[논문]벤토나이트 그라우트의 열물성 측정 및 열물성이 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향

손병후

doi:10.17664/ksgee.2019.15.2.001

벤토나이트 그라우트의 열물성 측정 및 열물성이 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향
Thermal Property Measurement of Bentonite-Based Grouts and Their Effects on Design Length of Vertical Ground Heat Exchanger 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.15 no.2, 2019년, pp.1 - 9

손병후 (한국건설기술연구원 녹색건축연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In a ground-source heat pump (GSHP) system, a vertical ground heat exchanger (GHE) is widely accepted due to a higher thermal performance. In the vertical GHE, grout (also called grouting material) plays an important role in the heat transfer performance and the initial installation cost of the GHE. Bentonite-based grout has been used in practice because of its high swelling potential and low hydraulic conductivity. This study evaluated the thermo-physical properties of the bentonite-based grouts through lab-scale measurements. In addition, we conducted performance simulation to analyze the effect of mixed ratio of grouts on the design length and thermal performance of the vertical GHE. The simulation results show that thermally-enhanced grouts improve the heat transfer performance of the vertical GHE and thus reduce the design length of GHE pipe.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Thermal conductivity measurement of grout samples using QL-30.
표 Table 1. Mixed ratio of grout samples (wt.%)
그림 Fig. 2. Viscosity measurement of grout samples using spindle type viscometer (DV2T).
그림 Fig. 3. Cross-sectional image of measurement apparatus for measuring the effect of saline water on the thermal properties of bentonite grout (Sample 6).
그림 Fig. 4. Thermal conductivity and viscosity measurement results of grout samples with mixed ratio and resting time.
표 Table 2. Measurement results of grout samples with resting time
그림 Fig. 5. Thermal conductivity and viscosity measurement results of grout samples with different salinity concentration.
표 Table 3. Measurement results of grout samples with different saline water content
그림 Fig. 6. Building 3D modelling for this study.
그림 Fig. 7. Hourly cooling and heating loads.
표 Table 4. Vertical GSHP System specifications for simulation analysis
그림 Fig. 9. Effect of thermal conductivity of grout on maximum EST and annual power consumption of heat pump.
그림 Fig. 8. EST variation with different grout thermal conductivity.
그림 Fig. 10. Effect of thermal conductivity of grout on design length of vertical GHE.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 염수(saline water)가 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다. 아울러 가상 시스템을 대상으로 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향을 고찰하였다.
수직 지중열교환기 사양과 성능에 미치는 변수에는 그라우트의 열전도도, 토양 유효 열전도도, 보어홀 열저항 등이 있다. 이중에서 이번 논문에서는 벤토나이트 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 실제 건물에 수직 지중열교환기와 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 시뮬레이션을 통해 영향을 분석하였다.

가설 설정

수직 지중열교환기용 벤토나이트 그라우트를 대상으로 벤토나이트-첨가제 혼합비에 따른 열전도도와 점도를 측정하였다. 아울러 수직 지중열교환기 주변으로 염수가 침투한다고 가정한 후, 염수의 염도가 벤토나이트 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다. 마지막으로 벤토나이트 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향 등을 분석하였다.
이중에서 이번 논문에서는 벤토나이트 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 실제 건물에 수직 지중열교환기와 지열 히트펌프를 설치하는 것으로 가정한 후, 시뮬레이션을 통해 영향을 분석하였다.
물론 고효율 그라우트를 적용할 수 있으면, 실제 설계에서는 보어홀 깊이를 줄일 수 있기 때문에 이러한 계산 조건은 실제 상황과는 차이가 있다. 하지만 열전도도 값의 영향을 보기 위해 보어홀 깊이는 모두 같다고 가정하였다. 여기서 EST(entering source temperature)는 지중열교환기 순환수의 히트펌프 입구 온도이며, 이는 지중열교환기 출구 온도와 같은 의미다.

제안 방법

다음으로 측정 전 열선 온도와 측정 중 열선 온도, 두 온도의 차이, 열선에 공급되는 열량 값을 이용하여 열전도도를 계산한다. 개별 시료를 대상으로 5회 반복하여 측정한 후, 평균값을 구해 해당 시료의 열전도도를 산정하였다. 한 번 측정이 끝나면 열선 표면 온도가 측정 전 값까지 복구될 수 있게, 약 30분이 지난 후 다음 측정으로 넘어갔다.
4 m²)이다. 건물에 사용된 벽체와 창호, 지붕 등의 물성 값과 서울의 표준 외기 온도 등을 적용하여 대상 건물의 시간대별 냉난방 부하를 산정하였다. Fig.
이후 탐침의 열선에 전류를 일정하게 부가하면서 열선 표면의 온도를 60초 동안 1초 간격으로 측정한다. 다음으로 측정 전 열선 온도와 측정 중 열선 온도, 두 온도의 차이, 열선에 공급되는 열량 값을 이용하여 열전도도를 계산한다. 개별 시료를 대상으로 5회 반복하여 측정한 후, 평균값을 구해 해당 시료의 열전도도를 산정하였다.
이때 상용 프로그램[20]에 내장된 지중열교환기 모듈을 이용하여 지중 순환수 온도를 계산하였다. 또한 보어홀 깊이는 동일(160 m)하다고 두고, 그라우트의 열전도도만 다르게 입력하여 계산하였다. 물론 고효율 그라우트를 적용할 수 있으면, 실제 설계에서는 보어홀 깊이를 줄일 수 있기 때문에 이러한 계산 조건은 실제 상황과는 차이가 있다.
이번 실험에서는 현재 국내에서 주로 사용하는 벤토나이트 그라우트를 대상으로 열전도도와 점도를 측정하였다. 또한 염수(saline water)가 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다. 아울러 가상 시스템을 대상으로 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향을 고찰하였다.
아울러 수직 지중열교환기 주변으로 염수가 침투한다고 가정한 후, 염수의 염도가 벤토나이트 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다. 마지막으로 벤토나이트 그라우트의 열전도도가 수직 지중열교환기 설계 길이에 미치는 영향 등을 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
벤토나이트 시료의 열전도도 측정에 Fig. 1의 탐침식(needle probe type) 열전도도 측정기를 이용하였다. 열선을 내장한 탐침은 스테인리스 재질이며 바늘(needle) 모양이다.
7 kW다. 상용 프로그램을 통해 수직 지중열교환기를 이용하는 지열 히트펌프 시스템의 구성 요소들을 설계한 후, 시뮬레이션을 수행하였다. Table 4에 시스템 설계 결과를 정리하였다.
수직 지중열교환기용 벤토나이트 그라우트를 대상으로 벤토나이트-첨가제 혼합비에 따른 열전도도와 점도를 측정하였다. 아울러 수직 지중열교환기 주변으로 염수가 침투한다고 가정한 후, 염수의 염도가 벤토나이트 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다.
79 W/mK이다. 여섯 시료의 열전도도 값을 이용하여시간대별 시뮬레이션을 수행한 후, 두 값을 도출하였다. 이때 보어홀 깊이를 포함한 계산 조건은 Fig.
2)를 이용하여 시료 1, 2, 4, 6을 대상으로 점도를 측정하였다. 이때 혼합 직후 점도를 측정한 후, 일정시간이 지난 시점(6, 12, 24, 48, 72시간)에 다시 측정하였다. 열전도도 측정과 마찬가지로, 시료 내부 온도와 주변 온도를 최대한 일정하게 유지하였다.
이번 실험에서는 시료 6(S6)을 대상으로 염수의 염분 농도(염도)가 열전도도와 점도에 미치는 변화를 측정하였다. 이를 위해 Fig. 3과 같이 벤토나이트 시료(bentonite sample)를 채워 지중열교환기 내부를 그리고 규사와 염수(sand and water) 혼합물을 채워 주변 토양을 모사하였다. 국내 해안에서 측정한 해수의 염도는 약 3.
점토 광물인 벤토나이트가 물과 혼합되면, 혼합물의 부피는 팽창 (swelling)하고 점도는 증가하기 때문이다. 이번 실험에서는 벤토나이트 시료의시간 경과에 따른 점도 변화를 측정하였다. 회전식 점도 측정기(Fig.
따라서 수직 지중열교환기용 벤토나이트 그라우트도 염수에 의해 영향을 받을 것으로 예상된다. 이번 실험에서는 시료 6(S6)을 대상으로 염수의 염분 농도(염도)가 열전도도와 점도에 미치는 변화를 측정하였다. 이를 위해 Fig.
측정 시작 전 탐침 내부 온도(열선 표면 온도)를 측정하여 저장한다. 이후 탐침의 열선에 전류를 일정하게 부가하면서 열선 표면의 온도를 60초 동안 1초 간격으로 측정한다. 다음으로 측정 전 열선 온도와 측정 중 열선 온도, 두 온도의 차이, 열선에 공급되는 열량 값을 이용하여 열전도도를 계산한다.
최근 국내 현장에서 많이 사용하는 벤토나이트(Thermal Grout-K, Geopro Inc.)와 첨가제인 규사(silica sand, 6.95 W/mK)의 혼합비를 조절하면서 벤토나이트 그라우트(이하 ‘벤토나이트 시료’ 또는 ‘시료’)의 열전도도와 점도를 측정하였다.
이번 실험에서는 벤토나이트 시료의시간 경과에 따른 점도 변화를 측정하였다. 회전식 점도 측정기(Fig. 2)를 이용하여 시료 1, 2, 4, 6을 대상으로 점도를 측정하였다. 이때 혼합 직후 점도를 측정한 후, 일정시간이 지난 시점(6, 12, 24, 48, 72시간)에 다시 측정하였다.

대상 데이터

대상 건물의 냉난방 면적은 약 1,022 m2 (지상 1층 341.2 m2, 지상 2·3층 각각 340.4 m2)이다.
1의 탐침식(needle probe type) 열전도도 측정기를 이용하였다. 열선을 내장한 탐침은 스테인리스 재질이며 바늘(needle) 모양이다. 탐침 내부 구성과 사양 그리고 열전도도 측정 절차 등은 모두 국제 규격(ASTM D 5334)[16]을 따른다.
이번 실험에서는 현재 국내에서 주로 사용하는 벤토나이트 그라우트를 대상으로 열전도도와 점도를 측정하였다. 또한 염수(saline water)가 그라우트의 열전도도와 점도 변화에 미치는 영향을 측정하였다.
지열 히트펌프 시스템(이하 ‘지열 시스템’)은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중(ground)을 열원(heat source)이나 히트싱크(heat sink)로 활용하는 신재생에너지 시스템이다. 통상 히트펌프(heat pump), 지중열교환기(ground heat exchanger), 순환수 펌프, 부하 설비, 제어 장비 등으로 시스템을 구성한다. 지열 시스템은 성능과 효율 면에서 기존 냉난방 설비보다 우수한 것으로 알려져 있다[1].

데이터처리

8에 도시하였다. 이때 상용 프로그램[20]에 내장된 지중열교환기 모듈을 이용하여 지중 순환수 온도를 계산하였다. 또한 보어홀 깊이는 동일(160 m)하다고 두고, 그라우트의 열전도도만 다르게 입력하여 계산하였다.

성능/효과

(1) 벤토나이트-첨가제 혼합 시료의 열전도도는 고체 성분이 증가할수록 순수 시료보다 최대 120% 까지 증가하였다.
(2) 열전도도와 마찬가지로, 벤토나이트-첨가제 혼합 시료의 고체 성분이 증가할수록 점도 역시 증가하였다. 다만 혼합 후 24시간까지는 계속 증가하다가, 이후에는 상승률이 둔화되거나 거의 일정하게 유지되는 경향을 보였다.
(3) 벤토나이트 시료에 염수가 혼합(침투)될수록 열전도도와 점도는 변하였다. 염도가 증가할수록 열전도도는 감소하였으며, 점도는 일정 시점까지는 증가하다가 감소하였다.
(4) 시뮬레이션 결과, 대상 건물 조건에서 벤토나이트그라우트의 열전도도가 클수록 최고 EST (냉방)와 히트펌프 연간 냉방 전력 소비량은 감소하였다.
(5) 벤토나이트 그라우트의 열전도도는 지중 순환수 온도에 직접 영향을 미쳤으며, 열전도도가 클수록 지중열교환기 설계 길이는 감소하였다.
그라우트의 열전도도가 증가할수록 냉방 최고 EST는 감소하였으며, 냉방 운전 중 히트펌프의 전력 소비량은 약 3.4% 감소(15.2 →14.7 MWh/y)하였다.
전체적으로 규사 비율을 늘릴수록 점도는 증가하였다. 그래프에서 보듯이 점도는 혼합 후 24시간까지 계속 증가하다가, 이후에는 증가율이 둔화(시료 1, 시료 2)되거나 거의 일정(시료 4, 시료 6) 하게 유지되는 경향을 보였다. 국내외 기준[5, 6]에는 그라우트 혼합 후 최대한 빠른시간에 보어홀에 주입해야 한다는 정성적 지침만 있다.
(2) 열전도도와 마찬가지로, 벤토나이트-첨가제 혼합 시료의 고체 성분이 증가할수록 점도 역시 증가하였다. 다만 혼합 후 24시간까지는 계속 증가하다가, 이후에는 상승률이 둔화되거나 거의 일정하게 유지되는 경향을 보였다.
따라서 전체적으로 시료의 고체 성분이 증가(S1→S6)할수록 열전도도는 증가하였다.
5(a)에서 보듯이 염도가 증가(S6-1 →S6-4)할수록 시료의 열전도도는 전체적으로 감소하였다. 아울러 모든 시료에서 혼합 직후부터 12시간까지 열전도도는 증가하다가, 이후 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 벤토나이트 입자는 음이온이며 불안정한 상태이기 때문에, 양이온인 물과 결합 하면서 부피가 늘어나는 특징(팽윤)이 있다.
(3) 벤토나이트 시료에 염수가 혼합(침투)될수록 열전도도와 점도는 변하였다. 염도가 증가할수록 열전도도는 감소하였으며, 점도는 일정 시점까지는 증가하다가 감소하였다.
4(b)에 도시하였다. 전체적으로 규사 비율을 늘릴수록 점도는 증가하였다. 그래프에서 보듯이 점도는 혼합 후 24시간까지 계속 증가하다가, 이후에는 증가율이 둔화(시료 1, 시료 2)되거나 거의 일정(시료 4, 시료 6) 하게 유지되는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고성능 지중열교환기의 장점은?	이를 해결 하기 위해 벤토나이트보다 열전도도가 큰 첨가제 (규사 등)를 혼합하여 사용하고 있다[8-12]. 고성능 지중열교환기를 적용하면 시공비 절감과 성능 향상이 가능하기 때문이다.
	지열 히트펌프 시스템은 무엇인가?	지열 히트펌프 시스템(이하 ‘지열 시스템’)은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중(ground)을 열원 (heat source)이나 히트싱크(heat sink)로 활용하는 신재생에너지 시스템이다. 통상 히트펌프(heat pump), 지중열교환기(ground heat exchanger), 순환수 펌프, 부하 설비, 제어 장비 등으로 시스템을 구성한다.
	순수 벤토나이트 그라우트의 단점은 무엇인가?	경제성과 현장 시공성(workability)을 감안하여 그라우팅 재료로 순수 벤토나이트 그라우트(벤토나이트+물)를 주로 사용한다[7]. 하지만 이 재료는 보어 홀 주변의 토양이나 암반과 비교하면 상대적으로 낮은 열전도도를 갖는 것이 단점이다[5]. 이를 해결 하기 위해 벤토나이트보다 열전도도가 큰 첨가제 (규사 등)를 혼합하여 사용하고 있다[8-12].

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DesignBuilder, 2018, DesignBuilder V5.0, DesignBuilder Software, UK.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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