안녕하세요. 날씨가 많이 추워졌습니다. 이런 날씨에 우리의 곁을 따듯하게 해주는 것이 난방시스템인데요. 오늘은 냉난방 시스템 중에서 지열 시스템에 대해 알아보도록 하겠습니다. 제가 근무했던 현장에는 운이 좋게도 지열 히트펌프 시스템이 들어가 배워볼 수 있는 기회가 있었는데요. 그 과정에서 배웠던 것들을 계통, 작동원리, 시공법, 시운전 시 주의사항 등으로 나눠 글을 써보도록 하겠습니다.
1. 지열에너지와 지열 히트펌프 시스템의 정의 (EHP와 차이)
1) 지열 에너지란
지열 에너지란 지중(토양, 지표수, 지하수 등)이 태양의 복사 에너지나 지구 내부 마그마의 열에 의해 보유하는 에너지를 의미합니다. 지열 에너지는 지하깊이와 열생성원리 따라 천부지열과 심부지열 두 가지로 나눌 수 있습니다.
천부지열은 태양의 복사열 중 약 47%가 지표면을 통해 지중으로 저장되어 생성된 열에너지를 의미합니다. 천부지열은 지형마다 다르지만 지표면과 가까운 지하 150m ~ 300m 사이 구간에서는 약 10 ~ 20℃ 정도의 온도가 연중 거의 일정하게 유지됩니다.
심부지열은 마그마로부터 나오는 고온의 열이 전도되어 생성된 열에너지를 의미합니다. 지하 300m ~ 수 킬로미터 깊이에 저장되어 있으며 40℃ ~ 150℃ 이상의 온도를 유지합니다.
쉽게 정리하면 지열 에너지란 태양의 복사나, 마그마 등으로 인해 생성된 땅속의 열에너지이며 이 땅속의 온도는 연중 거의 변하지 않는 특성을 가진다고 설명할 수 있겠습니다.
2) 지열 히트펌프 시스템이란
지열 히트펌프 시스템은 영어로 "GSHP, Ground Source Heat Pump" 또는 "Geothermal Heat Pump" 라고도 하는데, 연중 약 10~20℃로 일정한 지열과 열교환하는 지중 열교환기(Ground Heat Exchanger)와 열펌프(Heat Pump)를 사용한 냉난방 겸용 시스템을 의미합니다. 냉방 시에는 실내기에서 흡수한 열을 지중 열교환기를 통해 10~20℃의 지중으로 방출하고, 난방 시에는 10~20℃의 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급하게 됩니다. 즉 간단히 정리하면 연중 10~20℃로 일정의 땅의 온도를 이용하여 여름에는 실내의 온도를 낮춰주고, 겨울에는 온도를 높여주는 시스템이라고 할 수 있습니다.
지열 히트펌프 시스템은 방식에 따라 밀폐형과 개방형으로 나누게 되는데, 밀폐형은 지중에 밀폐된 순환 계통의 배관을 설치하여 열매가 순환하며 열교환을 하는 방식입니다. 개방형은 지하수, 지표수 등에 개방된 배관계통을 설치하고 심정펌프 등으로 순환시켜 지중(지하수, 지표수)의 지열을 직접 사용하는 방식입니다. 금회 포스팅에는 밀폐형 지열 히트펌프 시스템에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.
3) GSHP(지열 히트 펌프)와 EHP(전기 히트 펌프)의 차이점
여기서 조금더 지열을 이해하기 쉽게 우리가 일반적으로 사용하는 에어컨과 비교해 보도록 하겠습니다. (참고로 일반적인 에어컨을 보통 EHP(Electric Heat Pump) 시스템이라고 합니다. 그 이유는 전기를 사용한 모터를 이용하여 열교환을 하기 때문) 아래 사진을 통해 설명하면, 실내기와 냉매배관까지는 GSHP와 EHP가 같은 냉매와 동관을 하는 등 동일하게 구성되어있습니다. 그러나 실외기에서 차이점이 발생합니다.
EHP의 경우 전기 모터를 사용하여 휀을 돌리고 이로 발생한 바람으로 냉매의 열을 실외로 방출하게 됩니다. 냉매를 바람으로 식혀주는 공냉식으로 설명할 수 있으며, 우리가 흔히 볼 수 있는 에어컨 실외기에서 바람이 나오는 이유가 될 수 있겠습니다. 그러나 GSHP의 경우 지열실외기에서는 전기모터의 휀 대신 지중열교환기에서 순환되는 열매(부동액)가 실내기의 냉매와 열교환하여 냉매의 열을 흡수하고 이를 다시 지중열교환기에서 지중으로 방출하는 과정을 반복합니다. 열매는 보통 물을 사용하기 때문에 GSHP는 수냉식으로도 설명할 수 있겠습니다.
실제로 현장에서 보면 실내에 설치되는 실내기는 EHP나 GSHP가 동일하여 구분이 불가합니다. 그러나 실외기 열펌프 방식이 EHP는 휀을 사용한 공냉식, GSHP는 순환펌플 사용한 수냉식으로 차이가 있다는 것을 알 수 있습니다.
2. 지열 시스템의 계통도 및 작동원리
다음은 밀폐형 지열 히트펌프 시스템의 계통도를 보면서 작동원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
지열의 냉난방 시스템에서 배관은 ① 지중매립배관, ② 지열트렌치배관, ③기계실 배관 3 가지 종류 나눌 수 있습니다.
① 지중매립배관은 토사층에 천공을 통해 지하 200m까지 매립되어 있는 관을 의미하며 실질적으로 지중열교환기의 역할을 하는 배관입니다. 관 재질은 HDPE PIPE (KS 3408-2)을 사용하며 해당 구간에서 10℃ ~ 20℃의 지중으로 냉방 시에는 열을 방출하고, 난방 시에는 열을 흡수하게 됩니다. 보통 1 ~ 8개의 천공을 하나의 조닝(Zoning)으로 묶어 사용하게 됩니다.
② 지열트렌치배관은 기초 콘크리트에 매립되며, 1개소 ~ 8개소 정도의 지중매립배관을 묶어 헤더까지 연결시켜주는 횡주관을 의미합니다. 묶이는 지중매립배관 수에 따라 관경 사이즈가 선정되며, 지중매립배관과 같은 HDPE PIPE (KS 3408-2) 2) 관을 사용합니다.
③ 기계실 배관은 매립되어있는 구간에서 벗어나 실내로 노출되는 배관들입니다. 지열트렌치배관 다발을 헤더에서 혼봉한 후 순환펌프를 통해 지열실외기로 보내주어 실내기에서 온 냉매와 열교환을 할 수 있게 됩니다. 그 후 열교환을 마친 열매는 다시 환수관과 환수관 헤더를 통해 지열트렌치배관으로 유입되어 지중열교환기로 보내집니다. 그리고 그 중간에는 소실된 열매를 채워주기 위한 보충수 공급관과 밀폐된 배관계통에서 열매 온도 변화에 따른 압력 변화를 흡수하기 위한 팽창탱크도 연결되게 됩니다.
지열 시스템의 작동원리는 위 3가지의 배관을 열매가 순환하며 열교환하는 것입니다. 냉방시를 예로 들어 설명하면 실내기 1번에서 전원버튼 켜면, 실내기 1번과 연결된 지열실외기의 1번이 작동됩니다. 그러면 작동 신호를 받은 순환펌프 제어패널에서는 지열실외기 1번과 연결된 순홤펌프(1번)을 가동하면서 열매의 순환이 시작됩니다. 그 후 지중열교환기 내에서는 열매(부동액)가 지중의 15℃와 열교환하여 약 17℃ ~ 22℃ 사이의 온도가 되고 공급관을 통해 지열 실외기로 이동됩니다. 지열 실외기에서 열매는 실내의 뜨거운 공기에서 열을 흡수하여 온도가 높아진 실내기 냉매로부터 열을 흡수하여 냉매를 차갑게 한 뒤 22℃ ~ 26℃로 온도가 올라갑니다. 이를 다시 17℃ ~ 22℃의 열매로 만들기 위해서 환수관, 환수관헤더를 통해 지열트렌치를 거쳐 지중열교환기로 환수된 뒤 지중으로 흡수한 열을 방출합니다. 난방 시에도 같은 방식으로 순환이 일어나지만 차이점은 냉방 시에는 지중열교환기에서 열을 지중으로 방출하지만, 난방 시에는 열을 지중으로부터 흡수한다는 것입니다.
3. 지열 시스템의 시공 과정 및 시공 시 주의사항
1) 지중매립배관(지중열교환기)
지중매립배관을 시공 과정은 다음과 같습니다. 천공 후 지중매립배관을 기초 바닥 높이 + 200m 깊이까지 설치한 뒤, 토목에서 기초 바닥까지 터파기를 완료하면, 천공할 때 묻어둔 지중매립배관을 찾아 기초 토사면보다 일괄적으로 600mm 정도 이상 높이를 맞춰 배관을 노출시킨 후 건축에서 비닐을 깔고 버림 타설을 하게 됩니다.
토목에서 기초 바닥면을 터파기 할 때는 지중매립배관이 설치된 곳을 도면에 표기해 전달한 뒤 해당 위치 터파기 시 배관이 손상되지 않도록 조심히 진행될 수 있도록 사전 협의가 되어야 합니다.
그리고 토목에서 터파기가 완료되었음에도 노출되지 않는 배관이 있다면 천공시 너무 깊게 설치한 것으로 별도 장비를 사용하여 천공위치를 더 파내어 관을 찾은 후 소켓을 사용하여 연장시켜야 합니다.
관을 모두 찾았다면 지중매립배관에 수압시험을 본 후 배관의 파손 여부를 확인해야합니다. 따라서 지중매립배관 시공 시에는 수압 시험이 가능하도록 해당 위치에 가설 수도가 공급될 수 있는지도 미리 확인해야 합니다.
위 과정을 거쳐 천공위치에 있는 배관을 모두 지면으로 부터 600mm 이상 노출이 되었으면 비닐을 깔고 버림 타설을 진행하게 됩니다.
2) 지열트렌치배관
지중매립배관을 완료하면 매립배관을 묶어서 기계실까지 보내주는 횡주관 역할을 하는 지열트렌치배관을 시공하게 됩니다. 근데 여기서 중요한 것은 투입 시점을 건축팀과 협의해야 합니다. 그 이유는 지열트렌치배관은 기초콘크리트에 매립되는 배관이다 보니 기초 콘크리트의 하부근과 상부근 사이에 설치됩니다. 따라서 건축과 미리 협의하여 먼저 기초 콘크리트의 하부근만 완료한 뒤 지열트렌치배관 시공이 투입될 수 있도록 반드시 협의가 되어야 합니다. 만약 협의가 되지 않아 상부근까지 시공이 돼버리면 다시 철근을 뜯어서 시공해야 하는 참사가 일어날 수 있습니다.
사진과 같이 건축팀에서 하부근만 시공이 완료되면 천공 1개소 ~ 8개소를 하나의 조닝(Zoning)으로 묶고 엘보, 티이 등을 사용하여 트렌치 배관을 시공합니다. 트렌치 배관은 묶이는 천공의 개수에 따라 관경이 변경되며 이를 잘 확인하는 것도 필요합니다. 트렌치 배관 공사가 완료되면 마찬가지로 수압시험을 본 뒤 누수여부를 파악하고 이상이 없으면 콘크리트 타설 시 관을 보호하기 위한 보호용 아티론 보온재(10T)를 배관에 감은 뒤 마무리를 짓습니다. 여기까지 완료 후 건축에서 상부근 시공 투입이 될 수 있도록 해야 합니다.
그리고 지열트렌치 배관 관말에는 헤더가 시공될 수 있도록 플랜지 타입으로 관을 마감 지은 후 압력계를 설치하여 수압을 계속 걸어두어야 합니다. 물론 겨울철에는 동파 위험이 있기 때문에 퇴수 시켜야 합니다. 그리고 기초 두께가 2m 이상이 되는 곳은 상부근과 하부근 사이에 간격이 매우 넓기 때문에 해당 구간에 트렌치 배관이 시공되면 반드시 철근, 철사 등으로 추가 고정을 실시해야 합니다.
3) 기계실 배관
기초 타설이 완료되어 지열트렌치배관 매립이 완료되면 아래 사진과 같이 플랜지 부분만 바닥 마감으로 노출되게 되는데 여기에 공급헤더와 환수헤더를 설치하여 지열 실외기로 연결될 수 있도록 합니다. 그리고 확인해야 할 사항은 관이 업다운되는 곳에는 반드시 공기 빼기 밸브를 설치해야 합니다.
기계실의 순환펌프 주위 배관은 순환펌프와 예비순환펌프가 설치되고, 순환펌프 주위에는 석션디퓨져, 3-1 체크밸브, TPC밸브가 같이 설치되며, 팽창탱크와 보충수 공급관이 순환펌프 흡입측 메인관에 연결되면서 설치됩니다. 그리고 보충수 공급관에는 부스터펌프 압력이 관계통에 그대로 전달되지 않도록 감압밸브를 설치합니다.
지열실외기 주위배관은 공급관에 정유량밸브와 스트레이너, 후렉시블조인트가 설치되며, 장비 연결 전단에 열매 흐름 상태를 감지하는 FLOW스위치가 설치됩니다. 정유량 밸브는 지열실외기에 한쪽에만 유량이 과다하게 흐르는 것을 방지하기 위해 반드시 설치가 되어야 합니다. 그리고 필자의 경우 공급관과 환수관의 개폐밸브를 볼밸브를 사용하였는데, 추후 다시 한번 기회가 된다면 볼밸브 대신에 바란싱 밸브를 설치하여 유량을 상세히 조절하여 유량 편차를 균일하게 할 수 있도록 할 것 같습니다.
마지막으로 보온은 40T 아티론과 매직테이프로 마감을 하였으며, 밸브류는 고무발포보온재를 사용하여 추후 스트레이너 청소 시 탈부착이 가능토록 하였습니다. 그리고 아래 사진은 실내기의 냉매배관까지 연결된 상태이며, 뒤쪽에 나와있는 지열 제어판넬에서 실외기 신호를 받아 순환펌프를 작동시키게 됩니다. 그리고 중요한 것이 제어판넬에서는 지열 시스템의 소모전력이 측정될 수 있도록 적산전력계를 설치하여 모니터에 표시되게 해야 합니다.
4. 지열 시운전 시 주의사항
1) 전기팀과 전원공급 협의필요
항상 그렇듯이 모든 장비에는 전원 투입이 되어야 하므로 전기팀과 장비 전원 공급에 대해 협의해야 합니다. 이번 지열공사의 경우 총 3가지의 전원 투입을 전기팀에게 요청했어야 했습니다. ①지열실외기에 전원공급, ②순환펌프에 전원공급(모터직결), ③순환펌프 제어반 전원공급, 필자는 콤팩트열교환기에 있는 순환펌프처럼 제어반 판넬에 1차 측 전원을 투입하면 2차측(판넬에서 순환펌프) 전원공급은 지열공사에서 하는 것인 줄 알았으나, 순환펌프와 제어반판넬은 각각 전원이 투입되고, 자동제어만 지열업체에서 시공하였습니다. 따라서 미리 지열 업체와 전원 공급에 대해 협의한 후 전기팀과 협조가 필요합니다.
2) 유량 불균형 발생에 대한 사항
시공을 완료하고 시운전을 하는 도중 계속 같은 실외기만 FLOW 스위치 상태 이상이라는 에러가 계속 발생하며, 실외기가 멈추는 현상이 계속 발생했었습니다. 맨 처음에는 이물질이 스트레이너 거름망에 축적되거나 관내 이물질이 많은 줄 알아 청소와 플러싱을 하였으나 현상이 지속되었습니다. 추후 원인을 파악하는 과정에서 메인공급관에서 가장 먼저 분기되는 장비만 문제가 발생하는 것을 파악하였고, 이를 통해 유량 불균형이 문제점임을 확인했습니다. 가장 먼저 분기되다 보니 물량이 적게 유입되었고, 충분한 열매가 열교환을 못해 에러가 발생했었습니다. 따라서 밸브의 개도를 조절하여 유량 균형을 맞추다 보니 해결이 되었으며, 다음 현장에서는 볼밸브 대신 바랜싱밸브를 설치하여 불균형을 잡아야 할 것 같습니다.
이것으로 지열 시스템에 대해 알아보았습니다. 제 현장의 경우 지역난방공사의 경우 EHP장비의 시공이 제한되어 있기 때문에 신재생에너지인 지열 시스템이 적용되었었는데요. 덕분에 새로운 시스템에 대해 경험하고 배워볼 수 있었습니다. 다음 시간에도 건축설비 관련하여 알찬 내용으로 찾아뵙겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
'건축설비' 카테고리의 다른 글
| 사우나 공사(탕, 건식사우나) 계통도, 작동원리, 장비, 시공 시 주의사항 (2) | 2024.11.17 |
|---|---|
| 파이프슈(앙카슈, 레스팅슈, 가이드슈) 종류 , 구분, 용도, 설치 위치 (0) | 2024.11.09 |
| 저수조 수위 자동제어 및 주위 배관 계통, 레벨 세팅 방법, 물 넘침 안전장치 (10) | 2024.11.02 |
| 피스텍 밸브 용도, 설치 위치, 구조, 작동원리 (저수조 주위 배관 계통도) (0) | 2024.10.26 |
| 정수위조절밸브 용도, 구조, 작동원리, (파이롯트관, 볼탭, 삼방밸브, 솔밸브) (2) | 2024.10.20 |
