1. 머리말

2020년 10월에 정부는 ‘2050년 탄소중립 달성’을 지향하기로 선언하고 탈탄소화로의 움직임이 활발해졌다. 환경부의 지역 탈탄소 로드맵에서는 중간 목표인 2030년까지 2013년 대비 온실가스 46% 삭감, 더 나아가서는 50%를 향해 계속 도전할 것을 분명히 밝히면서 선진적인 기술개발이 추진되고 있다.

에너지 수요가 큰 도시 지역에서의 신재생에너지 이용은, CO₂삭감 효과와 더불어 안정성과 규모 면에서 볼 때 지하수열·하천수열·하수열 등 ‘물’ 을 개재한 것이 유력하다.

현재 오사카시 지역에서 신재생에너지 열 이용에 적극적으로 진행하고 있는 우메키타 2기 지구의 재개발에 도입된 대수층 축열 시스템(이하 ATES라고 한다)은, 전국 최초로 대규모 재개발에 적용된 사례로 주목받고 있다. 본고에서는 이보다 3년 앞서, 환경성의 기술개발·실증사업 지원책으로 연구 개발해 왔고 현재도 계속 운용되고 있는 아미티마이시마(장애인 전용 스포츠센터)를 일례로 ATES용 고성능 열원 우물 구축법에 대해 소개한다.

2. 건물의 개요

오사카시 마이시마 장애인 스포츠센터인 아미티마이시마(이하 아미티마이시마라고 한다)는, 1987년 말 오사카시 연안에 조성된 매립지에 1997년부터 장애인 전용 스포츠시설 및 숙박시설을 설치해 공용하고 있다.

2.1  계획의 골자

본 계획은 기설 가스흡수식 냉동기 150Rt 3대 중의 1대를 지하수 열원 난방도 가능한 200Rt의 터보 히트펌프 대수층 축열 시스템으로 교체했다.

ATES란 조금 떨어진 1세트의 우물을 개재해 대수층으로 불리는 지하수 부존 지층을 ‘축열층’으로 하고 냉난방 시 열을 이용한 다음 그때 배출되는 열을 저장하고 냉난방 부하가 교체되는 시점에 바뀌는 열을 재사용하는 시스템을 말한다. 냉난방 시의 배기열을 축열로 이용할 수 있는 곳은, 자연조건이라든가 지수벽 등에 의해 지하수 유속이 완만한 지역이다. ATES는 지하수를 직접 열로 이용하는데 수질 변화 억제에 세심한 주의를 기울여 땅속으로 환원한다. 아미티마이시마는 철분 농도가 높고 염수화가 보이지만 문제없이 이용되고 있다. 지하수를 환원하기 때문에 지반침하가 발생하기 어려운 점도 특징적이다.

본 시설은 협소한 도시 지역에서 이용하는 것을 상정하고 ATES 중에서도 2층 이용 대수층 축열(이하 W-ATES라고 한다)로서 개발한 것을 설치했다. 본 W-ATES는 열 수요가 많은 고층빌딩이 밀집된 시가지용으로 개발됐고 1개 우물에 의해 상하 2층의 대수층에서 독립해 양수(揚水) 및 전량 환원이 가능한 시설이다.

W-ATES용 우물을 2개 구축하고 지하수를 동일한 대수층 사이에서 열 이용한 후 축열함으로써 냉방 시 열원용량 700kW의 인버터 터보 히트펌프 운전할 때 100m³/h의 지하수를 이용해 조달하는데 열균형 유지 및 경부하 시에 대비해서는 냉각탑에 의한 냉방도 가능하다(능력 면에서는 1,400kW를 보유한다).

2.2  오사카시 지역의 지하수 사정

오사카시는 지하수가 풍부한 지역으로 우에마치 대지에서 오사카만을 향해 오사카만 중심부를 기저로 13층 이상의 대수층이 형성돼 있고, 그 중 수질변화 억제에 유효한 피압 대수층인 제2 홍적 대수층(Dg2)과 제3 홍적 사력층(Dg3)을 이용한다.

오사카시 지역은 지하수 함양량을 초과하는 과잉 지하수를 퍼 올림으로써 지하수위 저하에 기인하는 지반침하가 큰 사회문제로 떠올랐다. 그리고 1959년 공업용수법에 의한 규제를 시작으로 단계적으로 규제가 거듭되면서 이른바 ‘용수 2법’으로 지하수 이용을 억제해 온 지역이다.

오사카시는 우메키타 지구의 환경성 기술개발 실증사업의 성과를 토대로 정부를 움직여 건축물용 지하수 채취 규제에 관한 법률(빌딩용수법) 규제를 받는 해당 구역에 대해 2019년 국가전략특별구의 특례로 대수층 축열형 냉난방사업 실증이 허가됐다. 오사카시는 양수 규제 구역 내에서 특례 적용된 첫 번째 사례다.

아미티마이시마가 있는 매립지는 1990년 이후에 생겼기 때문에 지역지정 구역에서 제외돼 용수 2법 제한은 적용되지 않지만 지반침하 영향평가를 통해 향후 규제제도 개편에서 해야 할 역할이 크다.

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본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2023년 9월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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