서론

겨울철 강설 시 일반적으로 사용되는 염화칼슘 등 염화물계 제설제는 도로표면의 포트홀 현상 유발 및 복구비용 등의 많은 문제를 야기하고 이다. 이와 함께, 염화물계 제설제는 도로 주변의 과수 및 농작물·토양 등의 오염, 도로를 사용하는 자동차들의 하부 부식과 같은 추가 피해의 원인이 되고 있다.

최근 이에 대한 해결책으로 스노우 멜팅 케이블과 같은 전기히팅방식의 융설시스템이 적용되어 왔다. 그러나, 고가의 초기 설치비용과 높은 전력량 소모에 따른 과대한 에너지비용 및 도로 포장의 조기손상을 유발하는 단점으로 인해 이를 보완한 새로운 친환경 융설시스템이 요구되고 있다. 최근 이러한 기존시스템의 문제점을 보완하고 유지관리비 경제성을 확보한 대안으로 수배관을 활용한 융설시스템이 북유럽, 캐나다 등을 중심으로 나타나고 있다. 이러한 융설시스템은 지열·태양열·폐열 등 신재생에너지나 미활용 온도차에너지를 활용하여 시스템의 효율성 및 경제성을 높이고자하는 방향으로 설계 및 시공되고 있다.

본 연구에서는 신재생에너지나 미활용 온도차에너지 기반의 hydronic 융설시스템에 적합한 고열전도 콘크리트 패널 개발을 위해, 열전도율이 매우 높은 규석(silica stone)을 이용하여 기존 일반콘크리트 보다 높은 열전도율을 갖는 고열전도 콘크리트 패널을 제작하였다. 그리고, 미활용 온도차에너지를 모사한 열원장치를 통한 일반콘크리트 패널과 고열전도 콘크리트 간의 비교실험을 통하여, 저온열원 융설시스템의 효율성을 극대화할 수 있는 고열전도 콘크리트 패널의 적용가능성을 확인하고자 한다.

저온열원 융설시스템에 대한 연구 동향

도로표면의 융설프로세스에 대한 모델링과 융설을 위한 솔루션에 대하여 국내외 많은 연구들이 수행되어져 왔다. Liu et al. (2007)은 전기 혹은 수배관 융설시스템에 의해 가열된 도로의 융설모델을 제안하고 실험을 통해 모델을 검증하였다. Wang and Chen (2009)은 critical free-area ratio 지표에 기반한 융설 프로세스 모델을 개발하였다.

아울러, 신재생에너지나 미활용 온도차에너지를 활용한 융설시스템에 대한 연구들도 다수 진행되었다. Chen et al. (2011)은 태양열집열시스템을 활용하여, 아스팔트도로 위의 얼음과 눈을 녹이는 프로세스에 대한 연구를 수행하였다. 국내에서도 지열히트펌프를 활용한 도로융설시스템의 성능 평가 및 예측에 관한 연구를 진행하였다(Choi and Hwang, 2012).

한국도로공사 도로교통연구원에서도 고속도로의 현장에 적용하기 위해 지열에너지를 이용한 도로 융설 시스템의 설계변수 결정을 위한 기초실험을 실시하고 최적의 융설 효과를 유도하기 위한 도로 단면을 제안하였다. 또한, 온수배관 간격 및 공급 온수온도 등의 변수에 따른 융설 특성을 확인하였으며, 히트펌프의 용량 및 순환 펌프의 용량, 위치에 대한 결론을 도출하는 시범적 연구를 시행하였다(Lee and Seo, 2012).

현재 우리나라에도 전기열원 융설시스템이 도로를 중심으로 시범 설치가 되어있다. 하지만 전기열원 융설시스템은 에너지소비량 과다로 인해 실제 설치 후 운전되고 있는 사례는 찾아보기 어렵다. 본 연구도 이러한 문제점에 대한 해결책을 제시하기 위한 일환이다. ASHRAE Handbook - HVAC Applications (Snow Melting and Freeze Protection)에 제시한 유지관리비 사례를 보면, 전기열원시스템(electric system)의 유지관리비가 온수열원시스템(hydronic system)보다 약 2배 이상임을 알 수 있다. 또한 신재생에너지나 미활용에너지를 적용시 그 차이는 더 커질 것이라고 언급하고 있다(ASHRAE, 2015).

기존 연구에서 나타난 바와 같이, 신재생에너지나 미활용 온도차에너지를 활용한 저온열원 융설시스템을 위해서는 온수열원시스템(hydronic system)이 최적 대안이다. 이와 함께, 저온열원 융설시스템이 실제 도로 등에 적용되기 위해서는 실제 도로나 보도의 전열성능의 향상이 필수적이다. Chen et al. (2011)의 연구에 의하면, 융설시스템이 설치된 샘플 패널의 낮은 열전도율로 인하여 부분적으로만 제설이 이루어진 사례들을 찾아볼 수 있으며, 실제 도로나 보도의 고전열성능 확보의 필요성을 강조하고 있다(Figure 1 참조).

Figure 1.

The case of partial snow melting due to low thermal conductive panel

고열전도 콘크리트 패널 시험체 제작

고열전도 콘크리트 패널

미활용온도차에너지를 활용한 저온열원 융설시스템의 효율을 극대화하기 위해서는 콘크리트의 열전도성능 향상을 통하여 눈이 쌓이는 콘크리트 패널 표면이 면발열체에 가깝게 설계됨으로써, 융설패널의 배관간격에 따른 온도편차가 최소화되도록 하는 것이 이상적이다.

본 연구에서는 열전도율이 높은 규석을 골재로 사용하여, 열전도율이 높으면서도 고강도, 고내구성을 가지는 콘크리트 패널을 제작하였다. 규석은 이산화규소(SiO₂)를 80% 이상 함유한 광석으로, 경도가 높고 염분·유기물 등의 불순물을 포함하지 않으며, 열전도율이 매우 높은 것이 특징이다. 이를 배합설계시 일반 골재 대체재로 사용하면 일반 콘크리트 대비 1.5배 이상의 열전도율을 보이는 것으로 나타났다.

기존 일반콘크리트의 1.5~1.6 W/mK 정도의 열전도율에 비하여, 공인성적서 기준 2.5 W/mK 이상의 열전도율을 갖는 고열전도 콘크리트 패널의 제작을 통하여 전열효율을 높임과 동시에, 골재의 배합을 변경하여 열전도율을 만족하면서 고내구성의 기능을 가진 콘크리트의 개발을 통하여 각종 열화에 저항성이 강한 콘크리트 배합을 도출하였다.

실증 시험체 제작 및 저온열원 융설시스템 모사열원장치 구성

아직 우리나라에는 북미나 유럽와 같이 체계화된 설계지침이나 자료들이 부재한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 융설시스템 설계에 있어서 선진국들의 계산방법 및 우리나라에 시범적으로 적용된 사례를 기반으로 융설패널의 전열성능을 판단하였다. 향후 국내 융설 설계기준에 대한 다각적인 검토가 필요하다.

우리나라 서울시청사에 적용되었던 ASHRAE 계산법에 의한 융설시스템 사례를 살펴보면, 설계시 고려해야할 요소들에 대해 파악할 수 있다. 미국과 일본의 사례를 보면, 일반적으로 200~250 W/㎡의 단위면적당 융설부하를 필요로 한다. 서울시청사의 경우, 서울지역 유사한 기후조건을 적용하여 융설부하를 200 W/㎡ 로 설정하였다. 또한, 겨울철 노면의 눈 및 얼음을 녹이기 위한 노면 평균표면온도는 2 ~ 3°C이상, 설계 외기온도는 -20 ~ -5°C으로 설정하고 있다.

본 연구에서는 미활용온도차에너지의 활용가능성 분석을 위한 시험체를 제작하고 동계 실험을 수행하였다. 이는 저온수를 활용한 융설 가능 여부를 판단하기 위한 것으로, 실험체는 다음과 같은 조건으로 제작하였다.

- 시편 규격: 1 m (w) × 1 m (h) × 0.1 m (t) × 2개 (Figure 2 참조)

- 상부피복 3 cm, PVC배관경 2 cm, 배관하부 5 cm, 배관 피치 250 cm

- 규사혼입 비율

∙ 일반콘크리트 융설패널: 잔골재 대비 치환율로 규사 혼입율 0%

∙ 전열콘크리트 융설패널: 잔골재 대비 치환율로 규사 혼입율 100%

- 시편 옆부분에 단열재를 시공하여 상하부로만 방열 유도

Figure 2.

Making of test concrete panels

Figure 3.

Low temperature heat source simulation device

Figure 4.

Installation of snow melting test concrete panels and temperature sensors

Figure 5.

Connection with heat source and insulation construction for panel side

전열성능실험의 목적에 맞게 패널의 연결부는 생략하여 융설패널의 공급온수온도 변화에 따른 표면부 온도 모니터링이 가능하도록 설계 및 제작하였다. 시험패널은 직달일사가 없는 건물 북측 영구음영 부위에 설치하여 일사의 영향을 최소화하였다.

이와 함께, 미활용온도차에너지의 활용가능성 분석을 위하여 원하는 공급온수온도를 설정할 수 있는 저온열원 모사장치를 설계 및 제작하였다. 열원장치는 전기보일러에서 축열조로 온수를 공급하여 원하는 온도의 온수를 패널에 공급하는 방식으로 설계되었다(Figure 3 참조).

총 온도모니터링 point는 각 패널별로 융설패널 표면온도 6 point 및 공급/환수온수온도 2 point, 지면접촉부 1 point 등 총 9 point와 외기온도 1 point로 계획하였다. 데이터로거에 연결된 총 온도센서는 19 point로 설치하였다(Figure 4, Figure 5 참조). 설치된 융설패널 표면온도 및 공급/환수온수온도 센서위치는 Figure 6과 같다.

Figure 6.

Location of sensors for surface temperature and supply/return water temperature

융설실험패널과 열원장치 연결 및 패널 옆면 단열까지 완료된 후 통수 및 센서 설치를 마치고, 시운전을 통해 2 Case간의 공급온수온도 오차를 보정하였다. 공급온수온도 변화에 따른 개발 패널의 전열성능 및 외기상태에 따른 패널표면온도 분포 등을 분석하기 위해, 동계 2월 한달 동안 공급온수온도를 1주 간격으로 저온열원온도인 40°C, 30°C, 20°C로 바꾸면서 융설성능실험을 실시하였다. 실험기간 동안 강설량이 없어서, 직접적인 융설은 이루어지지 않았으나, 실험 결과 분석을 통해 융설성능을 비교 검토하고자 한다.

실험 결과 분석

일반콘크리트 패널과 전열콘크리트 패널의 비교

공급온수온도 40°C인 경우 일반 콘크리트 융설패널과 전열콘크리트 융설패널에서 나타난 온도변화 추이는 Figure 7, Figure 8과 같다. 규사혼입 100%인 전열콘크리트 패널이 일반콘크리트 패널에 비해 전체적으로 높은 표면온도 상승이 이루어짐을 살펴볼 수 있다. 겨울철 노면의 눈 및 얼음을 녹이기 위한 노면 평균표면온도를 2 ~ 3°C이상으로 볼 때, 양쪽 모두 연속운전시 전 구간에 걸쳐 융설이 문제없이 이루어짐을 알 수 있다.

한달간 수집한 데이터 중 전열콘크리트 융설패널의 환수온도센서 오류로 정확한 에너지투입량 비교는 어렵지만, 그 추세들은 살펴볼 수 있다. 일반콘크리트 융설패널 실험 결과의 공급온수온도(Water_in)와 환수온도(Water_out)의 차이를 비교해 보면, 공급온수온도 40°C인 경우 5.3°C (Figure 7), 공급온수온도 30°C인 경우 3.2°C (Figure 9), 공급온수온도 20°C (Figure 11)인 경우 1.6°C 정도의 차이를 보인다. 공급온수온도가 높을수록 공급온수온도(Water_in)와 환수온도(Water_out)의 차이가 커짐을 확인할 수 있다.

두 패널들의 지면접촉부온도(T_ground)를 비교해 보면, 일반콘크리트 융설패널의 지면접촉부온도가 전열콘크리트 융설패널의 지면접촉부온도보다 평균 2.8°C 정도 높아서, 하부방열량이 높음을 알 수 있다. 또한, Figure 7~Figure 12에서 두 융설패널의 표면온도들을 살펴보면, 전열콘크리트 융설패널의 표면온도들이 일반콘크리트 융설패널의 표면온도들보다 전반적으로 높게 형성되고 있음을 알 수 있다. 특히, 배관사이 한가운데 센서들인 T1, T2에서 전열콘크리트 융설패널의 표면온도가 극명하게 높게 나타난다.

이를 통하여, 고전열성능을 가지고 있는 전열콘크리트 융설패널이 일반콘크리트 융설패널에 비하여 상대적으로 높은 상부발열량을 가지고 있다고 판단할 수 있다. 즉, 전열콘크리트 융설패널이 겨울철 낮은 외기온을 가진 공기쪽으로 좀더 활발한 열교환을 수행하며, 실제 융설효율 측면에도 효과적임을 알 수 있다.

일반콘크리트 융설패널과 전열콘크리트 융설패널에 나타난 온도변화 추이는 공급온수온도 30°C인 경우 Figure 7~Figure 8에 공급온수온도 20°C인 경우 Figure 9, Figure10에 도시되어 있다. 두 케이스 모두 전열콘크리트 융설패널이 일반콘크리트 융설패널에 비해 높은 표면온도 상승이 이루어짐을 알 수 있다. 전열콘크리트 융설패널의 경우 연속운전시 공급온수온도 30°C인 경우 전 구간에 걸쳐 융설이 문제없이 이루어지나, 공급온수온도 20°C인 경우 외기온이 영하 5°C 이상 일 때, 경우 융설이 문제없이 이루어짐을 알 수 있다

일반콘크리트 융설패널은 공급온수온도 30°C 조건에서 외기온이 영하 5°C이하인 경우는 융설을 위한 표면온도가 전체적으로 낮음을 알 수 있다. 또한, 공급온수온도 20°C 조건에서는 외기온이 영하 이하인 경우 융설을 위한 표면온도가 낮음을 알 수 있으며, 영하 5°C이하인 경우는 심지어 융설패널 표면온도도 영하 이하로 떨어짐을 살펴볼 수 있다.

Figure 7.

General concrete panel – supply water temperature 40°C

Figure 8.

Highly conductive concrete panel – supply water temperature 40°C

Figure 9.

General concrete panel – supply water temperature 30°C

Figure 10.

Highly conductive concrete panel – supply water temperature 30°C

Figure 11.

General concrete panel – supply water temperature 20°C

Figure 12.

Highly conductive concrete panel – supply water temperature 20°C

고열전도 콘크리트의 표면온도 편차

고열전도 콘크리트에 의한 전열성능 향상 효과를 살펴보기 위해 Figure 13, Figure 14와 같이 공급온수온도 40°C, 20°C인 경우 배관 바로 위의 센서와 배관과 배관 사이 한가운데 센서와의 온도 차이를 그래프로 나타내었다. 평균값들의 온도 차이를 비교하기 위해 배관 바로 위의 센서들인 T3, T4, T5의 평균과 배관사이 한가운데 센서들인 T1, T2의 평균 간의 ΔT를 기준으로 그래프를 작성하였다.

공급온수온도 40°C의 경우, 실험기간 전체에 걸쳐 전열콘크리트 융설패널의 표면온도 편차 ΔT가 일반콘크리트 융설패널에 비해 1~2°C 정도 작은 것을 볼 수 있다. 공급온수온도 40°C의 경우보다는 작기는 하나, 공급온수온도 20°C의 경우에도 전열콘크리트 융설패널의 표면온도 편차 ΔT가 일반콘크리트 융설패널에 비해 0.5~1.5°C 정도 작은 것을 볼 수 있다.

이는 결과적으로 전열콘크리트 융설패널의 융설효율 향상으로 나타난다고 판단할 수 있다. 외기온도와의 추이를 살펴보면 외기온도 낮을 때 두 비교시험체간 온도편차가 크게 나타남을 볼 수 있다. 따라서 에너지효율적인 측면이나 미활용온도차에너지의 활용적인 측면에서도 전열콘크리트를 적용하는 것이 타당함을 알 수 있다.

Figure 13.

ΔT between the sensor on the pipe and the sensor in the middle of the pipe (supply water temperature 40°C)

Figure 14.

ΔT between the sensor on the pipe and the sensor in the middle of the pipe (supply water temperature 20°C)

결론

본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 저온열원 융설시스템을 위한 고열전도 콘크리트 융설패널 시험체 제작 및 성능 분석을 실시하였다. 기존 일반 콘크리트의 1.5~1.6 W/mK 정도의 열전도율에 비하여, 공인성적서 기준 2.5 W/mK 이상의 열전도율을 갖는 고열전도 콘크리트 융설패널의 제작을 통하여 전열효율을 높임과 동시에, 골재의 배합을 변경하여 열전도율을 만족하면서 고내구성의 기능을 가지도록 하였다.

(2) 공급온수 온도를 40°C, 30°C, 20°C로 바꾸면서 융설성능실험을 실시한 결과. 고열전도 콘크리트 융설패널이 일반콘크리트 융설패널에 비하여, 전반적으로 나은 융설성능을 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 패널의 높은 전열성능에서 기인하는 것으로 추정된다.

(3) 일반콘크리트 융설패널의 공급온수온도(Water_in)와 환수온도(Water_out)의 차이를 비교해 보면, 공급온수온도 40°C인 경우 5.3°C, 공급온수온도 30°C인 경우 3.2°C, 공급온수온도 20°C인 경우 1.6°C 정도의 차이를 보인다. 공급온수온도가 높을수록 공급온수온도(Water_in)와 환수온도(Water_out)의 차이가 커짐을 확인할 수 있으며, 융설패널 표면온도 및 표면상태에 대한 센싱을 통해 공급온수온도를 조절함으로써 에너지소비량을 점감할 수 있는 가능성을 보이고 있다.

(4) 실험기간 전체에 걸쳐 고열전도 콘크리트 융설패널의 표면온도 편차 ΔT가 일반콘크리트 융설패널에 비해 1~2°C 정도 작은 것을 볼 수 있으며, 이는 결과적으로 융설효율의 향상으로 나타난다. 외기온도와의 추이를 살펴보면 외기온도가 낮을 때 두 비교시험체간 온도편차가 크게 나타남을 볼 수 있다. 따라서 에너지효율적인 측면이나 미활용온도차에너지의 활용적인 측면에서도 고열전도 콘크리트를 적용하는 것이 타당함을 알 수 있다.

본 연구의 실험을 통해 향후 필요한 개선사항을 도출할 수 있었다.

- 재료적인 측면에서 다양하게 조합된 콘크리트 패널의 열전도율 특성에 대한 비교 분석이 추가되어야 한다. 그리고, 이를 통해 개선된 열전도율 특성이 융설과정에서 반응속도에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요하다.

- 다각적인 주변환경조건 데이터를 기반으로, 복사시스템들이 가지는 특징으로써 표면방열량에 대한 설계단계부터의 고려가 요구된다. 지표면 위에 설치되는 융설패널 특징상 하부방열량에 대한 조치가 필요하며, 상부방열량을 극대화하기 위한 패널설계를 도모해야 한다.

- 일반콘크리트와 고열전도 콘크리트의 열성능 비교실험 편의를 위해 연속적으로 온수를 공급하였으나, 실제 에너지절약적인 운전을 위해서는 외기온도 및 표면온도 측정을 통한 융설시스템 제어가 이루어져야 한다. 즉, 실험환경조건이 동적으로 변화하는 것에 대응가능한 제어시스템을 확보해야 한다.

- 동계 외부의 수배관시스템이므로 배관내 열매체가 물이 아닌 부동액이 되어야 한다. 실제 실험초반 통수시 배관내 물이 얼어서, 시험체를 설치하는데 어려움이 있었다.