상세정보

2005년 재판 출간 후 오탈자 교정과 그 동안 국내에서 지열냉난방 시스템을 직접 설계하고 시공하면서 확인된 내용과 추가해야 할 내용을 집대성하여 지열에너지(지열냉난방 ·지열발전)란 이름으로 교재 명을 바꾸워 3판을 출간하게 되었다.

본 교재의 내용은 추후 국내에서 수행되는 천부와 심부 지열에너지와 관련된 연구와 개발 내용들이 추가로 도출되는 데로 이를 체계적으로 수집 분석하여 부족한 부분을 재보완하려고 한다.

우리나라는 오래전부터 심부 지하수열(일명 온천)을 욕탕및 난방용으로 이용해 왔다. 현재 국내에서 이용하고 있는 심부 지하수열은 대체적으로 지표하 1000m 미만 심도 구간에 발달된 각종 지질구조대 내에 저유되어 있는 80oC 미만의 저온수를 개발하여 관광지나 휴양지의 온천 욕탕으로 이용하고 있다.
특히 1973년의 석유파동이후 선진제국은 불확실한 세계정세에 따라 급변하는 유가의 변동으로 부터 오는 불안정적인 화석연료의 수급문제, 화석연료의 무기화, 환경오염문제와 나아가 가까운 시일 내에 지구상에 부존된 화석연료는 고갈될 것이라는 우려 때문에 그 동안 등한시해 왔던 재생에너지 연구 개발에 박차를 가하고 있다.
그 결과 현재 재생에너지 가운데 가장 각광을 받고 있는 분야가 우리 발밑에 무진장 부존되어 있는 천부지열을 이용한 지열펌프 시스템에 관련된 기술이다. 여기서 천부지열이라 함은 공조장치의 냉매를 응축 · 증발 시키는데 필요한 통상 10~20oC의 저온의 지중 온도를 뜻한다.
지구상에는 현제 약 60억 인구가 27년간 사용할 수 있는 태양 열에너지가 매일 천부지중으로 흡수저장 되고 일간 흡수되는 양은 태양 복사열의 47%에 이르며 이에 부가해서 지구심부의 마그마로부터 지표로 방출되는 지구 내부열이 또한 천부지열의 형태로 저장 부존된다.
이와 같이 천부지열을 이용하는 지열펌프 시스템은 지중으로부터 끊임없이 재생되는 열에너지를 이용하기 때문에 화석연료를 연소시켜 얻는 시설들에 비해 일산화탄소나 이산화탄소의 생성을 억제시켜 전세계적으로 그린하우스 가스 배출량을 획기적으로 감소시킬 수 있는 친환경적인 에너지 생산 시설임은 물론 지구상에서 가용한 에너지 중에서 가장 안전하고 효율적이며 국내 어디서나 개발 이용할 수 있는 청정 재생에너지 시스템이다.
우리나라의 지중온도는 계절별로 해당지역에 분포되어 있는 암종의 열전도성에 따라 다소 차이가 있긴하나 대체적으로 난방기간인 12月~1月의 지표하 5~15m 지점에 분포된 토양 ·암석과 지하수의 연평균 온도는 14.3o 정도이다. 겨울철의 지중 온도는 연중 가장 높으며 반대로 냉방기인 늦봄과 초여름(4~6月)의 지중(지하수)온도는 평균 외기온도 보다 훨씬 낮다. 따라서 동절기의 난방열원, 하절기의 냉방열원으로 최적조건을 구비하고 있다.
이와 같이 지열펌프 시스템은 지표하 수십m이내의 암체나 수체(water body)에 저장된 연중온도가 비교적 일정한 지열을 추출하여 동절기에는 난방용으로 이용하고, 반대로 여름철에는 실내열을 추출하여 실내냉방을 시킨 후 실내에서 추출한 폐열은 다시 주변의 지중으로 저장하여 다음 겨울에 난방용으로 재이용하는 즉 폐열을 100% 재활용할 수 있는 효율적인 지중축열조로 사용할 수 있는 시스템이다. 따라서 지열펌프 시스템은 계절별 기온변화가 심한 외기온을 열원으로 사용하는 전통적인 공기원 열펌프에 비해 에너지효율이 월등히 좋은 냉난방 시스템이다.
미국 EPA의 연구결과에 의하면 지열펌프 시스템은 온실가스를 위시한 대기오염물질의 대기 방출량을 55~60% 이상 절감 시킬 수 있는 몬트리얼 의정서에 부합되는 친환경적인 냉난방시설이며 열에너지비를 40~70% 이상 절감시킬 수 있어 초기 투자비를 3~4년 내에 상환가능한 에너지 절약형 시설임은 물론 운영관리비가 저렴하고 화재위험성이 없으며 기후조건에 제약을 받지 않고 언제 어디서나 설치 운영할 수 있는 차세대 Frontier형 냉난방시스템이라 규정하였다.

자서들언은 그간 30여 년간 국내외에서 수리지질과 지열분야에서 종사하면서 천부 지하수열 이용의 중요성을 인식하고, 1999년대 초부터 이 분야의 국 ·내외 연구 개발에 참여는 물론 2003년말에는 미국 AEE가 시행하는 지열교환 전문가 자격증을 취득한 바 있다.
특히 국내에 기 설치되어 있는 346개공의 국가 지하수 관측망에서 측정한 지하수의 시계 열별 변동특성을 수리지질학적으로 분석한 바 국내 지하수의 수온은 계절별로 지중 열펌프 시스템의 열원으로 이용하기에 가장 양호한 조건을 구비하고 있음을 확인하였다.
국내에서 연간 이용 가능한 지하수 개발 가능량은 약 130억m3을 상회하며 2004년말 현재 전국적으로 이용하고 있는 지하수량은 약 37.5억m3에 이른다. 국내에서 사용하고 있는 지하수의 연평균 지하수온은 14.3oC로서 이 가운데 5oC의 열만 추출해서 이용하더라도 시간당 개발 ·이용할 수 있는 천부지하수 열에너지는 약 2500MWh 해당하는 막대한 청정열에너지다.
저자는 그간 대학에서 약 35년 이상 수리지질학과 지열에 대한 강의 자료와 국내 ·외의 지열관련 사업과 국제 워크샵 등에 참여하여 취득한 경험과 최근 미국을 위시한 선진제국에서 실시하고 있는 천부 지열관련 지열펌프 시스템의 제반 이론과 설계방법에 대한 자료를 취합하여 추후 신재생에너지인 천부지열(지중열, 지표수, 해수포함)에 관한 연구 · 개발에 관심을 가지고 있는 학생들이나 관련 기술자에게 조금이나마 보탬이 될까하여 초판을 집필하였다. 재판(2005년) 출간 후 차일 피일 미루웠던 오탈자 교정과 그 동안 국내에서 지열냉난방 시스템을 직접 설계하고 시공하면서 확인된 내용과 추가해야 할 내용을 집대성하여 이제서야 지열에너지(지열냉난방 ·지열발전)란 이름으로 교재 명을 바꾸워 3판을 출간하게 되었다.
주요 추가 내용으로는 ① 1장의 1.2절에 우리나라의 신재생에너지와 지열에너지 정책을 추가하였고 ② 4장에 전국의 지역별로 암반구간과 충적층구간에서 장기적으로 측정한 월 평균 지중온도를 재 분석하여 지중열교환기 설계시 필요한 입력자료로 이용 가능토록 하였으며 ③ 5장에 수주지열정(SCW)시스템의 설계 방법과 최근 제주도 등지에 일부 시행되고 있는 지중 공기열을 이용한 냉난방 시스템의 내용과 제주도의 지중공기의 특성을 소개하였으며 ④ 13장에서는 본 장에서 다룬 예제 건물의 냉난방 부하를 방사-시
계열법(RTS-SATEK)을 사용하여 계산하는 방법을 소개하였다 ⑤ 14.8절은 천공내에서 온도검층을 실시하여 도출한 온도검층 결과를 이용하여 심도별 열전도도를 산정하는 방법을 추가하였고 14.10절은 2007년~2010년(3개년) 사이에 (주)넥스지오가 타 연구기관과 공동으로 실시한 대수층 축열 냉난방시스템(Aquifer thermal energy storage, ATES) 개발 연구사업중 지중축열 실증시험 사례 일부를 재 분석하여 수록하였다. ⑥ 16장에 지열 펌프 시스템을 위시하여 냉난방 공조설비의 경제성 분석방법들과 경제성 평가시 사용하는 지표 및 LCC분석 사례를 종합적으로 다루었으며 ⑦ 17장은 심부지열을 이용한 공학적인 지열발전 분야를 미국, 영국, 프랑스, 스위스, 독일을 위시하여 유럽 연합과 호주 및 일본 등 선진제국에서 이미 1974년부터 시행한 인공 지열발전 분야의 연구 조사 사례와 이로부터 도출된 각종 문제점들의 추후 해결방향을 추가하였다.
본 교재의 내용은 추후 국내에서 수행되는 천부와 심부 지열에너지와 관련된 연구와 개발 내용들이 추가로 도출되는 데로 이를 체계적으로 수집 분석하여 부족한 부분을 재보완하려고 한다. (머리말 중에서)

정보제공 :

제1장 서언
1.1 선진국의 지열펌프시스템에 대한 입장 1-4
1.2 우리나라의 지열에너지를 포함한 신재생에너지 정책과 보급현황 1-6
1.2.1 국내 에너지 이용실태와 산업구조의 문제점 1-6
1.2.2 우리나라의 신재생 에너지 관련정책 1-8
1.2.3 우리나라의 지열에너지 보급 활성화 정책 1-20
1.3 지열펌프에 대한 미 연방정부와 주정부의 역할과 정책 1-24
1.3.1 미국 연방정부의 역할 1-24
1.3.2 미국 주정부들의 지열펌프 정책 1-24
1.4 지열펌프 개발·보급의 필요성 1-26
제2장 열펌프의 종류와 간이 경제성 분석
2.1 난방설비의 종류 2-1
2.1.1 연소형 시스템(Combustion-based system) 2-2
2.1.2 비연소형 열전달 시스템(Heat transfer system) 2-3
2.2 열펌프의 종류 2-6
2.2.1 공기대공기 열펌프(공기원 열펌프, Air to Air Heat Pump) 2-6
2.2.2 물대물 열펌프(Water to Water Heat Pump, WWHP) 2-7
2.2.3 물대공기 열펌프(Water to Air Heat Pump, WAHP) 2-8
2.2.4 지열펌프(Geothermal Heat Pump, GHP 또는 GSHP) 2-8
2.3 지열펌프의 효율 2-10
2.3.1 성적계수(COP) 2-11
2.3.2 냉방효율 또는 에너지 소비효율(EER) 2-13
2.4 지열펌프의 경제성 2-13
2.4.1 가정용 지열펌프의 경제성 2-13
2.4.2 지열펌프 냉난방 시스템과 기타 냉난방 시스템의 경제성 2-16
2.4.3 지열펌프의 장점 2-17
2.5 TOE와 tCO2 배출량 산정법 2-18
2.5.1 지열펌프시스템에서 사용하는 단위들과 이산화탄소 배출량 2-18
2.5.2 TOE와 TC 및 tCO2 계산예(경유 1,000L을 사용하는 경우) 2-19
제3장 지열펌프의 원리와 주요 구성장치
3.1 열펌프(Heat Pump)의 원리 3-1
2 ● 서언
3.1.1 열펌프의 난방주기 3-1
3.1.2 열펌프의 냉방주기 3-4
3.1.3 열펌프의 효율 3-4
3.2 지열펌프의 열원으로서 지하수 3-6
3.3 지열펌프의 작동기작 3-8
3.4 지열펌프의 주요 구성장치 3-11
3.4.1 압축기(Compressor) 3-12
3.4.2 열교환용 컨덴서(응축기) 3-13
3.4.3 교축장치(팽창밸브) 3-13
3.4.4 지중 열교환기(Ground Heat Exchanger, GHEX 또는 Loop System) 3-15
3.4.5 4방 밸브(Reversing Valve) 3-15
3.4.6 Accumulator 3-16
3.4.7 Desuperheater 3-16
3.5 몬트리얼 의정서에 의한 R-22의 사용 가능기간과 대체물질 3-17
3.5.1 오존층을 파괴시키는 대표적인 냉매와 작동유체(Working Fluid) 3-17
3.5.2 오존층 파괴물질의 생산 금지 3-23
3.5.3 R-22 등 HCFC 사용중지 시간계획 3-24
3.5.4 R-22의 사용중지가 소비자에게 미치는 영향 3-25
3.5.5 주거용 공기조화기에 사용하는 R-22의 대체물질 3-25
제4장 전국의 지역별 지중온도와 변동특성
4.1 지표면의 열수지와 지중온도의 일 및 년간 변화 4-1
4.1.1 지표면의 열수지 4-1
4.1.2 지중온도의 일(日) 및 연(年)간 변화 4-3
4.1.3 항온대(항온층) 4-5
4.2 천부 지하수의 온도 4-6
4.2.1 지중온도와 지하수온도와 관계 4-6
4.2.2 대기온도와 지하수온도와의 관계 4-7
4.2.3 항온층보다 깊은 심도에서 지하수의 온도분포 4-9
4.3. 전국 토양의 지중온도와 변동특성 4-11
4.4 전국 암반 및 충적층구간의 지중온도와 경시별 변동 특성 4-17
4.4.1 전국 지역별 및 계절별 암반구간과 충적층구간의 월평균 지중온도 4-17
4.4.2 전국 암반 및 충적층 지하수온의 수문지열학적인 특성 4-34
4.5. 대열층(aestifer)과 수문지열계 4-43
제5장 지열펌프 시스템의 종류
5.1 開回路형(또는 개방형) 지열펌프 시스템(Open Loop System) 5-1
서언 ● 3
5.1.1 개회로(개방형)·2정 시스템(Open Loop 또는 Two Well System) 5-2
5.1.2 개회로(개방형)·1정 시스템 혹은 수정개회로 시스템
(Open Loop-One Well System 또는 Modified Open Loop System) 5-5
5.1.3 개회로형 시스템 설계시 고려사항 5-7
5.2 폐회로형(밀폐형) 지중연결 지열펌프시스템(Closed Loop,
Earth Coupled System) 5-7
5.2.1 수평 폐회로형 지열펌프 시스템(Horizontal Closed Ground Loop) 5-8
5.2.2 수직 폐회로형 지열펌프 시스템(Vertical Closed Ground Loop System) 5-10
5.2.3 호소형 폐회로 시스템 또는 수정 페회로 지열펌프 시스템(Pond 또는
Lake Closed Loop, Modified Earth Coupled Loop System) 5-12
5.3 복합형 지열펌프 시스템(Hybrid System) 5-15
5.4 수주 지열정 시스템(水柱 地熱井, Standing Column Well System, SCW) 5-16
5.4.1 수주 지열정(水柱 地熱井)이란 5-16
5.4.2 수학적인 표현 5-21
5.4.3 水柱 地熱井 시스템을 적용할 수 있는 최적조건과 설계지침 5-23
5.4.4 국내 적용 가능 암종 5-27
5.4.5 수주 지열정의 구조와 열교환방식 5-28
5.4.6 2중정 시스템(Doublet system, 2정 개회로 시스템) 5-31
5.5 지중공기를 이용한 지열 냉난방시스템 5-34