KR20090105213A - 급탕전용 지열 복합시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하 깊은 곳으로부터 지열을 회수하여 이 지열을 통해 급탕탱크 내부의 급탕수를 가열해주며, 보조 보일러를 설치하여 급탕 사용량이 많게 되면 보조 보일러를 가동시켜 급탕열원을 공급하게 됨으로 연료 소모량을 최소화하여 에너지를 절감할 수 있도록 한 급탕전용 지열 복합시스템에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 전원을 공급받아 냉매를 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(1)와, 지중열이송관(21)을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기(2)와, 일측이 히트펌프(1)의 증발기(14)와 열교환하도록 히트펌프(1)에 연결된 냉수관(31)의 타측과 지중열이송관(21)을 열교환시켜 지중열이송관(21) 내부의 물로부터 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기(3)와, 하부 일측에는 새로운 물이 공급되는 급수구(41)가 설치되고 상단부에는 급수구(41)를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관(42)이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크(4)와, 일단부는 급탕탱크(4)의 하부에 연결되고 타단부는 급탕탱크(4)의 하부에 연결되며 급탕탱크(4) 연결부위 반대측은 히트펌프(1)의 응축기(12)와 열교환하도록 히트펌프(1)에 연결되어 응축기(12)로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관(5)으로 형성되어진다.

또한, 상기 급탕가열관(5)에 보조 보일러(6)가 급탕열원을 열교환시켜 급탕탱크(4)로 순환시킬 수 있도록 열순환관(61)으로 연결 설치되어짐을 특징으로 한다.

히트펌프, 지중열교환기, 급탕탱크, 보조 보일러, 급탕가열관

Description

급탕전용 지열 복합시스템{The hot water exclusive use terrestrial heat complex system}

본 발명은 보조 보일러가 설치되어지는 급탕전용 지열 복합시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하 깊은 곳으로부터 지열을 회수하여 이 지열을 통해 급탕탱크 내부의 급탕수를 가열해주며, 보조 보일러를 설치하여 급탕 사용량이 많게 되면 보조 보일러를 가동시켜 급탕열원을 공급하게 됨으로 연료 소모량을 최소화하여 에너지를 절감할 수 있도록 한 급탕전용 지열 복합시스템에 관한 것이다.

주지하다시피, 아파트와 같은 공동주택에는 큰 크기의 중온수보일러를 통해 물을 가열하여 이를 각 세대별로 공급해주는 중앙난방 시스템과, 각 세대별로 각각 개별보일러가 설치되어 이를 통해 각 세대별로 개별적인 난방을 하는 개별난방 시스템의 2가지 방식 중 어느 하나의 방식이 적용되어 난방 및 급탕기능을 수행하고 있는 실정이다.

이 중 중앙난방 시스템은 모든 세대별로 동일한 온도를 갖는 물을 공급해주게 됨으로 관리가 용이한 이점은 있으나, 사람마다 취향이 다르고 자신이 원하는 시간에 난방을 할 수 있는 단점이 있어 개별난방 시스템을 더 선호하는 경향이 있 다.

그러나, 이러한 개별난방 시스템의 경우 급탕만 필요하고 난방은 필요없는 하절기와 같은 계절에도 급탕을 구현하기 위해서는 개별보일러를 가동해야만 함으로 연료 소모가 많은 단점이 있다.

이러한 단점을 감안하여 종래의 개별난방 통합시스템은 본 출원인이 선출원한 특허등록 제778686호의 "지열회수를 통한 급탕수 공급 시스템"으로 출원한 바 있으며, 이의 시스템은 지중으로부터 지열을 회수하여 이를 히트펌프의 증발기측 냉매관과 열교환기에서 열교환하도록 하고, 급탕수가 채워지는 급탕탱크와 히트펌프의 응축기 및 급탕탱크 순으로 급탕수가 순환되도록 급탕가열관을 연결하여 급탕탱크 내부의 물을 히트펌프의 응축기로부터 발생되는 열에 의해 가열해주도록 하며, 급탕탱크와 연결된 급탕공급관은 각 세대별 개별보일러의 급탕용 급수측에 연결하면서 급탕공급관으로부터 분지된 분지관은 개별보일러로부터 인출된 급탕관에 연결하며, 급탕공급관, 분지관, 급탕관에는 각각 단속밸브를 구비함으로써 기본적으로 개별보일러를 사용하면서 계절에 맞게 단속밸브를 개폐하여 급탕탱크에서 예열된 급탕수가 직접 수도밸브로 배출되게 하거나, 개별보일러로 유입되도록 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 개별난방 시스템은 동절기와 같은 고온의 급탕을 필요로 할 때에는 히트펌프의 가동시간 및 열원을 최대로 하여야 함으로 과부하가 발생되어지는 문제와 함께 급탕효율이 떨어지게 되며, 에너지가 과다하게 소요되어지는 문제가 있다.

또한, 종래에는 급탕탱크와 개별보일러간에 급탕가열관 및 급탕관, 급탕공급 관 등의 연결배관이 다수 연결되어 있으므로 설비가 복잡하고 정비 설비비용이 과다하게 소요되어지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로 히트펌프의 가동시간을 최대로 하고, 급탕 사용량이 순간적으로 많을 경우 보조 보일러가 가동되어 초대 열원 부하를 감당하도록 하여 기기의 안정을 기하게 되며, 정비 설비 비용을 최소화하여 신재생에너지로 대체할 수 있음과 함께 에너지를 절감할 수 있도록 한 급탕전용 지열 복합시스템을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 히트펌프와 급탕탱크에 연결되어지는 급탕가열관에 보조 보일러가 연결관으로 연결 설치되어지거나, 또는 보조 보일러는 1차 급탕탱크와 2차 급탕탱크 사이에 연결되어짐을 특징으로 하는 급탕전용 지열 복합시스템을 제공함에 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 지중열에 의해 급탕을 공급하게 되는 히트펌프와 함께 보조 보일러를 설치함으로 피크 타임(peak time)에 보조 보일러를 가동시켜 급탕열원을 공급하게 되어 히트펌프의 과부하를 방지할 수 있음은 물론 에너지 효율은 극대화하면서 연료 소비는 최소화하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 지열 복합시스템을 도시한 개략 구성도이다.

본 발명에 따른 급탕전용 지열 복합시스템은 전원을 공급받아 냉매를 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(1)와, 지중열이송관(21)을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기(2)와, 일측이 히트펌프(1)의 증발기(14)와 열교환하도록 히트펌프(1)에 연결된 냉수관(31)의 타측과 지중열이송관(21)을 열교환시켜 지중열이송관(21) 내부의 물로부터 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기(3)와, 하부 일측에는 새로운 물이 공급되는 급수구(41)가 설치되고 상단부에는 급수구(41)를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관(42)이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크(4)와, 일단부는 급탕탱크(4)의 하부에 연결되고 타단부는 급탕탱크(4)의 하부에 연결되며 급탕탱크(4) 연결부위 반대측은 히트펌프(1)의 응축기(12)와 열교환하도록 히트펌프(1)에 연결되어 응축기(12)로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관(5)으로 형성되어진다.

또한, 본 발명에 따른 지열 복합시스템은 첨부된 도면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 급탕가열관(5)에 보조 보일러(6)가 급탕열원을 열교환시켜 급탕탱크(4)로 순환시킬 수 있도록 열순환관(61)으로 연결 설치되어진다.

상기 히트펌프(1)는 전원을 공급받아 냉매를 냉수관(31)에 연결된 증발기(14)가 냉수관(31)으로부터 열을 흡수하여 액체 냉매가 기체 냉매로 변화되어 증발기(14)와 연결된 압축기(11)로 보내지며, 상기 압축기(11)에서 기체 냉매를 압축하여 압축기(11)와 연결된 응축기(12)로 보내지고, 상기 응축기(12)에서는 기체 냉 매를 액체 냉매로 변화되면서 발생된 열은 급탕열원으로 보내고 변화된 액체 냉매는 응축기(12)와 연결된 팽창밸브(13)를 통과하여 팽창밸브(13)와 연결된 증발기(14)로 다시 보내지게 되는 냉동사이클을 통해 순환시키게 되는 것이다.

상기 지중열교환기(2)는 지하 30 ~ 50m까지 직립되게 세우지는 식립관(22)과, 식립관(22)의 단부로부터 지하 400 ~ 450m까지 뚫리는 지중열회수공간(23)과, 일단부는 식립관(22)을 통해 지중열회수공간(23)의 아래쪽까지 삽입되고 타단부는 지중열회수열교환기(3)를 거쳐 식립관(22)의 상부에 위치된 지중열이송관(21)과, 지중열이송관(21)의 식립관(22) 내부위치 일측에 연결되어 지중열회수공간(23)에 있는 물을 펌핑해주는 워터펌프(24)로 형성되어진다.

또한, 본 발명에 따른 지열 복합시스템의 다른 일 예를 살펴보면, 첨부된 도면 도 3에서와 같이 상기 히트펌프(1)에 1차 급탕탱크(4a)가 급탕가열관(5)으로 연결되어지며, 상기 1차 급탕탱크(4a)에 연결관(7)으로 2차 급탕탱크(4b)가 연결되어지고, 상기 1차 급탕탱크(4a)와 2차 급탕탱크(4b) 사이에 열순환관(61)으로 보조 보일러(6)가 연결 설치되어진다.

본 발명에 따른 지열 복합시스템의 또 다른 일 예를 살펴보면, 첨부된 도면 도 4에서와 같이 상기 2차 급탕탱크(4b)에 열순환관(61)으로 보조 보일러(6)가 연결 설치되어진다.

이때, 상기 지열 복합시스템과는 별도로 각 세대별로 개별난방을 공급하게 되는 개별보일러(도시하지 않음)가 설치되어짐이 바람직한 것이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용효과를 살펴보면 아래와 같 다.

본 발명은 지하 400 ~ 450m에 위치하고 있는 따뜻한 물로부터 지중열을 회수하여 히트펌프(1)를 통해 급탕수를 가열하고, 가열된 급탕수를 급탕탱크(4)를 거쳐 각 세대에 공급하게 되는 것이다.

이와 같이 급탕수를 각 세대에 공급하기 위해서는 먼저 전원을 공급하여 히트펌프(1)를 가동함과 동시에 지중열교환기(2)의 워터펌프(24)를 구동하게 되면 지중열이송관(21)을 통해 지하 400 ~ 450m에 있는 15 ~ 20℃의 따뜻한 물이 상승하여 지중열회수열교환기(3) 측으로 이송되며, 지중열회수열교환기(3)에서는 냉수가 유동하는 냉수관(31)과 지중열을 포함한 따뜻한 물이 유동하는 지중열이송관(21)이 열교환하도록 형성되어 있으므로 지중열이송관(21) 내부로 유동하는 지중열을 포함한 따뜻한 물은 냉수관(31)의 냉수와 열교환하는 과정에서 온도를 빼앗겨 차가워진 상태로 다시 식립관(22)의 상부로 배출되고, 냉수관(31) 내부를 유동하는 냉수는 지중열을 포함한 물로부터 열을 빼앗아 온도가 상승된 상태로 히트펌프(1)의 증발기(14)측으로 유동되어지는 것이다.

이때, 상기 식립관(22) 상부로 다시 차가워진 상태의 물이 유입되더라도 식립관(22)의 수위는 항상 일정하게 유지되며, 이러한 차가워진 상태의 물은 다른 따뜻한 물과 희석되어 다시 온도가 따뜻해지고, 또한 펌핑이 지하 400 ~ 450m에서 이루어지게 됨으로 지중열이송관(21)을 통해 이송되는 물은 항상 온도가 일정하게 되는 것이다.

그리고 상기 히트펌프(1)의 증발기(14)에서는 그 냉매관 내부의 냉매가 냉수 관(31) 내부의 냉수로부터 열기를 빼앗아 증발될 수 있고, 냉수관(31)의 냉수는 다시 차가워진 상태로 지중열회수열교환기(3) 측으로 유동하게 되며, 이러한 과정을 반복하게 되는 것이다.

이와 함께 상기 히트펌프(1)의 증발기(14)에서 온도를 빼앗아 증발된 냉매는 이후 압축기(11)를 거쳐 고온고압의 상태로 압축되어 응축기(12)로 들어가게 되고, 응축기(12)에서는 그 냉매관 내부의 고온고압 상태의 냉매가 급탕가열관(5) 내부의 급탕수와 열교환하는 과정에서 온도가 내려간 상태로 팽창밸브(13)를 거쳐 증발기(14)로 순환하는 과정을 반복하게 되고, 상기 급탕가열관(5)의 급탕수는 냉매로부터 온도를 빼앗아 다시 급탕탱크(4) 내부에 채워진 물은 지속적으로 열기가 축적되어 뜨겁게 가열되는 것이다.

이와 같이 상기 급탕탱크(4) 내부에서 지속적으로 예열된 급탕수는 급수구(41)를 통해 물이 공급됨과 동시에 그 압력에 의해 급탕탱크(4) 상단부에 연결된 급탕공급관(42)을 통해 이동되면서 각 세대에 공급되어지게 되는 것이다.

한편, 상기와 같은 시스템을 가동하여 급탕을 공급하게 되는 데, 이때 급탕 사용량이 많은 동절기의 경우 피크(peak) 시간대에는 급탕이 순간적으로 많이 사용되어지게 됨으로 과부하 발생 및 급탕효율이 대략 70 ~ 80% 정도로 떨어지게 되어 본 발명에 따른 보조 보일러(6)를 가동시키게 되는 것이다.

이에 상기 히트펌프(1)에 의한 지중열 열원과 함께 보조 보일러(6)의 가동에 의해 발생된 열원으로 급탕을 공급하게 됨으로 순간적인 과부하를 방지하여 시스템의 안정을 기할 수 있음과 동시에 급탕효율을 대략 100%까지 끌어올릴 수 있게 되 는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 시스템은 개별난방은 물론 지열과 보조 보일러(6)에 의한 급탕열원을 공급할 수 있으므로 에너지 절감과 함께 신재생에너지인 지열시스템 보급을 확산시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 지열 복합시스템을 도시한 개략 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 지열 복합시스템의 다른 일 예를 도시한 개략 구성도.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 지열 복합시스템의 또 다른 일 예를 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 히트펌프 2 : 지중열교환기

3 : 지중열회수열교환기 4 : 급탕탱크

5 : 급탕가열관 6 : 보조 보일러

7 : 연결관 11 : 압축기

12 : 응축기 13 : 팽창밸브

14 : 증발기 21 : 지중열이송관

22 : 식립관 23 : 지중열회수공간

24 : 워터펌프 31 : 냉수관

41 : 급수구 42 : 급탕공급관

61 : 열순환관

Claims (4)

1. 전원을 공급받아 냉매를 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프와;

   지중열이송관을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기와;

   일측이 히트펌프의 증발기와 열교환하도록 히트펌프에 연결된 냉수관의 타측과 지중열이송관을 열교환시켜 지중열이송관 내부의 물로부터 지중열을 회수하는 지중열회수열교환기와;

   하부 일측에는 새로운 물이 공급되는 급수구가 설치되고 상단부에는 급수구를 통해 새로운 물이 공급되면 그 압력에 의해 급탕수를 배출할 수 있도록 급탕공급관이 연결된 폐쇄된 형상의 급탕탱크와;

   일단부는 급탕탱크의 하부에 연결되고 타단부는 급탕탱크의 하부에 연결되며 급탕탱크 연결부위 반대측은 히트펌프의 응축기와 열교환하도록 히트펌프에 연결되어 응축기로부터 열을 회수하여 급탕수를 가열해주는 급탕가열관;

   으로 형성되어짐을 특징으로 하는 급탕전용 지열 복합시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 급탕가열관에 보조 보일러가 급탕열원을 열교환시켜 급탕탱크로 순환시킬 수 있도록 열순환관으로 연결 설치되어짐을 특징으로 하는 급탕전용 지열 복합시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 히트펌프에 1차 급탕탱크가 급탕가열관으로 연결되어지며, 상기 1차 급탕탱크에 연결관으로 2차 급탕탱크가 연결되어지고, 상기 1차 급탕탱크와 2차 급탕탱크 사이에 열순환관으로 보조 보일러가 연결 설치되어짐을 특징으로 하는 급탕전용 지열 복합시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 히트펌프에 1차 급탕탱크가 급탕가열관으로 연결되어지며, 상기 1차 급탕탱크에 연결관으로 2차 급탕탱크가 연결되어지고, 상기 2차 급탕탱크에 열순환관으로 보조 보일러가 연결 설치되어짐을 특징으로 하는 급탕전용 지열 복합시스템.

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