지열히트펌프시스템

왜 배우는가: 지열히트펌프는 지중의 안정된 온도를 열원·열싱크로 쓰는 고효율 냉난방 설비로, 국내 지열 직접이용 설비의 대부분을 차지해 실무 설계와 시공에서 자주 다뤄진다. 시험에서는 수직밀폐형·우물형의 차이, 지중열교환기 설계, 냉난방 사이클 원리를 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제133회 4교시 3번, 제92회 4교시 4번, 제75회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지열히트펌프 시스템은 지중·지하수·지표수의 온도가 연중 안정된 점을 이용해 열원과 방열원을 얻는 히트펌프 냉난방 시스템이다.

• 지열히트펌프(GHP 아님, Ground Source Heat Pump)
• 지중열교환기(Ground Heat Exchanger)
• 밀폐형 루프(Closed Loop)
• 개방형 루프(Open Loop)
• 보어홀(Borehole)
• 열응답 시험(Thermal Response Test)
• 성능계수(COP)
• 유효 열전도도(Effective Thermal Conductivity)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 땅 속은 여름에는 공기보다 차갑고 겨울에는 따뜻하다. 이 온도 차를 이용해 히트펌프가 열을 옮기는 시스템이 지열히트펌프다.

정식 정의는 다음과 같다. 지열히트펌프 시스템은 지열원(지중, 지하수, 지표수)을 열원 또는 방열원으로 이용하는 히트펌프 시스템이다. 지열원은 지중에 매설된 지중열교환기를 통해 냉매 또는 순환수와 열을 주고받는다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

• 밀폐형 루프: 지중에 매설한 파이프 안에 물과 부동액을 순환시켜 지중과 열만 교환하는 방식이다. 지하수를 직접 끌어 쓰지 않는다.
• 개방형 루프: 지하수나 지표수를 직접 끌어 열교환기에 통과시킨 뒤 원래 수원으로 되돌리는 방식이다.
• 보어홀: 지중열교환기를 설치하기 위해 수직으로 뚫은 구멍이다. 수직 깊이와 반경으로 규정한다.
• 유효 열전도도: 지중열교환기가 실제 지층 조건에서 열을 주고받는 능력을 나타내는 값이다. 설계의 핵심 입력이다.

지열히트펌프가 쓰는 지열은 깊은 지열발전에서 쓰는 고온 지열과 구분해야 한다. 히트펌프용 지열은 대개 300m 이내, 온도 10~20℃ 범위의 저엔탈피 지열이다.

3. 등장 배경과 필요성

공기열원 히트펌프는 외기 온도가 떨어지면 성능계수(COP)가 크게 낮아진다. 겨울철 외기는 영하로 내려가는 반면, 지중 온도는 수 m 이상 깊이에서 연중 거의 일정하게 유지된다. 따라서 지중을 열원으로 쓰면 난방 시 성능 저하를 줄이고 에너지 사용량을 낮출 수 있다.

또 다른 배경은 냉방 부하의 증가다. 여름철 냉방 부하가 커지면서 냉각탑에 의존하는 방식은 도시열섬과 소음, 백연 같은 문제를 낳는다. 지중을 방열원으로 쓰면 냉각탑 부하를 줄일 수 있다.

국내에서는 지열 직접이용 설비용량의 90% 이상이 지열히트펌프이며, 지열 이용량에서도 약 78%를 차지한다. 세종시 정부청사에는 20MW 이상 규모의 지열히트펌프가 설치되어 단일 시설로는 세계 최대 수준이다. 이는 지열히트펌프가 국내 신재생에너지 정책의 핵심 수단임을 보여준다.

이처럼 지열히트펌프는 에너지 절감, 온실가스 감축, 냉각탑 부하 저감이라는 세 가지 필요성 때문에 도입이 늘고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

지열히트펌프시스템은 지중열교환기, 히트펌프 유닛, 열매 순환 배관과 실내 부하측 설비로 나뉜다. 지중열교환기는 지중의 지중열교환기(Ground Heat Exchanger) 와 채움재로 구성되고, 히트펌프 유닛은 압축기(Compressor), 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어진다. 지중 온도는 연중 큰 변동이 없으므로 겨울에는 열원, 여름에는 방열원 역할을 한다.

지중열교환기 내부 열매는 부동액을 섞은 물이다. 열매는 U관을 지나면서 지중 토양과 열을 주고받는다. 지중 열성능은 지중열전도도(Ground Thermal Conductivity) 와 보어홀 열저항(Borehole Thermal Resistance) 두 인자에 의해 정해진다. 보어홀 열저항이 작을수록 열매와 지중 사이 열전달 효율이 높아진다.

지중 온도가 연중 안정적이므로 외기 온도보다 높은 열원·낮은 방열원을 얻는다

냉매 사이클은 증기압축식 사이클과 같다. 난방 시에는 응축기가 실내측에 있어 열을 실내로 방출하고, 증발기가 지중측에 있어 지중에서 열을 흡수한다. 냉방 시에는 사이클이 반대로 작동해 실내 열을 증발기로 흡수하고 응축기를 통해 지중으로 방열한다. 같은 유닛이 사이클 전환만으로 냉난방을 수행하는 것이 특징이다.

절차는 다음과 같다.

• 지중 조사와 열응답 시험으로 지중열전도도와 보어홀 열저항을 구한다.
• 부하 계산으로 난방·냉방 최대 열부하와 연간 부하 균형을 정한다.
• 지중열교환기 길이와 공 수를 정하고 보어홀을 굴착한다.
• U관을 삽입하고 채움재(그라우팅)로 공을 메운다.
• 열매를 충전하고 순환 배관을 연결해 압력시험을 한다.
• 히트펌프 유닛을 설치하고 냉난방 운전 시험을 한다.

난방 시 성적계수는 다음과 같이 쓴다.

$COP_h = \frac{Q_c}{W_c} = \frac{Q_e + W_c}{W_c}$

Q_c는 응축기 방열량(kW), Q_e는 증발기 흡열량(kW), W_c는 압축기 동력(kW)이다. 냉방 시 성적계수는 COP_c = \frac{Q_e}{W_c} 이다. 예를 들어 Q_e 3kW, W_c 1kW이면 COP_h = (3+1)/1 = 4 이고, 4는 상식 범위의 값이다.

5. 관련 법령·기준·표준

지열히트펌프의 설계·설치는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」과 관련 고시에 따른 지열에너지 설비 기준을 따른다. 지중열교환기 설계는 열응답 시험과 보어홀 설계 기준을 근거로 한다.

지중열전도도 산정은 선형열원모델(Line-source model)과 원통열원모델(Cylinder source model)을 쓴다. 선형열원모델은 Kelvin의 무한 선형열원 이론에 기초하며 적용이 간단해 현장 데이터 해석에 주로 쓰인다.

국내에서는 지열 직접 이용 설비용량의 90% 이상이 지열히트펌프이다. 이는 지열 이용 기술의 중심이 히트펌프 방식임을 보여준다.

6. 유형과 비교

지열히트펌프시스템은 열원수 순환 방식에 따라 크게 밀폐형(Closed loop)과 개방형(Open loop)으로 나뉜다. 밀폐형은 지중에 매설한 배관 안에서 부동액 순환수가 흐르며 토양과 열교환하는 방식이고, 개방형은 지하수나 지표수를 직접 끌어 올려 열교환기에서 열을 주고받은 뒤 원래 수원으로 되돌리는 방식이다. 밀폐형은 다시 지중열교환기의 설치 형태에 따라 수직형, 수평형, 연못·호수형으로 나뉜다.