인천국제공항 3단계 건설부지에 적합한 지중열교환기 시스템 평가 연구 Evaluation of a Ground Heat Exchanger Appropriate for the Site of the Third Stage Construction of Incheon International Airport원문보기
본 연구에서는 인천국제공항 3단계 건설 사업에 포함된 지중열시스템에 대한 적정 지중열교환기 선정을 위해 현장 부지내 시스템의 열원(지중열원, 지하수), 채움재(벤토나이트, 콩자갈), 열교환 파이프 형태(U, D-U)별로 지중열교환기를 설치하여 지중열전도도, 시공성, 경제성을 평가하였다. 이를 위해 벤토나이트 그라우트에 single U형의 열교환파이프가 삽입된 일반수직밀폐형-I, 열교환 파이프의 접촉면적을 늘려 열교환율을 높이기 위해 single U형 열교환파이프를 두 개 삽입한 Double U형 일반수직밀폐형-II, 일반수직밀폐형-I의 채움재를 벤토나이트 대신 콩자갈로 적용한 개량수직밀폐형 및 SCW(standing column well)에 채움재를 넣은 함몰방지개방형(geohil)을 시험시공하였다. 초기비용에 대한 비용 비교분석결과 일반수직밀폐형-I 대비 개량수직밀폐형, 일반수직밀폐형-II의 경우 초기비용이 절감되었지만 시공성(채움재 주입, 열교환 파이프 삽입) 및 시공일수를 고려할 때 높은 경제성을 기대하기 어려우리라 판단된다. 또한 Geohil의 경우 초기 비용이 더 늘어났다.
본 연구에서는 인천국제공항 3단계 건설 사업에 포함된 지중열시스템에 대한 적정 지중열교환기 선정을 위해 현장 부지내 시스템의 열원(지중열원, 지하수), 채움재(벤토나이트, 콩자갈), 열교환 파이프 형태(U, D-U)별로 지중열교환기를 설치하여 지중열전도도, 시공성, 경제성을 평가하였다. 이를 위해 벤토나이트 그라우트에 single U형의 열교환파이프가 삽입된 일반수직밀폐형-I, 열교환 파이프의 접촉면적을 늘려 열교환율을 높이기 위해 single U형 열교환파이프를 두 개 삽입한 Double U형 일반수직밀폐형-II, 일반수직밀폐형-I의 채움재를 벤토나이트 대신 콩자갈로 적용한 개량수직밀폐형 및 SCW(standing column well)에 채움재를 넣은 함몰방지개방형(geohil)을 시험시공하였다. 초기비용에 대한 비용 비교분석결과 일반수직밀폐형-I 대비 개량수직밀폐형, 일반수직밀폐형-II의 경우 초기비용이 절감되었지만 시공성(채움재 주입, 열교환 파이프 삽입) 및 시공일수를 고려할 때 높은 경제성을 기대하기 어려우리라 판단된다. 또한 Geohil의 경우 초기 비용이 더 늘어났다.
In the present study, a ground heat exchanger was installed for each heat source in the system at the site to evaluate ground heat conductivity, constructability, and economic feasibility; the factors considered in the study included ground heat, groundwater, fillers (such as bentonite and pea pebbl...
In the present study, a ground heat exchanger was installed for each heat source in the system at the site to evaluate ground heat conductivity, constructability, and economic feasibility; the factors considered in the study included ground heat, groundwater, fillers (such as bentonite and pea pebbles) and the shape of the heat exchange pipe (e.g., U and D-U). The aim was to determine the ground heat exchanger appropriate for the geothermal system in the 3rd-phase construction of Incheon International Airport. A comparative cost analysis of the initial costs based on the above information showed that although the initial costs of the regular vertical closed loop-II and modified vertical closed loop were lower than those of the regular vertical closed loop-I, they could not be expected to deliver high economic efficiency from the viewpoint of constructability (filler injection, heat exchange pipe insertion). The initial costs proved to be higher in the case of Geohil.
In the present study, a ground heat exchanger was installed for each heat source in the system at the site to evaluate ground heat conductivity, constructability, and economic feasibility; the factors considered in the study included ground heat, groundwater, fillers (such as bentonite and pea pebbles) and the shape of the heat exchange pipe (e.g., U and D-U). The aim was to determine the ground heat exchanger appropriate for the geothermal system in the 3rd-phase construction of Incheon International Airport. A comparative cost analysis of the initial costs based on the above information showed that although the initial costs of the regular vertical closed loop-II and modified vertical closed loop were lower than those of the regular vertical closed loop-I, they could not be expected to deliver high economic efficiency from the viewpoint of constructability (filler injection, heat exchange pipe insertion). The initial costs proved to be higher in the case of Geohil.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 인천국제공항의 해양매립지 특성과 공항이라는 특수성을 고려해 열교환 파이프를 변화시켜 효율을 높일 수 있는 수직밀폐형과 SCW의 함몰 잠재성을 보완한 geohil의 적용성을 검토하였다.
하지만 위치적 특성상 해양매립지반을 형성하고 있어 지반 특성 및 설치환경 등을 고려한 적정지중열교환기 선정이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지열시스템의 열원(지중열원, 지하수), 채움재(벤토나이트, 콩자갈), 열교환 파이프 형태(U, D-U)에 따른 지중열전도도, 시공성, 경제성을 평가하여 인천국제공항 3단계건설 매립부지에 적합한 지중열교환기 시스템을 검토하고자 하였다.
본 연구는 인천국제공항 3단계 건설부지인 해양매립반에 적합한 지중열교환기를 제시하기 위해 지열시스템의 열원(지중열원, 지하수), 채움재(벤토나이트, 콩 자갈), 열교환 파이프 형태(U, D-U)에 따른 시험시공 및 지중열전도도 측정을 실시하였다. 측정된 지중열전도도와 채움재의 열전도도를 입력변수로 지중열 설계프로그램 해석을 실시하여 공법별 설치 수량을 산정하였다.
, 2013). 이에 본 연구는 인천국제공항 3단계 건설부지 해양매립지반에 적합한 지중열교환기 선정을 위해 열교환방식과 채움재 별 시험시공을 실시하여 지중열전도도, 설계수량, 경제성을 평가하였다.
제안 방법
개별 지중열교환기는 약 15 일 정도의 안정기 후 열유체 방식의 현장 열응답 시험을 통해 지중 열전도도를 측정하였다. 측정결과 Table 3과 같이 수직밀폐형의 지중열전도도는 열교환기 파이프 유형이나 채움재와 관계없이 2.
국내에서는 GLD, EED, GLHEPRO, GchpCalc가 에너지 관리공단으로부터 정식으로 인증을 받았으며, 수직밀폐형에는 GLD가 개방형에는 GLHEPRO가 주로 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 주로 이용되는 GLD와 GLHEPRO를 각각 수직밀폐형과 Geohil 열교환기 설계에 활용하였다.
따라서 본 연구에서는 열 유체 방식의 현장 열응답시험을 통해 각각의 지중열전도도를 측정하였다. 이 방법은 Fig.
따라서 본 연구에서는 지중열교환기 시스템에 벤토나이트 혼합물 및 콩자갈을 적용하여 지중열전도도를 측정하고, 채움재별 열전도도를 측정하여 설계 프로그램의 입력변수로 사용하였다.
이를 위해 인천국제공항 3단계 건설부지에 벤토나이트 그라우트에 single U형의 열교환파이프가 삽입된 일반수직밀폐형-I, 열교환 파이프의 접촉면적을 늘려 열교환율을 높이기 위해 single U형 열교환파이프를 두 개 삽입한 Double U 형 일반수직밀폐형-II, 일반수직밀폐형-I의 채움재를 벤토나이트 대신 콩자갈로 적용한 개량수직밀폐형 및 SCW(standing column well)에 채움재를 넣은 함몰방지개방형(geohil)을 시험시공하고 지중열전도도를 측정하였다. 또한 시공성을 평가하기 위해 시공 시 소요시간과 비용을 산정하였고, 설계 해석의 입력변수로 활용하기 위해 채움재별 열전도도를 측정하였다. 측정된 지중열전도도와 채움재의 열전도도를 입력변수로 설계해석을 통해 설치 수량을 산정하였고, 산정된 설치 수량과 실제 시공비용을 이용한 경제성 검토를 실시하였다.
측정된 지중열전도도와 채움재의 열전도도를 입력변수로 지중열 설계프로그램 해석을 실시하여 공법별 설치 수량을 산정하였다. 또한 실제 시공에 따른 비용 산정을 통해 각 공법별 경제성을 비교하였다. 이를 통해 본 연구 범위 내에서 다음과 같은 연구내용과 결론을 도출하였다.
열교환 방식별(U, D-U 수직밀폐형, geohil) 및 채움재 종류(벤토나이트, 콩자갈)에 따른 지중 열전도도 측정을 위해 Fig. 3과 같이 4가지 시험시공을 실시하였다. Fig.
지열에너지의 이용이 활성화되면서 미국, 유럽 등지에서 지중 열교환기 설계를 위한 다양한 상용 설계 프로그램들이 개발되었다. 이러한 프로그램들은 주어진 냉난방 부하와 지중의 열전달 특성을 해석하여 필요로 하는 지중 열교환기의 깊이, 배치 등의 설계 방안을 제시한다. 이중 일반적으로 사용되는 몇몇 프로그램들의 제원 및 특징을 요약하면 Table 2와 같다.
이를 위해 인천국제공항 3단계 건설부지에 벤토나이트 그라우트에 single U형의 열교환파이프가 삽입된 일반수직밀폐형-I, 열교환 파이프의 접촉면적을 늘려 열교환율을 높이기 위해 single U형 열교환파이프를 두 개 삽입한 Double U 형 일반수직밀폐형-II, 일반수직밀폐형-I의 채움재를 벤토나이트 대신 콩자갈로 적용한 개량수직밀폐형 및 SCW(standing column well)에 채움재를 넣은 함몰방지개방형(geohil)을 시험시공하고 지중열전도도를 측정하였다. 또한 시공성을 평가하기 위해 시공 시 소요시간과 비용을 산정하였고, 설계 해석의 입력변수로 활용하기 위해 채움재별 열전도도를 측정하였다.
적절한 시험시공을 위해 지반조사 및 염분함유량조사를 수행하였다. 지하수위는 지표면에서 3.
이는 불확실한 변수가 포함된 운영비용을 제외하여 좀 더 객관적 검토를 위함이다. 초기비용의 경제성 검토는 시험시공(1개 공 시공)시 투입된 비용 및 산정된 공법별 소요 수량에 따른 소요 비용과 최소 3개 이상의 지열전문업체을 통해 받은 설비의 견적 비용을 이용해 실시하였다. 경제성 검토를 위한 비교 대상은 본 연구에서 시험시공한 4가지 형태의 지중열시스템 설치를 위한 초기 비용으로 Table 8과 같다.
또한 시공성을 평가하기 위해 시공 시 소요시간과 비용을 산정하였고, 설계 해석의 입력변수로 활용하기 위해 채움재별 열전도도를 측정하였다. 측정된 지중열전도도와 채움재의 열전도도를 입력변수로 설계해석을 통해 설치 수량을 산정하였고, 산정된 설치 수량과 실제 시공비용을 이용한 경제성 검토를 실시하였다.
본 연구는 인천국제공항 3단계 건설부지인 해양매립반에 적합한 지중열교환기를 제시하기 위해 지열시스템의 열원(지중열원, 지하수), 채움재(벤토나이트, 콩 자갈), 열교환 파이프 형태(U, D-U)에 따른 시험시공 및 지중열전도도 측정을 실시하였다. 측정된 지중열전도도와 채움재의 열전도도를 입력변수로 지중열 설계프로그램 해석을 실시하여 공법별 설치 수량을 산정하였다. 또한 실제 시공에 따른 비용 산정을 통해 각 공법별 경제성을 비교하였다.
일반적으로 지중열시스템에 대한 경제성분석은 크게 초기비용(장비 및 시공비), 연간 비용(운영비용) 등을 고려하게 된다. 하지만 본 연구에서는 운영비용을 제외한 시험시공을 기초로 한 초기비용만의 분석을 통해 경제성 비교를 실시하였다. 이는 불확실한 변수가 포함된 운영비용을 제외하여 좀 더 객관적 검토를 위함이다.
대상 데이터
Fig. 3의 (a)는 일반수직밀폐형-I으로 깊이 200m, 직경 150mm의 보어홀에 PE(polyethylene) U형 파이프(내경 40mm, 200m 삽입)를 설치하여 벤토나이트를 채움재로 사용하였다. (b)는 개량수직밀폐형으로 (a)와 동일한 조건에서 채움재만 콩자갈로 변경하였다.
본 연구를 위한 지중열교환기는 인천국제공항 3단계 건설 매립지반 조건을 반영하기 위해 Fig. 2와 같이 건설 예정 부지 내에 설치하였다.
4와 같이 천공, 열교환기 설치 및 채움재 주입 순으로 각각 진행되었다. 채움재로 사용된 콩자갈은 Fig. 4의 (d)와 같으며 최대치수 15mm 이하의 자연산 골재를 사용하였다. 공법별 시공 시간은 일반수직밀폐형-I(U, 벤토나이트)의 경우 약 0.
성능/효과
(1) 공법별 시험시공 후 열 유체 방식의 현장 열응답 시험 통한 지중 열전도도를 측정결과, 일반수직밀폐형-I(U, 벤토나이트)은 2.46W/m･K, 일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트)은 2.48W/m･K, 개량수직밀폐형(U,콩자갈)은 2.43W/m･K, 함몰방지개방형(Geohil)은 3.34W/m･K로 측정되었다.
(2) 탐침법에 의한 채움재의 열전도도 측정결과 벤토나이트 혼합물(벤토나이트 : 실리카 샌트 : 물 = 30 : 30: 40)의 경우 0.98W/m･K, 콩자갈의 경우 1.53W/m･K로 측정되었다.
(3) 지중열교환기 별 설계프로그램 해석 결과 일반수직밀폐형-I(Single U, 벤토나이트) 472 공(200m 기준), 개량수직밀폐형(Single U, 콩자갈) 456 공(200m 기준),일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트) 444 공(200m 기준), 함몰방지개방형 46 공(500m 기준)이 요구되었다.
(4) 초기 비용 산정 결과, 일반수직밀폐형-I(U, 벤토나이트) 대비 개량수직밀폐형(U, 콩자갈)의 경우 약 140,000천 원, 일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트)의 경우 약 260,000천 원 정도 절감됨을 확인하였으나, 채움재나 열교환 파이프 주입에 따른 시공성 및 시공일수를 고려할 때 경제성을 기대하긴 어렵다.
(5) Geohil의 경우 3.34W/m･K로 지중열전도도가 낮아 초기 비용이 일반수직밀폐형-I(U, 벤토나이트) 대비 오히려 상승하였다. 이는 열전도도에 영향의 주요 요소인 지하수 취수용량이 70m3/day로 일반적인 지반의 취수용량(100∼150m3/day) 대비 50∼70% 정도로 지하수량 부족이 원인인 것으로 판단된다.
(6) 본 연구 범위내에서 진행한 지중열교환기별 지중열전도도, 설치수량, 초기비용 비교 결과 인천국제공항 3단계건설 매립지반 기준 지열시스템은 수직밀폐형이 적합할 것으로 사료된다. 아울러 일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트)의 시공성 개선 및 시공일수를 단축하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
4의 (d)와 같으며 최대치수 15mm 이하의 자연산 골재를 사용하였다. 공법별 시공 시간은 일반수직밀폐형-I(U, 벤토나이트)의 경우 약 0.7일, 개량수직밀폐형(U, 콩자갈) 및 일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트)경우는 콩자갈을 자유 낙하시켜 채움으로 인한 추가 시간이 필요해 1.0 일 정도가 소요되었다. Geohil의 경우 천공 깊이가 깊어지고 채움재, 열교환기 설치 작업 난이도로 인해 많은 시간이 필요해 6.
함몰 방지 개방형의 경우 지하수를 직접 활용하기 때문에 지하수량 및 영향성에 대한 평가가 필수적이다. 따라서 지하수 양수량 및 영향성 평가를 실시하였고, 그 결과 적정 취수량은 70m3/day로, 이용에는 문제가 없을 것으로 예상되었다. 또한 지중열을 이용한 냉·난방시설은 폐쇄시스템으로 양수한 지하수를 다시 지하로 환원시켜 줌으로 지하수량에 영향이 없을 것으로 판단되었다.
하지만 geohil의 경우 해양매립지의 특성을 고려하여 기계실배관인 열(판형열)교환기는 내해수성 재질인 티타늄 설계가 필요하게 되어 그 비용이 상대적으로 증가하게 된다. 설비 총 비용면에서 일반수직밀폐형-I 대비 절감비용을 살펴보면 개량수직밀폐형는 약 50,000천 원, 일반수직밀폐형-II는 약 160,000천 원 정도가 절감되었다. 또한 함몰 방지형 역시 약 67,000천 원 정도 절감됨을 알 수 있었다.
앞서 산정된 공법별 시공비용과 설비비용을 고려한 총비용은 Table 11과 같다. 여기서 확인할 수 있듯이 일반수직밀폐형-I 대비 개량수직밀폐형은 약 140,000,000원, 일반수직밀폐형-II은 약 260,000,000원 정도 초기비용이 절감됨을 알 수 있었다. 하지만 채움재나 열교환 파이프 주입에 따른 시공성 및 시공일수를 고려할 때, 높은 경제성을 기대하긴 어렵다.
일반수직밀폐형-I(Single U, 벤토나이트) 기준, 채움재를 콩자갈로 변경하였을 경우 약 16공이 줄어들었고, 열교환기 파이프를 D-U로 변경되었을 경우 약 28공이 줄어들었음을 알 수 있었다. 또한 함몰방지개방형의 경우 수직밀폐형에 비해 적은 보어홀이 요구되었다.
이용 장비는 탐침의 열원으로부터 시료에 열이 가해지면, 열기전력(thermoelectromotive force)을 발생시켜 이로 인한 온도센서에서의 온도변화 차이를 이용하여 비정상상태에서의 열전도도를 측정하게 된다. 채움재별 열전도도는 Table 4와 같이 콩자갈이 벤토나이트와 실리카 샌드의 혼합물보다 약 0.6W/m･k 높게 측정되었다.
후속연구
(6) 본 연구 범위내에서 진행한 지중열교환기별 지중열전도도, 설치수량, 초기비용 비교 결과 인천국제공항 3단계건설 매립지반 기준 지열시스템은 수직밀폐형이 적합할 것으로 사료된다. 아울러 일반수직밀폐형-II(D-U, 벤토나이트)의 시공성 개선 및 시공일수를 단축하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
채움재의 역할은?
채움재는 지중열교환기와 주변 지중과의 열교환을 원활하게 할 뿐만 아니라 지상 오염물질이 내부로 유입되거나 보어홀 주변 지하수가 지표로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다(Allan and Philippacopoulos, 1999;Cho, 2006). 이를 위해 채움재는 높은 열전도도와 낮은투수성, 시공성이 확보되어야 한다.
지열 냉･난방 시스템의 구성은?
지열 냉･난방 시스템은 냉방 시에는 건물 내의 열을지중으로 방출하고 난방 시에는 지중의 열을 실내에 공급하기 위해 크게 지중열교환기, 히트펌프(H/P), 실내 냉난방 부하 설비 등으로 구성된다(Park et al., 2010).
지열 냉･난방 시스템 성능은 무엇에 영향을 받는가?
지열 냉･난방 시스템은 각광받고 있는 재생에너지 시스템 중 하나로 연중 온도가 일정한 지하수 및 지중 열원을 냉난방에 이용한다. 시스템의 성능은 적용 현장의 지반 조건 및 운전 조건 등에 영향을 받게 된다. 특히 시스템 성능을 좌우하는 지반과 지중열교환기(GHE; ground heat exchanger)의 열교환율은 토양, 암반특성 및 지하수량 등에 의해 영향을 받게 된다(Kim et al., 2008).
참고문헌 (14)
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