지열에너지의 특성

지하를 구성하는 토양, 암반 그리고 지하수가 가지고 있는 열에너지.

지열에너지는 날씨나 기후조건과 관계없이 개발 및 활용이 가능하므로 재생에너지원 중에서 유일하게 기저부하를(Base load)를 담당하며, 부하 조건에 맞게 출력조절이 쉬운 운전 특정을 갖음

지열에너지의 활용분야와 기술의 분류

• 지열에너저의 활용 심도에 따라 심부지열과 천부지열로 분류
• 심부 지열은 통상 지하 300m 깊이 이상의 지열수 또는 높은 암반의 열을 활용
• 천부 지중열은 통상 지하 300m 깊이 이내의 연중 일정한 지하 온도와 대기의 온도차를 활용
• 국내의 경우 지열원 열펌프를 이용한 천부 지중열을 주로 활용

지열의 기본원리

• 태양열의 51%를 지표면과 해수면에서 흡수 (인류사용 에너지량의 500배)
• 지하 20 ~ 200 m의 지중온도는 일정한 온도 (15℃)를 유지
• 지하 200 m 이하로 내려가면 2.5℃/100 m 씩 상승
• 지열냉난방 시스템은 지중온도(15℃) 이용함
• 해수, 하천, 지하수, 호수의 에너지도 지열에 포함됨
• 지열은 무한정 사용이 가능한 “재생에너지”

지열의 우수성

땅속 10m 이하에 연중 일정하게 유지되는 지중 온도(보통 15 ± 5 ℃)를 이용하여 히트펌프와 함께 냉동사이클을 구성하여 냉방, 난방 및 급탕에 활용하는 시스템으로 에너지 비용을 획기적으로 줄이면서 경제성을 높인 친환경 냉난방 시스템입니다. 지열 냉난방 시스템은 지열을 추출하거나, 실내에서 추출한 열을 지중으로 방열하기 위해 지중에 설치된 순환회로를 이용하여 지중에서 지열을 흡수 또는 방열합니다. 또한 미국 환경보호국(EPA)에서 공인한 가장 효율적, 환경친화적 냉난방 시스템입니다.

지열 냉난방 시스템의 분류

지열냉난방시스템에서 지하수를 직접이용하는 개방형 시스템이 효율면에서 우수하나, 모든 곳에서 필요한 수량의 지하수를 확보하기 어렵다. 또한 지하수 보호를 위해 지하수를 직접이용하는 것을 금하기도 한다. 밀폐형 시스템은 열원으로 지중에 저장되어 있는 지중열을 사용하는 시스템으로 HDPE 재질 등의 파이프를 지중에 매설한 뒤 폐회로 시스템을 구성 후, 내부에 유체를 충전하고 순환유체가 열교환을 하도록 하여 열을 흡수 또는 방출하여 냉난방을 이루어지도록 하는 시스템이다. 국내 환경에서는 개방형 지열시스템보다 밀폐형 지열시스템을 적극적으로 사용하고 있다.

장점

• 1. 폐회로내에서 순환하여 순환수 누구 손실이 없다.
  2. 스케일 및 부식과 같은 문제를 최소화시킬 수 있다.
  3. 밀폐형은 개방형에 비해 액체를 순환시키는데 필요한 동력이 적다. (50% 이하임)
  4. 시스템의 구성요소를 기계실에 설치하여 보수가 간편하다.
• 5. 밀폐형 시스템은 설치 시 지중조건에 구애받지 않는다.
  6. 비교적 유지비용이 저렴하고 효율이 높다.
  7. 지하수의 부존과 수질문제의 유무에 무관하게 시스템의 설치가 가능하다.

지열 냉난방 시스템의 구성요소

지중열교환기

땅속에 100m 이상을 천공하고 HDPE를 천공된 공 내부에 삽입 후 내부에 유체를 통하여 땅속의 열과 유체가 열교환을 합니다. 삽입되는 파이프는 누설 또는 부식등의 문제가 없어야 하며, 50년이상 물리적 화학적 성질을 유지해야 합니다.

순환펌프

지열시스템의 작동유체를 순환시키기 위한 순환펌프입니다.

히트펌프

지중의 열을 흡수하거나 실내의 열을 방출하여 실내의 온도를 일정하게 냉난방할수 있도록 하는 지열시스템의 핵심장비입니다. 팽창밸브, 열교환기, 압축기, 4방 밸브로 구성되어 있습니다.

컨트롤판넬

지열시스템의 운전 및 이상을 판단하고 지열시스템의 동작을 관리함은 물론 계측된 데이터를 저장하여 분석하여 시스템 상태를 파악하도록 합니다.

히트펌프 정의 및 종류

• 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시키는 장치
• 냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발의 과정을 통해 열을 방출 또는 흡수
• 단일기기에서 냉방과 난방 가능

히트펌프 성능

구분	냉방	난방	성능 (COP)
에어컨		-	2.5
공기열원 히트펌프			여름 : 2.5 겨울 : 1.5
지열원 히트펌프			여름 : 4.0 겨울 : 3.5

지열 냉난방 시스템의 작동원리

냉방: 여름철 외부의 온도로 높아진 실내 온도를 흡수하여 지중열교환기로 순환하여 열을 방출한다.
난방: 겨울에 외부의 온도로 차가워진 실내온도를 지중의 열을 흡수하여 지중열교환기로 순환파여 실내 난방을 한다.

지열히트펌프의 냉난방 개념도

지열시스템의 냉난방운전 흐름도

지열시스템 냉방운전 흐름도

지열시스템 난방운전 흐름도

지열 냉난방 시스템의 소요면적 및 부피

소요 면적 및 부피

지중열교환기
150m x 34개

지열 냉난방 시스템의 설계

1. 시험천공 및 열전도도 테스트

• 지열시스템의 설계에 요구되는 지중의 열전도도를 측정하기 위한 열응답시험
• 시험천공 및 지중 열전도도 테스트는 지열 기본설계의 타당성을 검증하고, 최종적인 지열시스템 사양을 결정하기 위함
• 시험공에 정해진 열부하를 주입하면서 열교환기 내부를 순환하여 지중으로 발산하는 유체 온도변화의 경사도 및 주입된 열량을 기준으로 하여 측정하게 됨
• “신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침” 중 지열이용검토서 세부수행지침에 따라 시험천공 및 열전도도 테스트 결과를 반영한 지열이용검토서를 제출하여 평가 및 승인을 받아야 함

2. 지중 열전도도 테스트 측정절차

3. 시뮬레이션을 통한 시스템 설계

• 산정 방법 : 지중조건, 부하조건 및 열교환기 조건을 반영한 시뮬레이션 실시
• 적용 프로그램 : GLD(수직형, 수평형), GLHE Pro(수직형, SCW)
• 지중 열전도도(K-Value) 외 63가지 Factor반영