Development & Performance Evaluation of Ground Heat Exchanger Utilizing PHC Pile Foundation of Building

PHC 파일 기초를 이용한 지중 열교환기 개발 및 성능 평가

유형규*

*대림산업 기술연구소([email protected])

Development & Performance Evaluation of Ground Heat Exchanger Utilizing PHC Pile Foundation of Building

Yu, Hyung-Kyu*

*Daelim Technology Research Institute, Daelim Industrial Co., Ltd.([email protected])

Abstract

The objective of this study is to develope ground heat exchanger using PHC file used to building foundation, and it's element technology. So we construct PHC ground heat exchanger in the apartment house's PHC foundation and evaluate it's performance. First, we study PHC file type, heat exchanger pipe, grouting materials, and present apartment house's foundation condition for PHC ground heat exchanger and design it's proto type. Second according to grouting materials, we estimate construction convenience, and it's performance. Construction convenience side, PB 22 A pipe and sand grouting with moisture was good for PHC ground heat exchanger elements.

Experiment result is very superior. Thermal conductivity B, C type(sand, gravel) was respectively 32.4 W/m℃, 36.5 W/m℃, D(concrete) Type 27.8 W/m℃, E(bentonite) Type 19.6 W/m℃. Thermal interference for 4 day experiment period in 3.8 m was very small. So PHC file is good for using ground heat exchanger.

Keywords : 지중 열교환기(Ground Heat Exchanger), PHC 파일 (Pretensioned spun High strength Concrete) 지중 열전도도(Ground Thermal conductivity),

기 호 설 명

 : 열전도도 (W/m℃)

 : 측정공에 투입한 열량 (W)

 : 측정공 심도 (m)

Slope : 대수 변환한 온도-시간 그래프 기울기 EWT : 지중 열교환기에서 나가는 물의 온도 LWT : 지중 열교환기로 들어가는 물의 온도

투고일자 : 2008년 9월 2일, 심사일자 : 2008년 9월 17일, 게재확정일자 : 2008년 10월 9일, [논문] 한국태양에너지학회 논문집

Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 28, No. 5, 2008 ISSN 1598-6411

1. 서 론

연일 고유가가 지속되고 있는 상황에서 화석연료에 대한 에너지 의존도가 크며, 에 너지 수입량이 전체 에너지 사용량의 93

% 이상을 차지하고 있는 우리나라는 이를 대체할 수 있는 방안 수립이 매우 시급하 다.

이에 정부는 2030년까지 총에너지의 11

%를 신재생 에너지로 충당하기 위하여 보급 목표를 수립, 시범보급 및 융자, 지역에너지, 공공의무화, 발전차액 지원, 신재생에너지 공 급협약(RPA) 등 여러 정책을 추진하고 있 다. 이중 2004년 3월부터 시행한 공공 의 무화 제도에서 2005년 말까지 의무화 설 치 계획을 제출한 143개 건축물의 1조 955억원의 건축비 중 6.3 %인 689억원을 신재생 설비에 투자할 계획을 수립, 이중 지열부분이 448억원으로 65.3 %를 차지하 고 있다.

¹⁾

지열시스템은 타 신재생에너지와 비교하 여 열원공급이 안정적일 뿐만 아니라 건물 의 냉난방에 직접 적용이 가능하고, 시공 초 기 투자비 또한 낮은 장점이 있다. 그러나 여전히 기존 냉난방 설비와 비교하여 두 배 이상의 초기 투자비가 필요하기 때문에 이 를 보완할 수 있는 기술 개발이 요구된다.

지열시스템은 지중 열교환기 시공을 위한 천공 비용이 전체 공사비의 약 40 % ~ 50

%를 차지하는데 건물의 기초를 지중 열교환 기로 이용할 경우 천공 비용을 크게 절약할 수 있어 국내외에서 이에 대한 연구가 이루 어지고 있다.

따라서 본 연구에서는 건물에 사용하는 다 양한 기초 중에서 국내 공동주택에 주로 사 용하는 PHC 파일을 지중 열교환기로 사용 할 수 있는 요소 기술과 설계안을 도출하고, 공동주택 현장에 시험 시공하여 그 성능을 실험을 통해 평가하였다.

2. 건물 기초를 이용한 지중 열교환기

2.1 국외 현황

건물 기초를 이용한 지중 열교환기를 처음 적용한 사례는 신재생에너지 선진국인 독일 에서 찾아볼 수 있으며, 영국, 오스트리아, 스 위스 등 유럽 전역에 다양하게 적용되고 있 다. 유럽에서는 1990년대 중반부터 건물 기 초를 이용한 지중 열교환기 개발에 착수하여 주로 대형 상업용건물 위주로 적용하고 있다.

영국은 옥스퍼드 대학 내 Keble College 신 축 건물에 전체 말뚝의 25 %에 말뚝형 지중 열교환기를 시공하였으며, 스위스는 말뚝형 지중 열교환기를 개발하여 1997년 쮜리히공 항 신터미널에 직경 1 m ~ 1.5 m인 말뚝 300본 이상에 적용하였다.

국외에서 건물 기초를 이용한 지중 열교환기를 시공하는 업체는 ARUP, SKANSKA, Enercrete, GEOTHERMIE 등이 있다. 이중 Enercrete 라는 지중 열교환기는 건물의 기초로 사용 되는 대구경 현장타설말뚝에 열교환 파이 프를 설치하여 말뚝형 지중 열교환기로 사 용한다. 이러한 말뚝형 지중 열교환기의 핵 심은 열교환 파이프를 어떻게 설치하여 열 교환을 원활하도록 설계하는가의 문제이다.

현장타설 말뚝의 경우 먼저 말뚝이 설치될 위치에 대구경(600 mm ~ 1500 mm)의 천 공을 실시한 후 이 안에 철근망이 삽입되는 데 이 철근망에 열교환 파이프를 결속하여 안정적인 열교환이 가능하도록 열교환 파 이프를 배치하게 된다. 이런 다음 콘크리트 를 타설하여 현장 타설말뚝이 완성되고 열 교환 파이프도 기계실까지 연장되어 지열 시스템을 구성하게 된다. 그림 1과 그림 2 는 유럽지역에서 실제 적용된 건물일체형 지중 열교환기 사례들이다. 일본의 다이세 이 건설도 그림 3과 같이 현장말뚝형 지중 열교환기를 개발하여 건물에 적용하고 있 다.

²⁾

2.2 국내

국내에서도 대구경 현장타설말뚝을 이용 한 지중 열교환기 설계 및 시공에 대한 소개 가 지반공학회를 통해 이루어졌다. 그러나 대구경 현장타설말뚝을 이용한 지중 열교환 기는 우리나라의 건축환경이 유럽과 달라 사 용이 어려운 문제가 있다. 우리나라의 경우 대부분의 건축물 기초로 PHC 파일이나 강 관말뚝을 사용하고 있으며 대구경 말뚝을 사 용하는 사례는 극히 적다.

그림 1. 영국 옥스포드 (Kebel College )

그림 2. 독일 하노바 (은행)

그림 3. 일본 다이세이 건설 현장 말뚝형

국내에서 건물 기초를 이용한 지중 열교환 기에 관한 연구로는 산업자원부 과제로 2004 년 6월 ~ 2006년 5월에 코오롱건설이 수행 한 “고성능 저가형 지중 열교환기 개발”에 서 PHC 파일 중공 부위를 이용한 연구를 수행하였다. PHC 파일 내부에 삽입하는 열 교환 파이프는 기존 수직밀폐형에 적용되는 것과 같이 U 밴드를 장착한 30 A HDPE 파이프를 사용하였으며, 열전도율을 높이기

위하여 PHC 파일 중공 내에 HDPE 파이프 를 두 본씩 설치한 4 파이프 방식을 적용하 였다.

3. PHC 파일을 이용한 지중 열교환기 설계

3.1 PHC 파일

기존의 지중 열교환기는 건물의 부하에 따 라 천공 수와 용량이 결정되지만, PHC 파일 은 건물의 구조 계산을 통해 지중 열교환기 로 이용할 수 있는 파일의 수량이 결정되기 때문에 지열을 이용할 수 있는 한계가 있다.

PHC 파일의 길이도 건물이 위치할 대지의 지지 암반층 깊이에 좌우된다. 따라서 PHC 파일을 지중 열교환기로 이용하기 위해서는 PHC 파일 중공에 삽입될 열교환 파이프와 열전달 매체인 그라우팅 재료의 선정과 함께 주어진 조건 내에서 지중열을 최대로 이용할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

표 1은 PHC 파일의 표준제원을 나타낸 것 이다. 외경은 300 mm ~ 600 mm, 길이는 5 m ~ 15 m이고, PHC 파일의 길이가 지지 암반층이 보다 짧은 경우에는 파일과 파일을 이어서 사용한다.

표 2는 당사 공동주택 현장의 PHC 파일 시공현황을 조사한 것이다. 일반적으로 파일 의 깊이가 5 m 이하일 경우는 지내력 구조 로 기초를 시공하므로 조사 대상에서는 제외 하였다. 조사 대상 현장의 PHC 파일 외경은 400 mm ~ 500 mm를 사용하고 있고, 평균 길이는 최소 5.8 m에서 최대 15.2 m까지 적 용하는 것으로 나타났다. 동일 현장일 경우 에도 위치에 따라 편차가 다르게 나타났으 며, 최대 40 m까지 시공하는 경우도 있었다.

조사 대상 현장의 PHC 파일 총 길이를 세대 수로 나누어 계산하면 최소 한 세대 당 6.3 m 에서 최대 288.4 m까지로 나타나 PHC 파일을 지중 열교환기로 사용할 수 있는 가 능성이 큰 것으로 나타났다.

3.2 그라우팅 재료

PHC 파일 내부와 열교환 파이프 사이의 그 라우트 재료로는 벤토나이트, 시멘트 콘크리 트, 모래, 콩자갈 등을 사용할 수 있다. 연구문 헌을 토대로 각 재료의 열전도율을 표 3에 정 리하였다. 모래 또는 콩자갈을 그라우트 재료 로 사용할 경우 그라우트 재료 내부의 공극으 로 지중의 열을 코일형 열교환 파이프로 전달 하는데 장애 요인이 될 수 있으나, 재료가 습윤 을 유지하는 경우에는 다른 그라우트 재료보다 열전도율이 우수한 것으로 조사되었다.

외경 D(mm)

두께 t(mm)

내경 d(mm)

길이 L(m)

콘크리트 단면적



_

^

300 60 180 5~15 452 0.118

350 60 230 5~15 547 0.142

400 65 270 5~15 684 0.178

450 70 310 5~15 836 0.217

500 80 340 5~15 1,056 0.274 600 90 420 5~15 1,442 0.375

표 1. PHC 파일의 표준 제원

현장 세대수 파일

직경 PHC 갯수

PHC 총길이

1본당 평균길 이(m)

세대당 PHC

길이 A 1,302 400 8,141 46,909 5.8 36.0 B 1,018 500 1,700 14,117 8.3 21.8 C 677 400 610 4,465 7.3 157.6 D 674 450 366 4,245 11.6 6.3 E 592 400 4,371 66,339 15.2 288.4 F 1,532 500 5,473 61,008 11.1 39.8 G 1,150 500 3,419 29,417 8.6 25.6

표 2. 당사 공동주택 현장 PHC 파일 시공현황

그라우트 재료 열전도율

W/mk 모래 또는

자갈

건조 0.77

습윤 2.50

시멘트 건조 0.43 ~ 1.25

습윤 0.83 ~ 2.12

벤토나이트 0.66 ~ 0.78

습윤상태의 점토 또는 흙 1.67

표 3. 그라우트 재료의 열전도율^{3) 4)}

그림 4. 코일형 열교환 파이프 그림 5. 수압테스트

3.3 열교환 파이프

PHC 파일 중공에 삽입되는 열교환 파이프 는 중공 내에서 코일형태로 설치 유지되는 것이 지중에서 유체가 머무르는 시간이 길어 져 지중열을 최대로 이용할 수 있기 때문에 가장 이상적이다. 열교환 파이프가 코일형태 를 유지하기 위해서는 파이프 재질 선정이 매 우 중요하다. 일반적으로 수직밀폐형에 사용 하는 HDPE 파이프는 단단하고 내구성이 우 수하지만, 연성이 부족하여 코일형태로 성형 이 어렵다. 이외 유체 순환용파이프 재질로 사 용 가능한 플라스틱으로는 PB, PP, PS, ABS, PVC, PET 등이 있다. 이중 PB(Poly Butylene) 는 폴리부텐-1에서 추출되는 폴리오레펜 계 열의 수지인 폴리부틸렌을 원료로하여 내식 성과 화학적 물질에 대한 저항이 뛰어나고 경량성과 연성이 좋아 옥내외 배관재로 널리 이용되며, 열전달이 우수하다. 실험을 통하 여 굴곡시 관 내부 단면적 변형이 가장 적고, 최대 굴곡으로 코일형태 성형이 가능한 파이 프 관경을 22 A로 선정하였다. 22 A 이상은 곡률반경이 커서 가장 큰 600 mm PHC 파 일 이외에는 사용이 어렵고, 22 A 이하는 성 형후 코일형태 유지가 어려웠다. 제작된 열 교환 파이프의 외경은 280 mm로 PHC 파일 제작과정 중 중공내 이물질 부착 여부와 시 공을 고려하여 외경 450 mm PHC 파일(내 경 310 mm)에 적용 가능하였다. 제작된 코 일형 지중 열교환기는 그림 4와 같으며 직선 길이는 총 230 m이다. 그림 5는 성형후 재 료의 수압테스트를 실시한 것으로 20 kgf/㎠

의 수압에서도 코일형 파이프의 손상, 변형, 누수 등은 관찰되지 않았다.

3.4 코일형 지중 열교환기 설계

이상의 설계 요건을 검토하여 작성한 지중 열교환기 설계안은 그림 6과 같다. 열교환 파이프와 PHC 파일 사이의 그라우팅 재료 는 왕사 또는 콩자갈로 선정하였고, 표 2에

구 분

PB 호칭경

PB 파이프

길이 PHC 깊이

열전대 설치

그라우트 재료

지하 수 투입 A1 22호 230 m 10 m O 콩자갈

5 mm 이상 Y A2 15호 230 m 10 m -

B1 22호 230 m 10 m O 왕사 (2 ~ 5) mm Y B2 15호 230 m 10 m -

C1 22호 230 m 10 m O 모래 2 mm 이하 Y C2 15호 230 m 10 m -

D1 22호 230 m 10 m O

콘크리트 N

D2 15호 230 m 10 m - E1 22호 230 m 10 m O

벤토나이트 N

E2 15호 230 m 10 m -

표 4. OO 현장 지중 열교환기 제원 및 그라우트 재료

그림 6. 코일형 열교환 파이프 시공 상세

그림 7. 지열 천공 배치도 및 시험 설치 위치

따라 그라우팅 재료의 열전도율을 높이기 위 하여 습윤 상태를 유지할 수 있도록 지하 유 출수 또는 시수를 투입할 수 있는 별도의 파 이프를 추가하였다.

지중 열교환기가 지표보다 지중 하단과 열 교환이 잘 이루어지도록 열교환기 하단 피치 간격은 조밀하게, 상단 피치 간격은 성기게 설계하였다. 피치 조정의 경우 파이프와 파 이프 사이를 클립을 부착하여 인위적으로 조 정하는 것으로 하였으나, PB 22 A 자체의 무게와 탄성으로 시공과정에서 피치 간격이 조정될 것으로 판단된다.

4. 코일형 지중 열교환기 시공

코일형 지중 열교환기의 성능을 평가하기 위 하여 PHC 파일 시공 중인 당사 공동주택을 선 정하여 시험시공을 실시하였다. 그림 7은 코일 형 지중 열교환기를 시공한 OO 현장 지열 천공 배치도 및 시험 설치 위치를 나타낸 것이다.

코일형 지중 열교환기를 설치할 PHC 파 일의 길이는 상호 성능 비교를 용이하게 하 기 위해 10 m 내외로 동일하게 선정하였다.

또한 시공성 평가를 위하여 PB 15 A를 추가 로 제작하여, 그라우팅 재료에 따라 22 A 5 개, 15 A 5개로 총 10개를 제작하였다. 표 4 는 OO 현장에 시공한 지중 열교환기별 제원 을 정리한 것이다. 이중 22 A에는 상중하로 열전대(Thermocouple)를 설치하여 각각의 지 중 열교환기 열전도율 실험 기간 동한 주변 지중 열교환기의 온도 변화를 관찰하였다.

그림 8은 OO 현장 PHC 파일 지중 열교환 기 시공 과정을 나타낸 것이다. PB 22 A가 15 A보다 시공이 용이하였으며, PHC 파일 10 m 중공에 삽입하는 시간은 채 10분이 걸 리지 않았다. 시공된 내부를 관찰한 결과 하 단에서는 파이프 피치가 조밀하게, 지표 가 까이에서는 성기게 설치된 것을 확인하였다.

이후 A, B, C Type에 대해서는 콩자갈, 왕

사, 모래 그라우팅 실시 후, 물다짐을 실시하 였다. D Type에는 레미콘을 이용하여 콘크 리트를 채웠으며, E Type에는 기존 수직밀 폐형에 사용하는 벤토나이트를 채웠다. 콩자 갈, 왕사, 모래 등은 향후 전용 트래미관을 개발하여 사용한다면 시공이 용이할 것으로 판단된다. 그러나 벤토나이트 그라우팅은 채 움과 동시에 파이프가 부력에 의해 위로 떠 올라 파이프 내를 물로 채워 시공하였다.

a. 열교환 파이프 설치 b. 왕사 그라우팅

C. 물다짐 d. 설치 완료

그림 8. 지중 열교환기 설치

그림 9. 지중 열전도도 테스트 장치

구 분 열전도율(W/m℃) 비고

A Type - 콩자갈 5 mm 이상

B Type 32.3 왕사 (2 ~ 5) mm C Type 36.6 모래 2 mm 이하

D Type 27.8 콘크리트

E Type 19.6 벤토나이트

표 5. 열전도율 실험 결과

재료와 시공 측면에서 볼 때, PHC 파일은 외경 450 mm (내경 310 mm), 열교환 파이 프는 PB 재질의 22 A, 그라우팅 재료는 습 윤된 왕사 또는 모래를 사용하는 것이 가장 좋은 시공성을 나타내었다.

5. 열전도 시험

지중 열전도도의 산정 방법에는 원통열원 모델과(Cylinder source model)과 선형열원 모델(Line source model)이 있다. 이중 국 내에서 수직밀폐형의 열전도도 측정에는 현 장에서 측정한 데이터를 이용하여 적용하기 가 비교적 쉬운 선형열원모델을 사용한다.

본 연구에서도 PHC 파일을 선형 모델로 가 정하여 동일한 방법으로 실험하였다. 선형열 원모델은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

⁵⁾

   × 

 (1)

지중 열전도도의 측정은 그림 9의 장치를 사 용하였다. 측정장비는 열원(전기히터), 순환펌 프, 온도와 소비전력 측정장치, 데이터로거로 구성된다. 이 장비를 이용하여 식 (1)의기울기 (Slope) 산출을 위하여 5분 간격으로 데이터가 저장 되도록 세팅하여 측정을 실시하였다.

그림 10에서 그림 17에 각 타입별로 측정 한 온도, 유량, 전력량을 시간에 따라 나타내 었으며, 동시에 시간의 자연로그에 대한 온도 변화(기울기 ; Slope)를 나타내었다. 기울기 산정을 위한 온도 유효값 범위는 표준기준에 의하여 온도가 안정되는 12시간 이후부터 48 시간 동안의 기울기를 1차함수로 표시하였다.

표 5는 지중 열교환기의 그라우팅 재료별 열 전도 테스트 결과를 정리한 것이다. 이중 A Type은 실험과정에서 파이프 내로 흐르는 유 량에 문제가 발생하여 결과값을 나타내지 못 하였다.

0 10 20 30 40

0 4 9 13 17 22 26 30 35 39 43 48 49 50 51 Elapsed Time (Hour)

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

LWT(℃) EWT(℃) FLOW(ℓ) Heat(kW)

그림 10. B Type 실험 데이터

0 10 20 30 40

0 4 9 13 17 22 26 30 35 39 43 48 52 56 61 Elapsed Time (Hour)

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

LWT(℃) EWT(℃) FLOW(ℓ) Heat(kW)

그림 11. C Type 실험 데이터

0 10 20 30 40

0 4 9 13 17 22 26 30 35 39 43 48 52 56 61 Elapsed Time (Hour)

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

LWT(℃) EWT(℃) FLOW(ℓ) Heat(kW)

그림 12. D Type 실험 데이터

0 10 20 30 40

0 4 9 13 17 22 26 30 35 39 43 48 Elapsed Time (Hour)

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

LWT(℃) EWT(℃) FLOW(ℓ) Heat(kW)

그림 13. E Type 실험 데이터

y = 0.959x + 31.31

15 20 25 30 35 40

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

T e m p e ra tu re ( ℃ ) . .

MeanTemp(℃) EWT(℃) LWT(℃)

그림 14. B Type 온도 기울기

y = 0.865x + 30.364

15 20 25 30 35 40

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

MeanTemp(℃) EWT(℃) LWT(℃)

그림 15. C Type 온도 기울기

y = 1.1417x + 27.952

15 20 25 30 35 40

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

MeanTemp(℃) EWT(℃) LWT(℃)

그림 16. D Type 온도 기울기

y = 1.5784x + 27.544

15 20 25 30 35 40

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

MeanTemp(℃) EWT(℃) LWT(℃)

그림 17. E Type 온도 기울기

0 5 10 15 20 25 30 35 40

2 /1 3 2 /1 4 2 /1 5 2 /1 6 2 /1 7 2 /1 8 2 /1 9 2 /2 0 2 /2 1 2 /2 2 2 /2 3 2 /2 4 2 /2 5 2 /2 6

.

T e m p e ra tu re ( ℃ ) .

A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3

B Type D Type C Type

E Type 데이터 누락구간

온도 회복이 느림

그림 18. 지중 열교환기 위치별 온도데이터

실험 결과 왕사 또는 모래 그라우팅을 습 윤상태로 유지한 B와 C Type의 열응답 특 성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 콘크 리트를 그라우팅으로 사용한 D Type과 벤 토나이트를 그라우팅으로 사용한 E Type은 열응답 특성이 가장 낮은 것으로 나타났다.

기존 수직밀폐형 지중 열교환기의 지중 열 전도도가 일반적으로 3 W/m℃ 정도이고, 백 성권

⁶⁾

이러한 차이는 기존 연구의 경우 PHC 파 일의 길이가 본 실험과 비교하여 짧을 뿐만 아니라, 코일을 제작한 파이프 재료가 주름관 으로 제작되어 유량 흐름에 저항이 많이 걸린 것으로 판단된다. 이에 비하여 본 연구에서 개발한 지중 열교환기는 PHC 파일이 10 m 로 4 m가 더 길고, 이에 따른 내부 파이프의 길이가 총 230 m로 길게 제작되었으며, 코일 이 기존 난방에 사용하는 PB 파이프를 사용 하여 파이프 내부에서 저항이 크게 걸리지 않 아 유량 흐름이 원활하였다. 또한 코일의 피치 가 지중 하부에서는 조밀하고 지표 부근에서 는 성기게 설치되어 지중열을 보다 효과적으로

이용할 수 있었고 그라우팅 자체의 열전도율 이 우수하였기 때문에 우수한 열전도도 특성 을 나타낼 수 있었던 것으로 판단된다.

그림 18은 지중 열교환기에 설치한 열전 대의 온도 데이터를 나타낸 것이다. 실험장 소가 공동주택 공사 진행 중인 관계로 관리 에 어려움이 있어 일부 데이터에서 오류가 있었으나 다소 의미 있는 결과가 나타났다.

그림 18에서 B와 C Type은 열전도도 테스 트 중 지중 열교환기 상중하 온도가 거의 동일 하게 상승되는 것을 볼 수 있으나, D Type은 지중 열교환기 열전대 설치 위치별로 온도가 5 ℃이상 차이가 나타나 지중으로 주입된 열 을 고르게 확산시키지 못하는 것으로 나타났 다. 또한 열량 공급이 중단된 이후에도 온도 가 B와 C Type에 비해 매우 느리게 떨어져 열복원이 좋지 않은 것으로 판단된다. E Type은 데이터가 오류가 발생한 구간으로 지중 열 특성의 정확한 판단은 어려우나, 열 전도도 결과와 시공성 측면을 살펴보았을 때, 향후 연구과정에서는 제외할 항목이다.

각 Type별 실험 기간 중 인근 지중 열교환기 로 전달된 열로 인한 영향을 살펴보면, B Type 은 A와 D Type 각각 8 m, 10 m 의 다소 긴 거리 때문에 5일 이상의 실험기간에도 A와 D Type의 온도 변화에 영향을 미치지 않았다.

C Type과 가장 가까운 지중 열교환기는 E Type으로 19 m의 이격거리를 두고 있어 주변에 큰 영향을 주지 못하였다.

서로 가장 인접한 지중 열교환기는 D와 E Type으로 3.8 m 이격거리를 두고 있으며, 각각 4일 이상의 실험기간 동안 서로 온도 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.

6. 결 론

본 연구에서는 공동주택의 기초로 사용되 는 PHC 파일을 지중 열교환기로 사용할 수 있는 요소 기술과 설계안을 도출하고, 공동주 택 현장에 시공하여 그 성능을 실험을 통해 평가하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

(1) PHC 파일 내부 중공을 지중 열교환기로 사용하기 위하여 공동주택 기초 시공 현 황, PHC 파일의 제원, 그라우팅 재료 선 정, 열교환 파이프 재질 등을 검토하였 고, 이에 대한 설계안을 도출하였다.

(2) 실제 공동주택 현장에서 그라우팅 재료 별로 총 10개에 대하여 시공성을 평가한 결과, PB 22 A는 10분 이내에 코일 설치 가 가능하여 시공성이 매우 우수하게 평 가되었으며, 상대적으로 PB 15 A는 파 이프가 서로 엉기는 현상이 나타났다.

(3) 그라우팅 시공은 콩자갈, 왕사, 모래 등은 향후 전용 트래미관을 개발하여 사용한 다면 시공이 용이할 것으로 판단되나, 벤 토나이트 그라우팅은 파이프가 부력에 의해 위로 떠오르는 등 시공성이 현저히 떨어져 PHC 중공내의 그라우팅 재료로 는 적절하지 않은 것으로 평가되었다.

(4) PB 22 A 코일형 파이프를 그라우팅 재료 별로 지중열전도도 테스트를 실시한 결 과, 물을 함유한 왕사와 모래 그라우팅인 B와 C Type의 열전도율은 각각 32.3 W /m℃와 36.5 W/m℃로 매우 우수하게 나 타났다. 콘크리트인 D Type은 27.8 W/

m℃, 벤토나이트인 E Type은 19.6 W/

m℃로 나타났다.

(5) 각각의 지중 열교환기 실험 중 주변으로 의 열간섭을 분석한 결과, 3.8 m 이내에 서 최소 4일 사이에서는 주변에 큰 영향 을 미치지 않은 것으로 평가되었다.

이상의 연구 결과 PHC 파일을 이용한 지 중 열교환기의 성능은 매우 우수한 것으로 평가되었다.

향후 코일형 파이프 내 유체 흐름시 압력 손실, 코일형 파이프의 적정 길이 산정, 코일 형 열교환 파이프의 제작 방법, 피팅류의 개 선, 적정 이격 거리를 고려한 용량 설계 등의 연구가 추가로 필요하다.

참 고 문 헌

1. 지열 전문위원회, 신 재생에너지 지열분 야 기술 및 시장 동향 보고서, 2007. 10 2. 남유진 ; 황석호 ; Ryozo Ooka ; Yosuke

Shimawaki ; Kentaro Sekine, 건물 기초 를 이용한 지중열 공조시스템의 개발에 관한 연구 (1), (2), 대한설비공학회 동계 학술발표회 논문집(2005-11)

3. 손병후, 임효재, 그라우팅 재료로 사용되는 모래-물 혼합물의 열전도도 예측, 대한설 비공학회 하계학술발표회 논문집(2008-06) 4. 손병후, 지중 열교환기 수직 보어홀 및 수평 트렌치 뒤채움재로서 모래-물 혼합 물의 열전도도 측정, 설비공학논문집 : v.

20 n.5(2008-05)

5. 최재호, 손병후, 임효재, 밀폐형 지중 열 교환기 설계를 위한 지중 유효열전도도 데이터베이스 구축, 대한설비공학회 하계 학술발표회 논문집(2008-06)

6. 백성권 ; 안형준 ; 임성균 , 구조물 하부 형 지중 열교환기 개발 연구, 대한설비공 학회 하계학술발표회 논문집(2007-06)