경제성이 뛰어난 지열을 이용한 지열냉난방 시스템

경제성이 뛰어난 지열을 이용한 지열냉난방 시스템

2009년 5월 1일부터 지열 냉난방시스템에 대한 누진세가폐지 되었다.

이에 따라 지열냉난방설비(3RT)를 설치한 100㎡ 단독주택의 경우 겨울철 월평균 난방비는 종전의 월평균 31만원에서 6만원으로, 여름철 월평균 냉방비는10만원에서 5만원으로 부담이 크게 줄 것으로 보인다.

지열 냉난방시스템이란?

열역학 제2법칙에 의해 열은 높은 곳에서낮은 곳으로 이동하는데 이를 가역적으로 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올리도록 고안된 기계장치를 히트펌프라고 하는데 급수펌프가 물을 낮은 곳에서높은 곳으로 끌어 올리는 것처럼 열을 저온에서 고온로 끌어 올린다 하여 히트펌프라고 부릅니다.

히트펌프는 폐쇄회로 내에서 냉매를 압축, 응축, 증발시킨다는 점에서 일반 냉동기나 에어컨, 냉장고와 동일한 작동메카니즘을 갖는데 다만 이들 기기가 냉매의 증발과정에서 발생하는 냉열만을 이용하는데 비해 히트펌프는 냉열뿐만 아니라 응축과정에서의 온열도 이용한다는점만 다릅니다.

기존의 히트펌프 냉난방기(EHP)는 증발과정에서외부공기로 부터 열을 흡수하거나 외부로 배출하여 냉열 또는 온열을 생산하는 방식인데 난방중에는 외기의 온도가 낮고 반대로 냉방중에는 외기온도가너무 높아 열의 흡수와 배출에 많은 에너지가 소비되었으나 지열히트펌프는 외기온도에 의한 영향을 받지 않는 지중의 열을 이용하므로 공기열원식 히트펌프보다 2배 이상의 높은 열효율(COP, EER)을 나타냅니다

 

난방 싸이클

압축기(Compressor)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매가 슈퍼가스(Supergas)의 형태가 되어온수생성기(Desuperheater)에서 온수를 생산한 후 전환밸브를 통해 응축기(Condenser)로 전달되며 응축기에 부착된 열교환기에서 실내공기 또는 난방순환수와 열교환되어 이 열이 난방에이용됩니다.

열교환에 의해 열을 빼앗긴 냉매는 액체상태가 되어 증발기(Evaporator)에 도달되면 증발기에 부착된 열교환기에서 지중으로부터 올라온 지열에 의해 기화된 후 압축기로보내져 다시 고온, 고압의 가스가 되는 사이클을 반복합니다.

실외의 공기를 이용하는 기존의 멀티에어콘이나 시스템에어콘은 난방사이클 중 증발기가영하의외부 공기로부터 열을 흡수하여야 하므로 많은 에너지가 소요되며(COP 1 이내) 혹한기 중에는 별도의 보조열원을 부착해야만 난방공급이 가능한데 비해 지열시스템은 혹한기에도 13-16℃ 이상의 지중열이 공급되므로 3배에 가까운 에너지효율(COP 3.5 이상)을 나타냅니다.

 

냉방싸이클

 

냉방사이클은 난방사이클의 반대로 작동되는데 압축기에서 발생된 고온, 고압의 슈퍼가스는 1차로 온수생성기에 열을 빼앗긴 후 전환밸브를경유하여 응축기로 전달되는데 이때 응축기에 부착된 열교환기에서 지중으로 올라온 지열에 2차적으로 열을빼앗긴 후 팽창밸브를 통과하며 저온(보통7℃ 이내), 저압으로 냉각된 후 증발기에서 더운 실내공기 또는 냉방순환수와 열교환되는데 이 냉열이 냉방에 이용됩니다.

증발기에서 실내공기 또는 냉방순환수에 열을 빼앗기고 다시 반 기체 상태로 변한 냉매는압축기를 통해 고온,고압가스로 압축되는 사이클을 반복합니다.

기존의 멀티에어콘이나 시스템에어콘은 냉방사이클 중 응축기에서 고온의 열을 더운 외기중으로배출하여야 하므로 많은 에너지가 사용되어 에너지효율이 낮은데(EER 5-6 이내) 비해 3-16℃ 수준의 저온인 지중으로 전달하는 지열시스템(EER 13.5 이상)은 에너지효율이 높고 냉방능력이 증대됩니다.

 

시스템 계통도

지중의 온도는 연중 일정하게 유지되는데(지하 2m의 지중온도는 보통 그 지역의 년간 평균기온 수준) 지오소스시스템은지중에 매설된 폐쇄형의 지열루프를 통해 지중의 열을 히트펌프로 전달하거나(난방중) 실내의 열을 지중으로 배출(냉방중)하는데대기중의 열을 이용하는 기존의 히트펌프(시스템에어콘 또는 멀티에어콘)에비해 2배 이상의 높은 에너지효율을 나타냅니다.

또한 적용방법도 바닥난방(온돌방식)뿐만 아니라, 팬코일을 이용한 수순환식 냉난방, 덕트를 이용한 공기순환식 냉난방 등으로 다양하고 냉난방과 동시에 급탕공급이 가능하며, 온수를 다량으로 사용하는 곳을 위해 온수전용시스템도 개발되어 있습니다.

 

지열루프 종류

수직형(Vertical Circuit)

U자형의 지열루프를 지하 50-150m 깊이로 매설하는 방식인데 냉난방부하가 크고 지열루프설치공간이 제한된 곳에 적합합니다. 보통 1RT당 100-120m의 지열파이프가 매설됩니다.

지열루프는 주차장, 조경지, 보도 밑에 설치되므로 토지의 이용에 제한을 주지 않습니다.

 

수평형(Horizontal Circuit)

이 방식은 넓은 면적의 여유 대지가 확보된 곳에 적합합니다. 1자형 또는 두루말이형(Slinky)의 지열루프 파이프를 지하 1.8-2.4m 깊이로 매설하는데 보통 1RT 당 150-180m의 지열파이프가 매설됩니다.

 

 

시공 공정

경제성 비교

 

 1) 연간 운전비 비교 (100평 냉난방 및 급탕 기준)

구   분		흡수식냉온수기 가스보일러 (급탕)	가스보일러패키지 에어컨	지열 냉난방시스템	비   고
난방 요구열량		42,000 kcal/h ( 48.8 kW )
사용량 (시간당)		4.5 Nm 3	4.5 Nm 3	13.9kW
연료비	일일	15,789	15,789	7,505	10h 기준(90% 이용율)
	년간	2,842,020	2,842,020	1,350,900	180일 기준
냉방 요구열량		45,000 kcal/h ( 52.3 kW )
사용량 (시간당)		4.76 Nm 3	26.2kW	11.6kW
연료비	일일	9,271	19,891	8,807	10h 기준(90% 이용율)
	년간	556,260	1,193,460	528,420	60일 기준
급탕 요구열량		10,000 kcal/h ( 11.6 kW )
사용량 (시간당)		1.06 Nm 3	1.06 Nm 3	3.3kW
연료비	일일	3,290	3,290	하절기 :- 중간기 :1,600 동절기 :1,500	10h 기준(70% 이용율)
	년간	1,184,400	1,184,400	468,000	360일 기준(지열300일)
총비용		4,582,680	5,219,880	2,347,320
		195%	222%	100% 기준

산출 근거

구   분		흡수식냉온수기 가스보일러	패키지에어컨	지열 냉난방시스템	비 고
용 도		냉난방 , 온수	냉방	냉난방 , 온수
사용연료		가스 (LNG)	일반용 (저압)전기	일반용 (저압)전기
연료비	하절기	243.34원/Nm 3	94.9원/kW
	중간기	444.04원/Nm 3	63.2원/kW
	동절기	444.04원/Nm 3	62.7원/kW
발열량		10,500 kcal/ Nm 3	860 kcal/kW
효   율 (%)		90	200	350(난방,온수),450(냉방)
내구성		7년	10년	25년

2) 지열시스템 /시스템에어컨/가스히트펌프(GHP) 비교표

구   분		시스템에어컨	GHP	지열시스템	비   고
난방 요구열량		42,000 kcal/h ( 48.8 kW )
난방효율 (COP)		1.0	1.1	3.5
사용량 (시간당)		48.8 kW	44.4 kW	13.9kW
연료비	일일	26,235	23,869	7,505	10h 기준(90% 이용율)
	년간	4,722,278	4,296,420	1,350,900	180일 기준
냉방 요구열량		45,000 kcal/h ( 52.3 kW )
냉방효율 (COP)		1.5	1.2	4.5
사용량 (시간당)		52.3 kW	47.5 kW	11.6kW
연료비	일일	39,706	36,062	8,807	10h 기준(90% 이용율)
	년간	2,382,360	2,163,720	528,420	60일 기준
총    비   용		7,104,638	6,460,140	2,347,320
		303%	275%	100% 기준

지열시스템 특징

지열시스템	시스템 에어컨	가스히트펌프 (GHP)
- 높은 에너지효율 - 냉, 난방 및 급탕지원 - 수순환식, 공기순환식 또는 겸용식 등 냉난방방식 선택이 자유로움 - 청정 지열에너지 사용	- 냉난방 지원하나 바닥난방 불가능 - 난방기중 난방용량 부족 (보조난방 기 필요) - 급탕용 별도 보일러 필요 - 난방시는 대기중의 열을 흡수해야 하고 냉방기에는 대기중으로 열을 배출해야 하므로 에너지효율이 낮음 -실외기를 건물외부에 설치하므로 건물외관 손상 - 대기온도에 따른 효율 저하 및 운전상 문제점 발생	- 가스(LNG)배관 필요 - 낮은 에너지효율 - 엔진오일 교환등 지속적인 관리 필요 - 가스엔진 작동에 따른 배기가스 증가 - 실외기 설치공간 필요 - 실내환경 쾌적성 감소

 출처:http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0DWjW&articleno=11155379#ajax_history_home

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