3. 지열 시스템 시공 : (주)지오테크 박성구 대표 - 에너지관리공단

신재생에너지 전문가 연수교육(지열분야) 

신재생에너지 전문가 연수교육(지열분야 

지열시스템 시공 

2006. 11. 23 

에너지관리공단 

박성구 ([주]지오테크 대표이사)


목 

차 

1 

신·재생에너지 개요 

2 

지열시스템 개요 

3 

지열시스템 시공 

4 설치확인 Check Point 

5 기술 DATA 

6 Q & A


1. 신·재생에너지 개요 

[1]신·재생에너지의 종류 

ㆍ 재생에너지 : 태양열,태양광발전,바이오매스,풍력,소수력,지열,해양에너지,폐기물에너지 

ㆍ 신에너지 : 연료전지,석탄액화가스화에너지,수소에너지 

[2]신·재생에너지의 중요성 

ㆍ초기투자비 상승요인에도 불구하고 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 

핵심해결방안이라는 점에서 각 국에서는 과감한 연구개발과 보급정책등을 추진 함. 

ㆍ향후 IT,BT,NT 산업과 더불어 미래산업,차세대산업으로 급신장 예상. 

☞원시적 삼림에너지 이후 최초의 에너지자립국 달성의 가능성 높음. 

ㆍ2006년까지 총1차에너지의 2.5%, 2011년까지 5%를 목표로 추진중 

[3]신·재생에너지의 보급 및 금년 전망 

ㆍ2004년 1차에너지 총량 220,238천TOE 중 4,582천TOE 달성(총 에너지 대비 약 2.1%) 

☞폐기물에너지가 약 72%로 대부분을 차지하고 지열에너지는 0.03%로 미미한 실정임. 

ㆍ금년 1차에너지 예상량 237,589천TOE 중 약 6,000천TOE 목표 

☞고도의 성장에 힘입어 지열에너지가 약 0.1%인 12천TOE정도 예상 됨.


2. 지열시스템 개요 

[1] 지열시스템의 원리 

< 깊이에따른 지중온도 변화>



[1] 지열시스템의 원리 

지하에 고밀도 폴리에틸렌[HDPE] 파이프를 매설하여 연중 일정한 온도를 유지하는 

지열원을 이용하여, 냉·난방을 동시에 해결하는 고효율의 환경친화적인 시스템



[1] 지열시스템의 원리-계속- 

냉방시 개략도 

Heat sink 

17



[1] 지열시스템의 원리-계속- 

난방시 개략도 

Heat source



[2] 지열시스템의 종류-계속- 

• 개방형(Open Loop) GSHP 

– 지하수형(Ground Water) 

– 지표수형(Surface Loop) 

• 밀폐형(Closed Loop) GSHP 

– 수직형(Vertical) 

– 수평형(Horizontal) 

– 슬린키형(Slinky) 

• Ground Coupled HP 

– 수직형(Vertical) 

– 수평형(Horizontal) 

– 스린키형(Slinky) 

• Ground Water HP 

– Two Well 

– Single Well 

• Surface Water HP 

– 간접식(Indirect Loop) 

– 직접식(Direct Loop)




매설형태 : 수평형 단층구조 

흐 름 : 직 렬 

대표관경 : 40 - 50 A 

길 이 : 105 – 150 m/ton 

매설깊이 : 1.2 – 2 m 

매설형태 : 수평형 복층구조 



길 이 : 60 – 90 m/ton 

매설깊이 : 1.2 – 2 m 

매설형태 : 수평형 4층구조 

흐 름 : 병 렬 

대표관경 : 병렬 20 - 25 A 

헤더 40 – 50A 

매설깊이 : 2 m, 이격 : 0.3m


2. 지열시스템의 개요 





길 이 : 105 – 150 m/ton 

매설깊이 : 1.2 – 2 m 




길 이 : 105 – 150 m/ton 

매설깊이 : 1.2 – 2 m



[3] 주요용어설명 

1) GSHP : Ground Source Heat Pump 

GCHP : Ground Coupled Heat Pump, GWHP : Ground Water Heat Pump 

SWHP : Surface Water Heat Pump, 

2) Heat Source : 히트펌프에 열을 공급하는 대상 (대기,물,지열 등) 

3) Heat Sink : 히트펌프로부터 열을 공급받는 대상(대기,물,지열 등) 

4) 밀폐회로시스템(Closed-Loop Sytem) : 지열교환기,지열순환펌프,부속기구,히트펌프로 구성되어있는 

시스템을 유동하는 매체가 완전밀폐 Cycle을 형성하고 있는 시스템 

5) 개방회로시스템(Open-Loop Syatem) : 지열교환기,지열순환펌프,부속기구,히트펌프로 구성되어있는 

시스템을 유동하는 매체가 유동관로 중간에 대기에 노출 된 Cycle을 형성하고 있는 시스템 

6) (CGS)RT (미터계냉동톤) : 표준기압에서 순수 1ton을 24시간동안 0℃얼음으로 만드는 냉동용량 

(=3,320 kcal/hr) 

7) (US)RT(미국냉동톤) : 표준기압에서 순수 2,000 lb 를 24시간동안 0℃얼음으로 만드는 

냉동용량(=3,024 kcal/hr)



[3] 주요용어설명-계속- 

8) LCC(Life Cycle Cost) : 초기투자비용,에너지비용,유지보수비용,기간등의 주요변수를 고려하여 시스템의 

총비용을 분석 하는 방법 

9) 역환수방식(Reverse Return Type) : 병렬로 연결된 수배관에서 각각의 배관경로를 같게 함으로써 유닛의 

저항을 균일하게 설계하는 방식. 각 배관내 유량을 동일하게 유지하는 목적임. 

10) 열융착(Heat Fusion) : 열과 압력을 가해 Plastic Pipe를 결합시키는 방식 

11) COP(Coefficient Of Performance) : 무차원화된 효율 

EER(Energy Efficient Ratio) : 유차원화된 효율 (kcal/h/kw 혹은 Btu/h/kw) 

12) TC (Thermal Conductivity) : 현지 실제 Hole에 지중열교환기를 설치하고 측정한 총합 열전도계수. 

설계프로그램에 입력하여 열교환기 설계의 적정성여부 및 보완을 위한 자료로 이용함. 

13) 보어홀(Borehole) : 지중열교환기를 설치하기 위하여 지중에 뚫은 구멍. 

14) 벤토나이트(Bentonite) : 보어홀과 지중열교환기 사이의 공간을 메워주는 천연광물(고련토). 수분흡수시 

큰 팽윤계수를 가지며 물의 통과가 거의 불가능한 투수성(10 -8 cm/sec 정도)을 지님. 열전도도를 높이기 

위해 벤토나이트에 실리카샌드 같은 첨가제를 같이 혼합하여 메우는 것이 타당함.




15) 물-물 히트펌프 : 냉난방 부하측(Load) 작동유체가 물로 이루어진 히트펌프 

☞온돌난방에는 반드시 물-물 히트펌프를 사용 해야 함. 

16) 물-공기 히트펌프 : 냉난방 부하측(Load) 작동유체가 공기로 이루어진 히트펌프 

☞실내공기를 히트펌프로 직접 유입시켜 온,습도 조절후 실내로 순환시키는 시스템 임. 

17) EWT(Entering Water Temp.) 혹은 EST(Entering Source Temp.) : 지중열교환기 혹은 Heat-source 나 

Heat-sink를 거쳐 히트펌프로 유입되는 물의 온도. 

18) LWT(Leaving Water Temp.) 혹은 LST(Leaving Source Temp.) : 히트펌프를 거치면서 열을 뺏기거나(난 

방) 얻은(냉방) 후, 지중열교환기 혹은 Heat-source(난방) 나 Heat-sink(냉방)로 유출되는 물의 온도. 

19) ELT(Entering Load Temp.) 혹은 EAT(Entering Air Temp.) : 부하측에서 히트펌프로 유입되는 물 

(물-물 히트펌프) 이나 공기(물-공기 히트펌프) 의 온도. 

20) LLT(Leaving Load Temp.) 혹은 LAT(Leaving Air Temo.) : 히트펌프를 나와 실내나 물탱크드의 부하측으 

로 향하는 물(물-물 히트펌프) 이나 공기(물-공기 히트펌프) 의 온도.




21) Flushing : 전체 시스템 설치 완료 후, 배관 및 부속장치 내에 존재하는 이물질을 제거하기 위해 

물을 순환 시키면서 필터링하는 공정. 

22) Air Purging : 전체시스템 설치 완료 후, 배관 및 부속장치 내에 존재하는 공기를 제거하기 위하여 정상 

운전 압력 및 유량보다 큰 값으로 물을 순환시키면서 공기를 배출하는 공정 

☞ 배관 내 공기를 배출시키기 위해서는 0.6m/s 이상의 속도를 확보하여야 함. 

23) SDR(Standard Dimension Ratio) : 배관의 두께 와 직경에 관련된 정의로서 사용압력을 결정하는 주요 

변수 임. 외경을 관의 두께로 나눈 값으로 그 수치가 작을수록 두께는 커지므로 고압에 적용할 수 있음. 

☞지중열교환기에 쓰이는 고밀도 Polyethylen Pipe는 SDR11을 주로 사용함.


3. 시스템 시공 

[1] 시스템 공정도 

부하계산 

설계 

건축물의 냉/난방 부하계산 

TC TEST, GLD 프로그램 운영 지중열교환기 설계 

지중루프 설치 

보어홀 천공 

루프 공압테스트 

그라우팅 

트렌치 작업 

분배헤더 연결 

목적 : 효과적인 열전달, 자연환경 보존 

재료 : 벤토나이트, 실리카샌드 

공압테스트 

열교환기 죠닝 

기계장비 설치 

플러싱 및 퍼징 

시스템 시운전 

냉/온수 탱크, 순환펌프, 지열히트펌프 

배관내 이물질 제거 및 공기빼기 

데이터 수집-시스템 매칭 

정상 운전



[2.1] 시스템 고려사항 

1. 건물의 냉/난방 부하 

- 지역별 기후조건 및 건물의 특성 고려 

2. 지열 히트펌프의 특성 및 사양 

- 지열 및 부하측 순환 유체의 입/출구 온도차 및 유량 고려 

3. 토양의 열적특성 고려 

- 지중 토양의 열전도율, 열확산율, 밀도, 비열, 평균지중 온도 등 

4. 지열 열교환기의 특성 

- 유효공간, 지질의 타입, 시공 경제성을 고려 

5. 그라우팅 재료 및 특성 

- 토양의 특성, 그라우팅 재료의 열전달율, 경제성 및 안정성 고려



[2.2] 지중열교환기 고려사항 

1. 지열 열교환기의 layout 결정 

- 열교환기 타입 : 수직형, 수평형 

- 순환 유체의 흐름 : 직렬형, 병렬형 

2. 지열 열교환기 파이프의 선정 

- 파이프의 열전도율, 강도 

-내구성및가격고려 

3. 지열 열교환기 규모 선정 및 설계 

- 지열 열교환기 순환 유체의 최적유속 결정 

- 매설되는 파이프의 위치 결정 

- 지중의 온도결정 

- 특정 깊이에서의 연간 최고 및 최저 온도의 결정 

- 히트펌프로 유입되는 순환 유체의 최고 및 최저 온도 결정 

- 지반과 루프의 온도차를 계산 

- 토양의 저항 값 계산 

- 냉/난방 운전비율 계산 

-지열열교환기길이의계산



[3] 수직 밀폐형 시스템 시공 

1)천공 및 그라우팅 

-천공- 

-천공기- 

-Compressor- 

-지중 열교환기 - 

-지중 열교환기 수압검사- 

-지중열교환기장착-



[3] 수직 밀폐형 시스템 시공-계속- 


-열교환기 삽입- 

-벤토나이트- 

-실리카샌드- 

-그라우팅기계- 

-그라우팅재료 혼합- 

-그라우팅-





그라우팅 종료 

케이싱 인발후 

그라우팅 마감상태 

2)열전도 시험 

시험장비 준비 

시험장비 준비 

시험장비 내부




3)트렌치 및 열교환기 연결 

트렌치 

트렌치 종료 

열교환기 열유착 연결 

트렌치 연결 종료 

횡주관 완료 상태 

횡주관 내부 인입




4)트렌치 누설시험 

트렌치 압력 Setting 

국부 누설시험 

국부 누설시험 

5)트렌치 되메우기 

1차 메우기 

경고 Tape 부설 

2차 메우기




6)기계실 장비 설치 

공급관 연결 

환수관 연결 

순환펌프 설치 

기계실 배관 배치 

히트펌프설치 

수조설치




6)기계실장비 설치 

MCC 설치 

제어판넬 설치 

기계실작업완료 

기계실 작업완료 

기계실작업완료 

기계실작업완료




7)TAB 

초음파유량계 설치 

DATA 장비 연결 

DATA 기록 

DATA 기록 

DATA 기록 

운전전력 분석



[4] 수평 밀폐형 시스템 시공



[4] 수평 밀폐형 시스템 시공-계속-












[5] POND형 시스템 시공



[5] POND형 시스템 시공-계속-



[5] POND형 시스템 시공-계속-


4. 설치확인 CheckPoint 

1. 설계도서의 타당성 확인 

1) 지중열교환기 설계 사양결정 근거 

2) 지반특성 분석자료 구비여부 

3) 건물 냉난방부하와의 Matching 성 

4) 예상 성능 지표 

5) 부품선정 기준 

6) 예상 민원 대책 

2. 시공절차 확인 

1) 설계사양의 준수 여부 

- 천공깊이 발췌검사-Trench 연결전 현장확인 

- 그라우팅자재, 그라우팅방법 

- 배관 및 부속자재의 적정 선정


4. 설치확인 CheckPoint 

2) Trouble 대책 

3) 화재 및 강우, 강설에 영향 검토 

4) 전기적 안전성 

5) Flushing 및 Purging 수행 여부 

3. 성능검증 

1) TAB 의 적정성 

2) 성능평가서 검토 

3) A/S 및 하자이행보증 여부 

4) 장기 시스템 관리 대책 (사용자 교육 및 관리 방법 숙지) 

5) 제반성능보고서작성및보관여부


5. 기술 DATA 

[1] 부동액의 종류 및 물성치 

- 각 사용장소 및 환경에 적절한 부동액의 종류 및 비율을 선정하는 것이 타당함. 

종류 

물성치 

질량분율 

(%) 

어는점 

(at 대기압) 

점도 

(cP) 

밀도 

(kg/m3) 

열전도도 

(W/m℃) 

물 

100 

0 ℃ 

1.789 (at 0℃) 

999.8 (at 0℃) 

0.566 (at 0℃) 

Methanol 

수용액 

100 

10 

13.6 

-97.7 ℃ 

-6.7 ℃ 

-9.4 ℃ 

- 

2.7 (at -1.1℃) 

3.3 (at -3.9℃) 

790.0 (at 20℃) 

981.8 (at -1.1℃) 

980.2 (at -3.9℃) 

0.215 (at 20℃) 

0.512 (at -1.1℃) 


Ethanol 

10 

-3.9 ℃ 

3 (at 0℃) 

983.6 (at 15℃) 

0.52 (at 0℃) 

수용액 

20 

-8.3 ℃ 

4.62 (at 0℃) 

972.4 (at 15℃) 

0.47 (at 0℃) 

Ethylene 

Glycol 

100 

8.8 

-13 ℃ 

-3.9 ℃ 

57.4 (at 0℃) 

1.5 (at 1.7℃) 

1,112 (at 20℃) 

1,017.38 (at 1.7℃) 

0.287 

0.467 (at 1.7℃) 

수용액 

20 

-9.4 ℃ 


1,034.15 (at -3.9℃) 


Propylene 

Glycol 

100 

12.9 

- 

-3.9 

243 (at 0℃) 

1.9 (at 1.7℃) 

1,036.5 (at 20℃) 

1,012.58 (at 1.7℃) 

- 

0.433 (at 1.7℃) 

수용액 

23.5 

-9.4 


1,024.57 (at -3.9℃) 

0.389 (at -3.9℃)



[2] 그라우트 종류 및 물성치 

1) 그라우팅의 목적 

그라우팅(grouting)은 수직 폐쇄형 지중열교환기를 설치할 때 보어홀(bore 

hole)과 지중열교환기 (ground heat exchanger)의 공간을 메우는 작업. 

이는 크게 아래와 같은 두 가지 이유 때문에 수행 함. 

(1) 환경적 영향 

- 열교환기를 따라 지하수가 지표수로 누출됨을 방지 

- 열교환기를 따라 지표오염물질이 지하로 침투됨을 방지 

(2) 기계,열역학적 영향 

- 보어홀 공벽과 열교환기의 원활한 열전달 

- 장기적인 보어홀 내부의 자립유지 (열교환기 지지 및 보호) 

- 열교환기와 보어홀간의 이격 방지를 위해 건조수축이 작은 그라우트 사용



[2] 그라우트 종류 및 물성치 –계속- 

2)그라우트의 요건 

시공 시 시추공과 수직 지중열교환기 간의 빈 공간을 가장 이상적인 재료로 채워야 한 

다. 여기서 이상적인 그라우트(grout)라 함은 아래와 같은 특성을 대부분 만족해야 하 

지만, 실 시공에서 이를 모두 만족하는 재료는 찾기 힘들며 설계 및 시공자가 환경조건 

을 만족하는 최적의 재료를 선정하는 것이 타당하다.(IGSHPA, 1991) 

(1) 합리적인 가격 (2) 낮은 투수성(1X10 -8 cm/sec 이하) 

(3) 양호한 열전달 성능 (첨가물(additives)의 사용으로 열전달 성능 증대) 

(4)지중열교환기와 시추공 벽을 견고히 결합할 것 

(5)그라우트가 접할 수있는 지하수 성분 및 변형물질에 대해 화학적인 비활성 혹은 무 

반응일 것 

(6)용이한 혼합성 

(7)타설시간동안의 펌핑가능한 연경도 

(8)그라우팅파이프(일명 Tremie pipe)를 따라 시추공내 타설 가능 할 것 

(9)시추공 내에서 Self leveling 가능 

(10)투수층으로 최소한 침투가능 

(11)믹싱과 펌핑 장비에서 청소용이 

(12)취급의 안정성




3)벤토나이트 그라우트 

벤토나이트라(Bentonite)는 다량의 팽윤성 스멕타이트(Smectites)로 구성된 산업광물로서 

주 구성광물은 몬모릴로나이트(Montmorillonite)이며, 부원소광물로는 고령토(Kaolin), 장석 

류(Feldspar), 운모류(Mica), 방해석(Calcite), 석영(Quartz), 일라이트(Illite), 크리스토발나 

이트(Cristobalite)등 임. 보통 펠렛식 화산회가 속성작용(암석화)에 의해 생성되고 층상을 

이룸. 대부분이 신제3기의 화산회나 유문암이 변질된 것임. 가장 유명한 외이오밍의 벤토 

나이트는 백악기 시대의 화산활동에 의해 생성된 것으로 추정. 1898년 지질학자인 Knight 

가 미국 Montana Fort Benton 지역에서 팽창성이 아주 큰 백악기 점토를 처음 발견하여, 이 

지방의 명칭을 붙여 벤토나이트라고 부름. 벤토나이트의 광맥은 전 세계적으로 분포되어 있 

으며 국내에도 감포, 경주, 구룡포에 있음. 그러나 방수에 필요한 벤토나이트(소디움벤토나 

이트 : 나트륨계 벤토나이트)는 미국의 중서부지역, 호주와 중국 등에 집중되어 있으며, 미 

국이 최대 산출국이고 연산 252만톤에 이르고 특히 Wyoming주는 미국내 생산량의 75%를 

차지하여 “Western Bentonite", "Wyoming Bentonite"라 하여 세계적으로도 유명함. 벤토 

나이트는 몬모릴로나이트 계열의 팽창성 3층판 (Si-Ai-Si)으로 이루어진 점토이며 납석 

(Pyrophylite) 화학구조식인 Al 2 Si 4 (OH)로 형성됨. 건조시와 습윤시에 있어 판상결정층 간격 

이 3배이상 팽윤하는, 다른 점토에서는 찾아볼 수 없는 특징을 가지고 있으며 실제로 벤토 

나이트는 물과 반응하면 무게의 5배까지, 체적의 13-16배까지 팽윤(Free-Swelling)하여 틱 

소트로픽(Thixotropic)한 겔(Gel)상태의 물질로 변화하는 것이 특징.




4)IGSHPA 추천 상업용 그라우팅 재료 

제품 

제조사 

고형분 

(추천) 

(%) 

물투입 

량 

(l) 

혼합량 

(l) 

밀도 

(kg/l) 

열전도계 

수 

(W/m℃) 

투수성 

(cm/s) 

Aquaguard 

Baroid Industrial Drilling 

Products 

30 

53 

64 

1.18 

0.744 

1x10-6 

Benseal/EZ 

Mud 

Baroid Industrial 

Drilling Products 

15.3 

125 

139 

1.06 

0.658 

6x10-8 

BH Grout 

BlackHills Bentonite 

30 

53 

64 

1.18 

0.779 

3x10-8 

Enviroplug 

Wyo-Ben, Inc. 

30 

53 

64 

1.17 

0.761 

1x10-8 

Groutwell 

Wyo-Ben, Inc. 

18 

103 

117 

1.08 

0.709 

1x10-7 

Puregold 

Colloid Enviromental 

Technologies Co. 

30 

53 

64 

1.17 

0.761 

2x10-8 

Quick Grout 

Baroid Industrial 

Drilling Products 

20 

87 

103 

1.10 

0.709 

3x10-7 

Volclay Grout 

Colloid Enviromental 

Technologies Co. 

20 

87 

105 

1.08 

0.744 

1x10-7




5)첨가물에 의한 열전도도 증대방안 검토 

물의 열전도계수는 0.61W/m℃임. 상기 그라우팅재료(물과 혼합물)의 열전도계 

수는 물보다 약간 높으나 본 지중열교환기를 둘러싸고 있는 암반 및 토양에 비해 

현저히 낮은 수치를 보이고 있음. 

종류 

물성치 

열전도계수 

(Watt/m,℃) 

열확산계수 

(m²/day) 

밀도 

(kg/m³) 

비열 

(Kcal/kg.℃) 

Dense rock 

Average rock 

Dense concrete 

Heavy soil, saturated 

Solid masonry 

Heavy soil, damp 

Heavy soil, dry 

Light soil, damp 

Light soil. dry 

3.462 

2.423 

1.731 

2.423 

1.298 

0.866 

0.346 

0.1115 

0.0893 

0.0735 

0.0781 

0.0558 

0.0446 

0.0242 

3,203 

2,803 

2,402 

3,203 

2,290 

2,098 

2,002 

1,601 

1,441 

0.2 

0.2 

0.2 

0.2 

0.21 

0.23 

0.2 

0.25 

0.2




[각종 첨가물의 종류 및 양에 따른 열전도계수의 증가비율 표] 

첨가물종류 

첨가비율(%)*1) 

석영암 분쇄물 

(Quartzite) 

규사 

(Silica Sand) 

건축용모래 

(Masonry 

Sand) 

석회분 

(Limestone) 

10 

18 %증가 

18 %증가 

8 %증가 

8 %증가 

20 

30 %증가 

27 %증가 

23 %증가 

21 %증가 

30 

60 %증가 

50 %증가 

37 %증가 

32 %증가 

40 

76 %증가 

75 %증가 

52 %증가 

50 %증가 

50 

110 %증가 

103 %증가 

72 %증가 

60 %증가 

60 

150 %증가 

150 %증가 

105 %증가 

75 %증가 

70 

200 %증가 

205 %증가 

127 %증가 

95 %증가 

*1)혼합물 전체 중 첨가물이 차지하는 중량비율 임.


6. Q & A

㈜지오테크 

수고 많으셨습니다. 

www.geo-tech.co.kr

3. 지열 시스템 시공 : (주)지오테크 박성구 대표 - 에너지관리공단

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