KR20220069205A - 지열 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지열을 회수하여 지상으로 공급하기 위한 지중 열원 공급 유닛과; 상기 지중 열원 공급 유닛으로부터 공급되는 열원을 히트 펌프를 이용하여 열교환하는 지상 열교환 유닛과; 상기 지중 열원 공급 유닛과 상기 지상 열교환 유닛을 연결하고, 내부에 열수용 유체가 순환하는 순환 유닛과; 상기 각 유닛의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 지중 배관의 지하수 유입부가 지반의 붕괴나 이물질의 혼입 등으로 폐쇄되는 경우에도 운전 중단 없이 지속적으로 지하수를 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

지열 냉난방 시스템{GEOTHERMAL COOLING AND HEATING SYSTEM}
본 발명은 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열수용 유체를 지하수와 열교환 후 지상의 열교환 장치로 공급하기 위한 지중 배관의 일부가 지반의 붕괴나 외부 충격 등으로 파손 또는 폐쇄되는 경우에도 해당 지열공의 운전 중단 없이 지속적으로 열수용 유체를 순환시킬 수 있는 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등이 있는데, 이러한 에너지원 사용은 환경오염의 주원인을 발생시킬 뿐만 아니라 매장량의 한계가 있기 때문에, 이러한 문제점의 대책으로 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 20 ℃ 전후의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방장치에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 많은 에너지와 비용을 절감할 수 있다.
이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열에너지를 이용하는 냉난방 장치는 열교환기에 의해 하절기에는 열을 흡수하여 냉방으로 이용하고 동절기에는 지열을 방출하여 난방으로 주로 사용되고 있으며, 비닐하우스 등에도 지열을 이용하는 사례가 많이 늘어나고 있는 추세에 있다.
이와 같이 지하수를 이용한 종래의 지하수 공급 파이프의 설치 구조는, 지하 300미터 전후로 굴착한 나공에 삽설되는 지하수유입 파이프와 상기 지하수유입 파이프 내부에 설치되어 지하에서 유입되는 지하수를 지상의 열교환기로 공급해주는 지하수 토출관과, 상기 열교환기에서 열교환된 지하수가 리턴되어 다시 상기 지하수유입 파이프 내부로 회수해주는 지하수 회수관 및 상부 보호캡으로 구성되어 있다.
그러나 이와 같은 종래의 지하수 공급 파이프의 설치 구조는, 지하수를 공급하기 위하여 지중에 설치된 지중 배관의 지하수 유입부가 지하 지반의 붕괴나 이물질 혼입 등으로 막히는 경우, 냉난방 시스템의 운전이 정지됨은 물론 지중 배관이 지하 깊은 위치하기 때문에 이를 보수하는데 많은 어려움이 있었다.
또한, 지중 내의 환경 변화, 외부 요인 등에 의하여 지하수유입 파이프 내에 부압이 발생되어 지하수가 상부로 역류하여 지상으로 유출되는 현상이 발생되는 문제점이 있었다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-1150596호(2012.05.21) 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0118324호(2018.10.31)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 지중 배관의 일부가 지반의 붕괴나 외부 충격 등으로 파손 또는 폐쇄되는 경우에도 해당 지열공의 운전 중단 없이 지속적으로 열수용 유체를 순환시킬 수 있는 지열 냉난방 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 지하수가 지상으로 역류하거나 급격한 지중 압력 상승으로 시설물이 파손되는 것을 방지할 수 있는 지열 냉난방 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은, 최대의 지열 회수 효과를 얻을 수 있는 지열 냉난방 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 지열을 회수하여 지상으로 공급하기 위한 지중 열원 공급 유닛과; 상기 지중 열원 공급 유닛으로부터 공급되는 열원을 히트 펌프를 이용하여 열교환하는 지상 열교환 유닛과; 상기 지중 열원 공급 유닛과 상기 지상 열교환 유닛을 연결하고, 내부에 열수용 유체가 순환하는 순환 유닛과; 상기 각 유닛의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되고, 상기 지중 열원 공급 유닛은, 지하 일정 깊이로 굴착된 굴착공에 삽입되어 굴착공을 지지하고, 지하 대수층 지하수의 유출입 공간을 형성하는 외부 케이싱과; 상기 외부 케이싱 내부에 설치되고, 상기 순환 유닛과 연통되어 상기 열수용 유체의 공급 및 회수 경로가 되는 지중 배관과; 상기 외부 케이싱의 상부를 덮어 내부로 이물질이 유입되거나, 내부 지하수가 지상으로 토출되는 것을 방지하는 상부 커버;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 지열 냉난방 시스템에 있어서, 상기 지중 배관은, 지열이 회수된 상기 열수용 유체를 상기 지상 열교환 유닛으로 공급하는 공급관과; 상기 지상 열교환 유닛에서 열교환된 상기 열수용 유체가 회수되는 회수관과; 일단부가 상기 회수관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되고, 타단부는 상기 공급관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되어, 양단부가 서로 연결되는 U자형 관으로 구성되어, 지하수와 열교환하여 지열을 회수하는 연결부;를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 상기 회수관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 회수 연결관과; 상기 공급관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 공급 연결관과; 상기 회수 연결관과 공급 연결관 단부를 서로 연결하는 수평 연결관;을 포함하여 구성되고, 상기 회수 연결관과 공급 연결관 사이에는 바이 패스(by-pass) 배관이 구비되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 바이 패스 배관은 상하 방향으로 소정 거리 이격되어 다단으로 설치되는 것일 수 있다.
또한, 상기 바이 패스 배관에는, 바이 패스 배관의 유로를 개폐하는 바이 패스 개폐 밸브가 구비되고; 상기 바이 패스 배관 하측의 상기 회수 연결관에는, 회수관의 유로를 개폐하는 회수관 개폐 밸브가 구비되며; 상기 바이 패스 배관 하측의 상기 공급 연결관에는, 공급관의 유로를 개폐하는 공급관 개폐 밸브가 구비되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 회수관 개폐 밸브 및 바이 패스 개폐 밸브는 상기 회수 연결관과 상기 바이 패스 배관 결합부에 설치된 3방 밸브(three-way valve)로 구성되는 것일 수 있다.
또한, 상기 공급관 개폐 밸브 및 바이 패스 개폐 밸브는 상기 공급 연결관과 상기 바이 패스 배관 결합부에 설치된 3방 밸브(three-way valve)로 구성되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 범위 이상으로 상승 또는 하강하는 경우, 최하단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고, 최하단의 회수 연결관 및 공급 연결관 유로가 폐쇄되도록 밸브들을 제어하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우, 차상단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고, 차상단의 회수 연결관 및 공급 연결관 유로가 폐쇄되도록 밸브들을 제어하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 최상단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고, 최상단의 회수 연결관 및 공급 연결관의 유로가 폐쇄된 경우에도, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우, 해당 지중 열원 공급 유닛의 가동을 중단시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 굴착공 내에는 지하수 수위를 측정하기 위한 수위 감지 센서가 구비되고, 상기 제어부는, 지하수 수위보다 높은 위치의 바이 패스 배관 유로를 개방하는 경우, 해당 지중 열원 공급 유닛의 가동을 중단시키는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 열수용 유체의 연결부 유입 온도와 유출 온도의 차이가 기 설정된 범위 이하인 경우, 바이 패스 배관을 통하여 열수용 유체의 유로가 형성되도록 밸브들을 제어하는 것일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 바이 패스 배관 중 일부 또는 전부의 유로가 선택적으로 형성되도록 순차적으로 밸브들을 제어하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 순차적인 밸브들의 제어를 통해, 선택 가능한 유로들에 대한 열수용 유체의 유입부 유입 온도와 유출 온도의 차이를 측정하고, 상기 온도 차이가 가장 큰 경우의 유로가 형성되도록 상기 밸브들의 개폐 상태를 설정하는 것일 수 있다.
또한, 상기 상부 커버는, 내부에 수용 공간이 형성되고, 상기 외부 케이싱 상단부를 외부와 구획하여 밀폐하는 몸체부와; 상기 몸체부의 상부에 설치되어, 상기 수용 공간의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브와; 상기 압력 조절 밸브의 개폐를 조절하는 밸브 구동부와; 상기 수용 공간의 압력을 측정하여 상기 제어부로 제공하는 압력 센서;를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 압력 센서의 측정값이 제한값 이상인 경우, 상기 압력 조절 밸브를 개방하여 상기 내부 공간의 압력을 제한값 이하로 유지시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 제한값은, 압력 상승 속도에 따라 가변 설정되되, 상기 압력 상승 속도가 증가할수록 상기 제한값은 낮게 설정되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 압력 상승 속도가 기 설정된 속도 이상인 경우, 상기 압력 조절 밸브를 완전 개방하여, 지중 배관의 압력 파괴를 방지하는 것일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템은, 지중에 매설된 지중 배관의 열수용 유체 공급관과 회수관 사이에 바이 패스(by-pass) 배관을 설치하고, 바이 패스 배관과 공급관 및 회수관이 접하는 배관의 교차 지점에는 공급관 개폐 밸브 및 회수관 개폐 밸브를 설치함으로써, 지중 배관의 일부 부위가 지층의 붕괴나 충격으로 인하여 파손되거나 폐쇄되는 경우에도, 바이 패스 배관을 이용하여 열수용 유체를 순환시킴으로써 해당 지열공의 운전 중단 없이 연속적으로 냉난방 시스템을 가동할 수 있는 효과가 있다.
특히 본 발명에 따르면 바이 패스 배관을 다단으로 설치하고, 다양한 경우에 대하여 열수용 유체를 바이 패스 배관을 통하여 순환시킴으로써, 최적의 열교환 효율을 유지하면서 시스템을 운영할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 지중 배관의 상부를 밀폐시키는 상부 커버에 압력 조절 밸브를 설치함으로써, 지중의 압력을 조절하여 지하수의 역류를 방지하고, 급격한 지중 압력 상승으로 시설물이 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 지열 냉난방 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 밀폐형 지열 냉난방 시스템의 지중 배관을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 밀폐형 지열 냉난방 시스템의 지중 배관의 다른 구현예를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2의 밀폐형 지열 냉난방 시스템의 지중 배관의 또 다른 구현예를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 구현예를 가질 수 있는 바, 특정 구현예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 본 발명의 지열 냉난방 시스템에 대하여 바람직한 구현예 및 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 지열 냉난방 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템의 지중 배관을 도시한 단면도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템(100)은 지열을 회수하여 지상으로 공급하기 위한 지중 열원 공급 유닛(10)과, 상기 지중 열원 공급 유닛(10)으로부터 공급되는 열원을 히트 펌프를 이용하여 열교환하는 지상 열교환 유닛(20)과, 상기 지중 열원 공급 유닛(10)과 상기 지상 열교환 유닛(20)을 연결하고 내부에 열수용 유체가 순환하는 순환 유닛(30)과, 상기 각 유닛의 운전을 제어하는 제어부(40)를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 지중 열원 공급 유닛(10)은 크게 외부 케이싱(11)과, 지중 배관(13)과, 상부 덮개(12)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 외부 케이싱(11)은 지하로 굴착되는 굴착공에 삽입되어 굴착공을 지지하고 지하 대수층 지하수의 유출입 공간을 형성하기 위한 것으로서, 일반적으로 기계적 강도를 가지는 주철관이나 강관으로 이루어지나 고강도의 플라스틱관으로 이루어질 수도 있다. 상기 외부 케이싱(11)은 통상적으로 내경(Φ200) 정도이며, 굴착공의 깊이에 따라 100 내지 200 m 깊이까지 매설되게 된다.
또한 상기 지중 배관(13)은 상기 외부 케이싱(11) 내부에 설치되어 지열을 회수하기 위한 것으로서, 지중 배관(13)은 상기 순환 유닛(30)과 연통되어 열수용 유체의 공급 및 회수 경로가 되게 된다.
또한 상기 상부 커버(12)는 상기 외부 케이싱(11) 내부로 이물질이 유입되거나, 내부 지하수가 지상으로 토출되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 상기 외부 케이싱(11)의 상부를 덮도록 설치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 지상 열교환 유닛(20)은 히트 펌프를 통하여 지열을 난방 열원 또는 냉방 열원으로 이용하는 구성이다.
일반적으로, 히트 펌프란 공지된 바와 같이 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방 장치로서, 구조는 압축기·증발기·응축기·팽창밸브 등으로 이루어져 있다.
히트 펌프의 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있다. 한편 냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다. 또한, 구동 방식에 따라 전기식과 엔진식으로 구분되는데, 현재 대부분이 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있으며, 본 발명에서 특별히 한정되지 아니하고 공지된 다양한 형태의 히트 펌프를 사용하는 것이 가능하다.
한편, 지열을 이용하는 방식은 지표 하부로 깊게 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻는 밀폐형과, 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 지상의 히트펌프에서 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 통하여 다시금 지하수 심정 내부에 돌려보내는 개방형으로 분류할 수 있다.
그러나, 개방형 지열 냉난방 시스템에 있어서는, 지하수를 직접 열원으로 이용하기 때문에 밀폐형 시스템에 비하여 열교환 효율이 다소 높은 장점이 있으나, 지하수의 오염 및 지하수 고갈 등의 문제점이 발생할 수 있는바, 본 발명에서는 밀폐형 지열 냉난방 시스템을 대상으로 발명의 기술적 사상을 창안하게 되었다.
이와 관련하여 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 밀폐형 지열 냉난방 시스템의 지중 배관을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 구현예에 따른 지중 배관(13)에는 열수용 유체가 흐르게 되며, 열수용 유체에 의하여 지열을 간접적으로 이용하게 된다. 상기 열수용 유체로는 통상적으로 부동액 등을 사용할 수 있다.
본 구현예에 따른 지중 배관(13)을 세부적으로 설명하면, 지열이 회수된 상기 열수용 유체를 지상 열교환 유닛(20)으로 공급하는 공급관(13a)과, 상기 지상 열교환 유닛(20)에서 열교환된 열수용 유체가 회수되는 회수관(13b)과, 일단부가 상기 회수관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되고, 타단부는 상기 공급관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되어, 양단부가 서로 연결되는 U자형 관으로 구성되어, 지하수와 열교환하여 지열을 회수하는 연결부(13c)를 포함하여 구성된다. 물론 상기 공급관(13a)과 회수관(13b)은 각각 순환 유닛(30)과 연통되어 지상 열교환 유닛(20)에 연결되게 된다.
여기에서 상기 연결부(13c)는 지중 약 150m 내지 200m의 깊이로 매설되게 되며 이때 지중 지하수의 온도는 연평균 약 15℃ 정도를 유지하게 된다. 따라서, 겨울철 난방시에는 외부의 차가운 열수용 유체(5℃ 이하)가 연결부(13c)를 통과하면서 지하수와의 열교환을 통해 15±5℃로 가열되어 히트 펌프로 공급됨으로써 실내에서 열을 취득하게 된다. 또한 여름철 냉방시에는 외부의 뜨거운 열수용 유체(24℃ 이상)가 연결부(13c)를 통과하면서 지하수와의 열교환을 통해 15±5℃로 냉각되어 히트 펌프로 공급됨으로써 실내의 열을 제거하게 된다.
그러나, 지열 냉난방 시스템은 지하수와 열교환하여 지열을 회수하는 지중배관 하부의 지층 붕괴나 이로 인하여 지중배관에 충격이 가해져 지중배관이 파손되거나 폐쇄되어 해당 지열공의 운영이 중단되는 경우가 발생할 수 있다.
따라서 도 3은 이러한 문제점을 해결하기 위한 지중배관의 실시예로서, 본 실시예에 따르면, 지중배관에 바이 패스 배관을 설치하고 지중배관에 문제가 발생하는 경우 열수용 유체가 지중배관의 파손되거나 폐쇄된 부분을 우회하여 바이 패스 배관을 통하여 순환 유로가 형성되도록 함으로써 지열공의 운영이 중단되는 문제점을 방지할 수 있게 된다.
이를 위하여 다시 도 3을 참조하면, 상기 연결부(13c)는, 상기 회수관(13b) 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 회수 연결관(13bb)과, 상기 공급관(13a) 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 공급 연결관(13aa)과, 상기 회수 연결관(13bb)과 공급 연결관(13aa) 단부를 서로 연결하는 수평 연결관(13cc)을 포함하여 구성된다.
이때 본 발명에 따르면, 상기 회수 연결관(13bb)과 공급 연결관(13aa) 사이에는 바이 패스(by-pass, 16) 배관이 구비되는 것을 발명의 특징으로 한다. 상기 바이 패스 배관(16)은 상하 방향으로 소정 거리 이격되어 다단(16a, 16b, 16c)으로 설치될 수 있다.
여기에서 본 발명에 따르면, 상기 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)에는, 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)의 유로를 개폐하는 바이 패스 개폐 밸브(17a, 17b, 17c)가 구비되고, 상기 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c) 하측의 상기 회수 연결관(13bb)에는 회수관(13b)의 유로를 개폐하는 회수관 개폐 밸브(15a, 15b, 15c)가 구비되고, 상기 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c) 하측의 상기 공급 연결관(13aa)에는 공급관(13a)의 유로를 개폐하는 공급관 개폐 밸브(14a, 14b, 14c)가 구비되게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 회수관 개폐 밸브(15a, 15b, 15c)와 바이 패스 개폐 밸브(17a, 17b, 17c), 또는 상기 공급관 개폐 밸브(14a, 14b, 14c) 및 바이 패스 개폐 밸브(17a, 17b, 17c)는 함께 통합되어 3방 밸브(three-way valve)로 구성될 수 있다. 이에 의하여 지중 배관(13)이 더욱 컴팩트하고 경제적인 시설로 설치될 수 있게 된다.
이에 의하여, 본 발명에 따르면 제어부(40)는, 평상시에는 회수관 개폐 밸브(15a, 15b, 15c) 및 공급관 개폐 밸브(14a, 14b, 14c)를 개방하고, 바이 패스 개폐 밸브(17a, 17b, 17c)를 폐쇄하여 열수용 유체가 굴착공의 가장 아래쪽 대수층까지 순환되어 충분한 열교환이 이루어지는 정상 모드에서 지중 열원 공급 유닛(10)을 작동시킨다.
그러나, 지중배관(13)의 일부가 파손되거나 폐쇄되는 경우에 제어부(40)는, 열수용 유체가 상기 파손 또는 폐쇄 지점을 우회하여 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 통하여 공급관(13a)으로 이송되는 바이 패스 모드로 지중 열원 공급 유닛(10)을 작동시키게 된다. 따라서 본 발명에 따르면, 지중배관(13)의 일부가 파손되거나 폐쇄되는 경우에도 해당 지열공의 운영을 중단함이 없이 연속적으로 가동시키는 것이 가능하게 된다.
이하에서는 상기 바이 패스 개폐 밸브(17a, 17b, 17c) 및 공급관 개폐 밸브(14a, 14b, 14c) 그리고 회수관 개폐 밸브(15a, 15b, 15c)의 개폐 제어 예를 설명하기로 한다.
한편, 지하수의 경우 하부로 내려갈수록 외부와 열원의 온도차가 커서 열교환 효율이 향상되기 때문에, 가능한 하부의 지하수를 통하여 열수용 유체가 열교환을 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명에 따르면, 상기와 같이 바이 패스 모드로 지중 열원 공급 유닛(10)을 작동시키는 경우에, 제어부(40)는 열수용 유체가 가급적 최하단의 바이 패스 배관(16c)를 통하여 흐르도록 제어하게 된다.
한편, 제어부(40)는 열수용 유체의 압력이 기 설정된 범위 이상으로 상승 또는 하강하는 경우, 최하단의 바이 패스 밸브(17c)를 개방하고, 최하단의 회수관 개폐 밸브(15c) 및 공급관 개폐 밸브(14c)를 폐쇄시켜, 열수용 유체가 최하단의 바이 패스 패관을 통하여 흐를 수 있도록 한다.
여기에서, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 범위 이상으로 상승하는 경우란 연결부(13c) 배관의 일부가 지반 붕괴나 외부의 충격 등으로 인하여 폐쇄됨으로써 열수용 유체의 흐름이 막혀 압력이 지속적으로 상승하는 경우에 발생할 수 있다. 또한 열수용 유체의 압력이 기 설정된 범위 이하로 하강하는 경우란 연결부(13c) 배관의 일부가 지반 붕괴나 외부의 충격 등으로 인하여 파손됨으로써 열수용 유체가 외부로 누설되어 압력이 지속적으로 하강하는 경우에 발생할 수 있다.
상기와 같은 조치 이후에도, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우에는, 제어부(40)는 다시 최하단의 바로 위에 설치된 차상단의 바이 패스 밸브(17b)를 개방하고, 차상단의 회수관 개폐 밸브(15b) 및 공급관 개폐 밸브(14b)를 폐쇄시키게 된다. 이 경우는 배관의 폐쇄 또는 파손이 최하단 바이 패스 배관(16c)의 상부 영역에서 발생하는 경우에 일어날 수 있다.
그러나 상기 제어부(40)가 전술한 바와 같이 순차적으로 상단부 바이 패스 배관(16a)을 통한 유로를 형성하였음에도 불구하고, 즉 최상단의 바이 패스 밸브(17a)를 개방하고, 최상단의 회수관 개폐 밸브(15a) 및 공급관 개폐 밸브(14a)를 폐쇄시켰음에도, 열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우에는, 해당 지중 열원 공급 유닛(10)의 가동을 중단시키게 된다.
이 경우는 배관의 폐쇄 또는 파손이 최상단 바이 패스 배관(16a)의 상부 영역에서 발생하는 경우로서, 이 경우에는 바이 패스 모드 운전에 의하여도 해당 지중 열원 공급 유닛(10)을 정상 가동시키는 것이 불가능하기 때문에, 해당 지중 열원 공급 유닛(10)의 운전을 중단하고, 해당 지중 열원 공급 유닛(10)을 점검하거나 폐쇄하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 연결부(13c)에 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 다단으로 설치함으로써, 연결부의 파손 또는 폐쇄 위치에 따라 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 선택적으로 가동하여, 다양한 파손 위치에 따라 열수용 유체의 순환 유로를 능동적으로 대체하여 형성할 수 있다.
특히 본 발명에 따르면 지중 배관(13)의 일부가 파손되는 경우에도 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 이용하여 열수용 유체를 순환시킴으로써 지중 열원 공급 유닛(10)의 운전 중단 없이 연속적으로 냉난방 시스템을 가동할 수 있는 효과가 있다.
한편, 다층의 바이 패스 배관을 통해 다층의 유로를 형성할 수 있도록 하는 본 발명은, 지하수위 변화와 지하환경 변화에 따라 유동적인 열교환 유로를 형성하여, 열효율의 향상 및 경제적인 냉난방 시스템 운전이 가능하게 된다.
구체적으로, 본 발명에 따르면 상기 굴착공 내에는 지하수 수위를 측정하기 위한 수위 감지 센서(미도시)가 구비되어, 지하수위 변화에 따른 유로 변경을 수행할 수 있다. 이에 의하여 상기 제어부(40)는, 지하수 수위보다 높은 위치의 바이 패스 밸브를 개방하는 경우, 지중 열원 공급 유닛(10)의 가동을 중단시킬 수 있다.
즉, 이 경우에는 열수용 유체가 지하수와의 접촉이 발생하지 않는 상태로 운전되기 때문에 지열 회수 효과가 없어 지중 열원 공급 유닛(10)의 가동을 중단하는 것이 바람직하다.
한편 굴착공 하부는 지하수위의 변화 또는 침전물의 침전 등으로 인하여 열교환 효율이 떨어지는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 이 경우에는 열수용 유체와 지하수와의 접촉 면적이 줄어들거나 불량하기 때문에 열수용 유체의 연결부(13c) 유입 온도와 유출 온도의 차이가 미미하게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 제어부(40)는, 열수용 유체의 연결부(13c) 유입 온도와 유출 온도의 차이가 기 설정된 범위 이하로 유지되는 경우, 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 통하여 열수용 유체의 유로가 형성되도록 밸브들(14, 15, 17)을 제어하게 된다.
즉, 바이 패스 모드를 다양한 경우의 수의 유로가 형성되도록 작동시켜, 각각의 경우에 대한 열수용 유체의 연결부(13c) 유입 온도와 유출 온도의 차이를 측정함으로써, 최대의 온도 차이가 발생하는 경우를 특정하여 지중 열원 공급 유닛(10)을 가동시키는 것이 가능하게 된다.
이를 위하여 본 발명에 따르면, 상기 제어부(40)는, 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c) 중 일부 또는 전부의 유로가 선택적으로 형성되도록 순차적으로 밸브들(14, 15, 17)을 제어한 후에, 열수용 유체의 연결부(13c) 유입 온도와 유출 온도의 차이가 가장 큰 경우를 선택하여 밸브들(14, 15, 17)의 제어를 수행하게 된다.
물론 이와 같은 유로 설정은 지열 냉난방 시스템(100) 운전 초기에 최상의 열교환 컨디션을 구축하기 위해 수행될 수도 있다.
이에 의하여 본 발명에 따르면, 바이 패스 배관(16a, 16b, 16c)을 다단으로 형성하고, 다양한 경우의 수에 대한 바이 패스 모드 운전을 통하여 열교환 효율을 최대로 유지하면서 지열 냉난방 시스템(100)을 운영하는 것이 가능하게 된다.
한편 지열 냉난방 시스템(100)은, 굴착공 내부로 이물질이 유입되어 지하수가 오염되는 것을 방지하고 지중 설비를 보호하기 위하여 굴착공의 상부를 밀폐하는 상부 커버(12)를 설치하게 된다. 이러한 상부 커버(12)는, 내부에 수용 공간이 형성되어 외부 케이싱(11) 상단부를 외부와 구획하여 밀폐하는 몸체부(12a)를 포함하게 된다.
그러나, 일반적으로 지열 냉난방 시스템에 있어서는 지하수가 역류하여 지상으로 범람하거나 지중 압력이 급격히 상승하여 배관 등의 설비가 파손되는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에 따르면 상부 커버(12)에 압력 조절 밸브(12b)를 설치하여 이러한 문제점을 해결할 수 있게 된다.
이를 위하여 본 발명에 따르면, 상기 몸체부(12a)의 일측, 바람직하게는 몸체부(12a)의 상부에는 상기 수용 공간의 압력, 즉 외부 케이싱(11) 내측의 지중 압력을 조절하는 압력 조절 밸브(12b)가 설치될 수 있다. 이때 상기 압력 조절 밸브(12b)는 밸브의 개폐를 자동으로 조절하는 밸브 구동부(12c)를 포함할 수 있는데, 상기 밸브 구동부(12c)는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다. 또한 몸체부(12a_의 일측에는 상기 수용 공간의 압력을 측정하여 제어부(40)로 제공하는 압력 센서(12d)가 구비될 수 있다.
이에 의하여, 본 발명에 따르면 상기 제어부(40)는, 압력 센서(12d)의 측정값이 제한값 이상인 경우, 압력 조절 밸브(12b)를 개방하여 상기 내부 공간의 압력을 제한값 이하로 유지시키게 된다. 이때 상기 제한값은, 압력 상승 속도에 따라 가변적으로 설정될 수 있다. 즉, 지하수의 수위가 서서히 상승하여 지중 압력의 상승 속도가 서서히 상승하는 경우에는 압력 조절 밸브(12b)도 이에 맞추어 서서히 개방함으로써 상부 커버 내부 공간의 압력을 제한값 이하로 유지시킬 수 있게 된다. 또한 지중 압력이 빠른 속도로 상승하는 경우에는 상기 제한값을 낮게 설정하여, 압력 조절 밸브(12b)도 이에 맞추어 빠르게 개방하게 된다.
그러나 압력 상승 속도가 기 설정된 속도 이상인 경우에는, 압력 조절 밸브(12b)를 완전 개방하여 압력을 저하시킴으로써 급격한 지중 압력의 상승으로 인한 지중 배관(13) 및 상부 커버(12) 등 설비의 파손을 방지할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 지중에 매설된 지중 배관의 열수용 유체의 공급관과 회수관 사이에 바이 패스(by-pass) 배관을 설치하고, 바이 패스 배관과 공급관 및 회수관이 접하는 배관의 교차 지점에는 공급관 개폐 밸브 및 회수관 개폐 밸브를 설치함으로써, 지중 배관의 하단 열교환 부위가 지층의 붕괴나 충격으로 인하여 파손되거나 폐쇄되는 경우에도, 바이 패스 배관을 이용하여 열수용 유체를 순환시킴으로써 해당 지열공의 운전 중단 없이 연속적으로 냉난방 시스템을 가동할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 지중 배관의 상부를 밀폐시키는 상부 커버에 압력 조절 밸브를 설치함으로써, 지중의 압력을 조절하여 지하수의 역류를 방지하고, 급격한 지중 압력 상승으로 시설물이 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
나아가 본 발명에 따르면 종래 유류나 가스를 이용한 냉난방 시스템과 비교하여 최소 50% 이상의 비용을 절감할 수 있으며, 저렴한 유지 보수 비용과 오염 물질의 배출이 없는 친환경 설비를 구현할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 지중 배관의 일부가 지반의 붕괴나 외부 충격 등으로 파손 또는 폐쇄되는 경우에도 해당 지열공의 운전 중단 없이 지속적으로 열수용 유체를 순환시킬 수 있는 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다.
10 : 지중 열원 공급 유닛 11 : 외부 케이싱
12 : 상부 커버 12a : 몸체부
12b : 압력 조절 밸브 12c : 밸브 구동부
12d : 압력 센서 13 : 지중 배관
13a : 공급관 13aa : 공급 여결관
13b : 회수관 13bb : 회수 연결관
13c : 연결부 13cc : 수평 연결관
14a, 14b, 14c : 공급관 개폐 밸브 15a, 15b, 15c : 회수관 개폐 밸브
16a, 16b, 16c : 바이 패스 밸브 17a, 17b, 17c : 바이 패스 개폐 밸브
30 : 순환 유닛 40 : 제어부
100 : 지열 냉난방 시스템

Claims (14)

  1. 지열을 회수하여 지상으로 공급하기 위한 지중 열원 공급 유닛과;
    상기 지중 열원 공급 유닛으로부터 공급되는 열원을 히트 펌프를 이용하여 열교환하는 지상 열교환 유닛과;
    상기 지중 열원 공급 유닛과 상기 지상 열교환 유닛을 연결하고, 내부에 열수용 유체가 순환하는 순환 유닛과;
    상기 각 유닛의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되고,
    상기 지중 열원 공급 유닛은,
    지하 일정 깊이로 굴착된 굴착공에 삽입되어 굴착공을 지지하고, 지하 대수층 지하수의 유출입 공간을 형성하는 외부 케이싱과;
    상기 외부 케이싱 내부에 설치되고, 상기 순환 유닛과 연통되어 상기 열수용 유체의 공급 및 회수 경로가 되는 지중 배관과;
    상기 외부 케이싱의 상부를 덮어 내부로 이물질이 유입되거나, 내부 지하수가 지상으로 토출되는 것을 방지하는 상부 커버;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지중 배관은,
    지열이 회수된 상기 열수용 유체를 상기 지상 열교환 유닛으로 공급하는 공급관과;
    상기 지상 열교환 유닛에서 열교환된 상기 열수용 유체가 회수되는 회수관과;
    일단부가 상기 회수관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되고, 타단부는 상기 공급관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되어, 양단부가 서로 연결되는 U자형 관으로 구성되어, 지하수와 열교환하여 지열을 회수하는 연결부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 회수관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 회수 연결관과;
    상기 공급관 하단부로부터 수직 하방으로 연장되는 공급 연결관과;
    상기 회수 연결관과 공급 연결관 단부를 서로 연결하는 수평 연결관;을 포함하여 구성되고,
    상기 회수 연결관과 공급 연결관 사이에는 바이 패스(by-pass) 배관이 구비됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바이 패스 배관은 상하 방향으로 소정 거리 이격되어 다단으로 설치됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바이 패스 배관에는, 바이 패스 배관의 유로를 개폐하는 바이 패스 개폐 밸브가 구비되고;
    상기 바이 패스 배관 하측의 상기 회수 연결관에는, 회수관의 유로를 개폐하는 회수관 개폐 밸브가 구비되며;
    상기 바이 패스 배관 하측의 상기 공급 연결관에는, 공급관의 유로를 개폐하는 공급관 개폐 밸브가 구비됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회수관 개폐 밸브 및 바이 패스 개폐 밸브는 상기 회수 연결관과 상기 바이패스 배관 결합부에 설치된 3방 밸브(three-way valve)로 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 공급관 개폐 밸브 및 바이 패스 개폐 밸브는 상기 공급 연결관과 상기 바이패수 배관 결합부에 설치된 3방 밸브(three-way valve)로 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    열수용 유체의 압력이 기 설정된 범위 이상으로 상승 또는 하강하는 경우,
    최하단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고,
    최하단의 회수 연결관 및 공급 연결관 유로가 폐쇄되도록 밸브들을 제어함을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우,
    차상단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고,
    차상단의 회수 연결관 및 공급 연결관 유로가 폐쇄되도록 밸브들을 제어함을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    최상단의 바이 패스 배관 유로가 개방되고,
    최상단의 회수 연결관 및 공급 연결관의 유로가 폐쇄된 경우에도,
    열수용 유체의 압력이 기 설정된 시간 이내에 기 설정된 압력 범위 이내로 회복되지 아니하는 경우, 해당 지중 열원 공급 유닛의 가동을 중단시킴을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상부 커버는,
    내부에 수용 공간이 형성되고, 상기 외부 케이싱 상단부를 외부와 구획하여 밀폐하는 몸체부와;
    상기 몸체부의 상부에 설치되어, 상기 수용 공간의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브와;
    상기 압력 조절 밸브의 개폐를 조절하는 밸브 구동부와;
    상기 수용 공간의 압력을 측정하여 상기 제어부로 제공하는 압력 센서;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 압력 센서의 측정값이 제한값 이상인 경우,
    상기 압력 조절 밸브를 개방하여 상기 내부 공간의 압력을 제한값 이하로 유지시킴을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제한값은,
    압력 상승 속도에 따라 가변 설정되되,
    상기 압력 상승 속도가 증가할수록 상기 제한값은 낮게 설정됨을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 압력 상승 속도가 기 설정된 속도 이상인 경우, 상기 압력 조절 밸브를 완전 개방하여, 지중 배관의 압력 파괴를 방지함을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.


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