KR20180133579A

KR20180133579A - 열교환기를 지중 수위아래에 내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법

Info

Publication number: KR20180133579A
Application number: KR1020170070511A
Authority: KR
Inventors: 박지만; 전영춘
Original assignee: 주식회사 백양이앤씨(Enc)
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-17

Abstract

본 발명은 열교환기 지중 수위 아래에 내장하는 지열 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 송수관과 환수관의 일단에 지하 수위 아래에 잠기는 지하수열교환기를 연결하고,
상기 송수관과 환수관의 타단은 지상에 위치되는 히트펌프용 지상열교환기와 연결하며, 상기 송수관 내지는 환수관은 순환펌프를 설치한 다음
상기 지하수열교환기를 시추기에 의해 천공한 공내의 지하수위 아래에 잠기게 한 상태에서 지하수열교환기, 지상열교환기, 송수관, 환수관에 충전한 유체를 순환펌프에 의해 순환하면 지하수열교환기로 하여금 지하수와 직접 열교환이 이루어지도록 하는 기술이다.
시추기에 의해 천공한 공내(100) 하단까지 수직으로 깊숙이 수용한 제1파이프(10)와,
상기 공내(100)의 내부벽과 상기 제1파이프(10)외부벽 사이에 수로(A)가 형성되도록 하면서 공내(100)벽이 무너지지 않도록 충전하는 콩자갈(B)과,
상기 제1파이프(10) 내의 수위 아래에 잠기도록 하여 지하수와 열을 교환하는 지하수열교환기(20)와,
상기 지하수열교환기(20)와 열을 교환할 수 있도록 지상에 설치되는 지상열교환기(30)와,
상기 지하수열교환기(20)와 상기 지상열교환기(30) 사이에 연결되는 송수관(40)과 환수관(50),
상기 송수관(40) 내지는 환수관(50)에 연결되어 상기 지하수열교환기(20)내의 유체와 상기 지상열교환기(30) 내의 유체가 서로 순환되도록 순환시키는
순환모터(41)를 포함한 구성이다.

Description

열교환기를 지중 수위아래에 내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법{HEAT PUMP SYSTEM USING GEOTHERMAL ENERGY AND CONTROLLING APPARATUS CONTRL}

본 발명은 열교환기를 지중 수위아래에 내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법에 관한 것으로서, 상세하게는 송수관과 환수관의 일단에 지하 수위 아래에 잠기는 지하수열교환기를 연결하고,

상기 송수관과 환수관의 타단은 지상에 위치되는 히트펌프용 지상열교환기와 연결하며, 상기 송수관 내지는 환수관은 순환펌프를 설치한 다음

상기 지하수열교환기를 시추기에 의해 천공한 공내의 지하수위 아래에 잠기게 한 상태에서 지하수열교환기, 지상열교환기, 송수관, 환수관에 충전한 유체를 순환펌프에 의해 순환하면 지하수열교환기로 하여금 지하수와 직접 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기를 지중 수위아래에 내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법에 대한 기술이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유 열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환 시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15℃ 내지 17℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 필수적인 시설은 바로 굴착된 지하수 심정 시설이며 특히 지하수를 양수하여 열교환을 위한 시설인 경우에는 지하수 심정펌프와 양수파이프 및 환수관을 다시금 굴착된 지하수 심정 내부에 연결되도록 하는 것은 반드시 갖춰져야 하는 시스템이라 할 것이다.

일반 지하수 심정과는 달리 지열용 지하수 심정은 다량의 지하수를 양수하여 사용함으로서 없어지는 것이 아니라 단지 지하수가 보유한 열량만을 열교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 다시금 지하수 지열공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 심정펌프와 양수파이프가 설치되는 최소한의 공간을 확보할 수 있는 직경으로 굴착이 이루어지게 되는데 반해 열교환 후 되돌아오는 환수된 지하수가 환수관을 따라 지하수 심정의 깊은 깊이까지는 투입이 불가능하다는데 문제가 있었다.

한편, 지하수 지열공을 이용한 지열 지중 열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 고밀도폴리에칠렌관(HDPE)을 U튜브에 의해 수직으로 연결하여 내려 설치하고 그 내부에 열교환용 브라인을 순환시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 구성한 것이다.

개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프의 열교환기를 거쳐 열교환시킨 다음 순환되어 돌아온 지하수를 다시금 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이가 대체적으로 300~500m 깊이에 굴착직경 200mm~250mm로 굴착된 지열공 안쪽에 100~125mm 직경의 PVC 파이프로 제작된 내부케이싱이 연결소켓에 의해 연장되어지면서 바닥까지 설치되어 진다.

하부구간에는 스트레이너가 구성된 유공관이 연결되어 설치되며 내부케이싱 안쪽 상부에는 수중펌프가 설치되어 지하수를 양수관을 통해 지상 히트펌프까지 올려 순환시키게 된다.

이러한 개방형 지중 열교환기 형태는 여러 가지가 개발되어 적용되어지고 있다.

일명 게오힐 공법은 지열공 안쪽에 내부케이싱이 설치되고 하부에는 유공관이 구성되어 있게 되며 내부케이싱과 지열공벽 사이에는 예컨대 콩자갈로 이루어진 충전재가 채워지게 되며 그 안쪽에는 환수 분배관이 묻힌 상태로 설치되어지게 된다. 이러한 공법의 장점은 개방형 지열 지중열교환기가 운전 중 굴착공이 함몰되는 사고를 예방할 수 있는 장점이 있다.

그러나 이러한 개방형 지열시스템의 경우에는 어떠한 경우에도 지표면에서 지하수위까지의 자연수위가 10~20m 내외 정도로 유지되는 지역에서는 운용이 가능하지만 화산 현무암 지대인 제주도의 경우에는 화산암에서의 투수율이 높아 어느 지역에서도 해수면높이 전후를 기준으로 지하수위가 유지되고 있어 해수면에 근접된 지역에서는 지하수위가 높아 지열시스템 구성에 큰 어려움이 없으나 중산간 지역으로 올라가면 지하수위가 지표면으로부터 100~200m 아래쪽에 위치하게 되어 통상적인 시설 구성으로는 수중펌프의 운전양이 지나치게 커지게 되어 운전동력비용이 증가하는 등 경제적인 지열시스템 운용이 될 수 없는 문제가 있었다.

더 나아가 지역에 따라 지표면으로부터 지하수위가 200m 이상 아래 쪽에 위치하는 경우도 자주 발생한다 이는 수위가 수중펌프 아래에 위치하는 상황이다.

이와 같은 문제점을 해결할 양으로 대한민국 특허청 공개번호 10-2016-0133392호에 따르면, 지하수 수위가 지표면으로부터 매우 낮은 위치에 있다 할지라도 경제적인 지열시스템 구성이 가능하게 함은 물론 지열공에 근접되도록 설치되는 히트펌프의 가스측 열교환기를 지열공 내부에 구성하도록 함으로써 저렴한 시설비용과 단순한 구성을 갖는 공내 열교환기를 구성한 지열 시스템을 제공하고 있다.

또한, 종래의 목적은 지열공 내 각기 다른 깊이에 있는 대수층의 지하수를 히트펌프측 열교환기에 급수와 환수가 될 수 있도록 함으로서 지중열교환기의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 공내 열교환기를 구성한 지열시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

구성을 살펴보면, 지중에 형성되는 지열공(10)과; 압축기, 상기 압축기와 연결되는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기와 연결되는 팽창변 및 상기 팽창변과

상기 압축기에 연결되는 열원측 열교환기를 포함하며 상기 지열공 주변의 지상에 설치되는 히트펌프(20)와; 상기 지열공 내부에 설치되어 지하수의 열을 회수하여 상기 히트 펌프에 공급하는 공내 열교환기(30)와; 지하수를 상기 공내 열교환기에 급수 및 환수하는 지하수 순환수단(40)과; 열매체 공급관(52)과 열매체 복귀관(53)을 통해 상기 공내 열교환기와 상기 히트 펌프의 열원측 열교환기에 연결되며 열매체의 순환을 통해 상기 히트 펌프와 상기 공내 열교환기의 열교환이 이루어지도록 하는 열매체 순환수단(50)으로 이루어지되, 상기 공내 열교환기는 상기 열매체 순환수단을 매개로 하여 상기 지하수의 열을 회수한 후 상기 히트 펌프의 열원측 열교환기에 공급하는 별도의 열교환기이다.

여기에서 본원발명과 비교할 수 있는 요부를 발취하면, 지상의 히트펌프(20)와 열을 교환할 수 있는 공내 열교환기(30)가 공내에 있고 이 공내 열교환기(30)는 상기 공내 열교환기 아래에 공내 열교환기(30)에 급수 및 환수하는 지하수 순환수단(40)이다.

여기서 알 수 있듯이 순환수단은 지하수를 펌프하여 열교환기와 열교환하고, 열교환기는 히트펌프와 열교환하는 구조이다.

상기 구성에서 알 수 있듯이 지하수를 펌프하여 열을 교환하는 구조로서 이는 지상의 열교환기를 지하 일정깊이에 수용한 구성에 불가하다 따라서 이는 통상적인 기술로서 특별한 효과를 기대할 수 없다.

다음은 대한민국 등록번호 10-1568847호의 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템은 지중관 열교환되는 지중 열교환기(300)이다 따라서 지중 열교환기 주변 온도는 다시 토양 내지는 지중에 존재한 물과 열교환이 이루어져야만 지속적으로 지중 열교환기가 열을 교환할 수 있으나 이 또한 후술에서 밝혀지는 본원과 비교하면 효율이 떨어진다.

상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명은 송수관과 환수관의 일단에 지하 수위 아래에 잠기는 지하수열교환기를 연결하고,

상기 지하수열교환기를 시추기에 의해 천공한 공내의 지하수위 아래에 잠기게 한 상태에서 지하수열교환기, 지상열교환기, 송수관, 환수관에 충전한 유체를 순환펌프에 의해 순환하면 지하수열교환기로 하여금 지하수와 직접 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기를 지중 수위아래에 내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법을 제공하는 과제이다.

상기 이상의 과제는 구체적인 내용에서 더 밝혀진다.

열교환기 지중 내장형에 있어서,

시추기에 의해 천공한 공내(100) 하단까지 수직으로 깊숙이 수용한 제1파이프(10)와,

상기 공내(100)의 내부벽과 상기 제1파이프(10)외부벽 사이에 수로(A)가 형성되도록 하면서 공내(100)벽이 무너지지 않도록 충전하는 콩자갈(B)과,

상기 제1파이프(10) 내의 수위 아래에 잠기도록 하여 지하수와 열을 교환하는 지하수열교환기(20)와,

상기 지하수열교환기(20)와 열을 교환할 수 있도록 지상에 설치되는 지상열교환기(30)와,

상기 지하수열교환기(20)와 상기 지상열교환기(30) 사이에 연결되는 송수관(40)과 환수관(50),

상기 송수관(40) 내지는 환수관(50)에 연결되어 상기 지하수열교환기(20)내의 유체와 상기 지상열교환기(30) 내의 유체가 서로 순환 되도록 순환시키는

순환펌프(41)를 포함한 구성을 특징으로 하는 열교환기 지중 수위아래에 내장하는 지열 시스템.

상기 지하수열교환기(20)는 수직으로 길게 제작한 다음 상기 지하수열교환기(20) 복수를 수직으로 연이어 연결하는 구성이다.

상기 제1파이프(10)하단 원주연에 수로(A)의 지하수가

상기 제1파이프(10) 하단 내부로 유입되도록 상기 제1파이프(10)하단의 길이방향으로 복수의 지하수환수구멍(11)을 형성하고, 상기 제1파이프(10)내부에 위치되되 상기 지하수환수구멍(11) 상단에 위치한 지하수열환기(20)와, 상기 제1파이프(10) 상단에 해당하되 지하수 수위 아래에 해당하는 곳에 배수공(12)을 형성하여

상기 지하수열교환기(20)의 열교환과정에 상기 제1파이프 아래에 있는 지하수의 온도가 상승(대략 50℃ 이하)(물의 부피평창으로)하면 상기 제1파이프(10) 상단에 위치한 지하수가 상기 배수공(12)을 경유하여 상기 수로(A)로 이동하고,

상기 수로(A) 아래에 위치한 지하수는 상기 지하수환수구멍(11)을 통해 제1파이프 내부하단으로 유입되는 구성을 포함한다.

상술한 바와 같이, 지하수열교환기를 공내의 수위 아래에 잠기게 하는 지열 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 송수관과 환수관의 일단에 지하 수위 아래에 잠기는 지하수열교환기를 연결하고,

상기 지하수열교환기를 시추기에 의해 천공한 공내의 지하수위 아래에 잠기게 한 상태에서 지하수열교환기, 지상열교환기, 송수관, 환수관에 충전한 유체를 순환펌프에 의해 순환하면 지하수열교환기로 하여금 지하수와 직접 열교환이 이루어진다.

이로 인해 열교환에 있어 지하수열교환에 의해 직접열교환이 이루어지므로 열교환이 더 효과적이라 할 수 있고, 갈수기에 수위가 대폭 내려가더라도 공내 아래에 해당하는 끝단부분에 지하수열교환기가 있어 항상 지하수에 잠긴 상태가 된다따라서 열교환에 지장이 없다.

상기 이상의 효과는 구체적인 내용에서 더 밝혀진다.

제 1도는 실시예로서 지하수열교환기를 공내의 수위 아래에 잠기게 하는 지열 시스템 전체 구성도,
제 2도는 제 1도에서 공내를 제거한 상태의 전체 구성도,
제 3도는 제 2도의 상태에서 일부를 생략한 상태의 구성도,
제 4도는 본 발명의 유체순환과정, 지하수대류현상 과정, 지하수 순환과정을 확인할 수 있는 참고도,
제 5도의 가)는 본 발명의 지하수열교환기를 공내의 수위 아래에 잠기게 하는 지열 시스템 전체 구성도의 제어방법의 흐름도,
제 6도는 본 발명의 지하수열교환기를 공내의 수위 아래에 잠기게 하는 지열 시스템 시공공법,
제 7도는 본 발명의 또 다른 실시예의 사시도.

첨부한 도면에 의해 구성을 재차살펴보고 그에 따른 실시예를 설명하고자 한다.

본 발명의 설명에 있어서, 지하수위 아래에 잠긴 열교환기를 지하수열교환기라하고,

지상의 히트펌프(80)에 있는 열교환기는 지상열교환기라하며,

공내에 수용되는 파이프(내부케이싱에 해당)는 제1파이프라 한다.

그리고 제1파이프의 원주연의 외벽과 공내 내벽 사이를 수로라 하고

그 수로에는 콩자갈(산업현장에서 콩알같이 작은 인조자갈을 콩자갈이라 한다)을 채우는데 이렇게 콩자갈을 채우면 콩자갈과 콩자갈 사이가 수로가 된다.

그리고 유체는 열매체유 내지는 물에 해당한다.

첨부한 도면에 의해 구성을 살펴보면,

상기 공내(100)의 내부벽과 상기 제1파이프(10) 외부벽 사이에 수로(A)가 형성되도록 하면서 공내(100)벽이 무너지지 않도록 충전하는 콩자갈(B)과,

상기 송수관(40) 내지는 환수관(50)에 연결되어 상기 지하수열교환기(20)내의 유체와 상기 지상열교환기(30) 내의 유체가 서로 순환되도록 순환시키는

순환펌프(41)를 포함한다.

이와 같은 구성의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

지하수열교환기, 지상열교환기, 송수관, 환수관에 충전한 유체는 순환펌프(41)에 의해 순환된다.

즉, 수위 아래에 있는 지하수열교환기(20)내의 유체와 지상에 있는 히트펌프에 구성된 지상열교환기(30)의 유체가 지속적으로 순환한다.

후술에서 설명하겠지만 여름철인 경우 지상열교환기(30)의 이면에 흐르(히트펌프의 경우 가스측에 해당)는 고온과 상기 지상열교환기(30)의 일면에서 순환되는 유체와 열이 교환된다.

이 교환과정에 온도가 상승한 유체는 송수관(40)을 따라 지하수열교환기(20) 내에서 지그재그로 순환되는 과정에 차가운 지하수와 열교환이 이루어져 다시 차가워 진다.

그 차가워진 유체는 환수관(50)을 따라 상기 지상열교환기(30) 일면으로 지그재그로 순환되는 과정에 상기 지상열교환기(30) 이면에서 흐르는 고온과 열이교환이 이루어지는 반복과정이다.

상기 지상열교환기(30)에 대한 기술은 대한민국 특허청 등록번호 10-1151758호,등록번호 10-0954439호에 상세하게 설명되어 있고, 상기 지하수열교환기(20)에 대한 기술은 대한민국 특허청 등록번호 10-0834005호에 상세하게 설명되어 있어 이에 대한 설명은 생략한다.

다음 구성을 살펴보면 다음과 같다.

앞에서 설명한 바와 같이 지하수열교환기(20)는 지하수에 잠기는 송수관(40)끝단부분(42)과 환수관(50)시작부분(51)에 연결되어 제1파이프(10)수위 아래에 수용된다.

이로 인해 지하수 수위가 지표면으로부터 지하로 100m~200m 아래쪽에 위치할 경우도 수위아래에 지하수열교환기(20)가 항상 잠겨있어 열교환에 있어 아주 효과적이다.

다음 구성을 살펴보면 다음과 같다.

지하수열교환기(20)는 수직으로 길게 제작한 다음 상기 지하수열교환기(20) 복수를 수직으로 연이여 연결하는 구성이다(도 7참조).

이와 같이 연이어 연결함으로서 반지름이 협소한 제1파이프(10) 내부로 많은 양의 지하수열교환기(20)를 수용할 수 있고 또 시공장소에 따서 선택적으로 상기 복수의 지하수열교환기(20)의 수량을 다르게 할 수 있다.

다음 구성을 살펴보면 다음과 같다.

제1파이프(10)하단 원주연에 수로(A)의 지하수가

상기 제1파이프(10) 하단 내부로 유입되도록 상기 제1파이프(10)하단의 길이방향으로 복수의 지하수환수구멍(11)을 형성하고, 상기 제1파이프(10)내부에 위치되되 상기 지하수환수구멍(11) 상단에 위치한 지하수열교환기(20)와, 상기 제1파이프(10) 상단에 해당하되 지하수 수위 아래에 해당하는 곳에 배수공(12)을 형성하여

상기 수로(A) 아래에 위치한 지하수는 상기 지하수환수구멍(11)을 통해 제1파이프 내부하단으로 유입되는 구성이다 이와 같은 과정이 대류현상에 해당한다.

여기서 참고로, 갈수기에 해당하여 수위가 내려가더라고 상기 제1파이프(10) 상측에 형성한 배수공(12) 아래까지 내려가면 대류현상이 발생하지 않으므로 상기 배수공(12)은 이를 감안하여 형성하는것이 바람직하다.

상기 구성의 실시예를 설명하고자 한다.

설명한 바와 같이, 지하수열교환기(20)주변 지하수는 고온이 발생하면

그 고온의 지하수는 대류현상에 따라 제1파이프(10) 상측으로 상승하고 상측에 있는 지하수는 상기 제1파이프(10)의 배수공(12)으로 이동한 후 다시 수로의 하단으로 이동하고 수로에 있는 지하수는 다시 제1파이프의 지하수환수구멍(11)을 지나 제1파이프(10) 내부로 이르게 된다.

이러한 과정이 반복되면서 지하수열교환기(20)는 지하수와 열교환이 이루어진다.

다음 구성을 살펴보면 다음과 같다.

상기 수로(A)에 작은 콩자갈을 채워 내부벽이 무너지지 않도록 하면서 지하수열교환기(20)에 의해 온도가 상승한 지하수가 대류현상 과정에 상기 자갈과 열교환이 이루어지도록하는 구성이다.

이처럼 콩자갈을 채우는 공정은 종래기술에 해당함으로 상세한 설명을 생략한다.

다음 구성을 살펴보면 다음과 같다.

상기 제1파이프(10) 내부에 상기 제1파이프(10)보다 지름이 작은 순환파이프(60)의 일측 끝단(61)을 지하수 수위 아래에 잠기도록하고 상기 순환파이프(60) 타단 끝단(62)은 지상 내지는 수로(A)에 위치하고 상기 순환파이프(60)의 끝단에

수중펌프(63)를 설치한 구성이다.

상기 순환파이프(60) 타단 끝단(62)은 수로(A)에 채워진 콩자갈(콩알처럼 작은 자갈을 뜻함) 내지는 기타 모래 등에 묻힌다.

상기 구성의 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

상기와 같이 순환파이프(60)의 일측 끝단(61)에 수중펌프(모터펌프에 해당)를 연결하여 지하수 수위 아래에 잠기도록하고 상기 순환파이프(60) 타단 끝단(62)은 지상 내지는 수로(A)에 위치하였다.

이 상태에서 특히, 거울철에 수중펌프(63)을 가동(계절 및 상황에 따라 선택적으로 가동함)하면 제1파이프(10) 내측 지하수와 상기 제1파이프(10) 외벽과 공내 내벽사이에 해당하는 수로(A)의 지하수와 순환이 이루어진다.

이와 같이 하는 이유는 예를 들어 겨울철에 지상에 설치된 차가운 지상열교환기(30)와 지하수열교환기(20)가 열을 교환하는 과정에 제1파이프(10) 내부 지하수가 차가워지므로 이 차가운 지하수를 그대로두면 열교환이 이루어지지 않아 그 차가운 물을 펌프하여 수로 상측으로 흘려보내면 수로 아래에 머물고 있는 높은(제1파이프와 비교하여 높음) 온도의 지하수는 제1파이프(10)하단에 형성한 지하수환수구멍(11)을 통해 상기 제1파이프(10) 하단 내부로 유입된다.

따라서 이 높은 온도의 지하수와 지하수열교환기(20)에서 순환되고 있는 차가운 유체와 열교환이 이루어진다.

여기서 참고로, 히트펌프는 냉동사이클의 순환방향의 변경에 따라 난방과 냉방이 자유로이 이루어지는 것으로서, 외부로부터 에너지의 흡수가 이루어지는 열교환 흡열부와, 실내에 열교환 흡열부로부터 흡수한 에너지를 공급하는 열교환 가열부 및 상기 열교환 흡열부와 열교환 가열부 사이에서 열교환매체를 순환시키는 압축기로 구성되는 것이다. 참고 대한민국 특허청 등록번호 10-1011699호,

상기한 바와 같은 히트펌프는 동절기에 난방목적으로 사용시 외부의 온도가 영하권을 유지하여 본원발명에서 설명하는 유체가 열교환되어 지하수열교환기로 되돌아 온 유체의 온도가 매우 차갑고 그 차가운 온도는 다시 지하수와 열교환되면 그 지하수가 매우 차가워진다. 이 차가워진 지하수는 수중펌프을 통해 수로로 내보내는 것이다. 이 수로에서는 수로에 있는 지하수 내지는 지열과 열교환이 이루어진다.

여기서 살펴보면 일반적으로 지하수는 한곳에 머물지 않고 지속적으로 지하에서 지그재그 내지는 일측방향에서 다른방향으로 흐르고 있는 상태이다.

즉 수맥이 흐르고 있는 상태이다.

그러므로 수중펌프(63)를 가동하지 않더라도 지하수열교환기(20)에 의해

차가워진(여름철은 차갑고 겨울철은 따뜻함) 제1파이프(10)내의 지하수는 지하수환수구멍(11)을 통해 제1파이프(10) 외부로 흘러가고 이 과정에 지하수온도에 해당하는 지하수가 제1파이프(10)내부로 유입된다.

이러한 과정이 지속되면서 열교환이 이루어지는 것이다.

그러나 상기와 같이 수맥에 의해 열교환이 이루어지지 않으면 다음과 같은 제어방법으로 열교환을 할 수 있다.

다음은 제어방법을 설명하고자 한다.

제어부(A1)와 연동되는 감지부(A2)를 통해 송수부(40)와 환수부(50)에 순환되는 유체(송수부와 환수부의 외벽 온도를 감지할 수 있음)의 온도를 감지하여 감지값의 온도편차가 미리설정한 편차 범위를 벗어날 때 지하수열교환기(20)가 지하수와 열교환이 이루어지지 않은 것으로 판단하고 제어부(A1)를 통해 상기 순환파이프(60)에 연결된 수중펌프(63)를 가동하여 제1파이프(10)에 있는 지하수를 펌프하여 수로 내지는 지상으로 배출하고

감지부(A2)를 통해 송수부(40)와 환수부(50)에 순환되는 유체(송수부와 환수부의 외벽 온도를 감지할 수 있음)의 온도를 감지하여 감지값의 온도편차가 미리설정한 설정 범위일 때 지하수열교환기(20)가 지하수와 열교환이 이루어지는 것으로 판단하고 상기 순환파이프(60)에 수중펌프(63)를 중지하는 구성이다.

상기 감지부(A2)는 송수관(40) 내부의 유체와 환수관(50)의 내부 유체를 감지할 수있는데 그 내부에 감지부를 설치하기가 번거러울 경우 송수관(40)과 환수관(50)의 외부 원주연에 감지부(A2)를 밀착시켜 그들의 온도를 감지할 수 있다.

물론, 지상열교환기(30)에서 감지가 가능하다.

상기 지상열교환기(30)에서 감지하는 방법으로는, 지하수열교환기를 경유하여 되돌아오는 유체를 환수관로에서 감지하고 지상열교환기를 경유하여 지하수열교환기(20)로 되돌아가는(송수관을 통해) 유체를 감지하여 온도편차가 많이 발생하면 열교환이 잘 이루어진 것으로 판단하고

그러나 온도 편차가 발생하지 않으면 열교환이 이루어지지 않는 것으로 판단한다.

상기 구성의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

상기 제어방법은 지하수열교환기(20)가 제1파이프(10)내에 있는 지하수와 열교환이 이루어지지 않을 경우 수중펌프(63)에 의해 펌프하여 수로(A)로 흘려보내면 이과정에 수로(A)내의 지하수는 제1파이프(10)의 하단에 형성한 지하수환수구멍(11)을 통해 상기 제1파이프내부로 유입된다.

이로 인해 지하수열교환기(20)는 지하수와 열교환이 이루어진다.

다음은 시공과정을 설명하고자 한다.

상기 송수관(40) 내지는 환수관(50)에 설치한 순환펌프(41)와

송수관(40)과 환수관(50) 일측 끝단에 지하수열교환기(20)가 연결되고 상기 송수관(40)과 환수관(50)의 타측 끝은 지상열교환기(30)에 연결하여 시공정 열교환시스템을 준비하는 시스템준비단계;B

상기 시스템준비단계;B

시추기를 이용하여 지하를 천공하여 공내(100)를 형성하는 천공단계;B1

상기 천공단계 후 제1파이프(10)를 수직으로 공내(100) 끝단까지 깊숙이 삽입하는 제1파이프삽입단계;B2

상기 제1파이프삽입단계 후 지상열교환기(30)를 지상에 위치하고

상기 지상열교환기(30)와 송수관(40)과 환수관(50)으로 연결한 지하수열교환기(20)를 상기 제1파이프(10)의 내부에 해당하는 지하수 깊숙이 잠기도록 수용하는 지하수에 열교환기수용단계;B3

상기 지하수에 열교환기수용단계 후 수중펌프(63)를 연결한 순환파이프(60)의 일측 끝단(61)은 상기 수중펌프(63)와 함께 제1파이프(10)의 내부에 해당하는 지하수를 깊숙이 잠기게하고 상기 순환파이프(60) 타측은 상기 제1파이프(10) 상단 부분을 경유하여 수로(A)에 수용되도록 하는 순환파이프설치단계;B4

상기 순환파이프설치단계 후 수로(A)에 콩자갈(B)을 채우는 콩자갈채우는단계;B5를 포함한다.

10 : 제1파이프 11 : 지하수환수구멍
12 : 배수공 20 : 지하수열교환기
30 : 지상열교환기 40 : 송수관
41 : 순환펌프 42 : 끝단부분
50 : 환수관 51 : 시작부분
60 : 순환파이프 63 : 수중펌프
80 : 히트펌프 100 : 공내
A : 수로 B : 콩자갈

Claims

열교환기 지중 내장형에 있어서,
송수관(40) 내지는 환수관(50)에 설치한 순환펌프(41)와,
상기 송수관(40)과 환수관(50) 일측 끝단에 지하수열교환기(20)가 연결되고 상기 송수관(40)과 환수관(50)의 타측 끝은 지상열교환기(30)에 연결하여 시공정 열교환시스템을 준비하는 시스템준비단계;B
상기 시스템준비단계(B) 후
시추기를 이용하여 지하를 천공하여 공내(100)를 형성하는 천공단계;B1
상기 천공단계 후 제1파이프(10)를 수직으로 공내(100) 끝단까지 깊숙이 삽입하는 제1파이프삽입단계;B2
상기 제1파이프삽입단계 후 지상열교환기(30)를 지상에 위치하고
상기 지상열교환기(30)와 송수관(40)과 환수관(50)으로 연결한 지하수열교환기(20)를 상기 제1파이프(10)의 내부에 해당하는 지하수 깊숙이 잠기도록 수용하는 지하수에 열교환기수용단계;B3
상기 지하수에 열교환기수용단계 후 수중펌프(63)를 연결한 순환파이프(60)의 일측 끝단(61)은 상기 수중펌프(63)와 함께 제1파이프(10)의 내부에 해당하는 지하수를 깊숙이 잠기게하고 상기 순환파이프(60) 타측은 상기 제1파이프(10) 상단 부분을 경유하여 수로(A)에 수용되도록 하는 순환파이프설치단계;B4
상기 순환파이프설치단계 후 수로(A)에 콩자갈(B)을 채우는 콩자갈채우는단계;B5를 포함한 방법으로 이루어지는 상태에서

제어부(A1)와 연동되는 감지부(A2)를 통해 송수부(40)와 환수부(50)에서
순환펌프(41)에 의해 순환되는 유체의 온도를 감지하여 감지값의 온도편차가 미리설정한 편차 범위를 벗어날 때 지하수열교환기(20)가 지하수와 열교환이 이루어지지 않은 것으로 판단하고 제어부(A1)를 통해 상기 순환파이프(60)에 연결된 수중펌프(63)를 가동하여 제1파이프(10)에 있는 지하수를 펌프하여 수로 내지는 지상으로 배출하고
감지부(A2)를 통해 송수부(40)와 환수부(50)에 순환되는 유체의 온도를 감지하여 감지값의 온도편차가 미리설정한 설정 범위일 때 지하수열교환기(20)가 지하수와 열교환이 이루어지는 것으로 판단하고 상기 순환파이프(60)에 수중펌프(63)를 중지하는 방법을 포함한 것을 특징으로 하는 열교환기를 지중 수위아래에
내장하는 지열시스템의 시공과정을 거쳐 이루어지는 제어방법.