STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(제주 용천수의

여름철 냉방 활용 방법에 대한 연구)

2015. 11. 18.

제주여자고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 제주 용천수의 여름철 냉방 활용 방법에 대한 연구

연구목표

가. 제주 용천수의 수질 특성을 분석하여 여름철 냉방 자원으로의 활용 가능성에 대해 조사한다.

나. 제주 용천수를 활용한 냉방 장치를 제작하여 제주 용천수를 여름철 냉방 자원으로 활용할 수 있는지 탐구한다.

다. 제주 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템의 가능성에 대해 탐구한다.

연구방법

○ 제주 용천수 중 ‘삼양 큰물’의 일일 용출량 및 수온 특성 조사

○ 용천수를 활용한 냉방 장치 제작을 위한 사전 실험 수행 - 용천수 배관의 굵기, 모양, 설치 위치에 따른 냉방 효율 실험

○ 사전 실험 결과를 토대로 용천수를 활용한 냉방 장치 설계 - 지하수를 활용한 냉방 장치 선행 연구

- 사전 실험 결과를 적용한 냉방 장치 설계

○ 용천수를 활용한 냉방 장치 제작 및 냉방 효과 검증

- 30mm 압축 스티로폼, 연질 동파이프를 활용한 냉방 장치 제작

- 냉방 장치 내부에 연질 동파이프를 S자 모양으로 배관한 후 용천수를 순환펌프(여과기)로 순환시켜 냉방 장치 작동

- 냉방 장치 상부의 냉각 공기 토출부 안쪽과 하부의 공기 유입부에 MBL 온도 센서를 부착하여 냉방 효과 검증

- 냉방 장치의 용천수 유입부와 배출부 관의 표면에 MBL 온도 센서를 부착하여 냉방 효과 검증

- 실내에 MBL 온도 센서를 설치하여 냉방 효과 검증

○ 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템의 가능성 탐구

- 제작된 냉방기를 사용하여 연구 대상인 삼양 ‘큰물’의 1일 용출량으로 냉방용 용천수를 공급할 수 있는 가구 수 탐구

- 제주 용천수의 1일 용출량으로 제주형 지역 냉방 시스템의 가능성 탐구

연구성과

가. 용천수를 활용한 냉방 장치를 제작하여 냉방 효과를 탐구해 본 결과 상부 냉각 공기 토출부의 최저 온도를 19.17℃까지 낮출 수 있었음 나. 제작된 냉방 장치의 용천수 유입부와 배출부 관의 온도 차이가 최대

2.24℃로 용천수에 의한 냉방 효과를 검증할 수 있었음

다. 제작된 냉방 장치를 사용해 냉방한다면 삼양 ‘큰물’의 1일 용출량으로 많은 가구의 지역 냉방이 가능함을 확인함

라. 제주형 신도시를 설계할 때 주변 지역의 용천수를 지역 냉방 자원으로 활용해야 할 필요성을 깨닫게 됨

주요어 (Key words)

제주 용천수, 냉방, 지역냉방, 자원 활용

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 연구동기

- 제주 용천수(湧泉水)는 1980년대 이전까지 제주 도민의 생명수 역할을 하였으나, 1980년대 이후 상하수도 보급 후 상수원수 및 생활 및 농업 용수로 주로 이용되고 있음

- 그러나 아직도 막대한 양의 용천수가 현재 바다로 그냥 흘러들어가 소중한 자원이 사라지는 실정임

- 더구나 제주 용천수에 대한 관심도 하락 및 각종 개발 사업으로 인해 용천수의 매입 및 훼손이 증가하였음

- 따라서 본 연구에서는 연중 수온이 14℃~16℃를 일정하게 유지하는 제주 용천수를 여름철 냉방 자원으로 활용할 수 있는 방법에 대해 연구해 보고자 함

- 제주 용천수를 여름철 냉방 자원으로 활용한다면 제주 지역의 여름철 냉방에 필요한 막대한 전기에너지를 절약할 수 있음

- 또한 이러한 연구를 통해 제주 사람들에게 제주 용천수가 소중한 제주의 자원임을 인식시키고 용천수를 보전하려는 태도를 기르게 할 수 있음

○ 연구 목적

가. 제주 용천수의 수질 특성을 분석하여 여름철 냉방 자원으로의 활용 가능성에 대해 조사한다.

나. 제주 용천수를 활용한 냉방 장치를 제작하여 제주 용천수를 여름철 냉방 자원으로 활용할 수 있는지 탐구한다.

다. 제주 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템의 가능성에 대해 탐구한다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 및 범위

- 연구 분야 및 범위 : 제주 용천수의 수질 특성 파악, 용천수를 활용할 수 있는 냉방장치 고안 및 제작, 제주에 맞는 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템 가능성 탐구

○ 진행 단계

- 용천수를 활용한 냉방 장치를 고안, 제작하여 실험을 완료 - 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템 탐구

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 용천수(湧泉水)의 개요

- 대수층을 따라 흐르는 지하수가 암석이나 지층의 틈을 통해 지표면으 로 자연스럽게 솟아나는 지점을 용천(spring, 湧泉)이라 하고, 이 물을 용천수(湧泉水)라 함

○ 제주 용천수(湧泉水)와 제주인의 삶

- 제주도에 상수도가 보급되기 이전에 용천수는 제주도민들의 생명수 역할을 했음.

- 용천수는 용출하는 지역에 따라 크게 해안지역 용천수, 중산간 지역 용천수, 산간 지역 용천수로 구분할 수 있음.

- 해발 200m 이하에 분포하는 해안 지역 용천수가 가장 많으며, 이것이 오늘날 제주도의 마을이 해안 지역을 따라 환상(環狀)의 형태로 만들 어낸 원동력이 되었음.

- 제주 용천수는 제주도에 상수도가 제대로 보급되지 않았던 1980년대 이전까지 식수원으로서 뿐만 아니라 생활 및 농업용수로 이용되어 제주도민의 생활의 근거가 되었음.

○ 제주 용천수(湧泉水)의 특성

- 제주도내 용천수는 총 911개소가 분포하며, 제주시 540개소, 서귀포시 371개소임. 대부분 해발 200m 이하의 저지대에 분포하고(839개소),

중산간지역(51개소), 고지대(21개소)에 일부 분포함.

- 남, 북 사면에 분포하는 용천수는 주로 하천변이나 그 주변 지역에 위치하는데 비해 동, 서부 지역에서는 분석구 주변이나 기슭에서 용출 함. 북부지역에서는 외도천, 한천, 산지천, 화북천을 중심으로 용천수 가 발달하고 있으며, 남부지역은 동홍천과 효례천을 따라 밀집 분포함.

[그림 1 ] 제주 용천수의 분포 현황

- 지대별 용천수 분포 현황

구분 합계 저지대

(200m 이하)

중산간 지대 (200~600m)

고지대 (600m 이상)

계 911 839 51 21

제주시 540 487 39 14

서귀포시 371 357 12 7

<표 1> 지대별 제주 용천수 분포현황

○ 제주 용천수(湧泉水)의 용출량 현황

- 1993년 한국수자원공사는 403개소를 측정하여 용출량을 1,110,129㎥/

일로 보고

- 1998~1999년 제주도는 701개소를 측정하여 1일 평균 용출량을 1,083,363㎥, 최대 1,608,342㎥으로 보고

- 2002~2003년 제주도와 한국수자원공사에서 용출량이 500㎥/일 이상 인 122개소를 선정해 조사한 결과 1일 용출량을 602,959㎥/일로 보고

- 2011년~2012년 제주도에서 자체적으로 1일 용출량이 500㎥ 이상 되는 186개소를 선정, 용출량 조사를 수행한 결과 평균 용출량은 506,871㎥

/일로 나타났으며, 계절적 변동도 살펴보았을 때 최대 용출시기의 평균용출량은 최소 용출시기 평균 용출량의 약 116%에 해당하는 것 으로 나타남.

[그림 2 ] 용출규모별 용천수 분포도

○ 제주 용천수(湧泉水)의 이용 현황 - 용도별 용천수 이용 현황(1999년)

구분 농업생

활겸용 생활용 상수원 기타

(수산용) 미이용 주변 훼손

고갈/

멸실 합계

합계 122 218 28 4 339 18 182 911

<표 2> 용도별 용천수 이용 현황

- 상수원용 용천수 이용 현황(2011년)

지역별 수원명 용천수명 시설용량 취수량 비고

합계 14개소 22개소 192,200 47,482

<표 3> 상수원용 용천수 이용 현황 (단위 : ㎥/일)

○ 제주 용천수(湧泉水)의 냉, 난방 이용 현황

- 제주 서귀포시 강정동 딸기 농가 : 강정천의 물을 끌어와 딸기 비닐하

우스에 히트펌프를 이용해 가온한 결과 일반 열풍기보다 30% 이상 난방비가 저렴함.(2014.02.27. 뉴시스)

- 용천수 지하수열, 도내 냉난방 에너지 공급량의 20% 보유 : 한정상 중원대학교 석좌교수 주장(저탄소 녹색성장을 위한 제주 수자원 및 지열에너지 워크숍, 2010.07.07.)

- 한정상 교수 : “해저용천을 제외한 도내 701개 용천에서 매일 바다로 유출되고 있는 지하수량은 최대 160만8300CMD(Cubic Meter per Day.㎥/일), 평균 108만3400CMD”라고 추정한 뒤 “이를 바탕으로 환산한 열에너지 개발 가능량은 42만8000㎿로, 이는 도내 전체 주거 지 16만 가구와 건축물의 총 냉난방에너지(233㎿)를 지역냉난방 형 식으로 공급 가능한 양”이라고 설명

- 활용현황 : 용천수나 지하수를 히트펌프를 이용해 비닐하우스의 가 온에 활용하는 경우는 있으나 냉방에 활용하는 사례를 찾아 볼 수 없었음

○ 지역냉방 현황 조사

- 지구 온난화에 따라 겨울 기간이 짧아지고 여름 기간이 길어져 난방 수요보다 냉방 수요가 증가 함에 따라 ‘한국지역난방공사’에서 지역 냉방 사 업을 실시하고 있음

○ 지역냉방의 장점

- 전기소비가 많은 타 냉방방식에 비하여 전기 소비량이 적어 여름철 전력부하를 감소시킴

- 프레온가스(CFC)등 지구 온난화를 초래하는 온실가스 대신 물을 냉매로 이용, 오존층을 보호하여 대기환경을 개선

- 에어컨을 사용할 경우 실외기를 각 가구의 주택 외부에 설치하여 미관상 좋지 않고 이사할 때마다 이동시켜야 하는 번거로움이 있으 나, 지역냉방의 경우 이런 불편한 점이 없음

- 에어컨 대체에 따른 전기요금 누진 완화, 사용한 만큼 요금이 나오므 로 요금 부담 없이 사용 가능함

[그림 3] 전국 냉방 방식 보급률(동아일보, 2015.07.29.)

□ 연구주제의 선정

○ 연구 문제의 착안

- 현재 지구 온난화의 영향으로 제주 지역에서도 여름철 열대야 일수가 매년 증가하고 있는 상황임

- 제주 용천수는 수온이 연중 14℃~16℃로 거의 일정하므로 이것을 이용하면 여름철 냉방자원으로 활용할 수 있을 것이라 생각함 - 과거 식수원으로 사용되던 용천수가 제주 해안가의 많은 곳에서

유출되어, 용천수를 전혀 활용하지 못하는 곳이 399개로 이 용천수는 그대로 바다로 흘러들어가고 있음.

- 그대로 바다로 흘러 들어가는 차가운 제주 용천수를 여름철 냉방자원 으로 활용할 수 있다면 막대한 전기 에너지를 절약하여 제주 사람들 에게 큰 혜택을 주고, 용천수를 소중하게 생각하는 태도도 기르게 할 수 있을 것이라 생각함.

○ 연구 주제의 선정

- 참석자 : 책임 지도교사, 공동 지도교사, 연구학생 4명

- 1차 연구 주제 선정 회의 : 용천수 유실 문제의 심각성에 대해 토의한 후 용천수를 활용할 수 있는 방법을 연구 주제로 설정함(2015.05.10.) - 2차 연구 범위 설정 회의 : 연중 차가운 용천수의 성질을 이용한 냉방

장치를 고안해보고, 그것을 제주 지역의 상황에 맞게 적용해보는 방안 까지를 연구의 범위로 정함(2015.07.23.)

- 3차 실험 설계 회의 : 용천수의 특성을 확인하기 위해 조사 대상 용천수 를 ‘삼양 큰물’로 정하고 MBL 수온, 유속 센서를 사용에 수질 특성을 조사하기로 결정함(2015.07.24.)

- 4차 실험 설계 회의 : 용천수를 활용한 냉방장치를 고안하기 위해 실리콘 관과 스티로폼 상자를 활용한 사전 실험 계획 수립 (2015.07.31.)

- 5차 실험 설계 회의 : 용천수 냉방 장치를 제작할 때 가급적 벽 또는 천정에 부착하여 미관상 냉방장치가 드러나지 않도록 두께가 최대한 얇게 제작하기로 결정(2015.08.31.)

□ 연구 방법

○ ‘삼양 큰물’의 일일 용출량 및 수온 특성 조사( 8월) - 일일 용출량 및 수온 조사 : MBL 유속, 온도 센서

○ 용천수를 활용한 냉방 장치 사전 실험

- 지하수를 활용한 냉방 장치 선행 연구 조사

- 실리콘 관과 스티로폼 상자를 활용한 용천수 냉방 실험 장치 고안 - 실리콘 관의 내경(5mm, 10mm), 설치 모양(S자형, 동심원형), 설치

위치(아래면, 옆면, 천정), 관의 종류(실리콘 관, 연질동파이프), 물의 순환 속도(빠르게, 느리게)에 따른 냉방 효율성 실험

○ 사전 실험 결과를 활용한 용천수 냉방 장치의 설계 및 제작

- 사전 실험 결과를 토대로 용천수 냉방 장치의 관의 내경(10mm), 관의 종류(연질동파이프), 설치 모양(S자형), 설치 위치(벽면), 순환 펌프 (35W 수족관 여과기) 결정

- 냉방 장치를 제작하여 냉방을 실시했을 때의 문제점(결로현상, 집안에 냉방장치를 설치했을 때의 미관상 문제점 등) 탐구

- 기존의 에어컨과 비교했을 때 냉방 효율 및 경제성 비교 연구 - 융합적인 면 고려 : 천정이나 벽면에 설치했을 때 미관상 집안과 자연

스럽게 어울리며, 두께가 얇고 잘 드러나지 않도록 설계함

- 제작, 가공이 쉽고 단열이 잘되는 30mm 압축스티로폼과 연질동파이 프를 사용하여 제작

□ 연구 활동 및 과정

○ 조사 대상 용천수(삼양동 ‘큰물’) 위치 및 모습

조사대상

264cm 246cm 132cm

[그림 4 ] 연구 대상 용천수의 위치(좌) 및 모습(우)

○ 용천수 유속 및 수온 측정 및 일일 용출량 계산 - 1차 : 2015.08.06. 오후 03시 만조, 유속 및 온도 측정 - 2차 : 2015.08.08. 오전 11시 간조, 유속 및 온도 측정 - 3차 : 2015.08.22. 오전 09시 간조, 유속 및 온도 측정 - 4차 : 2015.08.22. 오후 04시 만조, 유속 및 온도 측정 - 5차 : 2015.08.23. 오전 10시 간조, 유속 및 온도 측정 - 6차 : 2015.08.23. 오후 06시 만조, 유속 및 온도 측정

[그림 5 ] 용천수 입구 크기 측정(좌), 수온 및 유속 측정(중), 유속 측정(우) 모습

○ 냉방 장치 제작 사전 실험(스티로폼 상자(26cm×26cm×26cm)) - 실리콘 관의 설치 모양과 설치 위치에 따른 냉방 효율 비교

5mm 10mm

@모양 S자모양

천정설치

[그림 6 ] 실리콘 관의 굵기, 모양, 설치 위치에 따른 냉방 효율 비교

- 가설설정

① S자형이 동심원(@모양) 형태보다 냉방효과가 클 것이다.

② 윗면에 설치했을 때 냉방효과가 가장 클 것이다.

③ 직경이 큰 관(10mm)이 작은 관(5mm)보다 냉방효과가 클 것이다.

○ 냉방 장치 사전 실험 결과와 STEAM R&E 중간발표회 자문위원의 조언을 토대로 한 최종 냉방 장치 모듈 설계 방향

- 냉방 장치는 가급적 두께가 얇도록(200mm이내) 제작하여 미관상 냉방 장치가 벽의 일부가 되도록 함

- 냉기가 위에서 아래로 내려와 공기의 자연 순환이 되도록 냉기가

빠져나오는 부분의 위치를 냉방 장치의 위쪽에 설치함.

- 냉방 장치 하부에 송풍기를 설치하여 공기를 강제로 공급시켜 줌으로 써 용천수 관과 공기가 충분히 접촉하여 냉각이 이루어지도록 함 - 용천수 순환 펌프는 관의 내경이 10mm였을 때 물에 충분히 압력을

가할 수 있는 수중 여과기(35W)를 사용함

- 공기를 냉방 장치 내부에 최대한 오래 머물도록 하기 위해 관 주변에 공기 흐름 장애물 설치

- 사전 실험 결과에 따라 관의 종류는 연질 동파이프, 관의 내경은 10mm, 관의 모양은 S자 모양, 관의 설치 위치는 벽면으로 결정

○ 용천수 냉방 장치의 최종 설계도

용천수 펌프

용천수 배출 냉각 공기 배출 팬

1230

900

150

185

송풍기 150

연질 동파이프

압축스타이로폼 (30mm)

(단위:mm)

[그림 7 ] 용천수 냉방 장치 설계도

○ 상부 냉각 공기 토출팬, 송풍기 사용 여부에 따른 냉방 효율 비교 - 상부 냉각 공기 토출팬만 사용하여 공기를 빨아 올렸을 경우 냉각

효과 실험

- 상부 냉각 공기 토출팬과 하부 송풍기 사용했을 때의 냉각 효과 실험 - 하부 송풍기만 사용하여 공기를 밀어 올렸을 때의 냉각 효과 실험

○ 냉방 효율 비교 방법

- 냉방 장치 내부의 상부 냉각 공기 토출부와 하부의 공기 유입부 온도 측정, 용천수 유입부 관과 배출부 관의 표면 온도 측정

○ 용천수를 활용한 최종 냉방 장치 모듈 제작

- 준비물 : 압축 스티로폼(가로 900mm×세로 1800mm×두께 30mm) 4장, 냉각 쿨러(120mm×120mm) 6개, 연질 동파이프(내경 9.5mm, 길이 15m) 2개, 엑셀 고정 크립바 4개(길이 4m), 나사못(길이 90mm, 60mm, 30mm), 칼, 줄자, T자 등

- 냉방 장치 모듈 제작

① 30mm 압축 스티로폼을 활용한 설계 도안 작성 및 절단

[그림 8 ] 냉방 창치 도안 작성, 절단 및 냉각 쿨러 설치

② 실리콘 관(10mm)을 사용한 냉방 장치 모듈 제작

[그림 9 ] 실리콘 관(10mm)을 사용한 냉방 장치 모듈 제작

- 스티로폼 위에 엑셀 고정 크립바를 설치한 후 연질 동파이프를 고정하 여 배관함

- 냉방 장치의 앞판과 뒷판 안쪽이 서로 마주보도록 배관하여 그 사이로 유입된 공기가 지나가 용천수 배관에 의해 냉각되도록 제작

공기 흐름 장애물

엑셀 고정 크립바

[그림 10 ] 공기 흐름 장애물 및 엑셀 고정 크립바 설치

연질 동파이프

[그림 11 ] 엑셀 고정 크립바로 연질 동파이프를 고정하여 배관

- 하부 송풍기의 제작 : 사각 선풍기, 스티로폼 상자, 삼다수 병 이용

[그림 12 ] 하부 송풍기 측면(좌), 밑면(중), 위면(우) 모습

- 냉방 장치 모듈 최종 설치 모습

[그림 13 ] 용천수 냉방 장치 최종 설치 모습

①상부의 냉각 공기 토출부 안쪽과 하부 공기 유입구에 온도 센서 설치

②용천수 유입부와 배출부 배관의 표면에 온도 센서 부착

③용천수에 해당하는 물에 온도 센서가 잠기게 설치

④실내 온도 변화를 감지할 수 있는 실내 온도 센서 설치

⑤각 온도센서를 노트북 컴퓨터의 Logger Pro 3.7 프로그램과 연결

⑥Logger Pro 3.7 프로그램을 통해 30분(1건 수집/1초) 동안 온도 변화 를 수집하고 그래프 분석

⑦실험을 통해 분석한 결과를 토대로 최적의 용천수 냉방 장치 제안

○ 제주형 지역 냉방 시스템 제안

- 실험 결과를 토대로 제주형 지역 냉방 시스템 설계 및 제안

○ 시행착오 극복

- 냉방 효율에 대한 사전 실험 시 실제 제작할 냉방 장치 모듈보다 작은 스티로폼 상자(가로, 세로, 높이 26cm)를 사용했기 때문에 실험 결과를 그대로 실제 냉방 장치 제작에 적용할 수 없었음

- 사전 실험 결과 관의 설치 위치가 천정에 있을 경우 냉방 효율이 가장 좋게 나왔으나, 천정에 모듈을 설치하기 어려워 벽에 냉방 장치 를 설치하고 냉각 공기의 토출부를 상단에 배치

- 사전 실험 결과 굵기가 가장 얇은 5mm관의 냉방 효율이 좋았으나 실제 제작된 냉방 장치에는 약 10mm관을 사용함

- 5mm관의 경우 수중 펌프로 물을 순환시킬 때 관의 굵기가 얇고 길이 가 길어짐에 따라 물이 순환하는 속도가 느려져서 오히려 냉방 효율 이 떨어지는 단점이 있었음

- 처음에는 제작하기 쉬운 실리콘 관을 이용해 제작하였으나 중간발표 회의 자문 결과 관의 종류를 달리 해보는 것도 좋다는 의견이 있어 연질 동파이프와 실리콘 관의 냉방 효율을 비교 실험함

- 실험 결과 연질 동파이프의 냉방 효율이 약 2℃정도 좋게 나옴에 따라 연질 동파이프를 사용해 최종 냉방 장치를 제작함

- 처음에는 냉방 장치 상부의 냉각 공기 토출부 팬을 회전시켜 하부의 공기를 끌어 올려 냉각을 시도하였으나, 선행 연구와 사전 실험 결과 를 참고했을 때 하부에 송풍기를 설치하여 공기를 밀어 올리는 것이 냉방 효율이 더 좋다는 것을 알게 되어 하부에 송풍기를 설치하여 공기를 밀어 올리는 방식으로 공기 냉각을 시도함

- 처음 연구 범위는 용천수를 이용한 냉방 장치의 설계 및 제작이었으나, 중간 발표회의 자문 결과 용천수 냉방 장치가 과연 경제성이 있는지 질문을 받고 제주형 지역 냉방 방식에 대한 연구도 진행하기로 함 - 지역 냉방이 실제 경제성이 있는지 ‘한국지역난방공사’의 홈페이지에 서 조사한 결과 에어콘을 사용할 때보다 전기요금을 30~50%정도 절약할 수 있다고 함

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 삼양 ‘큰물’ 용천수의 모습과 용출부 크기 측정 결과

264cm 246cm 132cm

44cm

20cm [삼양‘큰물’] 전경

[입구1] [입구2,3]

[그림 14 ] 삼양‘큰물’ 전경 및 용출부 크기

○ 삼양 ‘큰물’ 용천수의 용출량 측정

- 삼양 ‘큰물’의 [입구1]의 만조와 간조 시 유속 측정 결과

[그림 15 ] 평균유속 0.18m/s [그림 16 ] 평균유속 0.54m/s

- 삼양 ‘큰물’ [입구1]의 만조, 간조 시 용출량¹⁾ 계산 결과

입구 입구1

조석 만조 간조

구분 유속 면적 유속 면적

크기 0.18m/s 2.09m^ 0.54m/s 0.89m^ 용출량/초 0.18m/s×2.09m^=0.38m^/s 0.54m/s×0.89m^=0.48m^/s 용출량/일 0.38m^/s×86,400s(24시간)

=32,832m^/일

0.48m^/s×86,400s(24시간)

=41,472m^/일 일평균 용출량 37,152m^/일

<표 4 > 삼양‘큰물’[입구1]의 평균 용출량

1) 용출량=유속×용천수 용출부의 면적

- 삼양 ‘큰물’의 [입구2+입구3]의 만조와 간조 시 유속 측정 결과

[그림 17 ] 평균유속 0.09m/s [그림 18 ] 평균유속 0.32m/s

- 삼양 ‘큰물’ [입구2+입구3]의 만조, 간조 시 용출량 계산 결과

입구 입구2+입구3

조석 만조 간조

구분 유속 면적 유속 면적

크기 0.09m/s 0.20m^ 0.32m/s 0.01m^ 용출량/초 0.09m/s×0.20m^=0.02m^/s 0.32m/s×0.01m^=0.003m^/s 용출량/일 0.02m^/s×86,400s(24시간)

=1,728m^/일

0.003m^/s×86,400s(24시간)

=259m^/일

일평균 용출량 993m^/일

<표 5 > 삼양‘큰물’[입구2]+[입구3]의 평균 용출량

- 삼양 ‘큰물’의 1일 평균 용출량=[입구1+입구2,3]용출량=38,145m^/일

○ 삼양 ‘큰물’ 용천수의 수온 측정 결과 : 평균 14.93℃

○ 관의 내경과 모양에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과(옆면 설치, 실내온도 24℃)

관의 모양 동심원(@)모양 S자 모양

관의 내경 5mm 10mm 5mm 10mm

온도 안정 시간(분) 16 20 16 17

안정 온도(℃) 19.5 20.1 19.6 19.5

<표 6 > 관의 내경과 모양에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과

관의 모양 동심원(@)모양 S자 모양

관의 내경 5mm 5mm

온도 안정 시간(분) 21 13

안정 온도(℃) 19.8 19.2

- 관의 굵기는 5mm, 모양은 S자 모양에서 냉방 효율이 더 좋게 나왔음

[그림 19 ] 수온 측정 결과

○ 관의 설치 위치에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과

관의 설치 위치 윗면 옆면 아랫면

관의 모양 S자형 @자형 S자형 @자형 S자형 @자형

온도 안정 시간(분) 17 21 13 16 24 22

안정 온도(℃) 18.5 19.5 19.2 19.9 18.7 18.8

<표 7 > 관의 설치 위치에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과

- 윗면, S자형에서 냉방 효율이 가장 좋게 나왔음

○ 냉방 장치 제작을 위한 사전 실험 결론

- 관의 내경은 5mm, 관의 모양은 S자형, 관의 설치 위치는 윗면이 가장 적절함

○ 냉방 장치 설계 시 사전 실험 결과 반영 여부 - 사전 실험 결과 관의 내경 5mm의 냉방 효율이

가장 좋았으나, 실제 냉방 장치는 사전 실험 장치

보다 크기와 부피가 커 5mm의 관으로는 용천수를 충분한 속도로 순환시키기 매우 어려웠음→토의 결과 구입한 35W 수중 여과기로 물을 충분히 순환시킬 수 있는 관의 내경 10mm로 결정

- 사전 실험 결과 천정에 냉방 장치를 설치하여 실험하는 것이 가장 좋았으나, 천정부에 설치하는 것이 매우 어려웠음→토의 결과 벽면에 설치하고 냉각 공기의 토출부를 상부에 위치시키기로 함

- 사전 실험 결과대로 관의 설치 모양은 S자형으로 하기로 결정함

○ 용천수 냉방 장치를 제작하여 설치한 후 냉각 효율 검증을 위한 실험 준비

- 온도 측정 및 분석 : MBL 온도센서 6개+Logger Pro3.7 프로그램 - 실험 전 모든 MBL 온도센서를 3단계 보정하여 영점 조정함 - 냉방 효과 검증을 위한 온도 센서 설치 위치

①냉방 장치 상부 냉각 공기 토출부 안쪽과 하부 공기 유입부

②냉방 장치의 용천수 유입부와 배출부 관의 표면

③용천수에 해당하는 물의 수온측정

④실내 온도 측정

- MBL 단말기에 실내 온도 센서를 별도로 설치하여 Logger Pro3.7 프로그램에서 측정된 실내 온도 값과 비교

[그림 20] 사전 실험 설계

○ 용천수 냉방 장치를 제작하여 설치한 후 냉각 효율 검증 실험 결과 (실험시간 30분, 실내온도 : 난방기 작동 후 약 27℃에서 시작) - 상부 냉각 공기 토출 팬만 작동한 실험 결과

하부 공기 유입부 실내 온도

상부 냉각 공기 토출부 수온

[그림 21 ] 상부 냉각 공기 토출 팬만 작동했을 때의 실험 결과

[그림 22 ] 상부 냉각 공기 토출 팬만 작동했을 때의 물의 유입부와 배출부 온도

①토출부 최저 온도 : 20.11℃

②물의 유입부와 배출부 최저 온도 차이 : 약 1.87℃

- 상부 냉각 공기 토출 팬+하부 송풍기를 작동한 실험 결과

하부 공기 유입부 실내 온도

상부 냉각 공기 토출부 수온

[그림 23 ] 상부 냉각 공기 토출 팬+하부 송풍기를 작동했을 때의 실험 결과

[그림 24 ] 상부 냉각 공기 토출 팬+하부 송풍기를 작동했을 때의 물의 유입 부와 배출부 온도

①토출부 최저 온도 : 20.74℃

②물의 유입부와 배출부 최저 온도 차이 : 약 1.96℃

- 하부 송풍기만 작동한 실험 결과

하부 공기 유입부 실내 온도

상부 냉각 공기 토출부 수온

[그림 25 ] 하부 송풍기만 작동했을 때의 실험 결과

[그림 26 ] 하부 송풍기만 작동했을 때의 물의 유입부와 배출부 온도

①토출부 최저 온도 : 19.17℃

②물의 유입부와 배출부 최저 온도 차이 : 약 2.24℃

○ 냉방장치 작동 방법에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과

구분 상부 냉각팬 상부 냉각팬+송풍기 하부 송풍기

토출부 온도차 토출부 온도차 토출부 온도차

온도(℃) 20.11 1.87 20.74 1.96 19.17 2.24

<표 8 > 냉방 장치 작동 방법에 따른 냉방 효율 비교 실험 결과

○ 실험 결론

- S자형으로 관의 모양을 만들었을 때 냉방 효율이 가장 좋았음 - 냉각 공기가 토출되는 부분을 천정 또는 상부로 했을 때 냉방

효율이 가장 좋았음

- 실리콘 관을 사용했을 때보다 연질 동파이프를 사용했을 때 냉 방 효율이 더 좋았음

- 냉방 장치의 작동 방법에 따른 냉방 효율은 하부 송풍기만 작동 하여 공기를 밀어 올릴 때 가장 좋았음

- 따라서 용천수를 활용한 냉방 장치는 냉각 배관 아래에 송풍기 를 설치하여 아래에서 위로 공기를 강제로 밀어 올려 냉각 시키 는 방식으로 설계해야 될 것으로 생각됨

- 제주용천수를 여름철 냉방 장치의 냉매로 충분히 활용할 수 있 음을 확인할 수 있었음

○ 용천수를 활용한 제주형 지역 냉방 시스템의 가능성에 대한 탐구 - 제작된 용천수 냉방 장치의 작동에 따른 용천수 필요량 계산

10mm 관의 면적 물의 순환속도

(35W 여과기) 용천수 필요량/s 용천수 필요량/일 0.0000785m^{ 0.6256m/s} 0.0000491m^/s 4.24m^/일

<표 9 > 냉방 장치 작동에 따른 용천수 필요량 계산 결과

- 삼양 ‘큰물’의 1일 용출량에 의한 지역 냉방 가능성 탐구

필요량/일×1대용천수 삼양‘큰물’

1일 용출량 1가구당

냉방장치 4대 가동 용천수 공급 가능 가구수

4.24m^/일×1대 38,145m^/일 16.96m^/일×4대 2,249가구

<표 10 > 삼양‘큰물’의 용출량으로 계산된 냉방 가능 가구수

- 삼양 ‘큰물’의 1일 용출량 측정이 정확하지 않아 오차를 감안한 다 하더라도 약 1,000가구 이상의 냉방용 용천수 공급이 가능하 다고 할 수 있음

- 따라서 제주 신도시 건설시 주변 용천수를 개발하여 지역 냉방 자원으로 활용한다면 경제적, 환경적으로 큰 이익이 될 수 있음

□ 시사점

○ 학습 효과

- 제주 해안가에서 흔히 볼 수 있는 용천수가 소중한 제주의 자원임을 알게 됨

- 용천수를 활용할 수 있는 방법이 냉방 뿐 만 아니라 ‘히트 펌프’를 이용하면 난방에도 활용할 수 있다는 사실을 알게 됨

- 용천수를 활용해 냉‧난방에 사용한 후 그 물을 생활용수로 활용하게 된다면 용천수의 활용도를 극대화 할 수 있을 것으로 생각됨

- 제주의 용천수를 활용할 수 있는 보다 전문적인 연구가 필요하다는 것을 깨닫게 됨

○ 개선점

- 용천수 배관에 물이 맺히는 결로 현상을 해결할 수 있는 방법에 대해 더 연구해야 될 것으로 생각됨

- 용천수의 용출량을 보다 정밀하게 측정 할 수 있어야 용천수의 정확한 활용 방법을 모색할 수 있을 것으로 생각됨

- 용천수 냉방 장치의 작동 실험을 여름철에 수행했다면 실내의 냉방 효과를 보다 확실히 검증할 수 있었을 것으로 생각됨

- 용천수 배관 설계 시 공기의 냉각이 보다 잘 이루어 질 수 있도록 차량의 라디에이터 방식으로 제작할 필요가 있음

4. 홍보 및 사후 활용

□ 홍보 및 사후 활용 계획

○ 본 연구에서 제안된 모형을 제주특별자치도 및 지역 주민에 적극 홍보하여 제주 용천수를 자원으로 좀 더 활용할 수 있도록 노력함

○ 본 연구에서 제안된 모형을 중·고등학교의 과학반 학생들에게 홍보하 여 제주 용천수의 활용방안에 대한 연구가 지속적으로 이루어 질 수 있도록 함

○ 본 연구를 ‘2015년 제4호 제주여자고등학교 과학탐구논총’에 게재하 여 제주 용천수의 자원 가능성을 홍보함

○ 본 연구를 과학중점학교 홈페이지에 게시하여 제주 용천수의 활용 방안에 대한 연구 분위기를 확산시킴

○ 본 연구에서 제작된 냉방 장치를 2016년 여름철에 작동하여 실질적인 실내 냉방 효과를 검증할 예정임

○ 2016년 STEAM R&E 사업이 계속된다면 용천수의 활용 방안에 대한 탐구를 계속 진행하고 싶음

5. 참고문헌

○ 이은주 외, 2012, STEAM R&E 연구결과보고서 제주 용천수의 수질 변화와 생태환경 및 제주인의 삶

○ 제주도, 1999, 제주의 물, 용천수, p.1~92.

○ 제주발전연구원, 2004, 제주의 명수 이용과 보전방안(Ⅰ), 정책연구, p.1~72.

○ 제주발전연구원, 2005, 제주의 명수 이용과 보전방안(Ⅱ), 정책연구, p.1~122.

○ 제주발전연구원, 2009, 제주지역 용수수요 전망과 수자원 보전, 관리 계획에 관한 연구, p.1~161.

○ 제주특별자치도개발공사 제주워터정보관리시스템 (http://www.jejuwater.or.kr/jwater/)

○ 한국지역난방공사 사업 소개(www.kdhc.co.kr)