지하공동구 터널내 풍속 변화에 따른 열특성에 관한 수치 해석적 연구 A numerical study of the effects of the ventilation velocity on the thermal characteristics in underground utility tunnel원문보기
본 연구에서는 3면이 지중과 접하는 형태의 전력구에서 온도상승을 방지하기 위한 환기시스템 설계에 필요한 벽면에서 열전달계수 등 열설계 자료를 수치해석적인 방법으로 검토하였다. 수치해석 모델은 터널 벽체에서의 열전달을 고려하기 위해서 전력구의 터널의 라이닝을 포함하는 것으로 모델링하였으며, 전력구에 설치되는 전력케이블의 발열량(117~468 kW/km), 전력구내 풍속(0.5~4.0 m/s)에 따른 터널내 공기온도 및 벽체온도, 벽체를 통한 발열량을 CFD시뮬레이션에 의해서 구하였다. 또한 해석결과로부터 벽체열전달계수를 계산하고 환기구간의 터널내 공기온도를 유지하기 위한 한계거리를 검토하였다. 벽체표면에서 대류열전달계수는 입구영역에서는 불안정한 변화를 보이나 약 100 m정도의 이후에는 일정한 값에 수렴한다. 터널벽체열전달계수는 풍속에 따라 $3.1{\sim}9.16W/m^2^{\circ}C$정도이며, 이를 무차원식으로 표현하면 $Nu=1.081Re^{0.4927}({\mu}/{\mu}_w)^{0.14}$이 된다. 열저항 해석기법에 의해서 터널내 온도 예측방법을 제시하였으며, 약 3%이내의 편차로 예측이 가능한 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 3면이 지중과 접하는 형태의 전력구에서 온도상승을 방지하기 위한 환기시스템 설계에 필요한 벽면에서 열전달계수 등 열설계 자료를 수치해석적인 방법으로 검토하였다. 수치해석 모델은 터널 벽체에서의 열전달을 고려하기 위해서 전력구의 터널의 라이닝을 포함하는 것으로 모델링하였으며, 전력구에 설치되는 전력케이블의 발열량(117~468 kW/km), 전력구내 풍속(0.5~4.0 m/s)에 따른 터널내 공기온도 및 벽체온도, 벽체를 통한 발열량을 CFD시뮬레이션에 의해서 구하였다. 또한 해석결과로부터 벽체열전달계수를 계산하고 환기구간의 터널내 공기온도를 유지하기 위한 한계거리를 검토하였다. 벽체표면에서 대류열전달계수는 입구영역에서는 불안정한 변화를 보이나 약 100 m정도의 이후에는 일정한 값에 수렴한다. 터널벽체열전달계수는 풍속에 따라 $3.1{\sim}9.16W/m^2^{\circ}C$정도이며, 이를 무차원식으로 표현하면 $Nu=1.081Re^{0.4927}({\mu}/{\mu}_w)^{0.14}$이 된다. 열저항 해석기법에 의해서 터널내 온도 예측방법을 제시하였으며, 약 3%이내의 편차로 예측이 가능한 것으로 평가되었다.
In this research, thermal design data such as heat transfer coefficient on the wall surface required for ventilation system design which is to prevent the temperature rise in the underground utility tunnel that three sides are adjoined with the ground was investigated in numerical analalysis. The nu...
In this research, thermal design data such as heat transfer coefficient on the wall surface required for ventilation system design which is to prevent the temperature rise in the underground utility tunnel that three sides are adjoined with the ground was investigated in numerical analalysis. The numerical model has been devised including the tunnel lining of the underground utility tunnel in order to take account for the heat transfer in the tunnel walls. The air temperature in the tunnel, wall temperature, and the heating value through the wall based on heating value(117~468 kW/km) of the power cable installed in the tunnel and the wind speed in the tunnel(0.5~4.0 m/s) were calculated by CFD simulation. In addition, the wall heat transfer coefficient was computed from the results analysis, and the limit distance used to keep the air temperature in the tunnel stable was examined through the research. The convective heat transfer coefficient at the wall surface shows unstable pattern at the inlet area. However, it converges to a constant value beyond approximately 100 meter. The tunnel wall heat transfer coefficient is $3.1{\sim}9.16W/m^2^{\circ}C$ depending on the wind speed, and following is the dimensionless number:$Nu=1.081Re^{0.4927}({\mu}/{\mu}_w)^{0.14}$. This study has suggested the prediction model of temperature in the tunnel based on the thermal resistance analysis technique, and it is appraised that deviation can be used in the range of 3% estimation.
In this research, thermal design data such as heat transfer coefficient on the wall surface required for ventilation system design which is to prevent the temperature rise in the underground utility tunnel that three sides are adjoined with the ground was investigated in numerical analalysis. The numerical model has been devised including the tunnel lining of the underground utility tunnel in order to take account for the heat transfer in the tunnel walls. The air temperature in the tunnel, wall temperature, and the heating value through the wall based on heating value(117~468 kW/km) of the power cable installed in the tunnel and the wind speed in the tunnel(0.5~4.0 m/s) were calculated by CFD simulation. In addition, the wall heat transfer coefficient was computed from the results analysis, and the limit distance used to keep the air temperature in the tunnel stable was examined through the research. The convective heat transfer coefficient at the wall surface shows unstable pattern at the inlet area. However, it converges to a constant value beyond approximately 100 meter. The tunnel wall heat transfer coefficient is $3.1{\sim}9.16W/m^2^{\circ}C$ depending on the wind speed, and following is the dimensionless number:$Nu=1.081Re^{0.4927}({\mu}/{\mu}_w)^{0.14}$. This study has suggested the prediction model of temperature in the tunnel based on the thermal resistance analysis technique, and it is appraised that deviation can be used in the range of 3% estimation.
이에 본 연구에서는 전력구에 설치되는 전력케이블의 송전용량에 따라 변하는 발열량과 공동구내 풍속(0.5~4.0 m/s)을 변수로 하여, 수치시뮬레이션을 통해 벽체 열전달계수를 예측하고 환기구간 한계거리를 벽체온도상승 관점에서 수치해석적인 방법으로 검토하여 전력구 환기시스템 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
가설 설정
본 해석모델에서는 벽체의 열전달계수를 예측하기 위해서 공동구 라이닝의 두께를 0.5 m로 하고 라이닝의 라이닝 외측 표면의 온도는 6~7 m 깊이의 지중으로 가정하여 15°C로 설정하였다(Seoul Metropolitan Government Office of Subway Construction, 2005).
전력구에 설치되는 전력케이블에서 발생하는 열량은 도체에서 발생하는 열량, 절연체에서 발생하는 열량, 시스에서 발생하는 열량의 합이 되나 본 연구에서는 각각의 열량 산정은 수행하지 않았으며, 습기가 높은 경우 표면 결로가 발생할 수 있는 latent heat 유입에 따른 내부의 열환경 변수는 고려하지 않았다.
터널 설계시 터널라이닝 외벽이 지중과 접하는 온도를 예측하는 것이 불가능하므로 본 연구에서는 외벽과 접하는 온도는 설계시 적용한 바와 같이 지중온도(Tg)로 일정한 것으로 가정하였다.
제안 방법
공동구내 기준온도를 35°C(터널온도-급기온도=4°C)와 37°C, 40°C로 하여 환기가 필요한 한계거리를 분석하였으며, 분석결과를 나타내면 Fig. 7과 같다. 단, 본 해석의 공동구는 Fig.
본 연구에서는 3면이 지중과 접하는 형태의 전력구의 환기시스템 설계를 위한 기초자료를 제시할 목적으로 전력구의 라이닝을 포함하는 수치해석 모델링을 하고 수치시뮬레이션을 통해 전력구에 설치되는 전력 케이블의 발열량(117~468 kW/km), 전력구내 풍속(0.5~4.0 m/s)에 따른 터널내 공기온도 및 벽체온도, 벽체를 통한 방열량을 구하였다.
대상 데이터
본 연구에서의 전체 발열량조건으로 적용한 케이블은 일반적으로 사용되는 설계범위의 케이블을 선정하였다(Yu, 2004). 이 경우 케이블 한가닥의 발열량은 19.
본 연구의 터널단면은 Fig. 1과 같으며, 이 중 케이블이 통과하는 전력구를 해석대상으로 한다. 공동구 단면적은 Fig.
성능/효과
1. 터널내 단면평균 공기온도는 에측되는 바와 같이 케이블의 발열량이 증가하고 풍속이 감소할수록 증가하는 경향을 갖는다.
3. 케이블의 발열량이 234 kW/km이상인 경우에는 풍속이 작은 경우(0.5 m/s)에 터널내 온도는 입구에서부터 급격하게 상승하여 일정거리 이상이 되면 일정한 온도에 수렴하는 경향을 보이고 있다.
터널 라이닝의 외측표면온도를 지중온도로 하여 열저항을 구한 결과, 열저항은 전력선의 발열량에는 무관하며 온도가 증가하면 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한 열저항 해석방법에 의해서 터널내 공기온도를 예측한 결과 수치해석결과와 3%의 편차로 예측할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하공동구의 온도 상승을 억제해야 하는 이유는?
지하 공동구는 현대인의 도시생활에 필수적인 전기, 가스, 통신시설, 수도, 난방 등과 같은 인프라 시설을 통합 관리하기 위하여 하나의 공간에 공동으로 수용하는 공간이며, 대부분의 경우, 도로의 지하에 설치되는 터널형 지하시설물이다. 지하공동구는 터널형 폐쇄 공간으로 전력선의 송전효율 저하를 방지하기 위해서 공기온도의 상승을 억제할 필요가 있으며, 작업자나 관리자의 출입시에 대비하여 작업환경을 확보하기 위한 환기가 필요하다. 또한 내부에 수용되는 시설물에 의해서 화재가 발생할 경우에 대비하여 소화활동 및 구조활동을 위한 설비가 요구된다.
지하 공동구란 무엇인가?
지하 공동구는 현대인의 도시생활에 필수적인 전기, 가스, 통신시설, 수도, 난방 등과 같은 인프라 시설을 통합 관리하기 위하여 하나의 공간에 공동으로 수용하는 공간이며, 대부분의 경우, 도로의 지하에 설치되는 터널형 지하시설물이다. 지하공동구는 터널형 폐쇄 공간으로 전력선의 송전효율 저하를 방지하기 위해서 공기온도의 상승을 억제할 필요가 있으며, 작업자나 관리자의 출입시에 대비하여 작업환경을 확보하기 위한 환기가 필요하다.
지하공동구에 소화활동 및 구조활동을 위한 설비가 필요한 이유는?
지하공동구는 터널형 폐쇄 공간으로 전력선의 송전효율 저하를 방지하기 위해서 공기온도의 상승을 억제할 필요가 있으며, 작업자나 관리자의 출입시에 대비하여 작업환경을 확보하기 위한 환기가 필요하다. 또한 내부에 수용되는 시설물에 의해서 화재가 발생할 경우에 대비하여 소화활동 및 구조활동을 위한 설비가 요구된다. 이에 공동구에는 터널내 적정 온도 및 습도를 유지하고 화재시에는 연기를 일방향으로 제어하여 대피환경을 확보할 수 있도록 환기설비를 설치하도록 시설기준에서 정하고 있다.
참고문헌 (7)
Cha, B.K. (2003), "A Study on Water Cooling System for 345 kV, 154 kV Cable Underground Tunnel", The Korean Society of Mechanical Engineers autumn annual conference, pp. 131-155.
Bae, J.-H., Min, B.-W., Kim, T.-Y., Kim, J.-S., Suk, K.-H., Shon, H.-S. (2011) "Cooling System for the Increase of Underground Power Cable Capacity in Tunnel", The Transactions of the Korean Institute of electrical engineers summer annual conference, pp. 574-575.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2010), "Utility Pipe Tunnel Design Criteria (KDS 27 60 00-4.1.4)", South Korea.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2010), "Utility Pipe Tunnel Design Criteria (KDS 27 60 00-4.3.5)", South Korea.
Ministry of Land (2015), "Energy Saving Design Standard of Building", South Korea.
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