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 실제로 거주하며 한 실험으로 단독주택에 알맞은 가정용으로 적합

· 2006년 주택을 건설할 당시에 GSHP가 타당했던 이유는 다음 4가지가 있음

 

1. 만약 화석연료나 바이오매스를 태운다면 이산화탄소 배출을 피할 수 없음

2. 정부는 유럽의 목표를 달성하기 위해 2020~2030년까지 전면적으로 재생에너지의 비율을 증가시키려 함. 이는 풍력을 포함할 뿐만아니라 태양광 패널을 사용하는 수천대의 가정용 발전기도 포함됨

3. 전기난방 기술은 신재생에너지에서 열을 추출하기 위해 재생산되는 전기를 사용할 수 있는 열펌프 등 좋은 기량을 가지고 더 효과적으로 개발되고 있음

4. 개별건물과 그룹건물 모두 공간난방의 전기적 필요요건에 부합하는 충분한 전기를 내부에서 생산할 수 있음

 

· 이 실험은 태양광발전 및 GSHP(지열이용 열펌프)로 태양열을 확대 이용하는 것이 부분적인 개보수 안으로 효과적일 수 있다는 것을 나타냄

 

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

· 영국 노팅햄에 있는 저자가 사용 중인 단독주택은 바닥면적이 120평방미터이고 2006~2007년 사이에 지어진 평균보온 건물은 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 것임

· 2010년 초반 이후 태양열 밥솥 스타일의 “선박스(sunboxes)"는 접지루프에 직접연결하여 남쪽 벽에 설치

· 이것은 솔레노이드 발브를 작동하는 온도제어기에 의해 제어되는 것으로 저자에 의해 직접 설계되고 만들어졌으며, 현재까지 2년 동안 좋은 성능을 실현하고 있음

 

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 알루미늄 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 때도 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 연간 소비는 모든 난방, 온수 및 바닥 펌프 순환을 위해 연간 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 연간 성능은 물탱크를 가열하는 것 보다 더 높으며, 이것은 대규모로 보온이 되지 않는 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 겨울에도 유익한 델타-T는 있다.

· 일반 태양전지 판넬은 매장온도와 판넬온도를 비교하는 온도의 적용을 받는다.

· 온수난방의 경우 탱크는 최적의 상태로 종종 있으며 아무도 목욕하지 않으며 DELTA-T도 없으며 펌프도 가동하지 않는다.

· 이것은 뜨거운 물이 고여 있는 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 바이오매스 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 운전자들처럼 그들 고유의 방식대로 살아가며, 반면에 스칸디나비아 사람들은 대중교통 사용자들처럼 다른 집들과 떨어져 사는 주거지의 군집에서 조차도 기꺼이 지역난방으로 살아간다.

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