최근 지열에너지 활용 증가 추세와 더불어 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형의 효율이 더 높다는 연구결과가 제시됨에도 불구하고, 국내 지열냉난방시스템의 열교환 방식은 수직밀폐형 방식이 주를 이루고 있다. 따라서, 본 연구에서는 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 수직개방형 방식의 효율성을 검증하기 위하여, 수리지질 및 열적 특성을 반영한 최적의 지열에너지 활용 방식을 수치 모의하였다. 1차 모의 결과, 지하수 부존량이 풍부한 지역에서 지열냉난방시스템을 활용하는 경우 수직밀폐형보다 지하수를 직접 이용하는 수직개방형이 더욱 효과적인 것으로 분석되었으며, 수직개방형 중에서는 SCW (standing column well)형 보다는 주입정과 추출정이 분리된 복수관정형에서 지반과 열교환을 통해 얻을 수 있는 주입수와 추출수의 온도차 (${Delta}$)가 커 더욱 효율적인 것으로 나타났다. 2차 모의에서는 수직개방형 지열에너지 공급방식인 단일관정형, SCW형, 복수관정형을 대상으로 열 이송, 이격거리 및 유량, 지하수 수리경사 등을 고려한 최적의 활용 방식을 검토하였으며, 이를 바탕으로 지열냉난방시스템의 지중 열교환 방식 선정 시 활용할 수 있는 흐름도를 제시하였다. 본 연구결과 제시된 다양한 선정 기준을 기초로 실제 선정 시에는 전체 지열냉난방 시스템에 대한 COP (coefficient of performance) 계산 및 세부적인 타당성 검토가 필요할 것으로 판단된다.
While the vertical open type of heat exchanger is more effective in areas of abundant groundwater, and is becoming more widely used, the heat exchanger most commonly used in geothermal heating and cooling systems in Korea is the vertical closed loop type. In this study, we performed numerical simulations of the optimal utilization of geothermal energy based on the hydrogeological and thermal properties to evaluate the efficiency of the vertical open type in areas of abundant groundwater supply. The first simulation indicated that the vertical open type using groundwater directly is more efficient than the vertical closed loop type in areas of abundant groundwater. Furthermore, a doublet system with separated injection and extraction wells was more efficient because the temperature difference (${Delta}$) between the injection and extraction water generated by heat exchange with the ground is large. In the second simulation, we performed additional numerical simulations of the optimal utilization of geothermal energy that incorporated heat transfer, distance, flow rate, and groundwater hydraulic gradient targeting a single well, SCW (standing column well), and doublet. We present a flow diagram that can be used to select the optimal type of heat exchanger based on these simulation results. The results of this study indicate that it is necessary to examine the adequacy of the geothermal energy utilization system based on the hydrogeological and thermal properties of the area concerned, and also on a review of the COP (coefficient of performance) of the geothermal heating and cooling system.
