KR101055350B1 - 관정형 히트펌프 시스템 - Google Patents

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KR101055350B1
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유경용
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유경용
강한기
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Abstract

본 발명은 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 지하수, 지표수, 해수가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와; 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하는 히트 펌프; 및 상기 히트 펌프에서 생상된 냉난방수를 저장하고, 저장된 냉난방수를 부하측으로 공급하여 부하측의 냉난방을 수행하는 축열조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 지표수 또는 해수를 이용하도록 하천가 또는 해안가에 관정을 형성하거나 지하수를 이용하도록 지하 암반층에 관정을 형성하고, 관정에 집수된 물을 이용하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용함으로써 절기에 따라 외기온도보다 낮게 또는 높게 유지되는 지표수, 해수, 지하수를 이용한 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 확보하고, 효율이 우수한 히트펌프를 적용하여 냉난방에 이용할 수 있다.

Description

관정형 히트펌프 시스템{TUBE WELL TYPE HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 암반층 또는 하천가나 해안가에 관정을 형성하고, 관정에 집수된 물을 이용하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용하도록 하는 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
온도차에너지는 냉방, 난방, 급탕에 활용할 수 있는 시스템이다.
이러한 온도차에너지는 직접적으로 이용이 불가능하기 때문에 히트펌프 또는 냉동기 등의 열원장치와 열교환을 통해 이용되게 된다. 히트펌프를 사용한 시스템은 해수, 지표수(호수), 하수처리수 모두 공통적이다.
온도차에너지는 연간 온도변화가 대기보다 적은 데, 하계의 최고수온은 최고기온보다 낮아 히트펌프의 냉각수로 적합하고, 일반적으로 사용되는 냉각탑을 사용하여 방열하는 경우보다 효율이 높으며, 동계의 최저수온은 최고기온보다 높아 히트펌프의 열원으로 이용하게 되고, 공기를 사용하는 경우보다 히트펌프의 효율이 우수하다.
그리하여, 이러한 온도차에너지를 동절기에는 히트펌프의 증발기 가열열원으로, 하절기에는 응축기의 냉각열원으로 이용하면 공기를 열원으로 한 히트펌프(EHP 등)에 비해 고효율로 냉온열을 제조하여, 건물 또는 지역열원으로 이용할 수 있다.
온도차에너지 즉, 미활용에너지는 기존의 냉난방시스템에 비해 에너지절약은 물로, 도시 및 지구환경 개선, 전력평준화 효과 등을 기대할 수 있다. 기존의 냉난방시스템에 비해 이산화탄소 발생량을 40~60%정도 줄일 수 있고, 질소산화물(NOx)의 생성을 60~80% 정도 줄일 수 있다.
또한 온도차에너지인 지표수 및 해수의 경우에는 다른 열원과 달리 풍부한 부존량을 가지고 있기 때문에 이용기술의 발전과 더불어 온도차에너지를 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템의 보급이 증가될 것으로 예상된다.
그러나 미활용에너지를 실제적으로 이용하는 데에는 열의 회수 등의 기술적 과제가 존재하고, 이러한 미활용에너지를 적용할 수 있는 각종 기술적 과제가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 지표수 또는 해수를 이용하도록 하천가 또는 해안가에 관정을 형성하거나 지하수를 이용하도록 지하 암반층에 관정을 형성하고, 관정에 집수된 물을 이용하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용함으로써 절기에 따라 외기온도보다 낮게 또는 높게 유지되는 지표수, 해수, 지하수를 이용한 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 확보하고, 효율이 우수한 히트펌프를 적용하여 냉난방에 이용할 수 있으며, 설치 비용이 상대적으로 저렴한 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 관정에 형성된 유입공이 스케일 및 오염물질에 의해 막히는 경우 압축공기 또는 고압수를 이용하여 이를 역세척함으로써 안정적인 지표수 또는 해수 공급 및 원활한 유지보수가 가능하도록 하는 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 지하수의 취수 이외에 지표수 또는 해수를 취수 시에는 지표수 또는 해수를 직접 취수하지 않고, 하천 또는 바다 인접지역에 굴착을 통해 관정을 설치한 다음 주변 미고결 지층을 통해 지표수 또는 해수가 관정으로 유도되는 취수 방식을 취한 후 취수된 지표수 또는 해수를 다시 하천 또는 해안으로 다시 배출함으로써 하천 및 바다 인접 지역의 자연적인 지질 매체의 오염저감 능력과, 관정에 형성된 유입공에 따른 오염저감 능력을 이용하여 지표수 또는 해수를 정수시켜 시스템에 적용하여 시스템을 안정적으로 운영할 수 있고, 필터링 시스템에 소요되는 초기투자비 및 유지관리비용 등을 절감할 수 있으며, 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프; 및 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하는 히트 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 관정은 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되는 외부 케이싱과; 내부가 중공상으로 형성되되, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되는 내부 케이싱; 및 상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 심정 펌프가 연결되고, 타단에 상기 히트 펌프가 연결되는 물 배출 관로로 이루어진다.
여기에서 또한, 상기 관정은 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되는 외부 케이싱과; 내부가 중공상으로 형성되되, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되는 내부 케이싱과; 상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 심정 펌프가 연결되고, 타단에 상기 히트 펌프가 연결되는 물 배출 관로; 및 상기 외부 케이싱의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 히트 펌프가 연결되는 물 유입 관로로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 외부 케이싱은 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공이 형성된다.
여기에서 또, 상기 내부 케이싱은 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공이 형성된다.
여기에서 또, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에는 상기 외부 케이싱의 제 1유입공 및 내부 케이싱의 제 2유입공의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공이 형성된 이물질 제거 관로와; 상기 이물질 제거 관로를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단을 더 구비한다.
여기에서 또, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱은 내부에 각각 백 필터를 구비한다.
여기에서 또, 상기 히트 펌프는 열교환이 이루어진 물을 상기 관정으로 재투입하거나 또는 하천이나 해안으로 배출한다.
여기에서 또, 상기 히트 펌프는 열교환이 이루어진 물을 상기 물 유입 관로를 통해 상기 관정으로 재투입한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 관정형 히트펌프 시스템에 따르면, 지하수, 지표수, 해수를 열원으로 하는 히트펌프로 냉난방을 안정적으로 수행함으로써 공기열원 방식의 히트펌프나, 에어컨 또는 히터에 비해 높은 COP(냉방시 : 5.0, 난방시 : 3.0)를 유지하여 효율이 우수한 히트펌프를 통해 냉난방에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 관정에서 만일에 발생할 수 있는 스트레이너, 유입공의 막힘이 발생하는 경우 압축공기 또는 고압수를 이용하여 막힘을 제거함으로써 시스템 운영시 안정적으로 지표수 또는 해수를 공급할 수 있기 때문에 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 지하수의 취수 이외에 지표수 또는 해수를 취수 시에는 지표수 또는 해수를 직접 취수하지 않고, 하천 또는 바다 인접지역에 굴착을 통해 관정을 설치한 다음 주변 미고결 지층을 통해 지표수 또는 해수가 관정으로 유도되는 취수 방식을 취한 후 취수된 지표수 또는 해수를 다시 하천 또는 해안으로 다시 배출함으로써 하천 및 바다 인접 지역의 자연적인 지질 매체의 오염저감 능력과, 관정에 형성된 유입공에 따른 오염저감 능력을 이용하여 필터링 시스템에 소요되는 초기투자비 및 유지관리비용 등을 절감할 수 있고, 이산화탄소 배출량도 현저히 줄일 수 있으며, 지표수 또는 해수가 토사 및 관정에 형성된 유입공을 통해 정수시킨 후 이를 다시 하천 또는 해안으로 다시 배출함으로써 환경친화적이며, 환경오염을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 수축열 방식을 적용하여 운전하게 됨으로써, 기존 부하추종형 운전방식이 아닌 정속도운전을 연속적으로 수행하여 시스템 효율이 향상시킬 수 있고, 인버터, 전기히터 등 장치의 가격상승요인을 제거할 수 있어, 제품의 상용화에 있어서 가장 중요한 가격 경쟁력을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 본 발명에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
《제 1실시예》
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 설명도이고, 도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)은 관정(110)과, 심정 펌프(120)와, 히트 펌프(130)로 이루어진다. 도면중 미설명 부호인 101은 펌프이다.
먼저, 관정(110)은 지표수 또는 해수가 유입되도록 지표수 또는 해수 인근 지면인 하천가, 호수가 또는 해안가에 수직으로 형성된다. 여기에서 관정(110)을 하천가, 호수가 또는 해안가에 형성하는 이유는 관정(110)의 주변 미고결 지층을 통해 지표수 또는 해수가 관정으로 유도되는 취수 방식을 취하기 때문에 하천가, 호수가 또는 해안가의 지질 매체를 이용하여 자연적으로 오염물질을 정화할 수 있기 때문이다.
관정(110)은 외부 케이싱(111)과, 내부 케이싱(113)과, 물 배출 관로(115)로 구성된다.
외부 케이싱(111)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입된다. 이때, 외부 케이싱(111)은 지표수 또는 해수가 지중을 통해 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공(111a)이 형성된다. 또한, 제 1유입공(111a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 외부 케이싱(111)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
내부 케이싱(113)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되되, 외부 케이싱(111)보다 작은 관경을 가지며 외부 케이싱(111) 내부에 설치된다. 이때, 내부 케이싱(113)은 지표수 또는 해수가 지중을 통해 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공(113a)이 형성된다. 또한, 제 2유입공(113a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 내부 케이싱(113)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
물 배출 관로(115)는 내부 케이싱(113)의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 하기에서 설명할 심정 펌프(120)가 연결되고, 타단에 하기에서 설명할 히트 펌프(130)가 연결된다.
한편, 관정(110)은 한 번 설치하며, 내부에 설치되는 심정펌프(120)를 제외하고는 유지보수를 할 수 없는 데, 지표수 또는 해수가 유입되어 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 막힐 경우에는 유량변하에 따른 효율 및 시스템 운영에 문제가 발생할 수 있다.
그리하여, 본 발명의 제 1실시예에서는 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공(117a)이 형성된 이물질 제거 관로(117)와, 이물질 제거 관로(117)를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단(119)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기에서 이물질 제거 수단(119)은 압축 공기를 배출하는 컴프레셔 또는 고압수를 배출하는 고압펌프이다.
그리고, 심정 펌프(120)는 물 배출 관로(115)의 끝단에 설치되어 관정(110) 내에 집수된 지표수 또는 해수를 히트 펌프(130)로 공급한다. 이때, 심정 펌프(120)의 설치 위치는 집수된 지표수 또는 해수의 수위 하단에 위치하고, 선택에 따라 별도의 위치 조절 장치(미도시)를 이용하여 관리자가 위치를 조절할 수도 있다.
또한, 히트 펌프(130)는 증발기(131), 응축기(133), 압축기(135), 팽창변(137), 사방밸브(139)를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 물 배출 관로(115)를 통해 심정 펌프(120)로부터 공급되는 지표수 또는 해수를 이용하여 냉난방수를 생산한다. 여기에서, 히트 펌프(130)는 열교환이 이루어진 지표수 또는 해수를 하천이나 해안으로 배출한다.
이하, 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이고, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
《냉방》
먼저, 관정(110)이 하천가나 해안가 인근의 지면에 설치되어 있기 때문에 관정(110) 내부로 지표수나 해수가 유입되어 관정(110) 내부에 집수된다.
이때, 지표수나 해수가 지중을 통해 관정(110) 내부로 유입되기 때문에 하절기의 경우 대기온도와 지면보다 지중의 온도가 낮기 때문에 열교환에 따라 지표수나 해수의 온도가 더 낮아지게 된다. 또한, 지표수나 해수가 지중을 통해 유입되기 때문에 관정(110)의 주변 미고결 지층을 통해 자연적으로 오염물질이 정화된다.
그리고, 지표수나 해수가 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 히트 펌프(130)의 응축기(133)로 지표수 또는 해수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(130)의 응축기(133)에 공급된 지표수 또는 해수가 기체인 냉매를 응축하기 위한 냉각수 역할을 수행하고, 온도가 3~5℃정도 상승된 후 하천이나 해안으로 배출된다. 이때, 지표수 또는 해수의 온도가 대기온도보다 낮기 때문에 히트펌프 효율(COP : 5.0 이상)이 우수하며, 지표수 또는 해수 유량이 풍부하기 때문에 안정적인 운영이 가능할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)의 동작시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 스케일이나 토사 같은 이물질로 막히는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(119)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(119)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 관로(117)에 형성된 복수의 배출공(117a)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 제거한다.
히트 펌프(130)에서 생산된 냉수(약 5℃)는 부하측에 공급하여 냉방을 수행하게 된다.
《난방》
먼저, 관정(110)이 하천가나 해안가 인근의 지면에 설치되어 있기 때문에 관정(110) 내부로 지표수나 해수가 유입되어 관정(110) 내부에 집수된다.
이때, 지표수나 해수가 지중을 통해 관정(110) 내부로 유입되기 때문에 동절기의 경우 대기온도와 지면보다 지중의 온도가 높기 때문에 열교환에 따라 지표수나 해수의 온도가 더 높아지게 된다. 또한, 지표수나 해수가 지중을 통해 유입되기 때문에 관정(110)의 주변 미고결 지층을 통해 자연적으로 오염물질이 정화된다.
그리고, 지표수나 해수가 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 히트 펌프(130)의 증발기(131)로 지표수 또는 해수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(130)의 증발기(131)에 공급된 지표수 또는 해수가 액체인 냉매를 증발하기 위한 열원 역할을 수행한 후 온도가 3~5℃정도 하강된 후 하천 또는 해안으로 배출된다. 이때, 지표수 또는 해수의 온도가 대기온도보다 높게 유지하기 때문에 히트펌프 효율(COP : 3.0이상)이 우수하며, 지표수 또는 해수 유량이 풍부하기 때문에 안정적인 운영이 가능할 수 있다.
히트 펌프(130)에서 생산된 온수(약 50℃)는 부하측에 공급하여 난방을 수행하게 된다.
그리고, 본 발명의 제 1실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)의 동작시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 스케일이나 토사 같은 이물질로 막히는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(119)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(119)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 관로(117)에 형성된 복수의 배출공(117a)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 제거한다.
《제 2실시예》
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 설명도이고, 도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)은 관정(110)과, 심정 펌프(120)와, 히트 펌프(130)로 이루어진다. 도면중 미설명 부호인 101은 펌프이다.
먼저, 관정(110)은 지하수가 유입되도록 지표면에서 수직으로 암반층까지 형성된다.
관정(110)은 외부 케이싱(111)과, 내부 케이싱(113)과, 물 배출 관로(115)와, 물 유입 관로(116)로 구성된다.
외부 케이싱(111)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 암반층까지 수직으로 관입된다. 이때, 외부 케이싱(111)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공(111a)이 형성된다. 또한, 제 1유입공(111a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 외부 케이싱(111)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
내부 케이싱(113)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되되, 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 외부 케이싱(111) 내부에 설치된다. 이때, 내부 케이싱(113)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공(113a)이 형성된다. 또한, 제 2유입공(113a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 내부 케이싱(113)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
물 배출 관로(115)는 내부 케이싱(113)의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 하기에서 설명할 심정 펌프(120)가 연결되고, 타단에 하기에서 설명할 히트 펌프(130)가 연결된다.
물 유입 관로(116)는 외부 케이싱(111)의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 히트 펌프(130)가 연결되어 히트 펌프(130)에서 배출되는 물을 외부 케이싱(111)으로 배출하여 물을 순환시킨다.
한편, 관정(110)은 한 번 설치하며, 내부에 설치되는 심정펌프(120)를 제외하고는 유지보수를 할 수 없는 데, 지하수가 유입되어 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 막힐 경우에는 유량변하에 따른 효율 및 시스템 운영에 문제가 발생할 수 있다.
그리하여, 본 발명의 제 2실시예에서는 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공(117a)이 형성된 이물질 제거 관로(117)와, 이물질 제거 관로(117)를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단(119)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기에서, 이물질 제거 수단(119)은 압축 공기를 배출하는 컴프레셔 또는 고압수를 배출하는 고압펌프이다. 또한, 본 발명의 제 2실시예에서는 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 여과 사리(콩자갈)을 충진할 수 있다.
그리고, 심정 펌프(120)는 물 배출 관로(115)의 끝단에 설치되어 관정(110) 내에 집수된 지하수를 히트 펌프(130)로 공급한다. 이때, 심정 펌프(120)의 설치 위치는 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하고, 선택에 따라 별도의 위치 조절 장치(미도시)를 이용하여 관리자가 위치를 조절할 수도 있다.
또한, 히트 펌프(130)는 증발기(131), 응축기(133), 압축기(135), 팽창변(137), 사방밸브(139)를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 물 배출 관로(115)를 통해 심정 펌프(120)로부터 공급되는 지하수를 이용하여 냉난방수를 생산하고, 열교환이 이루어진 지하수를 물 유입 관로(116)를 통해 관정(110)으로 배출시킨다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이고, 도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
《냉방》
먼저, 관정(110)이 관정(110) 내부로 지하수가 유입되어 관정(110) 내부에 집수된다.
이때, 지하수는 하절기의 경우 대기온도보다 낮은 지열에 의해 대기온도보다 낮아지게 된다.
그리고, 지하수가 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 히트 펌프(130)의 응축기(133)로 지하수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(130)의 응축기(133)에 공급된 지하수가 기체인 냉매를 응축하기 위한 냉각수 역할을 수행하고, 온도가 3~5℃정도 상승된 후 물 유입 관로(116)를 통해 관정(110)의 외부 케이싱(111)으로 배출된다. 이때, 지하수의 온도가 대기온도보다 낮기 때문에 히트펌프 효율(COP : 5.0 이상)이 우수하다.
그리고, 외부 케이싱(111)으로 배출된 지하수는 다시 열교환되어 내부 케이싱(113)으로 유입된 후 심정 펌프(120)를 통해 히트 펌프(130)로 순환된다.
또한, 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)의 동작시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 스케일이나 토사 같은 이물질로 막히는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(119)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(119)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 관로(117)에 형성된 복수의 배출공(117a)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 제거한다.
히트 펌프(130)에서 생산된 냉수(약 5℃)는 부하측에 공급하여 냉방을 수행하게 된다.
《난방》
먼저, 관정(110)이 관정(110) 내부로 지하수가 유입되어 관정(110) 내부에 집수된다.
이때, 지하수는 동절기의 경우 대기온도보다 높은 지열에 의해 대기온도보다 높게 유지된다.
그리고, 지하수가 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 히트 펌프(130)의 증발기(131)로 지하수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(130)의 증발기(131)에 공급된 지하수가 액체인 냉매를 증발하기 위한 열원 역할을 수행한 후 온도가 3~5℃정도 하강된 후 물 유입 관로(116)를 통해 관정(110)의 외부 케이싱(111)으로 배출된다. 이때, 지하수의 온도가 대기온도보다 지하수의 온도가 대기온도보다 높게 유지하기 때문에 히트펌프 효율(COP : 3.0이상)이 우수하다.
히트 펌프(130)에서 생산된 온수(약 50℃)는 부하측에 공급하여 난방을 수행하게 된다.
그리고, 외부 케이싱(111)으로 배출된 지하수는 다시 열교환되어 내부 케이싱(113)으로 유입된 후 심정 펌프(120)를 통해 히트 펌프(130)로 순환된다.
그리고, 본 발명의 제 2실시예에 따른 관정형 히트펌프 시스템(100)의 동작시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 스케일이나 토사 같은 이물질로 막히는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(119)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(119)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 관로(117)에 형성된 복수의 배출공(117a)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 제거한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 관정 111 : 외부 케이싱
113 : 내부 케이싱 115 : 물 배출 관로
116 : 물 유입 관로 117 : 이물질 제거 관로
120 : 심정 펌프 130 : 히트 펌프
131 : 증발기 133 : 응축기
135 : 압축기 137 : 팽창변
139 : 사방밸브

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되고, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되며, 내외측면에 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 각각 복수의 제 1유입공이 형성되는 외부 케이싱과, 내부가 중공상으로 형성되되, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되고, 내외측면에 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 각각 복수의 제 2유입공이 형성되는 내부 케이싱과, 상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되는 물 배출 관로와, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에 충진되는 여과 사리로 구성되는 관정과;
    상기 관정에 집수된 물을 배출하도록 상기 물 배출 관로의 일단에 연결되는 심정 펌프와;
    상기 물 배출 관로의 타단에 연결되어 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하는 히트 펌프와;
    상기 외부 케이싱의 제 1유입공 및 내부 케이싱의 제 2유입공의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공이 형성된 이물질 제거 관로; 및
    상기 이물질 제거 관로를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관정형 히트펌프 시스템.
  3. 지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되고, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되며, 내외측면에 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 각각 복수의 제 1유입공이 형성되는 외부 케이싱과, 내부가 중공상으로 형성되되, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되고, 내외측면에 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 각각 복수의 제 2유입공이 형성되는 내부 케이싱과, 상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되는 물 배출 관로와, 상기 외부 케이싱의 일측에 수직으로 설치되는 물 유입 관로와, 상기 외부 케이싱과 내부 케이싱 사이에 충진되는 여과 사리로 구성되는 관정과;
    상기 관정에 집수된 물을 배출하도록 상기 물 배출 관로의 일단에 연결되는 심정 펌프와;
    상기 물 배출 관로의 타단에 연결되고, 상기 물 유입 관로의 일단에 연결되어 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하는 히트 펌프와;
    상기 외부 케이싱의 제 1유입공 및 내부 케이싱의 제 2유입공의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공이 형성된 이물질 제거 관로; 및
    상기 이물질 제거 관로를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관정형 히트펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 외부 케이싱과 내부 케이싱은,
    내부에 각각 백 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 관정형 히트펌프 시스템.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 히트 펌프는,
    열교환이 이루어진 물을 하천이나 해안으로 배출하는 것을 특징으로 하는 관정형 히트펌프 시스템.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 히트 펌프는,
    열교환이 이루어진 물을 상기 물 유입 관로를 통해 상기 관정으로 재투입하는 것을 특징으로 하는 관정형 히트펌프 시스템.
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