1. 서 론
최근의 원유 수급 불안정으로 인한 유가 상승과 급속한 산업화로 인해 점차 심각해지는 지구온난화 에 대처하기 위한 방안으로 대체에너지 개발과 CO2
저감을 위한 국가 차원의 관심이 증대되고 있다. 이 에 따라 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지의 3 개 신에너지 분야와 태양열, 태양광, 바이오, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물의 8개 재생에너지 분야가 대체에너지로서 주목받고 있다(조윤주 외, 2009). 이 중 지열을 이용하는 지열히트펌프시스템은 미국 환 경청(USEPA)으로부터 가장 효율적이고 친환경적 인 시스템중의 하나로 평가받았다(USEPA, 1993).
우리나라는 사계절이 뚜렷하여 여름철 평균온도는 23~27℃ 범위로 나타나며 겨울철 평균온도는 -6~7℃
범위로 나타나는 한편 지하 70 m 깊이에서 측정한 지하수의 연평균온도는 10~18℃ 범위로 거의 일정 하게 나타난다(Lee, 2009).
지열히트펌프시스템은 연중 거의 일정하게 유지 되는 지중의 온도를 지상으로 전달하여 냉난방에 활 용하는 시스템으로서 지중이 지상보다 상대적으로 온도가 낮은 여름철에는 냉방모드로 운전을 하며, 지 중이 지상보다 상대적으로 온도가 높은 겨울철에는 난방모드로 운전하여 하나의 시스템으로 냉난방이 모두 가능한 것이 지열히트펌프시스템의 특징이다.
지열히트펌프시스템은 열원의 종류 또는 열전달 유
체의 순환 방식에 따라 구분될 수 있는데, 열원의 종류 에 따라 지반 이용 히트펌프, 지하수 이용 히트펌프, 지 표수 이용 히트펌프, 복합 지열원 히트펌프로 구분 되며(신현준, 2004), 열전달 유체의 순환방식에 따라 서는 관정 내에 물 또는 부동액을 순환시키는 밀폐형 (closed loop type)과 지하수를 직접 사용하는 개방 형(open loop type)으로 구분된다(조윤주 외, 2009).
Lee (2009)는 국내에 보급된 2008년 이전의 지열 히트펌프시스템을 적용대상 건물의 시설 용도, 시스 템 설치 용량, 지열히트펌프시스템 유형, 설치지역 등을 기준으로 분포 현황을 분석하고, 지열히트펌프 시스템의 설치비용과 국내 지열 관련 전문 업체의 분포 현황을 분석한 바 있다. 본 연구에서는 국내에 설치되고 있는 지열히트펌프시스템의 유형과 시공 방법 등의 현황과 추이를 분석하였다. 본 연구를 위 해 최신(2009-2010)의 23개 기관 및 시설(이하 조사 대상)의 지열이용 검토서가 활용되었으며, 이를 바 탕으로 시설 용도, 설치용량, 지중열교환기, 보어홀, 그라우트, 지중순환수, 배관, 보온재, 지열순환펌프, 냉온수 순환펌프, 팽창탱크, 버퍼탱크의 적용 유형 을 파악하고 그 분포 비율을 분석하였다.
2. 본 론
2.1 시설 용도 및 설치용량
조사대상을 시설 용도에 따라 분류해본 결과 관
<Short Note>
국내 지열히트펌프시스템의 기술적 적용분석(2009-2010)
안재영1․이진용1,‡․목종구2
1강원대학교 지질학과
2(주)지오쓰리에코
Jae-Young Ahn, Jin-Yong Lee and Jong-Gu Mok, 2011, Analysis of technical application of ground source heat pumps in Korea (2009-2010). Journal of the Geological Society of Korea. v. 47, no. 1, p. 89-96 (Jae-Young Ahn and Jin-Yong Lee, Department of Geology, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea; Jong-Gu Mok, Geo3eco Co., Ltd., Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea)
‡Corresponding author: +82-33-250-8551, E-mail: [email protected]
공서의 비율이 26.1%로 가장 높았으며 문화시설 21.7%, 교육시설 17.4%, 농업시설 17.4%, 체육시설 8.7%, 사회복지시설 4.3%, 상업시설 4.3% 순으로 나 타났다. 이러한 수치는 주로 민간보다는 정부기관 및 공공기관의 주도에 의해 지열히트펌프시스템의 보급이 이뤄지고 있음을 의미한다(그림 1a). 조사대 상의 지열히트펌프시스템 보급용량을 살펴보면 200~500 RT 이하가 30.4%로 가장 높았으며, 50~100 RT이하 21.7%, 10~50 RT 이하 21.7%, 100~200 RT 이하 13%, 500 RT 초과 13%순으로 나타났다. 이는 대체 로 중 · 대용량 위주의 지열히트펌프시스템이 설치 되고 있음을 의미한다(그림 1b). 일반적으로 1 RT는 3.5 kW로 환산된다.
2.2 지중열교환기와 보어홀
조사대상의 지중열교환기는 모두 수직밀폐형이 며, 형식이 불명확한 한곳을 제외하고는 모두 싱글 U 방식으로 나타났다. 이는 좁은 지역에서도 설치가 가능한 수직밀폐형 방식의 특징에서 기인한 것으로 해석된다. 지중열교환기 설치를 위한 파이프의 규격은 HDPE 32A SDR-11의 적용 비율이 39.1%로 가장 높게 나타났고, HDPE 40A SDR-11 26.1%, HDPE 30A SDR-11 13.0%, HDPE D30 SDR-11 8.7%, HDPE 40 SDR-11 4.3%, HDPE 30 SDR-11 4.3%, HDPE 34.5 SDR-11 4.3% 순으로 나타났다. 파이프의 직경 이 작아질수록 지열순환펌프의 소비전력은 감소하 지만 열전달이 원활하지 못할 수 있으며 반대의 경 우 열전달은 원활하게 일어나지만 펌프의 소비전력 은 증가하는데, 이와 같이 파이프의 직경은 지열순 환펌프의 성능과 수명에 영향을 미치고 설치비용 및 유지비용과도 밀접하게 관련되어있기 때문에 적절 한 선택이 요구된다(산업자원부, 2005). 조사대상의 지중열교환기 설치를 위한 보어홀의 깊이는 최소 115 m, 최대 200 m의 범위로 나타났으며, 이 중 150 m 깊이로 천공한 곳의 비율이 전체의 60.9%로 가장 높 게 나타났다. 보어홀의 수는 34개 미만이 34.8%로 가장 높게 나타났으며 34~66개 이하 21.7%, 66~100개 이하 21.7%, 166개 이상 13%, 100~166개 이하 8.7%
순으로 나타났다(표 1).
2.3 그라우트
그라우트는 외부 물질이 공 내로 유입되어 지하수
가 오염되는 현상을 방지하기 위함이 주요 목적이며, 지 중열교환기와 주변 지중간의 열교환을 활발하게 하 는 역할도 함께 수행한다(정하익, 2006; 조정식, 2006;
최항석 외, 2008; Allan and Philippacopoulos, 1999).
지열히트펌프시스템의 장기간 운영시 그라우트의 균열로 인한 외부 오염물질 유입 가능성이 있으므로 적절한 재료선택 및 관리가 요구된다(조윤주 외, 2009). 일반적으로 순수 벤토나이트, 벤토나이트/첨 가제 혼합, 순수시멘트, 시멘트/첨가제 혼합 등이 그 라우트의 주요 재료로 사용된다(표 2; MDNR, 2004;
Fig. 1. Distribution of (a) usage and (b) system capacity
of GSHP systems installed at 23 locations in Korea during 2009-2010.한국건설기술연구원, 2005). 벤토나이트는 물과 반 응하면 팽창하는 성질을 가지고 있기 때문에 그라우 트 재료로 널리 쓰이고 있지만 주변 토양 및 암반에 비해 열전도도가 낮은 단점을 가지고 있기 때문에 대체로 순수 벤토나이트(물과 벤토나이트의 혼합) 에 실리카샌드나 기타 첨가제를 혼합하여 사용하는 추세이다(손병후, 2006).
조사대상에서 사용된 그라우트는 벤토나이트와 실리카샌드를 함께 사용하는 경우가 52.2%로 가장 많았고 순수 벤토나이트를 사용하는 경우는 26.1%, 벤토나이트 · 실리카샌드 · 유동화재를 함께 사용하 는 경우는 13.0%, 벤토나이트와 유동화재를 함께 사 용하는 경우는 8.7%로 나타났다(그림 2a). 벤토나이 트의 혼합비율을 보면 20% 혼합이 전체의 69.6%로 가장 높게 나타났으며, 15% 혼합은 17.4%, 17.5% 혼 합은 4.3%, 12.8% 혼합은 4.3%, 10% 혼합은 4.3%
순으로 나타났다. 이를 바탕으로 대체로 15%와 20%
의 비율로 벤토나이트를 혼합하고 있음을 확인하였
다(그림 2b). 실리카샌드는 5% 혼합이 전체의 46.7%
로 가장 높게 나타났으며, 15% 혼합은 26.7%, 40%
혼합은 13.3%, 17.5% 혼합은 6.7%, 20% 혼합은 6.7%
순으로 나타났다(그림 2c). 대체로 5%와 15% 비율 로 실리카샌드를 벤토나이트와 함께 혼합하고 있음 을 확인하였다. 벤토나이트와 실리카샌드의 혼합 시 실리카샌드의 함량이 높고 입자 크기가 작을수록 혼 합물의 열전도도가 높아진다는 연구 결과가 있다(손 병후, 2006).
2.4 지중순환수
지중순환수는 열교환 유체로서 냉방모드에서는 지상의 열을 지중으로 배출하고 난방모드에서는 지 중의 열을 지상으로 전달하는 역할을 담당한다. 일 반적으로 지중순환수로서 국내외에서 사용되고 있 는 물질로는 메탄올, 에탄올, 프로필렌글리콜, 아세 트산칼륨 등이 있으나(한국건설기술연구원, 2005; 신현 준, 2007; NRCan, 2002; Mehnert, 2004; CDPH, 2007;
Table 1. Specification of borehole heat exchangers (BHE) for GSHPs installed at 23 locations in Korea during 2009-2010.
Parameter Type Locations Percentage (%)
Type of BHE Single U 22 95.7
Unknown 1 4.3
Diameter of boreholes (mm) 150 23 100
Drilling depths of borehole (m)
115 1 4.3
150 14 60.9
170 1 4.3
180 3 13.0
200 4 17.4
Number of boreholes
<34 8 34.8
34~66 5 21.7
66~100 5 21.7
100~166 2 8.7
>166 3 13.0
Minimum interval of boreholes (m) 5 20 87.0
6 3 13.0
Table 2. General grout used for BHE (KICT, 2005).
Grout Explanation
Bentonite only Na bentonite+H2O
Bentonite/Additive mixing Na bentonite+Silica (or fine sand) Cement only Hydration cement+H2O
Cement/Additive mixing Cement+Bentonite (or sand)+H2O
EBA, 2007) 이들 물질의 유출에 따른 지하수 오염 우 려가 있기 때문에 많은 국가들이 물만을 사용하도록 하고 있다(DenBraven, 1998). 우리나라 역시 원칙 적으로는 물만을 사용하도록 하고 있으나 물의 동결 점이 부동액에 비해 높아 동파 우려가 있는 점을 감 안하여 최대 20%까지 부동액을 혼합하여 사용할 수 있도록 허용하고 있다(파이낸셜뉴스, 2010). 실제로 23곳의 조사대상중 물 100%를 지중순환수로 사용 하는 한곳을 제외한 22곳이 에탄올을 함께 사용하는 것으로 확인되었다. 에탄올 첨가 비율은 20% 첨가 하여 사용하는 곳이 전체의 54.5%로 가장 높게 나타 났으며, 12.9% 첨가는 22.7%, 15% 첨가는 9.1%, 16.5%
첨가는 9.1%, 10% 첨가는 4.5% 순으로 나타났다(그
림 3). 따라서 에탄올이 지하수 내로 유입되지 않도 Fig. 3. Addition ratio of ethanol for heat transfer fluid.
Fig. 2. Distribution of type of grout (a) and addition ratio of bentonite (b) and silica sand (c).
록 지속적인 관리가 필요할 것으로 판단된다.
2.5 배관, 보온재
조사대상의 트렌치배관은 주로 1.5~2.0 m 범위의 깊이로 시공하는 것을 확인하였으며 이중 87%가 1.5 m 깊이에 설치되는 것으로 나타났다. 기계실 배 관의 경우 동관의 사용 비율이 39.1%로 가장 높았으 며, 동관(L형) 30.4%, 흑강관 17.4%, STS304 4.3%, STS 4.3%, 동관 · 강관 4.3% 순으로 나타났다. 동관, 동관(L형)의 합이 69.5%로서 동 재질의 관이 주로 사용되는 것을 알 수 있다. 보온재로는 가교발포폴 리에틸렌(아티론)의 적용 비율이 56.5%로 가장 높 게 나타났으며, 이 외에 고무발포 26.1%, 유리솜 13.0%, 아티론 · 고무발포 보온재 4.3% 순으로 나타났다(표 3).
보온재의 두께는 가교발포폴리에틸렌 25~40 mm, 고무발포 25~32 mm, 유리솜 40~50 mm, 아티론 · 고 무발포 보온재 25 mm 범위로 나타났다.
2.6 지열순환펌프
지열순환펌프는 지중과 지상의 열이 열교환기에 서 서로 교환될 수 있도록 지중순환수를 순환시키는 역할을 한다(박정환 외, 2008). 23곳의 시설에 설치 된 총 45대의 지열순환펌프는 모두 인라인 형식으로 파악되었으며, 시설 용도를 기준으로 개별 펌프 당 유량을 평균적으로 나타낸 결과 농업시설이 1,430 lps로 가장 높았으며 문화시설 1,097.8 lps, 체육시설 777 lps, 사회복지시설 625 lps, 관공서 528.9 lps, 교 육시설 518.4 lps, 상업시설 397 lps 순으로 나타났 다(그림 4). 양정은 20~25 m 이하가 34.8%로 가장 높게 나타났으며, 25~30 m 이하 26.1%, 30~35 m 이
하 17.4%, 35 m 이상 13%, 20 m 이하 8.7% 순으로 나타났다. 20~30 m 이하의 범위가 전체의 60.9%를 차지한다. 지열순환펌프의 효율은 60~70% 범위의 효율을 보이는 펌프가 전체의 39.1%로 가장 높게 나 타나며, 50~60% 범위 21.7%, 70~80% 범위 8.7%, 80~90% 범위 8.7%, 90% 이상 8.7% 순으로 나타났 다. 반면 50% 이하의 효율을 보이는 펌프의 비율도 13%로 나타나는 것을 확인하였다. 예비펌프 설치 현황을 살펴보면 지열순환펌프 1대당 예비펌프를 1 대씩 두고 있는 곳이 전체의 69.6%로 나타났으며, 예비펌프를 두지 않고 있는 곳은 21.7%로 나타났다.
한편 예비펌프를 2대 설치했거나 예비펌프의 수량 이 불명확한 곳은 각각 4.3%로 나타났다(표 4).
2.7 냉온수 순환펌프
냉온수 순환펌프는 물의 순환을 통한 냉방 및 난 Table 3. Type of piping in machine room and thermal insulator.
Parameter Type Percentage (%)
Piping
Copper 39.4
Copper (L type) 30.4
Steel pipe 17.4
STS304 4.3
STS 4.3
Copper+Steel 4.3
Thermal insulator
Foamed polyethylene 56.5
Elastomeric Flexible Cellular Insulation (EFCI) 26.1
Free wool 13.0
Foamed polyethylene+EFCI 4.3
Fig. 4. Average flux of geothermal circulation pumps.
방을 위해 사용된다. 냉온수 순환펌프는 전체 조사 대상중 5곳에서 설치하였으며 이 중 농업시설이 4곳 이었으며, 나머지 한 곳 또한 농업과 관련성이 있는 문화시설로 확인되었다. 물은 비열이 크고 온도변화 가 적으므로 온도변화에 민감한 작물을 재배하는 시 설에서는 공기를 이용한 냉난방보다는 물을 이용한 냉난방이 더 적절하다는 판단에 따른 결과인 것으로 해석된다. 시설 용도를 기준으로 개별 펌프당 유량 을 평균적으로 나타낸 결과 농업시설이 1,265.6 lps 로 가장 높았으며, 문화시설은 1,431 lps로 나타났 다. 냉온수 순환펌프의 양정은 11 m가 55.6%로 가 장 높은 비율로 나타났고, 9.8 m는 22.2%, 10 m는 11.1% 순으로 나타났다. 그 외 25 m의 양정을 보이 는 펌프도 1개 확인되었다. 냉온수 순환펌프의 양정 은 대체로 9.8~11 m 범위를 보이고 있는 것을 확인 하였다. 효율은 80~90% 이하의 범위의 효율을 갖는 펌프의 비율이 전체의 66.7%로 가장 높게 나타났고, 90% 이상의 효율을 갖는 펌프의 비율은 22.2%, 64.6%
이하의 효율을 갖는 펌프의 비율은 11.1% 순으로 나 타났다(표 5).
2.8 팽창탱크
팽창탱크는 난방 및 급탕시 온수의 체적 팽창으 로 인해 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위해 설치 한다. 팽창탱크의 형식은 입형을 적용한 한 곳을 제 외하고 모두 밀폐형이며, 재질은 SS400인 것으로 나 타났다. 조사대상에서의 팽창탱크 설치 대수를 살펴 보면 전체의 65.2%가 1개의 팽창탱크를 설치하였으 며, 26.1%가 2개를 설치하였고 3개 또는 4개 설치한 곳은 각각 4.3%로 나타났다. 팽창탱크의 용량을 파 악해본 결과 200~500 L가 37.5%로 가장 높게 나타 났고, 200 L 이하는 21.9%, 500~1,000 L 이하는 21.9%, 1,000~1,500 L 이하는 12.5%, 1,500 L 이상은 6.3%
순으로 나타났다(그림 5). 농업시설 중 두 곳과 체육 시설 중 한 곳, 관공서중 한 곳에서 1,000 L 이상의 팽창탱크를 설치한 것으로 확인되었다.
Table 4. Specification of geothermal circulation pumps.
Parameter Type Value/Locations Percentage (%)
Pump type In-line 45 100
Flux (lps)
Public 528.9 9.8
Cultural 1,097.8 20.4
Gymnasium and stadium 777 14.5
Education 518.4 9.6
Social welfare 625 11.6
Commercial 397 7.4
Agriculture 1,430 26.6
Lift (m)
<20 2 8.7
20~25 8 34.8
25~30 6 26.1
30~35 4 17.4
>35 3 13.0
Efficiency (%)
<50 3 13.0
50~60 5 21.7
60~70 9 39.1
70~80 2 8.7
80~90 2 8.7
>90 2 8.7
Amount of reserve Pump
0 5 21.7
1 16 69.6
2 1 4.3
Unknown 1 4.3
2.9 버퍼탱크
버퍼탱크는 유량 부족으로 인한 시스템 부하를 방지하기 위한 목적으로 설치한다. 버퍼탱크는 조사 대상중 8곳에 설치되었으며, 2개의 버퍼탱크를 설치 한 한 곳을 제외하고는 모두 1개의 버퍼탱크를 사용 하는 것으로 확인되었다. 버퍼탱크를 설치하지 않은 나머지 시설들은 지열히트펌프를 분할설치하여 순 차운전, 교번운전이 가능하도록 시스템을 구성한 것 으로 확인되었다. 버퍼탱크의 형식을 살펴보면 오픈 형이 44.4%로 가장 높은 비율로 나타났으며, 입형 22.2%, 밀폐형 22.2%, 수축열조 11.1% 순으로 나타 났다. 탱크 재질은 오픈형과 입형은 STS304, 밀폐형 은 SUS 또는 SS400, 수축열조의 경우 콘크리트를 사 용하는 것으로 파악되었다. 탱크 용량은 수축열조 2,029,000 L, 오픈형 180,048~660,178 L, 밀폐형 2,000~
3,000 L, 입형 2,000 L 순으로 확인되었다.
3. 결 론
본 연구에서는 국내에 적용된 지열히트펌프시스 템의 시설 용도에 따른 적용 현황과 설치용량 분포를 살펴보고 시스템 설치 과정에서 어떠한 기술적인 적 용이 이뤄졌는지 파악하였다. 국내 지열히트펌프시 스템의 보급은 정부기관 및 공공기관의 주도에 의해 이뤄지고 있으며 대체로 중 · 대용량 위주로 시스템 보급이 이뤄지는 것을 확인하였다. 민간에 의한 보급 과 소용량 시스템의 보급이 적은 이유로는 지열히트 펌프시스템에 대한 홍보가 부족하고 전기료 누진세 로 인한 경제적 부담이 원인인 것으로 사료된다.
지열히트펌프시스템을 구성하는 각 요소들의 적 용 현황을 살펴본 결과 시설의 용도과 규모에 맞추 어 지열히트펌프와 지열순환펌프의 용량, 설치 대 수, 예비펌프 수량, 냉온수 순환펌프 설치여부, 버퍼 탱크 설치여부 등의 결정이 이뤄지고 있으며, 지중 열교환기 파이프와 그라우팅, 지중순환수, 기계실 배관과 보온재 등은 보다 효율적이고 뛰어난 성능을 보이는 재질을 주로 적용하는 것이 확인되었으며 이 는 매우 긍정적이다. 다만 유지보수가 수월한 지상 의 기계 설비와 달리 보어홀과 지중교환기는 천공, 그라우팅에서부터 시스템 사용 및 폐쇄 이후에도 지 하수 오염 가능성을 안고 있으므로 이들을 다루는데 있어서는 보다 세밀한 주의와 관리가 요구된다.
사 사
본 연구는 환경부 “토양지하수오염방지기술개발 Fig. 5. Distribution of volume of expansion tanks.
Table 5. Specification of cold and hot water circulation pumps.
Parameter Type Value/Locations Percentage (%) Average of flux (lps) Agriculture 1,265.6 46.9
Culture 1,431.0 53.1
Lift (m)
9.8 2 22.2
10 1 11.1
11 5 55.6
25 1 11.1
Efficiency (%)
64.58 1 11.1
80~90 6 66.7
>90 2 22.2
사업(171-101-011)”의 지원으로 수행되었습니다. 세 심한 심사와 조언을 해주신 여인욱 교수님과 송윤호 박사님께 진심으로 감사드립니다.
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투 고 일 : 2011년 1월 24일 심 사 일 : 2011년 1월 25일 심사완료일 : 2011년 2월 8일
