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2012. 5. 18. 08:00

Co2배출 줄이는 그린빌딩(Green Building)설계(20)난방 : 지열원 열펌프

지열원 열펌프는 간단히 말하면, 땅의 지열을 이용하는 것입니다. 땅속을 증기를 보내 겨울철에는 땅속의 따뜻한 지열을 이용해 가열을, 여름철에는 땅속의 시원한 기운을 이용해 냉각 효과를 보는 것입니다.

지반온도는 공기만큼 쉽게 변하기 않기 때문인데, 생각보다 깊히 파지 않더라도, 여름철과 겨울철 대기속의 공기온도에 비해서는 매우 효과적입니다.

아래 그림은 땅속 지반으로 증기를 순환시키는 지열원 열펌프의 간단한 원리를 나타낸 그림입니다.

 

간단한 냉각과 난방의 단계를 넘어서, 온수급탕으로 활용하는 온수급탕 지열원 열펌프의 개념도는 아래와 같습니다. 지열월 튜브와 열교환기를 제외한 대부분의 구성요소는 통상적인 증기압축 시스템과 동일합니다.

 

기본 지열원 열펌프 시스템은 기본 냉난방 효과를 생산하는 증기압축 사이클, 공기나 물을 통한 냉난방 효과 분배 및 토양이나 지하수로 열을 이동(또는 차단)시키는 펌프/튜브 하부 시스템을 포함합니다.

이러한 시스템으로, 튜브를 통해 액체(대개는 물)를 건물 외부에 위치한 파이프로 순환시키며, 폴리스티렌으로 만들어진 튜브를 통해 겨울철에는 주변 토양으로부터 열을 흡수하며 여름철에는 토양으로 열을 방출하는 것입니다.

튜브의 양과 길이는 시스템의 형태, 토양조건 및 요구된 냉난방 용량 등에 좌우되며, 열교환기는 열펌프 사이클 내 냉각제로부터 기후제어를 위해 건물 전체를 순환하는 물이나 공기로 열을 전달하기 위해 사용됩니다.

지하환경에 따라 다르겠지만, 지하가 타 지역에 비해 많이 따뜻하다면, 이는 전기를 이용한 난방 시스템을 능가할수도 있습니다.

지열원을 이용하는 방식응 수평 폐쇄순환식, 수직폐쇄순환식,  개방순환시스템으로 나뉠수 있습니다. 첫번째, 수평폐쇄순환식의 경우는 지반을 최소깊이 이상으로 굴착하여 지면과 나란히 매설한 파이프라인으로 열을 끌고 또는 뺏기고 오는 방식으로 가장 흔한 방식입니다. 두번째, 수직 폐쇄순환식은 깊은 결빙선과 소규모 부지에서 약점을 극복할 수 있는 방식이며, 마지막 개방순환 시스템은 허용 지하수가 충분하고 대수층과의 연결이 허용되는 구역에서 비용을 절감할 수 있는 방식입니다. 이를 나타내면 아래 그림과 같습니다.

지열원 열펌프는 사실상 눈으로 확인할 수 없는 기술입니다. 따라서 열펌프를 고려함에 있어 부지계획은 가장 중요한 요소입니다. 조경과 포장을 같이 고려한다면 튜브시스템의 보호와 열효율을 높일 수 있습니다. 다시말해 조경은 토양에 그늘을 제공하고 지반을 일사획득으로부터 보호하기 위해 이용될 수 있습니다.

 

지열원 열펌프시스템의 설계절차는 다음과 같습니다. 

1. 지열원 열펌프의 크기를 결정한다.

   * 수평순환 시스템 : 35~60m / Kwh)로 순환시스템 량을 가정하면, 1.2~1.9m 깊이로 최대 120m 길이로 파는 것이 일반적이다. 대부분의 수평순환 시스템에는 약 150mm폭의 트렌치를 사용한다.

      단열이 잘된 주택(60여평)의 경우, 460~550m) 길이의 파이프를 가진 약 3톤의 시스템이 요구된다.

   * 수직순환시스템 : 전형적인 수직순환 시스템의 깊이는 45~140m 정도이다.

   * 흐름율에 관한 지침 : 지열순환 시스템 흐름율은 냉난방 분당 Kw당 0.36~0.54L/s 이다. 

 

** 사례

아래 사진은 물 기반 지열원 응용의 강바닥에 설치하기 위한 파이프라인의 준비모습입니다. 무려 길이가 13km정도에 달합니다.

 아래 사례는 알칸사스에서 진행중인 대규모 수평 지열우너 순환 시스템 설치사진입니다.

 아래 사진은 미시시피의 학교에 1m정도의 깊이의 트렌치에 설치되고 있는 지열원 순환시스템입니다.

 다음은 코넥티컷 Simsbury에 위치한 웨스터민스터학교의 Armour Academin Center의 지열원 열펌프 시스템을 위한 수직 우물구역 설치사진입니다.

 같은 곳의 수직무울 구역을 위한 배관들입니다.

 그 지하의 기계실입니다. 지열원 펌프 순환시스템에서 이어지는 공급배관이 당해 실(공간)으로 들어가게 됩니다.

 

 

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