일반 지열 시스템의 냉방시 지중 방열량과 난방시 지중 채열량의 불균형 해소를 위해 분산 방열이나 응축열 회수를 활용하면 지중열교환기 천공수를 최소화할 수 있다는 의견이 제시됐다.

유병기 유천써모텍 상무는 12월 5일 대한설비설계협회 ‘2023 동계 최신 설계기술 세미나’에서 ‘냉방 응축열 회수 히트펌프 이용한 지중열원 설계 최적화 기법’ 발표에서 이같이 밝혔다.

히트펌프 지중열원의 온도 상태를 이상적인 운전조건과 실제 운전조건에서 비교하면, 이상적인 지중열원 설계 조건에서는 보통 지중온도는 냉방시 30℃, 난방시 5℃로 기준을 잡는다. 이러한 조건에서 지중의 방열과 채열이 밸런스가 유지되면서 지중열교환기 천공 수량도 최적화된다.

하지만 실제 운전시 지중온도는 냉방시 30℃가 가능하지만 난방시에는 10~15℃ 사이에서 형성되고 있다.

유병기 상무는 이런 현상이 발생하는 이유에 대해 “냉방시 지중에 방열되는 양이 난방시 지중에서 채열되는 양보다 훨씬 크기 때문에 이러한 언밸런스가 발생되며 또한 이러한 언밸런스로 인해 열교환기 수량이 상당히 과다하게 설계되는 문제점이 발생한다.”고 언급했다.

신재생에너지 1000kW 기준으로 히트펌프의 냉난방 용량에 따른 지중열교환기 천공(200m 기준)수의 변화 요인을 분석한 결과, 냉방부하(1000kW)가 난방부하(600kW) 보다 큰 경우에는 약 88공이, 또 냉방부하(1000kW)는 동일하게 유지하고 난방부하에 급탕부하를 추가해 1000kW로 늘렸을 때 4공이 줄어든 84공이 나왔다. 반면 인위적으로 냉방부하를 800kW로 줄이고 난방과 급탕부하를 1000kW로 유지했을 때는 65공으로 천공수가 현격하게 줄어드는 것이 확인됐다.

유병기 상무는 “하절기 냉방시 지중에 방열되는 응축 열량을 줄일 수 있는 방법으로 냉방 응축열 분산방열 기술과 고온 회수 활용 기술을 검토했다.”라며 “하절기 냉방운전시 히트펌프 냉방용량 1000kW, 응축열량 1200kW일 때 240kW를 분산 방열이나 응축열 재이용 등을 이용해 응축열을 흡수하고 지중에는 약 960kW의 열량만 방열하게 되면 지중열원 이용 히트펌프는 1000kW에서 800kW로 용량 감소 효과를 기대할 수 있다.”고 밝혔다.

유 상무는 구체적인 하절기 지중 방열량 절감기술로 △냉방 응축열 분산방열(냉각탑 & 지중방열) △냉방 응축열 고온회수 급탕가열 △냉방 응축열 고온 회수 데시컨트 재생에 대해 소개했다.

냉방 응축열 분산방열(냉각탑 & 지중방열) 기술은 냉방 COP 4.8로 지중열원만 운전했을 때보다 COP는 0.2 저하되지만 응축열 분산 방열로 지중 열교환기를 상당 부분 절감할 수 있다.

냉방 응축열 고온회수 급탕가열 기술은 모든 응축열을 지중에 방열하지 않도록 급탕으로 100% 회수한다. 여기에는 성층화 기술을 활용한 냉매 과냉각 기술을 적용했을 때 냉방 COP 4.5로 지중열원 COP와 비교해 크게 저하되지 않는다. 또한 냉방과 급탕을 합한 TER은 약 9.2로 시스템 COP는 상당 부분 개선되는 것이 확인됐다.

냉방 응축열 고온 회수 데시컨트 재생 기술은 냉방 응축열을 65℃까지 고온 회수해 80℃까지 데시컨트로 재생하는 시스템으로 60%는 데시컨트의 재생열로 활용하고 나머지 40%는 지중으로 방열하게 된다. 이 시스템의 경우 히트펌프 COP가 아닌 냉방 시스템의 COP 5.6으로 지중열원을 100% 사용하는 것보다 오히려 COP를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

유병기 상무는 “일반적인 지열 시스템 냉방시 지중 방열량과 난방시 지중 채열량의 불균형 해소를 위해 분산 방열이나 응축열 회수를 통해서 지중에 방열되는 열량을 줄이고 난방시에 급탕을 지중열원으로 활용함으로써 채열량을 늘리게 되면 냉방시 지중방열과 난방시(동절기) 채열량 밸런스는 유지하면서 천공수를 최소화할 수 있다.”고 강조했다.