미국환경보호청(EPA)은 지열냉난방을 현존하는 신재생에너지원 중 가장 효율이 높고 청정한 에너지원으로 정의한 바 있다. 실제로 지열에너지원은 통상적인 효율(COP)이 4.0 내외로 여타 에너지원보다 적게는 4배 이상, 많게는 20배 이상 효율이 높은 것이 사실이다.

이러한 특성으로 인해 열원에너지가 필요한 일반 건축물이나 유리온실 등 시설원예들은 높은 경제성으로 자발적인 시장 진입단계에 있으며 보급사업 등을 통해 단독주택에 보급된 시설들에 대해서는 좋은 평가를 받아가고 있다. 

아파트에 지열을 공급하고자 하는 시도는 다양한 형태로 실행된 바 있으며 현재는 민간 의무화비율을 적용하고 있는 서울시에서 재건축·재개발 공동주택(아파트) 현장을 중심으로 활발하게 검토와 진행이 이뤄지고 있다. 이러한 시장 진입과 확장단계에서 지열원 확보를 위한 지중열교환기 결정은 중요한 요소로 고민돼야 할 현안이다. 

지열시스템의 구성요소는 크게 지상기계실 내 히트펌프와 열교환기, 순환펌프가, 지표면 아래 수백미터 하부로 굴착해 설치되는 지중열교환기, 그리고 이러한 구성요소들을 연결하는 순환배관으로 이뤄져 있다. 

히트펌프는 이미 다수의 대기업들과 중견기업, 해외 유수기업들이 성능이 우수하고 인증이 이뤄진 다양한 제품들을 국내 시장에 출시하고 있다. 어떠한 설계 요건을 제시한다 할지라도 이를 충족할 수 있는 생산능력과 품질유지 및 사후관리 체계가 구축돼 있다. 

기계실 내 열교환기와 순환펌프, 순환 배관 및 부속기자재들 역시 백여년이 넘는 기계설비 시설역사에 발맞춰 발전돼 왔으며 성능과 품질평준화가 이뤄져 KS 등 공인인증을 마친 제품인 경우 시설운용에는 신뢰할 수 있는 수준으로 볼 수 있다. 

지중열교환기 굴착, 영세성 못 벗어나 

지열시스템의 중요한 구성요소 중 지중열교환기가 있다. 초기 지열시스템이 설치됐을 때 지중열교환기와 관련된 기술들도 해외에서 수입해 국내에 적용했었다. 이중 지열 굴착공 내부에 열교환코일관을 삽입해 설치하는 수직밀폐형의 경우 시설운영의 단순성으로 인해 대규모 건축물과 보급사업 등에서 주요 공법으로 적용됐다. 

그러나 1개의 지중열교환기를 통해 얻는 열량이 낮아 많은 지열공을 굴착하게 되고 이로 인해 시설부지가 넓게 소요되는 문제가 있었다. 지중열교환기가 매설된 이후 누출사고가 발생했을 경우 시설 폐쇄 우려가 높아 10개공을 하나의 구역으로 나눠 시설하도록 시공기준이 마련돼 운용 중이기도 하다. 그렇다할지라도 지중열교환기 누출이 발생할 경우 일부 시설폐쇄는 피할 수 없는 문제점으로 남아 있다. 

지하수를 직접 양수해 열교환하도록 사용되는 개방형(SCW)은 1개의 지중열 교환기를 통해 얻는 열량이 수직밀폐형의 10배에 달할 정도로 규모가 커 시설부지가 좁은 경우 선호됐다. 

그러나 지중열교환기마다 수중펌프를 설치, 관리해야 하는 불편과 수질관리를 생활용수 수질기준 이상으로 유지하고 지속적으로 지하수 수위가 유지돼야 운영이 가능하다는 한계가 있었다. 물론 수직밀 폐형과 개방형 지중열교환기 형태가 모두 공통적으로 갖고 있는 문제는 따로 있다. 

그것은 자세히 파악될 수 없는 지표면아래 수백m 깊이까지 지열공을 형성시키기 위해 굴착을 진행해야 하고 이때 여러 어려운 지질 및 지하수 특성과 맞닥뜨리게 된다. 굴착 중 지열공이 무너지거나 운영 중 무너지는 현상이 발생되기도 하고 굴착 중 다량의 지하수가 터져 지열공 굴착을 더 이상 진행할 수 없는 상황도 만날 수 있다. 

이러한 여러 어려운 문제들로 인해 대기업들이 직접 지중열교환기 구성을 위해 지열공 굴착장비를 소유하고 공정을 진행하기도 어려운 것이 사실이다. 이로 인해 대체적으로 소규모 영세지열설비업체가 지열공 굴착을 하도급을 받아 전담하는 형태를 취하고 있는 상황이다. 

결국 대규모 자본과 기술로 대비돼 있는 히트펌프와 열교환기 및 순환펌프, 순환배관 등 지상시설과는 달리 지중열교환기 시설은 영세성을 벗어나지 못하고 있는 것이 현실이다. 

지중열교환기, 건축물 수명과 동일 

그럼에도 불구하고 지중열교환기는 지열시스템에서 건축물 수명과 동일하게 50년 이상 내구성을 가지고 운영되는 유일한 구성요소로 중요성이 막중하다는데 이견이 있을 수가 없다. 

관리자 또는 소유자가 소수인 일반 건축물과 다르게 아파트는 소유자가 단지 내 아파트 세대수만큼 많다는 특성을 갖고 있다. 이들 모두가 잠재적으로 지열시스템에 대한 평가자이며 시설장애에 대한 클레임민원인으로 역할을 할 수밖에 없는 구조다. 

올바로 기능하는 지열시스템의 경우 호의적인 평가가 폭넓게 형성돼 공동주택의 지열적용에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있겠지만 빈번한 하자발생이나 이용 불편은 시장에서 거부되는 상황이 발생할 수 있다. 이에 따라 최근 지열시장 중 가장 큰 시장으로 대두되고 있는 공동주택 지열시스템 적용에는 고심에 고심을 더해 적용 구성요소의 선택에 심혈을 기울여야 한다. 

지중열교환기 시공, 성능인증 기술 받아들여야 

지열시스템의 공동주택 적용은 이미 알려진대로 가장 친환경적이며 가장 효율이 높고 내구성이 우수한 특성이 운용과정에서 잘 나타나고 있다. 

다만 대규모 자본과 기술로 대비돼 있는 히트펌프와 열교환기 및 순환펌프, 순환배관 등 지상시설과는 달리 가장 중요한 구성요소이면서도 영세한 시설업체가 시공할 수밖에 없는 지중열교환기 시공형태에 대해서 안정성을 담보할 수 있어 방안 마련이 무엇보다도 시급하다. 

다행스럽게도 정부는 우수한 지중열 교환기 공법에 대해 각종 신기술(NET)과 이에 대한 부처장관의 성능확인 및 성능 인증제도를 도입해 운영하고 있다. 공공시설은 이들 공공인증 신기술이나 제품에 대해 우선구매 등을 통해 지원하고 있어 하자가 발생했을 경우 담당 공무원에게 책임을 묻지 않도록 면책규정도 두고 있다. 그만큼 정부에서 품질을 인증하고 있다는 것을 역설적으로 표현한 것이라고 할 수 있다. 

이에 따라 민간 공동주택 건축물의 경우에도 불확실한 지중열교환기 시설형태를 취하기보다는 국가가 공인한 신기술이나 성능인증된 지중열교환기 적용을 당연시해야 한다. 

대기업 등이 참여하고 품질인증을 받은 히트펌프 등과 동일선상에서 고려돼야 하며 전체적인 지열시스템의 안정적 시설과 운영에 핵심적인 결정요인이 돼야 한다. 다행스럽게도 그동안 지중열교환기 시설 공법 중 수직밀폐형의 단점인 순환열 매체 누출에 대해 누출여부와 누출위치를 확인할 수 있는 기술이 개발되고 고심도 지중열교환기 기술도 개발돼 좁은 시설부지에서도 운용편의성이 높은 수직밀폐형 적용이 가능하게 됐다. 

더욱이 개방형 형태를 취하면서도 지중열교환기 내부에 수중순환펌프를 설치하지 않게 돼 공동주택 지하층에서도 높은 열용량을 가지면서도 운용편의성을 높인 지중열교환기 설치와 운용이 가능토록 신기술들이 개발돼 운용 중이다. 

결국 국가가 품질을 인정한 기술 중에서도 특히 지속가능한 운용 안정성과 편의성을 갖는 지중열교환기 선택은 전체 지열시스템의 안정성과 편의성을 지속가능토록 할 수 있어 공동주택의 지열적용의 성공적인 확산을 위해 반드시 유념해야 한다.