KR101136072B1 - 지열, 지중 공기, 태양에너지 및 지하수를 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로, 지중관(21,22) 내의 열매체 온도를 상기 다공질 지중의 온도에 따라 냉각 또는 가열하는 지열용 공조기(3); 상기 지열용 공조기(3)에서 지중 온도에 따라 냉각 또는 가열된 상기 열매체를 저장하는 열매체 탱크(5); 상기 열매체 탱크(5)에 저장된 상기 열매체로부터 냉기 또는 열을 빼앗는 히트펌프(7); 및 상기 히트펌프(7)에서 공급되는 냉기 또는 열로 공조 대상체(20)를 냉각 또는 가열하는 출력부(9);를 포함하며, 상기 지중구조체(10)는 지중에 천공하여 형성되는 복수의 지중공(12); 및 상기 지중공(12)을 따라 삽입되어 방사상으로 배열 설치되는 하나 이상의 지중관(21,22);으로 구성된다. 따라서 다공질 층으로 이루어져 지중풍의 발생이 가능한 지형에서 지열 이용 냉난방 시스템을 구축함에 있어, 출력부에서 공조 대상체와의 열교환으로 인해 가열 또는 냉각된 열매체를 회수하여 손실된 냉기 또는 열을 회복하도록 지중관으로 투입하기 전에 지중공에서 빨아올린 지중풍과 먼저 열교환시킴으로써, 지중공으로 투입된 때 지중 온도와의 온도 격차를 최대한 줄여 온도 만회에 따른 지중 열류량의 소진율을 낮추고, 냉난방 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

지열, 지중 공기, 태양에너지 및 지하수를 이용한 냉난방 시스템{Heating and cooling system using geothermal heat, subterranean air, solar energy, and subterranean water}

본 발명은 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공질 층으로 이루어진 지질구조의 지형에 적용하여 지중의 온도와 지중에서 발생하는 지중풍의 온도를 이용해 상대적으로 고온 또는 저온인 지상의 온실과 같은 공조 대상체를 기온에 따라 냉방 또는 난방하도록 되어 있는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

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일반적으로, 지열을 이용하는 냉난방 장치는 지중의 냉기 또는 열을 열교환 파이프를 통해 획득하여 지상의 시설물을 냉방 또는 난방하는 시스템으로서, 청정 에너지원으로서 각광을 받고 있으나, 지형적 조건이 맞지 않는 경우 시설비용이 막대하게 소요되고, 상대적으로 에너지 효율이 떨어져 다른 청정 에너지원에 비해 활용도가 떨어지고 있다.

그런데, 제주도와 같이 다공질 층으로 이루어진 지질구조를 갖는 지형에서 지열 냉난방 장치를 적용하는 경우에는 지중의 온도 뿐만 아니라 지중관에서 빨아올린 지중 공기 즉, 지중풍을 이용하여 열교환 파이프의 열교환 효율을 높일 수 있으므로, 지중풍 발생이 없는 일반적인 지형에서보다 열에너지 효율을 더 높일 수 있다.

이러한 이중 열교환 구조의 지열 냉난방 장치의 한 예로 도 1에 도면부호 101로 도시된 냉난방 시스템을 들 수 있다.

이 냉난방 시스템(101)은 도시된 것처럼, 송풍기실(103), 히트펌프(107), 출력부(109), 및 축냉열조(113)를 포함하여 구성되는 바, 특히 송풍기실(103)에 연결된 지중구조체(110)가 지중에 천공되는 복수의 지중공(112), 이 지중공(112)에 삽입되어 설치되는 하나 이상의 지중관(121), 그리고 지중관(121) 안쪽에 설치되는 송풍유도관(114)으로 구성될 뿐 아니라, 지중공(112)으로부터 송풍유도관(114)을 통해 지중풍을 빨아들이는 흡인팬(123) 그리고 이 흡인팬(123)의 토출 측에 배치되는 열전달 코일(125)을 포함하는 특징적인 구성을 갖는다.

따라서, 냉난방 시스템(101)은 히트펌프(107)에서 회수관(151)을 따라 회수되는 물과 같은 열매체를 지중관(121)으로 투입함으로써, 시스템(101)이 냉방에 사용되는 냉방모드에서는 상승한 열매체의 온도를 낮추고, 난방에 사용되는 난방모드에서는 하강한 열매체의 온도를 높이도록 되어 있는 바, 지중관(121)을 돌아나오면서 냉각 또는 가열된 열매체가 열전달 코일(125)을 통과하는 동안, 지중공(112)으로부터 흡인팬(123)에 의해 흡인되어 열전달 코일(125)로 토출되는 지중 온도의 지중풍과 재차 열교환되도록 함으로써 지중 열용량의 활용 효율을 더욱 높이도록 되어 있다.

그러나, 위와 같은 종래의 지열 냉난방 시스템(101)은 특히 지중공(112)의 공기를 빨아올려 활용함에 있어 지중관(121)을 통해 이미 주된 열교환을 끝마친 뒤의 열매체를 지중풍에 의해 재차 열교환시키도록 되어 있는 바, 시스템(101) 냉난방 사이클 중 가장 높은 또는 낮은 온도를 갖는 회수관 중의 열매체를 지중관(121)에 곧바로 투입함으로써 지중 열류량에 의해 만회하여야 하는 온도 격차가 최대로 벌어지므로, 지중 열류량의 소모율이 커지고 따라서, 한정된 양의 지중 열류량 소진을 촉진시키는 문제점이 있었다.

또한, 공조 대상체(120)와의 열교환으로 인해 열매체가 과냉 또는 과열된 경우에도 예외없이 열매체를 지중관(121)에 투입하여 냉각 또는 가열하도록 되어 있는 바, 지중 열류량에 의해 만회하여야 하는 온도 격차가 위와 마찬가지로 크게 벌어지므로, 지중공(112) 주위의 활용 가능한 지중 열류량의 소진이 촉진되는 문제점도 있었다.

또한, 열교환효율을 높이기 위해 지중관(121)을 지중공(112) 내주면에 인접시켜 원주방향으로 배열하는 한편 지중관(121) 안쪽에 원통형의 송풍유도관(114)을 지중공(112)과 동축 상으로 별도 설치하고 있으나, 지중관(121)이 지중공(112) 내주면과 송풍유도관(114) 외주면 사이에서 밀착되어 있으므로, 송풍공간에 간섭이 발생하여 지중 공기에 의한 지중관(121)의 열교환이 원활하게 이루어지지 못하며, 송풍유도관(114)으로의 지중 공기 유입이 원활하게 이루어지지 않아 지중 공기를 통해 공급되는 지열원의 양이 충분하지 못하고, 따라서 전체 시스템의 열효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 지열 냉난방 시스템(101)은 냉난방에 필요한 열량을 확보하기 위해서 상대적으로 낮은 열효율로 인해 상대적으로 많은 수의 지중공(112)을 천공하여야 하므로, 시공 비용이 증대되는 문제점도 있었다.

아울러, 송풍기실(103)을 구성하는 흡인팬(123), 열교환기(125), 및 지중관(121) 헤드 등이 별체로 제작되어, 현장에서 각각 설치, 조립되므로, 시공 공정이 증대되어 복잡해 지고, 따라서 시공 단가가 상승하는 문제점도 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다공질 층으로 이루어진 지형에서 지열을 이용하여 온실 등과 같은 공조 대상체를 냉난방함에 있어 손실된 냉기 또는 열기를 회복하도록 지중으로 투입되는 열 매체와 지중의 온도가 갖는 격차를 줄임으로써, 지중 열류량에 의해 만회하여야 하는 온도 격차를 최대한 좁혀 온도 만회를 위해 소모되는 지중 열류량의 소진율을 낮추고, 더 나아가 지열 냉각 시스템의 가용 기간을 연장할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 위와 같이 열류량의 소진율을 낮추어 단위 지중공당 획득할 수 있는 열류량을 높여 냉난방 유지에 필요한 지하천공 수량을 줄이고, 사용 후 열매체의 열교환을 위해 지중공에 연결되는 지열용 공조기를 단품으로 패키지화함으로써 지열 냉각 시스템의 시공 원가를 절감할 수 있도록 하는 데 또 다른 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다공질의 지중에 매립 설치되는 복수의 지중구조체를 통하여 지중관 내의 열매체 온도를 상기 다공질 지중의 온도에 따라 냉각 또는 가열하는 지열용 공조기; 상기 지열용 공조기에서 지중 온도에 따라 냉각 또는 가열된 상기 열매체를 저장하는 열매체 탱크; 상기 열매체 탱크에 저장된 상기 열매체로부터 냉기 또는 열을 빼앗는 히트펌프; 및 지중공에 삽입 설치된 하나 이상의 상기 지중관을 통하여 상기 히트펌프에서 공급되는 냉기 또는 열로 공조 대상체를 냉각 또는 가열하는 출력부;를 포함하여 이루어지며, 상기 지중구조체는, 지중에 천공하여 형성되는 복수의 상기 지중공; 및 상기 지중공을 따라 삽입되어 방사상으로 배열 설치되는 하나 이상의 상기 지중관;으로 구성되되, 상기 지열용 공조기는 상기 공조 대상체를 냉각 또는 가열한 뒤 상기 출력부에서 회수되는 상기 열매체를 상기 지중관으로 투입하기 전에 상기 지중공으로부터 흡인한 지중풍에 의해 먼저 냉각 또는 가열하도록 되어 있는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템을 제공한다.

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또한, 상기 지열용 공조기는, 상기 지중관과 상기 열매체 탱크 사이에서 상기 지중관에 인접하여 배치된 열전달 코일; 및 상기 지중공으로부터 공기를 흡인하여 지중풍을 발생시키되 상기 지중풍의 유동로 상에 상기 열전달 코일이 배치되도록 하는 흡인팬;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지열용 공조기는 상기 지중풍 유동로의 상기 흡인팬 측 배기구가 상기 공조 대상체로 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열매체가 물인 때, 상기 열매체 탱크와 상기 지중관 사이를 연결하는 제1 회수관 상에 연결된 분기관을 통해 상기 제1 회수관에서 방류되는 열매체를 저장하도록 되어 있는 저수조를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열매체 탱크는 상기 열매체가 물인 때, 상기 다공질 지중에서 빨아올린 지하수를 공급 받아, 냉난방 시 빼앗긴 냉기 또는 열을 상기 지하수의 냉기 또는 열에 의해 보상하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 모드에 따라 상기 히트펌프가 상기 열매체 탱크의 열매체로부터 빼앗은 냉기 또는 열을 저장하는 축냉열조를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열매체 탱크와 상기 축냉열조 사이에 설치되어, 태양열로 상기 열매체 탱크의 열매체를 가열하거나 또는 태양열을 상기 축냉열조에 저장하는 태양열 집열기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템에 의하면, 다공질 층으로 이루어져 지중풍의 발생이 가능한 지형에서 지열 이용 냉난방 시스템을 구축함에 있어, 공조 대상체와의 열교환으로 인해 최대로 가열 또는 냉각된 열매체를 회수하여 냉방 시 또는 난방 시 손실된 냉기 또는 열을 회복하도록 지중으로 투입하여 열교환시키기 전에 지중에서 빨아올린 지중풍과 먼저 열교환을 시킴으로써 지중공 안으로 투입된 때 지중 온도와의 온도 격차를 최대한 줄일 수 있으므로, 그만큼 지중 열류량에 의해 만회하여야 하는 온도 격차를 좁힐 수 있게 되고, 따라서 지중 열류량의 소진율을 낮출 수 있게 되며, 궁극적으로 지열 냉난방 시스템의 가용 한도를 대폭 늘릴 수 있게 된다.

또한, 열적 손실이 발생하는 출력부와 열적 회복이 이루어지는 지열용 공조기 사이에 열매체 탱크가 설치되는 바, 열매체 탱크를 통해 지하수를 끌어들여 지중풍과 같은 용도로서 열매체의 열적 회복에 활용할 수 있으며, 저수조를 통해 과냉 또는 과열된 열매체를 시스템 역외로 방류함으로써 지중 열류량에 의해 만회하여야 하는 온도 격차를 좁힐 수 있고, 난방 시 열매체 탱크에 연결된 태양열 집열기에 의해 획득한 열에너지를 열매체 온도 회복에 활용할 수 있는 등 다양한 수단에 의해 에너지 활용 효율을 높이고, 이에 따라 지중 열류량의 소진율을 크게 낮출 수 있게 된다.

또한, 지중구조체로부터 송풍유도관을 제거함으로써 자체로 시공 원가를 절감할 수 있을 뿐 아니라, 지중공 내에서의 지중 공기 흐름에 대한 간섭을 줄이고, 따라서 지중 공기의 송풍면적은 물론, 지중관과의 열교환면적을 확대함으로써 고열의 지중 공기를 통한 전체 시스템의 열효율 향상을 도모할 수 있게 된다. 특히, 지중관과 지중 공기의 열교환면적이 충분히 확보되므로 난방 시에 지중관 외면에 결로가 발생하여 더 많은 양의 열을 흡수함으로써 열효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 위와 같이 단위 지중공당 획득할 수 있는 열량이 상대적으로 증대되므로, 냉난방 유지에 필요한 지하천공 수량을 줄일 수 있게 되고, 또한, 지중공에 연결되는 지열용 공조기를 단품으로 패키지화할 수 있으므로, 고가의 지중공 설비 비용을 절감할 수 있게 된다.

아울러, 위와 같이 공조기가 단품 구조로 되어 있으므로, 종래의 다품 구조에 비해 열손실이 줄고, 공기저항이 적어지기 때문에 높은 열전도도를 기대할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템을 개략 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 지중구조체의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템을 개략 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 지열용 공조기의 확대도.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 지중구조체의 횡단면도.
도 6은 도 3에 도시된 히트펌프의 구성을 보인 모식도.
도 7은 도 3 (가) 부분의 확대도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템을 첨부도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 냉난방 시스템은 도 3에 도면부호 1로 도시된 바와 같이, 크게 지열용 공조기(3), 열매체 탱크(5), 히트펌프(7), 및 출력부(9)를 포함하여 이루어지며, 저수조(11), 축냉열조(13), 및 태양열 집열기(15)를 더 포함한다.

여기에서, 먼저 상기 지열용 공조기(3)는 일체형으로 패키지화된 단품 구조체로서, 공기의 유동이 가능한 다공질 층으로 이루어진 지중에 복수의 지중구조체(10)를 매립 설치하도록 되어 있는 바, 이 지중구조체(10)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 지중에 천공하여 형성되는 복수의 지중공(12)과 이 지중공(12)을 따라 상하 수직방향으로 삽입되는 하나 이상의 지중관(21,22)으로 구성된다.

따라서, 지열용 공조기(3)는 지중관(21,22)을 통해 지상의 공조 대상체(20)를 가열 또는 냉각할 수 있는 지열 또는 지중 냉기를 흡수하도록 되어 있는 바, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 지중공(12) 각각에 하나 이상의 지중관(21,22)을 삽입 설치하고, 통상 물과 같은 열매체를 지중관(21,22)으로 주입하여 지중의 온도에 따라 냉각 또는 가열하도록 되어 있다. 이를 위해, 지중관(21,22)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 지중의 열매체를 지상으로 올려 보내는 상향 지중관(21)과 지상의 열매체를 지중으로 내려 보내는 하향 지중관(22)이 쌍을 이루어 형성된다. 따라서, 지열용 공조기(3)는 통상 15 내지 18℃로 유지되는 지중 온도를 이용하여 여름철과 같이 지상의 기온이 상대적으로 높을 때는 냉방을 위한 냉기를, 반대로 겨울철과 같이 지상의 기온이 상대적으로 낮을 때는 난방을 위한 온기를 지중관(21,22)을 통해 획득하여 공조 대상체(20)를 직간접적으로 냉각 또는 가열하도록 되어 있다.

이때, 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)은 일반적인 지열 냉난방 시스템과 달리 예컨대, 제주도와 같이 다공질 층으로 이루어진 지질구조에 적용될 경우, 흡인팬(23)과 같은 흡인수단에 의해 지중공(12) 중의 공기를 송풍유도관 없이도 쉽게 빨아올릴 수 있는데, 이때, 지중구조체(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 원통형의 지중공(12) 내에 복수의 지중관(21,22)이 방사상으로 배열되는 한편, 각각의 지중관(21,22)이 지중공(12)의 내주면과 충분히 이격되어 접촉을 최소화하고 있으므로, 지중관(21,22) 내에서의 지중 공기의 흐름이 원활하게 될 뿐 아니라, 특히 난방 시 지중관(21,22) 외면에 결로가 쉽게 발생하여 보다 효율적으로 열교환이 이루어질 수 있게 된다.

이와 같이 지중구조체(10)에 의해 지중의 공기를 흡인할 수 있는 것은 다공질의 지층에 형성된 지중공(12)에 길게는 수 km까지 이어진 통기로가 연결되어 지중의 공기를 모을 수 있기 때문이며, 흡인팬(23)에 의해 빨아올려진 지중풍은 지중의 온도를 그대로 유지하고 있으므로, 공조 대상체(20)를 냉각 또는 가열한 뒤 온도가 상승 또는 하강한 열매체를 이 지중풍을 통해 냉각 또는 가열할 수 있게 되고, 따라서, 지중 공기의 열적 이용 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 냉난방 시스템(1)은 출력부(9)에서 온도가 상승 또는 하강한 뒤 회수되는 열매체를 위와 같이 지중풍을 이용해 냉각 또는 가열함에 있어, 회수된 열매체가 지중관(21)으로 투입되기 전에 지중공(12)으로부터 흡인한 지중풍에 의해 열매체를 먼저 냉각 또는 가열하도록 되어 있다. 이를 위해, 지열용 공조기(3)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열전달 코일(25) 및 흡인팬(23)을 하나의 패키지로 포함하여 이루어진다.

여기에서, 상기 열전달 코일(25)은 지중관(21)으로 이어진 제1 회수관(51)에서 흡인팬(23)에 의해 보다 효과적으로 열전달이 일어나도록 하기 위한 수단으로서, 도 4에 상세 도시된 것처럼 지중관(21)과 열매체 탱크(5)를 잇는 제1 회수관(51) 상의 지중관(21) 인접 측에 배치되는 바, 흡인팬(23)과 지중공(12) 사이에 형성되는 지중풍 유동로 상에 최대의 표면적을 노출하도록 코일 형태로 제작되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 열전달 코일(25) 외면에 복수의 열전달 핀(27)이 돌출 형성된다.

한편, 상기 흡인팬(23)은 지중공(12)으로부터 지중 공기를 빨아올림으로써 지중풍을 유발하는 수단으로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 모터(28) 등의 구동수단에 의해 동작하도록 열전달 코일(25)의 지중공(12) 반대쪽에 설치되는 바, 상기 지중공(12)으로부터 공기를 흡인하여 지중풍의 유동로 상에 배치된 열전달 코일(25)을 통과하게 함으로써, 제1 회수관(51)의 열매체가 지중관(21)으로 회수되기 전에 15 내지 18℃의 지중풍에 의해 미리 냉각 또는 가열되도록 한다.

이때, 흡인팬(23) 및 열전달 코일(25)은 물론 지중관(21,22) 상단은 별도의 외체로 둘러싸인 공조기(3) 내에 설치되는 것이 바람직한데, 이 공조기(3)에는 반드시 지중공(12)에서 빨아올린 공기를 외부로 배출할 수 있는 배기구(31)가 형성되어야 하며, 이 배기구(31)는 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 배기관(32)을 통해 공조 대상체(20)에 직접적으로 연결되어 지중공(12)에서 빨아올린 지중풍을 이용해 직접적으로 공조 대상체 내부를 냉각 또는 가열할 수도 있고, 대기 중으로 노출되어 열전달 코일(25)을 거친 지중풍을 그대로 방출할 수도 있다. 이때, 배기관(32)의 출구측에는 제1 및 제2 개폐밸브(33,34)가 각각 장착된다.

상기 열매체 탱크(5)는 지열용 공조기(3)에서 지중의 온도에 따라 냉각 또는 가열된 열매체를 공조 대상체(20)로 공급하기 전에 저장하는 수단으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 지열용 공조기(3)와 출력부(9) 사이에 설치되는 바, 지열용 공조기(3)와는 제1 회수관(51) 및 제1 공급관(52)을 통해 연결되고, 출력부(9)와는 제2 회수관(61) 및 제2 공급관(62)을 통해 연결된다.

이때, 특히 열매체 탱크(5)는 열매체로 사용되는 물을 저장하게 되며, 지열용 공조기(3)에서 저수조(11)로 방류되는 열매체 즉, 물을 보충하도록 외부에서 급수가 이루어지는데, 일반 용수를 보충할 수 있지만, 바람직하게는 다공질 지중에서 뽑아 올린 지하수를 보충함으로써 지중공(12) 내의 온도와 동일 또는 유사한 온도를 갖는 지하수를 열적으로 이용할 수 있다. 즉, 열매체 탱크(5)로 지하수를 공급하는 것만으로 냉난방 시 열매체가 빼앗긴 냉기 또는 열을 지하수를 통해 보상할 수 있게 된다.

상기 히트펌프(7)는 상기 열매체 탱크(5)에 저장된 열매체로부터 냉기 또는 열을 빼앗아 출력부(9)로 공급하는 부분으로서, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 제2 회수관(61)에 연결된 히트펌프 회수관(53)과 제2 공급관(62)에서 분기된 히트펌프 공급관(54)을 통해 열매체 탱크(5)와 연결되는 바, 히트펌프 회수관(53)과 제2 회수관(61)의 연결지점에는 제1 방향전환밸브(71)가, 히트펌프 공급관(54)과 제2 공급관(62)의 연결지점에는 제2 방향전환밸브(72)가 각각 장착되며, 제1 축냉열조 회수관(55)과 제1 축냉열조 공급관(56)을 통해 축냉열조(13)와 연결된다. 히트펌프(7)는 또한, 도 6에 모식적으로 도시된 것처럼 내부에 증발기(35), 응축기(37), 압축기(39), 및 팽창밸브(41)를 포함하여 구성되는 바, 공조 대상체(20) 즉, 냉난방이 필요한 각종 시설물을 냉방할 때는 히트펌프 공급관(54)을 통해 공급되는 열매체를 응축기(37)로 통과시킴으로써 응축기(37)에 냉기를 공급하여 증발기(35)와 열교환되도록 하여 냉각된 열매체를 축냉열조(13)에 축냉하여 출력부(9)를 통해 공조 대상체(20)를 냉방하게 된다. 반대로 공조 대상체(20)를 난방할 때는 히트펌프 공급관(54)을 통해 공급되는 열매체를 증발기(35)로 통과시킴으로써 증발기(35)에 열기를 공급한 뒤 응축기(37)와 열교환되도록 하여 가열된 열매체를 축냉열조(13)에 축열하여 출력부(9)를 통해 공조 대상체(20)를 난방하게 된다. 이때, 압축기(39)는 증발기(35)에서 증발된 열매체를 압축함으로써 난방 또는 냉방 에너지를 열매체에 추가하게 된다.

상기 출력부(9)는 상기 히트펌프(7)에서 공급되는 냉기 또는 열로 공조 대상체(20)를 냉각 또는 가열하는 수단으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 회수관(61)과 제2 공급관(62)의 선단을 연결하는 위치에 병렬로 배치되는 바, 열전달 효율을 높이도록 예컨대 코일 형태로 형성되며, 코일 부분을 둘러싸는 갓모양의 송풍케이싱(45)과 이 송풍케이싱(45) 중심에서 바람을 일으켜 코일 부분의 냉기 또는 열을 공조 대상체(20) 전체로 확산시키는 확산팬(43)을 더 포함하고 있다.

아울러, 상기 저수조(11)는 제1 회수관(51)을 통해 열매체 탱크(5)에서 방류되는 열매체를 저장하는 수단으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 열매체 탱크(5)와 지중관(21) 사이의 제1 회수관(51) 상에 연결된 분기관(63)을 통해 열매체 탱크(5)로부터 방류된 열매체를 수용하도록 되어 있는 바, 입구 측에 장착된 개폐밸브(38)를 통해 관로를 개폐하도록 되어 있다. 또한, 열매체로서 물이 사용될 때, 열매체 탱크(5)에서 방류된 물을 모아 농업용수 등 수자원으로 활용할 수 있도록 해준다. 따라서, 저수조(11)는 우수조와 겸용할 수 있으며, 저수조(11)로 투입되는 수용량이 한계값을 초과할 경우에 대비하여 지중공(12) 안으로 방류관(64)을 배치할 수도 있다.

상기 축냉열조(13)는 본 발명에 따른 냉난방 시스템(1)의 작동 모드에 따라 축냉조 또는 축열조로 상반되게 사용되는 저장수단으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 히트펌프(7)와 출력부(9) 사이에 설치되는 바, 제1 축냉열조 회수관(55)과 제1 축냉열조 공급관(56)을 통해 히트펌프(7)와 연결되며, 제2 축냉열조 회수관(65)과 제2 축냉열조 공급관(66)을 통해 히트펌프(7)와 연결되는데, 이때 제2 축냉열조 회수관(65) 및 공급관(66)의 제2 회수관(61) 및 공급관(62)과 인접한 출구 측에는 제3 및 제4 개폐밸브(47,48)가 각각 장착된다. 따라서, 축냉열조(13)는 냉방 모드에서는 히트펌프(7)가 열매체 탱크(5)에서 공급되는 열매체로부터 빼앗은 냉기를 저장하고, 축적된 냉기를 필요에 따라 출력부(9)로 공급하여 공조 대상체(20)를 냉각한다. 반대로, 난방 모드에서는 히트펌프(7)에서 공급되는 열매체로부터 빼앗은 열을 저장하고, 축적된 열을 필요에 따라 출력부(9)로 공급하여 공조 대상체(20)를 가열한다.

끝으로, 상기 태양열 집열기(15)는 태양열로부터 획득한 열을 난방 시의 또 다른 열원으로 활용할 수 있도록 하는 수단으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 열매체 탱크(5)와 축냉열조(13) 사이에 설치되는 바, 도 3 및 도 7에 도시된 것처럼 제1 집열기 회수관(57)과 제1 집열기 공급관(58)을 통해 열매체 탱크(5)와 연결되어 있으며, 제2 집열기 회수관(67)과 제2 집열기 공급관(68)을 통해 축냉열조(13)와 연결되어 필요에 따라 열매체 탱크(5) 또는 축냉열조(13) 내에 수용된 열매체를 태양열 집열기(15)를 통해 가열할 수 있도록 되어 있다. 이때, 제1 집열기 회수관(57)과 제1 집열기 공급관(58)은 제2 집열기 공급관(68)과 제2 집열기 회수관(67)이 분기되는 지점에 제3 방향전환밸브(73) 및 제4 방향전환밸브(74)가 각각 장착되는 바, 태양열로부터 획득한 열로 열매체 탱크(5)의 열매체를 가열하거나 또는 태양열로부터 획득한 열을 축냉열조(13)에 축열, 저장할 수도 있다.

이제, 위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템(1)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 냉난방 시스템(1)은 다공질 층의 지중에서 획득한 온도와 공기를 이용해 공조 대상체(20)를 기온에 따라 냉각 또는 가열하는 설비로서, 15 내지 18℃로 연중 일정하게 유지되는 지중 온도 및 일정 온도의 공기를 통해 상대적으로 기온이 높은 여름철에는 공조 대상체(20)를 냉각하고, 반대로 기온이 낮은 겨울철에는 공조 대상체(20)를 가열하도록 되어 있다.

이중에서, 여름철에 해당하는 냉방 모드에 따르면, 냉난방 시스템(1)은 최초 제1 회수관(51) 중의 제1 열매체 펌프(81)가 동작하며, 열매체 탱크(5)로부터 제1 회수관(51)을 통해 지열용 공조기(3)로 회수된 약 37℃ 정도로 상대적으로 고온인 열매체 즉, 물이 지중관(21)으로 투입되기에 앞서 열전달 코일(25)을 거치게 되는데, 열전달 코일(25)을 통과하는 동안 흡인팬(23)에 의해 지중공(12) 내에서 빨아올려진 15 내지 18℃의 상대적으로 차가운 냉기류와 접촉함으로써 사전에 냉각이 이루어진다.

그리고 나서, 지중관(21,22)으로 투입된 열매체는 지중공(12)을 돌아나오는 동안 지중의 온도에 의해 재차 냉각되는 바, 바람직하게는 32℃까지 온도가 하강한다. 한편, 본 발명의 냉난방 시스템(1) 중 지열용 공조기(3)만 가동되는 경우에는 제1 개폐밸브(33)를 개방하고 제2 개폐밸브(34)는 폐쇄하여 흡인팬(23)에 의해 빨아올린 지중공(12)의 냉기만으로 직접 공조 대상체(20)를 냉각할 수도 있다. 반대로, 냉난방 시스템(1) 전체가 가동될 때는 제1 개폐밸브(33)를 폐쇄하고 제2 개폐밸브(34)를 개방하여 지열용 공조기(3)에서 배기되는 모든 기류를 대기 중으로 방출하게 된다.

이렇게 해서, 적정 수준으로 냉각된 열매체는 제1 공급관(52)을 통해 열매체 탱크(5)로 투입된다. 열매체 탱크(5)로 투입된 열매체는 제2 열매체 펌프(82)가 가동함에 따라 제2 공급관(62)을 통해 직접 출력부(9)로 전달될 수 있으며, 이때 제2 방향전환밸브(72)는 도 7의 화살표(A) 방향으로 개방된다. 반면, 제2 방향전환밸브(72)가 화살표(B) 방향으로 개방되고, 제3 열매체 펌프(83)가 가동되면, 열매체 탱크(5)의 열매체는 히트펌프 공급관(54)을 통해 히트펌프(7)로 공급된다. 필요하다면 보급수 관로(59)를 통해 지하수 등 상대적으로 온도가 낮은 보급수가 외부에서 보충될 수도 있다. 따라서, 이 보급수만으로 출력단(9)을 냉각하여 공조 대상체(20)를 냉각할 수도 있다.

한편, 히트펌프(7)로 공급된 열매체는 도 6에서, 응축기(37)와 열교환함으로써 냉매를 충분히 냉각시켜 증발기(35)와 열교환하는 열매체를 공급된 열매체의 온도보다 충분히 낮은 온도로 냉각시키게 된다. 즉, 히트펌프(7)는 냉동기의 역할을 함으로써 열매체 탱크(5)에서 공급된 열매체를 더 낮은 온도로 냉각하게 된다.

이렇게 해서 충분히 냉각된 열매체는 제4 열매체 펌프(84)가 가동함에 따라 제1 축냉열조 공급관(56)을 통해 축냉열조(13)로 공급되어 저장됨으로써 축냉되는 바, 이때 축냉열조는 축냉조의 역할을 한다.

그리고 나서, 축냉열조(13)에 저장된 냉기는 제4 개폐밸브(48)가 개방된 상태에서 제2 열매체 펌프(82)가 가동된 때, 제2 축냉열조 공급관(66)을 통해 제2 공급관(62)으로 전달된 다음, 제2 공급관(62)을 따라 출력부(9)로 공급된다.

최종적으로, 출력부(9)에 전달된 냉기는 확산팬(43)이 동작됨에 따라 공조 대상체(20) 실내로 퍼져 공조 대상체(20) 내부를 냉각하게 된다.

이렇게 해서, 냉각을 마친 열매체는 냉기를 잃고 온도가 상승한 채로 제2 회수관(61)을 통해 곧바로 열매체 탱크(5)로 전달될 수 있을 뿐 아니라, 열매체 탱크(5)의 내부 온도가 높을 때는 제3 개폐밸브(47)를 개방하여 축냉열조(13)에 폐기될 수도 있다.

한편, 제2 회수관(61)을 통해 열매체 탱크(5)로 전달된 열기는 제1 회수관(51)을 통해 지열용 공조기(3)로 회수됨으로써 위에서 언급한 것처럼 지중 온도와 지중풍에 의해 냉각된 뒤, 재차 냉방 사이클을 반복함으로써 연속해서 공조 대상체(20)를 냉방할 수 있게 된다.

반대로, 겨울철에 해당하는 난방 모드에서는 냉방 모드에서와는 반대로 지중의 온도와 지중풍을 열원으로 활용하는 바, 제1 회수관(51) 중의 제1 열매체 펌프(81)를 동작하여, 열매체 탱크(5)로부터 7℃ 전후의 열매체를 제1 회수관(51)을 통해 지열용 공조기(3)로 회수한다. 회수된 열매체는 냉방 때와 마찬가지로 지중관(21)에 투입되기 전에 먼저 열전달 코일(25)을 거침으로써 흡인팬(23)에 의해 지중공(12)으로부터 빨아올린 15 내지 18℃의 지중풍에 의해 8 내지 9℃ 내외로 사전 가열된 후, 지중관(21)으로 투입되며, 지중관(22)을 통해 지중공(12)을 돌아나오는 동안 지중의 온도에 의해 재차 가열됨으로써 바람직하게는 10 내지 12℃까지 온도가 상승한다. 이때도, 마찬가지로 제1 개폐밸브(33)를 개방하여 배기관(32)을 통해 지중공(12)에서 흡인한 지중풍으로 직접 공조 대상체(20)를 난방할 수 있다.

이렇게 해서, 적정 수준으로 가열된 열매체는 냉각 시와 마찬가지로 제1 공급관(52)을 통해 열매체 탱크(5)로 투입된 다음, 제2 열매체 펌프(82)가 가동함에 따라 제2 공급관(62)을 통해 직접 출력부(9)로 전달되거나 제3 열매체 펌프(83)가 가동함에 따라 히트펌프 공급관(54)을 통해 히트펌프(7)로 공급된다. 이때, 보급수 관로(59)를 통해 지하수 등 상대적으로 온도가 높은 보급수가 외부에서 보충될 수도 있으며, 이 보급수만으로 출력부(9)를 가열하여 공조 대상체(20)를 난방할 수도 있다.

한편, 히트펌프(7)로 공급된 열매체는 도 6에서, 증발기(35)와 열교환함으로써 냉매를 충분히 가열하여 응축기(37)와 열교환하는 열매체를 공급된 열매체의 온도보다 충분히 높은 온도로 가열시키게 된다. 이때, 히트펌프(7)는 보일러의 역할을 함으로써 열매체 탱크(5)에서 공급된 열매체를 더 높은 온도로 가열하게 되며, 가열된 열매체는 제4 열매체 펌프(84)가 가동함에 따라 제1 축냉열조 공급관(56)을 통해 축냉열조(13)에 축열된다. 이때 당연히 축냉열조는 축열조의 역할을 한다.

그리고 나서, 축냉열조(13)에서 가열된 열매체는 제2 열매체 펌프(82)가 가동된 때, 제4 개폐밸브(48)를 거쳐 제2 공급관(62)으로 전달된 다음, 제2 공급관(62)을 따라 출력부(9)로 공급되며, 출력부(9)에 전달된 다음 확산팬(43)에 의해 열교환되어 공조 대상체(20) 실내를 난방하게 된다.

이렇게 해서, 난방을 마친 열매체는 열기를 잃고 온도가 하강한 채 제2 회수관(61)을 통해 곧바로 열매체 탱크(5)로 전달될 수 있는데, 이때, 제3 방향전환밸브(73)를 도 7의 화살표(C) 방향으로 개방하고, 제4 방향전환밸브(74)를 도 7의 화살표(D) 방향으로 개방한 뒤, 제5 열매체 펌프(85)를 가동하여 태양열 집열기(15)에 의해 가열된 열매체를 열매체 탱크(5)로 공급하여 출력부(9)에서 회수된 열매체의 온도를 높일 수 있다.

그러나, 열매체 탱크(5)의 온도를 올릴 필요가 없을 때에는 제3 방향전환밸브(73)를 도 7의 화살표(E) 방향으로 개방하고, 제4 방향전환밸브(74)를 도 7의 화살표(F) 방향으로 개방한 다음, 제5 열매체 펌프(85)를 가동하여 태양열 집열기(15)에 의해 획득한 열을 제2 집열기 회수관(67)과 제2 집열기 공급관(68)을 통해 축냉열조(13)에 전달함으로써 축열 저장할 수도 있다.

또한, 열매체 탱크(5)의 열매체가 과냉각되는 경우에는 전체 시스템(1)을 통해 순환시키지 않고, 제1 회수관(51)에 연결된 분기관(63)을 통해 저수조(11)로 방류시킴으로써 난방 효율을 높이도록 되어 있으며, 방류 시 개폐밸브(38)에 의해 방류량을 조정할 수 있다.

최종적으로, 제1 회수관(51)을 통해 열매체 탱크(5)로부터 회수된 열매체는 지열용 공조기(3)를 통해 위에서 언급한 것처럼 지중 온도와 지중풍에 의해 가열된 뒤, 재차 난방 사이클을 반복함으로써 연속해서 공조 대상체(20)를 난방할 수 있게 된다.

1 : 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템
3 : 지열용 공조기 5 : 열매체 탱크
7 : 히트펌프 9 : 출력부
10 : 지중구조체 11 : 저수조
12 : 지중공 13 : 축냉열조
15 : 태양열 집열기 20 : 공조 대상체
21, 22 : 지중관 23 : 흡인팬
25 : 열전달 코일 35 : 증발기
37 : 응축기 39 : 압축기
41 : 팽창밸브 43 : 확산팬
51 : 제1 회수관 52 : 제1 공급관
63 : 분기관 64 : 방류관

Claims (8)

1. 삭제
2. 다공질의 지중에 매립 설치되는 복수의 지중구조체를 통하여 지중관 내의 열매체 온도를 상기 다공질 지중의 온도에 따라 냉각 또는 가열하는 지열용 공조기;
   상기 지열용 공조기에서 지중 온도에 따라 냉각 또는 가열된 상기 열매체를 저장하는 열매체 탱크;
   상기 열매체 탱크에 저장된 상기 열매체로부터 냉기 또는 열을 빼앗는 히트펌프; 및
   지중공에 삽입 설치된 하나 이상의 상기 지중관을 통하여 상기 히트펌프에서 공급되는 냉기 또는 열로 공조 대상체를 냉각 또는 가열하는 출력부;를 포함하여 이루어지며,
   상기 지중구조체는,
   지중에 천공하여 형성되는 복수의 상기 지중공; 및
   상기 지중공을 따라 삽입되어 방사상으로 배열 설치되는 하나 이상의 상기 지중관;으로 구성되되,
   상기 지열용 공조기는 상기 공조 대상체를 냉각 또는 가열한 뒤 상기 출력부에서 회수되는 상기 열매체를 상기 지중관으로 투입하기 전에 상기 지중공으로부터 흡인한 지중풍에 의해 먼저 냉각 또는 가열하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 지열용 공조기는,
   상기 지중관과 상기 열매체 탱크 사이에서 상기 지중관에 인접하여 배치된 열전달 코일; 및
   상기 지중공으로부터 공기를 흡인하여 지중풍을 발생시키되 상기 지중풍의 유동로 상에 상기 열전달 코일이 배치되도록 하는 흡인팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 지열용 공조기는 상기 지중풍 유동로의 상기 흡인팬 측 배기구가 상기 공조 대상체로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
5. 제2 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열매체가 물인 때, 상기 열매체 탱크와 상기 지중관 사이를 연결하는 제1 회수관 상에 연결된 분기관을 통해 상기 제1 회수관에서 방류되는 열매체를 저장하도록 되어 있는 저수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
6. 제2 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열매체 탱크는 상기 열매체가 물인 때, 상기 다공질 지중에서 빨아올린 지하수를 공급 받아, 냉난방 시 빼앗긴 냉기 또는 열을 상기 지하수의 냉기 또는 열에 의해 보상하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 히트펌프와 상기 출력부 사이에 설치되어, 냉난방 모드에 따라 상기 히트펌프가 상기 열매체 탱크의 열매체로부터 빼앗은 냉기 또는 열을 저장하는 축냉열조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 열매체 탱크와 상기 축냉열조 사이에 설치되어, 태양열로 상기 열매체 탱크의 열매체를 가열하거나 또는 태양열을 상기 축냉열조에 저장하는 태양열 집열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 및 지중 공기를 이용한 냉난방 시스템.

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