지열 열펌프 시스템은 분류 방식에 따라 개방형 시스템(open-loop
system) 과 밀폐형 시스템(closed-loop system)으로 분류된다. 개방형 시
스템은 지하수나 지표수를 직접 순환시키기 때문에 효율은 높지만, 지하수
나 토양 오염문제 등을 야기할 수 있다.
반면 밀폐형 시스템은 다양한 용
량으로 시공할 수 있지만, 초기 투자비와 효율 면에서 개방형 시스템보다
다소 떨어지는 단점이 있다.
지열 열펌프 시스템은 일반적으로 토양 열원 열펌프(Ground-Coupled
Heat Pump System), 지하수 열원 열펌프 (Ground water heat pump),
지표수 열원 열펌프(surface water heat pump) 그리고 하이브리드 지열 열
펌프(hybrid ground source heat pump) 시스템 등으로 구분된다.
현재 국
내외에서 주를 이루고 있는 시스템이 토양 열원 시스템과 지하수 열원 시
스템이다.
(1) 토양 열원 열펌프 시스템(Ground-Coupled Heat Pump System)
토양 열원 열펌프 시스템은 그림2-4에서 보는 바와 같이 지중열교환기
의 매설 형태에 따라 수직형과 수평형 시스템으로 분류된다. 수직형 지중
열교환기는 지중(토양)에 수직으로 매설되며 시공부지의 제약이 상대적으
로 적다.
또한 건물 냉방부하와 부지조건에 따라 다양한 깊이로 시공할 수 있다.
일반적인 수직형 지중열교환기 그림2-4의 (a)는 직경 100∼150mm, 깊이
75∼180m의 보어홀 사이의 빈 공간을 그라우팅 재료로 채워 완성된다
(Kavanaugh and Rafferty, 1997). 그림2-4의 (b)는 수평형 지중열교환기
를 채택한 지열 열펌프 시스템으로 시공비용은 수직형에 비해 상대적으로그림 2-4 상업용 또는 중대형 건물에 적용된 토양 열원 열펌프 시스템 대상 건물 주변에 수평형 지중열교환기 파이프를 매설할 수 있는 부지가 충분한 경우에 고려할 수 있는 시스템이다. 수평형 시스템의 지중 열교환기 파이프는 지면에서 1.5∼3m 깊이로 굴착된 골(Trench)에 매설된다. 이때 지중 온도와 지중 열 물 성치 등은 계절이나 연간 강우량 등에
의해 영향을 받기 때문에 시스템 효율은 수직형 시스템보다 다소 낮다.
(2) 지하수 열원 열펌프 시스템(Ground Water Heat Pump System) 그림2-5는 지하수 열원 열펌프 시스템을 개략적으로 보여주고 있다. 이 시스템은 양질의 지하수가 풍부할 때, 이를 열원이나 히트싱크로 활용하는 시스템이다. 개방형 시스템은 전체 지열 시스템 중에서 효율이 높지만, 지하수에 포함된 오염물질은 배관이나 열교환기에 파울링(fouling) 또는 스케일링(scaling)을 야기할 수 있다. 이때 스케일은 주기적인 세정에 의해 줄일 수 있으나, 세척제에 함유된 산(acid) 성분으로 인한 금속 부식작용은 열교환기의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 지하수 수질이 우수한 것으로 판명되었을 경우에만 이 시스템을 적용해야 한다. 아울러 시스템설계가 적절하지 못하거나 지하 대수층 깊이가 깊을 경우, 지하수 순환펌프의 소비동력이 증가하여 시스템의 효율은 감소하게 된다.
(3) 지표수 열원 열펌프 시스템(Surface Water Heat Pump System) 그림2-6은 소형 건물에 적용된 지표수 열원 열펌프 시스템을 보여주고 있다. 지표수 열원 열펌프 시스템은 자연 연못, 호수, 원수 등을 냉열원과 온열원으로 활용한다.
일반적으로 밀폐형 지표수 시스템은 나선(spiral) 형상의 지중 열교환기를 사용한다. 이때 물속의 지중열교환기 파이프가 부력에 의해 뜰 수 있기 때문에 설치에 주의를 기울여야 한다. 연못이나 호수의 크기가 작을 경우, 외기온도 변화에 영향을 받아 시스템 효율이 감소할 수도 있다.
(4) 하이브리드 지열 시스템(Hybrid Geothermal heat Pump System) 토양 열원 열펌프 시스템은 지중열교환기 설치를 위한 부지와 설치비용면에서 제약을 받으며, 건물이 커질수록 지중열교환기 설치비용은 더욱 상승하게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 제안된 방식이 하이브리드 지열 시스템이다. 이 시스템은 보조 냉열원(냉각탑 등)이나 보조 온열원(보일러, 태양열 집열판 등)을 병행함으로써 지중열교환기 개수나, 길이 등을 줄일 수 있다.
그림2-7과 그림2-8은 보조 열원을 병용하는 하이브리드 시스템의 개략도를 보여 주고 있다. 상용 난방설비에 사용되는 보일러나 태양열 집열판등을 보조 열원으로 사용할 수 있다. 냉방 시에는 냉각탑(cooling tower)과 판형 열교환기를 수직형 토양 열원 열펌프 시스템에 연결하여 사용할수 있다. 설정된 수준의 부하는 지중열교환기를 이용하고, 설정 수준을 넘어서는 부하에 대해서는 냉각탑이나 보조 열원을 동시에 가동하게 된다.
Tags:
일상생활