한국지열에너지학회(회장 박윤철)은 10월17일 한국과학기술회관에서 ‘2019년도 추계학술발표대회’를 개최했다.

이번 학술발표대회는 지열을 포함한 다양한 에너지분야 및 지열환경을 다룬 16편의 발표와 초청강연이 진행됐다. 이번 발표논문들은 지열부문의 각 연구자들이 오랜 시간 연구한 결과로써 지열분야의 기술개발, 설계 및 시공사례, 시스템 성능향상 및 경제성평가에 대해 다뤄졌다.

박윤철 회장은 인사말을 통해 “이번 추계학술대회 개최를 통해 지열분야의 연구진들과 산업계의 활발한 교류의 장이 열리기를 기대한다”라며 “또한 학회 및 지열분야의 큰 발전의 한걸음으로 작용할 것”이라고 밝혔다.

학술발표대회는 이유호 서울대 교수의 ‘원자력-지열저장 연계시스템 설계’ 초청강연을 시작으로 4개 세션으로 나뉘어 진행됐다.

1세션에서는 △개별난방 및 소형열병합발전설비 결합시스템의 에너지절감에 관한 연구(이광재 서울과기대) △지붕형 태양광발전 패널의 공장지붕에 따른 발전량 연구(박지홍 서울과기대) △대류와 복사 냉방시스템의 실내환경 및 에너지소비량 비교연구(김명회 서울과기대) △틸팅형 날개를 가진 풍력발전기 유동해석(성재용 서울과기대) △최적설계수법에 근거한 공동주택 지열시스템 적용 가능성 검토(문형진 부산대) 등이 발표됐다.

2세션에서는 △건축물 저압 도시가스관의 기밀시험에 관한 연구(전광배 서울과기대) △제주지역 현무암을 이용한 무기내화 단열재 개발(김남진 제주대) △원형의 여러 층으로 구성된 BTES 시공사례(김종현 지엔원에너지)가 발표됐다.

△공기열원 히트펌프를 적용한 급탕시스템의 에너지절감 효과분석(박재서 서울과기대) △Performance Characteristics of Ejector-Driven Refrigeration System according to Evaporation Temperatures(Raza Waseem 제주대) △실증실험을 통한 지열시스템의 성능인자별 영향도 분석에 관한 연구(김홍교 부산대) △ A Study on the Performance Characteristic of Heat Pump using Waste Heat from Power Plant (Gantulga Enkhbadral 제주대학교) △용접식 판형 열교환기의 채널과 헤더노즐의 단면적비에 따른 분배특성 분석(함정균 조선대) 등이 발표됐다.

4세션에서는 △지열발전산업 최근 동향연구(이상돈 이노지오테크놀로지) △하이드로 서멀 지열적용을 위한 지열수생산 모델링(심정보 한국생산기술연구원) △석모도 지열활용을 위한 축류 및 반경류 터빈설계(김영원 한국생산기술연구원) 등이 발표됐다.

이유호 서울대 교수는 ‘원자력-지열저장 연계시스템 개념설계’를 주제로 한 초청강연에서 원자력 발전을 대형 지하 열에너지저장(Underground Thermal Energy Storage, UTES)과 연동해 가변전원 및 가변열공급원으로써의 가능성을 분석했다. 

이유호 교수는 “국내 원자력 발전소부지의 수조에 저장돼있는 사용후핵연료에서는 5년 평균 약 30MWth의 붕괴열이 발생하고 있다”라며 “이 열은 현재 사용처가 없이 버려지는 열로써 사용후 핵연료에서 발생하는 열을 지역난방에 활용할 수 있다”고 설명했다.

이광재 서울과기대 학생은 ‘개별난방 및 소형열병합발전설비 결합시스템의 에너지절감에 관한 연구’를 발표했다. 

소형열병합발전시스템은 자가발전(가스엔진 구동) 시스템에서 전기생산 후 버려지는 폐열을 활용해 온수를 생산, 자가사용하고 자가발전으로 얻는 전기량 축소로 가정용 전기요금 누진제 감소로 얻어지는 경제적 절감시스템이다. 

이광재 학생은 “소형열병합발전은 자립형 발전시스템으로 국가적 전력공급 기여, 폐열활용으로 인한 에너지절감 효과, 동고하저의 국가 가스저장설비의 안정화에 기여할 수 있다”라며 “실제 아파트단지에 소형열병합 발전을 적용한 결과 세대당 하절기는 평균 49만2,360원, 동절기는 52만3,801원의 비용절감효과가 나타났다”고 설명했다.

김명회 서울과기대 학생은 ‘대류와 복사 냉난방시스템의 실내환경 및 에너지소비량 비교연구’를 발표했다.

이번 연구는 대류와 복사냉난방시스템을 비교분석하기 위해 해석코드인 TRNSYS 시뮬레이션을 이용해 냉방기간(6~9월) 동안 PMV, PPD와 에너지사용량을 산출했다. 분석결과 복사냉난방시스템의 PMV는 –0.3~0.1, PPD는 5~9%로 불쾌지수가 없는 쾌적한 실내환경이 조성됨을 알 수 있었다.

김명회 학생은 “대류 냉방시스템은 인체에 직접적으로 냉기를 공급해 인체에 공기가 접촉, 실내온도보다 더 낮은 온도로 체감되고 cold draft 현상으로 인한 불쾌감을 느낀다”라며 “에너지사용량 분석결과 복사냉방시스템이 대류냉방시스템보다 에너지절감률이 실내온도 26˚C일 때 37.0%, 평균 30.0%로 더 우수했다”고 말했다.

문형진 부산대 학생은 ‘최적설계수법에 근거한 공동주택 지열시스템 적용 가능성 검토’를 발표했다.

지열에너지는 지중의 항온성을 이용해 건물의 냉난방 및 급탕부하에 대응할 수 있으며 기후 및 외기온에 영향을 받지 않으므로 고효율에너지로 주목받고 있지만 타 에너지원에 비해 초기투자비용이 많이 발생한다는 단점이 있다. 지열시스템은 건물의 최대 냉난방부하에 대응해 용량을 설계하는 방법은 과설계의 우려가 있으므로 최적설계가 필요한 상황이다.

문형진 학생은 “최적화 목적함수는 지열시스템의 초기투자비용 및 시스템 운전비용의 합으로 설정했으며 히트펌프 및 축열조의 용량, 지중열교환기 길이를 설계변수로 설정했다”라며 “공동주택 지열설비 도입에 있어 최적화 알고리즘에 기반한 설계법을 통해 경제적인 기기용량 설정 및 최적운전효율이 가능함을 파악했다”고 설명했다.

김종현 지엔원에너지 부장은 ‘원형의 여러층으로 구성된 BTES 시공사례’를 발표했다.

계간축열은 태양열, FC 등 재생에너지의 잉여열을 하절기 동안 저장했다가 수요가 많은 동절기에 이용하는 방식으로 계절간 발생하는 수요와 공급의 불균형 해소와 축열조간 열에너지공유를 통해 수요관리가 가능하다. 이중 보어홀방식인 BTES(Borehole Thermal Energy Storage)은 상부이외에는 단열이 적용되지 않아 연손실이 크다는 단점이 있지만 대용량으로 설치 시 시공비가 적게들어 경제적이라는 장점도 있다.

이와 함께 김종현 부장은 BTES의 계간축열 성능향상을 위해 제안된 원형의 여러층으로 구성된 BTES 구축 시공경험을 소개했다.

박재서 서울과기대 학생은 ‘공기열원 히트펌프를 적용한 급탕시스템의 에너지절감 효과분석’을 발표했다.

LNG를 사용한 보일러 급탕시스템을 폐수열회수기(열교환기)와 공기열 히트펌프 52RT 1대, 8.5RT 4대를 이용한 급탕시스템으로 변경, 동일한 생산열량에 따른 에너지비용 절감효과를 분석했다.

박재서 학생은 “공기열원 히트펌프의 특성 상 외기가 낮은 동절기에는 COP가 하락해 LNG보일러시스템대비 70%의 비용과 전력단가가 상승하는 하절기에는 LNG보일러시스템 생산비용의 최대 83% 비용이 도출됐다”라며 “동절기 3개월과 상대적으로 급탕사용량이 적은 하절기를 제외한 7개월은 최저 57%의 비용으로 동일한 열량을 생산해 공기열원 히트펌프시스템이 경제적인 것을 알 수 있었다”고 말했다.