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티이엔, 지열HP 최적운전기술 ‘녹색인증’

축열조 성층화 효율 높여 에너지손실 최소화

지열히트펌프 시공 전문기업 티이엔(대표 김태원)은 최근 ‘다수의 존으로 구성된 지중열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방시스템 운전제어 기술’로 녹색기술인증을 획득했다고 밝혔다. 

티이엔이 개발한 핵심기술은 기존의 축냉·열 지열냉난방시스템에서 외기에 따라 축냉조에 저장하는 온도를 조절해 에너지의 과소비를 억제해 에너지 소비량을 절감하고 다수의 존으로 구성된 지중열교환 중 최적의 조건인 구역을 택해 운전함으로써 시스템의 COP를 향상시키고 소비전력을 절감할 수 있는 인공지능제어기술이다. 

축냉·열조 운영의 제어기술과 디퓨져 설계 및 제작기술로 축열조의 성층화 효율을 높여 축냉·열조내 온도희석에 따른 에너지 손실을 막을 수 있는 최적화 기술이다.

기존 지열시스템 문제점은 

기존 기술은 축냉열 시 부하량과 관계없이 일률적인 설정온도로 운전함에 따라 히트펌프 가혹 운전 및 에너지낭비 매우 크며 환절기 냉난방모드 전환할 경우 냉방에서 난방 시 7℃에서 50℃로, 난방에서 냉방 시 50℃에서 7℃로 전환함으로써 단기간 큰 부하량 운전으로 히트펌프가 과부하로 운전된다.
 
또한 SCW의 경우 지중열교환기의 온도조건과 관계없이 히트펌프에 종속된 지중열교환기 운전 또는 부분부하에서도 모든 지중열교환기 운전으로 지중순환펌프의 소비전력이 과대해져 COP 감소가 불가피하다.

밀폐형의 경우 일반적으로 1대로 모든 지중열교환기를 운전하므로 부분부하 시 지중순환펌프가 필요없이 과대하게 100% 운전돼 소비전력이 낭비되며 인버터 운전의 경우 100% 유량이 아니기 때문에 지중열교환기로의 분배 문제가 발생해 COP가 저하된다. 

수직개방형 지중열교환기용 상부 케이싱의 경우 일반적으로 사용되는 상부 케이싱은 지하수 양수를 위한 제품으로 지열용인 경우 외형이 너무 크고 내부 수리 시 분해 조립이 필요한 불편함이 있다. 

수직개방형 열교환기는 다수개의 지중열교환기 이용 시 공의 거리 및 배관 상태에 따라 주입량이 달라 공내 물넘침이 발생하고 주변경관 훼손 및 도심 민원 발생, 우물공 주변의 토사 유출 및 지하수 자원 고갈은 물론 수위저하에 따른 모터과열이나 모터 손상이 발생한다. 

변온축열·지중온도추적제어 적용

녹색기술인증을 받은 티이엔의 기술은 일반적으로 축열(50℃ 이상) 및 축냉(7℃ 이하) 운전의 경우에는 각각의 정해진 온도에서 축열 및 축냉을 실시하는 변온축열기술이 적용됐다. 변온축열·축냉기술은 인공지능제어기술을 도입해 절기에 따른 부하량을 예측, 축냉·열온도를 설정하는 것으로 과거 10일간 일평균 외기온도 변화량과 일기예보로 축냉열온도를 보정, 설정할 수 있다. 


이에 따라 최대부하량이 아닌 경우 난방 시 축열온도를 낮추고 축냉 시 축냉온도를 높여 운전에 사용되는 운전전력을 감소시키고 COP를 증가시킬 수 있다.

또한 축냉열 온도 완화로 축냉열조에서의 손실이 감소하고 증발온도 1℃ 상승 시 COP 약 5% 향상, 응축온도 1℃감소 시 COP 약 3% 향상시킬 수 있다. 

티이엔의 관계자는 “환절기 축냉열 온도를 부하량에 따라 점차적으로 내리거나 올려 냉난방모드 전환 시 에너지낭비를 극소화하고 히트펌프 운전조건을 조정으로 COP 향상 및 시스템의 안정적인 운전 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다”고 밝혔다. 


티이엔의 기술은 다수의 존으로 구성된 지중열교환기에서 각 존의 온도를 측정해 최적 조건의 열교환기를 필요 수량만큼 순차적으로 운전하고 운전 중에도 지속적으로 지중열교환기의 온도를 측정하고 비교해 최적의 지중열교환기가 운전되도록 인공지능 제어기술인 ‘지중온도추적제어기술’을 적용했다. 

이에 따라 운전최적화 인공지능 프로그램이 장시간 운전으로 온도조건이 악화된 지중열교환기를 정지 중인 양호한 열교환기로 최적화하고 대체 운전해 지열히트펌프시스템의 소비전력을 절감하고 COP를 향상시켜 안정적인 운전을 유지할 수 있다.

또한 기존의 제품은 깊은 우물공 안에 들어 있는 심정펌프 등의 구성장치를 관리하기 위해 상부 케이싱을 일일이 분해해 유지보수 및 사후관리가 매우 복잡한 단점을 개선해 상부 케이싱을 분해하지 않아도 쉽게 인양할 수 있는 기술을 도입, 우물공 내의 구성장치의 수리나 교체 등을 매우 효율적이고 저비용으로 처리할 수 있다.  

티이엔의 관계자는 “땅속에 묻히는 상부 케이싱의 전체 높이를 상부공 커버의 고정 위치를 조정하는 것으로 쉽게 바꿀 수 있다”라며 “이에 따라 상부 케이싱의 상단면을 지면에 정확히 일치시키는 작업을 간편하게 수행해 작업효율도 향상시킬 수 있다”고 밝혔다. 

일체형 게이트 어셈블리에 일체로 구비돼 있어 분해없이 내부 수리가 가능하며 환수량 조절기를 이용해 배출되는 환수량을 조절할 수 있기 때문에 열교환기를 순환하는 지하수의 양을 최적 운전조건을 고려해 손쉽게 조절할 수 있다. 이에 따라 효율적인 지열의 이용이 가능하다. 

수직개방형 지중열교환기로 우물공의 지하수 범람과 수위 저하를 방지하며  지하수 범람으로 인한 주변 경관 훼손, 도심 민원 발생, 우물공 주변의 토사 유출 및 지하수 자원 고갈을 방지할 수 있다. 우물공의 수위 저하에 따른 펌프의 모터 과열로 인한 펌프 손상 및 우물공의 파손도 방지한다. 

티이엔의 관계자는 “축냉열시 부하량과 관계없이 일정온도를 축냉, 축열할 수 있으며 환절기에도 일률적으로 설정된 축냉열 온도운전을 인공지능제어를 통해 COP 증가 및 축열조 열손실 감소에 따른 에너지소비를 저감시킨다”라며 “환절기 부분부하 운전 시 특정히트펌프에 종속된 지중열교환기의 지속적 운전에 따른 지중조건 악화로 인한 COP 저하 방지를 위한 인공지능제어를 도입해 변온축열 및 지중온도추적제어로 COP 최대 19.3% 상향시켰다”고 강조했다. 



티이엔의 관계자는 “사용에너지의 97%를 수입에 의존하고 있는 우리나라의 현실을 고려해 볼 때 신재생에너지인 지열냉난방설비를 이용함으로써 에너지 절감에 따른 원유수입 대체효과가 있다”라며 “특히 화석연료를 사용하지 않으므로 냉난방 운전 시 공해발생이 없어 이산화탄소 배출량을 획기적으로 절감할 수 있는 친환경 기술”이라고 밝혔다.

티이엔은 엄격한 기술지도 아래 생산을 관리하고 직접 설치를 진행하는 한편 현장시공을 위한 인허가 사항 및 인증을 확보할 계획이며 기술기준에 적합한 협력업체 섭외도 준비하고 있다. 

또한 우수제품지정으로 조달청 판매망을 이용한 영업을 실시하고 정부시책인 공공의무화제도에 적합토록 관리를 체계화하고 설계 반영을 위한 적극적으로 영업한다는 방침이다.