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지열시스템용 고열전도ㆍ고유동성 속채움재 개발
  • 작성자선광웅
  • 연구기관전남대학교 해양토목공학과
  • 조회수2822
  • 작성일2017-12-28
  • 연구책임자 첨부된 이미지가 없습니다. 김영상
  • 소속기관전남대학교 해양토목공학과
  • 연구기간2014 ~ 2018
  • 이메일/연락처 /

에너지와 이산화탄소 저감정책은 국내외, 정권을 불문하고 중요
한 경제 및 사회이슈다. 최근 신재생에너지의 경우 태양광 및 풍
력발전사업에 이어 에너지 저감사업이 본격화되고 있다. 이러한
요구에 부합해 농어촌 특성을 고려한 고열전도성・고유동성을
가지는 지열시스템용 속채움재가 개발되었다. 이를 통해 지중열
교환시스템의 열 교환 효율이 크게 향상됐을 뿐 아니라 성능도
매우 우수하다. 게다가 저렴한 광산 폐기물을 재활용해 경제적
이다.​



□연구목적


에너지 저감형 주거 및 지열시스템 적정기술 개발을 위해 고열전도・고유동성을 갖는 속채움재를 개발했
다. 지중열 교환시스템이란 땅속의 지열을 열교환기를 통하여 외부 에너지 도움 없이 주택 및 건물 등 원
하는 곳에 원하는 냉・난방을 할 수 있는 시스템이다. 속채움재 개발은 지중열교환시스템(ground-source
heat-pump system)의 열 교환 효율을 크게 높일 수 있기 때문에 중요하며, 강도 및 차수성능, 열전달률, 환
경영향, 시공의 용이함, 장기사용 안정성, 재료수급 용이성, 설계 고려 시공비 등에서 기존보다 뛰어난 재
료를 개발하고자 했다.


□주요성과


열전도도, 열효율 및 부피 안정성 높여
고유동 속채움재(Controlled low-strength materials, CLSM) 개발 시 벤토나이트 그라우트나 시멘트 모르
타르와 같은 고가의 재료가 아닌 저렴한 광산 폐기물을 활용하였음에도 불구하고 열전도도, 열효율 및 부
피 안정성 등에서 성능이 높게 나타났다. 기존 고가의 재료인 벤토나이트 그라우트는 0.5~1.2 W/mK의 열
전도달률을 보이는 반면, 개발한 고유동 속채움재는 1.4~1.7 W/mK로 이보다 높았다. 탄성계수도 낮아 수
축과 팽창이 적어 안정적이며 장기간 사용해도 문제가 발생하지 않았다.


국제 성능규격 부합 · 환경영향성 검증
개발된 고열전도성 재료인 시멘트 모르타르는 용액의 수소이온지수인 pH가 교란될 가능성이 있지만 속
채움재는 한국 및 미국 환경기준시험 TCLP Test를 통과하고 국제 성능규격(ACI 229R)에 부합해 환경영향
에도 무해하다고 검증받았다.


수급 용이 · 시공비 20% 감소
기존 고가의 속채움재(벤토나이트)가 수입재료라서 재료수급에 애로가 있는 반면 개발된 속채움재는 부산
물을 활용해 경제적이며 수급도 용이하다. 또한 기존의 속채움재는 시공비가 높고 해안지역에 적용하기
힘든 반면, 개발된 속채움재는 기존 시공비의 80~85% 정도만 들어 시공비가 20% 감소되고 어디에나 시
공 및 적용할 수 있다.


□연구의 차별적 특징


기존개술 대비 경제성 우수
벤토나이트 그라우트(토목공사에서 누수방지 공사나 토질 안정 등을 위해 지반의 갈라진 틈·공동(空洞) 등에 충
전재를 주입하는 작업)나 시멘트 모르타르는 고압그라우트가 필요한데 반해 고열전도성 초유동 속채움재
는 시공이 쉽고 일반그라우트가 가능해 매우 경제적이다. 부산물을 활용하다 보니 재료를 수급하기도 편
하다. 또 기존 공법에 비해서 비용이 최대 20% 절감된다.


장기간 사용 시에도 안정성 확보
기존기술인 벤토나이트 그라우트는 건조과 습윤에 따라 부피 변화가 생겨 안정성이 떨어지고, 시멘트 모
르타르 역시 열팽창과 수축 등에 따라 내부 균열이 발생할 가능성이 높다. 이에 반해 새로 개발한 기술은
탄성계수가 낮아 수축하거나 팽창할 가능성이 낮아 장기간 사용해도 안정성을 확보할 수 있다.


부산물을 이용한 열 교환 효율 개선기술
부산물을 활용한 열 교환 효율 개선기술은 세계적으로도 유례를 찾아볼 수 없는 기술이다. 또한 일반적으
로 상반된 개념인 고유동성과 고열전도성을 동시에 충족시켜줌과 동시에, 열규사(Quartz, 열전도율 우수)계
이면서도 유체 안에서 요변성(Thixotropy, 가압 시 유동성이 우수해짐)을 가진 광산 폐기물을 선별해 사용해,
배합시 유동성과 부피의 안정성을 동시에 확보할 수 있다.


새로운 개념의 물성 측정방법 제시
부산물을 활용한 배합설계를 위해 새로운 개념의 물성 측정방법을 제시했으며 이를 실용화하고 보편화 하
는데 기여할 것으로 보인다. 또한 환경영향성 평가 및 설계·시공비 검토에서도 우수성을 확보했다.


□연구 성과의 파급효과


● 기술부문
열 전달률 개선에 일조
열효율을 높게 설계하기 위해 지중열 교환시스템 중 지반-열 교환 파이프 간
의 열 전달률을 개선하는 문제가 중요해지고 있고, 폐광미를 활용해 환경에도
좋고 재료를 효과적으로 재활용할 수 있어 관련 기술향상에 일조할 것으로 보
인다. 한편 지금까지는 도심을 중심으로 지중열 교환시스템을 시공했지만 향
후에는 해안, 도서, 농어촌 주택 시장으로 확대될 것으로 보인다. 호남의 경우
해안 도서지역이 넓게 분포돼 있고, 이로 인해 농촌지역은 염해 피해 위험에
노출돼 있어 지열 시스템용 그라우트 시공 시 ‘내염해성 그라우트’나 ‘시멘트
그라우트’로 시공하는 것이 필수가 됐다. 본 재료는 시멘트 그라우트의 하나
로 사용되기 때문에 진입이 한결 용이할 것으로 내다봤다.


● 사회경제사업화부문
국내외 저심도 지열에너지 시장성 확대
IEA(International Energy Agency)에 따르면 전 세계적으로 70여 개국이 저
심도 지열을 직접 활용하고 있다고 밝혔다. 그만큼 향후 시장성이 밝고 확대
될 것으로 예측하고 있다. 국내 역시 개발 가능한 저심도 지열에너지는 약
800GW(국내 발전 설비의 14배)로 매우 우수하다. 무엇보다 신재생에너지 가
운데 지열에너지의 비중이 2008년에는 0.1%에서 2030년에는 3.8%까지 연평
균 25% 가량 성장할 것으로 보여 미래 성장성은 매우 낙관적으로 전망한다.


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