KR101055374B1 - 지중열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로 더욱 자세히는 암석이 풍화, 침식, 운반 등의 과정에 의한 퇴적층에 다량의 지하수를 포함하는 충적대수층을 이용한 지중열교환기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기는 충적대수층의 지하수를 격리 순환 즉, 하부층에 존재하는 지하수를 양수하고, 충적대수층의 상부층으로 지하수를 주입하는 지중열교환기가 구성되되, 상기 지중열교환기는 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성되며, 외부케이싱은 지하수를 주입하는 상부 주입부와 지하수를 양수하는 하부의 양수부가 분리되도록 중앙에 차단내벽이 구비되는 것을 특징으로 한다.

대수층, 히트펌프, 지열, 열교환

Description

지중열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로 더욱 자세히는 암석이 풍화, 침식, 운반 등의 과정에 의한 퇴적층에 다량의 지하수를 포함하는 충적대수층을 이용한 지중열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 지열은 지표면의 하부에 분포되어 토양과 암석이 태양복사열이나 지구 내부의 마그마 열로 인하여 보유하는 열을 말한다.

또한 충적대수층은 지하수를 함유한 지층으로 모래, 자갈, 실트, 점토 등으로 구성되어 있으며, 지하수는 이들 지층을 구성하는 암석의 공극을 포화시키면서 존재한다.

이러한 충적대수층의 지열은 연중 일정한 온도를 유지하고 있으며, 지하수가 풍부한 곳에서는 연중 일정한 수온(약 15℃)의 지하수를 이용하여, 냉난방에 이용하고 있다.

충적대수층을 이용한 냉난방시스템은 효율이 높고, 친환경적인 방법으로 알 려져 있으며, 지구온난화를 유발하는 이산화탄소 배출 절감을 위한 방안 중에서 가장 경제적이고 효과적이어서, 다양한 방법의 히트펌프 시스템으로 개발되었다.

하지만 종래의 충적대수층을 이용한 히트펌프 시스템은 충적대수층 내에 지중열교환기를 구비하여, 지하수를 양수하여 냉난방의 용도에 따라 열교환기에 의해 수온을 변화시킨 후, 사용된 지하수는 다시 충적대수층 내에 주입하는 방식으로 이루어지는데, 이러한 양수되는 지하수와 주입되는 지하수 간에 혼합으로 일정한 수온의 지하수를 얻는데 문제가 발생할 우려가 있으며, 이로 인해 지중열교환기의 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,

첫째, 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기는 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성하며, 외부케이싱은 지하수를 주입하는 상부 주입부와 지하수를 양수하는 하부의 양수부가 분리되도록 중앙에 차단내벽을 구비하여, 양수되는 지하수와 주입되는 지하수를 격리시킴으로써 지중열교환기의 효율성을 높이는 것을 목적으로 한다.

둘째, 지중열교환기의 내부케이싱에 수중펌프를 더 구비하여 지하수의 양수작업이 용이하게 이루어지는 것을 목적으로 한다.

셋째, 지중열교환기의 내부케이싱 및 외부케이싱의 내부 벽면에 스크린을 더 구비하여 양수 또는 주입 되는 지하수의 부유물질을 제거하고, 양수 또는 주입 작업을 더욱 원활하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기는 충적대수층의 지하수를 격리 순환 즉, 하부층에 존재하는 지하수를 양수하고, 충적대수층의 상부층으로 지하수를 주입하는 지중열교환기가 구성되되, 상기 지중열교환기는 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성되며, 외부케이싱은 지하수를 주입하는 상부 주입부와 지하수를 양수하는 하부의 양수부가 분리되도록 중앙에 차단내벽이 구비되는 것을 특징으로 한 다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기는,

첫째, 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성하며, 외부케이싱은 지하수를 주입하는 상부 주입부와 지하수를 양수하는 하부의 양수부가 분리되도록 중앙에 차단내벽을 구비하여, 양수되는 지하수와 주입되는 지하수를 격리시킴으로써 연중 일정한 온도의 지하수를 양수하여, 지중열교환기의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 지중열교환기의 내부케이싱에 수중펌프를 더 구비하여 지하수의 양수작업이 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

셋째, 지중열교환기의 내부케이싱 및 외부케이싱의 내부 벽면에 스크린을 더 구비하여 양수 또는 주입 되는 지하수의 부유물질을 제거하고, 양수 또는 주입 작업을 더욱 원활하게 할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기가 적용되는 지열히트펌프 시스템의 구성도가 [도 1]에 도시되었다.

[도 1]에 도시된 바와 같이, 충적대수층은 표토층(11)과 기반암(19) 사이에 암석이 풍화, 침식, 운반 등의 과정에 의한 퇴적층에 다량의 지하수가 존재하는 지층을 말하며, 지하수가 투과되기 힘든 지층인 불투수층(15)이 존재 시, 불투수층(15)을 기준으로 상부투수층(13) 및 하부투수층(17)으로 구분될 수 있다.

상기 지중열교환기(20)는 충적대수층 내부에 형성되어, 충적대수층에 존재하는 지하수를 격리 순환시키는 역할을 하게 된다.

상기 지중열교환기(20)는 [도 2]에 도시된 바와 같이, 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성되는데 편의상 내부의 관을 내부케이싱(23)이라 하고 외부의 관을 외부케이싱(25)이라 하겠다.

상기 내부케이싱(23)은 주로 폴리염화비닐(PVC-Polyvinyl chloride) 재질로 형성되며, 충적대수층의 지하수를 양수하여 외부로 이동시키는 통로가 되며, 원활한 양수작업을 위해 내부케이싱(23)의 내부에는 [도 1]에 표시한 수중펌프(27)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 수중펌프(27)는 토사가 섞인 흐린 물의 양수에 사용되는 펌프이며, 푸트밸브나 흡입호스가 필요 없고, 흡수 조작의 취급이 용이하다.

또한 상기 외부케이싱(25)은 주로 강관으로 형성되며, 지하수가 주입될 때, 지하수가 이동하는 통로가 되는 상부 주입부(253)와 지하수를 양수하여, 내부케이싱(23)에 전달하는 하부의 양수부(255)로 구성된다.

더불어 상기 외부케이싱(25)에는 양수되는 지하수와 주입되는 지하수가 분리되도록 중앙에 차단내벽(26)이 구비되는 것이 특징이다.

그리고 상기 내부케이싱(23)과 외부케이싱(25)의 내벽에는 양수 또는 주입 되는 지하수의 흐름을 유도하고 지하수의 부유물질을 제거하기 위한 스크린(29)이 더 구비되는 것이 특징이다.

상기 판형열교환기(30)는 상기 지중열교환기(20)로부터 전달 받은 지하수를 이용하여 열교환 작업을 수행한다.

상기 판형열교환기(30)는 열판을 이용하여 온도가 서로 다른 매체를 근접시켜 매체 열을 서로 나누어 가지도록 하는 장치로 근접한 열판사이로 일면은 온도가 높은 매체를 타면은 온도가 낮은 매체를 통과시켜 온도가 높은 매체의 열이 온도가 낮은 매체로 전달되도록 구성된다.

상기 히트펌프(40)는 상기 판형열교환기(30)로부터 얻은 열에너지를 이용하여, 냉방 또는 난방의 목적에 따라 감온 또는 승온된 공기를 실내로 배출하는 역할을 한다.

상기 히트펌프(40)는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치를 말하며, 구조는 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브 등으로 이루어져 있다.

작동원리는 난방의 경우, 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시킨다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 외부로 노출시키고, 냉방의 경우 난방과 반대로 응푹기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하여 응축된 냉매가 외부공기와 열교환되는 시스템으로 구성된다.

상기 판형열교환기(30) 및 히트펌프(40)는 공지의 기술에 의해 실시되는 것이므로, 내부 구성과 작용에 관한 상세한 설명은 생략한다.

[도 3]은 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기의 작동에 따른 지하수의 흐름을 도시한 도면이다.

[도 3]에 도시된 바와 같이, 하부투수층(17)에 존재하는 지하수는 외부케이싱(25)의 양수부(255)를 통해 이동한 후, 내부케이싱(23)의 스크린(29)을 통해 내부케이싱(23)으로 이동하게 된다.

또한 내부케이싱(23)에 구비된 수중펌프(27)를 통해 양수되고, 이렇게 양수된 지하수(53)는 상기 판형열교환기(30)로 이동되어, 양수된 지하수(53)는 열교환 된다.

상기 판형열교환기(30)에서 열교환된 지하수(55)는 지중열교환기(20)의 외부케이싱(25)으로 이동하게 되고, 외부케이싱(25)의 주입부(253)에 의해 상부투수층(13)으로 주입되게 된다.

이때, 외부케이싱(25)의 내벽에 구비된 스크린(29)으로 인해 지하수의 주입작업이 더욱 용이하게 이루어진다.

또한 상기 외부케이싱(25)의 주입부(253)의 외곽은 [도 4]에 도시된 바와 같 이, 입자가 굵은 암석(60)을 배치함으로써 주입되는 지하수(55)의 흐름이 원활하게 이루어지게 하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명에 따른 지중열교환기(20)를 사용하면, 양수된 지하수(53)와 주입되는 지하수(55)가 지중열교환기(20)의 차단내벽(26)에 의해 서로 분리되어 격리 순환됨으로써, 지중열교환기(20)는 연중 일정한 수온을 유지하는 충적대수층의 지하수를 공급할 수 있는 장점이 있는 것이다.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 지중열교환기로 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기가 포함된 히트펌프 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기의 투시도.

도 3은 본 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기의 지하수 흐름을 나타내는 흐름도.

도 4는 발명에 따른 충적대수층을 이용한 지중열교환기의 사시도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

20 : 지중열교환기 23 : 내부케이싱

25 : 외부케이싱 27 : 수중펌프

29 : 스크린 30 : 판형열교환기

40 : 히트펌프

Claims (4)

1. 충적대수층의 지하수를 격리 순환 즉, 하부층에 존재하는 지하수를 양수하고, 충적대수층의 상부층으로 지하수를 주입하는 지중열교환기가 구성되되,

   상기 지중열교환기는 이중의 관 형태의 케이싱으로 구성되며, 외부케이싱은 강관으로 형성되고, 지하수를 주입하는 상부 주입부와 지하수를 양수하는 하부의 양수부가 분리되도록 상기 충적대수층의 불투수층과 동일 선상에 차단내벽이 구비되며,

   상기 지중열교환기의 내부케이싱은 폴리염화비닐(PVC-Polyvinyl chloride) 재질로 형성되고, 상기 내부케이싱의 내부에 지하수의 양수를 용이하게 하는 수중펌프를 구비하며,

   상기 지중열교환기의 내부케이싱 및 외부케이싱의 내부 벽면에는 양수 또는 주입되는 지하수의 흐름을 유도하고, 지하수의 부유물질을 제거하기 위한 스크린을 포함하며,

   상기 외부케이싱의 상부 주입부에 주입되는 지하수가 상기 스크린을 통해 바깥 지중 쪽으로 분산되어 퍼지면서 주입될 수 있도록 하며,

   상기 지중열교환기의 상부 주입부의 외곽에는 주입되는 지하수의 이동을 용이하게 하기 위하여, 입자가 굵은 자갈을 배치하는 것을 특징으로 하는 충적대수층을 이용한 지중열교환기.
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