밀폐형 지열냉난방 시스템이 지하수에 미치는 영향: 사례연구

1. 서 론

신∙재생에너지는 화석에너지를 대체할 수 있는 에너지원으로 최근에 사용량이 크게 증가하고 있다. 신∙재생에너지 중에 지열은 기후의 영향을 거의 받지 않고 에너지를 안정적으로 공급할 수 있다. 지열을 이용한 냉난방시스템은 친환경적이며 다른 열원 시스템과 비교하여 에너지 효율성도 매우 높다(USEPA, 1993; Lee, 2009). 지열 냉난방시스템의 설치유형은 지중열교환기의 종류에 따라 밀폐된 파이프에 유체를 순환시키는 밀폐형(closed loop cooling and heating system)과 지하수 또는 지표수를 순환유체로 직접 이용하는 개방형(open loop cooling and heating system)으로 구분된다.

최근 20년 동안 지열 냉난방시스템은 독일, 스위스, 오스트리아, 스웨덴, 덴마크, 노르웨이, 프랑스, 미국, 캐나다, 네덜란드, 중국 등에서 빠르게 성장하였다(Sanner et al., 2003; Lund et al., 2004; Gao et al., 2009; Abesser, 2010; Lund and Bertani, 2010; Bonte, 2013). 국내에서는 2000년대 초기부터 지열 냉난방시스템의 보급이 활발히 이루어졌으며 2014년까지 지열 냉난방시스템은 약 790 MW가 설치되었다(Song and Lee, 2015). 그러나 개방형 지열 냉난방시스템에 대한 이해의 부족으로 인해 개방형 지열 냉난방시스템보다는 밀폐형 지열 냉난방시스템이 주로 설치되었다. 2011년 현재 지열 냉난방시스템 중 75%가 수직밀폐형으로 설치되었다(Kwon et al., 2012).

국내에서 개방형 지열 냉난방시스템의 설치 및 운영이 대수층에 미치는 영향에 대한 연구는 활발하게 이루어졌지만(Jo et al., 2009; Mok et al., 2011; Ahn et al., 2012; Park et al., 2013), 밀폐형 지열 냉난방시스템의 설치 및 운영이 대수층에 미치는 영향에 대한 연구는 비교적 미흡한 상황이다. 밀폐형 지열 냉난방시스템의 경우 지하수를 직접 이용하지 않기 때문에 지하수의 수질오염에 대한 가능성은 매우 낮으나 관리부실 및 지중온도변화가 대수층에 영향을 줄 수 있으므로 이를 정량적으로 평가할 필요가 있다(Tenma et al., 2007; Nam, 2013). Lee et al. (2008)은 밀폐형 지열냉난방시스템에서 천공 시 지열공을 통한 오염물질의 유입(USEPA, 1997, 1999), 냉매 및 열교환 유체 누출(Klotzbücher et al., 2007; Lee et al., 2008), 그라우팅 물질에 의한 영향(Kim, 2003; Johnson et al., 2006), 지하수 수온변화에 따른 수질특성 및 미생물종 변화(USEPA, 1997; Ahn et al., 2012) 등의 오염을 초래할 수 있다고 보고하였다. 국내에서는 밀폐형 지열냉난방시스템에 의한 영향이 체계적으로 조사되지 않아 이러한 환경오염 사례가 충분히 보고되지 않았다. 이러한 환경오염은 지열냉난방시스템의 사용에 대해서 부정적인 생각을 가져올 수 있으며 또한 에너지 효율을 저하시킬 수 있다. 그러므로 지열냉난방시스템의 장점을 극대화하기 위해서는 국내에서 설치 및 운영되고 있는 밀폐형 지열냉난방시스템에 대한 모니터링이 지속적으로 이루어져야 하며 이들 시설에서 환경문제가 발생하였을 때에는 신속히 대처해야 한다.

밀폐형 지열 냉난방시스템은 지중환경, 규모 및 운영방법에 따라 다양한 환경변화를 초래할 수 있으나 이러한 환경변화는 매우 느리게 나타나기 때문에 환경변화에 대한 모니터링이 지속적으로 이루어져야 한다(Lee et al., 2008; Jo et al., 2009). 최근까지 국내에 설치된 밀폐형 지열 냉난방시스템에서 시스템의 운영에 따른 환경변화를 장기적으로 모니터링한 사례는 거의 없다. 그러나 밀폐형 지열 냉난방시스템은 지하에 대규모의 시설을 설치하므로 이들 시설로 인한 환경오염이 발생할 가능성을 완전히 배제할 수는 없다. 따라서 이들 시설에서 발생할 수 있는 환경오염을 예측하고 평가하기 위해서는 대수층의 수리지질학적인 특성에 대한 장기적인 모니터링이 필요하다. 이 연구는 지하수의 수온, 수위 및 화학조성의 장기모니터링 자료를 이용하여 밀폐형 지열 냉난방시스템이 대수층에 미치는 영향을 평가하기 위하여 수행되었다.

2. 지열 냉난방시스템의 설치현황

국내에서 지열에너지는 냉난방, 농∙수산업, 온천, 건조 등 다양한 목적으로 이용되고 있지만 전체 지열에너지 중 94.8%는 냉난방시스템으로 이용되고 있다(Song and Lee, 2015). 국내 지열 냉난방시스템 설치현황에 대한 통계는 지속적으로 이루어지고 있지만(Lee, 2009; Kwon et al., 2012; Song and Lee, 2015), 정부보조금이 에너지관리공단, 한국농어촌공사 등의 여러 기관을 통해 지원되고, 또한 정부보조금을 받지 않는 시설에 대해서는 체계적으로 관리가 되고 있지 않기 때문에 설치현황을 정확하게 파악하는데 어려움이 있다. 국내에서 지열 냉난방시스템은 2000년에 2개가 설치되었지만 2015년도까지 누적된 설치개수는 7,000 개 이상으로 급격하게 증가하였다(Lee, 2009; Song and Lee, 2015). 이것은 연면적 1,000 m² 이상의 공공기관 건물을 신축 또는 증축할 때 신∙재생에너지 설비를 10% 이상 설치해야하는 『신에너지 및 재생에너지 개발∙이용∙보급 촉진법』과 정부의 보조금으로 인한 결과로 볼 수 있다(Lee, 2009; Song and Lee, 2015).

지열 냉난방시스템의 보급 초기에는 주로 공공 및 상업적인 시설에 설치가 되었지만(Lee, 2009), 점차 수산업 및 농업 시설로 확대되어 이들의 비율이 점차 증가되었다(Kwon et al., 2012; Song and Lee, 2015). 최근에는 소규모 시설인 가정용의 설치비율이 점차 증가하고 있다(KEMCO, 2014).

3. 연구지역

중원대학교는 충청북도 괴산군에 위치하며 2009년에 본관과 기숙사동에 총 6,952 kW 용량의 수직밀폐형 지열 냉난방시스템이 설치되었으며 현재까지 잘 운영되고 있다. 이 시설에는 150 m 깊이의 지열공이 245개 설치되었고 지열공 상부에는 골프장이 조성되어 있다(그림 1). 이 연구에서는 지열공 사이에 설치된 관측정(JW-1)에서 수온, 수위 및 전기전도도를 측정하였고 지하수 흐름방향의 하류에 위치한 관정(JW-2)에서 수온 및 수위를 측정하였다. 관측정에는 0∼14 m 깊이에 165 mm 규격의 케이싱이 설치되어 있다. 연구지역의 수리전도도는 2.10×10^-4∼2.50×10^-4 cm/day, 투수량계수는 2.089∼2.478 m²/day 이다(Mok et al., 2011).

Fig. 1.

Location of study area and layout of ground-heat exchanger and monitoring wells for water temperature, water level, electrical conductivity, and chemical compositions of groundwater.

중원대학교 주변의 지질은 선캠브리아기의 변성암류가 기반암을 이룬다. 이 변성암류를 쥬라기와 백악기의 화성암류들이 관입하였고 제 4기 충적층이 이들 암석들을 부정합으로 피복하고 있다(Lee and Kim, 1972). 지표로부터 14 m 하부까지는 주로 실트와 모래이며 소량의 점토와 자갈을 포함한다. 14 m 하부에서부터 기반암이 나타난다(Mok et al., 2011).

괴산지역에는 기상관측소가 없기 때문에 괴산지역에서 가까운 충주지역의 기상자료를 이용하였다. 1981년부터 2010까지 기상자료에 따르면 연평균강수량은 1,212.6 mm이고 연강수량의 70%가 6월부터 9월까지 집중되며 특히 7월과 8월의 월강수량은 260 mm 이상이었다(KMA, 2015). 연평균 기온은 11.3℃이고 월평균 기온은 8월에 24.9℃ 가장 높았고 1월에 -4.2℃로 가장 낮았다(KMA, 2015). 연평균 습도는 71.9%이고 8월이 78.5%로 가장 습하고 4월이 60.4%로 가장 건조하였다(KMA, 2015).

4. 연구방법

5. 결과 및 토의

5.1 수리적 특성

JW-1에서 수위는 2.52∼5.55 m 범위를 보였고 JW-2에서는 2.24∼62.2 m의 범위를 보였다(표 1). JW-1의 수위는 강수량에 의한 영향만을 받았기 때문에 건기와 우기에 3.03 m의 차이를 보였다. 그러나 JW-2에서는 지하수의 직접 사용으로 인해 수위가 60 m 이상 크게 변하였기 때문에 이번 연구에서 JW-2의 수위의 변동요인은 고려하지 않았다. GG에서도 JW-1에서처럼 강수량에 의한 영향만을 받았기 때문에 건기와 우기에 4.45 m의 차이를 보였다. 연구기간 동안에 일강수량은 0.1∼167 mm의 범위를 보였고 수위는 강수량에 따라 뚜렷한 증가를 보였다(그림 2). 연구기간 동안에 JW-1에서 측정된 수위의 회귀직선 기울기는 -0.0038 m/day로 다소 감소하는 경향을 보였다. 이것은 Park et al. (2013)이 보고한 기울기(-0.00001 m/day)보다는 더 많이 감소하는 경향이다. 이번 연구의 관측기간은 Park et al. (2013)이 수위를 관측한 기간보다 6개월 연장되었지만 수위가 크게 증가하는 2013년도 우기(6월∼9월)의 자료가 대부분 포함되지 않았기 때문이다. GG에서 수위의 회귀직선 기울기는 0.00163 m/day로 다소 증가하는 경향을 보였다. 불투수층 내 함양특성의 차이로 인해 GG의 회귀직선 기울기가 JW-1과 다른 경향을 보인 것으로 평가되었다. 이번 연구에서 JW-1의 수위에서 수직밀폐형 지열시스템의 지중설비에 의한 영향이 관찰되지 않았지만 시간이 경과됨에 따라 지열시스템의 지중설비가 수위에 영향을 줄 수 있으므로 지속적인 수위관측이 필요하다.

Table 1.

Statistics of water level and water temperature at JW-1, JW-2, and GG during the monitoring period.

Fig. 2.

Temporal variations of groundwater levels at JW-1 and GG and precipitation in Chungju. GG represents Goesan-Goesan station of national groundwater monitoring network.

5.2 지하수의 물리적 특성

연구기간 동안에 충주지역의 기온은 -15.4∼30.4℃의 범위를 보였다(KMA, 2015). 기온에 따라 지열시스템을 난방 또는 냉방모드로 사용하고 이것은 지하수 수온에 영향을 준다(Park et al., 2013). JW-1, JW-2 및 GG의 수온을 표 1에 정리하였다. JW-1에서 수온은 13.3∼16.3℃의 범위를 보였다. JW-2와 GG에서 수온은 각각 12.8∼14.7℃와 13.1∼13.6℃의 범위를 보였다. JW-1의 수온은 JW-2 및 GG에 비해서 넓은 범위를 보였다. JW-2에서는 뚜렷한 계절 변화가 관찰되지 않았지만 JW-1과 GG에서는 계절변화가 관찰되었다. JW-1과 GG에서 수온과 기온은 비슷한 변동경향을 보였다. 그러나 GG에서는 기온에 바로 반응을 하였지만 JW-1에서는 약 4∼5개월의 위상차를 보였다(그림 3). 기온 및 JW-2와 GG의 수온의 회귀직선의 기울기는 각각 -0.0057, -0.0096, -0.00004℃/day로 다소 감소하는 경향을 보였다. 그러나 JW-1에서는 지열 냉난방시스템의 운영으로 인해 대수층에 열이 축적되어 회귀직선의 기울기가 0.048℃/day로 다소 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 3.

Temporal variations of temperature of ambient air in Chungju and groundwater at JW-1, JW-2, and GG.

JW-1에서 pH는 6.0∼7.8의 범위를 보였고 JW-2에서는 6.4∼8.2의 범위를 보였다. JW-1의 ORP는 16∼222 mV의 범위를 보였고 JW-2에서는 13∼174 mV의 범위를 보였다. JW-2보다 JW-1에서 pH는 낮았지만 ORP는 높았다. 그러나 JW-1과 JW-2 모두 Garrels and Christ (1965)가 분류한 전이환경(transitional environment)과 대기와 직접 접하지 않는 환경(environment isolated from the atmosphere)에 도시되었다. 이것은 JW-1과 JW-2의 산화-환원환경이 동일하다는 것을 나타낸다.

JW-1의 상부에서 측정된 전기전도도는 120∼428 μS/cm의 범위를 보였고 지상으로부터 30 m 깊이의 하부에서는 230-290 μS/cm의 범위를 보였다(그림 4). 상부에서 전기전도도는 시간이 지남에 따라 점차 증가하는 경향을 보였고 강수가 내리면 전기전도도가 증가하였다. 반면에 하부에서는 전기전도도가 시간이 지남에 따라 점차 감소하는 경향을 보였고 강수가 내리면 전기전도도가 감소하는 경향을 보였다. 이것은 JW-1의 상부와 하부가 서로 혼합되지 않았으며 다른 수질을 보일 수 있는 가능성이 있다는 것을 의미한다. 또한 지표의 영향을 덜 받는 하부의 전기전도도가 매우 좁은 범위를 보이는 것은 수직밀폐형 지열 냉난방시스템을 약 7년 정도 사용을 하였지만 아직까지는 지하수 수질에 뚜렷한 영향을 주지 않았다는 것을 의미한다. 그러나 수온증가로 인해 지하수 수질이 변할 수 있으므로 지속적인 모니터링이 필요하다. JW-2에서는 JW-1보다 높은 303∼510 μS/cm의 범위를 보였다. 이것은 JW-2가 JW-1에 비해서 지하수 흐름의 하류방향에 위치하여 물-암석반응 및 주변 환경의 영향을 더욱 많이 받았기 때문에 나타난 결과이다.

Fig. 4.

Temporal variations of electrical conductivity of upper and lower layer of groundwater at JW-1 and precipitation in Chungju.

5.3 지하수의 화학적 특성

JW-1에서 Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺의 농도는 각각 3.87∼45.2, 3.32∼14.5, 0∼11.9, 2.57∼5.92 mg/L의 범위를 보였고 Cl_, NO₃^-, SO₄^2-, HCO₃^-의 농도는 각각 6.00∼13.0, 0∼4.58, 10.0∼44.0, 46.4∼127 mg/L의 범위를 보였다. JW-2에서 Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺의 농도는 각각 65.1∼81.2, 13.6∼16.6, 11.6∼14.6, 6.15∼9.76 mg/L의 범위를 보였고 Cl_, SO₄^2-, HCO₃-의 농도는 각각 7.82∼11.2, 0∼11.9, 65.6∼172 mg/L의 범위를 보였다. JW-2에서 NO₃^-는 측정되지 않았다(0 mg/L). JW-1과 JW-2는 모두 Ca-HCO3형으로 분류되었다(그림 5). 파이퍼다이어그램에서 JW-1과 JW-2 모두 양이온은 매우 좁은 범위에 도시되었지만 음이온은 넓은 범위에 도시되었다. 이것은 시료를 채취한 시기에 따라서 양이온의 기여도는 거의 변화가 없지만 음이온의 기여도는 크게 변화되었다는 것을 의미한다.

Fig. 5.

Chemical compositions of groundwater at JW-1 and JW-2.

JW-1에서 대부분의 용존성분들은 JW-2보다 더 낮은 농도를 보였지만 NO₃^-와 SO₄^2-의 농도는 JW-2보다 JW-1에서 더 높았다. 특히 NO₃^-와 SO₄^2-의 농도는 시간이 지남에 따라 점차 증가되었으며 이들의 농도증가로 인해 JW-1 상부의 전기전도도가 하부보다 높은 값을 보였던 것으로 판단되며 이를 명확하게 규명하기 위해서는 JW-1 내 용존성분들의 수직적인 농도변화를 살펴봐야 할 것이다. 또한 이것은 지열 냉난방시스템의 영향을 평가할 때 시료채취의 위치가 중요하다는 것을 나타낸다. NO₃^-와 SO₄^2-는 비료로부터 공급될 수 있는 성분들로 지열 냉난방시스템 상부에 조성된 골프장의 영향으로 판단할 수 있으며 이들 성분들의 영향이 점차 커지고 있음을 알 수 있다. JW-2에서 대부분의 성분들의 농도가 JW-1보다 높았지만 특히 Ca²⁺, Mg²⁺ 및 HCO₃^-에서 이러한 경향이 뚜렷하게 나타났다. 이들 성분들은 탄산염 광물들의 용해반응과 관련이 있는 성분들로 JW-1보다 JW-2에서 물-암석반응의 영향을 더 많이 받은 결과로 해석할 수 있다. 그러나 JW-1의 NO₃^-와 SO₄^2-의 농도가 JW-2에서 유지되거나 증가되지 않은 것은 골프장 주변 지역에서 유입된 지하수로 인해 이들의 농도가 희석된 것으로 판단되나 이를 명확하게 규명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

결과적으로 연구지역 내 지하수의 수질변화는 수직밀폐형 지열 냉난방시스템의 운영의 영향이 아니라 지표 내 성분들이 지하수로 유입되면서 나타난 것이며 JW-1의 수질이 연구지역 주변의 넓은 범위에까지 영향을 주지는 않은 것으로 평가되었다.

6. 결 론

이 연구에서는 2010년 5월부터 2013년 6월까지 측정된 지하수 수위, 수온, 전기전도도 및 화학조성을 이용하여 수직밀폐형 지열 냉난방시스템이 대수층에 미치는 영향을 평가하였다. 연구기간 동안에 지하수 수위는 약 3.03 m의 수위변화를 보였으며 이것은 월강수량의 변화로 인해 나타난 결과이며 지열 냉난방시스템의 영향은 거의 없었다. 지하수 수온은 지열 냉난방시스템 영향으로 인해 냉방모드와 난방모드로 운영 시 최대 3.0℃ 변화가 있었지만 시스템을 운영하지 않을 때 평균값으로 빠르게 회복되었다. 그러나 모니터링기간동안에 대수층에 열에너지가 축적되면서 0.048℃/day로 점차 증가하는 경향을 보였다. 향후 지하수의 수온은 일정 수준까지 계속 증가할 것으로 예측된다. 지하수 수온의 증가는 시스템의 에너지 효율을 낮출 수 있으므로 시스템의 에너지 효율을 현재 상태로 유지하거나 또는 에너지 효율을 높이기 위해서 대수층에 주는 영향을 최소화할 수 있는 운영방안이 모색되어야 할 것이다. 지하수의 수질은 지열 냉난방시스템의 영향을 거의 받지 않았지만 지열공 상부에 조성된 골프장의 영향으로 인해 NO₃^-와 SO₄^2-의 농도가 점차 증가하는 경향이 관찰되었다. 이러한 수질변화가 중원대학교의 수직밀폐형 지열 냉난방시스템 사용에 큰 영향을 주지는 않겠지만 지하수의 오염방지 및 수자원을 확보하기 위해서 적절한 골프장 관리방안을 모색해야 될 것이다.

Fig. 6.

Temporal variations of major ions in groundwater at JW-1 and JW-2.

Acknowledgments

본 연구는 환경부 “토양∙지하수오염방지기술개발사업(2014000530001)”에서 지원을 받아 수행되었습니다. 이 논문을 위해서 세심히 검토해 주시고 유익한 조언을 해 주신 한국지질자원연구원 이태종 박사님과 익명의 심사위원께 깊이 감사드립니다.

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