1. 서 론

최근 화석연료의 고갈로 인한 에너지 위기의 극복과 온실가스에 의한 기후변화 문제 해결을 위해 전세계적으로 신･재생에너지(new and renewable energy) 활용에 대한 다양한 방안들이 모색되고 있으며, 포스트 교토의정서 체제에 의해 선진국을 중심으로 신･재생에너지의 사용과 그 이용 효율 향상을 위한 저탄소형 산업구조 전환이 최대 현안 과제로 부각되고 있다. 대한민국 정부는 저탄소･녹색성장을 국가발전전략으로 구축하고 신･재생에너지와 관련된 다양한 정책들을 시행하고 있으며 특히, 2030년까지 국가 전체 에너지공급원별 비중에서 신･재생에너지가 11% 이상 담당하는 것으로 목표를 설정하였다. 토목 및 건축 분야에 있어서는 전체 에너지 소비량의 약 25%를 차지하는 건물부문의 에너지 소비량을 줄이기 위하여 2012년 개정된 ‘신에너지 및 재생에너지 개발, 이용, 보급 촉진법’에서 공공기관이 신축하는 연면적 1,000m²이상의 건축물에 대하여 예상 에너지 사용량의 11% 이상을 신재생에너지로 공급토록 의무화하고 있다.

신･재생에너지 중 지열에너지(geothermal energy)의 활용은 상기에 언급한 에너지 안보문제와 온실가스 배출 제한 등 대외적인 추세에 대한 적극적인 대안이며, 특히 신･재생에너지의 보급 목표 달성 및 건물부분에서의 에너지 이용 효율 향상을 통한 온실가스 배출 절감 등에 크게 기여할 수 있는 방안이다. 지열에너지의 활용은 최종 생산물의 관점에서 최종적으로 열을 생산하는 직접이용 방법과 전기를 생산하는 간접이용 방법으로 구분할 수 있다. 이 중 직접이용 방법은 지중의 연중 일정한 온도를 열펌프(heat pump)나 냉동기(refrigerator)와 같은 에너지 변환 기기의 열원으로 활용하는 방법으로서 건물난방, 지역난방 등에 활용되어 건물부분에서의 에너지 절약에 크게 기여할 수 있는 방법이다. 직접이용 방법 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술은 지열 열펌프 시스템(ground source heat pump system, GSHP system)이다. 이 기술은 열펌프와 지중에 설치된 지중열교환기(ground heat exchanger)를 이용하여 냉방 시에는 건물 내의 열을 지중으로 방출하고, 난방 시에는 지중의 열을 실내와 온수에 공급함으로써 냉난방을 동시에 구현할 수 있는 기술이다. 미국 환경청(US EPA, 1993)은 현재까지 개발된 냉난방 시스템 중 지열 열펌프 시스템이 가장 효율이 높은 것으로 평가하고 있다.

지중열교환기로는 일반적으로 수직밀폐형 지중열교환기가 널리 활용되고 있으나, 수직밀폐형 지중열교환기의 경우에는 시공을 위한 별도의 부지 필요 및 별도의 시공비 확보 등의 문제가 있어 지열 열펌프 시스템의 보급과 활성화가 활발히 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 수직밀폐형 지중열교환기의 응용 기술로서 에너지파일 시스템을 제안하였다. 에너지파일이란, 기초 구조물로 이용되는 콘크리트 또는 강관 말뚝 내부에 열교환 파이프를 설치하고 파이프 내부에 유체를 순환시켜 지중과의 열교환을 수행하는 구조물로서, 구조물의 지지 기능 뿐 아니라 열교환기로서의 역할로도 동시에 활용할 수 있는 시스템이다(Gao et al., 2008; Jun et al., 2009; Wood et al., 2009). 에너지파일은 기존의 기초 구조물을 활용하므로 지중열교환기의 시공을 위한 별도의 부지 확보가 필요 없으며, 수직밀폐형 지중열교환기 전체 시공비의 50% 이상을 차지하는 천공비를 절감할 수 있다는 장점이 있다.

국외의 경우에는 이미 에너지파일을 대규모 공공건물에 활용한 사례가 있으며(Pahud and Hubbuck, 2007; Nam et al., 2007), 에너지파일의 열교환 성능 향상 및 주변 지반의 열환경 변화 등에 대한 연구(Li et al., 2006; Hamada et al., 2007)가 활발히 진행되고 있다. 또한 냉난방 가동에 따른 에너지파일 내부의 열응력 및 변형률에 대한 연구 역시 진행된 사례가 있다(Laloui et al., 2003, 2006; Bourne-Webb et al., 2009). 반면에 국내에서는 에너지파일 관련 연구가 대부분 열교환 성능연구 등 초기 단계의 연구에 주된 초점이 맞춰져 있어 실증 연구 및 시공, 설계법에 대한 연구는 부재한 실정이며, 실제 적용 사례 역시 많이 부족하다(Baek, 2004). 또한 국내의 연구는 대부분 PHC 말뚝, 강관 말뚝 등의 기성말뚝에 치중해 있다(Park et al., 2007; Yu, 2008; Lee et al., 2010).

본 논문에서는 최근 건축 구조물에 활용 사례가 증가하고 있는 현장타설말뚝 내부에 열교환 파이프를 다양한 형태로 설치한 실규모 현장타설 에너지파일 시스템을 시험시공하고 시공법에 따른 시공성을 평가하였다. 현장타설 에너지파일은 열교환 파이프의 형상에 따라 병렬 U형 3본(병렬 U형 5쌍, 8쌍, 10쌍), 코일형 2본(피치간격 200mm, 500mm), S형 1본 등 총 6본을 시공하였다. 또한 시공된 에너지파일에 대한 냉방 열교환 성능 평가시험(Cooling thermal performance test)을 수행하여 열교환 파이프 형태별 열교환 효율을 평가하였다. 냉방 열교환 성능 평가시험은 최적 운전온도 조건에서 지중열교환기의 유출수 온도(EWT, Entering Water Temperature) 변화를 파악함으로써 대상 지중열교환기의 열교환량을 판단하는 시험이다. 본 연구에서는 실제 상업용 건물의 하절기 냉방운용에 따른 에너지파일의 열교환 효율을 평가하기 위해 항온수 순환장치를 이용하여 인공 냉방부하를 간헐적으로(일일 8시간 냉방운용 - 16시간 휴지) 적용하였다. 인공 냉방부하는 항온수 순환장치를 이용하여 에너지파일의 내부로 유입되는 순환수의 온도(LWT, Leaving Water Temperature)를 30℃로 유지시켜 건물 냉방 가동을 모사하였다. 시험 결과를 통해 산정된 열교환량은 에너지파일의 근입 깊이 및 삽입된 열교환 파이프의 길이로 정규화하여 열교환 파이프 형태별 열교환 효율로 표현하였다. 마지막으로 산정된 열교환 효율과 재료비, 천공비, 시공비 등의 에너지파일 설치비용을 고려하여 열교환 파이프 형태에 따른 현장타설 에너지파일의 경제성을 분석하였다.

2. 현장타설 에너지파일 시험시공 개요

2.1 열교환 파이프 형태

일반적으로 지중 열교환 시스템의 성능은 삽입된 열교환 파이프를 순환하는 유체와 열교환 파이프 주위의 복합매질 즉, 파이프, 콘크리트, 철근망, 토양 간의 열전달 정도와 밀접한 관련이 있다. 즉, 열교환 파이프와 복합매질의 열전도도가 높을수록, 열교환 파이프와 복합매질 사이의 접촉 면적이 증가할수록 열교환은 활발히 이루어져 그 성능이 향상된다.

본 연구에서는 지중열교환기의 성능 향상을 위해 열교환 파이프와 복합매질의 열전도도를 증가시키는 방법은 시공 위치, 시공 환경 등의 조건에 따라 제한이 있다고 판단하여, 열교환 파이프와 복합매질 사이의 접촉 면적을 증가시키는 방안을 고려하여 여러 가지 열교환 파이프의 형태를 선정하였다. 현장타설 에너지파일은 근입 깊이가 평균 약 30m로 기존의 수직밀폐형 지중열교환기와 같이 150∼200m까지 깊게 시공되지 않아 지중의 항온성을 이용하는 효용성이 상대적으로 많이 떨어진다. 따라서 수직밀폐형 지중열교환기에 비해 약 10배 이상의 큰 직경을 활용하여 많은 수의 열교환 파이프를 설치하고 열교환 면적을 증가시킬 수 있는 방법을 고려하였다. 그러나 많은 수의 열교환 파이프가 설치될 경우 시공성 및 부착성의 문제와 인접 열교환 파이프 간의 열간섭 현상으로 인해 열교환 효율이 저하되는 등의 문제가 발생하므로(Park et al., 2013), 열교환 면적 증대와 동시에 시공성 및 부착성, 열간섭 현상(열교환 파이프간의 간격) 등을 고려하여 총 6가지의 형태를 선정하였다.

우선 국외에서 기본적으로 많이 활용되고 있는 병렬 U형 5쌍(Pahud and Hubbuck, 2007)의 형태를 선정하였고, 이 형태에서 열교환 면적을 증가시키면서 시공성과 열간섭 및 열저항 현상을 평가할 수 있도록 병렬 U형 8쌍, 병렬 U형 10쌍의 형태를 추가로 고려하였다. 또한 열교환 면적을 최대한 활용할 수 있도록 열교환 파이프가 철근망을 따라 나선 형태로 감아 내려가는 형태인 코일 형태를 선정하여 시공성 및 열간섭 현상의 평가를 위해 피치간격을 각각 200mm와 500mm로 구분하여 시공하였다. 마지막으로 시공성과 열교환 면적 확보를 동시에 고려하여 새롭게 개발된 S 형태를 선정하였다. S 형태는 말뚝 전체 면적을 최대한 활용할 수 있는 형상으로서 철근망의 곡률반경과 동일한 곡률을 주어 부착성을 확보하였다.

열교환 파이프의 재료는 콘크리트 타설 시 변형되지 않는 강도와 유연성, 내식성, 내산성을 가져야 한다. 폴리에틸렌(polyethylene)은 열교환 파이프의 재료로 사용되는 가장 일반적인 파이프 재질이며(Bourne-Webb P. J et al., 2009; Brandl H, 2006), 지식경제부 및 에너지관리공단 신재생 에너지 센터에서 발표한 ‘신재생 에너지 설비의 지원 등에 관한 기준 및 지침 (2014)’ 에 의하면 “지중열교환기는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 파이프를 사용하여야 하며, 지중순환 열매체(이하 ‘지중 순환수’)의 누수 방지를 위해 열융착법으로 연결하여야 한다.”고 정하고 있다. 따라서 본 연구에서는 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 적용하여 에너지파일을 시공하였다. 고밀도 폴리에틸렌 파이프는 경량이며 취급이 쉽고, 절단 등의 작업이 용이하다. 또한 강도가 크고 내식성, 내한성이 크며 연결방법이 다양하다는 장점을 갖는다.

열교환 파이프의 직경은 순환유체와 토양 사이의 열전달뿐만 아니라, 유체 순환에 의해 발생하는 에너지 손실을 동시에 고려하여 결정해야 한다. 열교환 파이프의 직경이 작으면 파이프 내의 유체가 난류유동(turbulent flow)을 하여 열전달이 향상되지만 펌프의 소비동력은 증가한다. 반대로 직경이 크면 순환펌프 구동에 필요한 에너지는 감소하지만, 열전달이 원활하게 이루어지지 않으며, 재료의 가격 또한 상승한다. 또한 파이프 직경의 변화에 따른 유연성이나 시공성도 동시에 고려되어야 한다. 기존 국내외 에너지파일 시공사례에 의하면 일반적으로 외경 25mm에서 32mm의 직경을 활용하고 있으며, 본 연구에서는 소비 동력, 난류유동 구현, 시공성 및 유연성 등의 측면에서 외경 27mm, 내경 21mm의 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 최적의 열교환 파이프로 선정하였다. 다음 Table 1에 선정된 열교환 파이프의 재원 및 형태를 정리하였다.

2.2 현장 조건

현장타설 에너지파일의 시공을 위해 선정된 현장은 경기도 용인시에 위치한 시험시공 부지이다. 시공 부지 북동측에는 산이 위치하여 시공 부지 방향으로 능선이 길게 늘어져 있으며 신선한 편마암으로 구성된 기반암이 낮은 깊이에서 출현하였다. 지질조건을 파악하기 시공 부지에서 약 20m 떨어진 위치에 30m 깊이의 시추조사를 수행하였으며, 수행 결과 전반적으로 매립층이 두껍게 분포하고 그 하부로 풍화대가 박층으로 분포하고 있는 것으로 나타났다. 시추조사 결과는 Table 2에 나타냈다.

시추조사 결과, 6m의 매립토, 2.5m의 풍화암, 22m의 기반암으로 구성되어 있으나, 실제 현장타설 에너지파일이 시공된 부지에서는 3m의 매립토, 2m의 풍화토, 9m의 풍화암이 출현하였다. 최하부의 기반암은 코아회수율은 100%, 암질지수는 61∼100%로 매우 신선한 편마암류로 판단되었다. 상부의 매립토에 대해서는 기본물성시험을 수행하였으며, 그 결과는 Table 3에 나타냈다.

상기의 조사결과를 바탕으로 말뚝은 경암층 전까지의 깊이인 14m 심도로 시공하였으며, 현장타설 에너지파일 직경은 부지의 면적을 고려하여 1,500mm로 선정하였다. 단, 피치간격이 500mm인 코일형의 열교환 파이프가 삽입된 현장타설 에너지파일을 시공한 지반은 경암층이 일찍 출현하여 12.5m까지만 천공하였다. 에너지파일 시공 후 에너지파일 상부에는 1.5m 두께의 배수용 모래층과 주차장 보도블럭을 시공하였으며, 현재 주차장 일부로 활용하고 있다. 시공된 에너지파일의 제원은 Table 4에 나타냈다. 현장타설 에너지파일 배치도는 Fig. 1에, 현장타설 에너지파일의 형태 및 구조는 Fig. 2에 나타냈다.

3. 현장 시험 시공

3.1 열융착 작업

본 연구에서 계획한 다양한 열교환 파이프의 형태 중 S형을 제외한 병렬 U형 및 코일형의 열교환 파이프는 현장에 롤(roll) 또는 직선 형태로 반입되기 때문에 철근망 부착 전에 설계된 형태로 구성하기 위해 열융착 작업을 수행해야 한다(Fig. 3). 열융착 작업은 가열된 열판을 이음관에 밀어 넣고 일정시간 유지한 후, 파이프를 이음관에 연결하여 가압 및 용융하는 방법으로 진행된다. 에너지파일은 지중에 매설된 후에는 향후 보수 및 보강이 불가능하기 때문에 매우 신중하게 열융착 작업을 수행해야 한다.

3.2 열교환 파이프 철근망 부착

병렬 U형 및 S형 열교환 파이프는 철근망에 설치할 위치를 표시한 후 케이블 타이 및 철선을 이용하여 부착된다. 병렬 U형 5쌍의 열교환 파이프는 철근망의 외부 전단면을 활용하는 형태로 부착되었다. 병렬 U형 8쌍은 5쌍은 철근망 외부에, 나머지 3쌍은 철근망 내부에 부착되었으며, 병렬 U형 10쌍은 5쌍은 철근망 외부에, 나머지 5쌍은 철근망 내부에 부착되었다. 마지막으로 S형의 열교환 파이프는 1쌍이 철근망 반단면을 차지하는 형태로서(Fig. 2(d)) 총 2쌍이 철근망 외부에 부착되었다. Fig. 4는 병렬 U형 및 S형 열교환 파이프의 설치작업 순서를 나타낸 모습이며, Fig. 5는 열교환 파이프 설치 후 모습을 나타냈다.

코일형 열교환 파이프의 설치작업 순서는 Fig. 6에 나타냈다. 코일형의 경우에는 열교환 파이프가 철근망을 나선 형태로 감아 내려가는 형상으로 인하여 철근망을 크레인으로 인양한 후, 인력을 이용하여 열교환 파이프를 철근망에 감으면서 부착하였다. 따라서 작업인원은 병렬 U형 및 S형 열교환 파이프보다 증가하였으며 크레인의 유무 조건에 따라 시공이 제한된다.

시공결과, 타 형태와 비교하여 병렬 U형 8쌍 및 병렬 U형 10쌍과 같이 열교환 파이프를 내부 철근망에 고정할 경우에는 소요시간이 증가하였고 부착에도 어려움이 있었다. 또한 병렬 U형의 경우에는 열교환 파이프가 병렬로 부착되어 설치 완료 후 유출･유입구의 개수가 많고 서로 복잡하게 엉켜 배관 연결 시 문제가 발생할 수도 있으므로, 철근망 매설 후에도 같은 쌍끼리 식별할 수 있도록 표시해야 한다. 반면에 S형은 철근망의 곡률을 고려하여 부착이 용이하도록 제작된 형태이므로 시공성과 부착성이 매우 뛰어났으며 열교환 파이프 부착 소요시간도 가장 적었다. 코일형도 일단 열교환 파이프를 철근망에 감아 놓은 후에는 부착이 용이하였으나, 철근망 부착을 위한 작업인원의 증가 및 크레인 등의 요구조건이 발생하였다. 각각의 열교환 파이프 설치 시 유의사항 및 소요시간을 Table 5에 정리하였다. 단, Table 5는 열교환 파이프를 철근망에 부착하는 공법에 대한 평가이며, 열교환 파이프의 제작 방법이나 양생기간 등은 고려하지 않았다.

3.3 철근망 근입 및 콘크리트 타설

열교환 파이프를 철근망에 부착한 후, 철근망 근입 및 콘크리트 타설이 이루어지며 작업 순서 및 과정은 Fig. 7에 나타냈다. 철근망 근입 및 콘크리트 타설 시 열교환 파이프의 손상과 파이프 내 이물질 유입으로 인한 막힘 현상이 발생하지 않도록 유의해야 한다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 U형 열교환 파이프는 같은 쌍의 유입･유출구를 정확히 표시해야 한다.

4. 냉방 열교환 성능 평가시험

4.1 시험 조건

현장타설 에너지파일 냉방 가동 시의 열교환 성능 평가를 위하여 냉방 열교환 성능 평가시험을 수행하였다. 냉방 열교환 성능 평가시험은 최적 운전온도 조건에서 에너지파일 지중열교환기의 유출수 온도 변화를 파악함으로써 에너지파일의 열교환량을 판단하는 시험이다. 즉, 건물 냉방부하를 모사하기 위해 항온수 순환 장치를 통해 에너지파일 내부로 유입되는 순환수의 온도(LWT)를 30℃로 유지시키면서 유출수 온도의 변화를 파악한다. 시험결과를 통해 산정된 열교환량은 에너지파일의 근입 깊이 및 삽입된 열교환 파이프의 길이로 정규화하여 에너지파일 단위 길이 당 열교환 성능(W/m) 또는 열교환 파이프 단위 길이 당 열교환 성능(W/m)으로 표현하였다. 또한 본 연구에서는 실제 상업용 건물의 하절기 냉방운용에 따른 에너지파일의 열교환 성능을 평가하기 위해 인공 냉방부하를 간헐적으로 (일일 8시간 냉방운용 - 16시간 휴지) 적용하였다.

냉방 열교환 성능 평가시험을 통해 산정되는 에너지파일의 열교환량()은 순환수의 유입수 온도 ()와 유출수 온도()의 차와 순환유체의 질량유속(), 비열()의 곱으로 Eq. (1)과 같이 표현된다.

 (1)

4.2 열교환 성능 평가 결과

냉방 열교환 성능 평가시험은 1주일씩 수행되었으며, 각 열교환 파이프 형태별 시험결과는 Fig. 8∼13에 나타냈다. 시험 결과는 시간에 따른 유량 및 입출구 온도 변화와 에너지파일의 열교환량 변화를 그래프로 표현하였다. 1주일간의 냉방 열교환 성능 평가시험동안 현장타설 에너지파일로부터 반경방향으로 1.5m 떨어진 지점 즉, Fig. 1의 관측공 A와 B에서 지반의 온도를 깊이별로 측정하였다. 관측공은 PVC 파이프에 1m, 2m, 3m, 5m, 7m, 9m, 11m, 13m, 15m 깊이에 열전대를 부착한 후, 천공홀에 삽입하여 현장시험 전에 설치하였다. 측정 결과, 1주일간의 간헐적 냉방 가동으로 인한 지반의 온도변화는 열원으로부터 1.5m의 범위까지는 확인되지 않았다. 따라서 1주일 냉방 가동에 따른 인접 현장타설 에너지파일 간의 열간섭은 없다고 판단하여, 매주 연속적으로 냉방 열교환 성능 평가시험을 수행하였다.

시험과정에서 유입수의 온도가 30℃로 정확하게 유지되지 않고 최대 ± 0.6℃의 오차를 보였다. 이는 항온수조의 성능 및 현장 조건에 의한 오차이다. 그러나 유입수의 온도에 따라 유출수의 온도도 변화하는 도중에 유출입수의 온도 차는 크게 변하지 않았으며, 따라서 유입수 온도의 오차는 현장시험의 주된 목표인 현장타설 에너지파일의 열교환량 산정에는 큰 영향을 주지 않았음을 알 수 있다. 또한 시스템 가동이 중단되는 시점에서 유출수 온도가 짧은 시간동안 급격하게 상승하는 현상을 보였는데, 시스템 정지 이후 항온수 순환 장치 내부의 잔열로 인해 가열된 온수가 순간적으로 역류하면서 발생한 것으로 분석된다.

첫 번째 냉방 열교환 성능 평가시험(코일형 피치간격 500mm)과 마지막 냉방 열교환 성능 평가시험(S형) 수행 시작일은 약 7주 정도 기간 차이가 있다. 이 기간 동안 1주일 평균 대기온도가 약 5℃ 정도 감소하였으나 에너지파일 상부에 시공된 배수층과 주차장 보도블록이 단열층 역할을 하여 지반 상부의 온도는 약 3℃ 정도만 감소하였다. 또한, 지중 약 3m 깊이 이후부터는 지중 온도가 크게 변하지 않았으며, 따라서 대기온도로 인한 오차는 시험결과에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 사료된다.

현장 열교환 성능 평가시험으로부터 각 에너지파일의 1주일간 평균 열교환량과 에너지파일 근입 깊이 당 열교환 성능(), 그리고 열교환 파이프 단위 길이 당 열교환 성능()을 Table 6에 요약하였다. 또한 병렬 U형 5쌍의 열교환 성능을 기준으로 각 열교환 파이프 형태별 열교환 성능에 대한 상대적인 비를 산정하여 비교하였으며, 열교환 성능에 대한 열교환 파이프 형태별 순위를 A∼F 등급으로 나누어 표현하였다.

일반적으로 에너지파일 내부에 삽입되는 전체 열교환 파이프의 길이가 증가할수록 에너지파일이 지반과 열교환을 통해 획득하는 열량은 커질 것으로 예측할 수 있다. 하지만 냉방 열교환 성능 비교 결과, 코일형 피치간격 200mm가 피치간격 500mm 보다 2배만큼 긴 길이의 열교환 파이프가 삽입되어 있으나 은 1.2배 차이 밖에 발생하지 않았다. 즉, 코일형태에서 에너지파일의 열교환 성능은 삽입된 열교환 파이프의 길이와 단순비례하여 증가하지 않았다. 이는 에너지파일 내부에 삽입되는 열교환 파이프의 길이가 길어질수록 인접 파이프 루프 간 피치간격이 작아져 열간섭 현상이 발생하고, 이로 인하여 지반과 에너지파일 사이의 열교환 효율이 저하되었기 때문이다. 이러한 열간섭은 코일형 피치간격 200mm의 (0.67)가 피치간격 500mm의 (1.26)에 비해 50% 정도의 값을 가진다는 사실에서도 알 수 있다. 병렬 U형태 에너지파일은 내부에 삽입된 열교환 파이프 길이가 1.6배, 2배로 증가하는데 비해서 은 1.15배, 1.21배로 증가하며, 은 병렬 U형 5쌍에서 가장 크게 산정되었다. 즉, 병렬 U형 에너지파일에서도 삽입된 열교환 파이프 길이가 증가할수록 열간섭이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 에너지파일 설계 시 삽입되는 열교환 파이프의 길이 및 형태 이외에도 이에 따라 발생 가능한 열간섭과 이로 인한 열교환 효율 저하를 고려해야 하며, 냉난방시스템의 목표 설계 부하량과 함께 시공성 및 경제성을 모두 만족시킬 수 있는 적정 피치간격의 설계가 매우 중요하다는 것을 시사한다.

또한 병렬 U형과 코일형을 비교하면 전체적으로 병렬 U형에서 열교환량이 낮게 평가되었다. 이는 코일형은 순환수가 직렬로 흐르는데 반해 병렬 U형은 순환수가 병렬로 분산되어 흐르면서 관 이음새 및 구부에서 수두손실이 커지고, 이에 따라 열교환 효율 역시 저하되었기 때문으로 판단된다. 그러나 열간섭 현상으로 인한 열교환 효율 저하와 비교하여 병렬 연결로 인한 열교환 효율 저하는 상대적으로 크지 않았으며, 따라서 열교환의 성능은 삽입된 파이프의 길이와 파이프 간 피치간격에 큰 영향을 받는 것으로 사료된다. 단, 본 연구에서 고려한 1.5m 직경의 현장타설 에너지파일 내부에 병렬 U형의 열교환 파이프를 삽입할 경우 10쌍 이상의 열교환 파이프 삽입은 불가능하였으며, 상대적으로 넓은 열교환 면적 확보에는 코일형 열교환 파이프가 더 큰 장점을 갖는 것으로 분석된다.

4.3 경제성 비교 평가

경제성 분석은 열교환 파이프 형태별 에너지파일의 시공비용을 산정한 후, 냉방 열교환 성능 평가시험을 통해 평가된 열교환 성능을 고려하여 1W/m 당 소요 비용을 도출하는 방법으로 수행하였다. 에너지파일의 시공비용은 천공비, 그라우팅 및 열교환 파이프의 재료비, 인건비 등으로 구분된다. 그러나 상기에 언급한 바와 같이 다른 일반적인 지중열교환기와는 달리 에너지파일은 기존에 시공되는 말뚝을 이용하기 때문에 별도의 천공비용이나 그라우트 비용이 소모되지 않는다. 따라서 본 연구에서는 열교환 파이프의 재료비와 시공 시 투입되는 작업인원에 대한 인건비를 고려하여 열교환 파이프 형태별 에너지파일의 시공비용을 산정하였다.

먼저 열교환 파이프의 재료비는 시험시공시 적용된 견적을 바탕으로 미터 당 1,100원으로 계산하였으며, 인건비의 경우 Table 5를 기준으로 일인당 6000원/시간으로 계산하였다. 단, 열교환 파이프의 재료비에서 병렬 U형은 U자 이음관 및 전자 소켓 이음관의 비용이 추가되며, S형의 경우에는 미리 공장에서 가공 제작되어야 하므로 단위 길이당 소요되는 재료비가 증가하게 된다. 가공 제작된 S형은 미터 당 5,500원으로 계산하였다. 마지막으로 코일형 에너지파일의 시공시 필요한 크레인 임대비는 80톤 크레인을 기준으로 시간당 250,000원으로 계산하였다.

이를 고려하여 계산된 열교환 파이프 형태별 에너지파일의 시공비용은 Table 7에 정리하였다.

Table 7을 통하여 산정된 열교환 파이프 형태별 에너지파일의 시공비과 냉방 열교환 성능 평가시험을 통해 분석된 열교환 성능을 고려하여 1W/m 당 소요 비용를 산정하였으며, 그 결과는 Fig. 14에 나타냈다.

경제성 분석 결과, 코일형 에너지파일은 같은 코일형태임에도 불구하고 피치간격이 작을수록 1W/m 당 소요 비용이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 피치간격이 작아질수록 인접 파이프 루프간 열간섭 현상이 발생하여 에너지파일의 전체적인 열교환 효율이 저하됨에 따라 나타나는 결과이다. 따라서 코일형태의 에너지파일 설계 시, 에너지파일 전체 열교환량의 증대뿐만 아니라 과도한 양의 열교환 파이프 삽입 시 발생하는 열간섭과 1W/m 당 소요되는 비용의 증가를 동시에 고려해야 한다. 병렬 U형에서도 많은 양의 열교환 파이프가 촘촘히 삽입될수록 경제성은 저하되었다. 병렬 U형과 코일형을 비교하면 코일형 에너지파일에서 크레인 임대비용으로 인해 1W/m 당 소요되는 비용이 소폭 증가하였으나 전체적으로 유사한 경제성을 보인다. S형은 열교환 파이프 부착등의 시공성은 매우 뛰어났으나, 가공 제작되는 특이점으로 인하여 경제성은 매우 떨어지는 것으로 평가되었다.

본 논문에서는 시공성 및 시공 시간을 시간당 인건비 또는 시간당 부대시설 임대비 형태로 환산하여 열교환 파이프 형태에 따른 현장타설 에너지파일의 경제성을 분석하였으며, 병렬 U형 5쌍, 코일형 피치간격 500mm, 병렬 U형 8쌍, 병렬 U형 10쌍, 코일형 피치간격 200mm, S형 순서로 높은 경제성을 보였다. 단, 실제 에너지파일 설계 및 시공 시에는 부대 시설, 시공성, 공사 기간, 건물의 요구 부하량 등을 복합적으로 고려하여 적정 열교환 파이프 형태를 선정해야 하며, 본 연구 결과는 참고자료로 활용할 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 현장타설말뚝을 지중 열교환 시스템으로 활용하는 현장타설 에너지파일에 대한 실증 연구를 위하여 총 6본의 현장타설 에너지파일을 시험시공하였으며, 현장타설 에너지파일에 대한 시공성을 평가하였다. 현장타설 에너지파일은 열교환 파이프의 형상에 따라 병렬 U형 3본(5쌍, 8쌍, 10쌍), S형 1본, 코일형 2본(피치 500mm, 200mm)을 시공하였다. 또한 시공된 에너지파일에 대한 냉방 열교환 성능 평가시험을 수행하여 열교환 파이프 형태별 1주일간의 열교환량을 비교하였다. 시험결과를 통해 산정된 열교환량은 에너지파일의 근입 깊이 및 삽입된 열교환 파이프의 길이로 정규화하여 열교환 파이프 형태별 열교환 성능으로 표현하였으며, 산정된 열교환 성능과 재료비, 천공비, 시공비 등의 에너지파일 설치비용을 고려하여 현장타설 에너지파일의 경제성을 분석하였다. 현장타설 에너지파일의 열교환 성능 평가와 시공성 및 경제성을 분석한 결과 다음의 결론을 도출하였다.

(1)병렬 U형 8쌍 및 병렬 U형 10쌍과 같이 열교환 파이프를 내부 철근망에 고정할 경우 소요시간이 증가하고 부착에도 어려움이 발생한다. 반면에 S형은 시공성과 부착성이 매우 용이하며 부착시간도 적게 소요된다. 코일형도 부착이 용이하였으나, 부착을 위한 작업인원의 증가 및 크레인 등의 요구조건이 발생하였다.

(2)냉방 열교환 성능 평가시험 결과, 에너지파일 내부에 삽입되는 열교환 파이프의 길이가 길어질수록 인접 파이프 루프 간 피치간격이 작아져 열간섭 현상이 발생하고, 이로 인하여 지반과 에너지파일 사이의 열교환 효율이 저하되었다. 즉, 현장타설 에너지파일의 열교환 성능은 삽입된 열교환 파이프의 길이와 비례하여 증가하지 않으며, 이는 에너지파일 설계 시 삽입되는 열교환 파이프의 길이 및 형태 이외에도 이에 따라 발생 가능한 열간섭을 복합적으로 고려해야한다는 것을 시사한다.

(3)현장타설 에너지파일의 열교환 성능은 삽입된 파이프의 길이와 파이프 간 피치간격의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 단, 본 논문에서 고려한 1.5m 직경의 현장타설 에너지파일 내부에 병렬 U형의 열교환 파이프를 삽입할 경우 10쌍 이상의 열교환 파이프 삽입은 불가능하였으며, 넓은 열교환 면적 확보에 있어서는 상대적으로 코일형 열교환 파이프가 더 큰 장점을 가지는 것으로 분석된다.

(4)경제성 분석 결과, 피치간격이 작을수록 발생하는 열간섭으로 인하여 1W/m 당 소요 비용이 증가하며, 특히 S형의 경우에는 열교환 파이프 부착등의 시공성은 매우 뛰어났으나 가공 제작되는 특이점으로 인하여 경제성이 가장 낮게 평가되었다. 단, 실제 에너지파일 설계 및 시공 시에는 부대 시설, 시공성, 공사 기간, 건물의 요구 부하량 등을 복합적으로 고려하여 적정 열교환 파이프 형태를 선정해야 할 것이다.

(5)시공성과 열교환 성능, 그리고 경제성을 복합적으로 고려한다면 코일형 열교환 파이프가 타 형태와 비교하여 상대적으로 우수하다고 평가된다. 병렬 U형은 철근망 내부에 열교환 파이프를 삽입할 경우 시공성이 불량하며, 콘크리트 타설 후 병렬로 설치된 파이프들은 추가적인 배관 연결 공사가 수행되어야 한다. 또한 열교환 성능 측면에서도 수두손실 및 열간섭 현상에 의해 열교환 효율이 저하되는 단점이 있다. S형은 시공성 및 부착성이 매우 우수하지만 가공 제작되기 때문에 열교환 면적 확보에 제한이 있고 경제성도 가장 낮게 평가되었다. 반면에 코일형 열교환 파이프는 열교환 면적 확보 측면에 있어서 상대적으로 우수하며, 시공성 및 부착성도 크레인과 시공인원이 확보되는 경우에 양호하게 평가되었다.