[지열] 수직개방형 SCW

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수직개방형 SCW

SCW (Standing Column Well)은 약 300m 이하의 연중 온도가 일정한 지하수를 열원으로 이용하는 히트펌프 시스템이다. 

^[각주:1]

수직개방형, 단일심정, 우물관정, 수주 지열정, 에너지정(energy well), 난류정(turbulent well)이라고도 한다. 

단일 수직 심정에서 지하수를 뽑아서 히트펌프에 통과시켜 열을 추출/배출한 후, 이를 동일한 심정에 다시 재주입하는 방식으로, 

지하수 열원 히트펌프 시스템 (GWHP, Ground water heat pump system) 중 가장 보편적인 방식이다.

이에 반해 지하수 열원 열펌프 시스템은 지중열원 시스템에 비해 열전달 성능, 설치공사비용 및 설치면적 등 여러 가지 측면에서 상대적으로 우수하다. 기본적으로 SCW 공법은 성능에 대한 신뢰도가 높아 관정에 대한 성능테스트 없이 설계가 가능하다. 즉 1500 ft 심도의 SCW를 이용하면 35~40 tons 용량을 일반적으로 기대할 수 있다. 

SCW는 기반암 심도가 60m 이하이며 지하수 조건이 좋을 경우 특히 효율적이기 때문에 지하수 흐름이 있는 암반이라면 시스템 성능은 더욱 좋아진다. 

 

우리나라는 지하수가 지표면이랑 가깝게 형성되어 지하수위가 높고, 지하수가 풍부하여  SCW를 적용하기 이상적인 조건을 가지고 있다. 

SCW는 지하수를 이용하는 히트펌프이다. 땅 속 깊은 곳의 지하수는 일년내내 일정하게 유지되어 히트펌프의 열원으로 활용된다. 지하수는 수중펌프를 이용해 유입관(suction pipe)을 통해 히트펌프의 열교환기와 열교환을 할 수 있도록 한다. 

유입관으로 물을 빨아드려 히트펌프와 열교환을 한 후 유출관으로 다시 물을 배출하는 개념이다. 유입관으로 부터 히트펌프로 펌핑되는 지하수를 유입수라고 하고, 유출관으로 방출되는 물을 유출수라고한다. 유입수와 유출수를 통합하여 순환수라고 한다.

순환수 = 유입수 + 유출수

유입관은 심도 가장 낮은 곳에 위치하지만 수중펌프의 이 보다 높은 곳에 설치가 된다. 이는 수중펌프의 심도가 증가할수록 펌프의 양수 동력비가 과다하게 소요되어 비경제적이기 때문이다.

SCW 장점

1. 높은 효율

밀폐형 지중열 히트펌프 시스템은 단순하게 열전도를 통하여 열을 포집하지만,

개방형인 SCW는 단일 심정 내에서 유출수, 유입수, 파이프, 주변지반, 지하수 등이 복합적으고 다양한 경로로 열교환을 하기 때문에 더 효율이 좋다.

개방형은 지하 500m 정도에서 지하수를 끌어올려 열을 교환하는 방식이기 때문에 지하 50~200m에 불과한 밀폐형보다 높은 온도의 열을 확보할 수 있다는 특징을 지닌다.

2. 적은 설치 공간

또한, 많은 천공을 필요로 하는 밀폐형과는 달리 한 공에서 1000㎡ 규모의 냉ㆍ난방을 위한 에너지를 얻을 수 있는 장점도 있다. 

천공당 용량은 개방형이 30RT인 반면, 밀폐형은 2.5~3.5RT 수준이다. 

RT는 지열의 단위로 1RT로 효율적인 냉ㆍ난방이 가능한 면적은 33㎡ 정도이다. ^[각주:2]

심정 벽면에서 순환수-지반 열전도,

지층에서의 열복사,

순환수-지반 그리고 심정 내 순환수의 열대류,

펌핑으로 인하여 발생하는 지하수의 반경방향 흐름과 이로 인한 열이류 등 다양한 형태로 열교환이 이뤄진다.

심정내의 온도가 과다하게 상승하거나 떨어지면 SCW을 멈추거나 일부분의 유출수를 심정 외부로 배출하여 온도를 조절할 수 있다. 이를 블리딩(bleeding)이라 한다. 

블리딩을 하게 되면 유입수가 유출수보다 많아져 심정 내 압력차가 증가하여 심정 내부 지하수의 흡입이 증가형 열교환이 더욱 활발해 진다.

 

3. 유지 보수 가능

수직 밀폐형의 경우에는 지중열교환기를 보수가 거의 불가능하지만, SCW의 경우는 보수가 가능하다.

SCW 지적되는 문제점^[각주:3]

1. 공의 붕괴 

SCW의 가장 큰 문제로 인식되는 것은 공의 붕괴이다. 공의 붕괴는 공내에서 물의 순환(공급/환수의 수직이동)을 가로막아 지중수의 열교환을 방해하고, 지중수 순환량에 영향을 주게 된다. 공의 붕괴를 막기 위해서는 사전에 충분한 지반 조사가 이루어져야 하며, 작업시 구간에 따른 지반의 상태를 파악 등 치밀한 시공관리가 이루어져야 한다.

SCW에 부적합한 암반은 경도가 약한 암으로 퇴적암 등을 들 수 있으며, 석회암은 수용성이 있어 SCW를 적용할 수 없다. 우리나라의 동해안 일부 지역은 암의 경도가 낮아 시공중이나 시공후 공이 붕괴할 가능성이 높으며, 일부 석회암질이 발달해 있는 지역 또한 SCW 공법 적용을 삼가야한다.

공의 붕괴를 막기 위해서는 철저한 검증이 필요하며 천공시 발생하는 암의 형태를 통해 확인이 가능하며 천공 후 수중 카메라를 통해 붕괴 가능성을 차단한다. 일정한 구간에서 띠의 형태로 발생하는 연약층에 대해서는 케이싱으로 차단후 시공하면 문제를 해결할 수 있다. 30년이상 지하수공들이 붕괴되지 않고 사용되고 있는 것처럼 초기에 철저히 검토하고 시공한다면 공의 자립도 유지가 큰 문제가 되지 않을 것이다.

2. 공내 오염

공내의 오염은 불순물이 토양내부에서 공내로 스며드는 것과 공의 상부를 통해 유입되는 것으로 구분할 수 있다. 토양내부에서 스며드는 것은 공 외부를 그라우팅 및 암반층까지의 케이싱을 통하여 방지될 수 있으며, 공의 상부를 통해 유입되는 불순물은 밀폐보호정(현재 지하수 오염을 방지하기 위해 개발된 제품, 3~4종)을 사용할 경우 외부에서의 불순물 유입을 완벽히 차단할 수있다.

3. 지하수 고갈

열매채로 지하수를 사용하기 때문에 지하수 고갈은 히트펌프를 작동하지 못하는 치명적인 문제가 발생된다. 하지만 골프장이나 대형 위락시설 등 지하수의 사용이 많은 지역을 제외하곤 지하수는 고갈되지 않으며 갈수기와 홍수기간 지하수위 차이가 7~10m 차이로 차이가 작다. 특히 SCW공법은 지하수를 순환시켜는 공법으 로 지하수를 개발, 사용하는 것과는 근본적인 차이가 있으며, 양수시험을 통해 안전수위를 평가하고 심정펌프를 여유심도에 위치시키면 지하수위 변화 문제를 해결할 수 있다. 하지만 자연수위가 40m 이하인 곳에서는 펌핑효율 등의 문제로 SCW 공법 적용에 주의가 필요하다.

4. 공 하부 슬러지 적층

지하수의 순환으로 암반층의 슬러지가 관정 하부에 적층되면 유공관의 흡수면적이 좁아져 시스템의 성능이 저하 될 수 있다. 현재 SCW공법으로 시공후 5년 이상 운전 사이트들 중 하단부 슬러지를 때문에 문제가 발생한 사례는 없지만, 가능성을 완전히 배제할 수 없기 때문에 안전율을 고려한 유공관 설계, 설치가 필요하다.

SCW 성능 매개변수^[각주:4] 

SCW 성능에 중요한 영향을 미치는 변수는

열전도도, 수리전도도, 지열경사, 유량, 심정심도, 블리딩율

SCW공법을 보완한 CTW공법^[각주:5]

보완 개방형 CTW(Coaxial Thermal Well)은 구조적 불안정성 문제로 인해 국내 이용률이 저조한 개방형공법(SCW)의 단점을 극복한 것으로 스위스 바젤시의 성능 평가를 받은 공법이다. 또한 국내 지반지질학적 구조와 유사한 유럽 각지에서 30년간 450여 곳에 시공돼 현장에서 신뢰성과 안정성을 인정받은 기술이다. 지중 400~500m를 주 설계로 천공부지가 협소해 500m이상 시공도 가능하며 전도와 대류를 통해 지중 암반과의 열교환 과정을 거치는 방법이다. 

CTW공법은 200평 이상의 중대형 현장에 적용할 경우 기존 수직 밀폐형 보다 경제성 확보가 우수한 것이 특징이다. 특히 CTW는 일반 지중열을 이용한 수직 밀폐형과 달리 미활용에너지 분야인 하천, 바다, 호수, 폐열원 등 다양한 에너지원 이용이 가능하다. 더불어 수직 밀폐형 대비 열회복 시간 단축 ▲천공간 최소 이격거리 유지 시 자유로운 배치 가능 ▲용량 증가 용이 ▲폐공처리 간편 ▲장시간 운전 후 건축물 용도 변경 가능 ▲부동액 미사용 ▲CO2 배출제로 ▲SCW공법 대비 에너지 효율성 우수 ▲충진재 이용으로 인한 석회층 및 점토층 적용 가능 등의 장점을 지니고 있다. 

[1] 박두희 외 4명, 2010, 단일심정 지열히트펌프의 수치적 모델링 part 1 : 수치해석 모델 검증, 한국지반공학회논문집 제 26권 2호 pp. 33~43

[2] http://www.hvac.okstate.edu/

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2013. 05. 13. 작성 

2013. 05. 14. 수정

2014. 06. 20. 수정

1. http://www.kemco.or.kr/up_load/blog/%EC%A7%80%EC%97%B4%EC%9D%BC%EB%B0%98%EC%9E%90%EB%A3%8C.pdf [본문으로]
2. http://www.cnews.co.kr/uhtml/read.jsp?idxno=201304101133515070467§ion=S1N4§ion2=S2N70 [본문으로]
3. 나상민 외 4명, 2009, 우물관정형(SCW공법) 지열히트펌프 시스템의 설치 및 운영사례, 한국신･재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회논문집 [본문으로]
4. 단일심정 지열히트펌프 시스템의 수치적 모델 개발과 영향 인자별 민감도 분석, 장재훈, 석사논문, 2011 [본문으로]
5. http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=41630 [본문으로]