1. 머리말

신재생에너지 열 이용(신재생에너지 열 이용)을 추진하는 정책이 2021년 개정된 에너지기본계획, 지구온난화대책계획, 파리협정에 기초한 성장전략의 장기 전략에 적혀 있다. 여기서 신재생에너지 열이란 지중열 외에 태양열, 바이오매스열, 하수열, 하천열, 해수열, 온천열, 설빙열을 가리킨다. 신재생에너지 열에는 각각의 특성이 있는데 그 중에서 장소와 시간을 불문하고 냉난방 등에 이용할 수 있는 것이 지중열이다.

2. 지중열이란

지중열은 연중 내내 온도 변화가 적은 땅속에 있는 에너지다. 여름과 겨울 혹은 밤과 낮의 지상과 땅속의 온도차에 주목하면 효율적으로 이용할 수 있다. 지표 부근은 일사 등의 영향으로 계절 간에 온도가 변화하지만 어느 지역이든 10m 정도의 깊이에선 연중 온도가 일정(불변온도)하고 그 온도는 연평균 기온(도쿄 16℃)에 가깝다<그림 1>.

지표 부근의 에너지는 지구로 쏟아지는 태양 에너지에서 유래한다. 또한 10m 이상의 심부(深部)에서 지하수 흐름의 영향이 없을 경우에는 그 지역의 지열구배(geothermal gradient)에 따라 지온이 완만하게 상승한다(일본의 일반적인 지열구배는 100m에서 3℃ 정도 상승). 이는 지구 내부의 열원에 기인하지만 지중열에 대한 기여도는 작다. 일본의 경우 지중열은 수m~100m 정도의 깊이에서 이용된다.

3. 지중열 이용 방법

지중열 이용 방법을 이용 원리 및 이용 기기에 기초해 구분하면 히트펌프를 사용하는 방법(지중열 히트펌프 시스템), 열전도로 이용하는 방법, 공기순환을 통해 지중에서 열을 교환하는 방법, 물 순환에 의해 지중열을 이용하는 방법, 히트 파이프를 사용하는 방법으로 크게 나뉜다<그림 2>.

본고는 그 중에서 히트펌프 시스템을 중심으로 다룬다. 지중열 히트펌프 시스템에는 지중열교환기를 이용하는 클로즈드 루프와, 지하수와 열 교환하는 오픈 루프의 두 가지 방식이 있다. 뒤에 기술하는 바와 같이 이 같은 시스템은 최근 ZEB에 적용되는 사례가 증가하고 있다. 그리고 공기순환으로 분류된 방법도 건물의 환기시스템과 연결해 피트라든가 매설한 접지튜브 등으로 외기를 통해 땅속과 열 교환하는 시스템으로서 ZEB에 채택되는 사례가 늘고 있다.

4. 최근의 시장동향과 도입사례

지중열의 5가지 이용방법을 합한 도입건수는 2019년 현재 8,347건(누계)으로, 최근 10년 동안에 약 2배 증가했다<그림 3>.

이들 중 히트펌프 시스템의 성장세가 커서 10년간 도입건수가 누계치로 약 3배 성장한 지중열 히트펌프 시스템은 다양한 시설에 도입되고 있다. 

공조로 이용하는 곳으로는 주택, 사무실, 청사, 점포, 학교, 유치원, 보육원, 복지시설 등이 있고 공조 외에 급탕도 포함한 이용 장소로는 병원·의료시설, 복지시설, 온욕시설, 스포츠시설 등이 있다. 2019년도까지 누적된 도입 건수는 2,993건이다<그림 4>.

최근의 도입사례를 보면 올림픽·패럴림픽이 열렸던 아쿠아틱스센터(600kW), 아리아케 아레나(550kW), 무사시노모리 종합스포츠 플라자(461kW)의 3개 시설에서 지중열을 이용하고 있다. 

3곳 모두 보어홀을 지중열교환기에 사용한 클로즈드 루프의 지중열 히트펌프 시스템이다. 

이들 시설에서 지중열은 기본 열원으로 이용되고   피크에 대응하는 부분에는 가스가 사용된다.

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전체 기사는 2023년 3월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

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