지열 에너지와 제빙 (Earth Energy & Ice)

지열 에너지와 제빙(Earth Energy & Ice) CNE INC. 서울시 송파구 거여동 36-4 스위트 빌딩 6층 (대)02-430-3728 (팩)02-430-2630 E-mail : cne04@hotmail.com Ice Kube System Ltd. 41 St. Paul Blvd. West St. Paul MB R2p 2W5 P : (204) 255-5959 F : (204)255-7365 E-mail : edlohrenz@shaw.ca

포트 호크스버리 시민회관 건물(Port Hawkesbury, NS) 1.건물규모 및 개요 2. 시스템 개요 A. 기존시스템 B. 복합지열시스템 3. 에너지 소비량 비교 4. 시설비 비교 및 투자비 환수기간 검토 5. 높은 효율의 신·재생 에너지 6. 높은 효율의 청정 에너지 7. 복합 지열시스템의 이점

1. 건물규모 및 공사개요 Eligible for LEED SILVER Certification Earth Energy system contributes 15 of 36 points SAERC Building • 포트 호크스버리 시민회관( Port Hawkesbury, NS) • ● 건물규모 • 빙상경기장(아이스 하키장) : 1200관람석 48,900ft2 (4,545 m2) • 사무실 : 2,600 ft2(241 m2) • YMCA 체육실 : 10,000ft2 (930 m2) • 상점공간 : 5,200 ft2 (483 m2) • 회 의 장 : 19,200 ft2(1,785 m2) • 극 장 : 2,900 ft2(270 m2) • 기타공간 : 3,300 ft2 (307 m2)

건물 평면 배치도 극장 270m2 극장 회의장 상점 회의장 상점 사무실 사무실 242m2 체육실 체육실 930m2 빙상 경기장 빙상경기장 구내매점 탈의실 1층 2층 건물연면적 : 92,100 ft2 (8,560 m2)

건물내부 컬링대회 장면 1,200 석 빙상경기장 회의장 및 사무실 체육실

2. 시스템 개요(System description) • 기존 시스템(Conventional System) 개별 시스템을 위한 별도의 공급 시설이 필요함 -냉동기기에 의한 제빙장치 -냉난방 장치 -제습장치 -샤워 및 빙면 보수용 온수공급 장치

기존 시스템에 의한 아이스링크의 에너지 사용 개요 전기난방 온실가스방출 냉 방 제 습 폐 열 빙상경기장 수영장 실내링크 냉방 온 수 가스히터 가스보일러-실내의 난방과풀장 가열 및 급탕공급

화석연료에 의한 난방 성적계수 10-20% 의 열량이 연돌을 통해 소비됨 화석연료 사용량 100% 건물의 난방에 80~90%사용 성적계수(C.O.P) = 0.9

전기에너지에 의한 난방 성적 계수 전기사용량 1단위 요금 지불 건물의 난방에 1단위의 열사용 성적계수(C.O.P) = 1.0

기존 냉동기 시설 종래의 아이스링크를 위한 냉동기는 통상 1~3개의 산업형 컴프렛샤가 장착되었으면 냉매 R717(암모니아 가스)를 사용하는 냉동기로서 캐나다 내 아이스링크에는 60%이상 설치되었다. 기본적인 소형 냉동시스템도 통상적으로 800~1200파운드(360~550 Kg)의 냉매가 소요되며, 800~1500GPM(50~95 liter/sec)의 냉수 순환을 위해서 20~40마력의 블라인 펌프가 소요된다. 스크류식 냉동기 30-hp brine pump 왕복동식 냉동기

기존 냉동기 시설의 보수 작업 왕복동식 컴프렛샤의 보수작업 왕복동식 컴프렛샤 보수작업에 8000시간이 소요되며(예상비용 : $5,000 - $8,000) 스크류식 컴프렛샤 보수시간은 대당 25,000시간이 소요된다(예상비용 : &12,000~ $18,000)

냉각탑 냉동기로부터 취득한 열의 배출을 위해 용량 및 규격에 맞게 설계된 냉각탑을 설치해야 한다. 그러나 보수에 애로점이 있으며 물의 소모량이 많다.

기존 공기조화 및 냉난방 시설 냉난방 공급을 공동으로 할 수 있는 옥상 공조기(Rooftop units)를 설치함. 배기 휀과 신선공기 공급용 휀을 설치함 적은 시설비로 가스식 적외선 히터(Geo fired infrared heaters)를 설치하여 관람석에 난방을 공급함 옥상 냉난방기 설치모습 가스식 적외선 히터

기존 아이스링크 배관시설 트랜치 안의 PVC햇더와 배관 연결부분 바닥의 중심부에 매설된 스틸 햇더와 배관 연결부분 링크의 가장자리에 매설된 굽은 모양의 스틸 햇더와 배관 연결부분 콘크리트에 배설된 U-밴드와 배관 연결부분

복합지열 시스템을 적용한 빙상 경기장 • 복합시스템은 단일시설로 여러개의 개별 시스템을 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 기술 -제빙 -실내 냉 난방 -빙상 경기장의 습기 제거 -샤워 및 빙면 보수용 급탕 공급 • 단일 시설로 냉온수를 동시에 공급할 수 있어 효율 증가 • 지열 교환기에 에너지를 저장할 수 있으며 냉난방 공급을 동시에 할 수 있다.

복합지열시스템에 의한 냉난방 공급 및 제빙 에너지 효율의 최적화 (45-55% 의 에너지 절약) EA Credit 1: 8 points 혁신적인 설계 (동시 난방/ 냉방) ID Credit 1.2: 1 point 혁신적인 설계 (눈을 녹여 응축온도를 줄임) ID Credit 1.3: 1 point CFC 감소 EA Prerequisite 1 히트펌프를 통한 열을 건물과 지열교환기에 서로 주고 받음. 히트펌프에 의한 수영장 가열, 실내 난방 및 급탕 공급 히트펌프에 의한 실내 냉난방 및 제습 제빙시 얻은 열은 지열교환기에 저장 빙상경기장 수영장 지열교환기에 남는 열을 흡수하여 저장하고 필요시 사용

Integrated GeoExchange System $114,000/yr 근처에 있는 건물도 지열교환기를 연결하여 함께 이용. 제빙시 얻은 열로서 지열교환기에 저장 할 수 있으며 옆에 있는 건물도 지열교환기를 함께 이용하면 유리하다. 빙상경기장 수영장 지열교환기는 남는열을 흡수하여 저장하고 필요시 사용.

지열에너지 이용시 성적계수 전기사용량 1단위 요금지불 건물의 난방에 3.5단위의 열 사용 2.5단위의 열을 지중에서 무상으로 취득 성적계수(C.O.P) = 3.5

복합지열시스템에 의한 냉·난방 공급 및 제빙시 성적계수 전기사용량 1단위 요금지불 건물난방에 4단위의 열사용 제빙시 얻는열 3단위 성적계수(C.O.P) = 7.0

저온의 수대수 방식 히트펌프 8 대의 수대수 방식의 히트펌프의 냉동 부하를 이용하여 제빙하며 이때 발생하는 열은 건물의 바닥 복사난방에 이용하거나 지중 열교환기에 저장. 제빙작업을 마친 후에도 계속 난방이 요구될 때는 지열교환기를 통해 난방에 필요한 열을 공급. 제빙 능력 : 88tons 대당 소요 냉매(R404A)량 : 12LBS(5.5kg) CFC Reduction EA Prerequisite 1 Eliminate HCFC & Halon (R404A refrigerant – 36 kg) EA Credit 4: 1 point

기계실의 링크배관 햇더 기계실에 놓인 융착식 헷더는 링크배관과 축열 버퍼의 배관을 연결하는 작업과보수 작업을 편리하게 할 수 있다. 배관 라인에 각각 따로 설치한 압축연결식 밸브는 배관연결을 쉽게 할 수 있고 배관 청소 및 공기 배출 작업을 수월하게 할 수 있다. 기계실의 햇더로 부터 연결된 링크 배관은 링크의 형태에 따라 설치된다.

열원 장비로 부터의 직접 복사 난방 현관 및 탈의실 바닥난방 관람석 바닥 난방 빙면 보수시 생긴 얼음 잔해를 녹이기 위한 피트

급탕 및 빙면 보수용 온수 온수저장탱크 4대(120gallons=450liter) 전기식 온수기 2대(12KW/대)에 의한 온수 가열 (120°F =50°C) 수대수 방식의 히트펌프에 의해 샤워장과 빙면 보수용 온수공급 (120°F= 50°C) 이중 판열교환기를 사용하는 제빙용 히트펌프에 의해 예열된 보충수를 공급한다.

강제 급기 방식 히트펌프에 의한 냉난방 수대 공기 방식의 히트펌프를 이용하여 복도, 사무실, 회의장, 체육실 및 극장에 냉난방 공급

지열교환기 사용에 의해 냉각탑 설치를 줄임 수도 사용량 절약 – 20% WE Credit 3.1: 1 point 수도 사용량 절약 – 30% WE Credit 3.2: 1 point 지열교환기를 설치함으로 연간 냉각탑의 가동일수를 줄일 수 있다. 유체 냉각기(fluid cooler)를 가동함으로서 물소비량을 줄일 수 있으며 야간에 지열교환기로부터 열을 방출함으로써 냉방에 필요한 낮은 온도를 얻을 수 있는 이점이 있다. * 제 공: Massachusetts Water Resources Authority http://www.mwra.state.ma.us/04water/html/bullet4.htm

시설개요 빙상장 바닥난방 보충수예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

빙상장의 빙면을 열원으로 사용하는 시스템 개요 빙면 바닥난방 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 빙상경기장장의 빙면은 첫번째 열원이며 얼음의 온도조절이 가장 중요함 히트펌프를 이용하여 급탕공급 건물내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 증발식 유체 냉각기 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

축열 버퍼를 열원으로 사용하는 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 축열버퍼는 두번째 열원이며 피크시간이 아닐때 축열 버퍼는 다음날을 위하여 냉열원 공급 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

지열교환기를 열원으로 사용할 때의 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 빙상장의 제빙과 축열 버퍼의 온도가 충분히 낮을 때 필요시 지열교환기를 열원으로 사용한다. 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

빙상표면-건물냉방시 얻는열을 열원으로 사용할때의 시스템 개요 바닥 난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 건물 실내에 개별적으로 필요한 난방 및 냉방을 공급 할 수 있는 물대공기 방식의 히트펌프 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

바닥난방을 열싱크로 사용할 때의 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 증발식 유체 냉각기 빙상장의 빙면 또는 축열버퍼에 냉수 공급시 실내 바닥 난방은 히트 싱크 역할을 한다. 이때 지열교환기는 선택적 열원으로 사용한다. 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

건물을 열싱크로 사용할 때의 시스템 개요 빙면 바닥난방 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 증발식 유체 냉각기 건물의 실내에 개별적으로 필요한 난방 및 냉방을 공급할 수 있는 물대공기 방식의 히트펌프 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

급탕을 열싱크로 사용할 때의 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 증발식 유체 냉각기 급탕은 제빙 히트펌프로 예열하며 수대수 방식의 히트펌프로 온도를 상승시킨다 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

지열교환기를 열싱크로 사용할때의 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 건물 실내의 열공급이 만족되었을때 지열교환기는 두번째 열싱크로 사용 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

증발식 유체 냉각기를 열싱크로 사용시 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 지열교환기의 온도가 상승 되었을때 증발식 유체 냉각기는 백업 열싱크로 사용 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

주변의 다른 건물을 열싱크로 사용시 시스템 개요 바닥난방 빙면 보충수 예열 축열버퍼 4 –배관 형식의 저온 수대수 방식 히트펌프 히트펌프를 이용하여 급탕공급 증발식 유체 냉각기 건물 내부에 설치되는 수대공기형 방식 히트펌프 예비 배관에 의해 근처에 위치한 SAERC 건물이 연결 되었을때 또 하나의 추가 열싱크로 사용함 수평형 지열교환기 SAERC 건물과의 연결용 예비배관

수평 지열교환기 부지 평면도 시민회관 & 빙상경기장 SAERC 건물의 수영장 기계실에 연결할 예비용 배관 500’ (150 m) SAERC 건물 165’ (50 m)

수평지열 교환기 설치예정인 주차장 부지 SAERC 건물 시민회관

수평지열 교환기 설치를 위한 대지 굴착 SAERC 건물

수평 지열교환기를 위한 바닥 고르기 SAERC 건물

수평지열교환기의 건물연결 시민회관의 기계실에 슬리브를 설치하여 수평지열 교환기와 연결한다

수평지열 교환기아래에 배수 홈을 설치 유수 처리 SS Credit 6.1: 1 point 대지 표면에 고이는 수분은 배수 홈을 통하여 제거해 줌으로서 지열 교환기의 성능을 증가 시킨다.

수평 지열교환기 설치 후 포장된 주차장 SAERC Building

지중열교환기의 건물 인입 연결 융착 제작된 햇더와 압축연결식 밸브에 1` (25mm)의 80여 개의 배관이 각각 지중의 슬리브를 통해서 기계실에서 연결된다.

지열교환기의 장점 • 단기간 및 일정한 기간별로 에너지 저장을 할 수 있음 -사용하지 않는 열을 지열교환기에 저장 -제빙을 할때 동시에 열원으로 사용할 수 있음 • 증발식 유체 냉각기의 사용을 최소화함으로서 -전기 소비량을 절약함 -물소비량을 줄일 수 있음 -외부공기가 시원할때만 유체 냉각기를 사용

증발식 유체 냉각기 증발식 유체 냉각기는 하절기에 제빙과 냉방부하의 피크타임시 지열교환기 순환수 온도의 급격한 상승을 방지하는 역할을 한다.

링크바닥은 첫번째 열원 빙면의 모서리 부분에 있는 햇더를 줄이며, 아이스링크 벽면 바깥쪽의 필요없는 빙면은 제거한다. 링크바닥에 설치한 배관은 히트펌프 장비에게 첫번째의 열원(Heat Source)을 제공한다.

축열버퍼는 두번째 열원 축열버퍼 Innovation in Design (Thermal storage buffer) ID Credit 1.1: 1 point 얼음과 축열버퍼는 건물에 난방과 급탕을 공급하는 열원이다. 축열 버퍼는 피크시 추가 제빙을 공급하며 야간, 즉 제빙이 필요없는 시간에는 히트펌프에 열원( Heat source)을 제공한다.

축열 버퍼 배관 “축열버퍼”는 피크를 피한 시간 즉 off-peak 동안의 보조 냉각 장치이다. 큰 용량의 제빙을 위하여 중요한 역할을 하며 축열 버퍼로부터 얻은 열은 건물의 난방과 급탕 생산에도 사용된다.

축열 버퍼의 이점 • 수백 ton-hours의 냉동능력을 저장할 수 있으며 -피크시의 냉동부하를 줄일 수 있으며 -전력 공급이 중단되었을 경우에도 일정한 빙질을 유지 해 줌 • 대규모 빙면의 온도를 일정하게 유지해줌 • 펌프 전력사용량의 감소(60~70%) -냉동부하를 줄임 • 냉방과 난방을 동시에 공급할 수 있어 높은 성적계수를 얻을 수 있다. (off-peak시간에 축열 버퍼를 냉각시켜 이때 얻은 열로 건물의 난방 공급)

지열 에너지와 제빙 (Earth Energy & Ice)