1. 소개 - 1p, 중간부터 ~ 2p, 5째줄 까지

□ 이 보고서는 열적으로 지중을 재충전하기 위해 일광욕실 스타일 판넬을 사용하는 지열이용 열펌프(GSHP - Ground Source Heat Pumps)를 위한 확대시스템을 알리는 것이다.

□ 이 시스템은 실제, 실시간, 실제 거주하며 한 실험으로 단독주택에 딱 들어맞는 가정용으로 적합하다.

□ 2006년 주택을 건설할 당시에 GSHP가 타당했던 이유는 단일연료 기반시스템, 전기가 다음 4가지 이유로 화석연료 공급원을 화급히 해결해야 할 사안으로 보다 좋아했기 때문이었다.

1. 만약 우리가 화석연료나 바이오 매스를 태운다면 비록 우리가 상쇄시키거나 보상받을 수 있는 방법을 알게 될 지라도 우리는 이산화탄소 배출을 피할 수 없다.

2. 정부는 유럽의 목표를 달성하기 위해 2020~2030년까지 전면적으로 재생 전기의 비율을 증가시키려 한다. 이것은 대규모 풍력을 포함할 것이나 태양광 패널을 사용하는 수천대의 가정용 발전기도 포함하는 것이다.

3. 전기로 난방하는 기술은 재생에너지 원에서 열을 추출하기 위해 재생산되는 전기를 사용할 수 있는 열펌프 등의 좋은 기량을 가지고 더 효과적이 되어 가고 있다.

4. 개별건물과 그룹건물 모두 공간난방의 전기적 필요요건에 부합하는 충분한 전기를 가정에서 생산할 수 있다.

 

□ 여름에 태양열이 불필요할 때 다가오는 것이 대부분이긴 하지만 태양열은 무료라는 것은 재생에너지의 기본적인 교리이다.

□ 우리는 성공적으로 깨끗한 에너지원을 사용하는데 상당한 창의력을 필요로 한다.

 

□ 우리는 추운 기후에 미래 가정용 건물이 그들의 열 요건을 줄일 수 있도록 아주 잘 단열처리를 하거나 패시브 하우스 수준이 될 수 있으며, 또 그런 수준이 되어야 한다는데 모두 다 찬성하고 있다.

□ 우리는 수백만 채의 기존 주택을 보온을 함으로서 보다 효율적으로 만드는 방법을 찾을 필요가 있다는 것에 동의할 수 있다.

□ 보온을 잘 하는 것은 항상 제일 먼저 해야 할 일이다.

□ 그러나 탄소 제로에 가깝게 가는 효과적이고 저렴한 기술의 필요성은 여전히 존재한다.

□ 이 실험은 태양광발전 및 GSHP(지열이용 열펌프)로 태양열을 확대이용하는 것이 부분적인 개보수안으로 효과적일 수 있다는 것을 보여준다.

 

 

2. 주택과 시추(지중 에너지) - 2p, 중간부터 ~ 3p, 5째줄 까지

□ 영국 노팅햄에 있는 저자가 사용 중인 단독주택은 바닥면적이 120 평방미터이고 위에 언급한 평균적인 보온을 한 2006~7년 경에 지어진 개발자의 자산이다.

□ 이 주택은 185리터의 통합 물탱크를 가진 스웨덴 제조 지중열원펌프(2kW/6kW)를 가지고 있었다.

□ 1층과 2층에 난방을 갖추고 있으며, 단열은 100mm 두께의 중단열이다.

□ 이 집은 패시브 하우스의 표준 이상도 아니었으며 공기가 새어나가는 틈새를 막는 것도 실질적이지는 않은 상태이다.

□ 예상되는 총 열과 DHW(가정용 온수 에너지 수요) 필요요건은 14,600kWh이다.

□ 이 프로젝트 이전에 GSHP(지열이용 열펌프)는 2.5~2.9의 평균 COP를 제공하는 5,200kWh의 예상소비를 했다.

□ 데이터가 다양한 것은 기후 통계(날씨)와 수용인원의 양상(예를 들어 목욕을 더 많이 하는 방문객 들) 때문이다.

 

□ GSHP(지열이용 열펌프)는 2007년 3월에 의뢰되었다.

□ 열용량(thermal mass)은 약 3,600 입방미터를 둘러싸고 있는 고밀도 점토-이회토 토양에 48m 깊이로 두 개의 시추공이 있다.

□ 접지 루프는 40mm 플라스틱 파이프의 폐쇄식 이다.

□ 90미터이면 유효한 길이(꼭대기 3미터는 무시)로 생각될 수 있으며 천공의 피크 수요는 4천 와트로 간주된다.

□ 이것은 Veissman 기술 지침에 따라 현장의 고밀도 습윤 점토-이회토에 안전한 평균 44와트/m를 전달하는 땅을 필요로 하나, 성능 개선의 여지는 항상 존재한다.

 

<그림 1 - 동남쪽에서 본 Peveril 태양열 주택>

 

 

3. 지중에너지 이용 냉각 및 태양열 충전 - 4p, 중간부터~11째줄 까지

□ 집 소유자는 성공적인 수년 동안 GSHP(지열이용 열펌프)의 COP를 줄이면서 깊은 지중 냉방에 리스크가 있다는 것을 우려하고 있다.

 

 

<그림 4 - 낮은 온도 평형에 도달 할 때 까지 갈색선은 몇 시즌 동안 지중온도의 하향을 나타냄>

 

□ 니콜슨의 그림 4 도표는 겨울과 여름온도의 새로운 평정상태에 도달할 때까지 이전 계절의 열손실로부터 충분히 땅이 회복하지 못해서 점진적인 하향을 나타내며, 열펌프는 처음 설치되었을 때에 비해 더 비효율적으로 작동된다.

□ 열펌프가 만족스럽게 열 균형을 달성하지 못하면 점점 더 자주 발생이 된다.

□ 이번에는 추가열 기능을 사용하여 직접 1:1 난방을 작동한다.

□ 추운 겨울 밤에 이러한 상황은 열펌프가 더 자주 사용 될 때에 전력망 수요가 갑자기 높아질 수가 있을 것이다.

 

 

4. 태양열발전(PV) 기반 목표의 정의 - 5p, 중간부터 ~ 5p, 11째줄 까지

□ 주택의 탄소제로를 만들기 위한 노력으로 소유자인 저자는 지중천공에 태양열을 충전하는 것을 제안하여 2009년 10월에 이 프로젝트를 시작했다.

□ 이 프로젝트의 목표는 영국 기후에서 4kW 용량의 PV 배열로 생산될 수 있는 것에 대한 열에너지 요건을 제한하는 문제 해결도 포함하도록 확대하였다.

 

□ 첫 번째 실행은 22개의 태양광 패널을 설치하는 것이었다.

□ 영국에서 가정용 PV 설치는 관세 시스템에서 4kW로 제한이 되어 있다.

□ 큰 것은 허용되긴 하지만 4kW를 초과하지 않도록 하는 강한 재정적 인센티브제도가 있다.

□ 노팅햄의 53ON에 위치한 Peveril 태양열 주택(그림 1 참조)의 PV 지붕은 40O 경사 지붕으로 동쪽으로 면해 있으며 년간 3,300~3,400kWh의 전기를 생산한다.

□ 같은 규모로 PV 배열이 남쪽에 면하여 100m 쯤 떨어진 또 다른 주택은 약 3,750kWh를 생산하였다.

 

 

5. 태양열 충전법 - 6p, 중간부터 ~ 8째줄 까지

□ GSHP(지열이용 열펌프)의 COP를 증진하는 기본적인 수단은 주택 아래에 열용량으로 무료의 열을 잡아 저장하는 태양열시스템으로 접지루프를 증가하는 것이었다.

□ 2010년 초반 이후 태양열 밥솥 스타일의 “선박스(sunboxes)"는 접지루프에 직접연결하여 남쪽 벽에 설치하였다.

□ 이것은 솔레노이드 발브를 작동하는 온도제어기에 의해 제어되는 것으로 저자에 의해 직접 설계되고 만들어졌으며, 2년 동안 실행되었는데 현재 좋은 성능을 내고 있다.

 

 

6. 시스템의 건설 - 7p, 1째줄 부터~7p, 15째줄 까지

□ 실험이 진행되는 동안 선박스(sunbox) 시스템의 두 가지 버전이 있었다.

□ 2009년 8월에 원래 아이디어는 남쪽벽에 40mm의 흑관 망을 걸어두는 것이었다.

□ 그리고는 공기 중에 노출시켜 매트형 검은 수영장패널을 사용하는 것으로 발전하였다.

□ 생각이 깊어지면서 설계는 동절기에 시스템이 작동하도록 온실효과를 이용할 수 있도록 유리로 만들어진 미기후 봉쇄장치를 포함시켰다.

 

□ 2010년 3월 첫 번째 설계는 알미늄 합금 반사 판넬로 둘러싼 두 개의 작은 유리 일광욕실로 건설되었다.

□ 이 반사판은 반사판없이 자신의 성능에 의해 태양열을 잡아내도록 강화했다.

□ 선박스는 6mm 구조형 폴리카보네이트의 단일면으로 만들어진 일체형 구조였다.

□ 첫 번째 선박스는 온실효과를 사용하여 수직으로 돌출한 태양열 밥솥과 유사했다.

□ 돌출된 단열 벽돌벽은 따뜻한 날에 40o 이상으로 가열됨으로 여름에 부수적인 기여를 하고 해가 진 후 저녁에 공기층으로 5.5kWh 추가될 것으로 예상되는 열을 발생시킨다.

 

 

7. 성능 모니터링 - 9p, 1째줄 부터 ~ 9P, 24째줄 까지

□ 일일 모니터링과 데이터 이력 기록장치에 의하면 전년도에 비해 GSHP(지열이용 열펌프) 효율성이 향상된 것으로 나타났다.

□ 팀은 데이터 이력 기록장치로 부터의 추출된 데이터에 문제점들이 있어서 여기에 보고된 모든 결과는 주간, 월간 및 연간 요약과 일일 미터 판독한 것을 기초로 하고 있다.

□ 연간 수치는 전년의 읽은 것과 미터 판독을 정확하게 비교하여 매주 다시 계산되며 모든 결과는 웹에 게시되어 있다.

 

□ GSHP(지열이용 열펌프)가 땅속으로부터 9,000~10,000kWh를 끌어내야만 한다는 것은 열펌프 제조업자에 의한 추정이다.

□ 저자에 의해 “수리야”라는 별명이 붙여진 선박스 시스템은 첫해에 연간 평균 열에너지 3,000kWh 이상을 생산하였다.

□ 그러므로 자연(땅속)으로부터 끌어내야 하는 약 6,000kWh이상의 큰 기여가 남아 있는 상태이다.

□ 그것은 또한 GSHP(지열이용 열펌프)가 겨울철 가장 추운 때 조차도 아무 문제없이 밤에 11시간 꺼져 있을 수 있을 만큼 잘 보온된 건물이 높은 열용량을 가지도록 하는 데에도 도움을 준다.

□ 이것은 경량건물과 비교하여 소비를 줄일 수 있다.

□ 선박스 시스템 이전에는 2번의 겨울을 지나 전기 소비로 열이 생산된 것과 비교하여 추정된 COP 평균은 2.6~2.9였다.

□ 선박스 시스템을 설치한 이후 GSHP(지열이용 열펌프)에 대한 년간 소비는 모든 난방, 온수 및 바닥 펌프 순환을 위해 년간 3,000kWh 미만으로 떨어졌다.

□ 글을 쓰는 시점에서 정확한 수치는 약 2,700kWh를 맴돌고 있다.

□ 이것은 PV를 기반으로 하는 목표범위에 비해 수백 kWh가 낮은 것이다.

□ 이 수치는 만약 바닥 펌프순환에 대한 전력수요가 공제되어진다면 추가로 200kWh 쯤 줄어들 수도 있다.

 

 

8. 태양열 온수난방과 비교 - 전체 작업

□ 지중의 열에 태양열 에너지를 사용하는 년간 성능은 물탱크를 가열하는 것 보다 더 높으며, 이것은 대규모로 보온이 안된 것을 가열할 때 열손실의 잠재적 리스크를 보상하는 것이다.

□ 땅은 서늘함으로부터 더 기온이 올라가기에는 너무 크고 차다.

□ 열은 무료이어서 여름 내내 펌핑하는 것이 가능하다.

□ 아주 많은 시간 동안 심지어 햇빛이 많은 겨울 날에도 유익한 델타-T는 있다.

□ 일반 태양전지 판넬은 매장온도와 판넬온도를 비교하는 온도의 적용을 받는다.

□ 온수 난방의 경우 탱크는 최적의 상태로 종종 있으며 아무도 목욕하지 않으며 DELTA-T도 없으며 펌프도 가동하지 않는다.

□ 이것은 뜨거운 물이 고여있는 것이며, 판넬은 손상을 방지하기 위해 다시 배출해야 할지도 모른다.

 

□ 영국의 SAP 계산기는 1,100kWh/년의 지층에 있는 배출관 또는 4평방미터의 태양열 판넬의 기여도를 평가한다.

□ 저자의 프로젝트에 선박스 시스템은 1년에 2,400시간 동안 가동되었으며 첫해에 3,000kWh 이상을 저장했다.

 

 

9. 결론 - PV 제한과 비교 시스템 - 11p, 하단부터~11p, 맨 밑줄까지

□ 노팅햄의 Peveril 태양열 주택의 지하 열에너지 저장 프로젝트는 실제 단독주택에 실행된 것으로 저자가 알고 있는 영국의 유일한 사례이다.

□ PV, GSHP 및 태양열 충전의 적극적인 모범사례는 난방과 급탕에 탄소제로 달성에 성공을 하였다.

 

□ 영국에서 PV에 관한 4kw의 제한은 다른 요인으로 획기적으로 뒷받침되어지지 않는한 모든 것(난방, DHW, 조명, 전력과 요리)을 완벽하게 탄소제로로 달성하게 하는 것은 불가능할 것이다.

□ 새로 설계되는 주택은 겨울철에 추위를 녹여주도록 단열이 패시브 하우스 수준인 집을 이용하거나 바이오 매스 난방을 이용할 수 있을 정도로 될 것이다.

□ 기존 주택을 개보수할 때에는 액티브 하우스로 접근하는 것이 필요한데 그 때에는 있는 것을 최대한 활용하도록 하고 딱 들어맞는 것을 결정하는 것이 필요하다.

 

 

10. 결론 - 아이디어를 미래에 응용 - 12p, 중간부터 ~ 13째줄 까지

□ 본 보고서는 먼 미래에 단독주택에 태양열 이용의 확대를 위한 하나의 사례가 있다는 것을 제시하는 것이다.

□ 영국 주택의 경제적 환경 속에서 지역난방 시스템은 특이한 경우이다.

□ 아파트는 주요 도시와 시내에만 존재하며 이들을 위해 공유된 난방 시스템은 수용가능한 것이다.

□ 대규모 블록으로 구성된 아파트라면 천공, 옥상 또는 공동 태양열 판넬 면 등의 GSHP(지열이용 열펌프)를 고려하기가 더 용이하다.

 

□ 영국 주거의 대부분은 직장인이 우세한 교외에 위치한 주택이며 난방시설은 공유되어 있지 않다.

□ 영국 주민들은 승용차 운전자들 처럼 그들 고유의 방식대로 살아가며, 반면에 스칸디나비아 사람들은 대중교통 사용자들처럼 다른 집들과 떨어져 사는 주거지의 군집에서 조차도 기꺼이 지역 난방으로 살아간다.

□ 성공적인 지하 열저장 조치들이 스웨덴과 캐나다의 주택단지에서도 작업이 추진되고 있다.