KR20150076952A - 지열을 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하에 매설되는 열교환 파이프의 구조를 달리하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 상기 지면에 설치된 수요처와 연결되며 지중의 지열수를 통해 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 상기 지열수의 발열 또는 응축열을 이용하여 상기 수요처를 냉난방하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 열교환 파이프는 표면에 일정한 간격으로 요철부를 갖고, 상기 요철부의 철부 내부에 금속재질이 일정한 간격으로 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM USING GROUND SOURCE}

본 발명은 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 열교환 파이프의 구조를 변경하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

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

이와 같은, 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 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 냉난방 장치가 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 생산 용량이 작고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방 장치에 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 지열을 이용한 냉난방 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 냉난방 장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지열을 회수하기 위한 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프로부터 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하는 히트펌프로 구성된다.

도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 지표측의 토양층에 최대 150~200m 이상의 깊이로 다수의 시추공을 굴착하고, 상기 각 시추공의 내부에 지열수를 공급하기 위해 열교환 파이프(20)를 매립하고 있다.

상기 열교환 파이프(20)를 통해 공급되는 지열수는 필요로 하는 수요처(10)로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(30)를 구비하고 있다.

상기와 같이 구성된 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지열을 열원으로 냉난방을 수행하는 것으로 지중에 매설된 U자형의 열교환 파이프(20)들을 통해 일정한 온도를 유지하고 있는 지열수를 공급받아 냉난방을 수행하도록 되어있다.

이러한 냉난방은 이 U자형의 열교환 파이프(20)들과 순환 사이클을 형성하며 연결된 증발기와 응축기 등을 구비하여 냉난방용 히트펌프(30)로부터 냉온열을 얻은 지열수는 이 냉난방용 히트펌프(30)와 순환 사이클을 형성하며 연결된 열교환기(미도시)가 설치된 냉난방 장소로 이동되어 외기와의 열교환으로 냉난방을 수행하게 하거나 급탕 등을 공급하게 한다.

상기 열교환 파이프(20)는 내구성을 고려하여 폴리에틸렌(HDPE) 재질로 제작된다.

그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 열교환 파이프가 폴리에틸렌 재질로 이루어져 충분한 열교환이 이루어지지 못하여 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라 종래에는 열교환 효율의 증대를 위해 열교환 파이프의 시공 깊이를 최대 150~200m 이상으로 깊게 형성할 수 밖에 없으며, 원자재의 소요 비용도 그만큼 증가하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 지하에 매설되는 열교환 파이프의 구조를 달리하여 열교환 효율을 향상시키도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 상기 지면에 설치된 수요처와 연결되며 지중의 지열수를 통해 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 열교환 파이프와, 상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 상기 지열수의 발열 또는 응축열을 이용하여 상기 수요처를 냉난방하는 히트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 열교환 파이프는 표면에 일정한 간격으로 요철부를 갖고, 상기 요철부의 철부 내부에 금속재질이 일정한 간격으로 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 열전도도가 낮은 폴리에틸렌(HDPE)에 열전도도가 우수한 구리고리를 결합하여 열교환 파이프의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 열교환 파이프의 표면을 요철 구조와 같이 주름 형태로 구성하여 투영면적에 따른 온도 차이로 인하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 다수개로 분리된 열교환 파이프 사이를 연결하는 커플링을 열전도도가 우수한 백관으로 제작함으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 3은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 나타낸 사시도
도 4는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 나타낸 평면도
도 5는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 연결하는 커플링을 나타낸 사시도

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 나타낸 평면도이다.

또한, 도 5는 도 2의 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 열교환 파이프를 연결하는 커플링을 나타낸 사시도이다.

본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 수요처(110), 히트펌프(120), 열교환 파이프(130) 및 축열조(140)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 수요처(110)는 일정한 평수를 가지면서 사람들이나 가축들이 거주하여 생활하는 공간 또는 회사나 관공서와 같이 일정시간 근무하는 공간을 의미한다.

상기 히트펌프(120)는 일반적으로 주지된 기술로서 구체적으로 도시 및 설명하지 않았지만, 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기로부터 증발된 냉매를 압축시켜 고온 고압의 냉매를 토출시키는 압축기와, 상기 압축기에서 토출된 냉매가 유입되어 응축되는 응축기 및 팽창밸브를 갖는다.

즉, 상기 히트펌프(120)는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치를 의미한다. 이러한 히트펌프(120)는 압축기 및 실외 교환기를 구비하는 실외기 및 팽창밸브 및 실내 교환기를 포함하는 실내기를 포함하여 이루어진다.

상기 열교환 파이프(130)는 지중에 매립된 U자 형태로 구성되고, 지중에 삽입되어 지열수를 상기 히트펌프(120) 또는 축열조(140)로 순환시킬 수 있도록 펌프가 구비되어 있다.

상기 열교환 파이프(130)는 지표면을 100~150M의 깊이로 천공하여 시추공을 형성하고, 상기 시추공 내부에 U자형의 입수관과 출수관 파이프로 이루어진 열교환 파이프(130)를 삽입하여 구성된다.

한편, 상기 열교환 파이프(130)를 구성하는 U자형의 열교환 파이프(130) 중에서 입수관과 출수관 파이프의 지름을 상이하게 구성하여 지열수의 유속을 달리할 수도 있다.

예를 들면, 상기 수요처(110)에서 냉난방으로 사용한 지열수가 지중으로 흘러가는 입수관 파이프의 지름을 상기 히트펌프(120) 또는 축열조(140)쪽으로 지열수가 유입되는 출수관 파이프 지름보다 작게 구성하여 사용된 지열수의 유속을 빠르게 진행함으로써 상기 히트펌프(120) 또는 축열조(140)로 공급되는 지열수의 유속을 느리게 하여 지열수의 온도를 낮추거나 높일 수 있다.

이와 같이 펌프에 의해 지열수가 열교환 파이프(130) 내부를 따라 순환됨으로써 상기 열교환 파이프(130)는 지중과의 열교환을 통해 지중으로부터 열을 흡수하여 지열을 회수하거나 상기 히트펌프(120) 또는 축열조(140)를 통해 일정 온도(15~21℃)의 지열수를 공급하게 된다.

예를 들면, 상기 열교환 파이프(130)로부터 유입되는 지열수의 온도가 10℃일 때 상기 축열조(140)는 가열을 통해 15~21℃로 지열수의 온도를 올려 상기 히트펌프(120)에 공급하고, 25℃일 때는 냉각하여 15~21℃의 온도로 낮추어 상기 히트펌프(120)로 공급한다.

상기 열교환 파이프(130)의 내·외면에 길이를 따라 방사상으로 부설되는 다수의 방열핀을 구비하고 있는데, 상기 다수의 방열핀은 열교환 파이프(130)의 내·외면 표면적을 최대한 넓혀주기 때문에 내부를 통과하는 지열과의 열교환 효율을 극대화시킬 수 있다.

상기 열교환 파이프(130)의 표면은 일정한 간격으로 요철(凹凸)부(131)를 갖고 있는데, 상기 요철부(131)에 의해 상기 열교환 파이프(130)는 주름관 형상을 갖게 되어 투영 면적에 따라 상기 열교환 파이프(130)의 내부로 순환하는 지열수의 열교환 효율을 한층더 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 열교환 파이프(130)의 요철부(131) 중 돌출된 철(凸)부 내부에는 열전도도가 좋은 링 형태의 구리고리(132)가 삽입되어 상기 열교환 파이프(130)의 내부로 순환하는 지열수의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 열전도도가 우수한 구리고리(132)를 예로 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고 구리 이외에도 열전도도 우수한 아연 백관이나 카본 백관을 사용할 수도 있고 그 밖에 금속 재질을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 열교환 파이프(130)는 일정한 간격으로 갖는 다수개의 파이프를 연결하여 사용하게 되는데, 각 파이프를 연결하기 위해 커플링(150)을 사용하고 있다.

이때 상기 커플링(150)는 상부 커버(151)와 하부 커버(152)로 분리되어 구성되는데, 상기 하부 커버(152)를 상기 열교환 파이프(130)의 일측과 타측을 연결한 상태에서 체결하고 상기 하부 커버(152)와 대응되게 상부 커버(151)를 결합하여 수개로 분리된 열교환 파이프(130)를 연결하고 있다.

한편, 상기 상부 커버(151)의 양측에는 체결부재(153)가 구성되고 상기 하부 커버(152)에는 상기 체결부재(153)와 대응되게 체결홀(154)가 구성되어 있다.

상기 체결부재(153)가 상기 체결홀(154)에 삽입된 상태에서 볼트 너트 체결을 통해 상기 상부 커버(151)와 하부 커버(152)를 고정하게 된다.

상기 축열조(140)는 상기 열교환 파이프(130)에서 유입된 지열수를 저장하거나 상기 히트펌프(120)에서 열교환된 지열수를 저장하는 곳으로, 상술한 바와 같이 지열 회수관을 통해 열교환 파이프(130)와 연결됨과 함께 상기 히트펌프(120)에 연결되어 있다.

상기 열교환 파이프(130)를 통해 상기 축열조(140)로 유입되는 지열수를 일정한 온도로 가열 또는 냉각하여 상기 히트펌프(120)에 공급하게 된다.

예를 들어, 상기 축열조(140)에 온도감시센서(도시되지 않음)를 부착하고 상기 온도감지센서를 통해 상기 축열조(140) 내부로 유입된 지열수의 온도가 15도 미만일 경우에는 상기 축열조(140)에 유입된 지열수를 가열하여 15도 이상으로 배출하고, 15~30도일 때는 상기 축열조(140)를 동작하지 않고 바로 지열수를 배출하여 난방에 사용되게 된다.

따라서 상기 열교환 파이프(130)로부터 상기 축열조(140)로 공급되는 지열수의 온도를 15~21℃로 보상하여 상기 히트펌프(120)로 공급함으로써 히트펌프(120)의 동작 시간을 줄임과 함께 지열 냉난방 효율을 최적화시킬 수가 있다.

여기서, 상기 축열조(140)는 지중에서 유입되는 지열수의 온도를 측정하여 설정값보다 지열수 온도가 낮거나 높을 경우에 가열 또는 냉각을 통해 지열수의 온도를 15~21℃의 온도로 보상하여 상기 히트펌프(120)로 공급한다.

이때 상기 축열조(140)는 평상시에는 태양광 발전장치(도시되지 않음)로부터 공급되는 전원을 공급받아 사용하나 상기 태양광 발전장치가 발전하지 않는 경우에는 축적된 전원 또는 한전계통(도시되지 않음)에서 공급되는 전원을 사용하게 된다.

또한, 상기 축열조(140)는 태양광 발전이 가능한 주간에는 태양광 발전을 통해 자체적으로 전력을 생산하여 사용함으로써 소비전력을 줄일 수가 있고, 관광서와 같이 주 5일 근무하는 장소에 설치할 경우에는 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기 에너지를 에너지 저장장치(도시되지 않음)에 저장하여 사용함으로써 전력 소모를 최소한으로 줄일 수가 있다.

상기 태양광 발전장치는 태양광을 입사받은 태양전지 어레이로부터 직류전기를 생성하여 인버터를 통해 교류 전기로 변환하고, 상기 인버터를 통해 변환한 교류전기를 계통 연계반을 통해 한전계통에서 공급되는 전력 계통과 함께 선택적으로 전원을 사용할 수 있도록 한다.

만약, 상기 축열조(140)가 동작하지 않을 경우에는 상기 태양광 발전장치로부터 생산된 전기 에너지는 에너지 저장장치(도시되지 않음)에 충전하여 필요에 따라 사용할 수 있도록 구성된다.

상기 히트펌프(120)와 축열조(140)는 상호 통신을 통해 지열수를 15~21℃로 유지하면서 공급하도록 구성된다. 한편, 상기 축열조(140)는 본 발명의 실시예에서 부가적인 요소이고 필요에 따라 생략하고 상기 열교환 파이프(130)를 통해 상기 히트펌프(120) 또는 축열조(140)로 지중의 지열수를 공급할 수도 있다.

상기 열교환 파이프(130)의 표면을 요철부(131) 형태로 구성하여 투명면적을 증가시킴과 더불어 요철부(131)의 철부에 열전도도 우수한 구리고리(132)를 삽입함으로써 상기 열교환 파이프(130) 내부로 유입 또는 유출되는 지열수의 열교환 효율을 한층더 향상시키고 있다.

즉, 종래의 경우 열교환 파이프가 열전도도가 0.3~0.4W/mk인 PE재질로 구성되어 있는 것에 반해 본 발명은 열전도도가 386W/mk인 구리고리(132)를 삽입함과 더불어 열전도도가 18W/mk인 아연 백관 또는 54W/mk인 카본 백관으로 이루어진 커플링(150)을 사용하여 종래보다 약 35~128배의 열전도율 효과를 갖도록 하여 열교환 효율을 향상시키고 있다.

표 1은 종래와 본 발명의 열교환 파이프에서 지열수에 대한 열교환 효율을 비교한 것이다.

구분	실험채 형태	지열수 평균온도(℃)			유량(lit/hr)	열교환량 (W)	비율(%)
		입구	출구	온도차
A	종래	39.3	36.0	3.3	552	2,118	100.0
B	본 발명	39.2	35.4	3.8	552	2,439	115.2
차이(B-A)				0.5	-	321	15/.2

표 1에서와 같이 히트펌프 및 열교환 파이프로 구성된 실험 장치를 냉방 조건으로 12시간 운전하면서 각 종래와 본 발명의 열교환 파이프에 9.21pm의 유량을 순환시켰을 때 입출구 평균온도차는 종래의 열교환 파이프와 본 발명의 열교환 파이프는 약 0.5의 온도차 나타나는 것을 알 수 있다.

더욱이, 본 발명은 히트펌프(120)가 축열조(140)의 설정 온도에 따라 운전되도록 함으로써 히트펌프(120)의 운전비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 운영 에너지원으로서 자연의 태양 에너지를 이용한 태양광 발전을 통해 전기 에너지를 직접 생산하여 사용하거나 태양광 발전이 이루어지지 않을 경우에는 한전계통에서 직접 에너지원을 공급받아 사용하게 된다. 상기 태양광 발전을 통해 발전된 전기 에너지를 냉난방 시스템이 가동되지 않을 때 별도의 에너지 저장장치에 저장하여 필요할 때 에너지원으로 사용함으로서 전력 소모를 최소로 줄일 수가 있다.

또한, 본 발명은 지면을 천공시 깊이를 100M이내로 실시하면 되기 때문에 장소의 제약이 적고 시추 공사를 간소화시킬 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

110 : 수요처 120 : 히트펌프
130 : 열교환 파이프 131 : 요철부
132 : 구리고리 140 : 축열조
150 : 커플링

Claims (6)

1. 지면으로부터 소정깊이로 매설되어 상기 지면에 설치된 수요처와 연결되며 지중의 지열수를 통해 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 열교환 파이프와,
   상기 열교환 파이프와 연결되어 상기 열교환 파이프를 통해 공급되는 상기 지열수의 발열 또는 응축열을 이용하여 상기 수요처를 냉난방하는 히트펌프를 포함하여 구성되고,
   상기 열교환 파이프는 표면에 일정한 간격으로 요철부를 갖고, 상기 요철부의 철부 내부에 금속재질이 일정한 간격으로 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 파이프는 다수개로 분리되어 구성되고 상기 각 열교환 파이프는 커플링을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 커플링은 아연 백관 또는 카본 백관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속재질은 고리 형태로 상기 열교환 파이프에 삽입되어 구성되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 금속재질은 구리 고리로 이루어진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환 파이프 및 히트펌프와 연결되어 상기 히트펌프에 일정한 온도로 냉매를 공급하는 축열조를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.

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