Application and Revitalization Method of Domestic Geothermal Heat Pump System

09-S-164

국내의 지열에너지 열펌프 시스템 활용현황과 활성화 방안

박 혜 리* , 고 영 호* , 김 민 태* , 박 종 일*

동의대학교 건축설비공학과

Application and Revitalization Method of Domestic Geothermal Heat Pump

System

Hye-Ri Park* , Young-Ho Ko*, Min-Tae Kim* , Jong-Li, Park*

Department of Building System Engineering, Dong-eui University, Pusan, 614-714, Korea

ABSTRACT: Due to the law of use of sustainable alternative energy recently legislated, many public institutions are ordered to use renewable energy. So it gets people’s eyes on Geothermal energy system among other suggested renewable energy.

Since there is hardly existence of a volcanic region, Geothermal heat pump system is generally used most in Korea.

However, the important technology and materials are not localized and further, with only our technical skills it is arduous to popularize and develop Geothermal energy because of lack of revitalization related to the law and the regime for locally suitable Data-base. Moreover, an access of renewable energy is too much hard because of people’s low interests

about Geothermal energy.

But fortunately, the well-studied about Geothermal heat system started to be adopted in many other provinces.

Therefore, we study this with intend to popularize and develop Geothermal energy.

Key words: Geothermal energy(지열), Air-conditioning and Heating system(냉난방 시스템), Heat pump(열펌프) 1. 서 론 1.1 연구배경 및 목적 한국은 에너지 부존량이 매우 부족한 나라이 며, 대부분의 에너지를 외국에 의존하고 있어 경 제적으로도 많은 어려움이 따르고 있다. 국가의 경제발전을 제조업에 의존하는 우리 입장에서 에너지 자원의 안정적 확보가 중요하다는 것은 더 말할 나위가 없다. 석유자원은 전혀 없으며, 석탄자원도 매장량이 줄거나, 채광심도가 깊어짐 에 따른 생산단가의 증가로 경제성이 취약하며, 수력발전이나 원자력 이용 에너지 개발 또한 한 계에 도달했다. 이러한 에너지자원의 부족한 상황은 이미 선 진국에서도 충분히 인식되었을 뿐 아니라, 화석 에너지의 남용에 따른 지구온난화 등의 환경문 제의 해결 필요성이 심각하게 대두되어 급기야 도 쿄의정서까지 발효되는 시점에 이르렀다. 따라서 전 세계적으로 새로운 친환경 및 청정에 너지, 즉 태양, 풍력, 조력, 지열, 생물학적 대체 에너지의 개발 필요성을 강조하게 되었다. 이러한 신재생에너지 중에서 선진국에서 많은 연구가 진행되고 있는 동시에 활용 중인 에너지 로서 지열에너지가 있다

미국서부, 일본, 이탈리아, 필리핀, 인도네시아, 뉴질랜드 등의 경우 고온의 지열에너지를 이용하 여 지열발전을 하고 있으며, 지역난방 및 시설영 농에도 많이 이용하고 있다. 국내에서도 지열원을 이용한 시스템이 도입 및 설치 된지 10여 년에 이르고 있지만 적은 지열유 량과 공법, 제도적 문제로 인해 발전이 미비한 편이다. 지열원 활용을 위한 연구 및 개발에 많 은 예산과 인력을 투입하여 연구 중이나 또한 취 약한 편이다. 1.2 연구 범위 및 방법 국내에서 지열 냉난방 시스템의 이용을 위한 연 구 및 개발에 정부와 기업은 많은 예산과 인력을 투입하여 연구 중이나, 선진국과 비교하였을 때 많 이 취약한 편이다. 또한, 초기 공사비가 많이 들어 가정용 지열의 상용화가 늦어지고 있으며 아직까 지 지열 활성화를 위한 정부의 지원 및 정책이 미 흡한 상태로 보인다. 본 연구에서는 현 지열 시스템의 활성화를 위해 필요한 효율적인 방법연구 및 열펌프 개발, 정부의 보급정책 등에 대한 방안을 제시하고자 한다. 2. 지열 열펌프 시스템의 활용현황 2.1 지열 에너지와 시스템 구조 지열은 지구상에 매일 복사되는 태양 복사열중 47%는 지각 표면의 지중으로 흡수 저장되는데 그 양은 현재 60억 인구가 72년 간 사용할 수 있는 엄 청난 열에너지이다. 지열 히트펌프는 화석연료를 연소시켜 열에너지를 얻는 것이 아니라 지구생성 이후부터 우리의 땅속에 무진장 부존되어 있는 청 정 지열에너지를 사용하기 때문에 전통적인 화석 연료인 유류나 천연가스를 이용할 때보다 에너지 가 50~70% 이상 적게 소모되는 경제적이고 효율 적인 냉난방 장치이다. 2.2 국내 활용 현황 2.2.1 지열관련 연구현황 1991년부터 2007년까지 지열에 관한 연구과제 29 개에 대해 206억 원을 투자하였으며 그 중 149억 원을 정부에서 지원을 하여 2000년대 전에는 기 초 자료 확보를 위한 일부 지역에 대한 지열자원 탐사 수행을 하였다. 2000년 이후 지열열펌프를 활용한 건물 냉난방 시스템의 실증과 지중열교환기 성능 확보를 위한 연구에 많은 투자를 해왔다. 초기투자비를 절감하 기 위해 열펌프의 성능 향상 및 현장타설 말뚝형 지중열교환기, 3-pipe U-tube 지중열교환기, 하이 브리드 시스템 등 다양한 기술개발 수행을 통하여 신뢰성 향상, 효율 향상, 초기투자비 절감을 위해 현지지중열전도도 측정기 기술개발 및 최적 설계 기술을 확보하고 그라우팅 재료 및 국내 지중 열 물성 DB확보가 진행되었다. 또한 설치 및 시공기법 등의 표준화 연구와 열 펌프의 인증 기준을 마련하고 대규모 보급을 위한 공동주택용(주거용) 지열 냉난방 시스템 기술 개 발을 진행하고 있다. 국내의 지열 열펌프 시스템 시장은 공공기관의 무화 제도 이후 급격히 증가하고 있다. 2009년까지 에너지관리공단에 신재생에너지 전문기업으로 등 록된 전체 3,000여 개 업체 중 지열 전문 업체는 약 484개 업체이며, 10여개 업체가 지열 시장을 선 도해 나가고 있다. 2003년 이후 지열 열펌프시스템 보급 증가와 함께 관련 업체의 수가 급격히 증가 하고 있다. 2.2.2 국내 관련 법규 및 제도 화석연료의 무분별한 사용과 CO배출에 관한 국제적인 규제에 대한 대비책으로 정부는 공공기 관 신재생에너지 이용 의무화 제도를 시행하게 되 고, 일반인들에게도 보급하기 위해 설치자금 지원 제도 등의 정비와 일반보급사업 등을 시작하였다. 이 제도를 시작함으로 신재생에너지 개발과 보급 에 많은 관심을 가지게 되고 정부와 민간단체의 지원과 연구 과제에 대해 활발한 활동을 이루어지 게 되었다. 2008년 9월 청와대에서 발표한 지식경제부의 녹 색성장추진전략에 따르면 현재의 공공의무화제도 인 총 건축투자비의 5%를 신재생설비에 투자 설 비토록 되어 있는 것은 2012년부터는 건축물에너 지 사용 부하량의 5%를 신재생에너지가 충당되도 록 설계하여야 한다는 정책을 발표하였고 이는 근 간의 법제화를 할 계획으로 추진하고 있어 이 제 도가 시행되면 지열의 경제성으로 인하여 시장형

성이 크게 증가하게 될 것이며 이를 검증하고 설 계하는 좀 더 진보된 전문 인력도 많이 필요할 것 이다. 또한 신재생에너지 이용 의무화 사용은 공공 기관 주도의 정책적 신재생에너지 시장 창출, 신재 생에너지 보급 확대에 대한 사회적 공감대 형성, 관련산업 및 시장육성을 통한 지열시스템 비용 저 감을 유도하는 목적이 된다. 지열시스템 보급 지원제도로는 지열이용시스템 보급을 위해 대체에너지시설 설치자금 및 운전자 금을 지원해 주고 있으며, 시설자금은 소요자금의 90%이내에서 당해 연도 동일사업자당 30억 원 이 내로 대출기간은 3년 거치 5년 분할 상환조건으로 (지원금리(변동)) 지원하고 있으며 또한 운전자금 으로는 대체에너지 이용 시설 생산자 및 A/S를 위 한 공동망 관리자, 대체에너지생산 공급자에게 지 원비율 90%, 동일 사업자당 3억원 이내로 대출기 간 1년 거치 2년 분활상환 조건으로 (지원금리(변 동)) 지원하고 있다. 타 사업에 비해 수익성이 상대적으로 떨어져 투 자에 대해 소극적 입장이었던 분위기는 최근 지속 적인 고유가로 인해 수익성 구조가 견실해지고 있 으며, 이에 따라 2006년부터 사업수요가 폭발적으 로 증가하고 있으며, 정부는 기존 에너지 특별자금 의 재원을 전력기금과 에너지 특별자금으로 이원 화하여 사업수요에 발맞추려하고 있다. 2.3 국외 활용 현황 2005년도까지 공급된 지열 이용 열펌프 시스템 의 대수는 세계적으로 약 130만 6000여 대로 추정 되고 있으며, 미국, 스위스, 스웨덴, 독일 등이 대 표적인 사용국이다. 세계적으로 지열원 열펌프 의 보급률은 지난 10년 간 매년 10%이상씩 증가하고 있다. 미국의 경우 관공서나 군부대, 학교 등 공공기관에 많이 설치되 고 있으며, 매년 약 12% 정도의 증가를 나타내고 있다. 이중 46%가 수직형 방식이며, 38%가 수평 형 방식, 15%가 개방형 방식으로 구성되어 있다. 또한 매년 12%의 보급 성장에 따라 2010년에만 160,000 대의 열펌프가 보급되고, 전체적으로는 지 열 열펌프의 설치대수가 150만 대에 이를 것으로 추정하고 있다. 특히 Oklahoma 주립대학을 중심 으로 한 연구진과 Climate Master, Florida Heat pump, Trane, Water Furnace 등을 필두로 한 15

개 정도의 열펌프 제작회사와 500여개의 설계, 시 공 및 진단업체의 적극적인 실용화 노력으로 지열 원 열펌프는 미국 전체 냉난방에너지의 약 1% 정 도를 점유하고 있는 실정이다. IGSHPA(국제지열협회)나 ASHRAE(미국공조 냉동공학회)는 지열원 시스템에 대한 새로운 연구 결과를 보급하고 있다. 또한 이 결과의 실제 적용 가능성을 검증한 후 매년 성능이 향상되고 기능이 다양한 지열원 열펌프와 지중열교환기 설치방법 등을 보급하고 있다. 미국과 일본 이외에도 독일, 덴마크, 스위스, 오 스트리아 그리고 북유럽의 스웨덴 및 노르웨이 등 일반적으로 난방, 급탕 및 향온 등이 필요한 지역 에서 상업용 건물과 일반 주택의 많은 부분에 지 열원 시스템을 활용하고 있으며, 특히 독일에서는 상업용 건물에 50~1,000 kW급의 열펌프 시스템을 활용하고 있다. 지열에너지 이용은 독일, 스웨덴, 영국 등을 중심으로 활발하게 보급되고 있으며, 지 열원 열펌프의 설치대수가 1998년 말을 기준으로 약 12만 대(Rybach and Sanner, 2000)에 이르고 있는 것으로 추정되고 있다. 3. 지중 천공 기술 3.1 시추공법의 문제점 암석 혹은 토양의 시료 채취, 양수, 유전개발 지 열이용 등의 다양한 목적을 위한 시추 시 시추공 벽면의 안정성 문제는 시추공의 생산효율성을 저 하시킬 뿐만 아니라 최악의 경우 시추공을 포기하 게 함으로써 계획된 사업의 지연과 부가적인 예산 투입 등의 문제를 발생시킨다. 시추공벽에서 발생 되는 문제는 공벽이 부풀어 오르거나(swelling), 공벽의 파쇄에 의한 함몰(caving) 등이 대표적이 며, 이로 인해 시추공 삽입 장비의 파손이나 누수 로 인한 관정의 생산성 저하 등의 문제를 일으킬 수 있다. 특히 시추 공벽의 변형 또는 파괴는 일반 적으로 시추공의 공경이 커지거나 심도가 싶어짐 에 따라 증가하기 때문에 대심도 시추공의 경우 관정의 유지(maintenance)를 위한 보다 체계적이 고 합리적인 계획이 요구된다. 그 동안 국내에서는 육상 지하자원(대부분 지하수)의 매장 심도가 깊 지 않고, 시추공을 이용한 대규모 사업의 수행 경 험도 부족하여 시추공 안정성 관리에 대한 체계적

인 연구가 전무한 실정이다. 3.2 국내 현황 공벽의 안정성 문제는 시추공 프로젝트의 전 과 정에서 발생할 수 있으며, 문제 해결에 소요되는 비용도 매우 높은 편이다. 따라서 굴착된 시추공의 사용 수명과 효율성은 시추공 보강의 성공에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 일반적으로 공벽의 안 정성을 확보하기 위해서는 굴착 과정에서 케이싱 (casing) 또는 그라우팅(grouting)을 이용한 시추 공 보강 작업이 요구된다. 하지만 국내에서 시추공 굴착은 대부분 지하수 개발이나 지반 조사의 목적 으로 1km 내외로 수행되었고, 굴착과 이후의 발생 되는 시추공 안전성에 대한 깊은 논의가 아직까지 미비한 실정으로 시추공에서의 보강공법에 대한 시공 기술과 경험이 풍부하지 못한 형편이다. 3.3 국외 현황 해외의 경우, 지하수, 유전, 지열 개발과 다양한 지반물성 조사 및 연구 목적의 대심도 시추공을 굴착하는 과정에서 얻어진 많은 경험을 바탕으로 다양한 보강공법이 개발, 적용되고 있다. 시추공 안정성 확보를 위한 노력은 특히 석유산업과 밀접 한 관련을 가지고 발달하여 왔다. 세계적으로 유전 개발에 활발히 진행되고 있는 미국, 중국, 캐나다, 북해 지역의 많은 석유개발 중인 시추공에서 케이 싱 파손(casing failure)이 발생하였다. 케이싱 파 손의 시추공벽 불안정화 문제는 석유생산의 차질 을 가져왔으며, 더불어 이러한 문제의 원인을 규명 하려는 많은 연구들이 수행되었으며 수치 모델링 을 통해 연구 지역의 케이싱 파열의 메커니즘을 분석한 결과, 소모성 스크린, 자갈 팩킹, frac-and-pack과 같은 마무리 공법이 비록 많은 비용의 증 가를 가져올지라도 sanding에 의한 공동을 방지하 는데 유용하다고 제시하였다. 3.4 시추ㆍ보강공법 시추공을 뚫는 것은 많은 기술을 요하는 작업이 다. 시추를 할 시에 수직으로 시추를 못 할 경우 케이싱의 삽입시 변형이나 파괴의 원인을 만들게 되기 때문에 정확한 수직시추 기술을 요하게 되는 것이다. 그리고 케이싱의 삽입을 할 때 안정적으로 작업을 이루기 위하여 수치에 맞는 관경보다 좀 더 큰 관경을 구하여 여유율을 높이는 것 역시 좋 은 방법이다. 4. 지열시스템의 보급 활성화 방안 4.1 지열 시스템의 보급 활성화의 장애요인 4.1.1 인식과 계약 국내시장에서 지열원 시스템은 아직도 일반 기 계설비로 인식이 되어 있어 각종 프로젝트 진행에 초기에너지계획 수립단계부터 참여가 어렵고 단순 한 신ㆍ재생에너지의 적용관점을 맞추어 용량만을 포함시켜 설계가 진행되고 승인, 허가된다. 그 후 로 시공을 하는 건설사가 일반 설비 업체의 하도 급 계약을 하고 설비 업체에서 지열 전문 업체에 게 다시 하도급 계약을 한다. 에너지관리공단에서 발표하고 있는 상한공사비 또한 현재 상황과도 비 합리적이지만 이 또한 몇 단계에 걸쳐 하도급 계 약을 하게 되고 그 결과는 저가 공사를 유도하게 되어 결국 부실시공을 초래하게 된다. 4.1.2 전문 인력 및 지원제도의 미흡 공공기관의무화 사업에 관련하여서는 현재 에너 지관리공단에서 설계시에 시험 천공을 선행하고 그 데이터를 근거로 지열시스템을 설계하게 되어 있으나 그 결과물을 합리적으로 판단할 수 있는 국내 인력 및 전문가의 부재로 현장들의 관리와 정상적인 운전의 유무, 초기 설계시의 인증한 효율 등에 관련한 어떠한 데이터 수집, 관리 업무조차도 부재된 상황이며, 국고를 집행하여 진행된 융자사 업, 보급사업 등에서도 미비한 상황이다 4.1.3 정부 정책 방향의 잦은 변동 정부 정책 방향이 매년 달라지고 있어 건설 시 장 흐름의 부합하지 못한 결과를 초래한다. 국내 신ㆍ재생에너지의 역사가 길지 않은 관계로 합리 적인 방안을 찾기까지 시간이 필요한 것은 분명하 지만 극단적으로 매년 변경되는 현 상황에 적응하 기란 전문기업의 운영에 많은 손실을 가져오고 있 다. 4.1.4 한정된 공법만의 평가

신ㆍ재생에너지 중 지열원 시스템에는 여러 가 지 공법들이 있으며 각각의 공법에 대해서 각 현 장에 가장 최적합한 공법의 유도가 전문 기업의 의무임에 분명하지만 공공기관의무화 사업, 보급 사업에서 몇 가지 공법에만 특혜를 주어 강제적으 로 전문기업의 설계 아이템 영역을 축소하고 있다. 4.1.5 전기 요금 체계(누진제)의 문제점 현행 에너지 비용 체계에서는 지열원 시스템의 적용 시 경제성은 저조할 수밖에 없는 결과가 초 래된다. 신ㆍ재생에너지를 생산과 절약이라는 두 가지로 분류해보면 지열원 시스템(냉난방)은 절약 아이템으로 소량의 전기에너지를 사용하게 된다. 이때 지열원 시스템으로 투입되는 전기 사용량에 대한 비용 계산 시 공동주택의 일반 전기 할증제 에 따른 효율을 요율을 적용받게 되어 있어 이런 제도에서는 공동주택의 지열시스템보급에 막대한 지장을 초래하고 있다. 또한, 일반 가정 주택에 적 용하여도 가정용 전기의 누진제에 따라 적용 가능 성은 아주 희박해진다. 4.2 지열 시스템의 보급 활성화 4.2.1 지역적 특성에 적합한 모델의 선정 지열 에너지 이용을 위한 모델을 선정할 때에 성능이 좋고 뛰어난 제품을 사용하는 것은 좋지만 그 지역적 특성에 맞는 모델을 선정해 사용할 수 있어야 효율이 높게 적용될 것이다. 이에 따라 우 리 나라에 맞는 지열 사용 모델을 개발, 연구하고 효율을 분석한 자료를 구축해야 할 것이다. 4.2.2 전문기업 하도급 제한 변경안 건축주 또는 건설사와의 계약을 법적으로 명시 하여 여러 단계의 하도급이 발생하지 않도록 해야 성실시공, 책임시공을 유도 할 수 있으며, 초기 설 계시에 설계사와 함께 건축물의 에너지 절약에 관 련하여 합리적인 제안을 할 수 있도록 하여야 하 며 각 에너지원별 상한공사비에 대해서는 전면 재 검토 되어야 한다. 4.2.3 모니터링 사업의 체계화 지금까지 지원한 지열원 시스템 현장들의 모니 터링 사업을 에너지관리공단에서 주관해야 한다. 각 공법별, 각 현장별, 각 지역별 합리화 자금, 지 원 자금을 집행한 현장을 모니터링하여 실제적인 에너지 절감, CO절감의 정량적인 데이터를 수집 하고 지금까지의 정책을 평가해야 한다. 이러한 작 업을 지금부터 행하고 데이터를 누적시켜야 향후 에는 좀 더 신뢰성 있는 설계 시공, 업체를 평가할 수 있을 것이다. 4.2.4 지열원 시스템의 전반적 재검토 국내 지열원 시스템이라고 함은 수직밀폐형, 수 평밀폐형, 흙막이 공사(SCW) 이외에는 인정이 되 고 있지 않다. 지열원으로서 회수, 하천수, 호수, 댐, 공기 등은 미활용 에너지로 분류되어 신ㆍ재생 에너지 이용 보급촉진법이 아닌 에너지 절약사업 으로 구분되어 있다. 어떤 통합된 법령이나 시행령 이 필요하며 각각의 공법을 실증하여 통합적인 해 결책을 사용자에게 제공하여야한다.

Fig. 1 Efficiency comparison of construction methods 4.2.5 요금 정책의 변화 대부분 건설사들이 관심을 가지고 있는 공동주 택의 적용은 많은 걸림돌이 있고 그 중 하나가 일 반 전기의 할증제, 가정용 전기의 누진제라 할 수 있다. 또한 정부의 인센티브, 지원방향이 결정이 되어야 대형 건설사들이 적극적인 움직임을 기대 할 수 있다. 4.2.6 우리나라의 지질 온도에 대한 DB를 구축 지열에너지 사용시 원활한 작업을 할 수 있게끔 한다. 즉 시험천공을 하지 않고도 일정 깊이에서도 그 지질의 온도분포에 대한 것을 알 수 있는 기술 을 만들어야 할 것이다.

4.2.7 배관 시공의 정확성 시공시 히트펌프 주변의 배관 시공의 정확성이 요구됨에 따라 제도적으로 책임시공의 의무를 하 도급 업체에게 부여하여 시공의 정확성을 높여 지 열펌프의 효율을 높일 수 있도록 해야 한다. 5. 결론 에너지 고갈과 환경 문제로 인하여 현 사회는 신재생에너지에 대한 많은 관심을 가지고 있고 전 세계적으로 지난 30년 동안 전력 생산을 위한 지 열에너지의 개발은 초기에는 연간 15%성장하였으 나 지난 10년간은 연간 3%의 성장을 이루었다. 지 열 에너지의 직접 이용은 지난 30년간 연간 10% 의 성장을 하였고 대부분은 지열 히트 펌프에서 이루어졌다. 지열원 열펌프시스템 연구 성과가 많 은 응용분야로 넓혀가기 시작하고 있다. 주요 응용 분야 발전에는 하이브리드 지열 히트 펌프(Hybrid Ground Source Heat Pump)시스템의 발전과 개선 된 그라우트 재료와 시추공 설치 기술 그리고 지 중열교환기(GLHE, Ground Loop Heat Exchanger)의 발전이 이루어지고 있다. 그러나 부분적 기술의 발전에만 만족하는 것이 아닌 전체적인 완성도를 높여야 만이 보다 효과적 인 사용이 가능할 것이다. 정부는 대규모 실용화 단계에 진입하기 위해 초기 투자비 절감기술 개발 과 지열 자원에 대한 국가적 차원의 종합적인 정 보네트워크 DB를 구축할 수 있는 기반을 만들어 야 하고, 외국의 장비와 설계공법 등의 국산화를 통해 국내의 지질 및 기후조건, 시공조건 등을 고 려한 신뢰성 향상 및 시공기법 개발을 추진하고 열펌프 유닛, 지중 열교환기, 전체 시스템에 대한 인증 제도를 강화하여 열펌프 유닛의 핵심부품의 국산화를 가져야할 것이다. 그리고 주거용으로 보 급 확대를 위한 전기요금 누진제 등의 제도 개선 하여 일반 가정에 지열에너지 보급을 확대시켜야 할 것이다. 참고문헌

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2. Ministry of Science and Technology, 2003, On-line Monitoring and Diagnosis in Building Energy Utilities, Ministry of Science and Technology

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7. Park, S. Y., 2004, A Study on the Association of Building Integrated Photovoltaic Application and High-Efficiency Heat Pump, Chungang University

8. Korea Institute of Science and Technology Information, 2006, Technology Trend of a Global Geothermal Energy, Korea Institute of Science and Technology Information