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지열히트펌프시스템은 지구 표면 근처의 일정한 온도를 이용하여 냉난방을 하는 친환경적인 시스템입니다. 수직밀폐형과 우물형은 대표적인 지열히트펌프시스템의 종류이며, 각각 다른 방식으로 지중의 열을 교환합니다.
1) 개념
(가) 수직밀폐형 지열히트펌프시스템
- 개념: 지중에 수직으로 깊은 구멍(보어홀)을 뚫어 U자관 또는 동축관 형태의 열교환기를 설치하고, 그 내부로 물 또는 부동액 등의 열매체를 순환시켜 지중의 열을 흡수하거나 방출하는 방식입니다. 지중과 열매체는 물리적으로 분리된 밀폐된 형태로 열교환이 이루어집니다.
(나) 우물형 지열히트펌프시스템
- 개념: 지하수를 직접 이용하여 열을 교환하는 방식입니다. 지하수를 취수정(汲水井)이라는 우물을 통해 끌어올려 히트펌프에서 열교환을 시킨 후, 다시 환수정(還水井)이라는 다른 우물로 되돌려 보내거나 지표로 배출합니다. 지중의 열을 직접 이용하므로 열교환 효율이 높을 수 있습니다.
2) 지중열교환기
(가) 수직밀폐형 지열히트펌프시스템
- 지중열교환기: 수직으로 굴착된 보어홀 내에 설치되는 U자형 또는 동축형 파이프로 구성됩니다.
- U자형: 하나의 보어홀에 왕복으로 연결된 두 개의 파이프를 삽입하여 열매체가 순환하며 지열과 열교환합니다. 설치가 비교적 간단합니다.
- 동축형: 하나의 파이프 내부에 또 다른 파이프가 삽입된 형태로, 열매체가 내외부 파이프 사이를 흐르면서 열교환합니다. 열교환 효율이 U자형보다 높을 수 있지만, 시공이 더 복잡할 수 있습니다.
- 열매체: 물에 부동액(에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등)을 혼합한 용액을 주로 사용합니다. 이는 겨울철 동파를 방지하고 열전달 효율을 높이기 위함입니다.
- 그라우팅: 보어홀과 열교환기 사이의 빈 공간은 열전달 효율을 높이고 지하수 오염을 방지하기 위해 시멘트 기반의 그라우트재로 채워집니다.
(나) 우물형 지열히트펌프시스템
- 지중열교환기: **취수정(汲水井)**과 환수정(還水井) 또는 배수 시스템으로 구성됩니다.
- 취수정: 지하수를 끌어올리는 역할을 합니다. 충분한 양의 지하수를 안정적으로 공급할 수 있는 깊이와 능력을 갖춰야 합니다.
- 환수정: 열교환 후 온도가 변한 지하수를 다시 땅속으로 되돌려 보내는 역할을 합니다. 취수정과 적절한 거리를 두어 열적 단락(Thermal Short Circuit)을 방지해야 합니다.
- 배수: 경우에 따라 환수정 없이 열교환된 지하수를 하수관 등으로 배출하기도 합니다. 하지만 지하수 고갈 및 환경적인 문제를 야기할 수 있어 환수정을 사용하는 방식이 권장됩니다.
- 지하수: 지중의 열을 직접 전달하는 매개체 역할을 합니다. 지하수의 온도, 수량, 수질 등이 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다.
3) 하자발생요인
(가) 수직밀폐형 지열히트펌프시스템
- 지중열교환기 효율 저하:
- 보어홀 깊이 부족 또는 간격 부적절로 인한 열교환 부족
- 부적절한 그라우팅으로 인한 열적 단락 발생
- 장기간 사용으로 인한 지중 온도 불균형
- 열매체 순환 문제:
- 배관 누수 또는 막힘
- 순환 펌프 고장
- 열매체 변질 또는 농도 저하
- 기타:
- 지상부 히트펌프 장치 고장
- 제어 시스템 오류
(나) 우물형 지열히트펌프시스템
- 지하수 관련 문제:
- 취수량 부족 또는 고갈
- 환수정 막힘 또는 효율 저하로 인한 지하수 재순환 문제
- 지하수 수질 변화 (미네랄 침전, 부식 등)로 인한 열교환기 막힘 또는 손상
- 지하수 오염
- 펌프 관련 문제:
- 취수 펌프 또는 순환 펌프 고장
- 펌프 효율 저하
- 기타:
- 지상부 히트펌프 장치 고장
- 제어 시스템 오류
4) 해결과제
(가) 수직밀폐형 지열히트펌프시스템
- 정확한 지반 열특성 평가: 시공 전 충분한 지반 조사 및 열응답 시험(TRT)을 통해 정확한 지반 열특성을 파악하고 이를 바탕으로 최적의 보어홀 깊이 및 개수를 설계해야 합니다.
- 고품질 시공 및 관리: 숙련된 시공 인력을 통해 정확하게 시공하고, 시공 과정에서 그라우팅 품질 관리 및 배관 누수 점검 등을 철저히 해야 합니다.
- 장기적인 지중 열 균형 유지: 냉난방 부하를 균형 있게 설계하고, 필요에 따라 하이브리드 시스템(다른 에너지원과 결합)을 고려하여 지중 온도 불균형을 완화해야 합니다.
- 열매체 관리: 정기적인 열매체 점검 및 교체를 통해 성능 저하를 방지해야 합니다.
(나) 우물형 지열히트펌프시스템
- 지하수 자원 확보 및 관리: 충분한 양의 양질의 지하수 자원을 확보하고, 지속 가능한 이용을 위해 지하수 고갈 및 오염 방지 대책을 마련해야 합니다.
- 수질 관리 및 스케일링 방지: 지하수 수질 분석을 통해 스케일링 발생 가능성을 예측하고, 필요에 따라 수처리 장치를 설치하거나 정기적인 청소를 통해 열교환기 효율 저하를 방지해야 합니다.
- 환수 효율 향상: 환수정의 위치 및 방식을 최적화하여 열적 단락을 최소화하고 지하수 순환 효율을 높여야 합니다.
- 법규 및 환경 규제 준수: 지하수 취수 및 환수에 관련된 법규 및 환경 규제를 철저히 준수해야 합니다.
수직밀폐형과 우물형 지열히트펌프시스템은 각각 장단점을 가지고 있으며, 적용 환경 및 조건에 따라 적합한 방식을 선택하는 것이 중요합니다. 또한, 시스템의 효율적인 운영과 하자 발생 최소화를 위해서는 설계, 시공, 유지관리에 대한 전문적인 지식과 기술이 요구됩니다.
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