-Heating 난방 -Cooling 냉방 -Domestic Hot water 온수 -Controlled Ventilation 환기 -Preheated Supply Air 예열 |
지열이란? 지열에너지란 지구 자체의 열로부터 에너지를 얻을 수 있는데 이런 에너지를 지열이라 하며 지구표면 수십미터부터 수키로미터 아래에 있는 열원이 고온일 때는 지열발전,지열난방, 지열냉난방, 지열온수등을 직접 사용하거나 저온일 경우 히트펌프를 사용하여 냉매를 Compression→ Compressing →Expansion → Evaporation 과정에서 얻는 열을 이용, 냉난방 온수 등을 이용할 수 있는 에너지를 말한다. |
수평매설이용 방법 -Teramex 파이프를 지하1.25m ∼1.5m 수평으로 매설하여 사용하는 방법 |
수직매설이용 방법 -Teramex 파이프를 지하에 수직으로 매설하여 사용하는 방법 |
지하수 직접 이용 방법 -지하수를 순환하여 이용하는 방법 |
지하연결 지열 시스템의 구성
(1) 지하 열교환 펌프 (2) 공기 열교환 펌프 (3) 공기 열교환 회로 (4) 실내 온수 펌프
■ 지열 히트펌프 작동원리
*지열 히트펌프 작동원리 증발기에서 액체상태인 냉매를 가스로 기화시키는데 지열, 공기, 물 등에 함유된 저밀도의 자연에너지(통상 10℃이상이면 최적)가 이용되고, 기화된 냉매가스를 고온, 고압으로 만드는 압축에만 소량의 전기에너지가 투입되므로 지열, 공기, 물 등의 기초열원만 적절히 확보되면 투입된 전기에너지의 3~5배 이상의 열을 발생시키는 획기적인 고효율 열발생 장치임. *지열의 효과적인 운용 통상[히트펌프]를 통해 생산되는 열은 35-55℃수준으로 공급될 때 최대효율(COP : co-efficiency of performance)를 나타내므로 적절한 열원의 확보(10℃이상 안정된 열원)와 저온수(3555℃)의 이용이 기기활용의 최대 전재조건임. 또한 공기, 물, 지열 등의 열원이 통과하는 동안 증발기내의 냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아지는 열원을 냉방으로 활용 할 수 있는 기기임. |
■ 제품 주요 사용처(용도)
누진제 요금 적용을 받는 가정용보다 업소 및 24시간 냉난방을 요구하는 시설은 가장 경제성이 좋다.
단독주택, 아파트, 목욕탕, 세탁소, 골프장
이용소, 군막사, 염색업체, 병원, 학교, 빌딩
공동주택, 기숙사, 사우나, 유아원, 파출소
미용소, 수영장, 제약업체, 교회 여관, 공장
[지중 열 교환기(Ground Heat Exchanger)시공요령 Ground ? source Heating/Cooling System]
■ 지중 열 교환기 시공 순서
(1) 설계 깊이대로 시추공(borehole) 굴착
(2) 열 교환기 설치 트레미관을 통한 그라우트 타설
(3) 건물까지 트렌치 굴착 및 열 교환기 연결
(4) 복토 및 최종 다짐 작업
■ 지중 열 교환기의 순환 유체의 종류
염화칼슘, 염화나트륨, 탄산칼륨, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에탄올, 아세트산칼륨
※ 유럽은 주로 글리콜 계열을 사용하고 미국은주로 에탄올과 매탄올을 사용한다. 국내에서 주로 프로필렌글리콜을 사용.
■ 시추(boring) 방법에 따른 종류
(1)오거보링(Auger boring) : 막대끝에 링을 붙이고 인력이나 동력으로 구명을 뚫는 공법으로 최대 10M이내
(2) 퍼커선보링(Percussin boring) : 압축공기를 동력으로 70cm정도 상하 운동시키면서 굴진하는 방법으로 진동 및 소음이 있어도 시내에서 피해야 한다.
(3) 로터리보링(Rotary boring) : 널리 사용되며 비트의 회전과 추에 압을 주어 절개하는 방식으로 통상 이 방법을 많이 이용한다.
※ 시추공의 휨은 기계적인 조건과 지질적인 조건으로 휨이 발생함으로 수직에 가깝도록 하여야 최선의 방법이다.
■ 벤토나이트 그라우트의 요건
(1)벤토나이트는 최소한 90%이상의 몬모릴로나이트(Montmorillonte)를 포함 하여야 하며, KSA5101(표준체)의 0.85mm(No.20) 체를 90%이상 통과하여야 하고, 0.08mm(No.200) 체의 통과량이 10%이하이어야 한다.(토목공사 일반 표준시방서 및 건축공사 표준시방서의 벤토나이트 방수공)
(2) 벤토나이트(Bentonite)라 함은 다량의 팽윤성 스멕타이트 (Smectites)로 구성된 산업 광물로서 주구성 광물은 몬노릴로 나이트(Montmorillonite)이며 부 원소광물로는 고령토(Kaolin), 장석류(Feldspar), 운모류(Mica), 방해석(Calcite), 석영(Quartz), 일라이트(Illite), 크리스토발라이트(Cristobalite) 등이 있다.
■ 지중 열 교환기 파이프의 길이
(1) 수직형 150M 매설시 RT당 40-50M
(2) 수평형 1.5-2.5mm 매설시 RT당 150-300M
■ 벤토나이트의 성분
(1) 팽창성 (2) 접착성 (3) 농후성 (4) 윤활성 (5) 치밀성 (6) 보수성 (7) 회복성이 있어야 하며 지반 오염을 발생하지 않아야 하는 점토 광물을 첨가한 일종의 방수재이다.
[지열 원 열 펌프 시스템의 종류와 특징 Ground ? source Heating/Cooling System]
■ 지열 원 히트펌프 종류에 따른 구분
1. 토양 이용 열펌프(ground-coupled heat pump)
2. 지하수 이용 열펌프(ground-water heat pump)
3. 지표수 이용 열펌프(surface-water heat pump)
4. 복합 지열원 이용 열펌프(hybrid ground source heat pump)
※ 현재국내에서는 주로 토양 이용 열펌프를 이용한다.
■ 에너지 공(Energy Wall) 및 폐쇄형 집열 튜브(Closed Loop)
- 구경 : Φ110~150mm 지하수개발용 드릴 이용
- 깊이 : 필요에너지량에 의해 결정되며 북유럽, 미국의 경우 1KW당 40-90M수준이나 한국은 실정에 따라 100-150M, 250M임
- 케이싱(Casing) : 토사층과 암반층 2m깊이까지 금속관 또는 프라스틱관으로 케이싱함.
■ 열 교환 파이프의 매설 방법
열교환 파이프는 수직형과 수평형으로 구분하고 구성은 직렬 흐름과 병렬 흐름으로 배치한다.
수직형매설은 직경이 큰 파이프를 사용하기 때문에 성능이 우수하고 수직형 매설은 직경이 작은 파이프를 길게 매설해야 하며 통상 수직형 직렬 흐름이나 병렬 흐름 시스템으로 주로 매설한다.
■ 지중 열 교환기 파이프 설계
열교환기의 파이프 선택은 수명, 유지비용, 펌프의 소요에너지와 지역적인 현장조건등을 고려하여 열융착으로 연결 가능한 폴리에틸렌 혹은 폴리 부틸렌을 사용하고 파이프 직경은 소비 동력과 열전달을 동시에 고려하여야 한다. 즉 파이프 직경을 크게 하면 소비전력을 감소하나 열전달이 감소하고 직경을 적게 하면 열 전달이 원할하나 소비전력이 증가한다.
※ 50-70년 교체 없이 사용 가능하다.
[지열 원 열 펌프 시스템의 종류와 특징 Ground ? source Heating/Cooling System]
■ 열 교환기의 시공
열교환기로 사용되는 유자(u)관을 보어홀에 삽입한 다음 빈공간을 그라우트로(grout:뒤채움재) 다시 채운다. 이때 보링한 토양을 사용함이 가장 좋으나 채움에 어려움이 있기 때문에 시멘트 그라우트나, 벤토나이트 그라우트를 많이 사용한다. 중요한 문제는 그라우트를 잘 하지 않으면 지면의 고인물이나 주변의 지하수가 유입되면 효율이 상당히 저하된다. 그리고 그라우트 제질은 낮은 투과계수, 높은 열전도, 화학적인 안전성, 열 교환파이프와 접착성, 저렴한 가격과 우수한 혼합성이 요구된다.
■ 그라우팅 종류별 장단점
종류 |
장점 |
단점 |
시멘트류 |
즉시이용가능. 적당한 투과성. 혼합과 이송이 용이 |
수화열에 의한 파이프 손상 우려. 파이프에 밀착불량 양생 시간 필요. 밀도가 높음. 수축 가능성. |
벤토나이트류 |
수화작용에 의한 발열현상이 없음. 공정시간이 짧음. 적당한 투과성. 낮은 밀도 |
혼합이나 이송곤란. 지층수분이 적을 경우 수축이나 균열발생 소지가 있음. 염분이나 유기간에 영향을 받음. |
시 험 종 류 |
중량비(g/g) |
열전도율 (W/m · k) | ||
벤토나이트 제품 |
모레/벤토라이트 |
물/벤토라이트 | ||
Ⅰ |
A |
0 |
1.5 |
1.78±0.01 |
Ⅱ |
A |
1 |
1.5 |
1.78±0.01 |
Ⅲ |
B |
0 |
1.5 |
1.78±0.01 |
Ⅳ |
C |
0 |
1.5 |
1.78±0.01 |
Ⅴ |
D |
0 |
1.5 |
* 그라우트 시공시 유의점
(1) 건조상태에서 벤토나이트 그라우팅은 지하수가 낮은 지역은 시공해서는 아니되며 이때는 모레를 첨가하여야 성능저하를 보완 할 수 있다.
(2) 염분에 의한 벤토나이트의 피해 공사현장의 지층의 성질과 시공조건에 따라 재료의 검토가 필요하다. 지하수, 하천수, 해수등은 수질검사를 하여 염분함량이 2%이상일 경우 별도로 대책을 세워야 한다.
(3) 시멘트 그라우트의 건조 수축 및 열 팽창성 시멘트의 건조수축은 균열로 방수기능이 저하될 수 있기 때문에 열팽창계수는 1℃당 1.0×10-5의 값을 이용한다.
(4) 그라우트의 타설방법은 트레미(Tremie)를 이용한 그라우트의 이송이며 목적은 치수와 방수임으로 시추공전체를 충진 하여야 하며 이때 트레미관 설치방법이 중요하다.
[지중 열 교환기(Ground Heat Exchanger)시공요령 Ground - source Heating/Cooling System]
시추공 굴착 |
U-tube작업을 위한 펴는 작업 |
U-tube 및 추작업 |
시추공 굴착 |
지중열교환기 매설작업 |
그라우트(grout)채움작업 |
[한반도의 지열 분포 Ground ? source Heating/Cooling System]
■ 한반도의 온도경사 분포(Thermal gradient)
한반도 동남부 포항주변 일대에서 높은 지온경사 이상대가 나타나며 중서부 아산만 일대, 속초일대, 이천일대가 비교적 높은 분포를 나타낸다.
■ 한반도의 지열류량 분포(Heat flow)