| 연구개발개요 |
화석에너지를 대체할 신/재생에너지 개발이 요구되는 국제 정세에 맞추어 정부도 신/재생에너지의 보급 및 개발에 관심을 가지고 이에 대한 연구를 장려하고 있다. 신/재생에너지 중에서 지열에너지는 재생에너지로서 비고갈성이며 환경친화적인 에너지원이다. 지열에너지를 이용하는 대표적인 예가 지중 열교환기를 이용한 지열 냉난방 시스템이며 현재 미국을 중심으로 많은 시공이 이루어지고 있으며 우리나라도 그 시공 사례가 점점 증가하는 추세이다. 지열냉난방 시스템은 말 그대로 계절에 상관없이 일정한 온도를 유지하는 지중의 열원을 이용하는 방법으로 환경이 중요시 되는 지금에 있어 많은 주목을 받고 있다. 또한 기존의 화석연료를 이용하는 냉난방 시설에 비하여 화재/폭발 등의 위험이 없어서 안정성이 높고, 자원이 무한에 가깝기 때문에 유지비용이 저렴하다. 하지만, 국내에서는 지열냉난방 시스템이 미국이나 유럽에 비하여 걸음마 수준으로 국내에서 시공되는 지열냉난방 시스템은 기술 제휴로 인한 자재의 국산화 정도가 그 수준이다. 그러나 기후변화 대응 협약등 환경을 중요시하는 시대흐름과 지열냉난방 시스템의 장점을 보건데 충분한 사업성이 있으며, 따라서 이에 대한 연구 사업이 필요하다. 지열 냉난방시스템에서는 열을 전달하는 부동액(물)이 순환하는 지중에 설치되는 열교환기가 시스템 설치 및 운영에 가장 중요한 요소(열교환기 시공비가 전체 설치비용의 30-50%)이며 일반적으로 직경 15cm 크기의 보어홀을 깊이 200m 정도 굴착한 후 순환용 HDPE 파이프를 삽입하여 그라우트로 마감하게 된다. 우리나라의 경우 설치 부지 문제로 수직 밀폐형 지중 열교환기가 대부분을 차지하고 있다. 지중 열교환 시스템의 효율은 그라우트재와 지반의 열전도도, HDPE 파이프 자체의 열전도도, 파이프간의 열간섭 현상 등이 중요한 요소로 작용하게 된다. 그라우트재의 열전도도가 지반에 비하여 낮을 경우, 또는 파이프간의 열간섭 효과와 그라우트의 점성이 높거나 파이프의 비틀림이나 꼬임 현상으로 발생할 수 있는 보어홀 내의 채워지지 않는 빈 공간은 시스템 내의 열교환을 저해하는 요소로 작용한다. 이에 본 연구에서는 기존에 사용하던 국내외 그라우트재보다 열전도도가 높고 그라우트 시공성이 좋은 새로운 지중 열교환기 뒤채움용 그라우트재를 국산화하고 HDPE 파이프간의 열간섭 효과와 파이프의 비틀림이나 꼬임 현상을 방지할 수 있는 파이프 단면을 개발하여 전체 지중 열교환 시스템의 효율을 높이고 경제적인 설계 및 시공을 목표로 한다. 현재 HDPE 파이프는 국산화가 진행 되었으나 그에 대한 연구는 아직 미흡한 상태이다. 따라서 지중 열교환기 구성에 핵심이 되는 이 HDPE 파이프에 대한 개발이 이루어진다면, 국내 지열냉난방 시스템 시공의 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 초기 설치비용을 줄일 수 있고, 이에 지열 냉난방 시스템 사업의 성장을 이루는데 큰 영향을 줄 것이다.
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| 최종목표 |
지중 열교환기는 지상에서 지중으로 유체를 순환하게 하여 지중에서의 열을 흡수 또는 방출하여 원하는 온도의 유체를 얻어 냉난방에 이용하게 하는 시스템이다. 지중 열교환기에서 핵심적인 요소는 뒷채움 그라우트재와 순환용 HDPE 파이프이다. 본 연구는 수직형 지열냉난방시스템의 설계 및 시공에 최적화된 뒤채움 그라우트재와 HDPE 파이프의 단면을 개발하고 나아가 재료의 특성을 체계적으로 정리하여 국내의 특성에 맞는 재료를 개발함으로서 경제적인 설계 및 시공이 이루어지도록 하는데 궁극적인 목표가 있다. 따라서, 본 연구가 추구하는 최종적인 연구 목표는 국내 여건에 적합한 친환경적 지열냉난방시스템의 활용에 있으며 이를 위한 세부 연구 목표는 다음과 같다. 첫째, 기존의 벤토나이트나 시멘트 그라우트의 단점을 극복할 수 있고 지중열 교환기 뒤채움재로 적합한 새로운 그라우트재의 개발, 둘째, 유입 파이프로부터 유출 파이프로의 열간섭을 줄여줄 수 있고 격자형 구조에 의한 강성 증가로 지중 열교환기 시공시 비틀림이나 꼬임을 방지하여 그라우팅 시공성을 향상시킬 수 있는 지중열교환 HDPE 파이프 단면의 개발, 셋째, 수치해석을 통해 개발된 그라우트재와 HDPE 파이프 단면의 효율 및 신뢰성 분석, 그리고 마지막으로 현장 시험을 통한 본 연구에서 얻어진 결과의 현장 적용성 분석이다. 본 연구에서 개발될 새로운 그라우트재와 지중 열교환용 HDPE 파이프는 연구를 통한 시작품 단계를 걸쳐 수치해석 및 현장 적용성 평가 그리고 경제성 분석을 통하여 제품 개발과 지중 열교환시스템의 설계지침을 제안하도록 한다.
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| 연구내용 및 범위 |
친환경적이고 우수한 열전도도를 지닌 그라우트재와 지중 열교환 시스템의 효율을 높이는 HDPE 파이프 단면을 개발하기 위해 본 연구에서는 기존의 연구자료를 수집하고, 현재 사용되고 있는 그라우트재의 물리/화학적 특성을 분석하여 최적화된 그라우트재 배합비를 제안하며 그라우트재와 첨가재의 국산화를 연구할 것이다. 현장의 지중상태를 모사하는 모형 챔버 실험과 연구 중 제안될 각종 파이프 단면에 대한 수치해석을 통하여 최적화된 파이프 단면을 도출하게 될 것이다. 이를 위해 각종 실내실험들이 계획되어 있으며, 그라우트재의 점도 측정, 열전도 측정, 양생된 그라우트 공시체의 일축압축강도 측정, 건조 수축에 의한 부피 변화 및 미세 크랙 존재 유무 확인, 용출시험, 투수시험 등을 실시하여 기존에 사용하고 있는 그라우트재와 개발될 그라우트재의 물리적, 화학적 특성을 평가 분석할 예정이다. 특히 수치해석을 통해 단면의 형상에 따른 강성 증진 효과와 열전도 변화에 대해 분석하고 합리적인 단면을 제시하게 될 것이다. 현장 시험은 총 6공의 보어홀에 대한 시험이 예정되어 있으며 현장 시험을 통해, 개발될 그라우트재와 격자형 HDPE 파이프 단면의 적합성을 평가하고 연구 결과가 전체 시스템의 효율에 어느정도 반영되는지에 대한 평가 및 분석을 실시 할 예정이다. 또한 현장 시험을 통해 얻은 결과와 수채해석 결과를 비교하여 충분한 신뢰도를 확보할 계획이다. 위의 실험과 분석을 통해 얻은 파이프 단면과 그라우트재간의 상호 적합성을 검토하고 HDPE 단면에 대해 제품 가능성 경제성을 분석한 후 업체에 의뢰하여 개발된 단면을 제품화 할 계획을 가지고 있다. 3차년도에 실시 예정인 지중 열교환기 설계 지침은 지중 열교환 시스템에 사용되는 그라우트재와 HDPE 파이프에 관한 내용으로 그라우트재가 지녀야 할 물리적, 화학적 특성은 물론 HDPE 단면 제한에 관한 내용을 연구하여 제시할 예정이다. 결국, 본 연구의 결과물인 열전도도가 우수한 국산 그라우트재와 격자형 HDPE 파이프 단면은 현장 시험을 통하여 우수성을 평가하고 실용적인 제품화를 위한 경제성 분석을 거친 후 제품화 하고자 한다. 또한 지중 열교환기의 파이프와 그라우트재에 대한 설계 지침을 제시할 것이다.
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