지열 시스템

왜 배우는가: 지열 시스템은 신재생에너지 정책과 건물 냉난방 설계에서 실제로 쓰이는 설비이며, 지열의 정의·특성과 지열 히트펌프의 원리를 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 개념의 원리와 용어를 정확히 잡아 두면 경제성·개방형/밀폐형 비교 같은 후속 문항에도 바로 연결된다.

출제 이력: 제135회 1교시 7번, 제118회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지열 시스템은 지중·지하수·지표수의 온도가 연중 거의 일정한 성질을 이용해 히트펌프로 냉난방과 급탕을 하는 설비이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 지열이 재생에너지 중 하나라는 점을 한 구절 덧붙인다.

핵심 키워드

• 지열에너지(Geothermal Energy)
• 지열 히트펌프(Geothermal Heat Pump, GHP)
• 지중 열교환기(Ground Heat Exchanger, GHX)
• 밀폐형과 개방형
• 수직형과 수평형
• 저엔탈피 지열
• 재생에너지 설비
• 항온층

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 땅속은 여름과 겨울에 기온 변화를 덜 받아 연중 온도가 거의 일정하다. 이 온도차를 이용해 건물의 열을 땅으로 버리거나 땅에서 열을 얻는 것이 지열 시스템이다.

정식 정의는 다음과 같다. 「신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급 촉진법」은 재생에너지의 하나로 지열에너지를 들고, 시행규칙은 지열에너지 설비를 '물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 변환시켜 에너지를 생산하는 설비'로 정의한다. 법 조문은 지열을 햇빛·물·강수 등과 함께 재생 가능한 에너지로 묶는다.

지열 자원은 두 종류로 나눠 보는 것이 답안에 유리하다. 첫째는 고온 지열로, 화산 활동 지역의 열수와 증기가 해당한다. 온도 80~180℃의 열수와 증기가 가장 유용하며, 180℃ 이상은 발전에 쓰기 쉽다. 둘째는 저온 지열로, 지표 가까운 땅과 지하수가 해당한다. 국내 건물 냉난방에 쓰이는 것은 이 저온 지열이다.

지열 히트펌프의 핵심 원리는 저온 열원에서 열을 흡수해 고온으로 끌어올리는 역사이클이다. 지열 히트펌프는 300m 이내의 10~20℃ 범위 저엔탈피 지열을 열원으로 쓴다. 그래서 고온 지열 자원이 없는 지역에서도 쓸 수 있다는 점이 가장 큰 특징이다.

지열의 원천은 두 가지다. 하나는 지구 내부 마그마열이고, 다른 하나는 태양 복사열이 지표에 흡수된 것이다. 지표 가까운 땅의 온도는 태양열의 영향을 받지만, 깊어질수록 일정해진다.

항온층은 외기 변화의 영향이 거의 없는 깊이의 땅을 말한다. 지표에서 일정 깊이 아래에서는 연평균 기온에 가까운 온도를 유지한다는 것이 일반적인 설명이다.

3. 등장 배경과 필요성

지열 이용은 오래된 기술이다. 고대 로마인은 온천을 온수욕과 가정 난방에 썼고, 1904년 이탈리아 라데렐로에서는 지열로 처음 전기를 생산했다. 20세기 후반에는 여러 나라에 지열 발전소가 세워졌다.

건물 냉난방용 지열 히트펌프가 확산된 배경은 화석연료 가격 상승과 온실가스 감축 요구다. 지열은 연료 연소 없이 열을 얻으므로 현장 배출이 적다. 지열 기반 전기의 온실가스 배출량은 석탄 기반 전기의 5% 미만이라는 자료가 있다.

지열 히트펌프는 저온 열원을 쓰는 방식이므로 지리적 제약이 작다. 이 때문에 고온 지열 자원이 없는 지역에서도 보급이 가능해졌다. 국내에서는 지열 직접 이용 설비용량의 90% 이상이 지열 히트펌프다.

또 하나의 배경은 건물 에너지 규제다. 건물의 냉난방 에너지를 줄이면서 신재생에너지 비율을 높이라는 제도 요구가 커지면서, 지열 히트펌프는 제로에너지건축을 위한 설비로 주목받고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

지열 히트펌프 시스템은 지중 열교환기와 히트펌프 사이클로 구성된다. 지중 열교환기 내부를 순환하는 순환유체(물 또는 부동액)가 지중과 열을 주고받고, 히트펌프의 냉매가 그 열을 실내 측으로 옮긴다. 지열 히트펌프는 고온의 지열을 직접 쓰지 않고, 지중의 거의 일정한 온도를 저온 열원 또는 방열원으로 삼아 압축 사이클로 온도를 끌어올리거나 낮춘다.

구성요소 표 아래 해설: 열교환기는 지중 측 열의 출입 통로이고 압축기와 밸브는 냉매 사이클을 완성한다. 실내 측 열교환기는 냉방과 난방에서 역할이 바뀐다.

원리는 지중 온도가 연중 거의 일정하다는 점에서 나온다. 지표 가까운 곳의 지중 온도는 연평균 기온에 가깝게 유지되므로, 여름에는 외기보다 낮은 지중이 응축 열의 방출처가 되고 겨울에는 외기보다 따뜻한 지중이 증발 열원이 된다. 그래서 히트펌프의 응축·증발 온도가 외기 대비 안정되고, 성적계수(COP)가 높게 유지된다.

지열 히트펌프의 열원은 고온 지열이 아니라 지중의 안정된 저온 열이며, 히트펌프 사이클이 이를 끌어올려 쓴다.

난방 사이클은 다음 순서로 진행된다.

• 지중 열교환기에서 순환유체가 지중의 열을 흡수해 온도가 올라간다.
• 증발기에서 저온 냉매가 순환유체로부터 열을 받아 증발한다.
• 압축기가 증기 냉매를 압축해 고온·고압으로 만든다.
• 응축기에서 고온 냉매가 실내 순환수 또는 공기에 열을 방출해 난방하거나 온수를 만든다.
• 팽창밸브에서 냉매가 저온·저압이 되어 1번으로 돌아간다.

냉방 사이클은 실내 측 열교환기를 증발기로, 지중 측 열교환기를 응축기로 바꾼 흐름이다. 실내 열을 냉매가 흡수해 지중으로 방출한다. 순환유체는 난방 때와 반대 방향으로 열을 나른다.

공식은 다음과 같다. 난방 성적계수는 COP_h = \dfrac{Q_c}{W} 이고, 냉방 성적계수는 COP_c = \dfrac{Q_e}{W} 이다. Q_c는 응축기 방열량(kW), Q_e는 증발기 흡열량(kW), W는 압축기 소요동력(kW)이다. 두 값은 Q_c = Q_e + W 로 이어진다.

지중 열교환기 길이는 부하와 지중 열전도도로 정해진다. 수직형은 시공 부지가 좁아도 되고 깊이를 조절할 수 있다. 수평형은 시공비가 낮지만 넓은 부지가 필요하며, 지표 온도 변화(계절, 강우)의 영향을 받는다. 두 방식의 열 교환 원리는 같고 설치 조건만 다르다.

5. 관련 법령·기준·표준

지열 시설은 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」에서 재생에너지로 정의된다. 이 법 제2조는 지열에너지를 재생에너지의 한 종류로 규정한다. 시행규칙은 지열에너지 설비를 '물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 변환시켜 에너지를 생산하는 설비'로 정한다. 지열 히트펌프는 이 설비 범주에서 열원 이용 방식으로 다뤄진다.

지열 히트펌프 설계와 시공의 기준 수치는 다음 표와 같다.

표 아래 해설: 지열 히트펌프는 지중의 낮은 온도를 열원으로 쓰므로, 열교환기 유체 온도를 위 범위에 두고 설계한다. 이 범위를 벗어나면 히트펌프 효율과 열교환기 수명이 함께 떨어진다.

국내에서는 밀폐형 토양열원 지중 열교환기가 주로 시공된다. 지하수열원은 오염 우려와 지하수 관리 부담이 있어 이용이 제한된다. 지표수열원은 대규모 수면 조건이 필요하고 외기 온도에 민감하다.