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주변 지반의 열전도도를 고려한 PHC 에너지파일의 열 거동 및 파일 간 열 간섭 현상에 대한 수치해석 연구
고규현,윤석,박도원,이승래,Go, Gyu Hyun,Yoon, Seok,Park, Do Won,Lee, Seung-Rae 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.6
일반적으로 에너지파일의 열적 성능에 영향을 주는 중요한 인자로 지반의 열 물성, 열 교환기 형태, 운용방법, 파일 간 열 간섭 등이 고려될 수 있다. 본 연구에서는 지반의 실제 조건을 반영한 수치모델을 통해 이들 인자들이 미치는 영향을 살펴보았다. 지반의 포화 정도에 따라서 파일의 열 교환율은 최대 3배까지 차이를 보였으며, 열 저항은 최대 8.7%의 차이가 발생하였다. 또한 열 교환기 유형이 파일의 열 성능에 영향을 주며, 3U-Type이 W나 U-Type에 비해 상대적으로 높은 열 효율을 보였다. 운용방법에 있어서, 부분가동 시(8시간 가동, 16시간 휴지) 연속가동에 비해서 약 20%의 열효율을 보전할 수 있으며, 장기적인 열 축적현상을 방지하는데 유리하다. 지반의 조건에 따라 군 말뚝에 의한 열 간섭 정도가 달라지는데, 지반이 포화상태에서 건조 상태로 갈수록 군 말뚝에 의한 열 간섭효과는 감소한다. 일반적인 지반조건에서 열 교환 감소율 1%미만을 유지하는 적정 이격 거리는 U-Type에서 최대 3.2D, W-Type에서 최대 3.6D, 3U-Type에서 최대 3.7D로 산정되었다. In general, ground's thermal properties, types of heat exchanger, operational method, thermal interference between piles can be considered as key factors which affect the thermal performance of energy pile. This study focused on the effect of these factors on the performance by a numerical model reflecting a real ground condition. Depending on the degree of saturation of ground, pile's heat transfer rate showed a maximum difference of three times, and the thermal resistance of pile made a maximum difference of 8.7%. As for the type of heat exchanger effects on thermal performance, thermal efficiency of 3U type energy pile had a higher value than those of W and U types. The periodic operation (8 hours operation, 16 hours pause) can preserve about 20% of heat efficiency compared to continuous operation, and hence it has an advantage of preventing the thermal accumulation phenomenon. Thermal interference effect in group piles may vary depending on the ground condition because the extent decreases as the ground condition varies from saturated to dry. The optimal separation distance that maintains the decreasing rate of heat efficiency less than 1% was suggested as 3.2D in U type, 3.6D in W type, and 3.7D in 3U type in a general ground condition.
달 지하 얼음 층 존재 가능조건 검토를 위한 달 지반 온도 프로파일 산정 연구
고규현,이장근,신휴성 대한토목학회 2019 대한토목학회논문집 Vol.39 No.6
NASA’s lunar polar exploration mission in 2009 confirmed the presence of ice-layer in the permanently shadowed regions (PSR) of the moon. Since then, studies have been actively conducted to evaluate the ground characteristics for exploring the ice-layer in the polarregions of the Moon. In this study, transient heat transfer analysis for the lunar ground was conducted to predict the ground’s temperature that varies with the time and location. As a result of the numerical analysis, it was confirmed that the temperature under the lunar ground converged to below the ice sublimation reference temperature (≒112 K) at above 86° latitude. This model enabled us to identify the regions where there is a high possibility of ice being buried. Besides, we found that the ice-layer in the shallow region, where the temperature deviation is significant, makes ground temperature distribution heterogeneous. Lastly, this study suggested the maximum allowable frictional heat of a drill bit that can preserve the phase of buried ice. 2009년 NASA에서 수행된 달 극지 탐사 미션을 통해 달 극지의 영구음영지역에 얼음 층이 존재한다는 증거가 발견되었다. 이후, 달 극지 지역얼음 층 탐사를 위한 지반 특성 평가 연구들이 국내외적으로 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 달 영구음영지역의 지반온도변화를 예측하고, 얼음 층이 지반 온도 프로파일에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 달 지반에 대한 비정상 상태 열 해석을 수행하였다. 수치해석결과를 통해 위도 86°이상에서 달 지반 내부의 온도가 얼음승화 기준온도인 112 K 이하로 수렴한다는 것을 확인하였고, 이는 달 극지 내 얼음 층이 존재하고 있을 가능성이 높은 지역을 확률적으로 판단할 수 있는 근거가 되었다. 얼음 층이 매장되어 있는 깊이에 따라 지반 온도 프로파일에 미치는 영향정도가 다르게 나타났는데, 온도 편차가 큰 얕은 심도에 존재하는 얼음 층은 이질적인 온도분포 특성을 초래한다는 사실을 확인하였다. 또한, 본 연구는 매장된 얼음의 상을 보존하도록 하는 드릴 비트의 최대 허용 마찰열에 대해서 고찰하였다.