KR100917388B1

KR100917388B1 - 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템

Info

Publication number: KR100917388B1
Application number: KR1020070037705A
Authority: KR
Inventors: 신길현
Original assignee: 신길현
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2009-09-17
Also published as: KR20080093676A

Abstract

본 발명은 복류수를 열원으로 증기압축식 열펌프 냉 난방시스템에 공급, 환수하는 것으로, 둔치 등 수자원이 풍부한 대수지층을 수평 절개, 유공관 설치 후 적절하게 복원 복류수원 유입이 용이하게 암거를 조성, 펌프를 장치 열원을 둔치 및 공유지 혹은 도로를 따라 양수 도관 및 환수 도관을 설치 도수, 에너지를 얻은 후 환수하는 방법으로, 도수열원에 다수의 공급 도관을 병설 냉 난방수요에 분기 후, 환수관로를 통하여 지중 환원하는 것으로, 동절의 난방급탕 하절의 냉방 급탕에 병용하면 높은 성적계수를 얻고 피크로드를 저감하여 공 사간에 경제성을 높일 수 있다. 지중 8m이하에서 13℃이상의 복류수를 얻고 연 210일(난방4개월 냉방3개월)최대 100%, 평균 65%를 사용하면 지름 1m의 도관이 연간 얻을 수 있는 에너지량은 도관 유수량 최대를 11,300m³/hr, 평균 7,340m³/hr x (210 x 24) = 54,600,000m³/년 1 m³ 에서 7,000kcal의 에너지를 얻으면 5천1백5십3만 liter/년의 석유나 4천4십오만m³의 LNG를 절감하는 에너지, 170억원(LNG 면세)~310억원(보일러석유 면세)을 90억원의 압축기 및 펌프류 운전 전력만으로 복류수에서 에너지를 얻을 수 있어 도수 및 환수관로 길이가 길지 않은 지역에서부터 공급하면 매우 경제적인 상온에너지 취득법이 될 것이며, 사용 후 복류수는 열만 얻고 환원하므로 환경오염도 방지할 수 있다.

복류수, 무효열원, 열펌프, 압축기, 열교환기, 집수관, 양수도관, 환수도관

Description

복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템{HEAT PUMP BASED HEATING AND COOLING SYSTEM USING SUBTERRANEAN WATER}

도 1은 본 발명의 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에 있어서 복류수의 공급도.

도 2는 본 발명의 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에 있어서 집수관, 양수 도관 및 환수 도관의 매립 상태를 도시한 개략도이다.

삭제

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

삭제

10: 열펌프, 100: 복류수 집수관,

102: 집수 암거, 103 : 펌프
203: 온도감지장치, 200: 양수 도관
201: 분기관, 202: 유량제어장치,
300: 환수 도관, 301: 환수관

삭제

본 발명은 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에 관한 것으로, 특히 13℃이상의 복류수를 열원으로 이용하여 냉/난방 및 급탕이 이루어지도록 하며, 대단위지역 냉 난방 시스템에 복류수를 열교환용 무효열원으로 사용함에 따라 화석에너지 사용을 줄이고 공조환경을 한 단계 발전시키며, 사용 후 복류수는 열만 얻을 뿐 오염되지 않은 상태로 채취 인근에 환원하게 되는 열펌프 냉 난방시스템에 관한 것이다.

널리 알려진 바와 같이, 열펌프는 시스템을 순환하는 작동유체의 상변화에 따라 고온측과 저온측을 순환하는 열을 교환, 저온측 열원으로부터 고온측 열원으로 열을 이송하는 장치로 제 1 작동유체 시스템, 제 2 작동유체 시스템, 무효열원 작동시스템, 부속 시스템 등으로 구성된다. 이러한 열펌프는 작동유체를 이용하여 필요한 부하와 외부열원 사이에서 열교환을 하는 것으로 무효열원(부하와 다른 열원)으로는 흔히 외기 또는 물을 사용한다.

공기열원의 예는 공냉식에어컨 및 공기식 열펌프, 물 열원의 예는 냉, 온수열교환, 오폐수 열을 이용의 보일러 보조 장치, 해수이용 선박용 열펌프 등이 있다.

물을 열원으로 하기 위해서는 물을 지속적으로 공급해야 하나, 일정한 온도로 대량의 물을 지속적으로 공급한 예가 아직 없어 소용량 지하수를 개발 이용하는 것에 그치고 있으며 집단공급은 시도되지 않고 있다. 주로 화석연료를 사용하며, 연소 열을 이용한 냉 난방시스템은 환경오염을 일으키는 이산화탄소(CO₂)를 발생시키는 문제점이 있다. 또한, 가파른 연료비 상승이 문제가 되기도 한다.

상온에너지(4~60℃)를 얻기에 열펌프시스템이 적합하지만 안정적인 열원의 공급이 문제이다. 열원은 쓰는 측과 온도차이가 작은 것, 자연에 풍부하게 존재하여 개발 이용하기 쉬운 것, 비열이 높고 외부온도 변화에 영향을 받지 않는 것, 냉 온을 겸하기 좋은 유체, 공해나 부식 스케일 발생이 없는 것이 바람직하나, 이런 열원은 거의 없어 한두 가지 결함이 있는 것을 쓸 수밖에 없다.

공기, 지표수는 우리가 사는 지리적 위치 특성상 온도변화가 많아 열원으로 사용할 때 경제성이 없으며, 지하수, 복류수, 오폐수, 유체는 아니지만 지중복사열도 에너지로 검토할 수 있으나, 일반적으로 지중온도가 20℃는 넘어야 경제성이 있다.

우리나라는 대개 지중 8~13m 내외에 기반암반이 존재하고, 그 위 퇴적층에 여러 대수층을 형성하고 있으며, 이 대수층에 존재하는 물은 투수(透水)가 비교적 양호하고 수온이 약 13~15℃를 유지하는데 통상 이를 '복류수'라 한다. 이러한 복류수는 적은 개발비로도 얻을 수 있으므로 비싼 개발비를 투입하여 개발하지 않아도 좋은 열원으로 쓸 수 있다.

일반적으로 13℃의 복류수에서 7~8℃의 열원을 얻기는 매우 쉬운데, 1톤의 복류수에서 얻을 수 있는 에너지는 7,000~8,000kcal이고, 보일러 석유에서 얻을 수 있는 에너지는 7,000kcal/liter 이다. 따라서, 복류수 1톤으로부터는 석유 1ℓ에서 얻을 수 있는 열량을 얻을 수 있고, 또한 복류수는 지중에 대량 수용되어 있으며 사용 후에는 환원하게 되므로 고갈 염려가 없어 무궁무진한 개발이용 가치가 있는 것이다.
이와 같이 본 발명은 환경오염을 일으킬 염려없이 적은 비용으로 일정한 온도의 열원을 공급할 수 있는 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열펌프 냉 난방시스템의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에 있어서 복류수의 공급도이고, 도 2는 본 발명의 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에 있어서 집수관, 양수 도관 및 환수 도관의 매립도이다.
먼저, 본 발명은 열펌프(10)의 무효열원으로서 복류수를 사용하는 것이다.

일반적으로 쓰기 좋은 무효열원의 조건은 하기와 같다.

즉, 1) 사용 측과 온도차이가 작은 것이어야 하고, 2) 자연에 풍부하게 존재하여 개발이용이 용이한 것이어야 하며, 3) 비열이 높고 외부온도 변화에 영향을 받지 않는 것이어야 하고, 4) 냉,온을 겸할 수 있는 13~20℃의 유체이어야 하며, 5) 공해 부식 스케일 발생 없는 것이어야 한다.
상기 항목 중 제 5)의 '부식 스케일 발생 없는 것' 이 결격일 때는 장치의 보완으로 해결할 수가 있다. 위 조건을 만족하는 열원으로 지중에 존재하는 복류수가 가장 경제적이며, 본 발명에 따르면 복류수를 열원으로 하여 대단위 지역에 냉 난방을 공급하는 냉 난방시스템에 제공할 수 있게 된다.

도 1에는 본 발명의 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템에서 복류수를 열원으로 제공, 환수하는 것이 도시되어 있다. 이 열원으로부터 열펌프(10)는 에너지를 얻어 냉/난방수를 공급한다.

도 2에서, 본 발명은 복류수가 대량 저수된 저지대나 둔치, 또는 강 하천의 지중 대수층(배수층)에 설치되는 복류수 집수관(집수유공관;100)의 다공 홀(미도시)을 통해 복류수를 집수한다. 복류수 집수관(100)의 도중에 상기 집수된 복류수를 한데 모으는 암거(102)가 설치되고, 상기 암거(102)에는 펌프가 설치되어 상기 집수된 복류수를 양수 도관(200)을 통해 열펌프(10)로 공급되도록 한다. 열펌프(10)는 공급된 복류수를 무효열원으로 사용하여 내부적으로 열교환을 수행하고 부하측(수요측)에 냉/난방 및 급탕을 공급한다. 양수 도관(200)으로부터는 다수의 분기관(201)을 분기시켜 상기 수요측에 설치된 열펌프(10)에 복류수가 열원으로 공급되도록 한다. 한편, 열펌프(10)에서 사용된 무효열원(복류수)은 환수관(301)을 통해 배수되어 환수 도관(환수유공관;300)의 다공 홀(미도시)을 통해 다시 지중 대수층으로 환원되도록 한다.
본 발명에서 환수 도관(300)은 집수관(100) 보다 높은 지층에 설치됨이 바람직하다.

본 발명은 부하측(수요측)에 필요한 복류수 공급을 제어하기 위해 분기관(201) 도중에 또는 열펌프(10)의 유입측에 유량제어장치(202)를 설치할 수 있으며, 또한 열펌프(10)의 유출측인 환수측에 배수온도를 감지하는 온도감지장치(203)를 설치하여 아직 쓸모있는 유수의 낭비를 방지할 수 있다.
또한, 상기 유량제어장치(202)는 온도감지장치(203)의 배수 온도감지와 연동시켜 필요한 만큼 개방되도록 함으로써 열원의 절감할 수도 있다.

삭제

본 발명에서 상기 열펌프(10)의 내부 구조는 도면에 별도로 도시되지 않았으나, 그 구성은 압축기, 제1 열교환기(응축기), 오리피스(팽창밸브), 제2 열교환기(증발기), 배관, 선택밸브, 및 상기 분기관(201)을 통하여 공급되는 무효열원인 복류수와 제2 작동유체가 열교환하는 중간열교환기로 구성되며, 제2 작동유체는 중간열교환기를 통과하며 필요한 열을 얻거나 잃은 후 제1 작동유체의 제1 열교환기 또는 제2 열교환기를 통과하면서 방열 또는 흡열하게 된다.
이러한 열펌프(10)의 구체적인 구성 및 동작은 본 출원인의 특허 10-532125호에 이미 공지된 것임을 밝혀두며, 열펌프(10)의 상세한 구성 및 동작은 상기 특허의 상세한 설명 및 도면을 참조하기 바란다.

삭제

이와 같이 하절에 고온(25~30℃) 배열이 필요하고 동절에 저온(5~7℃) 흡열이 필요하며, 이후 배열을 복류수에 수행할 때 연중 일정한 성적계수를 얻게 되는바, 복류수는 바람직한 열원이라 할 것이다.

삭제

예를 들어, 강이나 하천에 물이 흐르듯 둔치 등에는 다량의 복류수가 매장되어 있으며, 지하 대수층을 이용하여 이를 촉매로 태양의 복사에너지를 얻는다면 별도로 상온을 얻기 위하여 화석연료를 사용하지 않아도 되는 것이다.

따라서, 복류수가 대량 저수된 저지대나 둔치, 또는 강 하천의 지중 대수층에 본 발명과 같이 유공관을 설치하여 집수하고, 암거에 펌프를 설치하여 양수할 수 있도록 구성할 경우 복류수는 매우 경제성있는 열원으로서 이를 통해 냉 난방을 위한 열 에너지를 효과적으로 얻을 수 있게 된다.

삭제

이상 설명한 본 발명은 지중 대수층에 위치한 복류수를 무효열원으로 사용하여 부하측(수요측)에 냉/난방 및 급탕을 공급하고 이를 다시 지중으로 환원시키는 과정을 갖는 것으로, 이를 통해 13~15℃의 복류수에서 7~10℃의 열 에너지를 얻거나, 10~15℃의 불필요한 열 에너지를 버릴 때 성적계수 3.70~5.50을 얻을 수 있어 여러 사용법에서 지금의 화석연료를 사용하는 것의 15~30% 이내의 연료비로 에너지 비용을 절감시킬 수 있으며, 특히 가파르게 상승하는 연료비의 압박에서 자유로워질 수 있게 된다. 또한, 지구를 온난화시키는 CO2의 발생을 저감하여 환경오염을 방지하고, 사용 후의 복류수는 다시 환원하므로 수원의 고갈 염려도 없어 환경 친화적이며, 여타 열원 개발비에 비해 도수 및 환수설비 등 비용면에서 매우 경제적이다.

Claims

복류수를 집수하기 위해 복류수가 대량 저수된 저지대나 둔치, 또는 강 하천의 지중 대수층에 설치되는, 다공 홀을 구비하는 복류수 집수관;

상기 집수된 복류수를 한데 모으기 위해 상기 복류수 집수관의 도중에 설치되는 암거;

복류수를 무효열원으로 사용하여 내부적으로 열교환을 수행하며 수요측에 냉/난방 및 급탕을 제공하는 열펌프;

상기 암거에 설치되는 펌프;

상기 펌프에 의해 상기 집수된 복류수를 열펌프로 공급하는 양수 도관; 및

상기 열펌프에서 사용된 복류수를 상기 저지대나 둔치, 또는 강 하천의 지중 대수층으로 환원시키는, 다공 홀을 구비하는 환수 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템.
제 1항에 있어서,

상기 복류수는 상기 양수 도관으로부터 분기되는 다수의 분기관을 통해 각 수요측의 열펌프에 공급되며, 상기 열펌프의 배출측에 연결되는 환수관을 통해 환수 도관으로 배수되는 것을 특징으로 하는 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템.
제 2항에 있어서,

상기 분기관의 도중에 또는 상기 열펌프의 유입측에 복류수 공급을 제어하기 위해 유량제어장치가 설치되고, 상기 열펌프의 유출측인 환수측에 유수의 낭비를 방지하기 위해 배수온도를 감지하는 온도감지장치를 설치하되, 상기 유량제어장치는 상기 온도감지장치의 배수 온도감지와 연동하여 개방을 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 환수 도관은 상기 집수관 보다 높은 지층에 설치되는 것을 특징으로 하는 복류수를 이용하는 열펌프 냉 난방시스템.
삭제
삭제