집 중 기획
여러 가지 미활용에너지 중에서, 지하 통신구(통신용 케이블을 수용 하는 터널) 내에서 발생하는 지하수와 터널 내의 공기는 냉난방용으로 활 용하기에 매우 유용하다. 이 글에서는 실제로 이러한 형태의 에너지를 활 용한 사례와 확대 가능성을 짚어 본다.
건축물 에너지에 대하여
본론으로 들어가기에 앞서서, 건축물에 활용할 수 있는 에너지원이 어떤 것이 있는가를 다시 한 번 상기하고 또한 이 논문의 주제가 되는 미 활용 에너지원의 가치를 짚어 보기 위해서 먼저 Nikken Sekkei에서 나온 자료를 인용하였다.
그림 1을 보면 오래전부터 이미 활용하고 있는 에너지도 있고, 여전 히 미활용 상태로 있거나 활용 정도가 낮은 에너지원들이 있다. 그중 Cool
& Heat Trench는 어느 정도의 경제성이 있을까? Nikken Sekkei가 발표한 CASBEE(Comprehensive Assessment System for Built Environment Effi- ciency)를 이용한 사례 연구를 보면(그림 2), 쿨&히트 터널의 경우는 건 설비가 약 10% 상승되지만 에너지절감 효과는 30%가 넘는다고 한다.
박태동
(주)쓰리알테크 대표이사 ted_8888@naver.com
통신구 내의 유출지하수 및 터널 내의 공기는 냉난 방용으로 훌륭한 에너지원이며, 이에 대한 활용사 례를 소개하고자 한다.
통신구 에너지원의 활용
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그러나 본 원고에서 다루고자 하는 미활용에 너지는 이미 건설된 지하 통신구에서 발생하는 지 하수 및 공기로서 사실상 공짜로 얻을 수 있다. 즉, 구조물 구축비용을 제외한 설비 및 장비 비용만을 고려하면 되므로, 아래에서 설명되는 실제 사례에 서와 같이 에너지절감 효과와 경제성이 매우 우수 하다.
통신구 공기 활용
다수의 통신케이블을 수용하기 위해 만들어진
통신구는 대부분 KT에서 보유하고 있고 총연장 길 이는 350 km에 달한다. 이는 전화국을 중심으로 건 설되었는데, 해당지역의 통신수요에 따라 통신구 의 크기 및 길이가 결정되었으며, 지하 15 m 이하 에 지름 2.4 m 이상의 터널이 많이 있다. 통신용으 로는 1년 내내 냉방으로만 활용하면 되지만, 사무 실 또는 주택의 냉난방용으로 활용될 때는 냉각 또 는 열 트렌치의 역할을 할 수 있다.
KT에서 공기 활용사례를 보면, 고양시 덕양구에 있는 통신구의 냉기를 통신실에 공급하여 냉방비용 을 획기적으로 절감하고 있다(2012년 5월 이후).
통신실의 경우 그림 3과 같이 교환장비 및 전 송장비를 수용하고 있기 때문에 지속적으로 열이 발생한다. 따라서 심지어 겨울철에도 냉방이 필요 하며 수년 전 만 하더라도 24℃ 정도의 온도를 유지 하도록 관리되었다(최근에는 통신장비의 내열성능 이 좋아져서 통신실의 온도가 28℃를 넘지 않도록 관리함). 위에 언급한 통신실에는 기존에 총 50 RT 의 항온항습기가 설치되어 있고 연평균 냉방 비용 이 약 4,000만 원 정도이었다. 그런데 건물 하부의
[그림 1] 그린빌딩을 위한 에너지 계획(Nikken Sekkei)
CASBEE
0% 5% 10% 15% 20%
0%
-10%
-20%
-30%
-40%
-50%
S랭크 달성을 위한 건설비 증가율(%)
1. Low-ε복층유리 2. 초고효율변압기·인터버 제어
3. 고효율 터보 냉동기
4. BEMS·고효율 모터 5. 자연환기·자연채광
6. 바닥공조
7. 쿨 히트 터널 8. 기타 고효율 기기
9. 라이트 쉘프 10. 태양광 발전 투자회수 년수 10년 라인
투자회수 년수 15년 라인
11. 발코니 설치 12. 광 촉매 도장 13. 옥상녹화 14. 천장높이 3.4 m
광열비 절감율(%)
[그림 2] CASBEE 사례 연구(Nikken Sekkei)
통신구는 38 m 깊이에 1,365 m의 길이이며 공기의 온도는 연중 15~18℃를 유지하고 있으므로(통신 실에 도달한 냉기의 온도는 평균 19℃), 이 공기를 직접 통신실로 끌어들여서 시범적으로 냉방에 활 용하고 성과를 측정하였다.
이 통신구 냉기로 통신실의 냉방이 충분한지를 알아보기 위해 에너지 밸런스를 계산해 보면, 통신 장비에서 발생하는 열량을 식히는데 충분한 에너 지가 되었다.
● 통신실 전력용량 = 47.17 kW → 발생열량
= 40,566 kcal/h
● 냉기공급량 16,200 CMH, 온도차 9℃
(= 28-19℃) → 냉 에너지 = 42,282 kcal/h
지하통신구에서 통신실까지 덕트, 팬 등을 설 치하는데 2,850만 원이 소요되었으므로, 회수 기간 은 1년 미만으로 경제성이 아주 좋으며 지금까지 아무 문제없이 원활하게 운용되고 있다.
통신구 지하수의 활용
통신구에서의 유출수는 터널 벽체의 균열 등으 로 인해 발생하기도 하지만, 건설 초기부터 완전방
수를 목표로 하면 비용이 많이 소요되므로 운용 중 에 발생하는 유출수를 배출하는 방향으로 설계 구 축된 곳이 대부분이다. 그러므로 터널 내에 설치된 집수정에서는 일정 수위가 되면 양수 펌프를 이용 하여 외부로 배수를 하게 된다.
KT에서는 하루 1,000 톤 이상 유출되는 통신구 가 다수 있는데(그림 4), 이는 천공작업을 하지 않 아도 활용할 수 있는 또 다른 형태의 지열에너지라 고 할 수 있다. 통신구 집수정 내에 모아진 유출수 의 온도도 공기와 유사한 연중 15~18℃의 분포를 보이지만, 공기보다는 에너지 밀도가 높아 활용할 수 있는 가능성이 더 크다. 1,000 톤의 유량은 열교 환 온도차 5℃를 가정한다면 약 70 RT의 냉난방 용
[그림 3] 통신실 모습 및 냉방설비
[그림 4] 통신구 내 집수정 및 유출수 모습
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량을 가지는 것으로 계산된다. 그러나 장기적으로 주변지역의 개발로 인한 유출 수량의 변화 가능성 과 지하수에 포함된 이온 성분에 따라 열교환기 및 배관의 부식될 수 있다는 점에도 유념하여야 한다.
통신구 유출수 활용성을 실증하기 위하여 KT 방학지사를 선정하였는데, 여기에서는 기존에 흡수 식 냉온수기(100 RT)와 전기 온풍기를 사용하고 있 었고, 연간 약 3,900만 원의 냉난방 비용이 지출되었 다. 통신구에서의 유출 수량은 약 1,100(톤/일)로 측 정되었고, 기존 부하를 감안하여 히트펌프의 용량 을 60 RT로 설계하였다가 여유용량을 확보하기 위 하여 이를 80 RT로 용량을 증가시켰다.
여기서의 냉난방 계통은 그림 5와 같이 초기 설계 시에는 부식과 스케일의 방지를 위해서 연수 기 및 여과기를 고려했으나 비용부담이 있어서 이 를 채택하지 않는 대신, 지하수가 직접 히트펌프로 공급되지 않고 열교환기를 먼저 거치도록 설계하 였다. 또한, 통신실의 냉방도 고려했지만, 부하 밸 런스 및 예산문제로 실행되지 않았다. 겨울철에는 통신실 냉방 및 사무실 난방을 동시에 하게 되면 경 제성이 향상될 것으로 예상된다.
KT 방학지사에 설치된 냉난방 시스템의 운용
을 위하여 원격 모니터링시스템이 구축되었고, 매 일 하나씩 생산되는 엑셀파일에는 1분마다 주요 포인트의 온도, 유량, 전력량, 열량, COP 등이 기 록된다. 원격으로 확보한 데이터 파일을 활용하 여 운용데이터를 분석해 보기로 한다(2012.1.1~
2014.7.31).
그림 6은 2년 6개월 동안 축적된 총 943개의 데 이터 파일에서 날짜별 소비 전력량을 추출하여, 그 날의 평균 기온과 함께 그린 것인데 대략적인 난방 시간은 연 400시간, 냉방시간은 200시간 정도이므 로 냉난방 부하가 그리 크지는 않다고 생각된다. 그
[그림 6] 운용데이터 분석 [그림 5] 통신구 유출수 활용 냉난방 계통
러나 그림을 보면 냉난방 가동시간이 냉난방 시즌 동안에 종형 프로파일을 보여주는데, 이를 감안하 면 냉난방 시스템을 설계할 때 부하를 과도하게 산 정하거나 경제성 분석 시 냉난방 시간을 필요 이상 으로 길게 보아 낙관적인 예측결과가 나오는 것을 방지할 필요가 있다.
운용 데이터를 분석해 보면 경제성이 아주 좋은 것을 알 수 있다. 냉난방을 위해 사용된 월별 전력 사용량을 근거로 계산해 보면, 2012년 냉난방 비용 은 5,498,684원, 2013년에는 5,632,497원으로서, 평 균 5,565,591원이다. 기존에 지출되던 흡수식냉온 수기 및 온풍기 가동비용(총 3,900만 원/연)과 비교 하면 약 85.7%의 절감효과를 거두었고, 투자비를 감안하여 계산한 결과 회수기간(PBP)는 약 3.98년 이었다.
여기서 특기할 만한 사항은, 공기를 활용하는 경우에는 덕트와 팬만 설치하면 되므로 투자비가 많이 들지 않아 회수기간이 1년 이내로 짧지만, 물 을 이용하는 경우에는 냉난방을 위하여 히트펌프, 열교환기 등을 설치해야 하므로 공기에 비해서는 투자비가 많고 따라서 회수기간은 약 4년 정도가 되었다. 물론 여기에서의 회수기간 비교는 큰 의미 가 없다. 왜냐하면, 통신실은 냉방 가동시간이 아주 길고, 사무실은 냉난방 가동시간이 훨씬 짧기 때문 이다. 또한, 이러한 에너지의 강점은 구조물 주변에 큰 이변이 없는 한 열(hot energy) 축적이나 냉(cold energy) 축적 없이 1년 내내 활용할 수 있는 지속가 능한 에너지원이라는 것이다.
만일 히트펌프 등을 설치하지 않고 FCU 또는 라디에이터 등을 설치하여 순환되는 물에서 직접 냉난방 효과를 꾀하면 경제성은 어떻게 될까? 투자 비가 많이 들지 않는 장점은 있지만, 15℃의 물로 는 난방효과를 거의 얻을 수 없을뿐더러, 지하수가 직접 순환해야 하므로 라디에이터 및 관로 내의 스 케일과 부식이 발생하여 수년 내에 그 시스템을 쓸
수 없게 된다. 이는 방학지사에 본 시스템을 적용 하기 이전에 이미 시도되었던 사례이다. 이 프로젝 트에서는 PE관을 사용하고 1차 열교환기를 설치하 였기 때문에, 지하수와 히트펌프는 직접 접촉하지 않으므로 히트펌프내의 스케일, 부식은 우려할 필 요가 없다. 반면, 1차 열교환기는 지하수와 직접 접 촉하므로 세관 작업들을 통해 주기적으로 이물질 을 제거하여 열교환 효율을 유지할 필요가 있다.
유량 및 에너지 활용 문제
초기 설계 시, 지하수로부터의 열교환 온도차 5℃를 가정하고 확보가능한 유량으로부터 얼마만 큼의 에너지를 얻을 수 있을지를 계산한 결과 약 70 RT를 얻을 수 있을 것으로 보았다. 그러나 왜 온도 차를 5℃로 보아야 하는가? 그리고 비록 한 번 활용 한 지하수라고 하더라도 다시 재활용할 수 있지 않 겠는가? 이에 대한 실증차원에서, 지하수 측 펌프에 인버터를 설치하여 공급 주파수에 따른 유량과 온 도차의 변화를 연구해 보았다(그림 7).
지하수 측 펌프에 공급되는 전원의 주파수를 정 상 60 Hz에서 서서히 낮추면서 유량과 온도차를 측 정해 보면 약 42 Hz 이하에서는 양정부족으로 인해 서 시스템을 가동하기 어려웠다. 이런 과정에서 유 량은 30.5 톤/h에서 3.3 톤/h 정도로 줄어들었으며 반면에 온도차는 8.6℃에서 18.0℃로 증가하였다.
그림 8에는 이러한 관계를 그래프로 도시하고 그 추세를 선형 또는 다항식으로 표현해 보았다. 온 도차는 주파수를 낮춤에 따라 2차식의 추세로 수 치가 커지며, 유량은 이론대로 1차적으로 비례하며 줄어들었다(참고 : 양정은 제곱에 비례, 동력은 세 제곱에 비례). 주파수를 60 Hz에서 42 Hz까지 낮추 면(42 Hz/60 Hz = 0.7) 동력은 3승(乘) 법칙에 따라 감소하므로, 이론적으로는 0.7×0.7×0.7 = 0.34, 즉 66%의 동력절감이 이루어지며 실제적으로도 약
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60% 정도의 동력 절감이 달성될 것으로 보인다.
그러나 필자가 이 실험에서 의미 있게 관찰하 는 것은, 지하수 유량을 적게 공급하고 온도차를 높 이고 히트펌프를 추가 설치함으로써 지하수로부터 훨씬 많은 에너지를 확보하거나, 지하수를 한 번만 열교환기에 통과시키고 버리기보다는 두 번째, 세 번째 등 후속 히트펌프에 공급하여 재활용할 수 있 다는 것이다(COP는 낮아지겠지만).
결 론
건축물의 냉난방 에너지를 절감하기 위하여 건
물 하부 또는 인근에 트렌치를 만들기도 하는데, 기존의 지하터널 내의 공기 및 지하수는 그 온도가 연중 거의 일정하고 구조물을 구축하는 비용이 거 의 들지 않는다. 즉, 그 에너지를 이용하기 위한 부 대설비 및 장치만 설치하면 되므로 경제성이 매우 높으며, 게다가 에너지를 활용할 수 있는 지속가능 한 에너지원이다.
공기든 물이든 한정된 양의 에너지 자원이라고 하더라도 한 번 쓰고 버리기보다는, 본 프로젝트에 서 보듯이 그 에너지를 재활용하거나 유량을 적절 히 조절함으로써 더 많은 에너지를 얻을 수 있도록 설계하는 게 중요하다. 그렇게 함으로써 기존 방식 의 설계와 달리 더 큰 용량의 냉난방 설비를 구축하 여 해당 건물뿐만 아니라 인근 건물에 공급할 수 있 는 에너지 그리드의 개념을 구현할 수도 있다.
참 고
이 논문은 필자가 KT에 근무 시 실제 수행하였 거나 타 부서에서 실행한 프로젝트의 사례를 소개한 것으로서, KT 및 관계자 여러분께 감사드린다.
[그림 7] 인버터 적용에 따른 유량 및 온도차의 변화
35
30
25
20
15
10
5
0
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
0
40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
양정부족 & 관로저항
유량
온도차
주파수 유량(지하수) [㎥/h]
온도차(지하수) [℃]
선형(유량(지하수) [㎥/h]) 다항식(온도차(지하수) [℃]) [㎥/h]
[℃]
[Hz]
[그림 8] 주파수 vs 유량 및 온도차의 관계
