KR20090114511A - 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하 공기층을 이용한 냉난방설비에 관한 것으로서, 지열과 지하수 및 지하의 다공질층에 형성되는 정온의 공기를 이용하여 냉난방을 하도록 하는 냉난방설비를 개선하여 쾌적한 공기의 공급이 가능하게 하고 난방과 냉방의 전환이 용이하도록 하기 위하여 개발된 것으로;

지열을 이용한 냉난방설비에 있어서;

지표 토양층 하부의 지하 다공질층을 관통하여 굴착된 굴착공과, 상기 굴착공의 직경보다 작은 외경을 가지고, 그 하부에는 지하의 공기를 흡입할 수 있는 다수의 흡입공이 형성되는 흡입관과, 지표에 인접한 상기 굴착공과 흡입관 사이의 공간을 막아 밀봉하되 그 상단은 지표보다 높게 형성되고 하단은 다공질층에 인접하게 형성되는 그라우딩과, 상기 흡입관의 상부와 연결되어 외부로 공기를 배출하는 송풍관과, 상기 송풍관에 연결되어 지하공기를 흡입하여 배출하는 송풍팬으로 구성되는 지하공기 배출장치와;

상기 흡입관의 내부 또는 외부에 삽입되어 지하공기 및 지하수 유동층까지 삽입되고 타측은 제1 열교환기와 연결 순환하는 열교환관로와, 상기 제1 열교환기와 별도로 구비되는 제2 열교환기를 연결 순환하되 중간에 하나 이상의 팽창밸브가 장착되는 제1 연결관로와, 압축기가 장착되고 상기 제1 연결관로와 교차 연결되되 교차 연결부는 사방밸브가 장착되어 경로를 선택적으로 바꿀 수 있도록 형성되는 순환관로와, 일측은 상기 제2 열교환기와 연결되고 타측은 냉난방이 필요한 시설물 의 내부에 구비되어 공급되는 열을 송풍하는 팬이 구비된 제3 열교환기와 연결되어 순환하는 제2 연결관로로 구성되는 열교환장치와;

축열탱크와, 축열시 상기 제2 연결관로에서 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로와 각각 연결되고, 방열시 상기 제2 연결관로에서 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로와 각각 연결되는 4개의 축열관로로 구성되는 축열장치로 구성됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비에 관한 것이다.

지하, 공기, 냉난방

Description

지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비{The heating and cooling system using geothermy}

본 발명은 지하 공기층을 포함한 지열을 이용한 냉난방설비에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 주로 화산지대에서는 지표 토양층의 하부로 공기를 함유한 다공질의 특성을 가진 화산회토의 지질학적 특성을 가지고 있을 때 이러한 지하의 공기를 이용함을 그 목적으로 하나 지하수 및 기타 복사열까지 용이하게 활용하여 냉난방을 하도록 개발된 냉난방설비에 관한 것이다.

우리나라의 제주도와 같은 곳에는 지하에 화산활동에 의하여 생성된 현무암이 화산 쇄설물인 송이(Scoria)의 형태로 존재하는 곳이 많다.

이러한 지하의 층은 암석 사이에 공기층이 존재하며 특성상 항상 15 내외의 비교적 일정한 온도를 가지고 있다.

이러한 공기층은 단순히 끌어서 실내에 공급하는 것만으로 여름에는 냉방의 효과가 있으며 겨울에는 난방의 효과를 주는 것으로서 에너지의 소비가 극히 적은 청정 에너지원으로 그 가치를 인정받을 수 있는 것이다.

또한, 일반적인 구조는 지하를 일정 깊이로 굴착하고 굴착된 곳의 공기를 팬 으로 강제로 흡입하여 이를 이용하도록 하는 것이다.

하지만 제주도에 뿐만 아니라 지하에는 곳에 따라 다량의 지하수층이 형성된 곳도 있으므로 기존의 방식으로는 비교적 깊지 않은 곳에 지하수층이 형성될 경우에는 그 활용 효과가 작다고 할 수 있다.

또한 이러한 공기층을 사용할 경우 내부 공기층이 무한정 존재하는 것도 아니며 그 공기층의 양이 많다고 하더라도 지속적으로 지하 공기층을 강제로 흡입하면 흡입되지 않은 곳의 공기가 흘러들어오기까지의 지연시간이 발생하게 되어 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 지하공기뿐만 아니라 지하수 및 기타 토양과 암석에 함유된 지열에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 설비의 필요성이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 지하의 정온의 공기와 지하수 그리고 암석과 토양의 지열을 복합적으로 활용할 수 있는 냉난방설비를 제공하는 것이다.

또한, 지하의 다공질층에서 공기를 지나치게 소비하지 않아 상기 다공질층의 공기 열에너지가 소비에 따라 감소하는 것을 최대한 억제하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지열을 이용한 냉난방설비에 있어서;

지표 토양층 하부의 지하 다공질층을 관통하여 굴착된 굴착공과, 상기 굴착공의 직경보다 작은 외경을 가지고, 그 하부에는 지하의 공기를 흡입할 수 있는 다수의 흡입공이 형성되는 흡입관과, 지표에 인접한 상기 굴착공과 흡입관 사이의 공간을 막아 밀봉하되 그 상단은 지표보다 높게 형성되고 하단은 다공질층에 인접하게 형성되는 그라우딩과, 상기 흡입관의 상부와 연결되어 외부로 공기를 배출하는 송풍관과, 상기 송풍관에 연결되어 지하공기를 흡입하여 배출하는 송풍팬으로 구성되는 지하공기 배출장치와;

상기 흡입관의 내부 또는 외부에 삽입되어 지하공기 및 지하수 유동층까지 삽입되고 타측은 제1 열교환기와 연결 순환하는 열교환관로와, 상기 제1 열교환기와 별도로 구비되는 제2 열교환기를 연결 순환하되 중간에 하나 이상의 팽창밸브가 장착되는 제1 연결관로와, 압축기가 장착되고 상기 제1 연결관로와 교차 연결되되 교차 연결부는 사방밸브가 장착되어 경로를 선택적으로 바꿀 수 있도록 형성되는 순환관로와, 일측은 상기 제2 열교환기와 연결되고 타측은 냉난방이 필요한 시설물의 내부에 구비되어 공급되는 열을 송풍하는 팬이 구비된 제3 열교환기와 연결되어 순환하는 제2 연결관로로 구성되는 열교환장치와;

축열탱크와, 축열시 상기 제2 연결관로에서 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로와 각각 연결되고, 방열시 상기 제2 연결관로에서 열이 공급 및 회수되는 관로와 각각 연결되는 4개의 축열관로로 구성되는 축열장치로 구성됨을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제3 열교환기에 구비되는 팬은 시설물 내부에 장착되는 덕트와 연결됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환관로와 상기 제2 연결관로의 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로 상호간을 각각 연결하는 제3 연결관로가 추가로 형성됨을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제3 열교환기는 시설물 바닥에 연장되는 제2 연결관로에 의하여 바닥면과 열교환이 이루어지는 형태로 구성됨을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 열교환장치를 지하의 정온의 공기뿐만 아니라 지하수 및 암석과 토양이 가지고 있는 지열을 복합적으로 이용하여 냉난방 설비의 효율이 현저히 상승되는 효과가 있다.

또한, 지하 열원의 에너지가 소비에 의하여 떨어질 경우에만 지하공기를 배 출하도록 하여 지열에너지의 소비를 최대한 줄이는 효과가 있다.

이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도로서, 지표 토양층 하부의 지하 다공질층을 관통하여 굴착된 굴착공(11)과, 상기 굴착공(11)의 직경보다 작은 외경을 가지고, 그 하부에는 지하의 공기를 흡입할 수 있는 다수의 흡입공(12)이 형성되는 흡입관(13)과, 지표에 인접한 상기 굴착공(11)과 흡입관(13) 사이의 공간을 막아 밀봉하되 그 상단은 지표보다 높게 형성되고 하단은 다공질층에 인접하게 형성되는 그라우딩(14)과, 상기 흡입관(13)의 상부와 연결되어 외부로 공기를 배출하는 송풍관(15)과, 상기 송풍관(15)에 연결되어 지하공기를 흡입하여 배출하는 송풍팬(16)으로 구성되는 지하공기 배출장치(1)와;

상기 흡입관(13)의 내부 또는 외부에 삽입되어 지하공기 및 지하수 유동층까지 삽입되고 타측은 제1 열교환기(211)와 연결 순환하는 열교환관로(21)와, 상기 제1 열교환기(211)와 별도로 구비되는 제2 열교환기(221)를 연결 순환하되 중간에 하나 이상의 팽창밸브(222)가 장착되는 제1 연결관로(22)와, 압축기(231)가 장착되고 상기 제1 연결관로(22)와 교차 연결되되 교차 연결부는 사방밸브(232)가 장착되어 경로를 선택적으로 바꿀 수 있도록 형성되는 순환관로(23)와, 일측은 상기 제2 열교환기(221)와 연결되고 타측은 냉난방이 필요한 시설물(4)의 내부에 구비되어 공급되는 열을 송풍하는 팬(241)이 구비된 제3 열교환기(242)와 연결되어 순환하는 제2 연결관로(24)로 구성되는 열교환장치(2)와;

축열탱크(31)와, 축열시 상기 제2 연결관로(24)에서 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로와 각각 연결되고, 방열시 상기 제2 연결관로(24)에서 열이 공급 및 회수되는 관로와 각각 연결되는 4개의 축열관로(32)로 구성되는 축열장치(3)로 구성됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비를 나타내었다.

본 발명이 기존의 발명과 구분되는 가장 큰 특징은 지하의 공기층의 공기를 흡입하여 이를 냉난방에 이용하는 것이 아니라 지하의 공기층을 포함하여 지하수 및 기타 지열을 활용하기 위하여 직접 지열을 흡수하는 배관이 상기 흡입관(13)에 연결되어 들어간다는 점이다.

또한 본 발명에서 주목할 특징은 상기 송풍관(15)과 송풍팬(16)의 역할로서, 지하의 정온의 공기를 그대로 이용하기 위하여 설치된 것이 아니라 열교환으로 인하여 온도가 떨어질 경우 굴착공(11) 주변의 공기를 외부로 강제 송풍하여 지하 다공질층에 존재하는 다른 공기에서 열교환이 이루어지도록 하는 역할 및 지하 공기층과의 열교환 효과를 높이기 위하여 지하 공기층의 유동을 일으키는 역할을 하게 된다.

또한 열교환장치(2)에서 상기 제1 연결관로(22)와 순환관로(23)는 지하에서 얻은 열원을 이용하여 고온의 물을 생산하기 위한 장치로 종래에도 이와 유사한 기술이 많으므로 자세한 구성과 효과의 설명은 생략하도록 하겠다.

이때 본원에서 추가된 사항은 축열장치(3)를 추가로 하여 시설물이 열을 필 요로 하지 않을 때 열을 저장할 수 있도록 하여 보다 효과적인 활용이 가능하도록 형성한 것으로 단순하게 보온처리된 탱크의 형상으로 설치할 수도 있고 보다 효율이 뛰어난 것으로도 사용할 수 있으면 이는 시공자의 선택에 의한 것이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 제3 열교환기(242)에 구비되는 팬(241)은 시설물 내부에 장착되는 덕트(41)와 연결되는 실시 예를 제시하였다.

이러한 실시 예는 특히 시설농가에서 시설물(4) 내부를 고르게 냉난방을 할 필요성이 있을 때 유용할 것이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 열교환관로(21)와 상기 제2 연결관로(24)의 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로 상호간을 각각 연결하는 제3 연결관로(25)가 추가로 형성되는 실시 예를 제시하였다.

상기 실시 예는 상기 제1 연결관로(22)는 주로 고온수를 생산하기 위한 시스템으로서 냉방의 목적으로 그 활용도는 미비하다고 하겠다.

또한 열교환기의 효율은 최신의 것이라 하더라도 70%를 넘기가 힘든 상황으로 냉방의 목적으로 사용할 경우 지하의 열에너지를 그대로 활용하는 것이 바람직하다.

시설재배 농가의 경우 여름철 냉방의 목적으로 상기 제3 연결관로(25)를 통하여 지하의 냉기를 직접 사용하여 냉방을 하도록 하고 봄이나 가을철의 경우에는 낮에는 냉방을 하면서 잔여 에너지를 축열하여 밤에는 난방의 목적으로 사용함이 바람직하다.

이때 상기 제3 연결관로(25)에는 밸브를 장착하여 이를 선택적으로 사용할 수 있도록함은 당연한 실시 예 일 것이다.

도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 제3 열교환기(242)는 시설물(4) 바닥에 연장되는 제2 연결관로(24)에 의하여 바닥면과 열교환이 이루어지는 형태로 구성되는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예의 경우 가장 일반적으로 떠올릴 수 있는 것은 일반 가정에서의 보일러 배관과 같이 바닥난방의 형태로 이루어지도록 한 것이다.

상기 실시 예의 경우 가정집뿐만 아니라 재배하는 작물이나 동물에 따라 이를 선택적으로 설치할 수 있는 것이며 상황에 따라서는 바닥난방과 내부 공기의 난방을 겸용하는 실시 예의 도출도 용이할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 개념도

도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 개념도

도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 개념도

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 지하공기 배출장치

11 : 굴착공 12 : 흡입공

13 : 흡입관 14 : 그라우딩

15 : 송풍관 16 : 송풍팬

2 : 열교환장치

21 : 열교환관로 211 : 제1 열교환기

22 : 제1 연결관로 221 : 제2 열교환기

222 : 팽창밸브

23 : 순환관로 231 : 압축기

232 : 사방밸브

24 : 제2 연결관로 241 : 팬

242 : 제3 열교환기

25 : 제3 연결관로

3 : 축열장치

31 : 축열탱크 32 : 축열관로

4 : 시설물

41 : 덕트

Claims (4)

1. 지열을 이용한 냉난방설비에 있어서;

   지표 토양층 하부의 지하 다공질층을 관통하여 굴착된 굴착공(11)과, 상기 굴착공(11)의 직경보다 작은 외경을 가지고, 그 하부에는 지하의 공기를 흡입할 수 있는 다수의 흡입공(12)이 형성되는 흡입관(13)과, 지표에 인접한 상기 굴착공(11)과 흡입관(13) 사이의 공간을 막아 밀봉하되 그 상단은 지표보다 높게 형성되고 하단은 다공질층에 인접하게 형성되는 그라우딩(14)과, 상기 흡입관(13)의 상부와 연결되어 외부로 공기를 배출하는 송풍관(15)과, 상기 송풍관(15)에 연결되어 지하공기를 흡입하여 배출하는 송풍팬(16)으로 구성되는 지하공기 배출장치(1)와;

   상기 흡입관(13)의 내부 또는 외부에 삽입되어 지하공기 및 지하수 유동층까지 삽입되고 타측은 제1 열교환기(211)와 연결 순환하는 열교환관로(21)와, 상기 제1 열교환기(211)와 별도로 구비되는 제2 열교환기(221)를 연결 순환하되 중간에 하나 이상의 팽창밸브(222)가 장착되는 제1 연결관로(22)와, 압축기(231)가 장착되고 상기 제1 연결관로(22)와 교차 연결되되 교차 연결부는 사방밸브(232)가 장착되어 경로를 선택적으로 바꿀 수 있도록 형성되는 순환관로(23)와, 일측은 상기 제2 열교환기(221)와 연결되고 타측은 냉난방이 필요한 시설물(4)의 내부에 구비되어 공급되는 열을 송풍하는 팬(241)이 구비된 제3 열교환기(242)와 연결되어 순환하는 제2 연결관로(24)로 구성되는 열교환장치(2)와;

   축열탱크(31)와, 축열시 상기 제2 연결관로(24)에서 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로와 각각 연결되고, 방열시 상기 제2 연결관로(24)에서 열이 공급 및 회수되는 관로와 각각 연결되는 4개의 축열관로(32)로 구성되는 축열장치(3)로 구성됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제3 열교환기(242)에 구비되는 팬(241)은 시설물 내부에 장착되는 덕트(41)와 연결됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비.
3. 제 1항에 있어서, 상기 열교환관로(21)와 상기 제2 연결관로(24)의 열이 공급되는 관로 및 회수되는 관로 상호간을 각각 연결하는 제3 연결관로(25)가 추가로 형성됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함하는 지열을 이용한 냉난방설비.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제3 열교환기(242)는 시설물(4) 바닥에 연장되는 제2 연결관로(24)에 의하여 바닥면과 열교환이 이루어지는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 지하 공기층을 포함한 지열을 이용한 냉난방설비.

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