지하 냉동냉장창고의 요소기술
지하 냉동냉장창고 건설에 필요한 핵심 기술은 크게 지하암반에 저장 공간을 조성하는 기술(토목설계기술)과 조성된 공간에 냉동설비 등 시설물을 설치하는 기술로 구분된다.
토목 설계 기술
우선 지하암반에 저장공간을 조성하는 기술에 대해서 말해보겠다. 지하공간 조성과 관련된 설계기술로는 (1)지질조사 및 평가기술, (2)지하공간 Layout 설계기술, (3)굴착 및 보강설계기술 등이 있다.
가장 기본적인 지질조사 방법인 시추조사는 지하 저장 공간이 배치되는 심도까지의 암반 코어샘플을 채취하여 기반암의 상태를 확인할 수 있게 한다. 대규모 지하공간에서 기반암의 양호함과 불량함은 Q 분류법을 이용하여 평가되는 것이 일반적이다. Q 분류법은 노르웨이에서 개발된 평가법으로 채취된 암반코어를 통해 암반의 강도, 암반 절리의 상태, 지하수, 지압등과 관련된 6가지 항목에 대한 정량적인 평가를 하게 된다.
시추조사를 통해 채취된 암석 코어는 역학적 시험이나 열 특성 시험을 수행하여 설계에 필요한 자료를 얻을 수 있다. 특히 일반적인 터널, 지하 공간 관련 시설과는 달리 지하 냉동냉장창고의 설계를 위해서는 열전도도, 열용량 등 암반의 열 특성이 매우 중요하다.
설계에 필요한 보다 정확한 정보를 얻기 위해서 시추된 공 내에서의 역학적, 수리적 시험이 수행된다. 대규모 지하공동의 안정성 해석을 위한 변형계수, 초기지압 등을 측정하고 수리지질해석을 위한 투수계수 등을 측정하는 것이 일반적이다.
지하 공간 Layout 설계기술
저장공동의 규모는 저장용량과 함께 공동단면의 크기에 따라 달라질 수 있다. 저장공동 단면은 지상식과 마찬가지로 평당 보관량, 지게차 이동 여유 폭, Rack의 설계단수 등을 고려하여 결정되며 지하식에서는 저장실 천장부에 설치되는 환기덕트 공간도 함께 고려되어야 한다.
지하암반의 축열기능은 저장실 사이의 온도간섭현상으로 나타날 수 있다. 즉, 나란히 배치된 냉동실의 한쪽 저장실을 지속적으로 운영하게 되면 냉열이 전파되어 다른 쪽 저장실의 온도를 떨어뜨리는 효과를 발휘할 수 있다. 이는 지하식 냉동냉장창고만이 갖고 있는 장점으로 이를 잘 활용하여 배치함으로써 냉동실 운영에 필요한 에너지를 효과적으로 절감할 수 있다.
굴착 및 보강 설계기술
보강기술은 굴착과 동시에 주변암반을 지지함으로써 안정성을 보장해주는 것으로, 주로 사용되는 보강공법은
일반적으로 지하 냉동냉장창고는 지질조건이 양호하며 기반암이 견고한 곳에 건설되는 데 이는 양호한 암반에 건설할 경우 최소의 보강만으로 공동의 안정성을 유지할 수 있고 공동의 폭과 높이의 제한을 적게 받게 되어 경제적인 면에서 유리하기 때문이다.
다음으로 조성된 공간에 냉동설비 등 시설물을 설치하는 데 필요한 핵심 기술을 말해 보겠다. 저장공동 내 시설물 설치와 관련된 기술로는 (1)암반의 열 유동 해석 및 평가 기술, (2)최적의 운영시스템 설계기술 등이 있다.
암반의 열유동 해석 및 평가 기술
지하식 냉동공조설비의 전반적인 설계는 기본적으로 지상식과 동일한 개념이 적용된다. 차이점은 지하식은 암
여기서 열 유동 해석은 냉동·냉장실의 냉기로 인해 저장실 주변암반이 냉각이 되고, 냉열이 주변으로 점차 전파되어 나가는 과정을 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션 하는 것을 말한다. 열 유동 해석을 통해 예냉을 위한 최대 소요 냉동용량과 운영기간에 따른 소요 냉동용량의 변화를 예측할 수 있게 한다.
최적의 운영시스템 설계기술
이러한 이유로 지하 냉동냉장창고의 설계에서 예냉 기간 및 냉동설비용량 산정, 운영시스템 설계는 하나의 Flow로 이루어는데 에너지 효율을 극대화하기 위해 SK건설은 지하암반의 열 특성을 이용하여 운영 시 소요 전력량을 최소로 하는 최적설계기술을 개발하였다(특허출원 10-2009-0033262).
그림8는 개발된 최적 운영시스템 설계기술을 이용하여 냉동기 최대-최소 가동률을 달리하는 각 Case에 대한 누적 전력량을 비교한 것이다.
Case 1 : 최대가동률 100%, 최소가동률 0%, 지상식 운영시스템
Case 2 : 최대가동률 80%, 최소가동률 20%
Case 3 : 최대가동률 60%, 최소가동률 40% 적용 후 20%로 변경
지하 냉동냉장창고에 대하여 지상식 운영시스템을 적용했을 때(Case 1)에 비해 운영기간에 따라 냉동기 가동율을 달리하는 운영시스템을 적용했을 때(Case 2 & Case 3) 전력량 절감효과가 최대 34%까지 있는 것으로 나타났다.
