지열/대기열(히트펌프) 냉난방, 발전시스템-지열원 이용 히트펌프 시스템

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지열/대기열(히트펌프) 냉난방, 발전시스템-지열원 이용 히트펌프 시스템 HVAC

지열시스템은 히트펌프의 Energy Source를 비교적 연중 안정적인 지중열을 이용하여 히트펌프를 구동하는 형태로 공기방식으로 직접 이용하는 타입과 물을 이용하여 직접 사용하는 FCU(팬코일유닛)을 통하여 다시 공기방식으로 전환하여 냉방과 난방에 이용하는 히트펌프 시스템의 한 종류이다.

지열원 열펌프시스템은 연중 온도가 일정한 지하수(Ground Water), 지표수(Surface Water) 및 지중(약 300m 이내)을 냉방시에는 히트싱크로, 난방시에는 히트소스로 이용하여 건축물의 냉/난방을 동시에 가능하도록 하는 복합형 시스템이다. 일반적인 지열원 열펌프시스템은 지중 300m 이내로 천공된 보어홀에 고밀도 폴리에틸렌 재질의 U자형파이프를 설치하고, 설치된 파이프에 유체를 순환시켜 지중과의 열교환을 통하여 냉/난방에 필요한 에너지를 수급하는 것이다.

① 난방사이클

히트펌프 내부의 열교환기(증발기)를 지나는 차가운 액냉매는 부동액(지중열교환기내의 순환유체)으로부터 열을 흡수하고 증기냉매로 상변화를 하게된다. 증발과정 후 온도가 강하된 부동액은 지열 열교환기를 순환하면서 다시 온도를 회복하게 된다. 이러한 원리로 지중은 열원인 히트소스(Heat Source)의 역할을 수행하며, 난방사이클을 구성한다.

②냉방사이클

난방사이클과는 반대로, 히트펌프 내부의 열교환기(응축기)를 지나는 뜨거운 기체냉매는 부동액(지중열교환기 내의 순환유체)으로 열을 방출하고 액체냉매로 상변화를 하게된다. 응축과정 후 온도가 상승된 부동액은 지중열교환기를 순환하면서 온도가 하강하게 된다. 이러한 원리로 지중은 열을 방출하는 히트싱크(Heat Sink)의 역할을 수행하며, 냉방사이클을 구성한다.

수평형 지열교환기를 설치할 때에는 이용 가능한 충분한 대지가 확보되었을때에 자주 사용되는 형식이다. 트랜처 장비를 사용하여 땅속에 단독 수평형루프를 설치하거나, 포크레인 같은 장비를 사용하여 다중(Multiple layer horizontal loop)의 수평형 루프를 설치하는 것과 전체의 배관의 길이를 비교하여 대지를 적게 차지하고, 터파기를 적게 하는 쪽으로 설계하여야 한다.
트랜치 안에 배관설치는 일반적으로 1.8m 깊이에 1.8m~4.6m 폭으로 설치되고, 일 냉동 톤에 30m~120m의 트랜치 길이 정도이고, 킬로와트로 환산하면 대략 8.7~34.7m/kw이다.

1) 일반적으로 수직형 보링가격에 비하여 터파기 및 되메우기 비용이 저렴하다.
2) 수평형은 일정시간에 과열이 쌓이지 않는다. 왜냐하면 배관이 지표면 가까이 설치되었기 때문에 열을 공기 중으로 방출할 수 있으며, 이런 경우에 주차장 제설용으로 자주 적용된다.

1) 수평형은 지열교환기 설치를 위해서는 넓은 대지를 필요로 한다.
2) 낮은 깊이의 루프로 인하여, 비와 눈같은 계절적인 요인으로 인하여 지열의 온도 변화가 심하고, 상대적으로 수직형과 똑같은 효율을 얻기 위해서는 전체에 배관의 길이가 길어야한다.
3) 전체의 배관길이가 더 길 경우에 동파방지를 위한 방안뿐만 아니라 관리비용이 많이 소요된다.
4) 트랜치에 되메우기 하는 동안에 배관이 파손될 위험이 많다.

수직형 지열교환기는 대지를 많이 차지하지 않는 장점 때문에 가장 일반적으로 사용되고 있는 지열교환기입니다. 보통 보링 깊이는 60m에서 150m이고 각각의 직경은 100mm에서 200mm이다. 또한 장비업체와 루프설치 업체는 자격이 있고, 경험이 있는 업체로 선정하는 것이 바람직하다.

1) 대표적인 보링의 깊이
2) 보링의 간격
3) 하나의 보링의 경우에 다중의 루프
4) 파이프와 루프의 사이지
5) 연간 및 월별 건물의 부하
6) 토질 및 암반의 형태
7) 현지의 설치된 기반시설의 만기

1) 대지를 차지하는 면적이 적다.
2) 전체 배관 사용길이가 최소이다.
3) 사용되는 펌핑 에너지량이 최소이다.
장점을 좀더 설명을 하면 아래와 같습니다.
*수직형은 다른 세가지 지열교환기(수평형, 스파이럴형, 스링키형)등에 비하여 적은 면적의 대지가 필요로 한다. 대략 1냉동톤당 5.4m2 ~24.8m2 의 대지가 필요하며, 킬로와트로는 1.6m2 ~7.3m2/kw이다.
*다른 두가지 지열교환기보다 전체배관의 길이가 작은 이유는 보링을 깊이하면 할수록 지중 온도가 일정하기 때문이다.
*수직형은 시리럴(Series)형과 페러럴(Parallel)형이 있으나, 페러럴형 리버스 리턴(Parallel reverse return)형식으로 배관이 되었을 경우에 다른 형식에 비하여 펌핑 에너지를 절약할 수 있다.

1) 보링 및 그라우팅 가격이 매우 높다.
2) 되메우기 및 그라우팅에 특별한 자재가 사용된다.
3) 다소의 경험과 시공에 주의가 요구된다.
4) 열을 올리는 것이 잠정적이다.
단점을 좀더 설명을 하면 아래와 같습니다.
*보링가격은 수평형 및 스파이럴형을 설치하기 위한 터파기에 비하여 월등히 높다.
*보링홀을 되메우기 할 때에는 땅과 배관의 접촉이 확실히 되기 위해 특별히 채우는 자재와 주의가 요구된다.
*만약 보링 홀의 간격이 너무 좁을 때에는 잠정적으로 장시간 땅속에 열이 발산이 되지 않고 쌓이기 때문에 바람직하지 못하다.

수평항의 다중 루프(Multiple-layer)에서 변형된 형태이다. 스파이럴 루프는 트랜치 안에 수직으로 또는 개방된 피트안에 수평으로 배관을 아래의 그림과 같이 말아 놓은 형식을 말한다. 일반적으로 전체 배관길이는 많이 소요되며, 1냉동 톤당 150m에서 300m(43~86m/kw)가 필요하다.
수평형과 스파이럴형 지열교환기는 일반적으로 소형주택이나 작은 상가등에서 대지를 적게 요구하는 곳에 사용되고 있다.

1) 수평형에 비교하여 대지를 적게 차지한다.
2) 수평형에 비교하여 가격이 저렴하다.

1) 수평형과 수직형에 비하여 전체 배관길이가 길다.
2) 수직형에 비해 많은 대지가 필요하다.

가장 좋은 효율을 나타내고 있는 타입으로 이용 가능한 에너지원이 있다면 설계를 고려하여 적용할 수 있다.

건물에서 오,폐수 처리된 후에 일시적으로 저장하는 방류하는 유수지 같은곳이 있다면 지표수형 히트펌프 시스템이 매우 효율적인 시스템이다. 정확한 냉방시스템에 적용에 있어서, 보일러 및 냉각탑이 없이 물의 루프에 적당한 온도가 유지시키기 위하여 열을 방출하고, 흡수할 수 있는 적당한 크기의 유수지 및 저수지가 준비되어야 한다. 지표수 열교환시스템은 일반적으로 시리얼 밀폐형 루프 방식형 열교환기(Series of Closed Loop)와 스파이럴형 열교환식(Spiral Loop Pattern)을 사용한다.
배관은 보통 연못이나 저수지 2m~2.5m 깊이에 콘크리트 앙카 23cm~46cm로 떠오르지 못하게 고정하여 설치한다. 통상 1냉동 톤당 90m에서 150m(27~45m/kw)가 소요되며, 270m2 (79m2/kw)의 면적이 필요로 한다.
이 시스템은 지열교환기보다 온도 변화가 심한 것을 경험하게 될것이고, 설치비용이 저렴하지만 히트펌프의 효율이 다소 저하되는 것이 고려되어야 한다.
연못, 호수, 개울, 폐광과 다른 개방된 수원이 지열 히트 펌프를 위한 열원과 방출지로서 모두 사용되고 있다. 새로운 시공에서, 유수지에 필요한 것은 냉방과 난방 부하를 담당하는 보조 능력을 가지는 것으로 변경되어 왔다. 왜냐하면 여름기간 동안에 부족한 증발과 개방된 수원에 냉방 적용하기 매우 좋다.

풍부한 양과 양질의 지하수가 있거나 또는 지하수를 개발할 수 있으면 지하수를 이용하는 히트펌프 시스템의 설치가 가능하다. 지하수를 직접 각각의 히트펌프에 공급하고, 하수구에 방류하는, 개방식 지하수 이용하는 히트펌프 시스템은 전체의 히트펌프 시스템에서 일정한 온도 공급으로 가장 효율적인 시스템이다.
또한 어떠한 지열시스템보다 가격이 저렴하다. 그러나 이 시스템을 채택하는데 있어서 세가지를 주의하여 고려하여야 한다.
첫 번째로 물의 질이다. 만약에 지하수가 히트펌프의 냉매와 물의 열교환기로 직접순환 하고자 한다면, 지하수 관한 문제는 냄새와 열교환기 튜브에 스케일을 일으키는 물속에 있는 메네랄일 것이다. 스케일은 주기적으로 열교환기 세정에 의하여 줄일 수 있으나, 산 세척으로 인한 부식으로 열교환기 수명을 단축시킨다.
지하수가 확실히 질이 좋다고 판명되었을 때만 사용하고, 그렇지 않으면 판형열교환기 설치를 권장한다.
둘째는 필요한 물 공급이다. 공기와 물 열교환식 히트펌프(Water Source HeatPump)는 일 1냉동 톤당 6LPM에서 12LPM(0.03~0.06L/s/kw)의 물이 필요하고, 일반 상업용 건물에 수많은 히트펌프가 설치되었을때에 충분히 물이 보충될 수 있는지 또는 지하수를 개발에서 법에 저촉되는 사항이 없는지 검토하여야 한다.
마지막으로 히트펌프에서 환수된 많은 물을 방출하는데 이상이 없어야 한다. 지하에서 퍼올린 물을 다른 심정에 버리거나, 강이나 저수지에 버리거나, 또는 식물을 키우는데 사용할 수 있다. 위 세가지 사항이 법이나 시스템 설치에 제약이 있다.

수직원통형 수원은 물이 지열히트펌프를 통해서 같은 수원에 물을 재순환 시킨다. 더불어 수원은 공급물의 양이 한계를 가지고 있다. 따라서 보링의 홀이 열교환기가 아니다. 열전도는 환수된 액체와 암반의 형태에서 보링홀의 벽에 물을 타고 흐르면서 일어난다. 습한 보링 홀은 톤당 60ft(18m)의 길이 설계되고 있는 것으로 보고되고 있다. 보링홀의 크기와 열전도성계수가 고려되어야 한다. 보링홀은 어떠한 지역에 있어서 옹벽이 붕괴 또는 망가지는 경우에 시스템 입구에 절대적으로 케이싱이 되어야 한다.
한정된 수원의 용량과 피크부하 환수량의 10퍼센트가 번짐(bleed)즉 방출량으로 적당하다. 이것은 열에너지가 보통때보다 빨리 이동하는 형상에 있어서 물 이동이 근원이 된다. 결과적으로 열 이동이 3배에서 5배까지 증가한다. 번짐(bleed)의 전반적인 효과는 움직이는 대수층과 유사하다. 짧은 기간동안 요구되기 때문에, 번짐에 물의 양이 피크 달에 번짐의 물이 양이 적다.
짐 보스와 해리 브라드에 의하여 일찍부터 개발과 개념이 분석되었다. 이에따라 원통형 수직우물은 해안부터 해안으로 사용되어 왔고, 북쪽 주를 따라 단계적으로 동쪽 해안선을 따라 남쪽에 일부에서도 사용되고 있다. 알맞은 지질조건이 미국에서 62퍼센트가 된다. 미국에서 이런 목적으로 하는 우물사용이, 환수되는 물이 직접 보링 홀에 접촉하는 방법이 개선됨에 다라 전체적으로 효율과 용향이 개선되었다.
물에 이용에 한계성과 방대한 암반이 있는 지역에서 원통형 수직 우물 시스템 사용에 의하여 피크기간 동안에 번짐과 더불어 보링 홀의 피트당 더 높은 열전달 계수가 다른 시스템보다 더욱더 우수한 경제적인 결과를 올릴 수 있다.

스탠딩컬럼웰형 열교환기의 가장 기본적인 열전달 메커니븜은 암반으로 구성된 나공(uncased well)과 위에서 아래로 나공 내부를 순환하는 지하수 사이에서 발생하는 열전달이다. 또한 나공의 표면은 표면 거칠기를 갖게 되는데 이는 열교환면적을 증가시키는 역할을 수행하며, 균열이 있는 경우에는 더욱 증대된다. 관정 상부에서 하부로 흐르는 지하수가 균열을 지나면서 균열 내부에 있는 지하수와의 온도차로 인하여 균열부근에서 소규모 유동이 발생하여 열전달을 촉진시킨다.
또한 스탠딩컬럼웰형 지중열교환기와 교파하는 대수층에서 수리전도도에 의하여 Mass Transfer가 발생한다. 수직 밀폐형과 마찬가지로 지하수의 흐름은 지열을 복원시키는 효과를 갖는다. 또한 용수 등으로 사용하는 목적으로 지하수를 추출하거나, 하절기에 상업용 건물의 급격한 부하를 용이하게 소화하기 위해서 Bleed를 수행하는 경우 새로운 지하수가 주변에서 유입되므로 주변 암반온도 및 관정 내부에 고인 지하수의 온도를 즉시 복원시킨다.
내부에 설치된 슬리브를 통하여 관정 하부에서 지하수를 추출하여 열교환기로 보내게 되는데, 관정 상부에서 하부로 흐르면서 열교환을 수행하여 온도를 복원하여 슬리브 내부와 외부의 지하수의 온도는 차이가 발생하게 되고, 슬리브의 내부와 외부의 유동에 의해 열전달이 발생한다.

수직 밀폐형 지중열교환기(Closed loop vertical ground heat exchanger)는 거의 모든 형태의 토양 및 암석 등을 포함하는 지질구조에 맞게 열교환기를 설계할 수 있다. 이에 비하여, 스탠딩컬럼웰형 지중열교환기는 입지 조건을 만족하는 경우에만 이를 적용할 수 있다.
그 첫 번째는 지표에서 가까이부터 암반이 형성되어 있어야 하며, 단단한 구조를 가지고 있어야 한다. 균열이 많고 균열 틈에 지하수가 존재하는 경우에는 크게 열전달 성능이 크게 향상된다.
두 번째로 지하수의 자연수위가 높아야 한다는 것이다. 예를들면, 지표 10~20m이내에 지하수의 자연수위가 형성되는 경우 적용가능성이 높다.
또한 지하수의 수질이 스케일 발생량을 죄우하므로 판형열교환기의 청소 주기를 결정한다. 지하수의 수질이 아주 나쁜 경우에는 스탠딩컬럼웰의 적용 여부를 자세히 검토할 필요가 있다.

(1) 설치공간이 작다.
- 수직 밀폐형에 비하여 설치공간이 훨씬 작다.
- 내부 설치 공간도 작다.
(2) 효율이 높다.
- 수직 밀폐형보다 우수한 효율
- 특히 난방COP가 높다.
(3) 유지 보수가 용이한 동시에 필요하다.
- 관정의 보수가 가능하다.
- 판형열교환기 주기적 유지보수
- 지하수 수질관리 및 수중펌프의 교체가 필요하다.
(4) 확장이 용이하다(물-물 히트펌프)
- 향후 증설시 냉동기/보일러등과 병용이 가능하다

준비중입니다.

사례1

지열원 히트펌프시스템과 냉각탑이 결합된 하이브리드 시스템
겨울철에 난방에 필요하지는 않으나 열을 방출하기 위하여 냉각탑이 설치된다. 냉각탑은 형장에 지열교환기의 크기와 초기투자비를 줄인다. 이런 시스템은 실 예로는 오크라호마시에 주의회 건물이며, 지열교환기와 건물에 덜어진 속의 냉각탑으로 구성되어 있다. 루이지에나에 연방정부 건물에서는 60톤 냉각탑을 설치함으로서 초기투자비를 약$30,000(37,500,000원)을 줄였다. 냉방부하가 110톤 이었고, 난방부하가 50톤 이었다. 현장에 지열교환기 난방부하에 대한 크기였다. 전체 냉방과 난방을 위한 지열교환기는 118홀 이었다. 추가적으로 60톤 냉각탑이 설치되었고, 보링홀은 118~70로 그리고, 이 현장에서 금액은 $30,000(37,500,000원)이 절약되었다.

사례2

냉각탑과 보일러 히트펌프 시스템에 냉동기와 공조기가 결합된 형식
배기를 위하여 많은 외부공기 도입이 필요한 건물에 외기의 제습과 냉방을 위하여 냉공기와 공조기를 설치가 필요한 경우에 실 예로 아래 그림과 같이 냉동기가 공조기 코일 전용으로 사용되는 하이브리드시스템이다.
냉동기용 냉각탑을 설치하는 대신에 냉각탑과 보일러 히트펌프시스템의 물 루프에 연결하여 사용하는 경우이다. 이 경우에 늦봅 및 초가을에 일부의 히트펌프가 난방이 필요로하고, 외기는 냉방과 제습이 필요로 하는 경우가 있다. 이때에 냉동기의 응축기의 열을 물 루프에 버리면 이것으로 히트펌프로 난방을 할 수가 있다.
여름의 경우에 통합 냉각탑은 냉동기와 히트펌프의 열을 처리한다. 이때에 냉각탑의 사이즈는 다소 커지나 두개의 냉각탑을 설치하는 비용을 줄일 수 있다.

사례3 :냉각탑과 보일러 히트펌프 시스템과 수냉식 패키지 에어컨

세 번째 예제로는 아래의 그림과 같이 건물의 내주부의 연중에 냉방부하가 발생하는 곳에 변풍량 방식의 패키지에어콘디셔너를 설치하고, 외주부에는 공기와 물 열교환식 히트펌프를 설치되었을 때에 내주부에서는 연중 냉방에 부분부하를 변풍량 방식으로 온도를 제어하고, 봄, 여름, 가을, 겨울에 내주부의 패키지에어콘디셔너에서 물 루프에 버린 열 에너지를 물 루프를 통하여 외주부의 히트펌프에 재사용하여 전체적으로 에너지를 절감할 수 있다.

 

[출처] 지열/대기열(히트펌프) 냉난방, 발전시스템-지열원 이용 히트펌프 시스템|작성자 노을진하