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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 그라우팅 재료, 지중열교환기의 길이 및 스페이서 간격에 따른 지중열교환기의 열전도도의 변화에 대하여 알아보고자 한다.
- 본 연구에서는 지중열교환기의 길이, 그라우팅 재료, 스페이서 설치 유무 및 간격 등이 지중 유효 열전도도 변화에 미치는 영향을 열응답 시험을 통해 고찰하였다. 이를 위해 각각의 시험 조건에 맞는 시험용 지중열교환기를 시공하였으며, 자체 제작한 열응답 시험 장치를 이용하였다.
제안 방법
- 히터에 공급되는 전력을 측정하기 위해 전력량계(power meter)를 장착하였으며, 지중열교환기 입 · 출구 온도를 측정하기 위해 K-type 열전대를 배관 상에 설치하였다.
- 지열원 열펌프 시스템의 핵심 요소인 지중열교환기의 성능을 향상시키고 신뢰성을 확보하기 위해 저가 · 고효율 그라우팅 재료 개발 및 각종 열 물성 테이터베이스 구축과 관련된 연구는 매우 중요한 연구라 사료된다. 지중열교환기의 열전달 해석을 위하여 지중 지반에서 장기간에 걸친 암석과 물의 화학적 상호반응에 의한 여러 가지 설계변수를 고려하여 그라우팅 재료의 변형에 대해다각도로 검토하여 지열루프간의 간섭 등을 고려한 열전달 모델 등을 정립하여야 한다.(1-3) 특히 수학적인 모델링과 다양한 실험을 통한 형상, 조건 최적화 및 실험실 수준의 실험과 현장 실험이 이루어져야 할 것이며, 시간의 흐름에 따라 형성되는 여러 가지 문제점들에 대한 연구가 수반되어야 할 것이다.
- 본 연구에서는 Fig. 2의 지중 열전도도 측정 유닛을 자체 제작하였으며, 유닛은 작동부(열량투입, 유체순환)와 제어부(온도, 전압, 전류 등 기록)로 구분된다. 수조는 보충수의 보급이 용이하도록 4리터의 체적으로 제작되었다.
- 히터에 공급되는 전력을 측정하기 위해 전력량계(power meter)를 장착하였으며, 지중열교환기 입 · 출구 온도를 측정하기 위해 K-type 열전대를 배관 상에 설치하였다. 시험에서 온도, 유량, 전력량 등의 데이터를 1분 간격으로 측정하여 데이터 획득시스템에 저장한 후 실험결과 분석에 사용한다.
- 지중열교환기의 길이, 그라우팅 재료, 스페이서의 설치 유무 및 간격에 따른 지중 유효 열전도도 변화를 고찰하기 위해 시험용 지중열교환기를 시공한 후, 열응답 시험을 수행하였다. Fig.
- 그라우팅 재료가 지중 유효 열전도도에 미치는 영향을 규명하기 위해 3번, 7번, 8번 및 9번 지중 열교환기를 대상으로 열응답 시험을 수행하였다. 각각의 지중 열교환기에 주입한 그라우팅 재료는 Table 2에 주어져 있으며, 기타 나머지 조건은 동일하게 주었다.
- 지중열교환기 설치 시 그라우팅 재료의 시료를 채취하여 재료 자체의 열전도도를 측정하였으며, 결과는 Table 3에 주어져 있다. 그라우팅 재료의 열전도도를 측정한 결과 3번 지중열교환기 그라우트 재료보다 9번 지중열교환기 그라우트 재료의 열전도도 값이 컸다.
- 본 연구에서는 지중열교환기의 길이, 그라우팅 재료, 스페이서 설치 유무 및 간격 등이 지중 유효 열전도도 변화에 미치는 영향을 열응답 시험을 통해 고찰하였다. 이를 위해 각각의 시험 조건에 맞는 시험용 지중열교환기를 시공하였으며, 자체 제작한 열응답 시험 장치를 이용하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 지중열교환기 길이에 따라 1번, 2번 및 5번 지중열교환기에 대하여 실험을 수행하였다. 그라우팅은 벤토나이트 25 kg과 물 100 L의 비율로 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- 2의 지중 열전도도 측정 유닛을 연결한다. 지중 열전도도 측정 유닛은 열원(전기히터), 순환펌프, 온도와 소비 전력 측정 장치, 데이터로거 등으로 구성된다. 열응답 시험의 원리는 열교환기 파이프 내부로 히터에 의해 가열된 유체를 유입시켜 지중 열교환을 통해 환수되는 유체의 온도차와 유량, 에너지 투입량을 측정 하여 산정하는 것이다.
- 스페이서 설치에 따른 지중 유효 열전도도의 변화를 알아보기 위해 4번, 6번, 9번 지중열교환기를 대상으로 실험을 수행하였다. 스페이서는 유입수 배관과 유출수 배관이 서로 접촉하는 것을 막아 열효율을 높이기 위하여 장착한다.
이론/모형
- 시험용 지중열교환기는 폴리에틸렌(PE) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 열융착법(thermal fusion method)으로 U자 관 형상으로 성형한 후, 시험용 보어홀 삽입하고, 그라우팅 재료를 보어홀 내에 주입하여 완성한다. 그림 2에서와 같이 지중 열전도도 측정 유닛의 입 · 출구 배관과 지중열교환기 파이프의 입 · 출구 배관을 연결하고, 파이프 내에 순환유체를 주입한다.
성능/효과
- 지중열교환기의 길이가 낮아지면 기후 및 외부적인 요인의 영향이 커진다. 본 실험에서 지중열교환기를 설치 시 약 50 m 가량이 토양층을 이루었으며, 지중열교환기 설치장소 옆에 호수가 있어 토양층으로 물이 침투한 것으로 판단된다. 이로 인해 지중 유효 열전도도 값이 커진 것으로 보인다.
- 지중열교환기 설치 시 그라우팅 재료의 시료를 채취하여 재료 자체의 열전도도를 측정하였으며, 결과는 Table 3에 주어져 있다. 그라우팅 재료의 열전도도를 측정한 결과 3번 지중열교환기 그라우트 재료보다 9번 지중열교환기 그라우트 재료의 열전도도 값이 컸다. 이러한 결과로 미루어 보아 그라우트 재료의 열전도도 상승은 지중열교환기의 열전도도를 높이며, 벤토나이트와 물로만 그라우팅을 수행하는 것보다 실리카샌드를 추가함으로써 지중 유효 열전도도가 상승함을 알 수 있다.
- 그라우팅 재료의 열전도도를 측정한 결과 3번 지중열교환기 그라우트 재료보다 9번 지중열교환기 그라우트 재료의 열전도도 값이 컸다. 이러한 결과로 미루어 보아 그라우트 재료의 열전도도 상승은 지중열교환기의 열전도도를 높이며, 벤토나이트와 물로만 그라우팅을 수행하는 것보다 실리카샌드를 추가함으로써 지중 유효 열전도도가 상승함을 알 수 있다. 8번 지중열교환기와 7번 지중열교환기의 그라우트 재료로 사용된 콩자갈과 실리카샌드는 공극이 상대적으로 크며, 공극이 공기로 채워져 있을 때(건조시료)와 공극이 물로 채워져 있을 때(포화시료)의 열전도도의 차이 또한 크다.
- 58 W/mK 이다. 스페이서를 설치하지 않은 9번 지중열교환기가 가장 낮은 지중열전도도를 보이는 것으로 보아 스페이서의 설치는 지중 열전도도의 증가에 도움이 되는 것으로 보이며, 4 m 이상의 간격은 많은 효과를 얻지 못하였다.
- (1) 지중열교환기의 길이가 짧을수록 외부요인의 영향이 커 정확한 지중 유효 열전도도 산정이 곤란하였다.
- (2) 그라우팅 재료 자체의 열전도도가 클수록 지중 유효 열전도도 값도 크게 나타났다.
- (3) 지중열교환기 파이프 사이에 스페이서를 장착할 경우, 그렇지 않은 경우보다 지중 유효 열전도도 값이 크게 나타났다. 하지만, 스페이서의 수직 설치 간격에 대한 영향은 미미하였다.
후속연구
- 지중열교환기의 열전달 해석을 위하여 지중 지반에서 장기간에 걸친 암석과 물의 화학적 상호반응에 의한 여러 가지 설계변수를 고려하여 그라우팅 재료의 변형에 대해다각도로 검토하여 지열루프간의 간섭 등을 고려한 열전달 모델 등을 정립하여야 한다.(1-3) 특히 수학적인 모델링과 다양한 실험을 통한 형상, 조건 최적화 및 실험실 수준의 실험과 현장 실험이 이루어져야 할 것이며, 시간의 흐름에 따라 형성되는 여러 가지 문제점들에 대한 연구가 수반되어야 할 것이다.
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