전체 에너지 소비 중 건축물의 소비가 34%를 차지하고 있다. 에너지의 효율이 향상되지 않을 경우에 건축물과 에너지사용 설비가 지속적으로 증가하게 되며 2050년에는 50%가 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 건물에 신·재생에너지를 개발하고 이용·보급을 하는 것에 관심이 높아지고 있다. 신·재생에너지법 제12조제2항에 따라 산출된 건축물의 예상 에너지사용량의 일정 비율 이상 신·재생에너지를 이용하여 공급되는 에너지를 사용하도록 설비를 의무적으로 설치할 수 있다. 이에 해당하는 대상기관은 동법 시행령 제15조제1항제1호에 따라 대상용도 및 연면적 1,000㎡ 이상의 건축물을 신축·증축·개축하는 경우 설치의무 대상건축물에 해당된다. 공공건축물은 2004년부터 신·재생설비 설치가 3000㎡ 이상 건축물을 신축하는 경우 총 건축공사비의 5% 이상을 신·재생에너지 설비에 의무로 투자 이용하게 하였지만 건물의 위치와 용도 등의 특성을 고려하지 않고 획일화되는 문제점이 있어 2011년에 해당 건축물의 예상에너지사용량을 기준으로 새롭게 정비되어 현재 공공건축물의 신·재생에너지 설치의무화 비율은 2030년까지 해당 건축물 예상에너지사용량의 40%에 이르게 되었다.
| 해당연도 | `20~`21 | `22~`23 | `24~`25 | `26~`27 | `28~`29 | `30~ |
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공급의무 비율(%) |
30 | 32 | 34 | 36 | 38 | 40 |
▲ 신재생에너지 공급비율
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구분 |
전체 학교 |
설치 학교 |
설치 비율 |
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서울시 |
2,232 |
20 |
1% |
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인천시 |
945 |
15 |
1.6% |
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경기도 |
4,683 |
159 |
3.4% |
▲ 공공기관 건물(학교) 지열시스템 설치 현황
신·재생에너지 중 지열 에너지는 가장 오랜 기간 동안 사용해 온 에너지원이지만 대한민국에서는 상대적으로 저평가 되고 있으며 사용률 또한 저조한 상태이다. 공공기관 건물 중 학교건물은 2018년 기준 서울시 2,232개의 학교 중에서 20개의 학교가 지열시스템이 적용되어 있으며 이는 서울시 교육청 소속 학교 수의 1%도 안 되는 수치이다. 경기도는 4,683개의 학교 중 3.4%인 159개의 학교가 지열시스템을 적용하고 있으며 인천시는 945개의 학교 중 15개의 약 1.6%의 학교가 지열시스템을 활용하고 있다.
지열시스템은 열을 이용하여 냉방과 난방을 하는 경우를 직접 이용 기술, 지열 에너지의 열을 이용하여 전기를 생산하는 경우 간접 이용 기술로 분류한다. 지중 열교환기를 설치하여 겨울에 땅속에 저장된 열을 건물로 전달하고, 여름에는 건물로부터 열을 빼앗아 땅속으로 열을 보내는 일을 수행한다. 지열시스템은 지열을 회수하는 파이프회로 구성에 따라 밀폐형과 개방형으로 구분된다.
밀폐형 지열시스템은 지중에 설치된 PE 파이프를 통해 암반과 열교환을 하는 간접 열교환 방식이며 설치가 간단하여 국내에서 가장 일반적인 지열시스템이다. 히트펌프, 순환펌프, U배관, 그라우팅 및 부동액으로 구성되며 시스템이 간단하고 지상 노출이 없어 설치 사례가 많다. 파이프 내에서는 지열을 회수하기 위한 열매가 순환되며, 밀폐형은 수직형, 수평형, 에너지 파일형으로 구분한다. 수직형은 150~200m, 수평형으로는 2.5~5m 깊이로 묻히며 상대적으로 냉·난방부하가 적은 곳에 사용된다. 수직과 수평 밀폐형은 지하수나 지질 상태에 크게 영향을 받지 않아서 신뢰성 및 안정성이 높지만, 한 공당 열에너지가 낮아 공 필요 수가 많고 하자 발생 시 유지보수가 어렵다. 에너지 파일형은 파일 내부에 U자형 열교환 파이프를 삽입하여 지중열을 이용하는 시스템이며 기초 구조물을 활용하여 천공 비용을 크게 절감하지만, 시공 깊이가 비교적 짧아 연중 대기 온도에 영향을 받는다.
개방형 지열시스템은 천공 내부의 지하수를 심정펌프를 이용하여 직접 취수하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 지하수 직접 열교환 방식의 지열시스템이다. 개방형에는 단일관정형과 복수관정형이 있다. 단일관정형은 지하수를 열매체로 하고 지중 온도를 열원으로 지하 400~500m천공 후 수중 펌프를 설치한다. 복수관정형은 단일형과 비슷하지만 1개의 공은 공급관을 설치하여 취수하고 다른 하나의 공은 환수관을 설치하여 열교환 후 환수한다. 개방형은 열전달 효과가 높으며 초기비용이 저렴하고, 적은 부지의 대용량 건물에 유리하며 한 공당 담당할 수 있는 열에너지가 크므로 도심지에 유리하다는 장점이 있다. 하지만 지속적인 압력이 가해질수록 공 붕괴 위험이 있으며 이 때 환수된 물과 온도차로 인해 열교환 효율이 악화될 수 있다. 유량과 수위 변동에 의해 유량불균형과 물넘침이 발생할 수 있고 이물질로 인해 효율이 저하될 수 있다.
▲수직형 ▲수평형 ▲에너지파일형
▲수직형 ▲복수관정형
밀폐형의 지열시스템의 경우 동일 천공에서 공급관과 환수관이 인접해 있어 열간섭으로 열교환 효율이 낮아지게 되며 U자형 배관을 통해 암반과 열교환 되기 때문에 열전달면적이 작고 주로 전도에 의한 열전달만 이루어진다. 반면 개방형 지열시스템의 경우 지하수는 우물관정 벽과 열교환 되기 때문에 열전달면적이 크고 열교환된 지하수는 우물관정에 저장되어있는 지하수와 섞이면서 열교환 되기 때문에 전도와 대류에 의한 열전달이 함께 이루어진다. 밀폐형은 1공당 용량이 2.0~3.0 RT이며 개방형은 25~30RT이다. 열교환 면적은 밀폐형이 28㎡, 개방형은 260㎡이다. 히트펌프 효율 또한 밀폐형 지열시스템의 냉방 COP와 난방 COP는 4.68, 3.59인 반면 개방형의 냉방 COP와 난방 COP는 7.02와 4.51이다. 밀폐형과 개방형 지열시스템의 열교환면적은 큰 차이를 보이고 있으며 1공당 용량도 차이가 큰 것을 확인할 수 있다. 밀폐형보다 개방형 지열시스템이 우수하여 히트펌프 효율이 높으며 이에 따라 에너지 사용량을 15~20% 줄일 수 있다.
밀폐형 및 개방형의 효율차이와 특성
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구분 |
개방형 |
밀폐형 |
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단일관정형 |
복수관정형 |
수직형 |
수평형 |
에너지파일형 |
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1공당 용량 |
25~30RT |
2.0~3.0RT |
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열교환 면적 |
260㎡ |
28㎡ |
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히트펌프 (냉방 COP) |
7.02 |
4.68 |
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히트펌프 (난방 COP) |
4.51 |
3.59 |
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장점 |
- 효과가 높음 - 설치비용이 저렴 - 부지의 대용량 건물에 유리 - 공당 담당할 수 있는 열에너지가 크므로 도심지에 유리 |
- 지하수나 지질 상태에 크게 영향을 받지 않아서 신뢰성 및 안정성이 높음 |
- 기초 구조물을 활용 하여 천공 비용을 크게 절감함 |
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단점 |
- 붕괴 발생 위험이 있음 - 수위 변동에 의해 유량불균형과 물넘침이 발생할 수 있음 - 인한 지하수 오염과 효율이 저하될 수 있음 - 파손 상황에서 환수된 물과 온도차로 인한 열교환 효율 악화 |
- 한 공당 담당하는 열에너지가 작음. - 필요 공 수가 많으며 필요부지 면적이 넓음 - 하자 발생 시 유지보수가 어려움 - 기존 건물에 적용이 불가능함 |
- 시공 깊이가 짧아 연중 대기 온도에 영향을 받음 |
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가장 보편적으로 사용된 기존 수직밀폐형 지열시스템은 설치심도가 150~200m이지만 최근 고심도 수직밀폐형 지열시스템은 300m 이상 설치할 수 있다. 기존의 필요공 수 40공에서 20공으로 감축시켰으며 1공당 열용량 또한 2.0~3.0RT에서 6.5RT로 증가시켰다. 필요부지면적 또한 기존에는 14,400㎡을 필요로 했지만 3,600㎡로 필요부지면적을 감축시켰으며 홀 내부에 2관식 U자형 지열 루프를 설치한 형식이었지만 6관식으로 관을 추가하였다. 기존의 단점이었던 유지관리의 불편함을 무선 송수신 스마트태그 및 누출센서 설치를 통해 지중열교환기의 지중매설 부분에 대한 실시간 감시 및 정확한 위치파악으로 원활한 유지보수가 가능해졌다.
최근 개방형 지열시스템에서는 천공 시 암반 상태를 분석함과 동시에 COMP의 압력상태를 확인하여 전체 부분 공 붕괴 발생 시 아연도 강관 처리를 통해 전체 올케이싱을 진행한다. 균압관을 통해 지하수 유량불균형을 제어하고 심정펌프 파손 및 물 넘침을 방지해 균일한 지하수 순환으로 시스템의 안정화 효율을 증가시킬 수 있으며 공기압 또는 자연수위압을 이용해 지하수 내에 포함된 부유물 또는 스케일 등을 제거함으로 내구성을 향상시켜 히트펌프 효율을 높였다. 지하수 공의 오염방지 밀폐장치를 적용하는 기술로 지하수의 오염 방지 및 개보수와 유지관리를 용이하게 하였으며 온도센서로 지중열교환기의 온도를 체크하여 온도에 따라 펌프 순환유량을 제어하여 히트펌프 시스템의 최적 효율 운전이 될 수 있도록 하였다. 기존에 유출수를 이용하여 계절과 외부 환경의 조건에 따라 수위가 변동할 수 있는 위험사항을 제거하기 위하여 유출수를 제외한 지하수 내의 암반수만을 이용하였다.
개방형과 밀폐형 지열시스템의 문제점 및 해결방안
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개방형 |
밀폐형 |
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문제점 |
해결방안 |
문제점 |
해결방안 |
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천공의 붕괴 발생 |
아연도 강관 처리를 통한 올케이싱 |
설치심도(150~200m) |
300m 이상 |
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유량불균형 발생 |
균압관을 통해 지하수 유량 불균형 제어 |
필요공 수가 많음 |
40공에서 20공으로 감축 |
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지하수 오염 |
오염방지 밀폐장치로 오염방지 |
1공당 열에너지가 적음 |
2.5RT에서 6.5RT로 증가 |
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이물질로 인한 효율 저하 |
공기압 또는 자연수위압으로 이물질 제거 |
필요부지면적이 넓음 |
14,400㎡에서 3,600㎡으로 감축 |
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열교환 효율 악화 |
온도센서로 온도를 체크해 히트펌프 시스템 최적 효율 운전 |
기존 건물 적용 불가능 |
기존 건물 적용 가능 |
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유출수의 수위 변동에 따른 물넘침 |
암반수만을 이용하여 시스템 운전 |
유지관리 불편함 |
무선 송수신 스마트태그 및 누출센서로 실시간 감시 및 유지보수 |
문제점이 개선된 지열시스템은 기존보다 효율이 우수하며 보급률도 상승하고 있는 추세이다. 현재 냉·난방의 90% 이상을 지열시스템으로 공급하는 가락시장 현대화 사업과 같이 5대 권역별 지열거점시설을 시작으로 서울시는 서울을 지열에너지 도시로 조성할 계획이며 2030년까지 1GW 수준으로 확대하여 지열보급을 활성화하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 민간의 비용부담을 줄이는 서울형 지열 인센티브 제도 신설 등을 통해 지열시스템 시장 확대 및 기반이 확립될 것으로 기대된다.
Reference
1. 박민용, 2022, 공공 및 민간건축물 신·재생에너지 설치의무정책 현황과 문제점 개선방안, 대한건축학회
2. 박은정, 2020, 지열에너지 학교건물 현황 분석 및 제언에 대한 연구, 인천대학교 교육대학원, 학위논문
3. (주)지앤지테크놀러지, 수직밀폐형 지열시스템, 딥코일 300
4. 티이엔(TEN), 개방형 지열시스템
5. 지열보급 활성화 종합계획
