KR20080093676A - 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복류수를 열원으로 증기압축식 열 펌프 냉 난방시스템에 공급 환수하는 것으로, 둔치 등 수자원이 풍부한 대수지층을 수평절개, 유공관 설치 후 적절하게 복원 복류수원 유입이 용이하게 암거를 조성, 펌프를 장치 열원을 둔치 및 공유지 혹은 도로를 따라 도수관 및 환수관을 설치 도수, 에너지를 얻은 후 환수하는 방법으로, 도수열원에 다수의 공급 도관을 병설 냉 난방수요에 분기 후, 환수관로를 통하여 지중 환원하는 것으로, 동절의 난방급탕 하절의 냉방 급탕에 병용하면 높은 성적계수를 얻고 피크로드를 저감하여 공 사간에 경제성을 높일 수 있다.

지중 8M이하에서13℃이상의 복류수를 얻고 연 210일(난방4개월 냉방3개월)최대 100%, 평균 65%를 사용하면 지름 1m의 도관이 연간 얻을 수 있는 에너지량은 도관 유수량 최대를 11,300M3/hr, 평균 7,340M3/hr x (210 x 24) = 54,600,000M3/년 1 M3 에서 7,000kcal의 에너지를 얻으면 5천1백5십3만 liter/년의 석유나 4천4십오만M3의 LNG를 절감하는 에너지, 170억원(LNG 면세)~310억원(보일러석유 면세)을 90억원의 압축기 및 펌프류 운전 전력만으로 복류수에서 에너지를 얻을 수 있어 도수 및 환수관로 길이가 길지 않은 지역에서부터 공급하면 매우 경제적인 상온에너지를 얻는 취득법이 될 것을 믿어 의심치 않는다.

사용 후 복류수는 열만 얻고 환원하므로 환경이 오염되지 않는다.

복류수, 무효열원, 열 펌프, 압축기, 제 1 열교환기, 제 2 열교환기, 중간열교환기, 도수관로, 환수관로,

Description

복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템{Utilize Subterranean Water Heat Pump Source}

도 1 복류수 공급도.

도 2 본 건 도수 및 환수관 매립도.

도 3 복류수열원 열 펌프계통도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

M: 중간열교환기, 1: 압축기,

2: 응축기, 3: 증발기,

4: 팽창밸브, V: 선택밸브,

P: 순환펌프, 5: 배관,

6: 급탕열교환기, 7: 연결배관,

10: 열 펌프, 100: 다공관,

102: 집수암거, 203: 온도센서,

200: 도관, 201: 분기관,

202: 제어밸브, 300: 환수관로,

301: 환수관,

본 발명은 복류수를 열원으로하는 열 펌프시스템에 관한 것으로 13℃이상 복류수를 열원으로 냉 난방 급탕을 겸하며 대단위지역 냉 난방을 위하여 복류수를 공용개발 화석에너지 사용을 줄이고 공조환경을 한 단계 발전시키며 사용 후 복류수는 열만 얻을 뿐 오염되지 않아 채취 인근에 환원하는 냉 난방 급탕 시스템이다. 본 시스템에 사용되는 열 펌프는 13~15℃ 내외 열원에서 냉 난방 급탕을 겸하는 여러 기능을 추가시킨 패키지 형 열 펌프이다.

알려진 바와 같이, 열 펌프시스템은 작동유체 상 변화를 이용, 저온에서 고온으로 열을 옮기는 장치로 기존장치는, 제 1 작동유체시스템, 제 2 작동유체시스템, 무효열원시스템, 부속장치로 구성되며, 실내유니트, 실외유니트, 순환펌프 등 여러 유니트로 설치, 방만한 설치면적을 가지며 열원으로 공기나 물을 사용한다.

공기열원의 예는 공냉식에어컨 및 공기식 열 펌프, 물 열원의 예는 냉, 온수열교환, 오폐수 열을 이용의 보일러 보조 장치, 해수이용 선박용 열 펌프 등이 있다.

물을 열원으로하기 위해서 물을 지속적으로 공급해야하나, 일정한 온도 대량의 물을 지속적으로 공급한 예가 아직 없어 소용량 지하수를 개발 이용하는 것에 그치고 있으며 집단공급은 시도되지 않고 있으며 주로 화석연료를 사용하나 연소 열의 냉 난방시스템은 환경오염을 일으키는 CO2를 발생시키는 문제점이 있으며, 가파른 연료비상승이 큰 문제이기도 하다.

상온에너지(4~60℃)를 얻기에 열 펌프시스템이 적합하지만 안정적인 열원의 공급이 문제이다. 열원은 쓰는측과 온도차이가 작은 것, 자연에 풍부하게 존재 개발 이용하기 쉬운 것, 비열높고 외부온도 변화에 영향을 받지 않는 것, 냉 온을 겸하기 좋은 유체, 공해나 부식 스케일발생이 없는 것이나, 이런 열원은 거의 없어 한두 가지 결함이 있는 것을 쓸 수밖에 없다.

공기, 지표수는 우리가사는 위도에서 온도변화가 많아 열원으로 사용할 때 경제성 없어 지하수 복류수 오폐수, 유체는 아니지만 지중복사열도 에너지로 검토할 수 있으나 지중온도가 20℃는 넘어야 경제성이 있다.

우리나라는 대개 지중 8~13m 내외에 기반암반이 그 위 퇴적층에 여러 대수층을 형성하고 투수(透水)가 비교적 양호하며 보유수온13~15℃이를 복류수라 하며 낮은 개발비로 얻을 수 있어 자원으로 아껴야할 암반수를 비싼 개발비를 투입 개발 하지 않아도 좋은 열원으로 쓸 수 있다.

또한 지중환경은 지상과 같이 요철이 많아 지중저류조가 잘 발달되어 대량의 복류수가 부존 이용할 수 있다.

지각에서 열을 얻는 것은 지각이 고체이므로 유체를 지중에 유입 지열을 얻을 수 있으나 가지는 열과 유체의 중간정도 이상을 얻을 수 없어 지중의 복류수 절반정도에 불과하다.

13℃복류수에서7~8℃를 얻기는 어렵지않아 1톤의 복류수에서 얻을 수 있는 에너지는7~8,000kcal. 보일러석유에서 얻을 수 있는 에너지는7,000kcal/liter, 복류수 1톤에서 석유 1ℓ에서 얻을 수 있는 열량을 얻을 수 있고 대량 매복되어있고 사용 후 환원하므로 고갈의 염려가 없어 개발 이용할 가치가 있다.

복류수 개발은 지중 대수층을 필요한 만큼 절개 유공관을 설치, 적절하게 복원한 후 가장 낮은 일측에 집수암거를 설치 자연순환하거나 펌프로 양수 공급하며 공급관에서 수요에 따라 분기사용 후 환수관로를 따라 환원한다.

상온 에너지를 복류수 등 공해 없는 열원에서 값싸게 얻을 수 있는 방법은 증기압축식 열 펌프로 이를 이용 화석에너지를 줄일 수 있어 연료비 절감은 물론 지구온난화 등 공해방지에도 일조한다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 3은 실시의 예이며 이를 설명하면 다음과 같다. 본 건은 열 펌프의 무효열원으로서 복류수를 사용하는 것이다.

쓰기좋은 무효열원의 조건으로는

1. 사용 측과 온도차이가 작은 것. 2. 자연에 풍부하게 존재하여 개발이용이 용이한 것. 3. 비열이 높고 외부온도 변화에 영향을 받지 않는 것. 4. 냉 .온을 겸할 수 있는 13~20℃의 유체일 것. 5. 공해 부식 스케일 발생 없는 것. 이어야하며, 제 5 항(부식 스케일 발생 없는 것)이 결격일 때는 장치의 보완으로 해결할 수 있다. 위 조건을 만족하는 열원으로서 지중에 존재하는 복류수가 가장 경제 적이어서, 복류수 열원으로 대단위 냉 난방을 유니트로 공급하는 냉 난방시스템에 제공하고자 한다.

도 1 은 본건 열 펌프시스템에 복류수를 열원으로 제공, 환수하는 것을 도시한 것으로 이 열원에서 열 펌프는 에너지를 얻어 냉 난방 급탕 공급한다.

지중의 복류수를 집수하는 다공관(100) 등을 대수층에 설치하고 낮은 측에 암거(102)를 두며, 자연적 흐름을 이용하거나, 펌프를 설치 양수 도관(200)을 통하여 공급하며, 도관(200)에서 분기관(201)을 통하여 열원을 열 펌프(10)에 공급하고, 사용 후 수원은 환수관로(300)를 따라 환수한다.

분기관(201)에는 수요에 따르는 제어 밸브(202)를 설치하며 열 펌프 환수측에 온도감지 장치(203)를 부착, 쓸데없는 유수의 낭비를 온도로 제어한다.

도 2 는 다공관(100)과 환수관(301) 설치를 도시한 것으로, 지중에 매입하며 복류수는 다공관(100)의 다공 홀을 통하여 집수되고, 환수는 환수관(301)의 다공 홀을 통하여 대수층에 환수된다.

도 3 은 상기 열 펌프(10)를 도시한 것으로, 열 펌프(10)는 압축기(1), 응축기(제 1 열교환기 2), 오리피스(4), 증발기(제 2 열교환기 3), 내부 제 1 유체 열교환기(5) 선택밸브(V1~V4), 공급관(201)을 통하여 공급되는 열원이 제 2 작동유체와 열교환하는 중간열교환기(M)를 통과하며 필요한 열을 얻거나 잃는다.

압축기(1), 응축기(2), 증발기(3), 오리피스(4) 내부열교환기는 열 펌프 제 1 작동유체 사이클이다.

응축기(2) 및 증발기(3)를 통해 열교환하는 제 2 작동유체는 각각의 출구와 입구에 취부되는 4개의 선택밸브(V1,V2,V3,V4)의 계절별 용도별 선택에 의하여 제 1 작동유체의 유, 무효열원의 사용결정에 따라 유효측은 부하에 연결하고 무효측은 동열에 설치된 두개의 선택밸브 중 출구측 선택밸브를 통하여 중간열교환기(M)로 이송, 복류수와 열교환후 입구측선택밸브를 통하여 제 1 작동유체 무효측열교환기로 유입되는 순환을 계속한다. 복류수는 무효측 제 2 작동 내부유체와 열교환, 짧은 수 ~수 십초 사이에 열 펌프가 필요로하는 에너지를 제공하거나 불필요한 에너지를 회수하여 환원한다.

부하측 선택밸브는 부하와 열교환, 무효열원과는 동일 파이프에 연결되어 있으나 선택 밸브의 개폐 방향이 달라 완전격리 된다.

계절별 운전을 설명하면,

동절에는 제 2 열교환기(3)측이 내부순환열교환기가 되므로 선택밸브(V3,V4)가 중간열교환기(M)로 열려 순환관(5c 5d)을 통하여 중간열교환기에서 복류수에서 흡열 열 펌프 저압 부 흡열을 보상하므로 고압 부가 고온을 유효측에 배열할 수 있고,

하절에는 제 1 열교환기(2)측이 내부순환열교환기가 되므로 선택밸브(V1,V2) 가 중간열교환기로 열려 순환관(5a 5b)을 통하여 중간열교환기(M)에서 복류수에 배열 열 펌프(10)의 고압 부 배열을 버리므로 저압부가 저온을 유효측에서 흡열한다.

이와 같이 하절에 고온(25~30℃) 배열이 필요하고 동절에 저온(5~7℃) 흡열이 필요하며 이 후 배열을 복류수에 수행 할 때 연중 일정한 성적계수를 얻어 복류 수는 바람직한 열원인 것이다.

강이나 하천에 물이 흐르듯 둔치 등에는 다량의 복류수가 있어 대수층을 잘 이용 이를 촉매로 태양의 복사에너지를 얻으면 상온을 얻기위하여 화석에너지를 쓰지 않아도 된다.

이를 효과적으로 얻기위해서는 복류수가 대량 매복된 저지대 둔치 또는 강 하천 지중 대수층에 유공관 설치 집수하며 암거(102)에 펌프를 설치 양수, 공용하면 복류수는 경제성있는 열원이 된다.

유수를 절감하기 위하여 분기관(201)의 제어밸브(202)는 환수측 온도감지에 의하여 필요한 만큼 열려 열원이 공급되도록 하여 열원을 절감한다.

이상 설명과 같이 본 발명 얕은 지중 오염과 관계없는 복류수를 집수하는 복류수 집수시설, 암거 및 양수펌프(인버터 가동이 바람직 함)도수관, 분기관, 유량제어장치, 수요의 열 펌프, 환수관, 이를 통한 환원과정을 가지며 13~15℃의 복류수에서 7~10℃의 열 에너지를 얻거나, 10~15℃의 불필요한 열 에너지를 버릴 때 성적계수 3.70~5.50을 얻을 수 있어 여러 사용법에서 지금의 화석 연료를 사용하는 것의 15~30%이내 연료비로 에너지비용이 절감되어 열원개발비 도수, 환수관설비비를 감안해도 경제성이 있으며 사용 후의 복류수는 다시 환원하므로 수원의 고갈 염려도 없어 복류수 공용개발 열원이용은 필요하다. 특히 상승하는 연료비의 압박에서 자유롭고 지구를 온난화시키는 CO2의 발생을 저감하며 아까운 석유자원을 낭비 하지 않는 효과를 상온을 얻는 부분에서부터 적용함은 지극히 당연하다고 본다.

Claims (6)

1. 대수 지중에 복류수를 집수하는 복류수 집수관을 설치하고, 복류수 집수관로의 낮은 지역에 암거를 설치 집수된 복류수를 열원으로 펌프 등을 이용 도수공급하며, 도수관으로부터 다수의 분기관을 수요에 분기 열원으로 열 펌프에 공급하며, 사용 후 열원을 환원하는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.
2. 제 1 항에서, 상기 분기관에는 수요에 필요한 복류수를 공급받는 자동제어 밸브를 환수관에는 배출온도를 감지하는 온도감지장치를 가지는 것을 특징으로 하는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.
3. 제 1 항에서, 복류수 집수관은 지중대수층에 다공관을 설치하고, 가장 낮은 부위에 집수암거를 설치 자동제어 펌프를 내장 도수관로로 열원을 공급하는 것을 특징으로 하는 복류수를 열원으로하는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.
4. 제 1 항에서, 복류수열원 열 펌프시스템에서 열교환 된 사용 후 복류수를 환원하는 환원관을 도수관과같이 부설하고, 환수관으로 환수되는 환수를 덜 낮은 지 중 대수층에 환원하는 다공관에 의해 환수하는 공정을 더 포함하는 복류수를 열원으로하는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.
5. 제 1 항에서, 열 펌프는 압축기, 제 1 열교환기, 오리피스, 및 제 2 열교환기를 순환하는 제 1 작동유체 사이클을 포함하며, 제 1 작동 유체는 상기 제 1 또는 제 2 열교환기 중 어느 일측에서 무효열원(복류수)과 열 교환되고, 타측에서 부하와 열 교환되며, 일측 열교환기와 무효열원 사이에 설치되어 제 1 작동 유체와 무효열원 열교환을 중개하는 제 2 작동유체를 순환시키는 중간열교환기를 포함하며 제 1 내부 열교환기를 가져 열원사용을 절감하는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.
6. 제 5 항에서, 제 2 작동유체 사이클은 순환방향역전이 가능하며 중간열교환기 및 부하는 상기 제 2 작동유체 사이클 순환방향에 따라 제 1 또는 제 2 열교환기와 각각 교대로 연결되는 복류수를 이용하는 열 펌프 냉 난방시스템.

Images