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질문
(전문-노홍구-15/30) 지열기술의 연구개발에 관심이 있다. 관련 기술소개를 해달라.

(요약/배경) 가스난방기, 전기 난방기의 효율은 기술의 진보로 더이상의 개선의 여지가 많지 않다. 하지만 에너지의 이동에 의한 공간 냉난방 기술인 히트 펌프는 전력을 주 에너지원으로 하여 직접 에너지를 전환 하지 않고 에너지를 공간 이동 시키는 기술, 즉 냉매의 기화열과 액화 열의 원칙에 의거, 공급원과 수급원의 온도차이와 증기압축기의 압축력으로, 공급원의 낮은 온도 쪽의 저압의 기체를 압축하여 고압의 기체만들어 수급원으로 옮겨, 액화 시킴으로써 액화 열을 방출 하여 난방을 하고, 역으로 작동시켜 저압에서 기화 열을 흡입 함으로 써 냉방을 하는 기술이다. 이 기술은 공기열 또는 지열 히트 펌프로 널리 알려 져 있으며, 그 효율은 지열의경우 300-600%, 공기열의 경우는 150-300 %에 달하는 것으로 알려져 있다. 지열이 에너지절감에 유효함으로 이에 대한 기술내용이 필요함.

 

 

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답변

(지열이란?) 지중(토양, 지하수, 지표수 등)이 태양 복사에너지나 지구내부의 마그마 열에 의해 보유하고 있는 에너지로서, 이용분야는 직접이용(발전 등)의 경우, 약 80℃의 온수나 증기를 끌어올려 전기를 생산하는데 활용하는 기술을 말하며 화산지역 등에 유리하다. 간접이용(냉난방 등)의 경우, 땅 속의 중저온(15℃)을 열펌프와 같은 에너지변환기기의 열원으로 공급하여 냉난방에 활용하는 기술을 말한다.



그림1. 수직형/수평형/우물관정형 지열기술


(지열기술의 종류) 수직형(Vertical Ground-coupled System) 지열기술은 지중에 수직으로 PE파이프를 설치하여 부동액이 순환하면서 열을 방출 또는 흡수하는 방식임. 이의 특징은 가장 일반화된 시스템이며, 지중 열교환기 설치면적이 넓다. 또한, 초기투자비가 높고 소형 건물에 적합하다. 수평형(Horizontal Ground-coupled System) 지열기술은 지중에 수평으로 PE파이프를 설치하여 부동액이 순환하면서 열을 방출 또는 흡수하는 방식임. 이의 특징은 넓은 설치면적이 필요하고, 외기에 영향을 받는다. 초기투자비는 수직형에 비해 저렴한 편이다. 우물관정형(SCW, Standing Column Well) 지열기술은 하나의 관정에서 지하수를 끌어올려 열교환 후 다시 그 관정에 주입하는 방식임. 특징으로는 열교환기 설치면적이 가장 작고, 지하수를 이용하여 가장 효율이 우수하고 암반이 잘 발달된 지역에 적합하며 특히, 대지면적이 작은 도심지역에 좋다.(그림1.)


(지열기술시스템의 구성 및 작동방식) 실험시설하우스에는 소형 축열 탱크나 히트 펌프의 응축기로 부터 가열된 약 40-50 도의 따뜻한 물이 시설 하우스 안으로 공급 되어 열을 공급하면서 회귀하는 물은 회수탱크로 돌아온다. 설비 시설내의 온도가 일정이하로 떨어지면, 순환 펌프가 작동하여 축열탱크로 부터 열을 설비시설 내로 공급하게 된다. 축열탱크의 온도가 설정온도 보다 떨어지면, 히트 펌프가 작동하여 지열을 받아 축열탱크의 온도를 높이게 된다. 지열은 지열판 시설을 통해 주변 지층으로 부터 공급 받아 미지근한 온도 (5-10 도)로 히트펌프의 증발기 내로 유입열(약 5도정도)을 방출한후, 다시 지층으로 돌아와 지열판을 통해 열을 채취 하는 과정을 반복한다. 증발기에서는 물로서 받은 열로 증발기 내의 냉매를 기화 시킨다. 기화된 냉매는 컴프레서를 통해 고압가스로 압축되고, 이 고압가스가 응축기를 통하는 동안 액화 되어 기화열을 방출 하고 팽창벨브를 통해 다시 증발기로 유입 기화되는 과정을 반복한다. 응축기로 부터 발산된 기화열은 회수 탱크로 부터 축열탱크공급한다. 역으로 하면 냉방이 된다.



그림2. 지열기술시스템의 구성/작동


 


Tip : 지열기술은 수직형, 수평형, 우물관정형 등이 있으며, 각 지열기술별로 특장점을 가지고 있음.


 


<참고자료>다음의 인터넷 사이트를 참고하면, 지열기술에 관련한 사항을 참고할 수 있음.


http://blog.63realty.co.kr/130


 


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(전문-노홍구-14/30)


https://www.creativekorea.or.kr/intellect/view/20170417000008