신재생에너지의 공공건물 의무화 비율 확대 및 제로에너지건축물(ZEB) 의무화 등으로 공공 및 민간 건축물에 신재생에너지 적용이 확대되고 있지만 도심지 건축물에서 부지확보나 경제성, 운영효율성 등을 감안할 때 이 의무비율을 맞추는 것은 쉽지 않은 상황이다.

특히 신재생에너지원 중 건물에 냉난방 및 급탕 공급 시스템으로 적용이 증가하고 있는 지열시스템은 높은 효율, 에너지 절감효과, 경제성 확보 등 여러 가지 이점에도 불구하고 부지 확보 및 초기 투자비용의 부담 등의 이유로 도심지 적용이 더딘 편이었다.

이런 가운데 최근 협소한 도심지 건축물 적용에 최적화할 수 있는 반밀폐형 지중열교환기로 구성된 지열에너지 시스템이 환경부로부터 우수한 R&D 기술성을 인정받아 혁신제품으로 지정돼 기계설비 업계의 관심을 받고 있다.

지열에너지 시스템분야에서 기술혁신을 선도하고 있는 신재생에너지 전문기업 ㈜지앤지테크놀러지(회장 조희남)가 개발한 ‘지오썸하이브리드’가 그 제품이다.

지오썸하이브리드는 개방형의 높은 열효율과 밀폐형의 관리 편의성을 모두 갖춘 반밀폐형 지열시스템으로 일반 개방형 시스템에서 지열공 내부의 수중펌프를 없애고 기계실 내에 ‘라인펌프’나 ‘볼류트펌프’를 설치해 밀폐형 구조로 가동된다.

조희남 지앤지테크놀러지 회장은 “지난 20여년 동안 ‘프리미엄급 먹는 샘물’ 개발 등 지하수에 대한 축적된 연구실적과 경험을 기반으로 지하수 우물의 수리전도도의 기술적 특성을 활용할 수 있었던 점이 지오썸하이브리드 개발의 원동력이었다.”라며 “이번 환경부 혁신제품 지정을 통해 고심도 반밀폐형 지오썸하이브리드 기술을 대외적으로 다시 한 번 인정받게 돼 시장 확장에 대한 자신감을 얻었다.”고 말했다.

이어 “앞으로 기술개발에 더욱 정진해 건물분야에서 신재생에너지 비율과 ZEB 비율 적용 및 녹색건물인증에서 지열이 핵심적인 역할을 담당해 갈 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

지오썸하이브리드, 환경부 ‘혁신제품’지정

지앤지테크놀러지는 1998년 9월 지하수 굴착 및 오염방지 그라우팅 전문업체로 설립됐다. 2003년 오염없이 지하수를 개발하고 오염된 지하수의 수질을 개선, 복구하는 팩카그라우팅 공법을 개발해 백산수, 삼다수 등 유명 브랜드 먹는 샘물, 마을 상수도, 국가 안심지하수, 제주도 지하수 개선사업 등 주로 프리미엄급 지하수 개발 및 오염방지 사업을 꾸준히 수행했다.

하지만 프리미엄급 지하수 개발 사업은 거래처가 한정되다보니 회사 성장성에 한계가 있었다. 그런 상황에서 업역 확장 및 회사 성장 돌파구로 찾은 게 지열시스템 사업이었다.

지앤지테크놀러지는 그동안 축적한 지하수 관련 기술을 바탕으로 2008년 지열에너지 시스템 분야로 사업영역을 확대하게 된다.

조희남 회장은 “그 당시 지열시스템 시장에서 수직밀폐형이 시장점유율 80% 이상을 차지하고 있는데도 불구하고 설치 부지면적이 부족해 도심지 적용에 제한이 있었던 점이 산학연의 공통된 고민꺼리였다.”라며 “미국환경보호청(EPA)에서는 지열시스템이 현존하는 신재생에너지 중 가장 높은 효율과 경제성, 친환경성을 제공한다고 정의했음에도 불구하고 부지면적의 한계로 인해 정작 빌딩 및 건축물이 많은 도심지역에 설치가 어려운 점을 발견하고, 지열시스템의 효율을 개선해 지열공 수를 줄이면 협소한 부지에서도 지열시스템을 구동할 수 있겠다는 판단 하에 국가 R&D 사업을 통해 고심도 수직밀폐형 지열 지중 열교환시스템 기반 기술을 개발하게 됐다.”고 말했다.

지앤지테크놀러지는 2016년 독일의 개방형(SCW) 지열 시공기술인 게오힐 공법을 우리나라의 지질 특성인 화강암과 현무암에 원활하게 적용할 수 있도록 개선한 ‘지오썸’을 국산화했다. 이어 2017년에는 주력기술 중 하나인 고심도 수직밀폐형 지열시스템 ‘딥코일 300’을 개발, 사업화에 성공했다. 또 2019년에는 ‘지오썸’ 공법을 바탕으로 개방형 시스템의 성능을 유지하면서도 밀폐형 시스템과 같은 유지관리의 편의성을 갖춘 신개념 반밀폐형 ‘지오썸하이브리드’ 공법 개발에 성공하고 최근 상용화했다.

‘딥코일300’은 기존 150~ 200m였던 PE 재질의 열교환코일관 외측에 부력 감쇄용 십자형 하중밴드와 하중부가재를 결합시켜 300m 이상 고심도까지 설치할 수 있다. 또한 열교환기 형태를 2관식에서 4관식으로 설치해 단위 지열공 당 열용량을 최대 2배 이상 증대시켜 효율성과 경제성을 향상시켰다.

지중열교환기의 고심도 시공은 설치 지열공 수 감소로 이어져 설치면적 축소와 시공비 절감은 물론 에너지 효율 향상을 통한 사용 유류비 감소로 탄소배출 저감 효과도 기대할 수 있다.

‘딥코일300’은 업계 최초로 지열공에 누출센서 및 스마트태크 등 IoT기술을 적용해 유지관리 효율성을 높였다. 기존 시스템은 지열공의 누출 확인 및 매설위치 파악이 어려워 보수시간 지연 등으로 인한 시스템 파손위험이 상존해 있었다.

조희남 회장은 “딥코일300은 고열량 고효율의 지중열교환기로 도심지 건축부지가 좁아 지열시스템 적용이 불가능하던 건축물에도 신재생에너지 의무비율 확보가 가능하다.”라며 “기존 지열기술 대비 시공기간과 시공비를 20%가량 절감시킬 수 있어 건설사 및 시공업체의 건설경쟁력 강화에도 일조할 수 있다.”고 강조했다.

이어 조 회장은 “그동안 기존 2관식 코일관에서 4관식, 6관식으로 코일관을 확장해 효율을 지속적으로 향상시켜 왔다.”라며 “빠른 시일 내에 8관식 코일관 등 관련 기술개발을 통해 10RT 성능까지 구현해 도심지의 중소빌딩에 소수의 지열공 굴착으로 지열에너지를 활용할 수 있도록 할 계획”이라고 밝혔다.

고심도 수직밀폐형 지열시스템 ‘딥코일300’은 우수발명품 우선구매 추천, 건설신기술(제929호), 환경신기술(제549호), 성능인증(제23-CAD0170호), 혁신제품인증(제2022-033호) 등을 받았으며 음성꽃동네 낙원묘지(500RT), 완도해양치유센터(300RT), 순창발효테마파크(190RT), 농정원 청사(180RT), 서울시립대학교(150RT) 외 다수 건축물에 적용됐다.

특히 올 4월에는 중소환경기업 사업화·상용화 지원사업으로 수행한 ‘6관식 고심도 수직밀폐형 지중열교환기 - 딥코일300’ 기술에 대한 사업화 과제도 성공적으로 완료하며 열교환 면적의 확대와 열교환 효율 증가 기술에 대한 신뢰성도 확보했다.

올 4월, 6관식 고심도 수직밀폐형 지중열교환기 사업화 과제 완료

수직밀폐형 지열시스템 ‘딥코일300’이 공공시설 등 부지가 여유 있는 곳에 선호된다면 도심지의 1000RT 이상 대용량 지열에너지 솔루션에는 반밀폐형 지열시스템인 ‘지오썸하이브리드’가 효과적이다.

조희남 회장은 “지오썸하이브리드는 개방형의 장점인 높은 성능과 밀폐형의 장점인 유지관리의 편의성을 결합한 반밀폐형 지열에너지 시스템으로 도심지 중심의 지열시장 저변 확대에 최적화할 수 있는 신개념의 지열시스템”이라고 강조했다.

이에 “지오썸하이브리드는 장시간 운전으로 인한 지하수위 저하, 지열공 별 수리전도도 차이에 의한 공급, 순환수 물넘침 현상, 수중펌프의 잦은 소손으로 인한 유지관리 등의 문제점과 수직밀폐형의 저용량으로 인한 초기 투자비 과다 등의 문제점을 해결했다.”고 말했다.

지오썸하이브리드는 기존 개방형과 같이 지하수를 순환에너지로 사용한다. 하지만 일반 개방형이 지하수를 사용함으로 인해 허가시설로 분류되는데 반해 지오썸하이브리드는 지하수를 뽑아쓰지 않는 시설로 분류돼 수직밀폐형과 동일하게 신고시설로 설치가 가능하다. 개별 지열공에 설치되는 수중펌프를 없애고 대신 기계실에 1대의 단일순환펌프를 설치해 다수의 지열공을 한 개의 존(zone)으로 구성해 운용한다.

순환펌프 1세트로 운용하는 밀폐형의 운용방식을 통해 지질·지형·지하수량에 의존하지 않고도 개방형의 높은 열효율을 낼 수 있다. 일반 개방형에서 주로 발생하는 물넘침 장애를 역으로 이용한 원리이다.

지오썸하이브리드는 수중펌프 유지관리의 번거로움을 개선하고 지열공의 배치를 건물 지하층 어디에든 설치 가능하다. 또한 기존 개방형과 달리 수중펌프가 없어 설치 및 유지관리를 위한 별도의 유휴부지를 필요로 하지 않는다.

더욱이 유입된 지하수를 계속 활용하는 원리로 지열공의 천공 깊이를 600m 이상 설치 가능해 확대된 열용량 획득은 물론 난방 시 높은 열효율을 얻을 수 있다.

조희남 회장은 “좁은 부지에서도 높은 열교환 용량을 확보할 수 있어 특히 건축부지가 협소한 도심지에서 지열 활용도를 크게 높일 수 있는 이점을 제공한다.”라며 “600m 이상의 고심도 반밀폐형의 경우 지열공의 깊이를 깊게 하면서도 천공 직경을 250mm 이상으로도 확대할 수 있어 높은 열용량을 지중 축열을 통해 건물 냉방부하와 급탕부하 일부를 함께 운용할 수도 있는 장점도 있다.”고 강조했다.

지오썸하이브리드는 물넘침 기능을 활용해 보충정 혹은 유출지하수로 열원을 공급하므로 건물 주변 지중 내 지하수 증감이 없으며 건물 내 자연수위가 낮을 경우에도 안정적으로 운용이 가능하다. 또 지열공 함몰방지를 위한 저심도 유공관 케이싱 삽입으로 안정된 지하수 순환이 가능하다.

지오썸하이브리드는 환경적인 측면도 고려해 심층 지하수를 직접 순환시키면서도 지표층에 가까운 지하수는 철저하게 차단할 수 있도록 지표면 아래로부터 50m 깊이까지 오염방지 및 차수용 그라우팅을 시행한다. 이러한 시설은 지하철 등 지하 시설물에 대한 영향을 최소화하면서도 암반 지하수층만을 이용해 풍부한 열원을 확보할 수 있다.

조희남 회장은 “지오썸하이브리드는 개방형 시스템의 높은 열효율을 그대로 활용해 밀폐형 대비 10배가량의 성능과 1/10의 지열공 수량 설치로도 운용이 가능하다.”라며 “설치공간이 협소해 기존 밀폐형 시스템은 물론 개방형 시스템 적용에 제한이 있는 곳에서도 신재생에너지 비율을 지열로 모두 충족시킬 수 있다.”고 언급했다.

지오썸하이브리드는 혁신제품(제2022-531호), 환경신기술(제495호) 인증을 받았으며 2022년 대한민국 환경·에너지 대상 환경부장관상을 수상하기도 했다.

적용사례로는 평택 ‘팜에이트’ 스마트팜(210 RT)에 적용을 비롯해 반밀폐형 지열시스템으로는 국내 최초로 서울 성수동 오피스 건물(220RT) 지하층에 설치공사를 진행 중이다.

조희남 회장은 “우리는 그동안 새로 개발한 기술의 신뢰성을 확보하기 위해 성능테스트를 통한 국가인증 획득에 주력해 온 만큼 앞으로 실적을 통해 기술의 안정성과 성능을 입증해 나갈 것”이라며 “서울 성수동 소재 오피스 빌딩은 설계 당시 어떤 지열시스템으로도 설치가 불가능한 상황에서 ‘지오썸하이브리드’만이 대안으로 채택된 만큼 부지가 협소한 도심지 건물의 냉난방 및 급탕시스템으로 지열에너지 시스템 적용이 확대될 수 있는 바로미터가 될 것으로 기대한다.”고 언급했다.

ZEB 등 도심지 건축물로 시장확대…2025년 500억 매출 달성

지앤지테크놀러지는 설립 이후 지금까지 연구개발을 통해 획득한 특허와 실용신안 등록, 디자인 등 100여 건이 넘는 지적재산권을 확보하는 등 지열시스템 분야에서 세계에서 가장 많은 특허를 보유한 기업으로 알려져 있다. 이런 성과에 대한 평가를 통해 대통령표창과 국무총리표창, 국무총리단체표창, 환경부장관 표창 및 산자부장관표창 등 많은 표창과 인증을 받았다.

현재 기존 기술에 머물지 않고 도심지 등 부지면적이 좁은 지역에도 지열시스템을 도입할 수 있도록 설치 지열공 수를 줄일 수 있는 열효율 증대 기술을 개발 중이다.

조희남 회장은 “도심지 건물에 지열에너지 시스템 적용 확대를 위해서는 터파기 등 토목 및 지반공사 전 기초설계 승인 검토기간에 지열공 굴착 공사를 할 수 있는 제도적 근거가 마련돼야 한다.”라며 “이럴 경우 지열공 굴착에 소요되는 공사기간이 대폭 줄어 경비가 절감되고 지열공 굴착 깊이가 증가해 단위건물당 열용량이 커지고 안전사고를 줄일 수 있는 등의 장점이 있다.”고 강조했다.

이어 “지열시스템은 냉난방 열에너지를 제공하는 친환경 고효율 기술로 4계절 기온변화가 큰 우리나라에 적용하면 높은 에너지절감 효과는 물론 특히 자원 해외시장 의존도를 낮출 수 있어 친환경 자원인 ‘지열’ 활용을 확대한다면 에너지 자급자족이 가능한 ‘도시유전’을 실현할 것으로 기대한다.”라며 “앞으로 공공기관과 주요 건설사를 통해 제로에너지빌딩을 비롯해 부지확보 문제로 신재생에너지를 설치하기 어려운 다양한 건축물을 중심으로 시장점유율을 높여 2025년 500억 매출 목표를 달성할 계획이다.”라고 밝혔다.