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지앤지테크, 단일 순환펌프식 개방형 지열 개발

k-PLANT사업… 지열공 굴착비용 최대 50%↓

지열공 굴착에 따른 비용을 최대 50%까지 절감할 수 있는 기술이 개발돼 관련업계의 주목을 받고 있다. 

지열에너지 전문 벤처기업 지앤지테크놀러지(대표 조희남)는 농림식품부가 추진 중인 수출형 스마트팜 연구사업단을 통해 추진 중인 k-PLANT사업 성과로 ‘단일 순환펌프식 함몰방지형 개방형(SCW) 지열시스템’ 기술개발에 성공했다고 밝혔다. 

지앤지테크놀러지는 함몰방지형 개방형 지중열교환기를 구성한 ‘지오썸’ 지열시스템으로 환경신기술(NET) 제495호로 인증된 기술과 수직밀폐형으로 300m 이상 시공이 가능한 ‘딥코일 300’에 대해 환경신기술(NET) 제549호로 인증 받은 신기술들을 보유하고 있는 지열 지중열교환기기술을 선도기업이다.  

지열 이용을 위해 구성되는 핵심적인 구성요소는 지중에 설치되는 지중열교환기와 지상에 설치되는 히트펌프 및 냉난방을 위해 설치되는 실내 열교환기로 이뤄져 있다. 이러한 기술 요소 중 히트펌프와 실내 열교환기는 국내외 중견기업 또는 대기업들이 이미 시장에 진입해 활발하게 활동 중이다. 

그러나 지중 150~500m 깊이로 직경 150~250mm로 굴착돼 구성되는 지중열교환기는 국내에서는 일반 중소기업 형태의 지열 전문기업들이 시장에 참여하고 있다.

지열 지중열교환기는 크게 수직밀폐형 지중열교환기와 개방형(SCW) 지중열교환기로 구분돼 시설된다. 밀폐형은 지중 150~300m 깊이로 직경 150~200mm로 굴착된 지열공 내부에 고밀도폴리에칠렌(HDPE)관으로 제작된 열교환용 코일관을 삽입한 후 내부에 벤토나이트 제재를 주입해 그라우팅을 시행하고 있다. 지중 굴착깊이 200m인 밀폐형 1개소당 약 4RT 내외의 열교환 용량을 갖고 있다.

밀폐형은 지상 기계실 내에 한 조의 단일 순환펌프를 설치해 열교환용 코일관 내부에 주입된 열매체를 순환시킬 수 있도록 해 시설운전 및 유지관리가 간편한 장점이 있다. 그러나 밀폐형은 필요로 하는 열용량을 충족시키기 위해서는 많은 지열공을 굴착해야 함으로써 시설부지가 넓게 필요하다는 단점이 있다.

개방형(SCW)은 지중 200~500m를 직경 200~250mm로 굴착한 후 지열공 내부에 수중 순환펌프를 설치해 지열공 내 지하수를 직접 지상의 히트펌프 측으로 순환시켜 열교환이 이뤄지도록 한 것이다. 지열공당 열용량은 200m 깊이의 개방형 1개소당 약 10RT 규모로 밀폐형의 약 2.5배정도의 열교환 용량을 갖고 있다. 이에 따라 밀폐형대비 개방형은 동일한 굴착깊이 기준으로 지열공 굴착수량을 1/4까지 줄일 수 있는 장점이 있다.

지앤지의 관계자는 “지열시스템의 설치용량이 100RT일 경우 예를 들면 기존 밀폐형 200m는 지열공을 25개소를 굴착해야 하지만 단일 순환펌프형 개방형의 경우 10개소만을 굴착해도 가능하다”라며 “단순히 굴착비용만을 감안할 때 밀폐식에 비해 최대 50% 이상 굴착비용이 저감될 수 있다”고 밝혔다.

지열공 굴착수량을 1/4까지 줄여

개방형은 단위 지중열교환기의 열용량이 커서 밀폐형에 비해 시설부지면적을 크게 축소시키는 효과가 있다. 특히 도심지역내 지열시스템 구축 시 선호되는 형태이기도 하다. 

그러나 지열공마다 수중 순환펌프가 설치돼 수량이 많아지는 경우 운전 및 보수 등 유지관리가 불편하고 전체 수중 펌프가동에 따른 운전동력비가 과대해 질 수 있다. 또한 순환유량 조정 등이 안될 경우 일부 지열공에서 물넘침이 일어나거나 운전수위가 낮아져 수중 순환펌프 고장이 발생되는 등 지열시스템에 장애를 일으키기도 한다. 

지앤지테크가 개발한 단일 순환펌프식 함몰방지형 개방형 지열시스템은 밀폐형의 장점인 단일 순환펌프 형태와 개방형의 큰 열용량을 모두 활용할 수 있도록 했다. 
지상 또는 건축물의 지하에 시설된 개방형 지열공과 중앙에 설치된 집수정 사이에 환수를 위한 환수주관을 매설해 연결한 구조이다. 집수정에는 1조의 순환펌프를 설치해 집수정 내부로 흘러넘쳐 유입되는 지하수를 순환펌프를 가동해 직접 지상의 히트펌프측으로 순환시켜 열교환이 이뤄지도록 했다. 

열교환된 지하수는 각 지열공 바닥하부까지 연결된 공급관을 통해 지열공 내부 바닥부분에 공급되고 지하수는 지열공벽을 타고 상승돼 올라오면서 지중에서의 열교환이 이뤄지게 된다. 지열공에서 흘러넘친 지하수는 자연스럽게 환수주관을 통해 집수정으로 모여질 수 있도록 구성한 것이 특징이다. 

지열공 수량이 아무리 많다 할지라도 집수정에 지하수 순환을 위한 순환펌프를 가동용과 고장 예비용으로 구성된 1조의 순환펌프만을 구성할 수 있어 가동과 유지관리의 편의성을 밀폐형과 유사한 단계까지 올릴 수 있다. 

또한 환수되는 지하수가 순환 이동 중 지체되는 등 원인으로 집수정 내부의 지하수 수위가 저하되는 것을 방지할 수 있도록 보충수 급수시스템을 추가적으로 구성하도록 했다. 대수제어와 유량제어가 가능한 인버터 부스터 펌프를 적용해 부하측 열부하 용량에 적합한 지하수 순환유량의 제어를 가능케 해 경제적인 운용이 될 수 있도록 한 것은 운용의 안정성과 경제적 운전을 위한 유의할 만한 기술구성이다.

기술개발을 주도한 조희남 대표는 “지금까지 지열시스템 핵심 구성요소인 지중열교환기에서 밀폐형과 개방형이 가지고 있는 장점들을 살리면서 운전자 또는 사용자 입장에서 불편을 최소화한 기술구현을 위해 노력해 왔다”라며 “단일 순환펌프형 개방형 시스템은 결과적으로 지열공 굴착비용을 최대50% 이상 절감할 수 있는 성과를 이뤘다”고 밝혔다.

조 대표는 이어 “경제적인 시공과 운용이 필요한 대규모 스마트팜 시설의 냉난방시설은 물론 건축부지가 좁은 도심 건축물에서도 적용이 확대될 것으로 예상된다”라며 “국내외 지열 현장에 차질없는 기술 보급을 위해 최선을 다하겠다”고 강조했다.