Research on the design of underground facilities such as ground-coupled pump systems or high-level radioactive waste repositories should accurately consider the heat exchange mechanism between the underground facilities and surrounding ground. In this study, a numerical study was conducted on the thermal behavior of ground-coupled heat pump systems and high-level radioactive waste repositories considering coupled relationships, which refer to the variation in thermal properties of geomaterials.
First, a numerical model that considers the variation of ground thermal properties was established for a ground coupled heat pump system based on the finite element method. The numerical model was validated through laboratory thermal response tests of a horizontal ground heat exchanger, showing that the numerical model is in good agreement with the experimental results. The thermal conductivity and ground temperature were detected as significant design factors requiring coupled relationships through a sensitivity analysis. These factors were coupled using analytical method. In addition, considering the coupled relationship, the sensitivity analysis was additionally performed to investigate the significance of design factors in the ground coupled heat pump systems. As a result, the ground thermal conductivity, installation depth, and inlet temperature were determined as major design factors. However, the order of significance of the major factors was dependent on regional climate factors. Furthermore, the thermal performance evaluation, which takes into account the variation in the thermal conductivity due to the ground temperature distribution, was conducted on a horizontal spiral-coil type ground heat exchanger. The results revealed that the thermal performance was enhanced when the coupled relationship was considered, and an optimum installation depth of the horizontal ground heat exchanger, of which there was no statistical significance, was identified.
Meanwhile, a numerical model was also constructed for a high-level radioactive waste repository, taking into account thermal and hydraulic properties of a bentonite buffer. The model was verified by considering the temperature variations of the buffer obtained by an applicable analytical solution. The sensitivity analysis was performed to determine properties of the buffer requiring coupled relationships. The relationships were set up by a multiple regression analysis using experimental data. Considering the coupled relationship, the sensitivity analysis was additionally conducted to evaluate the significance of design factors of a buffer. As a result, thermal conductivity, saturated permeability, and viscosity were identified as key factors. The results also showed that the degree of significance of the design factors on the thermal behavior depends on the coupled relationship among the physical properties of the reference buffer material. In addition, an optimum initial condition for compacted bentonite blocks to achieve the minimum peak temperature was determined, which is the main design criterion of repositories, by applying a firefly algorithm optimization technique in consideration with the coupled relationship. The suggested optimum initial condition was validated through a parametric study.
지열원 펌프 시스템이나 고준위폐기물 처분 시설과 같은 지중 시설물의 설계에서는 지중 시설물과 주변 지반 사이의 열교환 메커니즘이 정확하게 고려되어야 한다. 따라서, 본 논문에서는 지반재료의 변화하는 열적 특성을 고려한 지열원 펌프 시스템과 폐기물 처분 시설의 열적 거동에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다.
우선, 지열원 펌프 시스템에 대하여 유한요소법 기반의 수치해석 모델을 설정하였다. 설정된 유한요소 수치 모델은 수평형 지중 열교환기의 실내 열응답 시험의 결과와 비교 및 검증을 하였고, 검증 결과 수치해석 모델이 지반의 열적 거동을 정확하게 예측함을 확인하였다. 또한, 설계 인자의 민감도 분석을 통하여 물성간의 관계를 고려해야 할 인자들을 선택하였다. 선택된 인자들은 이론적 방법에 의해 서로의 관계성을 고려해주었고, 이를 반영하여 지열원 펌프 시스템에서의 설계 인자의 중요도 평가를 위하여 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 지반의 열전도도, 설치 심도, 입구 온도가 주요 영향 인자로 나타났다. 한편, 이들 중요도의 우선 순위는 지열원 펌프 시스템이 설치되는 지역에 따라 다르게 나타났다. 나아가 본 연구 기술을 수평 코일형 지중 열교환기의 열적 거동 해석에 적용시켜봄으로써 기존 연구들에서는 고려하지 못했던 온도에 따른 저심도 지반의 열전도도의 변화를 반영한 열성능 평가를 수행하였다. 이를 통해 기존 대비 열적 성능이 증가하였음을 확인하였고, 통계적 유의성이 존재하지 않는 수평형 지중 열교환기의 최적의 설치 심도를 확인할 수 있었다.
또한, 폐기물 처분 시설에 관하여 완충재의 열-수리적 물성 특성을 고려한 수치해석 모델을 구축하였다. 수치해석 모델은 적용가능한 이론해를 통하여 얻어진 완충재의 온도 변화를 이용하여 비교 및 검증하였다. 그리고, 설계 인자의 민감도 분석을 통하여 물성간의 연계를 고려해야 할 인자들을 선택하였다. 선택된 인자들은 실험과 다중 공선성 회귀 분석을 통하여 서로의 관계성을 고려해주었다. 위의 관계성을 고려하여 처분 시설에서의 설계 인자들의 중요도 평가를 위한 민감도 분석을 수행하였고, 그 결과 완충재의 열전도도, 투수 계수, 동점성 계수가 주요 인자로 나타났다. 이들 중요도의 우선 순위는 완충재 물성간의 결합 특성에 따라 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 이를 통해 처분 시설이 설치될 지역적 조건 및 완충재 제작의 초기 조건을 정확히 고려한 완충재 물성의 연계 특성 분석이 필요하다는 것을 확인하였다. 또한 본 연구 기술을 최적화 기법에 적용 시킴으로써, 처분 시설의 주요 설계 기준인 벤토나이트 완충재의 최대 온도에 대한 압축 벤토나이트 불록의 최적의 초기 밀도 값을 도출하였다.
