널 설계 시 고려할 수 있는 다양한 조건들에 대해 수치해석을 통한 기초 해석연구와 선행 연구에서 대체할 수 있는 해석기법에 대해 비교 분석하였다. 이를 위해 먼저 열교환기(Ground heat exchanger, GHEs)가 설치된 터널에 대한 열-수리 연계해석 기반의 수학적 모형을 생성하였으며, 이러한 모형을 토대로 다양한 조건에 대한 기초해석 및 비교 분석 연구를 수행하였다. 그 결과 지하수 흐름과 히트펌프 가동주기 및 GHEs의 배열은 특정한 조건에서 열 교환 성능을 높일 수 있는 것으로 검토되었다. 한편, 터널 내부의 기류 특성을 고려한 해석기법은 기존의 해석기법 보다 열 교환 성능이 높은 것으로 나타나 기존의 해석기법을 사용할 경우 열 교환 성능이 과소평가될 가능성이 검토되었다. 또한, 터널 단면 형상의 차이로 인한 에너지터널의 열 교환 성능은 형상을 제외한 변수가 통제된 상태에서도 열 교환 성능이 차이를 보이는 것으로 검토되어 열-수리-응력 해석 시 터널 설계 형상과 일치하는 형상으로 수학적 모형을 생성해야 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, various conditions that can be considered when designing energy tunnels were compared to basic analysis studies through numerical analysis and analysis techniques that can be substituted in previous studies. Create a mathematical model based on the thermo-hydro analysis for tunnels with ground heat exchangers installed. Based on this model, basic analysis and comparative analysis studies for various conditions were conducted. The results indicated that groundwater flow and heat pump operation cycles and arrangements of GHEs were examined to improve heat exchange performance under certain conditions. Also, the analysis method considering the air flow characteristics inside the tunnel showed a higher heat exchange performance than the existing analysis method, confirming the possibility of underestimating the heat exchange performance when using the existing analysis method. The heat exchange performance of the energy tunnel due to the difference in tunnel shape showed a difference in heat exchange performance even when variables except for the cross-sectional shape were controlled. During the thermo-hydro-mechanical analysis, it is considered necessary to create a mathematical model with a shape consistent with the tunnel design
shape.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 2
• 1.3 연구내용 및 범위 3
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 지열 냉난방 시스템의 원리 6
• 2.2 지중 열교환시스템의 종류 9
• 2.2.1 밀폐형 시스템 9
• 2.2.2 개방형 시스템 10
• 2.2.3 에너지 텍스타일을 활용한 에너지 터널 11
• 제 3 장 수치해석을 위한 에너지터널 설계 15
• 3.1 에너지터널 Model 설계방법 15
• 3.2 지반 및 터널 형상 16
• 3.3 지배방정식 18
• 3.4 초기 조건, 경계 조건 및 재료 물성치 21
• 제 4 장 에너지터널 열 교환 성능 분석 24
• 4.1 지하수 흐름에 의한 지반 온도변화 및 열교환율 분석 24
• 4.1.1 지반의 온도변화 24
• 4.1.2 열교환율 분석 26
• 4.2 GHEs 배열에 의한 지반 온도변화 및 열교환율 분석 29
• 4.2.1 GHEs 배열 비교를 위한 수치해석 Model 29
• 4.2.2 지반의 온도변화 분석 30
• 4.2.3 열교환율 분석 34
• 4.3 히트펌프 가동 주기를 고려한 지반 온도변화 및 열교환율 분석 36
• 4.3.1 지반의 온도변화 분석 36
• 4.3.2 열교환율 분석 40
• 4.4 터널 내부 기류특성을 고려한 지반 온도변화 및 열교환율 분석 42
• 4.4.1 지반의 온도변화 분석 42
• 4.4.2 순환유체 온도변화 46
• 4.4.3 열교환율 분석 49
• 4.5 터널형상에 의한 지반 온도변화 및 열교환율 분석 53
• 4.5.1 형상 별 비교를 위한 수치해석 Model 53
• 4.5.2 지반의 온도변화 분석 54
• 4.5.3 열교환율 분석 58
• 제 5 장 결론 및 추후 연구 60
• 5.1 추후 연구 62
• [참고 문헌] 63