[투데이에너지 홍시현 기자] 우리나라는 매년 증가하는 냉난방 전력수요를 해결하기 위해 다양한 에너지절감시스템들이 도입되고 있다. 이번 기획에서는 건물에 적용되고 있는 냉난방시스템(빙축열과 지열) 및 선도기업에 대해 소개하고자 한다.
빙축열시스템은 상태변화에 필요한 열을 이용해 저장하는 방식으로 물 또는 PCM이 사용되며 캡슐타입(Capsule type), 코일타입(Ice-on-coil type), 슬러리타입(Slurry type) 등으로 세분화된다.
지열시스템은 외기온도에 의한 영향을 받지 않는 지중의 열을 이용해 높은 열효율(COP)를 나타낸다. /편집자 주
■ 지열 냉난방시스템 / 코텍엔지니어링(주)
코텍엔지니어링(주)는 대한민국의 지열산업을 리드하는 대표기업으로 15년 이상의 경험을 갖춘 다수의 전문가가 최상의 지열시스템 설계, 시공, A/S 및 최적화 등 Total Engineering을 제공하고 있다.
사업 초기 선진기술 습득을 위해 세계적인 지열업체(미국의 WaterFurnace, 독일의 Viessmann) 등의 기술협약을 통한 선진기술과 국책연구과제를 통한 첨단기술(하이브리드시스템, 건물하부천공, 고효율 그라우트, ICT 융합 지열시스템 등)로 지열시스템을 국내 환경에 적합하도록 발전시킴으로써 지열시장의 확대와 안정적 성장을 견인해 왔다.
코텍은 세종시 정부청사(2,250RT), 서울시 신청사(1,100RT), 롯데월드타워(3,000RT), 미군 OO기지 통신센터(4,500RT), 우일팜(1,600RT), 인천국제공항 제2여객터미널(1,500RT), 부산대 양산병원(1,260RT) 등 업무, 상업, 군사, 농업, 공항, 병원 등 다양한 초대형 특수시설에 지열 냉난방시스템을 완벽하게 설계·시공한 경험을 갖추고 있다.
■ 지열 냉난방시스템이란
지열에너지는 천공 깊이에 따라 심부에너지와 천부에너지로 분류된다. 심부에너지는 지하 3~10km에 위치한 100℃ 이상의 중·고온의 열에너지를 이용해 전기를 생산하는 발전용으로 활용된다. 천부에너지는 지하 100~200m의 약 15℃ 내외의 저온의 열에너지를 열펌프(Heat Pump)의 열원으로 냉난방에 활용된다. 우리가 흔히 일컫는 지열시스템은 천부에너지를 활용한 지열 냉난방시스템이다.
지열 냉난방시스템은 지중열교환기, 순환펌프와 열펌프로 구성된다. 열펌프는 하나의 패키지 유니트로 내부는 압축기, 열교환기, 팽창밸브, 4방밸브로 구성돼 있고 냉난방운전절환은 4방밸브에 의해 이뤄진다. 이때 열은 부하 및 열원측 배관 내 흐르는 열매체(부동액, 물, 냉매)에 의해 지중열교환기 또는 실내 열교환기로 이송된다.
지열 냉난방시스템 냉방운전은 실내의 열교환기에서 냉매와 따뜻한 공기의 열교환을 통해 순환하는 열매체가 열을 흡수, 이를 지중열교환기로 이송한 후 열전달을 통해 땅 속으로 방출한다.
난방운전은 지중열교환기를 순환하는 열매체가 땅속의 열을 흡수해 실내의 열교환기를 통해 실내로 열을 공급한다.
■ 지열 냉난방시스템 설계 및 기술
건축물의 신재생에너지 의무 적용과 냉난방에너지 비용 절감의 장점으로 지열 냉난방시스템의 수요는 확대되고 있다. 여기에 정부 및 지자체의 신재생에너지 보급 활성화정책과 지원으로 증가 추세다.
지열 냉난방시스템은 시공과정에서 문제가 발생하면 엄청난 재정적 손실을 초래할 수 있다. 이러한 이유로 코텍은 시장 초기 세계적인 지열업체의 선진기술과 품질관리를 도입해 안정적인 설계와 시공으로 기술력을 축적, 이후 200건 이상의 시공 경험을 통해 초대형 프로젝트까지 완벽하게 수행해낸 기술력을 갖췄다.
일반적으로 지열 냉난방시스템 설계는 △냉난방 부하검토 △시스템 선정(열 취득 방식, 열 이용 방식, 펌프 적용 방식) △지중 열교환기 선정(열전도 테스트, 지열 프로그램(GLD) 운영, 천공 홀 및 깊이 결정) △주요장비 선정(열펌프, 순환펌프, 탱크류 선정) △도서 작성(각종 평, 단면도 작성) 등 5단계로 진행된다. 추가적으로 발주자(건축주 또는 건축사)의 요구사항이 설계에 반영된다.
지열 냉난방시스템에 활용되는 기술에는 △지열 천공 공법 △고효율 그라우팅 기술 △분산열원 지열시스템 △하이브리드 지열시스템 △융설시스템 등을 꼽을 수 있다.
◆ 지열 천공 공법
지열 냉난방시스템의 성능을 확보하기 위해서는 시공 시 철저한 품질관리와 더불어 지중열교환기의 설치가 매우 중요하다.
지중열교환기 설치는 현장 여건에 따라 천공 공법이 터파기 전과 후로 구분된다. 터파기 전 공법은 지상층에서 터파기 깊이를 포함해 천공하고 터파기와 병행해 노출된 지중열교환기를 절단해 가는 고난도 작업 방식으로 타공정과 간섭이 적고 천공작업이 용이하다.
하지만 터파기 공사와 간섭이 발생하고 터파기 깊이만큼 추가 천공과 지중열교환기 파손 우려의 단점이 있다. 터파기 후 공법은 터파기 완료 후 천공기를 반입해 천공하는 방식으로 계획된 깊이만 천공하고 터파기시 천공 관리가 불필요하다.
반면 스트러트 등 흙막이방법에 따라 천공의 수량이 변경, 공사의 어려움과 전체 공기가 길어지는 단점이 있다.
◆ 고효율 그라우팅 기술
고효율 그라우트(열전도도 1.76 W/m·K)는 입자가 균일한 벤토나이트에 일정한 혼합비의 실리카샌드와 물을 혼합해 기존 그라우트보다 높은 열전도도를 나타내는 것으로 그라우트의 고효율화를 통해 경쟁력 제고와 시스템 효율 향상을 도모할 수 있다.
일반 그라우트(열전도도 0.76 W/m·K)대비 지중열교환기 길이를 최대 27% 줄이고 총 공사비도 약 10%를 줄일 수 있다.
고효율 그라우트의 품질을 유지하기 위해서는 음용이 가능한 물, 벤토나이트와 실리카샌드를 업체에서 제공하는 혼합순서와 혼합비를 준수해야 한다. 또한 그라우팅 용액 주입 시 트래미관을 하부까지 삽입해 내부 공극이 발생하지 않도록 주입해야 된다.
◆ 분산열원 지열시스템
국내 상업 및 비주거용 건물 부하는 냉방이 난방보다 크므로 지열 냉난방시스템의 지중열교환기 길이 선정은 냉방부하 용량을 기준으로 설계한다.
반면 난방부하를 기준으로 지중열교환기를 설계하고 부족한 냉방부하 용량만큼 쿨링타워(하이브리드시스템)나 주변의 지표수 열원(분산열원)을 이용하면 천공면적을 줄여 토지 활용도를 높일 수 있다.
분산열원 지열시스템은 공공건물이나 대학 등 주변의 지표수와 지열을 조합한 시스템으로 경제성 측면에서 시공부지와 시공길이를 줄여 시공비용 절감과 ROI 단축 효과를 가져 온다.
◆ 하이브리드 지열시스템
국내는 냉방부하가 난방부하보다 커 지중열교환기를 냉방부하를 기준으로 시공하게 된다. 이때 냉난방부하의 밸런스를 맞추지 못할 경우 지중열교환기의 지중 축열이 발생하게 돼 시스템 효율 저하의 원인이 되기도 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 기술이 냉각탑을 이용한 하이브리드 지열시스템이다. 하이브리드 지열시스템 적용 시 초기투자비 절감과 천공부지 최소화 및 공사기간 단축이 가능하다.
◆ 융설시스템
기존 지열 냉난방시스템의 여유 난방부하의 활용성을 향상시키는 방법 중 하나로 도로와 보도의 눈이나 얼음을 녹이는 융설시스템이 있다.
지열 융설시스템은 건물 진·출입구, 포장도로 및 광장 하부에 방열관을 매설해 관내에 지열 열펌프로 생산된 온수를 통과시켜 노면에 열을 공급해 적설 및 결빙을 방지하는 설비로 기존 지열 설비에 융설용 순환펌프와 융설 열교환기가 추가로 구성된다.
이러한 융설시스템은 난방수 공급온도인 40~45℃의 이용으로 유지관리비가 저렴할 뿐만 아니라 동절기 건물 진·출입로의 보행 안전을 확보할 수 있다.
■ 지열시장 확대 방안
신재생에너지 3020 정책은 태양광과 풍력 중심의 전기에너지가 핵심이다. 열에너지인 지열과 태양열은 차선으로 밀려나 오히려 위기를 맞고 있다. 이러한 위기를 극복하고 새로운 시장을 창출하기 위한 방안이 필요한 시점으로 계간축열(Seasonal Thermal Energy Storage)과 공동주택의 가정용 지열 냉난방시스템이 해결책으로 제시되고 있다.
계간축열은 수요가 적은 열에너지를 여름철 땅(탱크)에 저장한 후 수요가 많은 겨울에 사용하는 방식으로 열에너지의 생산과 수요의 불균형을 해결할 수 있다.
최근 국가 R&D 정책의 일환으로 미래도시인 제로에너지시티(Zero Energy City)에 적용되는 기술 중 하나인 계간축열 블록히팅시스템(지역 냉난방 연계)의 열에너지 저장 방식으로 보어홀 축열(BTES: Borehole Thermal Energy Storage)이 적용돼 연구개발 중이다. 이를 통해 BTES 설계와 시공 기술을 확보해 축열시장 진입에 앞장서야 된다.
우리나라의 공동주택 가구는 920만가구(2017년 기준)로 시울시에만 143만가구가 있다. 초기에 건축된 공동주택은 최근 30년이 훌쩍 넘어 수명이 다했으며 이로 인해 강남 등 오래된 아파트를 중심으로 재개발이 진행되고 있다.
서울시 조례에 따르면 연면적 10만㎡ 이상의 대규모 재개발 아파트의 경우 예상 에너지사용량의 14%(2015년 기준)를 신재생에너지로 공급하게 돼 있는 만큼 재개발 아파트 설계단계에 지열 냉난방시스템이 반영되도록 적극적인 전략과 기술적 접근이 필요하다.
