지열히트펌프시스템의 사용기간이 시스템 순환수 온도에 미치는 영향

전 세계적으로 화석연료의 고갈과 지구온난화에 따른 이상 기온으로 지구환경에 대한 관심이 대두되고 있다. 이에 세계는 화석에너지를 대체할 신 재생에너지의 개발 및 보급에 집중하고 있으며 우리나라도 국제정세에 맞춰가고 있다. 

우리나라에서 [신에너지 및 재생 에너지 개발 이용 보급 촉진법] 제 2조에 언급된 신 재생에너지의 정의는 다음과 같다. 신재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛 물 지열 강수 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지를 말한다. 

예를 들어 태양열, 태양광, 바이오에너지, 풍력에너지, 수력에너지, 해양에너지, 폐기물 에너지, 지열 에너지 등을 들 수 있다.

지열 에너지(Geothermal Energy)를 활용하는 여러 분야 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술은 지열 히트펌프(Ground-Source Heat Pump)시스템(이하“지열 시스템”)이라 할 수 있다. 지열 히트펌프시스템은 지중 항온성을 활용하기 때문에 성능이 우수한 것으로 알려져 있다. 아울러 화석연료를 사용하는 냉난방 설비와 달리 이산화탄소를 더 적게 배출한다. 지열 히트펌프 시스템은 에너지를 적게 쓰고 환경 친화적이기 때문에 전 세계적으로 보급량이 지속적으로 늘고 있다. 2014년 말 기준 전 세계 지열 히트펌프 설치 용량은 50,258 MWh로, 2010년(33,134 MWh) 대비 51.7% 증가했다. 지열에너지 생산량은 2010년 55,597 GWh/yr에서 2014년 90,791 GWh/yr 로 63.3% 증가하였다. 한편 국내에서는 공공 부문에서만 2015년까지 약 852 MW/h를 보급한것으로 집계되었다.

지열 시스템은 연중 거의 일정한 온도를 보이는 땅(Ground)을 열원(Heat Source)또는 히트싱크(Heat Sink)로 활용하기 때문에, 기존 설비에 비해 냉난방 에너지를 크게 줄일 수 있는 친환경 시스템이다. 지역에 따라 다소 차이는 있지만, 전 세계적으로 수직 밀폐형 지중 열교환기(Vertical Closed-Loop Type Ground Heat Exchanger)를 주로 적용하고 있다. 하지만,

수직 밀폐형 히트펌프시스템에서 지중열교환기 수명을 규정한 자료는 찾아보기 힘든 실정이다. 지중열교환기는 사용 재질에 따라 달라질 수 있으나, 현재 사용하고 있는 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE) 사용 시 그 수명이 50년 이상 또는 거의 영구적으로 파악되고 있다. 그러나 사용연수에 따라 지중 열원의 조건이 설계 조건을 만족하지 못하는 상황이 발생 한다. 따라서

본 논문 저자는 수직 밀폐형 지중열교환기 히트펌프 시스템 중 물 대 물 방식의 운전 시 발생하는 지중 순환수의 온도변화를 분석하고 그 개선사항을 도출해 보고자 한다.

실험방법으로는 동절기 난방운전에 따른 순환수 온도변화, 하절기 냉방 시순환수 온도 변화, 연간, 총 실험 기간 운전에 따른 순환수 온도변화, 총 실험 기간 시간 경과에 따른 출구수온의 변화와 동·하절기 및 연간, 실험기간 외기온도에 따른 순환수 온도 변화, 외기온도 변화에 따른 순환 유량 변화등을 측정 및 예측하였다. 그 결과 지중 순환수온도(EWT)값은 최초 13.93℃, 1년 후 13.57℃, 5년 후 11.99℃, 10년 후 10.01℃로 낮아질 것으로 예측 되어졌고, 순환수온도 변화로 인한 냉난방 효율의 영향을 예측하였다.

본 연구결과를 바탕으로 추후 지열히트펌프 시스템 설계 시 냉방부하 또는 난방부하의 사용량의 차이에 따라 지중 축열에 의한 지중 순환수 온도변화를 면밀히 검토하여 적절한 설계가 이루어지도록 하여야 한다는 것을 확인하였다. 또한 과대한 설계로 인한 초기투자비 과다투입 및 지열열펌프운전에 따른 시스템 효율 저하 방지에 적용이 가능할 것으로 사료된다.