KR101984988B1

KR101984988B1 - 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템

Info

Publication number: KR101984988B1
Application number: KR1020170129171A
Authority: KR
Inventors: 조희남
Original assignee: 조희남
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-05-31
Also published as: KR20180043735A

Abstract

본 발명은 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수위가 낮아 수중펌프의 운전동력이 과대하게 소요되거나 근접한 위치에 히트펌프를 설치하게 되는 경우 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 하여 지열공 내부에 설치하여 지중 열교환과 히트펌프 열교환이 공내 열교환기 내부에서 이루어질 수 있도록 하여 특히 지하수의 자연수위가 낮은 지역에서도 경제적인 지열 시스템 운용이 가능하게 함은 물론 히트펌프의 가스측 열교환기를 공내열교환기에 구성하도록 한 것이다.
본 발명에 의한 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공(10)과; 압축기, 상기 압축기와 연결되는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기와 연결되는 팽창변 및 상기 팽창변과 상기 압축기에 연결되는 열원측 열교환기를 포함하며 상기 지열공 주변의 지상에 설치되는 히트 펌프(20)와; 상기 지열공 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하여 상기 히트 펌프에 공급하는 공내 열교환기(30)로 이루어지되, 상기 공내 열교환기는 상기 히트 펌프의 열원측 열교환기로서 상기 지열공 내부에 설치되며 공급 가스관과 환류 가스관을 매개로 하여 상기 압축기와 팽창변에 연결되어 히트 펌프의 열매체를 통해 지하수와 열교환하는 방식 및 열원측 열교환기와 별도로 히트 펌프의 열매체와 지하수의 열교환이 이루어지도록 하는 방식으로서, 상하부에 격리 형성되는 상하부 챔버, 상기 상하부 챔버들 사이에 상기 상하부 챔버와 통하도록 형성되면서 지하수와 상기 열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 열교환관을 포함하여, 지하수가 상기 상부 챔버와 하부챔버를 연결한 다수의 열교환관 외부를 통해 흐르면서 상기 열매체와 열교환되도록 한 것이다.

Description

히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템{GEOTHERMAL SYSTEM INCLUDE HEAT EXCHANGE IN WELL USING HEAT EXCHANGE OF HEAT PUMP}

본 발명은 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수위가 낮아 수중펌프의 운전동력이 과대하게 소요되거나 근접한 위치에 히트펌프를 설치하게 되는 경우 열교환기(히트펌프의 열매체를 이용 또는 히트펌프의 열교환기를 이용)를 지열공 내부에 설치하여 지중 열교환과 히트펌프 열교환이 공내에서 이루어질 수 있도록 하고, 특히 지하수의 자연수위가 낮은 지역에서도 경제적인 지열 시스템 운용이 가능하게 함은 물론 히트펌프의 가스측 열교환기를 공내 열교환기에 구성하도록 함으로써 저렴한 시설비용과 용이한 작업으로 시공과 유지관리 및 경제적인 운용이 가능하게 한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유 열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환 시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15℃ 내지 17℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 필수적인 시설은 바로 굴착된 지하수 심정 시설이며 특히 지하수를 양수하여 열교환을 위한 시설인 경우에는 지하수 심정펌프와 양수파이프 및 환수관을 다시금 굴착된 지하수 심정 내부에 연결되도록 하는 것은 반드시 갖춰져야 하는 시스템이라 할 것이다.

일반 지하수 심정과는 달리 지열용 지하수 심정은 다량의 지하수를 양수하여 사용함으로써 없어지는 것이 아니라 단지 지하수가 보유한 열량만을 열교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 다시금 지하수 지열공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 심정펌프와 양수파이프가 설치되는 최소한의 공간을 확보할 수 있는 직경으로 굴착이 이루어지게 되는데 반해 열교환 후 되돌아오는 환수된 지하수가 환수관을 따라 지하수 심정의 깊은 깊이까지는 투입이 불가능하다는 데 문제가 있었다.

한편, 지하수 지열공을 이용한 지열 지중 열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 고밀도폴리에칠렌관(HDPE)을 U튜브에 의해 수직으로 연결하여 내려 설치하고 그 내부에 열교환용 브라인을 순환시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 구성한 것이다.

개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프의 열교환기를 거쳐 열교환시킨 다음 순환되어 돌아온 지하수를 다시금 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이가 대체적으로 300~500m 깊이에 굴착직경 200mm~250mm로 굴착된 지열공 안쪽에 100~125mm 직경의 PVC 파이프로 제작된 내부케이싱이 연결소켓에 의해 연장되어지면서 바닥까지 설치되어 진다.

하부구간에는 스트레이너가 구성된 유공관이 연결되어 설치되며 내부케이싱 안쪽 상부에는 수중펌프가 설치되어 지하수를 양수관을 통해 지상 히트펌프까지 올려 순환시키게 된다.

이러한 개방형 지중 열교환기 형태는 여러 가지가 개발되어 적용되어지고 있다.

일명 게오힐 공법은 지열공 안쪽에 내부케이싱이 설치되고 하부에는 유공관이 구성되어 있게 되며 내부케이싱과 지열공벽 사이에는 예컨대 콩자갈로 이루어진 충진재가 채워지게 되며 그 안쪽에는 환수 분배관이 묻힌 상태로 설치되어지게 된다. 이러한 공법의 장점은 개방형 지열 지중열교환기가 운전 중 굴착공이 함몰되는 사고를 예방할 수 있는 장점이 있는 반면 환수 분배관을 통해 환수되는 순환지하수의 유동저항으로 인해 환수측 순환지하수가 지상으로 흘러넘쳐 배출되는 사례가 빈번하게 발견되는 문제점이 있다. 더욱이 개방형 지열공의 순환을 위해 설치되는 내부케이싱 중 유공관 설치분포가 지열공 바닥에 가까운 하부에 집중적으로 배치되어 있어 시설 운용중 지하수와 함께 유입된 토사슬러리가 쌓여 가는 경우 내부케이싱의 유공관을 폐색시킴은 물론 환수분배관의 끝부분을 막게 되어 결과적으로 순환장애를 일으키는 큰 문제점으로 나타나고 있다.

이를 개선하기 위해 내부케이싱 하단에 환수관햇더를 구성하여 환수관을 결합연통시킴으로써 순환지하수의 순환 유통을 크게 개선하는 효과를 가지게 되었다.

그러나 이러한 개방형 지열시스템의 경우에는 어떠한 경우에도 지표면에서 지하수위까지의 자연수위가 10~20m 내외 정도로 유지되는 지역에서는 운용이 가능하지만 화산 현무암 지대인 제주도의 경우에는 화산암에서의 투수율이 높아 어느 지역에서도 해수면높이 전후를 기준으로 지하수위가 유지되고 있어 해수면에 근접된 지역에서는 지하수위가 높아 지열시스템 구성에 큰 어려움이 없으나 중산간 지역으로 올라가면 지하수위가 지표면으로부터 100~200m 아래 쪽에 위치하게 되어 통상적인 시설 구성으로는 수중펌프의 운전양정이 지나치게 커지게 되어 운전동력비용이 증가하는 등 경제적인 지열시스템 운용이 될 수 없는 문제가 있었다.

또한, 히트펌프의 설치위치가 지열공에 근접되어 설치되는 경우 히트펌프의 가스측 열교환기를 지열공 내부에 설치하도록 함으로써 시설비를 크게 줄일 수 있도록 함은 물론 시스템 구성을 단순화시킬 수 있는 장점이 있어 이에 따른 기술개발의 필요성이 있었다.

공개특허 제10-2016-0104591호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하수 수위가 지표면으로부터 매우 낮은 위치에 있다할지라도 경제적인 지열시스템 구성이 가능하게 함은 물론 지열공에 근접되도록 설치되는 히트펌프의 가스측 열교환기 또는 히트펌프의 열매체를 지열공 내부에 구성하도록 함으로써 저렴한 시설비용과 단순한 구성을 갖는 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 지열공 내 각기 다른 깊이에 있는 대수층의 지하수를 히트펌프측 열교환기에 급수와 환수가 될 수 있도록 함으로써 지중열교환기의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다

본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공과; 압축기, 상기 압축기와 연결되는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기와 연결되는 팽창변 및 상기 팽창변과 상기 압축기에 연결되는 열원측 열교환기를 포함하는 히트 펌프와; 상기 지열공 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하여 상기 히트 펌프에 공급하는 공내 열교환기로 이루어지되, 상기 공내 열교환기는 히트 펌프의 열매체를 통해 지하수와 열교환하는 것으로서, 상하부에 격리 형성되는 상하부 챔버, 상기 상하부 챔버들 사이에 상기 상하부 챔버와 통하도록 형성되면서 지하수와 상기 열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 열교환관을 포함하여, 지하수가 상기 상부 챔버와 하부챔버를 연결한 다수의 열교환관 외부를 통해 흐르면서 상기 열매체와 열교환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공과; 압축기, 상기 압축기와 연결되는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기와 연결되는 팽창변 및 상기 팽창변과 상기 압축기에 연결되는 열원측 열교환기를 포함하는 히트 펌프와; 상기 지열공 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하여 상기 히트 펌프에 공급하는 공내 열교환기와; 상기 공내 열교환기는 상기 히트 펌프의 열원측 열교환기로서 상기 지열공 내부에 설치되며 공급 가스관과 환류 가스관을 매개로 하여 상기 압축기와 팽창변에 연결되어 히트 펌프의 열매체를 통해 지하수와 열교환하는 것으로, 상하부에 격리 형성되는 상하부 챔버, 상기 상하부 챔버들 사이에 상기 상하부 챔버와 통하도록 형성되면서 지하수와 상기 열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 열교환관을 포함하여, 지하수가 상기 상부 챔버와 하부챔버를 연결한 다수의 열교환관 외부를 통해 흐르면서 상기 열매체와 열교환되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 의하면, 지하수 수위가 매우 낮은 지역에서도 수중펌프의 펌핑을 통해 지하수를 순환시켜 공내 열교환기에 급수하고, 공내 열교환기에는 지상의 히트펌프의 열매체를 순환시켜 열교환시킴으로써 과도하게 낮은 지하수위에서도 지하수 순환을 이용한 지열시스템 구성과 경제적인 운용이 가능한 지열시스템을 완성하며, 또한, 지열공에 근접하도록 설치되는 히트펌프의 가스측 열교환기를 공내 열교환기에 내장시켜 경제적인 시스템 구성이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 깊이가 다른 지질층별로 발달된 대수층을 구획 구분하여 지열을 활용함으로써 지열회복 시간을 단축하여 보다 큰 열용량을 갖는 지열시스템의 운용이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템이 대수층별로 급수와 환수 구간으로 구분되 환수관이 급수펌프보다 상부에 위치하는 예를 표현한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 공내 열교환기 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 상부격판 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 하부격판 저면도.
도 6은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 U밴드 코일관으로 된 공내 열교환기 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 내부케이싱이 설치된 지열공의 대수층별 구획 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 순환격판을 구성한 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템의 공내 열교환기에 차폐팩커가 적용된 도면.
도 10은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 낙수 열교환기가 적용되고 대수층 구획을 위한 차폐부재가 적용된 예시도.
도 11은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 적용된 낙수 열교환기의 확대도.
도 12는 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 낙수 열교환기에 의한 낙수 지하수의 흐름을 보인 도면.
도 13과 도 14는 각각 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템이 대수층별로 급수와 환수 구간으로 구분되고 환수관이 상부측 대수층과 통하도록 설치되는 예를 표현한 도면.
도 15는 도 16은 각각 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 외벽 열교환 코일관이 적용된 정면도와 평면도.
도 17은 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템에 적용된 공내 열교환기의 다른 예시도.
도 18은 도 17에 도시된 공내 열교환기의 변형 예시도.

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 히트펌프의 열교환기를 공내 열교환기로 구성한 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공(10), 지열공(10) 주변의 지상에 설치되는 히트 펌프(20), 지열공(10) 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하는 공내 열교환기로서 히트펌프의 열원측 열교환기인 제2열교환기(30), 지하수를 공내 열교환기인 제2열교환기(30)에 급수 및 환수하는 지하수 순환수단(40)으로 구성된다.

지열공(10)은 지열 시스템을 위하여 지중에 천공되는 모든 형태를 포함한다.

지열공(10)의 내벽에는 지반의 붕괴로 인한 지열공(10)의 막힘 방지와 지하수의 오염을 방지하기 위하여 함몰방지 케이싱(11)이 설치될 수 있다. 또한, 함몰방지 케이싱(11)의 외부에는 그라우팅벽(12)이 시공될 수도 있다.

히트 펌프(20)는 압축기(21), 제1,2열교환기(22,30), 팽창변(24)으로 구성되며, 사방밸브가 함께 적용되는 것도 가능하다.

히트 펌프(20)의 제2열교환기(30)는 지열공(10) 안에 설치되는 공내 열교환기(가스측 열교환기를 이용하는 방식, 히트펌프를 순환하는 열매체를 가스측 열교환기와 별도로 이용하는 방식)로서 압축기(21) 및 팽창변(24)과 열매체의 순환이 가능하도록 배관되며, 이 배관은 제2열교환기(30)와 압축기(21)를 연결하는 공급 가스관, 팽창변(24)과 제2열교환기(30)를 연결하는 환류 가스관이다.

제2열교환기(30)는 공내 열교환기이므로 지열공(10) 내부에 설치되는 한편 공급 가스관과 환류 가스관은 지상에서부터 지열공(10) 내부에 걸쳐 배관되는 것이므로 물(지하수) 대 물이 아닌 물 대 가스의 열교환이 될 수 있다.

공급 가스관과 환류 가스관은 U 밴드를 통해 유체가 순환하도록 연결될 수 있고, 또는, 외부와 밀폐된 챔버를 통해 유체가 순환하도록 연결될 수 있다.

제2열교환기(30)는 지하수에 전체 또는 일부분이 잠기는 것, 지하수에 잠기지 않는 것 모두가 가능하다.

지하수 순환수단(40)은 지열공(10) 내부의 지하수를 펌핑하여 급수하는 급수 펌프(41), 급수 펌프(41)에 의해 펌핑되는 지하수를 제2열교환기(30)에 급수하는 급수관(42), 제2열교환기(30)를 통과한 지하수를 지열공(10)으로 복귀시키는 환수관(43)으로 구성된다. 급수 펌프(41)는 필요에 따라 선택적으로 적용된다. 즉, 급수관(42)과 환수관(43)만으로 구성 가능하다.

급수 펌프(41)는 지하수에 잠겨 지하수를 펌핑하는 수중 펌프이며, 급수관(42)은 급수 펌프(41)와 제2열교환기(30)에 연결되어 급수 펌프(41)에 의해 펌핑되는 지하수를 제2열교환기(30)에 공급하여 지하수와 제2열교환기(30)의 열매체간에 열교환이 이루어지도록 하고, 환수관(43)은 일측이 제2열교환기(30)[급수관(42)과 하나의 지하수 경로를 형성]에 연결되고 타측의 환수공을 통해 지하수를 지열공(10) 내부로 환수한다. 즉, 지하수는 급수관(42) - 제2열교환기(30) - 환수관(43)을 경로로 하여 순환하는 것이다.

급수 펌프(41)를 구동하기 위한 동력판넬과 동력케이블 및 수위제어에 의해 온오프되는 콘트롤 등은 통상적인 시설과 구성으로 운용될 수 있어 이와 관련된 구성들은 모두 급수 펌프(41)의 범위에 포함된 것으로 간주하여 상세한 설명은 생략하도록 한다.

환수관(43)은 환수단(환수홀이 있는 부분)이 급수 펌프(41) 설치구간보다 하단의 별도의 대수층에 근접되도록 설치되도록 하거나 지열공(10) 바닥에 근접하도록 설치된다. 환수관(43)의 환수단은 10m 내외의 길이로 유공관(44)을 구성하여 환수단이 모래 등 토사류에 막히더라도 유공관(44)을 통해 지하수의 순환에 장애가 없도록 한다.

또한, 도 2에서 보이는 것처럼, 급수 펌프(41)의 설치구간보다 환수관(43)의 환수단이 상부에 설치하도록 함으로써 급수 펌프(41)가 흡입하는 대수층의 지하수가 별개의 대수층으로 주입될 수 있도록 하여 대수층별로 급수와 환수 구간이 명확히 구분되도록 하는 것도 가능하다. 결과적으로 지열공(10) 내에서 급수와 환수 구간의 지하수가 혼입 혼합되지 않게 됨으로써 항시 효율 높은 지열 시스템의 운용이 가능하게 하였다.

이하, 공내 열교환기로 사용되는 제2열교환기의 실시예들에 대해 설명한다.

<실시예 1>

도 3에서 보이는 것처럼, 제2열교환기(30)는 길이방향의 양측이 개방된 원통형의 몸체(31), 몸체(31)의 상부와 하부에 각각 결합되는 상하부 덮개(32,33)[몸체(31)가 상하부 중 일측만 개방된 경우 어느 하나의 덮개만 적용된다], 상하부 덮개(32,33)로부터 일정 거리 이격되는 곳에 각각 형성되어 상하부 챔버(36,37)를 각각 형성하는 상하부 격판(34,35), 상하부 격판(34,35)에 각각 연결되어 상하부 챔버(36,37)를 연통하는 다수의 지하수 순환관(38) 및 히트펌프(20)의 압축기(21)와 팽창변(24)에 연결되어 지하수 순환관(38)을 따라 흐르는 지하수와 히트펌프(20)의 열매체간에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환관(39)으로 구성된다. 급수관(42)은 몸체(31) 내부까지 배관될 수 있고, 또는 몸체(31) 내부에 급수관(42)과 관이음되어 지하수를 급수하는 연결 급수관이 구성될 수 있다.

몸체(31)는 내부에 지하수 순환관(38)과 열교환관(39) 등의 배관을 설치하기 위하여 공간이 구비된 통 구조이며, 배관의 설치를 위하여 길이방향(상하방향)의 양측이 개방되는 것이 바람직하다. 상하부 챔버(36,67)와 지하수 순환관(38)만을 통해서도 지하수의 순환이 가능하므로 몸체(31)는 필수적으로 구성되지 않는다.

상부 덮개(32)는 공급 가스관[열매체 공급관(52)]과 환류 가스관[열매체 복귀관(53)]이 각각 관통되는 홀(32a,32b)이 구비되며, 둘레부에 볼트홀이 구성되어 몸체(31)에 볼팅으로 조립된다.

상부 덮개(32)는 몸체(31) 내부의 공기를 빼기 위한 에어벤트(32a)가 구성된다. 에어벤트(32a)는 몸체(31) 내부의 공기를 외부로 인출하지만 외부에서 공기나 지하수가 침투하지 못하도록 체크밸브가 구성될 수 있다.

하부 덮개(33)는 급수관(42)과 환수관(43)이 각각 관통되는 홀이 구비된다.

상하부 덮개(32,33)는 판형은 물론 일측을 향해 개방되는 공간을 갖는 캡형 모두가 가능하다.

도 3과 도 4에서 보이는 것처럼, 상부 격판(34)은 공급 가스관과 환류 가스관이 각각 관통되는 홀(34a,34b)이 형성되고 또한 급수관(42)이 관통하는 홀(34c)이 구비된다. 또한, 지하수 순환관(38)들이 각각 상부 챔버(36)와 연통하도록 다수의 홀(34d)이 구비된다.

도 3과 도 6에서 보이는 바와 같이, 하부 격판(35)은 공급 가스관과 환류 가스관이 각각 관통되는 홀(35a,35b)이 형성되고 또한 급수관(42)이 관통하는 홀(35c)이 구비된다. 또한, 지하수 순환관(38)들이 각각 상부 챔버(36)와 연통하도록 다수의 홀(35d)이 구비된다.

지하수 순환관(38)은 양측의 개방부가 각각 상하부 격판(34,35)의 홀과 통하도록 연결되어 상하부 챔버(36,37)를 통과하도록 하면서 급수관(42)을 통해 급수되는 지하수를 하부 챔버(37)로 유도하여 지열공(10)에 환수되도록 한다.

열교환관(39)은 예를 들어 U 형태로 형성되어 지하수 순환관(38)들 사이에 배치되며 양측의 개방부가 공급 가스관 및 환류 가스관과 연결되어 히트펌프(20)의 열매체인 가스가 순환하도록 한다.

또한, 제2열교환기(30)의 몸체(31) 내부는 상부 격판(34)과 하부 격판(35)을 연결하고 급수관(42)을 중심으로 공간을 반분하여 각각 급수구간과 환수구간이 구분되도록 구획판(31-1)이 구성될 수 있다. 이렇게 구성된 제2열교환기(30)는 공학적 설계를 통해 종래 히트펌프(20)에 구성되는 통상의 쉘앤튜브형 열교환기의 외형적 형태와 열교환 기저, 그리고 열용량 크기에서 크게 벗어나지 않는 규모의 것으로 설치될 수 있음은 당연하다.

본 실시예의 공내 열교환기인 제2열교환기(30)에 따르면, 지열공(10) 내부의 지하수는 급수 펌프(41)의 펌핑에 의해 급수관(42)으로 유입되어 상부 챔버(36)로 토출된 후 다수의 지하수 순환관(38)으로 분배되고, 지하수 순환관(38)을 통해 하부 챔버(37)로 흐르다가 하부 챔버(37)에서 모아진 후 환수관(43)을 통해 지열공(10)으로 환수된다. 한편, 열매체는 공급 가스관을 통해 열교환관(39)의 내부를 통과하며 이 과정에서 주변의 지하수 열교환관(38)을 흐르는 지하수와 열교환한 후 환류 가스관을 통과하여 히트 펌프(20)에 공급된다. 이와 같은 과정을 통해 지하수와 열매체의 열교환, 열매체와 히트 펌프의 열교환이 이루어지는 것이다. 여기서 열매체의 순환은 반대 방향도 가능한 것이다.

<실시예 2>

도 6에서 보이는 바와 같이, 제2열교환기(30)는 별도의 몸체(31)와 상하부 챔버(36,37) 및 지하수 열교환관(28)을 사용하지 않고 히트펌프(20)의 열매체를 순환시키는 단순 구조로 구성된다.

제2열교환기(30)는 바람직하게 하나 이상의 열교환 코일관(30a)으로 구성되며 열교환 코일관(30a)의 양측이 공급 가스관과 환류 가스관에 각각 연결되는 구성이다. 제2열교환기(30)는 열교환 효율을 높이기 위하여 다수의 열교환 코일관이 U 형태로 형성(자체 벤딩, 밴드로 연결 등)되면서 다수의 열교환 코일관(30a)은 양측의 개방부가 각각 공급 매니폴드(30b)와 복귀 매니폴드(30c)에 연결된다. 공급 매니폴드(30b)와 복귀 매니폴드(30c)는 각각 공급 가스관과 환류 가스관에 연결된다.

이와 같은 제2열교환기(30)의 구성에 따라 지하수 순환수단(40)은 다음과 같이 구성된다.

지하수 순환수단(40)의 급수관(42)은 분사관(45)과 하나 이상의 분사노즐(46)이 구성된다.

분사관(45)은 공급 매니폴드(30a)[또는 공급 매니폴드(30a)와 복귀 매니폴드(30b)]의 상부에 배치되고, 분사노즐(46)은 분사관(45)으로부터 공급되는 지하수를 공급 매니폴드(30a)[또는 공급 매니폴드(30a)와 복귀 매니폴드(30b)]와 열교환 코일관(30a)에 분사하여 지하수와 히트 펌프(20)의 열매체(가스)간에 열교환이 이루어지도록 한다.

또한, 지열공(10) 내부에서 지상까지 연결되는 공급 가스관과 환류 가스관은 지열공(10) 상부에 설치되는 통상의 지하수 밀폐식 상부보호공(미도시) 형태로 설치되어 지표면으로부터 오염물질이 지열공(10) 내부로 유입되지 않도록 하였으며 배관 결합부를 내부에 구성하여 결합과 분리가 용이하도록 하였다.

한편, 제2열교환기(30)는 지하수의 수위가 형성되는 바로 상부이거나 깊지 않은 수면 하부에 설치하여 급수 펌프(41)와의 양정을 최소화 할 수 있도록 함으로써 운전동력비가 최소화 될 수 있도록 한다.

이상의 실시예는 히트펌프의 압축기에 의해 열매체가 제2열교환기(30)를 순환한다.

<실시예 3>

본 실시예는 공내 열교환기가 상하부에 격리 형성되는 상하부 챔버, 상기 상하부 챔버들 사이에 상기 상하부 챔버와 통하도록 형성되면서 지하수와 상기 열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 열교환관을 포함하여, 지하수가 상기 상부 챔버와 하부챔버를 연결한 다수의 열교환관 외부를 통해 흐르면서 상기 열매체와 열교환되도록 하는 점에서 실시예 1과 동일하나, 실시예 1은 공내 열교환기가 히트펌프의 제2열교환기(30)이지만, 본 실시예는 히트펌프(20)를 순환하는 열매체를 공내로 유도하는 별도의 열교환기인 것이며, 지하수는 상기 열교환관의 외부를 통해 흐르면서 열매체와 열교환이 이루어진다.

이 때, 히트펌프(20)의 열매체를 순환시키기 위하여 별도의 열매체 순환수단이 구성된다.

상기 열매체 순환수단은 상기 상부 챔버와 연결되는 한편 히트펌프의 열매체와 열교환 가능하게 구성되는 열매체 공급관과 열매체 복귀관, 별도의 열매체를 순환시키는 펌프로 구성되며, 별도의 열매체는 상기 열매체 공급관 - 상부 챔버 - 열교환관 - 하부 챔버 - 열교환관 - 열매체 복귀관을 순환하고 이 과정에서 히트펌프의 열매체와 지하수의 열교환이 이루어지도록 한다.

본 발명은 화산 현무암으로 이루어진 지질 특성상 다층의 지질층이 일명 떡시루층처럼 다단층으로 이루어지면서 각 지질 층간의 사이에 지하수가 흐르는 대수층(13,14)을 형성하고 있어 이러한 대수층(13,14)을 구분하여 열 이동을 인위적으로 형성시킴으로써 육지부처럼 깊은 심도를 굴착하여 단순히 암반 지질의 열전도에 의한 열교환에 치중하지 않고 공내 열교환기인 제2열교환기(30)를 통과하여 순환되는 지하수를 화산암 지질층에 의해 각각 별개의 공간으로 구성되는 대수층 중에서 환수되는 대수층이나 또는 지하수 수위 위에 있어 비어져 있는 공간에 주입될 수 있도록 형성하도록 할 수 있다. 이렇게 급수를 위한 지하수를 취수하는 대수층과 환수를 위해 선택하는 대수층을 별개 독립되도록 구성함으로써 제2열교환기(30)를 순환하는 열매체의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 되어 지열시스템의 운전효율(C.O.P)를 크게 향상시킬 수 있는 효과를 갖게 한 것이다. 환수되는 환수관(43)의 환수단 위치는 대수층의 위치에 따라 급수 펌프(41) 보다 상부에 있을 수도 있으며 하부에 배치될 수도 있음은 당연하며 이때 도 3 또는 또 4에서와 같이 환수관(43)에는 차폐팩커(16)를 구성하여 대수층(13,14) 사이를 구분하여 차폐할 수 있도록 하고, 케이싱(15)이 삽입 설치되어 있는 경우에는 지열공(10) 공벽과 케이싱(15) 사이를 차폐하는 순환격판(17)을 설치할 수도 있다.

차폐팩커(16)는 도 8에서와 같이 팽창식으로서 관형의 튜브 몸체(16a), 튜브 몸체(16a)의 둘레부에 설치되며 유체주입관을 통해 주입되는 유체(압축유체)를 통해 팽창하여 수밀성을 확보하는 팽창튜브(16b)로 구성된다.

순환격판(17)은 다수 겹의 고무판이나 브러쉬 또는 합성수지판 등을 사용하거나 고무 0링을 사용하는 구성으로 대수층 간 구분차폐나 지열공(10) 공벽과 케이싱(15) 사이의 공간에 대한 차폐기능을 확보한다.

특히 순환격판(17)의 상부에는 실리콘이나 속경성 시멘트 등 그라우팅제재를 주입하여 차폐 후 누수가 없도록 할 수 있다.

이러한 순환격판(17) 또는 차폐팩커(16)를 이용하여 대수층간 구획수단을 구성[순환격판(17) 또는 차폐팩커(16) 또는 순환격판(17)과 차폐팩커(16) 조합형]하는 것은 결국 대수층간의 독립된 지하수의 수류에 의한 열교환이 이루어지도록 함으로써 낮은 심도일지라도 대용량의 열교환 능력을 갖는 지중열교환기 구성이 가능하도록 한 것이며, 지하수가 지표면으로부터 아주 낮게 형성되어 수위가 지표면으로부터 깊다 할지라도 단순히 순환양정만을 필요로 하게 되어 급수펌프(41)의 운전 양정을 낮추도록 함으로써 지열시스템의 동력비용을 절감하면서도 낮은 수위에서도 지열이용을 가능하게 한 것이다.

도 10 내지 도 12에서 보이는 것처럼, 제2열교환기(30) 상부에 낙수 열교환기(50)가 구성될 수 있다.

특히 제주도의 지질은 특성상 다양한 지층에서 지하수면 상부에서부터 다량의 지하수가 낙수되는 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 낙수되는 다량의 지하수로부터 열교환이 가능한 열교환장치의 구성 또한 필요하다 할 수 있다. 이를 위해 케이싱(15)을 설치하고, 케이싱(15)과 지열공(10)의 공벽 사이에 순환격판(17)을 설치하되, 이 순환격판(17)은 낙수 열교환기(50)의 상부에 설치되어 지열공(10)의 내벽과 케이싱(15) 사이에 저수된 지하수가 낙수열교환기(50) 상부에서 케이싱(15)에 천공된 유공부(15a)를 통해 낙수되도록 한다.

낙수 열교환기(50)는 열교환코일관이 노출된 상태에서 낙수되는 지하수가 직접 열교환코일관과 접촉되어 열교환이 될 수 있도록 한 것이며 내부에 열매체가 흐르는 다수의 튜브관으로서 급수측 튜브관(51)과 환수측 튜브관(52)으로 구성된다.

급수측 튜브관(51)은 급수측 하부매니폴드(53)를 통해 제2열교환기(30)의 공급측과 연결되고 환수측 튜브관(52)은 환수측 하부매니폴드(54)를 통해 제2열교환기(30)의 환수측과 연결된다. 물론, 급수측 튜브관(51)과 환수측 튜브관(52)은 각각 급수측 상하부 매니폴드(55,56)를 통해 공급 가스관과 환류 가스관에 연결되어 열매체의 순환이 이루어지도록 한다.

특히, 급수와 환수측 상부 매니폴드(55,56)의 상부에는 경사형 낙수유도부(55a,56a)가 구성되어 상부에서 낙수되는 지하수가 순차적으로 열교환 튜브관(51,52)으로 떨어져 하강할 수 있도록 하였다.

또한, 도 12에서 보이는 것처럼, 낙수 지하수가 자연스럽게 경사형 낙수유도부(55a,56a)를 타고 낙하하도록 급수와 환수측 상부 매니폴드(55,56)는 서로 다른 높이이면서 서로 모아지는 방향으로 하향 경사지게 형성된다.

또한, 열교환 튜브관(51,52)은 순환과정에서 맥동에 의한 흔들림이 없도록 일정 간격마다 지지판(57)이 적용되어 고정된다.

물론, 낙수 열교환기(50)가 설치되는 구간의 케이싱(15)은 무공관으로 하여 낙수 열교환기(50) 전체가 지하수 중에 잠기게 하여 열교환 효율을 높게 할 수 도 있으며 별도의 개방된 외부 하우징을 낙수 열교환기(50) 주변에 구성시켜 낙수되는 지하수가 낙수 열교환기(50)에 고루 접촉될 수 있도록 한정적이고 제한적인 공간을 구성시켜 줄 수도 있다.

낙수 열교환기(50)와 제2열교환기(30)의 인양 및 설치시 하중을 견딜 수 있는 와이어 로프가 적용되는 것도 가능하다. 상기 와이어 로프는 제2열교환기(30)만 적용되는 경우에도 가능하다.

도 2에서 보이는 것처럼, 서로 다른 대수층(13,14)을 지하수의 급수층과 환수층으로 구분하여 사용할 수 있으며, 지열공(10) 내부로서 대수층(13,14) 사이의 심도에 차폐팩커(16)를 설치되어 차폐팩커(16) 하부를 급수층으로 상부를 환수층으로 구성하며, 따라서, 차폐팩커(16) 하부에 급수펌프(41)가 설치되는 한편 상부에 환수관(43)의 환수단이 배치된다. 따라서, 하부의 대수층(14)을 흐르는 지하수는 급수 펌프(41)를 통해 급수되고, 환수관(43)을 통해 환수되는 지하수는 상부의 대수층(13)으로 환수된다.

한편, 급수 펌프(41)는 지하수에 잠겨 지하수를 펌핑하는 수중 펌프이며, 급수관(42)은 급수 펌프(41)와 제2열교환기(30)에 연결되어 급수 펌프(41)에 의해 펌핑되는 지하수를 제2열교환기(30)에 공급하여 지하수와 제2열교환기(30)의 열매체간에 열교환이 이루어지도록 하고, 환수관(43)은 일측이 제2열교환기(30)에 연결되고 타측의 환수공을 통해 지하수를 지열공(10) 내부로 환수하도록 하되, 급수 펌프(41)에 의해 펌핑되는 지하수는 하부 챔버(37)를 거쳐 토출되어 다수의 지하수 순환관(38)으로 분배되어 상부 챔버(36)로 모아진 후 환수관(43)을 통해 지열공(10)의 상부측 대수층(13)으로 환수되도록 구성할 수도 있으며 이때에도 차폐팩커(16)가 대수층간을 구획하는 기능을 하도록 구성된다.

물론 낙수 열교환기(50)를 제2열교환기(30) 상부에 설치되는 구성일 경우에도 차폐팩커(16)를 설치하여 대수층별 구간을 구획할 수 있으며 케이싱(15)이 구성되어 있는 경우에는 별도의 순환격판(17)을 설치하여 케이싱(15)과 지열공(10) 사이의 공간에 대하여서도 대수층 공간이 구획 차폐되도록 한다.

이렇게 함으로써 도 13에서처럼, 제2열교환기(30) 상부에 있는 대수층에도 환수관(43)의 환수단이 위치할 수 있는 구조를 활용할 수 있게 되며 즉, 환수관(43)이 도 3처럼 급수펌프(41)측을 향해 환수되도록 배치되지 않고 차폐팩커(16)를 관통하여 환수단이 상부측 대수층(13)과 통하도록 설치되고, 지하수위 상부에 있는 상부측 대수층(13)이 지하수가 흐르지 않는 건천형 대수층 공간(비어있는 공간)일지라도 환수되는 지하수를 장애없이 흘러보낼 수 있는 형태를 구성할 수 있어 효율 높은 지열시스템의 구성이 가능하게 한 것이다. 이는 제주도의 경우 지하수위는 항시 해수면과 거의 일치하는 특성을 가지고 있어 급수펌프(41)가 댜량의 지하수를 펌핑하여 양수하여 상부측 대수층(13)에 열교환된 지하수를 환수시킨다 할지라도 새로운 열용량을 갖는 지하수가 항시 보충될 수 있어 안정적인 열용량을 갖는 지열 시스템운용이 가능한 구성이 가능하다 하겠다. 이때 차폐팩커(16)는 튜브몸체(16a)에 환수관(43)과 공급 가스관과 환류 가스관을 관통하여 구성하고 외주연에 팽창튜브(16b)를 구성하거나 다수겹의 고무판을 형성시켜 차폐기능을 갖도록 한 차폐수단이 되도록 한다. 이러한 구성은 도 14에서처럼, 낙수 열교환기(50)가 적용되는 예도 동일하게 적용되며, 환수관(43)은 환수단이 낙수 열교환기(50) 상부의 차폐팩커(16)를 저부에서 상부를 향해 관통하여 상부측 대수층(13)으로 환수가 이루어지도록 한다.

도 15와 도 16은 제2열교환기(30)와 지열공(10) 사이를 흐르는 지하수의 열교환을 위하여 구성된 것으로, 도 3에 도시된 제2열교환기(30)의 방식이면서 제2열교환기(30)와 지열공(10) 사이를 흐르는 지하수와의 열교환, 급수 펌프(41)에 의해 급수되는 지하수와의 열교환이 이루어지도록 구성되고, 다수의 지하수 순환관(38)의 외부에 외벽 열교환관(38-1)이 구성된다. 외벽 열교환관(38-1)은 다수개가 원의 형태로 배열되면서 용접 등으로 연결되면서 상하부가 각각 상하부 챔버(36,37) 내부와 통하도록 연결되어 급수관(42)을 통해 상부 챔버(36)에 공급된 지하수가 통과하면서 지열공(10)의 내벽을 흐르는 지하수와 열교환이 이루어지도록 한다.

<실시예 4>

도 17과 도 18에서 보는 바와 같이, 본 실시예의 제2열교환기(30)는 전술한 실시예 1의 제2열교환기(30)의 구성 중에서 외부 하우징인 몸체를 제거하고 상부 챔버(30-2)와 하부 U 밴드 또는 하부 챔버(30-3)를 구성하도록 한 후 다수개의 열교환 코일관(30-1)을 연결하여 제2열교환기(30)를 형성하고, 수밀성 있는 열교환 공간을 확보하기 위해 수중 순환펌프인 급수펌프(41)와 제2열교환기(30), 그리고 열교환 코일관(30-1) 상부인 상부 챔버(30-2) 상부에 각각 차폐팩커(16)를 구성하도록 한 것이다. 이때 제2열교환기(30)가 위치하는 구간의 케이싱(15)은 무공관을 설치하여 지열공(10) 공벽과는 경계를 형성하도록 하였다.

차폐팩커(16)에 의해 상 하부가 차폐되어 있는 제2공내 열교환기(30) 내부에 하부 대수층(13)의 지하수를 급수펌프(41)가 흡입하여 급수하게 되면 열교환된 지하수는 상부에 설치된 차폐팩커(16)에 관통되어 설치된 환수관(43)[차폐팩커(16)를 관통한 별도의 환수관 소켓에서 연장되는 것도 가능]을 통해 상부 대수층(13)으로 유입되어 흘러 나가도록 한 것이다. 이러한 구성은 구성요소를 단순화 시키면서도 동일한 열교환 효과를 얻게 되어 저렴한 시설비를 투입하는 경제적인 시공이 가능하게 한 것이다.

10 : 지열공, 2 : 히트 펌프
30 : 제2열교환기, 40 : 지하수 순환수단
41 : 급수 펌프, 42 : 급수관
43 : 환수관, 50 : 낙수 열교환기

Claims

지중에 형성되는 지열공(10)과;
압축기, 상기 압축기와 연결되는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기와 연결되는 팽창변 및 상기 팽창변과 상기 압축기에 연결되는 열원측 열교환기를 포함하는 히트 펌프(20)와;
상기 지열공(10) 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하여 상기 히트 펌프에 공급하는 공내 열교환기(30)를 포함하고,
상기 공내 열교환기는 상기 히트 펌프의 열원측 열교환기로서 상기 지열공(10) 내부에 설치되며 공급 가스관과 환류 가스관을 매개로 하여 상기 압축기와 팽창변에 연결되어 히트 펌프의 열매체를 통해 지하수와 열교환하는 것으로, 상하부에 격리 형성되는 상하부 챔버, 상기 상하부 챔버들 사이에 상기 상하부 챔버와 통하도록 형성되면서 지하수와 상기 열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 지하수 순환관(38) 및 상기 공급 가스관과 환류 가스관을 매개로 하여 상기 압축기와 팽창변에 연결되어 상기 지하수 순환관을 따라 흐르는 지하수와 상기 히트펌프의 열매체간에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환관(39)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 공내 열교환기의 상부에 설치되면서 일측이 상기 공급 가스관과 환류 가스관을 통해 상기 히트 펌프와 연결되는 한편 타측이 상기 공내 열교환기에 구성된 열교환관의 공급측과 환수측에 각각 연결되며 상기 히트펌프와 공내 열교환기를 순환하는 열매체와 상부에서 낙하하는 지하수의 열교환을 유도하는 낙수 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 공내 열교환기는 상기 상하부 챔버와 상기 지하수 순환관 및 상기 열교환관이 내부에 구성되는 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 지열공(10) 내부에 설치되며 내부에 상기 공내 열교환기가 설치되는 케이싱(15)을 포함하고, 상기 낙수 열교환기는 상기 케이싱의 유공부(15a)를 통해 낙수하는 지하수와 열매체의 열교환을 유도하는 것을 특징으로 하는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 케이싱과 상기 지열공(10) 사이를 낙하하는 지하수를 상기 케이싱의 유공부를 통해 상기 케이싱 내부의 낙수 열교환기로 유도하는 낙수 유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템.