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지열 시스템을 위해 땅에 구멍(천공 또는 시추공)을 뚫고 지중 열교환기(지열 루프관)를 삽입한 후, 천공 벽면과 루프관 사이의 빈 공간(환상 공간, Annulus)을 특수한 재료로 채우는 작업을 그라우팅이라고 합니다. 그라우팅은 지열 시스템의 성능과 환경 안전성 확보에 매우 중요한 공정입니다.
1) 목적 (환경 및 성능상의 목적)
지열 시스템 천공 시 그라우팅 작업의 주요 목적은 다음과 같습니다.
- 환경상의 목적:
- 지하수 오염 방지 및 수직 유동 차단: 지열공은 여러 지층과 지하수층(대수층)을 관통할 수 있습니다. 그라우팅은 각 지하수층 사이의 물리적인 연결을 차단하여, 오염된 지하수가 깨끗한 지하수층으로 이동하거나, 지표면의 오염 물질이 지하수로 스며드는 것을 막는 차수벽(Seal) 역할을 합니다. 이는 지하수 자원을 보호하고 환경 오염을 방지하는 가장 중요한 목적입니다.
- 지표수 유입 방지: 천공 주변의 지표수나 토양수가 천공 내부로 스며들어 지하수로 유입되는 것을 막습니다.
- 성능상의 목적:
- 열 전달 성능 향상: 그라우트 재료는 지중 열교환기(루프관)와 주변 지반(천공 벽면) 사이의 열 전달 매체 역할을 합니다. 공기층이나 불안정한 물질은 열 전달 효율을 크게 떨어뜨리는 반면, 열전도율이 높은 그라우트 재료를 사용하면 루프관 내부의 유체와 지반 사이의 열 교환이 원활하게 이루어져 지열 시스템의 냉난방 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 천공 및 루프관의 구조적 안정성 확보: 그라우트 재료가 천공 내부를 채워줌으로써 천공 벽면의 붕괴를 막고, 지중 열교환기(루프관)가 천공 내에서 안정적으로 자리를 잡고 유지될 수 있도록 지지하는 역할을 합니다.
- 환상 공간에서의 열적 단락(Short Circuit) 방지: 환상 공간에 그라우트가 제대로 채워지지 않고 물 등이 존재할 경우, 천공 내에서 물의 대류 등으로 인해 불필요한 열 이동이 발생하여 지중 열교환 효율을 저하시킬 수 있습니다. 그라우팅은 이러한 내부 유동을 막아 열 전달 경로를 안정화합니다.
2) 시멘트 계열 그라우트 재료의 특징
지열 시스템 그라우팅에 가장 일반적으로 사용되는 재료는 시멘트 계열 그라우트입니다. 주로 포틀랜드 시멘트를 기본 재료로 하며, 유동성 확보, 수축 방지, 열전도율 향상 등을 위해 벤토나이트, 모래, 특수 혼화재 등을 혼합하여 사용합니다.
시멘트 계열 그라우트 재료의 주요 특징은 다음과 같습니다.
- 경제성: 다른 종류의 그라우트 재료(예: 벤토나이트 단독 그라우트, 폴리머 그라우트 등)에 비해 재료 비용이 비교적 저렴합니다.
- 구조적 강도 및 내구성: 경화된 시멘트 그라우트는 단단한 구조를 형성하며 지하 환경에서 장기간 안정적인 상태를 유지하는 내구성이 좋습니다. 천공 및 루프관 지지 역할을 수행합니다.
- 차수성 및 밀봉 성능: 시멘트가 경화되면 비교적 낮은 투수성을 가지므로 지하수층 간의 효과적인 차단 및 밀봉이 가능합니다. 벤토나이트를 혼합하면 투수성을 더욱 낮추고 수축 균열 발생 가능성을 줄여 차수 성능을 높일 수 있습니다.
- 열전도율: 일반 시멘트 그라우트의 열전도율은 토양이나 암반에 비해 크게 높지 않을 수 있습니다 (보통 0.5 ~ 1.0 W/m·K 수준). 하지만 지열 시스템 성능 향상을 위해 열전도율이 더 높은 모래(특히 미세한 실리카 샌드)나 흑연(Graphite) 등의 열전도율 향상 재료(Thermal Enhancer)를 첨가하여 열전도율 향상 그라우트(Thermally Enhanced Grout)로 만들어 사용하기도 합니다. 열전도율 향상 그라우트는 1.5 ~ 3.0 W/m·K 이상의 높은 열전도율을 가질 수 있습니다.
- 펌프성 및 유동성: 시멘트와 물의 배합비, 벤토나이트나 혼화재 첨가 여부에 따라 유동성이 결정됩니다. 깊고 좁은 천공 내부에 막힘 없이 주입되기 위해서는 적절한 유동성(슬럼프 값 등)과 펌프성을 확보해야 합니다.
- 수축성: 시멘트가 경화되는 과정에서 약간의 수축이 발생할 수 있습니다. 수축으로 인해 그라우트와 천공 벽면 또는 루프관 사이에 틈새가 발생하면 열 전달 성능이 저하되거나 차수 기능이 저하될 수 있습니다. 벤토나이트 첨가나 비수축성 혼화재 사용으로 수축을 최소화하는 것이 중요합니다.
- 양생 시간: 주입 후 충분한 강도 및 열적 성능을 발휘하기까지 양생 시간이 필요합니다. 시스템 가동 전에 충분한 양생 기간을 거쳐야 합니다.
지열 시스템 그라우팅에 사용되는 시멘트 계열 그라우트는 환경 보호 및 성능 확보라는 두 가지 목적을 모두 충족시키기 위해 재료 배합, 유동성, 열전도율, 수축성 등을 신중하게 고려하여 선정하고 시공해야 합니다. 특히 지하수 보호를 위한 차수 성능과 시스템 성능을 위한 열전도율은 그라우트 품질의 핵심 요소입니다.
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