지열히트펌프 시스템의 이론적 고찰

1. 지열히트펌프 시스템

일반적으로 지열이란, 지중(토양, 지하수, 지표수 등)에 저장된 태양복사 에너지를 말하며, 이는 지구에 도달하는 전체 태양 복사에너지 중 약47%를 차지한다. 이중에서 토양에 저장되는 에너지는 지표면으로부터의 깊이에 따라 천부지열(shallow geothermal)과 심부지열(deep geothermal)로 구분된다. 천부지열은 지표로부터 150~200m까지의 저장된 지열을 일컫는다. 
온도는 지형 및 지역에 따라 다르지만 10~20℃정도이다. 심부지열은 지하 200m 이하부터 존재하는 에너지를 말하며, 40~150℃ 이상의 온도를 유지한다. 지열히트펌프 시스템은 천부지열을 활용한 시스템이다.

지열히트펌프 시스템은 크게 지중열교환기와 히트펌프로 구성된 냉․난방시스템겸용 시스템이다. 냉방사이클의 지열히트펌프 시스템은 실내에서 흡수한 열을 지중열교환기를 통해 지중으로 방출한다. 반대로 난방사이클의 경우, 지중열교환기는 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급한다.

이 시스템의 장점은 공기열원 히트펌프 보다 운전을 위한 에너지 소비량이 적고, 실외에 노출되는 기기가 없다는 것이다. 그리고 히트펌프의 히트싱크(Heat Sink) 및 열원(Heat Source)의 역할을 하는 지열의 연중 온도변화는 외기 기온보다 안정적이기 때문에 지열히트펌프 시스템은 높은 효율과 우수한 성능을 갖는다.


(1) 냉방사이클

고온․고압의 냉매는 과열증기 상태로 압축기를 나와 4방밸브를 거쳐 응축기로 들어간다. 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 부동액과 열교환을 한다. 이 과정에서 부동액의 온도는 상승하며 증기냉매는 기상(vapor phase)에서 액상(liquid phase)으로 상변화(응축)를 하게 된다. 응축기를 나온 고온의 액상 냉매는 팽창밸브를 지나면서 저온․저압의 상태가 된다. 저온․저압의 상태의 액상 냉매는 증발기로 들어가 실내 공기를 차갑게 만들면서 증기로 상변화(증발)를 하게된다. 증발기를 나온 저온․저압의 기상 냉매는 4방 밸브를 지나 압축기로 들어가 압축과정을 겪으면서 다시 고온․고압의 증기냉매가 된다.

한편 전형적인 지열히트펌프 시스템에서 부동액의 응축기 입구온도(EWT, Entering Water Temperature)는 약 15℃이고, 출구온도(LWT, Leaving Water Temperature)는 냉매로부터 열(온도차 에너지)을 받아 약 5~6℃ 정도 상승한다. 온도가 상승한 부동액은 지중열교환기 파이프 내를 순환하면서 약 12℃의 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다.


(2) 난방사이클

지열히트펌프 시스템의 난방사이클을 나타낸 것이다. 압축기를 나온 고온․고압의 증기냉매는 4방밸브를 거쳐 응축기로 들어간다. 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 실내순환공기(물 대 공기방식) 또는 물(물 대 물방식)과 열교환을 수행한다. 이 과정에서 증기
냉매는 액상으로 상변화를 하고, 실내 순환관기 또는 물은 냉매가 갖고있던 에너지를 받아 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공기 또는 물을 분배장치를 통해 난방을 하게 된다. 응축기를 통과하면서 액상으로 상이 변한 냉매는 팽창밸브를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 증발기로 들어간다.

증발기로 유입된 액상 냉매는 지중열교환기를 순환하는 부동액으로부터 에너지를 받아 다시 증발하고, 4방 밸브를 지나 압축기로 들어간다. 압축기는 저온․저압의 기상냉매를 압축하여 처음 상태로 만든다. 지중열교환기의 부동액은 증발기에서 냉매를 증발시키고 자신은 약 5~6℃정도 온도가 감소한다. 이때 부동액의 증발기 입구온도는 대략 10℃이다. 온도가 강
하된 부동액은 지중열교환기 내를 순환하면서 약 12℃의 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다.