KR20160049067A - 하이브리드 지열 시스템 - Google Patents

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KR20160049067A
KR20160049067A KR1020140143244A KR20140143244A KR20160049067A KR 20160049067 A KR20160049067 A KR 20160049067A KR 1020140143244 A KR1020140143244 A KR 1020140143244A KR 20140143244 A KR20140143244 A KR 20140143244A KR 20160049067 A KR20160049067 A KR 20160049067A
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김형석
김형진
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주식회사 세종이엔텍
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Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템은, 냉·난방을 목적으로 한 지열 시스템에 온도를 감지할 수 있는 온도 센서부, 순환수의 온도를 조절할 수 있는 온도조절부 및 냉·난방 온도차이를 감지하여 상기 온도조절부의 냉·난방 운전을 제어할 수 있는 제어부를 별도로 설치하여 보어홀 온도 불균형을 방지하고 실내 적정 온도를 유지할 수 있어, 장기간 사용으로도 COP(coefficient of performance) 다운 현상을 최소로 하여 지열 시스템의 열효율을 극대화할 수 있으며, 설치될 지역의 입지 조건을 탐색하여 정격 용량의 하이브리드 지열 시스템을 설계한 후 설치하기 때문에 초기 설치비 및 투자비를 낮출 수 있어 경제적이다.

Description

하이브리드 지열 시스템{Method for Hybrid geothermal heating and cooling system}
본 발명은 하이브리드 지열 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 냉난방을 위해서 사용되는 에너지원은 주로 석탄, 석유 또는 천연가스 등과 같은 화석 연료가 대부분이다. 그러나, 이러한 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해 물질로 인하여 환경 오염을 유발하고 있으며, 매장량도 한계가 있다.
이에, 최근에는 높은 에너지 효율 및 저탄소 정책으로의 일환에 따라 화석 연료를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체 에너지 중에서도 풍력, 태양열 및 지열 등과 같은 자연 에너지에 관한 연구가 오래전부터 진행되고 있다. 그러나, 이들 자연 에너지는 환경 오염과 기후 변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연 에너지 기술 개발의 관건이라고 할 수 있다.
또한, 상기한 자연 에너지를 이용한 기술들 중에서 현재 지열을 열원으로 사용하여 냉난방을 행하는 지열 시스템에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 지열 시스템의 원리는 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기 온도는 -20 내지 40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 땅속의 흙이나 암반은 열전도도가 낮아 열이 쉽게 확산되지 않아 저장되는 성질이 있기 때문에 지중 온도가 내지 20℃로 거의 일정하게 유지되는 것을 이용한 것이다.
따라서, 상기한 바와 같은 특성을 이용하여 지열 시스템은, 지중열교환기 및 열펌프 유닛을 포함하도록 구성하여, 지중열교환기에서 지중 열원을 흡수 또는 방출하며 열펌프 유닛과 연계된 건물에 대해서 냉방 및 난방을 수행할 수 있다. 이때, 지열 시스템은 냉방 시에는 건물 내의 열을 지중으로 방출하고, 난방 시에는 지중의 열을 흡수하여 건물 내로 공급함으로써 냉방 및 난방 운전을 수행할 수 있는 공기조화기기이다.
보다 상세히 설명하면, 지열 시스템은 온도가 10℃ 내지 20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 냉난방 열원으로 사용한다. 따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기 열원의 온도는 30℃ 이상으로 냉방을 통해 열을 배출하므로 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10℃ 내지 20℃를 유지하여 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낼 수 있다.
반대로, 겨울철에 난방을 하는 경우 공기 열원은 최하 -20 ℃의 온도로 냉각되어 난방을 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지중열원은 10 ℃ 내지 20 ℃로 온도를 유지하여 안정적으로 난방열을 공급할 수 있다.
따라서, 이와 같은 지열 시스템은 모든 냉난방 기술 중에서 에너지 효율이 가장 높은 것으로 알려져 있고, 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있으며, 최근에는, 특히 아파트와 같은 공동 주택의 공조용 냉온수 공급을 위해 많이 적용되고 있다.
여기서 상기한 바와 같은 지열 시스템에 관한 종래 기술의 예로는, 예를 들면 한국등록특허공보 제10-0931705호에서는 '지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템'에 관한 기술 내용이 개시되어 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국등록특허공보 제10-0931705호에서는, 집단거주시설의 세대별로 마련되며 각 세대의 실내온도를 조절하기 위해 각 세대에 각각 배치되는 복수 개의 에어 핸들링 유닛을 설치하여, 집단거주시설의 냉난방시스템의 효율을 실질적으로 향상시킬 수 있는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템에 관한 기술 내용을 개시하고 있다.
상기한 바와 같이 종래 하이브리드 지열 시스템에 대한 기술 내용이 제시된바 있으나, 상기 종래 문헌들에 개시된 지열 시스템은 일부 시설에서 지열의 온도 및 실내 온도와의 차이에 의해 지열 시스템을 구성하는 히트펌프 및 지중열교환기 등의 성능저하로 인해 발생하는 COP(coefficient of performance) 저하 현상 및 장비 다운 현상이 발생하는 문제점이 있다.
이러한 장비다운 현상이 발생하는 이유는 난방이 냉방에 비하여 많은 비중을 차지하는 시설에서는 지중축냉 현상이 발생하여 시추공에서 보어홀(borehole) 온도 불균형이 초래되고 시간이 지날수록 주중 온도가 낮아져 지열 시스템의 가동 중단 현상이 발생되기 때문이다.
이는, 지열 시스템의 설계가 설치되는 시설의 입지 조건, 시설의 주변환경의 지열조건 및 설치되는 지열 시스템의 성능을 고려하지 않은 냉·난방기준으로 설계했기 때문에 발생하는 것이다.
특허문헌 1 : 한국등록특허 제10-0931705호 (공개일 : 2009.12.04) 특허문헌 2 : 한국공개특허 제10-2005-0069734호 (공개일 : 2005.07.05) 특허문헌 3 : 한국공개특허 제10-2013-0096826호 (공개일 : 2013.09.02)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 지열 시스템 운전시 실내 및 순환수의 온도를 온도 센서가 감지하여, 미리 설정된 온도보다 순환수의 온도가 높거나 낮아지면, 이러한 온도차이를 조절해줄 수 있는 온도조절부와 이를 제어할 수 있는 제어부를 별도로 설치 구성하여 장기간 사용으로도 지열 시스템을 구성하는 장비의 성능저하로 인한 COP(coefficient of performance) 다운 현상을 최소한으로 줄일 수 있으며, 지열 시스템이 공급하는 냉난방 열효율을 최대화할 수 있는 하이브리드 지열 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 냉·난방을 하기 위한 하이브리드 지열 시스템에 있어서, 순환수를 공급받아 실내측 공급배관과 열교환이 이루어지는 히트펌프, 지중으로 천공되는 시추공 내부로 배관되어 이송되는 순환수를 지열과 열교환시키는 지중열교환관을 포함하는 지중열교환기, 상기 지중열교환기의 일측면 및 실내에 설치되어 실내 온도 및 상기 순환수의 온도를 감지할 수 있는 복수 개의 온도 센서를 포함하여 이루어지는 온도 센서부, 상기 지중열교환기 및 상기 히트펌프 사이에 별도로 설치되어, 냉방 또는 난방을 실행하여 상기 순환수의 온도를 낮추거나 높일 수 있는 온도조절부 및 상기 온도조절부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 히트펌프로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮아지면 상기 온도조절부에 의해 난방이 수행되어 상기 순환수의 온도를 높이도록 제어하고, 상기 히트펌프로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높아지면 상기 온도조절부에 의해 냉방이 수행되어 상기 순환수의 온도를 낮추도록 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도조절부는, 보일러를 포함하는 난방기 및 쿨러를 포함하는 냉방기로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도조절부는, 상기 순환수의 온도가 상기 제어부에 미리 설정된 온도보다 높거나 낮아지는 온도차이의 10 내지 20%에 해당하는 온도차이를 높이거나 낮추도록 상기 제어부가 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 지중열교환기의 작동을 중지시키고 상기 온도조절부만으로 냉방 또는 난방을 공급하도록 제어함으로써, 상기 지중열교환기의 운전시간을 줄일 수 있도록 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 내부에 자동운전기록장치를 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 순환수의 온도, 상기 히트펌프의 운전시간 및 상기 히트펌프가 공급한 냉난방 용량을 포함하는 운전상태를 기록하며, 상기 자동운전기록장치는 히트펌프의 에러 발생시 상기 히트펌프의 운전기록을 확인할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템은, 온도를 감지할 수 있는 온도 센서를 포함하며, 순환수의 온도를 조절할 수 있는 온도조절부 및 냉난방 온도차이가 감지되면 상기 온도조절부의 냉난방 운전을 제어할 수 있는 제어부를 별도로 설치하여 지열 시스템 장비의 성능저하, 지열 시스템의 가동중단을 예방하고 실내 적정 온도를 유지할 수 있어, 장기간 사용으로도 지열 시스템의 열효율을 극대화할 수 있다.
또한, 제어부에 자동운전기록장치를 내장하여, 순환수의 온도, 히트펌프의 운전시간 및 히트펌프가 공급한 냉난방 용량을 포함하는 운전상태를 지속적으로 기록하여 히트펌프 에러 발생시 상기 히트펌프의 운전기록을 확인할 수 있도록 구성하여 지열 시스템의 가동 중단 및 다운 현상 발생시 효율적으로 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 설치될 히트펌프의 연간 부하 적용값을 나타낸 표이다.
도 3은 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역의 연간 최대 냉난방 부하량을 나타낸 표이다.
도 4는 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역의 토양지열정보를 나타내는 이미지이다.
도 5의 (a) 본 비교예의 지열 시스템 및 (b) 본 실시예의 하이브리드 지열 시스템의 경제성 분석 결과를 보여주는 이미지이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니며 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템(100)을 도시한 구성도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템(100)은 히트펌프(110), 지중열교환기(130), 복수 개의 온도 센서(181)를 포함하는 온도조절부(180) 및 제어부(190)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템(100)을 보다 상세히 설명하면, 상기 히트펌프(110)는 냉방시에는 히트싱크(heat sink)로, 난방시에는 히트소스(heat source)의 역할을 하여 건물의 냉ㆍ난방을 동시에 수행 가능하도록 하는 복합형 장치로서, 순환수를 공급받아 실내측 공급배관(111)과 열교환이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 히트펌프(110)는 지중열교환기(130)의 지열공급순환관(133)과 연결되어 열교환된 순환수와 실내측 공급배관(111)의 물 또는 냉매와 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 열교환면적을 증가시키는 통상구조를 가지며, 지그재그배관 형태 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템의 설치를 위해서는 설치될 지역의 지열정보, 설치될 시설의 용도, 면적, 층구조, 방위, 창호구성 및 단열정도 등의 입지조건을 고려하여 설치될 시설의 연간 부하 적용 값 및 연간 최대 냉난방 부하량을 산출한 후 이를 고려하여 하이브리드 지열 시스템을 설치하는 것이 바람직하다. 참고로, 연간 부하 적용값은 설치될 시설의 연평균 온도에서 히트펌프를 이용해 냉·난방 하는 경우에 필요한 전력량 또는 열량을 의미하는 것으로 연평균 에너지 소비량을 나타낸 것이고, 연간 최대 냉난방 부하량은, 1년 동안 단위 시간 동안 전달되는 전기적 동력의 최대 필요 소비 전력량을 뜻하는 것이다. 이때, 히트펌프의 냉·난방공급 용량, 소모전력 및 히트펌프 설치 수량을 고려한 후 설치하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 지중열교환기(130)는 지중으로 천공되는 복수 개의 시추공(120) 내부로 배관되어 시추공(120) 내부에서 열교환이 이루어지도록 구성되며, 지중에 설치되어 지열과 지중열교환기(130) 내부의 순환수 사이에 열교환이 이루어지도록 하여 냉방시에는 열을 지중으로 방출하고, 난방시에는 지중의 열을 흡수하도록 구성할 수 있다. 아울러 지중열교환기 내의 순환 유체인 상기 순환수는 부동액을 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 시추공(120)은 지중으로 천공되는 복수 개의 시추공(120)으로 이루어져 있으며, 지중에 수직방향으로 지표면으로부터 100 내지 200m의 시추깊이로 천공하여 형성시킬 수 있다. 그리고, 상기한 시추공(120)은 상기 하이브리드 지열 시스템(100)의 설치 전에, 산출된 설치될 시설의 연간 부하 적용값 및 연간 최대 냉난방 부하량에 적합하도록, 시추깊이, 시추공(120)의 갯수, 시추공(120)의 형태, 시추공(120)간 이격거리 및 시추공(120)의 열저항 등을 고려하여 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 지열공급순환관(133)은 지중열교환기(130)의 지열공급헤더(150)에 의해 지중열교환관(131)과 연통되도록 연결되어 지중열교환기(130)에서 열교환된 순환수를 히트펌프(110)로 이송시킨다. 상기 지열공급순환관(133)의 라인상에는 순환펌프(160)를 설치하여 지열 시스템(100) 내부 배관에서의 순환수 유동이 이루어지도록 한다. 상기 순환펌프(160)도 하나의 큰 용량의 순환펌프(160)를 설치하여 순환수의 유동이 이루어지도록 하거나, 복수 개의 소용량의 순환펌프(160)를 병렬 연결하여 필요 용량에 따라 가동되는 순환펌프(160) 수를 조절하도록 구성할 수 있다.
또한, 지중유입순환관(135)을 포함하는 지열환수헤더(140)와 배관연결되어 히트펌프(110)에서 실내측 공급배관(111)과 열교환이 이루어진 순환수를 공급받아 지중열교환기(130)로 이송할 수 있다.
아울러, 상기한 지중열교환관(131)을 통과한 순환수는, 지중열교환관(131)을 지상배관(141)과 연결시켜 순환수 배출이 이루어지게 하는 지열환수헤더(140)를 통해 지상배관(141)으로 배출되도록 구성할 수 있다. 또한, 지열공급순환관(133)의 라인상에는 순환펌프(160)를 설치하여 지열 시스템(100) 내부 배관에서의 순환수 유동이 이루어지도록 구성할 수 있다.
한편, 상기 지중열교환기(130)는 시추공(120)을 일정 구역별로 분리된 복수 개의 시추공블록(121)으로 분류하고, 상기 지중열교환관(131)도 복수 개로 분기하여 하나의 시추공블록(121)에 하나의 지중열교환관(131)이 연결되도록 하거나, 시추공블록(121)을 분리하지 않고 하나의 지중열교환관(131)이 복수 개 시추공(120)에 모두 연결되도록 구성할 수 있다.
일례로, 지상배관(141)과 지중열교환관(131)이 1대1 대응되므로 지열공급헤더(150) 및 지열환수헤더(140)의 구조도 단순하게 구성할 수 있으며 배관도 단순하게 연결하는 장점이 있으나, 하나의 지중열교환관(131)을 통해 복수 개의 시추공(120)에 순환수 공급이 이루어지므로 공급시작과 끝부분의 시추공(120)에 공급되는 순환수 공급시간 차가 발생되고, 시추공(120)을 분산 형성시 지중열교환관(131)의 배관라인이 길어져 열손실률이 높아지며, 소량의 지열만 필요할 때에도 지중열교환기(130) 전체를 사용해야 하는 등 사용 용량을 조절할 수 없는 단점이 있다.
반면에, 지열공급헤더(150) 및 지열환수헤더(140)에서 하나의 지중유입순환관(135)으로 공급받은 순환수를 다수의 지중열교환관(131)으로 분기공급하고 분기된 지중열교환관(131)을 하나로 합관시켜 지열공급순환관(133)으로 공급되도록 설치 구성할 수 있으며, 이와 같이 구성하면 각 시추공블록(121)의 위치를 다양한 방향으로 분산 배치하고, 분산배치된 각 시추공블록(121)에 동시에 순환수를 공급하여 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 분기된 각 지중열교환관(131)에는 단속밸브(132)를 장착하여 필요한 지열용량에 따라 다수의 시추공블록(121) 중 일부를 폐구하여 과도한 열교환을 방지 또는 순환수 이송에 소요되는 에너지소모량을 줄일 수 있다.
그리고, 상기 히트펌프(110)에서 열교환된 순환수를 지중열교환기(130)로 유입시키는 지중유입순환관(135) 및 지열공급순환관(133)과 배관연결되어 배관압력을 완충시키는 팽창탱크(170)를 설치하여 지열 시스템(100)의 배관 내부 온도가 높아지면 순환수 체적이 증가로 배관 내압이 증가되어 배관의 연결부에 큰 하중이 전달되고, 이러한 하중에 의해 배관이 파손되거나 취약부분을 통해 누수되는 문제점이 발생될 수 있으므로 팽창탱크(170)에서 증가되는 압력을 흡수하여 배관 내의 압력이 증가되는 것을 방지하도록 구성할 수 있다.
한편, 상기 지열 시스템(100)을 통해서 냉난방을 실행할 때에는, 동절기 또는 하절기에 적정 냉난방을 위해 공급되는 순환수의 온도가 낮아지거나 높아져 시간이 지날수록 충분한 지열을 공급받지 못하는 지중축냉 현상 또는 지중축열 현상으로 온도차가 발생하여 냉난방 부하의 불균형에 따른 지중온도 변화로 냉난방 COP(coefficient of performance)가 저하되는 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 현상이 지속될 경우 지열 시스템(100) 전반의 COP 저하 및 히트펌프(110)를 포함하는 지열 시스템(100)의 구성장비의 다운현상이 빈번해지게 되며, 지열 시스템의 효율 및 내구력이 떨어지게 되는 결과를 야기할 수 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템(100)은 상기한 바와 같은 지열 시스템(100)에, 상기 지중열교환기(130)의 일측면 및 실내 온도를 감지할 수 있는 복수 개의 온도 센서를 포함하는 온도센서부(181), 상기 순환수의 온도를 낮추거나 높일 수 있는 온도조절부(180) 및 상기 온도조절부(180)를 제어하기 위한 제어부(190)를 별도로 포함하도록 구성하여, 장시간 사용으로도 COP 다운 현상을 최소화하고, 지열 시스템(100)의 열효율을 극대화시킬 수 있다.
그리고, 상기 온도 센서부(181)는, 상기 지중열교환기(130)의 일측면 및 실내에 장착되어 실내 온도 및 상기 순환수의 온도를 감지할 수 있도록 구성할 수 있으며, 실내 온도와 순환수의 온도를 감지할 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 히트펌프(110)로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮아지는 것을 온도 센서부(181)가 감지하면 상기 제어부(190)는 난방을 수행하여 상기 순환수의 온도를 높일 수 있도록 상기 온도조절부(180)를 제어하고, 상기 히트펌프(110)로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높아지는 것을 온도 센서부(181)가 감지하면 상기 제어부(190)는 냉방을 수행하여 순환수의 온도를 낮추도록 상기 온도조절부(180)를 제어한다.
즉, 상기 제어부(190)는 상기 히트펌프(110)로 유입되는 상기 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높거나 낮아지는 온도차이가 발생하여 상기 온도 센서(181)부가 이를 감지하고 온도차이를 제어부(190)로 전송하면 온도조절부(180)를 제어하여 상기 순환수의 온도를 낮추거나 높여줄 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부(190)는, 상기 히트펌프의 운전 성능이 떨어져 지열 시스템의 효율이 떨어질 때, 상기 지중열교환기(130)의 작동을 중지시키고 상기 온도조절부(180)만으로 냉방 또는 난방을 공급하도록 제어함으로써, 상기 지중열교환기(130)의 운전시간을 줄일 수 있도록 제어하여 상기 지중열교환기(130)의 운전시간을 줄여 상기 하이브리드 지열 시스템(100)의 효율을 높일 수 있도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부(190)는 상기 히트펌프(110)로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높아지는 것을 온도 센서부(181)가 감지하면 상기 온도조절부(180)에 의해 냉방이 수행되어 상기 순환수의 온도를 낮출 수 있도록 구성할 수 있으며, 즉, 상기 온도조절부(180)는 보일러를 포함하는 난방기 및 쿨러를 포함하는 냉방기로 이루어진 것으로, 바람직하게는 풍력 또는 태양열 등과 같은 신재생에너지를 전력원으로 하는 보일러 및 쿨러를 사용하여 상기 온도차이의 10 내지 20%에 해당하는 온도를 높이거나 낮추도록 상기 제어부(190)가 상기 온도조절부(180)를 제어할 수 있다.
아울러, 상기 제어부(190)는 내부에 자동운전기록장치(115)를 내장하여, 상기 순환수의 온도, 상기 히트펌프(110)의 운전시간 및 상기 히트펌프(110)가 공급한 냉난방 용량을 포함하는 운전상태를 기록하여 히트펌프(110) 에러 발생시 상기 히트펌프(110)의 운전기록을 확인할 수 있도록 구성하여, 지열 시스템(100)에 다운 현상 또는 가동 중단 현상 등이 발생하면, 운전기록을 확인하여 발생원인을 효과적으로 파악할 수 있어 지열 시스템(100) 운영을 효과적으로 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 하이브리드 지열 시스템(100)은 일반적인 지열 시스템(100)보다 초기투자비가 약 10%가 저렴하며 기존지열 시스템(100)의 시추공(borehole) 온도 불균형을 잡을 수 있으며 장기간 사용으로도 COP(coefficient of performance) 다운 현상을 최소한으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템(100)은 냉·난방이 가능한 온도조절부(180)를 설치하기 때문에 급탕을 많이 사용하는 시스템에도 적용 가능하며 수영장 또는 목욕장 등의 난방 부하 값이 많은 곳에도 적용이 가능하여 매우 효율적인 지열 시스템이다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 따른 하이브리드 지열 시스템을 보다 상세히 설명하고자 한다. 제시된 실시예는 본 발명에 대한 설명을 위한 것일 뿐 이를 한정하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
본 실시예는 대전광역시 동구에 위치한 대전광역시 노인 전문 병원에 설치된 지열 시스템을 대상으로 하이브리드 지열 시스템을 설치하였다. 상기 노인 전문 병원은 연면적 4,380㎡로 지하 1층 및 지상 3층의 2개 동으로 이루어져 있으며, 설계 및 시공되는 건물 지열 시스템의 에너지 소모량은 냉방 1.3 : 난방 1.0의 비율이다. 상기 노인 전문 병원에 설치된 지열 시스템의 연간 부하 적용값 및 연간 최대 냉난방 부하량을 측정하였다.
도 2는 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 설치될 히트펌프의 연간 부하 적용 값을 나타낸 표이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 설치될 히트펌프는 12월 및 1월에 월평균 운전시간이 310시간으로 운전가동률이 100%로 나타나, 동절기에 지중축냉 현상에 의한 난방부하 값이 발생될 수 있음을 예측할 수 있었다.
도 3은 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역의 연간 최대 냉난방 부하량을 나타낸 표이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템은 동절기인 12월 부터 2월 사이에 가장 냉난방부하량이 가장 크며, 동절기인 12월 및 1월에 연간 최대 난방부하량이 발생하며, 전체 필요 전력량은 105,000kW를 상회하는 것으로 나타났다. 또한, 하절기인 7월 및 8월에 최대 난방부하량이 발생하며, 전체 필요 전력량은 51,000kW이상이 필요한 것으로 나타났다. 그러나, 상대적으로 냉방에 비해 난방에 보다 많은 전력이 필요한 것을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이 하여 산출된 연간 부하 적용 값 및 연간 최대 냉난방 부하량을 토대로 하여 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 설치될 히트펌프의 공급 용량 및 설치 수량을 결정하였으며, 이를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 설치될 히트펌프의 용량(Kw)은 냉난방시 56 내지 57Kw의 전력을 공급할 수 있으므로, 측정된 연간 최대 난방부하량인 105,834W를 충족할 수 있도록 6대의 히트펌프를 설치하였다. 아울러, 상기한 1대의 히트펌프가 공급할 수 있는 시간당 전력 공급량인 341.4kW을 월 운전시간과 곱하였을 때,연간 최대 난방부하량인 105,834W를 충족할 수 있었다.
도 4는 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역의 토양지열정보를 나타내는 이미지이다.
도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역은 지중 평균 온도가 15 ℃로서 열전도성은 2.52W/(m×K)이고 열분산은 0.051m∧2/24h 인 것으로 나타났다.
또한, 하이브리드 지열 시스템이 설치될 지역의 지중 평균 온도를 토대로 하여, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템의 시추공은, 시추공 간의 이격거리를 5m로 하여 회로당 시추공 수가 1개로 가로 6행, 세로 8열로 배치하여 48개의 시추공을 설치하였다.
더욱이, 시추공의 등가 열저항은 0.131m×K/W인 것으로 나타났다. 152.4mm 직경의 시추공 내로 32mm 두께의 0.061m×K/W의 저항값을 가지는 파이프를 삽입하였으며, 열전도성이 1.79W/(m×K)인 되채움재를 시추공 내로 주입한 후 그라우팅하였다.
그리고, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에서 사용되는 순환수인 부동액은 비열(Cp)이 3.820KJ/K×kg이고 밀도(rho)가 1034.4kg/m3인 20 % 에탄올을 부동액으로 사용하였다. 아울러, 상기 순환수는 (11.9ℓ/분)/3.5kW의 속도로 순환하며, 히트펌프 인입 설계 온도를 냉방시 25 ℃이고 난방시 5 ℃로 설정하였다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템 내부 배관에서의 순환수 유동이 이루어지도록 1.050LPM 29m 11.0kW의 순환펌프 2대를 추가로 설치하였다.
또한, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템에 증가되는 압력을 흡수하여 배관 내의 압력이 증가되는 것을 방지할 수 있도록 총류량(ℓ)인 13,672ℓ의 팽창탱크를 설치 구성하였다.
한편, 온도조절부는 상기 히트펌프 6대의 히트펌프 용량의 15%비율을 차지하는 51.2kW의 전력량을 보충해 줄 수 있으며, 신재생에너지를 전력원으로 하는 보일러 및 쿨러를 선정하여 추가로 설치 구성하였으며 설치된 온도조절부는 냉난방부하전체 용량의 15%를 처리할 수 있는 것으로 나타났다.
그리고, 본 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템의 효과를 확인할 수 있도록 경제성 분석을 실시하였다.
도 5의 (a)는 본 비교예의 지열 시스템, (b)는 본 실시예의 하이브리드 지열 시스템(100)의 경제성 분석 결과를 보여주는 이미지이다.
도 5의 (a) 본 발명의 비교예인 기존에 대전 요양 병원에 설치된 온도조절부 및 제어부를 포함하지 않은 지열 시스템 및 (b) 본 실시예의 하이브리드 지열 시스템(100)의 경제성 분석 결과를 보여주는 이미지이다.
도 5를 참조하면, (a)는 본 발명의 비교예에 따른 지열 시스템에 관한 것으로 기존에 대전 요양 병원에 설치된 온도조절부 및 제어부를 포함하지 않는 지열 시스템은 시추공을 144.7m×48공으로 설치한 것으로 전체 히트펌프의 용량이 냉방시에 453.9kW, 난방시에 455.6kW인 것으로 나타났으며, 히트펌프의 최대 부하는 냉방시 340kW, 난방시 341.4kW인 것으로 나타났다.
반면에, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 지열 시스템은 시추공을 122.5×48공으로 설치한 것으로 전체 히트펌프의 용량이 냉방시에 453.9kW, 난방시에 455.6kW인 것으로 나타났으며, 히트펌프의 최대 부하는 냉방시 340kW, 난방시 341.4kW인 것으로 본 비교예와 동일한 것으로 나타났다. 이는, 상기한 비교예에 비해 시추공 하나의 설치 길이가 평균 20 m가 줄어든 경우에도 보일러 및 쿨러를 추가로 설치한 본 실시예에 따른 하이브리드 시스템은 전체 시추공을 20m×48공을 계산하면 전체 시추공의 길이가 960m이상 줄어든 것이며, 이것은 140 m길이의 시추공을 7공 덜 설치할 수 있는 것을 뜻하는 것으로 시추공 설치 공사비를 10 % 이상 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 50,000Kcal/h의 온도조절부를 설치한다고 하더라고 지열 시스템 설치 단가 기준으로 전체 공사비를 획기적으로 줄일 수 있는 것을 알 수 있으며, 지중열교환기(130)수량을 줄여 초기투자비를 절감할 수 있고, 설치된 하이브리드 지열 시스템의 열효율 및 내구력을 극대화시킬 수 있다.
100 : 지열 시스템 110 : 히트펌프
111 : 실내측 공급배관 115 : 자동운전기록장치
120 : 시추공 121 : 시추공블록
130 : 지중열교환기 131 : 지중열교환관
132 : 단속밸브 133 : 지열공급순환관
135 : 지중유입순환관 140 : 지열환수헤더
141 : 지상배관 150 : 지열공급헤더
160 : 순환펌프 170 : 팽창탱크
180 : 온도조절부 181 : 온도 센서
190 : 제어부

Claims (6)

  1. 냉·난방을 하기 위한 하이브리드 지열 시스템에 있어서,
    순환수를 공급받아 실내측 공급배관과 열교환이 이루어지는 히트펌프;
    지중으로 천공되는 시추공 내부로 배관되어 이송되는 순환수를 지열과 열교환시키는 지중열교환관을 포함하는 지중열교환기;
    상기 지중열교환기의 일측면 및 실내에 설치되어 실내 온도 및 상기 순환수의 온도를 감지할 수 있는 복수 개의 온도 센서를 포함하여 이루어지는 온도 센서부;
    상기 지중열교환기 및 상기 히트펌프 사이에 별도로 설치되어, 냉방 또는 난방을 실행하여 상기 순환수의 온도를 낮추거나 높일 수 있는 온도조절부; 및
    상기 온도조절부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 히트펌프로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮아지면 상기 온도조절부에 의해 난방이 수행되어 상기 순환수의 온도를 높이도록 제어할 수 있고, 상기 히트펌프로 유입되는 순환수의 온도가 미리 설정된 온도보다 높아지면 상기 온도조절부에 의해 냉방이 수행되어 상기 순환수의 온도를 낮추도록 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절부는, 보일러를 포함하는 난방기 및 쿨러를 포함하는 냉방기로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 온도조절부는, 상기 순환수의 온도가 상기 제어부에 미리 설정된 온도보다 높거나 낮아지는 온도차이의 10 내지 20%에 해당하는 온도차이를 높이거나 낮추도록 상기 제어부가 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 지중열교환기의 작동을 중지시키고 상기 온도조절부만으로 냉방 또는 난방을 공급하도록 제어함으로써, 상기 지중열교환기의 운전시간을 줄일 수 있도록 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 내부에 자동운전기록장치를 더 포함하여 구성됨으로써, 상기 순환수의 온도, 상기 히트펌프의 운전시간 및 상기 히트펌프가 공급한 냉난방 용량을 포함하는 운전상태를 기록하며, 상기 자동운전기록장치는 히트펌프의 에러 발생시 상기 히트펌프의 운전기록을 확인할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 지열 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180079576A (ko) * 2016-12-30 2018-07-11 주식회사 위지트에너지 지열을 이용한 냉난방 시스템

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