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2019년 6월 25일 (화) 05:31 판

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.
            

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용