지앤지테크놀러지(대표 조희남)는 기존 개방형 지열공이 갖고 있던 문제점 해결을 위해 개발한 ‘지오썸(Geossum) 개방형(SCW) 지열공법’이 환경분야 신기술(NET) 인증을 획득했다고 밝혔다.
SCW 지열공의 운용과정에서 가장 심각하고 치명적인 것은 지열공벽이 무너져 순환지하수의 순환을 막거나 순환수량을 급감시키는 것이다. 이렇게 지열공이 함몰되면 일반 개방형 지열공은 지금까지도 이를 보수할 수 있는 방법이 없어 결국 폐공 처리할 수밖에 없었다. 함몰원인은 항상 온도가 일정한 지하수 우물과는 달리 지열공은 연중 30℃가 넘는 온도차에 따라 시간이 갈수록 지열공벽의 불안정성이 높아지기 때문.
지오썸 공법(Geossum Method)의 근원적 기술의 원리는 게오힐 공법이 가지고 있는 내부케이싱에 의해 급수측과 환수측을 구분해 설치하고 환수측에 환수관을 설치하고 콩자갈 등 여과사리를 채우는 기술을 활용했다.
다만 게오힐 공법을 국내에 설치해 운용하는 과정에서 발생됐던 시간이 경과함에 따라 순환지하수량이 급격하게 감소하는 문제를 해결하기 위해 환수관 아래에 환수관 헤더를 구성, 어떠한 지질 특성, 즉 함몰에 의하거나 진흙이나 미세한 토사 슬라임 등의 유입에 의해 콩자갈의 공극이 메워진다 할지라도 순환지하수의 수량이 확보될 수 있도록 한 기술을 추가한 것이다.
또한 개방형 지열 지중열교환기 설치 운용과정에서 가장 빈번하게 발생해 히트펌프까지 손상을 일으키게 하는 주요 원인이 지열공 내부에 삽입 설치된 내부케이싱 이탈로 확인되고 있다.
이는 동절기와 하절기에 난방과 냉방을 번갈아 운전하면서 발생되는 순환지하수의 온도차로 인해 지열공 내부에 삽입 설치된 내부케이싱에 열 신축이 발생돼 내부케이싱과 내부케이싱간 연결 접착부분에서 이탈이 일어나는 것이다.
또한 지열공 전체에 삽입 설치된 내부케이싱의 전체 하중을 받치고 있는 부분은 지열공 가장 아래 바닥부분인데 이 부분에는 굴착과정에서 쌓인 토사류와 내부케이싱 삽입 설치과정에서 지열공벽으로부터 박리된 토사류가 쌓여 있게 된다. 이렇게 쌓여 있는 토사류 상부에 내부케이싱 하단이 위치하게 되며 일정시간이 지나 내부케이싱 하단이 토사류를 밀고 내려가게 되면서 내부케이싱의 전체 하중을 떠받치는 기능을 잃게 되고 열 신축에 따라 연결부분 이탈이 발생되는 것과 동시에 일정 높이로 떨어져 내려앉게 되는 현상이 발생되고 있다.
지열공 시공깊이를 500m까지 하고 내부케이싱을 삽입 후 정상운전에 들어가면 지열공의 지중열교환구간은 내부케이싱 가장 아래에 집중적으로 설치된 유공관을 통해 열교환을 모두 마친 상태에서 급수측으로 유입돼 히트펌프로 순환지하수가 순환된다.
이렇게 순환된 순환지하수는 지중열교환기 용량에 적합하게 환수측과 급수측 적정 온도차인 4~5℃를 항시 유지하면서 히트펌프 역시 정상적으로 가동될 수 있도록 뒷받침된다. 그런데 내부케이싱이 중간에서 이탈해 탈락하게 되면 이탈된 구간에서 환수 지하수가 급수측으로 유입되며 열순환이 온전히 마치지 않은 상태로 순환이 이뤄져 순환지하수의 환수측과 급수측 온도차는 정상치보다 급격히 떨어지게 된다. 결국 지열 지중열교환기 열용량이 원래 계획했던 것보다 작아진 상태로 운전된다.
즉 냉방조건에서 환수측 순환지하수의 온도가 35℃가 30℃로 지중에서 열교환 냉각돼 순환되던 것이 33℃로 급수측으로 유입되면 열펌프의 운전 중 과열운전이 발생돼 순환지하수 온도가 급격히 올라가게 되면서 히트펌프의 안전장치 작동에 의해 운전이 중지되거나 안전장치가 미흡할 경우 결국 히트펌프 압축기는 지중열교환기의 용량과소로 인해 과열돼 손상을 입게 된다.
조희남 대표는 “지열공 내부케이싱이 이탈돼 히트펌프가 자주 가동이 중지되거나 열펌프가 손상된 이후에야 지열공 내부에 설치된 수중펌프와 급수배관을 모두 인양하고 수중카메라촬영을 통해 내부케이싱 이탈 여부 등을 조사한다”라며 “조사된 지열공들은 운전 정지시키거나 아예 폐공처리하고 신규 굴착해 운영함으로써 국고를 낭비하는 사례가 있었다”고 지적했다.
이에 따라 지앤지는 기래 방식을 탈피하고 지열 지중열교환기 운전과정에서 실시간으로 이상 유무를 관리자가 관련데이터를 수신해 확인할 수 있는 신기술인 ‘지열공 내 함몰 및 내부케이싱 이탈 IT 경보시스템’을 탑재했다.
조 대표는 “내부케이싱이 이탈되는 순간 운전 중인 지열공의 급수측 온도와 환수측 온도차이가 현격히 달라지는 현상에 착안해 기술개발을 하게 됐다”라며 “운전 중인 지열공의 급수측과 환수측에 온도센서를 각각 설치하고 데이터 연산장치와 전송장치를 구비해 관리자가 어디에 있건 실시간으로 이상 유무 확인이 가능하다”고 밝혔다.
조 대표는 이어 “이에 따라 내부케이싱 이탈로 인한 후속 사고가 발생하기 전 조치가 가능하게 됐다”라며 “이 기술을 활용해 지열공의 함몰사고도 외부에서 확인이 가능하게 됐다”고 강조했다.
조 대표는 특히 “내부케이싱 이탈 탈락사고가 발생된 지열공도 보수가 가능하다”라며 “무조건 폐공처리하거나 무기한 운전 휴지시켜 놓는 폐단도 개선할 수 있다”고 밝혔다.
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