KR101830675B1 - 지열을 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지하에 매설되는 지중 열교환기의 구조를 달리하여 지열수의 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하기 위해 지열수가 유입 또는 배출되는 U자형의 지중 열교환기와, 상기 지중 열교환기와 연결되어 상기 지중 열교환기를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 상기 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 지중 열교환기는 내부 공간을 갖는 파이프의 내부 및 외부 표면에 길이방향으로 일정한 간격으로 요철을 갖는 굴곡부가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM USING GROUND SOURCE}
본 발명은 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 열교환 파이프의 구조를 변경하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가정 및 산업용 냉난방에 사용되고 있는 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등이 있는데, 이러한 에너지원 사용은 환경오염의 주원인을 발생시킬 뿐만 아니라 매장량의 한계가 있기 때문에 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이와 같은, 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 에너지를 주로 사용하고 있다.
그러나 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방 장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위장치당 에너지 생산 용량이 작고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.
대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방 장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열을 이용한 냉난방 시스템은, 열교환기를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.
따라서, 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방 장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.
통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지열수를 회수하기 위한 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프로부터 회수한 지열수를 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하는 히트펌프로 구성된다.
도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 지표측의 토양층에 200m 이상의 깊이로 제 1, 제 2 시추공을 굴착하고, 상기 제 1, 제 2 시추공의 내부에 지열수를 공급하기 위해 열교환 파이프(20)를 매립하고 있다.
상기 열교환 파이프(20)를 통해 공급되는 지열수는 필요로 하는 수요처(10)로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(30)를 구비하고 있다. 이때 상기 히트펌프(30)는 열교환기를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지열을 열원으로 냉난방을 수행하는 것으로 지중에 매설된 U자형의 열교환 파이프(20)들을 통해 지열수를 공급받아 냉난방을 수행하도록 되어있다.
이러한 냉난방은 이 U자형의 열교환 파이프(20)들과 순환 사이클을 형성하며 연결된 증발기와 응축기 등을 구비하여 냉난방용 히트펌프(30)로부터 냉온열을 얻은 지열수는 이 냉난방용 히트펌프(30)와 순환 사이클을 형성하며 연결된 열교환기(미도시)가 설치된 냉난방 장소로 이동되어 외기와의 열교환으로 냉난방을 수행하게 하거나 급탕 등을 공급하게 한다.
상기 열교환 파이프(20)는 내구성을 고려하여 폴리에틸렌(HDPE) 재질로 제작된다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 열교환 파이프가 폴리에틸렌 재질로 이루어져 충분한 열교환이 이루어지지 못하여 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라 종래에는 열교환 효율의 증대를 위해 열교환 파이프의 시공 깊이를 200m로 깊게 형성할 수 밖에 없으며, 원자재의 소요 비용도 그만큼 증가하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 냉온수의 열교환 방향 또는 유속이 일정하여 지열과 지중 열교환기 사이에서 쉽게 스트레스가 발생하는 문제가 있고, 이러한 스트레스로 인해 열교환기의 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1081565호(2011. 11. 02.)
(특허문헌 2) 등록특허공보 제10-1274230호(2013. 06. 05.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 지하에 매설되는 지중 열교환기의 구조를 달리하여 지열수의 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하기 위해 지열수가 유입 또는 배출되는 U자형의 지중 열교환기와, 상기 지중 열교환기와 연결되어 상기 지중 열교환기를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 상기 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 지중 열교환기는 내부 공간을 갖는 파이프의 내부 및 외부 표면에 길이방향으로 일정한 간격으로 요철을 갖는 굴곡부가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 지중 열교환기의 파이프 외부 또는 내부 표면에 길이 방향으로 다수의 요철 구조로 구성함으로써 지열수의 접촉 면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 지중 열교환기의 파이프 외부 또는 내부 표면에 길이 방향으로 요철을 구성함과 더불어 U자형 지중 열교환기의 파이프 중 일측과 타측 파이프의 표면적을 상이하게 구성하여 지열수의 유속을 달리함으로써 열교환 효율을 한층더 향상시킬 수 있다.
넷째, 열교환기 내부 또는 외부에 온도센서를 추가적으로 구성하여 유입되는 지열수의 온도를 지속적으로 감지하여 동파로 인한 사고를 미연에 방지할 수 있다.
다섯째, 열교환기의 냉매 유동 경로를 개선하여 열원측 또는 부하측에 각각 공급되는 지열수 또는 냉난방수와 히트펌프 내부에 순환하는 열매의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
여섯째, 지중에 매설되는 열교환 파이프에 온도 검출이 가능한 광섬유 온도센서를 구성하여 함께 매립함으로써 실내 순환수와의 열교환에 필요한 공급 지열수의 온도를 실시간으로 검출할 수 있다.
일곱째, 지중의 지열수 온도에 따라 히트펌프를 구동함으로써, 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 지열수의 온도에 따라 공급온도를 제어함에 있어, 히트펌프의 용량을 가변적으로 구동함으로써, 히트펌프 시스템의 COP(Coefficient Of Performance)를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 히트펌프를 개략적으로 나타낸 평면도
도 4는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 지중 열교환기의 제 1 실시예를 나타낸 평면도
도 5는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 2 실시예를 나타낸 평면도
도 6은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 지중 열교환기의 제 3 실시예를 나타낸 평면도
도 7은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 4 실시예를 나타낸 평면도
도 8은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 5 실시예를 나타낸 평면도
도 9는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 6 실시예를 나타낸 평면도
도 10은 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 각 실시예에 의한 U자형의 지중 열교환기를 연결하는 마감부재를 나타낸 평편도
도 11은 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 도시하는 부분 확대도
도 12는 도 11에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도
도 13은 도 12에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도
도 14는 도 13에 나타낸 열교환 유닛의 다른 실시예를 도시하는 참고도
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 히트펌프을 개략적으로 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 지중 열교환기의 제 1 실시예를 나타낸 평면도이다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템(1000)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 히트펌프(100), 지중 열교환기(200), 수요처(실내기)(300)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 수요처(실내기)(300)는 일정한 평수를 가지면서 사람들이나 가축들이 거주하여 생활하는 공간 또는 회사나 관공서와 같이 일정시간 근무하는 공간을 의미하는 공간으로서 냉난방을 위한 실내기를 구비한다.
상기 히트펌프(100)는 지열을 열원으로 하여 지중에서 상기 지중 열교환기(200)를 통해 열교환되어 공급된 지열수가 공급되는 제 1 열교환 유닛(110)과, 상기 제 1 열교환 유닛(110) 내부에서 지열수와 열교환된 냉매를 공급하도록 냉매(R-22, R-134a 또는 R-410)의 순환을 허용하는 냉매 순환라인(121)과, 상기 냉매 순환라인(121) 상에 결합되는 압축기(120) 및 팽창밸브(130)와, 상기 압축기(120)로부터 공급되는 냉매가 상기 냉매 순환라인(121) 상에서 공급되는 경로를 설정하는 4방밸브(140)와, 상기 제 1 열교환 유닛(110)과 동일한 구성으로 부하측에 배치되는 제 2 열교환 유닛(150)을 포함한다. 그리고 상기 냉매 순환라인(121)이 상기 히트펌프(100) 내부에서 폐쇄루프를 이루도록 연결된다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 히트펌프(100)를 제어하는 제어부를 더 구비할 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(100)는 냉방 운전시에 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 실내기로 하여금 실내에서 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉동사이클의 가동을 가능케 한다. 또한 상기 히트펌프(100)는 난방시에 상기 냉방사이클의 역사이클로 냉매를 흐르게 하여 실내기로 하여금 냉매의 응축을 통해 실내를 난방시키게 한다.
또한, 상기 히트펌프(100)는 공기 열원식 히트펌프 냉난방 시스템과 달리, 지열을 열교환 열원으로 하는 지열수를 이용하여 실외의 제 1 열교환 유닛(110)에서 열교환을 행하는 지열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이다.
따라서, 상기 히트펌프(100)는 제 1 열교환 유닛(110) 및 제 2 열교환 유닛(150)을 흐르는 냉매가 냉난방 여하에 따라 각각 응축기 또는 증발기 기능을 위한 하나의 열교환 순환회로를 구성한다.
그리고 상기 히트펌프(100)는 지중의 열원을 이용하기 위해 지중에 매설된 별도의 지중 열교환기(200)가 구비된다. 상기 지중 열교환기(200)는 지중에 설정된 깊이로 복수개의 'U'자 형상의 관이 매설되며, 상기 지중 열교환기(200)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 지열수를 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로 공급한다. 상기 지중 열교환기(200)의 매설깊이는 그 지역의 연간평균기온을 항시 유지하는 깊이로 설정되는 것이 바람직하며, 대략 13~18℃의 온도가 유지된다.
따라서 상기 히트펌프(100)는 지중 열원을 이용하여 상기 제 2 열교환 유닛(150) 내부의 냉난방수와 열교환이 이루어지면서 실내 냉난방수를 공급하거나 순환하도록 구성할 수 있다. 이때 상기 히트펌프(100)는 상기 지중 열교환기(200)와 열교환을 통하여 열원을 공급받고, 또한 실내기를 통하여 실내에 열원을 공급한다.
즉, 상기 히트펌프(100)는 지중의 지열수로부터 고온 또는 저온의 열원을 공급받아 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로 공급하여 열교환이 이루어지고, 여기서 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로부터 열교환된 냉매를 다시 응축 또는 증발시켜 고온 또는 저온의 냉매를 상기 제 2 열교환 유닛(150)으로 공급하여 냉난방수와 열교환 하면서 실내 난방 또는 냉방이 이루어질 수 있다.
상기 히트펌프(100)의 냉동 사이클을 보다 상세하게 설명하면, 난방 시 상기 압축기(120), 4방밸브(140), 제 2 열교환 유닛(150), 팽창밸브(130), 제 1 열교환 유닛(110), 4방밸브(140), 압축기(120)의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제 1 열교환 유닛(110)에서 지열수의 열원을 흡수하여 제 2 열교환 유닛(150)에서 흡수한 열원을 냉난방수로 전달하여 난방이 이루어진다.
또한, 냉방 시 상기 압축기(120), 4방밸브(140), 제 1 열교환 유닛(110), 팽창밸브(130), 제 2 열교환 유닛(150), 4방밸브(140), 압축기(120)의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제 2 열교환 유닛(150)에서 냉난방수의 열원을 흡수하여 제 1 열교환 유닛(110)에서 흡수한 열원을 지열수로 전달하여 냉방이 이루어진다.
따라서 난방 시에는 상기 제 1 열교환 유닛(110)이 증발기 역할을 하고, 상기 제 2 열교환 유닛(150)이 응축기 역할을 한다. 또한 상기 압축기(120)에서 냉매를 고온 고압으로 압축하여 기화시켜 제 2 열교환 유닛(150)으로 공급한다. 그러면 상기 제 2 열교환 유닛(150)은 기화된 냉매를 액화시켜 열에너지를 방출하면서 온수를 공급하거나 난방이 이루어진다.
그리고 냉방 시에는 상기 제 2 열교환 유닛(150)이 증발기 역할을 하고, 상기 제 1 열교환 유닛(110)이 응축기 역할을 한다. 또한 상기 제 2 열교환 유닛(150)에서 응축된 냉매가 팽창밸브(130)를 통해 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로 공급된다. 그러면 상기 제 2 열교환 유닛(150)에서 냉매가 기화되면서 열에너지를 흡수하여 상기 제 1 열교환 유닛(110)에 유입된 냉난방수의 온도를 낮추게 되고, 이렇게 냉각된 냉난방수는 실내기로 공급되어 냉방이 이루어진다. 여기서, 상기 매체는 물, 공기 또는 냉매를 모두 포함하고 이중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.
상기 지중 열교환기(200)는 지중에 매립된 U자형의 파이프로 구성되고 상기 파이프로부터 연장된 지열 회수관을 따라 지열수를 상기 히트펌프(100)로 순환시키어 공급한다.
상기 지중 열교환기(200)는 지표면을 100~150M의 깊이로 천공하여 시추공을 형성하고, 상기 시추공 내부에 U자형의 지중 열교환기(200)를 삽입하여 구성된다.
한편, 상기 지중 열교환기(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 공간을 갖는 PET 파이프(210)의 내부 및 외부 표면에 길이 방향으로 일정한 간격을 갖고 다수의 굴곡부(220)가 형성되어 있다.
이때 상기 PET 파이프(210)의 내부 및 외부 표면에 형성된 굴곡부(220)에 의해 내부 및 외부의 표면적을 증가시켜 전체적으로 지열수와의 접촉면적을 증가시킴으로써 지열수의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 지중 열교환기(200)를 구성하는 U자 형태의 파이프 중에서 일측과 타측의 지름을 상이하게 구성하여 지열수의 유속을 달리할 수도 있다.
예를 들면, 상기 수요처(300)에서 냉난방으로 사용한 지열수가 지중으로 흘러가는 쪽의 PET 파이프(210) 지름을 상기 히트펌프(100)쪽으로 지열수가 유입되는 파이프 지름보다 작게 구성하여 사용된 지열수의 유속을 빠르게 진행함으로써 히트펌프(100)으로 공급되는 지열수의 유속을 느리게 하여 지열수의 온도를 낮추거나 높일 수 있다.
이와 같이 펌프에 의해 지열수가 지중 열교환기(200)의 지열 회수관을 따라 순환됨으로써 상기 지중 열교환기(200)는 지중과의 열교환을 통해 지중으로부터 열을 흡수하여 지열을 회수하거나 상기 히트펌프(100)를 통해 일정 온도(15~21℃)의 지열수를 공급하게 된다.
상기 지중 열교환기(200)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 함) 재질의 직관 파이프로 구성되고, 상기 지중 열교환기(200)의 표면에 길이방향으로 일정한 간격을 갖고 형성된 굴곡부(220)는 상기 직관 파이프의 표면에 소정깊이로 다수의 홈들이 형성시켜 내부로 유입 또는 유출되는 냉온수의 열교환 효율을 한층더 향상시키고 있다.
여기서, 상기 굴곡부(220)는 상기 지중 열교환기(200)의 길이 방향으로 구성되어 지중에 설치되는 지중 열교환기(200) 내부 및 외부에 흐르는 지열수와의 접촉면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 2 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에 의한 지중 열교환기(200)는 제 1 실시예에 비교하여 U자 형상의 지중 열교환기(200)에서 유입관과 배출관쪽의 PET 파이프(210) 내부 및 외부 표면에 형성된 굴곡부(220)의 간격을 달리한다.
즉, 상기 제 1 열환기 유닛(110)으로 지열수가 유입되는 파이프에 형성된 굴곡부(220)의 간격을 다른 쪽의 파이프에 형성된 굴곡부(220)의 간격보다 조밀하게 형성하여 전체적인 표면적을 증가시킴으로써 지열수의 열교환 효율을 한층더 향상시킬 수가 있다.
도 6은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 지중 열교환기의 제 3 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에 의한 지중 열교환기(200)는 제 1 실시예에와 비교하여 폴리에틸렌 재질로 이루어진 상태에서 일정한 간격으로 열전도율이 우수한 금속재질로 이루어진 연결부재(250)를 결합하고, U자형의 지중 열교환기(200) 사이에 지중 열교환기(200)의 간격을 일정한 간격으로 유지하기 위하여 복수개의 지지부재(260)를 구성하고 있다.
여기서, 상기 U자형의 지중 열교환기(200)는 열전도율이 다른 폴리에틸렌 재질과 금속재질의 연결부재(250)를 일정하게 간격으로 연결한 상태에서 지중의 지열수에 대해 보다 신속하게 열을 낮추거나 높여 히트펌프(100)에 공급하도록 구성된다.
상기 지지부재(260)는 U자형의 지중 열교환기(200)를 구성하는 연결부재(250) 사이에 연결되어 U자형의 지중 열교환기(200)를 일정하게 유지하여 열교환 효율의 저하를 미연에 방지함과 더불어 금속재질의 연결부재(250)를 통해 열교환 효율을 향상시킬 수가 있다.
또한, 본 발명은 지중 열교환기(200)의 표면적을 증가시킴으로써 지면을 천공시 깊이를 100M이내로 실시하면 되기 때문에 장소의 제약이 적고 시추 공사를 간소화시킬 수 있다.
뿐만 아니라 동일한 지름을 갖는 지중 열교환기(200)보다 열교환 효율을 좋기 때문에 그만큼 지중 열교환기(200)의 지름을 줄일 수가 있어 천공 지름을 작게 가져감으로써 보다 많은 천공을 구성할 수도 있다.
도 7은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 4 실시예를 나타낸 평면도이다.
상기 지중 열교환기(200)의 제 4 실시예는 도 7에 도시된 바와 같이, 내부 공간을 갖는 PET 파이프(210)의 외부 표면에 길이 방향을 따라 지열수의 온도를 검출하기 위해 광섬유 온도센서(220)가 형성되어 있다.
이때 지중에 매설되는 열교환 파이프(200)에 온도 검출이 가능한 광섬유 온도센서(220)를 구성하여 함께 매립함으로써 실내 순환수와의 열교환에 필요한 공급 지열수의 온도를 실시간으로 검출할 수 있다.
뿐만 아니라 지중의 지열수 온도에 따라 히트펌프(100)를 구동함으로써, 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 지열수의 온도에 따라 공급온도를 제어함에 있어, 히트펌프(100)의 용량을 가변적으로 구동함으로써, 지열 시스템의 COP(Coefficient Of Performance)를 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 온도를 검출하는 광섬유 온도센서(220)는 일정한 거리를 두고 있는 두 개의 캐비티(cavity) 면으로 구성되어 광의 간섭현상을 통해 입사광과 반사광의 위상차와 광경로의 차를 추출하는 광섬유 간섭계를 이용하되, 상기 추출된 위상차 및 광경로의 차로부터 온도 변화를 감지함으로써 온도를 측정한다.
상기 광섬유 온도센서(220)는 1.3㎛~1.5㎛ 가변 파장의 레이저 다이오드(LD) 광원, 광검출기(Photo Detector), 광섬유 간섭계를 구성하는 다수의 광섬유 온도센서, 3-dB 커플러로 구성되고, 상기 레이저 다이오드에서 방출된 빛은 3-dB 커플러를 거쳐 광섬유 간섭계로 가고, 상기 간섭계에 도달한 빛은 서로 간섭을 일으키고, 두 개의 피크 파장을 이용하여 온도변화에 대한 광 스펙트럼을 추출하고, 상기 추출된 광 스펙트럼은 이산 신호처리와 필터링을 거쳐 신호를 복조함으로써 광경로 차이를 추출한다.
상기 광섬유 온도센서(220)에서 의해 감지된 혼합 광 신호를 선형 보간법에 의하여 파수(wave number) 영역으로 변환하고, 신호의 주파수 성분을 분석하기 위하여 DFT(Discrete Fourier transform)를 평가하여 각 센서의 피크 주파수를 추출하고, 추출된 센서 신호의 피크 주파수를 저역 통과 필터로 필터링하여, 피크 파장을 추출한다.
도 8은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 5 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제 5 실시예에 의한 지중 열교환기(200)는 제 4 실시예에 비교하여 U자 형상의 지중 열교환기(200)에서 유입관과 배출관쪽의 PET 파이프(210) 내부 및 외부 표면에 형성된 굴곡부(230)를 구성하는 것을 제외하면 동일한 구성을 갖는다.
이때 상기 PET 파이프(210)의 내부 및 외부 표면에 형성된 굴곡부(230)에 의해 내부 및 외부의 표면적을 증가시켜 전체적으로 지열수와의 접촉면적을 증가시킴으로써 지열수의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 지중 열교환기(200)를 구성하는 U자 형태의 파이프 중에서 일측과 타측의 지름을 상이하게 구성하여 지열수의 유속을 달리할 수도 있다.
예를 들면, 상기 수요처(300)에서 냉난방으로 사용한 지열수가 지중으로 흘러가는 쪽의 PET 파이프(210) 지름을 상기 히트펌프(100)쪽으로 지열수가 유입되는 파이프 지름보다 작게 구성하여 사용된 지열수의 유속을 빠르게 진행함으로써 히트펌프(100)으로 공급되는 지열수의 유속을 느리게 하여 지열수의 온도를 낮추거나 높일 수 있다.
이와 같이 펌프에 의해 지열수가 지중 열교환기(200)의 지열 회수관을 따라 순환됨으로써 상기 지중 열교환기(200)는 지중과의 열교환을 통해 지중으로부터 열을 흡수하여 지열을 회수하거나 상기 히트펌프(100)를 통해 일정 온도(15~21℃)의 지열수를 공급하게 된다.
상기 지중 열교환기(200)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라고 함) 재질의 직관 파이프로 구성되고, 상기 지중 열교환기(200)의 표면에 길이방향으로 일정한 간격을 갖고 형성된 굴곡부(230)는 상기 직관 파이프의 표면에 소정깊이로 다수의 홈들이 형성시켜 내부로 유입 또는 유출되는 냉온수의 열교환 효율을 한층더 향상시키고 있다.
여기서, 상기 굴곡부(230)는 상기 지중 열교환기(200)의 길이 방향으로 구성되어 지중에 설치되는 지중 열교환기(200) 내부 및 외부에 흐르는 지열수와의 접촉면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 6 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제 6 실시예에 의한 열교환 파이프(200)는 제 5 실시예에 비교하여 U자 형상의 지중 열교환기(200)에서 유입관과 배출관쪽의 PET 파이프(210) 내부 및 외부 표면에 형성된 굴곡부(230)를 간격을 달리한다.
즉, 상기 제 1 열환기 유닛(110)으로 지열수가 유입되는 파이프에 형성된 굴곡부(230)의 간격을 다른 쪽의 파이프에 형성된 굴곡부(230)의 간격보다 조밀하게 형성하여 전체적인 표면적을 증가시킴으로써 지열수의 열교환 효율을 한층더 향상시킬 수가 있다.
한편, 도 10은 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 각 실시예에 의한 U자형의 지중 열교환기를 연결하는 마감부재를 나타낸 평편도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 지중 열교환기(200)는 U자형의 이루어진 상태에서 지중에 매립되게 되는데, 끝부분인 "U" 부분을 요철 구조의 파이프와 다른 재질 즉 금속재질로 이루어진 마감부재(230)를 파이프와 금속재질을 융착한 연결부재(240)를 이용하여 연결할 수 있다.
이로 인하여 지중 열교환기(200)를 지중에 매립할 때 끝 부분이 금속재질로 이루어진 마감부재(230)를 원형으로 구성함으로서 지중으로 삽입할 때 보다 원할하게 진행할 수 있다.
이하에서는 상기 제 1 열교환 유닛(110)과 제 2 열교환 유닛(150)의 상세한 내부 구성에 대하여 설명한다. 상기 제 1 열교환 유닛(110)과 제 2 열교환 유닛(150)은 동일한 구성을 가지며 냉난방에 따라서 서로 역할 또는 기능을 바꿔서 수행할 수 있기 때문에 제 1 열교환 유닛(110)에 대해서만 설명하고 중복 설명은 생략한다.
도 11은 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 도시하는 부분 확대도이고, 도 12는 도 11에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도이며, 도 13은 도 12에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛은 내부에 상하방향으로 각각 열교환 챔버(111a)와 배출챔버(111b)가 마련되고 상기 열교환 챔버(111a)로 지열수를 인입하여 배출하고 상기 배출챔버(111b)로 지열수에 포함된 이물질을 배출하여 포집하는 축열탱크(111)와, 상기 열교환 챔버(111a)에 공급된 지열수와 열교환한 냉매를 히트펌프(100)로 공급하는 제 1 열교환부(112) 및 상기 제 1 열교환부(112)가 수직방향으로 관통하도록 정렬시키는 복수개의 핀튜브(113)를 포함한다.
상기 축열탱크(111)는 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로 사용되는 경우 지열수가 공급 및 배출되면서 냉매가 열원측과 열교환 하고, 상기 제 2 열교환 유닛(150)으로 사용되는 경우 열매체가 공급 및 배출되면서 냉매가 부하측과 열교환하게 된다.
또한 상기 축열탱크(111)는 버퍼탱크로서의 기능을 수반하기 때문에 별도의 버퍼탱크와 펌프가 추가적으로 구비될 필요가 없는 이점이 있다. 따라서 지중 열교환기(200)에서 열교환 성능이 떨어지는 경우 축열탱크(111) 내부에 저장된 지열수의 열원을 통하여 일시적으로 열원을 공급할 수 있다.
그리고 상기 축열탱크(111)의 상부에는 내부 압력을 설정된 압력으로 유지할 수 있도록 에어벤트(1111)가 구비된다.
상기 에어벤트(1111)는 축열탱크(111) 내부의 압력이 높아지는 경우, 내부의 공기를 외부로 배출하는 기능을 제공하여 설정된 압력을 일정하게 유지시키는 기능을 제공한다. 예컨대 상기 에어벤트(1111)에는 일방으로 압력을 조절할 수 있는 체크밸브 등이 사용될 수 있다. 그리고 상기 축열탱크(111)는 내부 압력에 대한 내구성을 증대시킬 수 있도록 원통 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 축열탱크(111)는 내부에 공급된 지열수의 온도를 감지하는 온도센서(1112)가 구비된다.
상기 온도센서(1112)는 상기 축열탱크(111) 내부에 공급된 지열수가 설정온도 범위를 유지할 수 있도록 지열수의 온도 데이터를 제어부에 공급한다. 이때 상기 축열탱크(111)의 지열수가 설정온도 범위보다 떨어지는 경우 축열탱크(111) 내부에 공급되는 또는 배출되는 지열수의 양을 조절하여 지열수가 설정온도를 유지하도록 제어할 수 있다.
그리고 상기 축열탱크(111)는 상기 배출챔버(111b) 내부에 저장된 이물질 또는 지열수를 선택적으로 배출할 수 있도록 배수밸브(1113)가 구비된다. 따라서 상기 배수밸브(1113)를 통하여 축열탱크(111) 내부에 저장된 이물질을 용이하게 배출할 수 있어 기대수명을 증대시킬 수 있으며, 세척 시 상기 배수밸브(1113) 방향으로 세척수를 고압으로 공급하여 완전히 배출되지 않은 이물질을 역방향으로 배출하도록 할 수도 있다.
상기 축열탱크(111)는 상기 열교환 챔버(111a)와 배출챔버(111b)를 구획하는 분리판(1114)이 구비된다. 상기 분리판(1114)은 지열수가 공급된 후 배출되는 배출공의 높이 보다 낮은 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 상기 배출챔버(111b) 내부에 저장된 이물질이 축열탱크(111)의 외부로 배출되는 지열수로부터 영향을 받아 비산하는 것을 방지하기 위함이다.
또한 상기 분리판(1114)은 지열수 속에 포함된 이물질이 상기 배출챔버 내부에 저장되어 머무르도록 콘 형상의 포집부재(1115)가 구비된다.
상기 포집부재(1115)는 상기 분리판(1114)을 기준으로 상측의 열교환 챔버(111a)에서 배출챔버(111b) 방향으로 그 지름 또는 단면적이 줄어드는 형상으로 형성된다. 따라서 상기 열교환 챔버(111a)에서 배출챔버(111b) 방향으로 이물질의 유입은 용이하나 역방향으로 이물질이 배출되는 것은 어렵게 형성된다.
상기 축열탱크(111) 내부에서 외부로 배출되는 지열수의 양을 조절할 수 있도록 축열탱크(111)에는 유량조절밸브(1116)가 구비된다. 상기 유량조절밸브(1116)는 전기한 상기 배출챔버(111b)를 통해 지열수의 온도범위가 설정된 범위를 벗어나는 경우에 지열수의 공급 또는 배출양을 조절하여 축열탱크(111) 내부에 저장된 지열수의 온도를 높이거나 낮추는 기능을 제공한다.
그리고 상기 축열탱크(111)의 일 측면에는 상기 열교환 챔버(111a) 또는 배출챔버(111b) 중 적어도 하나 이상의 챔버 내부를 확인할 수 있도록 개폐 가능하게 구비되는 점검수단(1117)이 구비된다.
상기 점검수단(1117)은 축열탱크(111) 내부의 상태를 사용자가 확인할 수 있고, 필요 시 상기 점검수단(1117)을 개방하여 세척공정을 직접적으로 할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제 1 열교환부(112)는 상기 축열탱크(111)의 열교환 챔버(111a) 내부에 배치되며, 지열수와 열교환된 냉매를 팽창밸브 또는 압축기로 공급한다.
이때 상기 제 1 열교환부(112)는 전달받은 냉매가 x축 방향을 따라서 상기 축열탱크(111) 내부로 공급되는 공급관(1121)과, 상기 공급관(1121)으로부터 복수개가 나란히 y축 방향으로 분리되는 분배관(1122)과, 상기 분배관(1122)으로부터 복수개가 나란히 z축 방향으로 분리되는 분기관(1123)과, 상기 분기관(1123)들이 다시 y축 방향을 향하여 합쳐지는 복수개의 포집관(1124)과, 상기 포집관(1124)들이 모두 합쳐져 열교환이 완료된 냉매를 상기 축열탱크(111) 외부로 배츨하는 배출관(1125)을 구비한다.
이렇게 상기 제 1 열교환부(112)가 x축, y축, z축 방향으로 절곡되는 형상은 상기 공급관으로 유입된 냉매가 배출관으로 출수하는 과정에 있어 열교환이 이루어지는 모든 영역에서 동일하거나 아주 유사한 열교환량을 제공할 수 있다. 따라서 공급관(1121), 분배관(1122), 분기관(1123), 포집관(1124) 및 배출관(1125) 중 어느 한 영역에서 열교환 성능이 현저히 떨어지는 것을 방지할 수 있기 때문에 상기 제 1 열교환부(112)의 전 영역에서 고른 열교환 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.
이는 상기 제 1 열교환부(112)가 상기 공급관(1121)으로부터 배출관(1125) 사이에서 리버스 리턴(Reverse Return) 방식으로 냉매를 공급하여 열교환이 이루어지는 기능을 가진다.
또한 상기 핀튜브(113)는 상기 제 1 열교환부(112)가 관통하도록 형성된 복수의 제 1 통공(1132)과, 상기 제 1 통공(1132)에 인접하여 지열수가 하방으로 지나가도록 형성된 제 2 통공(1131)이 형성된다.
도 12를 참조하면, 상기 축열탱크(111) 내부에는 상기 핀튜브(113)가 복수의 층으로 서로 이격되어 배치된다. 그리고 각 층은 서로 지그재그 방향으로 지열수가 공급되도록 축열탱크(111) 내주면과 이격되어 있다. 즉 상기 축열탱크(111) 내부에 공급된 지열수는 하방으로 공급되는 과정에서 상기 축열탱크(111)의 일 측면과 타 측면 사이에서 지그재그 방향으로 하향 공급된다.
다시 말해, 가장 상부의 핀튜브(113)는 도 12와 같이 우측 단부가 개방되고, 그 아래 핀튜브(113)는 좌측 단부가 개방되기 때문에 지열수가 지그재그 방향으로 흐르게 된다. 따라서 상기 제 1 열교환부(112)의 전 영역에서 지열수와 균형적인 열교환이 이루어질 수 있다.
도 13에서 점선은 지열수의 진행방향을 나타내고, 실선은 냉매의 진행방향 및 속도를 나타낸다. 즉, 지열수는 좌측 상단의 유입구로 공급되어 지그재그 방향으로 하향 공급되고, 냉매는 우측 상단으로 공급되어 순차적으로 하측 방향으로 분기되고 다시 포집되어 배출된다.
도 14는 도 13에 나타낸 열교환 유닛의 다른 실시예를 도시하는 참고도이다.
도 14를 참조하면, 상기 축열탱크(111) 내부에는 상기 핀튜브(113')가 복수의 층으로 서로 이격되어 배치되되, 소정의 각도(θ)로 기울어지도록 배치된다.
따라서 상기 축열탱크(111) 내부로 유입된 지열수는 공급된 방향을 따라서 상기 핀튜브(113')의 경사면을 타고 흘러 지그재그 방향으로 하향 공급되기 때문에 상기 축열탱크(111) 내부에 이물질이 쉽게 쌓이는 것을 방지하고, 지열수를 원활하게 공급할 수 있는 효과가 있다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100 : 히트펌프 200 : 지중 열교환기
300 : 수요처

Claims (14)

  1. 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하기 위해 지열수가 유입 또는 배출되는 U자형의 지중 열교환기와,
    상기 지중 열교환기와 연결되어 상기 지중 열교환기를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고,
    상기 지중 열교환기는 내부 공간을 갖는 파이프의 내부 및 외부 표면에 길이방향으로 일정한 간격으로 요철을 갖는 굴곡부가 형성되고,
    상기 히트펌프는 상기 지중 열교환기를 통해 열교환되어 공급된 지열수가 공급되는 제 1 열교환 유닛과, 상기 제 1 열교환 유닛 내부에서 지열수와 열교환된 냉매를 공급하도록 냉매의 순환을 허용하는 냉매 순환라인과, 상기 냉매 순환라인 상에 결합되는 압축기 및 팽창밸브와, 상기 압축기로부터 공급되는 냉매가 상기 냉매 순환라인 상에서 공급되는 경로를 설정하는 사방밸브와, 상기 제 1 열교환 유닛과 동일한 구성으로 부하측에 배치되는 제 2 열교환 유닛을 포함하여 이루어지고,
    상기 제 1, 제 2 열교환기 유닛은 내부에 상하방향으로 각각 열교환 챔버와 배출챔버가 마련되고, 상기 열교환 챔버로 상기 지중 열교환기를 통해 지열수를 인입하고, 상기 배출챔버로 상기 지중 열교환기를 통해 지열수를 배출되는 축열탱크와, 상기 열교환 챔버에 공급된 지열수와 열교환한 냉매를 팽창밸브로 공급하는 제1열교환부 및 상기 제1열교환부가 수직방향으로 관통하도록 정렬시키는 복수개의 핀튜브를 포함하여 구성되며,
    상기 핀튜브는 상기 열교환 챔버 내부에서 복수개의 층으로 서로 이격되어 고급된 지열수가 흐르는 방향을 따라서 하향 경사지게 배치되되, 각 층에서 상기 지중 열교환기를 통해 지열수가 서로 지그재그 방향으로 하향 공급되도록 배치되며,
    상기 축열탱크는 내부에 공급된 지열수의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 열교환 챔버의 상부에 배치되는 에어벤트와, 상기 열교환 챔버와 배출챔버를 각각 상하로 구획하는 분리판과, 상기 축열탱크 내부 지열수의 배출량을 선택적으로 조절하는 유량조절밸브를 포함하고, 상기 분리판은 지열수 속에 포함된 이물질이 상기 배출챔버 내부 저면에 저장되도록 콘 형상의 포집부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 U자형의 지중 열교환기 중 유입관과 배출관의 외관 간격을 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 지중 열교환기는 내부 공간을 갖는 파이프의 외부 표면에 길이방향을 따라 상기 지중내의 지열수 온도를 검출하는 광섬유 온도센서가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 광섬유 온도센서는 상기 열교환 파이프의 외부 표면에 소정깊이로 매립되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102015302B1 (ko) * 2019-04-15 2019-08-28 주식회사 스마트파워 냉난방 시스템
WO2019177209A1 (ko) * 2018-03-14 2019-09-19 주식회사 에너솔라 열교환 장치 및 이를 구비한 히트펌프 순차제어장치
KR20190124378A (ko) * 2018-04-26 2019-11-05 버튼솔루션 주식회사 히트펌프 기반의 자동제어 지열 시스템 및 그 제어방법
WO2020098302A1 (zh) * 2018-11-16 2020-05-22 青岛海尔空调电子有限公司 一种除霜系统、除霜方法及空调器
KR102296663B1 (ko) 2020-12-29 2021-09-01 주식회사 디오텍 지열을 이용한 냉난방 시스템
CN113357723A (zh) * 2021-05-24 2021-09-07 河南中烟工业有限责任公司 双u型冷热两用地埋管换热器
CN113446681A (zh) * 2021-06-07 2021-09-28 江苏大学 一种寒冷地区建筑用地源热泵复合系统及其控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3965387B2 (ja) * 2001-12-12 2007-08-29 モーディーン・マニュファクチャリング・カンパニー 熱交換器用の分割フィン
KR101368362B1 (ko) * 2013-11-07 2014-03-03 주식회사 케이디파워 지열을 이용한 냉난방 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3965387B2 (ja) * 2001-12-12 2007-08-29 モーディーン・マニュファクチャリング・カンパニー 熱交換器用の分割フィン
KR101368362B1 (ko) * 2013-11-07 2014-03-03 주식회사 케이디파워 지열을 이용한 냉난방 시스템

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019177209A1 (ko) * 2018-03-14 2019-09-19 주식회사 에너솔라 열교환 장치 및 이를 구비한 히트펌프 순차제어장치
KR20190124378A (ko) * 2018-04-26 2019-11-05 버튼솔루션 주식회사 히트펌프 기반의 자동제어 지열 시스템 및 그 제어방법
KR102114174B1 (ko) 2018-04-26 2020-06-17 버튼솔루션 주식회사 히트펌프 기반의 자동제어 지열 시스템 및 그 제어방법
WO2020098302A1 (zh) * 2018-11-16 2020-05-22 青岛海尔空调电子有限公司 一种除霜系统、除霜方法及空调器
KR102015302B1 (ko) * 2019-04-15 2019-08-28 주식회사 스마트파워 냉난방 시스템
KR102296663B1 (ko) 2020-12-29 2021-09-01 주식회사 디오텍 지열을 이용한 냉난방 시스템
CN113357723A (zh) * 2021-05-24 2021-09-07 河南中烟工业有限责任公司 双u型冷热两用地埋管换热器
CN113446681A (zh) * 2021-06-07 2021-09-28 江苏大学 一种寒冷地区建筑用地源热泵复合系统及其控制方法

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