KR20200044499A - 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 상기 지열 히트펌프 시스템은 개방형 지중열교환기; 히트펌프; 공급유로; 제1 회수유로(40) 및 제2 회수유로(50); 리사이클링 탱크; 를 포함하고, 상기 리사이클링 탱크의 내부에는 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 상변화물질(PCM)이 충전되고, 상기 개방형 지중열교환기는, 관정 내부에 삽입되며 하부에 지하수 유입구가 형성된 케이싱; 상기 케이싱 내부에 삽입되어 지하수를 펌핑하는 심정펌프; 상기 공급유로와 연결되어 상기 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 히트펌프로 공급하는 지하수 공급관; 상기 히트펌프에서 열교환된 지하수를 관정 내부로 되돌리기 위해 상기 지하수 유입구 근처에서 상기 케이싱 내부로 삽입되는 리턴관; 상기 리턴관 내부로 삽입되어 상기 리턴관의 단부에서 하향으로 상기 케이싱의 바닥면까지 연장되는 보조관; 을 포함하고, 상기 보조관의 하단부에는 다수의 보조 개구가 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상기 보조관에는 공기 펌프와 흡입 펌프가 연결되고, 상기 공기펌프는 상기 보조 개구를 통해 고압의 공기를 배출하여 상기 케이싱 하부에 축적되는 슬러지를 교란시키고, 상기 흡입 펌프는 상기 보조 개구를 통해 교란된 슬러지를 흡입하여 제거한다.
이러한 구성에 따르면, 케이싱 내부에 유입되어 하부에 쌓이는 슬러지를 용이하게 제거하고 슬러지의 상승을 방지하여 심정펌프의 손상을 방지하고 수명을 연장하는 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

Description

리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템 {Geothermal heat pump system with recycling tank and easy sludge removal}
본 발명은 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
최근 화석에너지에 의한 이산화탄소 배출량이 지구 환경문제로 크게 부각되면서 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 그 일환으로서 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 공급받는 지열 히트펌프 시스템이 개발되어 사용되고 있다.
지열 히트펌프 시스템은 밀폐형 시스템과 개방형(또는 우물관정형) 시스템으로 나눌 수 있다.
밀폐형 지열 히트펌프 시스템은 지층을 수십 m에서 150 m 내외 깊이로 굴착한 후, 굴착구간에 유체순환용 파이프를 설치하고, 부동액 등 순환유체를 땅속에 설치한 유체순환용 파이프와 지상에 설치된 열교환기 사이에 이동 순환시켜 지열을 얻는 시스템이다.
개방형 지열 히트펌프 시스템은 지층을 수백미터 깊이로 굴착해서 일정량의 지하수를 생산하는 지하수 취수공을 개발한 후에, 수중모터펌프를 설치하고 지하수를 지상에 설치된 열교환기로 이동, 순환시켜 지열을 얻는 시스템이다.
땅속의 지열과 직접 접촉하는 지하수를 순환매체로 이용하는 개방형 지열 히트펌프 시스템은 부동액 등이 유체순환용 파이프를 순환하면서 지열과 간접적으로 접촉하는 밀폐형 지열 히트펌프 시스템에 비해 열효율이 훨씬 좋은 것으로 알려져 있다.
지열 히트펌프 시스템은 일반적으로 지중 열교환기, 순환펌프, 히트펌프 및 연결 관로를 포함하고, 히트펌프에서는 열매체를 통해 열원측(1차측)으로부터 열에너지를 공급받아 2차측(사용자측)으로 전달한다.
열매체의 종류에 따라 물 대 공기(Water To Air, WTA) 방식의 지열 히트펌프 시스템은 2차측의 열교환 매체로서 공기가 사용되기 때문에 일반적으로 축열조를 1차 측에 설치하여 미사용 에너지를 저장하였다가 2차측의 열교환 매체와 열교환이 이루어지도록 구성하고 있다.
그러나 축열조를 1차측에 설치하여 미사용 에너지를 저장하게 되면 1차측으로 열교환 매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 지속적으로 가동되어야 하고, 또한 지중의 온도에 따라 축열조에 저장되는 열량에 큰 차이가 있기 때문에 높은 가동 효율을 담보하기가 곤란하다는 문제가 있다.
따라서 1차측에 축열조를 설치하는 지열 히트펌프 시스템에 있어서 경제적이면서도 미사용 에너지의 높은 이용 효율을 담보할 수 있는 지열 히트펌프 시스템의 개발이 요구된다.
또한, 종래의 개방형 지열 히트펌프 시스템은 관정 내부에 케이싱을 삽입하여 관정 내부로 고여지는 지하수를 심정펌프로 펌핑하여 공급관을 통해 열교환기로 공급하여 열교환 시킨 후, 리턴관을 통해 재차 관정 내부로 투여하여 반복 순환되도록 한다. 케이싱의 하부에는 케이싱 내부로 지하수가 유입되는 다수의 유입구가 형성된다.
그런데, 종래 개방형 지열교환 시스템에서는 케이싱의 외부와 관정의 벽 사이에 있는 리턴관에서 흘러나온 순환수가 관정의 벽을 타고 내려오면서 대수층과 약한 관정의 벽을 무너뜨리고 또한 많은 슬러지를 유발시킨다.
이러한 슬러지는 관정의 바닥에 쌓이게 되어 심할 경우 심정펌프에까지 이르러 지하수 수질을 악화시키고 심정펌프가 손상을 일으키는 경우도 발생된다.
또한 관정 내부에 과도히 쌓이는 슬러지는 지하수와 함께 용이하게 수중모터펌프로 유입되어 심정펌프를 마모시키거나 회전에 장애를 일으켜 고장의 원인이 된다.
대한민국 등록특허 제10-1403041호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 1차 측에 축열조를 설치하는 지열 히트펌프 시스템에 있어서 냉난방 부하의 변동에 적절히 대응할 수 있으며, 또한 미사용 열에너지를 활용함으로써 경제적이면서도 냉난방 효율을 높일 수 있고, 케이싱 내부에 유입되어 하부에 쌓이는 슬러지를 용이하게 제거하고 슬러지의 상승을 방지하여 심정펌프의 손상을 방지하고 수명을 연장하는 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 지중에 설치되는 열교환기를 이용하여 냉난방에 필요한 열에너지를 공급하는 지열 히트펌프 시스템은, 지중에 설치되는 개방형 지중열교환기; 사용자측의 냉난방 시스템에 냉난방 에너지를 공급하는 히트펌프; 상기 개방형 지중열교환기와 상기 히트펌프의 유입구 사이에 연결되는 공급유로; 일단은 상기 히트펌프의 배출구에 연결되며, 타단은 상기 개방형 지중열교환기의 내부에 설치되어 상기 히트펌프를 거친 1차측의 열매체를 상기 개방형 지중열교환기로 회수하는 제1 회수유로(40) 및 제2 회수유로(50); 상기 제1 회수유로(40)에 설치되어 1차측 열매체의 잔열을 흡수 및 저장하는 리사이클링 탱크; 를 포함하고, 상기 리사이클링 탱크의 내부에는 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 상변화물질(PCM)이 충전되고, 상기 개방형 지중열교환기는, 관정 내부에 삽입되며 하부에 지하수 유입구가 형성된 케이싱; 상기 케이싱 내부에 삽입되어 지하수를 펌핑하는 심정펌프; 상기 공급유로와 연결되어 상기 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 히트펌프로 공급하는 지하수 공급관; 상기 히트펌프에서 열교환된 지하수를 관정 내부로 되돌리기 위해 상기 지하수 유입구 근처에서 상기 케이싱 내부로 삽입되는 리턴관; 상기 리턴관 내부로 삽입되어 상기 리턴관의 단부에서 하향으로 상기 케이싱의 바닥면까지 연장되는 보조관; 을 포함하고, 상기 보조관의 하단부에는 다수의 보조 개구가 소정의 간격으로 이격되어 형성되고, 상기 보조관에는 공기 펌프와 흡입 펌프가 연결되고, 상기 공기펌프는 상기 보조 개구를 통해 고압의 공기를 배출하여 상기 케이싱 하부에 축적되는 슬러지를 교란시키고, 상기 흡입 펌프는 상기 보조 개구를 통해 교란된 슬러지를 흡입하여 제거한다.
또한, 상기 보조관의 하부 외측에 베어링을 통해 상기 보조관과 독립적으로 회전 가능하게 연결되는 외부 보조관; 을 더 포함하고, 상기 외부 보조관에는 상기 외부 보조관의 외측으로 연장되는 복수의 팬이 하향으로 이격되게 형성되고, 상기 외부 보조관에는 상기 보조 개구와 연통되는 제2 보조 개구가 형성되어 상기 팬을 향해 연장되는 공기 유도관이 형성되고, 상기 보조 개구를 통해 배출되는 고압의 공기는 상기 공기 유도관을 통해 상기 팬을 향해 배출되어 상기 팬을 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 외부 보조관은 상기 보조관의 단부까지 연장되고, 상기 외부 보조관의 하단부에는 상기 외부 보조관의 외측으로 횡방향으로 연장되고 하부로 향하는 복수의 공기 배출구가 소정의 간격으로 이격되게 형성되는 공기 배출관이 형성되어, 상기 복수의 공기 배출구를 통해 고압의 공기가 하향으로 배출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 1차 측에 축열조를 설치하는 지열 히트펌프 시스템에 있어서 냉난방 부하의 변동에 적절히 대응할 수 있으며, 또한 미사용 열에너지를 활용함으로써 경제적이면서도 냉난방 효율을 높일 수 있고, 케이싱 내부에 유입되어 하부에 쌓이는 슬러지를 용이하게 제거하고 슬러지의 상승을 방지하여 심정펌프의 손상을 방지하고 수명을 연장하는 리사이클링 탱크가 구비되고 슬러지 제거가 용이한 지열 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리사이클링 탱크가 구비된 지열 히트펌프 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 리사이클링 탱크가 구비된 지열 히트펌프 시스템이 가동되는 예를 보인 사용상태도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지중열교환기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에서 슬러지를 교란시키기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6에서 공기펌프에 의해 고압의 공기가 배출되는 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 7에서 흡입펌프에 의해 교란된 슬러지를 흡입하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬러지를 교란시키기 위한 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 리사이클링 탱크가 구비된 지열 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 리사이클링 탱크가 구비된 지열 히트펌프 시스템이 가동되는 예를 보인 사용상태도이다.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템은 개방형 지중열교환기(10), 히트펌프(20), 공급유로(30), 제1 회수유로(40), 제2 회수유로(50), 제1 펌프(60A), 리사이클링 탱크(70) 및 제어기(80)를 포함한다.
개방형 지중열교환기(10)는 지중에 설치되어 열매체를 통해 지중의 열을 히트펌프(20)에 공급하기 위한 것으로 복수 개로 이루어질 수 있다.
건물에는 개방형 지중열교환기(10)와 연결된 히트펌프(20)가 설치되어 1차측(열원측)의 열매체(지하수)와 2차측(사용자측)의 열매체가 서로 열교환함으로써 2차측의 열매체를 냉각시키거나 가열하여 냉난방에 필요한 에너지를 공급한다.
이러한 기능을 달성하기 위해 히트펌프(20)의 일측에는 1차측의 열매체가 공급 및 배출되기 위한 유입구(21)와 배출구(22)가 각각 구비된다. 유입구(21)에는 개방형 지중열교환기(10)와 열교환이 이루어진 열매체를 히트펌프(20)로 공급하기 위한 공급유로(30)가 연결되고, 배출구(22)는 제1 회수유로(40) 또는 제2 회수유로(50)를 통해 개방형 지중열교환기(10)와 연결되고, 이에 의해 열매체가 다시 개방형 지중열교환기(10)에 회수된다.
히트펌프(20)의 타측에는 공조장치 등과 연결되는 열매체 배관(1)이 연결된다.
개방형 지중열교환기(10)와 히트펌프(20) 사이에는 1차측의 열매체가 히트펌프(20)로 공급 및 배출되도록 공급유로(30)와 제1 회수유로(40)가 각각 설치된다. 공급유로(30)에는 1개 이상의 제1 펌프(60A)가 병렬로 설치되고, 제1 회수유로(40)에는 후술하는 리사이클링 탱크(70)와 유량조절밸브(V)가 각각 설치된다.
리사이클링 탱크(70)와 공급유로(30) 사이에는 이들을 연결하는 보조유로(30')가 설치되고, 이 보조유로(30')에는 제2 펌프(60B)가 제1 펌프(60A)와 병렬로 설치될 수 있다.
제1 회수유로(40)에는 리사이클링 탱크(70)를 거쳐 개방형 지중열교환기(10)로 회수되는 1차측 열매체의 유량을 조절할 수 있도록 유량조절밸브(V)가 구비된다.
본 발명에서는 필요에 따라 히트펌프(20)로부터 배출된 1차측의 열매체가 리사이클링 탱크(70)를 거치지 않고 개방형 지중열교환기(10)에 곧바로 유입될 수 있도록 리사이클링 탱크(70)를 바이패스하여 히트펌프(20)와 개방형 지중열교환기(10)를 직접 연결하는 제2 회수유로(50)가 설치된다. 이를 위해 히트펌프(20)의 배출구(22)에 연결되는 배관에는 3방 밸브가 설치되어 제어기(80)의 제어에 의해 열매체가 제1회수유로(40) 또는 제2회수유로(50)를 통해 개방형 지중열교환기(10) 쪽으로 회수된다.
제1 회수유로(40) 상에는 리사이클링 탱크(70)가 설치되며, 이러한 리사이클링 탱크(70)는 히트펌프(20)를 거친 1차측 열매체가 개방형 지중열교환기(10)로 회수될 때 1차측 열매체에 남아 있는 잔열(미사용 열에너지)을 흡수하여 저장하였다가 특정 온도 조건이 되면 저장된 열에너지를 1차측 열매체에 전달하고, 이 열에너지를 전달받은 1차측 열매체는 개방형 지중열교환기(10)를 거치지 않고 다시 히트펌프(20)에 공급하는 기능을 한다.
리사이클링 탱크(70)는 내부에 수용공간이 형성된 탱크 형상으로 이루어지고, 일측 상부 쪽에는 제1 회수유로(40)를 통해 흐르는 1차측 열매체가 유입되기 위한 유입구(71)가 구비되며, 타측 하부 쪽에는 1차측의 열매체가 제1 회수유로(40)를 통해 개방형 지중열교환기(10)로 회수되기 위한 제1 배출구(72)가 구비되고, 저면에는 리사이클링 탱크(70)의 내부로 유입된 1차측의 열매체를 보조유로(30')를 통해 히트펌프(20)로 다시 공급하기 위한 제2 배출구(73)가 구비된다. 탱크(70)의 내부에는 온도에 따라 상변화를 일으키는 상변화물질(phase change materials, PCM)이 충전된다. 리사이클링 탱크(70)는 외부에 단열재가 설치되거나 내부에 별도의 내부탱크(70')가 설치된 이중 구조로 이루어질 수 있다.
상변화물질은 1차측 열매체와 열교환되어 회수되는 열매체의 온도를 고려하여 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 공지된 상변화물질 중에서 선택되어 사용되며, 바람직하게는 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화되면서 다른 종류의 상변화물질에 비해 잠열량(231 kJ/kg)이 높은 n-Hexadecane(예를 들면, PARAFOL 16 ~ 97)이 사용될 수 있다.
이와 같이 리사이클링 탱크(70)의 내부에 상변화물질(PCM)을 충전함으로써 제어기(80)의 제어에 의해 1차측 열매체가 제1 회수유로(40)를 통해 개방형 지중열교환기(10)로 회수될 때 리사이클링 탱크(70)를 경유하면서 미사용 열에너지는 상변화물질에 의해 흡수 및 저장되고, 상변화물질에 의해 흡수 및 저장된 열에너지는 히트펌프(20)에 다시 공급됨으로써 1차측의 열매체를 가열 또는 냉각시키는 데에 사용되거나 또는 후술하는 온수공급탱크(90)에 공급됨으로써 온수공급탱크(90)에 저장된 물을 가열하는 데에 사용된다.
이와 같이 1차측의 열매체가 개방형 지중열교환기(10)를 거치지 않고 리사이클링 탱크(70)에서 다시 히트펌프(20)에 공급되도록 제어하는 경우 제2 펌프(60B)만으로도 1차측의 열매체가 원활하게 순환될 수 있으며, 따라서 열매체를 개방형 지중열교환기(10)로부터 히트펌프(20)에 공급하기 위해 제1 펌프(60A)를 사용하는 경우에 비해 열매체의 순환유로가 짧아지고 또한 훨씬 작은 용량의 펌프를 사용할 수 있기 때문에 효과적인 에너지 절약이 달성된다.
히트펌프(20) 측에는 3방 밸브와 제1, 2 펌프(60A, 60B) 및 유량조절밸브(V) 등의 동작을 제어할 수 있도록 제어기(80)가 설치되며, 이러한 제어기(80)는 2차측의 공조장치의 설정온도에 맞추어 제1 펌프(60A)와 제2 펌프(60B)를 선택적으로 가동하면서 냉난방에 필요한 열에너지를 2차측에 공급하게 된다.
이때 제어기(80)는 2차측에서 필요한 냉난방 열량과 리사이클링 탱크(70)의 온도에 따라 유로를 선택하여 전환한다. 이를 위해 제어기(80)는 온도센서(도시하지 않음)를 통해 리사이클링 탱크(70)의 내부 온도(T1)와 개방형 지중열교환기(10)의 출구측 온도(T2)를 비교함으로써, 2차측의 냉난방에 필요한 열에너지를 공급할 열원으로서 개방형 지중열교환기(10) 또는 리사이클링 탱크(70) 중에서 선택하게 된다.
냉방 운전의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 온도 센서에 의해 각각 검출된 온도(T1, T2)를 비교하였을 때 리사이클링 탱크(70) 내부의 온도((T1))가 개방형 지중열교환기(10)의 온도(T2)보다 높은 경우에는 제1 펌프(60A)를 동작시켜 1차측의 열매체가 공급유로(30)를 따라 히트펌프(20)로 공급된 다음 제1 회수유로(40)를 거쳐 리사이클링 탱크(70)를 경유하여 개방형 지중열교환기(10)로 회수되도록 하면서 지속적으로 리사이클링 탱크(70)의 온도 변화를 모니터링한다.
이후, 리사이클링 탱크(70)의 온도(T1)가 15 ~ 18℃의 온도 범위에 있는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 펌프(60A)의 동작을 정지시키고 보조유로(30')에 설치된 제2 펌프(60B)를 동작시키는 동시에 3방 밸브를 동작시켜 1차측의 열매체가 개방형 지중열교환기(10)를 거치지 않고 히트펌프(20)로 공급되도록 유로를 전환한다. 그에 따라, 1차측 열매체가 리사이클링 탱크(70)의 상변화물질(PCM)과의 열교환에 의해 냉각되도록 하여 냉방에 필요한 열에너지를 공급하게 되고, 이때 제어기는 리사이클링 탱크(70)의 온도 변화를 계속 모니터링한다.
그리고 리사이클링 탱크(70)의 내부 온도(T1)가 25℃ 이상이거나 또는 개방형 지중열교환기(10)의 온도(T2)와 같거나 높으면 제어기(80)의 제어에 의해 제2 펌프(60B)의 동작이 정지되고, 다시 제1 펌프(60A)가 동작되면서 1차측 열매체가 개방형 지중열교환기(10)와 히트펌프(20)를 순환하도록 유로가 전환된다.
이러한 운전방식에 의해 본 발명은 열매체를 순환시키기 위한 제1, 2 펌프(60A, 60B) 중 어느 하나의 펌프를 선택적으로 운전할 수 있으며, 그 결과 개방형 지중열교환기(10)를 사용하지 않고도 리사이클링 탱크(70)에 저장된 열에너지를 이용하여 냉난방에 필요한 열에너지를 공급할 수 있어 용량이 상대적으로 큰 제1 펌프(60A)를 동작시키는 데 필요한 전기에너지를 절약할 수 있다.
난방 운전 시에는 냉방 운전 시와 반대로 리사이클링 탱크(70)의 내부 온도(T1)가 25℃ 이상이 되면 제어기의 제어에 의해 1차측의 열매체가 히트펌프(20)와 리사이클링 탱크(70)를 순환하도록 제어되고, 리사이클링탱크(70)의 내부 온도(T1)가 15 ~ 18℃의 온도 범위인 경우에는 1차측 열매체가 개방형 지중열교환기(10)와 히트펌프(20)를 순환하도록 제어된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 난방 운전 시에 있어서 리사이클링 탱크(70) 내부의 온도(T1)가 25℃ 이상인 경우 유로를 전환하여 1차측 열매체가 제2 회수유로(50)를 통해 개방형 지중열교환기(10)로 회수되도록 하고, 온수가 필요한 경우에는 온수공급탱크(90)에 온수를 공급할 수 있도록 온수연결배관(91)을 통해 1차측 열매체를 온수공급탱크(90)의 내부로 공급함으로써 적정한 온도의 온수를 사용자측에 공급하고, 리사이클링 탱크(70) 내부의 온도(T1)가 15 ~ 18℃인 경우에는 다시 유로를 전환하여 1차측의 열매체가 제1 회수유로(40)를 통해 리사이클링 탱크(70)를 경유하여 순환하도록 제어된다.
이와 같이 본 발명의 리사이클링 탱크가 구비된 지열 히트펌프 시스템은 리사이클링 탱크(70)를 통해 열매체가 선택적으로 냉각 또는 가열되어 히트펌프(20)로 공급됨으로써 냉난방 부하의 변동에 따라 적절히 대응할 수 있고, 상변화물질이 충전된 리사이클링 탱크(70)를 통해 미사용 열에너지를 더욱 효과적으로 이용할 수 있기 때문에 에너지 이용효율이 대폭 증대될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지중열교환기의 구성을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 5에서 슬러지를 교란시키기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 7은 도 6에서 공기펌프에 의해 고압의 공기가 배출되는 상태를 도시하는 도면이다. 도 8은 도 7에서 흡입펌프에 의해 교란된 슬러지를 흡입하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 5와 도 6을 참조하면, 개방형 지중열교환기(100)는 관정(110) 내에 고이는 지하수를 순환시켜 히트펌프(20)로 지열을 열교환시키기 위한 것으로서, 관정(110), 케이싱(120), 심정펌프(130), 지하수 공급관(140), 리턴관(160)을 포함한다.
관정(110)은 온도의 변화가 거의 없는 지하 수백 m까지 시공하여 이루어진다. 관정(110)의 상부는 커버(111)로 밀폐되어 지상의 오염물의 유입을 차단한다. 관정(110) 내부에는 케이싱(120)과 리턴관(160) 사이 공간에 콩자갈(112)이 삽입된다.
표토층(땅 표면부터 암반층까지)은 시멘트 또는 벤토나이트로 그라우팅을 하여 지면의 오염물이 스며들지 않도록 하고 상부의 커버(111)는 크린캡으로 대체될 수 있다. 커버(111)는 케이싱(110)과 같은 동일한 규격으로 하여 심정펌프(130) 등의 고장시에 용이하게 교체되도록 분리형으로 설치하고, 또한 지하수 공급관(140)과 리턴관(160)을 안정적으로 보호하고 지지하는 역할도 한다.
콩자갈(112)은 대수층의 지하수로 인한 관정(110)의 벽이 무너짐을 방지하고 지하수가 원활하게 흐르게 하며, 케이싱(120) 내부의 슬러지(S) 발생을 줄이는 한편, 케이싱(120) 내부로 깨끗한 물이 유입되게 한다. 콩자갈(112)의 크기(입도)는 3~10mm 정도가 적당하며, 콩자갈(112)에 필요에 따라 모래가 추가될 수도 있다.
케이싱(120)은 지하수 공급관(140)과 리턴관(160)을 통해 순환하는 지하수와, 지하에서 관정(110) 내부로 유입되는 지하수를 격리시키기 위해 관정(110) 내부에 삽입 설치된다. 케이싱(120)은 PVC 파이프로 되거나 녹슬지 않는 다양한 재질의 금속관이 사용될 수도 있다.
케이싱(120)의 하부에는 케이싱(120)의 바닥에서 소정높이(H)부터 상측으로 다수의 지하수 유입구(121)가 형성된다. 지열을 흡수한 지하수는 관정(110)에서 지하수 유입구(121)를 통해 케이싱(120) 내부로 유입된다.
심정펌프(130)는 케이싱(120) 내부에 삽입되어 케이싱(120) 내에 유입된 지하수를 펌핑하는 수중펌프로서, 지하수 공급관(140)의 하단부에 연결된다.
지하수 공급관(140)은 심정펌프(130)에 의해 펌핑되는 지하수를 히트펌프(20)로 공급하는 관이다.
리턴관(160)은 히트펌프(20)에서 열교환된 지하수를 케이싱(120) 내부로 되돌리는 관이다. 리턴관(160)은 관정(110)의 벽과 케이싱(120)의 사이 공간에 배치되어 케이싱(120)의 지하수 유입구(121) 근처(지하수 유입구의 상측)에서 케이싱(120)의 내부로 삽입되고, 리턴관(160)의 끝단은 케이싱(120)의 상측으로 향하게 절곡된 절곡부(161)를 이룰 수 있다.
지하에서 관정(110) 내부로 유입되는 지하수는 콩자갈(112)이 채워진 공간을 지나면서 정화되고 슬러지(S)의 발생이 줄어져 지하수 유입구(121)를 통해 케이싱(120) 내부로 유입된다.
케이싱(120) 내부에 유입된 지하수에서 슬러지(S)는 저류하여 케이싱(120)의 바닥부에 쌓이고, 케이싱(120)의 상측에 있는 지하수는 심정펌프(130)의 작동에 의해 지하수 공급관(140)을 통하여 히트펌프(20)로 공급되어 열교환된 후 리턴관(160)을 통해 케이싱(120)의 하부까지 이동한다.
리턴관(160)을 통해 리턴되는 지하수는 관정(110) 내부의 콩자갈(112)에 스며 있는 지하수와 열 교환이 되면서 이동하여, 지하수 유입구(121) 근처(지하수 유입구의 상측)에서 케이싱(120)의 안으로 유입되어 순환을 계속한다.
보조관(170)은 슬러지(S)를 제거(청소)하기 위해 리턴관(160) 내부로 삽입되어 리턴관(160)의 단부에서 하향으로 케이싱(120)의 바닥면까지 연장된다. 보조관(170)의 하단부에는 다수의 보조 개구(171)가 소정의 간격으로 이격되어 형성된다.
보조관(170)에는 공기펌프(162)와 흡입펌프(163)가 연결된다. 공기펌프(162)는 보조 개구(171)를 통해 고압의 공기를 배출하여 케이싱(120) 하부에 축적되는 슬러지(S)를 교란시키고, 흡입펌프(163)는 보조 개구(171)를 통해 교란된 슬러지(S)를 흡입하여 제거한다.
보조관(170)의 하부 외측에는 베어링(181)을 통해 보조관(170)과 독립적으로 회전 가능하게 외부 보조관(180)이 연결된다.
외부 보조관(180)에는 상기 외부 보조관(180)의 외측으로 횡방향으로 연장되는 팬(183)이 부착되고, 이러한 팬(183)은 복수 개가 외부 보조관(180)을 따라 하향으로 이격되게 형성된다.
외부 보조관(180)에는 팬(183)을 향해 연장되는 공기 유도관(182)이 형성된다. 공기 유도관(182)에는 보조 개구(171)와 연통되는 제2 보조 개구(182a)가 형성되어, 보조 개구(171)를 통해 배출되는 고압의 공기는 공기 유도관(182)의 제2 보조 개구(182a)를 통해 팬(183)을 향해 배출될 수 있다. 팬(183)을 향해 배출되는 고압의 공기는 팬(183)을 가압하여, 외부 보조관(180)이 보조관(170)에 대해 회전되면서 팬(183)을 회전시킬 수 있다.
팬(183)이 소정 각도만큼 회전하여 외부 보조관(180)이 보조관(170)에 대해 회전하면, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되지 않을 수 있다. 이 경우, 공기가 제2 보조 개구(182a)를 통해 배출되기 어려우므로, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)는 각각 보조관(170)과 외부 보조관(180)의 원주를 따라 소정의 각도로 이격되어 복수 개가 형성되어, 팬(183)을 회전시키는 힘이 지속적으로 발생되게 할 수 있다.
팬(183)이 회전되면 와류를 형성하여 케이싱(120) 하부에 축적되는 슬러지(S)를 효과적으로 교란시킬 수 있다.
외부 보조관(180)은 보조관(170)의 단부까지 연장되고, 외부 보조관(180)의 하단부에는 외부 보조관(180)의 외측으로 횡방향으로 연장되는 공기 배출관(185)이 형성된다. 공기 배출관(185)은 보조관(170)에 형성된 배출 개구(172)와 연통된다. 배출 개구(172)는 보조관(170)의 원주를 따라 전체적으로 형성되고, 이러한 배출 개구(172)는 공기 배출관(185)과 연통될 수 있다.
공기 배출관(185)에는 하부로 향하는 복수의 공기 배출구(185a)가 소정의 간격으로 이격되게 형성된다. 공기펌프(162)를 통해 고압의 공기가 복수의 공기 배출구(185a)를 통해 하향으로 배출될 수 있고, 그에 따라 케이싱(120)의 바닥에 축적된 슬러지(S)를 더욱 효과적으로 교란시킬 수 있다.
외부 보조관(180)과 케이싱(120)의 내벽 사이에는 광센서(190)가 부착되어, 케이싱(120)의 하부에 슬러지(S)가 축적된 정도를 확인할 수 있다. 광센서(190)는 외부 보조관(180)의 길이방향을 따라 복수 개가 이격되어 부착되어, 외부 보조관(180)의 광센서(190)로부터의 광이 케이싱(120)에 부착된 광센서(190)까지 도달하지 않으면 그 높이까지 슬러지(S)가 축적된 것으로 확인할 수 있다. 광센서(190)는 조도센서로 구성되어 조도에 의해 슬러지(S)의 축적 정도를 확인할 수도 있다.
제어기는 광센서(190)에 의해 슬러지(S)가 축적된 정도를 확인하고, 공기펌프(162) 및 흡입펌프(163)를 가동하여 케이싱(120) 하부의 슬러지(S)를 청소할 수 있다.
보조관(170)과 외부 보조관(180)에는 각각 마그네트(195)가 위치되어, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되게 할 수 있다. 외부 보조관(180)이 보조관(170)에 대해 소정 각도만큼 회전하면, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되지 않을 수 있다. 이때, 마그네트(195)에 전기가 공급되면, 보조관(170)과 외부 보조관(180)에 각각 부착된 마그네트(195) 사이의 인력에 의해 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되도록 외부 보조관(180)이 회전할 수 있다.
도 7은 공기펌프(162)가 가동되어, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)를 통해 고압의 공기가 배출되어 팬(183)이 회전하는 상태를 도시하고 있다.
제2 보조 개구(182a)를 통해 배출되는 공기는 팬(183)을 회전시키고, 공기 배출구(185a)를 통해 배출되는 공기는 케이싱(120) 바닥의 슬러지(S)에 힘을 가한다. 그에 따라, 케이싱(120)에 축적된 슬러지(S)는 교란되어 흡입펌프(163)로 흡입하기 좋은 상태가 된다.
도 8은 슬러지(S)를 교란시킨 후 흡입펌프(163)가 가동되어, 교란된 슬러지(S)를 보조관(170)을 통해 외부로 배출하는 상태를 도시한다.
보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)를 연통시키기 위해, 마그네트(195)에 전기가 공급되면, 마그네트(195)의 인력에 의해 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되도록 외부 보조관(180)이 회전하여 제2 보조 개구(182a) 및 보조 개구(171)를 통해 슬러지(S)를 흡입할 수 있다. 또한, 공기 배출구(185a)를 통해서도 슬러지(S)가 흡입될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬러지를 교란시키기 위한 구성을 도시하는 도면이다.
본 실시예에서, 보조관(170)의 하부 외측에는 베어링(181)을 통해 보조관(170)과 독립적으로 회전 가능하게 외부 보조관(180)이 연결된다. 이러한 외부 보조관(180)은 복수 개가 보조관(170)의 길이방향을 따라 이격되게 베어링(181)을 통해 보조관(170)에 연결된다.
각각의 외부 보조관(180)에는 상기 외부 보조관(180)의 외측으로 횡방향으로 연장되는 팬(183)이 부착되고, 팬(183)을 향해 연장되는 공기 유도관(182)이 형성된다. 공기 유도관(182)에는 보조 개구(171)와 연통되는 제2 보조 개구(182a)가 형성되어, 보조 개구(171)를 통해 배출되는 고압의 공기는 공기 유도관(182)의 제2 보조 개구(182a)를 통해 팬(183)을 향해 배출될 수 있다.
고압의 공기가 제2 보조 개구(182a)를 통해 팬(183)을 향해 배출되면, 각각의 외부 보조관(180)은 보조관(170)에 대해 개별적으로 회전할 수 있고, 이는 외부 보조관(180)이 하나로 형성된 것보다 더 큰 와류를 형성하여 케이싱(120) 하부에 축적되는 슬러지(S)를 더욱 효과적으로 교란시킬 수 있다.
보조관(170)과 외부 보조관(180)에는 각각 마그네트(195)가 위치되어, 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되게 할 수 있다. 마그네트(195)에 전기가 공급되면, 보조관(170)과 외부 보조관(180)에 각각 부착된 마그네트(195) 사이의 인력에 의해 보조 개구(171)와 제2 보조 개구(182a)가 연통되도록 외부 보조관(180)이 회전할 수 있다.
본 실시예에서는 외부 보조관(180)가 복수 개가 보조관(170)의 길이방향을 따라 이격되게 연결되어, 외부 보조관(180)이 개별적으로 회전할 수 있게 하여 케이싱(120)의 하부에 더 큰 와류를 형성할 수 있게 한다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 개방형 지중열교환기
20 : 히트펌프
30 : 공급유로
40 : 제1 회수유로
50 : 제2 회수유로
60A : 제1 펌프
70 : 리사이클링 탱크
80 : 제어기
110 : 관정
120 : 케이싱
130 : 심정펌프
140 : 지하수 공급관
160 : 리턴관
170 : 보조관
171 : 보조 개구
172 : 배출 개구
180 : 외부 보조관
181 : 베어링
182 : 공기 유도관
182a : 제2 보조 개구
183 : 팬
185 : 공기 배출관
185a : 공기 배출구
190 : 광센서
195 : 마그네트

Claims (3)

  1. 지중에 설치되는 열교환기를 이용하여 냉난방에 필요한 열에너지를 공급하는 지열 히트펌프 시스템에 있어서,
    지중에 설치되는 개방형 지중열교환기;
    사용자측의 냉난방 시스템에 냉난방 에너지를 공급하는 히트펌프;
    상기 개방형 지중열교환기와 상기 히트펌프의 유입구 사이에 연결되는 공급유로;
    일단은 상기 히트펌프의 배출구에 연결되며, 타단은 상기 개방형 지중열교환기의 내부에 설치되어 상기 히트펌프를 거친 1차측의 열매체를 상기 개방형 지중열교환기로 회수하는 제1 회수유로(40) 및 제2 회수유로(50);
    상기 제1 회수유로(40)에 설치되어 1차측 열매체의 잔열을 흡수 및 저장하는 리사이클링 탱크;
    를 포함하고,
    상기 리사이클링 탱크의 내부에는 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 상변화물질(PCM)이 충전되고,
    상기 개방형 지중열교환기는,
    관정 내부에 삽입되며 하부에 지하수 유입구가 형성된 케이싱;
    상기 케이싱 내부에 삽입되어 지하수를 펌핑하는 심정펌프;
    상기 공급유로와 연결되어 상기 심정펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 히트펌프로 공급하는 지하수 공급관;
    상기 히트펌프에서 열교환된 지하수를 관정 내부로 되돌리기 위해 상기 지하수 유입구 근처에서 상기 케이싱 내부로 삽입되는 리턴관;
    상기 리턴관 내부로 삽입되어 상기 리턴관의 단부에서 하향으로 상기 케이싱의 바닥면까지 연장되는 보조관;
    을 포함하고,
    상기 보조관의 하단부에는 다수의 보조 개구가 소정의 간격으로 이격되어 형성되고,
    상기 보조관에는 공기 펌프와 흡입 펌프가 연결되고,
    상기 공기펌프는 상기 보조 개구를 통해 고압의 공기를 배출하여 상기 케이싱 하부에 축적되는 슬러지를 교란시키고, 상기 흡입 펌프는 상기 보조 개구를 통해 교란된 슬러지를 흡입하여 제거하는 지열 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조관의 하부 외측에 베어링을 통해 상기 보조관과 독립적으로 회전 가능하게 연결되는 외부 보조관;
    을 더 포함하고,
    상기 외부 보조관에는 상기 외부 보조관의 외측으로 연장되는 복수의 팬이 하향으로 이격되게 형성되고,
    상기 외부 보조관에는 상기 보조 개구와 연통되는 제2 보조 개구가 형성되어 상기 팬을 향해 연장되는 공기 유도관이 형성되고,
    상기 보조 개구를 통해 배출되는 고압의 공기는 상기 공기 유도관을 통해 상기 팬을 향해 배출되어 상기 팬을 회전시킬 수 있는 지열 히트펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외부 보조관은 상기 보조관의 단부까지 연장되고,
    상기 외부 보조관의 하단부에는 상기 외부 보조관의 외측으로 횡방향으로 연장되고 하부로 향하는 복수의 공기 배출구가 소정의 간격으로 이격되게 형성되는 공기 배출관이 형성되어, 상기 복수의 공기 배출구를 통해 고압의 공기가 하향으로 배출될 수 있는 지열 히트펌프 시스템.
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