대구경 현장타설 에너지파일 성능평가 및 설계 가이드라인에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 국내 건설여건 변화에 따른 건축구조물의 적용이 증가할 것으로 예상되는 현장타설 말뚝을 에너지파일로 활용 시 현장시험 시공을 통한 성능평가 및 분석결과를 이용, 예비 설계를 위한 검토방법에 대해연구를 진행하였다. 에너지파일은 직경 Ø1,500mm 현장타설말뚝을 대상으로 열교환 효율 변화를 평가하기 위해 지표 하 30.0m까지 W-형태와 철근망 곡률반경과 동일하게 성형된 S-형 두 가지 형태의 지중열교환기를 원형 철근망에 각각 반 단면씩 설치하였다. 또한 별도의 수직 밀폐형 관측공을 설치, 열전도도 측정 및 지중 온도변화를 측정하였다. 에너지파일의 경우 기초 안정 확보와 동시에 지중 열교환기로 구조물 사용기간 동안 운용되어야 한다. 따라서 열교환기 내 순환수의 온도변화로 인한 말뚝의 안정성 변화를 평가하기 위해 강도시험 및 열교환 파이프와 콘크리트의 부착 특성에 대해 측정한 결과 기초의 안정성에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. 수직밀폐형을 대상으로 그라우팅 양생기간을 고려하여 9일 경과 후 수행한 1차 현장 열응답 시험 결과 40.0m 설치구간의 열전도도는 15.06W/m․K, 60.0m 설치구간의 열전도도는 3.07W/m․K로 일반적인 토양의 열전도도 범위를 크게 초과하는 것으로 측정되었다. 이는 시험시공 현장이 준설매립 지역으로 지하수가 높고 피압 대수층이 발달된 현장인 점을 고려할 때 대류 열전달 현상이 크게 작용된 결과로 판단된다. 육안관찰 결과 지하수 유동 현상이 안정된 3개월 이후 60.0m 구간의 2차 측정결과는 1.71W/m․K로 측정되었다. 따라서 지하수 영향이 크게 작용할 수 있는 특수한 지역에서는 현장 열응답 시험 측정 기준의 조정이 필요한 것으로 판단된다. 시간경과에 따른 동일 길이의 열교환기 형태별 상대 열효율을 결정, 평가한 결과 W-형 16.76~19.15, S-형 18.88로 나타나 에너지파일의 열교환 효율은 설치 형태보다는 설치길이의 영향이 더 큰 것으로 판단된다. 현장타설 말뚝의 수화열과 지중 온도변화를 측정한 결과, 콘크리트 수화열은 타설 후 6일까지 증가한 후 지속적으로 감소하여 25일 경과시점에서는 약 20℃ 전후의 값으로 인접관측공 측정 온도와 유사하게 나타났다. 에너지파일 장기모니터링 측정결과 에너지파일 단위길이 당 난방 가동 시 20.77~25.87W/m, 냉방가동 시 46.9~55.7W/m로 측정되었다. W-형 반 단면 설치조건을 고려, 약 2배의 열교환 효율을 획득할 수 있다고 가정할 경우 스위스 취리히 공항 여객터미널 열교환 효율 장기모니터링 결과와 유사한 수준인 것으로 판단된다. 현장타설 말뚝 에너지파일 설계 가이드라인을 제시하기 위해 CFD 수치해석 프로그램인 FLUENT와 전용 설계프로그램인 PILESIME2에 대해 현장 시험결과와 상호 비교하여 적정성을 평가한 결과, 유사한 결과로 나타나 설계 적용에 문제가 없는 것으로 판단된다. PILESIM2의 경우 히트펌프의 운전 성능, 가동시간을 고려한 열교환 효율 평가가 가능하다. 따라서 본 연구에서는 에너지파일 영향인자 중 말뚝 설치조건, 지중 열전도도, 지하수 유속 조건의 일반적인 범위를 결정하고 수치해석을 통해 열교환기 형태별 효율 평가를 수행하였다. 이를 토대로 PILESIM2를 이용하여 히트펌프 성능을 고려한 108회의 가상 설계를 수행, 예비 검토 시 활용할 수 있는 냉난방 획득효율 예측 그래프를 제시하였다.