열역학 제2법칙에 의해 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데 이를 가역적으로 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올리도록 고안된 기계장치를 히트펌프라고 하는데 급수펌프가 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어 올리는 것처럼 열을 저온에서 고온로 끌어 올린다 하여 히트펌프라고 부릅니다.
히트펌프는 폐쇄회로 내에서 냉매를 압축, 응축, 증발시킨다는 점에서 일반 냉동기나 에어컨, 냉장고와 동일한 작동 메카니즘을 갖는데 다만 이들 기기가 냉매의 증발과정에서 발생하는 냉열만을 이용하는데 비해 히트펌프는 냉열뿐만 아니라 응축과정에서의 온열도 이용한다는 점만 다릅니다.
기존의 히트펌프 냉난방기(EHP)는 증발과정에서 외부공기로 부터 열을 흡수하거나 외부로 배출하여 냉열 또는 온열을 생산하는 방식인데 난방중에는 외기의 온도가 낮고 반대로 냉방중에는 외기온도가 너무 높아 열의 흡수와 배출에 많은 에너지가 소비되었으나 지열히트펌프는 외기온도에 의한 영향을 받지 않는 지중의 열을 이용하므로 공기열원식 히트펌프보다 2배 이상의 높은 열효율(COP, EER)을 나타냅니다
난방 싸이클
압축기(Compressor)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가 슈퍼가스(Supergas)의 형태가 되어 온수생성기(Desuperheater)에서 온수를 생산한 후 전환밸브를 통해 응축기(Condenser)로 전달되며 응축기에 부착된 열교환기에서 실내공기 또는 난방순환수와 열교환되어 이 열이 난방에 이용됩니다.
열교환에 의해 열을 빼앗긴 냉매는 액체상태가 되어 증발기(Evaporator)에 도달되면 증발기에 부착된 열교환기에서 지중으로부터 올라온 지열에 의해 기화된 후 압축기로 보내져 다시 고온, 고압의 가스가 되는 사이클을 반복합니다.
실외의 공기를 이용하는 기존의 멀티에어콘이나 시스템에어콘은 난방사이클 중 증발기가영하의 외부 공기로부터 열을 흡수하여야 하므로 많은 에너지가 소요되며(COP 1 이내) 혹한기 중에는 별도의 보조열원을 부착해야만 난방공급이 가능한데 비해 지열시스템은 혹한기에도 13-16℃ 이상의 지중열이 공급되므로 3배에 가까운 에너지효율(COP 3.5 이상)을 나타냅니다.
냉방싸이클
냉방사이클은 난방사이클의 반대로 작동되는데 압축기에서 발생된 고온, 고압의 슈퍼가스는 1차로 온수생성기에 열을 빼앗긴 후 전환밸브를 경유하여 응축기로 전달되는데 이때 응축기에 부착된 열교환기에서 지중으로 올라온 지열에 2차적으로 열을 빼앗긴 후 팽창밸브를 통과하며 저온(보통7℃ 이내), 저압으로 냉각된 후 증발기에서 더운 실내공기 또는 냉방순환수와 열교환되는데 이 냉열이 냉방에 이용됩니다.
증발기에서 실내공기 또는 냉방순환수에 열을 빼앗기고 다시 반 기체 상태로 변한 냉매는 압축기를 통해 고온,고압가스로 압축되는 사이클을 반복합니다.
기존의 멀티에어콘이나 시스템에어콘은 냉방사이클 중 응축기에서 고온의 열을 더운 외기중으로 배출하여야 하므로 많은 에너지가 사용되어 에너지효율이 낮은데(EER 5-6 이내) 비해 3-16℃ 수준의 저온인 지중으로 전달하는 지열시스템(EER 13.5 이상)은 에너지효율이 높고 냉방능력이 증대됩니다.
시스템 계통도
지중의 온도는 연중 일정하게 유지되는데(지하 2m의 지중온도는 보통 그 지역의 년간 평균기온 수준) 지오소스시스템은 지중에 매설된 폐쇄형의 지열루프를 통해 지중의 열을 히트펌프로 전달하거나(난방중) 실내의 열을 지중으로 배출(냉방중)하는데 대기중의 열을 이용하는 기존의 히트펌프(시스템에어콘 또는 멀티에어콘)에 비해 2배 이상의 높은 에너지효율을 나타냅니다.
또한 적용방법도 바닥난방(온돌방식)뿐만 아니라, 팬코일을 이용한 수순환식 냉난방, 덕트를 이용한 공기순환식 냉난방 등으로 다양하고 냉난방과 동시에 급탕공급이 가능하며, 온수를 다량으로 사용하는 곳을 위해 온수전용시스템도 개발되어 있습니다.
지열루프 종류
수직형(Vertical Circuit)
U자형의 지열루프를 지하 50-150m 깊이로 매설하는 방식인데 냉난방부하가 크고 지열루프 설치공간이 제한된 곳에 적합합니다. 보통 1RT당 100-120m의 지열파이프가 매설됩니다. 지열루프는 주차장, 조경지, 보도 밑에 설치되므로 토지의 이용에 제한을 주지 않습니다.
수평형(Horizontal Circuit)
이 방식은 넓은 면적의 여유 대지가 확보된 곳에 적합합니다. 1자형 또는 두루말이형(Slinky)의 지열루프 파이프를 지하 1.8-2.4m 깊이로 매설하는데 보통 1RT 당 150-180m의 지열파이프가 매설됩니다.
시공 공정
에너지공(천공)
케이싱 매설
지열루프 헤더
지열루프 설치
기계실 배관
설치완료
경제성 비교
1) 연간 운전비 비교 (100평 냉난방 및 급탕 기준)
구 분
흡수식냉온수기 가스보일러 (급탕)
가스보일러패키지 에어컨
지열 냉난방시스템
비 고
난방 요구열량
42,000 kcal/h ( 48.8 kW )
사용량 (시간당)
4.5 Nm 3
4.5 Nm 3
13.9kW
연료비
일일
15,789
15,789
7,505
10h 기준(90% 이용율)
년간
2,842,020
2,842,020
1,350,900
180일 기준
냉방 요구열량
45,000 kcal/h ( 52.3 kW )
사용량 (시간당)
4.76 Nm 3
26.2kW
11.6kW
연료비
일일
9,271
19,891
8,807
10h 기준(90% 이용율)
년간
556,260
1,193,460
528,420
60일 기준
급탕 요구열량
10,000 kcal/h ( 11.6 kW )
사용량 (시간당)
1.06 Nm 3
1.06 Nm 3
3.3kW
연료비
일일
3,290
3,290
하절기 :- 중간기 :1,600 동절기 :1,500
10h 기준(70% 이용율)
년간
1,184,400
1,184,400
468,000
360일 기준(지열300일)
총비용
4,582,680
5,219,880
2,347,320
195%
222%
100% 기준
산출 근거
구 분
흡수식냉온수기 가스보일러
패키지에어컨
지열 냉난방시스템
비 고
용 도
냉난방 , 온수
냉방
냉난방 , 온수
사용연료
가스 (LNG)
일반용 (저압)전기
일반용 (저압)전기
연료비
하절기
243.34원/Nm 3
94.9원/kW
중간기
444.04원/Nm 3
63.2원/kW
동절기
444.04원/Nm 3
62.7원/kW
발열량
10,500 kcal/ Nm 3
860 kcal/kW
효 율 (%)
90
200
350(난방,온수),450(냉방)
내구성
7년
10년
25년
2) 지열시스템 /시스템에어컨/가스히트펌프(GHP) 비교표
구 분
시스템에어컨
GHP
지열시스템
비 고
난방 요구열량
42,000 kcal/h ( 48.8 kW )
난방효율 (COP)
1.0
1.1
3.5
사용량 (시간당)
48.8 kW
44.4 kW
13.9kW
연료비
일일
26,235
23,869
7,505
10h 기준(90% 이용율)
년간
4,722,278
4,296,420
1,350,900
180일 기준
냉방 요구열량
45,000 kcal/h ( 52.3 kW )
냉방효율 (COP)
1.5
1.2
4.5
사용량 (시간당)
52.3 kW
47.5 kW
11.6kW
연료비
일일
39,706
36,062
8,807
10h 기준(90% 이용율)
년간
2,382,360
2,163,720
528,420
60일 기준
총 비 용
7,104,638
6,460,140
2,347,320
303%
275%
100% 기준
지열시스템 특징
지열시스템
시스템 에어컨
가스히트펌프 (GHP)
- 높은 에너지효율
- 냉, 난방 및 급탕지원
- 수순환식, 공기순환식 또는 겸용식 등 냉난방방식 선택이 자유로움
- 청정 지열에너지 사용
- 냉난방 지원하나 바닥난방 불가능
- 난방기중 난방용량 부족 (보조난방 기 필요)
- 급탕용 별도 보일러 필요
- 난방시는 대기중의 열을 흡수해야 하고 냉방기에는 대기중으로 열을 배출해야 하므로 에너지효율이 낮음
-실외기를 건물외부에 설치하므로 건물외관 손상
- 대기온도에 따른 효율 저하 및
운전상 문제점 발생
- 가스(LNG)배관 필요
- 낮은 에너지효율
- 엔진오일 교환등 지속적인 관리 필요
- 가스엔진 작동에 따른 배기가스 증가
- 실외기 설치공간 필요
- 실내환경 쾌적성 감소
지열시스템의 동작원리
지열 히트펌프 시스템이란 지열교환기 + 지열순환펌프 + 지열히트펌프 + 2차측 시설(덕트 및 FCU, 바닥코일)의 조합을 말합니다. 미국 E.P.A(U.S. Environmental Protection Agency)에서 지열 히트펌프 시스템을 “현존하는 냉난방시스템 중에서 가장 에너지 효율적이고 친환경적이며 비용 효율적인 공조시스템” 이라고 공인하고 있는 점은 우리가 크게 주목할 만한 내용입니다.
지열히트펌프 시스템이 냉난방 시스템 중에서 가장 에너지 효율적이고 친환경적이며 비용 효율적인 이유는 태양에너지의 51%를 흡수한 지표면의 토양이나 수분에 축적된 열에너지를 지열교환기를 이용하여 에너지 효율적이고 친환경적으로 이용하기 때문입니다.
압축기(Compressor)에서 생성된 고온고압의 냉매 가스는 리버싱(4방)밸브를 통해 응축기(Condenser)로 전달되어 실내공기 또는 순환수와 열교환 되어 난방 또는 온수를 생성하게 됩니다. 열교환에 의한 저온의 액체상태 냉매는 증발기(Evaporator)에서 부동액(지열)측으로부터 열을 흡수하고 증기냉매 상태로 상변화 한 후 다시 압축기로 보내져 고온고압의 가스가 되는 사이클을 반복합니다. 이때의 증발기쪽의 강하된 온도의 부동액(지열)은 지열교환기를 순환하면서 적합한 유입수온으로 되돌아오면서 시스템이 지속적으로 이루어집니다. 즉, 난방사이클은 지중의 지열교환기를 통해 지열에너지를 지열히트펌프에서 흡수하여 실내로 방출하는 원리입니다.
난방사이클과 반대의 사이클로 작동되며 압축기에서 생성된 고온고압의 냉매 가스는 리버싱(4방)밸브를 통해 응축기(Condenser)를 지나는 부동액(지열)측으로 열을 방출하고 액체냉매 상태로 상변화하게 되며 저온저압상태의 냉매는 증발기(Evaporator)에서 실내공기 또는 순환수와 열교환 되어 냉방 또는 냉수를 생성하게 됩니다. 이때의 응축기 쪽의 상승된 온도의 부동액(지열)은 지열교환기를 순환하면서 적합한 유입수온으로 되돌아오면서 시스템이 지속적으로 이루어 집니다. 즉, 냉방사이클은 실내에서 발생한 열을 지열히트펌프가 흡수하여 지중의 지열교환기를 통해서 땅으로 방출하는 원리입니다
