KR102296663B1 - 지열을 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉방 또는 난방, 그리고 온수 이용시 발생되는 에너지를 필요로 하는 수요처 공급하도록 함으로써, 열원의 공급이 최적화됨은 물론 지중에 버려지는 폐열을 회수하여 열원보상 운전으로 전환시킴으로 냉난방 시스템의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 에너지 절감을 도모할 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로,
특히, 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 지중 열교환기로 구비되되,
상기 지중 열교환기와 연동되어 냉방, 난방 및 온수 가동시 발생되는 폐열을 회수하여 다른 수요처로 공급하는 폐열회수공급수단을 포함하되,
상기 폐열회수공급수단은 지중 열교환기로 설치되는 제1 및 제2밸브와,
상기 제1밸브와 연동되는 회수관 및 상기 제2밸브와 연동되는 배출관과,
상기 제1 및 제 2밸브와 연동되며, 제1밸브로 부터 회수되는 폐열을 열교환하여 다른 수요처로 공급하는 폐열공급부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 냉난방 시스템{Cooling and heating system using geothermal energy}
본 발명은 냉/난방 및 온수 이용시 발생되는 냉.온기를 필요한 실내로 공급하여 에너지를 절감시킬 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 화석 연료의 과다 사용으로 야기된 에너지 고갈 및 환경 문제가 세계적인 당면 과제로 대두됨에 따라 그 해결 방안으로 신재생 에너지의 사용 비중을 높이기 위한 노력이 계속되고 있다.
이러한 신재생 에너지 중 지열을 이용한 냉난방 시스템이 상당한 비중을 차지하고 있고 점점 그 보급이 확대되고 있는 실정이다.
상기 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지하에 저장되어 있는 열원을 이용하는 것으로, 친환경성, 경제성, 편리성 등이 뛰어난 장점이 있다.
이러한 지열 냉난방 시스템은 물, 지하수 및 지하 열 등의 온도차를 이용하여 냉난방에 활용하는 기술이다.
일반적으로 지열은 천부지열과 심부지열로 나눠지며, 지열 냉난방 시스템에서는 천부지열을 이용한다.
천부지열 이용시 지중온도는 지역마다 차이를 보이지만 대략 10도~20도 정도로 유지가 되어 열펌프를 이용하여 가정 또는 주택 등의 냉난방시스템으로 이용된다.
지열 냉난방 시스템에는 냉방과 겨울에는 난방 목적으로 사용하고 있다. 겨울은 물론 여름에도 온수가 필요하고 난방이 필요할 경우가 있다. 지열 냉난방은 온수를 생산하기 위해 지열에서 중요한 히트펌프가 운전되고 응축기에서는 온수를 생산하고 증발기의 냉기는 지하로 방출하는 시스템이다.
첨부 도면 도 1a, 1b는 종래의 지열 냉난방 시스템을 설명하기 위한 것으로, 기존 시스템은 지열히트펌프의 사방밸브를 이용하여 냉방모드, 난방모드로 지열을 이용하여 운전되었다.
여름과 겨울에 필요한 냉방과 난방모드는 기존대로 사용하고 추가로 여름철에 온수를 사용할 경우에는 난방모드로 전환되어 냉동사이클이 운전되었으며, 여기에서 냉동사이클에 증발(냉기)기 역할인 지열을 이용하였다.
난방 모드에서는 차가운 냉기를 땅속에 방출하는 방식이다.
즉, 도 1a에서 보는 바와 같이, 냉방시에는 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 지중열교환기 내부를 지속적으로 흐르는 부동액과 열교환을 한다. 이 과정에서 부동액의 온도는 상승하며 증기냉매는 기상(vapor phase)에서 액상(liquid phase)으로 상태변화(응축)을 하게 된다.
응축기를 나온 고온의 액상냉매는 팽창밸브를 지나면서 저온.저압 분무액의 상태가 된다.
저온.저압 분무액 상태의 액상냉매는 증발기로 들어가 실내공기와 열교환을 한다.
이 열교환 과정에서 액상냉매는 증발기로 유입되는 실내공기를 차갑게 만들면서 증기로 상변화(증발)를 하게 된다. 증발기를 나온 저온.저압 가스는 4방밸브를 지나 압축기로 들어가 압축과정을 겪으면서 다시 고온.고압의 증기냉매가 된다. 저온.저압의 기체상태의 냉매는 압축기에 의해 고온(100℃), 고압의 기체상태로 나와 응축기로 들어간다. 응축기에서 고온.고압의 증기냉매는 상대적으로 온도가 크게 낮은 지중열 교환기 내부를 순환하는 유체와 열교환을 한다. 이 과정에서 열교환전 15~20℃의 순환수는 열교환 후 20~25℃로 상승시키면서 증기냉매는 중온.고압의 액체상태로 상태변화(응축)하게 된다.
그리고 도 1b는 지열 시스템의 난방 사이클을 개략적으로 도시한 것이다. 압축기를 나온 고온.고압의 증기냉매는 4방밸브를 거쳐 응축기로 들어간다. 응축기에서 고온의 증기냉매는 상대적으로 온도가 낮은 실내순환공기(물대 공기 방식) 또는 건물 순환수(물 대 물 방식)와 열을 교환한다.
이 과정에서 냉매 상태는 기체에서 액상으로 변하며, 실내 순환 공기온도는 상승한다. 응축기를 나온 액상냉매는 팽창밸브를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 저온의 분무상태로 증발기로 들어간다. 증발기로 유입된 액상 냉매는 지중열교환기의 순환수로부터 상대적으로 높은 열을 받아 다시 증발하여 저온,저압의 기체상태의 냉매로 변환되어, 4방밸브를 지나 압축기로 들어간다.
이때 지중열교환기 순환수의 증발기 입구온도는 대략 10℃이며, 냉매를 증발시키는 과정에서 지중열 교환기 순환수의 온도는 약 5~6℃정도 감소한다.
특허문헌1 : 대한민국 등록특허 제10-1314032호(2013. 09. 25 등록) 특허문헌2 : 대한민국 등록특허 제10-1830675호(2018. 02. 13 등록)
본 발명은 종래의 지열을 이용한 냉난방 시스템으로 부터 야기되는 문제점을 해결하기 위한 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다.
본 발명은 냉방시 발생되는 열기를 난방을 필요로 하는 다른 수요처로 공급하고, 난방시 방생되는 냉기를 필요로 하는 다른 수요처로의 공급이 가능하도록 하여 에너지를 절감하는데 목적이 있다.
또한, 지중에 버려지는 폐열을 회수하여 열원보상 운전으로 전환시킴으로 냉난방 시스템의 성능을 향상시킬 수있을 뿐만 아니라, 이로 인해 에너지 절감을 도모하도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 지중 열교환기를 구비한 냉,난방 시스템에 있어서,
상기 지중 열교환기와 연동되어 냉방, 난방 및 온수 가동시 발생되는 폐열을 회수하여 다른 수요처로 공급하는 폐열회수공급수단이 구비되되, 지중 열교환기의 유출로와 연동설치되는 제1밸브 및 유입로와 연동설치되는 제2밸브와,
상기 제1밸브와 연동되는 회수관 및 상기 제2밸브와 연동되는 배출관과,
상기 제1 및 제 2밸브와 연동되며, 제1밸브로 부터 회수되는 폐열을 열교환하여 다른 수요처로 공급하는 폐열공급부를 포함하는 것에 특징이 있다.
상기 폐열공급부는 회수관을 통해 유입되는 회수 폐열을 집진 교환하는 교환기와, 외부의 공기를 흡입하는 흡입팬과, 교환된 열을 수요처로 배출하는 배기팬으로 이루어지는 것에 특징이 있다.
상기 배기팬의 전방에는 배출되는 열원을 정화시키기 위하여 탈부착 가능하게 정화필터가 구비되되, 상기 정화필터는 숯, 바이오세라믹볼로 구비된 것에 특징이 있다.
본 발명은 지중 열교환기는 지면에 매설되는 집열관을 포함하되, 상기 집열관은 폐열을 지면으로 배출하는 유출로와, 지중 열을 유입하는 유입로가 일체로 형성되며, 상기 유출로 및 유입로를 보호하는 보호관이 외부를 감싸도록 이루어지고, 상기 보호관의 외주연에는 지면의 열을 집열하기 위한 집열판이 구비된 것에 특징이 있다.
상기 집열판은 보호관의 외주연으로 구비되되, 지면에서 발생되는 외력에 의한 진동을 흡수하기 위하여 탄성력을 갖도록 둘레로 절개부가 형성된 것에 특징이 있다.
상기 보호관의 내부에는 유출로 및 유입로를 지지하기 위한 지지부재가 구비되되, 상기 지지부재는 유출로 및 유입로를 외주연으로 밀착 지지되도록 홈을 갖는 지지돌부에 의하여 지지되는 것에 특징이 있다.
서술된 바와 같이, 본 발명에 의하면 냉방 또는 난방, 그리고 온수 이용시 발생되는 에너지를 필요로 하는 수요처 공급하도록 함으로써, 열원의 공급이 최적화됨은 물론 지중에 버려지는 폐열을 회수하여 열원보상 운전으로 전환시킴으로 냉난방 시스템의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 에너지 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1a, 도 1b는 종래의 지열을 이용한 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 폐열회수공급수단을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 폐열회수공급수단의 내부 구조를 설명하기 위한 도면.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 지중 열교환기를 설명하기 위한 도면.
이하에서, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이 용어들은 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
(실시예)
첨부 도면 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템은 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 지중 열교환기(200)를 구비하되, 상기 지중 열교환기와 연동되어 냉방, 난방 및 온수 가동시 발생되는 폐열을 회수하여 다른 수요처로 공급하는 폐열회수공급수단(A)이 구비된다.
상기 폐열회수공급수단(A)은 지중 열교환기(200)와 연동설치되되, 지중 열교환기의 유출로(210a)와 연동 설치되는 제1밸브(101) 및 유입로(210b)와 연동설치되는 제2밸브(102)와, 상기 제1밸브와 연동되는 회수관(101a) 및 상기 제2밸브와 연동되는 배출관(102a)과, 상기 제1 및 제 2밸브와 연동되며, 제1밸브로 부터 회수되는 폐열을 열교환하여 다른 수요처로 공급하는 폐열공급부로 이루어진다.(도 3참조)
즉, 상기 제1밸브 및 제2밸브는 지중 열교환기(200)의 유출로(210a) 및 유입로(210b)에 각각 구비되며, 상기 제1밸브와 열교환기(110)는 회수관(101a)이 연결되어 폐열을 공급하도록 이루어진다.
그리고 상기 제2밸브와 열교환기(110)는 배출관(102a)이 연결되어 폐열을 배출하도록 이루어진다.
상기 폐열공급부는 회수관(101a)을 통해 유입되는 회수 폐열을 집진 교환하는 열교환기(110)와, 외부의 공기를 흡입하는 흡입팬(120)과, 교환된 열을 수요처로 배출하는 배기팬(130)으로 이루어진다.(도 4참조)
공급된 폐열은 흡입팬(120)에 의해 유입되는 외부의 공기와 혼합되어 배출팬(130)의 구동에 의해 배출관(150)으로 배출되되, 전방에 구비된 정화필터(140)에 의하여 정화되어 쾌적환 열원을 공급하도록 이루어진다.
그리고 상기 배출관(150)은 배출되는 부분이 협소하게 이루어지며, 내측 원주 방향으로 유도 돌기(151)가 형성되어 효율적인 열원 공급이 이루어진다.
한편, 지중 열교환기(200)는 지면에 매설되는 집열관(210)을 포함하되, 상기 집열관은 폐열을 지면으로 배출하는 유출로(210a)와, 지중 열을 유입하는 유입로(210b)가 일체로 형성되며, 상기 유출로 및 유입로를 보호하는 보호관(211)이 외부를 감싸도록 이루어지고, 상기 보호관의 외주연에는 지면의 열을 집열하기 위한 집열판(220)이 구비된다.
상기 집열판(220)은 보호관의 외주연으로 구비되되, 지면에서 발생되는 외력에 의한 진동을 흡수하기 위하여 탄성력을 갖도록 둘레로 절개부(221)가 형성된다.(도 5참조)
또한, 상기 보호관(211)은 지면으로 부터 상승되는 열원의 효율적 집진을 위하여 하단으로 확장된 경사형태로 이루어진다.
상기 보호관(211)의 내부에는 유출로 및 유입로를 지지하기 위한 지지부재(230)가 구비된다. 상기 지지부재는 유출로 및 유입로의 외주연으로 밀착 지지되도록 홈(231a)을 갖는 지지돌부(231)가 구비된다.
즉, 상기 지지부재(230)는 길이방향으로 등간격 배치되어 유출로 및 유입로를 지지하되, 외주연은 보호관의 내측으로 확장 밀착되며, 내측은 유출로와 유입로의 좌우, 전후 부분을 밀착지지 하도록 이루어진다.
한편, 상기 배기팬의 전방에는 배출되는 열원을 정화시키기 위하여 탈부착 가능하게 정화필터가 구비되되, 상기 정화필터는 숯, 바이오세라믹볼로 구비된다.
상기 숯의 효능은, 주위의 습도를 줄여주며, 너무 건조하면 수분을 방출해줌으로써 습도조절이 자연스럽게 해주고, 고운에서 구워진 숯은 수분을 거의 함유하고 있지 않아서 구멍이 많은 숯의 구조가 습도조절이 좋은 효과가 있으며, 건조한 스폰지가 물을 깨긋이 흡착하듯이 주위의 습도를 줄여주는 습도조절 효능이 있다.
또한, 숯은 정화효과가 뛰어나서 악취등의 정화시키는 효능을 가지고 있으며, 유해 바이러스균을 소멸시키는 향균과 해독 효능이 있고, 음이온 효능 및 우수한 흡착력과 도전성, 축전성을 지니고 있어 전자파를 차단하는 효능 및 부패균 발생을 억제하여 냄새의 근원을 없애주고, 악취를 흡착하는 효능을 가지고 있다.
그리고 상기 바이오세라믹재는 음이온 및 원적외선을 방출하는 원료로 제조하며, 일정크기로 분쇄한 음이온 및 원적외선을 방출하는 귀양석 분말가루에 광물질인 탈취석(mordenite)과, 음이온석(monazite)과, 탄산칼슘(CaCo3)과, 일라이트(illite)
를 각각 1:1 비율로 썩은 후 실내공기중의 물분자를 흡입하고 방출하는 실리카겔과, 공기 중의 세균 또는 유기물을 분해하는 광촉매와 캡슐내에 담겨져 항균 및 항곰팡이가 가능한 편백정유가 각각 귀양석의 10%이내가 되는 분말가루를 섞어 고열로 제조된다.
상기와 같이 제조된 바이오세라믹재는 신발의 세균억제 및 세균 소멸, 살균, 탈취 작용을 행한다.
이하, 상기의 구성에 따른 본 발명의 지열을 이용한 냉난방 시스템의 작용을 설명한다.
먼저, 본 발명의 냉난방 시스템은 사용모드에 의해 발생되는 폐열을 지면으로의 배출이 가능하고, 배출하지 않고 회수하여 필요로 하는 수요처로 공급할 수 있도록 이루어진다.
발생된 폐열을 미사용시에는 제1밸브(101) 및 제2밸브(102)는 폐열 회수공급수단(A)을 차단하고 지면으로 배출되도록 개방하는 것이 바람직하다.
발생된 폐열을 다른 수요처에서 사용시에는 제1밸브(101)는 지중 열교환기(200)를 차단하고 폐열 회수공급수단(100)을 오픈하여 발생된 폐열을 공급하도록 한다.
공급된 폐열은 흡입팬(120)으로 유입되는 외부공기 및 열교환기(110)를 통해 교환되고 배출팬(130)의 구동에 의해 정화필터(140)를 통과하면서 정화되어 배출관(150)을 통해 수요처로 공급된다.
이때 미사용 폐열이나 열교환에 따른 발생 열은 배출관(102a)을 통해 배출되되, 이때 제2밸브(102)는 지중열 유입로를 차단시시켜 재순환 하도록 이루어진다.
그리고 지열은 유입로를 통해 집진되어 유입되되, 보호관(211)의 외주연에 구비된 집열판(220)을 통하여 더 많은 량의 지열이 집진 공급된다.
이상으로 본 발명의 특정 실시예들에 대하여 설명하였다.
그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 특별히 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해해야 할 것이다.
따라서, 전술된 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
100: 폐열공급부 101: 제1밸브
102: 제2밸브 110: 열교환기
120: 흡입팬 130: 배출팬
140: 정화필터 150: 배출관
200: 지중 열교환기 210: 집열관
210a: 유출로 210b: 유입로
211: 절개부 220: 집열판
221: 절개부 230: 지지부재
231: 지지돌부 231a: 홈
A: 폐열회수공급수단

Claims (7)

  1. 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 지중 열교환기를 포함하고, 상기 지중 열교환기와 연동되어 냉방, 난방 및 온수 가동시 발생되는 폐열을 회수 및 공급하는 폐열회수공급수단이 지중 열교환기와 연동설치되어 어루어진 냉난방 시스템에 있어서,
    상기 지중 열교환기는 유출로(210a)와 연동설치되는 제1밸브(101) 및 유입로(210b)와 연동설치되는 제2밸브(102)와,
    상기 제1밸브(101)와 연동되는 회수관(101a) 및 상기 제2밸브와 연동되는 배출관(102a)과,
    상기 제1밸브(101) 및 제2밸브(102)와 연동되며, 제1밸브(101)로 부터 회수되는 폐열을 열교환하여 다른 수요처로 공급하는 폐열공급부(100)를 포함하되,
    상기 폐열공급부(100)는 회수관(101a)을 통해 유입되는 회수 폐열을 집진 교환하는 열교환기(110)와, 외부의 공기를 흡입하는 흡입팬(120)과, 교환된 열을 수요처로 배출하는 배기팬(130)으로 이루어지며,
    상기 배기팬의 전방에는 배출되는 열원을 정화시키기 위하여 탈부착 가능하게 숯, 바이오세라믹볼을 원료로 하는 정화필터(140)가 구비되되,
    상기 바이오세라믹볼은 음이온 및 원적외선을 방출하는 원료로 제조하며, 일정크기로 분쇄한 음이온 및 원적외선을 방출하는 귀양석 분말가루에 광물질인 탈취석(mordenite)과, 음이온석(monazite)과, 탄산칼슘(CaCo3)과, 일라이트(illite)
    를 각각 1:1 비율로 썩은 후 실내공기중의 물분자를 흡입하고 방출하는 실리카겔과, 공기 중의 세균 또는 유기 물을 분해하는 광촉매와 캡슐내에 담겨져 항균 및 항곰팡이가 가능한 편백정유가 각각 귀양석의 10%이내가 되는 분말가루를 섞어 고열로 제조하여 구성되며,
    상기 정화필터를 감싸면서 교환 열원을 빠르게 배출될 수 있게 다수의 유도 돌기(151)를 갖는 배출관(150)이 조립되는 구조로 이루어지며,
    상기 지중 열교환기는 지면에 매설되는 집열관을 포함하되,
    상기 집열관(210)은 폐열을 지면으로 배출하는 유출로(210a) 및 지중 열을 유입하는 유입로(210b)가 일체로 형성되며, 상기 유출로(210a) 및 유입로(210b)를 보호하는 보호관(211)이 외부를 감싸도록 이루어지고,
    상기 보호관(211)의 외주연에는 지면의 열을 집열하기 위한 집열판(220)이 더 구비되며, 상기 집열판(220)은 지면에서 발생되는 외력에 의한 진동을 흡수하기 위하여 상부에서 하단으로 갈수로 경사로 확장형성되고, 탄성력을 갖도록 둘레로 절개부(221)를 형성하고,
    상기 보호관(211)의 내부에는 유출로(210a) 및 유입로(210b)를 지지하기 위한 지지부재(230)가 구비되되, 외주연은 보호관의 내주연과 밀착되도록 이루어지며, 내측은 유출로(210a) 및 유입로(210b)를 외주연으로 밀착 지지되도록 홈(231a)을 갖는 지지돌부(231)가 좌우 및 전후로 구비되되 완전 접촉이 아닌 일부만 접촉되어 지지하는 것을 특징으로 하는, 지열을 이용한 냉난방 시스템.
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