KR101098949B1

KR101098949B1 - 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템

Info

Publication number: KR101098949B1
Application number: KR1020110085729A
Authority: KR
Inventors: 김종웅
Original assignee: 신양에너지 주식회사
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2011-12-28

Abstract

본 발명은 지중열을 이용하여 냉난방이 이루어지는 하이브리드 시스템에 있어서, 지하수에 포함된 지중열을 난방열로 회수한 후 지하수의 온도를 대기온도로 보상하여 지하 온도의 하강을 방지함으로써 지열히트펌프의 효율을 높일 수 있도록 하는 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 지중열교환기에서 지열을 흡수한 후 지열히트펌프에서 지열을 회수하여 냉난방열교환기에서 난방이 이루어지게 한 후 지열히트펌프를 통과한 지하수가 지중열교환기로 순환되게 하는 하이브리드 시스템에 있어서, 지중열교환기의 지하수는 3웨이 밸브의 선택에 따라 지열히트펌프로 입력되거나 팬코일 유니트로 입력되게 하고, 상기 지열히트펌프에서 열교환이 이루어진 지하수는 3웨이 밸브의 선택에 따라 지중열교환기나 팬코일 유니트로 입력되게 하며, 상기 팬코일 유니트를 거친 지하수는 지중열교환기로 순환되게 함으로써 이루어진다.

Description

지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템{Hybrid system of geothermal heat pump for efficiency}

본 발명은 지중열을 이용하여 냉난방이 이루어지는 하이브리드 시스템에 있어서, 지하수에 포함된 지중열을 난방열로 회수한 후 지하수의 온도를 대기온도로 보상하여 지하 온도의 하강을 방지함으로써 지열히트펌프의 효율을 높일 수 있도록 하는 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등을 사용하게 되는데, 이러한 에너지원은 환경오염의 원인이 될 뿐 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체 에너지로써 풍력, 태양열, 지열 등을 활용한 냉난방장치를 사용하고 있다.

대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템은 지하에서 일정한 온도를 유지하는 지하수를 뽑아낸 후 상기 지하수에 포함된 지열을 흡수하여 냉난방을 행하는 지열히트펌프를 구비하게 되고, 상기 지열히트펌프에서 열이 흡수된 지하수는 다시 지하로 회수되어 지중 열교환기 등을 이용하여 지열을 흡수하여 온도가 높아지도록 하고 있다.

즉, 국내 공개특허 10-2011- 0002380호에 제시되어 있는 바와 같이, 지하에 묻힌 지중열교환기를 통하여 지열을 흡수한 지하수는 지열히트펌프에서 난방열로 회수된 후 다시 지중열교환기로 회수되도록 하고 있는 것으로, 이와 같은 하이브리드 시스템은 겨울철 난방을 행할 때 초기에는 지중온도가 일정한 온도를 유지하게 되나, 열교환이 진행될수록 지하수의 온도가 낮아지게 되므로, 지중온도도 낮아질 수밖에 없다.

따라서, 지열을 이용한 난방이 장시간 이루어지는 경우 지중온도가 떨어직 되고, 이러한 지중온도의 하락은 지열히트펌프로 인입되는 지하수의 온도를 낮추게 되므로, 지열히트펌프의 효율이 떨어지는 것이다.

대한민국 공개특허 10-2011-0002380호(2011.01.07 공개, 주식회사 탑솔)

본 발명은 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템에 있어서, 지열히트펌프에서 난방열이 회수된 후 온도가 낮아진 지하수가 지중으로 이동하여 지열을 흡수하는 과정에서 난방이 진행될수록 지중열을 흡수만하기 때문에 장시간 난방이 진행되면 지중열교환기에서의 지중온도가 낮아질 수밖에 없으며, 이로 인하여 지하수의 온도를 높여주지 못하여 결국 지열히트펌프에서의 효율이 낮아져 난방온도를 높일 수 없는 문제를 해결하기 위한 것으로, 난방운전을 할 때 지중온도를 외기온도로 높여주어 지열히트펌프의 효율을 높이도록 하는 것이다.

본 발명은 지중열교환기에서 지열을 흡수한 후 지열히트펌프에서 지열을 회수하여 냉난방열교환기에서 난방이 이루어지게 한 후 지열히트펌프를 통과한 지하수가 지중열교환기로 순환되게 하는 하이브리드 시스템에 있어서, 지중열교환기의 지하수는 3웨이 밸브의 선택에 따라 지열히트펌프로 입력되거나 팬코일 유니트로 입력되게 하고, 상기 지열히트펌프에서 열교환이 이루어진 지하수는 3웨이 밸브의 선택에 따라 지중열교환기나 팬코일 유니트로 입력되게 하며, 상기 팬코일 유니트를 거친 지하수는 지중열교환기로 순환되게 함으로써 이루어지게 된다.

본 발명의 3웨이 밸브는 지하수온도와 외기온도의 차이를 감지하여 외기온도가 지중열교환기로 회수되는 지하수의 온도보다 높을 경우 지하수가 팬코일 유니트를 통한 후 지중열교환기로 순환되게 한다.

본 발명은 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템에 있어서, 지열히트펌프로 유입되는 지하수의 온도를 높여주어 지열히트펌프의 난방 효율을 높이도록 하는 것으로, 지열히트펌프에서 지열이 회수된 후 지중열교환기로 순환되는 지하수를 팬코일 유니트에서 대기온도를 이용하여 온도를 높여서 순환이 이루어지게 함으로써 지중온도가 하락하는 현상을 방지하여 난방효율을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 구성도
도 2는 본 발명의 난방 운전시 흐름도
도 3은 본 발명의 난방 운전시 팬코일 유니트를 작동시켜 지중온도를 높이기 위한 흐름도
도 4는 본 발명의 지열난방펌프가 작동하지 않을 때 지중온도를 높이기 위한 흐름도

본 발명은 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템에 있어서, 난방시 지중으로 환수되는 지하수의 온도를 대기온도로 높여주도록 함으로써 지중열교환기가 설치된 곳의 지중온도를 높이도록 함으로써 지열히트펌프의 열효율을 높여 난방이 이루어지도록 하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 지열히트펌프에서 난방열이 회수된 지하수는 팬코일 유니트를 통과하면서 대기온도에 의핸 지하수온도가 상승된 후 지하의 지중열교환기로 환수되게 함으로써지중 온도를 높여 지열히트펌프의 열효율을 높이는 것이다.

본 발명은 일정한 온도를 유지하여야 하는 지중온도가 지열을 난방에 지속적으로 사용하는 경우 지하로 회수되는 지하수의 온도가 떨어지게 되어 결국 지중온도가 낮아지게 됨으로써 지열을 이용한 난방을 효율적으로 할 수 없었던 문제를 해결하기 위한 것으로, 미리 지하로 환수되기 이전의 지하수가 대기온도에 의해 일정량 상승된 후 환수가 이루어지게 하는 것이다.

본 발명은 난방을 장시간 운전하여도 지중온도가 쉽게 낮아지지 않아 장시간 난방 사용시에도 지열히트펌프의 열효율을 낮추지 않게 된다.

이하 본 발명을 첨부된 실시예 도면에 의거 설명하기로 한다.

본 발명은 지하에 설치되어 지중열을 지하수로 흡수되게 하는 지중열교환기(10)를 구비하고, 상기 지중열교환기(10)의 지하수에 포함된 지열을 회수하는 지열히트펌프(20)를 구비하며, 상기 지열히트펌프(20)를 통과한 지하수를 외기온도를 흡수시키는 팬코일 유니트(50)를 구비하고, 상기 지하수가 팬코일 유니트(50)를 선택적으로 통과되게 하는 3웨이 밸브(60)(61)를 구비함으로써 이루어지게 된다.

본 발명의 지중열교환기(10)는 지하에 설치되어 일정한 온도를 유지하는 지중온도에 의해 열교환이 이루어지게 하는 것으로, 지중열교환기(10)는 다양한 형태를 가질 수 있으나, 본 발명에서는 지중열교환기(10)의 구조에 관계없이 지중열을 지하수와 열교환이 이루어지게 한 후 지하수를 뽑아낼 수 있는 구조면 족하고, 지중열교환기(10)에서 지하수를 뽑아내어 사용하거나 별도의 열전달 매체를 이용하여 지중온도를 흡수하는 것이면 된다.

따라서 지중열교환기(10)는 지중온도와 동일한 온도를 갖는 지하수를 배출할 수 있는 것으로, 본 발명에서는 지하수를 난방에 이용할 경우 지중온도가 떨어지게 되는 문제를 해결하기 위한 것이다.

지중열교환기(10)에서 열교환이 이루어진 지중온도가 같은 온도를 갖는 지하수는 펌프(P1)를 이용하여 뽑아낸 후 지열히트펌프(20)에서 지열이 흡수되게 하여 냉난방열교환기(30)에서 난방이 이루어지게 한다.

즉, 지열히트펌프(20)는 지중열교환기(10)에서 뽑아낸 지하수에 포함된 열을 흡수하여 냉난방열교환기(30)에 전달함으로서 겨울철의 경우 지하수 온도가 높아 난방이 이루어지게 되고, 여름철의 경우 지하수 온도가 낮아 냉방이 이루어지게 된다.

본 발명에서는 겨울철 난방을 지속적으로 수행하는 경우 지열히트펌프(20)에서 열이 흡수되어 차가워진 지하수가 지중열교환기(10)로 환수되게 되므로, 차가워진 지하수는 다시 지중열을 흡수하게 되어, 지하수 순환이 지속적으로 이루어지면 지중온도가 낮아질 수밖에 없다.

지중온도가 낮아지게 되면, 지하수의 온도를 높여주지 못하게 되고, 그러면 지열히트펌프(20)에서 난방온도를 높여주지 못할 정도로 난방 효율이 떨어지게 되므로, 본 발명에서는 지중열교환기(10)가 설치된 지중온도의 하락을 방지하는 것이다.

난방운전을 할 때 지열히트펌프(20)에서 열이 회수된 지하수는 지중열교환기(10)로 환수될 때 대기온도와 비교하여 지하수온도가 대기온도보다 낮을 경우 팬코일 유니트(50)를 통과하게 함으로써 팬코일 유니트(50)에서 대기온도를 흡수하여 온도가 상승된 후 지중열교환기(10)로 환수되게 되고, 이로 인하여 지중온도의 하강을 방지하게 된다.

즉, 난방운전을 하는 경우 지열히트펌프(20)에서 난방열이 회수된 지하수는 지중열교환기(10)에서 배출될 때의 온도보다 낮아지게 되므로, 지열히트펌프(20)를 통과하면서 온도가 낮아진 지하수를 지중열교환기(10)로 환수시키는 동작을 반복적으로 수행하는 경우 지중온도가 일정하게 유지되지 못하고, 지중온도를 하락시킬 수밖에 없으며, 지중온도가 하락되면 지열히트펌프(20)로 인입되는 지하수의 온도가 낮아지게 되어 지열히트펌프(20)의 효율이 크게 떨어지게 된다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 난방운전시 지열히트펌프(20)에서 온도가 낮아진 지하수의 온도를 체크하여 대기온도 보다 낮을 경우에는 팬코일 유니트(50)를 통과하면서 대기 중의 열을 지하수가 흡수하게 함으로써 온도가 높은 지하수를 지중열교환기(10)로 환수되게 함으로써 최대한 지중온도의 하락을 방지하여 지열히트펌프(20)의 효율을 높이도록 하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 지열히트펌프(20)를 통과한 지하수가 선택적으로 팬코일 유니트(50)를 통과할 수 있도록 3웨이 밸브(60)를 설치함으로써 3웨이 밸브(60)의 선택에 따라 지열히트펌프(20)를 통과한 지하수가 지중열교환기(10)로 직접 환수되거나 팬코일 유니트(50)를 통과한 후 지중열교환기(10)로 환수되게 하며, 상기 3웨이 밸브(60)의 선택기준은 대기온도와 지중열교환기(10)로 환수되는 지하수의 온도를 비교하여 대기온도가 높을 경우 팬코일 유니트(50)를 통과하도록 한다.

즉, 지중열교환기(10)에서 펌프(P1)를 거친 후 지열히트펌프(20)를 거치고 지중열교환기(10)로 환수되는 난방운전을 행함에 있어서, 대기온도가 지중온도보다 낮을 경우는 상기와 같은 과정을 거쳐 난방이 이루어지게 하고, 대기온도가 지중온도보다 높을 경우는 3웨이 밸브(60)를 작동시켜 지중열교환기(10)에서 펌프(P1)를 거치고 지열히트펌프(20)를 거친 후 3웨이 밸브(60)를 거치고 팬코일 유니트(50)를 거쳐 지중열교환기(10)로 환수되게 함으로써 지중온도가 낮아지는 경우를 없애게 된다.

한편 본 발명은 지열히트펌프(20)를 사용하지 않는 시간 즉, 난방운전을 하지 않는 시간에도 도 4와 같이 지중온도를 팬코일 유니트(50)에서 대기온도로 높여줄 수 있는 것으로, 난방 운전을 하지 않고 대기온도가 지중온도보다 높을 경우에는 3웨이 밸브(61)를 작동시켜 지중열교환기(10)의 지하수가 직접 팬코일 유니트(50)를 통과하면서 대기온도로 지하수의 온도를 높여준 후 지중열교환기(10)로 환수되게 함으로써 난방운전이 이루어지지 않는 경우 지중온도를 높여주도록 한다.

이 같이 난방운전을 하지 않을 경우 지중온도를 높여주면 실제 난방운전을 할 때 지열히트펌프(20)의 효율을 높일 수 있다.

본 발명에서 난방운전이 이루어지는 동안에 지중온도가 대기온도보다 낮아지는 경우는 난방운전이 지속되어 지중열의 회수만 이루어질 뿐 지중열의 보충이 이루어지지 않기 때문인 것으로, 본 발명에서는 대기온도가 지중온도보다 높을 경우에는 3웨이 밸브(60)(61)를 선택하여 지하수가 팬코일 유니트(50)에서 온도 보상이 된 후 지중열교환기(10)로 환수되게 함으로써 난방운전이 지속되더라도 지중온도의 하강을 최대한 방지하는 것이다.

또한 본 발명은 난방운전을 하지 않을 경우에도 대기온도가 지중온도보다 높으면 지하수를 팬코일 유니트(50)에서 대기온도로 높여준 후 지중열교환기(10)로 환수되게 함으로써 지중온도의 하락으로 지열히트펌프(20)의 효율이 떨어지는 경우를 없애게 된다.

10 : 지중열교환기 20 : 지열히트펌프
30 : 냉난방열교환기 50 : 팬코일 유니트
60,61 : 3웨이 밸브

Claims

지중열교환기(10)에서 지열을 흡수한 후 지열히트펌프(20)에서 지열을 회수하여 냉난방열교환기(30)에서 난방이 이루어지게 한 후 지중열교환기(10)로 환수되게 하는 하이브리드 시스템에 있어서,
상기 지열히트펌프(20)를 거친 지하수는 3웨이 밸브(60)의 선택에 따라 지중열교환기(10)로 환수되거나 팬코일 유니트(50)를 거친 후 지중열교환기(10)로 환수되게 하고,
상기 지중열교환기(10)의 지하수는 3웨이 밸브(61)의 선택에 따라 지열히트펌프(20)를 거치거나 팬코일 유니트(50)를 거친 후 지중열교환기(10)로 환수되게 하는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템.
제1항에 있어서, 3웨이 밸브(60)(61)는 난방 운전시 대기온도가 지중온도보다 높을 때 팬코일 유니트(50)를 통과하도록 선택하는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템.