지열에너지 전문 벤처기업인 (주)지앤지테크놀러지(대표 조희남)가 4관식 고심도 수직밀폐형 지열시스템을 개발하는데 성공했다.
지금까지 적용된 수직밀폐형 지열시스템은 2관식 열교환 코일관을 U밴드로 결합해 지중 150~200m 깊이까지 굴착된 지열공 내부에 삽입 설치해 시공됐다. 하지만 이번에 개발된 신기술은 4관식 열교환 코일관을 300m 깊이까지 시공이 가능토록 개발됐으며 한국농어촌연구원의 스마트팜 수출연구사업단의 K-플랜트사업을 통해 기술력을 인정받았다.
수직밀폐형 단점 극복 관건
지열에너지는 지중의 열이나 지하수가 가지고 있는 열을 이용해 건축물의 냉난방이 가능토록 하는 시스템이다. 이때 핵심적인 구성요소가 지상에 설치되는 열을 이동시켜주는 기능을 하는 히트펌프와 지중에 설치되는 지중열교환기다.
지중열교환기는 크게 지열공 내부에 열교환 코일관을 삽입, 설치하고 남은 공간을 시멘트액 등 그라우팅 제재를 채워 구성하고 순환열매체를 지중의 열교환 코일관 내부를 순환시켜 열교환되도록 설치되는 수직밀폐형 형태와 지열공 내부에 설치된 수중순환펌프를 통해 지열공 내의 지하수를 양수해 열교환되도록 한 개방형(SCW) 형태로 크게 구분된다. 현재 수직밀폐형이 전체 지열설치시설 중 약 95% 내외를 차지하고 있는 실정이다.
개방형과 비교해 수직밀폐형은 구조가 단순하고 수중순환펌프 설치가 필요없어 유지관리가 편리할 뿐만 아니라 운용 시 경제성에서도 우수한 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
그러나 수직밀폐형은 단위 지열공당 열교환 용량이 2.5~5RT(1RT는 약 3,024kcal/h의 열용량)에 불과한데 비해 개방형은 25RT 내외로 수직밀폐형에 비해 개방형의 열용량이 최대 10배에 이르는 큰 열용량을 갖고 있어 시설부지가 좁은 경우 선호되는 지열시스템으로 함몰방지형이 널리 알려져 있다.
수직밀폐형의 가장 큰 단점은 정해진 열용량을 확보하기 위해 개방형보다 더 많은 지열공 굴착이 필요하고 더 넓은 시설부지가 소요된다는 것이었다. 수직밀폐형의 이러한 단점을 극복해 지열공 굴착 공수를 줄이고 더 좁은 시설부지에서도 시공이 가능토록 하기 위해 적용되는 방법이 기존 2관식 수직밀폐형으로 200m를 시공한계로 여기고 있었던 것을 300m 이상 더 깊게 시공하는 공법이 개발돼 운용 중이다.
또한 열교환 코일관을 3관식 또는 4관식으로 구성해 시공하는 방법이 있었으나 이 방법은 열교환 코일관의 부력으로 인해 시공깊이에 한계를 갖게 돼150m 이내에서 시공을 시도하고 있으며 고심도 시공 자체는 불가능한 것이 현실이었다.
환경신기술 인정
4관식 고심도 수직밀폐형 지중열교환기는 2관식 수직밀폐형과 비교 시 5~7.5RT 규모까지 열용량을 확대할 수 있어 기존 기술대비 최대 3배 내외의 열용량을 확보할 수 있다. 그러나 지열공 내 지하수로 인해 부력이 형성돼 이를 극복해 고심도인 300m 이상 깊이까지 시공할 수 있는 기술개발이 필요한 상황이었으나 이번에 지앤지테크가 기술을 완성했다.
지앤지테크가 개발한 기술은 이미 환경부로부터 환경신기술 제 549호(신기술명칭: 지열코일관 간격 유지형 하중부가재 설치를 통한 수직밀폐형 지중 열교환기술)로 인정받았다.
이에 따라 4관식 고심도 지중열교환기 시설에도 적용할 수 있으며 굴착된 지열공 직경이 150mm 이하에서도 열교환 코일관의 삽입 설치가 용이토록 직경이 다른 50mm와 40mm를 한 조로 해 각각 공급관과 환수관으로 구성될 수 있도록 기술을 완성했다.
지앤지테크의 관계자는 “4관식 수직밀폐형 지중열교환기 개발 성공으로 농어가 보급사업에서 기존 150m 깊이로 2개공을 굴착해야 하는 지열공 수량을 1개공으로 줄일 수 있게 됐다”라며 “이로써 천공비용을 줄일 수 있어 경제성이 높아 지열 보급 시 적용이 확대될 것으로 전망된다”고 밝혔다.
특히 시설부지에 대한 터파기 토목공사전 지열공을 굴착해 차폐팩커장치와 깊이 측정을 위한 스케일 직관을 지중열교환기에 연결해 미리 설치하고 열교환 코일관 손상없이 배관 구성이 이뤄질 수 있도록 해 좁은 도심건축부지에서의 지열시스템 설치가 용이할 뿐만 아니라 공사기간 단축에 기여할 것으로 기대된다.
또한 가장 하부구간인 U밴드 결합부에는 환수챔버를 구성해 모든 열교환 코일관이 합류되도록 하면서 공급관과 환수관의 경계가 구분되도록 하되 순환이 용이토록 배치했다. 이러한 환수챔버 배치는 3관식으로도 어려움 없이 공급관과 환수관 구성이 가능한 장점이 있는 기술이다.
특히 기존 수직밀폐형이 누출이 발생될 경우 시설전체를 폐쇄해야 하는 문제를 해결하기 위해 지중열교환기마다 점검구를 구성해 열교환 코일관의 누출점검과 사후대책을 통해 정상적인 운전이 가능해 시설운용 안정성을 크게 높일 수 있다.
조희남 지앤지테크 대표는 “4관식 고심도 수직밀폐형 지중열교환기 개발로 단위 지열공당 열용량을 기존 기술대비 최대 3배 내외 확대가 가능하게 됐다”라며 “시설부지 축소 효과는 물론 총 열용량당 지열공 굴착공수를 상당량 줄일 수 있어 전체 지열시스템의 시공비를 크게 저감할 수 있어 도심건축물과 스마트팜 지열시장에서 기술적용 확대를 기대하고 있다”고 밝혔다.
지열에너지 전문 벤처기업인 (주)지앤지테크놀러지(대표 조희남)가 4관식 고심도 수직밀폐형 지열시스템을 개발하는데 성공했다. 
이에 따라 4관식 고심도 지중열교환기 시설에도 적용할 수 있으며 굴착된 지열공 직경이 150mm 이하에서도 열교환 코일관의 삽입 설치가 용이토록 직경이 다른 50mm와 40mm를 한 조로 해 각각 공급관과 환수관으로 구성될 수 있도록 기술을 완성했다. 
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