KR100507921B1 - 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템 - Google Patents
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Abstract
지하수와 지중열을 열원으로 사용하여 냉난방을 할 수 있도록, 터널내부로 배수되는 열에너지를 갖는 지하수를 모아 저장하는 열원저장부;
상기 열원저장부에 저장된 지하수를 선택적으로 순환시켜 지열을 흡수하도록 이루어진 지열교환기;
상기 열원저장부와 관로로 연결되어 지하수에 존재하는 열에너지를 흡수하여 축열하는 열교환수단;
상기 열교환수단에서 축열된 열에너지를 공급받아 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;
상기 지하수 및 지열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수와 지중열을 열원으로 사용하여 냉난방을 할 수 있도록 이루어진 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가정용이나 산업용으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다.
그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열, 하수열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래전부터 진행되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮은 단점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.
이러한 자연에너지 기술중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히프펌프시스템이 알려져 있는데, 이것은 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 냉난방을 행하는 기술이다.
지열원은 지하수, 지표수, 지중에 존재하는 것으로 지중온도는 지하5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 나타나고 있으며, 이러한 온도범위는 냉난방을 위한 히트펌프의 열원으로 매우 적합한 것으로 여러 나라에서 지열을 이용한 히프펌프시스템을 많이 사용하고 있다.
대부분의 경우 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 열을 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.
따라서 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 낮아 원활하게 열을 배출함으로써 높은 효율을 나타내게 된다.
반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면, 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.
히트펌프의 난방시 에너지효율은 3~4정도로 보일러의 에너지효율 0.8~0.9에 비해 3~4배 이상 높아 에너지 절약에 큰 도움이 된다.
이와 같이 지열을 이용한 히트펌프시스템은 자연에너지를 이용한 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있으며, 따라서 에너지자원이 부족하고 에너지비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.
한편, 대중교통수단으로 많이 이용하고 있는 지하철의 운행을 위하여, 도심지 지하에는 터널이 굴착되어 있는데, 이렇게 지중에 설치된 지하철 터널에서는 지하수 및 지중열을 손쉽게 얻을 수 있다.
이에 따라 지열원 히트펌프시스템을 지하철에 적용할 경우 높은 에너지효율과 저렴한 설치비용으로 인해 이중의 이익을 얻을 수 있다.
그러나 우리나라의 기후여건상 지하철 터널에서 얻을 수 있는 지하수의 양이 한정적이고 또, 계절에 따라 그 양이 크게 변하여 안정적으로 공급되지 못하므로 지하수를 히트펌프시스템의 열원으로 적용할 수 없는 단점이 있다.
따라서 지하철 터널에 존재하는 지열원을 히트펌프의 열원으로 적용하기 위해서는 지열원 공급의 불안정성을 극복할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주열원으로 지하철 터널로 배수되는 지하수를 이용하고, 보조열원으로 지하철 터널 내부의 지열을 이용하여 지하수나 지중열원의 계절적 불안정성을 극복하고 안정적인 열원공급이 가능한 지하수 및 지중열을 이용한 냉난방시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 제안하는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템은, 지하철 터널내부로 배수되는 열에너지를 갖는 지하수를 모아 저장하는 열원저장부;
상기 열원저장부에 저장된 지하수를 선택적으로 순환시켜 지열을 흡수하도록 이루어진 지열교환기;
상기 열원저장부와 관로로 연결되어 지하수에 존재하는 열에너지를 흡수하여 축열하는 열교환수단;
상기 열교환수단에서 축열된 열에너지를 공급받아 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;
상기 지하수 및 지열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 냉난방시스템에 제공된 지열교환기의 설치상태를 나타내는 사시도로서, 본 발명에 의한 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템은, 지하철 터널(T)내부로 배수되는 열에너지를 갖는 지하수를 터널 바닥면에 형성된 집수관(2)을 통하여 모아 저장하는 열원저장부(10)와, 상기 열원저장부(10)에 저장된 지하수를 선택적으로 순환시켜 지열을 흡수하도록 이루어진 지열교환기(20)와, 상기 열원저장부(10)와 연결되어 지하수에 존재하는 열에너지를 흡수하여 축열하는 열교환수단(30)과, 상기 열교환수단(30)에서 축열된 열에너지를 공급받아 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프(40)를 포함한다.
상기 집수관(2)과 지열교환기(20)는 열원저장부(10)와 관로(L1)(L2)로 각각 연결되어 지하수가 열원저장부(10)에 저장될 수 있도록 구성되는데, 실질적으로 집수관(2)의 출구측과 지열교환기(20)의 출구측이 관로(L1)(L2)의 일측과 연결되고 관로(L1)(L2)의 타측은 열원저장부(10)와 연결된 구조를 갖는다.
그리고 상기 관로(L1)(L2)에는 지하수가 열원저장부(10) 및 지열교환기(20) 측으로 원활하게 저장 또는 공급될 수 있도록 도시되지 않은 펌프를 설치할 수도 있다.
상기 지열교환기(20)는 잘 알려진 구조의 것이 사용될 수 있는데, 본 실시예에 제공된 지열교환기(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리에틸렌 파이프 또는 열전도율이 높은 재질로 이루어진 다수의 열교환 파이프(4)를 터널(T)의 벽면 또는 터널(T) 외측 지중에 매설하는 방식으로 설치할 수 있다.
이러한 열교환 파이프(4)들은 직렬 또는 병렬구조로 관로에 의해 연결할 수 있으며, 어떠한 방식이든지 열교환 파이프(4)의 입구측(6)은 관로(L2)와 연결되고, 열교환 파이프(4)의 출구측(8)은 집수관(2)과 통하도록 구성된다.
따라서 열원저장부(10)의 지하수를 열교환 파이프(4)로 공급하면 공급된 지하수가 지중의 열을 흡수하고 출구측(8)으로 배출된 후 집수관(2)을 통하여 열원저장부(10)로 리턴할 수 있도록 되어있다.
상기 열교환수단(30)은 열원저장부(10)와 관로(L3)(L4)로 연결되어 지하수에 존재하는 열에너지를 흡수하여 열교환에 의하여 열에너지를 축열하고, 관로(L3)(L4)를 통하여 열원저장부(10)로 리턴하므로서 지하수가 순환할 수 있는 시스템을 이루고 있다.
상기 히트펌프(40)는 상기 열교환수단(30)에 축열된 열에너지를 관로(L5)(L6)를 통하여 전달하여 축열된 열에너지와 열교환을 이루기 위하여 냉난방 모드 변환에 따라서 증발기와 응축기 또는 응축기와 증발기의 역할을 수행하는 제1 열교환수단(42) 및 제2 열교환수단(44)과, 이들 제1,제2 열교환수단(42)(44)의 순환관로 사이에 각각 연결되는 압축기(46)와 팽창밸브(48)로 구성된다.
냉난방 모드는 압축기(46)에서 고온 고압으로 압축된 냉매의 흐름방향을 변환하는 것으로 실현될 수 있다. 이와 같은 모드변환수단은 일반적으로 잘 알려진 로터리 밸브가 설치됨으로서 실현 가능하다.
상기 제어수단은 집수관(2)의 출구측 관로(L1), 열원저장부(10), 열교환수단(30), 히트펌프(40)와 전기적으로 연결되어 냉난방시스템을 전체적으로 제어할 수 있는 제어부(50)로 이루어진 구조를 갖는다.
본 실시예의 제어수단은 관로(L1)를 흐르는 지하수의 온도를 감지하는 센서(S1)와, 열원저장부(10)에 저장된 열에너지 용량을 감지하는 센서(S2)와, 열교환기(30)의 열교환능력을 감지하는 센서(S3)들로부터 전달되는 신호를 제어부(50)에서 측정하여 히트펌프(40)로 공급가능한 열원량을 측정하고, 측정된 열원량과 히트펌프(40)에서 필요로 하는 열원량을 측정하는 센서(S4)로부터 측정된 신호가 제어부(50)로 전달되도록 구성된다.
그리고 상기에서 측정된 신호들을 비교하여 히트펌프(40)로 공급가능한 열원량이 히트펌프(40)에서 필요한 열원량보다 부족한 경우에는, 관로(L2)를 통해 열원저장부(10)에 저장된 지하수를 지열교환기(20)의 열교환 파이프(4)로 보내 지하수가 지중열을 흡수하도록 한 후, 이 지하수를 출구측(8)을 통하여 집수관(2)으로 배출하여 소정의 열에너지를 갖는 지하수가 열원저장부(10)에 저장되도록 되어있다.
상기 센서(S1)(S2)(S3)(S4)들은 온도감지 센서나 열감지형 센서 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 이루어지는 본 실시예의 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템은, 터널(T) 내부로 배출되어 소정의 지열에너지를 갖는 지하수는 터널(T)하부에 설치된 집수관(2)을 따라서 어느 한쪽으로 흐른 후, 관로(L1)를 통하여 열원저장부(10)에 일시 저장된 후, 관로(L3)(L4)를 통하여 열교환수단(30)으로 순환하게된다.
이때 열교환수단(30)의 열전달유체가 지하수의 열을 빼앗아 축열상태로 저장되고 있는 상태가 되는데, 이러한 상태에서 난방모드가 선택되면, 도시되지 않은 펌프의 구동으로 열에너지를 갖는 열전단유체가 히트펌프(40) 측으로 이동하면서 제1열교환수단(42)으로 이동하게 된다.
이 모드에서는 압축기(46)가 구동하면서 압축된 냉매는 제2열교환수단(44) - 팽챙밸브(48) - 제1열교환수단(42) - 압축기(46)를 경유하면서 순환하게 된다.
이와 같이 냉매가 순환하는 동안에 상기 펌프(미도시)로부터 공급되는 열전달 유체는 상기 제1열교환수단(42)을 통과하게 되므로 이곳에서 열교환이 이루어진다. 이때 열전달 유체가 갖고 있는 열에너지를 저압 저온의 냉매가 빼앗아 가게 된다.
그리고 열전달 유체로부터 열에너지를 빼앗은 냉매는 압축기(46)에서 고온 고압으로 압축되어 제2열교환수단(44)으로 이동하게 되고, 이 제2열교환수단(44)으로 이동한 고온 고압의 냉매는 팬 유닛(미도시)에 의해 대기로 열을 방출하게 된다. 이 방출된 열은 별도의 덕트나 관로를 따라 이동하면서 건물 내부를 난방하게 된다.
그리고 제1열교환수단(42)에서 열에너지를 빼앗긴 열전달유체는 관로(L4)(L5)를 따라 열교환수단(30)으로 유입되어 위의 작용을 반복하게 되는데, 이러한 난방작용은 통상적인 열교환기의 난방작용과 동일한 것이다.
이러한 작용이 반복될 때 열원저장부(10)의 지하수가 부족하거나 열용량이 저하되면, 센서(S1)(S2)(S3)가 각각의 온도나 열용량을 감지하여 제어부(50)로 그 신호를 보내게 되고, 또 다른 센서(S4)는 히트펌프(40)의 열교환 능력을 감지하여 제어부(50)로 보내게 된다. 상기 센서(S3)는 제1열교환수단(42)으로 유입되는 열전달유체의 입구측 온도와 출구측 온도의 차이를 감지함으로서 열교환 능력을 판단할 수 있다.
이와 같은 신호가 제어부(50)로 입력되어 히트펌프(40)로 공급가능한 열원량이 히트펌프(40)에서 필요한 열원량보다 부족한 경우에는, 제어부(50)의 제어에 의하여 열원저장부(10)에 저장된 지하수를 관로(L2)를 통해 지열교환기(20)의 열교환 파이프(4)로 공급하게 된다.
이러한 작용으로 열교환파이프(4)를 지하수가 흐를 때 지하수가 지중열을 흡수하게 되며, 이렇게 지중열을 흡수하여 소정의 열에너지를 갖는 지하수는 열교환파이프(4)의 출구측(8)을 통하여 배출된 후, 집수관(2)을 따라서 열원저장부(10)에 다시 저장된다.
이에 따라 히트펌프(40)로 공급가능한 열원량이 히트펌프(40)에서 필요한 열원량을 충족하면, 제어부(50)의 제어에 의하여 열원저장부(10)에 저장된 지하수가 지열교환기(20)로 공급되는 것을 차단하게되는데, 이에 따라 저하되었던 난방능력이 다시 향상될 수 있다.
그리고 냉방모드가 선택되면, 압축기(46)로부터 토출되는 냉매의 흐름방향이 난방시와는 반대가 되어 제1열교환수단(42) - 팽챙밸브(48) - 제2 열교환수단(44) - 압축기(46)의 경로를 거치면서 순환하게 된다.
즉, 기능이 바뀌어 제1열교환수단(42)은 응축기의 역할을 수행하고, 제2열교환수단(44)은 증발기의 역할을 수행한다.
따라서 열교환수단(30)에서 흡열된 열에너지를 갖는 열전달유체는 제1열교환수단(42)을 통과하면서 고온 고압의 냉매로부터 열에너지를 빼앗게 된다.
이와 같이 열에너지를 빼앗긴 이 냉매는 팽창밸브(48)를 통과하면서 압력이 떨어져 제2열교환수단(44)에서 실내의 공기와 열교환하여 실내공기를 냉각하고, 자신은 증발하여 기체상태의 냉매가 된다.
그리고 기체상태의 냉매는 압축기(46)로 흡입·압축되어 다시 제1열교환수단(42)으로 보내지면서 위와 같은 순환을 반복하게 된다.
즉, 냉방작동시 열교환수단(30)의 열전달유체의 열에너지가 히트펌프(40)의 냉매로 전달되고, 이 냉매는 응축, 팽창, 증발, 압축의 변화를 계속하면서 순환하여 냉방을 행하게 된다.
이와 같은 냉방작용이 이루어지면서 열전달유체는 열교환수단(30)으로 리턴하면서 위의 작용을 반복하게 된다. 이 과정에서도 열원저장부(10)의 지하수가 부족하거나 열용량이 저하되면, 난방시와 같이 지열열교환기(20)의 열에너지를 사용하는 시스템으로 바뀌게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 냉난방 시스템은, 주열원으로 지하철 터널의 지하수를 이용하고, 보조열원으로 지하철 터널 내부의 지열을 이용하여 냉난방을 행할 수 있으므로 냉난방시스템을 운용하는데 별도의 비용이 더 소요되지 않아 냉난방시스템의 유지 및 운용비용을 최소화할 수 있다.
또한 지하수나 지중열원의 계절적 불안정성을 극복하고 안정적인 열원공급이 가능하므로 냉난방 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템에 있어서, 지열교환기의 설치상태를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템에 있어서, 지하수가 안정적으로 공급될 경우의 시스템 작동상태도.
도 4는 본 발명에 따른 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템에 있어서, 지하수가 부족할 경우의 시스템 작동상태도.
Claims (7)
- 터널 내부로 배수되는 열에너지를 갖는 지하수를 모아 저장하는 열원저장부;상기 열원저장부에 저장된 지하수를 선택적으로 순환시켜 지열을 흡수하도록 이루어진 지열교환기;상기 열원저장부와 관로로 연결되어 지하수에 존재하는 열에너지를 흡수하여 축열하는 열교환수단;상기 열교환수단에서 축열된 열에너지를 공급받아 열교환을 행하고, 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;상기 지하수 및 지열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단;을 포함하고, 상기 열원저장부의 지하수가 일정온도 이하일 경우, 상기 제어수단의 제어에 의하여 상기 열원저장부의 지하수를 지열교환기로 공급하여 지열을 흡수하도록 이루어진 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 지하수의 열에너지를 주열원으로 사용하고, 지열교환기의 열에너지를 보조열원으로 사용하는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기는 직렬 또는 병렬로 연결되는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 열원저장부, 열교환기, 히트펌프에는 각각 온도센서나 열감지센서가 설치되고, 이들 센서가 감지한 신호는 제어부로 전달되어 최적의 냉난방을 행하도록 구성된 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기는 열전도율이 높은 재질로 이루어진 다수의 열교환 파이프로 이루어지고, 이들 열교환 파이프는 터널의 벽면 또는 터널 외측 지중에 매립 설치되는 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
- 청구항 6에 있어서, 상기 열교환 파이프의 입구측은 열원저장부와 관로로 연결되고, 열교환 파이프의 출구측은 집수관과 통하도록 구성된 지하수와 지중열을 이용한 냉난방시스템.
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