[논문]열전달 매질을 고려한 에너지파일의 열전달 거동 분석

김도현; 정상섬; 송진영

문제 정의

지반조건과 매질에 따른 36 Case의 조건을 냉·난방에 따라 경계조건의 온도를 달리하여 총 72 Case의 수치해석을 실시하였다. ABQUS 2차원 유한요소해석을 통해 여러 지반조건과 열전달 매질에 따른 열전달 영향 파악하는데 본 연구의 목적이 있다.

가설 설정

3. 에너지 파일이 시공된 지반 조건에 따른 영향 효과를 파악하기 위하여 여러 지반 조건을 가정하여 해석을 실시하였다. Clay, Sand, Rock의 지반조건과 지하수에 의한 포화여부를 고려하였는데, Rock에서 가장 온도변화가 크게 나타나 열전도가 잘되었으며, 지하수에 의해 포화된 지반이 포화되지 않은 지반에 비해 열전달 효과가 크게 나타났다.
여름철 냉방의 경우 지반은 12 ℃로 두고, 열교환기인 밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE)의 경계조건은 25℃를 주었다. 겨울철의 난방의 경우는 지반은 12 ℃, HDPE관은 2 ℃로 가정하였다. 지반조건과 매질에 따른 36 Case의 조건을 냉·난방에 따라 경계조건의 온도를 달리하여 총 72 Case의 수치해석을 실시하였다.
지반 조건은 Clay, Sand, Rock 지반과 지하수에 의한 포화여부를 고려하여 열전달 거동을 파악하였고, 사용된 말뚝의 종류는 PHC, 강관, 동관 말뚝 가정하여 해석하였다. 에너지 파일에 사용되는 뒷채움재는 여러 종류가 있지만 그 중 일반적으로 많이 사용되는 시멘트와 벤토나이트 그라우트를 가정하였다. 여름철 냉방의 경우 지반은 12 ℃로 두고, 열교환기인 밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE)의 경계조건은 25℃를 주었다.
에너지파일 내부에 들어가는 열교환기의 형태는 U형, Double-U형, 복수정형, 나선형 등 여러 형태가 있지만, 일반적으로 사용되는 U자 형태에 대한 열전달 거동의 해석을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실시하였다. 지반 조건은 Clay, Sand, Rock 지반과 지하수에 의한 포화여부를 고려하여 열전달 거동을 파악하였고, 사용된 말뚝의 종류는 PHC, 강관, 동관 말뚝 가정하여 해석하였다. 에너지 파일에 사용되는 뒷채움재는 여러 종류가 있지만 그 중 일반적으로 많이 사용되는 시멘트와 벤토나이트 그라우트를 가정하였다.

제안 방법

1. ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 에너지 파일의 중심을 지나는 직선상의 지점들의 온도변화를 에너지 파일의 사용 말뚝의 차이에 따라 열전달 거동을 비교하였다. 열원으로 부터의 열을 얼마나 빨리 소산시키느냐는 그래프의 기울기를 통해 파악할 수 있는데, 동관, 강관, PHC 말뚝 순으로 그래프의 기울기가 큰 값을 가짐을 확인 하였다.
2. 에너지 파일에 사용된 말뚝의 종류에 따른 열전달 거동을 알아보기 위해 지반의 조건과 뒷채움재의 조건을 같게 하여 해석 하였으며, 여름철과 겨울철의 냉·난방 과정에 따른 열전달 거동을 파악하였다.
에너지 파일은 말뚝 내부의 빈 공간에 열교환기를 삽입하는 형식으로 내주 공간의 확보가 가능한 PHC, 강관, 동관, 현장타설 말뚝, 지하 연속벽 등 지하구조물의 대부분에 적용이 가능하다. ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석에서는 PHC와 강관, 동관에 대한 해석을 실시하였다. 에너지 파일에 사용된 PHC, 강관, 동관 말뚝에 따른 열전달 영향을 파악하기 위하여 같은 지반 조건에서 말뚝의 종류를 달리하여 열전달 거동을 파악하였다.
유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용한 에너지 파일의 열전달거동 해석 시, 지반의 일정한 온도와 열원인 열 교환 파이프에서의 온도 분포를 모사하기위하여 Step을 2개로 나누어 해석하였다. Step 1에서는 지반에만 12℃의 경계조건을 주어 말뚝 내부로 12℃의 온도가 전달 되도록 하였으며, Step 2에서는 열 교환 파이프인 HDPE관에 25℃ 또는 2℃의 경계조건을 주어 2개의 Step으로 나누어 해석하였다. 그림 2.
2와 같이 그래프로 나타내었다. 말뚝의 종류에 따른 물성치를 달리하여 해석을 실시하였고, 나머지 뒷채움재나 지반 조건에 대해서는 조건을 통제하여, 말뚝 종류에 따른 각 지점에서의 시간에 따른 온도변화를 알 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 에너지 파일의 형태와 깊이, 열전달 매질과 지반조건 등에 따른 열전달 거동을 2차원 유한 요소 해석 및 3차원 유한 체적 해석을 통해 파악하였다. 에너지파일 내부에 들어가는 열교환기의 형태는 U형, Double-U형, 복수정형, 나선형 등 여러 형태가 있지만, 일반적으로 사용되는 U자 형태에 대한 열전달 거동의 해석을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실시하였다.
본 연구에서는 지반조건을 고려한 에너지 파일의 열전달 거동을 알아보기 위해 ABAQUS를 사용하여 2차원 유한 요소 해석을 실시하였다. 해석은 토사의 종류, 지하수에 의한 포화여부, 뒷채움재에 따라 Case를 나누어 각 요소들의 영향 정도를 파악하였다.
해석은 토사의 종류, 지하수에 의한 포화여부, 뒷채움재에 따라 Case를 나누어 각 요소들의 영향 정도를 파악하였다. 수치 해석 결과를 통해 지반 조건에 따른 각각의 영향 정도를 파악하였으며 요소별 기본 조건을 통제하여 원하는 조건에서의 결과를 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
수치해석에는 열전달물질의 물성치를 달리하여 실시하였으며, 표 2.1은 유한 요소 해석에 사용된 말뚝과 열교환 파이프인 HDPE관의 열적 물성치를 나타낸 것이다. 지반을 구성하는 토사의 종류와 지하수에 의한 포화여부에 따른 물성치는 일반적인 값을 사용하였으며 표 2.
에너지 파일의 지반조건에 따른 열전달 거동과 열응력 분포에 대해 알아보기 위하여 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 에너지 파일의 2차원 단면 유한 요소 해석을 실시하였다. 실제 현장에서 사용되고 있는 에너지 파일의 규격을 통해 모델링을 하였으며 다양한 지반조건과 그라우트 재료, 말뚝의 종류에 따른 열전도 효과를 파악하였다.
에너지 파일 수직 단면의 열전달을 살펴보기 위해 ABAQUS를 통해 2차원 유한 요소 열전달 해석을 실시하였다. ABAQUS 해석 Step에 따른 온도 변화를 그림 3.
ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석에서는 PHC와 강관, 동관에 대한 해석을 실시하였다. 에너지 파일에 사용된 PHC, 강관, 동관 말뚝에 따른 열전달 영향을 파악하기 위하여 같은 지반 조건에서 말뚝의 종류를 달리하여 열전달 거동을 파악하였다. 그림 3.
에너지 파일의 수직단면에서 지반의 온도를 12℃로 주었으며, 겨울철 난방은 HDPE관의 경계조건은 2℃로, 여름철 냉방은 경계조건을 25℃로 주어 해석을 하였다. 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용한 에너지 파일의 열전달거동 해석 시, 지반의 일정한 온도와 열원인 열 교환 파이프에서의 온도 분포를 모사하기위하여 Step을 2개로 나누어 해석하였다.
에너지 파일의 지반조건에 따른 열전달 거동과 열응력 분포에 대해 알아보기 위하여 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 에너지 파일의 2차원 단면 유한 요소 해석을 실시하였다. 실제 현장에서 사용되고 있는 에너지 파일의 규격을 통해 모델링을 하였으며 다양한 지반조건과 그라우트 재료, 말뚝의 종류에 따른 열전도 효과를 파악하였다.
에너지 파일의 수직단면에서 지반의 온도를 12℃로 주었으며, 겨울철 난방은 HDPE관의 경계조건은 2℃로, 여름철 냉방은 경계조건을 25℃로 주어 해석을 하였다. 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용한 에너지 파일의 열전달거동 해석 시, 지반의 일정한 온도와 열원인 열 교환 파이프에서의 온도 분포를 모사하기위하여 Step을 2개로 나누어 해석하였다. Step 1에서는 지반에만 12℃의 경계조건을 주어 말뚝 내부로 12℃의 온도가 전달 되도록 하였으며, Step 2에서는 열 교환 파이프인 HDPE관에 25℃ 또는 2℃의 경계조건을 주어 2개의 Step으로 나누어 해석하였다.
말뚝의 직경은 500 mm이며, PHC의 두께는 80 mm, 강관과 동관의 두께는 10 mm를 사용하였으며, 말뚝의 내부에 관입된 HDPE관의 직경은 70 mm, 그 두께는 5 mm이다. 주변 지반은 가로 2500 mm, 세로 2500 mm로 주어 열원으로 인한 영향을 정확히 파악하기 위하여 넓게 모델링 하였다. 그림 2.
지반 조건은 점토와 모래, 암반에 대해, 그리고 지하수에 의한 포화여부를 고려하였고, 말뚝은 PHC, 강관, 동관에 대해, 뒷채움재는 시멘트와 벤토나이트로 각 열전도체의 차이에 대한 영향을 파악하였다.
지반은 계절에 상관없이 일정한 온도이므로 경계조건을 냉·난방 관계없이 12℃로 주었으며, 겨울철 난방은 HDPE관의 경계조건을 2℃로, 여름철 냉방은 경계조건을 25℃로 주어 해석을 실시하여 36 Case에 여름과 겨울의 냉·난방 온도를 고려하여 총 72 Case를 수치 해석 하였다.
본 연구에서는 지반조건을 고려한 에너지 파일의 열전달 거동을 알아보기 위해 ABAQUS를 사용하여 2차원 유한 요소 해석을 실시하였다. 해석은 토사의 종류, 지하수에 의한 포화여부, 뒷채움재에 따라 Case를 나누어 각 요소들의 영향 정도를 파악하였다. 수치 해석 결과를 통해 지반 조건에 따른 각각의 영향 정도를 파악하였으며 요소별 기본 조건을 통제하여 원하는 조건에서의 결과를 분석하였다.

대상 데이터

말뚝의 직경은 500 mm이며, PHC의 두께는 80 mm, 강관과 동관의 두께는 10 mm를 사용하였으며, 말뚝의 내부에 관입된 HDPE관의 직경은 70 mm, 그 두께는 5 mm이다. 주변 지반은 가로 2500 mm, 세로 2500 mm로 주어 열원으로 인한 영향을 정확히 파악하기 위하여 넓게 모델링 하였다.
에너지 파일의 내부 빈 공간을 채우는 뒷채움재는 균열이나 지하수 침투, 지표면의 오염물질의 유입을 막기 위해 투수계수가 낮은 것을 사용하며 열교환 파이프를 순환하는 유동액의 열을 주변 토양층이나 암반층으로 전달시키는 역할을 하고 있다. 에너지 파일과 지중열교환기에 사용되는 뒷채움재는 여러 가지가 있지만, 흔히 사용되는 시멘트 그라우트와 벤토나이트 그라우트를 사용하여 해석을 실시하였다. 일반적으로 사용되는 시멘트 그라우트는 벤토나이트에 비해 열전도도가 크지만 건조 시 건조수축으로 인한 균열로 열손실을 가져올 수 있다.
지반조건과 매질에 따른 36 Case의 조건을 냉·난방에 따라 경계조건의 온도를 달리하여 총 72 Case의 수치해석을 실시하였다.

이론/모형

본 연구에서는 에너지 파일의 형태와 깊이, 열전달 매질과 지반조건 등에 따른 열전달 거동을 2차원 유한 요소 해석 및 3차원 유한 체적 해석을 통해 파악하였다. 에너지파일 내부에 들어가는 열교환기의 형태는 U형, Double-U형, 복수정형, 나선형 등 여러 형태가 있지만, 일반적으로 사용되는 U자 형태에 대한 열전달 거동의 해석을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실시하였다. 지반 조건은 Clay, Sand, Rock 지반과 지하수에 의한 포화여부를 고려하여 열전달 거동을 파악하였고, 사용된 말뚝의 종류는 PHC, 강관, 동관 말뚝 가정하여 해석하였다.

성능/효과

4. ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 열교환 파이프와 가장 까까이 위치한 그라우트재에 따른 열전달 영향이 가장 크게 나타났다. 열전달 효율을 비교해본 결과 시멘트가 벤토나이트 그라우트에 비해 1.
5. 에너지 파일의 그라우트에 의한 영향 파악하기 위해 수치해석을 실시한 결과, 상대적으로 열전도도와 비열이 높은 시멘트 그라우트가 벤토나이트 그라우트에 비해 열전달이 효율적임을 확인했다. 그라우트는 열교환기와 말뚝, 그리고 외부 지반에 직접 열을 전달시켜 주고 열교환 능력에 직접적인 영향을 미치기 때문에 그 성능 개선 및 연구가 필요하다.
에너지 파일이 시공된 지반 조건에 따른 영향 효과를 파악하기 위하여 여러 지반 조건을 가정하여 해석을 실시하였다. Clay, Sand, Rock의 지반조건과 지하수에 의한 포화여부를 고려하였는데, Rock에서 가장 온도변화가 크게 나타나 열전도가 잘되었으며, 지하수에 의해 포화된 지반이 포화되지 않은 지반에 비해 열전달 효과가 크게 나타났다.
3은 지하수의 영향을 받지 않은 토사와 시멘트 뒷채움재로 조건을 통제하여 Clay, Sand, Rock에서의 말뚝 종류의 영향을 알아보았다. 같은 지반 조건일 때 말뚝의 차이에 의한 열전달을 비교해 보면 동관, 강관, PHC 순으로 열전달이 잘되며, 말뚝의 중심에서 부터의 거리가 짧을 때에도 온도가 잘 전달되고 있음을 확인하였다. 어떤 말뚝이든 Rock에서는 열전달이 잘되어 말뚝 종류에 상관없이 비슷한 형태를 보인다.
이는 강관과 동관에 비해 열을 빨리 소산시키지 못하여 열원으로 부터의 열이 아직 가까운 지점에 머물러 있으며, C와 D의 온도차가 큰 점과 기울기가 비교적 작은 것으로 보아 열을 전달하는 속도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 그래프의 기울기와 온도를 비교 하였을때 열을 소산시키는 속도가 동관, 강관, PHC 말뚝 순을 알 수 있었다.
ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 에너지 파일의 중심을 지나는 직선상의 지점들의 온도변화를 에너지 파일의 사용 말뚝의 차이에 따라 열전달 거동을 비교하였다. 열원으로 부터의 열을 얼마나 빨리 소산시키느냐는 그래프의 기울기를 통해 파악할 수 있는데, 동관, 강관, PHC 말뚝 순으로 그래프의 기울기가 큰 값을 가짐을 확인 하였다.
ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 열교환 파이프와 가장 까까이 위치한 그라우트재에 따른 열전달 영향이 가장 크게 나타났다. 열전달 효율을 비교해본 결과 시멘트가 벤토나이트 그라우트에 비해 1.4~1.5배 더 큰 열전달 효율이 있음을 알 수 있었다.
지하수에 의해 포화된 지반의 경우 포화되지 않은 지반에 비해 열을 더 잘 분산 시킬 수 있었으며, 열원 주변의 기울기가 크게 차이나는 것으로 보아 지하수에 의한 포화 여부가 열 전달에 있어 중요한 요소임을 알 수 있었다. 하지만 Rock 지반의 경우 지하수 유무에 따른 큰 차이를 보이지 않았다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기초파일의 형태와 구조물이 위치한 지반조건, 뒷채움재 등의 재료에 따른 열전달 효율이 달라지는 이유는 무엇인가?	지중열교환기가 구조물의 기초파일 안에 들어가기 때문에 기초파일의 형태와 구조물이 위치한 지반조건, 뒷채움재 등의 재료에 따른 열전달 효율이 달라지며 열용량 파악과 전체 시스템에 큰 영향을 미치게 된다. 이에 지중열교환기의 열전달 거동에 대한 연구와 열효율 향상에 대한 많은 연구가 필요하며, 여러 지반조건과 열전달 매질에 따른 영향 파악이 필요하다.
	에너지파일 내부에 들어가는 열교환기의 형태에는 어떠한 것들이 있는가?	본 연구에서는 에너지 파일의 형태와 깊이, 열전달 매질과 지반조건 등에 따른 열전달 거동을 2차원 유한 요소 해석 및 3차원 유한 체적 해석을 통해 파악하였다. 에너지파일 내부에 들어가는 열교환기의 형태는 U형, Double-U형, 복수정형, 나선형 등 여러 형태가 있지만, 일반적으로 사용되는 U자 형태에 대한 열전달 거동의 해석을 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 통해 실시하였다. 지반 조건은 Clay, Sand, Rock 지반과 지하수에 의한 포화여부를 고려하여 열전달 거동을 파악하였고, 사용된 말뚝의 종류는 PHC, 강관, 동관 말뚝 가정하여 해석하였다.
	지반조건을 고려한 에너지 파일의 열전달 거동을 알아보기 위해 ABAQUS를 사용하여 2차원 유한 요소 해석을 실시한 결과는 어떻게 나타났는가?	1. ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 에너지 파일의 중심을 지나는 직선상의 지점들의 온도변화를 에너지 파일의 사용 말뚝의 차이에 따라 열전달 거동을 비교하였다. 열원으로 부터의 열을 얼마나 빨리 소산시키느냐는 그래프의 기울기를 통해 파악할 수 있는데, 동관, 강관, PHC 말뚝 순으로 그래프의 기울기가 큰 값을 가짐을 확인 하였다. 2. 에너지 파일에 사용된 말뚝의 종류에 따른 열전달 거동을 알아보기 위해 지반의 조건과 뒷채움재의 조건을 같게 하여 해석 하였으며, 여름철과 겨울철의 냉·난방 과정에 따른 열전달 거동을 파악하였다. 냉방과 난방 시의 열 확산 속도는 비슷하였으나 말뚝에 따른 영향과 지반 조건에 따라 조금씩 차이를 보였다. 동관의 경우와 Rock 지반의 경우 가장 열전달이 잘 나타났다. 3. 에너지 파일이 시공된 지반 조건에 따른 영향 효과를 파악하기 위하여 여러 지반 조건을 가정하여 해석을 실시하였다. Clay, Sand, Rock의 지반조건과 지하수에 의한 포화여부를 고려하였는데, Rock에서 가장 온도변화가 크게 나타나 열전도가 잘되었으며, 지하수에 의해 포화된 지반이 포화되지 않은 지반에 비해 열전달 효과가 크게 나타났다. 4. ABAQUS를 통한 2차원 유한 요소 해석을 통해 열교환 파이프와 가장 까까이 위치한 그라우트재에 따른 열전달 영향이 가장 크게 나타났다. 열전달 효율을 비교해본 결과 시멘트가 벤토나이트 그라우트에 비해 1.4~1.5배 더 큰 열전달 효율이 있음을 알 수 있었다.

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