KR101021578B1 - 대수층 축열 냉난방 시스템 - Google Patents

대수층 축열 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대수층 축열 냉난방 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 지하 대수층에 형성되되, 하절기 냉방시 냉열 축열된 지하수가 펌핑되고 동절기 난방시 열을 빼앗긴 지하수가 주입되어 냉열 축열되는 냉수정; 지하 대수층에 형성되되 냉수정과 열간섭 제한되는 소정 거리로 이격되어 있고, 동절기 난방시 온열 축열된 지하수가 펌핑되고 하절기 냉방시 열을 흡수한 지하수가 주입되어 온열 축열되는 온수정; 냉수정 및 온수정으로부터 펌핑된 지하수를 히트펌프로 공급시키고, 히트펌프로부터 열교환된 지하수를 회수하여 온수정 및 냉수정으로 주입시키는 지하수 관로; 및 냉수정으로부터 펌핑된 냉열 지하수의 냉열을 냉방용으로 전달하고, 온수정으로부터 펌핑된 온열 지하수의 온열을 난방용으로 전달하는 히트펌프; 를 포함하여 이루어지는, 지하 대수층을 냉온 축열체로 이용하는 대수층 축열 냉난방 시스템이 제안된다.

Description

대수층 축열 냉난방 시스템{AQUIFER THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 대수층 축열 냉난방 시스템에 관한 것이다. 구체적으로는 지하 대수층을 냉온 축열체로 이용하여 대수층의 냉/온 축열을 냉난방에 활용하는 대수층 축열 냉난방 시스템에 관한 것이다.
계절의 변화에도 온도가 일정한 지열을 이용한 열교환을 통해 냉난방에 필요한 열원을 확보하는 지열 이용한 축열식 히트펌프 시스템이 많이 개발되고 있다.
특허문헌으로는, 한국 등록특허 제530259호의 축열식 지열히트펌프 유닛, 한국 등록특허 제949888호의 지열 히트펌프시스템 등이 있다. 이러한 종래의 특허문헌들에서는 하나의 지하수공에서 지중의 지하수를 펌핑하고 회수하도록 순환시키는 폐회로형 지열 히트펌프 시스템으로, 별도의 축열조에 냉열 또는 온열의 열매체를 저장시켜 냉난방에 이용하고 있다.
즉, 이러한 종래의 특허문헌들에서는 온도가 15℃ 부근에서 일정한 지열을 이용하여 히트펌프에서 열교환을 통하여 5~10℃ 정도로 축열조에 냉열 축열시키거나 45~50℃ 정도로 축열조에 온열 축열시키고 있다. 냉난방을 위한 축열의 기본 열원이 지열이 15℃ 내외로 일정하여 목표하는 축열 온도를 얻기 위해서는 히트펌프의 용량이 커지거나 부하가 많이 걸리게 된다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 15℃ 내외 부근의 지열을 직접 냉난방을 위한 축열의 기본 열원으로 사용하지 않고, 히트펌프의 가동에 따라 열교환된 지하수를 냉열과 온열로 나누어 다시 지하 대수층으로 회수하여 지하 대수층 내에 축열시키고 축열된 지하 대수층 축열체를 히트펌프의 열교환 열원으로 이용하는 폐회로형 시스템을 구현함으로써, 보다 효율적인 지하 대수층 축열체를 이용한 축열식 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 지하 대수층에 형성되되, 하절기 냉방시 냉열 축열된 지하수가 펌핑되고 동절기 난방시 열을 빼앗긴 지하수가 주입되어 냉열 축열되는 냉수정; 지하 대수층에 형성되되 냉수정과 열간섭 제한되는 소정 거리로 이격되어 있고, 동절기 난방시 온열 축열된 지하수가 펌핑되고 하절기 냉방시 열을 흡수한 지하수가 주입되어 온열 축열되는 온수정; 냉수정 및 온수정으로부터 펌핑된 지하수를 히트펌프로 공급시키고, 히트펌프로부터 열교환된 지하수를 회수하여 온수정 및 냉수정으로 주입시키는 지하수 관로; 및 냉수정으로부터 펌핑된 냉열 지하수의 냉열을 냉방용으로 전달하고, 온수정으로부터 펌핑된 온열 지하수의 온열을 난방용으로 전달하는 히트펌프; 를 포함하여 이루어지는, 지하 대수층을 냉온 축열체로 이용하는 대수층 축열 냉난방 시스템이 제안된다.
바람직하게는, 대수층 축열 냉난방 시스템은 히트펌프로부터 전달받은 냉열 또는 온열을 저장 열매체를 이용하여 저장하고 있는 축열조; 축열조와 히트펌프 사이에 저장 열매체를 순환시키는 열매체 배관; 및 축열조의 냉열 또는 온열의 저장 열매체를 건물 냉난방 설비로 순환시키는 냉난방 관로; 를 더 포함하여 이루어진다.
또한, 냉수정과 온수정에 각각 설치되되, 냉방시에 냉열 축열된 지하수를, 그리고 난방시에 온열 축열된 지하수를 각각 펌핑하여 지하수 관로로 공급하는 수중모터펌프; 지하수 관로 상에 설치되되, 하절기 냉방시 온수정으로부터의, 그리고 동절기 난방시 냉수정으로부터의 지하수 공급 관로를 차단시키고, 난방시 온수정으로의, 그리고 냉방시 냉수정으로의 지하수 회수 관로를 차단시키는 차단용 밸브들; 열매체 배관 상에 설치되되 저장 열매체를 히트펌프로 토출시키는 제1 순환펌프; 및 냉난방 관로 상에 설치되되 저장 열매체를 건물 냉난방 설비로 토출시키는 제2 순환펌프; 를 더 포함한다.
게다가, 히트펌프와 열교환된 저장 열매체가 하절기 냉방시 축열조의 하부로, 그리고 동절기 난방시 축열조의 상부로 귀환되도록 열매체 배관의 흐름 방향을 제어하는 제2 방향제어밸브를 더 구비하여, 축열조에 저장되는 저장 열매체가 성층화된 후 점차 균일해지도록 축열이 이루어진다.
게다가, 냉난방 관로에는 냉방시 축열조의 하부에서, 그리고 난방시 축열조의 상부에서 저장 열매체가 토출되도록 제어하는 제3 방향제어밸브가 더 구비된다.
바람직하게, 냉수정의 심도는 지하 대수층의 상부에, 그리고 온수정의 심도는 지하 대수층의 하부에 이르도록 형성된다. 바람직하게는, 냉수정과 온수정의 심도가 난투수층이나 비투수층 같은 불투수층에 의해 수리적으로 격리 또는 거의 격리되도록 위치된다.
바람직하게, 축열조의 저장 열매체의 온도가 소정 목표 온도에 도달시 히트펌프, 제1 순환펌프 및 펌핑 중인 수중모터펌프의 가동이 중지되고, 가동 중단 후, 저장된 저장 열매체가 목표 온도의 소정의 허용 범위를 벗어나는 경우 히트펌프, 제1 순환펌프 및 가동 중지된 수중모터펌프가 재가동된다.
바람직하게는, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 히트펌프로 펌핑된 지하수를 공급하는 지하수 공급관로 상에 유량조절밸브가 더 구비된다.
바람직하게는, 히트펌프로 펌핑된 지하수를 공급하는 지하수 공급관로 상에 필터링 디바이스가 더 구비되되, 필터링 디바이스는 유량조절밸브와 히트펌프 사이에 설치된다.
바람직하게는, 열교환된 지하수를 냉수정 및 온수정으로 주입시키는 지하수 회수관로 상에서 가압펌프가 더 구비된다. 또한, 냉수정 및 온수정의 각각 지하 대수층의 지하수면 상부에 지하수 공급관로 및 지하수 회수관로가 관통하는 패커가 설치되거나 냉수정 및 온수정의 내부를 관로를 제외하고 밀폐되도록 관정의 상부에 커버가 설치된다.
또 바람직하게는, 본 발명의 하나의 모습에 따라, 히트펌프는: 하절기 냉방시 응축기로 작용하고 동절기 난방시 증발기로 작용하여 냉매를 펌핑된 지하수와 열교환시키는 제1 열교환기; 하절기 냉방시 증발기로 작용하고 동절기 난방시 응축기로 작용하여 냉매와 저장 열매체를 열교환시켜 저장 열매체로 냉열 및 온열을 축열시키는 제2 열교환기; 냉매를 압축시켜 응축기로 작용하는 열교환기로 토출시키는 압축기; 응축기로 작용하는 열교환기를 통과한 냉매를 팽창시켜 증발기로 작용하는 열교환기로 내보내는 팽창밸브; 및 제1 열교환기와 제2 열교환기가 응축기 및 증발기로 번갈아 작용하도록 냉매의 흐름 방향을 제어하는 제1 방향제어밸브; 를 포함하여 이루어진다.
더 바람직하게는, 히트펌프는: 압축기 전에 설치된 액분리기; 압축기 후에 설치된 유분리기; 응축기로 작용하는 열교환기와 팽창밸브 사이에 설치된 수액기; 및 수액기 후에 설치된 필터드라이어 및 액면계; 를 더 포함하여 이루어진다.

바람직하게는, 또한, 본 발명의 또 하나의 모습에 따라, 축열체로 이용되는 냉수정의 축열체로서의 목표 온도는 5~10℃ 범위이고, 축열체로 이용되는 온수정의 축열체로서의 목표 온도는 20~30℃, 바람직하게는 25~30℃ 범위이다. 나아가, 축열조의 축열 목표 온도는 하절기 냉방시 5~10℃ 범위, 그리고 동절기 난방시 45~55℃, 바람직하게는 45~50℃ 범위이다.
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본 발명의 바람직한 하나의 모습으로 비록 명시적으로 언급되지 않았으나, 앞서 언급된 기술적 특징의 가능한 다양한 조합에 따른 실시예들이 구현 가능함은 자명하다.
본 발명의 모습에 따라, 종래와 같이 15℃ 내외 부근의 지열을 직접 냉난방을 위한 축열의 기본 열원으로 사용하지 않고, 히트펌프의 가동에 따라 열교환된 지하수를 냉열과 온열로 나누어 다시 지하 대수층으로 회수하여 지하 대수층 내에 축열시키고, 냉열 및 온열로 나뉘어 축열된 지하 대수층 축열체를 히트펌프의 열교환 열원으로 이용함으로써, 보다 효율적인 지하 대수층 축열체를 이용한 축열식 히트펌프 시스템을 구현하게 되었다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대수층 축열 냉난방 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 대수층 축열 냉난방 시스템의 개략적인 시스템도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대수층 축열 냉난방 시스템의 히트펌프를 나타내는 개략적인 도면이다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대수층 축열 냉난방 시스템의 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 대수층 축열 냉난방 시스템의 개략적인 시스템도이다.
본 발명은 지하 대수층을 냉온 축열체로 이용하는 대수층 축열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 구체적인 실시예를 도 1 내지 2를 참조하여 살펴본다.
하나의 실시예에 따르면, 대수층 축열 냉난방 시스템은 냉수정(10), 온수정(20), 지하수 관로(30) 및 히트펌프(50)를 포함하여 이루어진다.
냉수정(10)과 온수정(20)은 지하 대수층에 형성되어 있으며, 열간섭 제한되는 소정 거리(d)만큼 이격되어 있다. 냉수정(10)과 온수정(20) 각각은 하나의 관정, 바람직하게는 적어도 하나 이상의 관정이고, 또 바람직하게는 각각 복수 개의 관정이다. 바람직하게, 관정의 갯수는 각 관정으로부터 소정 기간에 걸쳐 날마다 펌핑가능한 수량과 히터펌프(50)의 용량을 고려하여 결정된다.
본 발명에서 지하 대수층은 지하수를 함유하고 있는 층으로, 물로 채워진 공극(孔隙)을 가지며, 서로 연결된 공극을 통해 지하수가 이동할 수 있다. 본 발명에서 지하 대수층은 축열체로 사용되므로, 공극율이 크고 유속이 느린 수리특성을 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게, 본 발명에서 지하 대수층은 다공질 매질층이나 균열 암반층에 형성될 수 있다. 바람직하게, 지하 대수층은 자유면 대수층 또는 피압 대수층(confined aquifer)이다. 본 발명에서 지하 대수층이 자유면 대수층인 경우, 자유면 대수층은 상부에 실트나 점토등으로 구성되어 물이 잘 통과하지 않는 난투수층(難透水層, aquiclude)으로 덮여 있거나, 자유면 지하수위가 낮아 지하 대수층의 상부가 지하 대수층에 대한 열 전도적 또는/및 수리적 보호 역할을 수행하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 자유면 대수층은 다공질 매질층인 충적층(alluvial layer, 沖積層) 또는 균열 암반층인 파쇄대 또는 풍화대층에 형성될 수 있다. 충적층의 경우에는 상부에 점토나 실트 층의 난투수층으로 덮여 있는 모래, 자갈 등으로 이루어지는 것이 바람직하고, 파쇄대층의 경우에 상부에 점토나 실트 층의 난투수층으로 덮여 있는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에서 지하 대수층이 피압 대수층인 경우, 피압 대수층의 상부는 불투수층(不透水層, impermeable layer)으로 덮여 있다. 피압 대수층은 다공질 암반 또는 균열 암반층으로 이루어질 수 있다. 본 발명에서 불투수층은 난투수층(難透水層, aquiclude)과 물이 투과하지 않는 암반류로 이루어진 비투수층(非透水層, aquifuge)을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 지하 대수층은 공극률이 커서 다량의 지하수를 함유할 수 있으며 유속이 느린 층에 형성되면 충분하고, 나아가, 지하 대수층의 상부가 지하수에 대한 열 전도적 또는/및 수리적 보호 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 열간섭 제한되는 소정 거리(d)는 소정 기간에 걸쳐 어느 하나의 지하수 주입 관정으로부터 다른 지하수 양수 관정으로의 열간섭이 없거나 극히 제한되는 거리 또는 그 이상의 거리를 말한다. 이 경우, 바람직하게는, 소정 기간은 하절기와 동절기 구분에 따른 6개월 내지, 바람직하게는, 실질적인 히트펌프 가동에 따른 대수층 축열 기간인 3~5개월로 할 수 있다. 하나의 지하수 주입 관정으로부터 다른 하나의 지하수 양수 관정으로의 열간섭이 극히 제한된다고 함은 양 관정의 지하수 축열체들 사이에 형성된 중간 온도의 전이대층이 다른 하나의 지하수 양수 관정까지 형성되지 않고 양 관정 사이에서 다른 하나의 지하수 양수 관정으로부터 적절한 거리 이상으로 이격되게 형성되는 것을 말한다. 일반적인 지반 내 열 거동은 지하수의 유동에 의한 대류(convection), 매질을 통한 전도(conduction) 및 매질의 불균일성에 의한 분산(dispersion)을 통하여 전달된다. 예컨대, Molson 등이 제안한 열유속 산출모델에 의한 지반 내 열 거동을 모델링을 통해 수치해석하여 열간섭이 제한되는 거리(d)를 설정할 수 있다. 열간섭이 제한되는 거리(d)의 산출 과정 자체는 당해 발명의 본질적인 범위가 아니며, 또한 열간섭이 제한되는 소정 거리(d)는 열거동 수치해석 모델을 통해 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 수행될 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
냉수정(10)과 온수정(20)은 외부 이물질이 관정 내로 침투되지 않도록 상부를 커버 또는 커버박스(도시되지 않음)로 덮고, 바람직하게는 지하수 관로(30)가 커버 또는 커버박스를 관통하거나 관정의 상부의 측면을 통해 지하수 관로(30)가 관정 내로 주입되도록 한다. 바람직하게, 냉수정(10)과 온수정(20)의 관정 내부는 지하 대수층의 상부에 형성된 지층 부분을 그라우팅하여 지표면 지하수 또는 이물질의 침투를 방지한다.
본 발명은 냉수정(10)과 온수정(20)을 냉/온 축열체로 이용하므로, 바람직하게는 1년 내, 더 바람직하게는 적어도 동절기와 하절기 사이 교번 간격인 6개월, 더욱 바람직하게는 히트펌프(50)의 실질적인 가동기간인 대략 3~5개월 내 지하 대수층에 형성된 냉수정(10)과 온수정(20) 간에 지하수의 유동에 따른 열간섭이 없거나 거의 제한되어야 한다. 바람직하게는, 냉수정(10)과 온수정(20)이 난투수층이나 비투수층 같은 불투수층에 의해 수리적으로 격리될 수 있으며, 또 바람직하게는, 냉수정(10)과 온수정(20)의 깊이는 반드시 동일할 필요는 없으며, 깊이가 다를 수 있다.
바람직하게는, 도시되지 않았으나, 하나의 실시예에 따라, 냉수정(10)과 온수정(20)은 깊이 차를 두되, 냉수정(10)의 심도는 지하 대수층 상부에, 온수정(20)의 심도는 지하 대수층 하부에 위치하도록 설치된다. 또한, 바람직하게는, 냉수정(10)과 온수정(20)의 심도가 난투수층이나 비투수층 같은 불투수층에 의해 수리적으로 격리 또는 거의 격리되도록 위치될 수 있다.
냉수정(10)에서는 하절기 냉방시 냉열 축열된 지하수가 펌핑되고, 동절기 난방시 열을 빼앗긴 지하수가 주입되어 냉열 축열된다.
온수정(20)에서는 동절기 난방시 온열 축열된 지하수가 펌핑되고, 하절기 냉방시 열을 흡수한 지하수가 주입되어 온열 축열된다.
지하수 관로(30)는 냉수정(10) 및 온수정(20)으로부터 펌핑된 지하수를 히트펌프(50)로 공급시키고, 히트펌프(50)로부터 열교환된 지하수를 회수하여 온수정(20) 및 냉수정(10)으로 주입시킨다. 냉방시에 지하수 관로(30)는 냉수정(10)으로부터 펌핑된 냉열 지하수를 히트펌프(50)로 공급시키고, 히트펌프(50)에서 열교환된 지하수를 회수하여 온수정(20)으로 주입시킨다. 난방시에 지하수 관로(30)는 온수정(20)으로부터 펌핑된 지하수를 히트펌프(50)로 공급하고, 히트펌프(50)로부터 열교환된 지하수를 회수하여 냉수정(10)으로 주입시킨다.
바람직하게는, 냉방시 히트펌프(50)로부터 회수되어 축열체로 이용되는 지하수의 온도는 20~30℃, 바람직하게는 25~30℃ 이고, 난방시 히트펌프(50)로부터 회수되어 축열체로 이용되는 지하수의 온도는 5~10℃ 이다. 즉, 바람직하게는, 온수정(20)에 온열 축열되는 온도는 20~30℃, 바람직하게는 25~30℃ 이고, 냉수정(10)에 냉열 축열되는 온도는 5~10 ℃이 된다. 축열체로 이용되는 지하수의 온도는 히트펌프(50)에서 전환되는 열용량에 의해 달라질 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 히트펌프(50)로 펌핑된 지하수를 공급하는 지하수 공급관로(30a) 상에 유량조절밸브(35)가 더 구비된다. 바람직하게, 유량조절밸브(35)는 축열조(70)의 축열 온도에 따라 적절한 유량을 공급하도록 제어된다. 유량조절밸브(35)는 원격제어밸브로 구성된다.
도 2를 참조하면, 바람직한 본 발명의 하나의 실시예에서, 히트펌프(50)로 펌핑된 지하수를 공급하는 지하수 공급관로(30a) 상에 필터링 디바이스(37)가 더 구비된다. 필터링 디바이스(37)는 지하수 내에 포함된 이물질을 필터링한다. 필터링 디바이스(37)는 유량조절밸브(35)와 히트펌프(50) 사이에 설치된다. 유량조절밸브(35)가 제어됨에 따라 히트펌프(50)로의 지하수 공급 유량이 조절되고, 바람직하게는 냉수정(10) 및 온수정(20)에 설치된 수중모터펌프(11, 21)의 제어와 함께 제어되어 지하수 공급 유량이 조절된다. 또한 바람직하게는, 히트펌프(50)로 펌핑된 지하수를 공급하는 지하수 공급관로(30a) 상에 가압펌프(39)를 더 구비한다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 히트펌프(50)는 냉수정(10)으로부터 펌핑된 냉열 지하수의 냉열을 냉방용으로 전달하고, 온수정(20)으로부터 펌핑된 온열 지하수의 온열을 난방용으로 전달한다.
히트펌프(50)의 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴본다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 하나의 실시예에서의 히트펌프(50)는 제1 열교환기(51), 제2 열교환기(53), 압축기(55), 팽창밸브(57) 및 제1 방향제어밸브(59)를 포함하여 이루어진다.
제1 열교환기(51)는 하절기 냉방시 응축기로 작용하고 동절기 난방시 증발기로 작용하여 냉매를 펌핑된 지하수와 열교환시킨다.
제2 열교환기(53)는 하절기 냉방시 증발기로 작용하고 동절기 난방시 응축기로 작용하여 냉매와 저장 열매체(71)를 열교환시켜 저장 열매체(71)로 냉열 및 온열을 축열시킨다.
압축기(55)는 냉매를 압축시켜 응축기로 작용하는 열교환기로 토출시킨다. 바람직하게, 도 3을 참조하면, 압축기(55)에서 토출되는 관로 상에는 고압게이지(63), 압축기(55)로 유입되는 관로 상에는 저압게이지(64)가 설치되고, 또 바람직하게는 듀얼압력스위치(62)가 설치되어 냉매의 압력이 너무 높거나 낮으면 히프펌프 릴레이전원(도시되지 않음)을 차단시켜 압축기(55) 및 히트펌프(50)를 보호한다.
팽창밸브(57)는 응축기로 작용하는 열교환기를 통과한 냉매를 팽창시켜 증발기로 작용하는 열교환기로 내보낸다. 바람직하게는, 제1 열교환기(51)가 응축기로 작용하는 경우의 팽창밸브(57a)와 제2 열교환기(53)가 응축기로 작용하는 경우의 팽창밸브(57b) 2개가 구비된다. 이 경우 팽창밸브(57)는 방향제어밸브, 예컨대 체크밸브(도시되지 않음) 또는 3방향밸브 등에 의해 증발기로 작용하는 제1 열교환기 또는 제2 열교환기로 연결된 팽창밸브(57a, 57b)만 열리도록 제어될 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 열교환기(51)가 응축기로 작용하는 경우 참조부호 57a의 팽창밸브만 열리고, 제2 열교환기(53)가 응축기로 작용하는 경우 참조부호 57b의 팽창밸브만 열리게 된다.
그리고 제1 방향제어밸브(59)는 제1 열교환기(51)와 제2 열교환기(53)가 응축기 및 증발기로 번갈아 작용하도록 냉매의 흐름 방향을 제어한다. 바람직하게, 제1 방향제어밸브(59)는 4방솔레노이드밸브이다. 도 3을 참조하면, 제1 열교환기(51)가 응축기로 작용하는 경우 제1 방향제어밸브(59)는 압축기(55)로부터 토출된 냉매를 제1 열교환기(51)로 보내도록 냉매 흐름 방향이 전환되고, 반면 제2 열교환기(53)가 응축기로 작용하는 경우 제1 방향제어밸브(59)는 압축기(55)로부터 토출된 냉매를 제2 열교환기(53)로 보내도록 냉매 흐름 방향이 전환된다.
냉매의 흐름을 구체적으로 살펴보면, 하절기 냉방시, 제1 방향제어밸브(59), 예컨대 4방밸브가 압축기(55)를 통과한 고온고압의 냉매가 제1 열교환기(51)로 흐르도록 방향제어된다. 고온고압 냉매는 제1 열교환기(51)인 응축기를 통과하며 냉수정(10)으로부터 펌핑된 냉열 지하수에게 응축열을 내주며 저온고압의 응축상태가 된다. 응축된 저온고압 상태인 냉매가 팽창밸브(57a)를 지나며 감압되고, 그 후 제2 열교환기(53)인 증발기에서 기화되며 저장 열매체(71)로부터 기화열을 흡수하게 된다. 기화된 냉매는 다시 압축기(55)를 통과하며 고온고압 상태로 되며, 순환하게 된다. 제1 열교환기(51)인 응축기에서 응축열을 얻은 지하수는 온수정(20)으로 회수되며, 온수정(20)측 대수층은 온열 축열된다. 제2 열교환기(53)인 증발기에서 기화열을 빼앗긴 저장 열매체(71)는 냉열 축열상태가 되므로, 냉방에 이용된다.
동절기 난방시, 제1 방향제어밸브(59), 예컨대 4방밸브가 압축기(55)를 통과한 고온고압의 냉매가 제2 열교환기(53)로 흐르도록 방향 제어된다. 고온고압의 냉매는 제2 열교환기(53)인 응축기를 통과하며 저장 열매체(71)에게 응축열을 내주며 저온고압의 응축상태가 된다. 응축된 저온고압 상태인 냉매는 팽창밸브(57b)를 지나며 감압되고, 그 후 제1 열교환기(51)인 증발기에서 기화된다. 제1 열교환기(51)에서 온수정(20)으로부터 펌핑된 지하수로부터 기화열을 흡수한 냉매는 다시 압축기(55)를 통과하며 순환하게 된다. 제1 열교환기(51)에서 기화열을 빼앗긴 지하수는 냉수정(10)으로 회수되며, 냉수정(10)측 대수층은 냉열 축열된다. 제2 열교환기(53)인 응축기에서 응축열을 얻은 저장 열매체(71)는 온열 축열상태가 되므로, 난방에 이용된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에서, 히트펌프(50)는 액분리기(accumulator)(52), 유분리기(oil separator)(54), 수액기(56), 필터드라이어(58) 및 액면계(60)를 더 포함하여 이루어진다. 도 3에서 참조부호 61은 체크밸브를 나타낸다.
액분리기(52)는 압축기(55) 전에 설치되고, 압축기(55)로의 리퀴드백(liquid back)을 방지하여 압축기(55)를 보호한다. 유분리기(54)는 압축기(55) 후에 설치되어 압축기(55)로부터 토출된 냉매 중에 포함된 오일을 압축기(55)로 되돌려준다.
또한, 응축기로 작용하는 열교환기와 팽창밸브(57) 사이에 수액기(56)가 설치된다. 수액기(56)는 응축기에서 응축한 냉매 액을 일시 저장하면서 증발기에서 소요되는 만큼의 냉매만을 팽창밸브(57)로 보내주며, 일종의 안전장치 역할을 한다.
수액기(56) 후에 설치된 필터드라이어(filter-drier)(58) 및 액면계(sight glass)(60)가 설치된다. 필터드라이어(58)는 시스템 내부의 각종 이물질을 걸러낸다. 필터드라이어(58)의 필터 부분은 각종 이물질을 거르고, 드라이어 부분은 수분을 흡수한다. 액면계(60)를 통해 냉매의 주입량과 상태를 직접적으로 확인할 수 있다.
도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 또 하나의 모습을 살펴본다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예는 축열조(70), 열매체 배관(80) 및 냉난방 관로(90)를 더 포함하여 이루어진다.
축열조(70)는 히트펌프(50)로부터 전달받은 냉열 또는 온열을 저장 열매체(71)를 이용하여 저장하고 있다. 바람직하게는, 저장 열매체(71)는 물이다.
바람직하게는, 하나의 실시예에서, 축열조(70)의 축열 목표 온도는 하절기 냉방시 5~10℃ 범위이고, 동절기 난방시는 45~55℃, 바람직하게는 45~50℃ 범위이다.
열매체 배관(80)은 축열조(70)와 히트펌프(50) 사이에 저장 열매체(71)를 순환시키도록 형성된다.
또한 바람직하게는, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 열매체 배관(80)은 히트펌프(50)와 열교환된 저장 열매체(71)가 하절기 냉방시 축열조(70)의 하부로, 그리고 동절기 난방시 축열조(70)의 상부로 귀환되도록 형성된다. 바람직하게는 열매체 배관(80)은 하절기 냉방시 축열조(70)의 하부로, 그리고 동절기 난방시 축열조(70)의 상부로 저장 열매체(71)가 귀환되도록 흐름 방향을 제어하는 제2 방향제어밸브(83)를 구비한다. 바람직하게는 제2 방향제어밸브(93)는 4방솔레노이드밸브이다.
축열조(70)의 상부에는 고온 저장 열매체(71a)가, 하부에는 저온 저장 열매체(71b)가 저장되어 성층화되며, 상하부가 점차 균일해지면서 축열된다. 성층화되는 고온 및 저온 저장 열매체(71a, 71b)에서 고온 및 저온은 상대적인 개념이다.
또한, 냉난방 관로(90)는 축열조(70)에 저장되어 있던 냉열 또는 온열의 저장 열매체(71)를 건물 냉난방 설비, 예컨대 팬코일유닛(FCU) 같은 냉난방 설비로 순환시킨다. 바람직하게는, 냉난방 관로(90)는 하절기 냉방시 축열조(70)의 하부에서, 그리고 동절기 난방시 축열조(70)의 상부에서 저장 열매체(71)가 토출되도록 형성된다. 바람직하게는 축열조(70)와 제2 순환펌프(91) 사이에 제3 방향제어밸브(93), 예컨대 4방솔레노이드밸브를 구비하여, 토출되는 위치가 변경되도록 할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 바람직하게는, 본 발명의 하나의 실시예는 수중모터펌프(11, 21), 차단용 밸브들(31, 33), 제1 순환펌프(81) 및 제2 순환펌프(91)를 더 포함하여 이루어진다.
수중모터펌프(11, 21)는 냉수정(10)과 온수정(20)에 각각 설치된다. 냉수정(10)과 온수정(20)에 설치된 수중모터펌프(11, 21)는 냉방 및 난방에 따라 교번으로 가동된다. 냉수정(10)에 설치된 수중모터펌프(11)는 냉방시에 냉열 축열된 지하수를 펌핑하고, 온수정(20)에 설치된 수중모터펌프(21)는 난방시에 온열 축열된 지하수를 펌핑한다. 수중모터펌프(11, 21)는 지하수를 펌핑하여 지하수 관로(30)로 공급한다. 바람직하게는. 수중모터펌프(11, 21)는 RPM제어가 가능한 인버터 내장된 모터펌프이다. 수중모터펌프(11, 21)의 RPM을 제어하여 펌핑유량을 조절할 수 있다.
지하수 관로(30) 상에는 차단용 밸브들(31, 33)이 설치된다. 지하수 관로(30)는 히트펌프(50)로 지하수를 공급하는 지하수 공급관로(30a)와 히트펌프(50)로부터 지하수를 회수하는 지하수 회수관로(30b)를 포함하여 이루어진다. 지하수 공급관로(30a)와 지하수 회수관로(30b)는 도 2에 도시된 바와 같이 각 관정(10, 20)까지 독립된 관로를 형성할 수 있고, 또는 도 1에 도시된 바와 같이, 수중모터펌프(11, 21)로 연결되는 배관과 합쳐질 수 있다. 차단용 밸브들(31, 33)은 지하수 공급관로(30a) 및 지하수 회수관로(30b)에 설치된다. 지하수 공급관로(30a)에 설치된 차단용 밸브(들)(31)는 하절기 냉방시 온수정(20)으로부터의, 그리고 동절기 난방시 냉수정(10)으로부터의 지하수 공급관로(30a)를 차단시킨다. 바람직하게, 지하수 공급관로(30a) 상에 설치된 차단용 밸브(31)는 원격제어 체크밸브이다. 지하수 회수관로(30b)에 설치된 차단용 밸브(들)(33)는 난방시 온수정(20)으로의, 그리고 냉방시 냉수정(10)으로의 지하수 회수관로(30b)를 차단시킨다. 지하수 회수관로(30b) 상에 설치된 차단용 밸브(들)(33)는 바람직하게는 원격제어 체크밸브이다.
열매체 배관(80) 상에는 제1 순환펌프(81)가 설치되고, 냉난방 관로(90) 상에는 제2 순환펌프(91)가 설치된다. 제1 순환펌프(81)는 축열조(70)에 저장되어 있던 저장 열매체(71)를 히트펌프(50) 측으로 토출시킨다. 제2 순환펌프(91)는 축열조(70)에 저장되어 있던 저장 열매체(71)를 건물 냉난방 설비 측으로 토출시킨다. 바람직하게는, 제1 순환펌프(81)와 제2 순환펌프(91)는 축열조(70)의 하부에 연결된 배관 또는 관로 상에 설치된다.
또한 바람직하게는, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 히트펌프(50), 제1 순환펌프(81) 및 수중모터펌프(11, 21)의 가동이 제어된다. 축열조(70)의 저장 열매체(71)의 온도가 소정 목표 온도에 도달시 히트펌프(50), 제1 순환펌프(81) 및 펌핑 중인 수중모터펌프(11 또는 21)의 가동이 중지된다. 바람직하게는, 축열조(70)의 저장 열매체(71)의 온도는 축열조(70)로부터 히트펌프(50)로 토출될 또는 토출되는 축열조(70)의 저장 열매체(71)의 온도이다. 즉, 바람직하게는, 하절기 냉방시에는 축열조(70)로 주입되어 저장되는 냉열의 저장 열매체(71)가 아니고 축열조(70)에서 히트펌프(50)로 토출되거나 토출될 상대적으로 고온의 저장 열매체(71)의 온도이고, 동절기 난방시에는 축열조(70)에서 히트펌프(50)로 토출되거나 토출될 상대적으로 저온의 저장 열매체(71)의 온도이다. 바람직하게, 축열조(70)로부터 히트펌프(50)로 토출되거나 토출될 축열조(70)의 저장 열매체(71)의 온도는 축열조(70) 측에 연결된 열매체 배관(80)의 토출관로 상에서 측정되거나 열매체 배관(80)의 토출관로로 흡입되는 축열조(70) 내부지점 부근에서 측정된다.
가동 중단 후, 저장된 저장 열매체(71)가 목표 온도의 소정의 허용 범위를 벗어나는 경우 히트펌프(50), 제1 순환펌프(81) 및 가동 중지된 수중모터펌프(11 또는 21)가 재가동된다. 바람직하게, 저장된 저장 열매체(71)의 온도 측정은 축열조(70)의 저장 열매체(71)의 온도 측정과 동일한 지점에서 이루어진다.
바람직하게, 중지 또는/및 재가동 순서는 히트펌프(50), 제1 순환펌프(81) 및 수중모터펌프(11 또는 21) 순으로 이루어진다. 제2 순환펌프(91)는 건물 내 냉난방이 이루어지는 동안에는 계속 가동된다.
도 2에 도시되지 않았으나, 바람직하게는, 본 발명의 또 하나의 실시예에서, 열교환된 지하수를 냉수정(10) 및 온수정(20)으로 주입시키는 지하수 회수관로(30b) 상에서 가압펌프가 더 구비되어 열교환된 지하수를 주입할 수 있다. 지하 대수층이 피압대수층인 경우, 가압펌프를 구비하는 것이 더 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 냉수정(10) 및 온수정(20)의 각각 지하 대수층의 지하수면(G) 상부에 지하수 공급관로(30a) 및 지하수 회수관로(30b)가 관통하는 패커(도시되지 않음)가 설치되거나 또는 관정 내부가 관로를 제외하고 밀폐되도록 관정의 상부에 커버 또는 커버박스가 설치된다. 패커 또는 커버, 커버박스는 수밀성을 유지하여, 가압펌프(도시되지 않음)에 의한 지하수의 가압 주입을 가능하게 한다.
이상에서, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었다. 첨부된 도면 및 전술한 실시예들은 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이다. 그러므로, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 전술한 실시예들은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예들이 아니라 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들이 전술한 발명의 범위에 포함되어 있음은 자명하다.
g : 지표면 G : 지하 대수층의 지하수면
10 : 냉수정 11, 21 : 수중모터펌프
20 : 온수정 30 : 지하수관로
30a : 지하수 공급관로 30b : 지하수 회수관로
31, 33 : 차단용 밸브 35 : 유량조절밸브
37 : 필터링 디바이스 50 : 히트펌프
51 : 제1 열교환기 52 : 액분리기
53 : 제2 열교환기 54 : 유분리기
55 : 압축기 56 : 수액기
57 : 팽창밸브 58 : 필터드라이어
59 : 제1 방향제어밸브 60 : 액면계
70 : 축열조 71 : 저장 열매체
80 : 열매체 배관 81, 91 : 순환펌프
83 : 제2 방향제어밸브 90 : 냉난방 관로

Claims (12)

  1. 지하 대수층에 형성되되, 하절기 냉방시 냉열 축열된 지하수가 펌핑되고 동절기 난방시 열을 빼앗긴 지하수가 주입되어 냉열 축열되는 냉수정;
    지하 대수층에 형성되되 상기 냉수정과 열간섭 제한되는 소정 거리로 이격되어 있고, 동절기 난방시 온열 축열된 지하수가 펌핑되고 하절기 냉방시 열을 흡수한 지하수가 주입되어 온열 축열되는 온수정;
    상기 냉수정 및 온수정으로부터 펌핑된 지하수를 히트펌프로 공급시키고, 상기 히트펌프로부터 열교환된 지하수를 회수하여 상기 온수정 및 냉수정으로 주입시키는 지하수 관로;
    상기 냉수정으로부터 펌핑된 냉열 지하수의 냉열을 냉방용으로 전달하고, 상기 온수정으로부터 펌핑된 온열 지하수의 온열을 난방용으로 전달하는 히트펌프;
    상기 히트펌프로부터 전달받은 냉열 또는 온열을 저장 열매체를 이용하여 저장하고 있는 축열조;
    상기 축열조와 히트펌프 사이에 상기 저장 열매체를 순환시키는 열매체 배관;
    상기 축열조의 냉열 또는 온열의 저장 열매체를 건물 냉난방 설비로 순환시키는 냉난방 관로;
    상기 냉수정과 온수정에 각각 설치되되, 냉방시에 냉열 축열된 지하수를, 그리고 난방시에 온열 축열된 지하수를 각각 펌핑하여 상기 지하수 관로로 공급하는 수중모터펌프;
    상기 지하수 관로 상에 설치되되, 하절기 냉방시 상기 온수정으로부터의, 그리고 동절기 난방시 상기 냉수정으로부터의 지하수 공급 관로를 차단시키고, 상기 난방시 상기 온수정으로의, 그리고 상기 냉방시 상기 냉수정으로의 지하수 회수 관로를 차단시키는 차단용 밸브들;
    상기 열매체 배관 상에 설치되되 상기 히트펌프로 상기 저장 열매체를 토출시키는 제1 순환펌프;
    상기 냉난방 관로 상에 설치되되 상기 건물 냉난방 설비로 상기 저장 열매체를 토출시키는 제2 순환펌프;
    상기 축열조에 저장되는 상기 저장 열매체가 성층화된 후 점차 균일해지도록 축열이 이루어지록, 그리고 상기 히트펌프와 열교환된 상기 저장 열매체가 하절기 냉방시 상기 축열조의 하부로 그리고 동절기 난방시 상기 축열조의 상부로 귀환되도록 상기 열매체 배관의 흐름 방향을 제어하는 제2 방향제어밸브;
    상기 냉난방 관로 상에 설치되되, 냉방시 상기 축열조의 하부에서, 그리고 난방시 상기 축열조의 상부에서 저장 열매체가 토출되도록 제어하는 제3 방향제어밸브;
    상기 히트펌프로 상기 펌핑된 지하수를 공급하는 상기 지하수 공급관로 상에 유량조절밸브;
    상기 유량조절밸브와 히트펌프 사이에 설치되되, 상기 히트펌프로 상기 펌핑된 지하수를 공급하는 상기 지하수 공급관로 상에 필터링 디바이스; 및
    상기 열교환된 지하수를 상기 냉수정 및 온수정으로 주입시키는 상기 지하수 회수관로 상에서 가압펌프; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 냉수정의 심도는 상기 지하 대수층의 상부에, 그리고 상기 온수정의 심도는 상기 지하 대수층의 하부에 이르도록 형성되되, 상기 냉수정과 온수정의 심도가 불투수층에 의해 수리적으로 격리되도록 형성되고,
    상기 축열조의 저장 열매체의 온도가 소정 목표 온도에 도달시 상기 히트펌프, 제1 순환펌프 및 상기 펌핑 중인 수중모터펌프의 가동이 중지되고, 상기 가동 중단 후 상기 저장된 저장 열매체가 상기 목표 온도의 소정의 허용 범위를 벗어나는 경우 상기 히트펌프, 제1 순환펌프 및 상기 가동 중지된 수중모터펌프가 재가동되고,
    상기 냉수정 및 온수정의 각각 상기 지하 대수층의 지하수면 상부에 상기 지하수 공급관로 및 지하수 회수관로가 관통하는 패커가 설치되거나 상기 냉수정 및 온수정의 내부를 관로를 제외하고 밀폐되도록 관정의 상부에 커버가 설치된 것을 특징으로 하는 대수층 축열 냉난방 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 히트펌프는:
    하절기 냉방시 응축기로 작용하고 동절기 난방시 증발기로 작용하여 냉매를 상기 펌핑된 지하수와 열교환시키는 제1 열교환기;
    하절기 냉방시 증발기로 작용하고 동절기 난방시 응축기로 작용하여 냉매와 상기 저장 열매체를 열교환시켜 상기 저장 열매체로 냉열 및 온열을 축열시키는 제2 열교환기;
    냉매를 압축시켜 상기 응축기로 작용하는 열교환기로 토출시키는 압축기;
    상기 응축기로 작용하는 열교환기를 통과한 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 작용하는 열교환기로 내보내는 팽창밸브; 및
    상기 제1 열교환기와 제2 열교환기가 응축기 및 증발기로 번갈아 작용하도록 냉매의 흐름 방향을 제어하는 제1 방향제어밸브; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대수층 축열 냉난방 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 히트펌프는:
    상기 압축기 전에 설치된 액분리기;
    상기 압축기 후에 설치된 유분리기;
    상기 응축기로 작용하는 열교환기와 상기 팽창밸브 사이에 설치된 수액기; 및
    상기 수액기 후에 설치된 필터드라이어 및 액면계; 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대수층 축열 냉난방 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 축열체로 이용되는 상기 냉수정의 축열체로서의 목표 온도는 5~10℃ 범위이고, 상기 온수정의 축열체로서의 목표 온도는 20~30℃ 범위이고,
    상기 축열조의 축열 목표 온도는 하절기 냉방시 5~10℃ 범위, 그리고 동절기 난방시 45~55℃ 범위인 것을 특징으로 하는 대수층 축열 냉난방 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
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