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지열 히트 펌프

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목차

1. 개요

지열 히트 펌프는 땅속의 열을 활용하여 난방 및 냉방에 사용하는 시스템이다. 1853년에 개념이 제시되었고, 1940년대에 상업적으로 사용되기 시작했으며, 1973년 석유 파동 이후 스웨덴을 시작으로 전 세계적으로 보급되었다. 지열 히트 펌프는 내부 장치, 지중 열교환기, 순환 펌프로 구성되며, 에너지 효율이 높고, 온실 가스 배출량 감소에 기여하지만, 초기 설치 비용이 높고, 냉매 및 지하수 오염의 가능성이 존재한다.

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지열 히트 펌프
개요
유형히트 펌프
작동 원리냉매 순환을 통한 열 교환
열원지열 (지표면의 토양 또는 암반)
열 흡수/방출 매체토양, 지하수
사용 목적난방, 냉방, 급탕
시스템 구성
주요 구성 요소지중 열교환기
히트 펌프 장치
순환 펌프
제어 시스템
지중 열교환기 유형수직 밀폐형
수평 밀폐형
개방형 (지하수 이용)
작동 방식
난방 모드지중에서 열 흡수, 실내로 열 방출
냉방 모드실내에서 열 흡수, 지중으로 열 방출
장점
에너지 효율높은 효율로 에너지 비용 절감
환경 친화성화석 연료 사용 감소, 탄소 배출량 저감
안정적인 온도 유지외부 온도 변화에 덜 민감
긴 수명적절한 유지보수 시 긴 수명 보장
단점
초기 설치 비용다른 시스템에 비해 초기 투자 비용이 높음
설치 공간지중 열교환기 설치를 위한 공간 필요
지질 조건 영향지질 조건에 따라 효율이 달라질 수 있음
적용 분야
건물 유형주택
상업 건물
공공 건물
기타지역 난방 시스템
농업 시설
관련 기술
에너지 저장 시스템지열 에너지 저장 (BTES)
스마트 그리드에너지 관리 시스템과의 통합
기타 고려 사항
설치 시 고려 사항지질 조사
열교환기 설계
시스템 유지보수
환경 영향 평가지하수 오염 가능성, 지반 안정성 검토
안정성 논란
대한민국 포항 지열 발전소2017년 포항 지진의 원인으로 지목됨
정부 조사 결과 지열 발전소의 수리 자극 과정이 지진 유발 가능성이 높다고 결론
안전성에 대한 우려 확산
참고 자료
참고 자료CBC 뉴스: 히트 펌프 관련 기사
에너지설비관리: 지열 히트펌프 시스템 관련 기사
조선비즈: 포항 지열 발전 관련 기사

2. 역사

1973년 석유 파동 이후 스웨덴에서 지열 히트 펌프가 널리 사용되기 시작했으며, 점차 전 세계로 확산되었다. 1979년 폴리부틸렌 파이프 개발은 폐쇄형 시스템의 경제성을 높여 시장 판도를 바꾸었다.

2004년을 기준으로 전 세계에 100만 대 이상의 지열 히트 펌프가 설치되어 12GW의 열 용량을 제공했으며, 연간 10%의 성장률을 기록했다.[7]

국가연간 설치 대수 (2011년/2004년 기준)비고
미국약 8만 대[8]
스웨덴2만 7천 대[7]
핀란드자료 없음2006년부터 2011년까지 신규 단독 주택의 가장 흔한 난방 시스템, 시장 점유율 40% 초과[9]


2. 1. 초기 개발

지열 히트 펌프는 1853년 켈빈 경에 의해 설명되었고, 1855년 페터 리터 폰 린팅거에 의해 개발되었다. 하인리히 조엘리는 1912년에 지열을 활용하는 아이디어를 특허로 등록했다.[4]

냉동고를 가지고 실험한 후, 로버트 C. 웨버는 1940년대 후반에 최초의 직접 교환 지열 히트 펌프를 만들었다. 그러나 그의 발명 시기에 대해서는 자료마다 이견이 있다.[4][5] 최초의 상업적 성공 사례는 1948년 커먼웰스 빌딩에 설치되었으며, ASME에 의해 국가 역사 기계 공학 랜드마크로 지정되었다.[52] 오하이오 주립 대학교의 칼 닐슨 교수는 1948년에 자신의 집에 최초의 주택용 개방형 시스템을 설치했다.[6]

1973년 석유 파동의 결과로 지열 히트 펌프는 스웨덴에서 인기를 얻었으며, 그 이후 전 세계적으로 서서히 보급되었다. 1979년 폴리부틸렌 파이프의 개발로 폐쇄형 시스템이 경제적으로 실현 가능해지기 전까지는 개방형 시스템이 시장을 지배했다.[52]

2004년 기준으로 전 세계적으로 100만 대 이상의 장치가 설치되어 12GW의 열 용량을 제공하며 연간 10%의 성장률을 보였다.[7] 매년 (2011년/2004년 기준) 미국에서는 약 8만 대,[8] 스웨덴에서는 2만 7천 대가 설치되었다.[7] 핀란드에서는 2006년부터 2011년까지 지열 히트 펌프가 신규 단독 주택의 가장 흔한 난방 시스템 선택이었으며, 시장 점유율이 40%를 초과했다.[9]

2. 2. 상용화 및 확산

지열 히트 펌프는 1853년 켈빈 경에 의해 설명되었고, 1855년 페터 리터 폰 린팅거에 의해 개발되었다. 하인리히 조엘리는 1912년에 지열을 활용하는 아이디어를 특허로 등록했다.[4]

냉동고를 가지고 실험한 후, 로버트 C. 웨버는 1940년대 후반에 최초의 직접 교환 지열 히트 펌프를 만들었다.[4][5] 최초의 상업적 성공 사례는 1948년 커먼웰스 빌딩에 설치되었으며, ASME에 의해 국가 역사 기계 공학 랜드마크로 지정되었다.[52] 오하이오 주립 대학교의 칼 닐슨 교수는 1948년에 자신의 집에 최초의 주택용 개방형 시스템을 설치했다.[6]

1973년 석유 파동의 결과로 지열 히트 펌프는 스웨덴에서 인기를 얻었으며, 그 이후 전 세계적으로 서서히 보급되었다. 1979년 폴리부틸렌 파이프의 개발로 폐쇄형 시스템이 경제적으로 실현 가능해지기 전까지는 개방형 시스템이 시장을 지배했다.[52]

2004년 기준으로 전 세계적으로 100만 대 이상의 장치가 설치되어 12GW의 열 용량을 제공하며 연간 10%의 성장률을 보였다.[7]

국가연간 설치 대수 (2011년/2004년 기준)비고
미국약 8만 대[8]
스웨덴2만 7천 대[7]
핀란드자료 없음2006년부터 2011년까지 신규 단독 주택의 가장 흔한 난방 시스템, 시장 점유율 40% 초과[9]


3. 원리

지열 히트 펌프는 땅 속 깊이에 따른 온도 차이를 이용하여 난방 및 냉방에 활용하는 시스템이다. 땅 속은 표면 근처와 깊은 곳의 온도 변화 양상이 다르다.

3. 1. 지중 열 특성

지열 히트 펌프는 주변 온도와 땅속 깊이에 따른 온도 차이를 활용한다.

표면 근처의 땅의 열적 특성은 다음과 같이 설명할 수 있다.

  • 약 1m 깊이의 '''표면층'''에서는 온도가 햇빛과 날씨에 매우 민감하다.
  • 토양 유형에 따라 약 8m~20m 깊이의 '''얕은 층'''에서는 땅의 열 질량으로 인해 온도 변화가 깊이에 따라 지수적으로 감소하여 현지 연평균 기온에 가까워진다. 또한 표면 온도보다 늦게 나타나므로 최고 온도는 표면 최고 온도보다 약 6개월 늦다.
  • 그 아래의 '''깊은 층'''에서는 온도가 효과적으로 일정하며, 지열 구배에 따라 미터당 약 0.025°C 상승한다.


"침투 깊이"는 온도 변수가 표면에서의 변동의 0.01 미만인 깊이로 정의되며, 이는 토양 유형에 따라 달라진다.

일중 및 연간 온도 주기의 침투 깊이
토양 유형일 (m)년 (m)
암석1.1m20.5m
젖은 점토0.95m18m
젖은 모래0.8m14.5m
마른 점토0.4m6.5m
마른 모래0.3m4.5m


4. 구성 요소

지열 히트 펌프는 땅이나 지하수의 열을 이용하여 난방 및 냉방을 하는 장치이다. 이 시스템은 효율적인 작동을 위해 여러 구성 요소로 이루어져 있다.

'''지중 열교환기'''

지열 히트 펌프는 땅이나 지하수와 접촉하는 지열 교환기를 통해 열을 추출하거나 발산한다. 시스템 설계가 잘못되면 수년 후 동결되거나 성능이 매우 비효율적일 수 있으므로, 정확한 설계가 매우 중요하다.[10]

지열 루프의 배관은 주로 고밀도 폴리에틸렌 파이프로 만들어지며, 물과 부동액(프로필렌 글리콜, 변성 알코올, 메탄올 등)의 혼합물을 포함한다. 모노프로필렌 글리콜은 땅에 누출될 가능성이 있을 때 손상 가능성이 가장 적어, 유럽 국가들에서 지열원의 유일한 허용 부동액으로 사용된다.


  • '''수평형'''


주거 난방을 위한 시추


수평형은 땅에 평면으로 배열된 파이프로 구성된다. 동결선보다 깊은 긴 참호를 파고 U자형 또는 슬링키 코일을 같은 참호 안에 설치한다. 얕은 수평 열교환기는 지면에서 태양열을 얻고 주변 공기로 열을 전달하면서 계절에 따라 온도 변화를 겪는다. 이러한 온도 변화는 열 관성 때문에 계절보다 늦게 나타나, 열교환기는 몇 달 전 태양에 의해 축적된 열을 수집한다. 반면 늦겨울과 봄에는 겨울 추위가 축적되어 어려움을 겪는다. 물이 모래나 흙보다 열을 더 잘 전달하고 저장하므로, 젖은 땅이나 물속의 시스템이 건조한 지열 루프보다 효율적이다. 땅이 건조한 경우 지열 루프와 함께 관수 호스를 묻어 물을 유지할 수 있다.

  • '''수직형'''


수직형은 열을 운반하는 유체가 땅에서 열을 흡수하거나 방출하는 U자형 파이프가 설치된 깊은 구멍들로 구성된다.[11][12] 구멍은 최소 5~6m 간격으로 떨어져 있으며, 깊이는 땅과 건물의 특성에 따라 달라진다. 파이프를 건물을 지지하는 기초 말뚝과 통합할 수도 있다. 수직형은 여름과 여유 열이 있는 다른 시간에 재충전되지 않는 한 주변 지질에서 열의 이동에 의존한다. 일반적으로 수평형을 설치할 토지가 부족한 경우에 사용된다.

구멍의 파이프 쌍은 구멍 바닥에 U자형 교차 커넥터로 연결되거나, 바닥에서 U자형 굴곡을 형성하기 위해 열적으로 융합된 두 개의 소구경 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 튜브로 구성된다.[13] 구멍 벽과 U자형 튜브 사이의 공간은 일반적으로 그라우팅 재료로 채워지거나, 지하수로 부분적으로 채워진다.[14] 예를 들어, 10kW(3ton)의 난방 용량이 필요한 단독 주택의 경우 세 개의 깊은 구멍이 필요할 수 있다.[26]

  • '''방사형 또는 지향성 시추'''


수평 방향 시추법(미니 HDD)을 사용하여 루프를 설치할 수 있다. 이 기술은 마당, 차도, 정원 또는 기타 구조물 아래에 파이프를 방해 없이 설치할 수 있으며, 참호 및 수직 시추 비용 사이의 비용이 발생한다. 또한 루프가 하나의 중앙 챔버에서 설치되어 필요한 지상 공간을 줄여준다. 방사형 시추는 사용된 장비의 작은 특성과 기존 구조물 아래에 구멍을 뚫는 능력으로 인해 소급하여(자산이 건설된 후) 설치되는 경우가 많다.

  • '''개방 루프'''


개방 루프 시스템(지하수 히트 펌프)에서 보조 루프는 우물이나 물에서 히트 펌프 내부의 열교환기로 자연수를 펌핑한다. 물의 화학적 조성이 제어되지 않으므로 부식으로부터 기기를 보호하기 위해 열교환기와 펌프에 다른 금속을 사용해야 할 수 있다. 석회질은 시간이 지남에 따라 시스템을 오염시킬 수 있으며, 주기적인 산 세척이 필요하다. 이는 난방 시스템보다 냉방 시스템에서 더 큰 문제이다.[15] 스탠딩 칼럼 우물 시스템은 깊은 암석 우물의 바닥에서 물을 끌어내어 히트 펌프를 통과시킨 후 우물의 상단으로 되돌리는 특수한 유형의 개방 루프 시스템이다.[16] 점점 더 많은 관할 구역에서 표면으로 배수되는 개방 루프 시스템을 불법화하고 있다. 이는 대수층을 배수하거나 우물을 수질 오염시킬 수 있기 때문이다. 따라서 환경적으로 더 건전한 주입 우물 또는 폐쇄 루프 시스템을 사용해야 한다.

  • '''연못'''


폐쇄 연못 루프는 프레임에 부착되어 적절한 크기의 연못 또는 수원 바닥에 위치한 슬링키 루프와 유사한 파이프 코일로 구성된다. 인공 연못은 일부 중앙 태양열 난방 플랜트에서 열 저장(최대 90% 효율)으로 사용되며, 나중에 대형 히트 펌프를 통해 열을 추출하여 지역 난방을 공급한다.[17][18]

  • '''직접 교환(DX)'''


직접 교환 지열 히트 펌프(DX)는 냉매 자체가 지열 루프를 통과하는 가장 오래된 유형의 지열 히트 펌프 기술이다. 1980년대에 개발되었지만, 1989년 CFC 냉매 금지 이후 냉매 및 오일 관리 시스템에 문제가 발생하여 현재는 거의 사용되지 않는다.

4. 1. 내부 장치

열 펌프는 건물의 난방 및 냉방을 위한 중앙 장치이며, 일반적으로 두 가지 주요 변형으로 제공된다.

'''액체-대-물''' 열 펌프 ('''물-대-물'''이라고도 함)는 유압 시스템으로, 파이프를 통해 일반 라디에이터, 바닥 난방, 베이스보드 라디에이터 및 온수 탱크로 건물 전체에 난방 또는 냉방을 전달한다. 이러한 열 펌프는 수영장 난방에도 선호된다. 열 펌프는 일반적으로 약 55°C까지 효율적으로 물을 가열하는 반면, 보일러는 일반적으로 65°C에서 95°C에서 작동한다. 보일러에서 얻을 수 있는 더 높은 온도를 위해 설계된 라디에이터의 크기는 열 펌프에 사용하기에는 너무 작을 수 있으며, 보일러에서 열 펌프로 주택을 개조할 때 더 큰 라디에이터로 교체해야 한다. 냉방에 사용될 때는 대기 습기가 라디에이터에 응축되지 않도록 순환하는 물의 온도를 일반적으로 이슬점 이상으로 유지해야 한다.

'''액체-대-공기''' 열 펌프 ('''물-대-공기'''라고도 함)는 강제 공기를 출력하며, 기존의 강제 공기식 난방기 및 중앙 에어컨 시스템을 대체하는 데 가장 일반적으로 사용된다. 분할 시스템, 고속 시스템 및 덕트리스 시스템을 허용하는 변형이 있다. 열 펌프는 기존의 난방기만큼 높은 유체 온도를 얻을 수 없으므로 이를 보상하기 위해 더 높은 부피의 공기 유량을 필요로 한다. 주택을 개조할 때 기존의 덕트 작업을 확장하여 더 높은 공기 흐름으로 인한 소음을 줄여야 할 수 있다.

4. 2. 지중 열교환기

지열 히트 펌프는 땅이나 지하수와 접촉하는 지열 교환기를 사용하여 열을 추출하거나 발산한다. 잘못 설계할 경우 수년 후 시스템이 동결되거나 성능이 매우 비효율적일 수 있으므로, 성공적인 시스템을 위해서는 정확한 시스템 설계가 중요하다.[10]

지열 루프의 배관은 일반적으로 고밀도 폴리에틸렌 파이프로 만들어지며 물과 부동액 (프로필렌 글리콜, 변성 알코올 또는 메탄올)의 혼합물을 포함한다. 모노프로필렌 글리콜은 땅에 누출될 가능성이 있을 때 손상 가능성이 가장 적으므로, 점점 더 많은 유럽 국가에서 지열원의 유일한 허용 부동액이다.

;수평형

수평 폐쇄 루프 필드는 땅에 평면으로 배열된 파이프로 구성된다. 동결선보다 깊은 긴 참호를 파고 U자형 또는 슬링키 코일을 동일한 참호 내부에 펼친다. 얕은 수평 열교환기는 지면에서 태양열 획득 및 주변 공기로의 전송 손실로 인해 계절적 온도 주기를 경험한다. 이러한 온도 주기는 열 관성으로 인해 계절보다 늦어지므로 열교환기는 몇 달 전에 태양에 의해 축적된 열을 수집하는 반면, 겨울이 늦고 봄에는 겨울 추위가 축적되어 어려움을 겪는다. 물이 모래나 흙의 고체보다 열을 더 잘 전도하고 저장하므로 젖은 땅이나 물 속의 시스템이 일반적으로 더 건조한 지열 루프보다 효율적이다. 땅이 자연적으로 건조한 경우 지열 루프와 함께 물을 유지하기 위해 관수 호스를 묻을 수 있다.

;수직형

수직 시스템은 열을 운반하는 유체가 땅에서 열을 흡수하거나 방출하는 U자형 파이프가 장착된 깊이의 여러 개의 구멍으로 구성된다.[11][12] 구멍은 최소 5~6m 간격으로 떨어져 있으며 깊이는 땅과 건물의 특성에 따라 다를 수 있다. 또는 파이프를 건물을 지지하는 데 사용되는 기초 말뚝과 통합할 수 있다. 수직 시스템은 여름과 여유 열이 있는 다른 시간에 재충전되지 않는 한 주변 지질에서 열의 이동에 의존한다. 수직 시스템은 일반적으로 수평 시스템에 사용할 수 있는 토지가 충분하지 않은 경우에 사용된다.

구멍의 파이프 쌍은 구멍 바닥에 U자형 교차 커넥터로 연결되거나 바닥에서 U자형 굴곡을 형성하기 위해 열적으로 융합된 두 개의 소구경 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 튜브로 구성된다.[13] 구멍 벽과 U자형 튜브 사이의 공간은 일반적으로 그라우팅 재료로 완전히 채워지거나 경우에 따라 지하수로 부분적으로 채워진다.[14] 예를 들어, 10 kW (3 ton)의 난방 용량이 필요한 단독 주택의 경우 세 개의 깊이의 구멍이 필요할 수 있다.[26]

;방사형 또는 지향성 시추

참호 대신 미니 수평 방향 시추법(미니 HDD)으로 루프를 설치할 수 있다. 이 기술은 마당, 차도, 정원 또는 기타 구조물 아래에 파이프를 방해하지 않고 설치할 수 있으며, 참호 및 수직 시추 비용 사이의 비용이 발생한다. 이 시스템은 또한 루프가 하나의 중앙 챔버에서 설치되어 필요한 지상 공간을 더 줄여 수평 및 수직 시추와 다르다. 방사형 시추는 사용된 장비의 작은 특성과 기존 구조물 아래에 구멍을 뚫는 능력으로 인해 종종 소급하여(자산이 건설된 후) 설치된다.

;개방 루프

개방 루프 시스템(지하수 히트 펌프라고도 함)에서 보조 루프는 우물이나 물에서 히트 펌프 내부의 열교환기로 자연수를 펌핑한다. 물의 화학적 조성이 제어되지 않으므로 부식으로부터 기기를 보호하기 위해 열교환기와 펌프에 다른 금속을 사용해야 할 수 있다. 석회질은 시간이 지남에 따라 시스템을 오염시킬 수 있으며 주기적인 산 세척이 필요하다. 이것은 난방 시스템보다 냉방 시스템에서 훨씬 더 큰 문제이다.[15] 스탠딩 칼럼 우물 시스템은 깊은 암석 우물의 바닥에서 물을 끌어내어 히트 펌프를 통과시킨 후 우물의 상단으로 되돌리는 특수한 유형의 개방 루프 시스템이다.[16] 점점 더 많은 관할 구역에서 표면으로 배수되는 개방 루프 시스템을 불법화했다. 이러한 시스템은 대수층을 배수하거나 우물을 수질 오염시킬 수 있기 때문이다. 따라서 환경적으로 더 건전한 주입 우물 또는 폐쇄 루프 시스템을 사용해야 한다.

;연못

폐쇄 연못 루프는 프레임에 부착되어 적절한 크기의 연못 또는 수원 바닥에 위치한 슬링키 루프와 유사한 파이프 코일로 구성된다. 인공 연못은 일부 중앙 태양열 난방 플랜트에서 열 저장(최대 90% 효율)으로 사용되며, 나중에 대형 히트 펌프를 통해 열을 추출하여 지역 난방을 공급한다.[17][18]

;직접 교환(DX)

직접 교환 지열 히트 펌프(DX)는 냉매 자체가 지열 루프를 통과하는 가장 오래된 유형의 지열 히트 펌프 기술이다. 1980년대에 개발된 이 접근 방식은 1989년 CFC 냉매 금지 이후 특히 냉매 및 오일 관리 시스템에 문제가 발생했으며 현재 DX 시스템은 거의 사용되지 않는다.

5. 성능

냉방 성능은 에너지 효율 비율(EER)로, 난방 성능은 성능 계수(COP)로 나타낸다. 변환 계수는 3.41 BTU/hr/와트이다. 히트 펌프는 소비하는 전기에너지보다 3~5배 더 많은 열 에너지를 이동시켜 100% 효율인 복사형 전기 열에 비해 300% 이상의 순 열 효율을 낸다. 지열 히트 펌프는 표준 에어컨 장비를 사용하는 전기 저항 난방에 비해 에너지 소비와 대기 오염 배출량을 최대 72%까지 줄일 수 있다.[23]

효율적인 압축기, 가변 속도 압축기, 더 큰 열 교환기는 모두 히트 펌프 효율에 기여한다. 현재 시판되는 주거용 지열 히트 펌프의 표준 COP는 2.4~5.0, EER은 10.6~30이다.[38][24] 에너지 스타 인증을 받으려면 히트 펌프는 지열 교환기 유형에 따라 특정 최소 COP 및 EER 등급을 충족해야 한다. 폐쇄 루프 시스템의 경우 ISO 13256-1 난방 COP는 3.3 이상, 냉방 EER은 14.1 이상이어야 한다.[25]

미국 냉매 연구소(ARI)와 국제 표준화 기구(ISO)는 히트 펌프 장치 비교를 위해 몇 가지 표준 테스트 조건을 설정했다. 표준 ARI 330 등급은 폐쇄 루프 지열 히트 펌프용으로, 에어컨의 경우 25°C, 난방의 경우 0°C의 2차 루프 수온을 가정한다. 표준 ARI 325 등급은 개방 루프 지열 히트 펌프용으로, 10°C 및 21°C의 지하수 온도에 대한 두 세트의 등급을 포함한다. ARI 325는 ARI 330보다 물 펌핑에 더 많은 전기를 할당하며, 이 표준은 계절적 변화를 고려하지 않는다. ASHRAE는 2001년에 ISO 13256–1로 전환하여 ARI 320, 325, 330을 대체했다. 새로운 ISO 표준은 물 펌프에 더 이상 전기를 할당하지 않아 약간 더 높은 등급을 생성한다.[38]

인공적인 열 추가 또는 뺄셈이 없는 토양은 수 미터 이상 깊이에서 연중 비교적 일정한 온도를 유지한다. 이 온도는 미국 북부 지역에서 6m 깊이에서 7°C에서 12°C이다. 이 온도가 계절 내내 기온보다 더 일정하게 유지되기 때문에 지열 히트 펌프는 극한의 기온에서 에어컨 및 공기열원 히트 펌프보다 훨씬 더 큰 효율로 작동한다.

캐나다 천연 자원부는 계절 에너지 효율 비율(SEER) 및 난방 계절 성능 계수(HSPF) 방식을 적용하여 캐나다의 지열 히트 펌프에 대한 전형적인 계절 조정 HSPF를 계산했는데,[26] NRC HSPF는 캐나다의 인구 밀도가 가장 높은 지역의 경우 8.7~12.8 BTU/hr/와트(무차원 계수로 2.6~3.8, 즉 계절 평균 전력 사용 효율이 255%~375%)였다.

5. 1. 성능 계수 (COP)

냉방 성능은 일반적으로 에너지 효율 비율(EER)로 BTU/hr/와트 단위로 표시되며, 난방 성능은 성능 계수(COP)로 표시된다. 변환 계수는 3.41 BTU/hr/와트이다. 히트 펌프는 소비하는 전기에너지보다 3~5배 더 많은 열 에너지를 이동시키므로, 총 에너지 출력은 전기 입력보다 훨씬 크다. 이는 100% 효율인 복사형 전기 열에 비해 300% 이상의 순 열 효율을 낳는다. 기존의 연소식 난방기 및 전기 히터는 100% 효율을 초과할 수 없다. 지열 히트 펌프는 표준 에어컨 장비가 있는 전기 저항 난방에 비해 에너지 소비와 해당 대기 오염 배출량을 최대 72%까지 줄일 수 있다.[23]

효율적인 압축기, 가변 속도 압축기 및 더 큰 열 교환기는 모두 히트 펌프 효율에 기여한다. 오늘날 시장에 나와 있는 주거용 지열 히트 펌프는 표준 COP가 2.4에서 5.0까지, EER이 10.6에서 30까지이다.[38][24] 에너지 스타 라벨을 받으려면 히트 펌프는 지열 교환기 유형에 따라 특정 최소 COP 및 EER 등급을 충족해야 한다. 폐쇄 루프 시스템의 경우 ISO 13256-1 난방 COP는 3.3 이상, 냉방 EER은 14.1 이상이어야 한다.[25]

미국 냉매 연구소(ARI)와 국제 표준화 기구(ISO)는 히트 펌프 장치를 서로 비교하기 위해 몇 가지 표준 테스트 조건을 설정했다. 표준 ARI 330 등급은 폐쇄 루프 지열 히트 펌프용으로, 에어컨의 경우 25°C, 난방의 경우 0°C의 2차 루프 수온을 가정한다. 표준 ARI 325 등급은 개방 루프 지열 히트 펌프용으로, 10°C 및 21°C의 지하수 온도에 대한 두 세트의 등급을 포함한다. ARI 325는 ARI 330보다 물 펌핑에 더 많은 전기를 할당한다. 이러한 표준은 계절적 변화를 고려하지 않는다. ASHRAE는 2001년에 ISO 13256–1로 전환했으며, 이는 ARI 320, 325 및 330을 대체한다. 새로운 ISO 표준은 물 펌프에 더 이상 전기를 할당하지 않기 때문에 약간 더 높은 등급을 생성한다.[38]

인공적인 열 추가 또는 뺄셈이 없는 토양은 수 미터 이상 깊이에서 연중 비교적 일정한 온도를 유지한다. 이 온도는 미국 북부 지역에서 6m 깊이에서 7°C 에서 12°C이다. 이 온도가 계절 내내 기온보다 더 일정하게 유지되기 때문에 지열 히트 펌프는 극한의 기온에서 에어컨 및 공기열원 히트 펌프보다 훨씬 더 큰 효율로 작동한다.

5. 2. 에너지 효율 비율 (EER)

냉방 성능은 BTU/hr/와트 단위의 에너지 효율 비율(EER)로, 난방 성능은 성능 계수(COP)로 나타낸다. 변환 계수는 3.41 BTU/hr/와트이다. 히트 펌프는 소비하는 전기에너지보다 3~5배 더 많은 열 에너지를 이동시키므로, 100% 효율인 복사형 전기 열보다 300% 이상의 순 열 효율을 보인다. 지열 히트 펌프는 표준 에어컨 장비가 있는 전기 저항 난방에 비해 에너지 소비와 대기 오염 배출량을 최대 72%까지 줄일 수 있다.[23]

효율적인 압축기, 가변 속도 압축기, 더 큰 열 교환기는 모두 히트 펌프 효율에 기여한다. 현재 시판되는 주거용 지열 히트 펌프의 표준 COP는 2.4~5.0, EER은 10.6~30이다.[38][24] 에너지 스타 인증을 받으려면 히트 펌프는 지열 교환기 유형에 따라 특정 최소 COP 및 EER 등급을 충족해야 한다. 폐쇄 루프 시스템의 경우 ISO 13256-1 난방 COP는 3.3 이상, 냉방 EER은 14.1 이상이어야 한다.[25]

미국 냉매 연구소(ARI)와 국제 표준화 기구(ISO)는 히트 펌프 장치 비교를 위해 몇 가지 표준 테스트 조건을 설정했다. 표준 ARI 330 등급은 폐쇄 루프 지열 히트 펌프용으로, 에어컨의 경우 25°C, 난방의 경우 0°C의 2차 루프 수온을 가정한다. 표준 ARI 325 등급은 개방 루프 지열 히트 펌프용으로, 10°C 및 21°C의 지하수 온도에 대한 두 세트의 등급을 포함한다. ARI 325는 ARI 330보다 물 펌핑에 더 많은 전기를 할당하며, 이 표준은 계절적 변화를 고려하지 않는다. ASHRAE는 2001년에 ISO 13256–1로 전환하여 ARI 320, 325, 330을 대체했다. 새로운 ISO 표준은 물 펌프에 더 이상 전기를 할당하지 않아 약간 더 높은 등급을 생성한다.[38]

5. 3. 계절별 성능

냉방 성능은 일반적으로 에너지 효율 비율(EER)로 BTU/hr/와트 단위로 표시되며, 난방 성능은 성능 계수(COP)로 표시된다. 변환 계수는 3.41 BTU/hr/와트이다. 히트 펌프는 소비하는 전기에너지보다 3~5배 더 많은 열 에너지를 이동시키기 때문에 총 에너지 출력은 전기 입력보다 훨씬 크다. 이는 100% 효율인 복사형 전기 열에 비해 300% 이상의 순 열 효율을 낳는다. 기존의 연소식 난방기 및 전기 히터는 100% 효율을 초과할 수 없다. 지열 히트 펌프는 표준 에어컨 장비가 있는 전기 저항 난방에 비해 에너지 소비와 해당 대기 오염 배출량을 최대 72%까지 줄일 수 있다.[23]

효율적인 압축기, 가변 속도 압축기 및 더 큰 열 교환기는 모두 히트 펌프 효율에 기여한다. 오늘날 시장에 나와 있는 주거용 지열 히트 펌프는 표준 COP가 2.4에서 5.0까지, EER이 10.6에서 30까지이다.[38][24] 에너지 스타 라벨을 받으려면 히트 펌프는 지열 교환기 유형에 따라 특정 최소 COP 및 EER 등급을 충족해야 한다. 폐쇄 루프 시스템의 경우 ISO 13256-1 난방 COP는 3.3 이상이어야 하고 냉방 EER은 14.1 이상이어야 한다.[25]

미국 냉매 연구소(ARI)와 국제 표준화 기구(ISO)는 히트 펌프 장치를 서로 비교하기 위해 몇 가지 표준 테스트 조건을 설정했다. 표준 ARI 330 등급은 폐쇄 루프 지열 히트 펌프용으로 설계되었으며, 에어컨의 경우 25°C 및 난방의 경우 0°C의 2차 루프 수온을 가정한다. 이러한 온도는 미국 북부 지역의 설치에서 일반적이다. 표준 ARI 325 등급은 개방 루프 지열 히트 펌프용으로 설계되었으며, 10°C 및 21°C의 지하수 온도에 대한 두 세트의 등급을 포함한다. ARI 325는 ARI 330보다 물 펌핑에 더 많은 전기를 할당한다. 이 표준은 계절적 변화를 고려하지 않는다. ASHRAE는 2001년에 ISO 13256–1로 전환했으며, 이는 ARI 320, 325 및 330을 대체한다. 새로운 ISO 표준은 물 펌프에 더 이상 전기를 할당하지 않기 때문에 약간 더 높은 등급을 생성한다.[38]

인공적인 열 추가 또는 뺄셈이 없는 토양은 수 미터 이상 깊이에서 연중 비교적 일정한 온도를 유지한다. 이 온도는 선택한 위치의 연평균 기온과 대략 일치하며, 일반적으로 미국 북부 지역에서 6m 깊이에서 7°C에서 12°C이다. 이 온도가 계절 내내 기온보다 더 일정하게 유지되기 때문에 지열 히트 펌프는 극한의 기온에서 에어컨 및 공기열원 히트 펌프보다 훨씬 더 큰 효율로 작동한다.

계절 에너지 효율 비율(SEER) 및 난방 계절 성능 계수(HSPF)는 ARI 210 및 240 표준에 따라 계절적 변화가 공기열원 히트 펌프에 미치는 영향을 설명하기 위해 정의된다. 이 수치는 일반적으로 적용되지 않으며 지열 히트 펌프 등급과 비교해서는 안 된다. 그러나 캐나다 천연 자원부는 이 방식을 적용하여 캐나다의 지열 히트 펌프에 대한 전형적인 계절 조정 HSPF를 계산했는데,[26] NRC HSPF는 캐나다의 인구 밀도가 가장 높은 지역의 경우 8.7~12.8 BTU/hr/와트(무차원 계수로 2.6~3.8, 즉 계절 평균 전력 사용 효율이 255%~375%)였다.

6. 환경적 영향

지열 히트 펌프는 효율적인 냉난방 시스템이지만, 몇 가지 환경적인 문제점을 안고 있다. 지열 히트 펌프는 작동 과정에서 직접적인 오염물질 배출은 없지만, 펌프를 구동하는 전력 생산 과정에서 간접적으로 온실가스가 배출될 수 있다는 점이다.

개방 루프 시스템은 지하수를 사용한 후 다시 땅속으로 돌려보내는 과정에서 대수층 고갈이나 토양 오염을 유발할 수 있다. 또한, 시추 과정에서 지층 구조를 제대로 파악하지 못하면 독일 Staufen im Breisgau의 사례처럼 예기치 않은 문제가 발생할 수 있다. 이 지역에서는 시추공을 통해 물이 무수석고 층으로 유입되어 지반이 팽창하면서 건물에 심각한 피해를 입혔다.[39]

6. 1. 온실가스 감축 효과

미국 환경 보호국(EPA)은 지열 히트 펌프를 가장 에너지 효율적이고, 환경적으로 깨끗하며, 비용 효율적인 공간 조절 시스템이라고 칭했다.[33] 히트 펌프는 난방과 냉방 모두에 사용되고 전기가 재생 에너지원에서 생산되는 경우 상당한 배출량 감소 효과를 제공한다.

지열 히트 펌프(GSHP)는 현지에서 배출가스를 전혀 배출하지 않지만, 전력 공급에는 온실 가스 배출량이 높은 구성 요소가 포함될 수 있다. (소유자가 100% 재생 에너지 공급을 선택하지 않는 한) 따라서 환경적 영향은 전력 공급의 특성과 사용 가능한 대체 에너지에 따라 달라진다.

독립 주택에서 고효율 보일러 대신 지열 히트 펌프를 사용하여 얻을 수 있는 연간 온실 가스(GHG) 절감량(재생 에너지의 특정 공급이 없다고 가정)
국가전력 CO2
배출 강도		GHG 절감량 비교
천연 가스난방유전기 난방
캐나다223ton/GWh[34][36][35]2.7ton/년5.3ton/년3.4ton/년
러시아351ton/GWh[34][36]1.8ton/년4.4ton/년5.4ton/년
미국676ton/GWh[36]-0.5ton/년2.2ton/년10.3ton/년
중국839ton/GWh[34][36]-1.6ton/년1ton/년12.8ton/년



지열 히트 펌프는 에어컨, 기름 보일러 및 전기 난방보다 적은 온실 가스를 발생시키지만, 지역 전력 공급의 온실 가스 강도에 따라 천연 가스 보일러가 경쟁력이 있을 수 있다. 캐나다 및 러시아와 같이 배출량이 적은 전력 인프라를 갖춘 국가에서는 주택용 히트 펌프가 기름 보일러에 비해 연간 5ton의 이산화탄소를 절감할 수 있으며, 이는 평균적인 승용차를 도로에서 없애는 것과 거의 같다. 그러나 베이징이나 피츠버그와 같이 전력 생산을 위해 석탄에 크게 의존하는 도시에서는 히트 펌프가 천연 가스 보일러보다 1ton~2ton의 이산화탄소 배출량을 더 발생시킬 수 있다. 그러나 유틸리티 천연 가스 인프라가 제공되지 않는 지역의 경우 이보다 더 나은 대안은 없다.

폐쇄 루프에 사용되는 유체는 생분해성이 있고 무독성으로 설계될 수 있지만, 히트 펌프 캐비닛과 직접 교환 루프에 사용되는 냉매는 최근까지 클로로디플루오로메탄이었으며, 이는 오존층 파괴 물질이다.[38] 누출 및 부적절한 폐기 처리는 오존 구멍을 확대하는 데 기여한다. 신규 건설의 경우, 이 냉매는 오존 친화적이지만 강력한 온실 가스인 R410A로 대체되고 있다. 개방 루프 시스템(즉, 보어홀 열 교환기를 사용하는 폐쇄 루프 시스템과 반대로 지하수를 끌어오는 시스템)은 사용된 물을 재주입하여 균형을 맞춰야 한다.

드릴링 전에는 지하 지질을 이해해야 하며, 지층 사이의 물 침투를 방지하는 것을 포함하여 보어홀을 밀봉할 준비가 되어 있어야 한다.

6. 2. 냉매 문제

지열 히트 펌프의 냉매는 최근까지 클로로디플루오로메탄이었으며, 이는 오존층 파괴 물질이다.[38] 갇혀 있을 때는 무해하지만, 누출 및 부적절한 폐기 처리는 오존 구멍을 확대하는 데 기여한다. 신규 건설의 경우, 이 냉매는 오존 친화적이지만 강력한 온실 가스인 R410A로 대체되고 있다.

개방 루프 시스템(즉, 보어홀 열 교환기를 사용하는 폐쇄 루프 시스템과 반대로 지하수를 끌어오는 시스템)은 사용된 물을 재주입하여 균형을 맞춰야 한다. 이렇게 하면 대수층 고갈과 토양 또는 지표수의 염수 또는 지하의 다른 화합물에 의한 오염을 방지할 수 있다.

드릴링 전에는 지하 지질을 이해해야 하며, 지층 사이의 물 침투를 방지하는 것을 포함하여 보어홀을 밀봉할 준비가 되어 있어야 한다. 독일 Staufen im Breisgau의 지열 난방 프로젝트는 이러한 문제의 대표적인 사례로, 역사적인 건물에 상당한 피해를 입혔다. 2008년에는 시 중심부가 처음에는 몇 밀리미터 가라앉았다가 12cm 상승했다.[39] 드릴링으로 자연적으로 가압된 대수층이 뚫렸고, 보어홀을 통해 이 물이 건조 시 팽창하여 석고를 형성하는 무수석고 층으로 들어갔기 때문이다. 부종은 무수석고가 완전히 반응하면 멈추며, 시 중심부의 재건은 "상승이 멈출 때까지는 적절하지 않다." 2010년까지 보어홀의 밀봉이 완료되지 않았다.[41][42][43] 2010년까지 마을의 일부 지역은 30cm 상승했다.[44]

6. 3. 지하수 오염 가능성

지열 히트 펌프는 뛰어난 열효율을 가지며, 현지에서는 배출가스를 전혀 배출하지 않는다. 그러나 전력 공급에는 온실 가스 배출량이 높은 구성 요소가 포함될 수 있다. 따라서 지열 히트 펌프의 환경적 영향은 전력 공급 특성과 사용 가능한 대체 에너지에 따라 달라진다.[33]

개방 루프 시스템(지하수를 끌어와 사용하는 시스템으로, 보어홀 열 교환기를 사용하는 폐쇄 루프 시스템과 반대)은 사용된 물을 다시 땅속으로 주입하여 균형을 맞춰야 한다. 이를 통해 대수층 고갈과 토양 또는 지표수의 염수나 지하의 다른 화합물에 의한 오염을 방지할 수 있다.

지하 시추 전에는 지하 지질을 이해해야 하며, 지층 사이의 물 침투를 방지하는 것을 포함하여 시추공(보어홀)을 밀봉할 준비가 되어 있어야 한다. 독일 Staufen im Breisgau의 지열 난방 프로젝트는 역사적인 건물에 상당한 피해를 입힌 사례로, 시추 과정에서 자연적으로 압력을 받고 있던 대수층이 뚫리면서 문제가 발생했다.[39] 2008년에는 시 중심부가 처음에는 몇 밀리미터 가라앉았다가 12cm 상승했다.[39] 시추공을 통해 물이 건조 시 팽창하여 석고를 형성하는 무수석고 층으로 들어갔기 때문이다. 무수석고가 완전히 반응하면 부풀어 오르는 현상은 멈추며, 시 중심부의 재건은 "상승이 멈출 때까지는 적절하지 않다."[39] 2010년까지 시추공의 밀봉이 완료되지 않았으며,[41][42][43] 같은 해 마을의 일부 지역은 30cm 상승했다.[44]

7. 경제성

지열 히트 펌프는 다른 HVAC 시스템에 비해 초기 비용이 높고 운영 비용이 낮은 특징을 가지고 있다. 전반적인 경제적 이점은 시간과 전 세계적으로 매우 가변적인 전기 및 연료의 상대적 비용에 따라 달라진다.

초기 비용과 시스템 수명에 대한 연구는 최근까지 거의 이루어지지 않았으며, 투자 수익률은 매우 가변적이다. 시스템 가격의 급격한 상승은 효율성과 신뢰성의 빠른 개선을 동반했다. 초기 비용은 특히 개방형 시스템의 경우 규모의 경제로 인해 이점을 얻는 것으로 알려져 있으며, 따라서 더 큰 상업용 건물과 가혹한 기후에 더 비용 효율적이다.

초기 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 일부 전기 회사는 건물 난방 또는 냉방을 위해 지열 히트 펌프를 설치하는 고객에게 특별 요금을 제공한다.[47] 발전소가 여름철에 더 큰 부하를 가지고 겨울철에 유휴 용량이 있는 경우 이는 겨울철 전기 판매를 증가시킨다. 또한 히트 펌프는 히트 펌프의 효율성 증가로 인해 여름철 부하 피크를 낮추어 새로운 발전소 건설 비용을 절약한다. 같은 이유로 다른 유틸리티 회사도 고객 주택에 지열 히트 펌프 설치 비용을 지불하기 시작했다. 고객에게 월 사용료를 받고 시스템을 임대하여 고객에게 순 이익을 제공한다.

지열 히트 펌프는 시장에서 가장 효율적인 난방 및 냉방 시스템 중 하나로 인정받고 있다. 지열 히트 펌프는 지온도 저하로 인한 열 효율 감소에도 불구하고 극한 기후에서 (열병합 발전 다음으로) 두 번째로 비용 효율적인 솔루션인 경우가 많다. 이러한 시스템의 재정적 생존 가능성은 GSHP 시스템의 전체 초기 비용에 가장 크게 기여하는 지열 교환기(GHE)의 적절한 크기에 달려 있다.[51]

재생 에너지 보급을 장려하는 정부는 소비자(주거용) 또는 산업 시장에 인센티브를 제공할 가능성이 높다. 예를 들어, 미국에서는 주 및 연방 정부 수준에서 인센티브가 제공된다.[53]

7. 1. 초기 비용

지열 히트 펌프는 다른 HVAC 시스템에 비해 초기 비용이 높은 편이지만, 운영 비용이 낮다는 특징이 있다. 전반적인 경제적 이점은 전기 및 연료의 상대적 비용에 따라 크게 달라지는데, 최근 가격 기준으로 지열 히트 펌프는 전 세계 대부분 지역에서 다른 난방원보다 운영 비용이 낮다. 천연 가스만이 경쟁력 있는 운영 비용을 가진 유일한 연료이지만, 이는 천연 가스 가격이 매우 저렴하거나 전기 가격이 매우 비싼 일부 국가에만 해당된다.[37] 일반적으로 주택 소유자는 일반 시스템에서 지열 시스템으로 전환하여 연간 20%에서 60%까지 유틸리티 비용을 절약할 수 있다.[45][46]

초기 비용과 시스템 수명에 대한 연구는 최근까지 많지 않았고, 투자 수익률은 매우 가변적이다. 초기 비용은 규모의 경제로 인해 더 큰 상업용 건물과 가혹한 기후에 더 효율적이다. 초기 비용은 대부분의 주거용에서 기존 난방 시스템의 2~5배가 될 수 있다. 개조의 경우 설치 비용은 생활 공간의 크기, 주택의 연식, 단열 특성, 지역의 지질 및 부지의 위치에 따라 달라진다. 적절한 덕트 시스템 설계 및 기계식 공기 교환을 초기 시스템 비용에 포함해야 한다.

단독 주택에 지열 히트 펌프 설치 시 투자 회수 기간
국가교체 시 투자 회수 기간
천연 가스난방유전기 난방
캐나다13년3년6년
미국12년5년4년
독일순 손실8년2년
참고:
colspan="4" |
colspan="4" |
colspan="4" |



초기 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 온타리오는 2009 회계 연도에 설치된 주거용 시스템에 대해 7,000달러를 제공했다. 일부 전기 회사는 건물 난방 또는 냉방을 위해 지열 히트 펌프를 설치하는 고객에게 특별 요금을 제공한다.[47] 발전소가 여름철에 더 큰 부하를 가지고 겨울철에 유휴 용량이 있는 경우, 겨울철 전기 판매를 증가시킨다. 또한 히트 펌프는 히트 펌프의 효율성 증가로 인해 여름철 부하 피크를 낮추어 새로운 발전소 건설 비용을 절약한다. 다른 유틸리티 회사는 고객 주택에 지열 히트 펌프 설치 비용을 지불하고, 고객에게 월 사용료를 받고 시스템을 임대하여 순 이익을 제공하기도 한다.

시스템 수명은 기존 난방 및 냉방 시스템보다 길다. 대부분의 루프 필드는 25~50년의 보증을 받으며 최소 50~200년 동안 지속될 것으로 예상된다.[45][49] 지열 히트 펌프는 주택 난방에 전기를 사용하며, 기존의 오일, 프로판 또는 전기 시스템보다 더 높은 투자는 미국의 주거용 시스템의 경우 에너지 절약으로 2~10년 안에 회수될 수 있다.[48][46][49] 미국의 대규모 상업용 시스템의 투자 회수 기간은 천연 가스와 비교해도 1~5년이다.[46] 지열 히트 펌프는 일반적으로 실외 압축기나 냉각탑이 없기 때문에 기물 파손의 위험이 감소하거나 제거되어 시스템의 수명을 연장할 수 있다.[50]

지열 히트 펌프는 시장에서 가장 효율적인 난방 및 냉방 시스템 중 하나로 인정받고 있다. 이러한 시스템의 재정적 생존 가능성은 지열 교환기(GHE)의 적절한 크기에 달려 있다.[51]

미국의 상업용 시스템 유지 관리 비용은 1996년 달러 기준으로 연간 0.11m2~0.22m2로, 기존 HVAC 시스템의 평균(연간 0.54m2)보다 훨씬 적다.[52]

재생 에너지 보급을 장려하는 정부는 소비자(주거용) 또는 산업 시장에 인센티브를 제공할 가능성이 높다. 예를 들어, 미국에서는 주 및 연방 정부 수준에서 인센티브가 제공된다.[53]

7. 2. 운영 비용

지열 히트 펌프는 다른 HVAC 시스템에 비해 초기 비용은 높지만 운영 비용이 낮은 것이 특징이다. 전반적인 경제적 이점은 전기와 연료의 상대적 비용에 따라 달라지는데, 최근 가격을 기준으로 지열 히트 펌프는 현재 전 세계 거의 모든 곳에서 다른 기존 난방원보다 운영 비용이 낮다. 천연 가스는 경쟁력 있는 운영 비용을 가진 유일한 연료이지만, 이는 천연 가스 가격이 예외적으로 저렴하거나 전기 가격이 예외적으로 비싼 소수의 국가에서만 해당된다.[37] 일반적으로 주택 소유자는 일반 시스템에서 지열 시스템으로 전환하여 연간 유틸리티 비용을 20%에서 60%까지 절약할 수 있다.[45][46]

초기 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 온타리오는 2009 회계 연도에 설치된 주거용 시스템에 대해 7,000달러를 제공했다. 일부 전기 회사는 건물 난방 또는 냉방을 위해 지열 히트 펌프를 설치하는 고객에게 특별 요금을 제공한다.[47]

시스템 수명은 기존 난방 및 냉방 시스템보다 길다. 초기 시스템 중 많은 수가 일상적인 유지 관리를 통해 25~30년 동안 여전히 작동하고 있으며, 대부분의 루프 필드는 25~50년의 보증을 받으며 최소 50~200년 동안 지속될 것으로 예상된다.[45][49] 미국의 주거용 시스템의 경우 에너지 절약으로 2~10년 안에 초기 투자를 회수할 수 있다.[48][46][49] 또한 지열 히트 펌프는 일반적으로 실외 압축기나 냉각탑이 없기 때문에 기물 파손의 위험이 감소하거나 제거되어 시스템의 수명을 연장할 수 있다.[50]

미국의 상업용 시스템 유지 관리 비용은 역사적으로 1996년 달러 기준으로 연간 m2당 0.11USD~0.22USD로, 기존 HVAC 시스템의 평균 연간 m2당 0.54USD보다 훨씬 적다.[52]

단독 주택에 지열 히트 펌프 설치 시 투자 회수 기간[46]
국가교체 시 투자 회수 기간
천연 가스난방유전기 난방
캐나다13년3년6년
미국12년5년4년
독일순 손실8년2년
참고:


7. 3. 투자 회수 기간

지열 히트 펌프는 초기 설치 비용이 높은 반면, 운영 비용은 낮아 장기적으로 경제적인 이점을 제공한다. 이러한 경제성은 전기 및 연료의 상대적 비용에 따라 크게 달라지는데, 최근 가격 기준으로 지열 히트 펌프는 대부분 지역에서 기존 난방원보다 운영 비용이 낮다.[37] 특히 천연 가스는 일부 지역에서만 경쟁력 있는 운영 비용을 보인다.[37] 주택 소유자는 지열 시스템으로 전환하여 연간 20%에서 60%까지 유틸리티 비용을 절약할 수 있다.[45][46]

초기 비용은 규모의 경제 효과를 볼 수 있으며, 더 큰 상업용 건물과 가혹한 기후 조건에서 더 효율적이다. 일반적인 주거 시설에서 초기 비용은 기존 난방 시스템의 2~5배에 달할 수 있다. 설치 비용은 주택 크기, 연식, 단열, 지질, 위치 등에 영향을 받으며, 적절한 덕트 시스템 설계 및 공기 교환도 고려해야 한다.

단독 주택에 지열 히트 펌프 설치 시 투자 회수 기간
국가교체 시 투자 회수 기간
천연 가스난방유전기 난방
캐나다13년3년6년
미국12년5년4년
독일순 손실8년2년
참고:



초기 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 온타리오 주에서는 2009년에 설치된 주거용 시스템에 대해 7000CAD를 제공했다. 일부 전력 회사는 지열 히트 펌프 설치 고객에게 특별 요금을 제공하기도 한다.[47]

시스템 수명은 기존 시스템보다 길며, 초기 시스템 중 다수가 25~30년 동안 작동하고 있다. 대부분의 루프 필드는 25~50년 보증을 받으며, 50~200년 이상 지속될 것으로 예상된다.[45][49] 미국의 주거용 시스템은 에너지 절약을 통해 2~10년 안에 투자 비용을 회수할 수 있다.[48][46][49] 대규모 상업용 시스템은 천연 가스와 비교해도 1~5년 안에 투자 회수가 가능하다.[46] 지열 히트 펌프는 실외 압축기나 냉각탑이 없어 기물 파손 위험이 적고, 시스템 수명 연장에 기여한다.[50]

미국 상업용 시스템의 유지 관리 비용은 1996년 기준 연간 0.11USD~0.22USD로, 기존 HVAC 시스템(연간 0.54USD)보다 훨씬 저렴하다.[52]

정부는 재생 에너지 보급을 위해 소비자 또는 산업 시장에 인센티브를 제공하기도 한다. 미국에서는 주 및 연방 정부 차원에서 인센티브가 제공된다.[53]

7. 4. 유지 보수 비용

지열 히트 펌프는 다른 HVAC 시스템에 비해 초기 비용은 높지만, 운영 비용이 낮은 것이 특징이다. 최근 가격을 기준으로 지열 히트 펌프는 전 세계 대부분의 지역에서 다른 난방원보다 운영 비용이 낮다. 천연 가스는 경쟁력 있는 운영 비용을 가진 유일한 연료이지만, 이는 천연 가스 가격이 매우 저렴하거나 전기 가격이 매우 비싼 일부 국가에서만 해당된다.[37] 일반적으로 주택 소유자는 일반 시스템에서 지열 시스템으로 전환하여 연간 유틸리티 비용을 20%에서 60%까지 절약할 수 있다.[45][46]

초기 비용은 정부 보조금으로 상쇄될 수 있다. 예를 들어, 온타리오는 2009 회계 연도에 설치된 주거용 시스템에 대해 7000CAD를 제공했다. 일부 전기 회사는 건물 난방 또는 냉방을 위해 지열 히트 펌프를 설치하는 고객에게 특별 요금을 제공하기도 한다.[47]

시스템 수명은 기존 난방 및 냉방 시스템보다 길다. 초기 시스템 중 많은 수가 일상적인 유지 관리를 통해 25~30년 동안 작동하고 있으며, 대부분의 루프 필드는 25~50년의 보증을 받으며 최소 50~200년 동안 지속될 것으로 예상된다.[45][49] 지열 히트 펌프는 주택 난방에 전기를 사용하며, 기존의 오일, 프로판 또는 전기 시스템보다 더 높은 투자는 미국의 주거용 시스템의 경우 에너지 절약으로 2~10년 안에 회수될 수 있다.[48][46][49] 미국의 대규모 상업용 시스템의 투자 회수 기간은 천연 가스와 비교해도 1~5년이다.[46] 또한, 지열 히트 펌프는 일반적으로 실외 압축기나 냉각탑이 없기 때문에 기물 파손의 위험이 감소하거나 제거되어 시스템의 수명을 연장할 수 있다.[50]

미국의 상업용 시스템 유지 관리 비용은 역사적으로 1996년 달러 기준으로 연간 m2당 0.11USD~0.22USD로, 기존 HVAC 시스템의 평균 연간 m2당 0.54USD보다 훨씬 적다.[52]

단독 주택에 지열 히트 펌프 설치 시 투자 회수 기간
국가교체 시 투자 회수 기간
천연 가스난방유전기 난방
캐나다13년3년6년
미국12년5년4년
독일순 손실8년2년
참고:


8. 대한민국 현황 및 전망

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참조

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