KR101038577B1

KR101038577B1 - 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치

Info

Publication number: KR101038577B1
Application number: KR1020110020317A
Authority: KR
Inventors: 김효균
Original assignee: 태조건설 주식회사
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2011-06-03

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 지중에 매설된 수직형열교환파이프(13) 또는 수평형열교환파이프(19)의 내부로 공기를 순환시켜 지중의 열과 열교환 시켜서 가온 및 냉각된 공기를 지열공급히트펌프(24)를 통하여 실내로 공급하여 줌으로써 자연을 이용한 냉난방 효과를 제공하고, 열교환파이프(12)의 외면에 원판형집열판(31) 또는 스크류형집열판(32)을 부착하여 지열흡수를 극대화하며, 실내공기오염측정장치(21)에 의해 감지된 실내공기의 오염도를 환기제어장치(22)에 송신하여 배기량을 조절함으로써 자동적으로 실내공기상태를 청정하게 유지할 수 있도록 구성된 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치이다.
본 발명을 통하여, 지중에 매설된 열교환파이프(12)로 지열과의 열교환을 효율적으로 수행할 수 있고, 열교환파이프(12)의 외면에 원판형집열판(31) 또는 스크류형집열판(32)을 부착함으로써 보다 효과적으로 지열을 흡수하여 지열공급히트펌프(24)로 공급하여 열에너지효율을 높일 수 있으며, 실내공기오염측정장치(21) 및 환기제어장치(22)에 의하여 쾌적한 실내공기를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 건물의 기초터파기시 열교환파이프(12)를 매설함으로써 시공비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치{COOLING AND HEATING APPARATUS USING GEOTHERMAL ENERGY}

본 발명은 지열을 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 지중에 매설된 열교환파이프(12)의 내부로 공기를 순환시켜 지중의 열과 열교환에 의하여 가열 및 냉각된 공기를 지열공급히트펌프(24)를 통하여 실내로 공급하여 줌으로써 자연을 이용한 냉난방 효과를 제공하고, 열교환파이프(12)의 외면에 원판형집열판(31) 또는 스크류형집열판(32)을 부착하여 지열흡수를 극대화하며,

실내의 실내공기오염측정장치(21)에 의해 감지된 실내의 탄산가스 등으로 인한 공기의 오염측정치를 환기제어장치(22)에 송신하여 환기제어장치(22)의 배기팬의 작동을 제어함에 따라 실내오염공기의 배기량을 조절함으로써, 자동적으로 실내공기상태를 청정하게 유지할 수 있도록 구성된 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치이다.

근래 급진적으로 증가되는 주거시설로 인하여 냉난방을 위한 에너지 사용이 동시에 증가하고 있기 때문에, 고유가로 인한 에너지 사용의 경제적 손실이 커짐에 따라 대체에너지 개발의 필요성이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

현재 가정용 및 산업용 에너지원으로 사용되는 석탄, 석유 및 천연가스 등과 같은 화석연료는 그 매장량에 한계가 있을 뿐 아니라, 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 대기오염을 가중시켜 심각한 환경문제를 야기하며, 핵연료를 사용하는 원자력발전은 인근해수의 수온을 상승시켜 해양생태계를 파괴하고, 발전시 발생하는 방사능 폐기물은 그 처리에 있어서 심각한 환경문제가 되고 있다.

따라서, 최근에는 공해를 발생시키지 않고 산업현장 및 주거시설에서 사용할 수 있는 대체에너지 개발이 활발해지고 있으며, 그 중 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다.

이러한 자연에너지는 기후 및 생태계의 변화에 아무런 영향을 미치지 않으면서 무한한 사용이 가능하지만, 에너지 밀도가 상당히 낮기 때문에 그 효과가 미흡하여 실제 활용에 있어서 한계가 있으므로, 이에 자연에너지를 이용가능한 사용에너지 형태로 밀도 높게 변화시키는 것이 자연에너지 개발기술의 핵심 관건이다.

일반적으로 지열을 이용한 냉난방장치는 지하수를 열전달 매체로 하여 지하에 매설된 파이프 내부로 이송시킴으로써, 땅속의 열과 열교환 되어 더욱 가온되거나 냉각된 상태의 지하수를 건물의 내부로 공급하여 냉난방을 이루도록 하는 장치이다.

즉, 지하수를 이용한 냉난방장치는 펌프를 통해 강제 이송시키는 지하수를 열원으로 사용함으로써 하절기에는 실내를 냉각하고, 동절기에는 실내를 난방하는 장치이다.

그러나 지하수를 사용할 경우 지하수 채취공을 굴착하는 비용이 많이 들고, 가뭄 등으로 강우량이 부족할 경우에는 지속적인 지하수확보가 어려우며, 지하수가 없는 지역에서는 설치가 불가능하다는 문제점이 있었다.

또한, 공기를 열전달 매체로 하는 경우에는 공기를 땅속으로 통과시키기 위한 열교환파이프(12)가 지중에 깊숙이 매설되어야하기 때문에, 매설작업에 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 지열을 이용한 냉난방장치에 있어서, 열전달 매체를 지하수가 아닌 공기로 선택하되, 공기를 지중으로 통과시키기 위한 열교환파이프(12)의 매설비용을 절감하기 위하여, 건물부지 이외의 별도의 부지를 굴착하거나, 건축이 완성된 건물지하를 다시 굴착하여 공기 이송용 열교환파이프(12)를 매설하는 오류를 범하지 아니하고, 건물의 기초터파기 작업시에 터파기한 구덩이의 최저 위치에 미리 공기 이송용 열교환파이프(12)를 매설함으로써,

별도의 부지가 필요 없을 뿐 아니라, 열교환파이프(12)의 매설비용이 획기적으로 절감되도록 매설한 열교환파이프(12)의 일측단의 공기흡입구(11)를 통하여 유입된 공기는 공기청정장치(23)를 통과하면서 정화되고, 정화된 공기는 열교환파이프(12)을 따라 지중(地中)을 통과하여 지중의 열과 열교환 된 공기는 지열공급히트펌프(24)에 의하여 실내로 공급되어 실내급기구(14)를 통하여 지열이 공급되고,

실내흡기구(15)로 흡기된 공기는 배기관(16)을 통하여 공기배출구(17)로 배출되되, 실내공기가 청정한 경우에는 환기제어장치(22) 내부의 배기팬이 작동되지 아니하므로, 배기되는 실내공기는 연통관(18)과 공기청정장치(23)를 거쳐 열교환파이프(12)로 복귀되어 순환하게 된다.

상기 공기순환작용은 실내공기의 오염도를 감지하는 실내공기오염측정장치(21)로부터 오염도에 따라 송신되는 신호를 환기제어장치(22)가 수신하여 부품인 배기팬의 작동 여부에 따라 실내공기의 배기량을 조절하면서 청정한 실내공기를 이루도록 하는 냉난방장치로 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치이다.

결국, 본 발명의 핵심기술요지는 지열을 이용한 냉난방장치에 있어서, 건물의 기초터파기 작업시에 터파기 구덩이의 최저 위치에 미리 매설되는 열교환파이프(12)가 구성되고, 공기흡입구(11)를 통하여 유입된 공기는 공기청정장치(23)를 통과하면서 정화되며, 정화된 공기는 지중(地中)에 매설된 열교환파이프(12)를 통과하면서 지중의 열과 열교환 되도록 구성되고,

열교환 된 공기는 지열공급히트펌프(24)에 의하여 실내급기구(14)를 통하여 실내로 공급되도록 구성되며, 실내로 공급된 공기는 실내흡기구(15), 배기관(16), 실내공기오염측정장치(21), 환기제어장치(22) 및 공기배출구(17)를 통하여 실외로 배출되도록 구성되되, 실내공기의 오염도를 감지하는 실내공기오염측정장치(21)의 오염도 신호송신에 따라 환기제어장치(22)에 부설된 배기팬의 작동 또는 비작동으로 실내공기의 배기량이 조절되도록 하여 실내공기가 청정한 경우에는 환기제어장치(22)에 부설된 배기팬이 비작동되어 배출되는 실내공기가 연통관(18) 및 공기청정장치(23)를 통하여 열교환파이프(12)로 귀환되어 재순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치이다.

또한, 열교환파이프(12)의 지중 매설 부분이 스크류형집열판(32)이 부착된 수직형열교환파이프(13)와 원판형집열판(31)이 부착된 수평형열교환파이프(19)로 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치이다.

본 발명을 통하여, 건물의 기초터파기 작업시에 터파기 구덩이의 최저 위치에 미리 매설한 열교환파이프(12)를 활용함으로써, 열교환파이프(12)의 매설비용을 획기적으로 절감하고, 열교환파이프(12)의 내부를 통과하는 공기가 지열과의 열교환을 효율적으로 수행할 수 있도록 열교환파이프(12)의 외면에 원판형집열판(31) 또는 스크류형집열판(32)을 부착함으로써, 보다 효과적으로 지열을 흡수하여 지열공급히트펌프(24)로 실내에 공급하여 에너지효율을 높일 수 있으며, 실내공기오염측정장치(21) 및 환기제어장치(22)에 의하여 쾌적한 실내공기를 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 수직형열교환파이프가 매설된 실시예의 도면.
도 2는 본 발명의 수직형열교환파이프를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 수평형열교환파이프가 매설된 실시예의 도면.
도 4는 본 발명의 수평형열교환파이프를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 스크류형집열판이 부착된 열교환파이프의 설치예 및 부분 확대도.
도 6은 본 발명의 원판형집열판이 부착된 열교환파이프의 설치예 및 부분 확대도.

본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

지열을 이용한 냉난방장치는 열교환파이프(12)의 매설방법에 따라서 수직형과 수평형으로 분리되는데, 도 1은 수직형열교환파이프(13)를 매설한 실시예를 도시한 것으로서, 이와 같은 경우는 시공부지가 다소 협소하고, 암석이 없어서 수직으로 깊이 굴착이 용이한 조건일 때에 적용되며, 지열의 회수성능이 우수한 장점이 있다.

그리고, 수직형열교환파이프(13)를 사용하는 냉난방장치는 기초터파기시 지중에 소정의 깊이로 천공하여 매설하는 열교환파이프(12)와 흡수된 지열을 건물의 실내로 강제순환시킬 수 있는 지열공급히트펌프(24)로 구성된다.

여기에서 열교환파이프(12)의 재질은 당 업계의 종사자가 수명, 유지비용 및 열전도율 등을 고려하여 선택, 실시할 수 있는 사항이므로 본 발명의 청구범위에 구체적인 한정은 하지 않으나, 구리재질의 동관이 바람직하다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이 공기흡입구(11)를 통하여 유입된 공기는 열교환파이프(12)를 따라 이동하면서 우선적으로 공기청정장치(23)를 통과하여 정화단계를 거치면서 실내급기구(14)를 통하여 실내로 공급된 후, 실내흡기구(15)를 통하여 배기관(16)을 따라 외부로 배출되는 실내공기가 청정한 경우에는 환기제어장치(22) 내의 배기팬이 작동되지 않기 때문에 연통관(18)을 통하여 지열공급히트펌프(24)의 흡입력으로 재유입 귀환되어 다시 공기청정장치(23)를 통과하게 된다.

이렇게 정화된 공기는 지중에 매설된 수직형열교환파이프(13)를 통과하게 되어 지중의 열을 흡수하게 되는데, 열교환파이프(12) 내의 공기는 지열공급히트펌프(24)에 의하여 이송되어 실내급기구(14)를 통하여 실내로 공급된다.

이렇듯 실내로 공급된 공기는 건물 내부를 대류하면서 냉난방의 역할을 실시한 후, 실내흡기구(15)를 통하여 흡입되어 배기관(16)을 따라 이송되고, 실내공기오염측정장치(21) 및 환기제어장치(22)를 거쳐서 공기배출구(17)를 통해 외부로 배출되는데, 이때 환기제어장치(22)의 작동여부는 실내공기의 오염도를 측정하는 실내공기오염측정장치(21)의 오염도 신호 송신에 따른 제어에 의해서 작동하게 된다.

즉, 실내공기오염측정장치(21)가 실내 공기의 오염도를 감지하게 되면 허용된 오염수치의 한계를 초과한 경우 그 신호를 환기제어장치(22)로 송신하게 되고, 이를 수신한 환기제어장치(22)는 오염도에 따라 내부 배기팬의 작동 또는 비작동으로 배기량을 조절하면서 실내흡기구(15)를 통하여 배출되는 실내공기를 공기배출구(17)를 통해 배출하게 되며, 배출되는 공기가 청정한 경우에는 연통관(18)으로 유도되어 공기청정장치(23)를 통과하여 재순환하게 된다.

도 2는 지중에 매설된 수직형열교환파이프(13)를 나타낸 사시도로서 열교환파이프(12)는 지중에 원통형으로 수직매설되고, 열교환파이프(12)를 따라 이송되는 공기는 수직형열교환파이프(13)를 통과하면서 지중의 열과 열교환 된 후, 지열공급히트펌프(24)에 의하여 실내로 공급된다.

그리고 도 3과 도 4는 수평형열교환파이프(19)가 매설된 상태를 나타낸 것으로서, 작동원리는 상기 수직형열교환파이프(13)가 매설된 냉난방장치와 동일하며, 지중에 암석 등의 장애물이 있는 경우에 수직방향으로 깊게 파내려 갈 수 없는 경우에 수평방향으로만 넓게 펼쳐질 수 있도록 시공하는 것으로서, 시공이 용이하고 유지보수가 간단하기 때문에 시공비가 저렴한 장점이 있다.

도 5는 매설된 수직형열교환파이프(13)의 외면에 스크류형집열판(32)을 부착한 상태를 나타낸 것으로서, 도 5의 확대된 부분을 보면 알 수 있듯이 스크류형집열판(32)은 지중의 흙과 접촉면적을 최대화함으로써 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 형성한 것이다.

또한, 수직형열교환파이프(13)의 외면에 스크류형집열판(32)을 부착하는 것은 기초터파기 작업시에 수직형열교환파이프(13)를 넣고 흙으로 매설시, 흙이 스크류형집열판(32) 사이로 잘 투입되어 공극을 없애고 조밀하게 흙으로 메워질 수 있도록 하기 위함인데, 이는 스크류형집열판(32)의 형상이 스크류형으로 되어있으므로 흙이 그 스크류형집열판(32)의 나선형으로 경사진 면을 따라 수직형열교환파이프(13)의 아래부분으로 용이하게 유도되기 때문이다.

한편, 도 6은 매설된 수평형열교환파이프(19)의 외면에 원판형집열판(31)을 부착한 상태를 나타낸 것으로서, 이는 도 5에서의 수직형열교환파이프(13)의 경우와 마찬가지로 지중의 흙과 원판형집열판(31)간의 접촉면적을 최대화하기 위함이며, 수평형열교환파이프(19)의 매설시에 원판형집열판(31)을 부착하는 것은 수직형과는 달리 기초터파기의 형태가 넓고 얕은 수평형이기 때문에 흙이 원판형집열판(31)의 각 수직형의 공간 사이로 잘 충전되도록 하기 위함이다.

즉, 지중에 매설시 원판형집열판(31) 사이를 흙으로 조밀하게 메우기 위해서는 수평으로 배치하여야 원판형집열판(31) 사이로 흙이 용이하게 메워질 수 있다.

이렇듯, 열교환파이프(12)의 외면에 부착되는 집열판은 수직형 및 수평형의 열교환파이프(12)의 매설 경우에 따라 그 형상을 다르게 해줌으로써 보다 효율적으로 지중에서 열교환을 이룰 수 있는 것이다.

11 : 공기흡입구
12 : 열교환파이프
13 : 수직형열교환파이프
14 : 실내급기구
15 : 실내흡기구
16 : 배기관
17 : 공기배출구
18 : 연통관
19 : 수평형열교환파이프
21 : 실내공기오염측정장치
22 : 환기제어장치
23 : 공기청정장치
24 : 지열공급히트펌프
31 : 원판형집열판
32 : 스크류형집열판

Claims

지열을 이용한 냉난방장치에 있어서,
건물의 기초터파기 작업시에 터파기 구덩이의 최저 위치에 미리 매설되는 열교환파이프(12)가 구성되고,
공기흡입구(11)를 통하여 유입된 공기는 공기청정장치(23)를 통과하면서 정화되며,
정화된 공기는 지중(地中)에 매설된 열교환파이프(12)를 통과하면서 지중의 열과 열교환 되도록 구성되고,
열교환 된 공기는 지열공급히트펌프(24)에 의하여 실내급기구(14)를 통하여 실내로 공급되도록 구성되며,
실내로 공급된 공기는 실내흡기구(15), 배기관(16), 실내공기오염측정장치(21), 환기제어장치(22) 및 공기배출구(17)를 통하여 실외로 배출되도록 구성되되,
실내공기의 오염도를 감지하는 실내공기오염측정장치(21)의 오염도 신호송신에 따라 환기제어장치(22)에 부설된 배기팬의 작동 또는 비작동으로 실내공기의 배기량이 조절되도록 하여 실내공기가 청정한 경우에는 환기제어장치(22)에 부설된 배기팬이 비작동되어 배출되는 실내공기가 연통관(18) 및 공기청정장치(23)를 통하여 열교환파이프(12)로 귀환되어 재순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치.
청구항 1에 있어서,
열교환파이프(12)의 지중 매설 부분이 스크류형집열판(32)이 부착된 수직형열교환파이프(13)로 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치.
청구항 1에 있어서,
열교환파이프(12)의 지중 매설 부분이 원판형집열판(31)이 부착된 수평형열교환파이프(19)로 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 효율적으로 이용한 냉난방장치.