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Evaluation of geothermal utilization system design factors considering thermo-hydro characteristics of ground = 지반의 열-수리학적 특성을 고려한 지열이용시스템 설계 인자 평가
서명 / 저자 Evaluation of geothermal utilization system design factors considering thermo-hydro characteristics of ground = 지반의 열-수리학적 특성을 고려한 지열이용시스템 설계 인자 평가 / Jun-seo Jeon.
저자명 Jeon, Jun-seo ; 전준서
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

This study attempts to evaluate the design factors of geothermal utilization systems considering thermo-hydro characteristics of ground. Depending on the type of geothermal utilization system, different thermal and hydraulic properties of soil should be considered. In addition, as the soil behavior was complex, numerical analysis was mainly employed and on-site experiments were performed for verification. First, this research presents a reliable prediction method for ground temperature variation by spiral coil-type horizontal ground heat exchangers. A new analytical solution for spiral coil-type horizontal ground heat exchanger was derived using Green’s function and validated through on-site thermal response tests. Along with this proposed analytical solution, this study proposed a load sharing ratio model that could be used to consider the effect of outlet pipe in spiral coil-type horizontal ground heat exchangers. Accurate predictions of ground temperature variation, which are essential for the design of ground source heat pump systems, are possible using the proposed analytical solution and load sharing ratio model for cases that employ spiral coil-type horizontal ground heat exchangers. In addition, a scale factor model was provided as an alternative design factor of spiral coil-type horizontal ground heat exchangers. This model was developed using an artificial neural network and linear regression methods, based on the results of parametric studies. This research also attempts to evaluate the thermal properties of the ground for the design of standing column well systems. Using the developed standing column well model, a total of 420 scenarios were simulated by varying the thermal properties, hydraulic properties, operation properties, and bleeding rates to evaluate the effect of each parameter on the enhanced thermal conductivity that was obtained through thermal response tests. The results show that the applicability of thermal response tests in designing standing column well systems is mainly dependent on the magnitude of hydraulic conductivity. Lastly, this research attempts to evaluate the design factors of high-temperature aquifer thermal energy storage systems based on a sensitivity analysis. The reliable sensitivity analysis was conducted for two cases by designing and modeling a computer experiment. The most important input variables were then selected and confirmed to consider the interaction effects for each case. It was confirmed that the key parameters varied depending on the domain of hydraulic and thermal properties of the experiments, as well as the number of input variables.

본 연구에서는 지반의 열-수리학적 특성을 고려하여 지열이용시스템 설계 인자를 평가하고자 하였다. 지열이용시스템의 종류에 따라, 고려해야 하는 지반의 열-수리학적 물성이 달라진다. 더불어 흙의 거동은 복잡하기 때문에, 수치 해석이 주로 이용되었으며 현장 실험은 검증을 위해 수행되었다. 먼저, 나선 코일형 수평 지중 열교환기에 의해 유발되는 지반의 온도 변화를 예측하는 방법을 제시하였다. 나선 코일형 수평 지중 열교환기를 위한 새로운 해석해를 그린 함수를 이용하여 유도하였고, 현장 열응답시험을 통해 검증하였다. 제안된 해석해와 함께, 나선 코일형 수평형 열교환기의 직선관 (환수관) 효과를 고려할 수 있는 부하 분담률 모델을 제안하였다. 제안된 해석해와 부하 분담률을 이용하여, 나선 코일형 수평 지중 열교환기가 사용될 때 지중열교환시스템 설계에 필수적인 지중 온도 변화의 정확한 예측이 가능하다. 또한 나선 코일형 수평 지중 열교환기의 대안 설계 인자로서 축척 계수 모델을 제안하였다. 매개 변수 분석의 결과를 바탕으로, 인공 신경망 기법과 선형회귀법을 통해 모델이 개발되었다. 둘째로, 우물 관정형 시스템의 설계를 위한 지반의 열적 특성을 평가하고자 하였다. 개발된 수치 우물 관정형 시스템 모델을 바탕으로, 열응답 시험을 통해 얻을 수 있는 증진열전도도에 미치는 영향을 파악하고자 지반의 열-수리학적 물성, 시스템 운영 조건, 그리고 블리딩 비율을 달리하여 총 420개의 시나리오에 대해 모의 실험을 수행하였다. 해석결과는 우물 관정형 시스템의 설계를 위한 열응답시험의 적용성은 수리전도도의 크기에 좌우됨을 보여준다. 마지막으로 본 연구는 민감도 분석을 바탕으로 고온 대수층 열에너지 저장 시스템의 설계 요소를 평가하고자 하였다. 컴퓨터 실험의 설계 및 모델링을 바탕으로 신뢰할 수 있는 민감도 분석을 두 가지 고온 대수층 열에너지 저장 시스템에 대해 실시하였다. 이를 바탕으로, 가장 중요한 입력 변수를 선택하고 각 사례에 대한 설계 요소들간의 상호 작용 효과를 고려하였으며, 주요 매개 변수는 지반의 열-수리학적 물성의 범위와 고려하고자 하는 설계 변수의 수에 따라 달라지는 것을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCE 18006
형태사항 xi, 139 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 전준서
지도교수의 영문표기 : Seung Rae Lee
지도교수의 한글표기 : 이승래
수록잡지명 : "Sensitivity analysis of recovery efficiency in high-temperature aquifer thermal energy storage with single well". Energy, v.90, pp.1349-1359(2015)
수록잡지명 : "Applicability of thermal response tests in designing standing column well system: A numerical study". Energy, v.109, pp.679-693(2016)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 건설및환경공학과,
서지주기 References : p. 126-133
주제 spiral coil-type horizontal ground heat exchanger
standing column well system
aquifer thermal energy storage system
sensitivity analysis
numerical analysis
나선 코일형 수평 지중 열교환기
우물 관정형 시스템
대수층 열에너지 저장 시스템
민감도 분석
수치 해석
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