KR101830676B1 - 지열을 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 지하에 매설되는 열교환 파이프의 외피에 나노탄소매쉬망 섬유를 구성함으로서 열교환 효율을 향상시키어 고효율 및 전기 접지 기능을 갖도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하기 위해 지열수가 유입 또는 배출되는 U자형의 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 상기 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 열교환 파이프는 내부공간을 갖는 U자형 PET 파이프의 외피를 따라 나노탄소메쉬망 섬유가 부착되어 있는 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 외피에 나노탄소메쉬망 섬유를 구성함으로써 열교환 효율을 향상시키어 고효율 및 접지 기능을 갖도록 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, 열교환 파이프를 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 지열을 회수하기 위한 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프로부터 회수한 지열을 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 냉온수를 공급하기 위해 열교환 파이프(20)를 매립하고 있다.
상기 열교환 파이프(20)를 통해 공급되는 냉온수는 필요로 하는 수요처(10)로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(30)를 구비하고 있다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지열을 열원으로 냉난방을 수행하는 것으로 지중에 매설된 U자형의 열교환 파이프(20)들을 통해 냉온수를 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 냉온수는 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.
(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 열교환 파이프의 외피에 나노탄소매쉬망 섬유를 구성함으로서 열교환 효율을 향상시키어 고효율 및 전기 접지 기능을 갖도록 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 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 상기 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 열교환 파이프는 내부공간을 갖는 U자형 PET 파이프의 외피를 따라 나노탄소메쉬망 섬유가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 지중에 매설되는 열교환 파이프의 외피에 나노탄소매쉬망 섬유를 구성함으로서 열교환 효율을 향상시키어 고효율의 냉난방 시설을 구축할 수 있다.
둘째, 열교환 파이프의 외피에 나노탄소매쉬망 섬유를 구성함으로써 접지 기능을 수행할 수 있다.
셋째, 열교환 파이프의 표면에 금속재질의 코일 재질을 삽입하여 지열수의 열교환 효율을 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.
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 열교환 파이프의 일예를 나타낸 평면도
도 5는 도 4의 나노탄소매쉬망 섬유를 개략적으로 나타낸 예시도이
도 6은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 다른 실시예를 나타낸 평면도
도 7은 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 각 실시예에 의한 U자형의 지중 열교환기를 연결하는 마감부재를 나타낸 평편도
도 8은 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 도시하는 부분 확대도
도 9는 도 8에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도
도 10은 도 9에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도
도 11은 도 10에 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 히트펌프를 개략적으로 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 제 1 실시예를 나타낸 평면도이다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템(1000)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 히트펌프(100), 열교환 파이프(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 열교환 파이프(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-407)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 열교환 파이프(200)가 구비된다. 상기 열교환 파이프(200)는 지중에 설정된 깊이로 복수개의 'U'자 형상의 관이 매설되며, 상기 열교환 파이프(200)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 지열수를 상기 제 1 열교환 유닛(110)으로 공급한다. 상기 열교환 파이프(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 열교환 파이프(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.
상기 열교환 파이프(200)는 지중에 매립된 U자형의 파이프로 구성되고 상기 파이프로부터 연장된 지열 회수관을 따라 지열수를 상기 히트펌프(100)로 순환시키어 공급한다.
상기 열교환 파이프(200)는 지표면을 100~150M의 깊이로 천공하여 시추공을 형성하고, 상기 시추공 내부에 U자형의 열교환 파이프(200)를 삽입하여 구성된다.
한편, 상기 열교환 파이프(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 공간을 갖는 PET 파이프(210)의 외부 표면에 나노탄소매쉬망 섬유(220)를 구성하고 있다.
이때 상기 PET 파이프(210)의 외부 표면에 형성된 나노탄소매쉬망 섬유(220)에 의해 지열수의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 PET 파이프(210)와 비교하여 열전도율이 우수한 나노탄소매쉬망 섬유(220)를 구성함으로써 지열수의 열교환 효율을 한층더 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라 상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)는 열전도율이 우수하여 별도의 접지 수단으로 사용하여 낙뢰 발생시 지중으로 분산시켜 낙뢰 피해를 줄일 수가 있다.
한편, 상기 열교환 파이프(130)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)로 공급되는 지열수의 유속을 느리게 하여 지열수의 온도를 낮추거나 높일 수 있다.
이와 같이 펌프에 의해 지열수가 열교환 파이프(200)의 지열 회수관을 따라 순환됨으로써 상기 열교환 파이프(200)는 지중과의 열교환을 통해 지중으로부터 열을 흡수하여 지열을 회수하거나 상기 히트펌프(100)를 통해 일정 온도(15~21℃)의 지열수를 공급하게 된다.
한편, 상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)는 서지임피던스나 과도임피던스 특성을 개선하기 위해 동작하지 않을 경우에 일측에 접지수단(도시되지 않음)을 추가적으로 구성할 수 있다.
이로 인하여 상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)가 구성된 열교환 파이프(200)를 적용한 지열 시스템은 히트펌프(100)를 운전하지 않을 경우에 접지수단을 통해 전자파를 차단하여 전자파로 인한 피해를 사전에 예방할 수가 있다.
상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)는 탄소가 도포 또는 코팅됨으로써 도전성이 향상되고 과도한 물리력이 가해지지 않는 한 안정된 형태의 결합력을 유지할 수 있다.
상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)는 벌집 모양의 긴 탄소구조물로서, 원통 지름이 수십 나노미터(㎚)에 불과하고, 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결된 관 모양을 형성하고 있다. 구리와 전기전도도가 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 같다. 강도는 강철보다 1백배나 우수하다.
도 5는 도 4의 나노탄소매쉬망 섬유를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
상기 나노탄소매쉬망 섬유(220)는 도 5에 도시된 바와 같이, 섬유사(223)가 경사로 배열되고, 탄소섬유사(224)가 위사로 배열되어 격자형태로 직조되어 구성된다.
여기서, 상기 섬유사(223)는 공지된 바와 같이 도전성이나 발열성이 거의 없는 통상의 의류용 내지 산업용 섬유를 일컫는다. 예컨대, 면 또는 마 등의 천연섬유, 나일론 또는 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 함성 섬유와 레이온 또는 아세테이트 등의 재생섬유나 반합성 섬유 등이 모두 적용가능하며 특별히 하나의 섬유로 한정되지 않는다.
또한, 상기 탄소섬유사(224)는 공지된 바와 같이 통전시 발열을 일으키는 것으로서, 다양한 형태의 탄소섬유사(224) 제조방법을 적용할 수 있다. 예컨대, 각종 무기 광물질이 포함된 탄소가루를 페이스트화하여 이를 일반 멀티필라멘트 섬유사에 도포하여 제조하는 방법, 탄소와 텅스텐, 망간 및 스테인레스 등을 고온 용융한 상태에서 실로 뽑는 방법, PAN(폴리아크릴니트로릴)계의 섬유를 탄화하여 제조하는 방법 등 다양한 방법이 공지되어 있고, 이 방법들은 그 제조방법과 형태가 다르지만 이들 모두 적용 가능한 방법이다. 이러한 탄소는 금속(알루미늄)보다 가볍고 반면에 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어난 장점이 있다.
또한, 일반섬유사의 일부를 경사로서 구리가 소재로 사용된 동사(227)를 복수 가닥 배치하여, 탄소섬유사(224)와 교차시키면서 직조하여 형성한다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 일반섬유사(223)와 탄소섬유사(224)의 직조 형태는, 일반섬유사(223) 2가닥이 1조를 이루어 이를 꼬아 꼬임부(225)를 형성하고 상기 일반섬유사의 꼬임부(225)로 탄소섬유사(224)가 통과한 형태로 구성한다. 이에 의해, 탄소섬유사(224)의 상부 및 하부가 일반섬유사(223)에 의해 고정되기 때문에 안정적인 형상을 유지할 수 있게 된다.
또한, 상기 일반섬유사의 간격, 꼬임 횟수 및 상기 탄소섬유사의 배치에 따라 상기 발열부의 밀도 및 발열량을 조절할 수 있는 효과가 있다.
바람직한 실시예에 따라, 탄소섬유사(224)와 동사(227)가 직조된 부분에는 탄소액을 도포하는 것으로 구성한다. 이에 의해, 탄소섬유사(224)와 동사(227)간의 결합이 견고해지므로 내구성이 향상되고(아크방전 방지), 점 접촉되어 있던 상기 탄소섬유사(224)와 동사(227)의 교차점이 면 접촉하는 것과 같은 효과가 발생하고, 상기 동사(227)의 산화도 함께 방지할 수 있는 효과가 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 탄소액은 전도성 우레탄수지 35%, 전도성 폴리아미드수지 10%, 도전성 카본 8%, 흑연 12%, 분산제 0.5%, 가소제 0.5%, 에틸아세테이트 10%, 이소부틸알콜 10%, 에타놀 14%의 비율로 구성한다.
도 6은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 열교환 파이프(200)를 폴리에틸렌 재질로 이루어진 U자형의 PET 파이프(210)에 주위를 따라 금속재질의 열전도 코일(230)을 일정한 간격을 갖도록 감아 금속재질의 열전도 코일(230)을 통해 열교환 효율을 향상시킬 수가 있다.
여기서, 상기 열전도 코일(230)은 상기 U자형의 PET 파이프(210)의 표면에 소정깊이로 매립되어 구성될 수도 있다. 즉, 상기 PET 파이프(210)의 표면에 나선형 또는 길이방향으로 일정 깊이의 홈을 구성하고 상기 홈 내부에 상기 열전도 코일(230)을 매립하여 구성할 수도 있다.
따라서 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지중에 매설된 열교환 파이프(200)를 금속재질의 열전도 코일(230)을 선택적으로 구성하여 직관 형태로 제작함으로써 지열수의 열교환이 보다 신속하게 이루어지도록 함으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 각 실시예에 의한 U자형의 열교환 파이프를 연결하는 마감부재를 나타낸 평편도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 열교환 파이프(200)는 U자형의 이루어진 상태에서 지중에 매립되게 되는데, 끝부분인 "U" 부분을 요철 구조의 파이프와 다른 재질 즉 금속재질로 이루어진 마감부재(240)를 파이프와 금속재질을 융착한 연결부재(250)를 이용하여 연결할 수 있다.
이로 인하여 열교환 파이프(200)를 지중에 매립할 때 끝 부분이 금속재질로 이루어진 마감부재(240)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 8은 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 도시하는 부분 확대도이고, 도 9는 도 8에 나타낸 열교환 유닛 내부의 연결 상태를 도시하는 사시도이며, 도 10은 도 9에 나타낸 열교환 유닛 내부의 측면을 도시하는 참고도이다.
도 8 내지 도 110을 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 8을 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 9를 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 10에서 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 11은 도 10에 나타낸 열교환 유닛의 다른 실시예를 도시하는 참고도이다.
도 11을 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 : 열교환 파이프
300 : 수요처

Claims (11)

  1. 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하기 위해 지열수가 유입 또는 배출되는 U자형의 열교환 파이프와,
    상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 지열수의 발열 또는 응축하여 수요처를 냉난방시키기 위한 냉온수를 공급하는 히트펌프를 포함하여 구성되고,
    상기 열교환 파이프는 내부공간을 갖는 U자형 PET 파이프의 외피를 따라 나노탄소메쉬망 섬유가 부착되어 있고,
    상기 히트펌프는 상기 열교환 파이프를 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 열교환 파이프를 통해 지열수를 인입하고, 상기 배출챔버로 상기 열교환 파이프를 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 열교환 파이프를 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.
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  5. 제 1 항에 있어서, 상기 U자형 열교환 파이프의 제일 끝단은 상기 파이프와 재질이 금속재질의 마감부재가 융착 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
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KR102106733B1 (ko) * 2019-07-25 2020-05-04 (주) 그린텍아이엔씨 지열로 온도 제어하는 상하수도 원방감시제어반

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KR101368362B1 (ko) * 2013-11-07 2014-03-03 주식회사 케이디파워 지열을 이용한 냉난방 시스템

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