KR102460634B1 - 지열공 내에 환수관이 없는 개방형 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열공 내의 지하수를 이용해 열교환하는 개방형 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
상기 개방형 지열 히트펌프 시스템은, 지중에 소정 깊이로 천공되는 지열공; 상기 지열공의 상부 벽에 설치되어 공벽의 무너짐을 방지하기 위한 케이싱; 상기 케이싱의 상부에 결합되는 상부보호공; 열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 열교환기; 열매체를 통해 상기 지열공에서 흡수한 열을 상기 열교환기로 공급하기 위한 공급유로; 상기 열교환기에서 열교환된 열매체를 상기 지열공으로 공급하기 위한 회수유로; 상기 지열공 내의 열매체를 상기 공급유로로 공급하기 위한 심정펌프; 를 포함하고, 상기 회수유로의 토출구는 상기 상부보호공에 연결되어, 상기 토출구를 통해 상기 지열공 내로 열매체가 배출되고, 상기 상부보호공의 개구를 통해 열매체가 배출되는 것을 방지하도록 상기 토출구의 상단에서 상기 지열공 내로 연장되는 커버부재; 를 더 포함하고, 상기 커버부재는 상기 토출구의 상단을 덮으면서 수평으로 연장되는 수평커버와, 상기 수평커버와 부드러운 곡선으로 연결되어 수직으로 연장되는 제1 수직커버를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 회수관 대신에 회수유로와 연결되어 토출구의 상단을 덮어 지하수를 지열공 내로 유도하는 커버부재를 설치함으로써, 설치비용을 절감하면서 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

지열공 내에 환수관이 없는 개방형 지열 히트펌프 시스템 {Open-type geothermal heat pump system without return pipe in the well}

본 발명은 지열공 내의 지하수를 이용해 열교환하는 개방형 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

화석에너지에 의한 이산화탄소 배출이 지구환경 문제로 크게 부각되면서 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 그 일환으로 지중에 열교환기를 설치하고, 이 지중열교환기를 통해 열매체를 순환시킴으로써 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 얻는 지열히트펌프 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17 내지 18℃의 온도를 유지하므로, 지중의 열을 이용하여 히트펌프에서 열교환하면 온도차에 따른 열량 확보가 가능하다. 히트펌프에서 열교환되어 데워지거나 차가워진 지하수 또는 열매체는 지하로 유입되어 다시 지중과 열교환 되므로, 이러한 사이클이 지속적으로 유지될 수 있다.

지열 히트펌프 시스템에서 땅속에 위치하는 지중열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 땅속으로 천공되는 지열공 내부에 열교환용 폴리에칠렌관(PE관)을 U자형으로 설치하고 관 내부로 열매체를 순환시켜, 열매체와 지중의 열을 교환할 수 있도록 한 것이다. 밀폐형은 지하 150~200m 정도로 지열공을 설치한다.

개방형은 지열공이 일반 지하수 관정과 유사하고, 심정펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중열을 교환할 수 있도록 한 것이다. 개방형은 지하 200~400m 정도로 지열공을 설치한다.

도 1은 종래의 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.

지하를 200~400m 정도로 천공하여 관정(10)을 형성하고, 지면(1)에서부터 지중으로 케이싱(11)을 설치하고, 케이싱(11)의 상부에는 상부보호공(12)을 결합한다.

지하의 관정(10)에 위치하는 심정펌프(20)를 통해 양수되는 지하수는 급수관(21)을 통해 지열히트펌프(30)로 공급되어 열매체와 열교환되고, 열교환된 지하수는 다시 환수관(40)을 통해 지하로 공급된다.

환수관(40)은 지열히트펌프(30)에서 열교환된 지하수를 지하로 공급하기 위한 관으로, 지하까지 연장되어 관정(10)의 바닥으로 지하수를 낙하시킨다.

환수관(40)은 관정(10)의 하부까지 연장되므로, 환수관(40)을 설치하기 위한 비용이 증가되는 문제가 있다.

또한, 지열히트펌프(30)에서 열을 흡수한 지하수가 관정(10)으로 공급되는 동안 환수관(40)을 통해 열전달이 발생하여, 지중의 열을 흡수하는 과정에서 열손실이 발생되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0997184호

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 관정 내에 환수관을 설치하지 않도록 하여 공사비용을 절감하면서 열손실을 줄일 수 있는 개방형 지열 히트펌프 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템은, 지중에 소정 깊이로 천공되는 지열공; 상기 지열공의 상부 벽에 설치되어 공벽의 무너짐을 방지하기 위한 케이싱; 상기 케이싱의 상부에 결합되는 상부보호공; 열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 열교환기; 열매체를 통해 상기 지열공에서 흡수한 열을 상기 열교환기로 공급하기 위한 공급유로; 상기 열교환기에서 열교환된 열매체를 상기 지열공으로 공급하기 위한 회수유로; 상기 지열공 내의 열매체를 상기 공급유로로 공급하기 위한 심정펌프; 를 포함하고, 상기 회수유로의 토출구는 상기 상부보호공에 연결되어, 상기 토출구를 통해 상기 지열공 내로 열매체가 배출된다.

또한, 상기 상부보호공의 개구를 통해 열매체가 배출되는 것을 방지하도록 상기 토출구의 상단에서 상기 지열공 내로 연장되는 커버부재; 를 더 포함하고, 상기 커버부재는 상기 토출구의 상단을 덮으면서 수평으로 연장되는 수평커버와, 상기 수평커버와 부드러운 곡선으로 연결되어 수직으로 연장되는 제1 수직커버를 포함한다.

또한, 상기 커버부재는 상기 제1 수직커버의 하단과 연결되어 상기 케이싱의 내벽을 향해 경사지게 연장되는 경사커버와, 상기 경사커버의 하단과 연결되어 수직으로 연장되는 제2 수직커버를 더 포함한다.

또한, 수평 단면으로 볼 때, 상기 경사커버는 상기 케이싱의 내벽을 향해 볼록하게 라운드지도록 형성되고, 상기 토출구를 통해 배출되는 열매체는 상기 경사커버를 따라 흐르면서 운동에너지에 의해 상기 케이싱의 내벽에 접촉될 수 있다.

본 발명에 따르면, 회수관 대신에 회수유로와 연결되어 토출구의 상단을 덮어 지하수를 지열공 내로 유도하는 커버부재를 설치함으로써, 설치비용을 절감하면서 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에서 지열공 내부를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 5는 도 4에서 A-A' 라인을 따라 취한 개략적인 단면을 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5의 경사커버를 정면에서 본 상태를 도시하는 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.

본 실시예의 개방형 지열 히트펌프 시스템은 지열공(110), 케이싱(120), 상부보호공(130), 열교환기(140), 공급유로(150), 회수유로(160), 심정펌프(170), 공급관(171), 커버부재(180)를 포함한다.

지열공(110)은 지중에 소정 깊이, 예를 들어 200~500m 정도로 천공된다. 지열공(110) 내의 지하수에 의해 지중의 열을 흡수하게 된다.

케이싱(120)은 지열공(110)의 상부 벽에 설치되어 공벽의 무너짐을 방지한다. 케이싱(120)은 지면(1)에서부터 암반층까지 수십 m 정도로 연장된다.

상부보호공(130)은 케이싱(120)의 상부에 결합되어 케이싱(120) 및 지열공(110)을 보호하고 지하수의 넘침을 방지한다. 상부보호공(130)에는 개구(131)가 형성된다.

열교환기(140)는 열매체(또는 지하수)와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급한다. 여기서, 열매체는 지열공(110) 내의 지하수가 된다.

공급유로(150)는 열매체를 통해 지열공(110)에서 흡수한 열을 열교환기(140)로 공급한다.

회수유로(160)는 열교환기(140)에서 열교환된 열매체를 지열공(110)으로 공급한다. 회수유로(160)의 단부에는 토출구(161)가 형성되어 상부보호공(130)으로 연결된다. 열교환된 열매체는 토출구(161)를 통해 지열공(110) 내로 배출된다.

심정펌프(170)는 지열공(110) 내의 열매체를 공급유로(150)로 공급한다. 심정펌프(170)는 지열공(110) 내에서 예를 들어, 100~150m 정도로 지하수가 있는 레벨에 위치되어 지하수를 펌핑한다. 심정펌프(170)에는 공급관(171)이 연결되고, 공급관(171)은 공급유로(150)와 연결된다.

커버부재(180)는 토출구(161)의 상단에서 지열공(110) 내로 연장되어, 토출구(161)를 통해 배출되는 열매체를 지열공(110) 내로 유도하고, 상부보호공(130)의 개구(131)를 통해 열매체가 배출되는 것을 방지한다.

커버부재(180)는 토출구(161)의 상단을 덮으면서 수평으로 연장되는 수평커버(181)와, 이러한 수평커버(181)와 부드러운 곡선으로 연결되어 수직으로 연장되는 수직커버(182)로 이루어져, 대략 "ㄱ"자 형상으로 형성된다. 커버부재(180)의 길이는 수 m 정도가 될 수 있다.

종래에는 지하수를 지열공(110)으로 유도하기 위해 토출구(161)에 회수관이 연결되어 지열공(110) 내로 연장되었지만, 회수관은 지면에 인접하므로 지상으로부터 열전달이 발생하여 열교환 효율이 저하될 수 있었다.

본 실시예에서는 지하수와 접하는 커버부재(180)의 면적이 적어서 불필요한 열전달이 발생하지 않아 열교환 효율을 높일 수 있고, 설치 비용을 절감할 수 있다.

지중 열전도도를 실험한 결과, 본 실시예의 경우 지중 열전도도가 11.42 W/(mK)가 되었지만, 종래와 같이 지열공 내에 환수관을 설치한 경우 3.132 W/(mK)가 되어, 커버부재(180)를 설치한 경우 열교환 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있었다.

지중 열전도도 k = Q/(4*π*L*a)

여기서, k는 그라우트/토양의 혼합층의 유효 열전도량이고, Q는 투입열량, L은 지중열교환기의 깊이이고, a는 로그 시간에 대한 온도의 평균 기울기이다.

본 실시예의 개방형 지열 히트펌프 시스템에 따르면, 회수관 대신에 회수유로(160)와 연결되어 토출구(161)의 상단을 덮어 지하수를 지열공(110) 내로 유도하는 커버부재(180)를 설치함으로써, 설치비용을 절감하면서 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 4는 도 3에서 지열공 내부를 확대하여 도시하는 도면이다. 도 5는 도 4에서 A-A' 라인을 따라 취한 개략적인 단면을 도시하는 도면이다. 도 6은 도 5의 경사커버를 정면에서 본 상태를 도시하는 도면이다.

본 실시예의 개방형 지열 히트펌프 시스템은 지열공(110), 케이싱(120), 상부보호공(130), 열교환기(140), 공급유로(150), 회수유로(160), 심정펌프(170), 공급관(171), 커버부재(280)를 포함하고, 커버부재(280)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 2에 도시된 실시예와 동일한 구성을 갖는다.

커버부재(280)는 토출구(161)의 상단에서 지열공(110) 내로 연장되어, 토출구(161)를 통해 배출되는 열매체를 지열공(110) 내로 유도하고, 상부보호공(130)의 개구(131)를 통해 열매체가 배출되는 것을 방지한다.

커버부재(280)는 토출구(161)의 상단을 덮으면서 수평으로 연장되는 수평커버(281)와, 이러한 수평커버(281)와 부드러운 곡선으로 연결되어 수직으로 연장되는 제1 수직커버(282)와, 이러한 제1 수직커버(282)의 하단과 연결되어 케이싱(120)의 내벽을 향해 경사지게 연장되는 경사커버(283)와, 이러한 경사커버(283)의 하단과 연결되어 수직으로 연장되는 제2 수직커버(284)로 이루어진다.

수평커버(281)는 토출구(161)의 상단을 덮어 지하수가 위로 올라가는 것을 방지하고, 제1 수직커버(282)는 지하수의 흐름을 지열공(110) 내로 하부로 유도한다.

경사커버(283)는 지하수의 흐름을 케이싱(120) 쪽으로 유도하여 운동에너지에 의해 지하수가 케이싱(120)의 내벽에 접촉되면서 흐를 수 있게 한다.

케이싱(120)의 내벽은 지중의 열을 가지고 있어, 열교환기(140)에서 열교환된 지하수에 열을 공급하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 경사커버(283)의 경사도와 길이는 지하수가 충분히 많은 양으로 케이싱(120)의 내벽에 접촉할 수 있도록 설정된다. 지하수는 경사커버(283)를 지나면서 많은 양이 케이싱(120)에 접촉될 수 있지만, 일부는 케이싱(120)에 접촉없이 제2 수직커버(284)를 따라 하부로 흐를 수 있다.

도 5를 참조하면, 수평 단면으로 볼 때, 경사커버(283)는 원통형인 케이싱(120)의 내벽을 향해 볼록하게 라운드지도록 형성되어, 토출구(161)를 통해 배출되는 지하수가 경사커버(283)를 따라 흐르면서 운동에너지에 의해 케이싱(120)의 내벽에 충분히 넓은 면적으로 접촉될 수 있게 한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 경사커버(283)에는 소정의 간격으로 이격되는 다수의 돌출부(290)가 설치될 수 있다.

돌출부(290)는 경사커버(283)의 표면에서 소정 높이로 돌출되고, 외곽이 부드럽게 라운드지도록 형성된다. 돌출부(290)는 상부가 좁고 하부로 갈수록 넓어지는 형상을 가져서 지하수의 흐름을 자연스럽게 유도한다. 돌출부(290)는 상부 열 및 하부 열과 같이 복수의 열로 배치된다.

도 6에서 화살표로 도시된 바와 같이, 열매체는 돌출부(290) 사이를 지나면서 흐름이 유도되고, 상부 열의 돌출부(290) 사이사이에 하부 열의 돌출부(290)가 배치됨으로써, 상부 열을 지난 지하수가 하부 열의 돌출부(290)에 충격되면서 분산되게 하여, 더 넓은 면적으로 케이싱(120)에 접촉될 수 있게 한다.

본 실시예에 따르면, 경사커버(283) 및 돌출부(290)에 의해 지하수의 흐름을 케이싱(120) 쪽으로 유도하고 더 넓은 면적으로 케이싱(120)에 접촉될 수 있게 하여 열교환 효율을 향상시킨다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1 : 지면
110 : 관정
120 : 케이싱
130 : 상부보호공
131 : 개구
140 : 열교환기
150 : 공급유로
160 : 회수유로
161 : 토출구
170 : 심정펌프
171 : 공급관
180 : 커버부재
181 : 수평커버
182 : 수직커버
280 : 커버부재
281 : 수평커버
282 : 제1 수직커버
283 : 경사커버
284 : 제2 수직커버
290 : 돌출부

Claims (4)

1. 개방형 지열 히트펌프 시스템에 있어서,
   지중에 소정 깊이로 천공되는 지열공;
   상기 지열공의 상부 벽에 설치되어 공벽의 무너짐을 방지하기 위한 케이싱;
   상기 케이싱의 상부에 결합되는 상부보호공;
   열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 열교환기;
   열매체를 통해 상기 지열공에서 흡수한 열을 상기 열교환기로 공급하기 위한 공급유로;
   상기 열교환기에서 열교환된 열매체를 상기 지열공으로 공급하기 위한 회수유로;
   상기 지열공 내의 열매체를 상기 공급유로로 공급하기 위한 심정펌프;
   를 포함하고,
   상기 회수유로의 토출구는 상기 상부보호공에 연결되어, 상기 토출구를 통해 상기 지열공 내로 열매체가 배출되고,
   상기 상부보호공의 개구를 통해 열매체가 배출되는 것을 방지하도록 상기 토출구의 상단에서 상기 지열공 내로 연장되는 커버부재;
   를 더 포함하고,
   상기 커버부재는 상기 토출구의 상단을 덮으면서 수평으로 연장되는 수평커버와, 상기 수평커버와 부드러운 곡선으로 연결되어 수직으로 연장되는 제1 수직커버와, 상기 제1 수직커버의 하단과 연결되어 상기 케이싱의 내벽을 향해 경사지게 연장되는 경사커버와, 상기 경사커버의 하단과 연결되어 수직으로 연장되는 제2 수직커버를 포함하고,
   수평 단면으로 볼 때, 상기 경사커버는 상기 케이싱의 내벽을 향해 볼록하게 라운드지도록 형성되고,
   상기 토출구를 통해 배출되는 열매체는 상기 경사커버를 따라 흐르면서 운동에너지에 의해 상기 케이싱의 내벽에 접촉될 수 있는 개방형 지열 히트펌프 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images