KR102660042B1

KR102660042B1 - 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템

Info

Publication number: KR102660042B1
Application number: KR1020230003710A
Authority: KR
Inventors: 조희남
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-04-23

Abstract

본 발명은 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 관한 것으로, 큰 부하(냉방 또는 급탕)를 요구하는 경우 상반되는 온도를 지중에 공급하는 다른 부하를 함께 운용하여 열매체(또는 지하수)의 열교환을 유도함으로써 열수지의 균형 유지를 통해 지중 온도를 지열 시스템의 운용을 위한 적정 온도로 유지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템은, 지열로부터 냉난방을 위한 열을 회수하는 제1지중열교환기(10)와; 지열로부터 급탕을 위한 열을 회수하는 제2지중열교환기(20)와; 상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프(30)와; 상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프(40)를 포함하고, 상기 제1,2지중열교환기는 1개의 지열공 안에 함께 설치되며, 상기 제1,2부하측 히트펌프를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 상기 지열공을 통해 지중에 순환시켜 상호 간의 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞춘다.

Description

복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템{Geothermal system including a combined heat source underground heat exchanger}

본 발명은 지열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하(냉방, 난방/급탕)를 적정 온도를 유지하면서 부하가 상대적으로 큰 냉방 운전 시에도 지중 열수지의 균형을 맞출 수 있는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

지열이란 지하수를 굴착하여 형성된 지열 굴착공 내부에서 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유 열과 지중의 열을 통칭하는 것이며, 지열 열교환 시스템은 지중에 지열공을 굴착하고 상기 지열공에 열매체를 순환시키거나 지하수를 순환시켜 지열을 지상에 설치한 히트펌프에 전달하여 상기 히트펌프를 통해 부하열(냉방, 난방, 급탕)을 생산하여 공급하는 것이며, 열매체와 지하수는 지열을 히트펌프에 공급하고 지열공으로 복귀한 후 다시 히트펌프에 공급되는 과정에서 지열을 통해 온도가 회복되어 지속적으로 사용 가능한 상태를 유지할 수 있는 것이다.

한편, 냉방부하가 난방부하보다 약 25%내외로 더 크게 존재하고 또한 건물의 급탕부하 역시 냉방부하 크기만큼 발생되어 운용중이며, 난방 시에도 일부 호실에는 냉방부하가 혼재되어 운용되는 냉난방 복합운용 건물이 다수 존재하고 있는데, 냉방부하가 상대적으로 큰 건물의 경우 지속적인 냉방부하를 지중에 가할시 지중 온도가 상승되어 이후 상대적으로 낮은 난방부하는 지중 열 균형을 깨뜨려 익년도 냉방운전시 지중온도가 높아 운전효율을 낮추는 요인으로 작용하게 된다.

즉, 냉방부하가 지속되거나 난방부하보다 크게 존재하여 결과적으로 지중 열 온도의 균형을 깨뜨려 지열시스템의 운전효율을 현저히 떨어뜨리거나 일정 기간이 지나 지중 열수지의 불균형이 심해질 경우 지열시스템의 운용자체가 불가능하게 될 수도 있는 문제점이 있다.

등록특허 제10-2346408호는 지중의 지열공과; 지중의 열을 공급 순환하는 지열 공급수단과; 상기 지열 공급수단으로부터 공급되는 열을 냉난방열로 공급하는 히트펌프와; 상기 히트펌프의 냉난방열로 냉난방하는 냉난방기와; 지열의 회복을 위한 시간을 제공하면서도 상기 히트펌프를 가동하는 냉각탑을 포함하고, 상기 냉각탑은 냉각탑 전환수단을 통해 상기 지열 공급수단의 가동을 정지한 상태에서 열을 상기 히트펌프에 공급하여 상기 히트펌프를 가동시키거나 상기 냉난방기에 공급하는 것이며, 냉각탑을 이용하여 지중 온도가 복원되는 시간을 확보하고 냉각탑을 통해 냉각된 열매체를 지중에 재주입하는 것으로 별도 시설의 운용에 따른 비용 상승, 복잡한 운전 제어 등의 문제점이 있다.

등록특허 제10-2346408호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 큰 부하(냉방 또는 급탕)를 요구하는 경우 상반되는 온도를 지중에 공급하는 다른 부하를 함께 운용하여 열매체(또는 지하수)의 열교환을 유도함으로써 열수지의 균형 유지를 통해 지중 온도를 지열 시스템의 운용을 위한 적정 온도로 유지하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템은, 지열로부터 냉난방을 위한 열을 회수하는 제1지중열교환기와; 지열로부터 급탕을 위한 열을 회수하는 제2지중열교환기와; 상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와; 상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프를 포함하고, 상기 제1,2지중열교환기는 상기 제1,2부하측 히트펌프를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 순환시켜 상호 간의 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞추는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 밀폐형과 개방형 모두 적용 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 지열공 안에서 열교환에 의한 온도 상쇄, 지열공 외부에서 열매체의 열교환에 의한 온도 상쇄 모두가 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 의하면, 연중 냉방부하가 지중열교환기에 30% 내외로 더 크게 운용되어 지중 열수지가 맞지 않게 되어 지열 전체 시스템의 효율이 저하될 수 있으나 상반되는 온도를 생산하고 지중에 환수하는 급탕(난방)부하를 통해 온열부하 공급이 가능하여 지중 열수지의 균형을 맞출 수 있게 되고 결국 지열 운전 효율을 상승하는 효과가 있다.

그리고, 급탕부하의 지열 이용으로 건물 운용비 절감을 통해 경제성을 향상하는 효과가 있다.

또한, 제1,2지중열교환기 중 어느 하나를 누출 등으로 인하여 사용하지 못하는 경우에도 정상 운전이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예 5에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예 5에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템의 변형 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기가 다수의 지열공으로 운영되는 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기에 적용된 전환수단의 예시도.
도 9 내지 도 12는 각각 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기에 적용된 급탕수단의 예시도.
도 13은 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 열전달수단으로 버퍼믹싱탱크가 적용되는 예시도.
도 14는 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 열전달수단으로 판형 열교환기가 적용되는 예시도.
도 15는 본 발명에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템에 적용된 다수의 히트펌프가 그룹핑되어 운용되는 예시도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

<실시예 1>

본 실시예에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템은, 수직 밀폐형에 적용되는 것으로 단일의 지열공 안에 2개 이상의 지중열교환기가 설치되는 것이며, 구체적인 구성은 도 1에서 보이는 바와 같이, 단일의 지열공(1), 지열공(1) 안에 함께 설치되어 지열과 열교환하는 제1,2지중열교환기(10,20), 제1,2지중열교환기(10,20)와 각각 연결되어 제1,2지중열교환기(10,20)가 회수한 열을 이용하여 부하열(냉방, 난방/급탕)을 생산하여 제1,2부하(100,200)에 각각 열을 공급하는 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 포함하며, 제1,2지중열교환기(10,20)는 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 환수시켜 지열공(1) 내부에 충진된 충진재를 매개로 하는 상호 간의 열교환에 의한 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞춘다.

또한, 부가적으로, 제1,2지중열교환기(10,20)와 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 선택적으로 연결하는 전환수단(50)을 포함한다.

지열공(1)은 예를 들어 건축물의 저부에 시공되며 내부에 충진재가 충진되고, 그 형태는 도면에 도시된 수직형 및 도면에 도시되지 않은 수평형 모두가 가능하다.

제1,2지중열교환기(10,20)는 열매체를 통해 지열을 환수하는 제1,2환수부(11,21) 및 제1,2환수부(11,21)를 통과한 열매체를 제1,2부하측 히트펌프(30,40)에 순환시키는 제1,2공급부(12,22)를 포함하는 2관식의 구성이다.

또한, 제1,2지중열교환기(10,20)외에 2관을 추가하여 삽입 설치하여 지열공(1)내부에 모두 3개의 지중열교환기가 구성되도록 할 수 있으며 이때 제1,2환수부(11,21)와 제1,2공급부(12,22)의 트렌치 배관에서는 추가되는 지중열교환기를 제1,2환수부 중 어느 한쪽에 환수부를 연결하고 제1,2공급부(12,22)중 어느 한쪽에 공급부를 연결하도록 구성할 수도 있다.

예를 들어 6관식의 경우, 냉방 쪽에 2개(11,11-1,12,12-1), 난방(급탕)쪽에 1개(21,22)를 연결하여 운용할 수 있으며, 물론, 이에 한정되지 않고 반대 운용도 가능하다.

제1,2환수부(11,21)와 제1,2공급부(12,22)는 저부에서 U 밴드로 연결되어 단일의 경로를 제공하는 관일 수 있고, 또는 도 1의 원호에서 보이는 것처럼, 제1,2환수부(11,21)의 토출단과 제1,2공급부(12,22)의 유입단을 각각 개방한 후 내부에 공간이 있는 헤더(10-1)에 연결하여 헤더(10-1) 안에서 열매체가 섞이면서 환수와 공급되는 것도 가능하다.

제1,2부하측 히트펌프(30,40)는 제1,2지중열교환기(10,20)와 각각 연결되어 제1,2지중열교환기(10,20)를 통해 회수한 지열을 이용하여 부하열을 생산하는 것으로, 서로 반대의 기능을 하도록 가동하며, 즉, 제1부하측 히트펌프(30)가 냉방인 경우 제2부하측 히트펌프(40)는 난방 또는 급탕, 반대로 제1부하측 히트펌프(30)가 난방 또는 급탕인 경우 제2부하측 히트펌프(40)는 냉방으로 가동한다.

따라서, 제1부하측 히트펌프(30)가 냉방 가동하여 제1지중열교환기(10)를 통해 고온의 열이 지중에 전달되지만, 제2부하측 히트펌프(40)의 난방 또는 급탕 가동으로 제2지중열교환기(20)가 저온의 열을 지중에 전달하게 되므로 이들 온도의 상쇄가 가능하고 열수지의 균형을 유지한다.

제1,2부하측 히트펌프(30,40)는 제1,2부하(100,200)에 부하열을 직접 공급하는 것 및 부가 장치를 이용하여 간접 공급하는 모두 포함되는 것이며, 이에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명한다.

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<실시예 2>

본 실시예에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템은, 수직 밀폐형에 적용되는 것으로 서로 다른 지열공 안에 2개 이상의 지중열교환기가 설치되는 것이며, 도 2에서 보이는 바와 같이, 서로 거리를 두고 이격되는 제1,2지열공(1-1,1-2), 제1,2지열공(1-1,1-2) 안에 각각 설치되어 지열과 열교환하는 제1,2지중열교환기(10,20), 제1,2지중열교환기(10,20)와 각각 연결되어 제1,2지중열교환기(10,20)가 회수한 열을 이용하여 부하열(냉방, 난방/급탕)을 생산하여 제1,2부하(100,200)에 각각 열을 공급하는 제1,2부하측 히트펌프(30,40), 제1,2지열공(1-1,1-2)을 열전달 가능하게 연결하는 열전달수단을 포함하며, 제1,2지중열교환기(10,20)는 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 환수시켜 제1,2지열공(1-1,1-2) 내부에 충진된 충진재 및 열전달수단을 매개로 하는 상호 간의 열교환에 의한 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞춘다.

본 실시예도 전환수단(50)이 동일하게 적용될 수 있다.

제1,2지중열교환기(10ㅡ20)와 제1,2부하측 히트펌프(30,40) 및 제1,2부하(100,200)는 실시예 1에서 설명한 것과 동일하다.

상기 열전달수단은 예를 들어, 제1,2지열공(1-1,1-2) 사이에 길이방향의 양쪽이 각각 제1,2지열공(1-1,1-2)의 내부와 통하도록 형성되며 내부에 열전달용 충진재가 충진되는 열전달로 또는 제1,2지중열교환기(10,20)의 제1,2공급부를 따라 흐르는 열매체의 열교환을 통해 온도를 상쇄시키는 것도 가능하고 이에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명하기로 한다.

<실시예 3>

본 실시예에 의한 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템은, 수직 개방형에 적용되는 것으로 서로 다른 지열공 안에 2개 이상의 지중열교환기가 설치되는 것이며, 도 3에서 보이는 바와 같이, 서로 거리를 두고 이격되는 제1,2지열공(1-1,1-2), 제1,2지열공(1-1,1-2) 안에 각각 설치되며 제1,2지열공(1-1,1-2) 안의 지하수를 양수하고 다시 제1,2지열공(1-1,1-2) 안으로 환수시켜 지열을 회수하는 제1,2지중열교환기(10,20), 제1,2지중열교환기(10,20)와 각각 연결되어 제1,2지중열교환기(10,20)가 회수한 열을 이용하여 부하열(냉방, 난방/급탕)을 생산하여 제1,2부하(100,200)에 각각 열을 공급하는 제1,2부하측 히트펌프(30,40), 제1,2지열공(1-1,1-2)을 열전달 가능하게 연결하는 열전달수단을 포함하며, 제1,2지중열교환기(10,20)는 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 환수시켜 열전달수단을 매개로 하는 상호 간의 열교환에 의한 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞춘다.

본 실시예도 전환수단(50)이 동일하게 적용될 수 있다.

제1,2지중열교환기(10,20)는 개방형에 맞춰 제1,2지열공(1-1,1-2) 안에서 서로 단절되고 제1,2부하측 히트펌프(30,40)에서는 서로 연결된 상태로 통과하는 제1,2환수부(11,21) 및 제1,2공급부(12,22)를 포함하는 지열순환관이고, 부가적으로 제1,2지열공(1-1,1-2) 안의 지하수를 순환시키는 제1,2펌프가 포함될 수 있다.

제1,2부하측 히트펌프(30,40) 및 제1,2부하(100,200)는 실시예 1에서 설명한 것과 동일하다.

상기 열전달수단은 제1,2지열공(1-1,1-2) 사이에, 길이방향의 양쪽이 제1,2지열공(1-1,1-2)의 내부와 통하도록 형성되어 지하수가 서로 왕래하도록 하는 열전달로(61)를 포함한다.

열전달로(61) 안에는 제1,2지열공(1-1,1-2) 안의 지하수를 섞기 위한 팬 등이 추가될 수 있다.

<실시예 4>

본 실시예는 실시예 3의 변형 예로서, 도 4에서 보이는 것처럼, 제1,2지열공(1-1,1-2)을 운용하면서 열전달수단으로 일측이 제1,2지열공(1-1,1-2)과 각각 연결되는 제1,2집수로(62,63), 제1,2집수로(62,63)와 연결되어 지하수를 집수하는 집수조(64), 집수조(64)에 집수된 지하수를 제1,2부하측 히트펌프(30,40)에 공급하는 공급수단(65)으로 펌프와 공급관을 포함한다.

제1,2지중열교환기(10,20)는 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 통과한 지하수를 제1,2지열공(1-1,1-2) 안에 각각 환수하는 환수관이다.

본 실시예에 따르면, 제1,2지중열교환기(10,20)는 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 지하수를 제1,2지열공(1-1,1-2) 안에 환수하며, 제1,2지열공(1-1,1-2) 안의 지하수는 제1,2집수로(62,63)를 통해 집수조(64)에 모아진 후 공급수단(65)을 통해 제1,2부하측 히트펌프(30,40)에 공급된다.

공급수단(65)의 펌프는 지하수의 강제 펌핑으로 수류를 형성하여 제1,2지열공(1-1,1-2) 안의 지하수가 제1,2집수로(62,63)를 경유하여 집수조(64)에 집수되도록 할 수 있다.

전환수단(50)과 제1,2부하측 히트펌프(30,40) 및 제1,2부하(100,200)는 실시예 1에서 설명한 것과 동일하다.

<실시예 5>

도 5에서 보이는 것처럼, 본 실시예는 1개의 지열공(1), 지열공(1) 안에 설치되는 제1지중열교환기(10), 제1지중열교환기(10)를 통해 순환되는 지하수의 열을 회수하는 제1부하측 히트펌프(30), 제1부하측 히트펌프(30)와 연결되는 제1부하(100), 지열공(1)으로부터 떨어진 곳에서 지열을 회수하는 제2지중열교환기(20), 제2지중열교환기(20)를 통해 순환되는 지하수의 열을 회수하는 제2부하측 히트펌프(40), 제2부하측 히트펌프(40)와 연결되는 제2부하(200)를 포함한다.

제1지중열교환기(10)는 환수관과 공급관을 포함하는 지열 순환관이다.

제2지중열교환기(20)는 지열공(1) 주변에 형성되는 유공관(23) 및 유공관(23)을 통해 회수되는 지하수를 집수하는 집수조(24), 집수조(24)에 집수된 지하수를 제2부하측 히트펌프(40)에 공급하는 공급수단(25)(펌프와 공급관 포함), 제2부하측 히트펌프(40)를 통과한 지하수를 지열공(1)에 환수하는 환수관(26)을 포함한다.

유공관(23)은 지열공(1)에 연결되지 않고 근접되도록 설치되어 지열공(1) 안이 지하수 및 지열공(1) 주변의 지하수를 집수조(24)에 집수한다.

도 6은 도 5의 변형 예로서, 제1지중열교환기(10)는 지열공(1) 안에 배관되는 제1환수부(11), 지열공(1)의 주변에 지열공(1)과 연결되어 지하수를 집수하는 집수조(13), 집수조(13)에 집수된 지하수를 제1부하측 히트펌프(30)에 공급하는 공급수단(14)(펌프와 공급관)을 포함하고, 제2지중열교환기(20) 등은 도 5에서 설명한 것과 동일하다.

이하, 본 발명의 실시예들에 사용되는 부가 구성에 대해 설명하기로 한다.

1. 다수 지열공 운용.

도 7에서 보이는 것처럼, 실시예 1의 경우, 다수의 지열공(1)을 함께 운용할 수 있으며, 이 때, 다수의 지열공(1) 안에 제1,2지중열교환기(10,20)들이 설치되는데, 제1,2지중열교환기(10,20)들은 메인 환수관(11a,21a) 및 메인 공급관(12a,22a)에서 분기되는 형태로 배관된다.

2. 전환수단.

전환수단(50)은 평상시 제1,2지중열교환기(10,20)가 제1,2부하측 히트펌프(30,40)에 각각 연결되어 사용되지만, 필요 시 제1,2지중열교환기(10,20) 모두를 제1부하측 히트펌프(30)(또는 제2부하측 히트펌프(40))에 연결하는 것이다.

도 8은 전환수단(50)이 실시예 1에 적용된 예를 도시한 것이다.

예를 들어 큰 냉방 부하가 필요한 경우(하절기의 낮 시간대) 제1부하측 히트펌프(30)를 냉방으로 가동하여 제1부하(100)를 냉방기로 운전하며, 이 때, 제2부하측 히트펌프(40)와 제2부하(200)를 정지시키지만, 제2지중열교환기(20)를 냉방용으로 사용하기 위한 것, 즉 지열공(1) 안에 설치되는 제1,2지중열교환기(10,20) 모두를 냉방용으로 사용하는 것이다.

전환수단(50)은 제1,2지중열교환기(10,20)의 공급부(12,22)를 연결하는 제1전환관(51), 제1,2지중열교환기(10,20)의 제1,2환수부(11,21)를 연결하는 제2전환관(52), 제1,2전환관(51,52)을 각각 개폐하는 제1,2밸브(53,54), 제2지중열교환기(20)의 공급부(22)와 환수부(21)를 각각 개폐하는 제3,4밸브(55,56)를 포함한다.

평상 시는 제1,2밸브(53,54)가 폐쇄되고 제3,4밸브(55,56)가 개방되어 제1부하측 히트펌프(30)가 냉방으로 사용될 때, 제2부하측 히트펌프(40)는 급탕(또는 난방)으로 사용된다.

한편, 제1부하(100)만 냉방 운전이 필요한 경우 전환수단(50)의 제3,4밸브(55,56)가 폐쇄되는 한편 제1,2밸브(53,54)가 개방되고, 제1부하측 히트펌프(30)가 가동하여 제2지중열교환기(20)의 제2공급부(22)를 통해 흐르는 열매체는 제1전환관(51)을 통해 제1지중열교환기(10)의 제1공급부(12)에 합류되어 제1부하측 히트펌프(30)에 공급되고, 제1부하측 히트펌프(30)를 통과한 열매체는 제1환수부(11)를 따라 지열공(1)에 환수되다가 일부가 제2전환관(52)으로 분기되어 환수된다.

전환수단(50)은 도 8로 한정되는 것은 아니며, 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 각각의 용도로 가동하다가 어느 하나만 단독으로 사용되는 모든 전환 방식을 포함하는 것이다.

3.급탕.

제2부하측 히트펌프(40)가 정상 가동하더라도 급탕을 위한 적정 온도를 생산하지 못하는 경우를 위하여 도 9와 같이, 급탕 가열기(41)와 1차 서비스 탱크(42)를 포함한다.

급탕 가열기(41)는 가스나 전기나 스팀 보일러 등의 가열원을 통해 열매체를 가열하여 1차 서비스 탱크(42)에 공급한다.

1차 서비스 탱크(42)는 내부에 제2부하측 히트펌프(40)의 열매체가 유입 및 배출되고 2차 급탕 가열기(41)의 열매체관이 배관되는 구성으로 상기 열매체들의 열교환을 통해 제2부하측 히트펌프(40)의 열매체를 승온시키며, 이 열로 외부로부터 유입된 후 순환하는 급탕수를 가열함으로써 적정 온도의 급탕수를 생산한다.

도 10은 다른 예로서, 급탕 가열기(41), 제2부하측 히트펌프(40)의 열매체와 시수가 열교환되는 1차 서비스 탱크(42), 급탕 가열기(41)에 의해 가열된 열을 공급받아 1차 서비스 탱크(42)에서 1차로 열교환된 시수를 가열하는 2차 서비스 탱크(43)를 포함하고, 2차 서비스 탱크(43)는 2차 가열된 시수를 직수로 공급하는 직접식, 급탕수를 가열하는 간접식 모두 가능하다.

도 11은 도 10의 구성에서 1차 서비스 탱크(42)(중온수)와 2차 서비스 탱크(43)(고온수) 각각이 온수 순환펌프(42-1,43-1)를 통해 급탕수를 공급하는 예를 도시한 것이다.

도 12는 제1부하측 히트펌프(40)가 생산한 열이 급탕수의 적정 온도를 만족하여 1차 서비스 탱크(42)와 온수 순환펌프(42-1)만 사용하여 급탕수를 공급하는 예를 도시한 것이다.

제2부하측 히트펌프(40)를 이용한 급탕 시 열원을 제공하는 제2지중열교환기(20)는 전술한 모든 실시예의 제2지중열교환기(20)가 동일하게 적용 가능하다.

한편, 1차 서비스 탱크(42) 안에 별도의 가열원(전열선, 스팀열 공급관 등)을 설치하여 제2부하측 히트펌프(40)에 의해 가열된 1차 서비스 탱크(42)의 급탕수를 필요 시 상기 가열원으로 가열하여 고온의 급탕수로 공급하는 것도 가능하다.

4. 제1,2지중열교환기의 열전달수단.

도 13에서 보이는 것처럼, 제1,2지중열교환기(10,20)에서 제1,2부하측 히트펌프(30,40)를 순환하는 열매체의 열전달을 위한 열전달수단이 가능하고, 상기 열전달수단은 제1,2지중열교환기(10,20)의 공급부(12,22)를 흐르는 열매체의 열교환이 가능하도록 구성되는 버퍼믹싱탱크(66)이다.

예를 들어, 제2지중열교환기(20)의 공급부(22)에서는 바이패스관(67)이 분기되어 버퍼믹싱탱크(66)의 내부에 배관된 후 환수부(21) 또는 제2부하측 히트펌프(40)에 연결된다.

버퍼믹싱탱크(66)는 제1지중열교환기(10)의 공급부(12)의 경로 중에 배치되어 일측에는 공급부(12)가, 반대쪽에는 제2부하측 히트펌프(40)에 연결됨으로써 제1지중열교환기(10)의 열매체가 유입되어 상기의 바이패스관(67)을 흐르는 제2지중열교환기(20)의 열매체와 열교환한 후 제1부하측 히트펌프(30)에 공급된다.

이 때, 버퍼믹싱탱크(66)의 사용과 미사용을 선택할 수 있도록 바이패스관(67)과 제2지중열교환기(20)의 공급부(22)는 서로 반대로 개폐되는 밸브(67-1,22-2)가 포함된다.

밸브(67-1,22-1)의 개폐는 제1,2지중열교환기(10,20)의 제1,2열매체의 온도를 근거로 하여 제어되며, 예를 들어 온도센서로 각각 제1,2열매체의 온도를 측정하고, 이들 온도의 차이를 연산하여 그 연산 값이 기준 범위를 벗어나는 경우 바이패스관(67-1)을 개방하여 제1,2열매체가 버퍼믹싱탱크(66)에서 열교환되도록 하고, 그 연산 값이 기준 범위를 만족하는 경우 바이패스관(67)을 폐쇄하고 제2공급부(22)를 개방한다.

전술한 열전달수단의 구성은 전술한 실시예들 모두 적용 가능하다.

도 14는 버퍼믹싱탱크(66)를 대신하여 2개의 유로를 갖는 판형 열교환기(66-1)를 적용한 예를 도시한 것이다.

판형 열교환기(66-1)는 제1,2지중열교환기(10,20)의 제1,2공급부(12,22)를 따라 흐르는 열매체의 열교환이 이루어지며, 제2지중열교환기(20)의 공급부(22)는 열매체를 제2부하측 히트펌프(40)에 공급하기 위한 제1공급부(22-3) 및 열매체를 판형 열교환기(66-1)에 공급하는 제2공급부(22-4)로 분기되며, 제1,2공급부(22-3,22-4)는 각각의 밸브를 통해 개폐가 서로 반대로 연동한다.

5. 지열공 그룹화.

일정 면적의 부지 안에서 다수의 지열공을 운용하면서 2개 그룹 이상으로 그룹화하여 각각의 그룹에 히트펌프를 독립적으로 설치하여 운용하며, 이 때, 일부의 히트펌프를 냉방 나머지의 히트펌프를 급탕(또는 난방)으로 운전하여 부지 전체에서 열수지 균형을 맞출 수 있다. 즉, 동일 그룹의 히트펌프에 속한 지열공의 지중열교환기는 동일한 기능을 하지만 다른 글부의 히트펌프에 속한 지열공의 지중열교환기와는 상반되는 온도의 기능을 하기 때문에 전체 부지의 열수지 균형을 맞출 수 있는 것이다.

1,1-1,1-2 : 지열공,
10,20 : 제1,2지중열교환기, 10-1 : 헤더
11,21 : 제1,2환수부, 12,22 : 제1,2공급부
11-1,21-1 : 메인 환수관, 12-1,22-1 : 메인 공급관,
13 : 집수조, 14 : 공급수단
23 : 유공관, 24 : 집수조
25 : 공급수단, 26 : 환수관
30,40 : 제1,2부하측 히트펌프,
41 : 급탕 가열기, 42 : 1차 서비스 탱크
43 : 2차 서비스 탱크,
50 : 전환수단,
51,52 : 제1,2전환관, 53,54,55,56 : 제1,2,3,4밸브
60,61 : 열전달로, 62,63 : 제1,2집수로
64 : 집수조, 65 : 공급수단
66 : 버퍼믹싱탱크, 67 : 바이패스관
66-1 : 판형 열교환기,
100,200 : 제1,2부하,

Claims

지열로부터 냉방 또는 난방과 급탕을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제1지중열교환기와;
지열로부터 급탕과 난방 또는 냉방을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제2지중열교환기와;
상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와;
상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프를 포함하고,
상기 제1,2지중열교환기는 각각의 지열공 안에 설치되면서 상기 제1,2부하측 히트펌프를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 순환시키며,
상기 지열공들은 상호 간의 열교환에 의한 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞출 수 있도록 열전달수단으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
삭제
지열로부터 냉방 또는 난방과 급탕을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제1지중열교환기와;
지열로부터 급탕과 난방 또는 냉방을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제2지중열교환기와;
상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와;
상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프를 포함하고,
상기 제1,2지중열교환기는 상기 제1,2부하측 히트펌프를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 순환시켜 상호 간의 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞추는 것으로,
상기 제1지중열교환기는 개방형의 지열공 안에 설치되며 상기 제1 또는 제2부하측 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공 안에 환수하는 지열 순환관이고,
나머지의 제2지중열교환기는 상기 지열공 주변에 형성되어 상기 제1지중열교환기와 열교환된 지하수를 집수하는 유공관 및 상기 유공관을 통해 회수되는 지하수를 저장하는 집수조, 상기 집수조의 지하수를 상기 제1 또는 제2부하측 히트펌프에 공급하는 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
지열로부터 냉방 또는 난방과 급탕을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제1지중열교환기와;
지열로부터 급탕과 난방 또는 냉방을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제2지중열교환기와;
상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와;
상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프를 포함하고,
상기 제1,2지중열교환기는 상기 제1,2부하측 히트펌프를 통해 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 순환시켜 상호 간의 온도 상쇄를 통해 지중 열수지의 균형을 맞추는 것으로,
상호 간에 일정 거리를 두고 이격되는 개방형의 제1,2지열공 안에 각각 설치되며 상기 제1 또는 제2부하측 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 제1,2지열공 안에 환수하는 제1,2지열 순환관, 상기 제1,2지열공들을 연결하여 지하수의 흐름을 통해 상호 간에 열교환이 이루어지도록 하는 열전달수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 열전달수단은, 상기 제1,2지열공을 연결하여 지하수가 서로 왕래하도록 하는 열전달로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 열전달수단은 상기 제1지중열교환기와 제2지중열교환기의 제1,2공급부를 흐르는 열매체의 열교환을 유도하는 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기, 상기 제2지중열교환기의 열매체를 제2공급부를 통해 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기에 공급 및 상기 제2지열공으로 환수시키는 바이패스관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
지열로부터 냉방 또는 난방과 급탕을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제1지중열교환기와;
지열로부터 급탕과 난방 또는 냉방을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제2지중열교환기와;
상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와;
상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프와;
상기 제1지중열교환기와 제2지중열교환기의 제1,2공급부를 흐르는 열매체의 열교환을 유도하는 열전달수단을 포함하고,
상기 열전달수단은 상기 제1지중열교환기와 제2지중열교환기의 제1,2공급부를 흐르는 열매체의 열교환을 유도하는 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기, 상기 제2지중열교환기의 열매체를 제2공급부를 통해 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기에 공급 및 환수부 또는 상기 제2부하측 히트펌프에 환수하는 바이패스관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
다수의 지열공에 설치되며 지열로부터 냉방 또는 난방과 급탕을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제1지중열교환기와;
상기 제1지중열교환기가 설치되는 지열공과 다른 지열공에 설치되며 지열로부터 급탕과 난방 또는 냉방을 위한 열을 회수하는 1개 이상의 제2지중열교환기와;
상기 제1지중 열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제1부하측 히트펌프와;
상기 제2지중열교환기가 회수한 열로부터 부하측 열을 생산하는 제2부하측 히트펌프를 포함하고,
상기 제1,2부하측 히트펌프는 다수개가 그룹화되어 각각의 그룹별 히트펌프가 서로 상반되는 저온과 고온의 열원을 지중에 순환시켜 상호 간의 온도 상쇄를 통해 부지 전체에 대해 지중 열수지의 균형을 맞추는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 제1지중열교환기와 제2지중열교환기의 제1,2공급부를 흐르는 열매체의 열교환을 유도하는 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기, 상기 제2지중열교환기의 열매체를 제2공급부를 통해 버퍼믹싱탱크 또는 판형 열교환기에 공급 및 환수부 또는 상기 제2부하측 히트펌프에 환수하는 바이패스관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 1 또는 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제1,2지중열교환기와 제1,2부하측 히트펌프를 선택적으로 연결하여 필요 시 상기 제1,2지중열교환기를 상기 제1,2부하측 히트펌프 중에서 어느 하나의 부하측 히트펌프에 연결하는 전환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 1 또는 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제2부하측 히트펌프는 급탕용으로 초기 운전되며,
상기 제2부하측 히트펌프의 열을 공급받아 급탕수를 생산하는 1차 서비스 탱크를 포함하되 시수가 직접 가열되어 사용처에 공급되도록 한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 제2부하측 히트펌프의 열을 공급받아 급탕수를 생산하는 1차 서비스 탱크에 가열원을 통해 상기 1차 서비스 탱크에서 공급하는 열보다 높은 온도의 열을 생산하는 급탕 가열기 및 상기 급탕 가열기를 통해 가열된 열매체를 통해 상기 1차 서비스 탱크에서 공급되는 급탕수의 온도를 승온시키는 2차 서비스 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 제1,2지중열교환기는 각각 열매체를 상기 지열공 안에 환수하는 환수관 및 상기 환수관의 저부와 연결되며 상기 환수관을 따라 흐르는 열매체를 상기 제1,2부하측 히트펌프에 공급하는 공급관의 2관식으로 구성되어 1개의 지열공 안에 총 4개가 설치되는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 1차 서비스 탱크에 가열원을 추가로 설치하여 필요 시 상기 가열원을 통해 상기 1차 서비스 탱크 안의 급탕수의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 복합열원 지중열교환기를 구성한 지열 시스템.