KR101715752B1 - 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 있어서, 지하수가 위치하는 충적 대수층까지 관정되고, 상기 충적 대수층에 존재하는 지하수를 공급하기 위한 펌프가 구비된 집수관정; 상기 집수관정 내의 펌프를 통해 공급되는 지하수를 통해 냉방 또는 난방을 수행하는 히트펌프; 및 상기 집수관정 주위에 관정되고, 상기 히트펌프를 통해 냉방 또는 난방에 이용된 지하수가 주입되는 적어도 하나 이상의 지수열 주입정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

지하수를 이용한 지열 냉난방시스템{Geothermal heating and cooling systems using underground water}

본 발명은 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하절기에 충적층 지하수를 집수하여 열교환기를 통해 열교환 후 생성되는 온배수를 주입정에 주입하고 잉여되는 주입수를 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하고, 동절기에는 냉배수를 냉수정 및 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하여 계절 간 잉여 에너지를 순차적으로 조절하여 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있는 지열 냉난방시스템에 관한 것이다.

종래 개방형 지열 냉난방시스템의 지중열교환시스템 즉 지하수를 열원으로 사용하는 냉난방시스템의 지중 열교환 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 지하 300~500m 깊이의 지열공(지하수 관정)을 개발하고, 그 안에 수중모터펌프(11)와 파이프 배관(12)을 통해 지하수를 양수하여 히트펌프 열교환기(20)에서 열교환이 이루어지고, 열교환이 끝난 지하수를 지열공으로 다시 회수하는 구조로 되어 있다.

이러한, 종래 지하수를 이용하는 냉난방시스템은 냉방 또는 난방에 사용한 지하수를 다시 관정에 주입한다.

그러나, 종래 지하수를 이용하는 냉난방시스템은 관정에 주입되는 지하수가 100%로 주입되지 않는다. 보통 10~30%는 주입되지 않고 외부로 방출되는 문제점이 발생함에 따라 지하수의 강하, 주변 지역의 지반침하 및 하천의 건전화 등의 문제가 발생한다.

이와 같이, 종래 지하수를 이용하는 냉난방시스템은 히트펌프 자체의 운전조건에 따라 시스템을 운영하기 때문에 부하측 열공급 및 지중열 교환기의 상태를 전혀 고려하지 않고 있는 문제점이 있다.

이와 같이, 종래에는 히트펌프 제어 및 운전에 따라 지하수를 이용하는 냉난방시스템이 운영되고 있어 냉난방 일반운전 및 피크 시 등과 같이 장시간 운전의 경우 지중열교환기 내부온도가 과도하게 상승 또는 하강하는 문제로 인해 효율의 급격한 감소가 발생하는 문제점이 있다.

이러한, 종래 지하수를 이용하는 냉난방시스템에서의 문제점을 해결하기 위해 종래에는 브리딩이 수행된 바 있다. 그러나, 종래 브리딩은 각각의 지하수의 양수량, 열전도도, 생산열량, 주위환경, 사용방법에 따라 달리 시행하여야 함에도 불구하고 경험에 따라 10~30%의 반환수가 획일적으로 버려지고 있는 실정이기 때문에 지하수 자원의 고갈 및 효율 저하 등의 문제를 해결할 수 없다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉방 또는 난방에 이용된 지하수의 반환 효율을 높여줄 수 있는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템을 제공하는 데 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 반환되는 지하수가 역류하는 것을 방지할 수 있는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하절기에 충적층 지하수를 집수하여 열교환기를 통해 열교환 후 생성되는 온배수를 주입정에 주입하고 잉여되는 주입수를 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하고, 동절기에는 냉배수를 냉수정 및 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하여 계절 간 잉여 에너지를 순차적으로 조절함으로써 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템은, 지하수가 위치하는 충적 대수층까지 관정되고, 상기 충적 대수층에 존재하는 지하수를 공급하기 위한 펌프가 구비된 집수관정; 상기 집수관정 내의 펌프를 통해 공급되는 지하수를 통해 냉방 또는 난방을 수행하는 히트펌프; 및 상기 집수관정 주위에 관정되고, 상기 히트펌프를 통해 냉방 또는 난방에 이용된 지하수가 주입되는 적어도 하나 이상의 지수열 주입정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 집수관정과 상기 지수열 주입정은, 상기 집수관정과 지수열 주입정에 주입되는 주입수의 역류를 방지하기 위해 상부측에 갓 형상의 차단막을 더 포함하여 이루어져서, 상기 차단막을 통해 지면으로 주입수를 역류하는 것을 차단하여 지하수로 유입도록 안내하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래에서와 같이 집수관정에만 주입수가 주입되지 않고, 지수열 주입정에도 주입수가 배분되어 주입됨으로써, 모든 주입수를 지하수에 반환할 수 있기 때문에 모든 주입수가 지하수에 반환되기 때문에 지하수의 고갈을 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 히트펌프에 공급되는 지하수와 직접적으로 연결되어 있지 않은 지수열 주입정을 통해 냉방 또는 난방에 이용된 지하수를 반환함으로써, 집수관정의 지하수 온도가 반환되는 지하수에 의해 영향을 받지 않음에 따라 시스템의 효율이 높아지는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하절기에 충적층 지하수를 집수하여 열교환기를 통해 열교환 후 생성되는 온배수를 주입정에 주입하고 잉여되는 주입수를 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하고, 동절기에는 냉배수를 냉수정 및 다중소형정을 통해 지하 충적대수층에 100% 저장하여 계절 간 잉여 에너지를 순차적으로 조절하여 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 관한 도면.
도 2는 도 1에 따른 냉난방 시스템의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 따른 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 집수관정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 지수열 주입정을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 채용된 차단막을 설명하기 위한 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 채용된 히트펌프를 설명하기 위한 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 하기에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 대하여 하기 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템에 따른 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 집수관정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 채용된 지수열 주입정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 채용된 차단막을 설명하기 위한 도면이다.

상기 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템은 지하수를 이용하는 냉방 또는 난방 시스템에 관한 것으로, 집수관정(100), 지수열 주입정(200) 및 히트펌프(300)를 포함하여 이루어진다.

집수관정(100)은 지하수가 위치하는 충적 대수층까지 관정되고, 충적 대수층에 존재하는 지하수를 히트펌프(300)에 공급하기 위한 펌프(110)가 구비되고, 펌프는 입수관(120)을 통해 히트펌프(300)와 연결된다. 이러한, 집수관정(100)은 직경 250mm ~ 300mm이며, 500m 이상의 충적 대수층까지 관정되는 것이 바람직하다.

이때, 집수관정(100) 내부는 관정을 타고 올라오는 지하수가 외측으로 누수되지 않도록 케이싱되는 것이 바람직하다.

그리고 지수열 주입정(200)은 집수관정(100) 주위에 관정되고, 히트펌프(300)를 통해 냉방 또는 난방에 이용된 후 배출되는 지하수가 주입된다.

또한, 지수열 주입정(200)은 도 3에 도시된 바와 같이 집수관정(100) 주위에 복수개 구비되되, 집수관정(100) 보다 낮은 위치에 단차지도록 구비되고, 배출관(130)이 집수관정(100)에만 구비되며, 상기 집수관정과 지수열 주입정은 연결관(210)을 통해 연결되는 것을 특징으로 한다. 한편, 연결관(210)은 도 3에 도시된 바와 같이 외부로 노출되어 있을 수도 있으나 지면 내부에 구현될 수도 있다.

이와 같이, 집수관정(100) 주위에 지수열 주입정(200)이 하부에 단차지도록 구비되고, 배출관(130)이 모든 지열수 주입정에 구비되지 않고 상기 집수관정(100)에 구비됨으로써, 지열 냉난방시스템을 구현하면서도 시스템 구현 비용이 낮아지는 장점이 있으며, 냉방 또는 난방에 이용된 지하수가 100% 주입될 수 있는 장점이 있다.

그리고, 히트펌프(300)는 지하수의 에너지를 열에너지로 변경하는 역할을 하는 것으로 지하수의 열을 난방 또는 냉방열로 변환하는 역할을 하는 것으로, 상기 집수관정(100)의 입수관(110)을 통해 공급되는 지하수의 열을 난방 또는 냉방열로 변환하고, 변환된 지하수는 배출관(130)을 통해 배출한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래에서와 같이 집수관정(100)에만 주입수가 주입되지 않고, 지수열 주입정(200)에도 주입수가 배분되어 주입됨으로써, 모든 주입수를 지하수에 반환할 수 있는 효과가 있다.

이로 인해, 모든 주입수가 지하수에 반환되기 때문에 지하수의 고갈을 방지할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 히트펌프(300)에 공급되는 지하수와 직접적으로 연결되어 있지 않은 지수열 주입정(200)을 통해 냉방 또는 난방에 이용된 지하수를 반환함으로써, 집수관정(100)의 지하수 온도가 반환되는 지하수에 의해 영향을 받지 않음에 따라 시스템의 효율이 높아지는 장점이 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템은 차단막(400)이 더 구비될 수 있다.

차단막(400)은 집수관정(100)과 지수열 주입정(200) 상부에 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 차단막(400)이 집수관정(100)과 지수열 주입정(200)에 설치될 경우, 집수관정(100)과 지수열 주입정(200)에 주입되는 주입수가 역류되는 것을 방지할 수 있다.

이러한, 차단막(400)은 집수관정(100)과 지수열 주입정(200) 상부측에 갓 형상의 토양층에 형성된다. 즉, 집수관정(100)과 지수열 주입정(200)이 설치된 토양을 일정 공간을 판 후 설치하게 되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 지수열 주입정(200)은, 집수관정(100) 보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 지수열 주입정(200)은 집수관정(100)에 비하여 직경이 적기 때문에 집수관정(100)과 다르게 토양층에 관정되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서의 지수열 주입정(200)은 20~30m 정도만 관정해도 본 발명의 일 실시예를 구현할 수 있다.

이와 같이, 복수의 집수관정(100)이 설치되지 않고 집수관정(100) 주위에 지수열 주입정(200)이 설치됨으로써 시스템 설치 비용이 감소하는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 채용된 지수열 주입정(200)은, 주입수가 지하수로 유입되도록 배출되는 구조인 것이 바람직하다. 이와 같이, 도 6에 도시된 바와 같이 지수열 주입정(200)이 유입된 지하수가 외부로 배출되는 구조로 형성될 경우, 관정 외부의 지하수가 지수열 주입정(200)을 타고 상부로 역류하는 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 채용된 히트펌프를 설명하기 위한 도면이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 채용된 히트펌프(300)는, 응축기(310), 증발기(320) 및 압축기(330)를 포함하여 이루어진다.

응축기(310)는 집수관정(100)을 통해 공급되는 지하수를 냉각해 열을 빼앗아서 응축 변화시키는 역할을 한다.

그리고, 증발기(320)는 응축기(310)로부터 팽창 밸브를 통과하여 저온·저압으로 감압된 액체 냉매를 유입하여 집수관정(100)을 통해 공급되는 지하수와 열교환시킴으로써 액체증발에 의한 열흡수로 냉각하는 역할을 한다.

또한, 압축기(330)는 증발기(320)로부터 유입되는 낮은 압력의 기체를 높은 압력의 기체로 변환시켜 상기 응축기(310)로 전달하는 역할을 한다. 이와 같이, 응측기, 증발기(320) 및 압축기(330)는 순환구조를 가지는 것이 바람직하며 응축기(310)와 증발기(320) 사이에는 팽창밸브(321)가 위치하고 내부 냉매를 저장할 수 있는 탱크가 구비될 수 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 하절기에는 응축기(310)가 상기 집수관정(100)을 통해 공급되는 지하수를 응축한 후 증발기(320)를 통해 빼앗긴 열을 이용하여 냉방을 수행하고 동절기에는 증발기(320)가 상기 집수관정(100)을 통해 공급되는 지하수의 열을 흡수한 열을 이용하여 난방을 수행함으로써 계절 간 잉여 에너지를 순차적으로 조절하여 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서와 달리 지수열 주입정(200)에도 히트펌프(300)와 연결된 배출관(130)이 삽입되는 구조이다. 이와 같이, 지수열 주입정(200)에 배출관(130)이 구비됨으로써 지하수의 주입 속도를 높일 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

100 : 집수관정 200 : 지수열 주입정
300 : 히트펌프 400 : 차단막

Claims (5)

1. 지열 냉난방 시스템에 있어서,
   지하수가 위치하는 충적 대수층까지 관정되고, 상기 충적 대수층에 존재하는 지하수를 공급하기 위한 펌프가 구비된 집수관정; 상기 집수관정 내의 펌프를 통해 공급되는 지하수를 통해 냉방 또는 난방을 수행하는 히트펌프; 및 상기 집수관정 주위에 관정되고, 상기 히트펌프를 통해 냉방 또는 난방에 이용된 지하수가 주입되는 적어도 하나 이상의 지수열 주입정;을 포함하여 이루어고,
   상기 지수열 주입정은,
   상기 집수관정 주위에 복수개 구비되되,
   상기 집수관정 보다 낮은 위치에 단차지도록 구비되고,
   배출관이 상기 집수관정에만 구비되며,
   상기 집수관정과 지수열 주입정은 연결관을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 집수관정과 상기 지수열 주입정은,
   상기 집수관정과 지수열 주입정에 주입되는 주입수의 역류를 방지하기 위해 상부측에 갓 형상의 차단막을 더 포함하여 이루어져서,
   상기 차단막을 통해 지면으로 주입수를 역류하는 것을 차단하여 지하수로 유입도록 안내하는 것을 특징으로 하는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 히트펌프는,
   상기 집수관정을 통해 공급되는 지하수를 냉각해 열을 빼앗아서 응축 변화시키는 응축기;
   상기 응축기로부터 팽창 밸브를 통과하여 저온·저압으로 감압된 액체 냉매를 유입하여 상기 집수관정을 통해 공급되는 지하수와 열교환시킴으로써 액체증발에 의한 열흡수로 냉각하는 증발기; 및
   상기 증발기로부터 유입되는 낮은 압력의 기체를 높은 압력의 기체로 변환시켜 상기 응축기로 전달하는 압축기;를 포함하여 이루어지되,
   하절기에는 상기 응축기가 상기 집수관정을 통해 공급되는 지하수를 응축한 후 증발기를 통해 빼앗긴 열을 이용하여 냉방을 수행하고 동절기에는 상기 증발기를 통해 상기 집수관정을 통해 공급되는 지하수의 열을 흡수한 열을 이용하여 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템.

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