Proceedings of KSEG 2012 Fall Conference / November 8 - 9, 2012
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지열을 이용한 도로융설 시스템 연구
김봉찬 Bong-Chan Kim
1)
*, 이석진 Seok-Jin Lee1)
, 서운종 Un-Jong Seo2)
, 김홍진 Hong-Jin Kim3)
1)
롯데건설 기술연구원, Research & Development Institute, Lotte Engineering & Construction
2)
HPS 신성장 사업처, New & Renewable Business Management Team, HPS
3)
한국도로공사 스마트하이웨이사업단, SMART Highway, Korea Expressway Corporation
주요어 : 지열, 융설시스템, 열섬저감.
1. 서론
최근 지구온난화로 인해 기후가 급격히 변화하면서 겨울철에 기록적인 눈이 내리고 있다. 특히 이렇게 집중적으로 내리는 눈은 도로에 쌓일 경우 교통사고 발생의 주요 원인으로 지적되고 있다.
도로에서 발생하는 사고 중 도로결빙에 의한 미끄러짐 사고비율이 높으며, 특히 상습 결빙 지역인 교량과 터널 입출부에서 발생 빈도가 높게 나타난다. 이러한 도로결빙이나 적설에 의한 미끄럼 방 지를 위해 최근에는 다양한 융설 방법이 개발되고 있다. 현재 도로결빙 및 융설을 위해 가장 손쉬 운 수단으로 제설제가 많이 사용되고 있지만, 도로시설물의 성능 및 환경에 부정적인 영향을 미치 고 있다. 이 때문에 본 연구에서는 신재생 에너지 중에서 비교적 자원이 풍부하고 유지관리에 많 은 비용이 소모되지 않는 지열을 이용하여 도로의 융설 시스템 개발을 개발하고 이를 실제 고속도 로에 적용하는 것을 목적으로 하고 있다. 당 연구는 실제 도로에 지열융설 시스템을 적용함으로써 활용성 및 적정성을 검토하고자 한다.
2. 현장 시험 시공
2.1 시공위치 및 설치개요
지열융설 시스템은 영동고속도로 진부 1터널 터널관리사무소 진출입로에 시공 하였다. 지열 열 원확보를 열교환공 2개를 굴착하였다. 열교환공 깊이는 200m, 구경은 150mm로 시공하였으며, 열 교환의 손실을 막기 위해 공간 거리를 6m로 하였다. 그림 1은 지열융설 시스템 시공 개요도 이다.
강설시 지열 융설의 최적 배치 연구를 위해 4개 type으로 시공하였다. 도로 융설 파이프 시공을 위 해 도로 아스콘을 100mm Under Cutting 하고 융설파이프 매설 후 아스콘을 재 포장하였다.
* 교 신 저 자 : ro se a t@ lo tte n c.co m
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그림 1. 지열융설 시험시공 위치도
2.2 시공 순서
현장 시공은 지열 열원 천공, 도로 Under Cutting, 융설파이프 매설, 재 포장, 트렌치공사, 기계실 공사 등 순으로 진행되었다. 표 1은 각 공정별 시공 사진이다. 또한 표 2는 기계실 배관도 및 자동 제어 공사 사진이다.
지열 열원 천공 도로 Under Cutting 융설파이프 매설
재 포장 트렌치공사 기계실 공사
표 1. 지열 융설 시스템 공정별 시공 사진
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장비 및 배관공사 자동제어 공사 자동화 계측기 설치
표 2. 기계실 배관 및 자동화 제어 계측기 설치 사진
기계실 내 배관공사는 히트펌프, 지중순환펌프, 대류펌프, 융설펌프 각 예비 1대, 버퍼탱크 적용 하였다. 특히 버퍼탱크는 강설시 빠르게 융설을 할 수 있도록 온수를 저장하기 위함이다. 또한 지 중열 입출구, 버퍼탱크 입출구, 버퍼탱크, 융설 입출구, 외기 온도 자동 계측이 가능하며, 순환 유 량계, 전체 소비입력까지 자동 계측이 가능하다. 각종 펌프류는 에러발생시 자동으로 예비펌프 가 동이 가능하도록 시스템을 설계 시공하였다.
3. 시스템 운영
시공된 지열 융설 시스템은 4월에 완공되어 현재 실제 강설에 따른 융설 시험을 수행하지 못하 였다. 금차년도 겨울에 실제 강설시 융설을 수행할 계획이다. 당 시스템의 시공확인 및 가동성 확 인을 위해 각각 온수 및 냉수 순환 시험을 수행하였다. 시스템 가동에 따른 열전달 효과를 확인하 기 위하여 열화상 카메라를 이용하여 온도 분포를 확인하였다.
온수 순환 시험은 4월에 수행하였으며 외기온도 14 ℃일때, 일반도로 표면온도 15.4 ℃로 나타 났으며, 융설파이프 상단 직상부의 온도는 19.2℃가 나타났다. 이 온도 분포는 시스템 운영 1시간 후에 측정한 결과로 Δt 4.8℃ 로 증온되어 측정되었다. 냉수 순환 시험은 8월에 수행하였으며 외기 온도 24 ℃일때, 일반도로 표면온도 39.8 ℃를 나타났으며, 융설파이프 상단 직상부의 온도는 35.
1℃ 가 나타났다. 측정은 시스템 운영 1시간후에 측정한 결과로 Δt 4.7℃ 로 측정되었다. 이 두 시 험을 통해 Δt가 5℃내외로 가동되고 있음을 확인 하였다.
그림 2. 융설을 위한 온수 순환(4월) 그림 3. 열섬저감을 위한 냉수 순환(8월)
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4. 결론
지열도로 시스템은 강설시 자동으로 융설이 진행되며 여타 융설 시스템에 비해 친환경적이며 인력투입이 최소화된 반영구적인 시스템이다.
당 연구에서 시공된 지열 융설 시스템 운영시험을 수행하였다. 이 시험을 통해 냉온수 순환이 원활하게 작동 되는것을 확인하였다. 두 시험에서 각각 Δt 5℃까지 변화되는 시간이 1시간 이내였 으므로 실제 도로 융설시에도 적정하게 운영이 가능 할 것으로 예상된다. 또한 당 시스템이 여름 철 열섬저감 효과에도 효율적임 확인하였다.
향후 연구로 금차년 겨울철에 강설시 시스템 가동후 최초 융설 시간을 확인하고 분당 3회이상 계측을 통해 열효율을 확인 할 계획이다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부가 출연하고 한국건설교통기술평가원에서 위탁 시행한 국토해양부 건설기 술혁신 연구개발사업의 연구비지원(과제번호 07-기술혁신-A01)에 의해 수행되었습니다.
참고문헌
롯데건설 (2011) 자연에너지의 도로시설물 활용방안 연구 5차년도 최종 보고서, 스마트하이웨이 사업단 한정상, 한혁상(2005), 지열펌프 냉난방 시스템, 한림원,
서운종, “SCW와 GEOHIL의 열응답 실험결과 및 고효율 장심도 지중열교환기”,
