KR100940302B1 - 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법에 관한 것으로, 그 목적은 폐회로형 지중열교환기 시스템을 구성하여 건물 냉난방시 지중열 사용뿐만 아니라 지하수열을 동시에 이용할 수 있도록 한 지중열교환 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 축열지하수공(3)을 형성하여 지하수의 열원을 건물에 공급하여 냉방 또는 난방을 시킨 후, 건물에서 열교환 후 배출된 지하수는 축열 지하수공과의 거리를 둔 다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 형성된 환원지하수공(4)에 공급하도록 함으로써 히트펌프에 가해지는 급격한 순간부하를 지하수를 이용하여 저감하는 열교환 방법을 더 포함하는 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법을 특징으로 한다.

폐회로형 지중열교환기, 히트펌프, 지열시스템, 축열지하수공, 환원지하수공

Description

축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법{Ground source heat exchange method with thermal storage well}

본 발명은 축열지하수공을 이용한 지중열 교환 방법에 관한 것으로, 자세하게는 지반내 대수층을 지열 히트펌프 시스템의 수축열조로 이용한 지중열교환 방법 에 관한 것이다.

건물의 냉난방을 위해서는 공조시스템을 운전하게 되는데, 이러한 공조시스템의 운전시 막대한 전기 또는 유류가 소모되게 된다.

이러한 비용을 절약함과 동시에 공조시스템의 용량을 줄여 효율적인 냉난방 환경을 제공하기 위해 최근에는 지중열을 이용하는 방식이 많이 연구되고 있고, 또한 실제 시공되어 운전되고 있는 실정이다.

지중열을 이용하기 위해서는 지열히트펌프나 축열식 지열히트펌프를 사용한 폐회로형 지중열교환기 시스템을 구비해야 하는데, 도 4는 종래의 지열히트펌프를 이용한 지중 열교환시스템도이고, 도 5는 종래의 축열식 지열히트펌프를 이용한 지중 열교환시스템도를 나타내고 있다. 특히 축열식 지열히트펌프는 전체 부하중 일 부를 축열조가 담당하는 것으로, 전체 히트펌프 용량의 감소로 초기투자비가 기존 지열히트펌프보다 적게 드는 것이 가장 큰 장점이다.

이러한 폐회로형 지중열교환기 시스템은 지중열을 교환하여 안정적인 건물의 냉난방이 가능하지만, 부하가 큰 건물의 경우 지중에 설치되는 폐회로형 지중열교환기의 설치 심도나 천공수가 급격히 증가하여 초기비용이 매우 커지는 문제와 적절한 지중열교환기 설치 면적을 확보할 수 없다는 문제가 있다.

또한 축열조의 경우 가용면적에 의하여 축열조의 크기가 제한을 받거나 축열조 용량에 한계가 있다는 구조적인 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 폐회로형 지중열교환기 시스템을 구성하여 건물 냉난방시 지중열 사용뿐만 아니라 지하수열을 동시에 이용할 수 있도록 한 지중열교환 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 폐회로형 지중열교환기 시스템을 구성하여 건물 냉난방시 지반내 대수층에 형성된 축열지하수공을 지열 히트펌프 시스템의 수축열조로 이용하고, 사용된 지하수를 환원지하수공에 저장토록 함으로써 건물부하(냉난방필요량)의 급격한 상승시 순간부하 공급 능력을 향상시킨 지중열교환 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 폐회로형 지중열교환기 시스템을 구성하여 건물 냉난방시 별도의 수축열조를 만들지 않고 지하 대수층을 이용함으로 공간적인 효율성을 동시에 추구할 수 있도록 한 지중열교환 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 지중에 폐회로형 지중열교환기를 설치하여 지열을 히트펌프에 제공한후, 히트펌프가 냉방 또는 난방용 열원을 건물에 공급하여 냉난방하도록 하는 지중 열교환 방법에 있어서,

다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 축열지하수공을 형성하여 지하수의 열원을 건물에 공급하여 냉방 또는 난방을 시킨 후, 건물에서 열교환 후 배출된 지하수는 축열 지하수공과의 거리를 둔 다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 형성된 환원지하수공에 공급하도록 함으로써 히트펌프에 가해지는 급격한 순간부하를 지하수를 이용하여 저감하는 열교환 방법을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 환원지하수공은 그 상하를 밀폐하는 분리패커를 설치하여 건물을 지나면서 열교환되어 환원지하수공에 유입되는 축열지하수공의 지하수가 하부의 지하수와 서로 직접 섞이지 않도록 하여 하부의 지하수를 건물에 공급하여 냉방 또는 난방을 시킨 후, 환원지하수공에 주입되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 축열지하수공은 다공질 매질 또는 균열암반 대수층의 지하수가 스며들어 용량 및 공간상의 제약 없는 축열조 역할을 하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 지반내 대수층을 지열 히트펌프 시스템의 수축열조로 이용하여 건물부하의 급격한 상승시 순간부하 공급 능력을 향상시키며, 별도의 수축열조를 만들지 않고 지하 대수층을 이용함으로 공간적인 효율성을 동시에 추구할 수 있다는 장점과, 최소의 초기 설치비로 안정적인 지중열 사용뿐만 아니라 지하수열을 동시에 이용할 수 있으므로 히트펌프 효율이 매우 우수하다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 개략적인 지중 열교환 시스템도이고, 도 2는 본 발명에 따른 축열지하수공의 구조를 보인 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 환원지하수공의 구조를 보인 개념도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 건물에 지열을 공급하도록 지중에 폐회로형 지중열교환기(1)가 설치된다. 폐회로형 지중열교환기(1)는 지열을 얻은 열원을 계절에 따라 보조적으로 냉방용 또는 난방용 열원을 히트펌프(2)에 제공하여 히트펌프가 냉방 또는 난방용 열원을 생성하는 부하를 줄여 효율을 높여 주게 된다. 여기서 히트펌프의 작동원리 즉, 압축기, 증발기, 응축기 및 팽창밸브 등으로 이루어져 난방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하는 구성 및 냉방용일 경우 반대의 사이클을 가지는 구체적인 구성은 공지의 구성이므로 생략한다. 보조적인 열원을 얻은 히트펌프(2)는 건물까지 냉방 또는 난방 열원을 공급하여 건물을 냉난방 하게 된다. 이와 같은 폐회로형 지중열교환기(1) 및 히프펌프(2)의 구성은 공지의 구성이다. 본 발명은 이러한 종래 지중열교환기 이용시 건물의 부하(냉난방 필요량)가 급격한 상승시에 필요한 구성으로 이하 구체적으로 설명한다.

전술한 종래의 문제점인 부하가 큰 건물의 경우 지중에 설치되는 폐회로형 지중열교환기의 설치 심도나 천공수가 급격히 증가하여 초기비용이 매우 커지는 문제와 적절한 지중열교환기 설치 면적을 확보할 수 없다는 문제와 축열조 설치시 가용면적에 의하여 축열조 크기가 제한받는 문제를 근본적으로 해결하기 위해 폐회로형 지중열교환기(1)는 히프펌프(2)를 보조하여 건물에 냉난방 열원을 공급하는 별도의 라인을 구비하게 된다. 이를 위해 축열지하수공(3)과 축열지하수공(3)에서 공급되어 건물을 냉방 또는 난방시킨 지하수가 저장되는 환원지하수공(4)을 더 포함하여 구성된다.

축열지하수공(3)은 다공질 매질 또는 균열암반 대수층을 수직 시추하여 생긴 공간부에 스며든 열원을 가지는 지하수를 퍼 올리기 위해 양수파이프(31) 및 수중펌프(32)가 설치되고, 환원지하수공(4)으로부터 유입되는 지하수가 공급되도록 주입파이프(33)가 설치된다. 주입파이프(33)는 축열 가압 펌프(5)에 의해 공급되는 유량을 조절 할 수 있다.

또한 축열지하수공(3)은 입구쪽 토양 구조가 무너질 수 있으므로 토양을 그라우팅 처리하여 보강하고, 상부가 막힌 주유출입관(34)을 설치하여 축열지하수공 상부를 밀폐한다. 물론 양수파이프(31) 및 주입파이프(33)는 밀폐된 상부면을 통과하여 설치된다.

또한 필요시 양수파이프(31)를 통해 건물까지 공급되는 지하수는 이물질이나 오염원을 제거하기 위해 여과전(6)을 거쳐 필터링된 다음 공급하게 구성할 수 있다.

상기 축열 가압 펌프(5)는 축열을 위한 지하수의 인공함양시 적절한 수량을 계산하여 가압 급수방식으로 짧은 시간에 축열지하수공을 중심으로 대수층에 축열된 지하수의 저장이 이루어지도록 한다.

상기 양수파이프(31)에는 미도시되었으나 수온, 수압 및 유량계를 부착하여 대수층을 축열조로 이용 및 운영하고 있는 상태를 모니터링 할 수 있도록 구성한다.

축열지하수공(3)의 지하수를 건물에서 열교환하여 배출되는 지하수는 축열 지하수공과의 거리를 둔 환원지하수공(4)을 설치하여 주입한다. 이 환원지하수공의 지하수는 일정시간 이후 회복된 지하수온으로 다시 지하수 축열을 위한 수원으로 이용하게 되어 대수층 내 지하수원의 부족 없이 환원되는 형태의 시스템으로 구성될 수 있다.

즉, 축열지하수공(3)으로부터 공급된 지하수는 건물을 거치면서 열교환 후 환원지하수공(4)으로 유입되어 저장하게 되는데, 이 환원지하수공(4)에도 축열지하수공(3)처럼 양수파이프(41), 수중펌프(42), 주입파이프(43) 및 그라우팅된 입구에 설치된 주유출입관(44)이 설치 구성된다. 즉, 축열지하수공(3)에 저장된 물은 주입파이프(43)를 통해 주입되고, 환원지하수공(4)에 저장된 지하수는 양수파이프(41) 및 수중펌프(42)를 통해 축열지하수공(3)의 주입파이프(33)를 통해 주입되게 된다.

이때 환원지하수공(4)은 축열지하수공(3)과 달리 상하 공벽을 밀폐하는 분리 패커(45)가 더 포함되어 구성된다.

이와 같은 분리패커의 설치이유는 환원지하수공(4) 내에서는 양수파이프(41)와 주입파이프(43)에서 유출 또는 유입되는 지하수가 서로 직접섞이지 않도록 양수파이프(41)와 지하수 공벽이 밀폐되도록 함으로써 공벽내 수직적인 지하수의 유동을 차단하여 직접적인 열적 손실이 없도록 하기 위함이다. 즉, 분리패커의 설치는 열교환기나 건물에서 이용된 후 환원되는 지하수 온도와 양수 목적으로 이용될 수 있는 패커 하부의 환원지하수공 공벽을 따라 유입되는 지하수 수온에 영향을 적게 주게 된다. 따라서 이러한 장치는 환원지하수공의 지하수온을 일정하게 유지할 수 있으므로, 축열하는데 필요한 에너지소모를 크게 줄일 수 있다.

또한 필요시 양수파이프(41)를 통해 건물까지 공급되는 지하수에 포함된 이물질이나 오염원을 제거하기 위해 여과전(7)을 거쳐 필터링된 다음 공급하게 구성할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 지하 대수층에 축열된 지하수를 필요한 시기에 다시 양수하여 열에너지로 이용할 수 있으므로 시간적 공간적인 장점을 가지고 있다. 즉, 다공질 매질 또는 균열암반 대수층으로 이루어진 폐회로형 지중열교환기 설치 지반의 일부를 지하수 인공함양에 의한 축열조로 이용하면, 건물부하의 급격한 상승시에도 미리 축열된 대수층내 지하수를 이용하여 순간부하를 해결할 수 있다. 그리고 비축된 축열 지하수의 확산에 의하여 지반내 가용할 수 있는 열에너지가 증가하므로 기존 폐회로형의 지중열교환기가 교환할 수 있는 열에너지를 증대시킬 수 있다.

이에 따라 종래 일반적인 축열탱크의 경우는 가용면적에 의하여 축열탱크의 크기가 제한을 받거나 축열용량의 한계가 있으나 본 발명에 따른 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 시스템은 대수층의 수리적 특성에 따라 필요한 축열 저유량을 조절할 수 있는데 종래 축열탱크의 크기와 비교할 수 없을 정도로 큰 축열된 지하수를 저장할 수 있다.

즉, 본 발명은 특정한 공간으로 막힌 축열조에 열교환용 물이 저장된 것이 아닌 시추에 의해 형성된 축열지하수공 및 환원지하수공의 공간에 다공질 매질 또는 균열암반 대수층으로부터 지하수가 유입됨으로써 축열용량의 한계가 정해지지 않는 것이다.

또한 양수파이프로 이루어진 배관 시스템은 축열지하수공의 지하수를 건물에 공급함으로써 지열 히트펌프에 가해지는 급격한 순간부하를 해결하고, 열교환된 유출 지하수의 배수는 환원지하수공에 충전시킴으로 인하여 지속적인의 축열지하수 양수시에도 지하수가 고갈되지 않게 된다. 그리고 축열된 지하수의 공급설계량이 초과되어도 기본적인 지하수의 수온을 이용하여 보조형태로 냉난방 부하를 해결하는데 이용될 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 개략적인 지중 열교환 시스템도이고,

도 2는 본 발명에 따른 축열지하수공의 구조를 보인 개념도이고,

도 3은 본 발명에 따른 환원지하수공의 구조를 보인 개념도이고,

도 4는 종래의 지열히트펌프를 이용한 지중 열교환시스템도이고,

도 5는 종래의 축열식 지열히트펌프를 이용한 지중 열교환시스템도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 폐회로형 지중열교환기 (2) : 히트펌프

(3) : 축열지하수공 (4) : 환원지하수공

(5) : 축열가압펌프 (6, 7) : 여과전

(31, 41) : 양수파이프 (32, 42) : 수중펌프

(33, 43) : 주입파이프 (34, 44) : 주유출입관

(45) : 분리패커

Claims (4)

1. 지중에 폐회로형 지중열교환기(1)를 설치하여 지열을 히트펌프(2)에 제공한후, 히트펌프가 냉방 또는 난방용 열원을 건물에 공급하여 냉난방하도록 하는 지중 열교환 방법에 있어서,

   다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 축열지하수공(3)을 형성하여 지하수의 열원을 건물에 공급하여 냉방 또는 난방을 시킨 후, 건물에서 열교환 후 배출된 지하수는 축열 지하수공과의 거리를 둔 다공질 매질 또는 균열암반 대수층에 형성된 환원지하수공(4)에 공급하도록 함으로써 히트펌프에 가해지는 급격한 순간부하를 지하수를 이용하여 저감하는 열교환 방법을 더 포함하되,

   상기 환원지하수공(4)은 그 상하를 밀폐하는 분리패커를 설치하여 건물을 지나면서 열교환되어 환원지하수공에 유입되는 축열지하수공(3)의 지하수가 하부의 지하수와 서로 직접섞이지 않도록 하여 하부의 지하수를 건물에 공급하여 냉방 또는 난방을 시킨 후, 환원지하수공(4)에 저장되도록 한 것을 특징으로 하는 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 축열지하수공(3)은 다공질 매질 또는 균열암반 대수층의 지하수가 스며들어 용량 및 공간상의 제약 없는 축열조 역할을 하도록 한 것을 특징으로 하는 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 환원지하수공(4)은 다공질 매질 또는 균열암반 대수층의 지하수가 스며들어 용량 및 공간상의 제약 없는 축열조 역할을 하도록 한 것을 특징으로 하는 축열지하수공을 이용한 지중 열교환 방법.

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