콘크리트 타설시 발생하는 수화열을 에너지 자원으로 활용할 수 있을까?
- 수화열 발전시스템을 통한 에너지 자원으로의 활용방안
건축 현장에서 콘크리트 타설시 콘크리트가 굳는 과정에서 수화열이 발생한다. 특히 초고층건물에 시공되는 두꺼운 매스콘크리트(부재 단면의 최소치수가 80cm 이상이고, 수화열에 의한 콘크리트의 내부 최고온도와 외기온도와의 차이가 25℃ 이상으로 예상되는 콘크리트, 건축공사 표준시방서, http://www.archidb.com/specification/2.asp (검색일 : 2011.4.18).)의 경우 내부와 외부의 온도 차가 커서 제어가 필요한 상황이다.
수화열이란?
수화열은 1㏖의 이온 또는 분자가 수화될 때 흡수 또는 발산하는 열량을 말한다. 건축현장에서 시멘트를 물로 비비면 수화반응(CaO＋H2O→Ca(OH)2)을 하게 되는데, 이때 반응열인 수화열이 발생하게 된다. 수화열은 시멘트가 응결, 경화하는 과정에서 발열하며 이 발열량은 시멘트의 종류, 화학조성, 분말도, 물과 시멘트비 등에 의하여 달라진다. 이 수화열은 콘크리트의 내부온도를 상승시켜 내외의 온도 차에 의한 균열발생의 원인이 된다.
시멘트가 물과 완전히 반응하면 125㎈/g 정도의 열을 발생한다. 콘크리트는 수화열에 의해 내부 온도는 일반적으로 10℃~20℃, 단면이 넓은 것은 30℃~40℃ 이상도 상승한다. 그 온도 차가 25℃~30℃정도에 이르면 열응력이 발생하며, 온도균열을 형성한다. 일반적으로 동일구조물에서 수화열에 의해 발생한 콘크리트의 온도 차가 25∼30℃ 정도에 도달하면 열응력에 의한 온도균열이 발생한다. 특히, 수화열에 의해 발생한 인장 응력은 경화 후에도 잔류응력으로 남기 때문에, 주변의 콘크리트에 구속조건으로 작용하게 되어 구조물의 균열, 안전성, 내구성 및 방수성에 영향을 미치게 된다.
수화열 모으기
수화열을 활용하기 위해서는 모을 필요가 있다. 열에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 낮은 열 에너지원을 연결하여 열을 흡수할 수 있다. 예를 들어 컴퓨터 CPU에는 열이 많이 생긴다. 그러므로 그 위에 알루미늄으로 만든 방열판을 얹고 그 위에 팬을 돌린다. CPU의 열을 알루미늄 방열판이 흡수한다. 그리고 흡수된 열을 팬을 돌려서 공기 중으로 방출한다.
수화열 발전시스템 - 열전소자를 사용해보자.
열전반도체 열전소자는 열에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 열에너지로 직접 변환시킬 수 있는 고 기능성 전자부품이다. 열을 흡열 면에서 방열 면으로 이동시키는 열 대책 부품이기도 하다. 열전방향의 역전에 의해 냉각, 가열의 변환이 가능하며, 전압, 전류 제어에 의해서 ±0.05℃ 수준의 온도제어가 가능하다. 소자의 가동부분이 없으므로 진동 소음이 없고, 프레온 냉매에 의한 오염, 공해가 없다. 반도체제조장치, 광학분야, 민생분야, 의료분야, 분석 장치, 자동차, 우주개발분야 등에도 그 응용분야가 무한하다.
<열전소자의 원리>
위 그림(제동국, 「열전소자 선택방법」,『AceTec』, http://acetec.blogwa.net/coolicy/coolicy_2.html (검색일 : 2011. 5. 26).)은 열전소자의 원리를 보여준다. 두 개의 다른 금속이 양 끝만 서로 접합한 어느 한 시스템의 양쪽 접합에 전기를 흘려주면 한 접합에서는 열을 흡수하고 다른 접합에서는 열을 방출한다. 열전소자는 전기적으로는 직렬, 열적으로는 평행인 두 개나 더 많은 반도체 쌍으로 구성되어 있다. 이 배열은 전기가 각 Ｎ형과 Ｐ형 소자를 통해 기판의 위와 아래를 계속해서 교대로 흐르는 동안 열이 열전소자를 통해 오직 한 방향으로만 이동하도록 하기 위함이다.
그리고 터빈을 돌려서 전기를 생산하는 방식은 간단하다. 고온/고압의 증기가 수차인 터빈을 돌리게 되고, 이 터빈의 중심축이 발전기와 연결되어 있어 전자기 유도에 의해 발전기가 전기를 생산한다. 터빈은 발전기를 돌리기 위한 운동에너지를 제공한다.
제베크효과란?
두 종류의 금속을 고리 모양으로 연결하고, 한쪽 접점을 고온, 다른 쪽을 저온으로 했을 때 그 회로에 전류가 생기는 현상이다. 연결한 금속의 종류에 따라 그 기전력과 전류의 크기가 달라진다. 2종의 금속 또는 반도체를 둥근 모양으로 접속하고 두 점 사이에 온도 차를 주면 기전력이 발생하여 전류가 흐르는 현상을 말한다. 이 전류를 열전류라 하고, 금속 선 간에 생기는 기전력을 열기전력이라 한다. 열전류의 크기는 짝을 이룬 금속의 종류 및 두 접점의 온도 차에 따라 다르며, 이 외에도 금속 선의 전기저항도 여기에 관여한다.
열전기발전
열에너지를 전기에너지로 변환하는 직접 발전의 하나로, 제베크 효과를 이용한 발전방식이다. 2종의 금속 또는 반도체를 접속하고 한쪽 접속점을 가열하면 그 점은 고온이 되고 다른 접속점은 저온이 된다. 이처럼 두 접속점에 온도 차를 주면 두 금속 사이 또는 두 반도체 사이에 열기전력이 발생하여 연결된 부하에 열전류가 흐른다. 이것이 제베크 효과이다.
열전기발전은 열만 있으면 되므로 해가 뜨나 지나 바람이 부나 안부나 발전할 수 있고 초 1개만 있으면 12시간 정도 연속으로 작동 된다. 휴대용 가스레인지에서 조리하면서 전력이 생산되고 숯불 위에 놓아두면 더욱 좋다. 대용량으로 발전할 때 문제점이 많지만, 소용량으로 본다면 실용성이 좋다.
금속판에 온도센서를 부착하여 온도변화와 온도 차를 인식한다. 센서로 얻은 정보를 열전소자가 활용, 열에너지를 전기에너지로 바꾼다. 이렇게 얻은 전기에너지를 사용한다.
<알루미늄 판, 열전소자, 냉방장치를 고정한 그림>
그림은 알루미늄 판 위에 열전소자, 냉방장치를 고정한 그림이다. 위 그림과 같은 장치 연결을 하여 수화열 발전을 한다.
수화열 발전시스템의 효과
활용기간
콘크리트를 사용하는 건물에서 콘크리트 타설은 전체공정에서 이루어진다. 매스콘크리트 타설은 전체공정 중 초기공정에 해당한다. 온도 차를 활용한 수화열 발전시스템은 건물 기초 매스콘크리트 타설 시에만 적용가능하다. 하지만 수화열을 모아 이 자체를 사용하여 난방하는 것은 전체 공정에서도 가능하다. 수화열 모으기는 전체 공정에서 시행하여 그 열을 사용하도록 한다. 그리고 발전시스템은 초기 공정에서 시행하여 전기에너지를 만들어 사용하도록 한다. 이로 말미암아 초기공정뿐 아니라 전체공정에서 수화열 발전시스템 활용이 가능하다.
활용범위
수화열 발전시스템에서는 전체공정에서 수화열을 모은다. 이 수화열은 건축현장 현장사무소의 난방 등으로 전체공정에서 활용할 수 있다.
하지만 수화열 발전시스템으로 만든 전기는 그 크기가 크지 않다. 따라서 공사에 직접적으로 쓰이는 콘크리트 진동기와 같은 기계로 전력 공급은 무리가 있다. 이 전기는 전기공사를 진행하지 않아 어두운 건물 내부에서 유도등으로 사용할 수 있다. 그래서 공사 현장의 안정성을 확보할 수 있다.
혹은 환풍기 팬을 달아 공기 흐름을 유도하는 데 사용할 수 있다. 공사현장을 한층 쾌적하게 만드는 역할을 한다.
콘크리트 진동기는 11000W의 전력을 필요로 한다. 유도등은 4W밖에 되지 않아 수화열 발전시스템으로 만든 전기로 사용 가능하다.
경제성
수화열 발전시스템을 사용하려면 설비시스템 투자가 필요하다. 단기적으로 봤을 때 투자금이 추가로 필요하므로 건축주는 이 시스템을 사용하지 않으려 한다.
하지만 수화열 발전시스템으로 발전하는 전기량에 따라 전기요금 절약 효과는 있을 것으로 판단한다. 그리고 장기적으로 보면 수화열 발전을 하는 만큼 에너지 자원절약을 기대할 수 있다. 경제성 측면에서만 보지 말고 환경을 생각할 필요가 있다.
글을 마치며
콘크리트 타설시 반드시 생기는 수화열이라면 이 열을 모아서 에너지 자원으로 활용하는 발전시스템에 대해 생각해 보았다. 열전소자를 응용하여 열을 모아 열에너지를 전기에너지로 발전하는 시스템을 생각해 보면 수화열을 에너지 자원으로 활용가능하다. 금속판에 온도센서를 부착하여 온도변화와 온도 차를 인식한다. 센서로 얻은 정보를 열전소자가 활용, 열에너지를 전기에너지로 바꾼다. 이렇게 얻은 전기에너지를 사용한다. 수화열 발전 시스템을 활용하여 에너지 자원으로 활용 가능하다.
단기적으로 건축주가 경제성을 고려해 본 수화열 발전시스템을 적용하지 않으려 하더라도 장기적으로 자원절약을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구 이후에 축열시스템 혹은 축전시스템을 생각해 볼 수 있다. 모은 수화열을 저장하거나, 수화열 발전시스템으로 만든 전기를 저장할 수 있다면 수화열을 좀 더 가치 있는 에너지원으로 인식하고 효율적으로 관리, 활용할 수 있을 것이다.
