KR100778686B1

KR100778686B1 - 지열회수를 통한 급탕수 공급 시스템

Info

Publication number: KR100778686B1
Application number: KR1020060078310A
Authority: KR
Inventors: 김동진
Original assignee: 주식회사 피닉스건설; 김동진
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2006-08-18
Publication date: 2007-11-22

Abstract

본 발명은 지하 깊은 곳으로부터 지열을 회수하여 이 열을 통해 급탕탱크 내부의 급탕수를 가열해주도록 하고, 이러한 급탕수를 직접 배출시키거나 개별보일러로 공급해줌으로써 개별보일러의 연료 소모량을 절감할 수 있도록 한 것이다.

이러한 본 발명은 전원을 공급받아 냉매를 순환시키는 히트펌프와; 지중열이송관을 통해 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기와; 일측이 히트펌프의 증발기와 열교환하도록 된 냉수관의 타측과 지중열이송관을 열교환시켜 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기와; 하부 일측에는 급수구가 설치되고, 상단부에는 급수구를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크와; 일단부는 급탕탱크의 하부에 연결되고, 타단부는 급탕탱크의 중간부에 연결되며, 급탕탱크 연결부위 반대측은 히트펌프의 응축기와 열교환하도록 되어 응축기로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관과; 급탕공급관이 그 급탕용 급수측에 연결되어 급탕공급관을 통해 공급된 급탕수를 가열하여 급탕관을 통해 수도밸브로 배출하는 개별보일러와; 급탕공급관과 급탕관의 사이에 연결되는 분지관과; 급탕공급관의 분지관과 개별보일러 사이위치, 급탕관의 개별보일러와 분지관 사이위치, 분지관의 임의의 위치에 각각 설치되어 급탕수의 공급방향을 단속하는 단속밸브로 구성된 것이다.

Description

지열회수를 통한 급탕수 공급 시스템{System to supply hot water by collecting terrestrial heat}

도 1은 본 발명에 따른 열병합발전과 개별난방 통합시스템의 개략 구성도.

도 2는 개별보일러가 이미 설치되어 있는 세대에 본 발명 적용시 배관 상태도.

도 3은 개별보일러를 새로 설치하는 세대에 본 발명 적용시 배관 상태도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 히트펌프 11 : 압축기 12 : 응축기

13 : 팽창밸브 14 : 증발기 20 : 지중열교환기

21 : 지중열이송관 22 : 식립관 23 : 지중열회수공간

24 : 워터펌프 30 : 지중열회수열교환기 31 : 냉수관

40 : 급탕탱크 41 : 급수구 42 : 급탕공급관

43,61,82,91 : 단속밸브 44 : 예비 단속밸브 50 : 급탕가열관

60 : 급탕관 70 : 수도밸브 80 : 개별보일러

81 : 급수관 90 : 분지관

본 발명은 지열회수를 통한 통합 보일러 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하 깊은 곳으로부터 지열을 회수하여 이 열을 통해 급탕탱크 내부의 급탕수를 가열해주도록 하고, 이러한 급탕수를 직접 배출시키거나 개별보일러로 공급해줌으로써 개별보일러의 연료 소모량을 절감할 수 있도록 한 것이다.

주지하다시피, 아파트와 같은 공동주택에는 큰 크기의 중온수보일러를 통해 물을 가열하여 이를 각 세대별로 공급해주는 중앙난방 시스템과, 각 세대별로 각각 개별보일러가 설치되어 이를 통해 각 세대별로 개별적인 난방을 하는 개별난방 시스템의 2가지 방식 중 어느 하나의 방식이 적용되어 난방 및 급탕기능을 수행하고 있다.

이 중 중앙난방 시스템은 모든 세대별로 동일한 온도를 갖는 물을 공급해주게 되므로 관리가 용이한 이점은 있으나, 사람마다 취향이 다르고 자신이 원하는 시간에 난방을 할 수 없는 단점이 있어 개별난방 시스템을 더 선호하는 경향이 있다.

그러나, 이러한 개별난방 시스템의 경우 급탕만 필요하고 난방은 필요없는 하절기와 같은 계절에도 급탕을 구현하기 위해서는 개별보일러를 가동해야만 하므로 연료 소모가 많은 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 안출한 것으로, 지중으로부터 지열을 회수하여 이를 히트펌프의 증발기측 냉매관과 열교환기에서 열교환하도록 하고, 급탕수 가 채워지는 급탕탱크-히트펌프의 응축기-급탕탱크 순으로 급탕수가 순환되도록 급탕가열관을 연결하여 급탕탱크 내부의 물을 히트펌프의 응축기로부터 발생되는 열에 의해 가열해주도록 하며, 급탕탱크와 연결된 급탕공급관은 각 세대별 개별보일러의 급탕용 급수측에 연결하면서 급탕공급관으로부터 분지된 분지관은 개별보일러로부터 인출된 급탕관에 연결하며, 급탕공급관, 분지관, 급탕관에는 각각 단속밸브를 구비함으로써 기본적으로 개별보일러를 사용하면서 계절에 맞게 단속밸브를 개폐하여 급탕탱크에서 예열된 급탕수가 직접 수도밸브로 배출되게 하거나, 개별보일러로 유입되도록 함으로써 연료비를 절감함과 동시에 사용상 편의성을 도모할 수 있는 지열회수를 통한 통합 보일러 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명을 제시되는 실시예와 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열병합발전과 개별난방 통합시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 개별보일러가 이미 설치되어 있는 세대에 본 발명 적용시 배관 상태도이며, 도 3은 개별보일러를 새로 설치하는 세대에 본 발명 적용시 배관 상태도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템은, 전원을 공급받아 냉매를 압축기(11), 응축기(12), 팽창밸브(13), 증발기(14)로 된 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(10)와; 지중열이송관(21)을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기(20)와; 일측이 히트펌프(10)의 증발기(14)와 열교환하도록 히트펌프(10)에 연결된 냉수관(31)의 타측과 지중열이 송관(21)을 열교환시켜 지중열이송관(21) 내부의 물로부터 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기(30)와; 하부 일측에는 새로운 물이 공급되는 급수구(41)가 설치되고, 상단부에는 급수구(41)를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관(42)이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크(40)와; 일단부는 급탕탱크(40)의 하부에 연결되고, 타단부는 급탕탱크(40)의 중간부에 연결되며, 급탕탱크 연결부위 반대측은 히트펌프(10)의 응축기(12)와 열교환하도록 히트펌프(10)에 연결되어 응축기(12)로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관(50)과; 급탕공급관(42)이 그 급탕용 급수측에 연결되어 급탕공급관(42)을 통해 공급된 급탕수를 가열하여 급탕관(60)을 통해 수도밸브(70)로 배출하는 개별보일러(80)와; 급탕공급관(42)과 급탕관(60)의 사이에 연결되는 분지관(90)과; 급탕공급관(42)의 분지관과 개별보일러 사이위치, 급탕관(60)의 개별보일러와 분지관 사이위치, 분지관(90)의 임의의 위치에 각각 설치되어 급탕수의 공급방향을 단속하는 단속밸브(43)(61)(91)로 구성된다.

이때, 도시하지는 않았지만 급탕공급관(42)과 급탕관(60)은 개별보일러(80)의 내부에서 서로 연결되며, 급탕탱크(40)는 아파트 단지의 보일러실과 같이 중앙관리가 용이한 위치에 설치하게 되고, 개별보일러(80)는 각 세대별로 설치함은 자명하다.

또한, 지중열교환기(20)는 지하 30∼50m까지 직립되게 세워지는 식립관(22)과, 식립관(22)의 단부로부터 지하 400∼450m까지 뚫리는 지중열회수공간(23)과, 일단부는 식립관(22)을 통해 지중열회수공간(23)의 아래쪽까지 삽입되고 타단부는 지중열회수열교환기(30)를 거쳐 식립관(22)의 상부에 위치된 지중열이송관(21)과, 지중열이송관(21)의 식립관 내부위치 일측에 연결되어 지중열회수공간(23)에 있는 물을 펌핑해주는 워터펌프(24)로 구성된다.

아울러, 도 2와 같이 개별보일러(80)가 이미 설치되어 있는 경우, 급탕공급관(42)은 개별보일러(80)의 급탕용 급수관(81)에 연결되고, 급탕용 급수관(81)의 급탕공급관 연결부위 전위에는 단속밸브(82)가 설치되며, 급수관(81)을 아예 폐쇄할 수도 있고, 도 3과 같이 개별보일러(80)를 새로 설치하는 경우, 급탕공급관(42)은 개별보일러(80)의 급탕용 급수측에 직접 연결하면 되는 것이다.

도면상의 미설명 부호 44는 수리 교체를 위해 급탕수의 공급을 차단할 수 있도록 급탕공급관(42)과 급탕탱크(40) 사이에 설치되는 예비 단속밸브를 나타낸다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템은 다음과 같은 작용을 한다.

일반적으로 지하 15m 이하의 공간은 연중 온도변화가 거의 없으며, 지하 400∼450m 지점의 온도는 연장 15∼20℃를 유지하게 된다.

또한, 지표면으로부터 지하 30∼50m까지는 표사층을 이루고, 이후부터는 암반층을 이루게 되며, 지하수가 표사층의 중간부에서 그 수위를 항상 유지하고 있다.

본 발명은 지하 400∼450m에 위치하고 있는 따뜻한 물로부터 지중열을 회수하여 이를 통해 급탕수를 가열하고, 이 급탕수를 개별보일러 시스템에 공급하도록 한 것으로, 지중열교환기(20)는 그 식립관(22)을 표사층으로 된 지하 30∼50m까지 만 박을 수 있으며, 표사층 밑에 위치하는 암반층부터는 식립관(22) 내부로 드릴과 같은 굴착장비를 투입하여 지표면으로부터 400∼450m까지 지중열회수공간(23)을 굴착하게 되고, 이후 굴착장비를 제거하고 지중열이송관(21)을 지중열회수공간(23)의 저부까지 삽입하여 구성하면 된다.

이러한 상태에서 전원을 공급하여 히트펌프(10)를 가동함과 동시에 지중열교환기(20)의 워터펌프(24)를 구동하게 되면 지중열이송관(21)을 통해 지하 400∼450m에 있는 15∼20℃의 따뜻한 물이 상승하여 지중열회수열교환기(30)측으로 이송되며, 지중열회수열교환기(30)에서는 냉수가 유동하는 냉수관(31)과 지중열을 포함한 따뜻한 물이 유동하는 지중열이송관(21)이 열교환하도록 구성되어 있어 지중열이송관(21) 내부로 유동하는 지중열을 포함한 따뜻한 물은 냉수관(31)의 냉수와 열교환하는 과정에서 온도를 빼앗겨 차가워진 상태로 다시 식립관(22)의 상부로 배출되고, 냉수관(31) 내부를 유동하는 냉수는 지중열을 포함한 물로부터 열을 빼앗아 온도가 상승된 상태로 히트펌프(10)의 증발기(14)측으로 유동된다.

식립관(22) 상부로 다시 차가워진 상태의 물이 유입되더라도 식립관(22)의 수위는 항상 일정하게 유지되며, 이러한 차가워진 상태의 물은 다른 따뜻한 물과 희석되어 다시 온도가 따뜻해지고, 또 펌핑이 지하 400∼450m에서 이루어지게 되므로 지중열이송관(21)을 통해 이송되는 물은 항상 온도가 일정하게 된다.

히트펌프(10)의 증발기(14)에서는 그 냉매관 내부의 냉매가 냉수관(31) 내부의 냉수로부터 열기를 빼앗아 증발될 수 있고, 냉수관(31)의 냉수는 다시 차가워진 상태로 지중열회수열교환기(30)측으로 유동하게 되며, 이러한 과정을 반복하게 된 다.

히트펌프(10)의 증발기(14)에서 온도를 빼앗아 증발된 냉매는 이후 압축기(11)를 거쳐 고온고압의 상태로 압축되어 응축기(12)로 들어가게 되고, 응축기(12)에서는 그 냉매관 내부의 고온고압 상태의 냉매가 급탕가열관(50) 내부의 급탕수와 열교환하는 과정에서 온도가 내려간 상태로 팽창밸브(13)를 거쳐 증발기(14)로 순환하는 과정을 반복하게 되고, 급탕가열관(50)의 급탕수는 냉매로부터 온도를 빼앗아 다시 급탕탱크(40)로 유입되는 것이다.

이때, 급탕가열관(50)은 급탕탱크(40) 내하부의 새로운 물을 히트펌프(10)측으로 순환시켰다가 열을 얻은 후 급탕탱크(40)의 중간부로 다시 공급하는 과정을 지속적으로 반복하게 되므로 급탕탱크(40) 내부에 채워진 물은 지속적으로 열기가 축적되어 뜨겁게 가열되는 것이다.

급탕탱크(40) 내부에서 지속적으로 예열된 급탕수는 급수구(41)를 통해 물이 공급됨과 동시에 그 압력에 의해 급탕탱크(40) 상단부에 연결된 급탕공급관(42)을 통해 이동하게 되는데, 하절기의 경우 난방을 하지 않고 급탕만 약간 필요하게 되므로 급탕관(60)과 급탕공급관(42)에 설치된 단속밸브(43)(61)를 잠그고, 분지관(90)에 설치된 단속밸브(91)만 열어주어 급탕수를 수도밸브(70)로 직접 배출시킬 수 있도록 하며, 동절기의 경우 난방을 실시함은 물론 급탕탱크(40)에 의해 예열되는 온도만으로는 충분히 뜨거운 물을 공급할 수 없으므로 급탕관(60)과 급탕공급관(42)에 설치된 단속밸브(43)(61)는 열어주고, 분지관(90)에 설치된 단속밸브(91)는 잠가주어 급탕수가 개별보일러(80)의 내부로 이동하도록 하는 것이다.

이와 같이 개별보일러(80)로 급탕수가 유입되면 급탕수 자체가 이미 예열되어 있으므로 개별보일러(80)를 통해 원하는 온도만큼 급탕수의 온도를 올려줄 때 그 가열시간을 절약할 수 있으므로 결과적으로 연료비를 절감할 수 있는 것이다.

이때, 본 발명에 적용되는 단속밸브(43)(61)(91)는 일반적인 볼밸브를 사용하여 수동으로 제어할 수도 있으며, 또한 도면상에 도시하지는 않았지만 급탕공급관(42)의 일측에 온도센서를 설치하고, 단속밸브(43)(61)(91)를 전기적인 신호를 통해 제어가 가능한 솔레노이드 밸브로 구성하여 급탕탱크(40)에서 예열된 급탕수의 온도가 일정온도 이하이거나 이상이면 자동으로 솔레노이드 밸브를 단속하여 급탕수를 개별보일러(80)측으로 또는 수도밸브(70)측으로 이동시킬 수 있고, 이와 함께 개별보일러(80)를 자동으로 온/오프시킬 수도 있는 것이다.

그리고, 설명하지는 않았지만 개별보일러를 통한 각 세대별 난방은 일반적인 것과 동일하게 이루어지게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지중열을 회수하여 히트펌프의 냉동사이클을 순환시키고, 히트펌프의 다른 곳에서 열기를 다시 회수하여 급탕탱크 내부에 지속적으로 축적함으로써 급탕탱크에 채워진 급탕수를 지속적으로 가열할 수 있는 것이므로 급탕수를 가열하는데 연료의 소모가 전혀 없으며, 이러한 급탕수를 계절에 따라 수도밸브로 직접 배출되게 하거나 개별보일러로 유입시키도록 한 것이므로 사용상 편의성을 도모할 수 있고, 개별보일러의 가스 소모량을 절감할 수 있으며, 급탕탱크에 의해 예열된 상태의 급탕수가 급탕공급관이나 분지관을 통해 유 동하게 되므로 차가운 물에 비해 예열된 물의 용존산소량이 적어 관의 부식속도를 저하시킬 수 있고, 수도밸브를 통해 물의 배출시 초기부터 따뜻한 물이 공급될 수 있어 기존 개별보일러만으로 급탕을 공급할 때 초기 따뜻해질 때까지 차가운 물을 모두 버리는 것에 비해 물을 절약할 수 있는 효과도 있는 것이다.

Claims

전원을 공급받아 냉매를 하기의 냉수관(31)에 연결된 증발기(14)가 냉수관(31)으로부터 열을 흡수하여 액체 냉매가 기체 냉매로 변화되어 증발기(14)와 연결된 압축기(11)로 보내지며, 압축기(11)에서 기체 냉매를 압축하여 압축기(11)와 연결된 응축기(12)로 보내지고, 응축기(12)에서는 기체 냉매를 액체 냉매로 변화되면서 발생된 열은 급탕열원으로 보내고 변화된 액체 냉매는 응축기(12)와 연결된 팽창밸브(13)를 통과하여 팽창밸브(13)와 연결된 증발기(14)로 다시 보내지게 되는 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(10);

지중열이송관(21)을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기(20);

일측이 상기 히트펌프(10)의 증발기(14)와 열교환하도록 상기 히트펌프(10)에 연결된 냉수관(31)의 타측과 상기 지중열이송관(21)을 열교환시켜 상기 지중열이송관(21) 내부의 물로부터 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기(30);

하부 일측에는 새로운 물이 공급되는 급수구(41)가 설치되고, 상단부에는 상기 급수구(41)를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관(42)이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크(40);

일단부는 상기 급탕탱크(40)의 하부에 연결되고, 타단부는 상기 급탕탱크(40)의 중간부에 연결되며, 급탕탱크 연결부위 반대측은 상기 히트펌프(10)의 응축기(12)와 열교환하도록 상기 히트펌프(10)에 연결되어 상기 응축기(12)로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관(50);

상기 급탕공급관(42)이 그 급탕용 급수측에 연결되어 상기 급탕공급관(42)을 통해 공급된 급탕수를 가열하여 급탕관(60)을 통해 수도밸브(70)로 배출하는 개별보일러(80);

상기 급탕공급관(42)와 개별보일러(80) 사이 위치에 설치되어 급탕수의 공급방향을 단속하는 단속밸브(43)를 포함하여서 된 것을 특징으로 하는 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 지중열교환기(20)는,

지하 30∼50m까지 직립되게 세워지는 식립관(22)과, 상기 식립관(22)의 하단부로부터 지하 400∼450m까지 뚫리는 지중열회수공간(23)과, 일단부는 상기 식립관(22)을 통해 상기 지중열회수공간(23)의 아래쪽까지 삽입되고 타단부는 상기 지중열회수열교환기(30)를 거쳐 상기 식립관(22)의 상부에 위치된 지중열이송관(21)과, 상기 지중열이송관(21)의 식립관 내부위치 일측에 연결되어 상기 지중열회수공간(23)에 있는 물을 펌핑해주는 워터펌프(24)를 포함하여서 된 것을 특징으로 하는 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 개별보일러(80)가 이미 설치되어 있는 경우, 상기 급탕공급관(42)은 상기 개별보일러(80)의 급탕용 급수관(81)에 연결되고, 상기 급탕용 급수관(81)의 급탕공급관 연결부위 전위에는 단속밸브(82)가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 개별보일러(80)를 새로 설치하는 경우, 상기 급탕공급관(42)은 상기 개별보일러(80)의 급탕용 급수측에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 지열회수를 통한 급탕수 공급시스템.