지열난방

지열난방은 깊은 땅속에서 지열에너지로 덥힌 물을 이용하여 하는 난방이다.

지열에너지를 이용하는 지열냉난방 시스템은 에너지의 절감률이 다른 신재생에너지 시스템보다 높고 유지관리가 유용하다는 특징으로 많은 건물에 사용하고 있다. 대표적으로 한국전력 본사 신사옥과 인천국제공항 제2여객터미널이 냉난방 시스템을 활용하고 있다. 또 롯데월드 타워는 지열 냉난방설비가 국내 최대 규모로 설치되었고, 건물부지 땅 밑에 수백 개의 열교환기용 파이프를 설치하여 계절 변화에도 일정한 온도를 유지하는 지중 열을 이용하여 냉난방에 활용하고 있다.

아이슬란드는 전 세계에서 신재생 에너지의 소비 비중이 가장 높은 국가로, 화산 활동으로 발생하는 풍부한 지열 에너지를 난방이나 농업 등에 활용하고 있다. 특히, 난방의 거의 90%는 지열 에너지를 활용하고 있으며 지열 발전에 이용하고 남은 온수로 한겨울에도 실외 수영장을 운영한다. 또한, 겨울이 긴 아이슬란드는 주로 온실에서 작물을 재배하는데, 여기에 사용하는 전기와 난방 역시 지열을 이용한다. 그밖에 양어장과 도로 및 주차장 제설, 가정용 난방 등에서도 지열 에너지를 적극적으로 이용하면서 화석연료 소비를 줄이고 있다. 온천 도시로 유명한 아이슬란드의 레이캬비크는 지열 에너지를 가장 잘 이용하는 도시로 건물의 약 95%가 지열 발전소를 에너지원으로 하는 지역난방 시스템에 연결되어 있다.

지열냉난방 시스템

지열시스템 구성도

지열

지열은 지구가 생설될 때 있던 열로 아직 방열되지 않은 상태이거나 우라늄이나 토륨 같은 방사성원소의 붕괴에 의하여 생기는 것이라고 생각할 수가 있다. 일본과 같이 화산이 많은 고온지열지대는 지하에 용융암석의 활동에 의한 것으로 여기에 물을 주입하여 증기를 생산하고 이것으로 증기터빈을 돌려서 발전에 이용할 수가 있고 이런 시스템을 지열발전소라고 한다. 프랑스 파리 같은 곳에서는 약1,500미터 정도에서 약70도 전후의 열을 퍼올려 지역난방에 이용하고 있으나 국내에서는 열자원이 풍부한 분화지역이 적어 전기 공급보다는 냉,난방 시스템위주로 보급되고 있다.

지중은 5미터이하로 내려가면 사계절 내내 14~20도의 온도를 유지한다. 이를 이용한 것이 바로 지열 냉난방 시스템이다. 이는 대기중에 노출되는 기기가 없어 장치 수명이 길고(현재 시판되고 있는 보일러의 경우 중요설비의 내구 연한이 50년임)냉매를 적게 사용하며 환경 친화적이다. 또한 태양열처럼 대기온도에 영향을 받지 않고 24시간 이용이 가능해 효율적이다.

지열냉난방 시스템의 종류와 원리

종류

지열 냉난방 시스템은 열교환기와 히트펌프에 의해 작동된다. 이는 열 교환기의 회로 구성에 따라 개방형과 밀폐형으로 나뉜다. 개방형 시스템은 풍부한 수원지가 있어야 시공이 가능한데 호수, 강, 우물 등에서 공급받은 물을 파이프로 직접 운반해 열을 교환하는 방식이다. 밀폐형 시스템은 U자형 지중열 교환기를 매설하고 부동액과 같은 유체가 회로(히트펌프)내를 순환한다. 동절기에는 유체가 순환하여 회수한 열을 건물내로 전달하고 하절기에는 건물 내의 열을 흡수해 지하로 방출한다, 기름보일러 대비 난방비를 80%, 냉방비를 50%절감할 수 있다

원리

지열냉난방에 사용되는 지열원히트펌프의 작동원리는 기존 에어컨이나 냉장고에 있는 냉동기와 같은 원리다. 압축기에서 발생된 고온고압의 가스를 응축기에서 열을 발산하여 저온고압의 액가스를 만들고, 이를 팽창밸브를 통해 저온저압의 액가스를 만들어 증발기에서 열을 취득하는 그런 원리로 응축기나 증발기부분에 어떠한 열매체와 열교환을 하느냐의 차이다. 응축기(또는 증발기)와 바깥 공기가 열교환을 할 경우, 공기열원히트펌프(또는 에어컨류 or EHP 등)으로 불리게 될 것이고 땅속의 열과 열교환을 할 경우 지열원히트펌프(GSHP)라고 불리게 되는 것이다.

지열난방 특징

• 높은 성능 효율과 안정적인 열원. 성능 효율이 높고 지열을 이용하여 열원이 안정적이다.
• 경제적. 신재생에너지원으로 화석연료 사용이 전혀 없다. 저렴한 운전비용으로 경제적이다.
• 안전, 편리. 폭발이나 화재의 위험이 없고 사계절 모두 냉, 난방 및 온수를 마음대로 쓸 수 있다.
• 에너지 절약. 냉방에너지는 일반 에어컨 대비 약 44%, 난방에너지는 약 88%의 에너지 절감효과가 있다.
• 긴 수명. 안정적인 운전으로 장비수명은 약 25년, 지하열교환기 수명은 약 50년이다.
• 공간사용이 적음. 열교환기가 지중에 삽입되어 건물 외관이 미려하고 보일러 및 연료탱크가 불필요하여 설비기기의 옥내, 외 설치를 최소화 할 수 있다.
• 친환경적. 대기오염물질 배출절감과 화석연료 사용 절감효과로 인해 이산화탄소 배출량을 감소시키며 교토의정서 비준에 유효하다.

참고자료

• 전원주택컨설팅, 〈지열난방 시스템〉, 《네이버 블로그》, 2011-01-20
• 시사주간, 〈(기획) 잠재력 무한 신재생에너지 ‘지열에너지’ 주목〉, 《네이버 포스트》, 2021-06-21
• 제이에스파워, 〈지열 냉 난방 원리에 대해 알아보자〉, 《네이버 블로그》, 2014-08-04

같이 보기

• 지열
• 지열에너지
• 열교환기
• 히트펌프

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