< Previous68 자연,터널그리고 지하공간기술기사 5북한철도 현황과 TKR 연결북한에서 철도교통이 발전한 이유를 요약하면 다음과 같다. 첫째는 북한은 일제로부터 약 3,800km에 달하는 철도망을 물려받았기 때문이다1). 일제는 대륙침략을 위하여 철도망 건설에 적극적이었으며 자원 수탈과 운송에 효과적이도록 철도를 건설하였다. 분단 이후 북한정권의 경우도 중화학 공업을 중심으로 한 공업화전략을 수립함에 따라 장거리, 대량수송이 용이하고 정시성이 보장된 철도교통이 아주 매력적으로 작용했을 것이다. 두 번째는 주민 통제 및 에너지 효율성이다. 북한정권 특성 상 주민들의 이동이 자유로운 도로교통보다는 철도중심의 교통체계가 보다 효율적이다. 또한, 철도는 도로교통에 비하여 에너지 효율성이 좋아 에너지 수급이 곤란한 북한에서 도로교통 위주의 정책을 펼치는 것은 부담스러운 일이다. 표 1은 연도별 남북한의 철도연장 비교를 보여준다 [2]. 이 표에서 알 수 있듯이 북한은 지속적으로 철도연장이 증가하는 반면에 한국에서는 철도연장의 증가보다는 궤도연장 증가가 주로 이루어지는 것을 볼 수 있다. 북한의 경우는 노선의 98%가 단선이며 궤도 증설을 통한 선로용량 확대 보다는 새로운 신설 노선 위주의 개발이 이루어지고 있는 것을 알 수 있다. 반면에 한국에서는 기존 철도노선의 용량 증대를 위한 궤도건설이 많이 이루어지고 있음을 알 수 있다.2.2 북한 철도 노선 개발 역사 및 인프라 현황2.1절에서 언급하였듯이 북한은 일제로부터 광대한 철1) 2013년 기준 한국의 철도 총연장은 3,590km, 북한의 총연장은 5,299km이다 [2].도 노선을 물려받았다. 이러한 철도노선은 그림 1에서 광복직후 간선철도로 표시되어 있다. 광복 직후 북한의 간선철도는 경의선(서부축, 1906년 개통)과 경원-함경선(동부축, 1928년 개통)이 있고 이 두 축을 평원선(1941년 개통)이 연결하는 Y구조이다 [3]. 서부축을 보면 일제 강점기 때 건설된 겸이포 제철소 및 수풍수력발전소가 위치하는 것을 볼 수 있으며, 동부축에는 흥남비료공장을 비롯하여 광물자원이 풍부한 단천 등이 분포하는 것을 알 수 있다. 일제 강점기 시기에는 이러한 자원들이 서울을 중심으로 모였기 때문에 철도노선도 서울을 중심으로 계획 및 건설이 되었으며 동서축을 운행하는 평원선의 물동량은 많지 않았다. 하지만, 분단이후 북한은 평양을 중심으로 철도노선을 재편하면서 만성적인 동서 횡단축의 물동량 집중과 병목현상이 발생한다.<표 1> 남북한 철도 연장 비교(단위: km) [2]연도1970197519801985199019952000 2005 2008 20092010201120122013북한(총연장)40434292437045165045511252145235524252425265529852995299한국총연장31933144313531213091310131233392338133783557355935723590궤도연장555056196007629964356554670678727981-8426842884198456<그림 1> 북한의 주요 간선철도 [3]Vol. 21, No. 1 69이러한 문제를 해결하기 위하여 북한은 지속적인 동서 횡단축 건설을 하게 된다. 평원선의 물동량 저감을 위하여 1971년 평산-세포간을 연결하는 제2동서횡단철도를 착공하여 1972년 청년이천선으로 개통하였으며, 북한 동북부 지역의 광물자원 및 임산자원의 원활한 물동 수송을 위하여 북부 국경선을 따라 자성, 후주, 혜산을 연결하는 혜산만포청년선을 1988년 개통하였다. 이 밖에 북한은 러시아와 중국의 도움을 받아 3국간 원활한 이동을 위한 함북선을 개통하였으며 황해도 곡창지대의 곡물을 원활히 평양으로 운송하기 위하여 기존 평남선(평양-온천)과 은(a) 터널상부 콘크리트 탈락(b) 측벽누수 및 파손(c) 터널 시점부 옹벽 변형(d) 터널 배수로 불량(e) 터널내 침목 파손(f) 도상 자갈 부족<그림 2> 북한 철도터널 현황(2007년, 개성-신의주 구간) [4]70 자연,터널그리고 지하공간기술기사 5북한철도 현황과 TKR 연결율선(은파-철광)을 연결하였다.이와 같이 북한은 광복이후부터 현재까지 평양 중심의 철도 노선 재편을 위한 노선 신설에 역량을 집중적으로 투입하였다. 따라서 이러한 결과로 표 1에 나타난 바와 같이 총연장은 꾸준히 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 하지만, 가중되고 있는 경제난으로 인하여 철도노선에 대한 유지관리가 적절히 이루어지지 않고 노후도가 증가하고 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 앞에서도 언급 하였듯이 북한 철도노선의 대부분이 단선으로 이루어져 있으며 신호 및 통신 시스템도 낙후되어 철도 운송 효율성이 상당이 낮은 것으로 나타나고 있다. 실 예로 그림 2는 2007년 개성-신의주 구간의 북한 철도조사(육안조사) 당시 철도터널 현황을 보여준다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 터널 내부의 콘크리트 탈락, 누수, 옹벽의 변형 등이 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 궤도의 자갈 부족과 침목 파손으로 인하여 열차의 속도 증대뿐만 아니라 안전성에도 문제를 발생 시킬 수 있으므로 터널 및 궤도 모두 적절한 보수‧ 보강이 필요한 것으로 판단된다. 특히, 현재 남북철도를 연결하고자 하는 동서축은 앞서 설명하였듯이 일제 강점기 시대에 건설이 되어 노후화가 상당히 진행된 노선이므로 육안조사를 넘어서 정확한 노선 노후화에 대한 조사를 할 필요가 있는 것으로 판단된다.2.3 남북한 철도시스템 비교이번 장에서는 남북한 철도 시스템을 비교‧ 분석하여 남북한 철도연결 시 고려해야할 기술적인 사항에 대하여 정리하였다. 철도산업발전기본법 [5]에 따르면 철도는 ‘여객 또는 화물을 운송하는 데 필요한 철도시설과 철도차량 및 이와 관련된 운영‧ 지원체계가 유기적으로 구성된 운송체계’로 정의된다. 즉, 철도라 함은 철도 인프라 및 차량뿐만 아니라 이를 운영하기 위하여 필요한 전기, 신호, 통신 등을 모두 포함한 시스템이다. 따라서 남북한 철도 연결에 있어 물리적인 궤도 연결뿐만 아니라 철도를 구성하는 다른 여러 가지 요소가 종합적으로 고려되어 철도를 연결하여야 진정한 의미에서의 남북철도 연결이라고 할 수 있다. 표 2는 남북한 철도시스템 비교를 보여준다 [2]. 이 표에서 알 수 있듯이 철도 인프라 건설과 관련된 궤간, 곡선 <표 2> 남북한 철도시스템 비교 [2]구분한국북한급전방식직류, 교류직류전철화68%79.3%전차선DC 1,500V(도시철도)AC 25,000V(산업선)DC 750V(평양지하철)DC 3,000V(산업선) 변전소 종별원격제어 변전소수동, 반자동 변전소변전소 배치3~4km(도시철도)35~40km(산업선)15~60km궤간표준궤(1,435mm)표준궤(1,435mm)통신전기통신, 무선통신전기통신신호(폐색장치)자동, 연동길표곡선 및 구배4등급4등급선로(레일, 축중, 도상)4등급 구분 4등급 구분 차량한계(일반차량에 대한 구체한계 높이)4,500mm4,800mmVol. 21, No. 1 71및 구배, 선로 구분 및 차량한계는 남북한이 서로 유사한 것을 알 수 있다. 따라서 남북 철도 연결 시 철도인프라 건설관련 문제는 어렵지 않게 호환이 될 것으로 판단된다. 표 2를 보면 북한의 전철화가 한국보다 높은 것으로 나타났다. 이는 산지가 많은 북한 지형 특성 상 높은 견인력을 발휘할 수 있는 전동차가 유리하기 때문으로 판단된다. 전차선을 보면 국내 장거리 철도는 교류 방식을 사용하는 반면, 북한은 모두 직류 방식을 사용하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 전차선의 차이는 남북철도 연결 시 고려가 되어야 할 것으로 판단된다. 마지막으로 신호 통신에서는 북한은 주로 전기통신과 길표를 사용하는 것으로 나타났다. 이는 열차 운행의 효율성과 직접적으로 연결되는 것으로 향후 남북철도 연결 시 열차 운행의 안전성과 열차 속도 증대를 위하여는 북한의 신호‧ 통신 수준은 한국과 유사하게 가져갈 필요가 있다고 판단된다. 3. TKR 연결3.1 TKR, TSR, TCR, TMR & TMGR TKR(Trans-Korea Railway)은 한반도 종단철도를 의미한다. 이러한 TKR은 북한-중국 혹은 북한-러시아 국경을 통하여 TCR(Trans-Chinese Railway, 중국 횡단철도), TSR(Tans-Siberian Railway, 시베리아 횡단철도), TMR (Trans-Manchurian Railway, 만주 횡단철도), TMGR (Tans-Mongolian Railway 몽골 횡단철도)과 연결된다. 이러한 국제철도 노선을 활용하여 최종적으로는 유럽까지 철도 연결이 가능하다.구체적으로 북한을 통한 국제철도 연결노선을 보면 그림 3과 같다. 신의주-단둥 구간을 통하여 TCR 및 TMGR과 연결이 된다. 이 노선의 경우, 1954년 조‧ 중 직통철도운행 조약 이후 운영을 시작하여 현재까지 정상적으로 운행이 되고 있다. 신의주-단둥구간을 사용하는 평양-베이징 운행 노선의 경우, 노선길이는 1,349km이며 운행소요 시간은 22-23시간이다. 나진-하산을 통하여는 TSR과 연결된다. 현재 평양-모스크바 구간을 운행하고 있으며 노선길이는 10,309km이며 소요시간은 8-9일이다. 만포-집안 구간의 경우, TCR로 연결이 되나 운행에 대한 정보는 많이 없다. 마지막으로 남양-도문은 TMR로 연결이 되며 현재는 잦은 탈북으로 운행이 정지된 상태인 것으로 알려져 있다. 즉, 현재 북한의 국제철도는 총 4곳에서 연결은 되나 정상운행이 이루어지는 곳은 신의주-단둥과 나진-하산 구간이며 남북철도 연결에 있어서도 이 두 곳이 중요한 국제철도 연결구간이 될 것으로 생각된다. 3.2 TKR 연결을 위한 접근 방법2012년 코레일 연구원의 남북철도 연결에 대한 보고서 [6]에 따르면 남북철도 연결을 위한 3단계의 시나리오를 표 3과 같이 제안하고 있다. 1단계로는 남북철도의 물리적 연결에 초점을 맞추는 것으로 최소한의 개보수를 통한 연결 및 운행에 초점을 두고 있다. 이를 위하여 현재 한국은 2018년에 국제철도협력기구2)에 가입을 완료하였으며 북한 철도 현황조사를 위한 실사단을 북한에 파견한 바 있다. 여건 성숙 후 1단2) OSJD, 공산권 동유럽 및 아시아 중심의 국제철도수송을 위한 기구<그림 3> 북한 접경지역의 국제철도 연결 노선72 자연,터널그리고 지하공간기술기사 5북한철도 현황과 TKR 연결계가 완료가 되면 2단계로 진행이 되며 2단계는 북한 철도의 개량을 통한 속도 및 운송 능력을 향상하고 물류 사업을 확대하는 단계이다. 마지막 3단계는 신설 선로의 개념으로 북한 철도를 현대화하여 유라시아 물류 중심지로 한반도를 성장시키는 단계라고 할 수 있다. 3.3 TKR 연결을 위한 비용 산정현재 정부에서는 TKR 연결 및 현대화를 위한 비용을 표 4와 같이 제시하고 있다 [7]. 동해선 연결의 경우, 한국의 강릉-제진 미연결 구간에 대한 신설 건설로서 공사비는 약 224억 원/km으로 기존 국내의 고속화 철도 건설비용과 유사하다3).나머지 경의선의 현대화 및 동해선의 현대화는 모두 북한 지역에서 이루어지며 km당 공사비는 각각 34억 원/km 및 19억 원/km이다. 이는 동해선 연결 비용에 비하여 굉장히 작은 비용이다. KDI [8]의 ‘도로‧ 철도 부문 사업의 예비타당성조사 표준지침 수정‧ 보완 연구’ 나타난 철도 인프라 건설에 대한 비용과 상호 검토한 결과, 철도 3) 원주-강릉(복선, 120.7km)에 대한 공사비는 311억 원/km이며 계획 중인 춘천-속초(단선, 94km)에 대한 공사비는 230억 원/km로 연결비용과 유사한 수준임노반(터널 및 교량 포함)을 개‧ 보수 하지 않는 조건에서 최소한의 궤도 및 관련 시스템을 현대화 하는 비용인 것으로 판단된다. 하지만, 그림 2에서 볼 수 있듯이 궤도뿐만 아니라 노반에 대한 보수‧ 보강도 이루어져야 할 것으로 판단되므로 표 4의 현대화 비용은 상승할 여지가 있는 것으로 생각된다. 또한, 북한 철도의 현대화라는 개념의 정립도 필요하다. 표 3의 단계적 남북철도 연결방안에서 볼 수 있듯이 표 4의 현대화 비용은 표 3의 1단계에 해당하는 최소 개보수를 나타낸다. 예를 들어 북한의 철도 인프라를 국내와 같은 수준으로 올리는 것을 현대화로 정의하는 경우 현대화 비용은 천문학적으로 증가할 것이다. 따라서 정확한 북한 철도의 수준을 판단하고 성능목표를 정해야 그에 맞는 연결 비용이 추산될 것으로 판단된다.4. 결 언본 기사에서는 북한철도 현황을 기술하고 국내 시스템과의 비교를 통하여 남북철도 연결에 필요한 사항들에 대하여 정리하였다. 또한, TKR 연결을 위한 국내의 접근 방법과 비용에 대하여도 분석하였다. 남북철도 연결을 통하여 남북한의 정치적, 문화적, 경제적 통합의 기틀을 마련<표 3> 단계적 남북철도 연결방안 [6]1단계2단계3단계남북철도 연결단계북한철도 개보수단계북한철도 현대화단계남북철도 최소 개보수 → 물류 사업에 따른 수익창출/재투자개량 개념의 북한철도 현대화 → 물류사업 확대/국제 콘소시엄 구성신선 개념의 북한철도 현대화 → 유라시아 랜드브릿지 완성<표 4> 남북철도 연결 비용 [7]① 경의선② 동해선③ 경원선연결(노후 선로 개량‧ 보수)1천억-2천억 원연결(미연결 구간 건설, 강릉-제진, 104.6km)2조3490억 원연결(단절 구간 복구, 백마고지-월정리 9.7km)1,500억 원현대화(개성-평양-신의주, 411.3km)1조3926억 원현대화(고성-원산-두만강, 1,373km)2조6128억 원Vol. 21, No. 1 73할 수 있을 것이며 더 나아가 동북아 물류 중심지로의 한반도의 역할증대가 기대된다.남북철도 연결은 여러 가지 어려운 상황에 놓여 있지만 남북철도 연결을 위한 기술적인 준비는 지속적으로 진행될 필요가 있다. 또한, 북한철도의 현황을 정확하게 판단하고 연결을 위한 최적 성능목표를 합리적으로 선택하여 관련비용 추산도 신중히 이루어질 필요가 있다고 판단된다.참고문헌1. 김영윤 (2016). 북한 교통인프라 개발과 남북한 연결. KDB북한개발 2016년 겨울호 (통권9호).2. 이현하, 양진송, 박정수 (2016). 북한철도의 SWOT 분석을 통한 한반도 철도의 발전방안. 2016년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집. KSR2016S131.3. 정영구 (2017). 북한의 철도, 도로의 최근 변화 동향과 평가. KDB북한개발 2017년 가을호 (통권12호).4. 이원돈 (2015). 국내 노후 철도터널의 보수 현황 분석을 통한 북한 철도터널 보수방안. 충남대학교 석사학위논문.5. 철도산업발전기본법(2013). 법률 제11690호.6. 코레일 연구원 (2012). 남북열차 운행재개를 위한 남북철도 개선방안 연구.7. http://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/842769.html8. 한국개발연구원 (2008). 도로‧ 철도 부문 사업의 예비타당성조사 표준지침 수정‧ 보완 연구(제5판).[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]74 자연,터널그리고 지하공간기술기사 61. 머리말최근 연구에 따르면 2050년에는 전세계 인구의 70%가 도시에 거주하게 될 전망이다(United Nation 2014). 이러한 도심지 인구집중으로 인하여 도로 및 터널과 같은 교통 인프라의 건설이 증가하고 있다.최근 이산화탄소 감소이 중요한 환경 이슈로 떠오르면서 신재생 에너지를 활용할 수 있는 방안에 많은 관심이 쏠리고 있다. 특히 건물에서 소비하는 에너지량이 많기 때문에 인구수가 많고 번화한 도심지일수록 이산화탄소 배출량이 높기 때문에 태양열이나 지열과 같은 신재생 에너지의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 건물의 밀집도가 높은 도심지에서는 풍력이나 조력과 같은 신재생 에너지보다 태양열이나 지열의 효용성이 높으며. 지열은 신재생 에너지 자원 중에서 가장 많은 에너지를 공급하고 있다. 최근 독일, 오스트리아, 호주 등 해외에서는 1MW급 이하의 소형 지열 발전의 적용이 확대되고 있고, 지열의 경우 건물의 기초나 옹벽, 터널 등 지중에 건설되는 대규모 구조물에 열교환기를 설치하여 쉽게 에너지로 전환될 수 있기 때문에 도심지에서의 활용도가 높다.터널 라이닝은 지반과 접하는 면적이 넓기 때문에 지중의 에너지를 활용하기에 매우 용이한 구조물이다. 터널 라이닝에 설치된 열흡수 파이프(absorber pipe)를 통하여 흡수된 지열은 터널 및 상부 구조물에 열에너지를 공급하거나, 터널 내부의 열을 감소시키는데 사용될 수 있다. 오스트리아 비엔나에서는 오스트리아 비엔나에서는 지하철 터널의 숏크리트 라이닝에 열교환기를 설치하여 지열을 활용하였고(Adam and Makievics, 2009), 최근에는 열교환기를 기계화굴착 시공으로 굴착된 TBM터널의 세그먼트 라이닝에 설치하여 터널 상부의 건물에 지열을 공급한 사례(Franzius and Pralle, 2011)도 있다.터널 에너지 라이닝 시스템의 활용에 관하여- 해외 사례를 중심으로 -이상필GS건설 기술연구소 상무보하희상GS건설 기술연구소 수석연구원서상연GS건설 기술연구소 책임연구원Vol. 21, No. 1 752. 지열 활용 및 히트펌프의 원리지열원 히트펌프(Ground source heat pump, GSHP)는 유체(냉매)를 이용하여 지중에 열을 버리고, 땅에서 열을 보충하도록 고안된 시스템이다. 히트펌프는 다음 그림과 같이 압축기와 팽창밸브, 그리고 2개의 열교환기(증발기와 응축기)로 구성되어 있다(그림 1). 압축기를 통과한 과열증기 냉매는 응축기로 들어가 과열된 증기의 열을 지중 순환유체 측으로 버리게 된다. 이후 응축기의 냉매와의 열교환을 통해 지중 순환유체의 온도는 상승하고 냉매는 기체상태에서 액체상태로 응축된다. 응축기에서 순환유체가 흡수한 열은 지중과의 열전달을 통하여 방출된다. 이러한 열교환 과정을 거쳐 지열을 이용하며, 지열원 히트펌프는 열교환 매체로 대기 대신 지중의 일정한 온도를 이용하는 히트펌프로 공기열원을 사용하는 히트펌프보다 열교환 효율이 높은 장점이 있다. 3. 터널을 이용한 지열 활용터널 라이닝을 이용하여 지중 열교환을 하는 터널 에너지 라이닝(NATM)/세그먼트(TBM) 시스템은 지중에 열흡수 파이프를 수평으로 배치하는 기존 지열 시스템과 유사한 구조로 구성된다(그림 2). 기존의 지열 시스템과의 차이점은 열흡수 파이프가 터널 라이닝에 설치되어 있다는 점이다. 연중 온도가 일정한 깊은 심도의 기반암에 건설되는 터널의 경우 지중의 일정한 온도를 여름에는 냉방으로, 겨울에는 난방에 이용할 수 있다. 또한 콘크리트는 열전도도와 열용량이 우수하기 때문에 터널 라이닝은 훌륭한 열교환기로 사용될 수 있다(Zhang, G., 2014).천심도 지반에는 냉난방에 사용할 수 있는 저엔탈피(enthalpy) 지열에너지가 잠재되어 있으며, 지열 히트펌프 기술이 발전하면서 온도가 일정하게 유지되는 지중의 지열에너지를 활용 효율이 향상되었다. 지표면에서 10-15m 깊이의 지중에서는 연간 14-15°C로 온도가 일정하게 유지되며 이러한 일정한 지열을 깊은 기초, 지하연속벽, 기초 슬래브 등을 이용하여 활용하는 사례가 증가하고 있다(Adam and Markiewicz, 2009; Brandl et al., 2006; Fry, 2009). 영국 Crossrail의 정거장에는 기초 및 지중 연속벽에 열흡수 파이프를 설치하여 지열을 정거장의 에너지로 활용하며, 터널 세그먼트 라이닝에 설치된 열흡수 파이프는 터널 내부에서 열차의 운행으로 인하여 발생하는 열을 이용하고 있다. 또한, 독일의 슈트트가르트 지하철(Stuttgart Metro U6)과 오스트리아의 라인쳐 터널(Lainzer Tunnel)의 경우 숏크리트층에 열흡수 파이프를 설치하기도 하였다(Schneider and Moormann, 2010; Franzius et al., 2011). 그림 3은 중국 내몽골의 리창 터널(Lichang Tunnel)에 적용된 터널 에너지 라이닝의 단면을 나타낸다. 숏크<그림 1> 지열 히트펌프 시스템의 구조<그림 2> 터널 에너지 라이닝의 개념도(Zhang, G., 2014)76 자연,터널그리고 지하공간기술기사 6터널 에너지 라이닝 시스템의 활용에 관하여리트와 라이닝 사이에 열흡수 파이프가 설치되어 있으며, 이 열흡수 파이프는 히트펌프와 연결되어 밀폐형 시스템(Closed loop system)을 구성하며, 내부의 냉매는 지열을 흡수하며, 온도가 상승한 냉매는 라이닝과 단열층 사이에 설치된 가열파이프로 이동한다(Zhang, G., 2013). 이렇게 취득된 지열을 이용하여 연평균 기온이 낮아 리창 터널의 출입구에 자주 발생하는 동결 문제를 해결하고 있다.4. 해외 적용 사례 (1) - 핀란드 헬싱키 도심 철도망(The Helsinki city rail loop)The Helsinki city rail loop는 헬싱키 도심의 교통분산을 목적으로 계획되었으며(Finnish Transport Agency, 2014), 2017년에 착공한 총 길이 7.8km, 터널 연장 6km의 도심 철도망이다(그림 4). 헬싱키 도심 철도망은 계획단계에서부터 터널 라이닝을 이용한 지열활용을 염두에 두고 있다.앞에서 언급된 헬싱키 도심 철도망의 터널 구간은 총 6km에 달한다. 이 6km 구간 중 700m의 지상 출입구는 동결 방지를 위하여 특수 단열처리가 필요하며, 300m 길이의 정거장 3개소에는 유지관리의 어려움으로 인하여 터널 에너지 라이닝이 설치되기 어려운 구조이다. 따라서 출입구 2개소와 정거장 3개소를 제외한 총 3.7km길이의 터널 2개(상행선 및 하행선)에 에너지 라이닝을 설치할 수 있다(Finnish Transport Agency, 2015). 그러나 본선 터널에 설치할 경우 에너지 라이닝의 유지보수시 열차의 운행을 중단해야 하는 문제가 발생하기 때문에, 6km길이의 서비스 터널에 에너지 라이닝을 설치하였을 경우의 경제성을 분석하였다(Niklas, 2015).헬싱키 도심철도망의 서비스 터널(그림 5)의 단면적은 16.6m2이며 0.3m 두께의 숏크리트 위에 16개의 열흡수 파이프가 1m 간격으로 배치되어 있다. 열흡수 파이프의 길이가 너무 길면 유지관리가 어렵기 때문에 열흡수 파이프 1개의 길이를 400m로 제한하였으며, 서비스터널 단면에 16개의 파이프를 설치시 열흡수 파이프 1개 루프(Loop)의 길이는 25m가 된다. 이 열흡수 파이프는 직경 25mm의 두께 2.4mm의 폴리에틸렌(열전도도 0.38W/m‧K)으로 만들어져 있으며 내부에는 75%의 물과 25%의 에탄올로 구성된 열전달 유체가 1m3/h의 유량으로 흐르고 있다. 지중의 열을 이용하기 위해서는 암반과 열교환 파이프, 열전달 유체의 열저항(Thermal resistance, R)을 고려해야 하며, 헬싱키 도심 철도망에 설치된 터널 에너<그림 3> 터널 에너지 라이닝 단면도(Zhang, G., 2013)<그림 4> 헬싱키 도심 철도망Vol. 21, No. 1 77지라이닝 시스템의 열저항은 0.685m‧ K/W이다. 또한 열흡수 파이프 내부의 열전달 유체와 터널 내부의 공기 간의 열저항은 0.802m‧°C/W이다.터널 라이닝에 설치된 열교환기의 열흡수 파이프를 통하여 발생하는 열교환량은 다음 식 (1)을 통하여 계산될 수 있다. ⋅⋅ (1)여기서 q는 열흡수 파이프를 통한 열교환량(W)이며 는 유체의 밀도, 는 유량(m3/s), cp는 유체의 비열(J/kg ‧°C), Tout은 유출수의 온도(°C), Tin은 유입수의 온도(°C)이다. 위의 식을 이용하여 터널 에너지 라이닝을 통한 열교환량을 구하기 위해서는 여러가지 사항들을 고려해야 한다(Nilkas, 2015). 터널 에너지 라이닝의 열교환량은 라이닝에 설치된 열흡수 파이프 간의 간격에 영향을 받으며, 열흡수 유체의 초기 온도도 열전달 효율에 큰 영향을 미친다(Zhang, G., 2014). 또한 열교환률은 열매체의 속도에 비례하여 증가한다. 그러나 열전달 유체의 유속을 증가시키기 위해서는 대용량의 펌프가 필요하며 이를 위한 전력 소모량도 같이 증가하기 때문에, 경제적인 측면에서의 종합적인 고려 또한 필요하다.위에서 언급된 열교환량을 바탕으로 헬싱키 도심 철도망 6km 전구간에 설치하였을 경우 매달 평균 2400MWh 가량의 에너지를 취득할 수 있는 것으로 분석되었다. 이러한 에너지 취득량을 실제 수익으로 환산하기 위해서 Niklas(2015)는 핀란드의 터널 시공 비용과 에너지 판매가를 기준으로 1kW를 생산할 수 있는 터널 에너지 라이닝 시스템의 건설비를 계산하였으며, 열교환 유체의 온도가 20°C일 경우 852 €/kW의 건설비가 필요한 것으로 분석되었다. 이는 에너지 파일과 같은 다른 지열 활용 시스템 대비 낮은 시공비이며, 깊은 기초보다 넓은 면적이 지반과 접하는 터널의 특성상 지열 에너지의 활용 효율이 더욱 향상될 수 있을 것으로 판단된다.5. 해외 적용 사례 (2) - 영국 The Crossrail영국 Crossrail에는 터널의 냉방 및 주변건물의 난방을 위하여 860m 길이의 시범 구간에 터널 에너지 세그먼트(Tunnel Energy Segment, TES) 시스템을 적용하였다. 이 터널 에너지 세그먼트 시스템은 터널 주변 건물에 에너지를 공급함과 동시에 터널 환기에 필요한 전력량을 감<그림 5> 헬싱키 도심철도망의 서비스 터널 단면(Niklas, 2011)<그림 6> Crossrail 터널에 적용된 에너지 라이닝 시스템(Nicholson, 2017)Next >