KR102149119B1 - 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 제어부(180); 지상에 형성되는 프라이밍 탱크(130); 및 제어부(180)에 의해 가동되는 지상에 형성된 순환펌프(110); 를 포함하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템에 있어서, 제어부(180)가 순환펌프(110)를 가동시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)에 기존에 채워진 물을 순환펌프(110)의 하단 영역과 연결된 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130)로부터 배출시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)가 진공 상태가 되도록 제어함으로써, 프라이밍 탱크(130)와 연결된 인플로우 파이프(140)를 통해 지하수가 프라이밍 탱크(130)로 채워지도록 하는 것을 특징으로 하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템을 제공하기 위해 프라이밍 탱크와 순환펌프를 적용하여 지하수를 뽑아서 지열 히트펌프의 열원으로 사용할 수 있도록 하는 장점이 있고, 지하 수중이 아닌 지상 외부에 펌프를 설치하므로 관리가 용이하고 펌프의 부식 위험성이 낮아서 펌프의 내구성을 증가시키는 효과가 있으며, 지상에 펌프가 설치되기 때문에 교체 및 보수가 용이할 뿐만 아니라, 프라이밍 탱크가 여과기(스트레이너) 역할도 동시에 수행할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템을 제공하기 위해 프라이밍 탱크와 순환펌프를 적용하여 지하수를 뽑아서 지열 히트펌프의 열원으로 사용할 수 있도록 하는 장점이 있고, 지하 수중이 아닌 지상 외부에 펌프를 설치하므로 관리가 용이하고 펌프의 부식 위험성이 낮아서 펌프의 내구성을 증가시키는 효과가 있으며, 지상에 펌프가 설치되기 때문에 교체 및 보수가 용이할 뿐만 아니라, 프라이밍 탱크가 여과기(스트레이너) 역할도 동시에 수행할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템을 제공하기 위해 프라이밍 탱크와 순환펌프를 적용하여 지하수를 뽑아서 지열 히트펌프의 열원으로 사용하도록 하기 위한 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지산싱 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은 농업용 또는 식생활용 관정 시스템 적용될 수 있다.
도 1은 기존의 기술에 따른 심정펌프를 사용하는 개방형(standing column well, SCW) 지열냉난방시스템(1)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 심정펌프를 사용하는 개방형 지열냉난방시스템(1)은 수중펌프 보호통(14) 내부에 있는 수중펌프(13)에 의한 지하수 유입공(16) 내에서 수중펌프(13) 하단에 위치한 지하수 유입관(15)의 끝단에 위치하는 지하수 유입공(16)을 통해 지하수를 뽑아서, 지하수 유입관(15), 수중펌프(13) 상부에 연결된 지하수 양수관(12)을 순차적으로 거친뒤, 서플라이 라인(18)을 거쳐 열교환기(21)에서 히트펌프(22)에 통과시켜서 열을 추출/배출한 열교환을 거친 뒤, 다시 리턴 라인(19)을 통해 지하수공(17) 내부로 재주입하는 방식을 사용하였다.
이때 지하수를 뽑아 올리기 위해서 심정펌프(deep-well pump)에 해당하는 지하수공(17) 내부에 위치하는 수중펌프(13)를 사용하고 있다.
이러한 기존의 수중펌프를 사용하는 개방형 지열냉난방시스템(1)은 대부분 고가의 심정펌프를 사용하고 있으며, 심정펌프는 지열공을 통해 지하수면 40m 이상 아래 지점에 설치되기 때문에 설치 및 유지보수 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 심정펌프 가동을 위한 전력선이 수중에 설치되기 때문에 누전의 위험이 있기 때문에 이를 방지하기 위해 방수작업을 진행해야 할 뿐만 아니라 심정펌프가 기동 시 발생하는 진동으로 인해 심정공에 해당하는 지하수공(17)의 외벽 파손의 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2019-0098893호 "지열냉난방 관리를 위한 정보통신 시스템"은 건물의 실내온도를 감지하여 실내온도 데이터를 생성하는 모니터링 장치, 지중에 매설되고, 내측으로 유체가 통과하도록 구성되며, 입력된 제어명령에 따라 유체의 이동경로를 가변 가능한 지중 열교환 장치, 모니터링 장치로부터 실내온도 데이터를 수신하는 중계장치, 및 중계장치로부터 실내온도 데이터를 수신하고, 실내온도 데이터를 데이터베이스에 저장되어 있는 설정온도 데이터와 비교하여 설정온도와 건물의 실내온도 간의 차이를 산출한 후, 산출된 차이값에 해당하는 제어명령을 생성하여 지중 열교환 장치로 전달하도록 구성되는 제어서버를 포함하고, 지중 열교환 장치는, 제1 열교환 유닛, 제1 열교환 유닛의 하측에 연결되는 제2 열교환 유닛, 및 제2 열교환 유닛의 하측에 연결되고, 지중의 지하수에 접촉되는 제3 열교환 유닛을 포함하고, 제어서버로부터 제1 제어명령이 전송될 경우, 제1 열교환 유닛으로 유체가 통과되도록 하고, 제어서버로부터 제2 제어명령이 전송될 경우, 제1 열교환 유닛 및 제2 열교환 유닛으로 유체가 통과되도록 하며, 제어서버로부터 제3 제어명령이 전송될 경우, 제1 열교환 유닛, 제2 열교환 유닛 및 제3 열교환 유닛으로 유체가 통과되도록 하는 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2009-0046846호 "아파트 지열냉난방 설비를 이용한 도로 결빙 방지 시스템"은 기존의 지열냉난방시스템의 지중열교환기를 이용한 것으로, 지중열교환기와 도로에 매설된 파이프를 연결하여 도로의 결빙이나 적설을 방지하거나 녹이는 것이다. 도로에 파이프를 매설하고 이를 지중열교환기와 연결하는 구성이므로, 시공이 간단하고 이로 인해서 시공비와 유지비가 저렴하도록 하는 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2017-0135269호 "압축기 및 펌프의 연계제어가 수행되는 지열냉난방 시스템(GEOTHEMAL ENERGY-HEATING AND COOLING SYSTEM USING COLLABORATIVE CONTROL)"은 지중으로 관입되어 지열정펌프의 작동에 의해 지상으로 지열이 회수되는 생산정과 지열이 회수된 열매체가 지중으로 복귀되는 주입정이 구비되는 지열정, 지열정을 통해 회수된 지열이 교환되는 열교환기 및 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브가 구비되어 열교환기를 통해 공급받은 열을 통해 냉난방이 수행되는 히트펌프가 포함하는 시스템에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0088052호 "발열,흡열 히트파이프를 이용한 지열원냉난방 히트펌프시스템(HEAT PUMP SYSTEM FOR COOLING/HEATING WITH UNDERGROUND HEAT SOURCE USING COOLING AND HEATING HEAT PIPE)"은 지중의 열원을 이용하여 냉난방을 위한 히트펌프시스템으로서 공기-공기 히트펌프시스템은 동절기에 공기의 온도가 매우 낮은 한냉지에서는 공기를 열원으로 한 히트펌프의 난방용으로 사용이 불가능하며, 하절기에 공기의 온도가 매우 높으면 히트펌프로서의 냉방용으로 사용하는데 매우 낮은 효율을 가지므로 이러한 단점을 보완하고자 년중 온도가 거의 일정한 지중의 열을 흡열방열의 두가지 히트파이프를 이용하여 히트펌프로 난방과 냉방을 겸할 수 있도록 하여 히트펌프의 효용성을 배가시키고져 한 장치에 관한 것이다.
그러나 상기 기술들은 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템에 관한 기술적 구성을 제공하지 못하는 한계점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템을 제공하기 위해 프라이밍 탱크와 순환펌프를 적용하여 지하수를 뽑아서 지열 히트펌프의 열원으로 사용하도록 하기 위한 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 지하 수중이 아닌 지상 외부에 펌프를 설치하므로 관리가 용이하고 펌프의 부식 위험성이 낮아서 펌프의 내구성을 증가시키도록 하기 위한 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 지상에 펌프가 설치되기 때문에 교체 및 보수가 용이할 뿐만 아니라, 프라이밍 탱크가 여과기(스트레이너) 역할도 동시에 수행할 수 있도록 하기 위한 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 제어부(180); 지상에 형성되는 프라이밍 탱크(130); 및 제어부(180)에 의해 가동되는 지상에 형성된 순환펌프(110); 를 포함하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템에 있어서, 제어부(180)가 순환펌프(110)를 가동시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)에 기존에 채워진 물을 순환펌프(110)의 하단 영역과 연결된 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130)로부터 배출시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)가 진공 상태가 되도록 제어함으로써, 프라이밍 탱크(130)와 연결된 인플로우 파이프(140)를 통해 지하수가 프라이밍 탱크(130)로 채워지도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 지중에 매립된 복수 개의 파이프로 구성되며, 파이프로부터 연장된 지열관에 해당하는 서플라이 파이프(120) 및 리턴 파이프(160)이 연결된 상태에 대해서 냉각 또는 가열을 수행하며, 냉각 작동시 냉각탑(200)으로부터 보조적으로 냉각 작용을 제공받는 지열 열교환기(500); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부(180)는, 히트 펌프(200)로부터 지중 열교환기(500) 간의 히트 펌프(200)운전 종류로 정상운전 또는 축열운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부(180)는, 열교환 효율을 분석시 히트 펌프(200)에 대한 온(on), 제 1 순환펌프(CP1)(1100) 및 제 2 순환펌프(CP2)(1200)에 대한 온(on), 제 3 순환펌프(CP3)(1300)에 대한 오프(off)로 제어를 수행한 뒤, "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"인지 여부를 분석하되, T1를 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)(1100)를 거쳐 제 1 조절밸브(CV1)(2100)로 향하는 관로 지점의 온도로 설정하며, T2를 히트 펌프(200)에서 제공된 열원이 지중 열교환기(500)에서 열교환을 거쳐서 회귀하는 관로 지점의 온도로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제어부(180)는, 분석 결과 "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"이 아닌 경우, 지중 열교환기(500)를 통한 열교환 효율 부족에 해당하는 시스템 지중 열원 부족으로 분석하고, 제 1 조절밸브(CV1)(2100)를 all open 상태로 제어하며, 냉각탑(cooling tower)을 온(on) 상태로 제어하여, 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)를 통해 제공된 열원이 지중 열교환기(500) 뿐만 아니라, 냉각탑(200)을 거쳐 히트 펌프(200)로 회귀하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 심정펌프를 대체하는 지상식 펌프 시스템을 제공하기 위해 프라이밍 탱크와 순환펌프를 적용하여 지하수를 뽑아서 지열 히트펌프의 열원으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 지하 수중이 아닌 지상 외부에 펌프를 설치하므로 관리가 용이하고 펌프의 부식 위험성이 낮아서 펌프의 내구성을 증가시키는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템은, 지상에 펌프가 설치되기 때문에 교체 및 보수가 용이할 뿐만 아니라, 프라이밍 탱크가 여과기(스트레이너) 역할도 동시에 수행할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 기술에 따른 심정펌프를 사용하는 개방형(standing column well, SCW) 지열냉난방시스템(1)을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 기반으로 추가된 구성요소에 대한 각 구성요소의 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4에서 추가된 구성요소를 포함하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)에서 제 1 조절밸브(CV1) 내지 제 3 조절밸브(CV3)의 상태 정보를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 기반으로 추가된 구성요소에 대한 각 구성요소의 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4에서 추가된 구성요소를 포함하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)에서 제 1 조절밸브(CV1) 내지 제 3 조절밸브(CV3)의 상태 정보를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)은 순환펌프(Circulating Pump)(110), 서플라이 파이프(Return Line)(120), 프라이밍 탱크(Priming Tank)(130), 인플로우 파이프(Inflow Line)(140), 체크밸브(Check Valve)(150), 리턴 파이프(Supply Line)(160), 심정공(천공부, 우물공)(170) 및 제어부(180)를 포함할 수 있다.
제어부(180)는 순환펌프(110)를 가동시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)에 기존에 채워진 물을 순환펌프(110)의 하단 영역과 연결된 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130)로부터 배출시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)가 진공 상태가 되도록 제어할 수 있다.
이 경우, 심정공(170)에 형성된 인플로우 파이프(140) 및 리턴 파이프(160) 중 인플로우 파이프(140)를 통해 지열공 자연수위 아래에 위치하고 있는 인플로우 파이프(140)의 최하단에 형성되는 흡입공을 통해 지하수가 프라이밍 탱크(130) 내부의 진공압 형성에 따라 프라이밍 탱크(130)로 상승하여 프라이밍 탱크(130)를 채울 수 있다.
이를 위해 프라이밍 탱크(130)의 하단 영역에는 순환펌프(110)와 연결된 서플라이 파이프(120) 외에 인플로우 파이프(140)에서 흡입공이 형성된 반대 끝단과 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 인플로우 파이프(140)는 심정공(170) 상에서 흡입공을 기준으로 수직방향으로 형성된 제 1 수직관, 제 1 수직관이 연장되어 지상부까지 연결된 상태에서 프라이밍 탱크(130)의 하단 영역으로 연결되기 위한 수평관, 수평관을 통해 프라이밍 탱크(130) 내부로 연결된 뒤, 프라이밍 탱크(130)의 중앙 영역에서 서플라이 파이프(120)에 의한 프라이밍 탱크(130) 내부의 지하수의 유출 시의 진공압 제공에 영향을 최소화하면서 프라이밍 탱크(130) 내부로 지하수를 공급하기 위한 제 2 수직관을 포함하는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 순환펌프(110)에 의해 상술한 서플라이 파이프(120)를 통해 배출된 지하수는 열교환기를 거쳐 열교환을 수행한 뒤, 다시 리턴 파이프(160)를 통해 심정공(170) 내부 최단부까지 형성된 토출공을 통해 배출을 수행할 수 있다. 이를 통해 심정공 내부의 공무너짐이 발생하여도 심정펌프를 보호할 수 있으며 펌프 시스템 가동이 가능하다.
또한, 제어부(180)는 순환펌프(110)에 대한 제어를 통해 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130) 내부에 포함된 지하수에 대해서 배기 모드를 통해 최종적으로 리턴 파이프(160)를 통해 지하수가 리턴 파이프(160)의 최하단의 토출공을 통해 배출되도록 제어하는 경우, 프라이밍 탱크(130) 내부에 형성된 압력센서(181a) 대한 요청을 통해 진공압 상태에 도달하는지 여부를 분석할 수 있다.
한편, 제어부(130)는 프라이밍 탱크(130)와 순환펌프(110) 사이에 형성된 서플라이 파이프(120)에 형성된 유량센서(181b)로부터 수신된 유량 정보가 미리 유량 정보가 미리 설정된 유량치에 미치지 못하는지 여부를 확인한 뒤, 순환펌프(110)에 대한 온(ON) 제어를 통해 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130) 내부에 포함된 지하수에 대해서 배기 모드를 통해 최종적으로 리턴 파이프(160)를 통해 지하수가 리턴 파이프(160)의 최하단의 토출공을 통해 배출되도록 제어하는 과정을 수행할 수 있다.
이러한 구성을 통해 지하 수중이 아닌 지상 외부에 펌프를 설치하므로 관리가 용이하고 펌프의 부식 위험성이 낮아서 펌프의 내구성이 증가하며, 지상에 펌프가 설치되기 때문에 교체 및 보수가 용이할 뿐만 아니라, 부가적으로 프라이밍 탱크(130) 내부에 형성된 인플로우 파이프(140) 중 상술한 제 2 수직관 상의 끝단에서 토출된 지하수에 포함된 이물질(자갈, 모래 등)은 프라이밍 탱크(130) 하단에 중력에 의해 쌓이게 되며, 프라이밍 탱크(130)의 드레인 밸브를 통해 이를 제어함으로써, 프라이밍 탱크(130)로 유입되는 지하수에 대한 여과 작용을 수행할 수 있다.
또한, 체크밸브(150)는 순환펌프(110)가 가동되지 않을 때에 프라이밍 탱크(130)와 제 2 수직관에 채워진 물이 심정공(170)으로 쏟아지는 것을 방지하기 위해 설치되며, 제 1 수직관에서 물이 쏟아지면 그 부피만큼 프라이밍 탱크(130) 용량이 증가해야 본 발명의 기술이 작동할 수 있기 때문이다.
따라서 프라이밍 탱크(130)의 용량을 최소화하기 위해서는 시스템이 가동되기전에도 모든 배관에 물이 채워지도록 구성하는 것이 중요하면 체크밸브(130)가 이와 같은 역할을 담당한다.
한편, 필요에 의해 프라이밍 탱크(130)에 형성된 인프롤우 파이프(140)의 제 2 수직관에는 복수의 필터층이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 필터층은 전처리필터, 프리카본필터, 역삼투압필터, 레진필터 그리고 모링가필터를 포함할 수 있다.
즉, 전처리 필터부, 프리카본 필터부, 역삼투압 필터부를 통과한 경우, 지하수에 포함된 각종 오염물의 대부분이 제거되며, 레진필터를 거치면, 오염물이 제거된 지하수에서 미세량의 용존 무기이온 및 일부 유기물에 대해서 까지 제거가 되며, 모링가필터를 다시 거치면 초순수를 형성할 수 있다. 모링가필터는 모링가씨분말과 모래로 EH는 안트라사이트 구성된 제 1 모링가필터, 모링가씨분말과 활성탄으로 구성된 제 2 모링가필터로 구성될 수 있다.
모래 또는 안트라사이트는 입경크기 0.6 내지 0.8 mm 범위의 급속여과사 또는 입경크기 0.3 내지 0.4 mm 범위의 안트라사이트를 충전시켜 형성시킬 수 있다. 제 2 모링가필터로 유입되기전 탁질을 개선하여 제 2 모링가필터에 의해 여과지속시간을 늘리는 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에서 제 2 모링가필터에 사용되는 활성탄은, 입상 활성탄(granular activated carbon, GAC)을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 고정상(fixed bed) 또는 반고정상(semifixed bed) 흡착 공정 모두에 적용될 수 있다. 활성은 지하수 중에 함유된 다양한 유해 물질, 예를 들면, TOC, DOC(dissolved organic carbon), THMFP(trihalomethane formation potential), THM(trihalomethane), 페놀, 유기인계 농약, 비스페놀 A 등과 같은 내분비계 장애물질, 휘발성 유기 오염물질, 유기염소계 농약, 맛·냄새 및 색도 유발물질 등을 흡착 제거해 낼 수 있다. 입상 활성탄(GAC)층에 연속적으로 물을 통과시키면 활성탄 세공(pore)에 각종 물질이 흡착되어 일정 기간이 지난후 활성탄의 흡착기능은 저하된다. 그러나, 활성탄과 모링가씨 분말이 혼합된 필터에 지하수를 통과시키면 활성탄 및 모링가씨분말 표면에 호기성 미생물이 번식하고 이들 미생물의 활동으로 활성탄은 흡착 기능뿐만 아니라 생물학적 활성기능도 할 수 있게 된다.
한편, 제 1 모링가필터에 사용되는 모링가씨분말과 제 2 모링가필터에 사용되는 모링가씨분말을 3 내지 4 : 7 내지 9의 중량비로 충진함으로써, 모링가씨 분말에 의한 2단에 걸친 불순물과 유해성분 제거, pH 중성화를 수행할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)을 기반으로 추가된 구성요소에 대한 각 구성요소의 배열을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3 및 도 4에서 추가된 구성요소를 포함하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)에서 제 1 조절밸브(CV1) 내지 제 3 조절밸브(CV3)의 상태 정보를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하면, 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)에는 순환펌프(110), 서플라이 파이프(120), 프라이밍 탱크(130), 인플로우 파이프(140), 체크밸브(150), 리턴 파이프(160), 심정공(170) 및 제어부(180) 외에 히트 펌프(heat pump)(200), 냉각탑(cooling tower)(300), 축열 탱크(thermal energy storage tank)(400), 지열 열교환기(ground heat exchanger)(500), 실내 부하(load)(600), 제어부(180)와 연결된 입출력부(190)를 포함함으로써, 열원으로 액체뿐만 아니라 기체를 활용하여 냉방 및 난방을 수행할 수 있다.
한편, 도 3의 시스템에 도 2에서 상술한 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)이 적용되기 위해서는 도 3에서의 제 1 순환펌프(CP1)(1100)으로 도 2의 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)은 순환펌프(Circulating Pump)(110), 서플라이 파이프(Return Line)(120), 프라이밍 탱크(Priming Tank)(130), 인플로우 파이프(Inflow Line)(140), 체크밸브(Check Valve)(150), 리턴 파이프(Supply Line)(160), 심정공(170) 및 제어부(180)이 대체되는 형태일 수 있다.
히트 펌프(200)는 실내 부하(600)에서 냉방이 필요하면 냉열을 생산하고 난방이 필요하면 온열을 생산한다.
한편, 설명의 편의를 위해 본 발명에서는 히트 펌프(200)는 지열 열교환기(500)를 통한 열원을 폐기하는 방식의 냉열 시스템을 중심으로 설명하나, 냉각탑(200)을 가열기로 변형시, 온열 시스템으로도 동일한 원리에 의해 제공될 수 있다.
축열 탱크(400)는 히트 펌프(200)와 실내부하(600) 사이에 위치함으로써, 히트 펌프(200)에서 제공된 열원을 저장하기 위해 형성된다.
지열 열교환기(500)는 지중에 매립된 다수 개의 파이프로 구성될 수 있으며, 파이프로부터 연장된 지열관에 해당하는 서플라이 파이프(110) 및 리턴 파이프(160)이 연결된 상태에 대해서 냉각 또는 가열을 수행하며, 냉각 작동시 냉각탑(200)으로부터 보조적으로 냉각 작용을 제공받을 수 있다.
제어부(180)는 히트 펌프(200)로부터 지중 열교환기(500) 간의 히트 펌프(200) 운전 종류로 정상운전 또는 축열운전을 수행할 수 있다.
한편, 제어부(180)는 열교환 효율을 분석시 히트 펌프(200)에 대한 온(on), 제 1 순환펌프(CP1)(1100) 및 제 2 순환펌프(CP2)(1200)에 대한 온(on), 제 3 순환펌프(CP3)(1300)에 대한 오프(off)로 제어를 수행한 뒤, "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"인지 여부를 분석하는데, T1를 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)(1100)를 거쳐 제 1 조절밸브(CV1)(2100)로 향하는 관로 지점의 온도로 설정하며, T2를 히트 펌프(200)에서 제공된 열원이 지중 열교환기(500)에서 열교환을 거쳐서 회귀하는 관로 지점의 온도로 설정할 수 있다.
이후, 제어부(180)는 판단 결과 "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"이 아닌 경우, 지중 열교환기(500)를 통한 열교환 효율 부족에 해당하는 시스템 지중 열원 부족으로 분석하고, 제 1 조절밸브(CV1)(2100)를 all open 상태로 제어하며, 냉각탑(cooling tower)을 온(on) 상태로 제어하여, 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)를 통해 제공된 열원이 지중 열교환기(500) 뿐만 아니라, 냉각탑(200)을 거쳐 히트 펌프(200)로 회귀하도록 할 수 있다. 여기서, 제 1 조절밸브(CV1)는 도 5와 같이 3상에 해당하는 히트 펌프(200), 냉각탑(200), 지중 열교환기(500)로 각각 향하는 관로를 상호 연결할 수 있는 기능을 수행한다.
한편, 제어부(180)는 분석결과 "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"인 경우, 제어부(180)는 입출력부(190)로 입력되는 운전종류 선택(정상/축열운전)에 대한 선택정보를 수신한 뒤, 정상운전에 대한 선택정보에 대한 수신인 경우, 정상운전을 위해 "T3 - T4의 절대값 ≥ 제 2 설계값"인지 여부를 분석할 수 있다.
제어부(180)는 분석결과 "T3 - T4의 절대값 ≥ 제 2 설계값"이 아니면, 실내 부하(600)에서 소비하는 열이 미리 설정된 제 2 설계값 이하이므로 열원 소비가 상대적으로 덜 필요하므로, 제 2 조절밸브(CV2)를 도 5와 같이 normal open 상태로 제어하며, 제 3 조절밸브(CV3)도 도 5와 같이 normal open 상태로 제어할 수 있다. 즉, 제 2 조절밸브(CV2)는 3상의 밸브로, 도면상에 검정색 삼각형인 경우 관로를 막으며, 흰색 삼각형인 경우 관로를 개방함으로써, 3상에 해당하는 히트 펌프(200), 실내부하(600), 축열 탱크(400)로 각각 향하는 관로를 상호 연결할 수 있는 기능을 수행하며, 축열 탱크(400)로 향하는 관로만 close, 히트 펌프(200) 및 실내부하(600)로 향하는 관로 간에는 open 상태로 하는 normal open 상태를 유지한다.
또한, 제 3 조절밸브(CV3)도 3상의 밸브로, 도면상에 검정색 삼각형인 경우 관로를 막으며, 흰색 삼각형인 경우 관로를 개방함으로써, 3상에 해당하는 실내 부하(600), 축열 탱크(400), 히트 펌프(200)로 각각 향하는 관로를 상호 연결할 수 있는 기능을 수행하며, 축열 탱크(400)로 향하는 관로만 close, 실내 부하(600) 및 히트 펌프(200)로 향하는 관로 간에는 open 상태로 하는 normal open 상태를 유지한다.
반대로 분석결과 "T3 - T4의 절대값 ≥ 제 2 설계값"이면, 실내 부하(600)에서 소비하는 열이 미리 설정된 제 2 설계값 이하가 아니므로 열원 소비가 상대적으로 더 필요하므로, 제어부(180)는 제 2 조절밸브(CV2)를 all open 상태로 제어하며, 제 3 조절밸브(CV3)도 all open 상태로 제어함으로써, 축열 탱크(400)에 저장된 열원을 실내 부하(600)로 제공할 수 있다.
즉, 제어부(180)는 제 2 조절밸브(CV2)에 대한 제어를 통해 히트 펌프(200)에서 실내 부하(600) 및 축열 탱크(400)로 향하는 관로를 모두 개방하게 하여 히트 펌프(200)에서 제공된 열원을 직접적으로 실내 부하(600)로 제공할 뿐만 아니라, 히트 펌프(200)에서 제공된 열원에 축열 탱크(400)를 거쳐서 추가된 열원을 실내 부하(600)로 제공하도록 한다. 또한, 제어부(180)는 제 3 조절밸브(CV3)에 대한 제어를 통해 실내 부하(600)에서 히트 펌프(200)로 향하는 관로와, 축열 탱크(400)에서 히트 펌프(200)로 항햐는 관로를 모두 개방하게 할 수 있다.
즉, 제 2 조절밸브(CV2)는 축열 탱크(400)로 향하는 관로뿐만 아니라, 히트 펌프(200) 및 실내부하(600)로 향하는 관로 간에도 모두 open 상태로 하는 all open 상태를 유지한다. 또한, 제 3 조절밸브(CV3)도 축열 탱크(400)로 향하는 관로뿐만 아니라, 실내부하(600) 및 히트 펌프(200)로 향하는 관로 간에는 open 상태로 하는 normal open 상태를 유지한다.
또한, 제어부(180)는 입출력부(190)로 입력되는 운전종류 선택(정상/축열운전)에 대한 선택정보를 수신시, 정상운전에 대한 선택정보가 아닌 축열운전에 대한 선택정보를 수신한 경우, 축열운전을 수행하기 위해 제 2 조절밸브(CV2)를 cross open 상태로 제어하며, 제 3 조절밸브(CV3)도 cross open 상태로 제어함으로써, 제 2 조절밸브(CV2)에 대한 제어를 통해 히트 펌프(200)에서 실내 부하(600)로 향하는 관로를 닫히게 하고 히트 펌프(200)에서 축열 탱크(400)로 열원이 저장되도록 할 뿐만 아니라, 제 3 조절밸브(CV3)에 대한 제어를 통해 실내 부하(600)에서 히트 펌프(200)로 향하는 관로를 닫히게 하고 축열 탱크(400)에서 히트 펌프(200)로 향하는 관로는 개방하도록 제어할 수 있다.
즉, 제 2 조절밸브(CV2)는 실내부하(600)로 향하는 관로를 close 상태로, 히트 펌프(200) 및 축열 탱크(400)로 각각 향하는 관로를 open 상태로 하는 cross open 상태를 유지한다. 또한, 제 3 조절밸브(CV3)는 실내부하(600)로 향하는 관로를 close 상태로, 축열 탱크(400) 및 히트 펌프(200)로 각각 향하는 관로를 open 상태로 하는 cross open 상태를 유지할 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템
110 : 순환펌프 120 : 서플라이 파이프
130 : 프라이밍 탱크 140 : 인플로우 파이프
150 : 체크밸브 160 : 리턴 파이프
170 : 심정공 180 : 제어부
110 : 순환펌프 120 : 서플라이 파이프
130 : 프라이밍 탱크 140 : 인플로우 파이프
150 : 체크밸브 160 : 리턴 파이프
170 : 심정공 180 : 제어부
Claims (5)
- 순환펌프(Circulating Pump)(110), 서플라이 파이프(Return Line)(120), 프라이밍 탱크(Priming Tank)(130), 인플로우 파이프(Inflow Line)(140), 체크밸브(Check Valve)(150), 리턴 파이프(Supply Line)(160), 심정공(천공부, 우물공)(170) 및 제어부(180)를 포함하며, 제어부(180)가, 순환펌프(110)를 가동시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)에 기존에 채워진 물을 순환펌프(110)의 하단 영역과 연결된 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130)로부터 배출시킴으로써, 프라이밍 탱크(130)가 진공 상태가 되도록 제어함으로써, 심정공(170)에 형성된 인플로우 파이프(140) 및 리턴 파이프(160) 중 인플로우 파이프(140)를 통해 지열공 자연수위 아래에 위치하고 있는 인플로우 파이프(140)의 최하단에 형성되는 흡입공을 통해 지하수가 프라이밍 탱크(130) 내부의 진공압 형성에 따라 프라이밍 탱크(130)로 상승하여 프라이밍 탱크(130)를 채우도록 하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템(100)에 있어서,
프라이밍 탱크(130)의 하단 영역에는,
순환펌프(110)와 연결된 서플라이 파이프(120) 외에 인플로우 파이프(140)에서 흡입공이 형성된 반대 끝단과 연결된 구조를 가지며,
인플로우 파이프(140)는,
심정공(170) 상에서 흡입공을 기준으로 수직방향으로 형성된 제 1 수직관, 제 1 수직관이 연장되어 지상부까지 연결된 상태에서 프라이밍 탱크(130)의 하단 영역으로 연결되기 위한 수평관, 수평관을 통해 프라이밍 탱크(130) 내부로 연결된 뒤, 프라이밍 탱크(130)의 중앙 영역에서 서플라이 파이프(120)에 의한 프라이밍 탱크(130) 내부의 지하수의 유출 시의 진공압 제공에 영향을 최소화하면서 프라이밍 탱크(130) 내부로 지하수를 공급하기 위한 제 2 수직관을 포함함으로써, 프라이밍 탱크(130) 내부에 형성된 인플로우 파이프(140) 중 제 2 수직관 상의 끝단에서 토출된 지하수에 포함된 이물질(자갈, 모래 포함)이 프라이밍 탱크(130) 하단에 중력에 의해 쌓이게 되며, 프라이밍 탱크(130)의 드레인 밸브에 대한 제어부(180)의 제어를 통해 프라이밍 탱크(130)로 유입되는 지하수에 대한 여과 작용이 수행되며,
프라이밍 탱크(130)에 형성된 인프롤우 파이프(140)의 제 2 수직관에는 복수의 필터층으로, 전처리필터, 프리카본필터, 역삼투압필터, 레진필터 그리고 모링가필터를 포함하며, 전처리 필터부, 프리카본 필터부, 역삼투압 필터부를 통과한 경우, 지하수에 포함된 각종 오염물의 대부분이 제거되며, 레진필터를 거치면, 오염물이 제거된 지하수에서 미세량의 용존 무기이온 및 일부 유기물에 대해서 까지 제거가 되며, 모링가필터를 다시 거치면 초순수를 형성하며, 모링가필터는 모링가씨분말과 모래 또는 안트라사이트 구성된 제 1 모링가필터, 모링가씨분말과 활성탄으로 구성된 제 2 모링가필터로 구성되며, 모래 또는 안트라사이트는 입경크기 0.6 내지 0.8 mm 범위의 급속여과사 또는 입경크기 0.3 내지 0.4 mm 범위의 안트라사이트를 충전시켜 형성되며, 제 2 모링가필터로 유입되기전 탁질을 개선하여 제 2 모링가필터에 의해 여과지속시간을 늘리는 효과를 제공하며, 제 2 모링가필터에 사용되는 활성탄은, 입상 활성탄(granular activated carbon, GAC)을 사용하여 형성하며, 제 1 모링가필터에 사용되는 모링가씨분말과 제 2 모링가필터에 사용되는 모링가씨분말을 3 내지 4 : 7 내지 9의 중량비로 충진하여 이루어지며,
체크밸브(150)는, 순환펌프(110)가 가동되지 않는 경우 프라이밍 탱크(130)와 제 2 수직관에 채워진 물이 심정공(170)으로 쏟아지는 것을 방지하기 위해 설치되며,
제어부(180)는,
순환펌프(110)를 제어하여 서플라이 파이프(120)를 통해 배출된 지하수에 대해서 열교환기를 거쳐 열교환을 수행한 뒤, 다시 리턴 파이프(160)를 통해 심정공(170) 내부 최단부까지 형성된 토출공을 통해 배출을 수행하도록 제어하며,
순환펌프(110)에 대한 제어를 통해 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130) 내부에 포함된 지하수에 대해서 배기 모드를 통해 최종적으로 리턴 파이프(160)를 통해 지하수가 리턴 파이프(160)의 최하단의 토출공을 통해 배출되도록 제어하기 위해, 프라이밍 탱크(130) 내부에 형성된 압력센서(181a) 대한 요청을 통해 진공압 상태에 도달하는지 여부를 분석함으로써, 심정공(170)에 형성된 인플로우 파이프(140) 및 리턴 파이프(160) 중 인플로우 파이프(140)를 통해 지열공 자연수위 아래에 위치하고 있는 인플로우 파이프(140)의 최하단에 형성되는 흡입공을 통해 지하수가 프라이밍 탱크(130) 내부의 진공압 형성에 따라 프라이밍 탱크(130)로 상승하여 프라이밍 탱크(130)를 채워지는지 여부를 판단한 상태에서,
프라이밍 탱크(130)와 순환펌프(110) 사이에 형성된 서플라이 파이프(120)에 형성된 유량센서(181b)로부터 수신된 유량 정보가 미리 유량 정보가 미리 설정된 유량치에 미치지 못하는지 여부를 확인한 뒤, 미리 설정된 유량치에 미치지 못하는 경우 순환펌프(110)에 대한 온(ON) 제어를 통해 서플라이 파이프(120)를 통해 프라이밍 탱크(130) 내부에 포함된 지하수에 대해서 배기 모드를 통해 최종적으로 리턴 파이프(160)를 통해 지하수가 리턴 파이프(160)의 최하단의 토출공을 통해 배출되도록 제어하는 과정을 수행하며,
열교환기는, 지중에 매립된 복수 개의 파이프로 구성되며, 파이프로부터 연장된 지열관에 해당하는 서플라이 파이프(110) 및 리턴 파이프(160)이 연결된 상태에 대해서 냉각 또는 가열을 수행하며, 냉각 작동시 냉각탑(200)으로부터 보조적으로 냉각 작용을 제공받는 지열 열교환기(500)로 형성되는 것을 특징으로 하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템.
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- 청구항 1에 있어서, 제어부(180)는,
열교환 효율을 분석시 히트 펌프(200)에 대한 온(on), 제 1 순환펌프(CP1)(1100) 및 제 2 순환펌프(CP2)(1200)에 대한 온(on), 제 3 순환펌프(CP3)(1300)에 대한 오프(off)로 제어를 수행한 뒤, "T1 - T2의 절대값 ≥ 미리 설정된 제 1 설계값"인지 여부를 분석하되, T1를 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)(1100)를 거쳐 제 1 조절밸브(CV1)(2100)로 향하는 관로 지점의 온도로 설정하며, T2를 히트 펌프(200)에서 제공된 열원이 지중 열교환기(500)에서 열교환을 거쳐서 회귀하는 관로 지점의 온도로 설정하는 것을 특징으로 하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템.
- 청구항 4에 있어서, 제어부(180)는,
분석 결과 "T1 - T2의 절대값 < 미리 설정된 제 1 설계값"인 경우, 지중 열교환기(500)를 통한 열교환 효율 부족에 해당하는 시스템 지중 열원 부족으로 분석하고, 제 1 조절밸브(CV1)(2100)를 all open 상태로 제어하며, 냉각탑(cooling tower)을 온(on) 상태로 제어하여, 히트 펌프(200)에서 제 1 순환펌프(CP1)를 통해 제공된 열원이 지중 열교환기(500) 뿐만 아니라, 냉각탑(200)을 거쳐 히트 펌프(200)로 회귀하도록 하는 것을 특징으로 하는 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200016050A KR102149119B1 (ko) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020200016050A KR102149119B1 (ko) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102149119B1 true KR102149119B1 (ko) | 2020-08-27 |
Family
ID=72237540
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| KR1020200016050A KR102149119B1 (ko) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 지상식 펌프 기반의 개방형 지열 냉난방 시스템 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR102149119B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113340010A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-09-03 | 合肥工业大学 | 一种真空与压力复合型地下水源热泵回灌装置 |
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2020
- 2020-02-11 KR KR1020200016050A patent/KR102149119B1/ko active IP Right Grant
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