KR20120088106A - 집수조를 이용한 지하철 역사의 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유출 지하수의 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 의하여 냉난방이 수행되는 지하철 역사의 냉난방 시스템에 관한 것이다.

Description

집수조를 이용한 지하철 역사의 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM FOR SUBWAY STATION BUILDING}

본 발명은 지하에 집수조가 마련되는 지하철 역사를 냉난방하기 위한 지하철 역사의 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 히트펌프 시스템과 지중에서 유출되는 지하수를 집수하는 집수조의 수열원과 지열을 이용하여 냉난방을 수행하는 집수조를 이용한 지하철 역사의 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

종래의 지열원을 이용한 히트펌프 시스템은 실내를 냉방 또는 난방하기 위하여 실외측 열교환기를 대기열이 아닌 지열원과 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 구성된다.

도 1은 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치의 계통 구성도이다. 상기 도 1에 도시된 종래의 일반적인 지열원 히트펌프 냉난방장치는, 저온저압의 냉매가스를 압축하여 고온고압으로 변환하는 압축기(21)와, 실내측에 설치되고 냉매에 의해 실내를 냉방 또는 난방하도록 구성되는 실내 열교환기(23)와, 실외측에 설치되고 냉매의 열을 지중에서 얻은 열로 교환하도록 구성되는 실외 열교환기(25)와, 실내 열교환기(23)와 실외 열교환기(25) 사이에 설치되어 응축된 냉매를 저압으로 교축하는 팽창밸브(24)와, 냉매의 순환경로를 변경하는 4방밸브(22)와, 상기 각 구성들을 제어하여 냉방운전 또는 난방운전을 하도록 하는 제어부(10) 를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 실외 열교환기(25)는 지중에 매설된 지중열교환관(40)과 배관연결되어 수냉매의 순환경로를 형성하며, 순환펌프(41)에 의해 순환되는 수냉매에 의해 냉매와 열교환시킬 수 있는 것이다. 즉, 상기 실외 열교환기(25)에 의해 냉매와 열교환된 수냉매는 상기 지중열교환관(40)으로 이송되어 지중의 열에 의해 열교환되어 다시 상기 실외 열교환기(25)로 이송되는 것이다. 최근에 상기 지중열교환관(40)은 해수 또는 호수로부터 열교환이 이루어지게 구성되기도 하며, 지하수를 직접 순환시키게 구성되기도 한다.

먼저, 냉방운전시에 냉매의 순환경로를 살펴보면, 4방밸브(22)를 상기 도 1에 파선으로 도시된 경로로 제어하여 압축기(21)에 의해 압축된 냉매가스를 실외 열교환기(25)로 이송시킨다. 그리고, 압축된 냉매가스는 실외 열교환기(25)에서 지열로 열교환시켜 응축시키고, 응축된 냉매를 팽창밸브(24)로 팽창(교축)시켜 저온의 냉매로 변환한 후에 실내 열교환기(23)로 이송시킨다. 그러면, 실내 열교환기(23)는 저온의 냉매를 증발시켜 증발과정에서 실내를 냉방할 수 있는 것이며, 이때 냉방과정에서 얻게 되는 실내의 열에 의해 중온의 냉매가스로 변환되어 4방밸브를 경유하여 압축기(21)로 이송되는 것이다.

다음으로, 난방운전시에 냉매의 순환경로는, 4방밸브(22)가 상기 도 1에 실선으로 도시된 경로로 제어되어, 냉방운전시의 순환경로와 역순으로 이루어지므로, 냉매는 압축기(21), 실내 열교환기(23), 팽창밸브(24) 및 실외열교환기(25)의 순서로 순환된다. 이때에는, 실내 열교환기(23)가 응축기의 역할을 하여 응축과정에서의 열로 실내를 난방하고, 실외 열교환기(25)가 증발기의 역할을 하여 증발과정에서 지열로부터 열을 흡수할 수 있는 것이다.

또한, 상기 도 1의 종래기술을 살펴보면, 압축기(21)에 의해 압축된 고온고압의 냉매가스가 난방 열교환기(30)를 거쳐 4방밸브(22)로 이송되게 구성됨을 알 수 있다. 즉, 상기 난방 열교환기(30)는 난방 또는 급수 용도로 사용되는 축열조에 연설되어 고온고압의 냉매가스로부터 얻는 열로써 축열조에 열을 축적시킨다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치는 대기열이 아닌 지중열로써 실외 열교환기(25)에서 냉매를 열교환시키므로, 히트펌프 시스템을 가동하는 데에 필요한 전력을 대기열을 사용할 때보다는 절약할 수 있으며, 난방은 물론이고 냉방도 하나의 히트펌프 시스템으로 할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기에서 실외 열교환기(25)와 지중열교환관(40)은 통합하여 지중 열교환부라 칭할 수 있을 것이며, 실내 열교환기(23)는 부하측 열교환부라 칭할 수 있다.

이와 같이 히트펌프 장치는 지중 열교환부와 부하측 열교환부를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다.

상기와 같은 종래의 기술은 지중열교환관(40)을 지중에 매설하는 것이 일반적이며, 매설 방식의 지중열교환관은 지중과의 열교환 접촉면적이 작아 효율적으로 지열을 이용할 수 없다.

한편 본 발명자에 의하여 국내 특허등록 제10-0999400호 "지열을 이용한 히트펌프 시스템"이 제안된 바 있다.

이 시스템의 경우 제1수조 내지 제2수조의 물이 항온을 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 시민들이 주로 애용하는 지하철의 역사는 지상도 있지만 지하에 설치되는 것이 일반적이다. 상기 및 이하에서 지하철이란 협의의 지하철은 물론이며 경전철 등과 같은 광의의 지하철을 포함하는 의미이다.

지하철 역사 내지 본선의 유도배수 터널에서는 유출 지하수가 지속적으로 발생하며, 이를 위하여 각각의 지하철 역사의 저부에는 유출 지하수를 집수하여 배출하기 위한 집수조가 각각 마련된다.

이와 같이 집수조에 저장된 유출 지하수는 배수펌프 등에 의하여 하천 내지 하수도로 방류한다. 즉 유출 지하수는 대부분 폐기된다고 보아야 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고 대부분 폐기되는 지중으로부터 유출된 지하수의 지열원과 지열을 이용하여 히트펌프 시스템의 운전 효율을 향상시키기 위한 것으로, 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환부가 보다 효율적으로 지열을 이용할 수 있는 지하철 역사의 냉난방 시스템을 제안하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 지하에 마련되되, 유출 지하수가 저장되는 집수조가 저부에 각각 마련되며, 서로 원격지에 위치하는 다수의 지하철 역사 ; 상기 각각의 집수조마다 마련되는 배수펌프 ; 상기 각각의 배수펌프에 연결되어 해당 집수조의 유출 지하수를 외부로 배출하기 위하여 상부로 길게 마련되는 유출 지하수 배출배관 ; 상기 각각의 유출 지하수 배출배관의 상부마다 마련되는 배출용 밸브 ; 상기 다수의 지하철 역사를 따라 지하에 마련되는 공통 지하수 저장용 배관 ; 상기 공통 지하수 저장용 배관에서 분기되어 각각의 집수조에 상기 공통 지하수 저장용 배관에 저장된 유출 지하수를 공급하는 집수조 분기 배관 ; 상기 집수조 분기 배관마다 마련되는 지하수 공급 밸브 ; 상기 공통 지하수 저장용 배관에서 분기되어 상기 배출용 밸브의 하부에 위치한 상기 유출 지하수 배출배관의 상부에 각각 연결되도록 상부로 길게 마련되는 수두압용 연결 배관 ; 냉매를 압축하는 압축기(130) ; 상기 집수조에 마련되는 제1지중열교환부(140) ; 상기 집수조에 마련되는 제2지중열교환부(150) ; 부하측에 마련되는 부하측열교환부(160) ; 액화된 냉매가 저장되는 수액기(170) ; 상기 제1지중열교환부(140)의 제1단부와 상기 수액기(170)를 서로 연결시키는 제1냉매배관(210) ; 상기 제1냉매배관(210)에 마련되어 상기 제1지중열교환부(140)로부터 상기 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제1체크밸브(211) ; 상기 제1체크밸브(211)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제2냉매배관(220) ; 상기 제2냉매배관(220)에 마련되는 제2개폐밸브(221) ; 상기 제2냉매배관(220)에 마련되는 제2팽창밸브(222) ; 상기 부하측열교환부(160)의 제1단부와 상기 수액기(170)를 서로 연결시키는 제3냉매배관(230) ; 상기 제3냉매배관(230)에 마련되어 상기 부하측열교환부(160)로부터 상기 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제3체크밸브(231) ; 상기 제3냉매배관(230)에 마련되되 상기 부하측열교환부(160)와 상기 제3체크밸브(231) 사이에 마련되는 제3개폐밸브(232) ; 상기 제3체크밸브(232)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제4냉매배관(240) ; 상기 제4냉매배관(240)에 마련되는 제4개폐밸브(241) ; 상기 제4냉매배관(240)에 마련되는 제4팽창밸브(242) ; 상기 제2지중열교환부(150)의 제1단부와 상기 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키되, 상기 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는 상기 제3체크밸브(231)와 상기 제3개폐밸브(232) 사이인 제5냉매배관(250) ; 상기 제5냉매배관(250)에 마련되는 제5개폐밸브(251) ; 상기 제2지중열교환부(150)의 제2단부와 상기 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키되, 상기 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는 상기 제3개폐밸브(232)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제6냉매배관(260) ; 상기 제6냉매배관(260)에 마련되는 제6개폐밸브(261) ; 상기 압축기(130)의 입구와 상기 제5냉매배관(250)을 서로 연결시키되, 상기 제5냉매배관(250)에 연결되는 부위는 상기 제5개폐밸브(251)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제7냉매배관(270) ; 상기 제7냉매배관(270)에 마련되는 제7개폐밸브(271) ; 상기 제7냉매배관(270)과 상기 제6냉매배관(260)을 서로 연결시키되, 상기 제7냉매배관(270)에 연결되는 부위는 상기 제7개폐밸브(271)와 상기 압축기(130) 사이이며, 상기 제6냉매배관(260)에 연결되는 부위는 상기 제6개폐밸브(261)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제8냉매배관(280) ; 상기 제8냉매배관(280)에 마련되는 제8-1개폐밸브(281) ; 상기 제8냉매배관(280)에 마련되는 제8-2개폐밸브(282) ; 냉방 모드에서 상기 압축기(130)의 출구와 상기 제1지중열교환부(140)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 부하측열교환부(160)의 제2단부와 상기 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키며, 난방 모드에서 상기 압축기(130)의 출구와 상기 부하측열교환부(160)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 제1지중열교환부(140)의 제2단부와 상기 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키는 4방밸브(180) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 집수조는 다수의 구멍이 형성된 구획벽(115)에 의하여 제1수조(110)와 제2수조(120)로 구획되며, 상기 제1지중열교환부(140)는 상기 제1수조(110)에 마련되며, 상기 제2지중열교환부(150)는 상기 제2수조(120)에 마련되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 집수조의 항온성을 유지하기 위하여 각각의 지하철 역사를 위한 상수도 배관이 상기 집수조를 지나도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기부가 집수조를 매개하여 대부분 폐기되는 지중 유출 지하수를 이용하여 열교환함으로써 지하수 자원을 재활용하고 보다 효율적인 히트펌프 시스템을 구비한 지하철 역사의 냉난방 시스템을 제공하게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 계통 구성도,
도 2는 지하철 역사의 집수조 관련 구조물의 단면도,
도 3은 지하철 역사가 다른 지하철 역사와 연계되어 있는 상태를 도시한 단면예시도,
도 4는 본 발명에 의한 유출 지하수의 이용 방식을 보이는 배관 계통도,
도 5는 집수조 관련 구조물에서의 도 4의 상세 배관도,
도 6은 본 발명에 의한 일실시예가 적용된 히트펌프 시스템의 계통도,
도 7은 본 발명에 의한 일실시예의 여름철 작동도,
도 8은 본 발명에 의한 일실시예의 겨울철 작동도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저 지하철 역사의 일반적인 구조를 설명한다.

지하철 역사는 대부분의 구조물이 일반적으로 지하에 마련된다. 물론 지상위로 시설되는 구조물도 있지만, 본 발명에서의 집수조(400)는 지하철 역사의 저부에 시설된다.

도 2는 지하철 역사의 구조물 중 특히 집수조(400)와 관련된 구조를 보이는 단면도이다. 본 실시예에서 집수조(400)는 대략 지면으로부터 지하 30여 미터의 위치에 시공되어 있다.

한편 도 3은 다수의 지하철 역사들을 보이는 단면도이다.

각각의 지하철 역사들은 지하에 마련되며, 아울러 본선 터널을 통하여 다른 지하철 역사와 연결되어 있다. 일반적으로 지하철 역사간의 거리는 대략 800M ~ 1200M 정도이며, 서로 원격지에 위치하게 된다.

한편 지하철 역사와 그 주변의 본선 터널에서 발생되는 유출 지하수는 배수계통도에 의하여 인접한 지하철 역사의 집수조(400)에 집수 및 저장된다.

따라서 집수조(400)에 저장되는 유출 지하수는 지열에 의하여 비교적 항온성을 가지게 된다.

그러나 각각의 지하철 역사의 집수조에 집수되는 지하수의 양은 서로 다르며, 또한 아울러 날씨나 계절 등에 따라서도 유출 지하수의 발생량은 변동된다.

이와 같이 집수조(400)에 저장되는 유출 지하수의 양이 다르므로, 지하수량이 풍부한 집수조의 지하수를 도 4와 같은 배관계통도에 의하여 지하수량이 부족한 지하철 역사의 집수조로 공급함으로써 집수조가 항온을 유지하도록 본 발명이 적용된다.

이는 후술하는 히트펌프 시스템의 성능, 특히 제1지중열교환부(140) 및 제2지중열교환부(150)의 성능에 영향을 미치기 때문이다.

도 4는 본 발명에 의한 유출 지하수를 위한 배관 계통도이며, 도 5는 집수조 관련 구조물에서의 도 4의 상세 배관도이다.

지하철 역사마다 집수조(400)가 마련된다.

각각의 집수조(400)가 포함된 지하철 집수조 관련 시설물에는 저장된 유출 지하수를 배출하기 위한 배수펌프(410)가 마련된다.

아울러 배수펌프(410)에는 해당 집수조의 유출 지하수를 외부로 배출하기 위하여 상부로 길게 마련되는 유출 지하수 배출배관(420)이 마련된다.

이와 같은 배수펌프(410)(통상 수중펌프임.) 및 유출 지하수 배출배관(420) 등의 지하철 집수조 배수설비는 종래와 동일하게 설치된다.

한편, 유출 지하수 배출배관(420)의 상부에 배출용 밸브(430)가 마련된다.

상기와 같이 각각의 역사마다 마련되는 유출 지하수 배출배관(420)과 각각 연결되도록 공통 지하수 저장용 배관(440)이 마련된다.

공통 지하수 저장용 배관(440)은 지하철 역사 및 본선 터널을 따라 마련된다. 따라서 공통 지하수 저장용 배관(440)에 저장된 지하수는 유도배수터널의 배수계통도에 의하여 집수된 지하수로서 지하 30여 미터에 존재하므로 지하로부터 지열을 받아 항온성을 가지게 된다.

공통 지하수 저장용 배관(440)과 각각의 유출 지하수 배출배관(420)을 연결하기 위하여, 공통 지하수 저장용 배관(440)에서 분기되어 배출용 밸브(430)의 하부에 위치한 유출 지하수 배출배관(420)의 상부에 연결되도록 상부로 길게 수두압용 연결배관(470)이 마련된다.

아울러 공통 지하수 저장용 배관(440)에서 각각의 집수조(400)에 유출 지하수를 공급하기 위하여, 공통 지하수 저장용 배관(440)에서 분기되어 각각의 집수조(400)에 유출 지하수를 공급하는 집수조 분기 배관(450)이 마련되며, 각각의 집수조 분기 배관(450)에는 지하수 공급 밸브(460)가 마련되어 있다.

이와 같은 배관 상태에서, 공통 지하수 저장용 배관(440)과 각각의 수두압용 연결 배관(470)에는 유출 지하수가 저장된다.

즉 집수조(400)에 저장된 유출 지하수의 온도가 변화하거나 그 양이 많아지게 되면, 배출용 밸브(430)가 닫힌 상태에서 배수펌프(410)가 가동되며, 이에 의하여 집수조(400)의 유출 지하수가 유출 지하수 배출 배관(420)을 통하여 공통 지하수 저장용 배관(440) 및 다수의 수두압용 연결 배관(470)에 저장된다.

물론 다수의 수두압용 연결 배관(470)이 유출 지하수로 가득 차게 되면 배출용 밸브(430)가 열리게 되어 외부로 유출 지하수를 배출할 수 있다.

이와 같이 유출 지하수가 저장된 공통 지하수 저장용 배관(440)은 지하, 특히 지하철 터널을 따라 마련되므로 지온의 영향을 받게 되어 항온성을 가지게 된다.

이와 같이 항온성을 가지도록 공통 지하수 저장용 배관(440)에 저장된 유출 지하수는, 집수조(400)의 물이 부족하거나 그 온도가 이상 변화할 경우 해당 집수조에 저장된 유출 지하수를 공급하게 된다.

즉 해당 집수조(400)의 지하수 공급 밸브(460)를 열게 되면 공통 지하수 저장용 배관(440)에 저장된 유출 지하수가 집수조 분기 배관(450)을 따라 해당 집수조(400)에 공급되어 해당 집수조(400)가 항온성과 충분한 양을 가지도록 한다.

이때 각각의 집수조(400)의 배치 높이는 서로 달라질 수 있지만, 수두압용 연결 배관(470)에 물이 차 있는 상태이므로 별도의 펌프 없이도 지하수 공급 밸브(460)의 온오프 동작에 의해서만 집수조(400)에의 유출 지하수 공급이 가능하게 된다.

한편 집수조(400)의 항온성을 더욱 높이기 위하여 해당 지하철 역사에 필요한 상수도 배관(480)이 집수조(400)를 지나도록 할 수 있다. 이에 의하여 상수도 배관(480)을 지나는 상수도와 집수조(400)에 저장된 물이 서로 열교환함으로써 집수조(400)의 물이 더욱 항온성을 가질 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 일실시예가 적용된 히트펌프 시스템의 계통도이며, 도 7은 본 발명에 의한 일실시예의 여름철 작동도이며, 도 8은 본 발명에 의한 일실시예의 겨울철 작동도이다.

본 실시예의 주요 구성을 도 6을 참조하여 먼저 설명한 후 그 작동을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.

먼저 본 실시예의 주요 기기들을 설명한다.

지하철 역사의 저부에 마련되는 집수조(400)에 유출 지하수가 저장되어 있다. 집수조(400)의 물은 공통 지하수 저장용 배관(440)으로부터 보급되는 유출 지하수에 의하여 항온성을 가지게 된다. 집수조(400)는 본 실시예에서 제1수조(110)와 제2수조(120)로 구획되어 형성되낟.

즉 본 실시예에서는 집수조(400)가 다수의 구멍이 형성된 구획벽(115)에 의하여 제1수조(110) 및 상기 제2수조(120)로 구분된다.

따라서 제1수조(110)의 물과 제2수조(120)의 물은 서로 조금씩 유동하면서 열교환할 수 있는 상태이다.

아울러 제1수조(110) 및 제2수조(120)의 물은, 공통 지하수 저장용 배관(440)으로부터 보급되는 유출 지하수에 의하여 항온성을 가지게 된다.

제1수조(110)에 제1지중열교환부(140)가 마련되며, 아울러 제2수조(120)에 제2지중열교환부(150)가 마련된다.

그러나 집수조(400)는 구획벽(115)이 없는 단일 수조일 수 있으며, 이 경우 제1지중열교환부(140) 및 제2지중열교환부(150)는 하나의 집수조(400)에 마련된다.

제1,2지중열교환부(140, 150)는 물을 매개하여 열을 흡수/방출할 수 있기 때문에 그 열전달 효율이 매우 우수하다.

또한 비록 제1,2지중열교환부(140, 150)는 유출 지하수를 매개하여 지열을 이용하기 때문에 지중열교환부라 칭할 수 있다.

압축기(130)는 기체 상태의 냉매를 압축하게 된다.

부하측에 부하측열교환부(160)가 마련된다. 통상 실내열교환기가 부하측열교환부일 수 있다. 부하측열교환부(160)에 의하여 해당 지하철 역사의 냉난방이 수행된다.

액화된 냉매가 저장되는 수액기(170)가 마련된다.

아울러 4방밸브(180)가 마련된다.

제1지중열교환부(140)의 제1단부와 수액기(170)를 서로 연결시키는 제1냉매배관(210)이 마련된다.

제1냉매배관(210)에는 제1지중열교환부(140)로부터 상기 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제1체크밸브(211)가 마련된다.

제1체크밸브(211)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제2냉매배관(220)이 마련된다.

제2냉매배관(220)에는 제2개폐밸브(221) 및 제2팽창밸브(222)가 마련된다.

부하측열교환부(160)의 제1단부와 수액기(170)를 서로 연결시키는 제3냉매배관(230)이 마련된다.

제3냉매배관(230)에는 부하측열교환부(160)로부터 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제3체크밸브(231)가 마련된다.

아울러 제3냉매배관(230)에는 부하측열교환부(160)와 제3체크밸브(231) 사이에 제3개폐밸브(232)가 마련된다.

제3체크밸브(232)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제4냉매배관(240)이 마련된다.

상기 제4냉매배관(240)에 제4개폐밸브(241) 및 제4팽창밸브(242)가 마련된다.

제2지중열교환부(150)의 제1단부와 상기 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키는 제5냉매배관(250)이 마련된다.

제5냉매배관(250)이 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는, 제3체크밸브(231)와 상기 제3개폐밸브(232) 사이이다.

제5냉매배관(250)에 제5개폐밸브(251)가 마련된다.

제2지중열교환부(150)의 제2단부와 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키는 제6냉매배관(260)이 마련된다.

제6냉매배관(260)이 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는, 제3개폐밸브(232)와 제2지중열교환부(150) 사이이다.

제6냉매배관(260)에 제6개폐밸브(261)가 마련된다.

압축기(130)의 입구와 제5냉매배관(250)을 서로 연결시키는 제7냉매배관(270)이 마련된다.

제7냉매배관(270)이 제5냉매배관(250)에 연결되는 부위는, 제5개폐밸브(251)와 제2지중열교환부(150)사이이다.

제7냉매배관(270)에 제7개폐밸브(271)가 마련된다.

제7냉매배관(270)과 제6냉매배관(260)을 서로 연결시키는 제8냉매배관(280)이 마련된다.

제8냉매배관(280)이 제7냉매배관(270)에 연결되는 부위는, 제7개폐밸브(271)와 압축기(130) 사이이다.

또한 제8냉매배관(28)이 제6냉매배관(260)에 연결되는 부위는, 제6개폐밸브(261)와 제2지중열교환부(150) 사이이다.

제8냉매배관(280)에는 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282)가 마련된다.

이와 같은 냉매배관들에 대하여 4방밸브(180)는 제어부의 제어에 의하여 냉방 모드(여름철)와 난방 모드(겨울철)에 따라 서로 다른 냉매배관을 연통시키게 된다.

즉, 4방밸브(180)는 냉방 모드에서 압축기(130)의 출구와 제1지중열교환부(140)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 부하측열교환부(160)의 제2단부와 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키게 된다.

또한 4방밸브(180)는 난방 모드에서 압축기(130)의 출구와 부하측열교환부(160)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 제1지중열교환부(140)의 제2단부와 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키게 된다.

아울러 제2수조(120)의 물을 열원 매체로서 각종 부하에 공급한 후 상기 제1수조(110)로 회수하는 온수 공급 배관(320)이 마련된다.

온수 공급 배관(320)을 통하여 공급된 물은 부하측열교환부(160)의 제상을 위한 목적으로 공급되어 냉열을 흡수한 후 제1수조(110)로 회수된다.

상기와 같은 본 히트펌프 시스템의 동작을 설명한다.

여름철에 본 히트펌프 시스템은 냉방을 수행하게 된다(도 7 참조). 즉 부하측열교환부(160)는 실내에 냉열을 공급하게 된다.

이때 본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 압축 -> 응축 -> 팽창 -> 제1증발 -> 제2증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.

압축기(130)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 4방밸브(180)를 지나 제1지중열교환부(140)의 제2단부로 유입되어 제1지중열교환부(140)에서 응축된다.

이때 제1지중열교환부(140)는 비교적 낮은 온도를 유지하기 때문에 응축온도가 낮게 유지될 수 있으며, 따라서 성적계수(C.O.P = 냉동효과 / 압축일)가 매우 높아 매우 경제적인 운전이 가능하게 된다.

제1지중열교환부(140)에서 응축된 냉매는 제1냉매배관(210)을 지나 수액기(170)에 저장된다.

수액기(170)에 저장된 냉매는 제4냉매배관(240)을 지나면서 제4팽창밸브(242)에 의하여 팽창된 후 제3냉매배관(230)을 지나 부하측열교환부(160)에서 1차로 증발된다.

부하측열교환부(160)를 지난 냉매는 4방밸브(180)를 거쳐 제8냉매배관(280) 및 제6냉매배관(260)을 통하여 제2지중열교환부(150)의 제2단부로 유입된다.

냉매는 제2지중열교환부(150)에서 2차로 증발된다.

이때 제2지중열교환부(150)는 압축기(130)로 유입되는 냉매에 액상의 냉매가 존재하지 않도록 완전히 증발시키는 역할을 하게 되며, 이에 의하여 제2수조(120)의 물의 온도가 낮아지게 되며, 이에 연동하여 제1수조(110)의 물 또한 보다 낮은 온도로 유지될 수 있어, 결과적으로 제1수조(110)의 제1지중열교환부(140)에서 응축되는 냉매의 응축온도를 낮출 수 있어 전체적인 시스템의 효율을 상승시키게 된다.

제2지중열교환부(150)를 지난 냉매는 제7냉매배관(270)을 통하여 압축기(130)로 유입되며, 이후 과정은 앞서 설명한 싸이클을 반복하게 된다.

한편, 온수 공급 배관(320)은 제2수조(120)의 물이 각종 부하를 거치면서 냉열을 공급받아 냉각된 후 제1수조(110)로 회수함으로써 제1수조(110), 즉 집수조(400)의 물이 보다 낮은 온도를 유지할 수 있도록 한다.

겨울철에 본 히트펌프 시스템은 난방을 수행하게 된다(도 8 참조). 즉 부하측열교환부(160)는 실내에 온열을 공급하게 된다.

이때 본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 압축 -> 제1응축 -> 제2응축 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.

압축기(130)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 4방밸브(180)를 지나 부하측열교환부(160)의 제2단부로 유입되어 부하측열교환부(160)에서 먼저 응축된다.

즉, 부하측열교환부(160)는 응축기로서 기능하면서 실내에 온열을 공급하게 된다.

부하측열교환부(160)를 지난 냉매는 제6냉매배관(260)을 거쳐 제2지중열교환부(150)의 제2단부를 통하여 제2지중열교환부(150)로 유입된다.

이때 제2지중열교환부(150)는 부하측열교환부(160)에서 응축되지 않은 잔여 냉매를 완전히 응축시키게 된다.

제2지중열교환부(150)를 지난 냉매는 제5냉매배관(250) 및 제3냉매배관(230)을 거쳐 수액기(170)에 저장된다.

수액기(170)의 냉매는 제2냉매배관(220)의 제2팽창밸브(222)에서 팽창된 후 제1냉매배관(210)을 통하여 제1지중열교환부(140)로 유입된다.

제1지중열교환부(140)로 유입된 냉매는 증발하면서 제1수조(110), 즉 집수조(400)로부터 열을 흡수하게 되며, 이후 4방밸브(180) 및 제8냉매배관(280), 제7냉매배관(270)을 거쳐 압축기(130)로 유입된다.

이후에는 상기와 같은 싸이클이 반복된다.

한편, 온수 공급 배관(320)은 제2수조(120)의 물이 각종 부하를 거치면서 냉열을 공급받아 냉각된 후 제1수조(110)로 회수하도록 한다. 이에 의하여 제1수조(110)의 물은 더욱 냉각될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 제1수조 120 : 제2수조
130 : 압축기 140 : 제1지중열교환부
150 : 제2지중열교환부 160 : 부하측열교환부
170 : 수액기 180 : 4방밸브

Claims (3)

1. 지하에 마련되되, 유출 지하수가 저장되는 집수조가 저부에 각각 마련되며, 서로 원격지에 위치하는 다수의 지하철 역사 ;
   상기 각각의 집수조마다 마련되는 배수펌프 ;
   상기 각각의 배수펌프에 연결되어 해당 집수조의 유출 지하수를 외부로 배출하기 위하여 상부로 길게 마련되는 유출 지하수 배출배관 ;
   상기 각각의 유출 지하수 배출배관의 상부마다 마련되는 배출용 밸브 ;
   상기 다수의 지하철 역사를 따라 지하에 마련되는 공통 지하수 저장용 배관 ;
   상기 공통 지하수 저장용 배관에서 분기되어 각각의 집수조에 상기 공통 지하수 저장용 배관에 저장된 유출 지하수를 공급하는 집수조 분기 배관 ;
   상기 집수조 분기 배관마다 마련되는 지하수 공급 밸브 ;
   상기 공통 지하수 저장용 배관에서 분기되어 상기 배출용 밸브의 하부에 위치한 상기 유출 지하수 배출배관의 상부에 각각 연결되도록 상부로 길게 마련되는 수두압용 연결 배관 ;
   냉매를 압축하는 압축기(130) ;
   상기 집수조에 마련되는 제1지중열교환부(140) ;
   상기 집수조에 마련되는 제2지중열교환부(150) ;
   부하측에 마련되는 부하측열교환부(160) ;
   액화된 냉매가 저장되는 수액기(170) ;
   상기 제1지중열교환부(140)의 제1단부와 상기 수액기(170)를 서로 연결시키는 제1냉매배관(210) ;
   상기 제1냉매배관(210)에 마련되어 상기 제1지중열교환부(140)로부터 상기 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제1체크밸브(211) ;
   상기 제1체크밸브(211)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제2냉매배관(220) ;
   상기 제2냉매배관(220)에 마련되는 제2개폐밸브(221) ;
   상기 제2냉매배관(220)에 마련되는 제2팽창밸브(222) ;
   상기 부하측열교환부(160)의 제1단부와 상기 수액기(170)를 서로 연결시키는 제3냉매배관(230) ;
   상기 제3냉매배관(230)에 마련되어 상기 부하측열교환부(160)로부터 상기 수액기(170)로의 유동만을 허용하는 제3체크밸브(231) ;
   상기 제3냉매배관(230)에 마련되되 상기 부하측열교환부(160)와 상기 제3체크밸브(231) 사이에 마련되는 제3개폐밸브(232) ;
   상기 제3체크밸브(232)의 양단부에 마련된 배관을 서로 연결시키는 제4냉매배관(240) ;
   상기 제4냉매배관(240)에 마련되는 제4개폐밸브(241) ;
   상기 제4냉매배관(240)에 마련되는 제4팽창밸브(242) ;
   상기 제2지중열교환부(150)의 제1단부와 상기 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키되,
   상기 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는 상기 제3체크밸브(231)와 상기 제3개폐밸브(232) 사이인 제5냉매배관(250) ;
   상기 제5냉매배관(250)에 마련되는 제5개폐밸브(251) ;
   상기 제2지중열교환부(150)의 제2단부와 상기 제3냉매배관(230)을 서로 연결시키되,
   상기 제3냉매배관(230)에 연결되는 부위는 상기 제3개폐밸브(232)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제6냉매배관(260) ;
   상기 제6냉매배관(260)에 마련되는 제6개폐밸브(261) ;
   상기 압축기(130)의 입구와 상기 제5냉매배관(250)을 서로 연결시키되,
   상기 제5냉매배관(250)에 연결되는 부위는 상기 제5개폐밸브(251)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제7냉매배관(270) ;
   상기 제7냉매배관(270)에 마련되는 제7개폐밸브(271) ;
   상기 제7냉매배관(270)과 상기 제6냉매배관(260)을 서로 연결시키되, 상기 제7냉매배관(270)에 연결되는 부위는 상기 제7개폐밸브(271)와 상기 압축기(130) 사이이며, 상기 제6냉매배관(260)에 연결되는 부위는 상기 제6개폐밸브(261)와 상기 제2지중열교환부(150) 사이인 제8냉매배관(280) ;
   상기 제8냉매배관(280)에 마련되는 제8-1개폐밸브(281) ;
   상기 제8냉매배관(280)에 마련되는 제8-2개폐밸브(282) ;
   냉방 모드에서 상기 압축기(130)의 출구와 상기 제1지중열교환부(140)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 부하측열교환부(160)의 제2단부와 상기 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키며, 난방 모드에서 상기 압축기(130)의 출구와 상기 부하측열교환부(160)의 제2단부를 서로 연결시키며, 아울러 상기 제1지중열교환부(140)의 제2단부와 상기 제8-1개폐밸브(281)와 제8-2개폐밸브(282) 사이의 제8냉매배관(280)을 서로 연결시키는 4방밸브(180) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 지하철 역사의 냉난방 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 집수조는 다수의 구멍이 형성된 구획벽(115)에 의하여 제1수조(110)와 제2수조(120)로 구획되며, 상기 제1지중열교환부(140)는 상기 제1수조(110)에 마련되며, 상기 제2지중열교환부(150)는 상기 제2수조(120)에 마련되는 것을 특징으로 하는 지하철 역사의 냉난방 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 집수조의 항온성을 유지하기 위하여 각각의 지하철 역사를 위한 상수도 배관이 상기 집수조를 지나도록 배치되는 것을 특징으로 하는 지하철 역사의 냉난방 시스템.
   

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