KR100771937B1 - 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의실시간 자동제어 시스템 - Google Patents

지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의실시간 자동제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 우물공이 형성되도록 하며; 타 지점의 지중에 수직방향으로 열교환공을 굴착하고; 상기 우물공에 장착된 수중펌프를 가동하여, 열교환공내의 투수 파이프에 물을 공급하도록 하며; 상기 열교환공내부에 수위레벨 스위치를 장착하여, 열교환공내의 수위를 감지하거나, 또는 압력감지 스위치를 장착하여, 열교환공내의 물 압력을 감지하여, 설정수위 또는 설정압력이 되도록, 수위펌프의 작동여부를 제어하는 제어부를 형성 되도록; 이루어진 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 열교환공의 깊이와 자갈사이의 충진된 물의 양과, 지중 열교환기와 상호 열교환에 필요로 하는 물의 양이 상호 연계되어, 설정수위 또는 설정압력이 되도록 제어하여, 열교환공의 내에 필요로 하는 물의 양을 실시간으로 자동조정되는 지중 열교환기 시스템에 관한 것이다
이와 연결된 지열식 냉난방시스템은 겨울철에는 지열과 열에 의해 얻어진 지열에너지를 이용하여 난방에너지를 활용하고, 여름철에는 사용자의 실내에서 발생한 열을 지중 열교환기에 순환되는 물을 통하여 지열속에 방열토록 함으로써 냉방에너지로 활용한 것이다.
히트펌프, 지열, 열교환기

Description

지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템{REAL TIME CONTROL SYSTEM OF HEAT EXCHANGER USED IN UNDERGROUND IN A GEOTHMAL HEAT PUMP SYSYEM}
도 1은 종래의 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템을 나타낸 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
11: 지중 열교환기 12: 투수파이프
13: 히프펌프 유니트의 열교환기 14: 자갈
15: 암반층 16: 토양층
17: 열교환공 18: 벤토나이트
19: 지표면 20: 투수공
21: 우물공 22:수중펌프
23: 물공급관 24: 수위레벨 스위치
25: 압력감지 스위치 26: 제어부
본 발명은 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 우물공이 형성되도록 하며; 타 지점의 지중에 수직방향으로 열교환공을 굴착하고; 상기 우물공에 장착된 수중펌프를 가동하여, 열교환공내의 투수 파이프에 물을 공급하도록 하며; 상기 열교환공내부에 수위레벨 스위치를 장착하여, 열교환공내의 수위를 감지하거나, 또는 압력감지 스위치를 장착하여, 열교환공내의 물 압력을 감지하여, 설정수위 또는 설정압력이 되도록, 수위펌프의 작동여부를 제어하는 제어부를 형성 되도록; 이루어진 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등이 있는데, 이러한 에너지원 사용은 환경오염의 주원인을 발생시킬 뿐만 아니라 매장량의 한계가 있기 때문에, 이러한 문제점의 대책으로 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로, 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된전력 에너지를 주로 사용하고 있다.
그러나 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.
대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열 히트펌프 시스템은, 지중 열교환기를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.
따라서, 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.
통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.
그중 지열교환기의 설치는 대부분의 경우 여유가 있는 대지를 확보한 후, 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착하여 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치된다.
이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 보다 큰 건물에 아주 적합하다. 이러한 지열교환기의 설치는 지하 50~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 한두번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.
그리고, 파이프 설치 후 각 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅한다. 그라우팅과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채우게 된다.
그러나, 이러한 종래의 지열교환기는 보어홀에 열교환 파이프를 삽입하고 그라우팅작업을 하여 지열이 전도에 의하여 직접 순환배관에 전달되는 방식을 사용하고 있기 때문에, 축열기능을 부여할 수 없고 회수열량이 적기 때문에 열교환성능이 저하될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
도 1은 종래의 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기를 나타낸 개략도로서, 이를 설명하면, 지표측의 토양층(A)과 그 하층으로 암반층(B)을 이루고 있는 지중으로 소정깊이 굴착된 열교환공(24)이 수직방향으로 형성되었으며, 상기 열교환 공(24)에는 내부에 물 또는 부동액과 같은 열매체(41)가 저장되어진 열매체 저장관(42)이 삽입 설치되었고, 열매체 저장관(42) 내에는 히트펌프 본체나 지하 축열조와 같은 열매체 사용처(60) 측과의 순환배관을 이루어 펌프(미도시)에 의해 강제 순환이 이루어지도록 하는 순환 파이프(30)가 각각 인입되도록 구성하였다.
그리고, 열매체 저장관(42)이 삽입되어진 열교환공(24) 내부 공간에는 지하수(23)가 일정 수위로 채워져 있으며, 그 수위 상부공간에는 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트를 채워서 그라우팅부(40)를 형성하게 된다.
또한, 열교환공(24)중 토양층(A)에 해당하는 깊이까지는 강관케이싱(50)이 그라우팅부(40)를 둘러싸도록 하는 구성을 이루었다.
한편, 열매체 저장관(42)에 인입되어져 있는 순환 파이프(30)중 제1파이프(31)와 제2파이프(32)의 높이를 상호 상이하게 설치함으로서 열매체 이용 효율을 향상시킬 수 있도록 함이 바람직하게 된다.
도면 중 미설명 부호 41은 그라우팅부(40)의 그라우팅 재료를 지지하기 위해 열매체 저장관(42) 외벽면 중단에 고정 설치된 지지판을 나타낸다.
이러한, 종래의 지중 열교환기는 순환파이프(30)는 열매체(41)내부에 포함되어, 상호 열교환되는 것으로서, 상기 열매체(41)는 순환파이프(30)와 충분히 열교환하기 위해서는, 많은 양의 열매체를 필요로 하며, 이를 원활히 공급하기 위해서는 다른 과도한 장비가 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 열매체 저장관(42)이라는 별도의 구성을 추가하여야 하는 문제점을 안고 있는 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 우물공이 형성되도록 하며; 타 지점의 지중에 수직방향으로 열교환공을 굴착하고; 상기 우물공에 수중펌프를 장착하여, 열교환공에 설정된 물을 공급하도록 하도록 제어하는 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템에 관한 것으로서, 상기 열교환공에 수많은 자갈을 충진하여, 열교환공에서 필요로 하는 물의 양을 최소로 하여, 친환경적이며, 고효율의 지중 열교환기를 제공하며, 이러한 지중 열교환기에 필요로 하는 물의 높이를 실시간으로 손쉽게 제어하는 시스템을 채택하여, 고효율의 지중식 열교환기 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 2는 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템을 나타낸 개략도로서, 이에 대하여 설명하면,
지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템에 있어서,
지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 우물공(21)이 형성되도록 하며;
타 지점의 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 상기 홀의 외측 하부에는 암반층(15)이 형성되고, 상기 암반층(15)과 지표면(19)사이에는 토양층(16)이 형성되도록 1개 이상의 열교환공(17)이 형성되도록 하며;
상기 열교환공(17)의 내부에는 U자형의 지중 열교환기(11)를 위치하여, 히프펌프 유니트의 열교환기(13)에 연결되도록 하며;
상기 지중 열교환기(11)와 수직길이에 대응되는 투수파이프(12)를 삽입하되, 상기 투수파이프(12)의 외주연에는 수직길이방향으로, 다수개의 투수공(16)이 형성되어, 타 지점인 우물공(21)으로부터 물의 공급을 자유롭게 하고;
상기 우물공(23)에 수중펌프(22)를 장착하며, 상기 수중펌프(22)와 투수파이프(12)에 물공급관(23)을 연결하여, 투수 파이프(12)에 물을 공급하도록 하며,
상기 열교환공(17)내부에 수위레벨 스위치(24)를 장착하여, 열교환공(17)내의 수위를 감지하거나, 또는 압력감지 스위치(25)를 장착하여, 열교환공(17)내의 물 압력을 감지하여, 설정수위 또는 설정압력이 되도록, 수위펌프(22)의 작동여부를 제어하는 제어부(26)가 형성되도록; 이루어진 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시예를 상세히 살펴보면, 다음과 같다.
본 발명에서, 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 상기 홀의 외측 하부에는 암반층(15)이 형성되고, 상기 암반층(15)과 지표면(19)사이에는 토양층(16)에 열교환공(17)을 형성하고, 상기 열교환공(17)의 내부에는 U자형의 지중 열교환기(11)를 위치하여, 히프펌프 유니트의 열교환기(13)에 연결되도록 하는 것이다.
이는 지중열을 열원으로 이용한 방법으로서, 펌프를 통해 지중 열교환기(11)내의 물을 강제 이송시켜 열교환을 통해 하절기에는 실내를 냉각하고 동절기에는 실내를 난방토록 한 지열식 히트펌프의 열교환 유니트와 상호 열교환하도록 하는 구조인 것이다.
또한, 본 발명은 지중 열교환기(11)와 수직길이에 대응되는 투수파이프(12)를 삽입하되, 상기 투수파이프(12)의 외주연에는 수직길이방향으로, 다수개의 투수 공(16)을 형성하고, 상기 우물공(23)에 장착된 수중펌프(22)와 투수파이프(12)에 물공급관(23)을 연결하여, 투수 파이프(12)에 물을 공급하여, 투수공(16)을 통해 물이 열교환공(17)내로 공급되도록 하는 것이다.
이는 연중 온도변화가 거의 없는 지열을 이용하기 위해 암반층(15) 내부에 열교환공(17)을 형성하고 지중 열교환기(11)를 삽입하고, 상기 지중 열교환기(11)와 상호 열교환되는 열매체의 일예인 물을 공급하기 위하여, 타 장소에 마련된 우물공(23)으로부터 투수 파이프(12)내로 물을 공급시키는 것이다.
본 발명에 따른 열교환 방식을 설명하면, 열교환공(17)내에 내부로 고여지는 열매체인 물과 지중 열교환기(11)내의 물이 상호 열교환되며, 이는 지중 열교환기(11)와 연결된 펌프에 의하여 펌핑시켜 히트펌프 유니트의 열교환기(13)와 열교환 시키는 과정이 반복 순환되도록 하는 것이며, 이 과정에서 열교환공(17)내에 저장된 물은 주변의 지열과의 열교환에 의하여 일정한 온도로 유지되며, 이러한 일정온도는 지열식 히트펌프 시스템의 열교환유니트에 제공되는 것이다.
본 발명에서, 열교환공(17)내의 필요한 물을 공급하는 실시예로서는, 상기 열교환공(17)내부에 수위레벨 스위치(24)를 장착하여, 열교환공(17)내의 수위를 감지하거나, 설정수위가 되도록, 수위펌프(22)의 작동여부를 제어하는 제어부(26)로 구성된다.
다른 실시예로서는, 열교환공(17)내에 압력감지 스위치(25)를 장착하여, 열교환공(17)내의 물 압력을 감지하여, 설정압력이 되도록, 수위펌프(22)의 작동여부를 제어하는 제어부(26)로 구성되는 것이다.
본 발명의 다른 실시예로서, 열교환 효율을 극대화하기 위하여, 암반층(15)에 대응되는 열교환공(17)의 내부공간에는 수많은 자갈(14)로 채워지도록 하고, 암반층(15)으로부터 유입/유출되는 지하수 및 투수파이프(12)로부터 공급되는 물이 자갈(14)과 자갈(14)사이의 공간에 충진되어, 상기 지중 열교환기(11)와 상호 열교환되도록 하는 것이다.
이는 암반층(15)내에 수많은 자갈(14)로 충진시키며, 이로 인하여 자갈(14)사이에 수많은 빈공간이 형성이 되며, 이러한 빈 공간에 열매체로서, 물이 채워지도록 하는 것이다. 채워지도록 공급되는 물은 지하수의 유출입이 자유로운 암반층에 제공되는 것이다.
상기 자갈(14)은 통상의 자갈과 다른 재질의 충진재를 포함한다.
일예로, 타 지점의 우물공(21)에서 충분한 물을 자갈사이로 공급시키면, 암반층에서 열교환공(17)으로 유입되는 지하수는 자갈사이에 충진되지 않고, 열교환공(17)으로부터 유출되는 것이며, 타 지점의 우물공(21)에서 공급되는 물이 충분하지 못하면, 암반층에서 열교환공(17)으로 유입되는 지하수에 의하여 부족한 물을 채워주는 것이다.
이는 열교환공의 깊이와 자갈사이의 빈 공간의 양과, 지중 열교환기와 상호 열교환에 필요로 하는 물의 양이 상호 연계되어, 설정된 물의 수위, 또는 물의 압력이 되도록 타 지점인 우물공으로부터 실시간으로 자동제어되는 시스템을 채택하고, 이와 연결된 지열식 냉난방시스템은 겨울철에는 지열에너지를 이용하여 난방에너지를 활용하고, 여름철에는 사용자의 실내에서 발생한 열을 지중 열교환기에 순 환되는 물을 통하여 지열속에 방열토록 함으로써 냉방에너지로 활용한 것이다.
또한, 상기 토양층(16)의 대응되는 열교환공(17)의 내부공간에는 벤토나이트(18)로 채워, 마감처리를 되도록; 이루어진 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템은열교환공내의 지중 열교환기와 연결되는 구조를 단순화하면서도, 지중 열교환기와 상호 열교환되는 열매체의 양을 최소로 하며, 친환경적인 열교환공 환경을 조성하며,
실시간으로 설정된 물의 양이 되도록 자동제어하는 시스템을 채택하여, 이를 지열식 히트펌프에 연결하여, 냉난방효율을 극대화 하는 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

Claims (2)

  1. 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템에 있어서,
    지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 우물공(21)이 형성되도록 하며;
    타 지점의 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 상기 홀의 외측 하부에는 암반층(15)이 형성되고, 상기 암반층(15)과 지표면(19)사이에는 토양층(16)이 형성되도록 1개 이상의 열교환공(17)이 형성되도록 하며;
    상기 열교환공(17)의 내부에는 U자형의 지중 열교환기(11)를 위치하여, 히프펌프 유니트의 열교환기(13)에 연결되도록 하며;
    상기 지중 열교환기(11)와 수직길이에 대응되는 투수파이프(12)를 삽입하되, 상기 투수파이프(12)의 외주연에는 수직길이방향으로, 다수개의 투수공(16)이 형성되어, 타 지점인 우물공(21)으로부터 물의 공급을 자유롭게 하고;
    상기 우물공(23)에 수중펌프(22)를 장착하며, 상기 수중펌프(22)와 투수파이프(12)에 물공급관(23)을 연결하여, 투수 파이프(12)에 물을 공급하도록 하며,
    상기 열교환공(17)내부에 수위레벨 스위치(24)를 장착하여, 열교환공(17)내의 수위를 감지하거나, 또는 압력감지 스위치(25)를 장착하여, 열교환공(17)내의 물 압력을 감지하여, 설정수위 또는 설정압력이 되도록, 수위펌프(22)의 작동여부를 제어하는 제어부(26)가 형성되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템.
  2. 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기 시스템에 있어서,
    지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 우물공(21)이 형성되도록 하며;
    타 지점의 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여, 상기 홀의 외측 하부에는 암반층(15)이 형성되고, 상기 암반층(15)과 지표면(19)사이에는 토양층(16)이 형성되도록 1개 이상의 열교환공(17)이 형성되도록 하며;
    상기 열교환공(17)의 내부에는 U자형의 지중 열교환기(11)를 위치하여, 히프펌프 유니트의 열교환기(13)에 연결되도록 하며;
    상기 지중 열교환기(11)와 수직길이에 대응되는 투수파이프(12)를 삽입하되, 상기 투수파이프(12)의 외주연에는 수직길이방향으로, 다수개의 투수공(16)이 형성되어, 타 지점인 우물공(21)으로부터 물의 공급을 자유롭게 하고;
    상기 암반층(15)의 대응되는 열교환공(17)의 내부공간에는 수많은 자갈(14)로 채워지도록 하여, 암반층(15)으로부터 유입/유출되는 지하수 및 투수파이프(12)로부터 공급되는 물이 자갈(14)과 자갈(14)사이의 공간에 충진되어, 상기 지중 열교환기(11)와 상호 열교환되도록 하며;
    상기 우물공(23)에 수중펌프(22)를 장착하며, 상기 수중펌프(22)와 투수파이프(12)에 물공급관(23)을 연결하여, 투수 파이프(12)에 물을 공급하도록 하며,
    상기 열교환공(17)내부에 수위레벨 스위치(24)를 장착하여, 열교환공(17)내의 수위를 감지하거나, 또는 압력감지 스위치(25)를 장착하여, 열교환공(17)내의 물 압력을 감지하여, 설정수위 또는 설정압력이 되도록, 수위펌프(22)의 작동여부를 제어하는 제어부(26)를 형성하고,
    상기 토양층(16)의 대응되는 열교환공(17)의 내부공간에는 벤토나이트(18)로 채워, 마감처리를 되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기용 열교환 매체의 실시간 자동제어 시스템.
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