[논문]지열히트펌프 지중열교환기용 벤토나이트계 그라우트재의 열전도특성 및 기본성능

배강

doi:10.7836/kses.2013.33.1.066

지열히트펌프 지중열교환기용 벤토나이트계 그라우트재의 열전도특성 및 기본성능
Thermal Conductive Characteristics and Basic Properties of Bentonite Grouts for the Ground Heat Exchanger of Geo-source Heat Pump 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.1, 2013년, pp.66 - 72

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the thermal conductive characteristics and basic properties of the nine commercial products of bentonite grouts were studied. Six of the nine products for ground heat exchanger systems are imported and others for civil engineering are domestic. The thermal conductivities of all bentonite products are nearly similar among products. The free swell indexes, viscosities and filter losses of the ground heat exchanger grouts are lower than those of the civil engineering ones. These characteristics seem to increase of the fluidity to fill the bentonite slurry to bore-hall perfectly, rather than to prevent underground water penetration. Thus, the mixtures of bentonites and sands are recommended for high thermal conduction grouts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 외국에서 개발된 지중열교환기 전용제품 6종과 대체용으로 많이 사용되고 있는 국내제품 3종에 대하여, 성분분석, 열전도 특성을 분석하였으며, 그라우트재에서 요구되는 팽윤도, 점도, 투수성능 등의 기본성능을 측정하여 분석하므로서, 국내에서도 지중열교환기 전용제품을 개발하는데 도움이 되고자 하였다.

제안 방법

그리고 벤토나이트의 점도는 측정방법이 간단하여 관련업계에서 많이 사용되고 있는 깔때기 점도(marsh funnel viscosity)를 측정하였는데,이는 건조된 벤토나이트 60g을 증류수 1리터에 넣고, 약 3,000RPM로 5분간 교반한 혼합용액을 946ml의 깔때기(Fann사 No. 201)를 완전히 통과하는데 걸리는 시간을 측정하였으며, 1시간 후에 같은 방법으로 다시 한번 측정하였다.
참고로 직접 수입한 5종의 제품명과 제조사는 High TC Geothermal Grout(CETCO Inc), Barotherm Gold(Baroid Industrial), Therm -EX Grout(Wyo-Ben Inc), Thermal Grout Lite(GeoPro Inc), Thermal Grout Select(Geo Pro Inc)이었다. 그리고 이들을 구성하고 있는 광물의 조성을 알기위해 XRD (X-Ray Diffractometer, Phillips사 MPD)를 사용하여 피크를 얻었으며, 이를 근거로 기존의 데이터베이스를 활용하여 정성분석을 행하였다.
1g씩 천천히 자유낙하시켜, 수화하고 침강할 수 있도록 하였다. 그리고 침강된 벤토나이트와 물의 경계로 부피를 측정한 후, 24시간 후에 팽윤된 부피를 측정하여 증가된 부피를 계산하였다.
또한 벤토나이트의 차수성능을 나타내는 여과수량(filter loss혹은 fluid loss)은 API(American Petroleum Institute)의 Re-commended Practice 13B-2에 의하여 측정하였으며, Marsh Funnel 점도시험과 동일한 과정을 거친 시료를 LPLT Filter Press(Fann API No 302)에 넣고, 7 Bar의 질소가스 압력을 30분간을 가하여 빠져나오는 물의 양을 측정하였다.
이때 두 열전대에서 시간경과에 따른 두 점의 온도차를 측정하고 공급열량을 이용하여 시료의 열전도도를 산정하며, RTD는 참고온도 측정용으로 사용된다. 또한 측정된 수치는 자동자료수집장치 (data logger, Cambell사 CR 10X)및 컴퓨터를 사용하여 정밀하게 열전도도를 산정하였다. 본 연구에서는 벤토나이트 20, 30%를 물과 혼합한 필터케익 시편을 준비하였으며,이를 25℃을 유지한 건조로 내에서 행하였다.
또한 측정된 수치는 자동자료수집장치 (data logger, Cambell사 CR 10X)및 컴퓨터를 사용하여 정밀하게 열전도도를 산정하였다. 본 연구에서는 벤토나이트 20, 30%를 물과 혼합한 필터케익 시편을 준비하였으며,이를 25℃을 유지한 건조로 내에서 행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 벤토나이트 시편은 총 7개사의 9개 제품으로, 그중 6종은 지중열교환기용으로 개발된 제품으로, 5종은 미국에서 직접 수입했으며, 1종은 미국회사의 한국 자회사가 생산한 제품이다. 그리고 나머지 3종(2개사)의 제품은 일반적인 토목용으로 개발된 국내제품으로 지중열교환기 대체용으로 많이 쓰이고 있는 제품이다.
그리고 나머지 3종(2개사)의 제품은 일반적인 토목용으로 개발된 국내제품으로 지중열교환기 대체용으로 많이 쓰이고 있는 제품이다. 참고로 직접 수입한 5종의 제품명과 제조사는 High TC Geothermal Grout(CETCO Inc), Barotherm Gold(Baroid Industrial), Therm -EX Grout(Wyo-Ben Inc), Thermal Grout Lite(GeoPro Inc), Thermal Grout Select(Geo Pro Inc)이었다. 그리고 이들을 구성하고 있는 광물의 조성을 알기위해 XRD (X-Ray Diffractometer, Phillips사 MPD)를 사용하여 피크를 얻었으며, 이를 근거로 기존의 데이터베이스를 활용하여 정성분석을 행하였다.

성능/효과

(1) 벤토나이트의 함량이 높으면 높은 열전도도를 갖으며, 같은 함량에서는 제품별로 비슷한 값을 갖는 것으로 나타났다.
(2) 벤토나이트에 모래를 혼합하여 사용할 경우에는 열전도도는 모래의 함량에 따라 높아지나 포화되는 현상을 보였다.
(3) 그라우트재의 작업성을 결정하는 점도는 벤토나이트의 팽윤도와 밀접한 관계를 갖고 있었으며, 팽윤도는 몬모릴로나이트, 특히 Na계 몬모릴로나이트 함량과 관계가 있는 것으로 판단된다.
(4) 지중열교환기용 벤토나이트의 차수성능은 토목용에 비해 떨어지는 것으로 나타났으며, 이는 팽윤도가 비교적 낮은 점에서 기인한 것으로 판단된다.
3은 벤토나이트 함량이 20, 30%인 시편에 대한 열전도도를 측정한 결과를 보였으며, 일반 토목용으로 개발된 3종의 산제품(#001-#003)의 30%시편은 점도가 너무 높아져 제작할 수 없었다. 실험결과에서 보듯이 벤토나이트 함량이 30%인 시편이 20%의 시편보다 열전도도가 약 10%정도 높았으며, 전용제품이 일반 토목용 제품보다 약 15%정도 높았다. 그리고 전용제품은 회사별로 5%미만의 차이를 보이므로 거의 비슷한 수준이라 할 수 있다.
7에는 입수된 9종의 시편에 대한 여과수량의 측정결과를 나타냈다. 토목용으로 개발된 국내제품 3종(#001-#003)은 낮은 여과수량을 나타내 벤토나이트의 차수성능이 뛰어난 것으로 나타났다. 그러나 외국의 전용제품은 비교적 높은 값을 나타내고 회사에 따라 많은 차이를 보이고 있었으며, 특히 XRD에 의한 광물분석 결과에서 모래 함량이 높은 #007제품은 매우 높은 값을 갖는다.

후속연구

이는 입자 크기가 큰 모래 입자 사이를 벤토나이트가 메워주는 구조로, 열전도도가 상대적으로 높은 모래입자가 서로 접촉할 수 있는 한계치로 전체 필터케익의 열전도를 결정하는 것으로 판단된다. 또한 제조회사의 발표자료에 비해 상당히 낮은 값을 갖는 것은 사용된 재료인 벤토나이트와 모래의 특성이 다르고, 측정기기 및 측정법이 다른데서 오는 결과로 판단되며, 특히 벤토나이트의 종류 및 조성에 대한 광물학적 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	몬모릴로나이트의 구조는?	몬모릴로나이트는 2개의 SiO4 4면체와 그사이에 Al과 O로 이루어진 8면체판에 의한 2:1의 층상구조로 이루어지며, 이들 층의 표면에 흡착된 양이온이 존재하는 얇은 판상의 Si-Al-Si 구성단위가 겹쳐진 구조가 된다.(Fig.
	몬모릴로나이트는 어떤 특성을 갖는가?	이는 백악기에 생성된 스멕타이트(smectite) 그룹의 몬모릴로나이트(montmorillonite)를 주성분으로 하는 층상구조를 갖는 점토물질로, 통상 장석, 흑운석, 석영, 방해석 등과 혼합되어 있다.1) 몬모릴로나이트는 높은 팽윤성, 팽창성, 큰 표면적, 높은 층전하, 높은 양이온 교환능, 높은 수분흡착력 등의 특성을 갖고 있어, 주물, 토목, 제지, 사료 및 농업분야 등의 여러 가지 분야에 사용되고 있다.2)
	지열 열펌프 시스템에서 그라우트재는 어떤 역할을 하는가?	근래 들어 보급이 급격히 증가하고 있는 지열 열펌프 시스템(ground source heat pump systems)에서 수직형 지중 열교환기는 수직으로 천공된 보어홀(borehole)과 U자 형상의 파이프,그리고 이들 빈 공간을 채우는 그라우트재(grout)등으로 구성된다. 이중 그라우트재는 지중열교환기 파이트내의 순환수와 보어홀 주변의 토양층 간의 열전달을 촉진하고, 보어홀 주변의 지하수나 지표면 오염물질이 보어홀 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.4)

참고문헌 (9)

Park, S. W, Seo, J. H, Lee, S. H, Characteristics and Applications of Bentonites in Civil Engineering, J. Miner. Soc. Korea, 19,1, 64-75, 2006
Ko, S. M, Lee, D. J, Present and Future of Bentonite Industrials, The 13th Proc. of J. Miner. Soc. Korea 1, 2000
Fukushima, Y., X-ray Diffraction Study of Aqueous Montmorillonite Emul-sion, Clay and Clay Minerals, 32, 320-326,1984

상세보기
Sohn, B. H, Shin, H. J, Thermal Conductivity Measurement of Grouting Materials for Ground Heat Exchanger Borehole, Kor J. Equip Eng, 18, 6, 493-500, 2006
Salomone, L. A. and Marlowe, J. I., Soiland rock classification for the design of ground-coupled heat pumpsy stems:field manual, Special Report(EPRICU-6600), Electric Power Research Institute,1989
Lim, H. J, Kong, H. J, Song, Y. S, Park, S.K, Thermal Conductivity Measurement of Grouting Materials for Geothermal Heat Exchanger, Kor J Equip Eng, 17, 4, 364-369, 2005
Choi, H. S, Lee, C. H, Gil, H. J, Choi, H. P, Woo, S. B, Experimental Studyon Thermal Conductivity and Viscosity of Grouts for Backfilling Ground Heat Exchanger, J. Kor Soc Renew Engy, 3, 4, 38-46, 2007
Kim, Y. S, Hu, N. H, Jung. W. S, YE, D. H, Lee, J. H, Physical and Chemical Variation of Sedimentary Rocksdueto Weathering, J Korean Geoenvir Soc, 3, 2, 49-60, 2002
Mc Bride, M. B., Surface chemistry of soil minerals, Dixon, J. B. and Weed, S. B. (eds.) Minerals in soil environments, Soil Sci.Soc.Am., Book Series1, Madison, WI, USA, p35-88,1989

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