지 열
▣ 정의
최근 우리나라에서는 고유가에 대비하고, 지구온난화 등 국제적인 환경문제에 능동적으로 대처하기 위한 방안의 일환으로 정부에서는 화석에너지의 대체자원 확보측면에서 적극적으로 신재생에너지 보급을 추진하고 있으며, 이와 관련하여 가장 높은 관심을 가지고 있는 에너지원중의 하나가 지열이다.
지열은 지구 중심인 멘틀 부위에서 핵분열로 발생하는 열과 태양의 복사열이 지구에 축적된 에너지로서 이때 지구는 거대한 축열매체의 역할을 한다. 보유개체를 기준으로 분류하면 토양열, 수열(지하수, 하천, 강, 해수,하수 등)로 구분할 수 있으며, 에너지가 저장된 깊이를 기준으로 분류하면 보통 지표면으로부터 150~200 m에 저장된 천부지열, 200 m 이하에 존재하는 심부지열로 구분하고 있다. 온도범위는 지역의 특성에 따라 커다란 차이가 있으나 천부지열은 대략 10~20℃, 심부지열은 대략 40~150℃의 범위에 있다.
심부지열의 경우 우리나라에서는 온천 외에는 에너지절약차원에서 냉난방열원으로 직접이용한 예가 거의 전무하다. 그러나, 천부지열의 경우 온도의 안정성, 부존량의 무한성과 지역적인 균일성 측면에서 열펌프의 열원으로 이용하는 냉난방시스템(이하 “지열원 열펌프”)의 갖가지 우수성이 알려지면서 건물의 냉난방용으로 이용하는 데에 대해서 많은 관심을 갖게 되었다.
지열원 열펌프가 냉방사이클(cooling cycle)로 작동하는 냉방기에는 실내에서 흡수한 열을 지중에 설치된 열교환기를 통해 지중으로 방출하며, 반대로 난방사이클(heating cycle)로 작동하는 난방기에는 지중 열교환기는 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급한다. 이러한 지열원 열펌프시스템의 장점은 일부에서 사용되고 있는 공기열원 열펌프(air source heat pump)보다 안정적인 온도를 유지하고, 온도조건이 유리하여 매우 높은 성능을 유지할 수 있다는 점이다. 즉, 운전에 필요한 소비동력이 적고, 구성기기가 비교적 단순하며, 수명이 길고 유지관리가 용이하여 높은 효율과 우수한 경제성을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 특히, 여름과 겨울이 확연하게 존재하는 우리나라와 같은 기후조건에서 활용성이 매우 높은 시스템이라고 할 수 있다.
지열원 열펌프의 우수성은 이미 1940년대부터 실용화를 추진한 미국 등 선진국에서 많은 연구결과를 통해 입증되었다. 미국의 환경보호청(Environment Protection Agency: EPA)에서는 현존하는 냉·난방 기술 중에서 장 에너지 효율적이고, 환경 친화적이며, 비용 효과가 높은 공기조화시스템으로 지열원 열펌프를 소개하고 있다. 실제로 이 시스템은 공기열원 열펌프에 비해 44%, 에어컨과 전열기를 이용하여 냉·난방을 하는 경우와 비교하면 72%까지 에너지 소비를 절감할 수 있다고 보고하고 있다. 현재 상용되고 있는 냉·난방 기기의 효율 중 지열원 열펌프의 성능이 가장 우수한 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 미국과 유럽에서는 과거 10년 동안 지열원 열펌프의 설치 대수가 매년 12%정도 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다. 현재 12kW 용량 기준으로 미국에서만 약 550,000대가 설치되어 운전 중이며, 매년 66,000여대가 새로 설치되고 있는 것으로 추산되고 있다.
▣ 특성
▣ 지열원 열펌프 시스템의 원리
- 냉방 사이클
지열원 열펌프가 냉방 사이클로 작동할 때 열펌프는 실내에서 열을 흡수하고 그 열을 지중 열교환기를 통해
방출한다. 고온,고압의 냉매는 과열증기 상태로 압축기를 나와 4방 밸브를 거쳐 응축기로 흡입된다. 응축기에서 고온의 증기 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 지중열교환기의 순환유체(물 또는 부동액)와 열교환을 한다. 이 과정에서 부동액의 온도는 상승하며 증기냉매는 기상에서 액상으로 상변화(응축)를 하게 된다.
온도가 상승한 부동액은 지중 열교환기 내를 순환하면서 열을 지중으로 방출한다.응축기로부터 토출된 고온의 냉매(액상)는 팽창밸브를 지나면서 저온·저압 상태가 된다. 저온·저압 상태의 액체 냉매는 증발기에서 실내공기와 열교환을 한다. 이 열교환 과정에서 액상 냉매는 증발기로 유입되는 실내 공기를 냉각하면서 증기로 상변화(증발)를 하게된다. 증발기를 나온 저온·저압의 액상 냉매는 4방 밸브를 지나 압축기로 들어가 압축 과정을 겪으면서 다시 고온·고압의 냉매(증기)가 된다.
한편, 전형적인 시스템에서 응축기 입구의 부동액 온도(Entering Water Temperature: EWT)는 약 15℃이며, 응축기 출구에서 부동액의 온도(Leaving Water Temperature: LWT)는 열펌프의 냉매로부터 열을 흡열하여 약 5~6℃ 정도 상승한다. 이렇게 온도가 상승한 부동액은 지중 열교환기 파이프 내를 순환하면서 약 12℃의 토양과 열교환을 하여 설정 EWT(약 15℃)로 된다.
지중 열교환기의 사양은 부동액의 응축기 입/출구 온도차 및 부동액의 유량, 토양의 열용량, 그리고 실내 냉·난방 부하 및 열펌프 성능 등을 고려하여 계산된다. 지열원 열펌프는 물-공기(Water-to-Air), 물-물(Water-to-Water) 방식이 있다.
- 난방 사이클
지열은 냉·방사이클과는 반대로 난방에너지원으로도 이용된다. 먼저 압축기로부터 토출된 고온·고압의 냉매증기는 4방 밸브를 거쳐 응축기로 유입된다. 응축기로부터 배출된 고온의 냉매(증기)는 실내의 순환공기
(물-공기방식) 또는 물(물-물방식)과 열교환이 이루어지면서 액상으로 상변화를 한다. 이때 실내를 순환하는 공기또는 물은 냉매가 갖고 있던 열에 의하여 승온되며, 승온된 공기 또는 물을 분배장치를 통하여 강제순환시켜 난방을 하거나 온수를 공급하게 된다.
응축기를 통과하면서 액상으로 상변화한 냉매는 팽창밸브를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 증발기로 유입된다. 증발기로 유입된 냉매액은 지중 열교환기를 순환하는 고온의 부동액에 의해 증발하고, 4방 밸브를 거쳐 압축기로 흡입된다.지중 열교환기를 순환하는 부동액은 증발기에서 냉매를 증발시키고 보통 5~6℃ 정도로 온도가 감소하는데 이때 부동액의 증발기 입구 온도는 대략 10℃이다. 이렇게 온도가낮아진 부동액은 지중열교환기 내를 순환하면서 토양과 열교환 되어 설정 EWT로 된다.
▣ 지열원 열펌프 시스템의 종류
지열원 열펌프(Ground Source Heat Pump: GSHP)는 열원(열침)의 종류에 따라 토양 이용 열펌프(Ground Coupled Heat Pump: GCHP), 지하수 이용 열펌프(Ground Water Heat Pump: GWHP), 지표수 이용 열펌프(Surface Water Heat Pump: SWHP) 및 복합 지열원 열펌프 (Hybrid Ground Source Heat Pump) 등으로 구분하고 있다. 다음은 상업용 및 가정용으로 사용되는 지열원 열펌프의 열원별이용 개념을 나타낸 것이다.
▣ 잠재력
▣ 국내의 지열에너지자원 잠재량
지열에너지자원의 부존량은 이를 활용코자 하는 방법, 즉 발전, 지역난방 또는 지열 열펌프를 이용한 냉난방에 따라 그 정의가 달라지는 관계로 전세계적으로 통일된 개념이 없으며, 따라서 우리나라에서도 현재로서는 이에 대한 정량적인 추정이 불가능하다.
단지 미국 및 아이슬랜드에서의 발전 및 지역난방에의 활용만을 고려하여 전세계 확인된 자원량에 대한 연구
결과가 발표된 바 있다.그러나 이는 지열이 높은 지대에서 고온의 지열을 활용하는 경우만을 고려하여 산정한
것으로 지열 열펌프를 활용할 경우, 이보다 훨씬 높은 부존량이 예상된다.
현재까지 이용가능한 자원량 추정은 거의 전무한 지열 활용 실적으로 인하여 우리나라에서 이용가능한 자원량의 합리적인 추정을 위한 자료가 전혀 없는 실정이다. 그러나 우리나라와 지열부존 상황이 유사한 실정에서 지역난방이나 열펌프 활용이 매우 활발한 스위스의 경우를 참조하여 동일한 면적당 활용량을 따라 잡을 경우를 가정하여 이용가능 자원량을 추정할 수 있다.
2002년도의 스위스 전체 지열에너지 활용량에 대하여 2005년까지 매년 10% 이상의 증가율을 보이는 것을 고려하여 2015년도에 이용가능한 지열에너지 자원량을 추정한 것이다. 2015년도에 910천toe의 이용이 가능한 것으로 추정되며, 여기에 우리나라에 풍부한 충적층 지하수의 열에너지의 활용을 추가한다면 2015년도에 연간 1백만toe의 이용이 가능한 것으로 추정된다.
