KR100877235B1 - 지하공기를 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 지하공기를 이용한 난방장치는 지하의 다공상 암석층으로부터 지하 공기를 흡입할 수 있도록 지상으로부터 지하로 연장되며 암석층과 대응되는 측에 공기의 흡입을 위한 다수개의 관통공이 형성된 흡입관과, 상기 흡입관과 연결되며 흡입관을 통하여 지하공기를 흡입하기 위한 송풍기와, 상기 송풍기와 연결되며 난방으로 위한 건축물로 공급하기 위한 덕트를 구비하며, 상기 흡입관의 하단부는 암석층의 상부에 삽입되도록 길이가 토사층의 두께와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 한다

지하공기, 난방, 냉방, 공기공급

Description

지하공기를 이용한 냉난방장치{heating and cooling system utilizing the underground air}

본 발명은 지하공기를 이용한 냉 난방장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 지열에 의해 가열된 지하공기를 이용하여 비닐 하우스, 온실, 주택, 양계장, 양돈장 등을 냉난방하기 위한 지하공기를 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

일반적으로 태양은 중심온도가 수 만도에 이르고 표면온도는 약 6,000℃ 정도로 매우 높다. 태양이 가지고 있는 에너지는 방사되어 지구 대기층을 투과한 후 열 또는 광에너지로 지표면에 도달하게 된다.

비닐하우스나 온실과 같은 농업용 생산시설에서는 낮에 태양으로부터 방사되는 에너지를 작물이 광합성에 직접 이용하거나 땅속이나 기타 축열이 가능한 물질에 에너지가 축적된다. 이러한 에너지는 밤에 서서히 방출되면서 시설내부의 공기를 데워 기온을 일부분 상승시킨다.

햇볕이 시설 표면을 투과할 때 290~3,000㎚ 정도의 파장을 유지하지만 땅속과 같은 축열 물질에서는 3,000~5,000㎚의 장파인 열에너지로 바뀌어 시설내부 기온을 높게하여 열이 집적된다.

종래의 지중열을 이용한 냉난방 방법은 지하수를 끌어올려 비닐하우스 위에 살수하여 물이 갖고 있는 열에너지를 이용하는 것으로, 히트 펌프(축열조) 및 집열탱크 등을 사용하게 되므로 많은 초기 비용이 필요하게 되며, 효율이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 하우스의 난방이 원활하게 이루어진다 하여도 온실농업을 하는 경우에는 식물의 성장에 필요한 온도, 습도 및 이산화탄소(CO2) 등이 없어서는 안 되는 요소이다. 즉, 동절기에 비닐하우스 등의 밀폐된 온실농업에 있어서는 식물의 성장에 필요한 이산화탄소(CO2)와 온도, 습도 등의 식물의 생장에 필요한 조건을 인위적으로 맞추어 주어야만 한다.

한편, 축사는 작물, 가축의 성장에 상대적으로 큰 영향을 미치게 되므로 적정한 온도의 유지하고 있다. 특히, 돼지나 닭을 사육하기 위한 축사 내부의 온도가 너무 높거나 낮은 경우 사료 섭취율 저하, 분만율저하, 집단폐사 등이 발생된다. 그러므로 축사에는 혹서기 또는 혹한기에는 가축의 실내 온도를 적정한 상태로 유지하기 위한 냉, 난방장치가 설치된다.

이러한 점들을 감안하여 실용신안 등록 제 0394546호에는 비닐 하우스에 이산화 탄소 발생기가 개시되어 있으며, 공개특허 제 2002-067391호에는 이산화 탄소를 이용한 대량재배 방법이 개시되어 있다.

대한민국 실용신안 등록 제 410652호에는 축사의 온도 및 습도 조절장치가 개시되어 있으며, 등록특허 제 0690078호에는 지하수를 이용한 농축산용 냉난방장치가 개시되어 있으며, 공개 특허 제 2002-0091611호에는 지열 및 배출공기의 열 에너지를 이용한 냉난방 및 공기정화 장치 겸용장치가 개시되어 있다. 그리고 실용신안 등록 제 0238733호에는 열교환기를 이용한 축사 내 온도조절장치 및 공기정화 시스템의 기술적 구성이 개시되어 있다.

상술한 바와 같은 지열을 이용한 난방장치는 상대적으로 많은 유지비용과 시설비가 소요되는 근본적인 문제점을 해결할 수 없었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명인은 지하 공기층을 이용한 난방장치를 등록(특허등록 제 0628466호) 받았다. 그리고 이러한 지하공기층을 이용한 난방장치를 지속적으로 연구하여 후속출원 하기에 이르렀다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하공기의 토출량을 상대적으로 증가시킬 수 있는 지하공기를 이용한 냉난방장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 지상의 공기를 지하로 유입시킴으로써 가열 또는 냉각시켜 사용할 수 있으며, 화원 또는 비닐 하우스에 공급 시 이산화 탄소를 공급할 수 있는 지하공기를 이용한 냉난방장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 지하공기를 이용한 냉, 난방장치는

지하의 다공상 암석층으로부터 지하 공기를 흡입할 수 있도록 지상으로부터 지하로 연장되며 암석층과 대응되는 측에 공기의 흡입을 위한 다수개의 관통공이 형성 된 흡입관과,

상기 흡입관과 연결되며 흡입관을 통하여 지하공기를 흡입하기 위한 송풍기와, 상기 송풍기와 연결되며 난방을 위해 건축물의 내부로 공기를 공급하기 위한 덕트를 구비하며,

상기 흡입관 또는 이와 인접되는 측에 설치되어 지상의 공기를 상기 다공성 암석층으로 공급하기 위한 공기 공급수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 공기 공급수단은 상기 공기 흡입관과 소정거리 이격되며 지상의 공기를 상기 다공성 암석층으로 공급하기 위한 공기 유입관을 구비한다. 그리고 상기 공기공급수단은 상기 흡입관에 삽입되며 그 입구가 상기 흡입관을 관통하여 돌출되는 보조 공기 유입관과, 상기 보조 공기 유입관의 단부에 설치되는 필터를 구비한다. 상기 흡입관에 삽입되는 보조 공기유입관의 외주면에는 다수의 관통공이 형성될 수 있으며, 이의 하단부는 지하수의 유입을 방지하기 위하여 상방으로 절곡된 절곡부를 구비할 수 있다. 그리고 상기 공기 유입관 또는 보조 공기 유입관의 입구측에는 지상의 공기를 송풍하기 위한 보조 송풍기가 설치될 수 있으며 보조 가열원이 설치될 수 있다.

본 발명은 지하공기를 이용한 냉난방장치는 다공성 암석층으로부터 지하공기를 흡입하기 위한 흡입관의 구조를 간단하게 할 수 있으며, 시공성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 지하공기를 이용한 축사의 냉, 난방장치의 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 지하공기를 이용한 냉, 난방장치(10)는 지하공기를 이용하여 주거공간, 비닐 하우스, 화원을 냉,난방하거나, 돼지, 닭, 소 등의 축사를 냉,난방 하는 것으로, 지하의 다공상 암석층으로부터 지하 공기를 흡입할 수 있도록 지상으로부터 지하로 연장되며 암석층(100)과 대응되는 측에 공기의 흡입을 위한 다수개의 관통공(21)이 형성된 흡입관(20)과, 상기 흡입관(20)과 연결되며 흡입관(20)을 통하여 지하공기를 흡입하기 위한 송풍기(30)와, 상기 송풍기(30)와 연결되며 상기 건축물, 하우스, 축사 등의 냉,난방공간(200)과 연결된 덕트(40)와, 상기 흡입관(20) 또는 인접되는 측에 설치되어 지상의 공기를 상기 다공성 암석층(100)으로 공급하기 위한 공기 공급수단(60)을 구비한다.

이하에 본 발명에 따른 지하수를 이용한 난방장치를 구성요소별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 암석층(100)은 화산회토의 지질구성은 현무암(Basalt)으로 된 흑색 내지 암회색의 염기성 화산암층이 이용된다. 이러한 암석층은 제주도 및 경기도 연천, 울릉도 부분에 분포하며, 지질의 특성은 신생대 제4기의 화산활동에 의해 대부분의 지표지질을 형성한 젊은 화산토로서 주요 암석은 현무암류가 주종을 이룬다. 상기 현무암류는 화산 쇄설물인 붉은색의 송이(Scoria)로 분포하고 있다.

이러한 암석층은 강수의 지하유입이 매우 높은 지질구조 및 지질매체가 분포되고 용암 동굴(Lava Cave), 숨골(지표면에 공통 또는 열극이 노출되어 있어 강수 가 무한이 유입되는 곳), 곳자갈, 오름, 하천, 스코리아류 퇴적층이 형성되며, 지하공간상에 대략 15℃ 내외의 공기층이 존재한다.

상기 흡입관(20)은 그 직경이 200 내지 1000mm을 가진다. 그리고 상기 흡입관(20)의 외주면에 형성된 관통공(21)은 공기의 흡입에 따른 저항을 최소화 할 수 있는 있도록 직경이 5 내지 50 mm의 직경을 가진다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 흡입관(20)은 암석층(100)의 상부에 위치되는 토사층(300) 만을 관통할 수 있는 길이를 가지며, 이 흡입관(20)의 단부에는 흡입관이 삽입되지 않고, 단순히 천공된 공동부(400)가 위치되도록 시공할 수도 있다. 이러한 구조는 지하공기가 관통공을 통과함에 따른 공기저항을 줄일 수 있다.

그리고 상기 흡입관과 연결되는 송풍기(30)는 공기의 흡입력을 높이기 위하여 시로코 팬을 사용함이 바람직한데, 이에 한정되지는 않는다.

그리고 상기 덕트(40)는 금속덕트, 금속관 합성수지과, 주름관 등으로 이루어질 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 상기 덕트(40)는 분기덕트와 연결될 수 있으며, 공기를 분사하기 위한 노즐(41)이 설치될 수 있다.

그리고 송풍기(30)와 연결된 덕트(40)에는 지하로부터 흡입된 공기를 가열하여 냉,난방공간(200)를 난방하기 위한 가열수단(50)을 더 구비한다. 이 가열수단(50)은 도면에는 도시되어 있지 않으나 전열히터, 보일러에 의해 가열된 열교환 매체가 흐르며 지하공기를 가열하기 위한 열교환기로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 공기 공급수단(60)은 상기 흡입관(20)과 소정거리 이격되며 지상의 공기를 상기 다공성 암석층(100)으로 공급하기 위한 공기 유입관(61)을 구비한다. 이 공기 유입관(61)은 도 2에 도시된 바와 같이 지표층(300)을 관통하여 그 단부가 상기 다공성 암석층(100)에 위치되고 이 공기 유입관(61)과 대응되는 다공성 암석층(100)에는 공동부(101)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 공기 유입관(61)의 단부에는 지상의 공기를 상기 다공성 암석층(100)으로 송풍하기 위한 보조송풍기(62)가 설치된다. 상기 공기 유입관(61)에는 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 관통공(63)이 형성될 수 있다.

그리고 공기 공급수단(60)의 다른 실시예로는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 흡입관(20)에 보조 공기 유입관(64)이 삽입되고, 이 보조 공기 유입관(64)의 상단부 측이 상기 흡입관(20)을 관통하여 지상으로 돌출됨으로써 이루어질 수 있다. 그리고 상기 흡입관(20)을 관통한 보조 공기 유입관(64)의 상단부에는 필터 또는 보조 송풍기(62)가 설치될 수 있다. 상기 보조송풍기는 축류팬 또는 시로코팬이 설치될 수 있다. 여기에서 상기 흡입관(20)은 다공성 암석층(100)의 상부에 위치되는 지표층(300)을 관통하여 그 단부가 다공석 암석층(100)의 상부측에 위치하고 그 하부에는 공동부(101)가 형성될 수 있다.

그리고 상기 보조 공기 유입관(64)의 단부는 제 5도에 도시된 바와 같이 지하수의 유입을 방지하기 위하여 상방으로 절곡된 절곡부(65)를 구비할 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 외주면에 다수의 토출공(66)이 형성될 수 있다.

상기 실시예들에 있어서, 보조 공기 유입관의 직경은 상기 흡입관의 직경보다 작게 형성하여 흡입관의 공기 흐름에 간섭을 받지 않도록 흡입관의 직경의 1/2 이하의 관경을 가지는 것을 사용함이 바람직하다. 즉, 지하로부터 흡입되는 공기량보다 지상으로부터 공급되는 공기의 량이 작도록 함이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지하공기를 이용한 냉, 난방장치(10)는 송풍기(30)가 구동함에 따라 지하층의 연평균 대략 15℃ 내외의 다공성 암석층(100)의 지하공기는 흡입관(20)의 관통공(21)을 통하여 흡입된 후 덕트(40)을 통하여 송풍된다.

이와 같은 과정에서 상기 다공성 암석층으로부터 토출되는 공기량이 상대적으로 적은 경우 상기 공기 유입관(61) 또는 보조 공기 유입관(64)의 출구측에 설치된 밸브를 열어 지상의 공기를 다공성 암석층으로 공급한다. 이와 같이 하면 상기 지상이 공기가 다공성 암석층(100)으로 유입되어 가열 또는 냉각되어 흡입관(20)을 통하여 토출됨으로서 냉방 또는 난방에 필요한 공기를 충분히 확보할 수 있다.

그리고 겨울철에는 외기보다 높은 대략 15℃ 내외의 지하공기가 흡입관(20)을 통하여 흡입하여 냉,난방공간(200)을 난방 할 수 있는데, 상기 덕트(40)에는 가열수단(50)이 설치되어 있으므로 지하공기를 가열하여 난방기능을 높일 수 있다. 특히 지하공기의 온도가 15℃ 정도의 온도를 가지고 있으므로 공기의 가열에 따른 에너지를 절약할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 지하공기를 이용한 냉난방장치는 다공성 암석층의 지상의 공기를 공급하여 가열 및 냉각하고 이를 흡입관을 통하여 냉난방공간에 공급함으로써 난방 할 수 있으므로 난방효율을 상대적으로 높일 수 있다.

지하공기의 흡입량이 적은 경우 지상의 공기를 다공성 암석층에 공급하여 가 열 또는 냉각시켜 공급할 수 있으므로 흡입량의 부족으로 인하여 냉방효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 지하공기층을 이용한 냉,난방장치의 측면도,

도 2는 본 발명에 따른 지하공기를 이용한 냉난방장치의 흡입관과 공기 공급관의 설치상태를 나타내 보인 단면도,

도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 지하공기를 이용한 냉난방장치의 흡입과 공기 공급관의 다른 설치상태를 나타내 보인 단면도.

Claims (2)

1. 지하의 다공상 암석층으로부터 지하 공기를 흡입할 수 있도록 지상으로부터 지하로 연장되며 암석층으로부터 공기의 흡입할 수 있도록 외주면에 다수개의 관통공이 형성된 흡입관과,

   상기 흡입관과 연결되며 흡입관을 통하여 지하공기를 흡입하기 위한 송풍기와, 상기 송풍기와 연결되며 송풍기를 통하여 흡입된 지하공기를 건축물의 난방공간으로 공급하기 위한 덕트를 구비하며,

   상기 흡입관의 하단부는 토사층을 관통하여 토사층 하부의 암석층 상부에 위치되는 것을 특징으로 하는 지하공기를 이용한 냉난방장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 흡입관의 단부와 대응되는 수직하부의 암석층에 형성된 공동부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 지하 공기를 이용한 난방장치.

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