지열 및 수열을 이용한 코일 침적형 히트펌프 시스템 기술 [적용분야 : 건축설비]

지열 및 수열을 이용한 코일 침적형 히트펌프 시스템 기술 [적용분야 : 건축설비]

신기술인증서(NET) 제0604호
공단 등록번호 : 2012-0032

(주)수성엔지니어링 [문의처 : T.051-324-6992, E-mail:trexergy@hanmail.net, 담당자 : 이동건 연구소장]



1. 코일 침적형 히트펌프의 개발취지

물은 모든 만물의 근원이고 에너지의 기본이며 열용량도 큰 물질이므로 물의 에너지를 가장 잘 해석하고 이용하면 이것이 바로 친 자연설계, 시공기술이라 할 수 있다.

최근 지구온난화의 영향으로 지구환경이 급변화고 있다. 그래서 이제는 가을과 봄이 없어진 대신에 겨울과 여름으로 나누어지고 특히 겨울철에는 혹한기가, 여름철에는 혹서기가 길어지고 있고 또한 빗물이 단시간에 폭우로 내려 하수구가 범람하여 국가적 재난이 일어나고 있다. 이러한 자연환경에 대처하고자 정부의 각 부처에서는 여러 가지 대처방안을 내놓고 있다. 그렇지만 이러한 정책들이 현장적용 및 실용면에서 국민속으로 다가가기는 아직 여러 가지 어려움이 많이 산재되어 있다.[폭우시 빗물저류조, 폭설시 제설(융설)시스템]

현재 자연에너지 즉 신,재생에너지를 이용하는 기술들은 효율성(성적계수)은 있지만 경제성이 없어 국민들에게 보급 확산하는데 큰 어려움이 많다. 이러한 문제점들을 보완한 기술들이 하루 빨리 연구,개발되어 국민들에게 보급 확산하는 것이 연구자 및 과학자들의 의무이며, 이것이 녹색성장, 탄소저감의 길이라 생각한다. 모든 생명체들은 자생하기 위한 필수 환경에너지들이 있어야만 한다. 즉 식수 및 생활용수, 공업용수, 가공용수, 작물에 필요한 용수 등으로 성장, 가공되며, 대부분 1차 에너지원으로만 사용 후 버리고 있는 물은 깨끗하지는 않지만 양질의 열에너지원을 가진체 재활용하지 못하고 버려지고 있는 실정이다. 이러한 양질의 에너지를 먼저 이용하고 부족시 값비싼 신재생에너지를 이용하는 에너지정책이 바람직하리라 사료된다.

특히 최근에 빗물 저류조가 각 산업 현장마다 법적으로 갖추도록 요구되고 있는데 이 저류조에 내재되어 있는 온도차에 의한 막대한 미활용 에너지를 다목적으로 이용함으로 경제성과 효율성을 동시에 높인 국가에서 인증한 신기술 입니다.


2. 코일침적형 히트펌프 시스템 개요

가. 지열히트펌프는 선진국을 중심으로 최근 급속도로 발전·확산되고 있는 난방법으로 계절간 온도 변화폭이 큰 공기원 열펌프에 비해 그 효율성이 높고 안정되며, 특히 전기난방장치나 온수기에 비해서는 그 효율이 3~5배 이상 높기 때문에 구미선진국을 중심으로 적극적으로 국민들에게 권장하고 있는 난방법이다.

나. 지열히트펌프의 효율이 모든 면에서 탁월하고 대체 에너지로서 완전 무공해이며 친환경적 방법이지만 타 시설에 비해 초기 설치비가 높은 문제점과 천공에 따르는 설치 면적이 필요하며, 지중 150m 이상의 천공에 따르는 공사기간의 증가 및 때에 따라선 지하수 사용에 따르는 법적 규제를 받기에 확산 보급에 다소 어려움이 있다.

다. 본 제품은 이러한 문제를 해결하기 위하여 개발된 제품으로서, 지하 2~3m 깊이에, 열용량이 가장 큰 물을 매설된 물탱크에 설계용량만큼 저수하여, 그 속에 증발용 침적형 열교환기와 과냉용 침적형 열교환기를 설치하여 난방 사이클을 구성함으로 천부지열(지하 2~5m)을 이용할 수 있게 하는 것이 핵심기술이다.

    1) 지하 150m이하까지 천공하는 수직·밀폐형은 충적층구간과 암반구간에 분포하는 연중 비교적 일정한 열원을 이용하나, 본 기술은 충적층구간의 연중 비교적 일정한 열원을 이용한다.

    2) 충적층구간의 지중온도는 천부 지하수면의 분포 심도에 따라 다소 차이가 나지만 평균 최저온도가 11.7℃ 이상으로, 일정한 온도 분포를 가지고 있다.

    3) 매립된 물탱크를 이용한 코일 침적형 열교환기 히트펌프는 안정적 사이클 구현을 위해 기존 히트펌프와 다르게 설계 제작할 필요성이 있었으며, 그 첫째로는 기존 히트펌프의 증발기에 사용된 판형, 쉘앤드튜브, 이중관 열 교환기를 사용하지 않고 나관을 이어서 연결한 코일 번들형 열교환기를 사용하였으며,
둘째로는 냉매의 최적화된 흐름을 유도하기 위해 난방 사이클임에도 과냉 시스템을 히트펌프 사이클에 접목시켰다. 셋째로는 물탱크 내 수온의 급격한 저하를 방지하기 위해 실내 폐열을 물탱크 공급열원으로 활용할 수 있게 하 여 축열 시스템을 반영하였으며, 넷째로는 물탱크 내 교반펌프를 설치하여 증발기효율 향상 및 극한의 상황에서 물탱크 내 증발기 주변의 동결을 방지하게 하였다.

라. 지열에너지 설비란 :
물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 변화시켜 에너지를 생산하는 설비라고 법적으로 규정하고 있다(시행령 제2조 신재생에너지설비 제9조)


3. 코일침적형 히트펌프 시스템 특징

가. 수직·밀폐형에 비하여 작업 공정이 간단하며, 공사비용이 저렴하다.

나. 기존의 지열히트펌프는 증발기로 주로 판형 열교환기를 사용하기에 수온이 5℃이하에서는 동결로 인한 판형 열교환기의 파손 우려가 있어 열원수 사용에 제한이 있으나, 본 기술에서는 물탱크 내 물이 동결할지라도 파손이 아니라 오히려 물의 응고잠열을 열원으로 활용 난방시스템 가동이 가능하도록 시스템을 구성했다.

다. 기존 지열히트펌프와 달리 난방시 과냉 시스템을 접목함으로 냉매 흐름을 원활하게 함으로 증발기의 효율을 향상시켜 저온의 지열에너지 흡수를 용이하게 하였다.

라. 기존의 지열히트펌프는 축열 시스템을 적용하기 위해서는 별도의 축열조를 설치하여야 하나 본 기술에서는 축열조의 역할을 매설된 물탱크가 함으로써 축열 시스템설치가 용이할 뿐만 아니라 부하측에 존재하는 미활용 에너지를 열원측에 축열 시킴으로서 에너지 선 순환이 가능하게 하였다.

마. 현장 여건에 알맞은 최적의 열원을 먼저 이용하고, 부족시 가장 경제적인 열원순으로 재해석해서 설계에 반영하여 시공하는 기술이다.

바. 기존 냉난방시스템에서도 지하의 집수정만 있으면 적용이 가능하다. 저렴한 가격으로 시스템을 변경 시공할 수 있다.

사. 일반 건축물에서도 지하수조, 생활수조, 소화수조, 급수조의 열원을 이용해서 설계 변경하여 시스템을 적용할 수 있다.


4. 시공사진

가. 고추 비닐하우스농장 시스템 설치 사진(경남 밀양시 무안면, 300평, 25RT)


[지중 매설 물탱크 매설 전(1)]

 
[지중 매설 물탱크 매설 전(2)]


[침적형 열교환기(증발, 과냉) 설치]


[히트펌프 유니트]


[지중 매설 물탱크, 히트펌프 유니트]
 

[하우스 내 온수 분배기]

나. 실증실험용 시스템 설치 사진

1) 장소 : 농촌진흥청 국립원예특작과학원 시설원예시험장(부산시 강서구 대저동)
2) 이 시스템은 지식경제부 제0604호(2012년04월26일) 인증 신기술로 현재 국가기관인 농촌진흥청과 공동으로 실증실험중으로 1작기 난방실험,2작기 냉방실험이 완료되었고, 3작기 난방실험중에 있는 기술임


[코일 & 물탱크 현장 설치]
 

[히트펌프 유니트 현장설치]


[시설원예시험장 온실내 배관설치작업]


[시설원예시험장 외부 배관설치작업]


5. 시공실적

시공실적

번호	발주처	공사명	공사기간	비고
1	밀양 고추 농장	코일침적형 히트펌프 시스템	2010.12-2011.01	완료
2	시설원예시험장	지중저수열을 이용한 온실용 냉난방시스템	2011.12-2012.01	완료
3	농진청	지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템	2012.10-2012.11	시공중
4	경상남도	지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템	시공 예정	설계반영

6. 철도 역사 건설공사에서의 활용 전망

가. 지중 매설 물탱크와 코일 침적형 열교환기를 이용한 히트펌프 시스템은 타 지열 원시스템에서 사용하는 천공 및 트렌치공사를 통하지 않고 지중 매설된 물탱크에 저수된 물을 이용해 증발기의 열원으로 활용함으로 기존 지열히트펌프 시스템에 비해 공사기간 및 시공비를 절약할 수 있는 기술이다. 부족분의 열원만 지하수로 이용하는 시스템임.

나. 통상의 지열히트펌프의 에너지비용 중 열원측 순환펌프의 동력비 비중이 높은 편이다. 이는 적게는 3~4개 많게는 수십개의, 깊이 150m이상의 천공에 설치되어 있는 열교환 P.E파이프에 열교환용 순환수를 돌리기 위해서이다. 본 기술은 지중 매설된 물탱크의 내에 증발용 열교환기가 수중 설치되어 직접 열교환하는 직팽식임으로 열원측 순환수가 필요 없으며, 따라서 열원측 순환펌프 동력을 절약할 수 있다. 이로 인해 전체 시스템 소요 동력이 감소되므로 운영자의 운영비를 절감 하게 해준다.

다. 물-물 지열히트펌프의 경우 보통 판형열교환기를 사용하여 열교환 하나, 당사 제품은 열원측열교환기를 코일 침적식으로 설계, 시공하고 또한 과냉 열교환기를 추가 설치함으로서 과냉각도를 크게하여 플래쉬 가스 발생을 최대한 억제함으로 냉매 흐름을 원할히 하여 효율의 향상을 도모하였다.

라. 보통의 지열히트펌프는 축열을 위하여 별도의 축열조를 설치하여 운용하나 본 기술에서는 지중에 매설된 물탱크가 축열조의 기능을 일부 담당함으로 시스템의 단순화를 통한 효율성을 증대시켰다.


철도산업정보센터