KR20130052324A - 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

지열 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수의 온도가 기준온도의 오차범위 이내일 때, 열교환된 물이 관정으로 리턴되고, 리턴관의 토출구가 관정의 하단에 배치되며, 축열조에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프의 구동 주파수를 달리하는 지열히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 관정(50)의 내부에 심정펌프(51)가 배치되고, 심정펌프(51)의 토출관(L1)에 제 1 삼방밸브(V1)가 연결되고, 제 1 삼방밸브(V1)에 히트펌프장치(60)의 제 1 열교환기(61)로 지하수를 공급하기 위한 공급관(L2)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 1 분기관(L5)이 각각 연결되어, 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수가 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61) 또는 물탱크(80) 중 어느 한 곳으로 공급되거나 제 1 열교환기(61)와 물탱크(80)로 분배 공급되고, 제 1 열교환기(61)의 배출관(L3)에 제 2 삼방밸브(V2)가 연결되고, 제 2 삼방밸브(V2)에 관정(50)의 내부로 연장되는 리턴관(L4)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 2 분기관(L6)이 연결되어, 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 지하수가 물탱크(80)와 관정(50) 중 어느 한 곳으로 공급되며, 리턴관(L4)의 토출구가 관정(50)의 하단에 배치되고, 심정펌프(51)가 1/2 수면높이 지점(S/2)보다 높게 배치되고, 히트펌프장치(60)가 압축기(62), 제 1 열교환기(61), 팽창수단(63), 제 2 열교환기(64)로 구성되고, 제 2 열교환기(64)에서 냉매가 축열조(70)의 열매체와 열교환되며, 축열조(70)에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프(51)의 구동 주파수를 달리하는 것을 특징으로 한다.

Description

지열 히트펌프 시스템{GEOTHEMAL HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 개방형 지열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수의 온도가 기준온도의 오차범위 이내일 때, 열교환된 물이 관정으로 리턴되고, 리턴관의 토출구가 관정의 하단에 배치되며, 축열조에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프의 구동 주파수를 달리하는 지열히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 지열 히트펌프 시스템은 밀폐형과 개방형으로 구분된다.
도 1을 참조하면, 개방형 지열히트펌프 시스템은 시추된 관정(3)의 내부에 심정펌프(4)와 공급관(5)이 배치되어, 지하수가 공급관(5)을 통해 지상에 설치된 히트펌프(10)의 제 1 열교환기(12)로 공급되어, 제 1 열교환기(12)에서 열교환된 후, 배출관(6)을 통해 관정(3)으로 리턴된다.
미설명한 도면부호 11는 히트펌프(10)의 구성요소인 압축기이고, 도면부호 13은 히트펌프(10)의 구성요소인 팽창밸브이며, 도면부호 14는 히트펌프(10)의 구성요소인 제 2 열교환기이다.
상기와 같이 구성된 종래의 개방형 지열히트펌프 시스템은 관정에 채워진 지하수의 온도에 상관없이 제 1 열교환기(12)에서 열교환된 지하수가 그대로 관정으로 다시 리턴되기 때문에, 겨울에 관정에 채워진 지하수의 온도가 제 1 열교환기(겨울에 증발기로 사용됨)의 증발 온도보다 낮게 되거나, 지하수가 응결온도에 도달됨으로써, 작동불능 상태에 도달할 수 있는 위험이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수의 온도가 기준온도의 오차범위를 벗어나면, 제 1 열교환기에서 열교환된 물이 물탱크로 공급되고, 오차범위 이내이면, 관정으로 리턴되며, 리턴관의 토출구가 관정의 하단에 배치되어, 제 1 열교환기에서 열교환된 물이 리턴관을 통해 관정의 하단으로 토출됨으로써, 열교환된 물이 다시 펌핑되기 전에 대류에 의해 관정에 저장된 지하수의 온도로 복원될 수 있고, 축열조에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프의 구동 주파수를 달리하여, 펌핑되는 지하수 유량을 조정함으로써, 심정펌프를 구동하기 위한 에너지를 절감할 수 있는 지열히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 관정의 내부에 심정펌프가 배치되고, 심정펌프의 토출관에 제 1 삼방밸브가 연결되고, 제 1 삼방밸브에 히트펌프장치의 제 1 열교환기로 지하수를 공급하기 위한 공급관과 물탱크로 지하수를 공급하기 위한 제 1 분기관이 각각 연결되어, 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수가 제 1 삼방밸브에 의해 제 1 열교환기 또는 물탱크 중 어느 한 곳으로 공급되거나 제 1 열교환기와 물탱크로 분배되고, 제 1 열교환기의 배출관에 제 2 삼방밸브가 연결되고, 제 2 삼방밸브에 관정의 내부로 연장되는 리턴관과 물탱크로 지하수를 공급하기 위한 제 2 분기관이 연결되어, 제 1 열교환기에서 열교환된 지하수가 물탱크와 관정 중 어느 한 곳으로 공급되며, 리턴관의 토출구가 관정의 하단에 배치되고, 심정펌프가 1/2 수면높이 지점보다 높게 배치되고, 히트펌프장치가 압축기, 제 1 열교환기, 팽창수단, 제 2 열교환기로 구성되고, 제 2 열교환기에서 냉매가 축열조의 열매체와 열교환되며, 축열조에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프의 구동 주파수를 달리하는 것을 특징으로 한다.
상기 관정은 기존에 천공된 우물(폐 우물 포함)을 그대로 사용하거나,관정 케이싱을 이용하여 지하대수층까지 더 깊게 천공할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 심정펌프는 외기 온도가 영하인 상태에서 히트펌프장치가 작동할 때에는 히트펌프장치의 구동조건에 따라 구동되고, 외기 온도가 영하인 상태에서 히트펌프장치가 작동하지 않을 경우, 배관이 어느 것을 방지하기 위해 일정시간마다 자동으로 지하수를 제 1 열교환기를 통해 물탱크로 펌핑하게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수의 온도를 측정함으로써, 측정온도가 기준온도의 오차범위를 벗어나면, 제 1 삼방밸브에 의해 제 1 열교환기에서 열교환된 물이 물탱크로 공급되고, 측정온도가 기준온도의 오차범위 이내이면, 제 1 삼방밸브에 의해 제 1 열교환기에서 열교환된 물이 관정으로 리턴되는 것을 특징으로 한다.
상기 리턴관의 토출구는 관정의 하단에 배치되고, 심정펌프는 1/2 수면높이지점보다 높은 위치게 배치되는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해, 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 기존에 천공된 우물(폐 우물 포함)을 활용할 수 있고, 지하수를 생활 용수로 쓸 수 있으며, 히트펌프장치의 제 1 열교환기에서 열교환된 물이 관정으로 리턴됨으로써, 지하수가 낭비되는 것을 방지할 수 있고, 지하수의 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 축열조의 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프의 구동 주파수를 달리함으로써, 심정펌프에 의해 지하수가 과도하게 펌핑되는 것을 방지할 수 있어, 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 개방형 지열히트펌프 시스템을 도시한 개략 구성도
도 2는 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템을 도시한 개략 구성도
본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 관정(50 ; 우물)의 내부에 심정펌프(51)가 배치되고, 심정펌프(51)의 토출관(L1)에 제 1 삼방밸브(V1)가 연결되고, 제 1 삼방밸브(V1)에 히트펌프장치(60)의 제 1 열교환기(61)로 지하수를 공급하기 위한 공급관(L2)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 1 분기관(L5)이 각각 연결되어, 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수가 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61) 또는 물탱크(80) 중 어느 한 곳으로 공급되거나 제 1 열교환기(61)와 물탱크(80)로 분배 공급되고, 제 1 열교환기(61)의 배출관(L3)에 제 2 삼방밸브(V2)가 연결되고, 제 2 삼방밸브(V2)에 관정(50)의 내부로 연장되는 리턴관(L4)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 2 분기관(L6)이 연결되어, 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 지하수가 물탱크(80)와 관정(50) 중 어느 한 곳으로 공급되며, 리턴관(L4)의 토출구가 관정(50)의 하단에 배치되고, 심정펌프(51)가 1/2 수면높이 지점(S/2)보다 높게 배치되고, 히트펌프장치(60)가 압축기(62), 제 1 열교환기(61), 팽창수단(63), 제 2 열교환기(64)로 구성되고, 제 2 열교환기(64)에서 냉매가 축열조(70)의 열매체와 열교환되며, 축열조(70)에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프(51)의 구동 주파수를 달리한다.
상기 관정(50)은 기존에 천공된 우물(폐 우물 포함)을 그대로 사용하거나,관정 케이싱을 이용하여 지하대수층까지 더 깊게 천공될 수 있다.
상기 심정펌프(51)는 외기 온도가 영하인 상태(겨울철)에서 히트펌프장치(60)가 작동할 때에는 히트펌프장치(60)의 구동조건에 따라 구동되고, 외기 온도가 영하인 상태(겨울철)에서 히트펌프장치(60)가 작동하지 않을 경우, 배관이 어느 것을 방지하기 위해 일정시간마다 자동으로 지하수를 제 1 열교환기(61)를 통해 물탱크(80)로 펌핑하게 된다. 예를 들어, 외기 온도가 -0℃ ~ -3℃일 경우, 20분에 한 번씩 심정펌프(51)가 지하수를 펌핑하게 되고, -3℃ ~ -5℃일 경우, 15분에 한 번씩 심정펌프(51)가 지하수를 펌핑하게 된다.
상기 히트펌프장치(60)는 하절기에 제 1 열교환기(61)가 응축기로 사용되고, 제 2 열교환기(64)가 증발기로 사용되어, 냉매가 압축기(62), 제 1 열교환기(61), 팽창수단(63) 및 제 2 열교환기(64) 순으로 순환됨으로써, 제 1 열교환기(61)에서 냉매가 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수와 열교환에 의해 응축되고, 제 2 열교환기(64)에서 냉매가 축열조(70)의 열매체와 열교환에 의해 증발되어, 축열조(70)에 냉열이 저장된다. 그리고, 상기 히트펌프장치(60)는 동절기에 제 1 열교환기(61)가 증발기로 사용되고, 제 2 열교환기(64)가 응축기로 사용되어, 냉매가 압축기(62), 제 2 열교환기(64), 팽창수단(63) 및 제 1 열교환기(61) 순으로 순환됨으로써, 제 1 열교환기(61)에서 냉매가 지하수와 열교환에 의해 증발되고, 제 2 열교환기(64)에서 냉매가 축열조(70)의 열매체와 열교환에 의해 응축되어, 축열조(70)에 온열이 저장된다.
상기 축열조(70)는 냉열 또는 온열 등을 저장하기 위한 것으로서, 이미 잘 알려져 있어, 여기서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 물탱크(80)는 제 1 또는 제 2 분기관(L5, L6)을 통해 지하수를 공급받고, 저장된 지하수를 급수펌프(81)를 이용하여 가정의 생활용수로 공급할 수 있으며, 퇴수관(L7)을 통해 저장된 지하수를 외부로 배출할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 관정(50)에 심정펌프(51)가 설치되면, 관정(50)의 지하수 온도를 측정하여 기준온도로 설정한다. 일반적으로, 지하수는 지하 100m를 기준으로 15℃ 내외로 계절에 상관없이 거의 일정하다. 만약, 하절기와 동절기의 지하수의 온도차가 2℃ 이상일 경우, 난방과 냉방에 따라 지하수의 기준온도를 달리 설정한다.
그리고, 심정펌프(51)의 토출관(L1)에 온도센서(90)가 장착되어, 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수의 온도를 측정함으로써, 측정온도가 기준온도(15℃)의 오차범위(±2℃)를 벗어나면, 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 물이 물탱크(80)로 공급되고, 측정온도가 기준온도(15℃)의 오차범위(±2℃) 이내이면, 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 물이 관정(50)으로 리턴된다.
여기서, 상기 리턴관(L4)의 토출구가 관정(50)의 하단에 배치되어, 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 물이 리턴관(L4)을 통해 관정(50)의 하단으로 토출되면, 대류에 의해 관정(50)에 저장된 지하수의 온도로 복원된다. 이때, 심정펌프(51)가 1/2 수면높이지점(S/2)보다 높은 위치게 배치됨으로써, 리턴관(L4)을 통해 관정(50)의 하단으로 토출된 물이 대류에 의해 관정(50)에 저장된 지하수의 온도로 충분히 복원된 후, 심정펌프(51)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 축열조(70)에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프(51)의 구동 주파수를 달리하는 것은 축열조(70)에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값이 작을 경우, 제 2 열교환기(64)에서 열교환량에 비례하여 제 1 열교환기(61)의 열교환량이 적어지기 때문에, 제 1 열교환기(61)에서 열교환에 필요한 지하수의 유량을 비례적으로 연산하여, 심정펌프(51)의 구동 주파수를 변경한다. 예를 들어, 축열조(70)의 설정온도가 30℃이고 측정온도가 25℃ 이하일 때는 최고 주파수(60hz)로 심정펌프(61)가 구동되고, 히트펌프장치(60)가 작동을 시작하거나 작동을 멈출 때 심정펌프(61)도 같이 작동을 시작하거나 작동을 멈추게 되며, 축열조(70)의 측정온도가 26℃일 경우, 심정펌프(61)가 56Hz로 구동될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 관정의 지하수 온도가 일정하게 유지되고, 제 1 열교환기에 의해 열교환된 물이 관정으로 회수되어 지하수의 낭비를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 지열을 히트펌프장치를 이용하여 축열조에 저장할 수 있어, 축열조에 저장되는 열을 냉난방(급탕 포함)에 사용할 있으며, 축열조의 온도에 따라 펌핑되는 지하수 유량을 조정함으로써, 심정펌프를 구동하기 위한 에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 지열히트펌프 시스템은 기존에 천공된 우물(폐 우물 포함)을 활용할 수 있고, 지하수를 생활 용수로 쓸 수 있는 장점이 있다.
50 : 관정 51 : 심정펌프
60 : 히트펌프장치 70 : 축열조
80 : 물탱크

Claims (5)

  1. 관정(50)의 내부에 심정펌프(51)가 배치되고, 심정펌프(51)의 토출관(L1)에 제 1 삼방밸브(V1)가 연결되고, 제 1 삼방밸브(V1)에 히트펌프장치(60)의 제 1 열교환기(61)로 지하수를 공급하기 위한 공급관(L2)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 1 분기관(L5)이 각각 연결되어, 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수가 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61) 또는 물탱크(80) 중 어느 한 곳으로 공급되거나 제 1 열교환기(61)와 물탱크(80)로 분배 공급되고, 제 1 열교환기(61)의 배출관(L3)에 제 2 삼방밸브(V2)가 연결되고, 제 2 삼방밸브(V2)에 관정(50)의 내부로 연장되는 리턴관(L4)과 물탱크(80)로 지하수를 공급하기 위한 제 2 분기관(L6)이 연결되어, 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 지하수가 물탱크(80)와 관정(50) 중 어느 한 곳으로 공급되며, 리턴관(L4)의 토출구가 관정(50)의 하단에 배치되고, 심정펌프(51)가 1/2 수면높이 지점(S/2)보다 높게 배치되고, 히트펌프장치(60)가 압축기(62), 제 1 열교환기(61), 팽창수단(63), 제 2 열교환기(64)로 구성되고, 제 2 열교환기(64)에서 냉매가 축열조(70)의 열매체와 열교환되며, 축열조(70)에서 측정한 측정온도와 설정온도의 차이값에 따라 심정펌프(51)의 구동 주파수를 달리하는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관정(50)은 기존에 천공된 우물(폐 우물 포함)을 그대로 사용하거나,관정 케이싱을 이용하여 지하대수층까지 더 깊게 천공할 수 있는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 심정펌프(51)는 외기 온도가 영하인 상태에서 히트펌프장치(60)가 작동할 때에는 히트펌프장치(60)의 구동조건에 따라 구동되고, 외기 온도가 영하인 상태에서 히트펌프장치(60)가 작동하지 않을 경우, 배관이 어느 것을 방지하기 위해 일정시간마다 자동으로 지하수를 제 1 열교환기(61)를 통해 물탱크(80)로 펌핑하게 되는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 심정펌프(51)에 의해 펌핑되는 지하수의 온도를 측정함으로써, 측정온도가 기준온도의 오차범위를 벗어나면, 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 물이 물탱크(80)로 공급되고, 측정온도가 기준온도의 오차범위 이내이면, 제 1 삼방밸브(V1)에 의해 제 1 열교환기(61)에서 열교환된 물이 관정(50)으로 리턴되는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 리턴관(L4)의 토출구는 관정(50)의 하단에 배치되고, 심정펌프(51)는 1/2 수면높이지점(S/2)보다 높은 위치게 배치되는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프 시스템.
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