KR100998260B1 - 지열을 이용한 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기가 보다 효율적으로 지열을 이용할 수 있는 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 지하에 위치되어 물이 저장되는 수조 ; 통기성을 가지도록 상기 수조의 상부를 덮되 하부에 열교환기 안착공간이 형성되며 상기 수조와 외부를 연결하는 공기 배출통로가 형성되는 통기성 차단부 ; 상기 수조 상부의 공기가 상기 공기 배출통로를 따라 외부로 배출되도록 마련되는 공기 배출용 팬 ; 상기 수조에 물을 공급하기 위한 보충수 보급 배관 ; 하부는 상기 수조에 저장된 물에 잠기며 상부는 상기 열교환기 안착공간에 배치되어 상기 수조 상부의 공기와 접하도록 마련되어 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기와, 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거하는 부하측 열교환기를 포함하여 이루어지는 히트펌프 장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM USING GEOTHERMAL HEAT}

본 발명은 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

종래의 지열원을 이용한 히트펌프 시스템은 실내를 냉방 또는 난방하기 위하여 실외측 열교환기를 대기열이 아닌 지열원과 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 구성된다.

도 1은 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치의 계통 구성도이다. 상기 도 1에 도시된 종래의 일반적인 지열원 히트펌프 냉난방장치는, 저온저압의 냉매가스를 압축하여 고온고압으로 변환하는 압축기(21)와, 실내측에 설치되고 냉매에 의해 실내를 냉방 또는 난방하도록 구성되는 실내 열교환기(23)와, 실외측에 설치되고 냉매의 열을 지중에서 얻은 열로 교환하도록 구성되는 실외 열교환기(25)와, 실내 열교환기(23)와 실외 열교환기(25) 사이에 설치되어 응축된 냉매를 저압으로 교축하는 팽창밸브(24)와, 냉매의 순환경로를 변경하는 4방밸브(22)와, 상기 각 구성들을 제어하여 냉방운전 또는 난방운전을 하도록 하는 제어부(10) 를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 실외 열교환기(25)는 지중에 매설된 지중열교환관(40)과 배관연결되어 수냉매의 순환경로를 형성하며, 순환펌프(41)에 의해 순환되는 수냉매에 의해 냉매와 열교환시킬 수 있는 것이다. 즉, 상기 실외 열교환기(25)에 의해 냉매와 열교환된 수냉매는 상기 지중열교환관(40)으로 이송되어 지중의 열에 의해 열교환되어 다시 상기 실외 열교환기(25)로 이송되는 것이다. 최근에 상기 지중열교환관(40)은 해수 또는 호수로부터 열교환이 이루어지게 구성되기도 하며, 지하수를 직접 순환시키게 구성되기도 한다.

먼저, 냉방운전시에 냉매의 순환경로를 살펴보면, 4방밸브(22)를 상기 도 1에 파선으로 도시된 경로로 제어하여 압축기(21)에 의해 압축된 냉매가스를 실외 열교환기(25)로 이송시킨다. 그리고, 압축된 냉매가스는 실외 열교환기(25)에서 지열로 열교환시켜 응축시키고, 응축된 냉매를 팽창밸브(24)로 팽창(교축)시켜 저온의 냉매로 변환한 후에 실내 열교환기(23)로 이송시킨다. 그러면, 실내 열교환기(23)는 저온의 냉매를 증발시켜 증발과정에서 실내를 냉방할 수 있는 것이며, 이때 냉방과정에서 얻게 되는 실내의 열에 의해 중온의 냉매가스로 변환되어 4방밸브를 경유하여 압축기(21)로 이송되는 것이다.

다음으로, 난방운전시에 냉매의 순환경로는, 4방밸브(22)가 상기 도 1에 실선으로 도시된 경로로 제어되어, 냉방운전시의 순환경로와 역순으로 이루어지므로, 냉매는 압축기(21), 실내 열교환기(23), 팽창밸브(24) 및 실외열교환기(25)의 순서로 순환된다. 이때에는, 실내 열교환기(23)가 응축기의 역할을 하여 응축과정에서의 열로 실내를 난방하고, 실외 열교환기(25)가 증발기의 역할을 하여 증발과정에서 지열로부터 열을 흡수할 수 있는 것이다.

또한, 상기 도 1의 종래기술을 살펴보면, 압축기(21)에 의해 압축된 고온고압의 냉매가스가 난방 열교환기(30)를 거쳐 4방밸브(22)로 이송되게 구성됨을 알 수 있다. 즉, 상기 난방 열교환기(30)는 난방 또는 급수 용도로 사용되는 축열조에 연설되어 고온고압의 냉매가스로부터 얻는 열로써 축열조에 열을 축적시킨다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치는 대기열이 아닌 지중열로써 실외 열교환기(25)에서 냉매를 열교환시키므로, 히트펌프 시스템을 가동하는 데에 필요한 전력을 대기열을 사용할 때보다는 절약할 수 있으며, 난방은 물론이고 냉방도 하나의 히트펌프 시스템으로 할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기에서 실외 열교환기(25)와 지중열교환관(40)은 통합하여 지중 열교환부라 칭할 수 있을 것이며, 실내 열교환기(23)는 부하측 열교환부라 칭할 수 있다.

이와 같이 히트펌프 장치는 지중 열교환부와 부하측 열교환부를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다.

상기와 같은 종래의 기술은 지중열교환관(40)을 지중에 매설하는 것이 일반적이며, 매설 방식의 지중열교환관은 지중과의 열교환 접촉면적이 작아 효율적으로 지열을 이용할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환부가 보다 효율적으로 지열을 이용할 수 있는 지열을 이용한 히트펌프 시스템을 제안하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서 : 지하에 위치되어 물이 저장되는 수조 ; 통기성을 가지도록 상기 수조의 상부를 덮되 하부에 열교환기 안착공간이 형성되며 상기 수조와 외부를 연결하는 공기 배출통로가 형성되는 통기성 차단부 ; 상기 수조 상부의 공기가 상기 공기 배출통로를 따라 외부로 배출되도록 마련되는 공기 배출용 팬 ; 상기 수조에 물을 공급하기 위한 보충수 보급 배관 ; 하부는 상기 수조에 저장된 물에 잠기며 상부는 상기 열교환기 안착공간에 배치되어 상기 수조 상부의 공기와 접하도록 마련되어 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기와, 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거하는 부하측 열교환기를 포함하여 이루어지는 히트펌프 장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 수조에 저장된 물의 상면과 상기 공기 배출통로를 서로 차단하거나 연통시키는 증발 제어용 댐퍼 ; 가 부가되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 수조에 저장된 물의 수위를 감지하는 수위 감지부가 마련되며, 상기 수위 감지부에 의하여 감지된 물의 수위에 따라 보충수 보급 배관을 통하여 보충수가 상기 수조로 보급되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 수조의 바닥면 및 측면은 방수마감처리되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 통기성 차단부의 재료는 자갈일 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기가 보다 효율적으로 지열을 이용할 수 있는 지열을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 계통 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 일실시예가 적용된 지열을 이용한 히트펌프 시스템, 특히 냉난방용으로 적용된 히트펌프 시스템의 계통 구성도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 일실시예의 여름철 작동도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 일실시예의 겨울철 작동도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 의한 일실시예가 적용된 지열을 이용한 히트펌프 시스템, 특히 냉난방용으로 적용된 히트펌프 시스템의 계통 구성도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 일실시예의 여름철 작동도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 일실시예의 겨울철 작동도이다.

본 실시예는 크게 히트펌프 장치(200)와, 히트펌프 장치(200)의 지중열교환기(210)가 배치되는 수조(110), 통기성 차단부(120), 공기 배출용 팬(130), 보충수 보급 배관(140) 등으로 이루어진다.

히트펌프 장치(200)는 지중열교환기(210), 부하측 열교환기(220), 압축기(230), 4방밸브(240), 어큐뮬레이터(250, accumulator), 리시버 탱크(260, receiver tank), 팽창밸브(270) 등으로 구성된다.

이와 같은 히트펌프 장치(200)의 구성은 당업자에 의하여 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.

부하측 열교환기(220)는 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거함으로써 주로 실내의 냉방 또는 난방을 위한 열교환을 수행하게 되며, 지중열교환기(210)는 지중의 열, 즉 지열을 흡수하거나 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 용도로 마련된다.

본 실시예에서는 지중열교환기(210)가 직접 지하에 배치되는 것으로 설명하고 있지만, 실시예에 따라서는 실외측 열교환기를 지상에 마련하고, 상기 실외측 열교환기와 열교환하기 위한 별도의 열교환부를 지중에 별도로 마련하는 형태로 실시될 수도 있다.

본 실시예의 주요 특징인 지중열교환기(210)의 배치 구조를 설명한다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 지반을 약 5m 깊이 정도로 굴착하고 그 하부에 물이 저장되는 수조(110)를 마련한다. 수조(110)는 그 바닥면 및 측면이 방수마감처리(111)되는 것이 바람직하다. 수조(110)에 저장된 물은 지열로 인하여 항상 약 15℃ 정도로 유지된다.

이와 같은 수조(110)의 상부를 덮도록 통기성 차단부(120)를 시공한다.

통기성 차단부(120)는 통기성을 가지면서 수조(110)의 상부를 덮는다.

본 실시예에서는 자갈을 채우도록 하여 자갈 사이의 공간이 통기성을 가지게 된다.

한편 통기성 차단부(120)는 하부에 열교환기 안착공간(121)이 형성되며, 아울러 수조(110)와 외부를 연결하는 공기 배출통로(122)가 형성되어 있다.

이와 같은 통기성 차단부(120)의 열교환기 안착공간(121) 및 공기 배출통로(122)를 형성하는 부위는 메쉬망(123)에 의하여 마감처리된다.

본 실시예에서는 공기 배출통로(122)의 상부에 공기 배출용 팬(130)이 마련된다.

공기 배출용 팬(130)은 수조(110) 상부의 공기가 공기 배출통로(122)를 따라 외부로 배출되도록 송풍하게 된다. 이와 같은 공기 배출용 팬(130)의 구동에 의하여 통기성 차단부(120)에 존재하던 공기가 공기 배출통로(122)로 들어온 후 외부로 배출되게 된다.

아울러 공기 배출용 팬(130)에 의하여 공기의 유동이 발생하게 되면, 이러한 공기의 유동은 수조(110)에 저장된 물의 증발을 촉진하게 되며, 이와 같이 물이 증발하게 되면 증발열이 발생하여 주변을 냉각시키게 된다.

한편, 수조(110)의 저장된 물의 상면과 공기 배출통로(122)를 서로 차단하거나 연통시키기 위하여 증발 제어용 댐퍼(150)가 마련된다.

증발 제어용 댐퍼(150)가 수조(110)에 저장된 물의 상면과 공기 배출통로(122)를 서로 차단시키게 되면, 공기의 유동이 수조(110)에 저장된 물의 상면에 영향을 미치지 않기 때문에 증발이 거의 발생하지 않게 된다.

그리고 증발 제어용 댐퍼(150)가 수조(110)의 저장된 물의 상면과 공기 배출통로(122)를 서로 연통시키게 되면, 공기의 유동이 수조(110)에 저장된 물의 상면에 영향을 미치게 되기 때문에 물의 증발이 촉진된다.

증발이 발생하게 되면 수조(110)의 수위가 낮아지며, 수조(110)에는 수조(110)에 저장된 물의 수위를 감지하는 수위 감지부(미도시)가 마련되어 있으며, 수위 감지부에 의하여 수조(110)에 저장된 물의 수위가 일정량 이하가 되면 보충수 보급 배관(140)을 통하여 수조(110)에 보충수, 즉 물이 보급된다.

따라서 수조(110)에 저장된 물의 수위는 항상 일정 수위 이상을 가지게 된다.

히트펌프 장치(200)의 지중열교환기(210)는 그 하부가 수조(110)에 저장된 물에 잠기며 상부는 열교환기 안착공간(121)에 배치되어 수조(110) 상부의 공기와 접하게 된다.

이와 같은 본 실시예의 작동을 설명한다.

먼저 도 3 및 도 4를 참조하여 여름철의 경우를 설명한다.

여름철에 본 시스템은 냉방을 목적으로 가동되며, 이때 지중열교환기(210)는 응축기로서 기능하며, 부하측 열교환기(220)는 증발기로서 기능하게 된다.

이와 같은 히트펌프의 구동은 종래의 기술에 널리 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략한다.

한편, 지중열교환기(210)는 그 하부가 물을 통하여 지중의 열을 전달받는 수냉식으로 작동하므로 그 열전달 효율이 매우 우수하다. 즉 일반적인 매립 방식과 비교하였을 때 그 열전달 효율이 우수하다.

아울러 지중열교환기(210)는 그 상부가 지중의 공기를 통하여 열을 전달받는 공냉식으로 작동한다. 이때 지중열교환기(210)는 열교환기 안착공간(121)의 공기 뿐만 아니라 통기성 차단부(120)에 갇혀 있던 공기와도 열교환하며, 아울러 외부 공기가 통기성 차단부(120)를 지나면서 지열을 받은 후 지중열교환기(210)와 열교환하며, 이후 공기 배출통로(122)를 따라 배출된다.

또한 공기 배출용 팬(130)에 의한 상기와 같은 공기의 유동은 수조(110)에 저장된 물의 증발을 촉진시킨다. 이때 증발 제어용 댐퍼(150)는 수조(110)의 물의 표면이 유동하는 공기와 접할 수 있도록 개방된 상태가 된다.

따라서 물의 증발 잠열에 의하여 공기는 더욱 냉각되므로 지중열교환기(210)가 보다 많은 열교환이 일어날 수 있도록 하게 된다.

또한 물의 증발에 의한 수조(110)의 수위 저하는 보충수 보급 배관(140)에 의하여 보충수가 적절히 보충된다.

다음으로 도 5 및 도 6을 참조하여 겨울철의 경우를 설명한다.

겨울철에 본 시스템은 난방을 목적으로 가동되며, 이때 지중열교환기(210)는 증발기로서 기능하며, 부하측 열교환기(220)는 응축기로서 기능하게 된다.

이와 같은 히트펌프의 구동은 종래의 기술에 널리 공지된 것이므로 상세한 설명을 생략한다.

한편, 지중열교환기(210)는 앞서 설명한 바와 같이 수냉식과 공냉식의 복합 방식에 의하여 지중의 열을 전달받으며, 그 열전달 효율이 우수하다.

다만 겨울철의 경우 물의 증발 잠열은 시스템의 효율을 저하시키는 요인이 되므로, 증발 제어용 댐퍼(150)는 수조(110)의 물의 표면이 유동하는 공기와 접할 수 없는 상태가 되도록 물의 상면과 공기 배출통로(122)를 서로 차단시키게 된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 수조 120 : 통기성 차단부
122 : 공기 배출통로 130 : 공기 배출용 팬
140 : 보충수 보급 배관 150 : 증발 제어용 댐퍼
200 : 히트펌프 장치
210 : 지중열교환기 220 : 부하측 열교환기
230 : 압축기 240 : 4방밸브
250 : 어큐뮬레이터 260 : 리시버 탱크
270 : 팽창밸브

Claims (5)

1. 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서 :
   지하에 위치되어 물이 저장되는 수조 ;
   통기성을 가지도록 상기 수조의 상부를 덮되 하부에 열교환기 안착공간이 형성되며 상기 수조와 외부를 연결하는 공기 배출통로가 형성되는 통기성 차단부 ;
   상기 수조 상부의 공기가 상기 공기 배출통로를 따라 외부로 배출되도록 마련되는 공기 배출용 팬 ;
   상기 수조에 물을 공급하기 위한 보충수 보급 배관 ;
   하부는 상기 수조에 저장된 물에 잠기며 상부는 상기 열교환기 안착공간에 배치되어 상기 수조 상부의 공기와 접하도록 마련되어 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기와, 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거하는 부하측 열교환기를 포함하여 이루어지는 히트펌프 장치 ;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수조에 저장된 물의 상면과 상기 공기 배출통로를 서로 차단하거나 연통시키는 증발 제어용 댐퍼 ; 가 부가되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 수조에 저장된 물의 수위를 감지하는 수위 감지부가 마련되며, 상기 수위 감지부에 의하여 감지된 물의 수위에 따라 보충수 보급 배관을 통하여 보충수가 상기 수조로 보급되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 수조의 바닥면 및 측면은 방수마감처리되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 통기성 차단부의 재료는 자갈인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템.
   

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