1. 서 론

최근 기초 구조물로 이용되는 말뚝에 지중열교환기를 설치하여 지열냉난방시스템으로 활용하는 에너지 파일의 활용이 확대되고 있다. Fig. 1과 같이 에너지 파일은 기존 콘크리트 또는 강관말뚝 내부에 열교환 파이프를 설치하고 유체를 순환시켜 지중과의 열교환을 수행하면서 동시에 상부 구조물의 하중을 지지한다. 그러나 에너지 파일의 장기적인 운용은 지중열교환으로 인하여 말뚝 주변의 지중온도를 변화시킨다. 에너지 파일에 의한 주변지반의 온도변화는 동･하절기의 외기온도에 의해 영향을 받는데, 하절기에는 지중으로 열에너지를 방출하므로 온도가 상승하며, 동절기에는 지중에서 열에너지를 흡수하여 온도가 하강하게 된다. 따라서 에너지 파일의 운용으로 인하여 지반 내부온도의 계절적 온도변화 폭은 더욱 증가하게 되며, 장기적으로는 지반의 역학적 거동에 큰 영향을 줄 수 있다. 또한 최근 지구온난화 등의 기후변화로 인하여 나타나는 여름철 급격한 기온상승은 에너지 파일의 냉방운용 기간을 증가시키고, 지중열교환을 통해 많은 양의 열에너지를 지중으로 방출시켜 지반의 온도를 증가시킨다. 또한 에너지 파일의 장기적인 지중열교환 과정은 주변지반에 열적회복을 위한 충분한 시간을 주지 않으므로 지반내에 잔류지열을 유발시킬 수 있다. 특히, 지중온도는 깊이가 깊어질수록 외기온도의 영향을 상대적으로 적게 받아 일정한 온도를 유지하므로, 과중된 냉방부하로 발생한 잔류 열에너지는 장기간 지반 내부에 축적될 수 있다. 이러한 열에너지의 축적은 에너지 파일의 장기적인 운용에 의해 유발되며, 주변지반의 온도를 상승시키는 원인이 될 수 있다. 만약 에너지 파일이 연약한 점토로 구성된 지반에 설치될 경우, 장기적인 지중열교환으로 인하여 증가된 주변지반의 온도는 에너지 파일의 주변지반에 과잉간극수압 소산을 통한 간극비 감소로 차후 지반의 압밀침하를 유발할 수 있다. 기존의 에너지 파일에 관한 연구는 Li et al.(2006), Hamada et al.(2007), Pahud and Hubbuck(2007), Gao et al.(2008), Wood et al.(2009), Bourne-Webb et al.(2009), Jeong et al.(2010)에 의해 수행되었으며, 주로 냉난방 시의 열교환 성능 및 효율성 등에 초점이 맞추어졌다. 최근에는 에너지 파일의 운용 중에 발생하는 열역학적 거동에 대한 지반공학적 접근이 시도되었으며, Go et al.(2013), Lee et al.(2013), Jeong et al.(2014), Mimouni and Laloui(2015), Marto et al.(2015), Saggu et al.(2016), Rotta Loria et al.(2016)에 의해 지중온도 15°C의 2배인 약 30°C 이상의 온도를 주입하여 에너지 파일에 발생하는 열응력과 지반과의 상대적 변위, 에너지 파일의 그룹효과 등에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 기존 연구 동향에서 확인할 수 있는 바와 같이, 에너지 파일의 운용이 주변지반의 온도변화에 미치는 영향을 연구한 사례는 거의 찾아볼 수 없으며, 일부 연구자들에 의해 에너지 파일과 유사한 모래기둥 중심부에 내부열원을 설치하고, 지반에 열을 가하여 주변지반의 온도변화를 확인하는 연구가 이루어진 사례가 있을 뿐이다. Kim and Yune(2016)은 에너지 파일의 지중열교환 시와 유사한 40°C의 온도를 연직배수재 내부에 주입하여 압밀실험을 수행한 결과, 열주입으로 인하여 점토지반의 침하량이 약 2배 이상 증가하는 것을 확인하였으며, Koy and Yune(2017)은 이를 해석적으로 확인하였다. Towhata et al.(1993)은 압밀실험을 통하여 40°C의 온도를 주입한 점토시료에서 침하가 발생하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이러한 연구결과들은 점토지반에 열원으로 설치되는 에너지 파일이 주변지반의 온도를 변화시켜 침하를 유발하는 위험요소가 될 수 있음을 간접적으로 보여주는 결과들이다. 또한 약 200m 까지 천공하여 대부분의 지중열교환기가 암반층에 설치되는 기존 지열시스템과 달리 말뚝기초 형태로 설치되는 에너지 파일은 대부분 30m 이내의 토사층에 설치되며, 만약 이러한 에너지 파일이 연약지반 내에 설치될 경우에는 하중을 받고 있는 주변지반에 침하가 발생하여 상부구조물의 안정성에 큰 문제가 될 수 있다. 따라서 에너지 파일의 장기적인 운용으로 인해 발생할 수 있는 주변지반의 온도변화에 대한 연구가 매우 중요할 것으로 판단된다.

Fig. 1.

Schematic showing of heat exchanger piles installed below a building

본 연구에서는 에너지 파일의 장기적인 지중열교환이 지반의 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해, 에너지 파일이 설치된 지반을 모사하고 간헐적 냉방조건에서 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 에너지 파일 내부에 설치된 열순환 파이프의 외경에서부터 파일의 외부표면까지의 이격거리를 변화시켜가면서 해석을 수행하였다. 또한 해석 결과를 이용하여 간헐적 냉방운용에 따른 지반의 온도변화와 에너지 파일의 운용기간 변화에 따른 지반의 위치별 온도변화를 비교, 분석하였다.

2. 외기온도 특성

여름철에는 냉방 에너지의 사용이 급증하여, 에너지 파일과 같은 지열시스템이 장기간 운용될 수 있다. 지열시스템의 운용과정에서 외기온도에 의해 높아진 건물 내부의 순환수는 에너지 파일로 지속적으로 유입되어 지중과의 열교환을 수행한다. 이 때, 높은 외기온도를 갖는 일수(days)가 많아질수록 상부 구조물로부터 유입되는 높은 온도의 순환수가 다량의 열에너지를 지중으로 방출시켜 에너지 파일 주변지반의 온도를 상승시킨다. 본 연구에서는 우리나라에서 도시의 규모가 가장 크고 여름철 열섬현상으로 인하여 높은 온도를 보이는 서울을 대상지역으로 선정한 후에 외기온도 변화를 조사하였다. Fig. 2는 서울의 최근 6년 간(2013년∼2018년) 일 최고기온 중 30°C 이상을 갖는 일수를 나타낸 것이다. 온도자료는 KMA(Korea Meteorological Administration)에서 제공하고 있는 국내 기후자료에서 수집되었다. 먼저 서울의 5년 동안의 외기온도를 월별로 정리한 Fig. 2(a)를 보면, 30°C 이상의 온도는 주로 5월부터 9월까지 나타나고 있으며, 본격적인 여름이 시작되는 6월부터는 30°C 이상의 온도를 갖는 일수가 급격히 증가하다가 7월과 8월에 최대를 보이는 것으로 나타났다. Fig. 2(b)와 Table 1은 6월부터 8월, 7월부터 8월까지 30°C 이상의 외기온도를 갖는 월별 일수와 비율을 각 연간 별로 정리한 것이다. 연간 30°C 이상의 온도 비율은 6월부터 8월까지 전체 92일 중 평균 54일(59%)에 달하며, 그 중 7월부터 8월까지의 온도비율은 평균 40일(44%)을 차지하는 것으로 나타났다. 특히, 7월과 8월의 온도분포에서는 2017년을 제외하면 30°C 이상의 외기온도 일수가 매년 조금씩 증가하고 있으며, 2018년도의 경우 전년도 대비 온도비율이 30% 이상 높아진 것으로 나타났다. 이러한 연속적인 외기온도의 증가는 지열시스템이 설치된 건물의 냉방부하 기간을 상대적으로 증가시켜, 향후 여름철 지반에 과도한 열에너지의 유입 및 온도상승을 유발할 것으로 예상된다.

Fig. 2.

Number of days for air temperature above 30°C in Seoul

Table 1. Variation of air temperature in Seoul

3. 에너지 파일 해석

3.1 해석 조건

에너지 파일의 장기적인 운용이 지반의 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해, 에너지 파일이 설치된 지반을 모사하고 다중물리해석을 수행하였다. 해석을 위한 프로그램은 COMSOL Multiphysics 5.3a를 사용하였고, 구성된 유한요소망의 형태는 Fig. 3과 같다. 해석을 위한 대상지반은 상부 5m의 모래지반과 하부 18m의 점토지반에 길이 23m, 반경 300mm의 단일 콘크리트 말뚝이 지반의 상부로부터 하부까지 타설된 것으로 모사하였다. 에너지 파일로부터의 거리에 따른 주변지반의 온도변화를 확인하기 위해 콘크리트 파일 내부에 설치된 열순환 파이프의 외측으로부터 파일이 설치된 지반을 포함하여 해석단면으로 설정하였고, 해석의 단순화를 위해 해석단면은 축대칭 조건(Axisymmetric condition)으로 구성하였다. 기존 연구에서 지중 온도는 깊이 5m 이내에서는 계절적인 영향을 받지만, 5m 이하에서는 연중 약 15°C 정도로 일정한 것으로 나타났다(Son et al., 2017). 이에 따라 지반의 초기온도는 0∼2m의 모래지반에서 18°C, 2∼5m의 모래지반에서 16°C, 5∼23m의 점토지반에서 15°C를 각각 적용하였으며, 각 지반의 외측 경계부에서는 초기 내부 온도와 일정한 온도가 유지되는 것으로 설정하였다. 에너지 파일의 지중열교환은 파이프 내부의 순환수를 유체해석을 통한 열전달(Heat transfer)로 모사할 경우 과도한 해석시간이 요구되므로, 본 연구에서는 에너지 파일의 안쪽에 온도 경계조건을 설정하여 순환 파이프 벽면에서 순환수의 온도에 따른 열교환을 모사할 수 있도록 하였다. 해석범위는 Fig. 3과 같이 콘크리트 파일 내부에 설치된 열순환 파이프의 외측으로부터 파일이 설치된 지반까지 산정하였다. 이 때, 지반 내에서 에너지 파일의 온도변화 영향이 무시될 수 있는 충분한 거리를 가질 수 있도록, 에너지 파일 표면으로부터 지반 외측 경계까지 에너지 파일 반경의 16배 이상인 5m로 결정하였다. 해석시간은 일일 8시간 운용, 16시간 정지를 반복하는 간헐적 냉방운용으로 총 60일 동안 모사하였다. 이 때, 8시간 동안에는 30°C의 온도를 순환 파이프 내부로 주입하였으며, 그 이후 16시간 동안에는 휴지과정을 모사하여 에너지 파일의 열적회복을 고려하였다. 적용된 에너지 파일 및 지반의 모델은 열전달(Heat transfer in solid)를 사용하였고, 에너지 파일과 지반 사이의 열교환은 전도(Conduction)만 이루어지는 것으로 설정하였다. 해석에 적용된 콘크리트 및 지반의 물성치는 일반적으로 사용되는 범위의 물성치를 적용하였다. 세부적인 입력 물성치는 Table 2와 같다. 이상으로 해석조건 설정이 완료되면, 간헐적 냉방운용에서 에너지 파일 내부에 설치된 순환 파이프 설치 위치의 영향을 함께 확인하기 위하여 순환 파이프 외측에서부터 콘크리트 말뚝 표면까지의 이격거리(50mm, 100mm, 200mm)를 변화시켜가면서 온도해석을 수행하였으며, 정리된 각 해석조건은 Table 3과 같다. 이 때, 축대칭 조건으로 해석하는 경우에는, 3차원 해석과 비교하여 열순환 파이프의 지반 접촉면적의 변화로 인하여 지반으로 전달되는 열에너지와 이로인한 지반 온도변화가 달라질 수 있다. 이러한 영향을 확인하기 위하여 본 연구에서는 본 해석을 수행하기 전에 예비 해석을 수행하여 2차원 축대칭 조건과 3차원 조건에서의 해석결과를 비교하여 보았다. 동일한 지반조건에 대하여 열순환 파이프로부터 콘크리트 말뚝외벽까지 50mm의 이격거리를 갖는 에너지 파일이 설치된 지반을 대상으로 일일 8시간 운용, 16시간 정지를 반복하는 간헐적 냉방운용을 적용하여 총 60일 동안의 열해석을 우선적으로 진행하였다. 해석이 완료된 후에 에너지 파일의 표면으로부터 0.5m, 1.0m 이격된 거리에서 온도변화를 비교한 결과, 축대칭 해석과 3차원 해석에서의 위치별 온도차이는 각각 1% 이내로 나타나, 에너지파일의 중앙부에서 열순환 파이프를 지나는 단면에 대한 해석에서는 2차원 해석과 3차원 해석의 결과가 거의 동일한 것으로 나타났다. 이러한 해석결과를 통하여 2차원 축대칭 해석만으로도 온도거동에 필요한 충분한 해석결과를 얻을 수 있을 것으로 판단하였으며, 본 연구에는 다양한 조건에서 2차원 축대칭 해석으로 에너지 파일이 설치된 지반에 대한 해석을 수행하였다.

Fig. 3.

Condition of finite element analysis

Table 2. Input parameters of thermal properties for numerical analysis

Table 3. Numerical analysis condition

3.2 콘크리트 말뚝 두께 영향

에너지 파일의 주변지반 온도는 콘크리트 파일 내부에 설치된 열순환 파이프의 외측에서부터 콘크리트 말뚝 표면까지의 거리에 따라 영향을 받을 수 있다. 이 때, 파이프와 콘크리트 말뚝 사이의 열적특성은 식 (1)과 같이 거리에 대한 열전도와의 관계로 인한 열관류율(Thermal transmittance coefficient : TC)로 정의되며, 부재 간의 거리가 증가할수록 열관류율은 감소하고 반대로 부재 간의 거리가 감소할수록 열관류율은 증가한다. 여기서, Thermal conductivity는 열전도도(W/mk), Distance는 열순환 파이프의 외측에서부터 콘크리트 말뚝 표면까지의 이격거리(d), U는 열관류율(W/m²K)을 나타낸다. Fig. 5는 콘크리트 말뚝 표면과 순환 파이프의 이격거리에 따른 열관류율을 도시한 것으로, 열관류율은 이격거리가 감소할수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 열적특성으로 인하여, 지중열교환의 효율을 높이기 위해 에너지 파일 내부의 순환 파이프와 콘크리트의 표면 간의 거리를 줄이게 되면, 열관류율이 증가하고 많은 열에너지를 주변 지반으로 전달하게 되지만, 이로 인하여 에너지 파일 주변지반의 온도를 과도하게 증가시킬 수도 있다.

Fig. 4.

Distance from the outer diameter of heat circulation pipe to surface of concrete pile

Fig. 5.

Thermal transmittance coefficient

4. 해석 결과 및 분석

4.1 시간에 따른 지중 온도 변화

앞서 2절에서 언급된 것처럼, 여름철 외기온도 상승 및 이러한 온도가 장기간 지속되는 경우에는, 건물의 냉방부하 기간을 증가시켜 지반 내부에 과도한 열에너지의 유입을 가져올 수 있다. 또한 지반 내에 유입된 열에너지는 에너지 파일이 설치된 주변지반의 열적 회복력을 감소시키고 잔류지열을 유발하여 주변지반의 온도를 증가시킬 수 있다. Fig. 6은 에너지 파일의 운용시점부터 완료시점까지의 간헐적 운용에 따른 지반의 위치별 온도거동을 콘크리트의 말뚝두께 별로 구분하여 나타낸 것이다. 지반의 온도는 점토층 중앙부인 17.5m 깊이에서 관측되었으며, 에너지 파일의 표면과 지반의 접촉면(0m)에서부터, 0.3m. 0.5m, 1.0m, 3.0m, 5.0m 떨어진 위치에서 각각 도시하였다. 해석 결과, 간헐적 운용으로 인한 지반의 온도는 냉방운용 가동 시 지중으로 열을 방출함에 따라 온도가 높아졌다가 냉방운용을 정지하면서부터 온도가 낮아지는 경향을 보여주고 있으며, 이러한 간헐적 온도거동은 에너지 파일이 운용되는 동안 주기적으로 반복되는 것으로 나타났다. 또한 에너지 파일이 운용정지 되는 시간동안에는 지반의 온도가 낮아지면서 주변지반이 열적으로 회복되는 것을 보여주고 있다. 하지만 시간이 지날수록 장기적인 지중열교환으로 인하여 주변지반의 온도가 완전히 회복되지 못하고 점차 증가하는 것으로 나타나 간헐적 냉방운용 과정에서 지반의 열적회복이 충분히 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 이러한 불충분한 열적회복은 지반 내부에 잔류 열에너지를 유발하여 에너지 파일이 설치된 주변지반의 온도거동에 영향을 미칠 수 있다. 각 위치별 온도거동을 보면, 에너지 파일에 가까워질수록 간헐적 냉방운용에 따른 온도변화의 폭이 큰 것으로 나타났다. 이 때, 에너지 파일의 표면과 지반과의 접촉면에서 가장 큰 온도변화를 보였으며, 열순환 파이프와 콘크리트 말뚝 표면간의 거리가 줄어들수록 그 변화는 더욱 커지는 것으로 나타났다.

Fig. 6.

Temperature change of ground

각 해석조건에서 에너지 파일의 운용과정 동안에 주기적인 온도변화의 폭은 Table 4에 정리한 것과 같다. Fig. 6에서 확인할 수 있는 것과 같이 에너지 파일에서 1.0m 이상 떨어진 지역에서는 간헐적 운용에 따른 주기적 온도 변화없이 지속적인 온도 상승만 나타나고 있어, Table 4에는 주기적 온도변화 거동이 나타나는 0.5m 이내의 지반에서 관측된 온도만을 정리하였다. 이 때 표에서 정리된 값은 총 60일의 해석시간 동안, 에너지 파일의 간헐적 운용에 따라 변화된 평균 온도 값을 나타내었다. 즉, 8시간의 운용에 따른 평균 온도 상승분과 16시간 정지에 따른 평균 온도 하강분으로 정리하였다. 전반적인 경향성을 살펴보면, 열순환 파이프에서 말뚝표면까지의 두께가 증가할수록, 말뚝표면에서부터 지중 관측지점까지의 거리가 증가할수록 온도 변동폭이 작아진다. 또한 온도 상승폭보다 온도 하강폭이 작아서 잔류지열이 유발되고 지반의 온도가 점차 증가함을 알 수 있다. 이 때, 콘크리트 말뚝의 두께가 200mm에서 50mm로 감소함에 따라 지반의 주기적인 온도변화 폭은 평균 3배 이상 증가하는 것으로 나타나, 콘크리트 말뚝두께의 감소는 주변지반의 온도변화의 폭을 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 반면에 간헐적 운용에 따라 나타나는 지반의 주기적 온도변화 차이는 각 해석조건별로 큰 차이가 없었으며, 상승온도와 하강온도의 차이는 평균 0.05°C를 보여 에너지 파일의 8시간 운용 이후 16시간 정지되는 동안에는 지반의 온도가 완전하게 회복되지 않는 것을 확인할 수 있다.

Table 4. Periodic temperature change in intermittent operation condition

간헐적 냉방운용 과정에서 잔류지열이 지반에 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해, 에너지 파일의 장･단기적인 운용에 따른 지반의 잔류 온도변화를 그림 Fig. 7에 나타내었다. 이 때, 지반의 잔류온도는 에너지 파일의 간헐적 운용이 정지되고 열적회복이 일어나 최저온도를 회복하는 시점에서 산정되었다. Fig. 7에서 확인할 수 있듯이, 에너지 파일의 운용기간이 늘어날수록 지반의 잔류온도는 점차 증가하는 것으로 나타났다. 에너지 파일의 표면과 가까운 1.0m 이내에서는 운용기간이 늘어남에 따라 주변지반의 온도가 이전 단계에 비해 평균 3% 씩 증가하여 잔류지열이 주변지반의 온도를 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 열교환 파이프와 콘크리트 말뚝 표면과의 거리가 줄어들수록 지반의 잔류온도는 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 콘크리트 말뚝의 두께가 200mm에서 50mm로 줄어들면 말뚝표면에서 지반의 잔류온도는 에너지 파일의 운용완료시점인 60일에서 평균 0.50°C 이상으로 평균 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 에너지 파일과 멀리 떨어진 3.0m 이후에서는 지반의 온도가 초기조건에 비해 크게 증가하지 않아, 잔류지열로 인한 지반의 온도증가는 상대적으로 미비한 것으로 나타났다. 따라서, 열순환 파이프에서 콘크리트 표면까지의 말뚝두께 감소는 에너지 파일의 표면에 높은 열에너지를 생성시킨 후에 주변지반으로 많은 열을 전달시키고, 그 이후 충분하지 않은 열적회복을 유발하게 되며, 결국 에너지 파일의 간헐적 운용으로 인한 지반 온도상승은 콘크리트 두께감소로 인하여 그 영향이 더욱 가중되면서 더 많은 잔류지열과 주변지반의 온도 상승으로 이어진다는 것을 확인하였다.

Fig. 7.

Residual temperature

4.2 지중 온도의 공간적 분포 특성

에너지 파일의 간헐적 냉방운용은 주변지반에 잔류지열을 발생시킨다. 이러한 잔류지열은 에너지 파일의 운용과정에서 지반의 온도를 증가시키고, 주변지반의 위치별 온도 차이를 유발하게 된다. Fig. 8은 열순환 파이프와 콘크리트 말뚝 표면까지의 거리에 따른 주변지반의 공간적 온도분포를 에너지 파일의 운용기간 별로 구분하여 도시한 결과이다. 여기서, 공간적 온도분포는 간헐적 냉방운용 전 초기온도 대비 관측시점까지 냉방운용 후의 지반 온도증가율을 에너지 파일로부터 거리에 따라 도시한 것이다. 거리별 지반의 온도증가율은 에너지 파일에 가까울수록 높아지며, 열순환 파이프 외측 콘크리트 말뚝의 두께가 줄어들수록 더욱 증가하는 것으로 나타났다. 운용기간에 따른 온도변화를 살펴보면, 14일 이전에는 에너지 파일의 냉방운용으로 인한 열에너지의 유입이 콘크리트 말뚝으로부터 3.0m 이내의 범위까지만 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이 때 콘크리트 두께의 영향은 말뚝 표면에서부터 1.0m 이내에서 큰 영향을 보이는 것으로 나타났다. 30일 이후에는 장기적인 지중열교환으로 인하여 열에너지가 전체지반에 누적되기 시작하면서 전체 해석 영역에서 잔류지열이 관찰된다. 특히, 에너지 파일의 온도변화 영향을 거의 무시할 수 있었던, 3.0m 위치에서도 운용기간이 30일에서 60일로 늘어나면서 지반의 온도증가가 평균 2배 이상 증가하여 에너지 파일의 운용기간 증가는 온도영향 범위를 확장시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 에너지 파일의 최종 운용완료 시점인 60일에서는 1.0m 이내에서 각 해석의 위치별 온도가 운용 전 초기온도와 비교하여 평균 19% 이상 증가하였으며, 콘크리트 말뚝의 두께가 200mm에서 50mm로 줄어들면서 지반의 온도는 최대 26% 까지 증가하는 것으로 나타났다. 이처럼 에너지 파일이 설치된 주변지반의 온도가 증가하는 것은 앞서 4.1절에서 언급된 것처럼, 에너지 파일의 간헐적 운용과정에서 유발되는 잔류지열과 콘크리트 말뚝의 두께에 따른 열관류율 차이 때문이다. 이러한 열적특성은 에너지 파일의 운용과정에서 주변지반의 온도변화에 따른 공간적 물성치의 차이를 유발하고, 에너지 파일과 지반 사이의 상대적 변위와 함께 주변지반의 압밀침하를 발생시켜 차후 상부구조물의 안정성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Ratio of residual temperature as radial distance from surface of energy pile

5. 결 론

본 연구에서는 에너지 파일의 장기적인 운용이 주변지반의 온도변화에 미치는 영향을 확인하기 위해, 에너지 파일이 설치된 지반을 모사하고 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소해석은 에너지 파일의 내부에 설치된 열순환 파이프의 외경에서부터 파일 표면까지의 이격거리를 변화시켜가면서 수행하였다. 해석완료 후에는 에너지 파일의 간헐적 냉방운용에 따른 지반의 온도변화와 운용기간에 따른 위치별 온도변화를 비교, 분석하였으며, 이에 따른 결론은 다음과 같다.

(1) 시간에 따른 지중 온도변화를 살펴보면, 에너지 파일의 장기간에 따른 간헐적 냉방운용은 주변지반의 열적 회복력을 감소시키고, 온도 차이에 의한 잔류지열을 유발하여 주변지반의 온도거동에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 위치별 온도거동을 보면, 에너지 파일의 표면과 지반과의 접촉면에서 가장 큰 온도변화를 보이며, 열순환 파이프와 콘크리트 말뚝 표면간의 거리가 줄어들수록 그 변화는 더욱 커지는 것으로 나타났다.

(2) 지중온도의 공간적 온도분포를 살펴보면, 간헐적 냉방운용으로 발생된 잔류온도는 에너지 파일에 가까워질수록 높아지며, 열순환 파이프 외측 콘크리트 말뚝의 두께가 줄어들수록 더욱 증가하는 것으로 나타났다. 또한 에너지 파일의 운용기간이 늘어날수록 지반 내부의 잔류지열이 누적되기 시작하면서, 주변지반의 온도영향 범위가 확장되는 것으로 나타났다.

(3) 이러한 결과들을 종합하여 보면, 에너지 파일의 간헐적 운용과정에서 유발되는 열적특성은 에너지 파일 주변지반의 온도변화에 따른 공간적 물성치의 차이를 유발하고, 에너지 파일과 지반 사이의 상대적 변위와 함께 주변지반의 압밀침하를 발생시킬 수 있다. 따라서 연약지반에 설치된 에너지 파일의 경우에는 주변지반에 온도변화에 따라 차후 상부구조물의 안정성에도 영향을 줄 수 있으므로 앞으로 이에 대한 심도있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.