KR20130058148A - Heating and cooling system using space in abandoned mine - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 특히 폐광의 채굴공간에 채워진 광산배수의 열을 이용하여 폐광 주변 시설을 냉방 및 난방하기 위한 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a cooling and heating system using geothermal heat, and more particularly to a cooling and heating system utilizing a closed mine mining space for cooling and heating facilities around the abandoned mine using the heat of mine drainage filled in the mining space of the abandoned mine.
최근 기후변화와 함께 고유가 시대로 접어들면서 신재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 신재생 에너지에 대한 개발과 보급이 확대되고 있으며 특히 지열을 이용한 냉난방 시스템이 각광받고 있다. Recently, as the high oil price era enters with climate change, interest in renewable energy is increasing. Accordingly, development and distribution of renewable energy is expanding, and geothermal heating and cooling systems are in the spotlight.
태양광 혹은 풍력 에너지 등 다른 신재생 에너지와는 달리 지열 에너지는 기후 조건에 영향을 받지 않는다는 이점이 있다. 또한, 지열 에너지 설비는 대규모 부지가 필요한 것도 아니어서 설치가 용이하며, 인근 주변에 환경을 오염시키지 않는다는 이점도 있다. 이에 가정집이나 주거지역, 수영장, 양식업 및 기타 산업시설에 지열 에너지의 사용이 급증할 것으로 예상된다. Unlike other renewables such as solar or wind energy, geothermal energy has the advantage that it is not affected by climatic conditions. In addition, geothermal energy installations do not require large-scale sites, so they are easy to install and do not pollute the environment in the vicinity. The use of geothermal energy in homes, residential areas, swimming pools, aquaculture and other industrial facilities is expected to increase rapidly.
한편 광산에는 여러 형태의 지열원이 있으나 타 지열원에 비해서 연구 또는 개발 사례가 미흡한 실정이다. 광산을 개발하면 개발 방식에 따라서 수갱, 사갱 그리고 지하 채굴공동 그리고 노천 채굴적이 형성되며 개발 심도도 매우 다양하다. On the other hand, there are many types of geothermal sources in mines, but there are few research or development cases compared to other geothermal sources. The development of mines creates shafts, dead mines, underground mining cavities, and open-pit mining, depending on the type of development.
광산개발이 완료되고 폐광이 되면, 양수 작업의 중단으로 채굴공동 및 갱도 등에 지하수나 강우가 유입되어 침수되고 현장 수리학적 특성으로 광산배수가 지표로 유출되기도 한다. 이러한 채굴공동의 광산배수는 지하 공간에 놓이므로 계절에 관계없이 일정한 온도를 유지한다. 즉, 폐광 내의 광산배수는 지열 에너지로를 보유하고 있으나, 이를 추출 활용하려는 연구 및 시도는 국내의 경우 극히 미흡한 실정이다.When the mine development is completed and the abandoned mine, groundwater or rainfall flows into the mining cavities and mines due to the interruption of the pumping work, and the mine drainage is leaked to the surface due to on-site hydraulic characteristics. Since the mine drainage of these mining cavities is placed in the underground space, it maintains a constant temperature regardless of the season. In other words, the mine drainage in the abandoned mine has a geothermal energy furnace, but studies and attempts to extract and use the mine are very insufficient in Korea.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐광 내의 광산배수를 열원으로 활용하여 폐광 주변 시설을 경제적으로 냉난방하기 위한 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a cooling and heating system utilizing a closed mine mine space for economically heating and cooling facilities around the abandoned mine by utilizing mine drainage in the abandoned mine as a heat source.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐쇄형 냉난방 시스템은, 폐광의 갱도, 채굴공간에 채워진 광산배수를 열원으로 하여 냉난방을 수행하기 위하여 폐광에 설치되는 것으로서, 상기 광산배수와 열전달유체가 상호 열교환할 수 있도록 상기 폐광 내의 광산배수가 채워진 영역을 통과하게 배치되며, 내부를 따라 상기 열전달유체가 유동하는 폐쇄형 파이프라인과, 상기 파이프라인의 양단과 각각 연결되며, 상기 열전달유체가 보유한 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행하기 위한 히트펌프를 구비한다. The closed air-conditioning system according to the present invention for achieving the above object is to be installed in the abandoned mine to perform cooling and heating by using the mine drainage filled in the mine, the mining space as a heat source, the mine drainage and heat transfer fluid mutual heat exchange It is arranged to pass through the region filled with mine drainage in the abandoned mine, the closed pipeline in which the heat transfer fluid flows along the inside, and connected to both ends of the pipeline, respectively, using the heat retained by the heat transfer fluid It is provided with a heat pump for cooling or heating.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 개방형 냉난방 시스템은 폐광의 갱도, 채굴공간에 채워진 광산배수를 열원으로 하여 냉난방을 수행하기 위하여 폐광에 설치되는 것으로서, 상기 폐광 내의 광산배수를 펌핑하여 인입하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 유입라인과, 상기 광산배수를 다시 상기 폐광으로 배출하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 배출라인을 구비하는 개방형 파이프라인과, 상기 유입라인을 통해 유입된 상기 광산배수와 열전달유체가 상호 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기에서 열교환된 상기 열전달유체가 보유한 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행하기 위한 히트펌프를 구비한다. Open air-conditioning system according to the present invention for achieving the above object is to be installed in the abandoned mine to perform the cooling and heating by using the mine drainage, the mine drainage filled in the mine, mining space as a heat source, in order to pump the mine drainage in the abandoned mine An open pipeline having an inlet line having one end installed in the abandoned mine, an outlet line having one end installed in the abandoned mine for discharging the mine drainage back to the abandoned mine, and the mine drainage introduced through the inflow line; A heat exchanger for heat exchange between the heat transfer fluid and a heat pump for cooling or heating using heat retained by the heat transfer fluid heat exchanged in the heat exchanger.
그리고, 개방형 냉난방 시스템에서는 열교환기 없이 광산배수가 히트펌프에 직접 유입되어 냉방 및 난방을 수행할 수 있다. In addition, in the open air conditioning system, the mine drainage is directly introduced into the heat pump without a heat exchanger to perform cooling and heating.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폐광 내에서 상호 분리된 별도의 채굴공간에 상기 유입라인과 배출라인이 분리되게 설치될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the inflow line and the discharge line may be separately installed in separate mining spaces separated from each other in the abandoned mine.
또한, 상기 광산배수의 온도는 10~20℃ 범위이다. In addition, the temperature of the mine drainage is in the range of 10 to 20 ° C.
본 발명에서는 폐광에 채워진 광산배수가 항온성을 유지하고 있다는 점을 이용하여, 이 열을 이용하여 계절에 따라 냉방 및 난방을 수행할 수 있으므로 매우 경제적인 에너지 활용이 가능하다는 이점이 있다. In the present invention, by utilizing the fact that the mine drainage filled in the abandoned mine maintains a constant temperature, it is possible to perform the cooling and heating according to the season using this heat, there is an advantage that it is very economical energy utilization is possible.
또한, 폐광에는 갱도 등이 기설치되어 있어 광산배수를 흡입 및 배출하기 위한 파이프라인의 설치가 용이하다는 이점이 있다. In addition, there is an advantage that the mine is installed in the abandoned mine, so that a pipeline for suctioning and discharging the mine drainage can be easily installed.
도 1은 폐광의 채굴공간을 활용한 폐쇄형 냉난방 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 폐광의 채굴공간을 활용한 개방형 냉난방 시스템의 개략적 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 개방형 냉난방 시스템의 다른 실시예에 대한 개략적 구성도이다.
도 4는 히트펌프의 원리를 설명하기 위한 개략적 모식도이다. 1 is a schematic configuration diagram of a closed air-conditioning system using a mining space of the abandoned mine.
2 is a schematic configuration diagram of an open air conditioning system using a mining space of a closed mine.
Figure 3 is a schematic diagram of another embodiment of the open air conditioning system shown in FIG.
4 is a schematic diagram for explaining the principle of the heat pump.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템(이하, '냉난방 시스템'이라 한다)에 대하여 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in more detail with respect to the heating and cooling system (hereinafter referred to as 'cooling and heating system') using the mining space mined in accordance with an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 냉난방 시스템은 크게 폐쇄형과 개방형의 2가지 형태로 구분할 수 있다. 우선, 도 1을 참조하여, 폐쇄형에 대하여 설명한다. 도 1은 폐광의 채굴공간을 활용한 폐쇄형 냉난방 시스템의 개략적 구성도이다.The heating and cooling system according to the present invention can be classified into two types, a closed type and an open type. First, with reference to FIG. 1, a closed type is demonstrated. 1 is a schematic configuration diagram of a closed air-conditioning system using a mining space of the abandoned mine.
도 1에 도시된 폐쇄형 냉난방 시스템은 폐광의 채굴공간(10)에 설치된다. 즉, 폐광의 갱도 또는 채굴공간에 채워진 광산배수를 열원으로 하여 냉난방을 수행하기 위하여, 본 발명에 따른 냉난방 시스템은 폐쇄형 파이프라인(21,22,23)과, 히트펌프(30)를 구비한다. The closed air conditioning system shown in FIG. 1 is installed in the
파이프라인의 양단은 후술할 히트펌프(30)에 연결되어 채굴공간(10) 내의 광산배수와는 상호 분리되게 이루어진다. 보다 구체적으로, 폐쇄형 파이프라인은 히트펌프(30)로부터 채굴공간(10)을 향해 열전달유체가 이송되는 유입라인(22)과, 유입라인(22)으로부터 연장되어 채굴공간(10) 내에서 열전달유체와 광산배수 사이에 열교환이 이루어지는 열교환라인(23) 및 열교환라인(23)으로부터 연장되어 다시 히트펌프(30)로 열전달유체를 이송하는 배출라인(21)으로 이루어진다. Both ends of the pipeline are connected to the
열교환라인(23)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 채굴공간(10) 내에서 접촉면적을 넓게 하여 광산배수와 열전달유체 사이에 충분하게 열교환이 이루어지게 하는 기능을 수행한다. As shown in FIG. 1, the
예컨대, 겨울철의 경우 광산배수의 온도는 대기 온도보다 고온이므로, 상대적으로 저온인 열전달유체는 파이프라인(21,22,23)을 통해 채굴공간(10)으로 유입되어 광산배수와 열교환되면서 광산배수와 동일하거나 약간 낮은 온도로 가열되어 히트펌프(30)로 배출된다. 거꾸로 여름철의 경우 상대적으로 고온인 열전달유체가 광산배수와 열교환되면서 광산배수와 동일하거나 약간 높은 온도로 냉각되어 히트펌프로 배출된다. For example, in winter, the temperature of the mine drainage is higher than the atmospheric temperature, so that the relatively low heat transfer fluid enters the
히트펌프(30)는 광산배수와 열교환을 통해 가열 또는 냉각된 열전달유체의 열을 이용하여 난방 또는 냉방을 수행한다. 히트펌프(30)는 공지의 장치로서 다양한 형태로 이루어지는데, 대표적인 형태의 히트펌프의 개략적 구성이 도 4에 도시되어 있다. The
도 4를 참조하면, 히트펌프(30)는 크게 증발기(evaporator), 압축기(compressor), 응축기(condenser) 및 팽창밸브(expansion valve)로 이루어진다. 증발기에서는 저온, 저압의 냉매(액체와 증기의 혼합상태)가 열전달유체로부터 열을 흡수한 후, 압축기에서는 증발기에서 이송된 냉매를 압축하여 고온, 고압의 증기로 형성한다. 압축기에서 배출된 고온, 고압의 증기는 응축기에서 열을 방출하여 난방에 쓰여지고 고압의 액체 상태로 팽창밸브로 이송된다. 팽창밸브에서는 액체 상태의 냉매가 팽창하여 저온, 저압의 증기와 액체 상태로 배출되어 다시 증발기로 유입되며 싸이클을 형성한다. Referring to FIG. 4, the
히트펌프는 저온의 열원(광산배수)에서 열을 흡수하여 고온의 수열체(실내공간, 온수 등)에 전송하는 역할을 한다. 압축기를 가동하기 위해서는 동력을 사용해야 하지만 사용된 동력보다 많은 열에너지를 공급하므로 냉난방시스템에 사용된다. 그리고 위에서 설명한 경우는 난방의 과정이었으며, 열전달유체를 역방향으로 순환시켜 싸이클을 형성하면 히트펌프는 냉방을 수행할 수 있다. The heat pump absorbs heat from a low temperature heat source (mine drainage) and transmits it to a high temperature heat receiving body (indoor space, hot water, etc.). Power is required to operate the compressor, but it is used in cooling and heating systems because it supplies more thermal energy than the power used. And the case described above was a process of heating, the heat pump can be cooled by circulating the heat transfer fluid in the reverse direction to form a cycle.
본 발명에서 광산배수는 채굴공간의 심도에 따라 차이가 있긴 하지만, 대략 10~20℃의 온도범위를 유지하며, COP가 6.5 정도 되는 히트펌프(30)에서는 이 열을 이용하여 대략 30~40℃의 난방수를 폐광지역에 공급할 수 있다. In the present invention, the mine drainage is different depending on the depth of the mining space, but maintains the temperature range of about 10 ~ 20 ℃, COP 6.5 is about 30 ~ 40 ℃ using this heat in the
상기한 정도의 온도를 지닌 난방수를 공급하기 위하여 본 발명과 같이 광산배수와 히트펌프를 이용한 방식은 천연가스를 이용하여 난방을 수행하는 종래의 방식에 비하여 에너지를 70% 이상 절감할 수 있으며, 이산화탄소 배출도 20~40%까지 축소할 수 있다는 이점이 있다. In order to supply heating water having the above-described temperature, the method using the mine drainage and the heat pump as in the present invention can reduce energy by 70% or more compared with the conventional method of heating by using natural gas, Carbon dioxide emissions can also be reduced by 20-40%.
상기한 구성의 폐쇄형 파이프라인을 이용한 냉난방시스템과 달리 광산배수를 직접 인입 및 방출시키는 개방형 파이프라인을 이용하여 냉난방시스템을 구성할 수도 있다.Unlike the air-conditioning system using the closed pipeline of the above-described configuration, it is also possible to configure the air-conditioning system using an open pipeline for directly introducing and discharging the mine drainage.
이러한 형태의 냉난방시스템이 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. A cooling and heating system of this type is shown in FIGS. 2 and 3.
도 2는 폐광의 채굴공간을 활용한 개방형 냉난방 시스템의 개략적 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 개방형 냉난방 시스템의 다른 실시예에 대한 개략적 구성도이다. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an open air conditioning system using a mining space of a closed mine, and FIG. 3 is a schematic configuration diagram of another embodiment of the open air conditioning system shown in FIG.
도 2 및 도 3을 참조하면, 개방형 파이프라인을 구비하는 냉난방 시스템은 유입라인(41)과 배출라인(42)을 구비한다. 유입라인(41)의 일단부는 광산배수가 채워진 채굴공간(10,12)에 배치되어 펌프 등을 통해 광산배수를 유입라인(41)으로 직접 유입시켜 열교환기(43)로 이송시킨다. 2 and 3, a heating and cooling system having an open pipeline includes an
그리고 열교환기(43)에서는 히트펌프(30)에서 싸이클을 형성하며 순환되는 열전달유체와 광산배수 사이에 열교환이 이루어진다. 충분한 시간 동안 열교환이 이루어지면, 광산배수는 배출라인(42)을 통해 다시 채굴공간(10,11)으로 배출된다. In the
채굴공간(10,11,12)은 일종의 열 저장조로서 언제나 항온을 유지하므로 광산배수와 열전달유체 사이의 열교환으로 인해 온도가 변하지는 않는다. The mining space (10, 11, 12) is a kind of heat storage tank and always maintains a constant temperature, so the temperature does not change due to heat exchange between the mine drainage and the heat transfer fluid.
상기한 바와 같이, 개방형 열교환기의 경우 광산배수를 직접 열교환기로 인입하여 열교환을 하기 때문에 열전달효율이 증대되는 효과가 있다. As described above, in the case of the open heat exchanger, heat transfer efficiency is increased because the mine drainage is directly introduced into the heat exchanger to perform heat exchange.
도 2 및 도 3의 실시예가 상호 다른 점은, 도 2에 도시된 실시예의 경우 광산배수를 인입하기 위한 채굴공간과 배출하기 위한 채굴공간이 서로 분리되어 있다는 점이다. 즉, 도 2의 경우 단일 채굴공간에서 인입 및 배출이 모두 이루어지는 반면, 도 3의 경우 복수의 채굴공간에서 별도로 이루어진다. 2 and 3 are different from each other, in the case of the embodiment shown in FIG. 2, the mining space for introducing the mine drainage and the mining space for discharging are separated from each other. That is, in FIG. 2, both the inlet and the outlet are made in a single mining space, whereas in FIG. 3, the inlet and the outlet are made separately in a plurality of mining spaces.
중요한 점은, 열교환 후에 광산배수를 배출할 때에는 광산배수를 인입할 때의 심도보다 깊다는 점이다. 지하의 온도는 하부로 갈수록 높아지기 때문에(대략 100m당 2~3℃) 배출된 광산배수가 다시 평균온도로 가열되기 위해서는 심도가 깊은 곳으로 배출되는 것이 유리하기 때문이다. Importantly, when draining the mine drainage after heat exchange, it is deeper than the depth at which the mine drainage is introduced. Because the temperature in the basement increases to the bottom (approximately 2-3 ° C per 100m), it is advantageous that the discharged mine drainage is discharged to a deep depth in order to be heated to the average temperature again.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서 히트펌프(30)의 구성은 도 1을 참조하여 설명한 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 2 and 3, the configuration of the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 개방형 또는 폐쇄형 파이프라인 및 열교환기를 이용하여 광산배수의 열을 히트펌프에 공급함으로써 폐광지역에 경제적으로 냉난방을 수행할 수 있다.As described above, in the present invention, by using heat of an open or closed pipeline and a heat exchanger, the heat of the mine drainage is supplied to the heat pump, thereby economically heating and cooling the abandoned mine area.
폐광의 갱도나 채굴공간은 하수나 강우에 의하여 광산배수로 채워지며, 지하 심부에 위치하여 항온성을 유지하므로 히트펌프를 이용하여 냉난방을 수행하기에 매우 적합한 조건이다. 또한 채굴공간까지 통하는 갱도가 이미 형성되어 있으므로 파이프라인을 설치하는 것도 용이하므로 설치에서도 경제적이라는 이점이 있다. The tunnel or mining space of the abandoned mine is filled with mine drainage by sewage or rainfall, and is located in the basement and maintains constant temperature, so it is a very suitable condition for heating and cooling using a heat pump. In addition, since the tunnel leading to the mining space is already formed, it is easy to install the pipeline, so there is an advantage in economical installation.
이에 본 발명에 따른 냉난방 시스템을 이용하여 폐광지역에서 경제적인 에너지 이용이 가능할 것으로 기대된다. Therefore, it is expected that economical energy use is possible in the abandoned mine area by using the heating and cooling system according to the present invention.
Claims (5)
상기 광산배수와 열전달유체가 상호 열교환할 수 있도록 상기 폐광 내의 광산배수가 채워진 영역을 통과하게 배치되며, 내부를 따라 상기 열전달유체가 유동하는 폐쇄형 파이프라인과,
상기 파이프라인의 양단과 각각 연결되며, 상기 열전달유체가 보유한 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행하기 위한 히트펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템. It is installed in the abandoned mine in order to perform cooling and heating using the mine drainage filled in the mine of mine, the mining space as a heat source,
A closed pipeline in which the mine drainage and the heat transfer fluid pass through a region filled with the mine drainage in the abandoned mine, and the heat transfer fluid flows along the inside thereof;
And a heat pump connected to both ends of the pipeline and configured to perform cooling or heating using heat retained by the heat transfer fluid.
상기 폐광 내의 광산배수를 펌핑하여 인입하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 유입라인과, 상기 광산배수를 다시 상기 폐광으로 배출하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 배출라인을 구비하는 개방형 파이프라인과,
상기 유입라인을 통해 유입된 상기 광산배수와 열전달유체가 상호 열교환시키는 열교환기와,
상기 열교환기에서 열교환된 상기 열전달유체가 보유한 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행하기 위한 히트펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템. It is installed in the abandoned mine in order to perform cooling and heating using the mine drainage filled in the mine of mine, the mining space as a heat source,
An open pipeline having an inflow line having one end installed in the abandoned mine for pumping in and drawing out the mine drainage in the abandoned mine, and an exhaust line having one end installed in the abandoned mine for discharging the mine drainage back to the abandoned mine;
A heat exchanger for exchanging heat between the mine drainage and the heat transfer fluid introduced through the inlet line;
And a heat pump for cooling or heating by using the heat retained by the heat transfer fluid heat-exchanged in the heat exchanger.
상기 폐광 내의 광산배수를 펌핑하여 인입하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 유입라인과, 상기 광산배수를 다시 상기 폐광으로 배출하기 위하여 일단부가 상기 폐광 내에 설치되는 배출라인을 구비하는 개방형 파이프라인과,
상기 유입라인을 통해 유입된 상기 광산배수가 보유한 열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행하기 위한 히트펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템. It is installed in the abandoned mine in order to perform cooling and heating using the mine drainage filled in the mine of mine, the mining space as a heat source,
An open pipeline having an inflow line having one end installed in the abandoned mine for pumping in and drawing out the mine drainage in the abandoned mine, and an exhaust line having one end installed in the abandoned mine for discharging the mine drainage back to the abandoned mine;
And a heat pump for cooling or heating by using the heat retained by the mine drainage introduced through the inflow line.
상기 유입라인이 설치되는 상기 폐광 내의 채굴공간과, 상기 배출라인이 설치되는 상기 폐광 내의 채굴공간은 상호 분리되어 있는 별도의 공간인 것을 특징으로 하는 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템. The method according to claim 2 or 3,
The mining space in the abandoned mine in which the inflow line is installed, and the mining space in the abandoned mine in which the discharge line is installed are separate spaces separated from each other.
상기 광산배수의 온도는 10~20℃ 범위인 것을 특징으로 하는 폐광산 채굴공간을 활용한 냉난방 시스템. 4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The temperature of the mine drainage is a heating and cooling system utilizing the mining space of the mining mine, characterized in that the range of 10 ~ 20 ℃.
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