2k4j

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 도로면 온도 관리 시스템

영문 : 00000000..

과제 팀명

k2j4

지도교수

이준규 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 2013860037 전재형(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2013860040 정의섭

서울시립대학교 토목공학부·과 2013860039 정세일

서울시립대학교 토목공학부·과 2013860011 김한별

서울시립대학교 토목공학부·과 2013860007 김욱

서울시립대학교 토목공학부·과 2014860038 조성현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제의 배경 및 목적

현재 우리나라는 고층 빌딩 및 건축물들의 증가로 도심 내 열의 순환이 원활하게 이루어지지 않고 있다. 여름철 높아진 도심 내 온도가 순환이 되며 식혀져야 하지만 열의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 열이 도심 내에서 빠져나가지 못해 열섬 현상이 심화되고 있다. 또한 자동차 보급률이 높아지면서 도로의 수요가 급증하였는데, 적절하지 못한 겨울철 결빙 대책으로 사고가 증가하였다. 이러한 현상에 대한 대책으로 클린 로드 시스템, 열선 배치로 인한 융설, 제설제 등 여러 방법이 시행되고 있으나 도로 및 자동차 수명 감소, 운영비 등 다양한 문제점들을 내포하고 있다. 따라서 여름철 열섬 현상 및 겨울철 결빙 사고 방지에 대한 대책의 필요성이 대두되고 있는 현재, 여름철과 겨울철에 발생하는 가장 큰 두 가지 문제를 도로면의 온도 조절 시스템을 통하여해결 한다.

시스템도

깊이 100m~150m 정도의 천부지열에 속하는 14°C~17°C의 지하수를 순환시켜 히트펌프시스템과 동일한 방법으로 겨울철과 여름철에 활용한다. 기존 히트펌프와 다르게 내부 순환수 없이 도로면과 직접 온도 교환을 하여 효율을 높이고 압축기와 응축기를 사용하지 않고 지하수의 온도를 그대로 사용하여 전력 소비량을 줄였다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

외국의 기술현황

가. 영국

* 뜨거운 여름철 태양빛으로부터 오는 열이 겨울철 도로의 결빙을 막을 수 있을 것이라는 점에 착안. 이러한 아이디어를 시험하기 위해 개인 도로의 한 부분 아래에 직경이 25mm인 폴리에틸렌 물파이프 망을 구축. 이 파이프들은 15cm 정도의 간격을 유지하면서 12cm 깊이에 매설
* 이 깊이에서 땅의 온도는 평균 섭씨 12도지만 여름철의 온도는 섭씨 25도까지 상승. 태양이 아스팔트 표면을 데우면 아스팔트 표면은 열을 흡수하고 이 열은 파이프 속의 물을 데우며, 이러한 열은 도로의 옆쪽에 있는 2차 파이프 배열로 전달되어 저장하기 위해 펌핑. 2차 파이프 배열은 1미터 두께의 폴리스티렌 층으로 단열
* 이와 같은 원리를 이용해 겨울이 되어 도로 표면의 온도가 섭씨 2도 이하로 떨어지는것이 감지되면 따뜻한 물은 다시 도로 아래에 매설된 파이프로 되돌아가 지표를 데움으로써 도로 표면이 얼어붙는 것을 방지
* Berkshire에 위치한 영국 교통연구소는 48만 파운드의 시험비용으로 2년 동안 시험을지속. 이러한 기술은 영국의 주요 도로를 유지 관리하는 고속도로국이 적극 지원중.

나. 독일

* 지열을 이용한 승강장 자동제석 시스템이 있으며, 독일 Barbis의 Bad Lauterberg역에 설치
* 지열을 이용하여 승강장을 가열함으로써 눈이 왔을 때에 저절로 눈이 녹도록 함. 승강장 아래에는 9개의 시추공 열 교환기(BHE : Borehole Heat Exchanger)를 200m 깊이까지 설치(길이 200m, 총면적 600m^2, 열량130W/m^2) - 이 시스템은 전철기(선로 전환기)에도 적용이 가능하며, 동절기에 이 부분이 얼어 정상적인 작동이 불가능한 경우에 지금까지는 손으로 세척하거나 전기 또는 프로판을 이용하여 가열하여 결빙을 방지하였으나, 지열 시스템을 이용하여 결빙을 방지

다. 네덜란드

* 2003년 네덜란드의 Arnhem에 시범적으로 설치되었으며, 2004년에는 Lelystad의 32개 전철기에 설치된 바 있음

라. 일본

* 화산지형인 일본의 특성상 교통이 두절될만한 지역 인근엔 화산이 많다는 점을 이용하여 도로 밑에 파이프를 설치하고 온천수가 흐르도록 해 눈이 쌓이는 것을 막는 공사를 시작
* 설치 초반에 지하수가 줄면서 지반이 내려앉는 사고가 계속 발생하여 대안으로 도로 밑까지 끌어올린 온천수를 다시 지하로 내려 보내는 ‘순환 공법’을 도입
* 이후 지하수 양에 변화가 없어 지반붕괴 위험이 크게 감소하였으며, 한번 설치하면 외부적 충격이 없는 한 30년 가까이 사용 가능
* 최근에는 인근 공장에서 발생한 폐열과 지열을 이용한 기술까지 개발하였고, 온수를 조달하기 힘든 일반 가정에서도 시공할 수 있도록 부동액을 지열로 데우는 기술을 개발중임

마. 미국의 저온 도로 시스템

* 차열성포장은 포장노면에 태양에너지의 적외선 영역을 반사시키는 수지를 도포하고 단열포장보다 노면온도를 10℃이상 낮출 수 있는 공법이다. 일정 조건을 가진 백색의 중공 세라믹, 흑색산화철, 그라스 바드와 바인더를 혼합한 조성물을 포장체에 적용하는 것이다. - 낮 시간대 노면의 축열 현상을 최소화시키고, 야간에는 포장에서의 방열량을 줄여 열대야 현상을 저감시켜 소성변형을 줄이는 공법이다. 아직 우리나라에 본격적으로 도입되지는 않았고 일본의 경우, 점차 도심지역에 점차적으로 확대시키고 있다. 간단히 말하자면 빛의 파장을 이용하여 반사시키는 공법이다. 또한 일반 포장과 비교를 하면, 야간에도 열 흡수를 억제하기 때문에 야간 복사열도 통제가 가능하다는 장점이 있다.
* 보수성 포장의 경우 포장체내의 보수재에 포장된 수분이 증발할 때 기화열을, 포장 포면의 온도를 저하하는데 이용할 수 있게 하는 포장이다. 20% 정도의 공극을 갖는 아스팔트 혼합물에 수분을 흡수할 수 있는 보수제를 침투시켜 포장제가 물을 머금어 포장체 내에 저류된 수분이 증발할 수 있게 하는 공법이다. 이로 인해 강우 시 유출되는 빗물의 양을 줄여 도시의 수분방지와 노면 온도의 하강으로 인해 교통하중으로 생기는 소성변형을 저감시키는 효과도 기대할 수 있다. 특히, 포장체 내에 수분을 갖고 있을 수 있기 때문에 물증발이라는 잠열에 의한 열 수송 형태가 더해져 열의 방출을 촉구한다.
* 보수성 포장의 경우에는 얼마나 많은 수분을 흡수할 수 있는지가 매우 중요한 요소이다. 그렇기에 흡수성이 우수한 보수재를 사용하는 것과 동시에 기본적인 포장의 기능을 가는 아스팔트를 확보하는 것이 문제이다. 더해서 보수성 아스팔트 적용 시 수막현상이 없어져 교통사고의 확률을 낮출 수 있으며 도시의 물의 순환을 촉진시킬 수 있다는 장점도 있다. 차열성 포장의 경우 단순히 빛을 흡수율을 줄이는 데에 그치기 때문에 효과는 당장 클 수 있지만 유지보수 비용이 크기 때문에 보수성 포장에 비해 경제적으로 비효율적이다.

국내 기술의 현황

스노우 멜팅 시스템

노면에 설치된 센서가 외기 온도와 습도를 감지하고, 필요 시 컨트롤러 유닛에 신호를 보내 히팅 케이블이 작동하는 원리다. 히팅 케이블은 발열체와 무기절연층, 외피 등으로 이루어져 있으며, 발열 온도의 범위는 200~400ºC 수준이다. 그 위에 5~10cm 두께의 아스콘 혹은 콘크리트로 마감해 발열 온도를 일정한 수준으로 낮추게 된다. 하지만 히팅 케이블을 설치하려면 기존 도로 포장을 해체해야 한다는 점, 도로 관리를 담당하는 기관이 높은 전기 요금을 부담해야 한다는 점 등 예산 면에서의 어려움이 있다.

대구 클린로드 시스템

국내에서는 온도가 제일 높은 대구에서 클린로드라는 시스템을 도입하고 있다. 도로 위의 반사판의 기능으로 도로의 온도를 낮추는 것인데 여기서 나오는 물은 지하수를 활용하고 있다. 대구 도심에서 클린로드를 가동한 결과 미세먼지 28% 절감 뿐 아니라 지표온도가 3~4도 하강된 효과를 얻었다. 하지만 겨울철은 이용할 수 없다는 점과 심미상에도 좋지 않다는 단점이 있다.

본 과업과의 비교

설치 비용적 측면과 관리 비용적 측면을 모두 고려하였을 때 본 과업의 테플론 관을 활용한 도로면 온도 관리 시스템이 보다 경제적이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

투수층 내에 존재하는 지하수의 순환을 이용한 열에너지 전도 시스템은 도로면 온도 조절을 보다 효율적으로 실행할 수 있다. 우리나라의 경우 열전도율이 높은 화강암 계열의 암반으로 지반이 이루어져있다. 이는 지하수를 이용한 열에너지 전도에 효과적이며 에너지 손실을 줄일 수 있다는 뜻이다. 또한 냉방기 사용 절감으로 에너지 소비를 줄여서 온실가스 배출 또한 감소시킬 수 있다. 여름철에는 도로면 온도 저하로 불쾌지수를 하락시킬 수 있고 과도한 에너지 낭비를 막을 수 있다. 겨울철에는 도로면의 온도를 상승시켜 도로 결빙 현상을 예방할 수 있고 결빙으로 인한 사고 현상을 크게 저하시킬 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

지하수를 이용한 도로면 온도 조절을 통해 얻을 수 있는 효과는 무궁무진하다. 지하수를 이용한 도로면 온도 조절 시스템은 기존에 실행하던 방법들 보다 실용적인 시스템으로 비용 절감 및 효율적 측면에서도 더욱 뛰어날 것으로 보인다. 기존 여름철과 겨울철에 실시하던 도심에 살수를 뿌리고 제설제를 뿌리는 등의 방법보다 심미적으로 뛰어나고 노동력의 낭비를 막을수 있으며 지속성 또한 뛰어나다고 할 수 있다.
이러한 방법은 환경적 문제가 대두되고 있는 현대 사회에서 에너지를 절약할 수 있고 친환경적인 에너지를 이용한다는 측면에서 의미가 있다고 볼 수 있다. 뿐만 아니라, 도로의 온도 조절을 통한 여름철 보행도로의 불쾌감과 불편함을 덜어주어 보다 쾌적한 보행환경을 제공할수 있으며, 이로 인해 도보 통행거리를 유지하거나 증가할 수 있다. 표면의 온도 감소로 인한 아스팔트 도로의 도류화 파손을 줄이며 콘크리트 도로는 균열 발생 등을 감소시켜 도로의 수명 감소를 방지하고 유지관리 비용 또한 줄일 수 있다. 도시 전체의 기온을 낮춰 도시열섬현상과 지구 온난화 현상을 완화할 수 있다.

설계

상세 설계

지하수의 순환만을 가지고 도로면의 온도 조절하는 시스템을 구성하기 위하여 가장 효율을 좋은 관을 설계하고 관의 배치 및 매설 깊이를 결정하고 펌프를 설정한다.

관의 종류

3가지 관을 사전에 선정하여 관의 재질에 따른 여러 가지 특성을 비교하여 관을 결정한다. 

먼저 구리관의 경우 비교적 고가이며 이음부의 용접 의 어려움이 있다. 또한 부식이 일어나 유지관리가 어렵다. 열전도율이 다른 관에 비해서 상당히 높은 것을 볼 수 있지만, 밑에서의 실험 결과를 보면 매입 관 종류에 따른 열회수에는 큰 차이가 없었다. 그래프를 보면 초기 열공급 후 30분 전 후로 구리관이 2℃~3℃정도 높은 온도를 보이지만 이후의 온도는 다른 관 전부 비슷하게 나타났다. 이는 구리관 자체가 열전도율이 높긴 하지만 열관류율은 큰 차이가 없기 때문에 시간이 흘렀을 때 회수율에는 차이가 없는 것을 보인다. 그렇기에 구리관은 열을 회수하는 관으로 부적합하다고 생각된다. PB관과 테플론관은 시공이 간편하고 구리관에 비해 부식의 염려가 없다. PB관은 단가가 저렴하다는 장점이 있지만 열에 의해 변형이 일어날 수 있고, 무엇보다 다짐 시에 관의 파손이 일어날 수 있다. 테플론관은 고가이긴 하지만 압축강도가 높아서 관의 파손과 변형이 일어나지 않는다. 도한 약 240℃의 열에서도 변형이 일어나지 않는다. 따라서 시공성 및 유지관리 등에서 설계할 관의 재질은 테플론관이 적합하다고 판단한다.

관의 매설 깊이 결정


관의 매설깊이가 100mm~80mm의 20mm 깊이 차이의 도로면 온도 차이와 80mm~70mm의 10mm 깊이 차이의 도로면 온도 차이가 크게 차이 나지 않음을 볼 수 있다. 따라서 이 결과는 관과 도로면의 사이가 가까워지면 가까워질수록 도로면의 온도 차이가 더욱 커짐을 알 수 있다. 따라서 효율을 최대한으로 하고 관을 충분히 보호 할 수 있는 깊이를 선정하기 위하여 관의 매설깊이는 50mm로 결정한다.

관의 배치 간격 결정


위 그래프는 –4°C~-6°C의 도로면에 관을 통하여 약 40°C의 물을 흘려주었을 경우 배치간격에 따른 도로면의 온도변화를 나타낸 것이다. 시험 결과 관의 간격이 200mm 까지는 고온의 물을 흘려보냈음에도 도로면의 온도가 크게 차이나지 않았지만 300mm 이후부터는 큰 차이를 보임을 알 수 있다. 따라서 과한 설비를 피하고 효율성을 최대로 하기 위하여 관 간격은 250mm로 선정한다.

관의 매설 형태 결정


열전도 및 열회수를 가장 효율적으로 할 수 있는 모델을 취한다. 관로의 굴곡 부분에서 지하수와 관의 충격으로 인한 동력 손실을 최소화하기 위해 도로면 아래 관의 모형은 수평형이되 굴곡부의 수를 최대한 줄이는 방향으로 설계한다. 지하수가 순환하는 관에서 관의 굴곡부가 많아지게 되면 지하수와 관의 충돌이 늘어 손실이 발생하게 된다. 이 때 손실이 발생하게 된다면 동력이 일정 기준 이상으로 작동해야 하므로 경제성이 떨어지게 된다. 또한 관과의 충돌로 관내부의 지하수 흐름이 바뀌거나 마찰로 인한 열손실이 발생하게 되므로 효과적인 열전도를 할수가 없다. 따라서 효과적이고 경제적인 관의 매설 모양은 관의 굴곡부의 수가 최소가 되는 모양이다.

위의 그림에서 설계된 관을 가로 방향으로 하여 관로가 긴 부분이 도로의 진행방향과 같게하여 관의 굴곡부의 수를 최소화한다. 이는 관 내부의 지하수의 순환을 원활하게 도울 것이고 적은 에너지 손실은 열의 전도율을 증대시킬 것이다.

따라서 2차선 100m의 ‘지하수를 이용한 온도 조절 관’을 설계시 조건은 다음과 같다
1. 관의 재질 : 테플론

2. 관의 간격 : 200~250mm 3. 관의 직경 : 40mm 4. 매설 깊이 : 50mm 실제로 관을 적용하였을 때 모식도는 다음과 같다.


위의 그림과 같이 콘크리트 사이에 실제 관을 매설하여 직접적인 관 내부에 흐르는 지하수와 직접적인 열 교환이 일어나도록 만든다. 이와 같은 설계로 관을 매설하여 열 교환이 일어나 도로면 온도를 낮출 수 있다면 도심 내 온도 저하 및 에너지 절감이 발생할 것이라 예상하였다.

관 내부 유속과 유량 산정

관 내부에서 지하수가 흐르게 되는데 100m 동안은 직선방향의 흐름을 가진다. 하지만 방향이 바뀌게 되어 규칙적인 흐름이 존재하지 않는다. 따라서 유체가 순환 시스템의 에너지 소비량과 시스템의 냉난방 효율을 저하시키지 않는 범위 내에서 충분한 유량을 유지하도록 유체의 흐름은 난류가 되도록 한다. 레이놀즈수(Re)를 이용하여 유속을 구한다.

펌프 동력 계산 및 펌프 선정

전양정 H= 흡입실양정 + 토출실양정 + 유속양정 + 관손실양정이므로 이 때 토출 실양정과 유속양정은 무시한다. 흡입 실양정은 150m 이므로

또한 관에서 방향이 바뀔 때 마다 손실이 일어나므로 관손실양정 = u자관 곡선부 손실 + 마찰손실이 된다.
u자관 곡선부는 총 19개이므로

지하수 순환 시스템을 위하여 지하수 물을 양수하는데 수중모터펌프(submerged motor pump)를 사용한다. 깊은 지하수 물을 양수하기 위하여 수중모터펌프를 사용한다. 전동기와 펌프를 직결하여 일체로 만들고 여기에 양수관을 접속해서 지하수 층에 넣어 전동기도 펌프와 같이 수중에서 작동하는 다단터빈펌프의 형태로 설계한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

모델링

본 모델링의 포인트는 도로에 매설되는 관의 모식도이다. 모식도를 보다 효과적이고 직관적으로 볼 수 있도록 모델링을 실시하였다. 도로에 매설되는 관은 도로의 진행 방향과 일치하도록 설계하여 굴곡부의 수를 최소화하였다. 이는 지하수 순환 시 굴곡부에서 발생하는 마찰로 인한 동력손실과 에너지 손실을 최소화하기 위한 설계 방법이다. 또한 측면부에서는 대수층을 통해 지하수를 끌어올리는 관의 모습이 직관적으로 보이도록 모델링하였다. 본 과업에서 매설되는 관의 깊이는 콘크리트 표면에서 5cm로 이를 보여주기 위해 모델링에서 콘크리트 부분을 표현하였고 관을 가운데에 매설하였다.