[스크랩] 지열 냉난방 시스템

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출처 : NA's NAE

본 자료는 국제에너지기구(IEA)산하 히트펌프센터의 기술 자료    (HPC-IFS2, January, 2002)를 번역한 것 임. 1. 기본개념    - 미국 냉동공조협회(ASHRAE)가 정의한 바와 같이 폐쇄회로의 집열기를  지하에 매설하는 히트펌프(GCHP)는 일반적 지열 히트펌프(GSHP)의 한종류인데 압축, 증발 싸이클의 히트펌프와 지하에 매설되는 폐쇄회로의  열교환기로 구성된다.      이 시스템은 대부분 간접열교환방식인데 밀봉된  내열플라스틱 지중회로에 물 또는 부동액 열매체를 순환시켜 히트펌프의 냉매 순환과정에 지중의 열을 전달하거나, 빼앗도록 설계되어 있으며, 냉매를 지중에 매설된 열교환기로 직접 순환시켜 직접 열교환시키는 직접팽창시스템(DX) 방식도 있다.    - 지열 열교환기파이프는 수직으로 지하공에 삽입하거나 수평의 호에 매립되는데. 겨울에는 지중의 비교적 안정적인 온열을 지중열교환기로 뽑아 히트펌프를 통해 상승 시켜 난방과 급탕에 이용하고 여름철에는 역으로 냉방열을 공급하고 지중에 온열을 저장하는 방식으로 작동한다. 2. 장 점   1) 고성능    - 년중 균일하며 안정적인 지중온도로 인해 지중매설 집열기를 이용하는 히트펌프는 기존의 공기를 열원으로 하는 히트펌프나  화석연료이용 기기 보다 높은 효율을 나타낸다. 외기온도가 낮은 상태에서 난방을 위한 지열 이용 히트펌프는 공기를 열원으로 하는 히트펌프보다 20~30% 효율이 높게 나타나고 있으며 냉방의 경우도 마찬가지다.    - 실제 측정결과 난방 및 급탕을 공급하는 기존의 공기이용 히트펌프가 성능계수(SPF) 3.0 수준이었으나 지열 집열기를 이용한 히트펌프의 경우  난방성능계수(HSPF)가 4.0이상으로 나타났다.   2) 저렴한 운전비용    - 고효율에 따른 에너지절감 및 운전비용 저감으로 인해 공간 냉,난방의 경우 난방모드로 작동중인 지열이용 히트펌프는 전기저항을 이용한 난방보다 50~70%의 에너지절감효과가 있었으며, 공기이용 히트펌프보다 25%의 절감효과가 있다는 보고가 있다.(미국의 경우)   3) 유지, 관리    - 지열이용히트펌프의 모든 부품이 지중에 매설되거나 실내에 설치되므로  충분히 보호되어 있고, 통상의 서비스외에  특별한 유지, 보수가 필요하지 않다.    - 지중온도는 공기에 비해 년중 안정적이고 균일하므로, 히트펌프의 압축기는 낮은 압력과 낮은 온도로 작동되므로 기계적  피로가 적을 뿐만 아니라, 비교적 높은 지하 온도로 인해 증발기 코일이 결빙되는 경우가 희소하므로 해빙싸이클 또한 작동되는 경우가 적어 기계적 안정성이 탁월하다.    - 이와같은 주변환경 및 기계적 조건으로 인해 지열이용 히트펌프는 20~25년 정도의 내구성을 갖는다.   4) 온실가스 배출저감    - 냉,난방에 필요한 에너지의 소비절감에 따라 지열이용히트펌프는 기존의 냉,난방기에 비해 2/3이상의 온실가스 배출을 저감한다, 물론 이 경우 히트펌프의 압축기 및 펌프가동에 필요한 전기는 발전에 사용되는 연로 및 효율에 따라 다르겠지만, 주로 수력발전에 의존하는 캐나다의 몬트리올의 경우는 난방목적의 가정용 지열히트펌프가 20년 이상의 기간동안 약 5,000kg의  Co2를 감축하고, 고효율 보일러를 이용하는 경우에 비해서는 무려 97,500kg의 Co2를 절감한다. 3. 기  술   지열이용 히트펌프는 세계적으로 50만대 이상 설치되었고, 매년 4만5천 대  정도가 신규로 설치되는 이미 검증된 기술이다.   지열연결형(GCHP)은 지중열교환기, 히트펌프 본체, 실내분배장치로 구성되는데 본체의 경우 압축기 순환팬 및 콘트롤러 부분에서 지난 20년간 지속적인 발전이 있었으며, 지중열 집열코일의 소재개발이 있었다.   1) 히트펌프의 타입    - 가장 일반적인 히트펌프의 형태로는 북미지역에서는 물/공기형 (Water-to-Air)가 일반적이고, 서구와 북유럽에서는  물/물(Water-to- Water) 형이 일반적이다. 물/냉매코일이 지중열매체회로(물, 부동액)와 연결되어  있어 냉방모드에서는 응축기(Condenser)로, 난방모드에서는 증발기 (Evaporator)로 기능한다. 북미지역에서도 냉매/공기코일이 강제식 공기순환 닥트 시스템에 연결되어 있으며, 냉방 및 바닥난방과 온수사용을 위하여 물/물타입 히트펌프가 근래에는 유행하고 있다.   2) 열교환기    - 지표면의 온도는 계절별로 변화하지만 지하 2m 이하 에서는 계절별  온도편차가 크지 않으며, 지하 10m  수준에서는 년중 평균온도수준이다. 따라서 지하 집열기의 성능에 영향을 미치는 것은 1차적으로 열교환기의 깊이, 부차적으로 토사의 열대류 및 열적 성능과 토사와 암반의 수분함유량 및 지하수에 의해서도 영향을 받는다.    - 집열기코일은 대지면적, 토사의 조건, 굴착비용등을 감안 수직 또는  수평으로 설치되는데 관련 문헌에 의하면 수직형의 경우는 38~91w/m, 수평형의 경우는 38~59w/m 수준의 열공급이 가능하다.   3) 수직형 집열기    - 수직형 집열기는 대지면적이 제한된 곳에서 사용되는데, 북미에서는  단일 U-Tube형이 일반적이며 유럽에서는 2중  U-Tube형도 사용된다. 지하공의 구경은 100~150mm 수준인데 토양의 조건, 설치되는 시스템의 용량에 따라 15m에서 150m 깊이로 타공한다, 또한 지하공간의 열적간섭을 예방하기 위해 공간간격을 5m정도로 한다.         - 지하공의 깊이와 수는 건축물의 냉방 및 난방부하를 시간대별로 분석한 프로그램에 의해 결정한다.   4) 수평형 집열기    - 넓은 대지를 활용할수 있는 경우에 사용하는데 다수의 파이프 (최대6개)를 호에 깔고 각 파이프의 끝을 양쪽으로 또는 하나로 연결한 형태 이다.    - 호의 깊이는 북미에서는 파이프의 수에 따라 1.2m에서 2.1m이며 서유럽이나 스칸디나비아 지역에서는 1.0m 이내이다. 호의 폭은 150mm에서 600mm이며, 열적간섭을 피하기 위해 호간 간격을 최소 2m이상 확보하며, 각각의 호에서의 파이프간의 간격은 수직, 수평으로 30cm를 확보한다. 나선코일형 집열기는 좁은 폭의 호에 수직으로 세우거나,  넓은 폭의 호 바닥에 평평하게 깔아 설치한다, 나선코일형 집열기는 단일 파이프형에 비해 호의 면적을 20%~30%수준으로 줄일 수 있는 것으로  발표되어 있다.     5) 순환    - 파이프회로는 공급,회수를 각각 연결하는 병렬식 설치가 순환펌프의 용량을 적게하고, 자재비를 절감할 수 있어  일반적으로 사용된다. 각 파이프의 순환량이 동일하게 설계하여야 하며, 필요시는 밸브를 부착한 헤더(매니홀더)를  설치하여 흐름을 조절한다.   6) 자재    - 집열기의 소재로는 구경 20mm 나 40mm의 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리부틸렌 파이프가 표준규격으로 이용되고 있다.   7) 설치    - 수평형 집열기를 설치할 때는 호를 파기위한 건설장비를 이용하며, 파이프는 호의 바닥에 모래를 깔고 그위에 위치시킨후 15cm 정도를 모래로 다시 채운다음 되메움 한후 그위에 물을 뿌리고 다진다. 또한 집열기를 복수의 층으로 매설한 경우에는 위의 과정을 반복한다.    - 수직형 집열기를 설치할 때는 지하공의 깊이나 지질 상태에 적합한 타 공기를 이용하며, 지하공에 플라스틱 U-Tube를  삽입한 후에 되체움을 실시한다, 50m이내의 얕은 지하공인 경우에는 타공중 나온 흙으로 되 채울수 있으나, 50m이상인 경우에는 지하공의 표면과 U-Tube, 열교환기 부분을 채우기 위한 되체움물질을 지하공바닥으로 펌프를 이용해 주입하여   그라우트(Grout)를 형성해야한다, 주입할 그라우팅물질로는 지표면의 조건, 작동예상온도, 그라우팅물질의 물적성능을 감안하여 시멘트류 또는 벤트나이트류를 사용한다. 열적성능을 향상하기 위해 열전달 성능이 우수한 물질로 사용할 수 있다.   8) 열매체    - 집열기내의 열매체로는 보통 물을 사용하나 북미나 북유럽에서는 열매 체로 부동액을 첨가하는데 부동액의 동결점을 5k 이하로 하여야 한다.    - 부동액 선택에 있어서는 집열기의 디자인, 외기온도 뿐만 아니라, 부동 액의 열전달 및 압력강화 성능, 환경 유해여부, 비용 및 구입의 용이성 등 이 고려되어야 하며, 가장 일반적인 소재로는 염화칼슘(소금), 소디음칼슘, 글리콜이나 알콜등이다.    - 소금은 독성이 없고 저렴하며 열전달 성능이 우수하지만 공기중의 금 속을 부식시키므로 부식방지제와 같이 사용해야 하며, 글리콜은 비독성이 며 열전달 성능도 양호한 편이지만 비교적 고가이고, 영하 10℃이하에서 는 점도가 높아지므로 순환펌프의 용량을 늘려야 하므로 전체적으로 히트 펌프의 성능을 낮추는 결과를 나타내며, 유럽에서 주로 사용되는 에틸렌글 리콜은 독성이 그리 높지는 않으나 독성이 없는 프로필렌 글리콜을 사용해 야 한다.      메탄올 같은 알콜은 부식성이 없고 가격도 저렴하며 열전달 성능이 높 고 압력강하 현상도 없으나 인화성과 독성이 강하다.      북미에서는 초산칼륨(Potassium Acetate)이 일반적으로 사용된다.   9) 설계지침    - 지열이용 히트펌프설치에 있어서 가장 중요한 요소는 지중 집열기의 용량설계이다, 너무 과도하게 집열기의 길이가 길어지면 타공비용이 커지고, 기기의 작동시간을 짧아져서 비경제적이고  너무 짧으면 용량부족현상을 일으킨다.    - 미국 냉동공조협회(AGHRAE)에서는 상업용 히트펌프용 집열기 엔지니 어링 매뉴얼과 설계지침을 발간했고, 가정용인 경우에는 NRECA/OSH 설계 매뉴얼이 가장 널리 이용되고 있다, 실제 지중집열기의 종류별 크기 결정을 위한 디자인 체계에 대한 분석을 지열히트펌프콘소시움(GHPC)에서 실시한바 있다. 4. 적  용   1) 가정용    - 난방, 냉방 및 급탕목적의 지열이용 히트펌프는 단열성능이 보강된 저에너지형 신축주택 위주로 보급되고 있다. 이런 종류의 주택에서는 강제 온풍식 공기난방인 경우 송풍되는 공기의 온도는 30℃~50℃수준 이고  팬코일난방의 경우도 공급온도는 45℃~55℃ 수준이며, 바닥난방  방식인 경우 공급온도는 30℃~45℃이다.    - 공기이용 히트펌프에서처럼 지열이용히트펌프에서도 북미에서의 냉방 이용을 목적으로 하는 시장이 커지고 있다. 대부분의 제품이 냉,난방 전환이 가능한데 통상 냉방부하가 난방부하보다 크기 때문에 용량은 냉방최대 부하에  맞추어야 한다. 지역적 영향으로 여름철 냉방 부하가 적은 서유럽 및 북유럽에서도 근래에는 냉,난방 겸용 제품의 수요가 늘어나고 있다.    - 지열이용 히트펌프는 냉,난방 뿐만 아니라 급탕에도 사용할 수 있는데 급탕은 년중 필요하므로 전체 히트펌프의 활용성을 높이는 역할을 한다. 보통 급탕기능은 압축기 배기라인의 고온냉매로부터 열을 뽑아내 온수저장 탱크로 순환시키는 방식으로 온수를 생산하는데 보통 일반적인 작동상태에서 응축기 용량의 약 20%가 급탕에 사용되며, 이 기능은 히트펌프가 냉방상태 뿐만 아니라 난방상태에 있을 때도 작동한다.      2) 상업용    - 상업용 지열이용 히트펌프 시장은 가정용보다 빠르고 광범위하게 확대 되고 있다, 특히 사무실, 학교, 상가. 호텔, 스포츠센타, 연구소등 냉,난방 기능이 필요한 곳에서 급격히 확산되고 있는데, 이 시장은 특히 미국에서 지열히트펌프콘소시움(GHPC)이 구성되어 지열 히트펌프의 개발 및 보급 에 나서면서 활발해졌으며, 캐나다에서도 상업용 시장이 확대되고 있다. 또한 서유럽  및 북유럽에서도 근래 상업용 시설에 대한 냉방수요가 커지 면서 이 시장이 확대되고 있다.       - 이 부분에서는 대용량의 상업용, 산업용이 적용되므로 대부분 수직형 지하공 형태의 집열기 시스템이 적용되고, 냉,난방 뿐만 아니라 급탕도 동시 공급한다. 5. 기술기준 및 규제    - 근래 모든 종류의 히트펌프와 공조기구를 포괄하는 국제적인 성능기준 을 정하려는 움직임이 계속되고 있다.    - 국제품질인증기구(ISO)는 1998년 ISO13256-1 기술을 제정하였는데 이기준에 의해 물/공기, 열매체/공기 히트펌프 뿐만아니라 40kW 까지의 지열집열기이용 히트펌프도 적용대상이 되고 있고 ISO13256-2는 물/물, 열매체/물 히트펌프에 적용되는데 이 기준은 1998년 미국 냉동공조원 (ARI)의 기술기준으로 채택되었다. 유럽에서도 1997년 유럽기술 기준 위원회(CEN)가  EN255-2 및 EN814-2를 제정 전기작동 압축기를 이용하는 냉,난방용 히트펌프의 기술기준을 정했는데, 이기준에 지열 이용 히트펌프 도 포함되도록 되어있다. 히트펌프의 전기적 안정성에 관하여는 국제전기 안전기준 IEC355-2-40(EN60355-2-40),  기계적 안정성 및 냉매에 관하여는 ISO5149 및 EN378이 적용된다. 6. 투자비    - 지열이용히트펌프에 대한 투자비는 크게 히트펌프 본체가격, 집열기  설치비용, 열분배기비용 및 시설비로 나뉜다.      물론 전체 비용중 20~50%가 지하공 타공이나 매립호 및 집열기 비용이므로 지하공이나 호의 단위 길이당 열회수를 최대화하는 것이 중요하다.      미국에서는 채공비, 자재비. 되메움비용을 포함하여 보통 m당 U$40~U$70(5만6천원~8만7천원)선이다.    - 위에서 언급한 바와같이 지열이용히트펌프의 장점은 저렴한 운전 및 유지비용인데, 미국의 상업용 지열이용 히트펌프의 유지비용은 기존 냉,난방기의 1/3  수준인 것으로 보고되고 있다.    - 투자비 회수기간은 비교기기의 에너지비용에 따라 달라지는데 가정용의 경우 미국에서는 2~7년으로 보고되고 있다.    - 상업용 시설인 경우의 경제성은 기기 및 시스템의 대형화로 가정용 보다 훨씬 양호한 것으로 나타나고 있다. 가정용 지열이용히트펌프 설치비 비교     국   가 설 치 비 kW당 설치비 비 고 오스트리아 U$ 21,000(바닥난방포함)  13,000(배분기 제외) U$1,500  900 수평식DX형 캐 나 다 9,500-12,000 29,000(공기분배기포함+DHW) 700~1,000 U$700 :        수평식 U$1,000 :        수직형 노르웨이 7,500~10,000(분배기 제외) 1,500~2,000 수직형,바닥난방(5kW) 스 웨 덴 6,300(분배기 제외) 7,100(분배기 포함) 1,250~1,420 “ 스 위 스 20,000(분배기 제외) 27,000~36,500 (분배기 포함) 1,900 2,800~3,000 수직형, 바닥난방 미    국 7,500~10,000 700~1,000 수직형, 공기난방

출처 : 고효율 에너지들

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