1. 개요
□ 아래 그림은 축열식 수평형 지열히트펌프 시스템 체계도를 나타낸다.
□ 수평형 지열시스템은 지하 150m 깊이에 파이프를 설치하여 지열을 활용하는 수직형 지
열시스템과는 달리 지하 3m 내외 깊이에 파이프를 수평으로 설치함으로써 난방효과는
동일하지만 설치하기도 쉽고 설치비용도 현저하게 절감할 수 있다.
□ 열이란 그 자체만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동이 불가능하다. 그
러므로 열의 이동에는 반드시 일이 필요하며, 히트펌프란 펌프가 물을 낮은 위치에서 높
은 위치로 퍼 올리는 기계라는 의미와 마찬가지로 외부로부터 일을 얻어 열을 온도가
낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치라는 의미한다. 히트펌프는 열을 흡수하
고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며, 현재
압축식 히트펌프가 가장 많이 사용되고 있다. 아래 그림은 히트펌프의 원리를 설명한 것
이다.
□ 히트펌프는 역카르노싸이클을 사용하며, 효율은 성적계수(COP : Coefficient Of
Performance)로 표시한다. 에너지 보존 법칙에 의해 출력에너지는 입력에너지와 같으며,
위의 그림에서 보는 바와 같이 더운 열원으로 방출되는 열에너지는 차가운 열원으로부
터 흡수되는 열에너지와 외부로부터의 일인 전기에너지의 합과 같다. 그러므로 히트펌프
의 난방성적계수는 다음과 같다.
□ 위 식에서 보는 바와 같이 히트펌프의 성적계수(효율)는 이론적으로 항상 1보다 크게 된
다. 즉 입력에너지보다 출력에너지가 크기 때문에 에너지를 절약하는 효과가 있다. 이때
차가운 열원으로부터 흡수되는 열에너지가 크면 클수록 히트펌프의 성적계수는 높아지
며 이는 에너지절약효과가 더욱더 커짐을 의미한다. 이와 같이 흡수되는 에너지(차가운
열원)는 히트펌프의 성적계수에 매우 큰 비중을 차지하며, 차가운 열원으로써는 공기, 지
중, 호수, 연못, 태양 및 폐수열 등을 들 수 있다.
□ 공기를 열원으로 하는 경우는 설치비용이 다소 저렴한 장점이 있으나 외기온도에 따라
성능이 크게 좌우된다. 국내 동절기야간온도는 영하로 내려가는 경우가 많은데 공기열원
히트펌프는 외기가 영하로 내려가면 성능이 크게 떨어지는 단점이 있다. 태양열의 경우
는 하루 중에도 변화가 많아서 안정적이지 못하므로 지속적으로 열을 확보하기가 어려
워 별도의 난방장치를 준비해야만 한다. 호수, 연못, 및 폐수열 등은 모두 물을 열원으로
사용하게 되며 열원으로써 그 열량이 크며 연중 비교적 안정적이나 지리적 제한점이 있
는 것이 단점이다.
□ 그 중에서도 지열은 대기에 비해 일간은 물론 연간 변화폭이 적고 다시 보충될 수 있어
농업이외 많은 분야에서도 실용화가 가장 유망한 자원으로 평가되고 있다. 지열은 그 자
체로서도 농업에 이용이 가능하지만 히트펌프와 연계하여 사용하면 보다 효과적인 열
증폭을 기대할 수 있다.
□ 지열은 지구의 토양, 암석 등이 갖고 있는 열에너지를 의미한다. 태양복사량은 지중이나
해양에 46%정도가 흡수되었다가 다시 외부로 방사되고, 4200℃의 열에너지가 지구 중심
부의 핵분열시 발생되는데 이 열에너지는 지구표면을 통과하여 우주로 방사된다. 지중에
저장된 에너지는 깊이에 따라서 천부지열과 심부지열로 나눌 수 있으며, 천부지열은 지
표에서 약 200m까지 저장된 열에너지를 의미하고 연중 10～20℃정도이다. 또한 심부지
열은 200m이하의 열에너지를 말하며 온도는 40～150℃이상이다. 이중 천부지열이 국내
에서 주로 이용되고 있다. 천부지열을 손쉽게 이용할 수 있는 방법으로는 지하에 지중열
교환기(지열교환기)를 매립하고 히트펌프를 이용하여 열이동을 수행함으로써 난방시에는
공조공간(농업시설)에 필요한 열을 지중으로부터 얻고, 냉방이 필요할 경우는 공조공간
의 열을 지중으로 방출시킨다. 지표에서 지하로 일정깊이에 도달하면 연중 온도변화가
거의 없는데 그 지방의 연 평균온도와 비슷한 것으로 알려져 있다. 바로 아래 그림은 서
울지역의 지표에서 지하 5m까지의 월별 지중온도를 나타내며, 그 아래 그림들은 서울지
역의 월별과 깊이별 지중온도를 나타낸다.
□ 히트펌프시스템에 적용할 경우 하절기는 기온이 대기온도보다 높기 때문에 난방용 에너
지원으로써 사용이 가능하다. 공기열원을 사용하는 히트펌프의 경우 난방이 필요한 동절
기에는 외기온도가 영하로 내려가 성능이 급격히 낮아지고 냉방을 필요로 하는 하절기에
는 외기온도가 많이 올라가 효율이 떨어지는데 반해서 지열은 외기에 영향 없이 연중 일
정하게 유지되기 때문에 냉난방성능이 탁월하고 안정적이며 지속가능한 청정에너지이다.
□ 지열을 열원으로 이용하는 방식은 목적, 기술의 종류 등에 따라 구분할 수 있다. 지열히
트펌프는 크게 히트펌프로 유입되는 지열원 열매체의 순환회로가 밀폐된 밀폐형과 개방
된 개방형으로 분류될 수 있다. 밀폐형은 수평형과 수직형으로 나눌 수 있다. 수평형은
지중에 깊이 1～3m의 트랜치(trench)를 파서 지중열교환기를 수평으로 매립하는 방식으
로 지중열교환기의 형태는 스트레이트, 스파이럴, 슬린키 타입이 있으며, 지중열교환기의
시공에 특수 장비가 필요 없으며 일반굴삭기로 작업을 할 수 있기 때문에 시공비가 저
렴한 장점이 있다.
□ 반면 지중열교환기의 설치면적이 넓어야 하고 외기온도에 따라 다소 성능변화가 나타난
다. 수직형은 직경 100～150 mm의 보어홀(bore hole)을 지하 200m이내까지 파서 직경
25～50mm의 고밀도 폴리에틸렌 파이프를 U자형으로 삽입하는 방식인데 적은 설치면적
을 필요로 하고 연중 외기온도변화에 영향을 받지 않고 안정된 성능을 확보할 수 있는
장점을 가지고 있다. 지중에 매립된 열교환기는 수명이 반영구적이어서 건물수명과 비슷
하게 여겨지고 있다. 수직형의 단점으로는 지하 수십에서 수백 미터를 파기위한 특수굴
삭장비와 기술자가 있어야 시공이 가능하기 때문에 많은 시공비용이 요구된다. 아래 그
림은 지열히트펌프의 분류를 나타낸다.
□ 이처럼 히트펌프의 에너지원으로서 지열은 그 활용 가치가 우수하다고 인정받고 있으며
국내에서 주목을 받기 시작한 것은 최근의 일이다. 국내에서도 지열히트펌프시스템 보급
이 해마다 증가하고 있지만 시공비 절감과 적용 분야 확대는 미흡한 수준이다. 우리나라
의 지열히트펌프시스템은 대부분 주거 및 상업용 공간 위주의 건물을 대상으로 설치되
고 있으며 농업분야에 대한 적용은 아직 드문 실정이다.
□ 근래 들어 경제발전과 국민의 생활수준이 향상됨에 따라 농산물의 수요는 계절에 관계
없이 지속되고 있으며 농가의 소득을 특정 계절에 국한되지 않고 올리기 위해서는 겨울
철 시설재배가 불가피하게 여겨진다.
□ 일반적으로 온실은 작물을 재배하기 위한 비교적 넓은 면적을 가지고 있으며, 일반건물
과는 달리 실내로 태양복사에너지가 용이하게 유입되도록 되어있다. 실내로 들어오는 복
사에너지는 실내 바닥을 가열하는데 일부는 하부로 열이 흡수된다.
□ 온실은 난방이 요구되는 시간이 주로 야간이지만 지열을 이용할 수 있는 시간은 24시간
이므로 주·야간 지중으로부터의 지열을 채열하여 축열조에 저장한 후 야간에 집중적으로
사용한다면 지열을 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 간주된다.
2. 원리 및 구조
1) 히트펌프 유니트
□ 아래 그림은 히트펌프 유니트를 나타낸다.
□ 히트펌프는 열을 운반하는 냉매(프레온 가스)가 주입되어 있으며, 냉매는 증발기에서외
부로부터 열을 흡수(열원)하면서 증발(액체->기체)하고 저온, 저압의 가스상태가 되어 압
축기로 흡입됨.
□ 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온고압 상태가 되어 응축기로 전달되며, 응축기에서
는 열을 방출(온풍, 온수로 이용)하면서 냉매는 액화됨.
□ 고압 액화된 냉매는 팽창변에서 감압되고, 저압저온 액화상태의 냉매는 증발기로 들어감.
□ 히트펌프는 이러한 사이클을 반복하면서 저온의 열을 회수하고 압축기 동력을 부가하여
필요한 고온의 열을 발생시키며, 결국 히트펌프는 열을 만드는 장치가 아니라 운반하는
기능을 가지고 있음
□ 일반 냉동기는 증발기에서 냉열만을 이용하나, 히트펌프는 냉열 외에도 응축기에서 온열
을 이용하므로 히트펌프 1대로 냉방과 난방(급탕)이 동시에 가능함
□ 히트펌프는 전력을 사용하여 온열을 발생시킨다는 의미에서는 전기히터와 동일하나, 히
트펌프가 외부의 열을 회수하기 때문에 이 회수된 열만큼은 전력소비가 줄어듬
□ 일반적으로 히트펌프나 냉동기의 성능을 표현하는 데 사용되는 성적계수COP
(Coefficient of Performance)는 전기히터는 COP가 1이며 히트펌프는 증발기에서 회수되
는 온도에 따라 변하지만 대략 COP가 3〜5정도 되므로 전기히터보다3〜5배의 열을 더
발생시킬 수 있음.
□ 과거에는 이 전력비용을 일반 전기요금을 적용함에 따라 성능이 우수함에도 불구하고가
스나 기름보다 높아 실용화되지 못하였으나, 최근에 심야요금제도가 적용되면서 가스나
기름보다 에너지비용이 줄어들어 경제성이 우수한 것으로 나타났음.
□ 히트펌프는 냉방운전시 증발기에서 냉열을 이용하기 위해서는 응축기에서 방열이 이루
어져야 하는데, 방열하는 온도가 높을수록 히트펌프의 성능이 떨어지므로 외기(약32〜
37°C)로 방열하는 것보다 지중으로 방열(약 15-20°C)하는 것이 성능이 약 20% 향상됨.
□ 히트펌프는 난방운전시 응축기에서 온열을 이용하기 위해서는 증발기에서 흡열이 이루어
져야 하는데, 흡열하는 온도가 높을수록 히트펌프의 성능이 높아지므로 외기(약-10〜
-5°C)에서 흡열하는 것보다 지중에서 흡열(약 10〜15°C)하는 것이 성능이 약 30% 향상됨.
2) 지열교환기
□ 지열교환기는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 소재의 파이프를 사용하여 스린키 타입으로 파
이프의 외경은 27mm, 내경은21 mm이며 이를 직경이 90cm 되도록 말아 1열당 250m
가 되도록 구성하였으며, 위의 그림은 슬린키 타입의 지열교환기를 나타낸다.
3) 축열조
가. 수축열조
□ 상부는 더운물, 하부는 찬물이 저장되어 있으며 찬물과 더운물의 경계층은 물의 비중 차
이에 의해 생성된다.
□ 만약, 부하측에서 환수되는 더운물이 축열조 하부의 찬물과 섞이게 되어 온도가 상승하
면 냉방이 불가능하게 되므로, 찬물과 더운물이 섞이지 않도록 하는 것이 수축열시스템
의 핵심기술이다.
□ 수축열은 축열조 내부에서 경계층 형성을 이루도록 하기 위해 축열조 상부 및 하부에
원형 또는 H형의 Diffuser 가 설치되어 있다.
□ 수축열조의 재질로는 Steel, PDF, 콘크리트 등이 사용되며, 단열재로는 우레탄폼(50t)이
사용된다.(빙축열보다 높은 온도(4～5℃)를 사용하므로 단열두께가 얇음)
□ 일반적으로 수축열조로 사용되는 방식에는 성층화(Stratification)방식, 다중탱크방식, 멤브
레인방식, 미로/격막방식 등이 있다.
□ 히트펌프의 가동전력을 저렴한 일반전력의 1/3〜1/4수준의 심야전력을 사용하기위해서
는반드시축열조가필요하며,히트펌프에서공급되는냉열(5℃)과 온열(50℃) 저장이 동시에
가능하도록 수축열조가 채택되어 있다. 아래 그림은 시간의 경과에 따른 수축열조의 축
냉과정을 나타낸다.
□ 수축열조는 물의 밀도차에 의하여 고온의 물은 축열조 상부로 저온의 물은 하부에 유지
하는 특성을 활용하도록 디퓨져를 설치하여 온도성층화를 이루도록 하여야함.
□ 적절히 디퓨져를 설치하면 냉방시는 가능한 낮은 온도(5℃)로 부하에 냉열을 공급하고
난방시는 가능한 높은 온도(50℃)로 부하에 온열을 공급함으로써축 열조 이용율을 높이
고 순간부하공급 능력을 향상시킬 수 있음.
나. 디퓨저
□ Diffuser는 4℃와 14℃ 물의 온도차에 의한 Gravity Current를 형성시켜, 물이 섞이지 않
는 완전한 온도 성층화를 이룬다.
-수축열시스템의 핵심기술은 Diffuser 설계기술이다.
-Diffuser는 축열조내의 온도 경계층의 두께를 결정하는 역할을 하며, 형태로는 원형, 육각
형, H형 등이 있으며, 빙축열시스템에도 적용된다. 아래 그림은 원형디퓨져를 나타낸다.
3. 시스템 특징
□ 지열원 히트펌프의 성능
-냉방운전 시 히트펌프의 응축기에서 발생하는 온열을 냉각탑(37℃)으로 방출하지 않고
온도조건이 우수한 지중(20℃)으로 방출함으로써 히트펌프의 성능이 약20% 향상됨.
-난방운전시 히트펌프의 증발기에서 필요로 하는 온열을 외기(약 –10℃)에서 취득하지 않
고 온도조건이 우수한 지중(15℃)에서 취득함으로써 히트펌프의 성능이 약30% 향상됨.
아래 그림은 히트펌프의 냉·난방 성능을 나타낸다.
□ 지열원 히트펌프 시스템의 특징
-경유 가스를 사용하지 않아 폭발이나 화재 위험으로부터 안전함.
-환경오염을 야기시키는 이산화탄소 등의 유해물질 발생이 없어 환경 친화적임.
-대체에너지인 지열을 활용함으로써 부존자원이 거의 없는 국내현실에 비추어 에너지수
입을 감소시켜 국가경쟁력 강화에 기여함.
-건물에 안정적인 냉ㆍ난방 공급이 가능함.
□ 심야전력이용 축열시스템의 특징
-주간에 사용되는 냉온열 부하의 약 50%를 심야에 히트펌프를 가동하여 축열조에 저장
하였다가 주간에 사용하고 나머지 50%는 주간부하변경을 고려하여 심야저장분과 함께
가동됨으로써, 비축열식 히트펌프에 비하여 약50%용량의 히트펌프로 전체부하를 감당
할 수 있다. 아래 그림은 심야전력이용 축열시스템을 나타낸다.
-축열방식을 채택함으로써 기존 전력의 1/3〜1/4정도의 저렴한 심야전력을 사용하여 에
너지비용을 획기적으로 절감할 수 있으며, 한전에서 제공하는 설치지원금을 통하여 조
기투자비도 줄일 수 있음.
- 극심한 부하변동에도 심야에 저장된 냉온수로 감당할 수 있어, 보다 안정적으로 냉난방
부하변동 대처능력이 뛰어남.
- 국가적으로 에너지절약은 물론 하계 냉방부하에 따른 전력피크를 감소시켜 발전소 추
가건설에 따른 비용을 줄임으로써 전력원가 절감에 기여할 수 있음.
□ 수축열시스템의 특징
- 수축열 방식에 사용되는 물은 빙축열 등 타 축열방식에 비하여 체적열용량, 비열 등이
가장 크며, 부식성, 수명, 가격 등 모든 면에서 우수하며, 특히 냉.난방겸용으로 사용이
가능하다는 장점이 있음.
- 수축열 방식에서 적절한 디퓨져 설치를 통하여 축열조 이용율 및 순간방열 능력을 높
여 축열조 크기를 감소시킬 수 있음.
4. 적용
□ 연중 일정한 온도의 열원을 지열로 확보함으로써 설치지역과 폐열원 유무에 관계없이전
국 어디든지 히트펌프로 고효율 냉난방운전이 가능함.(공기열원 히트펌프의 경우 외기조
건상 국내 남부지역에만 경제성이 있음.)
□ 지열교환파이프를 지중에 매설하여야 하므로 주차장 등의 주위공간을 확보하고 있는 일
반건물의 냉난방분야에 적용이 유리.(예시:학교,병원,교회,호텔,찜질방,대형음식점등)
□ 급탕이 다량 소비되는 장소에서는 목욕탕 폐열이용 히트펌프시스템과 연계하여 구성하
면 저렴한 비용으로 냉난방 및 급탕을 모두 해결할 수 있음
□ 일반 건물 냉난방 외에도 화훼, 양식 등 농수산 분야의 냉온열 공급에 지열원 히트펌프
시스템을 적용할 경우 에너지절감효과가 우수함.
참고문헌
1. 농촌진흥청, 에너지환경공학과, 유영선, 축열식 수평형 지열히트펌프 시스템, 2007
2. 한국에너지공단, ESCO투자사례집,
3. 한국전력공사, 축냉시스템(빙축열)실태조사 및 성능최적화 운영방얀 연구, 2008
EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼
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