KR101065191B1 - Energy tunnel and construction method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 터널에 관한 것으로서, 상기 터널 굴착면에 숏크리트를 타설하여 형성되는 숏크리트층; 상기 숏크리트층 상에 형성된 열교환층; 및 상기 열교환층 상에 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 라이닝층;을 포함하고, 상기 열교환층에는 유입관, 유출관 및 상기 유입관과 상기 유출관을 연결시키는 연결관부를 포함하는 열교환 파이프가 매설된 것을 특징으로 하며, 에너지 터널로부터 발생되는 열원은 터널의 부대시설, 터널 출입구의 결빙방지, 지하철 역사의 냉난방 등에 이용될 수 있다.The present invention relates to an energy tunnel, comprising: a shotcrete layer formed by pouring shotcrete on the tunnel excavation surface; A heat exchange layer formed on the shotcrete layer; And a concrete lining layer formed by pouring concrete on the heat exchange layer, wherein the heat exchange layer is embedded with a heat exchange pipe including an inlet pipe, an outlet pipe, and a connection pipe part connecting the inlet pipe and the outlet pipe. It is characterized in that, the heat source generated from the energy tunnel can be used for the auxiliary facilities of the tunnel, the prevention of freezing of the tunnel entrance, the heating and cooling of the subway station.
Description
본 발명은 에너지 터널에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연중 일정한 온도를 유지하는 터널의 지열을 이용하여 터널의 부대시설이나 입출구 도로의 결빙 방지 등을 위한 냉난방 시스템으로 활용 가능한 에너지 터널 및 그 시공방법에 관한 것이다.The present invention relates to an energy tunnel, and more particularly, to an energy tunnel and a construction method thereof that can be used as a cooling and heating system for preventing freezing of an auxiliary facility of an tunnel or an entrance / exit roadway by using geothermal heat of a tunnel that maintains a constant temperature throughout the year. It is about.
일반적으로 지열이라 함은 지표면 내부에 분포되어 있는 토양과 암석이 태양 복사열이나 지구 내부의 마그마열 때문에 보유하고 있는 열을 의미한다.In general, geothermal heat refers to the heat retained by soil and rocks distributed inside the earth's surface due to solar radiation or magma heat inside the earth.
지열 에너지 활용이 가능한 지반의 특성으로 지열의 항온성이 있다. 그 일 예로서, 연중 일정한 온도를 이용한 지열 냉난방 시스템을 통해 건물의 냉난방을 실현하고 있다. 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템에서는 지열과 냉난방 시스템 사이에 열교환을 하는 지중 열교환기를 이용하여 유체와 지열 사이의 열교환을 통해 냉방 또는 난방 시스템을 구현하고 있다. 물 또는 부동액을 파이프를 통해 흘려 보내고 냉방시에는 지반으로 열을 흘려 보내 열교환기내 유체의 온도를 낮춰 시스템을 운전하고, 난방시에는 반대로 온도가 내려간 유체를 흘려보내 지반에서 온 도를 흡수하여 운전한다.Geothermal thermal energy is a characteristic of the ground that can utilize geothermal energy. As an example, the building's air conditioning is realized through a geothermal air conditioning system using a constant temperature throughout the year. In the air-conditioning system using geothermal energy, an underground heat exchanger that exchanges heat between geothermal and air-conditioning systems implements a cooling or heating system through heat exchange between fluid and geothermal heat. When water or antifreeze flows through the pipe and heats to the ground during cooling, the system is operated by lowering the temperature of the fluid in the heat exchanger, and during heating, the fluid is cooled to absorb the temperature from the ground. .
이와 같은 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템은 기존 냉난방 설비보다 에너지 소비량이 적고, 공기보다 안정적인 지열을 열흡수원(heat sink) 및 열공급원(heat source)으로 사용하므로 효율이 높은 시스템이다. 또한 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출이 타 시스템에 비해 적은 친환경적인 시스템이다. The air-conditioning system using geothermal energy has less energy consumption than existing air-conditioning facilities and uses geothermal heat that is more stable than air as a heat sink and a heat source. It is also an environmentally friendly system that emits less greenhouse gases than carbon dioxide.
하지만, 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템 중 지중에 설치되는 기존의 지열 냉난방 시스템은 100~200m 까지 지반을 천공하여 지중 열교환기를 시공해야 하기 때문에 시공비가 추가적으로 필요하다는 문제점이 있다.However, the existing geothermal air-conditioning system installed in the ground of the air-conditioning system using geothermal energy has a problem that additional construction cost is required because the ground heat exchanger must be constructed by drilling the ground to 100 ~ 200m.
본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는, 시공 위치상 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 터널 벽면에 시공되어 지반의 천공에 소비되는 추가적인 시공비용 없이 터널의 지열을 이용하여 터널의 부대시설 및 결빙 방지에 활용 가능한 에너지 터널을 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention, the construction site is installed on the tunnel wall maintaining a constant temperature throughout the year, utilizing the geothermal heat of the tunnel without the additional construction cost consumed in the drilling of the ground utilized in the tunnel facility and freezing prevention To provide a possible energy tunnel.
본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는 상술한 에너지 터널의 시공방법을 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a construction method of the above-described energy tunnel.
본 발명은 상기 첫번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first object,
터널 굴착면에 숏크리트를 타설하여 형성되는 숏크리트층;A shotcrete layer formed by pouring shotcrete on a tunnel excavation surface;
상기 숏크리트층 상에 형성된 열교환층; 및 A heat exchange layer formed on the shotcrete layer; And
상기 열교환층 상에 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 라이닝층;을 포함하고,It includes; concrete lining layer formed by pouring concrete on the heat exchange layer,
상기 열교환층에는 유입관, 유출관 및 상기 유입관과 상기 유출관을 연결시키는 연결관부를 포함하는 열교환 파이프가 매설된 것을 특징으로 하는 에너지 터널을 제공한다.The heat exchange layer provides an energy tunnel comprising an inlet pipe, an outlet pipe, and a heat exchange pipe including a connection pipe part connecting the inlet pipe and the outlet pipe.
여기서, 상기 열교환층과 상기 콘크리트 라이닝층 사이에는 지하수의 배수를 위한 유도 배수재가 설치될 수 있다.Here, an induction drainage for draining groundwater may be installed between the heat exchange layer and the concrete lining layer.
또한, 상기 연결관부는 복수개의 직선부 및 상기 직선부들을 서로 연결하는 굴곡부로 이루어진 지그재그 형상이며, 상기 복수개의 직선부는 터널의 둘레 방향 또는 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배열될 수 있다.In addition, the connecting pipe portion may be a zigzag shape consisting of a plurality of straight portions and the bent portion connecting the straight portions with each other, the plurality of straight portions may be arranged spaced apart from each other along the circumferential direction or the longitudinal direction of the tunnel.
또한, 상기 연결관부는 원형으로 감아 돌려 형성될 수 있다.In addition, the connecting pipe part may be formed by rotating in a circular shape.
본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는,The second problem to be solved by the present invention,
터널의 굴착면에 숏크리트를 타설하여 숏크리트층을 형성하는 단계;Placing shotcrete on the excavated surface of the tunnel to form a shotcrete layer;
상기 숏크리트층 상에 유입관, 유출관 및 상기 유입관과 유출관을 연결시키는 연결관부를 포함하는 열교환 파이프를 설치하여 열교환층을 형성하는 단계; 및Forming a heat exchange layer by installing a heat exchange pipe on the shotcrete layer, the heat exchange pipe including an inlet pipe, an outlet pipe, and a connection pipe part connecting the inlet pipe and the outlet pipe; And
상기 열교환 파이프가 시공된 열교환층 상에 콘크리트 라이닝을 타설하는 단계;를 포함하는 에너지 터널의 시공방법을 제공하는 것이다.It is to provide a construction method of the energy tunnel comprising a; laying a concrete lining on the heat exchange layer is the heat exchange pipe construction.
여기서, 상기 콘크리트 라이닝을 타설하는 단계 이전에 상기 열교환층 상에 지하수의 배수를 위한 유도 배수재를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, the method may further include attaching an induction drainage material for draining the groundwater on the heat exchange layer before pouring the concrete lining.
본 발명에 따른 에너지 터널은 연중 일정한 온도를 유지하는 터널의 지열을 이용하므로 통상의 지중 열교환기에 비해 더 나은 효율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 에너지 터널은 굴착된 터널 또는 기존에 시공된 터널에 적용이 가능하므로, 100 내지 200m 까지 지반을 천공하여 지중 열교환기를 시공하는 기존 지열 냉난방 시스템에 비해 상대적으로 시공비를 절약할 수 있다는 장점이 있다. 나아가, 터널의 굴착면에 시공되는 본 발명에 따른 에너지 터널의 열원은 터널의 부대시설, 터널 출입구의 결빙방지, 지하철 역사의 냉난방, 환풍 터빈의 냉각 등에 활용될 수 있다.The energy tunnel according to the present invention uses the geothermal heat of the tunnel to maintain a constant temperature throughout the year, it is possible to obtain a better efficiency than a conventional underground heat exchanger. In addition, since the energy tunnel according to the present invention can be applied to an excavated tunnel or a conventionally constructed tunnel, the construction cost can be relatively reduced compared to the existing geothermal heating and cooling system for constructing an underground heat exchanger by drilling the ground to 100 to 200m. There is an advantage. Furthermore, the heat source of the energy tunnel according to the present invention constructed on the excavation surface of the tunnel may be utilized for the auxiliary facilities of the tunnel, the prevention of freezing of the tunnel entrance, the heating and cooling of the subway station, the cooling of the ventilation turbine, and the like.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.
터널의 시공 위치 상 터널 벽면은 연중 일정한 온도를 유지할 수 있는 환경을 가지고 있다. 따라서, 터널의 항온성을 열펌프(Heat Pump) 가동을 위한 열공급원(Heat Source) 또는 열흡수원(Heat Sink)으로 이용하여 지하철 역사의 냉난방, 환풍 터빈의 냉각, 출입구 결빙 방지 등에 활용할 수 있다.The tunnel wall has an environment that can maintain a constant temperature throughout the year due to the location of the tunnel. Therefore, by using the constant temperature of the tunnel as a heat source (Heat Source) or heat sink (Heat Sink) for operating the heat pump (Heat Pump) can be utilized for cooling and heating of the subway station, cooling of the ventilation turbine, prevention of freezing of the entrance.
본 발명에 따른 에너지 터널(100)은,
터널 굴착면(h)에 숏크리트를 타설하여 형성되는 숏크리트층(1); 상기 숏크리트층 상에 형성된 열교환층(2); 및 상기 열교환층 상에 콘크리트를 타설하여 형성되는 콘크리트 라이닝층(3);을 포함하고, 상기 열교환층에는 유입관(11), 유출관(12) 및 상기 유입관과 상기 유출관을 연결시키는 연결관부(13)를 포함하는 열교환 파이프(10)가 매설되어 이루어진다.A shotcrete layer (1) formed by pouring shotcrete on the tunnel excavation surface (h); A heat exchange layer (2) formed on the shotcrete layer; And a
이하에서는 본 발명에 따른 에너지 터널(100)의 구성 및 시공 순서를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and construction sequence of the
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 터널의 개략도를, 도 2는 본 발명에 따른 열교환 파이프를 나타낸 도면이다.1 is a schematic diagram of an energy tunnel according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a heat exchange pipe according to the present invention.
먼저, 숏크리트층(1)은 시멘트, 물 및 골재 등에 급결재를 함유하여 형성되 는 숏크리트를 터널 굴착면(h)에 직접 뿜어 형성된다. 이 숏크리트층(1)은 터널 굴착면(h)의 표면 탈락이나 붕락을 방지하여 조기에 터널 안정성을 확보하는 층이다.First, the
숏크리트층(1)이 형성된 후, 그 위에는 도 2에 도시된 바와 같은 열교환 파이프(10)가 설치된다.After the
열교환 파이프(10)는 유입관(11), 유출관(12) 및 이들을 연결시켜 열교환 파이프를 이루는 연결관부(13)를 포함하여 이루어진다. The
연결관부(13)는 복수개의 직선부(14) 및 이들을 서로 연결하는 굴곡부(15)로 이루어진 지그재그 형상일 수 있다.The
숏크리트층(1) 상에 부착된 열교환 파이프(10)가 위치하는 공간은 열교환층(2)을 형성하는데, 열교환 파이프(10) 내부를 흐르는 유체는 상기 열교환층에서 열교환 파이프(10)를 통해 열교환이 이루어지며, 이에 따라 유입관(11)으로 유입된 유체와 유출관(12)을 통해 토출되는 유체 사이에는 터널 지열에 의한 열교환에 의해 온도차가 발생하게 된다.The space where the
콘크리트 라이닝층(3)은 이 열교환 파이프(10)가 매설된 열교환층(2) 상에 콘트리트를 타설하여 형성된다. 이 콘크리트 라이닝층(3)은 편압, 국부하중, 장기적인 하중 및 기타 예측하지 못한 굴착 지반으로부터의 하중을 장기적으로 지지하는 영구지보기능을 하는 것이다.The
한편, 본 발명에 따른 열교환 파이프가 매설된 열교환층(2)에는 지하수가 흐를 수 있으며, 이 지하수가 열전달의 매개 역할을 하여 에너지 터널의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. Meanwhile, groundwater may flow in the
이를 위해, 열교환 파이프(10)가 매설된 열교환층(2)과 콘크리트 라이닝층(3) 사이에는 유도배수재(4)가 설치될 수 있다. 이 유도배수재(4)는 부직포로 제조되거나 합성수지에 부직포를 피복하여 제조될 수 있으며, 지중의 지하수를 원활히 배수하여 에너지 터널의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.To this end, an
도 3은 본 발명에 따른 에너지 터널을 구성하는 열교환 파이프(10)의 배열을 도시한 도면이다.3 is a view showing the arrangement of the
도 3(a)는 횡방향 배열로서, 복수개의 직선부(14)가 터널의 둘레 방향을 따라 서로 이격되게 배열된 형상을 나타내고 있다.3 (a) shows a shape in which the plurality of
도 3(b)는 종방향 배열로서, 복수개의 직선부(14)가 터널의 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배열된 형상을 나타내고 있다.3 (b) shows a shape in which the plurality of
도 3(c)는 유입관(11)과 유출관(12)을 서로 연결시키는 연결관부(13)가 원형으로 감아돌린 형상, 이른바 Slinky 배열을 나타내고 있으며, 이와 같은 형상으로 열교환 파이프를 배열하기 위해서는 소직경의 파이프가 사용되는 것이 바람직하다. 도 3(c)에 도시된 바와 같은 배열을 가지는 열교환 파이프는 일정 단면에 증가된 총연장을 가지는 열교환 파이프가 매설될 수 있으므로 열교환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.FIG. 3 (c) shows a so-called Slinky arrangement in which the connecting
도 3에 도시된 열교환 파이프의 배열 형상은 일 실시예에 불과하며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이외에도 열교환 효율을 높이기 위해 터널의 시공여건에 따라 다양한 형상의 열교환 파이프의 배열을 도출해 낼 수 있을 것이다.The arrangement of the heat exchange pipe shown in FIG. 3 is only an example, and those skilled in the art may derive an arrangement of heat exchange pipes having various shapes according to the construction conditions of the tunnel in order to increase the heat exchange efficiency. Could be.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 터널의 시공은, 터널의 굴착면에 숏크리트를 타설하여 숏크리트층을 형성하는 단계; 상기 숏크리트층 상에 유입관, 유출관 및 상기 유입관과 유출관을 연결시키는 연결관부를 포함하는 열교환 파이프를 설치하여 열교환층을 형성하는 단계; 및 상기 열교환 파이프가 시공된 열교환층 상에 콘크리트 라이닝을 타설하는 단계;를 포함하여 이루어진다.As described above, the construction of the energy tunnel according to the present invention comprises the steps of: pouring shotcrete on the excavation surface of the tunnel to form a shotcrete layer; Forming a heat exchange layer by installing a heat exchange pipe on the shotcrete layer, the heat exchange pipe including an inlet pipe, an outlet pipe, and a connection pipe part connecting the inlet pipe and the outlet pipe; And placing concrete lining on the heat exchange layer on which the heat exchange pipe is constructed.
그리고, 에너지 터널의 시공방법은 지중의 지하수의 원활한 배수를 위해, 상기 콘크리트 라이닝을 타설하는 단계 이전에 상기 열교환층 상에 지하수의 배수를 위한 유도 배수재를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.And, the construction method of the energy tunnel may further include the step of attaching the induction drainage for drainage of groundwater on the heat exchange layer before the step of placing the concrete lining for smooth drainage of groundwater in the ground.
이하에서는, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 따른 에너지 터널의 성능을 시험 및 수치해석을 통해 살펴보고자 한다.Hereinafter, the performance of the energy tunnel according to the present invention for a preferred embodiment through a test and numerical analysis.
숏크리트와 콘트리트 라이닝의 열전도도 측정Thermal conductivity measurement of shotcrete and concrete lining
지중 열교환기는 순환 유체의 유속 및 열전도도, 열교환 파이프의 열전도도, 열교환 파이프 주변 그라우트의 열전도도, 지하수 흐름 상태 등의 요소에 영향을 받는데, 여기서는 본 발명에 따른 에너지 터널의 열교환 성능을 수치해석을 통해 살펴보기 위해, 먼저 숏크리트와 콘트리트 라이닝의 열전도도를 측정하였다. 측정방법은 숏크리트와 라이닝을 배합하여 시편을 제작한 후 프로브를 사용하여 열전도도를 측정하였다. 열전도도의 측정을 위해 비정상 열선법(transient hot wire method)을 이용하는 열도도도 측정기(QTM-500)를 사용하였다.Underground heat exchangers are affected by factors such as the flow velocity and thermal conductivity of the circulating fluid, the thermal conductivity of the heat exchange pipe, the thermal conductivity of the grout around the heat exchange pipe, and the groundwater flow conditions. To examine through, the thermal conductivity of shotcrete and concrete lining was measured first. The measuring method was prepared by mixing the shotcrete and lining, and then measured the thermal conductivity using a probe. A thermal conductivity meter (QTM-500) using a transient hot wire method was used for the measurement of thermal conductivity.
도 4에 열전도도의 측정에 사용된 숏크리트와 콘크리트 라이닝 시편을 도시하였다. 도 4에서, (a)는 숏크리트 시편, (b)는 숏크리트에 강섬유가 혼합된 강섬유 숏크리트 시편, (c)는 콘트리트 라이닝 시편 사진이다.4 shows the shotcrete and concrete lining specimens used for the measurement of thermal conductivity. In Figure 4, (a) is a shotcrete specimen, (b) is a steel fiber shotcrete specimen mixed with steel fibers in the shotcrete, (c) is a photograph of the concrete lining specimen.
열전도도 측정에 사용된 숏크리트, 강섬유 숏크리트의 배합비를 표 1에, 콘크리트 라이닝 배합비를 표 2에 나타내었으며, 측정된 열전도도를 표 3에 나타내었다.The mixing ratio of the shotcrete and the steel fiber shotcrete used in the thermal conductivity measurement is shown in Table 1, the concrete lining mixing ratio is shown in Table 2, and the measured thermal conductivity is shown in Table 3.
표 3으로부터 알 수 있듯이, 강섬유가 포함된 숏크리트의 열전도도가 2.5261W/mK로 가장 높게 나타났으며, 굵은 골재가 첨가되지 않은 라이닝이 1.1311W/mK로 가장 낮게 나타났다. 강섬유 숏크리트는 일반 숏크리트에 비해 열전도도 값이 향상되므로, 강섬유 숏크리트를 이용하여 숏크리트층을 형성하면, 에너지 터널의 열교환 효율을 더욱 높일 수 있다.As can be seen from Table 3, the thermal conductivity of the shotcrete containing steel fiber was the highest 2.5261W / mK, the lining without the addition of coarse aggregate was the lowest was 1.1311W / mK. Since the steel fiber shotcrete has improved thermal conductivity compared to the general shotcrete, when the shotcrete layer is formed using the steel fiber shotcrete, heat exchange efficiency of the energy tunnel can be further increased.
한편, 지반의 열전도도가 대략 2.0W/mK인 점을 고려할 때 숏크리트의 열전도도는 양호한 것으로 나타났다. 라이닝의 경우 터널 외벽 시공 시 마감재 역할을 하므로 표면이 매끄러운 재료가 선택되어야 하므로, 굵은 골재의 사용이 제한되어 배합비에 포함되지 않아 열전도도가 상대적으로 낮게 나타났다.On the other hand, considering that the thermal conductivity of the ground is approximately 2.0 W / mK, the thermal conductivity of the shotcrete was found to be good. Since lining plays a role of finishing material when constructing the outer wall of the tunnel, a material with a smooth surface should be selected. Therefore, the use of coarse aggregate is limited and is not included in the mixing ratio, resulting in relatively low thermal conductivity.
여기서, Gmax:굵은 골재 최대치수, S/a:잔골재율, a:골재량(S+G), W:물, C:시멘트, S:잔골재, G:굵은골재, fck:콘크리트 설계기준강도, fbk:콘크리트 설계기준휨강도를 의미한다.Where Gmax: maximum coarse aggregate, S / a: fine aggregate ratio, a: aggregate (S + G), W: water, C: cement, S: fine aggregate, G: coarse aggregate, fck: concrete design reference strength, fbk : Refers to concrete design standard bending strength.
여기서, FA:플라이애쉬, Be: 벤토나이트를 의미한다.Here, FA means fly ash and Be means bentonite.
에너지 터널의 수치해석Numerical Analysis of Energy Tunnels
열전도도의 실험결과를 토대로 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 터널을 도 5와 같이 모델링하여 열전달 해석을 수행하였다.The heat transfer analysis was performed by modeling an energy tunnel according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 5 based on experimental results of thermal conductivity.
도 5(a)는 해석모델의 개략 단면도를, 도 5(b)는 해석모델의 열교환 파이프 배열을, 도 5(c)는 3차원 해석 모델을 도시한 도면이다.Fig. 5 (a) is a schematic sectional view of the analysis model, Fig. 5 (b) is a heat exchange pipe arrangement of the analysis model, and Fig. 5 (c) is a view showing a three-dimensional analysis model.
숏크리트층(1), 열교환 파이프(10), 지하수(20), 콘크리트 라이닝층(3)을 포함하는, 길이가 505cm, 폭이 150cm인 에너지 터널을 모델링하고, 열교환 파이프(10)에 유동액을 유입시켜 유동액의 열교환 파이프에서의 온도변화를 살펴보았다. 여기서, 수치해석에 사용된 열교환 파이프(10)는 외경이 30mm이고, 두께가 5mm인 HDPE(High Density PolyEthylene) 파이프로서, 총연장이 18m 로 모델링되었으며 터널 내의 시공 조건을 모사하기 위해 10cm 두께의 숏크리트층과 20cm 두께의 콘트리트 라이닝층을 고려하였다. 그리고, 지하수는 정수상태로 고려하였으나, 지하수 흐름에 의한 열전도 상승을 고려하기 위해 지하수의 열전도도를 변화시켜 해석을 수행하였다.Model an energy tunnel 505 cm long and 150 cm wide, including the
수치해석에 사용된 숏크리트와 라이닝의 열전도도는 시험을 통해 측정된 결과 중 습윤상태의 일반 숏크리트와 라이닝의 물성치를 사용하였으며, 수치해석에 적용된 물성치는 표 4와 같다. The thermal conductivity of the shotcrete and lining used in the numerical analysis was measured using the properties of the general shotcrete and the lining of the wet state, and the physical properties applied to the numerical analysis are shown in Table 4.
열교환 파이프 내를 순환하는 유체의 순환속도는 0.1m/s로 가정하였다.The circulation velocity of the fluid circulating in the heat exchange pipe is assumed to be 0.1 m / s.
도 6(b)는 도 6(a)에 도시된 해석 모델의 단면 A-A에서의 온도분포를 나타낸 그래프이다. 터널 내 온도를 10℃, 열교환 파이프에 유입되는 유동액 온도를 20℃로 하여 수치해석을 수행한 결과, 유동액의 유출온도가 약 16.41℃로, 유동액의 유입 및 유출간 온도차가 약 3.6℃ 정도 발생되는 것을 확인하였다.FIG. 6 (b) is a graph showing the temperature distribution in cross section A-A of the analysis model shown in FIG. 6 (a). Numerical analysis was performed with the temperature inside the tunnel at 10 ° C and the fluid temperature flowing into the heat exchange pipe at 20 ° C. As a result, the outflow temperature of the fluid was about 16.41 ° C and the temperature difference between the inflow and outflow of the fluid was about 3.6 ° C. It was confirmed that the degree is generated.
에너지 터널 내의 영향요소를 고려한 수치해석Numerical Analysis Considering Influence Factors in Energy Tunnels
(1) 열교환 파이프의 간격(1) gap of heat exchange pipe
열교환 파이프 사이의 열간섭에 의한 영향을 파악하기 위해 열교환 파이프의 직선부(14) 사이의 간격을 각각 30, 40, 50cm 3가지 경우로 해석하였다.In order to grasp the influence of the heat interference between the heat exchange pipes, the intervals between the
해석결과, 열교환 파이프 사이의 간격이 가장 큰 50cm에서 가장 낮은 약 17.0℃의 유출온도가 발생됨을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the lowest outlet temperature of about 17.0 ° C. occurred at 50 cm, the largest distance between the heat exchange pipes.
(2) 열교환 파이프의 배열(2) arrangement of heat exchange pipe
열교환 파이프의 배열을 도 3(a)와 같은 횡방향 배열로 바꾸어 해석을 수행하였다.The analysis was performed by changing the arrangement of the heat exchange pipe to the transverse arrangement as shown in FIG.
해석결과, 동일한 총연장을 갖는 열교환 파이프를 횡방향으로 배열할 경우, 유출온도가 16.11℃로, 종방향 배열에서의 유출온도 16.41℃에 비해 상대적으로 효율이 좋은 것으로 나타났다. 이는 총연장이 일정할 때 터널의 단면 특성상 횡방향으로 배열하였을 경우 열교환 파이프의 굴곡부(15)를 줄일 수 있어 열교환 파이프 사이의 간격이 멀어지는 효과로 해석될 수 있다.As a result of analysis, when the heat exchange pipes with the same total extension are arranged in the transverse direction, the outflow temperature is 16.11 ° C, which is relatively efficient compared to the outflow temperature of 16.41 ° C in the longitudinal arrangement. This can be interpreted as an effect of reducing the distance between the heat exchange pipes when the total length is constant can be reduced the
(3) 지하수 흐름(3) groundwater flow
지하수 흐름에 대한 영향은 지하수의 열전도도를 0.6, 1.0, 1.5W/mK 의 3가지 경우로 해석하여 결과를 고찰하였다.The effects on the groundwater flow were analyzed by analyzing the thermal conductivity of groundwater into three cases of 0.6, 1.0, 1.5W / mK.
해석결과, 지하수의 열전도도가 1.5W/mK인 경우 유출온도가 16.20℃로서, 열전도도가 0.6W/mK일 때의 유출온도 16.41℃에 비해 상대적으로 높은 효율을 보임을 알 수 있었다.As a result, it was found that when the thermal conductivity of groundwater is 1.5W / mK, the outflow temperature is 16.20 ° C, which is relatively higher in efficiency compared to the outflow temperature of 16.41 ° C when the thermal conductivity is 0.6W / mK.
(4) 열교환 파이프내 유동액 순환속도(4) Circulating fluid circulation rate in heat exchange pipe
열교환 파이프내 유동액의 순환 속도에 따른 영향을 분석하기 위해 순환속도를 0.05, 0.1, 0.3m/s의 3가지 경우로 해석하였다.In order to analyze the influence of the circulation velocity of the fluid in the heat exchange pipe, the circulation velocity was analyzed in three cases of 0.05, 0.1 and 0.3 m / s.
해석결과, 순환속도 0.05m/s와 0.3m/s의 경우 유출온도는 각각 14.64℃ 및 18.29℃로 순환속도가 낮을수록 효율이 향상됨을 알 수 있었다.As a result of the analysis, it was found that the efficiencies of the outflow temperatures were 14.64 ° C and 18.29 ° C for the circulation speeds of 0.05m / s and 0.3m / s, respectively.
열교환 파이프의 총연장이 길수록 열교환 면적 및 열교환 시간이 늘어나 열교환 효율이 증대될 것이므로, 실제 터널의 굴착면에 본 발명에 따른 에너지 터널을 시공할 경우, 열교환 파이프의 총연장의 증가에 따라 충분한 효율을 기대할 수 있을 것이다.Since the longer the total length of the heat exchange pipe, the heat exchange area and the heat exchange time will increase, so that the heat exchange efficiency will be increased. Therefore, when the energy tunnel according to the present invention is installed on the excavated surface of the actual tunnel, sufficient efficiency can be expected as the total length of the heat exchange pipe increases. There will be.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 터널의 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an energy tunnel according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 개략도이다.2 is a schematic diagram of a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프의 배열을 예시한 도면이다.3 is a diagram illustrating an arrangement of a heat exchange pipe according to another embodiment of the present invention.
도 4는 열전도도의 측정에 사용된 숏크리트와 콘크리트 라이닝 시편 사진이다.4 is a photograph of shotcrete and concrete lining specimens used in the measurement of thermal conductivity.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 지열을 이용한 에너지 터널의 수치해석 모델을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a numerical analysis model of the energy tunnel using the tunnel geothermal heat according to an embodiment of the present invention.
도 6은 도 5에 도시된 수치해석 모델의 온도 분포를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a temperature distribution of the numerical model shown in FIG. 5.
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