기후변화 문제와 에너지절약의 필요성이 대두되면서 지속가능한 건축물 설계 및 운영에 관한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 국내에서도 탄소중립 달성을 위해 화석연료 사용을 감축하고 신재생에너지 활용을 늘리기 위한 노력이 이뤄지고 있다. 이중 지열에너지를 활용한 냉난방시스템 최적화 방안이 연구돼 주목받고 있다. 

고려대와 지지케이는 6월21일부터 23일까지 용평리조트에서 열린 설비공학회 하계학술대회에서 지열에너지를 활용한 냉난방시스템 최적화 방안에 관한 연구결과를 제시했다. 이를 위해 △지열시스템 설계방안 △부하 대응 설비 구성 및 운전방식 비교 △지열+수축열 저장 방식 특성 분석 등이 이뤄졌다. 

연구 결과 발표에 나선 옥수정 고려대학교 대학원 기계공학과 대학원생은 “이번 연구를 통해 지열시스템 종류와 설계방안 특성에 대한 고찰을 통해 각 환경에 맞는 지열시스템 적용이 시급함을 제시했다”라며 “지열에너지를 활용한 냉난방시스템 설계 및 운영방안에 대한 인사이트를 제공하고 지속가능한 건축물 설계 및 운영에 관한 연구방향을 제시하고자 한다”고 밝혔다. 

이어 “이번 연구에서 제시된 결과는 국내 지열에너지시장 발전과 보급에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다”라며 “이번 배경과 목적을 바탕으로 지열에너지를 활용한 냉난방시스템 최적화 방안에 대해 다양한 측면에서 분석하고 결과를 제시한다”고 덧붙였다.

지열에너지란 지하나 지반 등에서 나오는 열을 이용해 건물을 냉난방하는 시스템이다. 지열에너지를 이용한 냉난방시스템은 지열히트펌프를 이용해 열을 추출하고 열교환기를 통해 실내로 전달한다. 이에 딸 환경친화적이며 연중 일정한 온도를 유지할 수 있어 항온성이 우수하다. 반면 설치비용이 많이 들며 실내 온도조절에 제약이 있는 것으로 지적된다. 

지열히트펌프는 실외에서 열을 추출해 실내로 전달하는 장치로 압축기, 증발기, 제어장치 등으로 구성된다. 열교환기는 실외에서 추출한 열을 실내로 전달하기 위해 사용되며 기타 필요한 부속품 및 장비로는 냉매, 배관 및 제어기 등이 있다. 

지열에너지시스템은 개방형과 밀폐형으로 나뉘며 대기오염물질과 같은 외부 요인에 영향을 받지 않아 안정적인 운영이 가능하다는 점이 장점으로 꼽힌다. 

그러나 건축물의 크기와 용도, 지역적 특성 등에 따라 적합한 설계가 필요하며 이를 고려하지 않으면 냉난방효율이 저하될 수 있다. 또한 지열에너지 시스템은 설치 전 지열원 성능과 안정성을 충분히 검토해야 하며 설치 후에는 정기적인 유지보수가 필요하고 이를 고려해 적절한 설계를 통해 안정적인 운영과 높은 효율을 기대할 수 있다. 

수직밀폐형 지역난방 지중 히트펌프시스템을 어울림센터와 거북이기지 적용사례를 통해 외기온도 및 실내조건을 파악해 냉난방부하를 산정하고 지열 히트펌프용량 선정과 소요 운영비용 등을 고려한 설계를 통해 지역 환경조건에 따라 히트펌프의 용량, 지열교환기의 용량 및 COP가 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 

또한 물 대 냉매 방식 지열히트펌프와 물 대 물 방식 지열히트펌프를 비교했을 때 물 대 냉매 방식은 냉난방 COP가 물 대 물 방식에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이에 따라 시공지역의 환경조건과 부하량 등을 고려해 적절한 지열히트펌프를 선택하는 것이 중요하다. 

수축열방식은 물의 밀도차를 활용해 고온 열원을 축열조 상단에, 저온 열원을 하단에 유지하는 방식으로 히트펌프에서 공급되는 찬 물과 뜨거운 물을 성층화를 통해 동시에 저장한다. 축열조 내부에는 원형 또는 H형 디퓨저가 상단과 하단에 설치돼 있어 경계층 형성을 도와주며 이는 수축열시스템의 핵심설계기술로 여겨진다. 

또한 물은 체적 열용량과 비열이 크며 부식성, 수명, 가격 등의 측면에서도 우수한 성능을 보인다. 개방형 지열히트펌프 적용사례를 통해 히트펌프의 냉난방용량 및 소비전력이 50% 가까이 감소함을 확인할 수 있다. 또한 비용 산정을 통해 한 달간 최대 61%의 비용을 절감할 수 있음을 확인했다. 

밀폐형 지열히트펌프와 기존 보일러 & 에어컨시스템을 비교한 사례를 보면 20년 운전기준 32% 이상 비용 절감이 가능하다. 이러한 결과를 바탕으로 지열히트펌프의 초기 설치비용이 기존 시스템보다 증가하지만 그보다 에너지소모 감소로 인한 비용 절감 효과가 막대하고 여기에 수축열시스템을 적용해 절감 효과를 더욱 극대화할 수 있다.

Standing column wall(SCW) 공법은 설치부지에 대한 제약이 적으며 빠른 열 복원 및 안정성 유지에도 유리해 국내 지열히트펌프시스템 적용에 적합한 것으로 여겨진다. SCW공법에서 공 붕괴는 공 내부에서 물순환을 방해하고 지중수 열교환에 영향을 주며 지중수 순환량에도 문제를 일으킨다. 

공 붕괴를 예방하기 위해선 충분한 지반 조사가 사전에 진행돼야 하며 작업 시 구간별 지반 상태를 정확히 파악하며 철저한 시공관리가 필요하다. SCW 공법에 적합하지 않은 암반으로는 퇴적암 등이 있으며 이암층이나 미발달된 연암층에서 사용 시 주의가 필요하다.

연암층에서의 공 붕괴를 수리하거나 예방하기 위해 보강 케이싱 개발 연구가 진행돼 있다. 공 내 오염은 불순물이 토양 내부에서 공으로 스며들거나 공 상부를 통해 유입되는 방식으로 구분할 수 있다. 토양 내부에서 스며들어 오는 불순물은 그라우팅과 암반층까지 케이싱을 사용해 방지할 수 있으며 공 상부를 통해 유입되는 불순물은 밀폐보호정 등의 상부 보호시설을 사용하면 외부로부터의 불순물 유입을 막을 수 있다.

그라우팅은 시멘트, 점토, 아스팔트 등의 충전재를 투수성 지층에 강제로 주입한 후 고형화시키는 과정으로, 구조적 안전성 향상, 지반 고결화, 지지력 증가, 투수성 감소, 지반과 구조물 간의 일체화 등을 목표로 진행한다. 

지열공 내부에서 압력 불균일로 인한 물 넘침, 물 부족 현상, 공급 및 환수 배관의 유량 불균형 등이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 균압관이나 지열공 균압장치 기술개발 및 적용이 필요하다. 유입심정펌프 스크린을 사용하면 심정펌프의 불순물을 제거할 수 있으며 모터 임펠러의 마모 감소를 통해 수중펌프 내구성을 향상시킬 수 있다.

에너지자립 실현을 위한 건물시스템의 비용에 대한 문헌조사 결과를 바탕으로 서울과 울산의 건물에서 팬코일 유닛, 수축열시스템, 태양광·열패널(PVT), 지열히트펌프 등을 적용하고 건물의 첨두부하를 만족시키기 위한 용량을 시뮬레이션했다. 

서울과 울산의 기후데이터와 건물 정보 및 조건을 활용해 월별 건물부하를 산출하고 시스템용량을 결정해 시험한 결과 지열히트펌프를 적용한 제로에너지 빌딩을 실현하기 위해서는 태양광패널이 16개 이상 사용해야 하는 것으로 나타났다. 또한 1차 에너지생산량을 1차 에너지소비량으로 나눈 에너지 자립도는 서울과 울산에서 각각 98.7%와 103.2%로 조사됐다. 

제로에너지빌딩은 지열히트펌프와 태양광발전(PV)시스템을 통해 에너지생산량을 높이고 에너지소비를 줄이는 방향으로 달성할 수 있다. 이를 현실화하기 위해서는 PV와 지열히트펌프 설치면적 확보에 대한 연구가 필요하다.

SCW방식의 지열히트펌프는 설치면적이 작다는 장점이 있어 제로에너지빌딩에 유리한 시스템으로 평가된다. SCW시스템을 사용하면 PV 설치면적을 확보하는 데 도움이 되며 전력에너지 저장장치를 활용해 PV로 생산된 전력의 35~40%를 저장하면 전력에너지의 낭비를 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 제로에너지빌딩 달성에 필요한 PV면적을 감소시킬 수 있다. 

옥수정 학생은 “이번 연구에서는 지열시스템 설계방안에 관한 연구를 수행해 지열시스템은 냉난방분야에서 많은 장점을 가지고 있으며 이를 활용해 건물의 냉난방에너지 효율을 높일 수 있다”라며 “지열시스템 전반적인 특성과 분류, 시공방법, 운영방식, 운영비용 등은 물론 부하대응설비 구성 및 운전방식 비교와 유출지하수 활용 방안에 대한 사례를 분석했다”고 밝혔다.

이어 “지열+수축열식 개방형 지열히트펌프의 유지보수방안에 대해 고장사례와 해결방안 등을 분석한 결과 지열시스템의 설치과정에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위한 기술개발과 유지보수 방안 등에 관한 연구가 필요하다”라며 “지열시스템의 경제성과 환경적인 측면에서의 장단점을 고려해 적절한 설계와 운영이 이뤄져야 한다”고 지적했다. 

이어 “지열에너지시스템이 제로에너지·플러스에너지시스템에 적용되려면 설치 부지 확보, 경제성 확보, 유지관리비 절감, 공사비 절감 등이 동반돼야 한다”라며 “특히 히트펌프와 순환펌프 사용에 따른 전기요금 발생으로 인한 경제성 부족 문제, 설치 부지 확보를 위한 천공 이격거리 변경 및 천공길이 최대화, 고효율 그라우팅 적용, 난방 및 급탕에너지 쾌적성 저하 방지, 유지관리비 절감을 위한 누수, 결로, 소음 최소화 등이 시급하다”고 강조했다.  

특히 “SCW방식의 지열히트펌프시스템과 전력에너지 저장장치 등의 적극적인 활용으로 PV시스템의 설치부지 확보 및 효율성을 높여 에너지자립율을 높이는 연구가 적극적으로 진행돼야 한다”며 향후 연구개발 방향을 제시했다.