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지지케이, 지중열교환기 신기술 개발 '박차'

지중열교환시스템 성능 극대화…2호 건설신기술 준비


신재생에너지 이용 기술 중 지열냉난방시스템은 연중 안정적인 열원공급으로 타열원시스템에 비해 우수한 에너지이용효율을 갖고 있다. 특히 대수층의 지하수를 이용하는 개방형시스템은 지하수가 암반과 직접적으로 열교환하는 구조로 밀폐형시스템에 비해 월등히 높은 성능을 기대할 수 있다. 

일정한 간격을 유지해야 하는 지중열교환기의 설치 개수가 10분의 1정도에 지나지 않기 때문에 한정된 부지 내에서 대형 냉난방수요가 요구될 때 효율적인 대응이 가능하다. 무엇보다 땅속에 설치되는 지중열교환기에 대한 점검 및 재생정비 등 유지관리도 가능한 큰 장점을 가지고 있다.

개방형 지열냉난방시스템을 한층 더 안정화 시키겠다는 일념으로 혁신기술 개발에 노력하고 있는 지지케이(대표 안근묵, www.ggk.co.kr)는 2015년 해당 분야에서 첫 번째이자 유일한 건설신기술 지정에 이어 2016년 10월부터 국토교통기술촉진 연구사업(과제명: 복수의 지열정 페어링 및 지하수 연동 제어기술을 활용한 지중열교환기 효율 증대기술)을 수행하면서 또 다른 신기술 개발에 박차를 가하고 있다.



이번 연구사업은 지지케이 주관 하에 한국지하수·지열협회와 지오엔지니어링이 공동연구기관으로, 부산대학교 산학협력단이 위탁연구기관으로 참여했다. 연구사업은 서울시 노원구에 소재한 삼육대학교 중앙도서관을 테스트베드로 ‘복수 지열공 페어링 기술’이 적용된 지열냉난방시스템을 설치·운영하면서 올해 4월까지 2년6개월간 과제를 수행해 2건의 발명특허등록과 7건의 논문을 생산했다. 지난 7월 관계부처의 연구과제 최종평가에서 ‘성공’ 판정을 받음으로써 건설신기술 획득 가능성에 무게가 실리고 있다. 

‘복수 지열공 페어링 기술’은 취수정과 주입정 지열공을 따로 설치하고 연통관로를 통해 양쪽 지열공간 지하수 이동수단이 확보된 구조로 지하수 순환과정에서 취수량과 주입량의 불균형으로 발생할 수 있는 물넘침 문제를 해소할 수 있다. 특히 순환되는 지하수의 열교환 환경을 개선해 지중열교환기 성능효율을 극대화 한 것이 특징이다.    

기존 개방형시스템의 경우 500m 깊이의 굴착공에 PVC파이프가 삽입된 지중열교환기를 설치하는 방법으로 고심도 굴착으로 시공비가 크게 증가하고 300m 이상의 굴착구간에서 주로 발생하는 공무너짐 현상으로 시공이 어려워지기도 한다. 또한 PVC파이프 하부에 구비된 유공관의 막힘 현상으로 지하수 순환에 장애가 발생하고 결국 시스템운영에 문제가 발생하는 일이 빈번했으며 점검 및 재생정비도 어려운 실정이었다.

이러한 문제를 개선하기 위한 ‘복수 지열공 페어링 기술’은 PVC파이프가 삽입된 500m 깊이의 기존 지중열교환기를 대신해 PVC파이프가 없는 250m 깊이의 지중열교환기 2개로 나눠 설치하는 방법으로 시공난이도 개선과 함께 고심도 굴착에 따른 할증비용 등 시공비를 절감할 수 있다. 특히 300m 이상 깊이에서 발생하는 공무너짐 현상을 우려할 필요가 없다.

또한 2개의 지중열교환기를 연결하는 지하수이동 수단을 확보한 상태에서 각기 동일한 순환설비를 구축한 구조로 가동 중인 순환설비에서 장애가 발생하는 경우 다른 한쪽의 순환설비에서 즉각적인 대체운전으로 냉난방에너지 공급이 중단되는 불편을 방지할 수 있다. 계절적 운전스케줄에 따른 교번운전으로 계간축열 활용효과도 기대할 수 있다. 무엇보다 지중열교환기를 점검하고 재생정비가 용이한 구조라는 것이 가장 큰 장점이다. 

연구사업 수행을 위해 ‘복수 지열공 페어링 기술’을 적용해 삼육대 중앙도서관에 설치한 개방형 지열시스템은 2017년 9월부터 현재까지 2년 이상 가동·운영 중에 있다. 동일 공간에 설치해 운영 중인 기존 개방형 지열냉난방시스템과 비교해 에너지효율이 약 26% 향상된 것으로 확인되고 있다. 

올해 안에 제2의 건설신기술 지정신청을 계획하고 있는 안근묵 지지케이 회장은 “우리 회사가 보유하고 있는 건설신기술(제772호)은 PVC파이프가 삽입된 구조를 가진 기존 개방형 지중열교환기에서 나타나던 하자발생 원인을 해소한 기술”이라며 “이번 연구사업을 통해 개발한 기술은 500m 깊이의 고심도 굴착에서 발생할 수 있는 여러 가지 문제점을 해소한 기술로 수리지질학적 특성을 고려해 순환되는 지하수가 주변 기반암과 열교환하는 환경을 개선하는데 중점을 뒀다”고 밝혔다.

안 회장은 이어 “밀폐형과 비교하더라도 250m 개방형 지중열교환기 1개소에서 200m 깊이 밀폐형 지중열교환기의 5배가 되는 열에너지를 얻어낼 수 있을 뿐만 아니라 비상시 대체운전이나 계간축열 활용을 위한 교번운전 등 다양한 기술적 기능을 확보함으로써 시공성·경제성 등에서 월등히 우수하다”라며 “특히 지중열교환기 점검과 재생정비가 가능한 시스템으로 유지관리측면에서도 비교될 수 없을 만큼 우수한 기술임이 입증됐다”고 강조했다. 

지열냉난방시스템 구축에서 지중열교환기 안정화를 특별히 강조하는 주식회사 지지케이가 보유한 첫 번째 건설신기술(제772호)은 LH공사 우수신기술 선정과 성능인증을 거쳐 이미 60여개소의 공공기관 건축물 신축현장에 적용돼 우수한 성능효율이 확인되고 있다. 



특히 지열냉난방시스템을 설치하면서 건축물 출입구에 ‘에너지생산안내패널’을 추가로 설치한 것이다. 지중에서 생산되는 지열에너지단위(kcal/h)를 전기에너지단위(kW)로 변환시켜 LED창에 나타내 누구나 손쉽게 에너지생산 현황을 확인할 수 있도록 했다. 

안 회장은 “추가비용은 발생하지만 사용자로부터 큰 호응을 얻으면서 신기술과 지열냉난방시스템에 대한 인식을 개선하는데 큰 도움이 되고 있다”고 강조했다.