[논문]지열냉난방시스템 수직형 지중열교환기 그라우트의 열적 특성에 관한 연구

백성권; 전중규; 안형준

지열냉난방시스템 수직형 지중열교환기 그라우트의 열적 특성에 관한 연구
A Study on Thermal Conductivity Properties of Ground Heat Exchangers for GSHP systems 원문보기

한국신재생에너지학회 2007년도 추계학술대회 논문집, 2007 Nov. 06, 2007년, pp.546 - 549

백성권 (코오롱건설(주) 기술연구소) , 전중규 (코오롱건설(주) 기술연구소) , 안형준 (코오롱건설(주) 기술연구소)

초록
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지열 냉난방 시스템의 설계는 냉난방 공간의 크기에 따라 필요한 부하를 계산하여 설계하게된 다. 설계 부하를 충분히 소화할 수 있는 지열교환기의 길이와 보어홀의 깊이 및 개수는 지반의 열적 특성에 크게 좌우된다. 열전도율이 큰 지반일수록 지열교환기 내의 열 흡수 및 소산이 효과적으로 이루어져 지열교환기의 길이도 상대적으로 짧아질 수 있다. 즉, 효율적이고 정확한 설계를 하기 위해서는 지반, 암반 및 지중열교환기의 물리적 특성에 따른 열적 특성을 설계자는 미리 숙지하여야 한다. 현재 국내에서 수직 밀폐형 지중열교환기의 그라우트로 벤토나이트를 가장 많이 사용하고 있으나, 해외의 경우 지중 조건에 따라 시멘트 또는 벤토나이트를 적절히 선택하여 시공하고 있다. 이는 벤토나이트의 특성상 적용 조건이 제약을 받기 때문이며, 특히 지하수가 존재하지 않을 경우 사용이 사실상 불가능하다. 국내에서 이에 대한 충분한 연구는 아직 이루어지지 않았으며, 시멘트 그라우트를 사용하기 위한 물리적, 열적 특성에 대한 연구가 필요한 시점이라 판단하여 본 연구를 수행하였다. 시멘트 그라우트의 경우 수화반응이 일어나는 초기의 건조수축을 최소화하는 배합비로 물성을 구성하였으며, 벤토나이트는 일반 현장 시공 비율을 사용하였다. 열전도율은 첫째 실내 시험으로 시멘트 그라우트에 대한 열판시험법과 벤토나이트 그라우트에 대한 탐침시험법으로 수행하여 구하였으며, 두 번째 방법인 현장 시공으로 직접 현장열응답시험을 수행하여 그라우트 간의 열적 특성을 비교하였다. 또한 기존 시멘트그라우트의 열적 특성을 개량한 코오롱건설에서 개발한 시멘트 그라우트에 대한 열적 거동도 기존 타 그라우트의 열적 거동과 비교하였으며, 개발 제품의 성능이 상당히 우수함을 알 수 있었다.

AI 본문요약
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문제 정의

실험의 목적 온 해외에서 추천하는 국외 제품과 국내에서 생산하는 국내 제품 간의 열전도율을 측정하여 각 제품 간의 열전도 율 크기를 비교하기 위함이다. 또한 추가적으로 모래를 첨가하였을 때의 열적 개선 효과를 판단한다.
실험 목적은 시멘트의 열전도율뿐만 아니라 모래와 벤토나이트를 첨가함에 따른 열적 특성 변화를 검토하고자 하는 데 있다.
실험의 목적 온 해외에서 추천하는 국외 제품과 국내에서 생산하는 국내 제품 간의 열전도율을 측정하여 각 제품 간의 열전도 율 크기를 비교하기 위함이다. 또한 추가적으로 모래를 첨가하였을 때의 열적 개선 효과를 판단한다.
제지용 벤토나이트의 경우 그 용도 특성상 상당히 점도가 크다. 즉, 그라우팅용으로 사실 부적합 재료라고 할 수 있으나, 벤토나이트 제품의 전체적인 열전도성을 가늠하기 위해 실험하였다.

제안 방법

건조시료는 지하수가 미치지 않는 곳의 그라우트 고결 조건과 유사하게 일반상온에서 7일간 자연양생시켰으며, 다시 이 시료를 건조로에 48시간 넣어 완전 건조시킨 후 실험하였다. 습윤시 료는 지하수 아래에 타설된 그라우트의 조건과 일치시키기 위해 7일간 수중 양생하여, 습도를 유지시킨 상태에서 실험 측정하였다.
시멘트 무게를 기준으로 각각 모래, 벤토나이트, 물의 혼합비를 달리하여 시료를 성형하였다. 또한 각 시료들은 건조 상태와 습윤 상태로 그 함수 조건에 따른 열전도 특성을 측정하였다. 실험 결과 시멘트 그라우트에 모래를 첨가하였을 경우에 열전도율이 가장 높았으나, 벤토나이트를 첨가한 경우는 열전도율이 가장 낮았다.
건조시료는 지하수가 미치지 않는 곳의 그라우트 고결 조건과 유사하게 일반상온에서 7일간 자연양생시켰으며, 다시 이 시료를 건조로에 48시간 넣어 완전 건조시킨 후 실험하였다. 습윤시 료는 지하수 아래에 타설된 그라우트의 조건과 일치시키기 위해 7일간 수중 양생하여, 습도를 유지시킨 상태에서 실험 측정하였다.
시료는 H₅₀XR50 mm 의 원통형으로 제작하였다. 시료는 지하수위 위의 건조상태 에서의 그라우트와 지하수위 아래의 습윤 상태의 그라우트 조건으로 나누어 실험을 행하였다.
지열시스템 운전에 따른 장기적인 열 특성 시험 및 각 그라우트 열 성능 비교를 위하여 광주 수완 코오롱하늘채 현장에 그라우트 재질별(벤토나이트, 시멘트형(00레미탈), 개발품(레미탈형))로 150m 깊이로 천공을 하고 고밀도 폴리에틸렌 파이프 30mm의 지중열교환기를 설치하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트로서 모래와 벤토나이트 이외의 특별한 첨가제를 사용하지는 않았다. 모래는 Fig. 1, Table 1과 같은 입도 분포를 가지는 표준사를 사용하였으며, 벤토나이트는 GHPC(Geothermal Heat PumpConsortium)에서 추천하는 지열용벤토나이트인 Thermal Grout 85를 사용하였다.
사용한 그라우트는 CMPC(Geothermal Heat Pump Consortium)에서 지열용으로 추천하는 Thermal Grout 85와 일반 토목용 방수그라우트인 Montigel-F와 DY-3, 그리고 제지용 벤토나이트인 Opazil이란 제품들이다.
열전도 측정에 사용한 방법은 비정상 면 열원법(TSP)을 이용한 Hot Disk법으로 평균 온도 20℃에서 측정하였다. 시료는 H₅₀XR50 mm 의 원통형으로 제작하였다. 시료는 지하수위 위의 건조상태 에서의 그라우트와 지하수위 아래의 습윤 상태의 그라우트 조건으로 나누어 실험을 행하였다.
실험에 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트로서 모래와 벤토나이트 이외의 특별한 첨가제를 사용하지는 않았다. 모래는 Fig.

이론/모형

실험 방법은 비정상 상대의 열탐침법을 사용하였다. 시료는 습윤상태에서 측정하였으며, 실제 지하수위 아래에서의 그라우트 상태와 일치한다.
열전도 측정에 사용한 방법은 비정상 면 열원법(TSP)을 이용한 Hot Disk법으로 평균 온도 20℃에서 측정하였다. 시료는 H₅₀XR50 mm 의 원통형으로 제작하였다.

성능/효과

(1) 습윤상태, 모래가 첨가되었을 경우 그라우트의 열적 성능은 더 우수하다.
(13) 벤토나이트는 최소한 90% 이상의 몬모릴로나이트 (Montmori 1 Ionite) 를 포함하여야 하며, KS A 5101(표준체)의 0.85mm (No.20) 체를 90% 이상 통과하여야 하고, 0.08mm(No.200) 체의 통과량이 10% 이하 이어야 한다.(토목공사 일반 표준시방서 및 건축공사 표준시방서의 벤토나이트 방수공)
(2) 개발품 시멘트 그라우트가 일반 시멘트와 벤토나이트 그라우트보다 열적 성능이 우수하다.
개발 시멘트 그라우트는 초기건조 수축을 최소화하는 배합을 기초로 열전도율이 우수한 강재분 말을 첨가하여 열적 성능을 높였다.
그라우트 재질별 열전도도는 아래와 같이 평가되었으며, 개발품이 기존 제품과 비교하여 20% 이상 열전도도가 증가되는 것으로 평가되었다.
모래를 혼합한 경우 열전도율은 약 1.5배 증가하는 경향을 보이며, 각 벤토나이트 제품 간의 열적 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 국내 제품과 국외 제품 간의 팽창성을 비교하였을 때 국외 제품의 성능이 뛰어났으나, 불투수성에서 성능의 차이란 없었다.
수입 벤토나이트 제품은 국내 제품에 비해 그 가격이 2~5배 정도 비싸지만, 국내 생산제품의 열전도 특성을 알 수 없다는 이유만으로 무조건 수입 제품을 사용하고 있다. 본 연구 결과에 따라 저가의 국내 제품을 사용할 경우 열전도 문제는 더 이상 언급할 필요가 없을 뿐만 아니라, 비싼 국외 제품을 수입하여 사용하는 것보다는 상대적으로 저렴한 국내 제품을 사용하는 것이 같은 열성능을 발휘하면서 경제적인 선택이라 하겠다.
또한 각 시료들은 건조 상태와 습윤 상태로 그 함수 조건에 따른 열전도 특성을 측정하였다. 실험 결과 시멘트 그라우트에 모래를 첨가하였을 경우에 열전도율이 가장 높았으나, 벤토나이트를 첨가한 경우는 열전도율이 가장 낮았다.
전체적으로 순수시멘트를 제외한 나머지 그라우트의 건조 상태일 때보다 습윤상태에서 열전도율이 2배 정도 증가함을 알 수 있다.

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