KR20110002380A - 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 심정펌프장치에 의해 열원 축열조에 일정온도의 지하수를 공급하여 사용하고, 상기 심정펌프장치를 통해 부족한 열원은 지중 열교환기의 지열과 공기열 히트펌프장치의 외부 공기를 통해 보충함으로써, 종래에서 다수개의 지열용 지중 열교환기를 통해 열원을 공급하는 것을 적은 양의 지중 열교환기로 가능하여 지중 열교환기의 시공비용 및 시공기간이 절감되고, 그에 따라 시공구역도 줄어들며, 상기 심정펌프장치와 지중 열교환기 및 공기열 히트펌프장치를 통해 안정적인 열원을 공급할 수 있어 지열 히트펌프 시스템의 효율이 향상되는 특징으로 한다.

지열 히트펌프장치, 축열조, 열원, 심정펌프장치, 지중 열교환기

Description

하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템{Hybrid form Subterranean-heat of Heat pump system}

본 발명은 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 심정펌프장치에 의해 열원 축열조에 일정온도의 지하수를 공급하여 사용하고, 상기 심정펌프장치를 통해 부족한 열원은 지중 열교환기의 지열과 공기열 히트펌프장치의 외부 공기를 통해 보충함으로써, 종래에서 다수개의 지열용 지중 열교환기를 통해 열원을 공급하는 것을 적은 양의 지중 열교환기로 가능하여 지중 열교환기의 시공비용 및 시공기간이 절감되고, 그에 따라 시공구역도 줄어들며, 상기 심정펌프장치와 지중 열교환기 및 공기열 히트펌프장치를 통해 안정적인 열원을 공급할 수 있어 지열 히트펌프 시스템의 효율이 향상되는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등이 있는데, 이러한 에너지원 사용은 환경오염의 주원인을 발생시킬 뿐만 아니라 매장량의 한계가 있기 때문에, 이러한 문제점의 대책 으로 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

또한, 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된전력 에너지를 주로 사용하고 있다.

그러나 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40 ~ 70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열 히트펌프 시스템은, 지중 열교환기를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.

따라서, 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.

그중 지열교환기의 설치는 대부분의 경우 여유가 있는 대지를 확보한 후, 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착하여 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치된다.

이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 보다 큰 건물에 아주 적합하다. 이러한 지열교환기의 설치는 지하 50~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 한두번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.

그리고, 파이프 설치 후 각 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅한다. 그라우팅과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채우게 된다.

그런데, 상기 지열용 냉난방장치는 필요한 열원을 뽑아내기 위해 많은 보어홀을 굴착해야하고 그에 따라 많은 장소가 필요한 실정으로써, 공사비용과 공사기간이 증가하고, 많은 보어홀 굴착 장소가 필요한 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

심정펌프장치에 의해 열원 축열조에 일정온도의 지하수를 공급하여 사용하고, 상기 심정펌프장치를 통해 부족한 열원은 지중 열교환기의 지열과 공기열 히트펌프장치의 외부 공기를 통해 보충함으로써, 종래에서 다수개의 지열용 지중 열교환기를 통해 열원을 공급하는 것을 적은 양의 지중 열교환기로 가능하여 지중 열교환기의 시공비용 및 시공기간이 절감되고, 그에 따라 시공구역도 줄어드는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 심정펌프장치와 지중 열교환기 및 공기열 히트펌프장치를 통해 안정적인 열원을 공급할 수 있어 지열 히트펌프 시스템의 효율이 향상되는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 지반을 천공하여 지중에 저장된 일정온도의 지하수를 심정관을 통해 이송시키는 심정펌프장치와;

상기 심정펌프장치를 통해 이송된 지하수가 내부에 채워지되, 난방시에는 상측을 통해 유입되고, 냉방시에는 하측을 통해 유입되며, 내부에 채워진 물의 온도에 따라 내부가 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 열원 축열조와;

상기 열원 축열조의 내부 상측부와 연결되되, 난방시에는 열원 축열조의 고온 물을 지열 히트펌프장치에 공급시키고, 냉방시에는 지열 히트펌프장치에서 열교환 된 고온의 물을 열원 축열조로 리턴시키는 고온수 이송관과;

상기 열원 축열조의 내부 하측부와 연결되되, 난방시에는 지열 히트펌프장치에서 열교환 된 저온의 물을 열원 축열조로 리턴시키고, 냉방시에는 열원 축열조의 저온 물을 지열 히트펌프장치에 공급시키는 저온수 이송관과;

상기 열원 축열조와 지열 순환관에 의해 연결되어 심정펌프장치를 통해 부족한 열원을 보충하도록 지반을 천공하여 지중의 지하수와 열교환되는 지중 열교환기와;

상기 열원 축열조와 연결되어 열원 축열조 내의 심정펌프장치를 통한 열원이 부족한 경우 열원을 보충하도록 외부의 공기와 열교환되는 공기열 히트펌프장치와;

상기 열원 축열조의 고,저온수 이송관과 연결되어 이송된 고,저온수와 부하측에서 열교환 된 순환수(고,저온수)를 열교환시키는 지열 히트펌프장치와;

상기 지열 히트펌프장치를 통해 열교환 된 순환수 및 부하측에서 열교환 된 순환수를 이송받아 내부에 채워지고, 상기 내부에 채워진 순환수의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 부하 축열조;

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템은 심정펌프장치에 의해 열원 축열조에 일정온도의 지하수를 공급하여 사용하고, 상기 심정펌프장치를 통해 부족한 열원은 지중 열교환기의 지열과 공기열 히트펌프장치의 외부 공기를 통해 보충함으로써, 종래에서 다수개의 지열용 지중 열교환기를 통해 열원을 공급하는 것을 적은 양의 지중 열교환기로 가능하여 지중 열교환기의 시공비용 및 시공기간이 절감되고, 그에 따라 시공구역도 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 심정펌프장치와 지중 열교환기 및 공기열 히트펌프장치를 통해 안정적인 열원을 공급할 수 있어 지열 히트펌프 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 지반을 천공하여 지중에 저장된 일정온도의 지하수를 심정관을 통해 이송시키는 심정펌프장치와;

상기 심정펌프장치를 통해 이송된 지하수가 내부에 채워지되, 난방시에는 상측을 통해 유입되고, 냉방시에는 하측을 통해 유입되며, 내부에 채워진 물의 온도에 따라 내부가 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 열원 축열조와;

상기 열원 축열조의 내부 상측부와 연결되되, 난방시에는 열원 축열조의 고 온 물을 지열 히트펌프장치에 공급시키고, 냉방시에는 지열 히트펌프장치에서 열교환 된 고온의 물을 열원 축열조로 리턴시키는 고온수 이송관과;

상기 열원 축열조의 내부 하측부와 연결되되, 난방시에는 지열 히트펌프장치에서 열교환 된 저온의 물을 열원 축열조로 리턴시키고, 냉방시에는 열원 축열조의 저온 물을 지열 히트펌프장치에 공급시키는 저온수 이송관과;

상기 열원 축열조와 지열 순환관에 의해 연결되어 심정펌프장치를 통해 부족한 열원을 보충하도록 지반을 천공하여 지중의 지하수와 열교환되는 지중 열교환기와;

상기 열원 축열조와 연결되어 열원 축열조 내의 심정펌프장치를 통한 열원이 부족한 경우 열원을 보충하도록 외부의 공기와 열교환되는 공기열 히트펌프장치와;

상기 열원 축열조의 고,저온수 이송관과 연결되어 이송된 고,저온수와 부하측에서 열교환 된 순환수(고,저온수)를 열교환시키는 지열 히트펌프장치와;

상기 지열 히트펌프장치를 통해 열교환 된 순환수 및 부하측에서 열교환 된 순환수를 이송받아 내부에 채워지고, 상기 내부에 채워진 순환수의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 부하 축열조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지열 히트펌프시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지열 히트펌프시스템을 나타낸 상세도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 난방시(동절기)의 지열 히트펌프시스템을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉방시(하절기)의 지열 히트펌프시스템을 나타낸 흐름도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 축열조를 이용한 지열 히트펌프시스템은 심정펌프장치(10)와, 열원 축열조(20)와, 지중 열교환기(30)와, 공기열 히트펌프장치(90)와, 지열 히트펌프장치(40)와, 부하 축열조(50)와, 제어부로 구성된다.

상기 심정펌프장치(10)는 지반에 천공(구멍뚫기)하고, 상기 천공에 심정펌프(11)가 끝단부에 설치된 심정관(12)을 박아 지중에 저장된 지하수를 열원 축열조(20)에 이송시키는 장치로써, 지하수를 공급만 할 뿐 순환하지는 않는다. 상기 지하수는 항상 일정한 온도(15℃)로 되어 있어 열원을 공급하는데 유용하다. 단 상기 지하수는 항시 일정하게 사용할 수가 없기 때문에 본 발명에서는 지중 열교환기(30)를 이용하여 부족한 열원을 보충한다.

여기서, 상기 심정관(12)은 일단부에서 2개로 분기되어 열원 축열조(20)의 측면 상,하측부에 각각 연결된다. 그러면 난방시(동절기)에는 도 3를 참고하여, 지하수를 열원 축열조(20)의 상측부으로 유입시키고, 냉방시(하절기)에는 도 4을 참고하여, 지하수를 열원 축열조(20)의 하측부에 유입시킨다. 이때, 상기 분기되는 심정관(12)에는 3방밸브가 설치되어 제어부의 전기적 신호에 따라 지하수를 상,하측부으로 조절할 수 있다.

그리고, 상기 2개의 심정관(12)은 열원 축열조(20)의 내부까지 구비되고, 끝단부에 각각 디퓨져가 설치된다.

또한, 상기 분기된 2개의 심정관(12)의 일단부(열원 축열조(20)의 외부에 위치한 부위)에는 열원 축열조(20)의 내부에 채워진 물을 외부에 배출할 수 있도록 배출관(13)이 각각 분기 형성된다.

상기 열원 축열조(20)는 본 발명에서 핵심기술로써 부하측(실내측)에 보내줄 열원을 임시 저장하는데 열원은 심정펌프장치(10)와 지중 열교환기(30)를 통해 안정적이고 원활하게 공급받는다.

여기서, 상기 열원 축열조(20)는 내부에 채워진 물의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온(15 ~ 20℃)으로 하측부는 저온(4 ~ 5℃)으로 형성되어 난방시에는 도 3를 참고하여, 상측부의 고온을 사용하고, 냉방시에는 도 4을 참고하여, 하 측부의 저온을 사용하는 것이다.

그리고, 상기 열원 축열조(20)는 내부의 물에 양을 측정하는 레벨게이지(미도시)가 부착되고, 상기 열원 축열조(20)의 내부를 임의로 층을 구획하여 층별로 다수개의 온도계(미도시)가 부착되어 성층화된 내부를 측정할 수 있다. 또한, 상기 열원 축열조(20)의 외부에는 성층화에 의해 하측부의 저온 물의 온도가 제어부에 입력된 온도보다 낮아지면 외부로 배출하도록 별도의 배수관(미도시)이 더 설치될 수 있다.

상기 지중 열교환기(30)는 지반에 천공(구멍뚫기)하고, 상기 천공된 지중의 지하수와 열교환하기 위해 "U" 형태의 투수파이프(31)가 천공에 맞춰 심어지고, 상기 다수개의 투수파이프(31) 양끝단부에 지열 순환관(32)이 연결된다.

이렇듯, 상기 지중 열교환기(30)는 지중열(지하수 열)을 열원으로 이용한 방법으로서, 펌프를 통해 지열 순환관(32) 내의 물을 강제 이송시켜 지중의 지하수와의 열교환을 통해 하절기에는 도 4을 참고하여 실내를 냉각하고 동절기에는 도 3를 참고하여 실내를 난방토록 한 지열 히트펌프장치(40)와 상호 열교환하거나 직접 열원 축열조(20)에 열원을 공급하는 구조이다.

본 발명에서는 상기 지중 열교환기(30)가 열원의 보조적인 역할이기에 지반에 다수개의 천공을 할 필요가 없고, 그에 따라 시공비용 및 시공기간이 단축된다.

그리고, 상기 지중 열교환기(30)의 지열 순환관(32)은 양끝단부가 저온수 이송관(61)에 연결되는데, 상기 지열 순환관(32)의 일측에는 3방밸브가 설치되고, 상기 지중 열교환기(30)는 심정펌프장치(10)를 통해 부족한 열원을 열원 축열조(20) 에 보충하는 역할을 한다.

상기 공기열 히트펌프장치(90)는 열원 축열조(20)와 연결되어 열원 축열조(20) 내의 심정펌프장치(10)를 통한 열원이 부족한 경우 열원을 보충하는 장치로써, 외부의 공기와 내부에 순환되는 순환수를 열교환하여 열원을 열원 축열조(20)에 보충하는 것이다.

여기서, 상기 공기열 히트펌프장치(90)는 외부의 공기 온도에서 열원을 흡수하여 열원 축열조(20)에 전달하는데, 난방시에는 낮의 온도가 높아 낮시간에만 작동하고, 냉방시에는 밤의 온도가 낮아 밤시간에만 작동한 뒤 열원 축열조(20)에 저온의 열원을 축열시켜놓고 낮시간에 사용하는 것이다.

또한, 상기 공기열 히트펌프장치(90)에는 일측이 연결되어 난방시에 공기열 히트펌프장치(90)의 고온수를 열원 축열조(20)에 공급시키고, 냉방시에 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 고온수를 공기열 히트펌프장치(90)로 리턴시키도록 고온수 이송관(60)에 끝단부가 연결되는 열원 공급관(91)이 형성되고, 상기 공기열 히트펌프장치(90)에 일측이 연결되어 난방시에 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 저온수를 공기열 히트펌프장치(90)에 리턴시키고, 냉방시에 공기열 히트펌프장치(90)에서 열교환 된 저온수를 열원 축열조(20)에 공급시키도록 저온수 이송관(61)에 끝단부가 연결되는 열원 리턴관(92)이 형성된다.

이때, 상기 열원 공급관(91)과 열원 리턴관(92) 사이에는 냉방시, 도 4을 참고하여, 열원 공급관(91)과 열원 리턴관(92)의 역할을 바꾸기 위해 형성되는 제 7,8 연결관(93,94)이 형성되고, 상기 제 7,8 연결관(93,94)의 일측에는 3방밸브가 각각 하나씩 부착된다. 다시 말해 도 4에 도시한 바와 같이, 냉방시에만 적용되는데 상기 공기열 히트펌프장치(90)에서 열교환 된 저온수가 열원 공급관(91)으로 이송되다 제 7 연결관(93)을 통해 열원 리턴관(92)으로 이송되어 열원 축열조(20) 또는 지열 히트펌프장치(40)에 공급되고, 상기 지열 히트펌프장치(40)에서 부하측(1) 순환수와 열교환 된 고온수가 열원 공급관(91)으로 이송되다 제 8 연결관(94)을 통해 열원 리턴관(92)으로 이송되어 다시 공기열 히트펌프장치(90)에 리턴되는 것이다.

이렇듯, 상기 공기열 히트펌프장치(90)는 외부의 공기와 열교환하기 위해 자체 내에 응축기, 증발기, 압축기 등 히트펌프에 필요한 시스템을 갖추고 있는 것이기에 별도의 상세한 설명은 하지 않는다.

상기 지열 히트펌프장치(40)는 열원 축열조(20)의 고,저온수 이송관(60,61)과 연결되어 이송된 고,저온수와 부하측(1)에서 열교환 된 순환수(고,저온수)를 열교환시키는 장치로써 일반적으로 사용되고 있는 지열 히트펌프장치(40)와 유사하기 때문에 별도의 상세한 설명은 하지 않는다.

여기서, 상기 지열 히트펌프장치(40)와 열원 축열조(20) 사이에는 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61)이 연결되고, 상기 고온수 이송관(60)은 열원 축열조(20)의 내부 상측부와 연결되어 난방시에는 도 3를 참고하여, 열원 축열조(20)의 고온수를 지열 히트펌프장치(40)에 공급시키고, 냉방시에는 도 4을 참고하여, 부하측(1)과 열교환 된 고온의 물을 열원 축열조(20)로 리턴시키는 역할을 한다.

또한, 상기 저온수 이송관(61)은 열원 축열조(20)의 내부 하측부와 연결되어 난방시에는 도 3를 참고하여, 부하측(1)과 열교환 된 저온의 물을 열원 축열조(20)로 리턴시키고, 냉방시에는 도 4을 참고하여 열원 축열조(20)의 저온수를 지열 히트펌프장치(40)에 공급시키는 역할을 한다.

그리고, 상기 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61) 사이에는 각각 이송되는 물의 부하의 차이가 제어부에 입력된 부하보다 차이가 나면 상호 섞어주어 부하를 조절할 수 있고, 상기 열원 축열조(20) 내를 5℃ 이상의 성층화 온도조건으로 유지하기 위해 각각 이송되는 고온수와 저온수를 믹싱하도록 바이패스 관(64)이 지열 히트펌프장치(40) 근처에 더 설치된다. 이때, 상기 바이패스 관(64)에는 고온수와 저온수가 믹싱되는 것을 조절하기 위해 온도조절 유량밸브가 설치된다.

이때, 상기 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61) 사이에는 냉방시, 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61)의 역할을 바꾸기 위해 제 1,2 연결관(62,63)이 연결되고, 상기 제 1,2 연결관(62,63)의 일측에는 3방밸브가 각각 하나씩 부착된다. 다시 말해 도 4에 도시한 바와 같이, 냉방시에 적용되어 열원 축열조(20)에서 저온의 물이 저온수 이송관(61)을 통해 이송되다 제 2 연결관(63)을 통해 공급관으로 형성된 고온수 이송관(60)으로 이송되어 지열 히트펌프장치(40)에 공급되고, 상기 지열 히트펌프장치(40)에서 부하측(1) 순환수와 열교환 된 고온의 물을 리턴관으로 형성된 저온수 이송관(61)을 통해 이송되다 제 1 연결관(62)을 통해 고온수 이송관(60)으로 이송되어 다시 열원 축열조(20)에 리턴되는 것이다. 그리고, 상기 3방밸브는 냉,난방에 맞춰 제어부의 전기적 신호에 의해 제어되는 것이다.

상기 부하 축열조(50)는 지열 히트펌프장치(40)를 통해 열교환 된 순환수 및 부하측에서 열교환 된 순환수를 이송받아 내부에 채워지고, 상기 부하 축열조(50)의 내부는 내부에 채워진 순환수의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 열원 축열조(20)와 동일한 구조 및 기능을 한다.(상기 순환수는 고온수와 저온수를 뜻하는 것이다.)

여기서, 상기 부하 축열조(50)와 지열 히트펌프장치(40)의 사이에는 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71)이 각각 연결되는데, 상기 제 1 순환수 공급관(70)은 지열 히트펌프장치(40)와 일측이 연결되고, 끝단부가 부하 축열조(50)의 내부 상측부에 연결되어 상기 지열 히트펌프장치(40)의 순환수를 부하 축열조(50)에 공급하는 역할을 한다.

그리고, 상기 제 1 순환수 리턴관(71)은 지열 히트펌프장치(40)와 일측이 연결되고, 끝단부가 부하 축열조(50)의 내부 하측부에 연결되어 상기 부하 축열조(50)의 순환수를 지열 히트펌프장치(40)에 리턴하는 역할을 한다.

또한, 상기 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71)은 부하 축열조(50)의 내측까지 구비되는데, 끝단부에 각각 디퓨져가 설치된다.

이때, 상기 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71) 사이에는 냉방시, 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71)의 역할을 바꾸기 위해 제 3,4 연결관(72,73)이 연결되고, 상기 제 3,4 연결관(72,73)의 일측에는 3방밸브가 각각 하나씩 부착된다. 다시 말해 도 4에 도시한 바와 같이, 냉방시에 적용되어 상기 지열 히트펌프장치(40)에서 제 1 순환수 리턴관(71)을 통해 저온수가 이송되다 제 4 연결관(73)을 통해 제 1 순환수 공급관(70)에 이송되어 부하 축열조(50)에 공 급되고, 상기 부하 축열조(50)에서 열교환 된 고온수는 제 1 순환수 리턴관(71)을 통해 이송되다 제 3 연결관(72)을 통해 제 1 순환수 공급관(70)에 이송되어 지열 히트펌프장치(40)에 리턴되는 것이다.

여기서, 상기 부하 축열조(50)와 부하측(실내측) 사이에는 부하 축열조(50)에 채워진 순환수가 부하측(1)에서 열교환 된 뒤 순환되도록 제 2 순환수 공급관(80)과 제 2 순환수 리턴관(81)이 각각 연결되는데, 상기 제 2 순환수 공급관(80)은 부하 축열조(50)의 내부 상측부와 연결되어 순환수를 부하측(1)에 전달한다. 이때, 상기 제 2 순환수 공급관(80)은 난방시에 도 3를 참고하여, 부하측(1)에 실내 팬코일 유니트(2)와 대류복사열을 이용하기 위해 실내의 바닥에 설치된 배관에 연결되도록 분배장치(3)에 연결된다.

그리고, 상기 제 2 순환수 리턴관(81)은 부하 축열조(50)의 내부 하측부와 연결되어 부하측(1)에서 열교환 된 순환수를 부하 축열조(50)에 이송시킨다. 이때, 상기 제 2 순환수 리턴관(81) 역시 제 2 순환수 공급관(80)과 마찬가지로 실내 팬코일 유니트(2)와 분배장치(3)에 연결된다.

또한, 상기 제 2 순환수 공급관(80)과 제 2 순환수 리턴관(81) 사이에는 냉방시, 제 2 순환수 공급관(80)과 제 2 순환수 리턴관(81)의 역할을 바꾸기 위해 제 5,6 연결관(82,83)이 연결되고, 상기 제 5,6 연결관(82,83)의 일측에는 3방밸브가 각각 하나씩 부착된다. 다시 말해 도 4에 도시한 바와 같이, 냉방시에 적용되어 상기 부하 축열조(50)에서 제 2 순환수 리턴관(81)을 통해 저온수가 이송되다 제 6 연결관(83)을 통해 제 2 순환수 공급관(80)에 이송되어 부하측(실내측)에 공급되 고, 상기 부하측(1)에서 열교환 된 고온수는 제 2 순환수 리턴관(81)을 통해 이송되다 제 5 연결관(82)을 통해 제 2 순환수 공급관(80)에 이송되어 부하 축열조(50)에 리턴되는 것이다.

참고로, 난방시에는 실내의 팬코일 유니트(2)와 실내의 바닥에 설치된 배관에 고온수를 이송시켜 난방을 하고, 냉방시에는 실내의 팬코일 유니트(2)에만 저온수를 공급하여 냉방을 하는 것이다.

상기 제어부는 각 장치들과 연결되어 전기적 신호에 의해 제어하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 지열 히트펌프시스템을 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지열 히트펌프시스템을 나타낸 상세도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 난방시(동절기)의 지열 히트펌프시스템을 나타낸 흐름도이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉방시(하절기)의 지열 히트펌프시스템을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 심정펌프장치 20 : 열원 축열조

30 : 지중 열교환기 40 : 지열 히트펌프장치

50 : 부하 축열조 60 : 고온수 이송관

61 : 저온수 이송관 70 : 제 1 순환수 공급관

71 : 제 1 순환수 리턴관 80 : 제 2 순환수 공급관

81 : 제 2 순환수 공급관 90 : 공기열 히트펌프장치

91 : 열원 공급관 92 : 열원 리턴관

Claims (8)

1. 지반을 천공하여 지중에 저장된 일정온도의 지하수를 심정관(12)을 통해 이송시키는 심정펌프장치(10)와;

   상기 심정펌프장치(10)를 통해 이송된 지하수가 내부에 채워지되, 난방시에는 상측을 통해 유입되고, 냉방시에는 하측을 통해 유입되며, 내부에 채워진 물의 온도에 따라 내부가 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 열원 축열조(20)와;

   상기 열원 축열조(20)와 지열 순환관(32)에 의해 연결되어 심정펌프장치(10)를 통해 부족한 열원을 보충하도록 지반을 천공하여 지중의 지하수와 열교환되는 지중 열교환기(30)와;

   상기 열원 축열조(20)와 연결되어 열원 축열조(20) 내의 심정펌프장치(10)를 통한 열원이 부족한 경우 열원을 보충하도록 외부의 공기와 열교환되는 공기열 히트펌프장치(90)와;

   상기 열원 축열조(20)와 연결되어 이송된 고,저온수와 부하측(1)에서 열교환 된 순환수(고,저온수)를 열교환시키는 지열 히트펌프장치(40)와;

   상기 지열 히트펌프장치(40)를 통해 열교환 된 순환수 및 부하측(1)에서 열교환 된 순환수를 이송받아 내부에 채워지고, 상기 내부에 채워진 순환수의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성되는 부하 축열조(50);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열원 축열조(20)와 지열 히트펌프장치(40) 사이에는,

   열원 축열조(20)의 내부 상측부와 연결되되, 난방시에는 열원 축열조(20)의 고온 물을 지열 히트펌프장치(40)에 공급시키고, 냉방시에는 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 고온의 물을 열원 축열조(20)로 리턴시키는 고온수 이송관(60)과;

   상기 열원 축열조(20)의 내부 하측부와 연결되되, 난방시에는 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 저온의 물을 열원 축열조(20)로 리턴시키고, 냉방시에는 열원 축열조(20)의 저온 물을 지열 히트펌프장치(40)에 공급시키는 저온수 이송관(61)과;

   상기 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61) 사이에 연결되어 냉방시, 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61)의 역할을 바꾸기 위해 형성되는 제 1,2 연결관(62,63);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 지열 히트펌프장치(40)와 부하 축열조(50) 사이에는,

   상기 지열 히트펌프장치(40)와 일측이 연결되고, 끝단부가 부하 축열조(50)의 내부 상측부에 연결되어 상기 지열 히트펌프장치(40)의 순환수를 부하 축열조(50)에 공급하는 제 1 순환수 공급관(70)과;

   상기 지열 히트펌프장치(40)와 일측이 연결되고, 끝단부가 부하 축열조(50)의 내부 하측부에 연결되어 상기 부하 축열조(50)의 순환수를 지열 히트펌프장치(40)에 리턴하는 제 1 순환수 리턴관(71)과;

   상기 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71) 사이에 연결되어 냉방시, 제 1 순환수 공급관(70)과 제 1 순환수 리턴관(71)의 역할을 바꾸기 위해 형성되는 제 3,4 연결관(72,73);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 부하 축열조(50)와 부하측(1) 사이에는,

   상기 부하 축열조(50)의 내부 상측부와 연결되어 순환수를 부하측(1)에 전달하는 제 2 순환수 공급관(80)과;

   상기 부하 축열조(50)의 내부 하측부와 연결되어 부하측(1)에서 열교환 된 순환수를 부하 축열조(50)에 이송시키는 제 2 순환수 리턴관(81)과;

   상기 제 2 순환수 공급관(80)과 제 2 순환수 리턴관(81) 사이에 연결되어 냉방시, 제 2 순환수 공급관(80)과 제 2 순환수 리턴관(81)의 역할을 바꾸기 위해 형 성되는 제 5,6 연결관(82,83);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 열원 축열조(20)에는 물의 양을 측정하는 레벨게이지가 부착되고, 임의로 층을 구획하여 층별로 다수개의 온도계가 부착되며, 성층화에 의해 하측부의 저온 물의 온도가 제어부에 입력된 온도보다 낮아지면 외부로 배출하도록 배수관이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 지중 열교환기(30)의 지열 순환관(32)은 양끝단부가 저온수 이송관(61)에 연결되고, 상기 지열 순환관(32)의 일측에 3방밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 공기열 히트펌프장치(90)에는,

   일측이 연결되어 난방시에 공기열 히트펌프장치(90)의 고온수를 열원 축열 조(20)에 공급시키고, 냉방시에 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 고온수를 공기열 히트펌프장치(90)로 리턴시키도록 고온수 이송관(60)에 끝단부가 연결되는 열원 공급관(91)과;

   상기 공기열 히트펌프장치(90)에 일측이 연결되어 난방시에 지열 히트펌프장치(40)에서 열교환 된 저온수를 공기열 히트펌프장치(90)에 리턴시키고, 냉방시에 공기열 히트펌프장치(90)에서 열교환 된 저온수를 열원 축열조(20)에 공급시키도록 저온수 이송관(61)에 끝단부가 연결되는 열원 리턴관(92)과;

   상기 열원 공급관(91)과 열원 리턴관(92) 사이에 연결되어 냉방시, 열원 공급관(91)과 열원 리턴관(92)의 역할을 바꾸기 위해 형성되는 제 7,8 연결관(93,94);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.
8. 제 2항에 있어서,

   상기 고온수 이송관(60)과 저온수 이송관(61) 사이에는 열원 축열조(20) 내를 상,하 성층화 온도조건으로 유지하기 위해 각각 이송되는 고온수와 저온수를 믹싱하도록 온도조절 유량밸브가 설치된 바이패스 관(64)이 연통 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 지열 히트펌프 시스템.

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