KR20140005087U - 개방형 지열을 이용한 건물의 냉난방 시스템 방법 - Google Patents

개방형 지열을 이용한 건물의 냉난방 시스템 방법 Download PDF

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Abstract

본 고안을 통하여 이루고자 하는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방시스템은 개방형 지중열교환기의 열원을 직접 부하측 건물에 공급할 수 있도록 시스템을 구성함과 동시에 개방형 지중열교환기의 열원을 히트펌프에서 열교환하여 직접 부하측 건물에 공급할 수있도록 시스템을 구성하고 또한 히트펌프에서 열교환 열원을 버퍼탱크에 저장하여 부하측 건물로 공급하는 시스템을 모두 갖추게 시스템을 구성하는 방법이다. 이러한 방법을 이루어 내기 위하여 개방형 지중열교환기의 공급헤더(3)와 판형열교환기(5) 사이의 배관사이에 삼방변 1(11) 및 일부 배관을 추가하며 또한 히트펌프(7)의 출구배관과 축열조(9) 입구 사이에 삼방변 2(12) 및 일부 배관을 추가하여 추가된 배관들을 서로 연결하여 부하측 건물 의 냉온수 순환펌프(10) 토출배관에 연결한다.
또한 부하측 건물의 환수배관중 축열조(9)로 환수되기 전에 삼방변 3(13) 및 일부배관을 추가설치하여 축열조(9)와 히트펌프(7)사이의 축열순환펌프(8) 흡입전에 삼방변 4(14) 및 일부배관을 설치하여 연결한후 지중열 환수헤더(4)와 판형열교환기(5) 사이의 배관에 연결하여 순환유체를 각각의 삼방변(11~14)의 동작상태에 따라 도2 ~ 도4와 같이 부하측 건물에 공급되는 열원 공급 방식이 다르게 냉난방 을 구성하는 방법이다.

Description

개방형 지열을 이용한 건물의 냉난방 시스템 방법 {House of facilities with open ground yeolyeol exchangers heating and cooling systems}
본 고안은 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템에서 봄, 가을 및 초여름에 보다 효율적인 냉난방을 하기위한 방법으로 낮에는 냉방을 하고 밤에는 난방을 하는데 있어서 기존 사용하여 오던 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템들 보다 효율적으로 운전하고 운전비용을 최소화하여 수익을 높이기 위한 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템을 구축하기 위한 방법이다
개방형 지중열교환기를 이용한 냉난방 시스템을 도입하여 부하측 건물에 설치 및 운영되고 있는 이때, 현재까지 부하측 건물에서 도입되어 사용되고 있는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템의 운전방법은 개방형 지중열교환기에서 심정펌프를 이용하여 유체를 판형열교환기로 이송하여 1차 열교환하여 다시 개방형 지중열교환기로 환수되고 이때 지중열 순환펌프를 이용하여 판형열교환기에서 열교환 된 유체를 히트펌프로 이송하여 2차 열교환 하게 된다. 이렇게 열교환된 유체를 일종의 축열조에 저장하며 부하측 건물에 필요시 냉온수 순환펌프를 통하여 축열조에 저장된 유체를 부하측 건물로 이송하여 부하측 건물 내부에 냉난방을 하는 것이 현재 부하측 건물의 냉난방 시스템의 통상적인 운전방법의 하나이다.
위와 같은 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템의 단점을 보완하기 위하여 축열조는 그 계절에 맞게 냉방(여름),난방(겨울)이 주 축냉열을 저장하여 부하측 건물에 냉난방을 하느것이 주원칙이다.
또한 축열조를 거치지 않고 히트펌프에서 열교환 된 유체를 직접 부하측 건물로 이송하여 냉방 및 난방을 하는 시스템을 적용하여 사용하기도 한다.
그러나 밤낮의 기온차이가 심한경우 늦은봄, 초여름,초가을의 경우 낮에는 더워서 냉방을하여야하고 밤에는 난방을하여야 하므로 축열탱크의 축열온도를 빠른시간에 조절하기는 어렵다.
그러므로 기온차이가 심한계절의 주간냉방시는 지중열 지하수만을 이용하여 냉방이 가능하며 지중열의 냉방열량이 부족시 지중열 지하수 - 판형 중간열교환기 - 히트펌프만 거치고 축열탱크를 거치지않고 바로 부하측의 건물로 냉난방을 하는 방법으로 주간냉방후 야간난방시에는 축열탱크에 저장된 온수로 난방을 하므로 급부하에 크게 대비할수 있다.
이때에 냉방 및 난방용 축열조를 사용하는 방법에 있어서는 축열조의 온도를 일정하게 유지하기 위하여부하측 건물에 냉방 및 난방이 끝난 시간에도 개방형 지중열교환기 및 히트펌프가 운전을 하여 축열탱크에 온도를 맞추기 위하여 운전을 하게 되므로 장비의 효율성이 떨어지고 잦은 고장의 원인이 될 수 있으며 각종 장비들이 장시간 운전하게 되는 것에 대한 운전비용의 증가하게 되어 경제적인 손실이 초래된다.
본 고안을 통하여 개방형 지중열교환기를 이용한부하측 건물의 냉난방 시스템들의 단점을 보완하여 기존 부하측 건물에 적용되어 사용되어지고 있는 냉난방 시스템들 보다 효율적이고 최소한의 비용으로 최대의 효과를 낼 수 있는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템으로써, 장비의 효율을 증대시키고 장비의 효율의 저하 및 고장의 원인을 줄일 수 있는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템의 운전방법이 필요하다.
특히 유리온실이나 시설하우스들은 낮에는 복사열 때문에 실내에 온도가 너무많이 올라가므로 작물의 성장및 CO2가스의 절감을 위해 낮에도 많은 양의 냉방이필요하다.
위와같은 문제점들을 해결하기 위하여 본 고안을 통하여 이루고자 하는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방시스템은 개방형 지중열교환기의 열원을 직접 부하측 건물에 공급할 수 있도록 시스템을 구성함과 동시에 개방형 지중열교환기의 열원을 히트펌프에서 열교환하여 직접 부하측 건물에 공급할 수있도록 시스템을 구성하고 또한 히트펌프에서 열교환 열원을 축열조에 저장하여 부하측 건물로 공급하는 시스템을 모두 갖추게 시스템을 구성하기 위하여, 개방형 지중열교환기의 공급헤더와 판형열교환기 사이의 배관사이에 삼방변 및 일부 배관을 추가하며 또한 히트펌프의 출구배관 중 축열조 입구 사이에 삼방변 및 일부 배관을 추가하여 추가된 배관들을 서로 연결하여 부하측 건물의 냉온수 순환펌프 토출배관에 연결한다.
또한 부하측 건물의 환수배관중 축열조로 환수되기 전에 삼방변 및 일부배관을 추가 설치하여 출열조와 히트펌프사이의 냉온수 순환펌프 흡입전에 삼방변 및 일부배관을 설치하여 연결한 후 지중열 환수헤더와 판형열교환기 사이의 배관에 연결하여 순환유체를 각각의 삼방변의 동작상태에 따라 도2 ~ 도4와 같이 부하측 건물에 공급되는 열원 공급 방식이 다르게 냉난방 시스템을 구성하는 방법이다.
종래에 부하측 건물에 적용되어 사용되는 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템들은 냉방과 난방중 대부분이 난방을 위주로 사용하며 일부에서만 냉방을 사용하고 있다. 대부분 난방을 사용하는 이유는 사계절 중 봄, 가을 및 초여름에 낯과 밤의 기온차로 인하여 낯에는 시설하우 내부 온도가 상승하여 냉방을 하여야 되고 밤에는 시설하우스 내부온도가 떨어져 난방을 하여 식물의 생장을 마추어 주어야 하는데 비하여 현재 적용되어 사용되어지고 있는 개방형 지중열교환기를 이용한 시설하우스의 냉난방 시스템들은 난방운전 후 바로 냉방운전을 하여야 될 경우 축열조의 온도를 낮추어야 하는데 이때 축열조의 온도로 인하여 축열조의 온도를 낮추는 시간이 길어져 부하측 건물 내부의 온도를 제때에 낮추지 못하며, 또한 냉방후 난방을 할때에도 같은 상황이 발생하여 냉난방 공급을 제대로 못하여 작물의 생장에 영향을 주게 된다.
또한 위의 시스템을 보완하여 냉방 및 난방 축열조를 각각 두어 사용하기도 하나 축열조의 제작에 대한 비용이 추가각 발생하며 이로인한 부자재들로 인한 비용도 증가하게 된다.
일부 시설하우스에서는 히트펌프를 이용하여 직접 시설하우스로 냉방 및 난방을 하는 경우도 있는데 이러한 경우에는 시설하우스 내부온도를 원하는 시기에 맞추지 못하는 경우가 많으며 일부 작물에서는 시설하우스 내부 온도를 맞추지 못하여 작물의 생장에 영향을 주어 작물의 피해를 입어 생장일 일시 중단되는 경우도 발생하고 이로 인하여 작물의 수확에 영향을 미쳐 농가 수익이 줄어드는 사례도 발생되며 작물의 생장이 다시 이루어 지기까지의 시스템의 운전에 대한 비용도 발생된어 2중 3중으로 손해를 보는 경우가 발생된다.
위와같은 사례들로 인하여 본 고안으로 인한 개방형 지중열교환기를 이용한 부하측 건물 및 시설하우스의 냉난방시스템을 적용하여 위와 같은 기존 시스템의 단점을 보완하기 위함이다.
본 고안으로 인하여 봄, 가을 및 초여름에 밤에는 난방을 하고 낯에는 냉방을 하기위하여 밤에 난방을 하기 위한 방법은 도 4에 도시된 개방형 지중열 열교환기를 이용하여 축열조를 통해 시설하우스로 열원이 공급되는 방식을 적용하며, 낯에 냉방을 하기 위하여 도 2에 도시된 개방형 지중열교환기의 열원을 부하측 건물 및 시설하우스로 직접 공급하는 방법을 적용하며 도 2에 도시된 방법으로도 부하측 건물 및 시설하우스의 냉방이 이루어지지 않을 경우 도 3에 도시된 개방형 지중열 열교환기의 열원을 히트펌프를 통해 열교환하여 부하측 건물 및 시설하우스로 공급방법을 병행하여 부하측 건물 및 시설하우스에 냉방이 이우어 질 수 있도록하는 시스템을 적용함으로써 부하측 건물 및 시설하우스에 냉방 및 난방을 필요시 바로 대응할 수 있도록 하여 부하측 건물의 냉난방 및 시설하우스의 작물의 생장에 최대한 피해를 주지 않도록 하기 위한 시스템이다
본 고안으로 인한 개방형 지중열 열교환기를 이용한 시스템은 기존의 시스템들과는 달리 냉방용 축열조를 추가로 설치하지 않아도 되며, 축열조는 항상 난방을 할 수 있도록 유지하고 있으며, 기존 시스템에서 냉방을 할 경우 급격한 온도차 및 낮은 온도의 공급으로 인하여 부하측 건물 및 시설하우스 내부의 배관이 결로롤 인하여 녹이스는 것을 본 고안으로 인하여 지중열 열교환기로 인하여 공급되어지는 온도가 15도에서 16도로 결로발생을 줄여 부하측 건물 및 시설하우스 내부배관이 녹이스는 것을 방지하여 장비 및 시설이 노후되는 것을 늦추어 유지비용의 절감된다.
도 1은 개방형 지중열 열교환기를 이용한 시스템 계통도
도 2는 개방형 지중열 열교환기의 열원을 부하측 건물 및 시설하우스로 직접 공급하는 시스템 계통도
도 3은 개방형 지중열 열교환기의 열원을 히트펌프를 통해 열교환하여 부하측 건물 및 시설하우스로 공급하는 계통도
도 4는 개방형 지중열 열교환기를 이용하여 버퍼탱크를 통해 부하측 건물 및 시설하우스로 열원이 공급되는 시스템 계통도
이러한 시스템의 구성에서 부하측 건물로 열원이 공급되는 방법을 도면을 기준으로 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 개방형 지중열교환기의 열원을 부하측 건물로 직접 공급하는 방법은 개방형 지중열교환기의 공급헤더(3)와 판형열교환기(5)의 사이에 설치된 삼방변 1(11)의 방향이 A에서 C방향으로 전환하고 히트펌프(7)와 축열조(9)사이에 설치된 삼방변 2(12)는 A에서 B방향이 되도록 전환하여 개방형 지중열교환기의 열원이 축열조(9)로 유입되지 않고 부하측 건물로 공급되도록 하며 환수되는 배관이 축열조(9)로 연결되기전에 설치된 삼방변 3(13)은 A에서 C방향으로 전환하여 환수되는 유체가 축열조(9)로 유입되지 않도록 하며 축열조(9)와 히트펌프(7) 사이에 설치된 삼방변 4(14)는 A에서 B방향이 되도록 전환하여 환수되는 유체가 히트펌프(7)로 유입되지 않고 개방형 지중열교환기 환수헤더(4)로 이송되도록 하여 개방형 지중열교환기의 열원이 히트펌프(7)나 축열조(9)로 유입되지 않고 부하측 건물로 직접 공급되어 열교환 한 후 환수되도록 하는 시스템의 구성방법이다.
도 3에 도시된 개방형 지중열 열교환기의 열원을 히트펌프(7)를 통해 열교환하여 부하측 건물로 공급하는 방법은 개방형 지중열교환기의 공급헤더(3)와 판형열교환기(5)의 사이에 설치된 삼방변 1(11)의 방향이 A에서 B방향으로 전환하여 판형열교환기(5)와 열교환하여 개방형 지중열교환기의 환수헤더(4)로 이송되도록 하며 이때 1차 판형열교환기(5)에서 열교환된 열원을 열교환 순환펌프(6)를 통하여 히트펌프(7)로 이송하여 히트펌프(7)에서 2차 열교환 한후 다시 판형 열교환기(5)로 이송되어 순환하게 된다. 이때 히트펌프에서 2차 열교환된 열원을 축열 순환펌프(8)를 이용하여 순환할때 히트펌프(7)와 축열조(9)사이에 설치된 삼방변 2(12)는 A에서 C방향이 되도록 전환하여 히트펌프(7)에서 2차 열교환된 열원이 축열조(9)로 유입되지 않고 부하측 건물로 공급되도록 하고, 환수되는 배관이 축열조(9)로 연결되기전에 설치된 삼방변 3(13)은 A에서 C방향으로 전환하여 환수되는 열원이 축열조(9)로 유입되지 않도록 하며 축열조(9)와 히트펌프(7) 사이에 설치된 삼방변 4(14)는 A에서 C방향이 되도록 전환하여 환수되는 유체가 히트펌프(7)로 유입되어 다시 열교환하여 부하측 건물로 공급되도록 하는 시스템의 구성방법이다.
도 4에 도시된 개방형 지중열 열교환기를 이용하여 축열조(9)를 통해 부하측 건물로 열원이 공급되는 방법은 개방형 지중열교환기의 공급헤더(3)와 판형열교환기(5)의 사이에 설치된 삼방변 1(11)의 방향이 A에서 B방향으로 전환하여 판형열교환기(5)와 1차 열교환하여 개방형 지중열교환기의 환수헤더(4)로 이송되도록 하며 이때 판형열교환기(5)와 히트펌프(7)사이에 설치된 열교 순환펌프(6)의 운전으로 인하여 유체를 히트펌프(7)로 이송하게 되어 히트펌프(7)에서 2차 열교환 하게 된다. 이때 히트펌프(7)와 축열조(9) 사이에 설치된 삼방변 2(12)는 A에서 B방향이 되도록 전환하여 히트펌프(7)에서 2차 열교환된 열원이 축열조(7)로 유입되어 축열조(9)의 온도를 일정하게 맞추어 주고 축열조(9)의 열원을 냉온수 순환펌프(10)를 통하여 부하측 건물로 공급되도록 하며, 환수되는 배관이 축열조(9)로 연결되기전에 설치된 삼방변 3(13)은 A에서 B방향으로 전환하여 환수되는 열원이 지중열 환수헤더(4)나 히트펌프(7)로 유입되지 않고 축열조(9)로 유입되도록 하며 축열조(9)와 히트펌프(7) 사이에 설치된 삼방변 4(14)는 A에서 B방향이 되도록 전환하여 환수배관에서 유체가 히트펌프(7) 및 지중열 환수헤더(4)로 유입되지 않도록 하는 시스템의 구성방법이다.
01 : 개방형 관정 02 : 심정펌프
03 : 지중열 공급헤더 04 : 지중열 환수헤더
05 : 판형열교환기 06 : 열교환기 순환펌프
07 : 히트펌프 08 : 축열조 순환펌프
09 : 축열조 10 : 냉온수 순환펌프
11 : 삼방밸브 1 12 : 삼방밸브 2
13 : 삼방밸브 3 14 : 삼방밸브 4

Claims (4)

  1. 개방형 지중열 열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템에 대하여
    개방형 지중열교환기 공급배관 및 공급헤더(3)와 판형열교환기(5) 1차측 입구배관 및 히트펌(7)프 지열입구 배관사이의 삼방변1(11)이 설치되고, 히트펌프(7) 부하측 공급배관 및 축열조(9) 입구배관 사이에 삼방변2(12)가 설치되어 부하측 건물의 공급배관에 연결되어 부하측 건물로 열원을 공급하며, 또한 부하측 건물의 환수배관과 축열조(9)의 부하측 환수배관 사이에 삼방변3(13)이 설치되고 히트펌프(7) 부하측 환수배관과 축열조(9) 출구배관사이에 삼방변 4(14)가 설치되어 개방형 지중열교환기 환수헤더(4)와 판형열교환기(5) 2차측 출구배관 사이에 연결되어 개방형 지중열교환기 환수헤더(5) 열원을 공급하는 개방형 지중열 열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 시스템
  2. 제 1항에 대하여
    부하측 건물로 개방형 지중열열교환기의 열원을 직접 보내기 위하여
    삼방변1(11)은 A에서 C 방향으로 전환되고 삼방변2(12)는 A에서 B로 방향이 전환되어 부하측 건물로 열원이 공급되며, 삼방변3(13)은 A에서 C 방향으로 전환되고 삼방변4(14)는 A에서 B로 방향이 전환되어 개방형 지중열열교환기 환수헤더(4)로 환수되는 열원이 공급되는 개방형 지중열 열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 방법
  3. 제 1항에 대하여
    부하측 건물로 개방형 지중열열교환기의 열원을 히트펌프(7)를 통하여 보내기 위하여
    삼방변1(11)은 A에서 B 방향으로 전환되어 판형열교환기(5)와 1차 열교환 되어 지중열 환수헤더(4)로 이송하게 되고 1차 열교환된 열원을 열교환 순환펀프(6)를 통하여 히트펌프(7)로 이송하여 히ㅏ트펌프7)에서 2차 열교환 하게 된다. 이때 2차 열교환 된 유체가 축열조(9)로 유입되 않도록 삼방변2(12)는 A에서 C로 방향이 전환되어 부하측 건물로 열원이 공급되며, 삼방변3(13)은 A에서 C 방향으로 전환되어 환수되는 유체가 축열조(9)로 유입되지 않도록 하며, 히트펌프(7)와 축열조(9)사이에 설치된 삼방변4(14)는 A에서 C로 방향이 전환되어 환수되는 열원이 히트펌프(7)로 공급되는 개방형 지중열 열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 방법
  4. 제 1항에 대하여
    부하측 건물로 개방형 지중열열교환기의 열원을 축열조(9)를 통하여 보내기 위하여 삼방변1(11)은 A에서 B 방향으로 전환되고 삼방변2(12)는 A에서 B로 방향이 전환되어 판형열교환기(5)에서 1차열교환되고 히트펌프(7)에서 2차 열교환된 열원이 축열조(9)로 이송되고 축열조(9)에서 냉온수 순환펌프(10)를 통하여 부하측 건물로 열원이 공급되며, 이때 환수되는 유체가 축열조(9)로 유입되기 위하여 삼방변3(13)은 A에서 B 방향으로 전환되고 삼방변4(14)는 A에서 B로 방향이 전환되어 축열조(9)로 환수되는 열원이 히트펌프(7)나 지중열환수헤더(4)로 유입되지 않고 축열조(9)로 공급되는 개방형 지중열 열교환기를 이용한 부하측 건물의 냉난방 방법
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102129433B1 (ko) * 2020-02-13 2020-07-02 안근묵 골프장용 지열냉난방 시스템
KR102133457B1 (ko) * 2020-02-13 2020-07-13 안근묵 축열조 가변 운영식 지열냉난방 시스템

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