지열원 열펌프 시스템의 에너지 절감 및 온실 가스 저감 효과에 관한 연구

Abstract

In Korea where more than 25% of the entire energy is consumed in the buildings, the geothermal energy is considered as a new recycling energy resource for cooling and heating. The geothermal heat pump system is designed to use the geothermal resource as heat source or heat sink. It consists of ground heat exchanger and heat pump. The geothermal heat pump operated for cooling cycle absorbs the indoor heat and thereby, exhaust it into the outdoor through the ground heat exchanger. In contrast, the geothermal heat pump for heating cycle absorbs the heat from the outside and exhausts it into the indoor. The advantages of this system are less energy consumption than the air source heat pump, no parts exposed to the air and relatively less consumption of the coolant. In addition, the geothermal heat functioning as heat sink and source is more stable than the air. The purpose of this study is to survey the cases of the heat pump systems using the geothermal heat or one of the new and recycling energy resources and thereupon, analyze the annual energy saving and green heat gas reduction of the geothermal heat pump system, compared with the conventional cooling and heating systems using the oil. For this purpose, the researcher sampled a dormitory building of 4,794㎡ floor area which had been heated around the clock during inter-seasons and winter, while being served by an instant water heating system around the year, and thereby, replaced its heating and instant water heating systems using the oil with the geothermal heat pump system. One year after the replacement, the researcher collected the data about operation of the heat pump, and thereupon, compared the energy consumption before and after operation of the heat pump system to confirm the energy saving and green heat gas reduction of the geothermal heat pump system compared with the oil-using heating system.; 최근 우리나라는 중동지역의 분쟁 및 전세계 에너지 수요증가로 인한 에너지 가격상승에 의하여 에너지 수급에 많은 어려움을 겪고 있으며, 이에 대한 해결방안으로 에너지 절약과 함께 미활용 에너지를 유용한 에너지로 전환하는 신·재생에너지 기술에 대한 기대와 의존도가 점점 높아지고 있다. 전체에너지의 25%이상을 건축물에서 소비하는 우리나라의 현실에서 냉난방을 위한 신재생에너지로 고려되는 것이 지열에너지이다. 지열(地熱)을 이용한 열펌프 냉·난방 시스템은 일정한 열원을 가진 무한 청정에너지를 활용하는 시스템이다. 지중열은 지하 약 10m정도까지는 지표면 온도의 변화에 따른 영향을 받지만 지중 약 200m 정도까지의 비교적 심도가 얕은 지층에 있는 열에너지는 지표면 온도의 영향도 거의 받지 않으며 연중 약 13~15℃ 정도의 온도 상태를 유지한다. 지열원 열펌프 시스템은 이 무한한 지열에너지를 이용하여 냉·난방을 위한 에너지를 수급하는 것이다. 지열원 열펌프 시스템은 지열원을 히트소스(Heat Source) 혹은 히트씽크(Heat Sink)로 이용하는 시스템이며, 지중 열교환기(Ground Heat Exchan ger , GHE)와 열펌프(Heat Pump)로 구성된 시스템이다. 본 연구의 목적은 신·재생에너지의 한 분야인 지열을 이용한 열펌프 시스템의 설치 사례를 통하여 기존 유류 에너지 대비 연간 에너지 절감 및 온실가스 배출량 저감의 실증 효과를 분석하는 것이다. 연구 대상 건물은 간절기 및 동계 24시간 난방 운전 및 연중 급탕을 사용하는 기숙사로 기존 사용하던 유류보일러 시스템을 지열원 열펌프 시스템으로 교체하였다. 지열원 열펌프 설치 전 후의 에너지 사용량을 비교하여 유류에너지 대비 지열원 열펌프 시스템의 운전비 절감 및 온실 가스 저감 효과를 확인하였으며 각 장의 내용은 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구 방법 및 범위에 대해 기술하였다. 제 2장에서는 지열에너지의 개요 및 이용기술에 대해 설명하고 지열원 열펌프 시스템의 개요, 설계 및 시공 과정과 보급 현황에 대해 기술하였다. 제 3장에서는 지열원 열펌프 시스템 설치 사례의 현황 분석 및 설치의 개요, 설계 및 시공과정을 기술하였다. 제 4장에서는 지열원 열펌프 시스템의 운전 결과를 파악하여 기존 에너지 사용량과 비교 분석, 연간 에너지 절감량 및 온실 가스 감축량을 산출하고 경제성 분석을 하였다. 제 5장에서는 분석 후 얻어진 결과를 종합하여 결론을 도출하였다.