KR100893178B1 - 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 냉·난방장치에서의 열효율을 개선하기 위한 관한 것으로 더욱 상세하게는 지중에 매설되는 열교환 파이프의 구조적 개선을 통해 축열 및 열교환기능의 향상으로 열효율의 극대화함을 특징으로 한 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치에 관한 것이다.

본 발명은 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착시켜 열교환 파이프를 매설함과, 상기 열교환파이프의 하단은 열교환을 증대하기 위한 요철형의 방열부로 구성한다.

그리고 열교환파이프와 밀착되지 않게 이격된 간격으로 냉·온 순환관을 구성하여 공기를 강제 송풍하기 위한 송풍팬을 구비함과 함께 대류형상에 따른 자연순환을 촉구하기 위한 제트기류발생을 유도하기 위한 드라발(DeLaval)이 구성된다.

상기 열교환파이프는 지열흡수를 보다 용이하고 대량으로 흡수할 수 있도록 다공을 뚫어 지열흡수를 증대함과, 하단은 열교환을 증대하기 위한 방열관의 요철형 방열부로 구성됨과 함께 외측 요입부에는 축열기능을 높이기 위한 흑연 즉, 연탄재 등의 축열기능성 부재를 충진시켜 구성함으로 지하에서 발생되는 지열을 극대화시킬 수 있도록 한 것이다.

히트펌프, 지열

Description

지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치{Improvements of an air conditioner using geothermy}

본 발명은 지열을 이용한 냉·난방장치에서의 열효율을 개선하기 위한 관한 것으로 더욱 상세하게는 지중에 매설되는 열교환 파이프의 구조적 개선을 통해 축열 및 열교환기능의 향상으로 열효율의 극대화함을 특징으로 한 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉·난방을 하기 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력 에너지를 주로 사용하고 있다.

그러나 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 문제와 화석연료의 고갈에 따른 한계가 있어 이를 극복하기 위한 방편으로 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 냉·난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있지만 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계가 있고, 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위장치당 에너지 생산량이 적으며 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

따라서, 설치 및 유지관리가 상대적으로 저렴한 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 최근에 선호되고 있는데, 이러한 장치들은 대략 지중 온도가 10~20℃의 지중 열 에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열 냉·난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉·난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.

그중 지열교환기의 설치는 대부분, 여유가 있는 대지를 확보한 후, 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착하여 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치 된다.

이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 지역이 적합하며 지열교환기의 설치는 대략 지하 50~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 1∼2 번 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 그라우팅 작업을 하여 지열의 전도에 의하여 직접 순환배관에 전달되는 방식을 사용하고 있기 때문에, 축열기능을 부여할 수 없고 회수열량이 적기 때문에 열교환성능이 저하될 수밖에 없는 문제점과 설치에 많은 경비와 시간 등이 소모되는 단점이 있었다.

현대 사회에서의 삶의 질을 따지는 중요한 친환경적인 냉·난방장치로서 개선된 이러한 냉·난방장치들은 산업발달과 편리성을 충족하기 위하여 전기로 작동되는 기기가 증가하고 있으며 또한 간편성과 제작의 편이성 등에 의해 냉·난방기기가 일체로 구성하는 히트펌프의 사용이 증가하고 있다.

그러나 히트펌프는 냉.난방은 물론 온수를 이용하는 것이 일반화되고 있는데, 외부기기의 효율이 외기온도에 따른 편차가 심해 에너지효율이 떨어지는 것이 아쉬운 현실이 있다.

이러한 기술로 제안된 등록실용신안 제20-0417382호에서는 지중에 매설되는 열교환 파이프의 구조적 변경을 통해 축열기능을 갖도록 하였으나, 열 매체 즉, 액체를 이용함으로써 물 사용과 극히 유사한 문제가 발생하며 또한 저장관의 구축과 유지·보수에 따른 단점이 있다.

상기한 선행기술의 문제를 개선하기 위한 다른 실시 예 특허 공개공보 제10-2007-0042946호에서는 액상의 열 매체를 사용하지 않음으로써 더욱 친환경적인 특징과 열 매체 저장고의 구축에 따른 문제점도 개선한바 있다.

그러나 이 기술에서는 공기를 이용하는 특징이 있으나, 공기공조실로 구성되어 열교환 효율이 극히 저조한 단점과 지표면 깊이에서 대형의 공기공조실을 구축하기가 극히 어려운 단점이 있는 것이다.

이상과 같은 문제점을 개선하기 위한 본 출원인의 선출원인 특허 제10-2008-0043411호에서는 지열이 높은 지역에 보어홀을 굴착하여 매설되는 열교환파이프에 열교환을 증대하기 위한 요철형의 방열부를 구성한 열교환파이프와,

상기 열교환파이프 내에 냉·온 순환관을 구성하되, 순환공기를 송풍하기 위한 송풍팬과 제트기류발생의 드라발을 구성하는 냉·온 순환관을 구비하는 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치를 제공한 바 있다.

본 발명은 상기한 본원 출원인의 선출원을 더욱 개선하여 보다 효과적인 지열의 모집과 교환으로 에너지를 효율성을 증대함을 목적으로 하는 것이다.

즉,지중에 매설되는 열교환 파이프의 구조적 변경을 통해 축열기능을 갖도록 함과 함께 열 모집과 교환을 극대화함을 목적으로 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착시켜 열교환 파이프를 매설함과, 상기 열교환파이프의 하단은 열교환을 증대하기 위한 요철형의 방열부로 구성한다.

그리고 열교환파이프와 밀착되지 않게 이격된 간격으로 냉·온 순환관을 구성하여 공기를 강제 송풍하기 위한 송풍팬을 구비함과 함께 대류형상에 따른 자연순환을 촉구하기 위한 제트기류발생을 유도하기 위한 드라발(DeLaval)이 구성된다.

그리고 상기 열교환파이프는 지열흡수를 보다 용이하고 대량으로 흡수할 수 있도록 다공을 뚫어 지열흡수를 증대함과, 하단은 열교환을 증대하기 위한 방열관의 요철형 방열부로 구성됨과 함께 외측 요입부에는 축열기능을 높이기 위한 흑연 즉, 연탄재 등의 축열기능성 부재를 충진시켜 구성함으로 지하에서 발생하는 지열을 극대화시킬 수 있도록 한 것이다.

이를 첨부도면을 참고하여 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성 설명도이며, 도 2는 본 발명의 열교환파이프와 방열관의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 열교환파이프의 평단면도이고, 도 4는 본발명의 방열관의 평단면도이다.

본 발명은 상기도면에서 도시한 바와 같이 대략 50~200m 길이의 수직관 하부측 대략 3분의 2 지점까지 다공(11)을 뚫어 구성되는 열교환파이프(10)와,

상기 열교환파이프(10) 하부로 위치되고 외주면에 내향된 요입부(21)를 형성하는 방열관(20),

그리고 상기 요입부(21)에 축열기능의 축열재(30)를 충진시켜 구성된다.

그리고 이러한 본 발명은 도면에서 도시한 바와 같이 지하수 부존 여부와 암반 및 사면 붕괴가 발생하지 않고 지열이 높은 지역을 선택하여 대략 지하 50∼200m 정도의 보어홀을 굴착함과 함께 이 보어홀에 방열관(20)을 매설함과 함께 이 방열관(20) 외주면의 요입부(21)에 축열재(30) 즉, 연탄재나 흑연 등의 축열기능성 소재를 충진한다.

상기 축열재(30)는 연탄재와 함께 축열기능이 높은 소재 중 어느 것을 택하여도 무방하며 이때에는 지하수와 지반을 오염시키는 않는 소재를 사용하고 또한 비교적 저렴한 수재를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 방열관(20) 위로 다공(11)이 뚫린 열교환파이프(10)을 적층시켜 보어홀에 매설한다.

상기 열교환파이프(10)의 다공(11)은 그 크기를 한정하지 않았으나 크기가 작은 경우 열 흡수성이 미미하고 또한 너무 큰 경우 보어홀의 흙이 유실될 수 있으므로 이러한 문제를 개선하여 크기를 설정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 방열관(20)의 요입부(21)는 도시된 반원형과 함께 파형이거나 요철(凹凸), 산형 또는 날개편이 내외측으로 돌출된 형태를 이룰 수 있다.

이러한 본 발명은 공지된 바와 같이 상기 열교환파이프(10) 내에 이격된 냉·온 순환관(40)을 구성하고 이 냉·온 순환관(40)으로 송풍되는 공기를 강제 송풍하기 위한 송풍팬(50)과 함께 소정위치에 대류현상을 증가시키기 위한 제트기류 발생의 드라발(60)을 함께 구성시켜 강제 송풍 또는 대류기류에 의한 자연순환을 이루도록 구성되며,

냉·온 순환관(40) 상부에 히트펌프(70)를 구비하여 밀폐된 박스형태의 하우스(80)를 열교환파이프(10) 상단으로 구성시켜 순환공기의 누출을 방지하도록 한다.

상기 냉·온 순환관(40)은 도면에서 미 도시 하였으나, 열교환파이프(10) 또는 하우스(80)에 고정되어짐은 당연하다.

이러한 본 발명에 의해 열 교환된 냉매는 히트펌프(70)에 의해 파이프라인(90)을 거쳐 사용처인 가옥, 사무실 등의 실내 또는 하우스, 축사 등으로 공급되고 열교환 콘덴서(100)에 의해 냉·온기를 얻어 냉방 난방을 할 수 있게 된다.

본 발명에서 설명된 히트펌프(60), 열교환콘덴서(90)는 동 분야에서 널리 사용되는 공지기술에 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하였다.

본 발명은 지열을 이용한 냉·난방장치에서의 열효율을 개선하기 위하여 지중에 매설되는 열교환 파이프와 방열관을 구성시켜 열교환 효율의 증대로 많은 열 교환을 이룰 수 있도록 열교환파이프에 다공을 천공하고 이 열교환파이프와 함께 매설되는 방열관의 요입부에는 축열재를 충진시켜 지열의 흡수성을 향상시켜 보다 많은 열교환을 이룰 수 있도록 함으로 지열을 극대화할 수 있는 효과와 가온된 공 기를 빠르게 상승시키기 위한 드라발이 구성되는 냉·온 순환관으로 보다 양질의 열효율을 얻을 수 있는 효과를 발휘하는 것이다.

또한 본 발명은 열교환 파이프, 방열관의 간단한 구성으로 제작과 설치가 용이하며, 고장이 없고, 지열로부터 열 교환 효율을 극대화시켜 냉·난방에 적극 이용할 수 있는 열효율 개선장치이다.

본 발명을 도 1에서 도시한 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 도면에서 도시한 바와 같이 지하수 부존 여부와 암반 및 사면 붕괴가 발생하지 않고 지열이 높은 지역을 선택하여 대략 지하 50∼200m 정도의 보어홀을 굴착하여 이 보어홀에 방열관(20)을 매설하고, 이 방열관(20) 외주연에 형성된 요입부(21)에 축열재(30)를 충진시킨다.

상기 축열재(30)는 구입이 용이한 연탄재를 포함하여 축열기능이 있는 소재를 충진시켜 지열로부터 흡수한 열을 오랜 시간 축열을 할 수 있도록 한다.

그리고 상기 방열관(20)위로 다공(11)을 뚫은 열교환파이프(10)를 매설하고 다공(11)은 열교환파이프(10)의 3분의 2지점으로부터 하부측으로 천공하는 것이 바람직하고 이러한 이유는 이 위치부터 필요로 하는 지열효과를 얻을 수 있기 때문이다.

또한 상기 열교환파이프(10)의 다공(11)은 그 크기를 한정하지 않았으나 크기가 작은 경우 지열의 흡수성이 미미하고 또한 너무 큰 경우 보어홀의 흙이 유실될 우려가 있으므로 이러한 문제를 개선하여 크기를 설정하는 것이 바람직하고 방열관(20)의 요입부(21)는 도시된 반원형과 함께 파형이거나 요철(凹凸), 산형 또는 날개편이 내외측으로 돌출된 형태를 이룰 수 있다.

그리고 드라발(60)과 송풍팬(50)을 구비한 냉·온 순환관(40)을 공지와 같이 구성시켜 냉·온 기류가 히트펌프(70)로 순환되도록 구성한다.

이에 의한 본 발명은 지열이 열교환파이프(10)와 끝단의 방열관(20)를 가온하므로 방열부에 대략 17℃의 가온효과를 얻게 되며 된다.

그리고 열교환파이프(10)에서 뚫린 다공(11)과 방열관(20)은 지열의 흡수효과를 증대하여 많은 열 교환을 보다 빠르게 하고 또한 축열재(30)는 지열로부터 흡수된 지열을 흡수하여 축열을 하게 된다.

축열된 지열은 계속된 열교환에 지열을 계속적으로 공급할 수 있어 온도변화를 방지할 수 있게 된다.

이상에 의해 가온된 공기는 냉·온 순환관(30)을 거쳐 상승함과 함께 상승되는 공기는 드라발(60)을 지나면서 제트기류 발생으로 빠르게 상승되어 상부의 히트펌프(70)에서 열 교환되어 히트펌프(70)에 구성된 냉매를 가온하게 되는 것이다.

이러한 순환은 자연순환에 의해 이루어지는 것이고 이와 달리, 보다 빠른 효과를 얻기 위하여서는 송풍팬(50)을 가동하면 강제 송풍에 따른 순환을 증대하게 된다.

상기에서 가온된 냉매는 파이프라인(90)을 거처 사용처로 공급됨과 함께 이 파이프라인(90)에 구비된 열교환 콘덴서(100)에 의한 열 교환으로 난방효과를 얻게 되는 것이다.

상기 히트펌프(70)에서 열교환되어 냉각된 순환공기는 다시 열교환파이프(10)를 통해 하강하게 되고 하강된 찬 공기는 다시 상술한 바와 같이 열교환파이프(10)와 방열관(20)의 지열 흡수열과 열교환 과정을 연속하게 된다.

따라서 지열을 이용하여 난방효과를 얻을 수 있게 되는 것이며 이와 달리 냉방을 목적으로 할 때에는 공지된 바와 같이 상기 히트펌프(70)의 냉매를 역방향으로 순환하도록 함으로써 높은 온도를 냉각시켜 공급하므로 냉각효과를 발휘하게 된 다.

이러한 히트펌프(70)는 관용된 기술로서 상세한 설명은 생략하였으며 본 발명에서 설명된 상기 냉·온 순환관(40)은 열효율증대 및 열손실의 방지를 위하여 단열 구성될 수 있음은 당연하다.

또한 열교환콘덴서(100)에 의한 열 교환으로 이루어지는 냉·난방과 함께 파이프라인(90)을 바닥에 매설하여 이루어질 수 있음을 당연하다.

본 발명은 상기한 바와 같이 지열에 의해 데워진 공기를 이용하여 냉·난방하므로 청정의 지열을 이용할 수 있는 것이다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 지열을 이용한 열교환 구조를 변형한 실시 예를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성설명도.

도 2는 본 발명의 열교환파이프와 방열관의 분해 사시도.

도 3은 본 발명의 열교환파이프의 평단면도.

도 4는 본 발명의 방열관의 평단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10; 열교환파이프 11; 다공 20; 방열관

21; 요입부 30; 축열재 40; 냉·온 순환관

50; 송풍팬 60; 드라발 70; 히트펌프

80; 하우 90;파이프라인 100; 열교환 콘덴서

Claims (1)

1. 지열을 히트펌프(70)에서 열 교환한 냉매를 파이프라인(90)으로 열교환 콘덴서(100)에 공급시켜 냉방과 난방을 하도록 한 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율개선장치에 있어서,

   3분의 2 지점까지 다공(11)을 뚫어 구성되는 열교환파이프(10)와,

   열교환파이프(10) 하부로 위치되고 외주면에 내향된 요입부(21)를 형성하는 방열관(20),

   그리고 상기 요입부(21)에 축열재(30)를 충진시켜 구성됨을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉·난방장치의 효율 개선장치.

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