2050 탄소중립 정부정책의 일환으로 온실가스를 저감할 수 있는 고효율 미활용에너지시스템을 구축하고 대부분 하천에 버려지는 유출지하수의 효율적 활용으로 운전비 및 하수처리비용 절감과 싱크홀 방지로 인한 지반 안정화에 기여할 수 있는 연구용역이 진행된다.
이젠엔지니어링과 안양대는 서울시가 발주한 ‘유출지하수 활용 냉난방시스템 및 인공함양시스템’ 연구용역을 수주했다고 밝혔다. 특히 유출지하수 활용 냉난방시스템 및 인공함양시스템 구축과 운영을 통한 효과분석을 위한 실증을 송파구에서 수행할 예정이다.
수열 이용 기반 마련 시급
전쟁 등 국가간 갈등을 통한 에너지자원 자립이 국제적인 이슈로 등장하며 전 세계 국가들이 에너지 트릴레마지수 개선에 노력하고 있다. 정부 및 자치단체가 추진하는 지구온난화 개선계획에 따르면 에너지절약 및 온실가스 감축 실증을 통한 탄소중립 실현 정책을 수행하고 있으며 도시 발달에 따른 지하 기반시설 및 지하층이 건설되는 고층 건축물 증가에 따른 지하 유출수량이 증가하고 있다.
활용되지 못하고 버려지는 유출지하수를 이용해 대다수 수입에 의존하는 가스 등 에너지를 절약해 에너지자립률 향상에 기여하고 건축물 증가에 따른 지하유출수 활용 후 인공함양을 통한 씽크홀을 방지하는 도시 안전시스템 구축, 지구온난화 개선에 따르는 에너지절약 및 온실가스 감축 실증을 통한 탄소중립 실현을 위한 기술개발이 시급한 상황이다.
이를 위해 수열이용 열원을 온배수, 하천수에서 유출지하수, 하수로 확대해 냉난방시스템 열원을 확대하는 것이 중요하며 유출지하수 지하수계 변경에 의한 씽크홀 발생으로 인한 피해 발생 억제와 안정된 지하수계 흐름 확보로 도시 안전시스템도 확보할 수 있다. 특히 막대한 부존량을 가진 수열원에너지 기술확보로 에너지 자립율을 제고할 수 있으며 수열에너지 부존량 만큼의 가스사용 억제로 가스수입량 30%를 감축할 수 있을 것으로 예상된다.
기술 동향은
유출지하수 활용을 위한 지하수 영향, 지하수 및 지반, 지하수 유동해석 및 지하 안전 평가, 유출량 예측, 주변영향 검토, 지하수 저감공법, 계측 계획 수립 등 조사 및 지하 안전 평가에 대한 기술은 지속적으로 발전했다. 유출지하수 이용계획 수립에 다른 유출량, 영향평가 및 감소 대책 수립, 수질조사, 에너지화 및 용수 이용에 따른 이용 계획 수립에 필요한 기술도 확보하고 있다.
또한 유출지하수를 이용한 냉난방시스템의 핵심장비인 히트펌프 및 열교환기 기술은 지속적인 발전을 거듭해 현장에 적용되는 보편화된 기술로 성장했으며 냉난방시스템에 이용 후 유출지하수 처리를 위한 중수조 활용, 수질 분석후 도시열섬 억제를 위한 유로 및 인공폭포 구축, 미세먼지 억제를 위한 미스트 분사, 도로 세척수, 도로융설시스템 기술 등도 확보하고 있다.
특히 냉난방시스템에 이용 후 인공함양을 위한 기술인 수리지질 여건을 고려한 주입공법 선정 시 최소 5개 공법 이상 분석 결과를 토대로 주입공법 2개 이상 선정과 인공함양 시험시 1개 주입시설(주입공, 갤러리, 트렌치, 수로 등 선정된 공법의 주입시설)에 인공함양으로 인한 지하수 수위 증가를 관측할 수 있는 지하수 관측공 설치 기술도 확보하고 있는 만큼 유출지하수를 활용해야 하는 이유는 차고 넘친다.
유출지하수 활용 원천기술 확보
미활용 수열에너지인 지하유출수를 냉난방에너지로 활용함으로써 수열에너지 적용 확대 및 신재생에너지 적용이 가능하며 터보냉동기 및 흡수식냉동기는 냉각수 냉각을 위한 냉각탑 설치공간이 요구되지만 유출지하수 수열에너지를 냉각수로 활용할 경우 냉각탑이 불필요에 따른 공간활용성도 제고할 수 있다.
또한 일반 공기열원시스템에 비해 수열의 열효율이 우수해 에너지 및 유지비용을 절감할 수 있으며 하천수 이용 수열시스템의 경우 수열에너지 인입을 위한 공사비용이 발생하는데 지하유출수는 대상 건물 지하의 수열을 활용하므로 상대적으로 인입공사비용도 절감할 수 있다.
특히 열저장시스템(TESS: Thermal Energy Stroage System)과 융합할 경우 냉난방설비 용량을 줄일 수 있으며 값싼 심야요금 혜택에 따른 운전비 절감도 가능하다.
이젠엔지니어링이 제안한 기술인 유출지하수 활용 냉난방시스템 및 인공함양시스템은 수열의 한 종류인 유출지하수를 열원으로 냉난방에 이용하는 기술로, 수열의 온도차를 이용한 냉난방시스템 기술개발과 함께 유출지하수의 수처리를 통해 냉각수 기준을 만족하는 수질을 확보해야하는 기술 등이 복합적으로 요구된다.
이젠엔지니어링은 △광역상수를 이용한 수온차 수축열 냉난방시스템 △설치 운용 및 이물질제거가 용이한 관정형 히트펌프 시스템 △수열에너지를 이용한 스마트 팜용 축열식 냉난방시스템 △원수와 수축열조를 이용해 연속 운전이 가능한 수열시스템 △광역수, 지하수 및 해수를 이용한 냉난방 시스템용 수처리장치 등 지식재산권 등록을 통해 원천기술을 확보했다.
광역상수를 이용한 수온차 수축열 냉난방시스템은 광역상수를 열원으로 하는 히트펌프와 수축열시스템이 결합된 냉난방시스템으로 심야시간대에 히트펌프를 가동해 주간 냉난방 일부를 수축열조에 저장했다가 주간에 사용함으로써 주간의 전력피크를 감소시킬 수 있으며 에너지 및 운영비를 절약할 수 있다.
설치 운용 및 이물질 제거가 용이한 관정형 히트펌프시스템은 지하수를 열원으로 하는 히트펌프의 냉난방시스템에 관련 것으로 지하수의 이물질에 의해 효율이 감소될 경우 이물질을 제거할 수 있는 고압수 펌프 등을 활용해 안정적인 시스템 운영이 가능하다.
수열을 활용한 스마트팜용 축열식 냉난방시스템은 냉방과 난방이 부하 차이가 없어 열밸런스가 평형을 이루게 되면 축냉 및 축열 운전하고 열밸런스가 불평형을 이루게 되면 열교환기를 통해 외부 열원과 열교환을 통해 수열로 배출해 열밸런스에 따르 축열과 축냉을 제어하도록 함으로써 안정적 운전이 가능토록하는 기술이다.
원수와 수축열조를 이용해 연속운전이 가능한 수열시스템은 단수나 공급 배관이 이상 발생돼 유량이 없거나 열교환기의 출구온도가 영하(-)로 낮은 경우 수축열조에 저장된 냉온수를 히트펌프로 공급해 이상 발생시에도 연속운전이 가능할 수 있도록 하는 기술이다.
광역수, 지하수 및 해수를 이용한 냉난방 시스템용 수처리장치는 원수 공급 라인의 지름보다 직경이 더 크게 형성된 본체 내에서 다단으로 설치되고 후단으로 갈수록 메쉬 크기가 작아지는 메쉬망을 이용해 원수에 포함된 이물질을 제거함으로써 제작 단가가 상대적으로 낮아 공사비용과 유지보수비용을 낮추도록 하는 수처리장치다.
이번 기술개발을 통해 2050 탄소중립 정부정책의 일환으로 온실가스를 저감할 수 있는 고효율 미활용에너지시스템을 구축할 수 있으며 유출지하수 냉난방시스템 실증을 통한 효과 검증 후 신재생 수열에너지의 적용 범위 확대의 참조자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 대부분 하천에 버려지는 유출지하수의 효율적 활용으로 운전비 및 하수처리비용이 절감되며 인공함양에 따른 지반 안정화로 싱크홀방지 등 생활 환경도 개선할 수 있다.
이젠엔지니어링은 유출지하수 활용 실증을 위해 △성내천 홍보관 화장실 △송파사회복지관 △한국체대 천마생활관 등 3개 건물을 대상으로 실증을 진행할 계획이다.
이젠엔지니어링의 관계자는 “홍보관 화장실을 대상으로 유출지하수 활용 냉난방시스템 및 인공함양시스템 실증과 운영에 따른 효과를 분석해 실증 결과를 기반으로 비즈니스 확대전략을 수립, 송파사회복지관 및 한국체대 천마생활관의 유출지하수 적용을 추진할 계획”이라며 “실증사업을 통해 기존 시스템대비 약 30% 이상의 온실가스 감축효과가 예상된다”고 밝혔다.
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