한국지반공학회논문집제 26 권 7 호 2010 년 7 월 pp. 93 ~ 106 / 특별논문집제 7 호 / 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 Evaluation of Performance of Grouts and Pipe Sections for Closed-loop Vertical Ground Heat Exchanger by In-situ Thermal Response Test 이철호 1 Lee, Chulho 박문서 2 Park, Moonseo 민선홍 2 Min, Sunhong 최항석 3 Choi, Hangseok 손병후 4 Sohn, Byonghu Abstract In performing a series of in-situ thermal response tests, the effective thermal conductivities of six vertical closed-loop ground heat exchangers were experimentally evaluated and compared one another, which were constructed in a test bed in Wonju. To compare thermal efficiency of the ground heat exchangers in field, the six boreholes were constructed with different construction conditions: grouting materials (cement vs. bentonite), different additives (silica sand vs. graphite) and the shape of pipe-sections (general U-loop type vs. 3 pipe-type). From the test results, it can be concluded that cement grouting has a higher effective thermal conductivity than bentonite grouting, and the efficiency of graphite better performs than silica sand as a thermally-enhancing addictive. In addition, a new 3 pipe-type heat exchanger provides less thermal interference between the inlet and outlet pipe than the conventional U-loop type heat exchanger, which results in superior thermal performance. Based on the results from the in-situ thermal response tests, a series of economic analyses have been made to show the applicability of the new addictives and 3 pipe-type heat exchanger. 요 지 현장열응답시험을통해지중유효열전도도를산출하여각보어홀의성능을비교하기위해강원도원주현장에 6개의보어홀을시험시공하였다. 6개의보어홀은그라우트종류와첨가재종류, 지중열교환기파이프단면에따른영향을검토하도록시공되었다. 그라우트재료는벤토나이트와시멘트를사용하였으며첨가재는천연규사와흑연, 파이프단면은기존 U-tube 파이프단면과유입과유출파이프사이에파이프를추가로삽입한새로운 3공형파이프단면을적용하였다. 현장열응답시험으로산정한지중유효열전도도결과는시멘트그라우트로시공한보어홀의경우가벤토나이트그라우트로시공한경우에비해전열성능이향상됨을보였으며흑연을추가로사용한경우가천연규사만사용한경우보다높은효율을보였다. 또한, 유입과유출파이프사이에물을채워부분적단열구간을형성한새로운 3공형파이프단면의경우가기존 U-tube 파이프단면에비해높은효율을보였다. 가상건물에대한지중열교환기설계를수행하여지중열교환기시공비를비교한결과, 시멘트그라우트에첨가재로천연규사와흑연을함께사용한경우가벤토나이트그라우트에첨가재로천연규사를사용한기존의시공방법보다낮은시공비로설계가가능하였다. 마지막으로본현장열응답시험결과를바탕으로일련의경제성분석을통하여새로이제시된첨가제와 3공형파이프단면의적용성을평가하였다. Keywords : Addictive, Bentonite grout, Cementitious grout, Thermal conductivity, Thermal response test 1 정회원, 고려대학교건축 사회환경공학부박사과정 (Member, Graduate Student, School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) 2 고려대학교건축 사회환경공학부석사과정 (Graduate Student, School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ.) 3 정회원, 고려대학교건축 사회환경공학부부교수 (Member, Associate Prof., School of Civil, Environmental and Architectural. Engrg., Korea Univ., hchoi2@korea.ac.kr, 교신저자 ) 4 한국건설기술연구원건축도시연구본부설비플랜트연구실 (Plant Research Division Building & Urban Research Department, KICT) * 본논문에대한토의를원하는회원은 2011년 1월 31일까지그내용을학회로보내주시기바랍니다. 저자의검토내용과함께논문집에게재하여드립니다. 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 93
1. 서론 최근코펜하겐에서개최된기후변화협약총회에서논의된바와같이, 지구온난화에대한세계의관심과우려로인해향후온실가스감축에대한국제적인협의가지속될전망이다. 비록 2009년기후변화협의는개발도상국과선진국간의이견으로법적구속력이있는합의문도출이이루어지지않고우리나라가 2013년부터적용되는의무감축국가로분류되지않았으나세계적인이산화탄소배출규제추세를대비하기위한신재생에너지개발및활용이절실히필요한시점에있다. 지열냉난방시스템은이러한온실가스감축과화석연료를대체할재생에너지중하나로서지하 50~200m 사이에연중일정한지중온도를유지하는천부지열을이용하여건물의그림 1. 수직밀폐형지중열교환기모식도 냉난방에적용하는시스템이다. 지열냉난방시스템은지중에설치된열교환기를통해필요한열에너지를흡수또는방출하며지상에설치한열펌프 (Heat pump) 를사용하여건물의냉난방시스템을운영하게된다. 지열냉난방시스템은지중열교환기설치형태및부동액순환방식에따라여러종류로분류할수있으며이중그림 1과같은수직밀폐형지중열교환기를이용한냉난방시스템은건물이밀집해있어설치면적이제한적인국내상황에적합한방법으로알려져있다. 수직밀폐형지중열교환기의단면은그림 2(a) 와같이일반적으로직경 15cm 보어홀에지중과열교환을위한부동액을순환시킬수있도록유입과유출파이프가 U-tube 형태로삽입되고벤토나이트나시멘트그라우트등으로뒤채움하게된다. 지중열교환기에시공되는그라우트는순환파이프의부동액과지반사이에열적단락을방지하고지하수오염을방지하는목적으로시공된다 (IGSHPA and OSU, 2000). 국내에서사용되는일반적인배합비의벤토나이트그라우트의열전도도는대략 0.74~0.81W/m K 으로보어홀주변지반의열전도도에비해상대적으로매우낮은열전도도를가지고있어, 뒤채움재가순환파이프와지반사이에열저항을일으킬수있다 ( 최항석등, 2008). 그림 2(b) 는냉방순환에서지중열교환기와주변지반에서발생하는열전달과정을나타내는모식도이다. 일반적인수직밀폐형지중열교환기는그림 2(a) 와같이직경 15cm 보어홀내에직경 3~4cm 를갖는두가닥의 HDPE(High-density Polyethylene) 순환파이프가삽입되는형태를갖기때문에유출입파이프가시공조건에따라매우근접할수있다. 따라서, 순환파이프를통해유입된유체가지중열교환기를순환하여다시유출되 (a) 지중열교환기단면모식도 (A-A 단면 ) (b) 지중열교환기의열전달과정 ( 냉방 ) 그림 2. 지중열교환기단면과지중의열전달메커니즘 ( 최항석등, 2008) 94 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
는과정에서유입파이프에의한유출파이프에열간섭이발생할수있다. 이와같은유출입파이프간열간섭영향에대해길후정등 (2009) 은수치해석을통해유출입파이프사이에부분적인단열구간을갖는격자형파이프단면이기존 U-tube 파이프단면에비해상호열간섭을줄여전체시스템의열전달효율을향상시키는것으로보고하였다. 본연구에서는파이프간열간섭을감소시키기위해 U-tube 파이프사이에파이프하나를추가로삽입한형태로새로운 3공형파이프단면을현장에적용하여열교환성능을검토하였다. 그림 3(a) 는현장시공에적용한 3공형파이프단면의모식도이고그림 3(b) 는현장시공모습이다. 물의열전도도는 0.6W/m K으로일반적인그라우트재에대해상대적인단열재료로생각할수있다. 2. 현장열응답시험 2.1 배경이론 현장열응답시험에서지중열교환기는직경에비해길이가매우긴형태이므로선형열원이론으로설명할수있다. 공간상에서 z축에평행한선형열원에열량 () 이공급될때 Carslaw와 Jaeger(1959) 는이선형열원에서반경방향거리 () 에서시간에따른매질의온도차를다음식 (1) 과같이제시하였다. 여기서, 는임의의점 (r) 에서온도, (=) 는열확산계수, 는매질의열전도도, 는단위체적당비열, (1) 은열원으로부터반경방향거리, 은적분변수, 는시간이다. 만약식 (1) 에서초기시간 ( ) 에서초기온도 ( ) 가 0K이고시간에따른열량이열원의단위길이에대해 ( 상수 ) 로일정하다고가정하면식 (1) 은다음식 (2) 로표현할수있다. (2) 식 (2) 에서충분히긴시간에대해서다음식 (3) 과같이어떤시간과열원에서의거리에대한무한선형열원해를지수적분형태로표현할수있다. (3) 여기서, 는지수적분으로다음과같이정의된다. (4) 여기서, 은 Euler 상수로 0.5772이다. 따라서그림 1 과같은보어홀벽면 ( 보어홀중심에서 만큼떨어진지점 ) 의임의시간에서초기온도와의차이는다음식 (5) 와같이표현할수있다. (5) 여기서, 는시간 t에서보어홀벽면의온도, 는보어홀벽면의초기온도, 는단위시간당주입된열량, 은보어홀의길이이며 은단위시간단위길이당단 (a) 3 공형파이프단면모식도 (b) 3 공형파이프시공모습 그림 3. 새로운 3 공형파이프단면과시공모습 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 95
위열량 (), 는보어홀의반지름이다. 여기서보어홀은선형열원으로간주하기때문에파이프평균온도 ( ) 는다음식 (6) 과같이입출구순환수의평균온도로가정된다. 보어홀내부의열저항 ( ) 은평균온도차와단위길이당열량을사용하여다음식 (7) 로정의한다. (6) (7) 여기서, 는지중열교환기로유입되는순환수의온도, 는지중열교환기에서유출되는순환수의온도이다. 연속성을만족하기위해보어홀벽면에서보어홀내부의전열저항으로구한온도와선형열원모델의해는같으며이를입출구파이프평균온도 ( ) 에관해정리하면다음식 (8) 과같다. 간에대해반대수관계 ( ) 로작도하여그래프의기울기를산정한후사용한열량과보어홀의길이를식 (11) 에대입하여현장의지중유효열전도도를산정한다. 현장열응답시험초기에는열용량이일정하게공급되지않아약간의오차를나타내는것으로알려져있다. Gehlin(2002) 는초기열용량이일정하지않은것을고려하여시험시작후 =5 까지의결과는해석에서제외해야한다고제안하였다. 이세균등 (2008) 도선형최소자승법을이용하여초기시간을제외해야실험오차를최소화할수있음을보였다. 현장열응답시험은보어홀을선형열원으로가정하는점과그라우팅상태가양호하지않을수있는점, 파이프의대칭성이실제다를수있는점과양단효과 (ends effect) 를무시하고나타낸점을감안하여실제열거동과다소차이가있을수있음을고려해야한다. 2.2 현장열응답시험기의구성 (8) 만약, 시간 (t) 이충분히큰경우 가매우작으므로, 0으로정리하면다음과같다. (9) 위의식 (9) 는 와온도에관한선형관계로표현할수있으며다음과같이나타낸다. (10) 본현장시험에서사용된현장열응답시험기내부의측정장치및순환장치의구성은그림 4와같다. 현장지중열응답시험기는열교환기파이프입출구에연결되어최대 14kW 용량으로운전되고자동으로데이터를수집하도록하며장시간측정이가능하다. 또한, 시험도중유량조절이가능하여부하에맞는유량을설정하고현장조건에맞는시험을수행할수있다. 장비운전중유입될수있는공기를제거하기위해입수헤더, 출수헤더, 히터출구에각각에어벤드가부착되어있기때문에파이프내공기에대한영향을줄여정밀한측정이가능하다. 또한입수밸브에시험중사용되는물을보충할수있는밸브가부착되어있어파이프내부에순환수가완전히채워진상태로시험을진행할수있다. 따라서일정열량 (Q) 을지속적으로지중열교환기에주 여기서,,, 이다. 따라서, 식 (10) 의기울기 b를현장열응답시험으로산정할경우지중유효열전도도 는다음과같이나타낼수있다. (11) 결과적으로현장열응답시험에서는입출구평균온도와시간 ( ) 에대한현장자료를획득하고이를시 1 데이터로거 2 유량측정기 3 순환펌프 4 전기히터 5 에어벤드 6 과열방지센서 7 Select Switch 그림 4. 현장열응답시험기의구성 96 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
입하고이때나타나는지중열교환기순환수의유입온도와유출온도를시간에따라측정하고식 (11) 을사용하여지중유효열전도도를산정한다. 2.3 현장조건지중열교환기시공과현장열응답시험이진행된시험시공현장은강원도원주지역으로지반이대부분연암층으로구성되어있다. 보어홀은그림 5와같이 5m 5m 구간에시공되었다. 보어홀간격은그림 5에서나타낸바와같이 1, 3, 5번보어홀열과 2, 4, 6번보어홀열은 5m 이고, 1, 3, 5번보어홀의행간격은각각 2.5m이다. 그림 6은현장부근지질주상도로약 2~4m 부근부터연암층 ( 화강암 ) 이존재하는것을알수있다 ( 건설교통부, 1998). 천공작업시측정한지하수위는지표에서약 10m 부근에존재하는것으로나타났다. 1번보어홀의경우현장사정으로인해 81m 깊이까지만천공되었다. 각보어홀의천 공깊이는천공이완료된후측정한결과, 1번보어홀을제외한다른보어홀은 150m까지관입이이루어졌으나, 시공후보어홀하부에슬러리가쌓여최종천공깊이는그림 5에서표시한바와같이보어홀마다다소차이가있다. 7번보어홀 ( 관측공 ) 은지표에서 30m 간격으로 30, 60, 90, 120, 150m 지점에온도계측기를설치하여현장열응답시험중지반의깊이별온도변화를관찰하였다. 현장시험시공은표 1과같이그라우트재의종류, 첨가재종류, 지중열교환기파이프단면모양에따라성능을비교할수있도록지중열교환기를시공하였다. 1, 3, 5번보어홀은시멘트그라우트로뒤채움을하고 2, 4, 6번보어홀은벤토나이트그라우트로뒤채움을하여그라우트종류에따른열전달효율을비교하였다. 또한, 1, 2번보어홀은첨가재로천연규사만사용하고 3, 4번보어홀은천연규사와흑연을함께배합하여흑연에의한열전달향상을검토하였다. 마지막으로 5, 6번보어홀은 1, 2번보어홀과같은종류의그라우트를사용하되파이프단면은 3공형단면을사용하여파이프단면에따른영향을비교검토하였다. 현장에사용한시멘트와벤토나이트그라우트의배합비는표 2와 3에각각나타냈으며사용된첨가재는최항석등 (2008) 이제안한재료와배합비를적용하였다. 표 1. 시험에사용한그라우트종류와파이프단면조건 그림 5. 시험보어홀배치도 파이프단면모양보어홀번호그라우트시공방법 1 시멘트 + 천연규사 2 벤토나이트 + 천연규사 U-tube 3 시멘트 + 천연규사 + 흑연 4 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연 5 시멘트 + 천연규사 3공형 6 벤토나이트 + 천연규사 표 2. 현장시험에사용한벤토나이트배합비 구분 1회배합량 배합비 물 120~130L - 벤토나이트 25kg 벤토나이트 /( 벤토나이트 + 물 ) 비 0.17 천연규사 60kg 천연규사 /( 벤토나이트 + 물 ) 비 0.40 유동화재 500mL - 흑연 10kg 흑연 /( 벤토나이트 + 물 ) 비 0.07 표 3. 현장시험에사용한시멘트배합비 그림 6. 현장부근지질주상도 ( 건설교통부, 1998) 구분 1회배합량 배합비 물 90~100L 물 / 시멘트비 0.79 시멘트 120kg - 천연규사 120kg 천연규사 / 시멘트비 1.0 흑연 5kg 흑연 / 시멘트비 0.04 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 97
표 4. 시멘트그라우트의실내열전도도측정결과 그라우트종류 시멘트 첨가재종류 열전도도 (W/m K) 2일 9일 천연규사 1.21 2.10 천연규사 + 흑연 1.78 2.59 표 4는현장에서보어홀 (1, 3, 5번 ) 뒤채움을위해배합한시멘트그라우트시료의실내열전도도측정결과를보여준다. 시멘트그라우트시료의열전도도가 2일째측정한값보다 9일째측정한값이 60~70% 가량크게측정되었다. 실내열전도도측정은열전도도측정기에서프로브로가해지는열량의소산시간에따라열전도도를산정하는방식을사용한다. 따라서, 시멘트수화열이시료내부에서추가로발생할경우 (heat source) 프로브에가해진열의소산이시료내부에서발생하는수화열로인해상대적으로열전달이지연되는것으로나타난다. 따라서, 시료의열전도도는과소평가되므로 2일째측정된열전도도가 9일째측정한열전도도에비해낮게측정되었다. 시멘트수화열은시멘트를구성하는각각의화학물질사이의복잡한관계식으로표현되며물 / 시멘트비, 주변구조물, 양생온도등다양한조건에의해영향을받는다. 그림 7은대표적인포틀랜드시멘트의외기온도 5 에서시간에따른수화열소산그래프이다. 수화열은시멘트두께에따라온도소산시간이차이가난다. 지중열교환기를시공할때천공하는보어홀의직경이약 15cm 내외이고지반의온도가대략 17 인점을감안하면, 시공후, 약 14일이지나면수화열이대부분소산될것으로보인다. 시멘트경화시수화열의발생은지중열교환기열전달성능평가를위한현장열응답시험수행규정에도고려해야할사안이다. 현재국내의현장열응답시험기준 ( 지식경제부, 2008) 에따르면벤토나이트그라우트의경우, 그라우팅완료후최소 3일이후에현장열응답시험을수행하도록규정하고있으나, 벤토나이트그라우트를대신하여시멘트그라우트를시공할경우에는시멘트수화열을고려하여현장열응답시험은시공후, 최소 14일이후에수행하는것이적합할것으로사료된다. 표 5는현장에서보어홀 (2, 4, 6번 ) 뒤채움과정에서채취한벤토나이트그라우트시료의실내열전도도측정결과와시료의함수비를나타낸다. 현장에서배합한벤토나이트시료의함수비가천연규사만첨가한경우약 147% 이고천연규사와흑연을함께첨가한경우약 132% 인데반해현장에서그라우트시공도중채취한벤토나이트그 그림 7. 시멘트시편두께와수화열에따른온도변화 (PCA, 1997) 표 5. 벤토나이트그라우트의실내열전도도측정결과그라우트종류첨가재종류열전도도 (W/m K) 함수비 (%) 천연규사 0.73 178 벤토나이트천연규사 + 흑연 0.74 260 라우트의함수비는두경우에대해각각 178% 와 260% 로측정되었다. 이는벤토나이트그라우트를보어홀에주입시, 지하수와혼합되어함수비가증가한것으로보인다. 천연규사와흑연을함께첨가한벤토나이트그라우트의함수비가천연규사만첨가한벤토나이트그라우트의함수비보다높으나열전도도는비슷한값으로나타났다. 지중열교환기설계자는과도한지하수유출과같은현장의여건상벤토나이트그라우트의설계배합비보다실제로현장에서보어홀에주입되는벤토나이트그라우트의함수비가높아질수있고, 이로인해그라우트재료의열전도도가설계값보다작아질수있음을인식해야한다. 3공형파이프의시공은유입과유출파이프사이에추가로파이프를삽입하고격자형태를유지하도록쇠줄로결속하였다. 유입과유출파이프사이에추가로삽입한파이프는그림 3(b) 와같이하단부입구가개방된형태로서시공중, 지하수를파이프내부에채워지도록하여, 순환파이프를보어홀에삽입시, 부력에대한영향을최소화하도록하였다. 상온에서물의열전도도는대략 0.6W/m K으로순수벤토나이트그라우트에비해약간낮은값을가지고있으나, 천연규사와같은첨가재를혼합한벤토나이트그라우트나시멘트그라우트에비해상대적으로열전도도가낮아지하수가채워진파이프는유입과유출파이프간의열간섭을줄일수있는부분적단열구간을형성할수있다. 또한, 3공형태로결합된파이프구조는기존의두가닥순환파이프에비해큰휨강성을가지고있어순환파이프를보어홀에삽입할때, 유입과유출파이프의꼬임을방지하고일정한간격을유지시켜주는장점이있다. 98 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
(a) 1 번홀 ( 시멘트 + 천연규사, U-tube) (b) 2 번홀 ( 벤토나이트 + 천연규사, U-tube) (c) 3 번홀 ( 시멘트 + 천연규사 + 흑연, U-tube) (d) 4 번홀 ( 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연, U-tube) (e) 5 번홀 ( 시멘트 + 천연규사, 3 공형 ) (f) 6 번홀 ( 벤토나이트 + 천연규사, 3 공형 ) 그림 8. 1 차현장열응답시험결과 ( 그라우트시공후 3 일경과 ) 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 99
2.4 현장열응답시험결과및분석 1차현장열응답시험은그라우트시공후 3일뒤에시작하여 2일 (48시간) 간연속으로진행되었다. 1차현장열응답시험은총 3대의열응답시험기로진행되었으며보어홀간열간섭을최소화하기위해 2, 3, 6번보어홀과 1, 4, 5번보어홀로나누어두차례수행하였다. 파이프로순환하는유체의초기안정화시간을고려하여열응답시험시작후, 8시간은계산에서제외하여지중유효열전도도를산출하였다. 각보어홀에서측정한유출입평균온도 ( )-시간() 그래프는그림 8에나타냈고산정한유효열전도도는표 6에정리하였다. 그래프에서온도와시간의관계가직선으로나타나는부분의기울기 (b) 를식 (11) 에대입하여입력열량 (Q) 과각보어홀의길이 (L) 에대한지중유효열전도도 () 를산출하였다. 평균적으로 8시간이후에온도- 시간관계가선형화되는것으로나타났으며이는손병후등 (2005) 의연구결과와유사한값이다. 시멘트그라우트로시공된경우 (1, 3, 5 번홀 ), 1차측정이후 ( 그라우트시공후 3~5일이후 ) 시멘트수화열을고려하여그라우팅완료후 14일뒤에시험을재수행하고결과를그림 9에비교하였다. 시멘트그라우트로시공된 1, 3, 5번보어홀의경우, 실내시험과수치해석결과 ( 길후정등, 2009) 로부터벤토나이트그라우트로시공된보어홀에비해상대적으로높은유효열전도도값이예상된다. 하지만시공후 3일경과후측정된 1차현장시험결과, 시멘트그라우트로시공한 3개의보어홀에서비교대상인벤토나이트그라우트로시공된보어홀과비슷한지중유효열전도도를보였다. 이는현장열응답시험이그라우트주입후 3일이경과된후수행되어시멘트가완전히경화하기이전이므로시멘트경화과정에서발생하는수화열에의해지중유효열전도도가과소평가되었다고판단 된다. 열응답시험의경우투입된열량과순환하는유체의온도를이용하여지중유효열전도도값을산출하는데시멘트그라우트재의수화열로인해마치주입된열이지반으로잘전달되지않은현상이보어홀의열저항이큰것으로평가되어보어홀의열전달성능을과소평가하게된다. 이런점은현재국내지중열교환기설치기준 ( 지식경제부, 2008) 에서제시하는열응답시험개시기준일이기존벤토나이트그라우트재에대해그라우트재시공후최소 3일 (72시간) 이후에수행하도록되어있으나, 이는시멘트그라우트에는적합하지않는것으로시험결과로부터알수있다. 시공후 14일후에측정한결과로부터, 시멘트그라우트로시공된보어홀이벤토나이트그라우트로시공된경우에비해높은지중유효열전도도를보였다. 기존 U-tube 파이프단면에서시멘트 -천연규사(1번홀) 의경우지중유효열전도도는 3.20W/m K, 벤토나이트-천연규사 (2번홀) 의경우 2.97W/m K으로시멘트그라우트의경우가높은지중유효열전도도를보인다. 기존 U-tube 파이프단면에서흑연을첨가한그라우트는시멘트 (3번홀) 의경우 3.49W/m K, 벤토나이트 (4번홀) 의경우 3.17W/m K 으로천연규사만첨가하였을때보다높게나타났다. 파이프단면에대한영향을검토하기위해동일한그라우트배합비로 3공형파이프단면을적용한보어홀 5와 6번과기존 U-tube 파이프단면을적용한보어홀 1과 2번을비교하였다. 3공형파이프단면의경우시멘트- 천연규사 (5번홀) 와벤토나이트-천연규사 (6번홀) 의유효열전도도측정값이각각 3.65W/m K, 3.40W/m K으로기존 U-tube 파이프단면보다매우우수한지중유효열전도도를갖는다. 이는 3공형파이프단면이유입과유출파이프의열간섭을줄여주고, 보어홀내에서파이프의꼬임을방지하는격장형태를유지함으로뒤채움의시공성을향상시킨결과라고볼수있다. 표 6. 현장열응답시험결과 보어홀번호배합방법파이프단면 1 차측정 ( 시공후 3 일 ) 지중유효열전도도 (W/m K) 2 차측정 ( 시공후 14 일 ) 1 시멘트 + 천연규사 U-tube 2.99 3.20 2 벤토나이트 + 천연규사 U-tube 2.97-3 시멘트 + 천연규사 + 흑연 U-tube 3.22 3.49 4 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연 U-tube 3.17-5 시멘트 + 천연규사 3공형 3.32 3.65 6 벤토나이트 + 천연규사 3공형 3.40-100 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
2.5 지중온도분포시험시공현장의초기지반온도를계측하고현장열응답시험중지중의온도변화를관찰하기위해 3번과 4번보어홀사이에 150m 천공깊이의관측공 (7번보어홀 ) 을시공하였다. 관측공은보어홀 3번과 4번사이 2.5m 지점에설치되었다. 온도센서는 Thermo-couple 방식을사용하였으며지중온도는휴대용로거를사용하여측정하였다 ( 그림 10). 1차현장열응답시험시측 (a) 1 번홀 - 재측정 ( 시멘트 + 천연규사, U-tube) 그림 10. 지반온도측정모습 표 7. 1 차측정시관측공의깊이별지반의온도분포 (b) 3 번홀 - 재측정 ( 시멘트 + 천연규사 + 흑연, U-tube) 깊이 (m) 시험전시험중시험종료종료 2일후 2009.11.29 2009.12.02 2009.12.05 2009.12.07 0( 외부온도 ) 6.1 2.7-0.7-1.8 30 14.0 14.6 15.0 14.2 60 14.2 14.9 15.1 14.5 90 14.7 15.3 15.6 15.1 120 15.5 15.8 16.0 15.9 150 16.7 16.8 16.9 17.0 (c) 5 번홀 - 재측정 ( 시멘트 + 천연규사, 3 공형 ) 그림 9. 2 차현장열응답시험결과 ( 그라우트시공후 14 일경과 ) 그림 11. 1 차측정시관측공의깊이별지반의온도분포 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 101
표 8. 2차측정시관측공의깊이별지반의온도분포 깊이 (m) 시험전시험중시험중시험중종료직후 2009.12.16 2009.12.17 2009.12.19 2009.12.21 2009.12.22 0( 외부온도 ) -6.1-6.2-7.1-5.5 1.3 30 14.2 14.4 14.6 14.5 14.5 60 14.6 14.7 15.0 14.8 14.8 90 15.2 15.2 16.0 15.5 15.6 120 15.9 16.1 16.7 16.2 16.3 150 16.6 16.9 17.4 16.9 16.9 와마찬가지로열응답시험이끝난후지반의온도분포가시험전초기온도분포로회복하는경향을보였다. 3. 시험결과를통한지중열교환기설계 3.1 지중열교환기설계파이프길이산정방법 지중열교환기설계파이프길이는 Ingersoll 등 (1954) 이제시한식 (12) 와같이단순한정상상태의열전달방정식으로부터산정한다. (12) 그림 12. 2차측정시관측공의깊이별지반의온도분포정된관측공의깊이별지반의온도는다음표 7과그림 11에나타냈다. 2차현장열응답시험시측정된관측공의깊이별지반의온도는표 8과그림 12에나타냈다. 지표의온도 ( 깊이 0m) 는당일대기의평균온도를적용하였다. 1차현장열응답시험시, 시험이진행되면서각깊이의지중온도가상승함을알수있다. 측정된깊이별지반의온도측정결과, 지중열교환기말단부인약 150m 깊이에서열응답시험전후온도변화는크지않았으나지표에서 30~100m 부근에서열응답시험전후온도변화가가장큰것으로나타났다. 열응답시험이끝나고 2일째부터는지반의온도분포가시험전초기온도분포로회복하는경향을보였다. 그라우트시공후 14일경과한시점에서실시한 2차열응답시험시측정한지반의깊이별온도분포는 1차측정때와마찬가지로시험중지반의온도가상승하는경향을보였다. 2차열응답시험시측정한결과는하부 (90~150m) 에서가장큰온도변화를보였다. 2차열응답시험시측정된관측공의깊이별지반의온도분포에서도 1차측정때 여기서, 는열용량 (), L 은수직보어홀의길이 (m), 는지반의온도 (K), 는유체의온도 (K), 은보어홀의열저항 (m K/W) 이다. 식 (12) 에서특정한열량주입으로인한시간에따른지반의열저항과파이프와유체사이의열저항, 파이프와지반의열저항을고려하여 Kavanaugh 와 Rafferty(1997) 는냉방과난방순환에서필요한보어홀의수직길이를식 (13) 과같이표현하였다. (13) 여기서, 는지반으로방출되는연간평균열용량 (W), 는연중지중유효열저항 (m K/W), 는건물의설 계부하 (W), 는열입력량 (W), 는보어홀의열저항 (m K/W), 은설계기간에대한부분부하계수, 은월간지중유효열저항 (m K/W), 는일일지중유효열저항 (m K/W), 는 short-circuit 열손실계수, 와 는각각히트펌프출구 (outlet) 와입구 (inlet) 온도 (K), 는보어홀로인한온도페널티 (K) 이다. 식 (13) 은장기온도불균형과설계월수, 설계일수동안평균 102 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
열전달율을반영하기위해 3가지지중유효열전도도를적용하였다. 설계는시스템운영을위해연중최대부하기간 ( 냉방이나난방 ) 을기준으로지중열교환기길이를산정한다. 3.2 지중열교환기파이프소요길이설계현장열응답시험을통해산정한각지중열교환기의지중유효열전도도를설계입력자료로사용하여가상의건물에대해지중열교환기설계길이를산정하여비교하였다. 가상설계는지중열교환기전용설계프로그램인 GLD(Ground Loop Desgign 5.0, Gaia Geothermal, LLC) 를사용하였다. 해석에적용한입력자료와설계범위는표 9에나타냈다. 대상건물은철근콘크리트구조로써업무용으로사용되며사무실, 회의실, 식당등으로구성되고냉방위주로운영되는것으로가정하였다. 따라서설계에적용한가상건물은최대냉방부하가 522kW로최대난방부하 451kW에비해높은것으로가정하였다. 하지만, 총난방부하가총냉방부하보다큰것으로가정하여시스템운영이장기화될수록지반의온도가낮아지는조건을갖도록하였다. 설계에고려한냉방시히트펌프최대주입온도는 30, 난방시히트펌프최저주입온도는 5 로고려하였으며설계적용기간 (20년) 동안지반의온도변화를산출하여설계의적정성여부를검토하였다. 건물부하는모든지중열교환기조건에서동일하게고려하고, 다만지중열교환기성능에관련된물성치고려시본현장시험에서얻어진 결과와일반적인설계조건을비교하여지중열교환기성능향상으로인한경제적이점을파악하고자하였다. 또한, 시멘트그라우트를사용한현장시험결과와실내열전도도측정결과를반영하여벤토나이트그라우트와시멘트그라우트의적용성을비교검토하였다. 월별최대부하와사용시간을이용하여월별에너지부하를계산하였으며, 이값들을이용하여연간전부하상당운전시간 (annual equivalent full load hours) 을계산하였다. 초기지중온도는평균적으로 15.8 로고정하였다. 지중유효열전도도는현장열응답시험결과를적용하였으며그라우트의열전도도는최항석등 (2008) 이제시한실내시험방법으로현장에서채취한그라우트에대해시료의열전도도를측정하였다. 즉, 벤토나이트그라우트로시공된보어홀의경우, 현장열응답시험으로부터산정한지중유효열전도도 3.25W/m K(2번홀: U-tube, 벤토나이트 + 천연규사 ), 3.54W/m K(4번홀 ; U-tube, 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연 ), 3.76W/m K(6번홀 : 3공형-벤토나이트 + 천연규사 ) 를적용하였다. 벤토나이트그라우트재의열전도도는현장에서채취한시료로부터실내에서측정한값을사용하였으며벤토나이트-천연규사의경우 0.73W/m K, 벤토나이트-천연규사-흑연의경우는 0.74W/m K를적용하였다. 시멘트그라우트의열전도도는실내시험결과를통해측정한 2.10W/m K(1번홀, 5번홀 : 시멘트 + 천연규사 ), 2.59W/m K(3번홀 : 시멘트 + 천연규사 + 흑연 ) 를적용하였다. 또한시멘트그라우트를적용한현장열응답시험결과로부터얻어진 1 번홀, 3번홀, 5번홀의지중유효열전도도 3.20W/m K, 표 9. GLD 를이용한가상대상건물지열히트펌프시스템설계입력자료 Length of simulation 20 years Design heat pump inlet temperatures 30 for cooling, 5 for heating Design system flow rate 11.3 lpm/rt Ethanol concentration 12.9% Undisturbed ground temperature 15.8 Ground thermal conductivity 3.25W/m K, 3.54W/m K, 3.76W/m K 3.20W/m K, 3.49W/m K, 3.65W/m K Ground loop Single U-tube HDPE Ground loop pipe size and type 32mm and SDR11 Borehole diameter 150mm Grout thermal conductivity 0.73, 0.74, 2.10, 2.59W/m K Borehole vertical grid arrangement 8 9(72 holes) Borehole spacing 5m(3-10m variance) Heat pump nominal cooling capacity & COP 142.5kW and 4.9 Heat pump nominal heating capacity & COP 139.3kW and 3.8 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 103
3.49W/m K, 3.65W/m K를각각적용하였다. 설계시가상의지중유효열전도도를각각 1.5, 2.0, 2.5W/m K 를추가로적용하여설계비교자료로사용하였다. 3.3 설계결과그림 13은벤토나이트그라우트로시공된 3개보어홀 (2번홀, 4번홀, 6번홀 ) 에서측정된지중유효열전도도와비교기준으로사용한지중유효열전도도 1.5, 2.0, 2.5W/m K에대한냉난방시필요한총지중열교환기길이를나타낸다. 또한, 4번홀 (U-tube, 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연 ) 에대한보어홀간격에따른냉난방에필요한총지중열교환기길이는그림 14에도식하였다. 그림 15는지중열교환기설치간격에따른지중열교환기설계길이를지중유효열전도도와그라우트재열전도도에대해나타냈다. 본가상설계를통해도출된설계자료를사용하여, 그라우트재료와순화파이프단면에대한시공비를비교하여경제성을분석하였다 ( 표 10). 시공비용은일반적인수직밀폐형지중열교환기공사비용인지중열교환기길이당 80,000원 /m을적용하였다 ( 이중천공비용이 17,000~20,000원 /m, 그리고기타비용 ( 파이프, 그라우팅, 인건비등 ) 이 63,000원~60,000원 /m라가정 ). 3공형파이프 (6번홀) 에서추가로소요되는파이프비용은파이프가차지하는부분에해당하는그라우트양을줄 일수있으므로 3공형과기존 U-tube 파이프단면간의재료비차이는없다고가정하였다. 가상건물에대하여총 72개의지중열교환기가시공될때 ( 보어홀간격 5m), 지중열전도도와그라우트열전도도에따른결과를비교하여표 10에나타냈다. 본현장시험에서고려된벤토나이트그라우트로시공된경우 (2번홀, 4번홀, 6번홀 ), 시공비가각각 979,184,000원, 912,272,000원, 898,016,000원으로 3공형파이프와벤토나이트-천연규사 (6번홀) 경우가가작적은시공비용이소요되나, 그차이는크지않았다. 이는시험현장의지중유효열전도도가 3.0W/m K 그림 14. 보어홀간격에따른냉난방시필요한총지중열교환기길이 (4 번홀 ) 그림 13. 지중유효열전도도에따른냉난방시필요한총지중열교환기길이 그림 15. 각지중유효열전도도와그라우트종류, 보어홀간격에따른총지중열교환기길이 104 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /
표 10. 각보어홀의지중열교환기설계에따른시공비비교 해석 Case dummy 1 번홀 2 번홀 3 번홀 4 번홀 5 번홀 6 번홀 배합방법 벤토나이트 + 천연규사 시멘트 + 천연규사 벤토나이트 + 천연규사 시멘트 + 천연규사 + 흑연 벤토나이트 + 천연규사 + 흑연 시멘트 + 천연규사 벤토나이트 + 천연규사 파이프단면 U-tube U-tube U-tube U-tube U-tube 3공형 3공형 지중유효열전도도 (W/m K) 2.0 3.22 2.70 3.49 3.07 3.65 3.40 그라우트열전도도 (W/m K) 0.73 2.10 0.73 2.59 0.74 2.10 0.73 냉방에필요한총열교환기길이 (m) 12,954.2 7,163.3 11,864.8 6,538.4 11,403.4 6,856.4 11,225.2 난방에필요한총열교환기길이 (m) 10,633.0 5,992.4 9,448.4 5,479.8 8,980.7 5,658.6 8,752.5 총시공비용-냉방 ( 천원 ) 1,036,336 573,064 979,184 523,072 912,272 548,512 898,016 * 시공비용은 80,000원 /m 부근으로비교적양호하여그림 13에서관찰할수있듯이지중유효열전도도가 3.0W/m K보다큰경우에는추가적인지중유효열전도도향상이총소요지중열교환기길이나시공비용에미치는영향이작아지기때문이다 ( 그림 13에서지중유효열전도도가커질수록곡선의기울기가감소함 ). 동일한해석방법으로시멘트그라우트로시공하였을경우, 그라우트자체의높은열전도도와지중유효열전도도값으로인해벤토나이트그라우트경우에비해상대적으로짧은지중열교환기길이가필요하므로가장경제성이우수한것으로나타났다. 시멘트그라우트에흑연을첨가한 3번홀이 523,072,000원으로나타났으며비교기준 (dummy) 에비해시공비를약 50% 절약할수있는것으로나타났다. 또한국내에서일반적으로시공되고있고기존 U-tube 파이프단면으로벤토나이트-천연규사그라우트 (2번홀) 의경우와비교하여시멘트그라우트와격자형태로유지한 3공형파이프단면으로시공된 5번홀에서약 40% 시공비를절약할수있는것으로나타났다. 본연구결과를통해 3공형파이프단면과흑연을첨가한시멘트그라우트를사용했을경우가장효율이좋을것이라고예측이가능하다. 그림 16은지중열교환기를 5m 간격으로 72개 (9 8) 시공하였을때실내에서측정한그라우트의열전도도값 (k g1~6 : 1번홀~6 번홀에사용한그라우트의열전도도 ) 을적용하여가상건물의냉난방에필요한지중열교환기의설계길이를각보어홀측정값에대해나타냈다. 본연구결과를토대로지중열교환기성능향상을위해서는그라우트재의전열성능향상뿐만아니라지중열교환기파이프단면의열간섭효과를고려해야한다는것을확인할수있다. 기존의연구 (Paul and Remund, 그림 16. 각보어홀의지중열교환기설계길이 ( 설치간격 5m) 1997; 손병후, 2007; 임효재등, 2007; 정영만등, 2008) 가그라우트재의열전도도에초점을맞췄으나본연구에서는그라우트의종류, 첨가재의종류, 지중열교환기파이프단면을고려하고이를현장시험을통해검토하였다. 따라서본연구결과를토대로전열성능이향상된그라우트와열간섭을고려한파이프단면을이용하여설계에반영할경우지중열교환기시스템효율상승으로지열냉난방시스템시공비를상당히줄여경제적설계를할수있다. 4. 결론본연구에서는그라우트의종류와첨가재종류, 지중열교환기파이프단면의성능을비교하기위해 6공의 현장열응답시험을통한수직밀폐형지중열교환기용그라우트와열교환파이프단면의성능평가 105
보어홀을시험시공하고현장열응답시험을통해지중유효열전도도를산정하여다음과같은결론을얻었다. (1) 시멘트그라우트와벤토나이트그라우트로지중열교환기를시공하고현장열응답시험을통해지중유효열전도도를산출하여비교한결과첨가재종류와파이프단면에상관없이시멘트그라우트를사용한경우가높게나타났다. (2) 첨가재로천연규사만사용한경우와천연규사와흑연을함께사용한경우를비교한결과천연규사와흑연을함께사용한경우에시료의실내열전도도측정값과현장열응답시험결과에서모두높게나타났다. (3) 지중열교환기의유입과유출파이프사이에절연구간을갖도록하는 3공형파이프단면이기존 U-tube 파이프단면에비해지중유효열전도도가높게나타났다. (4) 본현장시험결과를토대로가상건물에대해지중열교환기파이프소요길이를설계한결과기존에국내에서시공되는 U-tube 파이프단면으로벤토나이트와천연규사혼합물을사용한경우에비해 3공형파이프단면으로시멘트와천연규사, 흑연혼합물을사용한경우가상건물지중열교환기시공비의약 40% 를절감할수있는것으로나타났다. (5) 시멘트그라우트의경우경화과정에서수화열이발생하므로실내열전도도측정이나현장열응답시험시최소 14일양생을거친후수화열에대한영향을최소화하여시험을수행해야한다. 따라서시멘트그라우트로시공한지중열교환기는기존현장열응답시험기준일인 최소 3일이후 는적합하지않으며대부분의수화열이소산되도록최소 14일이후에현장열응답시험을수행해야한다. (6) 지중열교환기성능향상을위해서는그라우트재의전열성향상뿐만아니라지중열교환기파이프단면의열간섭효과도함께고려해야한다. 감사의글 참고문헌 1. 건설교통부 (1998), 귀래-매지간도로확장및포장공사토질조사보고서, 시추주상도 (BB1~BB5), 국토관리청, 원주. 2. 길후정, 이강자, 이철호, 최항석 (2009), Numerical Evaluation on Thermal Performance and Sectional Efficiency of Closed-Loop Vertical Ground Heat Exchanger, 한국지반공학회논문집, 제 25 권 3호, pp.57-64. 3. 손병후, 신현준, 안형준 (2005), 열응답시험과변수평가모델을이용한그라우트 / 토양혼합층의열전도도산정, 대한설비공학회논문집, 제 17권 2호, pp.173-182 4. 손병후, (2007), 그라우팅재료가지중유효열전도도에미치는영향, 대한기계학회 2007 춘계학술대회강연및논문초록집, pp.1333-1338. 5. 이세균, 우정선, 김대기 (2008), 지중유효열전도율해석에사용되는선형열원모델의초기제외시간결정에관한연구, 에너지공학회논문집, 제 17권 3호, pp.167-174. 6. 임효재, 정계훈, 한지원, 박경우 (2007), 국내의주요지역에서밀폐형열교환기의열전도도측정, 대한기계학회 2007 춘계학술대회초록집, pp.1363-1368. 7. 정영만, 구경민, 황유진, 장세용, 이영호, 이동혁, 이재근 (2008), 지중열전도도측정과지중열교환기의열확산특성분석, 대한설비공학회논문집, 제 20권 11호, pp.739-745. 8. 지식경제부 (2008), 신 재생에너지설비의지원 설치 관리에관한기준, 지식경제부고시제2008-232호. 9. 최항석, 이철호, 최효범, 우상백 (2008), 지중열교환기용뒤채움재의물리적특성연구, 한국지반공학회논문집, 제24권 1호, pp.37-49. 10. Carslaw, H. S. and Jaeger, J. C. (1959), Conduction of Heat in Solids, 2nd edition, Oxford Science Publications, pp.261-262. 11. Gaia Geothermal, LLC (2005), Ground Loop Design 5.0. 12. Gehlin, S. (2002), Thermal Response Test (Method Development and Evaluation, Doctoral Thesis, Lulea Univ. of Tech. 13. Kavanaugh S. P. and Rafferty K. (1997), Ground-Source Heat Pumps : Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings, ASHRAE. 14. IGSHPA and Oklahoma State University (2000), Closed-Loop /Ground-Source Heat Pump System : Design and Installation Standards 2000, Oklahoma State University, Stillwater Oklahoma. 15. Ingersoll, L. R. Zobel O. J. and Ingersoll A. C. (1954), Heat Conduction : with Engineering and Geological Applications, 2nd ed. McGraw-Hill, New York. 16. Paul, N. D. and Remund, C. P. (1997), Physical, thermal and hydraulic properties of bentonite-based grouts, Electric Power Research Institute, Final Report No.TR109160, ERI Project RP38 81-1. 17. PCA (Portland Cement Association) (1997), Portland Cement, Concrete and Heat of Hydration, Concrete Technology Today, Vol.18, No.2. ( 접수일자 2010. 4. 26, 심사완료일 2010. 7. 7) 본연구는한국건설교통기술평가원건설기술혁신사업 (06건설핵심D04) 지원으로수행되었으며, 이에깊은감사를드립니다. 106 한국지반공학회논문집제 26 권제 7 호 / 특별논문집제 7 호 /