지역난방(지열, 하천)

지표면의 평균온도를 15℃라 하면 지하 2km에서의 온도는 대략 65℃, 지하 3km일 경우는 90℃에 이른다. 그러나 이러한 것은 평균적인 것이어서 예를 들면 오스트리아의 Altheim 지열플랜트의 경우 지하 2,300m 깊이에서 지열온 도가 106℃까지 이르지만 비슷한 깊이의 독일 Erding 지열플랜트는 지열수 온 도가 65℃정도이므로 이러한 지열온도는 지역 및 지형에 따라 많은 차이가 있 다.

국내의 토양은 암석이 주를 이루어 지열 이용에 좋은 조건을 가지고 있다.

특히 지표면으로부터 지중 10m 이하부터는 연중 일정한 온도 (15±5℃)를 유 지하여 열원 활용에 효율적이다.

[그림 3.13] 연중 외기 온도 및 지중 온도 변화(2003~2004) (출처: www.segigb.com )

나. 지열히트펌프³⁴⁾

34) 지열에너지, 지열 히트펌프 시스템, (http://blog.daum.net/hankook0510/72)

열역학 제2법칙에 의해 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데 가역적으 로 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올리도록 고안된 기계장치를 히트펌프라고 한다. 급수펌프가 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어 올리는 것처럼 열을 저 온에서 고온으로 끌어올린다 하여 히트펌프라고 부른다.

히트펌프는 폐쇄회로 내에서 냉매를 압축, 응축, 증발시킨다는 점에서 일반 냉동기나 에어컨, 냉장고와 동일한 작용 메카니즘을 갖지만 이들 기기가 냉매 의 증발과정에서 발생하는 냉열만을 이용하는데 비해 히트펌프는 냉열뿐만 아 니라 응축과정에서의 온열도 이용한다는 점만 다르다.

기존의 히트펌프 냉난방기는 증발과정에서 외부공기로부터 열을 흡수하거나 외부로 배출하여 냉열 또는 온열을 생산하는 방식인데 난방중에는 외기의 온 도가 낮고 반대로 냉방중에는 외기온도가 너무 높아 열의 흡수와 배출에 많은 에너지가 소비되었으나 지열히트펌프는 외기온도에 의한 영향을 받지 않는 지 중의 열을 이용하므로 공기열원식 히트펌프보다 2배 이상의 높은 효율을 가진 다. 지열 히트펌프 시스템은 열원에 따라 토양 열원 히트펌프, 지하수 열원 히 트펌프 시스템 등으로 구분된다.³⁵⁾

1) 토양 열원 히트펌프 시스템³⁶⁾

토양 열원 히트펌프 시스템은 지중 열교환기의 형상에 따라 수직형과 수평 형으로 구분된다.

수직형 토양 열원 히트펌프의 지중 열교환기는 토양 속에 수직으로 매설된 다. 타 시스템에 비해 이 시스템의 지중 열교환기는 매설에 필요한 부지를 적 게 필요로 한다. 또한 지중 열교환기를 냉, 난방 용량에 따라 다양한 깊이로 매설할 수 있다. 전체 토양 열원 히트펌프시스템 중 배관 및 부동액 이송동력

35) 산업자원부, 시설원예용 수평형 지열히트펌프 시스템 실증연구, 2007.12.29

36) 지열전문위원회, 신·재생에너지 지열분야 - 기술 및 시장 동향분석 보고서, 2007.10

이 적게 소요되기 때문에 가장 효율이 높은 시스템이다. 일반적으로 수직형 지중 열교환기는 직경 100mm~150mm, 깊이 100m~300m의 보어홀을 지면에서 천공한 후 내경 20mm~40mm의 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 U자 관으로 삽 입하고 이 파이프와 보어홀 사이의 빈 공간을 적절한 재료로 채움으로써 완성 된다.

지중 열교환기 파이프가 지면에 수평으로 매설되는 수평형 토양 열원 히트 펌프시스템의 시공비용은 수직형에 비해 저렴하다. 학교 또는 공공기관 등에 서 운동장이나 주차장과 같이 지중 열교환기 파이프를 매설할 수 있는 부지가 충분할 경우 경제적인 시스템이다. 반면에 지중 열교환기 파이프가 지면에서 0.5m~1.8m의 깊이로 굴착된 트렌치에 매설되기 때문에 효율은 수직형 지열원 히트펌프 시스템의 효율보다 낮다. 이는 수평형 지중 열교환기 파이프가 매설 되는 위치에서 지중온도 및 지중 열 물성치 등은 계절 및 연간 강우 등에 영 향을 받기 때문이다.

[그림 3.14] 수직형 지중 열교환기 [그림 3.15] 수평형 지중 열교환기

2) 지하수 열원 히트펌프 시스템(Ground Water Heat Pump System)

지하수 이용 히트펌프 시스템은 지열원 히트펌프 시스템 중 가장 오래 전부 터 사용되어진 시스템 중 하나이다. 그러나 이 시스템은 외형적으로는 단순해 보이나 효율적이고 신뢰성 있는 시스템 구축을 위해 지하수정의 설계, 지하수 유량, 지하수 처리 등에 대한 심도 있는 검토가 필요하다.

지하수 이용 히트펌프 시스템은 양질의 지하수가 풍부할 때 이를 이용한 시스템이다. 지하수 이용 히트펌프 시스템은 효율이 우수하지만 물속의 슬러 리나 오염물질로 인해 배관 및 열교환기에 스케일을 야기할 수 있다. 이 스케 일은 주기적인 세척에 의해 제거할 수 있으나 유지 보수비용을 필요로 한다.

따라서 지하수의 수질과 수량이 우수하다고 판명되었을 때 이 시스템을 적용 할 수 있다.

[그림 3.16] 지하수열원 열펌프 시스템 [그림 3.17] 지표수열원 열펌프 시스템

3) 지표수 열원 히트펌프 시스템(Surface Water Heat Pump)

지표수 열원 히트펌프 시스템은 자연 또는 인공연못 그리고 호수 등을 열원 또는 히트싱크로 활용한다. 지중 열교환기 순환유체는 펌프에 의해 물속에 잠 긴 지중 열교환기와 열펌프의 열교환기 내를 순환하다. 일반적으로 밀폐형 지 표수 열원 히트펌프 시스템의 지중 열교환기는 물속에서 부력에 의해 뜰 수 있기 때문에 설치에 주의를 기울여야 한다. 열원이나 히트싱크로 사용되는 연

못 또는 호수의 크기가 작은 경우, 외기온도의 변화에 영향을 받아 효율이 다 소 감소할 수 있다.