접지원 열펌프

지열원 열펌프(지열원 열펌프)는 열펌프의 유형을 사용하여 지상으로 열을 전달하거나 지상으로 열을 전달하는 건물용 냉난방 시스템으로서, 계절에 따른 지구의 온도의 상대적인 항상성을 이용한다. 지상 열펌프(GSHP) 또는 지열 열펌프(GHP)는 북아메리카에서 흔히 사용되는 것으로서 가장 에너지 효율이 높은 기술로 보일러/버너에서 연료를 연소하거나 저항성 전기 히터를 사용하여 달성할 수 있는 에너지보다 훨씬 적은 에너지를 사용하여 HVAC 및 온수 난방을 제공한다.

효율은 일반적으로 3~6 범위에 있는 성능계수(CoP)로 주어지는데, 이는 기기가 사용하는 각 전기 단위에 대해 3~6단위의 열을 제공한다는 것을 의미한다. 넓은 지역에 접지 루프를 설치하거나 드릴 보어 구멍을 뚫어야 하기 때문에 설치 비용이 다른 난방 시스템보다 높고, 이 때문에 공기 공급원 열 펌프를 대신 사용하는 경우가 많다.

역사

열펌프는 1853년 켈빈 경에 의해 설명되었고 1855년 피터 리터 폰 리팅거에 의해 개발되었다. 하인리히 졸리는 1912년에 그것을 지상에서 열을 끌어내는 데 사용하는 아이디어에 특허를 얻었다.^[1]

냉동고를 실험한 후, 로버트 C. 웨버는 1940년대 후반, 하지만 소식통들은 그의 invention[1][2] 최초의 성공적 상용 프로젝트 영연방 건물(오레곤 주 포틀랜드)로 인해 1948년에, 국립 역사 기계 설비 설계 랜드 마크 ASME로 지정 설치되었던 정확한 시간 표시 막대에로 의견이 맞지 않는 최초의 직접적인 교환 땅 열원 히트 펌프를 만들었다.교수[3]오하이오 주립대학의 에소르 칼 닐슨은 1948년 그의 집에 최초의 주거용 오픈 루프 버전을 만들었다.^[4]

이 기술은 1973년 석유 파동의 결과로 1970년대에 스웨덴에서 인기를 끌게 되었고, 그 이후로 전세계적으로 서서히 받아들여지고 있다. 1979년 폴리부틸렌 파이프 개발로 폐쇄 루프 시스템이 경제성을 갖출 때까지 오픈 루프 시스템이 시장을 지배했다.^[3]

2004년 현재 전 세계적으로 100만 대 이상이 설치되어 있으며, 연간 10%의 증가율로 12GW의 열용량을 제공한다.^[5] 매년(2011/2004년 기준) 미국에^[6] 약 8만 대, 스웨덴에 약 27,000대가 설치되고 있다.^[5] 핀란드에서 지열 열펌프는 2006~2011년 신규 단독주택의 난방 시스템 선택으로 시장 점유율이 40%^[7]를 넘었다.

배열

내부배열

건물의 냉난방 시설이 되는 중앙 장치인 열 펌프는 크게 두 가지 변형으로 나타난다.

액체 대 물 열펌프(물 대 물이라고도 함)는 파이프를 통해 건물을 통과하여 기존 난방기, 바닥 밑 난방기, 베이스보드 라디에이터 및 온수 탱크로 난방 또는 냉각을 운반하는 수전식 시스템이다. 이러한 열펌프는 또한 수영장 난방용으로 선호된다. 열 펌프는 일반적으로 물을 약 55°C(131°F)까지만 효율적으로 가열하는 반면 보일러는 65-95°C(149–203°F)에서 작동한다. 보일러가 달성한 고온을 위해 설계된 라디에이터의 크기는 열펌프와 함께 사용하기에는 너무 작을 수 있으며, 보일러에서 열펌프로 집을 개조할 때 더 큰 라디에이터로 교체해야 한다. 냉각을 위해 사용할 때, 대기 습도가 라디에이터에 응축되지 않도록 순환수의 온도를 일반적으로 이슬점 위로 유지해야 한다.

액체 대 공기 열 펌프(수 대 공기라고도 함)는 강제 공기를 출력하며, 기존 강제 공기 용해로 및 중앙 에어컨 시스템을 대체하는 데 가장 일반적으로 사용된다. 분할 시스템, 고속 시스템, 도관 없는 시스템을 허용하는 변형들이 있다. 열펌프는 기존 용해로만큼 높은 유체온도를 달성할 수 없기 때문에 이를 보상하기 위해서는 더 높은 부피에 달하는 공기 유량이 필요하다. 거주지를 개조할 때 높은 공기 흐름에서 발생하는 소음을 줄이기 위해 기존 덕트 구조를 확대해야 할 수 있다.

지열교환기

지상원 열펌프는 지열 또는 지하수와 접촉하는 지상 열교환기를 사용하여 열을 추출하거나 방출한다. 잘못된 설계는 수년 후 시스템이 동결되거나 시스템 성능이 매우 비효율적일 수 있으므로, 정확한 시스템 설계는 성공적인 시스템에 매우 중요하다.

접지 루프의 파이프 구조는 일반적으로 고밀도 폴리에틸렌 파이프로 만들어지며 물과 부동액(프로필렌 글리콜, 변성 알코올 또는 메탄올)이 혼합되어 있다. 단로필렌 글리콜은 지상으로 유출될 수 있는 가장 손상이 적은 잠재력을 가지고 있으며, 따라서 점점 더 많은 수의 유럽 국가에서 지상 공급원에 허용되는 유일한 부동액이다.

수평

수평 폐쇄 루프 필드는 지면의 평면에 배열된 파이프로 구성된다. 서리선보다 깊은 긴 참호를 파서 같은 참호 안쪽에 U자형이나 슬링키 코일이 펼쳐져 있다. 얕은 3–8피트(0.91–2.44m) 수평 열 교환기는 지면 수준에서 태양 이득과 주변 공기로의 전달 손실로 인해 계절적인 온도 주기를 경험한다. 이러한 온도 주기는 열관성 때문에 계절에 뒤떨어지기 때문에 열교환기는 늦겨울과 봄철 누적된 겨울 추위로 인해 체중을 감량하면서 몇 달 전에 태양에 의해 축적된 열을 수확하게 된다. 물이 모래나 흙에 고형물보다 열을 더 잘 전도하고 저장하기 때문에 젖은 땅이나 물에 있는 시스템은 일반적으로 건조한 땅 루프보다 효율적이다. 지면이 자연적으로 건조할 경우, 흡착 호스를 지반 고리로 매립하여 습기를 유지할 수 있다.

수직

수직 시스템은 지면으로부터 열을 흡수(또는 방출)하는 열 운반 액체가 순환되는 U자형 파이프가 장착된 50~400피트(15–122m) 깊이 보어홀로 구성된다.^[9][10] 보어 구멍의 간격은 최소 5~6m이며 깊이는 지반 및 건물 특성에 따라 달라진다. 또는 파이프를 건물을 지탱하는 데 사용되는 기초 말뚝과 통합할 수 있다. 수직 시스템은 여름철 및 잉여 열을 사용할 수 있는 다른 때에 재충전하지 않는 한 주변 지질학에서 발생하는 열의 이동에 의존한다. 수직 시스템은 일반적으로 수평 시스템을 위한 가용 토지가 충분하지 않은 경우에 사용된다.

구멍의 파이프 쌍은 구멍 하단의 U자형 크로스 커넥터와 결합되거나 두 개의 소형 직경 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 튜브가 열적으로 융합되어 바닥의 U자형 굴곡을 형성한다.^[11] 보어홀의 벽과 U자형 관 사이의 공간은 보통 그라우팅 재료로 완전히 갈라지거나 경우에 따라서는 부분적으로 지하수로 채워진다.^[12] 예를 들어 10kW(3t)의 난방 용량이 필요한 단독주택은 80~110m(260~360ft) 깊이의 보어홀 3개가 필요할 수 있다.^[13]

방사 또는 방향 드릴링

Trending의 대안으로, 루프는 미니 수평 방향 드릴링(mini-HDD)에 의해 배치될 수 있다. 이 기법은 배관을 방해하지 않고 야드, 진입로, 정원 또는 기타 구조물 아래에 배치할 수 있으며, 배수관과 수직 드릴링 사이에 비용이 든다. 이 시스템은 또한 하나의 중앙 챔버에서 루프를 설치하기 때문에 수평 및 수직 드릴링과 달라서 필요한 지반 공간을 더욱 줄인다. 레이디얼 드릴링은 사용되는 장비의 작은 특성 및 기존 구조물 아래를 관통한 능력 때문에 소급(속성이 구축된 후) 설치되는 경우가 많다.

오픈 루프

오픈 루프 시스템(지하수 열펌프라고도 함)에서, 이차 루프는 우물이나 물 본체의 자연수를 열펌프 내부의 열교환기로 펌프한다. 수화학은 제어되지 않기 때문에 열교환기와 펌프의 다른 금속을 사용하여 기기를 부식으로부터 보호해야 할 수 있다. 라임스케일은 시간이 지남에 따라 시스템을 손상시킬 수 있으며 주기적인 산성 세척이 필요하다. 이것은 난방 시스템보다 냉방 시스템의 훨씬 더 문제다.^[14] 입석기둥우물시스템은 깊은 바위 우물 바닥에서 물을 뽑아 열펌프를 거쳐 우물 상단으로 돌아오는 특화형 오픈루프 시스템이다.^[15] 점점 더 많은 수의 관할 구역이 수돗물을 배수하거나 우물을 오염시킬 수 있기 때문에 수면으로 배수하는 개방 루프 시스템을 금지하고 있다. 이것은 더 환경적으로 건전한 주입 우물 또는 폐쇄 루프 시스템의 사용을 강요한다.

연못

닫힌 연못 루프는 프레임에 부착된 슬링키 루프와 유사한 파이프의 코일로 구성되며 적절한 크기의 연못 또는 상수원 바닥에 위치한다. 인공 연못은 일부 중앙 태양열 발전소에서 열 저장(최대 90% 효율)으로 사용되며, 이후 대형 열 펌프를 통해 열을 추출해 지역 난방을 공급한다.^[16][17]

직접 교환(DX)

직교류 지열 열펌프(DX)는 냉매 자체가 그라운드 루프를 통과하는 지열 열펌프 기술 중 가장 오래된 유형이다. 1980년대에 개발된 이 접근법은 특히 1989년에 CFC 냉매가 금지되고 DX 시스템이 자주 사용되지 않는 이후 냉매 및 오일 관리 시스템과 관련된 문제에 직면했다.^{[citation needed]}

설치

시스템을 적절히 설계하고 크기를 조정하는 데 필요한 기술 지식과 장비 때문에(그리고 열 융접이 필요한 경우 배관을 설치) GSHP 시스템 설치는 전문가의 서비스가 필요하다. 여러 설치자가 최근 주거용 설비의 온라인 커뮤니티에서 시스템 성능에 대한 실시간 보기를 게시했다. 국제 지상 열원 펌프 협회(IGSHPA), 지열 ^[18]교환 기구(GEO), 캐나다 지리 ^[19]교환 연합 및 지상 열원 펌프 협회는 미국, 캐나다 및 영국의 적격 설치자 목록을 유지하고 있다.^[20] 더욱이 수평계통의 토양 열전도율과 수직계통의 형성 열전도율의 상세한 분석은 일반적으로 효율성이 높은 보다 정확하게 설계된 시스템으로 귀결될 것이다.^[21]

열성능

냉각 성능은 일반적으로 에너지 효율비(EER)로 BTU/hr/watt 단위로 표현되는 반면 가열 성능은 성능 계수(COP)로 치수 없는 단위로 축소된다. 변환 계수는 3.41 BTU/hr/watt이다. 열펌프는 소비하는 전기 에너지보다 3~5배 더 많은 열 에너지를 이동하기 때문에 총 에너지 출력은 전기 입력보다 훨씬 크다. 이는 복사 전열 효율이 100%인 것에 비해 순수 열 효율성이 300%를 초과하는 결과를 낳는다. 전통적인 연소로와 전기 히터는 결코 100% 효율을 초과할 수 없다. 지상원 열펌프는 표준형 냉방장비의 전기저항 가열과 비교해 에너지 소비량 및 그에 상응하는 대기오염 배출량을 최대 72%까지 줄일 수 있다.^[22]

효율적인 압축기, 가변 속도 압축기 및 대형 열 교환기는 모두 열 펌프 효율에 기여한다. 현재 시판 중인 주거용 지상 열원 펌프에는 2.4 - 5.0의 표준 COP와 10.6 - 30의 EER가 있다.^[23][24] Energy Star 라벨의 자격을 얻으려면 열 펌프가 지열 교환기 유형에 따라 달라지는 특정 최소 COP 및 EER 등급을 충족해야 한다. 폐쇄 루프 시스템의 경우 ISO 13256-1 가열 COP는 3.3 이상, 냉각 EER는 14.1 이상이어야 한다.^[25]

표준 ARI 210과 240은 공기 공급원 열펌프에 대한 계절 변동의 영향을 설명하기 위해 계절 에너지 효율비(SEER)와 난방 계절 성능 인자(HSPF)를 정의한다. 이러한 수치는 일반적으로 적용되지 않으므로 지상원 열펌프 정격과 비교해서는 안 된다. 그러나, 천연자원 캐나다는 캐나다의 지상원 열펌프에 대해 일반적으로 계절적으로 조정된 HSPF를 계산하기 위해 이 접근방식을 채택했다.^[13] NRC HSPF는 캐나다에서 가장 인구가 많은 지역의 경우 8.7 ~ 12.8 BTU/hr/watt(비차원적 요인의 경우 2.6 ~ 3.8 또는 계절 평균 전기 사용 효율의 255% ~ 375%)의 범위를 보였다.

열펌프 기기를 서로 비교하기 위해, 다른 시스템 부품과 독립적으로, 미국 냉매 연구소(ARI)에 의해 그리고 최근에는 국제 표준화 기구에 의해 몇 가지 표준 시험 조건이 확립되었다. 표준 ARI 330 정격은 폐쇄 루프 지상원 열펌프를 위한 것으로, 에어컨의 경우 25°C(77°F), 난방의 경우 0°C(32°F)의 2차 루프 수온을 가정한다. 이러한 온도는 미국 북부의 전형적인 설비다. 표준 ARI 325 정격은 개방 루프 지상원 열펌프를 위한 것으로, 지하수 온도 10 °C(50 °F)와 21 °C(70 °F)에 대한 정격 두 세트를 포함한다. ARI 325는 물 펌핑을 위해 ARI 330보다 더 많은 전기를 예산으로 책정했다. 이 표준들 중 어느 것도 계절적 변동을 설명하려 하지 않는다. 표준 ARI 870 정격은 직접 교환 지상원 열펌프를 위한 것이다. ASHRAE는 2001년에 ARI 320, 325, 330을 대체하는 ISO 13256-1로 전환했다. 새로운 ISO 표준은 더 이상 물 펌프를 위한 전기 예산을 책정하지 않기 때문에 약간 더 높은 정격을 생산한다.^[23]

인공 열 첨가나 뺄셈이 없는 토양과 수 미터 또는 그 이상의 깊이에 있는 토양은 일년 내내 비교적 일정한 온도로 남아 있다. 이 온도는 미국 북부 6m(20ft) 깊이에서 보통 7–12°C(45–54°F)로 선택한 위치의 연평균 공기 온도와 거의 동일하다. 이 온도는 계절에 걸쳐 공기 온도보다 더 일정하기 때문에, 지상 열 펌프는 극한의 공기 온도에서 에어컨과 공기 열 펌프보다 훨씬 더 높은 효율을 발휘한다.

열전달 해석

지열교환기(GHE)^[26]의 열응답 예측에 있어 난제는 관련 시공간 척도의 다양성이다. GHE의 열전달에는 4개의 공간 척도와 8개의 시간 척도가 포함된다. 실질적인 중요도를 갖는 첫 번째 공간 척도는 보어홀 직경(~ 0.1m)이며, 관련 시간은 1시간 순서로 되어 있는데, 이때 백필링 재료의 열 용량의 영향이 상당하다. 두 번째 중요한 공간 치수는 인접한 두 보어홀 사이의 반 거리인데, 이 거리는 몇 미터 순서로 되어 있다. 해당 시간은 월순이며, 그 기간 동안 인접한 보어홀 간의 열 상호작용이 중요하다. 가장 큰 공간 스케일은 보어홀의 절반 길이와 GHE 클러스터의 수평 스케일과 같이 수십 미터 이상일 수 있다. 관련된 시간 척도는 GHE의 수명만큼 길다.^[27]

지면의 단기 시간당 온도 반응은 지상 열펌프 시스템의 에너지 분석과 최적의 제어 및 작동을 위해 필수적이다. 이와는 대조적으로, 장기적 대응은 라이프사이클의 관점에서 시스템의 전반적인 실현 가능성을 결정한다. 시간 척도의 전체 스펙트럼을 다루려면 방대한 계산 자원이 필요하다.

엔지니어가 GHE 설계 초기 단계에서 질문할 수 있는 주요 질문은 ⑴ 시간의 함수로서 GHE의 열전달률은 얼마인가, 순환유체와 지면의 특정 온도차를 감안했을 때, ⑵ 필요한 열교환률을 고려했을 때 시간의 함수로서의 온도차는 얼마인가이다. 열전달 언어에서 두 문제는 아마도 $q{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle l_{}}$=${\displaystyle }$[ ${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle f{}_{}}$(${\displaystyle }$t )${\displaystyle }$- ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\displaystyle {}_{}}$/ ${\displaystyle R}$( ${\displaystyle t}$) ${\displaystyle q_{l}=[T_{f}(t)-T_{0}]/R(t)}$로 표현될 수 있을 것이다.

여기서 T는_f 순환 유체의 평균 온도, T는₀ 지면의 유효하고 방해받지 않는 온도, q는_l 단위 길이당 단위 시간 당 GHE의 열전달 속도(W/m), R은 총 열저항(mK^./W)이다.R(t)은 열전달 해석에 의해 결정되어야 하는 미지의 변수인 경우가 많다. R(t)이 시간의 함수임에도 불구하고, 분석 모델은 분석을 단순화하기 위해 시간 독립적인 부분과 시간 의존적인 부분으로 독점적으로 분해한다.

시간 독립형 및 시간 의존형 R에 대한 다양한 모델은 참고문헌에서 찾을 수 있다.^[9][10] 또한 특히 대규모 상업용 현장(예: 10개 이상의 웰)에 대해 루프필드 크기를 최적화하기 위해 지표 열전도도의 결정론적 분석을 수행하기 위해 열응답 시험을 수행하는 경우가 많다.

계절열저장

지열원 열펌프의 효율은 계절별 열에너지 저장과 계절간 열전달을 통해 크게 향상될 수 있다.^[28] 여름철 열은행에 포획해 보관하는 열은 겨울철 효율적으로 회수할 수 있다. 열 저장 효율은 규모에 따라 증가하므로 상업용 또는 지역 난방 시스템에서 이러한 이점이 가장 중요하다.

지오솔라 콤비시스템은 열 저장을 위해 대수층을 사용하여 온실을 가열하고 식히기 위해 사용되어 왔다.^[17][29] 여름에는 온실이 차가운 지하수로 냉각된다. 이것은 겨울에 난방을 위한 따뜻한 공급원이 될 수 있는 대수층의 물을 가열한다.^[29][30] 냉열 및 열 저장과 열 펌프의 결합은 물/습도 조절과 결합될 수 있다. 이 원칙들은 모든 종류의 건물에 재생 가능한 열과 재생 가능한 냉각을^[31] 제공하기 위해 사용된다.

또한, 기존 소형 열펌프 설비의 효율성은 크고 값싼, 물을 채운 태양열 집열기를 추가함으로써 향상될 수 있다. 이러한 주차장은 외부 층에 1인치 PE 파이프를 설치하여 보수하거나 벽 또는 지붕 구조물에 통합할 수 있다.

환경영향

미국 환경보호국(EPA)은 지상 열펌프를 에너지 효율이 가장 높고 환경적으로 깨끗하고 비용 효율적인 공간 조절 시스템이라고 불렀다.^[32] 열 펌프는 특히 난방과 냉각을 위해 사용되며 재생 가능한 자원에서 전기를 생산하는 경우 상당한 배출 감소 잠재력을 제공한다.

GSHP는 타의 추종을 불허하는 열 효율을 가지고 있으며, 국지적으로 배출이 전혀 발생하지 않지만, 전력 공급은 소유주가 100% 재생 에너지 공급을 선택하지 않는 한 온실가스 배출량이 높은 구성품을 포함한다. 따라서 이들의 환경 영향은 전기 공급의 특성과 이용 가능한 대안에 따라 달라진다.

단독 주거지의 고효율 고로 대신 지상원 열펌프를 사용함으로써 연간 온실가스(GHG) 절감액(재생에너지의 특정 공급량을 가정)

나라	전기 CO2 배출 강도	다음에 대한 GHG 절감액
		천연가스	난방유	전기 난방
캐나다	223톤/GWh[33][34][35]	2.7톤/yr	5.3톤/yr	3.4톤/yr
러시아	351톤/GWh[33][34]	1.8톤/yr	4.4톤/yr	5.4톤/yr
미국	676톤/GWh[34]	-0.5톤/yr	2.2톤/yr	10.3톤/yr
중국	839톤/GWh[33][34]	-1.6톤/yr	1.0톤/yr	연 12.8톤

기존 용해로에 대한 열펌프의 온실가스 배출 절감액은 다음 공식을 바탕으로 계산할 수 있다.^[36]

$GHG\ Savings=HL\left({\frac {FI}{AFUE\times 1000{\frac {kg}{ton}}}}-{\frac {EI}}{COP\times 3600{\frac}{hr}}}}}}\right)}$

• HL = 미국 북부의 현대 단독주택의 계절별 열부하 load 80 GJ/yr
• FI = 연료의 배출 강도 = 천연가스의 경우 50kg(CO₂)/GJ, 난방유의 경우 73, 풍력, 수력, 태양광 또는 태양열 등 100% 재생에너지의 경우 0
• AFUE = 현대적인 응축로의 경우 용해로 효율성 ≈ 95%
• COP = 열펌프 성능계수 ≈ 미국 북부 열펌프에 대해 계절적으로 조정된 3.2
• EI = 지역의 발전소 혼합(석탄 vs 천연가스 vs 핵·수력·풍력·태양광)에 따라 전기의 배출 강도 ≈ 200–800톤(CO₂)/GWh

지상 열펌프는 항상 에어컨, 유로로, 그리고 전기 난방보다 적은 온실가스를 생산하지만, 천연가스로는 지역 전기 공급의 온실가스의 강도에 따라 경쟁력이 있을 수 있다. 캐나다나 러시아 같은 배출 전기 인프라가 낮은 나라에서는 가정용 열펌프가 유로에 비해 연간 5톤의 이산화탄소를 절약할 수 있으며, 이는 평균 승용차 한 대를 도로에서 떼어내는 정도일 수 있다. 그러나 베이징이나 피츠버그와 같이 전력 생산을 위해 석탄에 의존하는 도시에서는 열펌프가 천연가스 용광로보다 이산화탄소 배출량이 1, 2톤 더 많을 수 있다. 그러나 유틸리티 천연가스 기반구조가 제공되지 않는 지역에 대해서는 더 나은 대안이 존재하지 않는다.

폐쇄 루프에 사용되는 액체는 생분해성 및 무독성으로 설계될 수 있지만, 열펌프 캐비닛과 직접 교환 루프에 사용되는 냉매는 최근까지 오존 퇴화 물질인 클로로디플루오로메탄이었다.^[23] 비록 포함된 동안 무해하지만, 누출과 부적절한 종말 처리는 오존 구멍을 넓히는 데 기여한다. 새로운 건설을 위해, 이 냉매는 오존 친화적이지만 강력한 온실 가스 R410A를 위해 단계적으로 폐지되고 있다. 에코큐트 온수기는 클로로플루오로카본 대신 이산화탄소를 작동유체로 사용하는 공기원 열펌프다.^{[citation needed]} 개방 루프 시스템(즉, 보어홀 열 교환기를 사용하여 폐쇄 루프 시스템과 반대로 지면을 끌어들이는 시스템)은 사용 후 물을 재주입하여 균형을 이루어야 한다. 이것은 대수층 고갈과 지하로부터의 브라인이나 다른 화합물로 토양이나 지표수의 오염을 방지한다.^{[citation needed]}

시추에 앞서 지하 지질학을 숙지하고 층간수 침투 방지 등 보어홀을 봉인할 준비를 해야 한다. 불행한 예는 독일 스타우펜 임 브라이스가우의 지열 프로젝트인데, 이 지열 프로젝트는 독일 역사 건물들에 상당한 피해를 입힌 원인으로 보인다. 2008년, 시 중심부가 몇 밀리미터 가라앉은 후,^[37] 12 센티미터가 올랐다고 보고되었다.^[38] 그 지루함이 자연적으로 가압된 대수층을 두드렸고, 이 물은 보어홀을 통해 무수층 층으로 들어갔는데, 이것은 석고를 형성하면서 습기가 차면 팽창한다. 무수정이 완전히 반응하면 부기가 멈추게 되고, 도심 재건축은 "상승세가 멈출 때까지 편법이 아니다"고 했다. 2010년까지 보어홀의 밀봉은 이루어지지 않았다.^[39][40][41] 2010년까지, 마을의 일부 구역은 30 cm씩 상승했다.^[42]

경제학

지상원 열펌프는 다른 HVAC 시스템에 비해 높은 자본비용과 낮은 운용비용을 특징으로 한다. 이들의 전반적인 경제적 이익은 주로 전기와 연료의 상대적 비용에 의존하는데, 이는 시간과 전 세계적으로 매우 가변적이다. 최근 가격을 기준으로 볼 때, 지상 열펌프는 현재 세계 거의 모든 곳의 다른 기존 난방 공급원보다 낮은 운영비를 가지고 있다. 천연가스는 경쟁력 있는 운영비를 가진 유일한 연료로, 예외적으로 가격이 저렴하거나 전기가 유난히 비싼 소수의 국가에서만 가능하다.^[36] 일반적으로 주택소유자는 일반 시스템에서 지상원 시스템으로 전환하여 전력회사에 대해 연간 20%에서 60%까지 절약할 수 있다.^[43][44]

자본비용과 시스템 수명은 최근까지 훨씬 적은 연구를 받았고, 투자수익률도 변동성이 크다. 메릴랜드 주(州)의 2011~2012년 인센티브 지급 분석에서 가장 최근의 데이터는 와트당 평균 1.90달러, 일반적인 (4톤/14kW) 주택 시스템의 경우 약 26,700달러의 주거 시스템 비용을 나타냈다.^[45] 한 오래된 연구에 따르면 미국의 시골 단독 거주지의 열 용량이 10 kW(3톤)인 시스템의 총 설치 비용은 1995년 미국 달러에서 평균 8000~9000달러였다.^[46] 더 최근의 연구는 같은 규모의 시스템에 대해 2008년 미국 달러로 평균 14,000달러의 비용이 든다는 것을 발견했다.^[47][48] 미국 에너지부는 웹사이트에서 2008년에 마지막으로 업데이트된 7500달러의 가격을 추정한다.^[49] 캐나다의 한 소식통은 3만~3만4000달러의 가격을 책정했다.^[50] 시스템 가격의 급속한 상승은 효율성과 신뢰성의 급속한 향상에 수반되었다. 자본 비용은 특히 오픈 루프 시스템의 경우 규모의 경제에서 이익을 얻는 것으로 알려져 있으므로, 대형 상업용 건물과 혹독한 기후에 더 비용 효율적이다. 초기 비용은 대부분의 주거용 애플리케이션, 신축 또는 기존 난방 시스템의 2-5배일 수 있다. 개축 시에는 생활면적, 주택연령, 단열특성, 면적의 지질, 재산의 위치 등에 따라 설치비가 영향을 받는다. 초기 시스템 비용에서 적절한 덕트 시스템 설계와 기계적 공기 교환을 고려해야 한다.

단독주택에 지상열원 열펌프 설치비용 회수기간

나라	교체 비용 회수 기간
	천연가스	난방유	전기 난방
캐나다	13년	3년	6년
미국	12년	5년	4년
독일.	순손실	8년	2년
주의: 에너지 가격에 따라 변동성이 매우 높음. 정부 보조금은 포함되지 않았다. 기후 차이가 평가되지 않음

자본 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 온타리오주는 2009 회계연도에 설치된 주거용 시스템에 대해 7,000달러를 제시했다. 일부 전기 회사들은 건물 난방이나 냉방을 위해 지상 열펌프를 설치하는 고객들에게 특별 요금을 제공한다.^[51] 여름철에는 부하가 크고 겨울철에는 유휴 용량이 큰 발전소는 겨울철에는 전기 판매량을 증가시킨다. 또한 열펌프는 열펌프의 효율 증대로 인해 여름철에 부하피크를 낮춤으로써 비용이 많이 드는 신규 발전소 건설을 피할 수 있다. 같은 이유로 다른 전력회사들도 고객 주거지에 지상 열펌프를 설치하는 비용을 지불하기 시작했다. 그들은 월별 수수료로 시스템을 고객에게 임대하고, 고객에게 전체적으로 순절약한다.

이 시스템의 수명은 기존의 냉난방 시스템보다 길다. 이 기술이 너무 최신이기 때문에 시스템 수명에 대한 좋은 데이터는 아직 이용할 수 없지만, 많은 초기 시스템들은 일상적인 유지보수로 25-30년이 지난 오늘날에도 여전히 작동하고 있다. 대부분의 루프 필드는 25~50년 동안 보증되며 최소 50~200년 동안 지속될 것으로 예상된다.^[43][52] 지상 열펌프는 전기를 사용하여 집을 난방한다. 기존 석유, 프로판 또는 전기 시스템 이상의 높은 투자는 미국의 주거용 시스템에 대해 2-10년 내에 에너지 절약으로 반환될 수 있다.^[53][44][52] 천연가스 시스템과 비교하면 회수 기간이 훨씬 길거나 존재하지 않을 수 있다. 미국의 대규모 상업 시스템의 투자 회수 기간은 천연 가스와 비교해도 1년에서 5년이다.^[44] 또한 지열 열펌프에는 보통 실외 압축기나 냉각탑이 없기 때문에 기물 파손의 위험이 감소하거나 제거되어 시스템의 수명이 연장될 수 있다.^[54]

지상 열펌프는 시장에서 가장 효율적인 냉난방 시스템 중 하나로 인정받고 있다. 지반 온도로 인한 열 효율 감소에도 불구하고 극한 기후(공동 생성 후)에서 두 번째로 비용 효율적인 해결책이 되는 경우가 많다. (지상원은 강력한 에어컨을 필요로 하는 기후에서는 더 따뜻하고, 강한 난방이 필요한 기후에서는 더 차갑다.) 이러한 시스템의 재정적 생존가능성은 지상 열교환기(GHE)의 적절한 크기에 따라 결정되며, 일반적으로 GSHP 시스템의 전체 자본비용에 가장 큰 기여를 한다.^[55]

미국의 상업용 시스템 유지보수 비용은 역사적으로 1996년 달러에서 m당² 0.11달러에서 0.22달러 사이였으며, 이는 기존 HVAC 시스템의 연평균 m당² 0.54달러보다 훨씬 적은 금액이다.^[3]

재생 에너지를 촉진하는 정부는 소비자(주거용) 또는 산업 시장에 인센티브를 제공할 가능성이 높다. 예를 들어, 미국에서는 주정부와 연방정부 차원에서 인센티브가 제공된다.^[56] 영국에서 재생 가능한 열 인센티브는 상업용 건물에 대해 20년 동안 매년 계량된 판독치를 기반으로 재생 가능한 열 발생을 위한 재정적 인센티브를 제공한다. 국내 재생 열 인센티브는 2014년^[57] 봄에 7년간 도입될 예정이며 간주 열을 기반으로 한다.

참고 항목

• 접지결합열교환기
• 태양열냉각
• 재생열
• 국제 지상원 열펌프 협회
• 지열 냉난방 용어집
• 균일 기계 코드

참조

외부 링크

• 지열 열 펌프(ERE/USDOE).
• 원가계산
• 지열 열펌프 컨소시엄
• 국제 지상원 열펌프 협회
• 지상원 열펌프 협회(GSHPA)

다음에 대한 시리즈 일부
재생에너지
바이오 연료 바이오매스 바이오가스 지열 수력 발전 태양에너지 조력 발전 웨이브 파워 풍력 발전
나라별 주제 마케팅 및 정책 동향
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