고심도 수직밀폐형 지열시스템 딥코일300 공법 김정현 기자 입력 2023-10-13 (금) 13:06  지열 지중열교환기의 열교환코일관에 하중부가재 설치 및 누출센서 부설 지중열교환기의 설치심도를 300m 이상 심도까지 시공하는 신기술이 나왔다. 고심도 수직밀폐형 지열시스템은 기존 150~200m까지 설치되던 지중열교환기의 설치심도를 높여 열효율을 증가시키고 시공성과 경제성을 확보했다. 신기술인 고심도 수직밀폐형 지열시스템 딥코일300 공법(Deep-coil Method)은 하중밴드 및 하중부가재를 설치하여 기존 기술대비 200% 이상 시공깊이를 증가시켰으며, 점검구 및 누출센서를 설치하여 지중 매설부분에 대한 유지관리 및 점검이 가능하다. 또한 지열공 및 지중배관에 스마트태그를 설치하여 사물인터넷(IoT) 기술을 적용했다. ㈜지앤지테크놀러지가 개발한 지열 지중열교환기의 열교환코일관에 하중부가재 설치와 누출센서를 부설한 고심도 수직밀폐형 지열시스템 시공기술은 이러한 기술력을 인정받아 건설신기술 제929호로 지정됐다. 보호기간은 2030년 3월 30일까지 8년이다. 신기술은 고심도 지열굴착공 내부에 설치되는 지열코일관의 부력을 감쇄시키기 위하여 하중부가재를 지열코일관 외부에 일정 간격으로 고정 설치하고 지열공 내에서 지열코일관이 부력에 의해 부양되지 않으면서 고심도까지 삽입 설치가 용이하도록 개발한 고심도 수직밀폐형 지중열교환 기술이다. 하중부가재를 지열코일관 외부에 고정하여 지중열교환기를 250~300m 고심도까지 삽입 설치가 가능하다. 또한 지중열교환기의 상부와 수평 트렌치 배관에 누출센서와 스마트태그를 설치하여 유지관리가 용이하다. ■ 기술개발자 · ㈜지앤지테크놀러지(대표이사 조희남) 인천광역시 연수구 송도미래로 30 송도 BRC 스마트밸리 지식산업센터 A동 102호 www.pgu.co.kr ■ 건설신기술 제929호 보호 기간 : 2022. 03. 31 ~ 2030. 03. 30 (8년)  도심 건축부지 지열시스템 적용…제로에너지빌딩 기여 지열코일관의 재질특성상 비중이 물보다 낮아 지열공 내부의 지하수로 인한 부력 때문에 기존 지열공 내 지열코일관의 설치깊이는 220m 내외가 설치한계로 작용해왔다. 이로 인해 지열공 한 개소당 열교환용량은 3RT로 작을 수 밖에 없었으나, 신기술은 부력감쇄용 하중부가재를 설치하여 250~300m 고심도까지 설치가 가능하여 단위 지열공당 열교환용량을 최대 6RT로 확대할 수 있다. 이에 따라 도심지 한정된 건축부지 면적으로 지열시스템 적용이 불가능하던 건축물에 대해서도 신재생에너지 설치의 의무비율 확보, 제로에너지빌딩(ZEB) 에너지 자립율 적용 및 유휴부지 활용이 가능해질 것으로 기대된다. 또한 스마트태그 및 누출센서의 유지관리 기능을 통하여 천공 공간축소에 따른 시공편의성 뿐만 아니라 지열냉난방시스템의 경제성을 향상시키는데에 기여할 것으로 기대된다.  300m 고심도 지중열교환기 설치 신기술인 딥코일300 공법의 주요 특징을 살펴보면 크게 ▲하중밴드를 이용한 시공 깊이 증대 ▲점검구 및 누출센서를 이용한 지중 매설부분 유지관리 및 점검 기능 ▲지열공 및 지중배관 사물인터넷 기술로 구분할 수 있다. 먼저 지중열교환기의 외측에 하중밴드 및 하중부가재를 설치하여 기존 기술대비 150~200% 이상 시공깊이를 증가시켰다. 또한 지중열교환기 열교환코일관 형태를 2관식, 4관식으로 구성하여 단위 지열공당 열교환용량을 확대했다. 시공 깊이의 증가로 개별 지열공의 열전도도를 향상시킬 수 있으며 기존 기술 대비 전체 천공에 따른 깊이를 줄이면서도 천공수량은 최대 50% 절감할 수 있다. 이러한 특징으로 인하여 설치에 필요한 부지 면적을 획기적으로 절감할 수 있어 설치 장소가 협소한 도심지내에서도 지열시스템 적용이 가능하며 지열공간 이격거리가 충분하여 열간섭 현상을 최소화할 수 있다. 아울러 그라우팅을 통해 지중열교환기의 협착발생을 방지할 수 있다. ‘누출센서’ 환경친화적 기술…유지관리성 강화 또한 수직밀폐형 지열시스템 특성상 지중 순환수로 사용되는 부동액 누출 등에 따른 토양오염 가능성을 배제할 수 없다. 순환수인 부동액이 부족해지면 지속적으로 보충을 필요로 한다. 기존 기술은 누출이 발생할 경우 존으로 구성된 지중열교환기의 전체를 폐쇄하게 된다. 하나의 존은 5개공에서 10개공으로 구성이 되는데 정확한 누출위치를 파악할 수 없는 단점이 있다. 이렇게 지중열교환기가 폐쇄될 경우 히트펌프에는 부하가 가중되고 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 이에 따라 신기술은 지열공에 누출센서를 설치하여 누출 위치를 쉽게 파악할 수 있도록 유지관리성을 강화했다. 지열공 상부에 점검구를 설치하여 사고가 발생한 해당 지열공에 대한 단독 보수를 진행할 수 있는 것이다. 또한 수직밀폐형 지열시스템도 개방형 지열공과 동일하게 점검이 가능하여 부동액 누출현상이 발생할 경우 즉각적인 대처로 토양오염 확산을 미연에 방지할 수 있다.  스마트태그 설치, GIS 서버 연계 관리 딥코일300 공법은 지열공 및 지중배관에 스마트태그를 설치하여 잔디나 아스팔트 등으로 복토가 된 경우에도 지열공 위치 파악이 가능하다. 또한 RFID 리더기로 지열공에 대한 위치 파악 후 스마트폰 앱을 통해 지열공의 설치년도, 관구경, 지열공 번호 등의 정보를 확인할 수 있으며 GIS 서버와 연계하여 관리할 수 있다. 이때 RFID는 패시브 형태의 RFID 태그로 구성되어 반영구적으로 사용이 가능하다. 아울러 건물의 증개축시 지중 시설의 정확한 위치 파악이 가능하여 지중 지열시설물의 파손을 예방할 수 있다.  지열공 천공수량 감소, 지중열전도 강화 시공절차를 살펴보면 먼저 지열시스템 검토 후 시험천공 및 열전도도 테스트를 진행하고 시뮬레이션을 통해 지열시스템을 설계한다. 설계가 완료되면 천공 후 하중추 부착, 하중밴드 부착, 지중열교환기 설치 순으로 시공된다. 이후 고효율 벤토나이트를 주입하고 수압시험 후 트렌치배관을 설치한 후 유지관리를 위한 누출센서와 스마트태그를 설치한다. 설치가 마무리된 후 기계실 공사와 자동제어 시스템 시운전을 통해 고심도 수직밀폐형 지열시스템 시공이 완료된다. 신기술은 서울시립대학교 미래융합관 지열공사, 농림수산식품교육문화정보원 청사 지열시스템 신축공사, 순창군 미생물산업사업소 참살이발효마을 조성사업 등에 적용됐다. 기존 기술은 지중열교환기로 사용되는 HDPE관 재질 특성상 비중이 물보다 작아 최대 220m까지 설치 한계가 존재하는 단점이 지적되어 왔다. 또한 낮은 열용량으로 인하여 다수의 지열공을 굴착해야 하여 굴착에 따르는 초기투자비가 소요되고 과다한 설치부지를 필요로 했다. 아울러 일정면적에 다수의 지열공 굴착에 따라 장기간 시스템을 가동할 경우 열효율이 저하되는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 ㈜지앤지테크놀러지가 개발한 지열 지중열교환기의 열교환코일관에 하중부가재 설치와 누출센서를 부설한 고심도 수직밀폐형 지열시스템은 지열공 내 열교환코일관 전열면적 확대, 지열공 천공수량 감소, 지열공사기간 단축, 타 공종간 간섭 최소화, 지열 시공비용 절감 등 경제성을 확보했다. 아울러 공사현장 내 온실가스를 60% 감축할 수 있어 공사현장 탄소중립에 기여하는 환경친화적 기술이다. 특히 시공 현장 내 지열공 천공수량의 감소로 공사기간을 단축할 수 있어 전체 건축 공사기간의 효율적인 관리가 가능하다. 탄소중립 기여, 환경친화적 기술 최근 공공건축물 의무화 비율의 단계적 상향과 민간건축물의 제로에너지빌딩 인증제 도입 등으로 인하여 지열시스템이 부각되고 있다. 그러나 기존 기술은 낮은 열효율로 인해 건축부지가 협소한 지역에는 설치에 한계가 존재하는 단점이 지적되어 왔다. 이에 신기술은 단위 지열공당 열용량을 대형화하여 지열공 천공수량을 감소시켜 도심지 내 협소한 건축부지 면적에서도 수직밀폐형 지열시스템 기술을 적용할 수 있도록 확대했다. 특히 신기술은 굴착공수 감소를 통해 온실가스 감축 등 정부의 탄소중립 정책에 부합하여 에너지 패러다임 혁신에 기여할 것으로 기대된다. 지금까지 살펴본 바와 같이 고심도 수직밀폐형 지열시스템 신기술을 적용하면 전열면적 향상, 지중열전도 향상, 굴착공수 및 부지면적 30% 감축, 시공기간 37% 감축, 시공현장에서의 온실가스 60% 감축이 가능하여 앞으로 국내외 지중열교환기 건설공사 현장에서 활발히 적용될 것으로 기대된다. 김정현 기자 |
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