KR101061494B1 - 지열을 이용한 열교환시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수의 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방용으로 사용할 수 있는 열교환시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면 지중에 시추홀을 형성하고, 시추홀에 채워지는 지하수의 지열을 이용한 열교환시스템에 있어서, 시추홀에 설치되어 시추홀의 붕괴를 방지하며 일측에 지하수가 유입되는 지하수 유입홀이 형성된 시추홀 보호부재와, 이 시추홀 보호부재의 일측에 설치되며 시추홀 보호부재에 수용된 지하수를 외부로 배출하는 펌프와, 이 펌프를 통해서 공급되는 지하수를 열교환수로 이용하여 냉난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 열교환기가 구비된 히트펌프와, 열교환기에서 배출되는 지하수의 배관 사이에 설치되며 열교환기에서 시추홀로 배출되는 지하수를 지상으로 일부 배출하여 감압시키는 드레인부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템이 제공된다.

Description

지열을 이용한 열교환시스템{HEAT EXCHANGE SYSTEM USING AN EARTH HEAT}

본 발명은 열교환시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지하수의 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방용으로 사용할 수 있는 열교환시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방이나 온수를 얻기 위하여 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다.

그러나 화석 연료는 연소 과정에서 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 오래전부터 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 이용 가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심 관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히프펌프시스템이 알려져 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

통상적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기 중에서 열을 얻거나 열을 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 그에 비해 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 대략 -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 원할하게 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 히트펌프시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지자원이 부족하고 에너지비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

지열원을 이용한 히트펌프시스템의 또 다른 장점은 냉방열이나 난방열을 지하에 저장할 수 있다는 점이다. 즉, 땅속의 흙이나 암반은 열전도도가 낮아 열이 쉽게 확산 되지 않고 저장되는 성질이 있으므로 여름철의 냉방으로 열교환 된 열을 지중으로 배출하면 그 열은 사라지지 않고 지중에 저장된다.

이렇게 지중에 저장된 열을 겨울철에 흡수하여 이용할 수 있으므로 냉난방을 동시에 하는 경우에는 더욱 높은 에너지 효율을 갖게 되는데, 이러한 냉난방은 히트펌프에 설치된 스위치 조작을 통하여 냉방과 난방 모드를 간단하게 전환 시킬 수 있다.

전술한 지열을 이용한 히트펌프시스템과 관련된 선행기술이 한국등록특허공보 제10-0771934호(2007.10.25) "지열히트펌프 시스템의 지중 열교환기"에 개시되어 있다. 상기 선행기술은 지중에 수직방향으로 홀을 굴착하여 홀의 외측 하부에는 암반층을 형성하고, 암반층과 지표면사이에는 토양층에 형성되는 시추공이 형성되도록 하며, 시추공의 내부에는 U자형의 지중 열교환기를 설치하여 히프펌프 유니트의 열교환기에 연결되도록 하고, 홀과 열교환기 사이에는 벤토나이트 또는 시멘트를 이용하여 그라우팅 처리를 하여 마감한다.

상기 선행기술은 시추공 내의 지중 열교환기와 연결되는 구조를 단순화하면서도 지중 열교환기와 상호 열교환 되는 열매체의 양을 최소로 하며, 친환경적인 시추공 환경을 조성할 수 있는 이점이 있다. 다만, 히트펌프유니트의 열교환기와 연결되는 지중열교환기의 설치 구조에 취약한 단점이 있다. 구체적으로, 열교환기는 PE 재질을 사용하며 u자부분에 융착을 하여 삽입하는데 순환 펌프의 압력과 수직 약 150m의 압력에 의하여 융착 부분이 터지는 것과, u자관을 삽입 할 때 홀이 무너지는 단점이 있다. 한편, 상기 선행기술은 지하수를 직접 이용하지 않고 지중열교환기를 통해 지중열이 간접적으로 열전달 되도록 이루어지므로 열전달 효율이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로, 본 발명의 일 실시예는 구조적으로 안정하면서도 냉난방 효율 및 작업 효율을 향상시킨 지열을 이용한 열교환시스템과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예는 지중에 시추홀을 형성하고, 시추홀에 채워지는 지하수의 지열을 이용한 열교환시스템에 있어서, 시추홀에 설치되어 시추홀의 붕괴를 방지하며 일측에 지하수가 유입되는 지하수 유입홀이 형성된 시추홀 보호부재와, 이 시추홀 보호부재의 일측에 설치되며 시추홀 보호부재에 수용된 지하수를 외부로 배출하는 펌프와, 이 펌프를 통해서 공급되는 지하수를 열교환수로 이용하여 냉난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 열교환기가 구비된 히트펌프와, 열교환기에서 배출되는 지하수의 배관 사이에 설치되며 열교환기에서 시추홀로 배출되는 지하수를 지상으로 일부 배출하여 감압시키는 드레인부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템을 제공한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면,

첫째, 시추홀에 시추홀 보호부재를 설치하여 시추홀의 붕괴 방지 및 펌프 등의 구성을 안정적으로 보호할 수 있는 지열을 이용한 열교환시스템을 제공할 수 있다.

둘째, 시추홀 보호부재의 내부에 채워지는 지하수를 펌프를 이용하여 직접 열교환기에 이용하므로 냉난방 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템를 도시한 개념도,
도 2 는 도 1에 도시된 지열을 이용한 열교환시스템의 사용 상태도이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템를 도시한 개념도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템(1)은 시추홀 보호부재(10), 펌프(20), 히트펌프(30), 드레인부(40), 충진부재(50)를 포함한다.

시추홀 보호부재(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 지중의 토양층(S)과 암반층(R)을 거쳐서 형성된 시추홀(H)에 설치되어 토양층(S)과 암반층(R)의 붕괴로 인해서 시추홀(H)이 매몰되는 것을 방지한다. 상기 시추홀 보호부재(10)의 하측에는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 지하수 유입홀(10a)이 형성되며, 이 지하수 유입홀(10a)을 통해서 지하수가 시추홀 보호부재(10)의 내부로 유입된다. 또한, 시추홀 보호부재(10)의 상측에도 지하수 유입홀(10a)을 형성하는 것이 바람직한데, 이 경우 지중의 상층에서 터지는 대수층 지하수를 이용할 수 있는 이점이 있다. 이 대수층 지하수는 한 번에 많은 양의 지하수가 배출되므로 이 대량의 지하수를 이용하면 단기간에 냉난방 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 시추홀 보호부재(10)는 내부식성과 내강도성을 갖도록 바람직하게는 백관 또는 PVC 재질을 사용한다.

펌프(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 시추홀 보호부재(10)의 내부에 설치되며 시추홀 보호부재(10)에 채워 진 지하수를 후술할 열교환기(30a)로 배출하는 것으로서, 바람직하게는 심정 펌프를 사용한다. 심정 펌프는 상수도가 없는 곳에서 개발된 관정으로부터 지하수를 끌어올리기 위하여 사용된다. 이 심정펌프의 하측에는 미 도시되었지만 모래, 암반 부스러기 등이 유입되는 것을 방지하기 위해서 메쉬망이 설치되는 것이 바람직하다.

히트펌프(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 펌프(20)와 배관(V)으로 연결되는 열교환기(30a)를 구비하며, 펌프(20)에 의해서 공급되는 지하수를 열 교환시켜 하절기에는 실내를 냉각하고 동절기에는 실내를 난방한다. 상기 히트펌프(30)의 열교환기(30a)에서 열 교환된 지하수는 도 1에 도시된 바와 같이 시추홀(H)과 연결된 배관(V)에 의해서 시추홀(H)로 배출된다.

드레인부(40)는 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(30a)와 시추홀(H)을 연결하는 배관(V) 사이에 설치되는 드레인밸브(40a)를 구비하며, 지하수의 분출이나 이물질에 의한 압력의 증가로 지하수의 순환이 원활하지 못할 때 자동으로 지하수를 배출하여 압력을 낮추는 역할을 한다.

충진부재(50)는 도 1에 도시된 바와 같이 암반층과 토양층에 형성된 시추홀(H)과 시추홀 보호부재(10) 사이의 공간에 채워지며, 암반층과 시추홀 보호부재(10) 사이에 채워지는 충진부재(50)는 투수성 물질(51)로 이루어지고, 토양층과 시추홀 보호부재(10) 사이에 채워지는 충진부재(50)는 불투수성 물질(52)로 이루어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 투수성 물질(51) 및 불투수성 물질(52)은 다수의 물질이 적층 또는 결합하여 지하수를 투과 또는 불 투과시키는 것을 말하는 것으로서, 투수성 물질(51)은 바람직하게는 자갈을 사용하고, 불투수성 물질(52)은 벤토나이트 또는 시멘트를 사용한다.

도 2 는 도 1에 도시된 지열을 이용한 열교환시스템의 사용 상태도이다.

먼저 암반층이나 토양층을 통해서 불투수성 물질(52)이 채워진 시추홀(H)로 흘러들어오는 지하수는 시추홀 보호부재(10)의 지하수 유입홀(10a)을 통해서 시추홀 보호부재(10)의 내부에 채워진다. 시추홀 보호부재(10)에 채워진 물은 펌프(20)에 의해서 열교환기(30a)를 통하여 히트펌프(30)로 이송되고, 이송된 지하수는 다시 에너지를 얻기 위하여 시추홀(H)과 암반층 사이의 투수성 물질(51)이 채워진 곳으로 이송되어 펌프(20)의 흡입 압력에 의해 순환을 반복하며 에너지를 공급한다. 일반적으로 지중온도(지표면에서 지하 수 m까지의 온도를 말함)는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다. 따라서 여름철에 냉방을 하는 경우 대기 공기열원의 온도는 25~30℃이상 이므로 냉방열을 배출하기 위해 사용되고, 겨울철의 경우 대기 공기열원은 5~ -20℃이므로 난방열을 공급하기 위해서 사용될 수 있다.

상기 열교환기(30a)에서 배출되는 지하수는 배관(V)을 통해서 투수성 물질(51)이 채워진 시추홀(H)로 이송된다. 지하수의 분출이나 이물질이 배관(V)에 유입되는 경우 압력의 증가로 지하수의 순환이 원활하지 못한 경우가 있는 데 본 발명의 바람직한 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 드레인밸브(40a) 또는 공지된 이물질 제거 장치(미도시)를 구비한 드레인부(40)를 설치함으로써 지하수의 순환을 원활하게 할 수 있다.

본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 요지를 벗어나지 않고도 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 본 발명의 기술보호범위는 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 않는다.

1 : 지열을 이용한 열교환시스템 10 : 시추홀 보호부재
10a : 지하수 유입홀 20 : 펌프
30 : 히트펌프 30a : 열교환기
40 : 드레인부 40a : 드레인밸브
50 : 충진부재 51 : 투수성 물질
52 : 불투수성 물질 H : 시추홀
V : 배관

Claims (5)

1. 지중에 시추홀을 형성하고, 상기 시추홀에 채워지는 지하수의 지열을 이용한 열교환시스템에 있어서,
   상기 시추홀에 설치되어 시추홀의 붕괴를 방지하며, 일측에 지하수가 유입되는 지하수 유입홀이 형성된 시추홀 보호부재;
   상기 시추홀 보호부재의 일측에 설치되며 상기 시추홀 보호부재에 수용된 지하수를 외부로 배출하는 펌프;
   상기 펌프를 통해서 공급되는 지하수를 열교환수로 이용하여 냉난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 열교환기가 구비된 히트펌프; 및
   상기 열교환기에서 배출되는 지하수의 배관 사이에 설치되며 상기 열교환기에서 상기 시추홀로 배출되는 지하수를 지상으로 일부 배출하여 감압시키는 드레인부를 포함하여 이루어지며,
   상기 시추홀 보호부재의 상측에는 암반 대수층에서 발생 되는 대량의 지하수가 유입될 수 있도록 지하수 유입홀이 더 형성된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 시추홀과 시추홀 보호부재의 사이에는 충진부재가 채워진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
   
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시추홀에 채워지는 충진부재의 일측은 투수성 물질로 채워지고 타측은 불투수성 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
   
5. 삭제

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