자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 이홍원

화석연료의 가격상승과 기후변화의 대응책으로 전 세계적으로 신재생 에너지 개발과 활용에 대한 관심이 확대되고 있다. 특히 지열 히트펌프(GSHP: Ground-Source Heat Pump)는 새로운 청정 건물난방 방식으로 땅속에 저장된 재생에너지를 이용하는 가장 효율적인 건물난방 방식 중의 하나이다.

이에 본지에서는 친환경적이고 효율적인 지열 히트펌프 시스템과 그 이용에 대해 알아보았다.   <편집자 주>

1. 머리말

전력생산 등 화석연료 소비에 기인하는 기후변화는 우리의 미래를 위협하고 있다. 재생에너지 활용은 지구온난화에 대한 실질적인 대책이 되는 동시에 에너지 비용 절약에도 도움을 준다. 지열 히트펌프(GSHP: Ground-Source Heat Pump)는 새로운 청정 건물난방 방식이다. 이 방식은 땅속에 저장된 재생에너지를 이용하는 가장 효율적인 건물난방 방식 중의 하나이며, 모든 종류의 건물, 특히 친환경 용도에 적합하다.

GSHP 시스템은 지중공(bore hole) 또는 얕은 도랑(shallow trenchs)을 이용하거나 호수로부터 열을 추출함으로써 대부분의 지역에 설치가 가능하다. 이 시스템은 땅속의 열을 추출하기 위해 물(소량의 부동액 포함)이나 냉매를 충전한 집열 파이프(heat collecting pipes)를 사용하며, 이를 이용해 공간 난방 및 온수를 공급한다. 또한 하절기의 냉방 공급을 위해 히트펌프를 역사이클로 가동하는 것도 가능하다.

미국 에너지부(DOE)는 미국 내 전기에너지의 2/3와 천연가스의 40% 이상이 건물 내에서 사용되는 것으로 추정했다. 주택과 상업용 건물의 냉난방 및 급탕을 위해 전력의 40% 이상을 소비한다. 미국 환경청(EPA)은 GSHP 이용으로 공기열원 히트펌프 대비 44%, 종래의 전기난방 및 에어컨 대비 72%의 에너지를 감축할 수 있는 것으로 추정했다.

GSHP 시스템에서 필요한 에너지는 단지 펌프 가동을 위한 전력이다. 일반적으로 이 시스템은 시스템 구동에 투입되는 전기에너지의 3~4배에 해당하는 열에너지를 공급한다. 이 방식은 종래 시스템보다 설치비는 많이 소요되지만 고효율의 친환경적인 난방을 낮은 유지비용으로 제공한다. GSHP는 보일러나 방열기 시스템보다 저온의 바닥 난방(underfloor heating) 시스템에 적합하다.

2. 지중 에너지 시스템 (earth-energy system)

지열에너지(geothermal energy)의 원천인 지구 중심핵(core)의 온도는 3,000~5,000℃로 추정된다. 이 열은 방사성원소의 붕괴와 지구내부 암석과 광물에 의한 거대한 중력에 의해 생성된다. 1920년대부터 지열은 상업용으로 이용됐다. 여러 지역에서 간헐천(geysers), 온천, 증기 분출공 등으로부터의 온수 및 증기를 난방용과 일부 발전용으로 이용했다.

태양, 풍력, 수력, 지열 에너지와 같은 재생에너지는 온난화가스(GHG: Greenhouse Gas)를 거의 배출하지 않는다. 지열 냉난방시스템(또는 EES: Earth-Energy Systems, GSHP, geoexchange systems)은 땅속에 매설한 유체충전(fluid-filled) 파이프를 건물과 연결시켜 땅속의 열을 흡수하거나 열전달 시키는 히트펌프 시스템이다. GSHP는 연소를 통해 열을 발생하지 않고, 단지 열을 이동시킨다.

GSHP 시스템은 가장 효율이 높고 깨끗한 저비용 친환경 냉난방시스템이다. GSHP 시스템은 화석연료를 사용하는 종래의 냉난방시스템에 비해 온난화가스 배출은 66% 이상, 전력소비는 75% 정도 감소시킨다. 또한 종래 시스템에 비해 유지보수 비용은 절반으로, 운전비용은 1/4을 줄인다.

3. 히트펌프와 지열 히트펌프

히트펌프는 전기에너지를 사용하여 주변 환경의 자연적인 열 흐름을 저온에서 고온으로 역류시킨다. 영국에서 주택 난방용 히트펌프는 보급 초기단계이지만 기술은 산업에서 널리 이용되고 있다. 유럽 전체로 수십만 개의 가정용 히트펌프 유닛이 사용되고 있다.

히트펌프는 주위의 재생열원을 이용하기 때문에 냉난방 공급을 위한 가장 높은 에너지효율을 제공한다. 서늘하게 느껴지는 공기, 땅 및 물은 태양으로 보충되는 유용한 열을 함유한다. 히트펌프에 약간의 에너지를 가하면 이 열을 사용가능한 수준의 온도로 올릴 수 있다. 또한 히트펌프는 산업공정, 냉각설비, 건물의 환기로부터 폐열원(waste heat sources)을 이용할 수 있다. 일반적인 히트펌프로 100kWh의 전력을 투입하면 자연열원이나 폐기된 열원 200kWh를 300kWh의 유효한 열로 전환시켜 이용할 수 있다.

종래의 수열원 히트펌프는 난방용 열원으로 보일러를 이용하고, 냉방 시에는 냉각탑을 이용한다. 종래의 공기열원 히트펌프는 난방용 열원과 냉방 시의 히트싱크(heat sink)로 외기를 이용한다. 공기열원 히트펌프는 외기의 큰 온도변동 폭에 영향을 받아 효율이 낮다. 이것은 특히 낮은 외기온도에서 현저하다. 또한 열적질량(thermal mass)이 작은 공기를 열전달매체로 사용함에 따라 물 시스템에 비해 효율이 낮다.

히트펌프는 물 대 공기 방식과 물 대 물 방식의 2가지 방식이 있다. 물대 공기 유닛은 전달매체로 물이나 글리콜(glycol) 용액, 그리고 히트싱크와 열원으로 대지를 이용하여 온풍이나 냉풍을 공급한다. 물 대 물 히트펌프는 전달매체로 물이나 글리콜 용액을 이용하고, 히트싱크와 열원으로 땅속을 이용하여 냉수나 온수를 공급한다.

지열난방(geothermal heating)은 전기난방보다 효율적이다. 그리고 일반적으로 가스나 오일연소 난방시스템보다 효율이 높다. 지열난방은 연중 온화한 온도를 지닌 땅속의 열을 이용하기 때문에 큰 폭의 온도변동으로 인해 열전달 효과가 떨어지는 공기열원 히트펌프(air-source heat pumps)보다 에너지효율이 높다.

GSHP는 동절기 열원과 하절기의 주택 냉방 시의 열 방출을 위해 지중(ground)이나 지하수를 이용한다. 직접팽창(Dx: Direct-Expansion) EES는 지중열교환기 내에 부동액 대신에 냉매(refrigerant)를 사용한다. EES는 강제대류나 온수난방시스템 모두에 사용 가능하다. 또한 난방전용, 수동 냉방 및 난방, 능동 냉방 및 난방 방식으로 설계가 가능하다. 수동 냉방시스템은 히트펌프를 사용하지 않고 냉수나 부동액을 순환시켜 냉방을 한다.

또한 지중루프, 히트펌프, 열 분배 시스템의 3개 주요 요소가 있다. 지중루프는 지중공이나 수평 도랑에 매설된 파이프로 구성되며, 이 파이프는 대지로부터 열을 흡수하는 물과 부동액의 혼합액이 순환하는 폐쇄회로다. 지중루프는 지중공, 직선수평 도랑, 나선수평 도랑이 있다.

일부 지중연결 시스템은 지표수나 대수층(aquifer)과 연결된 개방루프(open-loops)의 파이프가 구성되어 열교환기와 수열원(water source) 사이에 직접 물이 이동한다.

GSHP는 저온의 열을 38℃가 넘게 올리고 이 열을 실내로 전달하기 위해 증발, 압축, 응축, 팽창 사이클을 이용한다. 비CFC 냉매가 열전달 매체로 히트펌프 내에 순환한다. 지열 히트펌프는 지중루프 내 물로부터 열을 흡수하는 증발기, 증기냉매를 열 분배 회로에 필요한 온도로 압축하는 압축기, 온수탱크에 열을 넘겨주는 응축기로 구성된다.

열 분배 시스템은 공간난방을 위한 바닥 난방이나 방열기와 일부의 경우, 온수공급용 온수저장기로 구성된다. 설비비용은 시스템에 따라 다르지만, 1,500~3,000$/RT(425~840$/kW)이다.

종래 시스템에 비해 GSHP는 냉방 시 30~50%, 난방 시 20~40%의 에너지를 절약할 수 있어 경제적이다. 또한 일간 온도변화가 심한 지역이나 추운 동절기와 더운 하절기, 전기요금이 비싼 지역, 천연가스가 공급되지 않거나 전기보다 비싼 지역에서 적합하다. 신규 건설이나 노후설비 교체에 모두 적용 가능하다.

따라서 GSHP 적용 시에는 경험과 자격을 보유한 설치기술자를 활용하고, 가능한 토질의 종류와 열전도 특성 분석 등이 필요하다. 또한 시스템에 대한 사후 서비스 보증 확인 및 시스템 설치 및 사용에 관련된 규제여부를 조사해야 한다.

4. 히트펌프 효율

히트펌프는 난방 시 소비전력의 30~40%를 절약할 수 있다. 히트펌프는 온화한 기후 지역에서 가장 효율이 높은 형태의 전기난방으로서 동일한 전력량으로 2~3배 더 많은 난방을 공급한다. 공기열원 히트펌프는 동절기에 －1℃ 이상을 유지하는 온화한 지역에서 사용하는 것이 좋다.

지열 히트펌프는 종래의 공기열원 히트펌프에 비해, 특히 난방과 냉방부하가 비슷한 기후에서 효율이 높고 경제적이다.

히트펌프는 난방과 냉방 양쪽에 용량과 효율에 대한 정격(rating)을 갖는다. 용량등급은 일반적으로 Btu(British thermal unit)/h 또는 RT(1RT=12,000Btu/h)이다. 공기열원 히트펌프의 난방효율은 난방성능계수(HSPF)로 표시한다. 공기열원 히트펌프의 난방모드 성능은 외기온도가 내려갈수록 떨어져 실제의 성능효율은 온화한 기후에서 높아진다. 계절에너지효율비(SEER)는 계절적 냉방성능을 나타낸다.

미국연방 효율규격에서 종래의 히트펌프는 HSPF 6.8 이상과 SEER 10.0 이상의 정격이 요구된다. 고효율의 공기열원 히트펌프는 대개 9.0~10.0의 HSPF와 14 이상의 SEER 정격을 갖는다. EES도 공기열원 히트펌프와 같은 효율정격이 있다. 지하수나 개방시스템(open system)의 EES는 3.0~4.0의 난방 COP와 11.0~17.0의 냉방 EER를 갖는다. 폐쇄시스템(closed system)은 2.5~4.0의 난방 COP와 10.5~20의 EER을 갖는다.

지난 5년 동안 EES의 효율은 획기적으로 개선되었다. 현재 압축기, 모터, 제어기의 개발에 의해 EES의 효율이 향상되고 있다. 저효율과 중간효율의 EES는 단일속도의 로터리나 왕복동 압축기 등을 사용한다. 중간 효율의 유닛은 스크롤(scroll) 압축기나 새로운 왕복동 압축기를 사용하고, 고효율 유닛은 2단속도 압축기, 가변속 실내 팬모터를 사용한다.

5. 지열 히트펌프의 지중시스템

지중시스템은 히트펌프를 지중에 연결하고 지중으로부터 열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출한다. 이 시스템은 일반적으로 개방시스템과 폐쇄시스템이 있다. 개방시스템에서 지하수를 열 수송 매체로 이용해 히트펌프에 직접 공급한다. 폐쇄시스템에서는 열 수송 매체가 지중의 열교환기를 순환하며 땅속과 히트펌프 간에 열을 수송한다. 열 수송 매체는 대지·지하수와 열교환기의 벽으로 격리된다.

가. 수평루프 시스템(horizontal-loop systems)

수평루프 시스템은 폐쇄시스템 중 가장 설치하기 쉬운 수평 지중열 교환기(지중집열기)이다. 서부 및 중부 유럽에서는 협소한 대지면적으로 조밀한 간격으로 직렬이나 병렬로 매설된다. 땅값이 저렴한 북구나 북미는 루프를 도랑 속에 넓게 설치하는 방식을 선호한다. 지중집열기 설치면적을 줄이기 위해 콤팩트한 집열기가 개발되고 있다.

수평시스템은 지하수면이 있는 충분한 면적의 장소에서 가장 보편적으로 이용된다. 수평시스템은 주로 태양열 복사에 의해 열이 회복되기 때문에 표면이 건물 등에 의해 가려지면 안 된다. 수평 GSHP의 변형으로 직접 팽창(DX: Direct eXpansion) 방식이 있다. 이 방식은 히트펌프 작동매체(냉매)가 지중 집열 파이프를 직접 순환해 열교환 단계의 축소로 열효율이 높다. 프랑스와 오스트리아에서 직접 팽창식은 바닥 난방시스템과 결합된다. DX는 냉매의 직접 사용에 따라 소용량에 사용된다.

나선루프(spiral-loops)는 수평루프 방식의 변형이다. 변형된 나선루프로 좁은 수직 도랑에 설치되는 구조도 있다. 나선루프는 대체적으로 43~87m/kW의 긴 파이프가 소요되지만, 도랑은 다중 수평루프 시스템보다 작다. 수평 나선루프용 도랑은 대개 폭이 0.9~1.8m이고 3.7m의 간격을 띄운다. 수직 나선루프는 15.2cm 폭의 도랑에 매설한다. 나선루프 시스템은 설치비를 절약하고, 대지 확보에 큰 어려움이 없는 소용량 시스템에 적합하다.

나. 수직루프 시스템(vertical-loop system)

15~20m 깊이 아래의 지중 온도는 연중 일정하다. 따라서 제한된 대지에서는 수직 지중열교환기(지중공 열교환기)를 사용한 폐쇄시스템이 유리하다. 플라스틱 파이프(폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌)의 열교환기를 지중공 안에 설치한다. 지중공 내 틈새공간을 충전시킨다.

그러나 스웨덴의 예에서는 단단한 암석에 지중공을 뚫은 경우에 틈새를 충전하지 않고, 지하수가 파이프와 암석 간의 열교환 작용을 한다.

수직의 폐쇄루프 시스템에서 유체와 대지 간 열교환은 지중공 내 물질의 열적성질에 좌우된다. 지중공은 파낸 흙이나 벤토나이트(bentonite) 등의 그라우트(grout)로 충전된다. 지중공 열교환기는 U파이프와 동심 파이프의 2개의 기본 방식이 있다. 한 쌍의 직선 파이프로 구성되는 U 파이프는 2~3개 지중공 1개에 설치되며, 파이프 재질이 싸기 때문에 가장 보편적으로 사용된다.

수직루프는 좁은 대지에 적합하고, 우물은 대개 23~91m 깊이로 뚫는다. 파이프는 토양과 온도조건에 따라 17~52m/kW의 길이가 필요하다. 복수 지중공의 경우, 충분한 열전달을 위해 북부지역은 4.6m, 남부지역은 6.1m 이상 간격을 두고 수직루프를 설치한다. 300~500톤 용량의 경우, 약 4,000㎡의 대지가 필요하다. 이 방식은 폐쇄시스템 중 펌프 소비전력이 가장 적지만, 천공비용이 높고, 지중공 간에 간격이 좁을 때에는 열이 장기간 축적되는 단점이 있다.

다. 침수루프 시스템(submerged loop system)

보통 크기의 연못이나 호수가 있는 곳에는 폐쇄루프를 침수시킬 수 있다. 일부 회사는 지중결합 시스템을 이용하기 위해 연못을 만드는데, 조경의 효과도 얻는다. 이 시스템은 대체로 26.0m/kW의 파이프가 소요되고 79.2㎡/kW 넓이의 수면이 필요하며, 275㎡ 정도의 표면적의 못이 필요하다. 파이프는 물과의 대류 열전달을 위해 수면 바닥으로부터 23~46cm 위에 위치하고, 가뭄과 저수위 시를 고려해 수면 밑으로부터 적어도 1.8~2.4m 떨어지게 시멘트 앵커로 지지된다.

일반적으로 이 시스템은 가뭄과 홍수 등 우려가 있는 강은 이용하지 않는다. 이 방식은 폐쇄시스템 중 필요한 파이프가 가장 짧고 저렴하지만 많은 양의 수자원이 필요하고, 수자원 이용 시 장애가 될 수 있는 단점이 있다.

라. 개방루프 시스템(open-loop system)

개방루프 시스템은 폐쇄루프 시스템의 열전달 유체 대신에 직접적인 열전달 매체로 지하수나 지표수를 사용한다.

이 시스템은 GSHP와 구분하기 위해 ‘지하수 열원 히트펌프’라고도 부르며, 추출 우물(extraction wells), 추출·분사 우물, 지표수 시스템으로 구성된다.

이 시스템의 고려사항에서 첫 번째로 냉매와 지하수 사이 1차 열교환기가 오염, 부식, 폐쇄되는 수질 문제가 있다.

두 번째는 충분한 양의 물 확보 과제다. 냉매와 지하수 간 1차 열교환기에 흐르는 물의 소요량은 0.027~0.054ℓ/s·kW이다. 이 값은 해당지역의 수자원 법규에 따라서 늘어날 수 있다. 세 번째는 방출수의 처리다. 지하수는 별도의 우물로 다시 주입하거나 강이나 호수 등 지표에 배출해야 한다.

이 방식은 우물 구조에 따라 지중결합 구조 중 펌프의 전력소비가 가장 크다. 하지만 이상적인 개방시스템은 지중결합 시스템 중 가장 경제적인 방식이고 대용량 설비에 적합하다. 세계 최대 용량의 GSHP 시스템은 지하수 우물을 이용한 10MW 용량의 호텔과 사무실용 냉난방 시스템이다.

6. 효과

GSHP는 저비용, 고효율, 고신뢰성 및 환경에 안전하고 청정의 냉난방 및 급탕 시스템을 주거 및 상업용 건물에 제공한다. 또한 이 시스템은 전력공급설비의 안정적인 전력공급에도 기여한다. GSHP는 1차 에너지 사용을 대폭 감소시킴에 따라 온난화가스 배출이 감소되어 지구온난화 억제에 기여한다. 그러나 전체 환경에 대한 효과는 사용전력의 종류에 따라 좌우된다. 즉 화석연료에 의한 전기보다 수력이나 재생에너지로 생산한 전기를 사용하는 히트펌프가 유해 배출가스를 현저히 감소시킨다.

지열에너지 시스템은 천연가스, 오일, 전기 난방 유닛보다 설치비가 비싸지만 냉난방 겸용시스템 중 가장 경쟁력이 있다. 주택용 개방루프 수열원 시스템은 평균 $10,000의 설치비가 필요하고, 폐쇄루프 수열원 시스템은 $20,000이 소요된다. 그러나 연간 운전비용은 $850 수준으로서 종래 냉난방시스템의 $2,000 이상에 비해 적게 든다.

7. 맺는말

GSHP 시스템은 냉난방 공급을 위해 열원과 히트싱크로 지중, 지하수, 표면수를 이용한다. 이 시스템은 간접난방 시 3~4, 직접난방 시 3.5~5의 고효율의 성능계수(COP)를 갖는다. GSHP의 큰 장점은 외기온도 변동에 영향을 받지 않는 지중 열원을 사용할 수 있는 점이다. 이 시스템은 대형 냉각탑이 필요 없고 종래의 냉난방시스템에 비해 운전비용이 낮다. 따라서 GSHP는 건물 냉난방용으로 근래에 10%대의 성장을 하고 있다.

고유가와 함께 화석연료 사용으로 인한 심각한 환경문제로 태양에너지, 산업폐기열, 지열수 등 무공해 재생에너지를 이용하는 고효율 친환경 시스템 개발을 위해 많은 노력이 진행되고 있다. GSHP는 건물 냉난방에 적합한 시스템으로서 CO2 배출저감에 크게 기여한다. 지열에너지 이용의 미래는 밝고, 장애들은 극복되고 있다. GSHP 시스템은 전 세계 많은 장소에서 활용될 것이다.

8. 전문가 제언

전 세계적으로 화석연료의 가격상승과 기후변화의 대응책으로 신재생 에너지 개발 및 활용에 대한 관심과 투자가 확대되고 있다. 여기에 재생에너지인 지열에너지(geothermal energy)에 대한 활용은 지구온난화에 대한 대책이 됨과 동시에 에너지비용 절약에도 기여한다. 지열을 이용하는 대표적인 시스템으로 지열 히트펌프(GSHP: Ground-Source Heat Pump)가 있다.

지열 히트펌프는 건물 냉난방 방식 중 가장 친환경적이고 효율적인 방식 중의 하나다. 지열 히트펌프 시스템은 부동액이 함유된 물이나 냉매를 충전한 집열 파이프를 사용하여 땅속의 지중공(bore hole)이나 얕은 도랑(shallow trenchs) 또는 호수로부터 열에너지를 흡수해 공간 난방 및 온수를 공급한다.

또한 일반적으로 시스템 구동에 투입되는 전기에너지의 3~4배에 해당하는 열에너지를 공급한다. 따라서 지열 히트펌프는 종래 시스템보다 설치비는 많이 소요되지만 에너지비용을 대폭 줄일 수 있다. 그리고  히트펌프는 사이클 내 냉매흐름 방향을 전환함으로써 냉방과 난방이 한 시스템으로 가능하다. 이에 따라 난방기와 에어컨시스템을 별도로 설치할 필요가 없고, 난방 시 먼지나 매연 발생이 없다.

미국 에너지부(DOE)의 자료에 의하면 미국 내 전기에너지의 2/3와 천연가스의 40% 이상이 건물 내에서 사용되고, 주택과 상업용 건물의 냉난방 및 급탕을 위해 전력의 40% 이상이 소비된다. 에너지수입 비용이 방대한 우리나라는 특히 건물의 냉난방 및 급탕 분야에 있어 에너지절약이 시급하다. 따라서 지열 히트펌프의 보급 확대가 필요하다.

특히 우리나라는 겨울철 혹한기의 성능저하로 히트펌프가 본격적으로 보급되기 어려운 기후조건을 갖고 있다. 따라서 지열에너지를 이용하면 이 문제를 대폭 개선할 수 있다. 따라서 지열 히트펌프의 개발과 보급 확대가 요구된다. 또한 이를 뒷받침하는 지열이용 관련 법규 정비와 개발 지원책이 필요하다.