초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 화력발전소, 제철소 및 광산 등에서 발생되는 산업부산물을 기반으로 열전도도가 우수한 저강도 고유동화재를 개발하고 기존의 지중 열교환 시스템용 열전달 채움재(그라우트재)의 대체 재료로써 사용 가능성과 우수성을 제안하였다. 또한 저강도 고유동화재의 함수보유특성을 측정하고 열전도도 사이의 상관관계 특성을 명확히 파악함으로써 채움재의 지하수위 등 수분함량 변화에 따른 지중 열교환기의 성능변화를 예측하고 고효율 최적설계가 가능하도록 하였다. 유한요소 프로그램인 COMSOL Multiphysics의 CFD 해석

□ 연구개요
본 연구에서는 화력발전소, 제철소 및 광산 등에서 발생되는 산업부산물을 기반으로 열전도도가 우수한 저강도 고유동화재를 개발하고 기존의 지중 열교환 시스템용 열전달 채움재(그라우트재)의 대체 재료로써 사용 가능성과 우수성을 제안하였다. 또한 저강도 고유동화재의 함수보유특성을 측정하고 열전도도 사이의 상관관계 특성을 명확히 파악함으로써 채움재의 지하수위 등 수분함량 변화에 따른 지중 열교환기의 성능변화를 예측하고 고효율 최적설계가 가능하도록 하였다. 유한요소 프로그램인 COMSOL Multiphysics의 CFD 해석을 통해 열교환기의 유체 흐름과 개발된 채움재 및 주변 지반의 함수보유-열전도 특성 상관관계를 고려한 2차원 및 3차원 해석을 수행하였다. 또한 수치해석과 동일한 조건으로 실내 Mockup 열응답 시험 측정을 통해 열교환율을 측정함으로써 개발된 재료의 우수성과 최적설계에 대한 유효성을 검증하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
◦ 1차년도: 저강도 고유동화재의 재료로써 활용 가능한 산업부산물 중 제강슬래그(Steel making slag)를 선정하고 이를 바탕으로 제작한 CLSM을 열전달 채움재로의 활용을 위해 열전도성, 투수성, 유동성, 응결시간, 일축압축시험, 미세구조특성 및 환경성 영향 평가를 실시하여 고효율 및 고성능 열전달 채움재 개발 목표를 달성함.
◦ 2차년도: CLSM의 함수보유-열전도 특성 상관관계를 결정하기 위해 저압력과 고압력 체적 함수추출기 장비를 모든 압력구간에서 열전도도를 측정할 수 있도록 개량하고 전체 포화도 영역의 함수보유-열전도 특성관계를 성공적으로 측정하였음. 또한 CLSM의 함수보유특성과 열전도도의 상관관계 경험식을 제안함.
◦ 3차년도: 개발된 재료의 우수성을 검증할 수 있는 Mock up실험을 실시하고 동일한 모델에 대한 지반 및 CLSM의 함수보유-열전도 특성을 고려한 수치해석을 실시함. 검증된 수치해석 모델을 바탕으로 채움재의 종류, 열전달 튜브의 이격 거리 및 형상 등에 대한 최적화 해석 결과와 제시하였음.
◦ 3개년의 연구과정을 통해 최최 연구계획서에 제시하였던 모든 목표를 성공적으로 달성하였음

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
1) 지반 열원 열펌프 시스템의 지중 열교환기 열전달 채움재의 열전도도 특성은 재료의 종류 및 특성과 혼합비 등에 따라 쉽게 변하기 쉬우므로 열전도도에 영향을 미치는 여러 인자들을 고려한 채움재의 열전도도 특성 연구는 향후 지중 열교환기의 채움재 결정과 지중 열교환기 설계 시 매우 중요한 기초 데이터로써 활용이 가능할 것으로 판단된다.
2) 제강슬래그를 기반으로 한 저강도 고유동화재(CLSM)는 유동성이 매우 좋고 건조시 수축이 적으므로 기존의 채움재 사용 시 발생하는 시공의 단점을 보완할 수 있다. 또한 상대적으로 고가인 채움재(벤토나이트, 시멘트 그라우트, 규사 등)를 대체하여 지중열교환기의 높은 초기 시공비를 절감할 수 있으므로 본 연구의 결과는 경제적 측면에서도 큰 이점이 있다.
3) 지반뿐만 아니라 열전달 채움재로 사용된 저강도 고유동화재의 함수보유-열전도 특성에 대한 상관관계 공식을 제안함으로써 실제 현장에서 지중 열교환기가 지하수 수위에 위치하거나 강우 시 열교환기의 열전도도의 성능변화에 대한 예측이 가능하고 설계의 중요한 입력변수로 사용할 수 있으므로 최적 설계에 매우 중요한 기초자료로써 사용가능 할 것으로 판단된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구의 개요 ... 4
• 1.2 연구의 최종목표 및 내용 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• (1) 1차년도(2018) ... 5
• (2) 2차년도(2019) ... 6
• (3) 3차년도(2020) ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 참고문헌 ... 19
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 21
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 22
• 끝페이지 ... 37