KR101166684B1 - Thermal storage of underground rock using heat utilizing system - Google Patents

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KR101166684B1
KR101166684B1 KR1020120012046A KR20120012046A KR101166684B1 KR 101166684 B1 KR101166684 B1 KR 101166684B1 KR 1020120012046 A KR1020120012046 A KR 1020120012046A KR 20120012046 A KR20120012046 A KR 20120012046A KR 101166684 B1 KR101166684 B1 KR 101166684B1
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heat medium
underground rock
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이호석
홍기혁
이호근
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(주)비엔텍아이엔씨
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Abstract

PURPOSE: A heat utilization system using storage heat of underground bedrock is provided to the storage and utilization of heat by adding the additives of high thermal conductivity into cement and bentonite fillers. CONSTITUTION: A heat utilization system(200) using storage heat of underground bedrock(10) comprises a circulation pipeline(16) of a closed loop for storing heat, an endothermic heat exchanger(20), a heat storage circulating pump(30), a heat radiating circulation pump(42), and a heat radiating heat exchanger(46). The circulation pipeline of a closed loop for storing heat is connected to a heat medium flow path, and transports a first heat medium. The endothermic heat exchanger heat-exchanges solar heat or waste heat collected in a solar heat collection system(100) with the first heat medium. The heat storage circulating pump forcibly circulates the first heat medium through the heat medium flow path the by turns. The heat radiating circulation pump forcibly circulates a second heat medium, which absorbs the heat of the underground bedrock. The heat radiating heat exchanger discharges the absorbed heat of the second heat medium to the heat utilization system.

Description

지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템{Thermal storage of underground rock using heat utilizing system}Thermal storage system utilizing heat storage of underground rock {Thermal storage of underground rock using heat utilizing system}

본 발명은 지하 암반에 열을 저장하고 활용할 수 있도록 한 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat utilization system using the heat storage of the underground rock to store and utilize heat in the underground rock.

자연계로부터 무한히 얻을 수 있는 신재생에너지들은 지속적으로 사용하는데 한계가 있다. 이러한 신재생에너지는 낮과 밤의 시간적 차이, 계절 등 기후적 원인에 의하여 사용이 제한되거나 사용하지 않은 채 소모되는 경우가 많다.Renewable energy that can be infinitely obtained from the natural world has a limit to continuous use. Such renewable energy is often consumed with limited or no use due to climatic causes such as time difference between day and night and seasons.

태양에너지를 열원으로 사용하는 경우 동계 시 가장 필요하게 되나 우리나라의 기후적 특성에 따라 하계 시 태양에너지의 강도가 가장 높은 반면에 동계 시 태양에너지를 직접적으로 사용하는 것은 불가능한 특성을 나타낸다. 플랜트 시설에서 발생되는 폐열의 경우 필요 시 직접적으로 사용하는 장점은 있으나 하계 시와 같이 열원의 사용이 제한적인 경우 폐열의 재사용 없이 소모되는 것이 일반적이다.When solar energy is used as a heat source, it is most needed during winter season, but according to the climatic characteristics of Korea, the intensity of solar energy during summer is the highest, whereas it is impossible to use solar energy directly during winter season. Waste heat generated from plant facilities has the advantage of being used directly when necessary, but when the use of heat sources is limited, such as during summer, it is generally consumed without reusing waste heat.

우리나라의 경우 난방시 에너지 사용증대에 따라 국가적으로 소모되는 에너지 비용이 지속적으로 상승하고 있으며 비용적인 측면과 환경적인 측면을 고려하여 신재생에너지의 사용을 장려하고 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 기술적인 부분에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.In Korea, as the energy use for heating increases, the cost of energy consumed in the country continues to rise, and it is encouraging the use of renewable energy in consideration of cost and environmental aspects. There is a growing interest in.

따라서 잉여 열에너지가 발생하는 시기에 열에너지를 축적하여 열에너지의 사용률이 가장 높은 시기에 축적된 열에너지를 사용할 수 있도록 하여 에너지 사용효율이 높은 친환경적 시스템이 필요하다.Therefore, there is a need for an environment-friendly system with high energy use efficiency by accumulating thermal energy at the time when surplus thermal energy is generated to use the thermal energy accumulated at the highest utilization rate of thermal energy.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 공개특허 공개번호 제10-2009-0124801호(태양열 축열장치)가 있다. 이는 내부에 밀폐된 저수공간을 갖는 축열탱크와, 태양에너지에 의해 가열된 열매체유를 열매체 순환관을 통해 순환할 수 있도록 설치되되 열매체 순환관은 축열탱크의 내부를 경유하여 축열탱크내의 저수공간에 담수된 난방수와 열교환 할 수 있도록 된 태양열 집열기와, 열매체 순환관상에 설치된 제1펌프와, 태양열 집열기가 설치된 외부의 외기 온도를 검출하는 외기 온도센서와, 외기센서에서 검출된 온도가 설정된 온도 이하이면 열매체 순환관의 동파를 방지하기 위해 제1펌프를 가동하는 제어유니트를 구비한다. Background art of the present invention is Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2009-0124801 (solar heat storage device). It is installed to circulate the heat storage tank having the storage space sealed inside and heat medium oil heated by solar energy through the heat medium circulation pipe, and the heat medium circulation pipe is stored in the storage space in the heat storage tank via the inside of the heat storage tank. A solar collector capable of exchanging heat with fresh water, a first pump installed on a heat medium circulation pipe, an outside air temperature sensor for detecting the outside air temperature where the solar collector is installed, and a temperature detected by the outside air sensor is below a set temperature. The rear surface is provided with a control unit for operating the first pump to prevent freezing of the heat medium circulation pipe.

그러나 상기 배경기술은 태양열 에너지를 축열탱크에 저장하여 사용하는 것으로, 태양 에너지의 강도가 낮은 겨울철에는 활용하기가 어려워 효율성이 떨어지는 단점을 가진다.However, the background art is to store and use the solar energy in the heat storage tank, it is difficult to use in the winter when the intensity of the solar energy is low has the disadvantage of low efficiency.

한국 공개특허 등록번호 제10-1005610호Korean Laid-Open Patent Registration No. 10-1005610 한국 등록실용 등록번호 제20-0445820호Korea Registration Room Registration No. 20-0445820

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 태양열 또는 폐열의 열 에너지를 지하 암반에 저장하여 시간적, 기후적 제한을 받지 않고 재활용할 수 있도록 한 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was devised in view of the above circumstances, and provides a heat utilization system using the heat storage of underground rock to store thermal energy of solar heat or waste heat in underground rock to be recycled without being subject to time and climate. Has its purpose.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템은,Thermal utilization system using the heat storage of the underground rock according to the preferred embodiment of the present invention,

지하 암반에 제1 열매체 및 제2 열매체가 방향과 위치를 바꾸어가면서 흐를 수 있도록 제1 및 제2 열매체 이동통로를 확보하고;Securing first and second heat medium moving passages in the underground rock so that the first heat medium and the second heat medium can flow while changing directions and positions;

상기 제1 열매체 이동통로에 연결되어 제1 열매체를 수송시키는 폐회로의 축열용 순환관로와;A heat storage circulation pipe connected to the first heat medium moving passage for transporting the first heat medium;

상기 축열용 순환관로에 연결되어 태양열 또는 폐열을 집열하는 집열시스템으로부터 집열된 열을 제1 열매체로 흡수 교환시키는 흡열용 열교환기와;An endothermic heat exchanger connected to the heat storage circulation pipe for absorbing and exchanging heat collected from a heat collecting system for collecting solar heat or waste heat into a first heat medium;

제1 열매체가 상기 축열용 열교환기와 지하 암반내 열매체 이동통로를 교대적으로 강제 순환되도록 하는 축열용 순환펌프와;A heat storage circulation pump for allowing a first heat medium to circulate forcedly alternately with the heat storage heat exchanger and the heat medium moving passage in the underground rock;

상기 지하 암반에 축열된 열을 흡수하는 제2열매체를 강제 순환시키는 방열용 순환펌프; 및A heat dissipation circulation pump forcibly circulating a second heat medium absorbing heat accumulated in the underground rock; And

제2열매체가 순환되는 방열용 순환 관로에 설치되어 열활용 시스템으로 제2열매체의 흡수열을 방출시키는 방열용 열교환기를 포함한 것을 특징으로 한다.A heat dissipation heat exchanger is installed in the heat dissipation circulation passage through which the second heat medium is circulated, and the heat dissipation heat dissipation heat is released to the heat utilization system.

또한, 지하 암반에 소정의 깊이를 갖는 다수의 보어 홀(Bore hole)이 형성되고, 공동구 또는 보어 홀에 축열용 순환관로와 연결된 제1열매체 이송관로가 배치됨과 동시에 제1열매체 이송관로의 둘레로 열전도가 우수한 충진재가 충진되어져 열매체 이동통로가 확보되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of bore holes having a predetermined depth are formed in the underground rock, and the first heat medium transfer pipe connected to the heat storage circulation pipe is disposed at the cavity or bore hole, and at the same time around the first heat medium transport pipe. Filled material having excellent thermal conductivity is characterized in that the heat medium moving passage is secured.

또한, 지하 암반에 공동구 또는 소정의 깊이를 갖는 다수의 보어 홀이 형성되고, 공동구 또는 보어 홀에 축열용 순환관로와 연결된 제2열매체 이송관로가 배치됨과 동시에 제2열매체 이송관로의 둘레로 열전도가 우수한 충진재가 충진되어져 열매체 이동통로가 확보되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of bore holes having a cavity or a predetermined depth are formed in the underground rock, and a second heat medium transfer pipe connected to the heat storage circulation pipe is disposed in the cavity or bore hole, and at the same time, heat conduction is performed around the second heat medium transport pipe. It is characterized in that the excellent filler is filled to ensure the heat medium moving passage.

또한, 지하 암반에 대체하여 낮은 열전도와 높은 열용량을 갖는 단열적 특성을 나타내는 구조체를 지하에 매설하여 축열체로 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that the substituting a structure having a thermal insulation property having a low thermal conductivity and high heat capacity in place of the underground rock to be used as a heat storage body underground.

또한, 집열시스템 온도와 지하 암반 온도를 비교 판단하여 축열용 순환펌프의 구동을 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, it characterized by having a control unit for controlling the operation of the heat storage circulation pump by comparing and determining the heat collection system temperature and the underground rock temperature.

또한, 지하 암반 온도와 열사용 시스템 온도 값을 비교 판단하여 방열용 순환펌프의 구동을 제어하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, it characterized by having a control unit for controlling the operation of the heat dissipation circulation pump by comparing and determining the underground rock temperature and the heat use system temperature value.

또한, 충진재는 지하수와 같은 유체의 흐름을 막을 수 있는 낮은 투수성(1×10-7~1×10-9 cm/sec)과, 지반과 보어홀 사이의 열적 단락을 방지하기 위해서 지반열전도도(약 1.7~2.1W/m.K)와 비슷하거나 이보다 높은 전도도를 갖는 것을 특징으로 한다.Fillers also have low permeability (1 × 10 -7 to 1 × 10 -9 cm / sec) that can block the flow of fluids such as groundwater, and ground thermal conductivity to prevent thermal shorts between the ground and boreholes. (About 1.7 ~ 2.1W / mK) is characterized by having a similar or higher conductivity.

또한, 충진재는 벤토나이트계 그라우트, 시멘트계 그라우트 등의 충진재에 흑연, 금속분말, 실리카샌드, 골재에서 하나 이상 선택된 첨가재가 첨가되어 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the filler is characterized in that one or more additives selected from graphite, metal powder, silica sand, aggregate is added to the filler, such as bentonite-based grout, cement-based grout.

본 발명의 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템에 따르면, 열저장 매체로 암반을 적용하는 경우 보어홀내 지하수층이 존재 가능성이 낮으며 지반과 비교하여 상대적으로 투수성에 의한 영향이 작아 보어홀내 지하수 침투 위험성이 낮기 때문에 충진재의 화학적인 성질에 의한 오염물질이 지중으로 침투할 가능성이 낮아 일반적인 시스템보다 친환경적이다.According to the heat utilization system using the heat storage of the underground rock according to the present invention, when the rock is used as the heat storage medium, the groundwater layer in the borehole is less likely to exist and the impact of water permeability in the borehole is relatively small compared with the ground, and thus the risk of groundwater penetration in the borehole. Because of this low level, the chemical properties of the fillers are less likely to penetrate into the ground, making them more environmentally friendly than conventional systems.

또한, 지반의 경우 열전도도의 범위가 약 1.7~2.1W/m.K의 범위를 갖고 있으나 암반의 경우 열전도도는 암반특성에 따라 1.4~5.2W/m.K의 범위를 갖고 있어 일반적으로 사용되는 시멘트와 벤토나이트 충진재에 열전도도가 높은 첨가재를 다양하게 사용할수 있고, 첨가재를 첨가할 경우 열저장 및 사용효율을 증대시킬 수 있다.In the case of the ground, the thermal conductivity is in the range of about 1.7 ~ 2.1W / mK, but in the case of the rock, the thermal conductivity is in the range of 1.4 ~ 5.2W / mK according to the rock characteristics. Additives with high thermal conductivity can be used in a variety of fillers, and the addition of additives can increase the heat storage and use efficiency.

또한, 지열에 사용되는 충진재의 경우 지열교환기와 시추공 벽(지반)을 견고하게 결합할 수 있도록 고려해야하나 암반에 시추공을 하는 경우 지반약화에 따른 위험이 상대적으로 작아 다양한 충진재의 적용이 가능하다.In addition, in the case of the filler used for geothermal, it is necessary to consider the geothermal heat exchanger and the borehole wall (ground) to be firmly coupled.

그 외에 태양에너지, 폐열 등과 같이 기후적, 시간적 제한에 의하여 이용하지 못하고 소모되는 열 에너지를 지속적으로 축열체가 되는 지하 암반에 축열시켜 재활용하게 됨으로써 국가적인 에너지 비용을 절감할 수 있고, 별도의 열 에너지를 발생시키는 연료의 사용 없이 잉여 열에너지를 활용함으로써 친환경적 열활용 시스템을 구현할 수 있고, 태양에너지 및 폐열의 사용 효율성이 향상된다.In addition, it can save national energy costs by continuously accumulating and recycling heat energy that is not used due to climatic and time constraints such as solar energy and waste heat to underground rock that becomes a heat storage body. By utilizing the surplus heat energy without using the fuel to generate the energy, it is possible to implement an environment-friendly heat utilization system, and the use efficiency of solar energy and waste heat is improved.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템의 구성도.
도 2a 및 도 2b는 지하 암반에 형성된 보어 홀 부분의 확대도로서 열매체 이송관로의 다양한 형태를 나타낸 도면.
도 3은 지하 암반에 형성된 보어 홀의 배열 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템의 제어흐름도.The following drawings, which are attached in this specification, illustrate the preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description thereof, serve to further understand the technical spirit of the present invention. It should not be construed as limited.
1 is a block diagram of a heat utilization system using the heat storage of the underground rock according to the present invention.
Figures 2a and 2b is an enlarged view of the bore hole portion formed in the underground rock showing the various forms of the heat medium transport pipe.
Figure 3 is an exemplary view showing the arrangement of bore holes formed in the underground rock.
Figure 4 is a control flow diagram of the heat utilization system using the heat storage of the underground rock according to the present invention.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto.

본 발명은 태양열 또는 폐열을 열매체에 교환시킨 후 그 열매체를 지하 암반을 순환시키도록 하여 지하 암반에 축열하고, 열활용 필요 시 지하 암반에 저장된 축열을 획득할 수 있는 시스템을 제공한다.The present invention provides a system that can exchange solar heat or waste heat to the heat medium and then heat the heat medium to circulate the underground rock, and accumulate the underground rock, and obtain heat storage stored in the underground rock when heat utilization is required.

본 발명은 도 1 및 도 2에서와 같이 지면(5)으로부터 일정 깊이에 매설되어 있는 지하 암반(10)에 제1 열매체가 방향과 위치를 바꾸어가면서 흐를 수 있도록 제1 열매체 이동통로를 구성한다. 본 실시 예에서 제1열매체 이동통로는 도 2와 같이 다수의 보어 홀(12), 제1 열매체 이송관로(14) 및 충진재에 의해 확보된다. 보어 홀(12)은 지하 암반(10)에 소정의 깊이를 갖도록 굴착되어져 형성된다. 이때 보어 홀(12)은 횡 방향으로만 배치될 뿐만 아니라 종 방향으로도 배치되어져 도 3과 같이 격자 형태로 배열될 수 있다. 제1 열매체 이송관로(14)는 전도성이 우수한 금속 재질이 바람직하다. 이때 제1 열매체 이송관로(14)는 지하 암반(10)에서 오랫동안 머무르면서 흐를 수 있도록 코일 형태가 될 수 있다. The present invention constitutes a first heat medium moving passage so that the first heat medium can flow while changing direction and position in the underground rock 10 embedded at a predetermined depth from the ground 5 as shown in FIGS. 1 and 2. In the present embodiment, the first heat medium moving passage is secured by the plurality of bore holes 12, the first heat medium transfer pipe 14, and the filler as shown in FIG. 2. The bore hole 12 is formed to be excavated to have a predetermined depth in the underground rock 10. In this case, the bore hole 12 may be arranged not only in the transverse direction but also in the longitudinal direction and arranged in a lattice form as shown in FIG. 3. The first heat medium transfer pipe 14 is preferably a metal material having excellent conductivity. At this time, the first heat medium transport pipe 14 may be in the form of a coil to flow while staying in the underground rock 10 for a long time.

충진재(15)는 열전달을 높이기 위해 보어 홀(12)과 제1열매체 이송관로(14)의 사이에 충진된다. 충진재는 예로 벤토나이트계 그라우트, 시멘트계 그라우트 등 열전도가 우수한 것이 선택될 수 있다. 여기서 충진재는, (1) 지하수와 같은 유체의 흐름을 막을 수 있는 낮은 투수성(1×10-7~1×10-9 cm/sec)을 갖고, (2) 양호한 열전도 특성(일반적인 지열시스템에 들어가는 경우 지반과 보어홀 사이의 열적 단락을 방지하기 위해서 지반열전도도(약 1.7~2.1W/m.K)와 비슷한 전도도를 갖는 것이 효율적)을 갖고, (3) 지열교환기와 시추공 벽을 견고하게 결합가능하고, (4) 그라우트가 접할 지하수 성분 및 변형물질에 대하여 화학적인 비활성 또는 무반응 조건을 갖추고 있는 것이 바람직하다.Filler 15 is filled between the bore hole 12 and the first heat medium transfer pipe 14 to increase heat transfer. For example, the filler may be selected from bentonite-based grout and cement-based grout having excellent thermal conductivity. Here, the filler has (1) low permeability (1 × 10 -7 to 1 × 10 -9 cm / sec) that can block the flow of fluids such as groundwater, and (2) good thermal conductivity properties (in general geothermal systems). When entering, it is effective to have a conductivity similar to that of ground thermal conductivity (about 1.7 to 2.1 W / mK) to prevent thermal short-circuit between the ground and the borehole, and (3) firmly couple the geothermal exchanger and borehole wall (4) It is desirable to have chemically inert or non-reactive conditions with respect to the groundwater component and the modified substance which the grout will come into contact with.

충진재는 열전도도를 높이기 위해 첨가재로서 흑연, 금속분말, 실리카 샌드, 골재 등이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 순수 물과 혼합된 순수 벤토나이트의 경우 실리카샌드를 첨가하게 되면 0.74 ~ 0.95W/m.K 이상의 열전도도를 얻을 수 있다. Filler may be added graphite, metal powder, silica sand, aggregate, etc. as an additive to increase the thermal conductivity. For example, in the case of pure bentonite mixed with pure water, when silica sand is added, thermal conductivity of 0.74 ~ 0.95 W / m.K or more can be obtained.

또한 순수흑연의 경우 육방정계의 판상체를 이루고 있으며 xy축 방향의 평면에서 400~1000W/m.K, z축 방향으로 15W/m.K의 열전도도 가진다. 따라서 벤토나이트에 순수 흑연의 중량비를 10%씩 증가시킴에 따라 열전도도는 약 0.2~0.8W/m.K증가하는 특성을 갖게 된다.Pure graphite is also composed of hexagonal platelets and has thermal conductivity of 400 ~ 1000W / m.K in the plane of xy axis and 15W / m.K in the z axis direction. Therefore, as the weight ratio of pure graphite to bentonite increases by 10%, the thermal conductivity increases by about 0.2 to 0.8 W / m.K.

상기 제1 열매체 이송관로(14)에는 제1 열매체를 수송시키는 폐회로의 축열용 순환관로(16)가 연결되어 있다. 축열용 순환관로(16)에는 태양열 또는 폐열로부터 집열된 열을 제1 열매체로 흡수 교환시키는 흡열용 열교환기(20)가 설치되어져 있다. 축열용 열교환기(20)는 특별한 형태와 구조를 갖는 것은 아니며 열교환 시스템 분야에서 임의의 선택된 것이 될 수 있다. 제1 열매체 이송관로(14)를 포함한 폐회로 관로에는 제1 열매체는 무기계, 석유계, 화학계(Naphthanline계, Benzene계, Tolune계, Phenyl계) 등과 같이 열이송 능력이 우수한 물질이 될 수 있다.The first heat medium transport pipe 14 is connected to the heat storage circulation pipe 16 of a closed circuit for transporting the first heat medium. The heat storage circulation line 16 is provided with an endothermic heat exchanger 20 for absorbing and exchanging heat collected from solar heat or waste heat to the first heat medium. The heat storage heat exchanger 20 does not have a special shape and structure and may be any selected in the field of heat exchange system. In the closed loop conduit including the first heat medium conveying line 14, the first heat medium may be a material having excellent heat transfer capability, such as inorganic, petroleum, chemical (Naphthanline, Benzene, Tolune, Phenyl, etc.).

제1 열매체가 상기 축열용 열교환기(20)와 지하 암반(10)내 열매체 이동통로를 교대적으로 강제 순환되도록 축열용 순환펌프(30)가 구비된다. 축열용 순환펌프(30)는 축열용 순환관로(16)에 연결되어 있다. 따라서 축열용 순환펌프(30)가 구동되면 제1열매체는 축열용 열교환기(20)와 지하 암반(10)을 순환하게 된다. 또한 제1열매체는 축열용 열교환기(20)에서 집열 시스템(100)(예로 집열기)으로부터 열을 전달받아 제1열매체 이송관로(14)를 통과하게 된다. 따라서 제1 열매체 이송관로(14)로부터 열이 지하 암반(10)으로 전도되어 축열이 진행된다.A heat storage circulation pump 30 is provided such that the first heat medium alternately forces the heat storage heat exchanger 20 and the heat medium moving passage in the underground rock 10 alternately. The heat storage circulation pump 30 is connected to the heat storage circulation pipe 16. Therefore, when the heat storage circulation pump 30 is driven, the first heat medium circulates the heat storage heat exchanger 20 and the underground rock 10. In addition, the first heat medium receives heat from the heat collecting system 100 (eg, a heat collector) in the heat storage heat exchanger 20 and passes through the first heat medium transport pipe 14. Therefore, heat is conducted from the first heat medium transfer pipe 14 to the underground rock 10 so that heat storage proceeds.

이같이 제1열매체 순환시스템을 통해 태양열 또는 폐열의 잉여 열에너지가 발생되는 시기에 이를 집열하여 지하 암반(10)으로 축열을 진행할 수 있다. 지하 암반(10)은 낮은 열전도와 높은 열용량을 갖기 때문에 장기간 동안 축열이 진행된다. 이후 열에너지의 사용률이 가장 높은 시기에 지하 암반(10)에 축적된 열에너지를 사용할 수 있는 축열회수시스템이 추가적으로 설치된다.In this way, through the first heat medium circulation system, when the excess heat energy of solar heat or waste heat is generated, it can be collected and proceed with heat storage to the underground rock 10. Since the underground rock 10 has a low thermal conductivity and a high heat capacity, heat storage proceeds for a long time. After that, the heat storage recovery system that can use the heat energy accumulated in the underground rock 10 at the time of the highest utilization rate of heat energy is installed.

축열 회수시스템은 지하 암반(10)에 형성시킨 동일한 다수의 보어 홀(12)을 공동으로 활용할 수 있다. 즉, 도 1과 같이 보어 홀(12)에 제2열매체가 순환하는 제2열매체 이송관로(40)가 배치됨과 동시에 제2열매체 이송관로(40)의 둘레로 동일한 충진재가 충진되어져 열매체 이동통로가 확보된다. 이때 제 1 및 제2 열매체 이송관로(14,40)는 일반 형태나 지하 암반(10)에서 오랫동안 머무르면서 흐를 수 있도록 코일 형태가 될 수 있다. 일반 형태는 도 2와 같은 U형태가 될 수 있다. 코일 형태는 도 2b와 같이 나선 방향을 따라 원형으로 권취되어 있는 구조이다.The heat storage recovery system can jointly utilize the same plurality of bore holes 12 formed in the underground rock 10. That is, as shown in FIG. 1, the second heat medium transport pipe 40 through which the second heat medium circulates is disposed in the bore hole 12, and at the same time, the same filler is filled around the second heat medium transport pipe 40. Secured. In this case, the first and second heat medium transport pipes 14 and 40 may be in the form of coils so that they can flow while staying in the general form or the underground rock 10 for a long time. The general form may be a U form as shown in FIG. 2. The coil form is a structure wound in a circle along the spiral direction as shown in FIG.

그리고 제2 열매체 이송관로(40)에 제2열매체를 강제 순환시키는 방열용 순환펌프(42)가 연결되어 있고, 제2열매체가 순환되는 방열용 순환관로(44)에 열활용 시스템(200)(예로, 난방기, 온수기 등)으로 제2열매체의 흡수열을 방출시키는 방열용 열교환기(46)가 설치되어 있다. 여기서 제2열매체는 제1열매체와 동일한 물질로 구성된다. 이때 제2열매체 이송관로(40)는 전도성이 우수한 금속 재질이 바람직하다.And a heat dissipation circulation pump 42 for forcibly circulating the second heat medium to the second heat medium transfer pipe 40, and the heat utilization system 200 to the heat dissipation circulation pipe 44 through which the second heat medium is circulated. For example, a heat exchanger 46 for dissipating heat to absorb absorption heat of the second heat medium through a heater, water heater, etc. is provided. Here, the second heat medium is made of the same material as the first heat medium. In this case, the second thermal medium transfer pipe 40 is preferably a metal material having excellent conductivity.

따라서 방열용 순환펌프(42)가 가동되면 제2열매체는 방열용 열교환기(46)와 지하 암반(10)을 교대로 순환하게 되고, 이때 지하 암반(10)에 축열된 열은 제2 열매체 이송관로(40)를 흐르는 제2열매체로 흡수되고, 제2열매체에 저장된 열은 다시 방열용 열교환기(46)를 통해 방출되어 열활용 시스템(200)으로 교환된다. 열활용 시스템(200)의 구성 방법에 따라 온수 또는 고온의 열기를 획득할 수 있다.Therefore, when the heat dissipation circulation pump 42 is operated, the second heat medium circulates the heat dissipation heat exchanger 46 and the underground rock 10 alternately, and the heat accumulated in the underground rock 10 is transferred to the second heat medium. Absorbed by the second heat medium flowing through the conduit 40, the heat stored in the second heat medium is discharged through the heat dissipation heat exchanger 46 again and exchanged with the heat utilization system 200. Hot water or high temperature heat may be obtained according to a method of configuring the thermal utilization system 200.

한편, 본 시스템을 구성하는데 있어, 지하 암반(10)이 소정의 목표 온도에 도달하도록 제어부(50)가 구성된다. 즉, 제어부(50)는 집열시스템 온도(T1), 지하 암반 온도(T2) 및 열사용시스템 온도(T3) 값에 따라 축열용 순환펌프(30)와 방열용 순환펌프(42)를 구동 및 정지시켜 지하 암반에 지속적으로 축열을 진행한다. 이때 축열용 순환펌프(30)의 구동/정지에 따라 축열용 순환관로(16)를 개방/폐쇄시키기 위해 밸브(V1,V2)가 설치되고, 방열용 순환펌프(42)의 구동/정지에 따라 방열용 순환관로(44)를 개방/폐쇄시키기 위해 밸브(V3,V4)가 설치된다. 이들 밸브(V1,V2,V3,V4)는 제어부(50)에 의해 제어되어 개폐 동작한다. 또한 각 시스템과 지하 암반의 온도를 측정하기 위해 제어부(50)와 전기적으로 해당 측정온도의 대상체에 온도센서(S1,S2,S3,S4)가 설치된다.On the other hand, in constructing this system, the control part 50 is comprised so that the underground rock 10 may reach | attain predetermined | prescribed target temperature. That is, the controller 50 drives and stops the heat storage circulation pump 30 and the heat radiation circulation pump 42 according to the heat collection system temperature T1, the underground rock temperature T2, and the heat use system temperature T3. It continuously accumulates in the underground rock. At this time, valves V1 and V2 are installed to open / close the heat storage circulation pipe 16 according to the driving / stop of the heat storage circulation pump 30, and according to the driving / stop of the heat radiation circulation pump 42. Valves V3 and V4 are installed to open / close the heat dissipation circulation passage 44. These valves V1, V2, V3, V4 are controlled by the controller 50 to open and close. In addition, the temperature sensor (S1, S2, S3, S4) is installed on the control unit 50 and the object of the measurement temperature to measure the temperature of each system and the underground rock.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 작용을 설명한다.The operation of the present embodiment thus configured will be described.

<축열 모드><Heat storage mode>

먼저, 제어부(50)는 집열시스템 온도(T1), 지하 암반 온도(T2) 및 열사용시스템 온도(T3)를 측정(S10)한다.First, the controller 50 measures the heat collecting system temperature T1, the underground rock temperature T2, and the heat use system temperature T3 (S10).

다음, 축열용 순환펌프(30)가 구동(S11)된다. 따라서 제1열매체 순환시스템의 제1열매체는 축열용 열교환기(20)와 지하 암반(10)을 교대적으로 순환하게 된다. 이때 집열시스템(100)에서 얻어진 열에너지는 축열용 열교환기(20)를 통하여 제1열매체로 흡수되고, 제1열매체 이송관로(14)를 순환하면서 지하 암반(10)에 축열을 개시한다.Next, the heat storage circulation pump 30 is driven (S11). Therefore, the first heat medium of the first heat medium circulation system alternately circulates the heat storage heat exchanger 20 and the underground rock 10. At this time, the heat energy obtained by the heat collecting system 100 is absorbed into the first heat medium through the heat storage heat exchanger 20, and the heat energy is started in the underground rock 10 while circulating the first heat medium transport pipe 14.

그 다음, 집열시스템 온도(T1)와 지하 암반 온도(T2)가 비교 판단(S12)된다. 여기서 집열시스템 온도(T1)가 지하 암반 온도(T2) 보다 클 경우 축열용 순환펌프(30)는 계속적으로 구동(S11)이 이루어져 축열이 계속된다. 또한 집열시스템 온도(T1)가 지하 암반 온도(T2) 보다 작거나 같을 경우 축열용 순환펌프(30)는 정지(S13)되고, 축열 상태가 유지(S13a)된다.Next, the heat collecting system temperature T1 and the underground rock temperature T2 are compared and determined (S12). Here, when the heat collecting system temperature T1 is greater than the underground rock temperature T2, the heat storage circulation pump 30 is continuously driven S11 and the heat storage continues. In addition, when the heat collection system temperature T1 is less than or equal to the underground rock temperature T2, the heat storage circulation pump 30 is stopped (S13) and the heat storage state is maintained (S13a).

이같이 축열 모드시에는 축열용 순환펌프(30)의 구동 제어를 통해 집열시스템(100)의 잉여된 열에너지가 지하 암반(10)에 지속적으로 축적된다.Thus, in the heat storage mode, the surplus heat energy of the heat collecting system 100 is continuously accumulated in the underground rock 10 through the drive control of the heat storage circulation pump 30.

<축열 사용 모드><Heat storage mode>

축열 사용 모드는 지하 암반 온도(T2) 및 열사용시스템 온도(T3) 값을 비교 판단(S14)하여 지하 암반 온도(T2)가 열사용시스템 온도(T3) 보다 높을 경우 방열용 순환펌프(42)가 구동(S15)되어 열활용이 이루어진다. 만일, 지하 암반 온도(T2)가 열사용시스템 온도(T3)와 같거나 이 보다 낮을 경우 방열용 순환펌프(42)가 정지(S16)되어 열활용은 중단된다.In the heat storage use mode, the underground rock temperature (T2) and the heat use system temperature (T3) are compared and judged (S14), where the underground rock temperature (T2) is higher than the heat use system temperature (T3). Is driven (S15) is made of heat utilization. If the underground rock temperature (T2) is equal to or lower than the heat use system temperature (T3), the heat dissipation circulation pump 42 is stopped (S16) to stop the heat utilization.

여기서 방열용 순환펌프(42)가 구동(S15)되면, 제2열매체 이송관로(40)를 순환하는 제2열매체가 지하 암반(10)에 축적된 열을 흡수하고, 이 흡수된 열은 방열용 열교환기(46)를 통해 열활용 시스템(200)으로 교환된다.Here, when the heat dissipation circulation pump 42 is driven (S15), the second heat medium circulating the second heat medium transfer pipe 40 absorbs the heat accumulated in the underground rock 10, and the absorbed heat is used for heat dissipation. Exchanged to heat utilization system 200 through heat exchanger 46.

이와 같이 본 발명의 시스템에 따르면, 제어부(50)는 축열 모드를 사용하여 집열시스템(100)에서 집열된 열 에너지를 지하 암반(10)에 축열시키고, 축열 사용모드를 통해 지하 암반(10)에 축적된 축열을 회수하여 재활용하게 된다. As described above, according to the system of the present invention, the control unit 50 accumulates the thermal energy collected in the heat collecting system 100 in the underground rock 10 using the heat storage mode, and in the underground rock 10 through the heat storage use mode. The accumulated heat storage is recovered and recycled.

따라서 태양에너지, 폐열 등과 같이 기후적, 시간적 제한에 의하여 이용하지 못하고 소모되는 열 에너지를 지속적으로 축열체가 되는 지하 암반(10)에 축열시켜 재활용하게 됨으로써 에너지 비용을 절감할 수 있다.Therefore, it is possible to reduce energy costs by being regenerated and recycled to the underground rock 10, which is not used due to climatic and time constraints such as solar energy and waste heat, and continuously consumes heat energy.

또한, 별도의 열 에너지를 발생시키는 연료의 사용 없이 잉여 열에너지를 활용함으로써 친환경적 열활용 시스템을 구현할 수 있고, 신재생에너지(태양에너지)의 효율성이 향상된다.In addition, by utilizing the surplus heat energy without the use of a fuel that generates a separate heat energy can implement an eco-friendly heat utilization system, the efficiency of renewable energy (solar energy) is improved.

한편, 본 발명은 지하 암반(10)에 대체하여 낮은 열전도와 높은 열용량을 갖는 단열적 특성을 나타내는 구조체를 지하에 매설하여 축열체로 이용할 수도 있다. 즉, 축열체로 이용될 수 있는 구조체는 자연적인 지하 암반이 될 뿐만 아니라 암석을 인공적으로 축조한 구조체를 지하에 매설하여 구성될 수도 있다.On the other hand, the present invention can be used as a heat accumulator by embedding a structure having a thermal insulation property having a low thermal conductivity and high heat capacity in the basement instead of the underground rock 10. That is, the structure that can be used as a heat storage body may be configured not only to be a natural underground rock but also to embed a structure artificially constructed of rock in the basement.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art in light of the above teachings. will be. The invention is not limited by these variations and modifications, but is limited only by the claims appended hereto.

100: 집열시스템
10: 지하 암반
12: 보어 홀
14: 제1 열매체 이송관로
20: 축열용 열교환기
30: 축열용 순환펌프
40: 제2 열매체 이송관로
42: 방열용 순환펌프
46: 방열용 열교환기
50: 제어부
200: 열활용 시스템100: collection system
10: underground bedrock
12: bore hole
14: first heating medium transfer pipe
20: heat storage for heat storage
30: heat storage circulation pump
40: second heat medium transfer pipe
42: circulation pump for heat dissipation
46: heat exchanger for heat dissipation
50: control unit
200: heat utilization system

Claims (8)

지하 암반에 제1 열매체 및 제2 열매체가 방향과 위치를 바꾸어가면서 흐를 수 있도록 제1 및 제2 열매체 이동통로를 확보하고;
상기 제1 열매체 이동통로에 연결되어 제1 열매체를 수송시키는 폐회로의 축열용 순환관로와;
상기 축열용 순환관로에 연결되어 태양열 또는 폐열을 집열하는 집열시스템으로부터 집열된 열을 제1 열매체로 흡수 교환시키는 흡열용 열교환기와;
제1 열매체가 상기 축열용 열교환기와 지하 암반내 열매체 이동통로를 교대적으로 강제 순환되도록 하는 축열용 순환펌프와;
상기 지하 암반에 축열된 열을 흡수하는 제2열매체를 강제 순환시키는 방열용 순환펌프; 및
제2열매체가 순환되는 방열용 순환 관로에 설치되어 열활용 시스템으로 제2열매체의 흡수열을 방출시키는 방열용 열교환기를 포함하고,
지하 암반에 소정의 깊이를 갖는 다수의 보어 홀이 형성되고, 보어 홀에 축열용 순환관로와 연결된 제1열매체 이송관로가 배치됨과 동시에 제1열매체 이송관로의 둘레로 벤토나이트계 또는 시멘트계 그라우트에 실리카 샌드가 첨가된 충진재가 충진되어져 열매체 이동통로가 확보되어 있는 것을 특징으로 하는 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템.Securing first and second heat medium moving passages in the underground rock so that the first heat medium and the second heat medium can flow while changing directions and positions;
A heat storage circulation pipe connected to the first heat medium moving passage for transporting the first heat medium;
An endothermic heat exchanger connected to the heat storage circulation pipe for absorbing and exchanging heat collected from a heat collecting system for collecting solar heat or waste heat into a first heat medium;
A heat storage circulation pump for allowing a first heat medium to circulate forcedly alternately with the heat storage heat exchanger and the heat medium moving passage in the underground rock;
A heat dissipation circulation pump forcibly circulating a second heat medium absorbing heat accumulated in the underground rock; And
A heat dissipation heat exchanger installed in the heat dissipation circulation pipe through which the second heat medium is circulated, and dissipating the heat of absorption of the second heat medium by the heat utilization system;
A plurality of bore holes having a predetermined depth are formed in the underground rock, and the first heat medium transfer pipe connected to the heat storage circulation path is disposed in the bore hole, and at the same time, silica sand is formed in the bentonite or cement grout around the first heat medium transport pipe. The heat utilization system using the heat storage of the underground rock, characterized in that the filler is added is filled to ensure the heat medium moving passage. 삭제delete 제1 항에 있어서,
지하 암반에 공동구 또는 소정의 깊이를 갖는 다수의 보어 홀이 형성되고, 보어 홀에 축열용 순환관로와 연결된 제2열매체 이송관로가 배치됨과 동시에 제2열매체 이송관로의 둘레로 벤토나이트계 또는 시멘트계 그라우트에 실리카 샌드가 첨가된 충진제가 충진되어져 열매체 이동통로가 확보되어 있는 것을 특징으로 하는 지하 암반의 축열을 이용한 열활용 시스템.The method according to claim 1,
A cavity hole or a plurality of bore holes having a predetermined depth is formed in the underground rock, and a second heat medium transport pipe connected to the heat storage circulation pipe is disposed in the bore hole, and at the same time, a bentonite-based or cement-based grout is formed around the second heat medium transport pipe. The heat utilization system using the heat storage of the underground rock which is filled with the silica sand-filled filler and the heat medium movement path is secured. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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