[논문]충적대수층 지역에서의 계간축열 지열냉난방시스템 적용 연구

박성민; 황기섭; 문종필; 민동민

doi:10.17664/ksgee.2018.14.3.001

문제 정의

우리나라의 국가적 노력의 일환으로 2011년 농림 수산식품부에서 발표한 ‘기후변화, 농림수산식품산업 경쟁력 강화 기회로 활용’에 따르면 심각해지는 기후변화 속에서 국가가 기후변화대응을 선도하고, 기후변화에 대한 소극적 대응을 넘어 저탄소의 지속가능한 발전과 농어업의 경쟁력 강화의 계기로 활용하고자하였다.
본 연구는 화석연료의 고갈과 환경오염 문제의 해결 대안으로 떠오르는 신재생에너지 분야 중 지열 냉난방 시스템에 대한 연구로, 충적대수층 지역 계간축열 지열 냉난방 시스템 적용성에 대해서 연구하였다. 계간축열이란 계절 별로 열교환이 완료된 열에너지를 충적층에 저장하여 반대 계절에 사용하는 방식으로 국내에서는 주로 수일 단위로 열에너지를 저장하였다가 공급하는 단기 축열 방식을 채택하여 태양열 설비, 심야 전력이용 공조 시스템, 지역난방 등에 널리 이용되고 있다.
본 연구는 계간축열 시스템의 신재생에너지 활용 분야의 효율성을 증대시키고 국내 축열기술 향상 도모와 최적화를 위해 수행하였다.
/day 높게 나타나는데, 이는 시스템 운영 시 양수량을 적정주입량에 맞춰야 하므로 시스템 운영 효율이 저하되는 것을 의미한다. 그래서 운영효율 극대화 방안으로 보조주입정을 추가 적용하고자 하였다. 보조주입정은 지열관정주변으로 ∅ 50 mm, 20m로 구축하여 양수 및 주입시험을 실시하였다.
본 연구는 강하류 충적대수층 지역에 계간축열 지열냉난방시스템을 설계 및 설치한 뒤 실증시험을 통해 현장 적용성을 확인하고자 하였다.
본 연구는 강하류 충적대수층 지역에 대해서 계간 축열 지열냉난방시스템을 설계 및 설치한 뒤 실증 실험을 통해 현장 적용성을 확인하였다.
본 연구의 지열냉난방시스템의 설계 및 시공을 위해 기초조사로 전기비저항탐사, 시추조사 및 지하수수량 조사를 수행하였다. 기초조사 결과를 이용하여 초기계획 수립 및 설계에 필요한 지질특성을 확인하여 반영하였다.

제안 방법

연구지역을 금강 하류지역 충적대수층으로 선정하고 연구지역에 대해 지반조사를 수행한 뒤, 계간 축열 방식 지열냉난방시스템을 설계·시공하였다.
연구지역을 금강 하류지역 충적대수층으로 선정하고 연구지역에 대해 지반조사를 수행한 뒤, 계간 축열 방식 지열냉난방시스템을 설계·시공하였다. 이후 본 지열냉난방시스템의 현장 적용성을 확인 하기 위해 시스템을 약 9개월간 운영하여 하절기 및 동절기에 지열정 축열량 및 축냉량에 대해서 분석 하였다.
본 연구에서는 기존의 개방형(SCW)방식에서 이용하는 암반대수층을 대신하여 하천 및 강하류 지 역에 발달된 퇴적층으로 이루어진 충적대수층의 지하수를 이용하는 계간축열 지열냉난방시스템을 설 치하였다. 강하류 지역의 충적대수층은 미사, 자갈, 모래 및 점토로 이루어져 있는 층이 없는 지질 구조로 지하수 개발에 주로 이용된다.
관정설치 위치를 선정하기 위해 전기비저항탐사를 수행하였다. 전기비저항탐사는 직접 지반을 굴착 하는 시추조사보다 광범위한 지역에 대해서 적은 비용 및 시간으로 지하구조 정보를 획득할 수 있는 탐사 방법이다.
0m 하부에 분포하는 것으로 해석되었다. 해석 결과를 바탕으로 P/IW-1지점과 P/IW-2지점이 풍화대 출현심도가 가장 낮은 것으로 해석되어 지열 관정설치 위치로 선정하였다.
정확한 지질정보를 확인하기 위해 P/IW-1 지점과P/IW-2 지점에서 시추조사를 수행하였다. 그 결과 퇴적점토, 실트, 모래, 자갈층으로 구성되어 있으며, 점토층이 12.
보조주입정은 지열관정주변으로 ∅ 50 mm, 20m로 구축하여 양수 및 주입시험을 실시하였다.
계간축열 지열 냉난방 시스템은 열교환을 마친 지하수를 지중에 재주입하여 충적층에 축열을 하기때문에 적정 양수량 및 주입량 산정을 해야 한다. 이를 위해서 지질조사를 수행하였다.
전기비저항 탐사결과 분석을 토대로 선정된 지열 관정설치 위치 P/IW-1과 P/IW-2를 대상으로 단계양 수, 주입시험 및 정수위 투수시험을 수행하였다. 단 계양수시험은 비수위강하량을 이용한 방법[2]으로 수행하였으며, 주입시험은 지표면으로 역류현상발생 직전까지 측정하였다.
전기비저항 탐사결과 분석을 토대로 선정된 지열 관정설치 위치 P/IW-1과 P/IW-2를 대상으로 단계양 수, 주입시험 및 정수위 투수시험을 수행하였다. 단 계양수시험은 비수위강하량을 이용한 방법[2]으로 수행하였으며, 주입시험은 지표면으로 역류현상발생 직전까지 측정하였다. 실험결과 P/IW-1, P/IW-2의 투수계수는 각각 3.
주입시험은 P/IW-1 관정에서 270 m³/day, P/IW-2에 서 300m³/day으로 측정되었다. 시험 결과는 지열냉 난방시스템 설계에 반영하여 활용하였다.
전기비저항탐사, 시추조사 등 기초조사 결과를 토대로 계간축열 지열온실냉난방 시스템을 설계 및 설치하였다.
지열시스템 구성은 히트펌프 50RT, 축열조 40m3, 지열정 2공( ∅ 200 mm, 100 m), 각 지열정 당 주입을 위한 보조주입정 6공, 총 12공( ∅ 50 mm, 20m) 및 원격제어와 모니터링을 위한 중앙제어시스템을 구성하여 연구지역에 설치하였다(Fig. 4).
동절기 난방시에는 Zone 1에서 양수하여 Heat Pump 열교환을 통해 냉각된 저온수를 Zone 2로 주입·저장하고, 하절기 냉방시에는 Zone 2에 저장된 저온수를 지열원수로 사용하고 Heat Pump 열교환을 통해 가열된 고온수를 Zone 2에 주입·저장하도록 설계하였다(Fig. 3).
본 실증시험은 2016년 8월부터 2017년 4월 까지 약 9개월 동안 진행되었다. 하절기 냉방운전시 지하수 흐름은 Zone 2에서 대기보다 저온의 지하수를 양수하여 열교환을 통해 냉방에 사용한 뒤 배출되는 고온의 지하수를 Zone 1로 주입하였고, 동절기 난방운전시에는 하절기동안 충적대수층에 축열되어 평균 지중온도인 14℃ 보다 높은 도의의 지하수를 Zone 1에서 양수하여 열교환을 통해 난방에 사용한 뒤 Zone 2로 낮은 온도의 지하수를 주입하였다. 냉방운전은 8월~10월, 난방운전은 10월~4월까지 진행하였다.
냉방운전은 8월~10월, 난방운전은 10월~4월까지 진행하였다. 운전조건은 낮에는 30~32℃ 밤에는 23~24℃로 설정하여 설정온도 이하일 때 상시 운전 되는 조건으로 시험을 진행하였다. 실제 방울토마토가 재배되는 농가에서 실증시험을 수행하였기 때문에 매일 변화하는 날씨나 온도에 따라 설정 온도 및 운전 여부를 조절하였다.
5는 Zone 1과 Zone 2의 온도모니터링 결과로 T형 온도센서를 P/IW-1, P/IW-2의 주요 대수층인 지표에서 19m 깊이에 설치하여 하절기 냉방운전과 동절기 난방운전 시 온도변화를 모니터링한 결과이다. 상시 운전 설정으로 매일 가동시간이 다르기 때 문에 5분마다 측정되는 온도자료의 일평균을 이용 하여 그래프를 작성하였다. 이에 따라 장시간 시스템이 가동됐을 경우 일 평균 온도가 높아져 그래프 상 온도가 급격히 상승하는 것처럼 나타나므로 해석에 유의해야한다.
다양한 지열시스템 중에서 Two-well 방식을 채택하여 단심도 굴착으로 시공이 간편하고 보조주입정의 적용으로 굴착 비용을 줄여 경제성을 확보한지 열냉난방시스템 설비를 강하류 충적대수층 지역에 구축하였고, 약 9개월 간 실증실험을 수행하여 계간 축열량을 도출하였다.
본 연구의 지열냉난방시스템의 설계 및 시공을 위해 기초조사로 전기비저항탐사, 시추조사 및 지하수수량 조사를 수행하였다. 기초조사 결과를 이용하여 초기계획 수립 및 설계에 필요한 지질특성을 확인하여 반영하였다. 본 연구의 적용된 지열냉난방시스템의 주요 특징은 단심도 굴착을 이용하여 시스템 설치비용을 최소화하였고, 효율적인 시스템 운영을 위해 보조주입정을 추가 설치하여 양수 및 주입량의 효율을 극대화 하였다.
기초조사 결과를 이용하여 초기계획 수립 및 설계에 필요한 지질특성을 확인하여 반영하였다. 본 연구의 적용된 지열냉난방시스템의 주요 특징은 단심도 굴착을 이용하여 시스템 설치비용을 최소화하였고, 효율적인 시스템 운영을 위해 보조주입정을 추가 설치하여 양수 및 주입량의 효율을 극대화 하였다.
지열냉난방시스템은 냉수정(zone 2)과 온수정 (zone 1)으로 구분하여 하절기 냉방운전에서는 zone 2를 지열원으로 사용하고 zone 1에 열교환이 완료된 지하수를 주입하여 고온수를 축열하고, 동절기 난방 운전에는 하절기에 축열된 고온의 지열원을 동절기 난방시 사용하였다. 축열량은 zone 1에서 고온수 22.

대상 데이터

본 연구는 부여 금강유역에 위치한 충적대수층 지역 토마토재배농가의 단동온실 3개(2,100 m²)동을 대상으로 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템을 설치하였다(Fig. 1).
한국지질자원연구원에서 제공하는 지질도 정보에 의하면 연구지역의 지질은 제 4계 현세통 충적층으로 신생대 제 4기 시대에 해당하며 대표암상으로는 이토, 점토, 사암 및 역암이다.
본 실증시험은 2016년 8월부터 2017년 4월 까지 약 9개월 동안 진행되었다. 하절기 냉방운전시 지하수 흐름은 Zone 2에서 대기보다 저온의 지하수를 양수하여 열교환을 통해 냉방에 사용한 뒤 배출되는 고온의 지하수를 Zone 1로 주입하였고, 동절기 난방운전시에는 하절기동안 충적대수층에 축열되어 평균 지중온도인 14℃ 보다 높은 도의의 지하수를 Zone 1에서 양수하여 열교환을 통해 난방에 사용한 뒤 Zone 2로 낮은 온도의 지하수를 주입하였다.

성능/효과

2(a)와 같고 측점 간격 5m, 측선 당 21ch로 탐사를 수행하였다. 그 결과 L-1은 주변 농경지 및 소하천의 물에 의한 영향을 받아 20~103 Ω-m으로 전반적으로 낮은 비저항값 분포를 보이고, 전체구간에 대한 풍화대출현심 도는 약 17.0~24.0m, L-2는 약 15.0~23.0m, L-3는 약 15.0~23.0m 하부에 분포하는 것으로 해석되었다. 해석 결과를 바탕으로 P/IW-1지점과 P/IW-2지점이 풍화대 출현심도가 가장 낮은 것으로 해석되어 지열 관정설치 위치로 선정하였다.
정확한 지질정보를 확인하기 위해 P/IW-1 지점과P/IW-2 지점에서 시추조사를 수행하였다. 그 결과 퇴적점토, 실트, 모래, 자갈층으로 구성되어 있으며, 점토층이 12.7~14.4m의 두께로 두껍게 형성되어 있고, 양수량 확보가 비교적 용이한 자갈층은 2.7~3.6 m의 두께로 조사 되었다(Table 1).
실험결과 P/IW-1, P/IW-2의 투수계수는 각각 3.759×10−3 cm/sec, 5.898×10−3 cm/sec로 시추조사에서 나타난 실트질 점토, 모래질 자갈의 일반적인 투수계수보다 낮은 값을 보인다.
1 m³/ day로 조사되어, 보조주입정 1공당 주입량 40 m³/ day로 설계에 반영하였다. 지하수 수질분석 결과 Fe 6.25~12.18 mg/L, Mn 0.50~0.77 mg/L로 나타나 히트펌프 운영에 문제가 없음을 확인하였다.
동절기 난방시외기온도 – 12℃에서 설정온도인 13℃을 유지한 것으로 측정되었으며, 평균 열원수와 7.5℃의 온도차를 유지하였으며, 냉방시 축열된 원수의 온도 낮아질수록 함량정의 온도 감소하는 것으로 측정되었다.
점토, 미사, 자갈등으로 이루어진 충적대수층의 비열은 지역마다 다르지만 일반적으로 약 2배 이상 높아[5], 열 저장원으로 쓰이기 적절하고, 본 연구 결과에서도 3개월의 짧은 냉방운전기간 및 적은 주입량에도 운전종류 후 약 3개월간 지역 지중 평균 온도인 14℃ 보다 높은 온도를 유지하였다. 난방운 전시에는 2월 이후 지중 온도 변화 기울기가 냉방운전 때 보다 완만한 것을 확인할 수 있다.
난방운 전시에는 2월 이후 지중 온도 변화 기울기가 냉방운전 때 보다 완만한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 본 연구 지역에서 계간축열을 이용한 지열냉 난방시스템이 효과적으로 적용이 가능함을 보이는 것으로 판단된다.

후속연구

우리나라의 국가적 노력의 일환으로 2011년 농림 수산식품부에서 발표한 ‘기후변화, 농림수산식품산업 경쟁력 강화 기회로 활용’에 따르면 심각해지는 기후변화 속에서 국가가 기후변화대응을 선도하고, 기후변화에 대한 소극적 대응을 넘어 저탄소의 지속가능한 발전과 농어업의 경쟁력 강화의 계기로 활용하고자하였다. 온실가스 감축을 위해 시설원예 에너지원을 화석연료에서 지열 및 목재펠릿 등 신재생에너지로 전환하여 시설원예의 유류의존도를 현재 90%에서 2020년까지 70% 수준으로 완화할 계획이다
하지만 온실냉난방의 경우 냉방운전은 사용기간이 7~10월 난방운전 기간은 10~4월로 각 3개월과 6개월로 사용기간과 사용에너지의 소비량의 차이가 커, 난방시에는 축열량이 부족하고, 냉방시에는 축냉되어 있는 에너지의 소비량이 부족한 문제가 있었다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 2년 이상의 장기 모니터링과 충적대수층에 저장 되는 축열량과 축냉량에 대한 회수율을 종합적으로 분석할 수 있는 기법에 대한 연구가 향후 수행되어야 할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계간축열은 무엇인가?	본 연구는 화석연료의 고갈과 환경오염 문제의 해결 대안으로 떠오르는 신재생에너지 분야 중 지열 냉난방 시스템에 대한 연구로, 충적대수층 지역 계간축열 지열 냉난방 시스템 적용성에 대해서 연구하였다. 계간축열이란 계절 별로 열교환이 완료된 열에너지를 충적층에 저장하여 반대 계절에 사용하는 방식으로 국내에서는 주로 수일 단위로 열에너지를 저장하였다가 공급하는 단기 축열 방식을 채택하여 태양열 설비, 심야 전력이용 공조 시스템, 지역난방 등에 널리 이용되고 있다. 연 단위로 계절 변화에 따른 에너지를 저장 및 소비하는 장기 축열시스템인 계간 축열시스템은 기술적 문제나 경제적 이유 등으로 거의 이용되지 않는 실정이다.
	계간 축열시스템의 단점은 무엇인가?	계간축열이란 계절 별로 열교환이 완료된 열에너지를 충적층에 저장하여 반대 계절에 사용하는 방식으로 국내에서는 주로 수일 단위로 열에너지를 저장하였다가 공급하는 단기 축열 방식을 채택하여 태양열 설비, 심야 전력이용 공조 시스템, 지역난방 등에 널리 이용되고 있다. 연 단위로 계절 변화에 따른 에너지를 저장 및 소비하는 장기 축열시스템인 계간 축열시스템은 기술적 문제나 경제적 이유 등으로 거의 이용되지 않는 실정이다. 대수층에 열에너지를 저장하는 방식은 1970년대 제안되어 프랑스, 스위스, 미국 및 일본에서 현장 실험과 타당성 조사를 진행했고[4], 현재에 와서는 전국토에 충적대수층이 발달되어 있는 네덜란드, 스웨덴에서 주로 이용하며, 상업화하여 미국과 유럽, 아시아 등에 수출하고 있다[3].
	온실냉난방의 경우 난방시에는 축열량이 부족하고, 냉방시에는 축냉되어 있는 에너지의 소비량이 부족한 문제를 해결하기 위한 방안은 무엇인가?	하지만 온실냉난방의 경우 냉방운전은 사용기간이 7~10월 난방운전 기간은 10~4월로 각 3개월과 6개월로 사용기간과 사용에너지의 소비량의 차이가 커, 난방시에는 축열량이 부족하고, 냉방시에는 축냉되어 있는 에너지의 소비량이 부족한 문제가 있었다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 2년 이상의 장기 모니터링과 충적대수층에 저장 되는 축열량과 축냉량에 대한 회수율을 종합적으로 분석할 수 있는 기법에 대한 연구가 향후 수행되어야 할 것으로 판단된다.

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