지열냉난방
- 개요
- 지열히트펌프
- 원리 및 구성
- 열원흡수방식
- 장점
개요
지열의 분류
지표열과 지중열로 구분
- 지표열이란?
• 지표열의 근원 : 태양열
대기권을 통과한 태양열 중에서 51%는 지표면과 해수면으로 흡수, 30% 반사, 19% 구름과 대기흡수
- 지중열이란?
• 지구 중심에서 방사성 물질의 붕괴, 그리고 맨틀에 의하여 열이 끊임없이 생성된다.
• 지중열은 태양열과 관계가 적으며 재생가능성 낮음
• 마그마가 지표가 얇은 쪽으로 열을 방출 (예. 화산 및 노천온천)
지열의 이용
• 온수이용 : 고온의 물을 이용한 온천, 온수를 이용한 난방 등
• 지열발전 : 고온의 심부지열원 이용, Hot Rock을 이용한 증기발생
• 지열히트펌프를 이용한 냉·난방
히트펌프란?
낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올리는 장치로 열펌프라고 한다. 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다. 또한 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브 등으로 구성되어 있다.
지열히트펌프의 효율
• 냉매를 이용하여 열원에서 열을 흡수하여 히트싱크에서 방출
• 난방이용가능열량 = 열원에서 흡수한 열량 +압축기 소비전력
• 냉방이용가능열량 = 열원에서 흡수한 열량
• 히트 펌프 효율
- 난방 COP = 난방이용가능열량 / 압축기 소비전력 (약 3.5내외)
- 냉방 COP = 냉방이용가능열량 / 압축기 소비전력 (약 4.5내외)
지열히트펌프의 냉난방 작동원리
• 지중에 열을 방출
• 지중온도가 상승
• 계절적 에너지 저장 효과
• 지중에 열을 흡수
• 지중 온도가 하강
지열히트펌프의 열원
| 구분 | 열원 종류 | 특징 | 온도 범위(℃) |
|---|---|---|---|
| 공기열 | 대기 | 외기 온도의 변화가 심함 제한 없이 사용가능함 (냉난방 위주) |
-10~15 |
| 배기 | 주거 및 상업용에 사용 | 15~25 | |
| 지열 | 지하수 | 연중변화가 거의 없어 안정적인 열원 (냉난방 및 급탕 가능) |
4~15 |
| 호수하천수 | 매우 우수한 열원 겨울철에도 하천 아래쪽은 약 4℃ 유지 |
0~10 | |
| 해수 | 중대형 히트펌프에 이용 | 3~8 | |
| 바위 | 100~200m 깊이의 borehole 이용 | 0~15 | |
| 지열(지표열) | 주거 및 상업용에 사용, 안정적인 운전 (냉난방 및 급탕 가능) |
0~15 | |
| 폐수열 | 폐수 | 우수한 열원, 주거용 및 산업용에 적용 (급탕 위주) |
>10 |
지열히트펌프의 친환경성
1. 대기오염 물질 배출 절감
- 화석연료 사용 절감
2. 항상 쾌적한 실내 환경을 유지시켜 주는 웰빙(Well-being)의 원조
- 화석연료는 장시간 운전 시 실내 공기를 오염시켜 두통 등 각종 질병을 유발하지만, 히트펌프는 쾌적한 실내공기를
그대로 유지시키고 이산화탄소 배출을 절감
- 온실가스 배출 절감
3. 설치 현장에 배기가스 배출이 없음
- GHP 또는 흡수식은 설치 현장에서 도시가스 연소
4. 냉매 사용이 적음
- 냉매 배관이 매우 짧아서 냉매 충진량이 적음
5. 물 사용량이 적고 위생적임 (냉동기와비교)
6. 열섬(Heat Island) 현상 해소
- 도심 밀집지역의 외기온도 상승 방지
지열히트펌프의 사양표
[ 냉 방 ]
| 모 델 명 | 냉수환수 온도(1℃) |
지열수 온도 EWT(℃) |
냉방능력 (kW) |
소비전력 (kW) |
COP | 크기(m) (W×D×H) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| JEGW-20 | 12 | 25 | 79.3 | 14.4 | 5.52 | 1,200×1,200×1,251 |
| JEGW-30 | 12 | 25 | 117.0 | 23.7 | 5.62 | 1,200×1,200×1,251 |
| JEGW-40 | 12 | 25 | 140.6 | 28.4 | 5.50 | 1,002×1,753×1,844 |
| JEGW-50 | 12 | 25 | 170.2 | 36.4 | 5.70 | 810×1,150×1,770 |
[ 난 방 ]
| 모 델 명 | 온수환수 온도(1℃) |
지열수 온도 EWT(℃) |
난방능력 (kW) |
소비전력 (kW) |
COP | 크기(m) (W×D×H) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| JEGW-20 | 40 | 5 | 71.5 | 18.2 | 4.30 | 1,200×1,200×1,251 |
| JEGW-30 | 40 | 5 | 123.8 | 30.2 | 4.50 | 1,200×1,200×1,251 |
| JEGW-40 | 40 | 5 | 145.8 | 36.7 | 4.50 | 1,002×1,753×1,844 |
| JEGW-50 | 40 | 5 | 174.1 | 46.1 | 4.60 | 810×1,150×1,770 |
지열냉난방시스템의 원리 및 구성
원리
지중에 존재하는 연중 일정한 온도(15℃ 내외)의 열원을 이용하도록 지중에 폴리에틸렌관을 150m 내외의 수직 깊이로 매설하거나 지표 2m 깊이로 수평 매설하고 매설된 이 열교환기의 내부에 물을 순환시켜 지열과 열교환 하고 히트펌프를 구동하여 냉난방을 하고 온수를 생산한다. 폴리에틸렌관을 매설하여 이용하는 대신 지하수를 직접 이용하여 히트펌프를 구동할 수도 있다.
• 난방 : 지중열에서 흡수한 열을 온수 또는 실내기를 통해서 실내에 공급하여 실내가 적정한 온도가 유지될 수 있도록 함
• 냉방 : 히트펌프에서 실내에 냉수를 공급하거나 실내기를 통하여 찬공기를 공급하여 실내가 적정온도가 유지 되도록하며 이때 실내에서 흡수된 열은 히트펌프를 통해서 지중으로 방출되도로 함.
시스템구성(우물관정형)
지열냉난방시스템의 열원흡수방식
개회로 방식(Open Loop Sysem)
• 열원수가 밀폐되지 않은 회로를 순환하는 방식
• 온천수, 지하수에서 공급받은 물을 운반하는 파이프가 개방되어 있는 것으로 풍부한 수원지가 있는 곳에 적용 될 수 있음
• 열 전달효과가 높은 편임
예) 스탠딩 컬럼 웰 (Standing Column Well) 방식
a. 단위 용량당 천공 길이가 작음
b. 공사기간이 짧음
c. 설치공간이 작음
- Borefield가 필요없음
- 1공당 35RT까지 가능
- RT당 천공 길이가 작음
- 천공길이가 RT당 약 16m
폐회로 방식(Closed Loop System)
• 냉매 또는 순환수가 밀폐된 회로 내부를 순환하는 방식
• 루프의 형태에 따라 수직, 수평루프시스템으로 구분됨
• 천공길이가 RT당 약 60m
-
• 시공깊이: 100~200m
• 천공당 용량 : 2~3RT
• 특징 : - 일반적 시스템 -
• 시공깊이: 1.8~2.5m
• 천공당 용량 : 면적비례
• 특징 : - 경제적 시스템
- 넓은 부지 필요 -
• 시공깊이: 5~20m
• 천공당 용량 : 유량비례
• 특징 : - 가장 경제적 시스템
- 설치가 간편
개방형과 수직 밀폐형 비교표
| 구분 | S.C.W.방식(개방형) | 수직 밀폐형 방식 |
|---|---|---|
| 특징 | 대표적인 개회로 방식 | 대표적인 폐회로 방식 |
| 시공 깊이 | 400~500m 천공 지중열교환기 설치해 지하수가 순환 | 100m~200m 천공U자형의 지열루프(PE PIPE)매설 부동액 주입 |
| 천공당용량 | 20~35RT | 2~3.5RT |
| 천공수 (650RT 기준) | 약 26공내외/(25RT/공) 이격거리 15m이상 |
264공 내외/(2.5RT/공) 이격거리 5m이상(25㎡) |
| 설치면적(650RT 기준) | 총52㎡(공당2㎡) | 6,600㎡ |
| 유입물온도 난방(℃) | 8℃내외 | 5℃내외 |
| 유입물온도 냉방(℃) | 28℃내외 | 30℃내외 |
| 설계인자 (지중부하 계산 근거) |
관정의 깊이, 지하수의 량 암반의 종류 |
천공의 깊이, 파이프 직경 그라우팅소재, 암반의 종류 |
| 장점 |
- 천공면적이 적게 소요됨 - 효율을 다소 높일 수 있음 - 공사기간을 단축할수 있음 |
- 환경제약을 덜받음 - 지하수 유무와 상관없음 - 안정적인 편임 |
| 단점 |
- 지하수 수량 및 수질에 영향을 받음. - 우물에 대한 유지관리가 필요함 |
- 천공면적을 많이 차지 - 천공개수가 많아 공기가 다소 김 |
| 공사비 | 공사방식은 차이가 있으나, 총 공사비는 유사함 | |
지열냉난방시스템의 장점
1. 지속가능한 청정에너지 - 대기권을 통과한 태양열과 지구 내부의 열을 안정적으로 무한정 이용할 수 있음
2. 높은 경제성
- 일반 냉난방시스템에 비해서 고효율임 (난방 COP 3.5이상, 냉방 COP 4.5이상)
* 난방시, 가스, 기름 대비 약 40~70% 절감효과
* 냉방시, 전기요금 대비 약 40% 절감효과
3. 공간사용이 적음
- 쿨링타워가 없어 공간 사용이 적음
- 열교환기가 지하에 있어 건물 외관 유지에 유리
4. 반영구적 안정적 시스템
- 지중열교환기는 고밀도 PE관으로 반영구적으로 사용함
- 기름이나 가스를 사용하지 않으므로 화재, 폭발의 위험이 없음
