지열에너지와 수열에너지는 연중 일정한 온도의 열을 생산할 수 있어 병원, 데이터센터, 스마트팜, 공동주택 등 열사용량이 많은 건물에 최적 열에너지원으로 주목받고 있다.
지난 6월22~24일 휘닉스 평창에서 개최된 대한설비공학회(회장 강용태) 2022년 하계학술대회에서는 성능지표를 통한 수열에너지 적용확대 가능성과 효율적인 지열에너지시스템 운영방안에 대한 논의가 이뤄졌다.
지열 통한 E절감…스마트팜 경제성 제고 실현이태구 이젠엔지니어링 연구소장은 ‘지하수 활용 지열시스템 적용을 통한 스마트팜 에너지절감 사례’ 발표를 통해 스마트팜 경제성 제고방안을 제시했다.
2050 탄소중립이 강조되면서 신재생에너지 보급이 확산되고 있으며 4차 산업혁명의 일환으로 스마트팜이 새로운 농업의 패러다임으로 자리잡고 있다. 스마트팜은 센서와 네트워크기술로 농사환경 변화를 관측하고 원격으로 정밀하게 제어할 수 있으며 작물의 생육을 촉진하기 위해서는 온·습도를 일정하게 유지해야 하며 이를 위해 많은 에너지를 필요로 한다.
이에 따라 스마트팜의 수익성을 개선하기 위한 방안으로 다양한 에너지원이 도입되고 있다. 이젠엔지니어링은 에너지비용 절감을 극대화할 수 있는 시스템으로 지열에너지시스템을 주목해 1만6,528m²(약 5,000평) 규모 토마토 온실에 이를 적용했다.
스마트팜에 신규설치된 지열에너지시스템과 기존 적용된 전기보일러, 경유보일러를 비교한 결과 전력은 약 28만9,442kWh 절감됐으며 61%의 운전비용을 절약하는 결과가 나타났다.
이태구 연구소장은 “기존 토마토 온실은 연간 1억3,000만원의 에너지비용을 부담하고 있었으며 이를 개선하기 위해 이젠엔지니어링은 지열시스템을 적용했다”라며 “초기투자비를 최소화하기 위해서 시스템을 기존 우물공을 활용하는 물대물 히트펌프, 수축열조로 구성했다”고 밝혔다.
이어 “이를 통해 기존 대비 운전비를 61% 절감했으며 적용 당시 투자에 대한 부담을 해소하고자 이젠엔지니어링은 렌탈서비스를 도입했다”라며 “초기설치비를 이젠엔지니어링에서 부담하고 고객은 실제 에너지절감비를 납부해 계약이 완료되는 시점에는 시스템을 소유함으로써 투자부담이 없고 실제 비용절감효과를 체감할 수 있다”고 덧붙였다.
융복합 통한 지열 효율제고 가능성 확인황지현 건설연 연구원은 ‘태양열원 연계 지열원 히트펌프시스템의 최적설계 및 운전방안에 대한 연구’ 발표를 진행했다.
건물에너지를 절감하기 위해 단열, 고효율 설비시스템과 함께 신재생에너지 도입이 불가피해졌으며 태양광, 태양열, 지열, 연료전지 등 다양한 신재생에너지원의 활용에 대한 연구가 이뤄지고 있지만 지역적인 제약성 등으로 인해 건물부문 적용에 많은 어려움이 있다.
이번 연구는 태양열원 연계 지열원 히트펌프 난방시스템의 최적설계 및 운전방안을 도출하기 위해 추진됐으며 시스템을 구성하는 요소별 관계식 기반 수치해석 도구가 마련됐다. 황지현 연구원은 해석도구를 통해 일간 난방부하 변화에 따른 시스템 운전패턴을 분석했다.
황지현 연구원은 “시스템은 태양열원이 부족한 오전에는 지열원으로 운전되다 절환온도에 도달하게 되면 태양열원으로 운전하는 결과가 나타났다”라며 “설계변수가 일정범위를 벗어나 용량이 과대해질 경우 과대한 축열에 의해 난방개시 후 태양열원으로 운전함으로써 성능이 감소했다”고 밝혔다.
이어 “또한 난방부하에 대해 집열면적과 축열용량 및 시스템 절환온도간에 일정한 상관관계가 있음을 확인했다”라며 “이번 연구를 통해 최적설계 및 운전조건을 도출한 결과 하루 269.2kWh의 전력을 소비하면서 지열원만 이용한 경우와 비교했을 때 태양열원 연계 지열원 히트펌프 난방시스템이 25%의 전력을 절감할 수 있는 것으로 나타났다”고 덧붙였다.
수열원·적용처별 수열E 적용효과 검토방안 제시정현준 한밭대 학생은 ‘병원과 데이터센터의 수열에너지시스템 적용에 관한 연구’ 발표를 진행했다.
UN기후변화협약, 파리협정 등 온실가스 배출량 감축에 대한 전 세계적인 관심이 집중되는 가운에 물을 에너지원으로 활용하는 수열에너지시스템은 데이터센터, 병원 등 다양한 건물의 온실가스 배출량과 소비전력·에너지비용을 절감할 수 있어 주목받고 있다.
이번 연구는 데이터센터, 병원 등 수열원과 환경에 따른 COP, 월별소비전력량 변화에 대해 분석하고 수열원별, 적용처별 성능지표를 제공해 수열에너지 확대와 보급화에 기여하기 위해 진행됐다.
연구에 활용된 수열원은 △대청댐 △소양강댐 △충추댐 등으로 2020년 실제 댐 저장수의 수온데이터를 수열원으로 활용했다. 국내 하절기, 동절기에 맞춰 500RT급 수열원 히트펌프시스템을 기준으로 병원과 데이터센터에 적용할 경우 각각의 COP와 월평균소비전력량 결과를 비교했다.
정현준 학생은 “대청댐 물을 수열원으로 활용하는 수열에너지시스템을 1만9,011m² 병원에 적용한 경우 연평균 냉난방 COP는 3.53, 월평균소비전력량은 3억6,444만2,825KJ로 나타났으며 1,000m² 규모 데이터센터에 적용한 결과 연평균 냉방 COP는 4.56, 월평균소비전력량은 5억5,412만668KJ로 산출됐다”라며 “이번 연구와 같이 다양한 수열원과 건물정보조건에서 데이터베이스를 구축한다면 광범위하게 적용할 수 있는 차세대 수열에너지시스템 모델을 개발할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
지열 통한 E절감…스마트팜 경제성 제고 실현
융복합 통한 지열 효율제고 가능성 확인
수열원·적용처별 수열E 적용효과 검토방안 제시
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