KR20230068543A - 수평방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미활용된 열에너지나, 비난방기간의 태양열 시스템에 남는 잉여 열에너지와 같은 잔여 열에너지를 지중에 저장하고, 필요 시 방열을 통해 히트펌프를 가열하여 난방에 사용함으로써 열에너지를 활용할 수 있는 지중열교환기에 있어서, 복수의 열교환기를 수평하게 배치하여 연결하고, 제어에 따라 각 열교환기기가 독립 또는 연결되어 작동유체가 유동하도록 제어함으로써, 설치 면적 대비 축열용량은 향상시킬 수 있으며, 열손실을 최소화하여 히트펌프의 난방 운전 성능을 향상시킬 수 있는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법을 제공한다.
Description
본 발명은 수평방식의 하이브리드 지중열교환기와 이를 지하에 매설하는 방법에 관한 것이다.
최근에 가정이나 산업체에서 냉난방에 사용되는 에너지원으로 각종 공해 물질이나 환경오염이나 기후변화에 거의 영향을 미치지 않는, 지열, 태양광, 풍력, 조력, 파력, 바이오디젤, 바이오 연료, 폐기물 등을 이용하는 신재생 에너지를 이용한 재생가능 에너지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중, 지중의 온도를 이용하는 지열에너지는 지구에 저장된 지하수 및 지하의 열을 이용한 에너지로, 태양 에너지를 기반으로 사용되는 대부분의 신재생 에너지에 비해, 태양 에너지의 영향을 적게 받기 때문에 24시간 연속으로 가동할 수 있다는 장점이 있으며, 날씨에 크게 영향을 받지 않는다는 장점이 있어, 지열에너지를 활용한 에너지발전에 대해 지속적으로 연구 및 개발이 진행되고 있다.
지열교환기는 지열에너지를 이용하여 열에너지를 필요한 장치로 이동시키며 가정이나 산업체에 냉난방을 수행하는 것으로, 지열을 회수하기 위한 작동유체가 유동하는 열교환 파이프와, 열교환 파이프로부터 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시키는 히트펌프를 포함하여 구성되며, 열교환 파이프 및 히트펌프의 작동으로 인해 열에너지가 이동하며 냉난방을 수행하는 것을 특징으로 한다. 지열교환기는 일반적으로 지표 하부를 굴착하여 열교환 파이프를 매립하고, 작동유체를 공급하기 위한 히트펌프는 지상에 구비하는 것으로 설치될 수 있으며, 작동유체의 유동에 의해 지중에 매립된 열교환파이프와 지열이 열교환하는 것으로 열에너지를 변환하여 지중에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 지열교환기는 신재생에너지 설비로부터 생산된 열에너지 중에 열부하와의 차이에 의해 소비되지 못한 미활용된 열에너지를 활용하기 위해 사용될 수 있으며, 잉여 열에너지에 대해 지열교환기를 통해 지중으로 이동시켜 저장하고, 필요시 지상으로 이동시키며 열에너지를 사용할 수 있어, 신재생 에너지의 활용률을 향상시킬 수 있는 장치로 활용될 수 있다.
그러나, 이러한 지열교환기는, 열교환 파이프의 설치 깊이와 종류에 따라 설치비용이 크게 차이가 나며, 일반적으로 사용되는 기존의 얕은 깊이의 지열교환기는 설치비용이 낮아지는 장점이 있으나, 하부로 열손실이 발생하여 열효율이 떨어지며, 열교환 파이프가 설치되는 깊이가 깊지 않아 단위 대지 면적 당 설치할 수 있는 축열 용량이 적어, 운용에 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 수평의 지열교환기와 수직의 지열교환기를 함께 사용함으로써 수평형 방식으로 설치될 때 지열교환기를 설치하기 위한 면적을 최소화하고, 하부로의 열손실을 저감할 수 있는 구조로 형성됨으로써, 잉여 열에너지의 축열 및 방열에 있어 효율적으로 열에너지를 운용할 수 있는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법을 제공함에 있다.
본 발명의 지중에 일정 면적으로 매립되어, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지중열교환기에 있어서, 상기 일정 면적 중 일부분의 면적인 제1면적에 매립되는 제1열교환기 및 상기 제1열교환기의 적어도 상면 및 하면에 배치되는 제1단열재를 포함하며 형성되는 고온부; 상기 일정 면적 중 다른 부분의 면적인 제2면적에 매립되는 제2열교환기 및 상기 제2열교환기의 적어도 상면에 배치되는 제2단열재를 포함하며 형성되는 저온부; 상기 제1지중열교환기와, 상기 제2열교환기를 직렬로 연결하는 연결배관; 및 상기 제1열교환기 및 제2열교환기 내부에 유동되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1열교환기는, 지면과 수평한 방향으로 나열되며 적층되는 수평 열교환기이고, 상기 제2열교환기는, 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀에 각각 삽입되며 연결되는 수직 열교환기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1열교환기 및 제2열교환기는, 지면과 수평한 방향으로 나열되며 적층되는 수평 열교환기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 중 적어도 어느 하나 이상의 열교환기에 작동유체가 유동되는 제1순환방식과, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 순환하는 제2순환방식을 포함하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1순환방식은, 작동유체가 상기 제1열교환기를 먼저 순환한 후, 상기 연결배관을 통해 상기 제2열교환기로 유입되며 순환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2순환방식은, 작동유체가 상기 제2열교환기를 먼저 순환한 후, 상기 연결배관을 통해 상기 제1열교환기로 유입되며 순환하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 제어부는, 계절에 따라 상기 제1순환방식 및 제2순환방식 중 어느 하나를 선택하여 신호로 생성하는 것을 특징으로 하며, 여름에는, 상기 제1순환방식이 선택되어 작동되고, 겨울에는, 상기 제2순환방식이 선택되어 작동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단열재는, 상기 제1면적 중, 상면, 하면, 전면 및 후면에 각각 배치되고, 양측면 중 이웃하는 상기 제2면적과 접하지 않는 측면에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단열재는, 상기 제2면적 중, 상면, 전면 및 후면에 각각 배치되고, 양측면 중 이웃하는 상기 제1면적과 접하지 않는 측면에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 설치방법에 있어서, 소정 깊이로 상기 일정 면적의 지중의 흙을 제거하고, 상기 제1면적의 하면에 상기 제1단열재를 배치하는 S11 단계; 상기 제1면적의 일측면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2면적의 타측면에 상기 제2단열재를 배치하는 S12 단계; 상기 제1면적에 상기 제1열교환기를 수평방향으로 적층하고, 상기 제2면적에 상기 제2열교환기를 수평방향으로 적층하는 S13 단계; 상기 연결배관을 통해 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하고, 흙으로 상기 제1열교환기 및 제2열교환기를 매립하는 S14 단계; 및 상기 제1열교환기의 상면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2열교환기의 상면에 상기 제2단열재를 배치하는 S15 단계;를 포함하여 수행한다.
상기 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법에 있어서, 소정 깊이로 상기 제1면적의 흙을 제거하고, 상기 제1면적의 하면에 상기 제1단열재를 배치하는 S21 단계; 상기 제1면적의 일측면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제1면적에 상기 제1열교환기를 수평방향으로 적층하고, 흙으로 매립하는 S22 단계; 상기 제2면적의 타측면에 상기 제2단열재를 삽입하고, 상기 제2면적에 복수의 상기 보어홀을 지중에 수직하게 삽입하여, 상기 보어홀에 상기 제2열교환기를 설치하는 S23 단계; 상기 연결배관을 통해, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 직렬로 연결하는 S24 단계; 상기 제1열교환기의 상면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2열교환기의 상면에 상기 제2단열재를 배치하는 S25 단계;를 포함하여 수행한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수평방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법은 제한된 부지 면적에 대해 수직의 열교환기와 수평의 열교환기를 혼합적으로 설치하여 고온부에 해당하는 지중의 공간의 하부에 단열재 설치가 가능한 방식인 수평형 지열교환기로 구성함으로써 열손실을 저감할 수 있고 저온부에 해당하는 지중 공간에는 수직형 지열교환기를 설치함으로써 전체적인 설치면적을 줄일 수 있으며, 단위 대지 면적 당 축열용량을 증대하며 지열원 히트펌프의 난방 운전 성능을 향상시키고, 수직 및 수평 열교환기가 서로 상호보완하며 구동되도록 하여 열교환기의 열손실을 개선하며 최대의 열교환 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지중열교환기의 제1실시예의 개념도1
도 2는 본 발명에 따른 고온부의 일실시예
도 3은 본 발명에 따른 저온부의 일실시예
도 4는 본 발명에 따른 지중열교환기의 제1실시예의 개념도2
도 5는 본 발명에 따른 지중열교환기의 제2실시예의 개념도1
도 6은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예1
도 7은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예2
도 8은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예3
도 9는 제2순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예
도 2는 본 발명에 따른 고온부의 일실시예
도 3은 본 발명에 따른 저온부의 일실시예
도 4는 본 발명에 따른 지중열교환기의 제1실시예의 개념도2
도 5는 본 발명에 따른 지중열교환기의 제2실시예의 개념도1
도 6은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예1
도 7은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예2
도 8은 제1순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예3
도 9는 제2순환방식에 따른 지중열교환기의 작동유체 흐름도의 실시예
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명은 수평방식의 하이브리드 지중열교환기(이하 "지중열교환기")에 대한 것으로, 지중에 일정 면적(10)으로 매립되어, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지중열교환기에 있어서, 상기 일정 면적(10) 중 일부분의 면적인 제1면적(11)에 매립되는 제1열교환기(110) 및 상기 제1열교환기(110)의 적어도 상면 및 하면에 배치되는 제1단열재(120)를 포함하며 형성되는 고온부(100), 상기 일정 면적(10) 중 다른 부분의 면적인 제2면적(12)에 매립되는 제2열교환기(210) 및 상기 제2열교환기(210)의 적어도 상면에 배치되는 제2단열재(220)를 포함하며 형성되는 저온부, 상기 제1지중열교환기와, 상기 제2열교환기(210)를 직렬로 연결하는 연결배관(300) 및 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210) 내부에 유동되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
먼저, 도 2 내지 5를 참고하여 설명하면, 본 발명의 지중열교환기는, 수평방식으로 지중에 설치되는 것으로, 지중의 일정 면적(10)에서, 적어도 하나 이상의 열교환기가 서로 수평하게 연결되며 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 일정 면적(10)은, 상기 지중열교환기가 매립되는 지면의 면적인 것으로, 상기 일정 면적(10)은 지중으로 소정 높이로 파여지며 형성되는 것이 바람직하다. 상기 소정 높이는 1.5m 내지 2m 이내의 높이일 수 있다. 또한, 상기 지중열교환기는 지열원 히트펌프 냉난방기 또는 열을 필요로 하는 임의의 열사용장치에 사용되는 것일 수 있으며, 지중에는, 지면에서 여름철 등과 같은 비난방기간에 태양열시스템으로부터 남는 미활용 열에너지나, 잉여 재생전력과 같은 열에너지를 저장하는 잉여열원부를 포함할 수 있으며, 상기 지중열교환기에 구비되는 제1 및 제2열교환기(210)를 포함하는 열교환기와 작동유체의 유동에 의해서 잉여열원부와 상기 열교환기는 서로 열에너지를 교환하도록 구성될 수 있다. 더불어, 상기 지중열교환기는, 지중에 냉난방기의 작동 시 구동되는 히트펌프 또는 임의의 열사용장치를 포함할 수 있으며, 상기 히트펌프 또한 상기 지중열교환기에 구비되는 제1 및 제2열교환기(210)를 포함하는 열교환기와 작동유체의 유동에 의해서 서로 열에너지를 교환하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 고온부(100)는, 지중열교환기에 있어서 보다 높은 온도의 열에너지를 저장하는 것으로, 지중에 형성되는 일정 면적(10) 중, 일부분의 면적인 제1면적(11)에 형성되는 것을 특징으로 한다. 도 2를 참고하여 설명하면, 상기 고온부(100)는, 상기 제1면적(11)에 매립되는 제1열교환기(110)와, 상기 제1면적(11)에 적어도 어느 한 면 이상에 배치되는 제1단열재(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 본 발명에서는 상기 고온부(100)를 구성하기 위해, 상기 제1단열재(120)가 상기 제1면적(11)의 하면에 배치됨으로써, 상기 제1열교환기(110)의 하측으로의 열손실을 저감할 수 있는 구조를 가지는 것으로 고온부(100)를 구성하는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 고온부(100)는 보다 높은 온도의 열에너지를 저장하게 되고, 장기 열저장을 위한 공간으로 활용될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예로, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 제1열교환기(110)는 지면과 수평한 방향으로 나열되며, 높이 방향으로 적층되는 것으로 설치되는 수평 열교환기(111, 112)인 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 수평 열교환기(111, 112)가 제1면적(11)에 적층되며 설치되게 된다. 제1단열재(120)는 제1면적(11)에 적어도 하면에 배치되는 것이 바람직하며, 열손실을 최소화하기 위해, 상기 제1면적(11)의 상면 및 측면에도 각각 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1단열재(120)는 상기 제1면적(11)의 측면에 배치될 수 있는데, 이때 측면 중, 전면 및 후면에는 상기 제1단열재(120)가 배치되는 것이 바람직하며, 상기 제1면적(11)의 양측면 중에는 어느 한 측면에만 상기 제1단열재(120)가 배치되는 것을 특징으로 한다. 보다 상세히, 제1면적(11)은 상기 일정 면적(10) 중에 한 부분인 것으로, 저온부가 설치되는 제2면적(12)과 이웃하게 되는데, 이때, 상기 제2면적(12)에 설치되는 제2열교환기(210)와의 연결을 위해서, 상기 저온부와 상기 고온부(100)가 연결되는 부분의 측면에는 단열재를 배치하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제1면적(11)에서, 양측 중 타측 방향이 상기 제2면적(12)과 이웃하는 경우, 상기 제1단열재(120)는 상기 제1면적(11)의 일측에만 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 저온부는, 지중열교환기에 있어서 보다 낮은 온도의 열에너지를 저장하는 것으로, 지중에 형성되는 일정 면적(10) 중, 제1면적(11)을 제외한 면적인 제2면적(12)에 형성되는 것을 특징으로 한다. 도 3을 참고하여 설명하면, 상기 저온부는 상기 제2면적(12)에 매립되는 제2열교환기(210)와, 상기 제2면적(12)의 적어도 어느 한 면 이상에 배치되는 제2단열재(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 본 발명의 상기 저온부는, 상기 제2면적(12)의 하면에는 상기 제2단열재(220)를 배치하지 않는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 저온부에는 상기 고온부(100) 보다 낮은 온도의 열에너지를 저장하게 되고, 단기 열저장을 위한 공간으로 활용될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2열교환기(210)는 지면과 수평한 방향으로 나열되며, 높이 방향으로 적층되는 것으로 설치되는 수평 열교환기(211)이거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀(213)에 삽입되며 지중에 설치되는 수직 열교환기일(212) 수 있고, 이는 사용자의 필요에 따라 선택될 수 있다. 상기 제2열교환기(210)는 상기 수직 열교환기(212)로 배치되는 경우, 같은 열교환기의 면적에 있어서 수평 열교환기(212) 설치 시 사용되는 면적 보다 적은 제2면적(12)을 사용할 수 있어, 단위 대지 면적 당 축열용량을 증대할 수 있는 효과가 있다. 상기 제2열교환기(210)는 수평 열교환기(211)인지, 수직 열교환기(212)인지에 따라 그의 매설방법이 달라진다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2단열재(220)는 제2면적(12)의 상면 및 측면에 각각 배치될 수 있으며, 이때 측면 중 전면 및 후면에는 상기 제2단열재(220)가 배치되는 것이 바람직하고, 상기 제2면적(12)의 양측면 중에는 어느 한 측면에만 상기 제2단열재(220)가 배치되는 것을 특징으로 한다. 보다 상세히, 상기 제2면적(12)은 상기 일정 면적(10) 중에 상기 제1면적(11)을 제외한 면적인 것으로, 고온부(100)가 설치되는 제1면적(11)과 이웃하게 되며, 이때, 제1열교환기(110)와 제2열교환기(210)의 연결을 위해서, 상기 저온부와 상기 고온부(100)가 연결되는 부분의 상기 제2면적(12)에는 단열재가 배치되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제2면적(12)에서, 양측 중 일측 방향의 측면이 상기 제1면적(11)과 이웃하는 경우, 상기 제2단열재(220)는 상기 제2면적(12)의 타측에만 배치되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 제1실시예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1열교환기(110)로 수평 열교환기(111)가 배치되고, 상기 제2열교환기(210)로 수평 열교환기(211)가 배치되는 형태일 수 있다. 또한, 본 발명에서는 제2실시예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1열교환기(110)로 수평 열교환기(211)가 배치되고, 상기 제2열교환기(210)로 수평 열교환기(212)가 배치되는 형태일 수 있다.
도 4 및 5를 참고하여 설명하면, 연결배관(300)은 제1면적(11)에 설치되는 제1열교환기(110)와, 제2면적(12)에 설치되는 제2열교환기(210)를 직렬로 연결하여, 작동유체가 상기 연결배관(300) 내부를 통해 유동하도록 연결하는 배관인 것을 특징으로 한다. 이때 열교환기 작동유체의 열효율을 위해서, 상기 연결배관(300)은 지중에서 최소한의 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 연결배관(300)은 각 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210)를 연결하는 부분에 밸브(310)를 배치할 수 있으며, 밸브(310)의 개폐에 의해서 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210)의 연통 또는 폐쇄가 수행될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 밸브(310)는 제어부로부터 제어 신호를 수신하여 작동되거나, 또는 외부의 신호를 수신하여 작동될 수 있다.
제어부는 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210) 내부에 유동되는 작동유체의 흐름을 제어하기 위해 구비되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어부는 상기 각 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210)에 연결되어 있는 잉여열원부나, 또는 히트펌프에 대해서, 열교환 하고자 하는 장치를 선택하여 작동유체가 상기 잉여열원부 또는 상기 히트펌프와 유동하며 열교환하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예로, 제어부는 제1열교환기(110)와 제2열교환기(210) 중 적어도 어느 하나 이상의 열교환기에 작동유체가 유동되는 신호인 제1순환방식과, 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 작동유체가 순환하는 신호인 제2순환방식 중 적어도 어느 하나 이상의 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 제1순환방식은 잉여열원의 잉여 열에너지를 지중에 저장하는 축열모드에 대한 것이다. 도 6 내지 8은 제1순환방식에 따른 작동유체의 흐름에 대한 서로 다른 일실시예이며, 이를 참고하여 설명하면, 상기 제1순환방식은 상기 잉여열원부와, 각 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210) 중 어느 하나가 선택되어 단독으로 작동유체가 유동되도록 작동시키거나, 또는 상기 연결배관(300)을 연결하여, 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 통해 작동유체가 순환하도록 작동시킬 수 있다. 다만, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1순환방식은 상기 연결배관(300)이 연결된 경우, 작동유체가 상기 제1열교환기(110)를 먼저 순환하고, 상기 연결배관(300)을 통해 상기 제2열교환기(210)에 유입되며 순환하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1열교환기(110)는 고온부(100)에 구비됨으로써, 상기 제1단열부에 의해 보다 높은 온도의 열에너지를 지중에 저장하며, 상기 제2열교환기(210)는 저온부에 구비됨으로써, 상기 제1열교환기(110)보다 낮은 온도의 열에너지를 지중에 저장하게 되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로, 상기 제1순환방식은, 상기 제1열교환기(110)를 단독으로 연결하여 잔여 열에너지에 대해 상기 고온부(100)에 먼저 저장하고, 상기 고온부(100)가 어느 설정온도 이상의 온도가 되면, 상기 제1열교환기(110)의 연결을 중지하고, 상기 제2열교환기(210)를 단독으로 연결하여 남은 열에너지를 상기 저온부에 저장하도록 신호를 생성할 수 있다.
상기 제2순환방식은 히트펌프를 이용하여 지중에 저장된 열에너지를 외부로 이동시켜 난방기에 사용하기 위한 방열모드이거나 임의의 열부하장치로 열에너지를 이동시켜 난방기에 사용하기 위한 방열모드에 대한 것이다. 도 9는 제2순환방식에 따른 작동유체의 흐름에 대한 일실시예이며, 상기 제2순환방식은 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 상기 연결배관(300)에 의해 연결하여, 작동유체가 상기 히트펌프와 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 함께 순환하도록 작동시킬 수 있다. 이때, 상기 제2순환방식은, 상기 연결배관(300)에 의해 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)가 연결되면, 작동유체가 상기 제2열교환기(210)를 먼저 순환한 후, 상기 연결배관(300)을 통해 상기 제2열교환기(210)에 유입되며 순환하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 저온부에 구비되는 제2열교환기(210)를 통과한 작동유체가, 상기 고온부(100)에 구비되는 제1열교환기(110)를 통과하면서 온도가 점차적으로 승온되고, 승온된 작동유체에 대해서 상기 히트펌프 또는 임의의 열부하장치에 전달하는 것으로 열교환을 수행할 수 있다. 이에, 지중열교환기의 구동에 있어서 열손실을 개선하며 최대의 열교환 효율을 얻을 수 있어, 난방 운전 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 상기 제2순환방식은 작동유체가 제2열교환기(210) 및 제1열교환기(110)를 순차적으로 거치면서 온도가 상승되고, 이에 따라 고온부(100) 및 저온부의 지중 온도는 점차 하강되며 방열을 수행하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 계절에 따라서 제1순환방식 및 제2순환방식 중 어느 하나는 선택하여 신호로 생성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로, 상기 제어부는 여름에 상기 제1순환방식의 신호를 생성하고, 겨울에 상기 제2순환방식의 신호를 생성할 수 있다. 보다 상세히, 도 8을 참고하여 설명하면, 상기 제어부는 여름에는 제1순환방식의 신호가 생성되어, 지중열교환기가 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210) 중 어느 하나가 선택되어 단독으로 작동유체를 순환하도록 작동될 수 있다. 이때, 상기 제1순환방식은 잉여열원부의 열에너지가 먼저 상기 고온부(100)의 제1열교환기(110)에 단독으로 순환되며 상기 고온부(100)의 지중에 축열을 수행할 수 있다. 또한, 상기 고온부(100)의 지중에 설정온도 이상으로 온도가 올라가게 되면, 상기 제어부는 작동유체가 상기 제2열교환기(210)에 단독으로 순환되며 상기 저온부의 지중에 축열을 수행하도록 작동될 수 있다. 이때, 상기 고온부(100)의 저장기간이 길어지도록 하여, 상기 고온부(100)는 장기 열저장을 위한 지중공간으로 활용하고, 상기 저온부는 저장기간이 상대적으로 짧아지도록 하여 단기 열저장을 위한 지중공간으로 활용하도록 한다. 또한, 도 9를 참고하여 설명하면, 상기 제어부는 겨울에 제2순환방식의 신호가 생성되어, 지중열교환기가 상기 연결배관(300)에 의해 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 연결하여 작동유체가 전체를 순환하도록 작동될 수 있다. 이때, 상기 제2순환방식은 작동유체가 상기 저온부의 제2지중열교환기를 먼저 통과한 후, 상기 고온부(100)의 제1지중열교환기를 통과하는 순서로 순환하여 히트펌프 또는 임의의 열부하장치에 열에너지를 전달할 수 있다. 이에, 작동유체가 상기 제2지중열교환기와 상기 제1지중열교환기를 순서대로 통과하면서 서서히 승온하게 되고, 상기 저온부 및 고온부(100)의 지중은 점차 온도가 하강하게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 지중열교환기는, 각 제1열교환기(110)와 제2열교환기(210)가 각각 수직 열교환기 및 수평 열교환기 중 구성되는 것에 따라서 그의 매설 방법을 다르게 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예로, 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)가 각각 수평 열교환기로 형성되는 경우의 매설방법에 있어서, 먼저, 소정 깊이로 상기 일정 면적(10)의 지중의 흙을 제거하고, 상기 제1면적(11)의 하면에 상기 제1단열재(120)를 배치하는 S11 단계, 상기 제1면적(11)의 일측면에 상기 제1단열재(120)를 배치하고, 상기 제2면적(12)의 타측면에 상기 제2단열재(220)를 배치하는 S12 단계, 상기 제1면적(11)에 상기 제1열교환기(110)를 수평방향으로 적층하고, 상기 제2면적(12)에 상기 제2열교환기(210)를 수평방향으로 적층하는 S13 단계, 상기 연결배관(300)을 통해 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210)를 연결하고, 흙으로 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 매립하는 S14 단계 및 상기 제1열교환기(110)의 상면에 상기 제1단열재(120)를 배치하고, 상기 제2열교환기(210)의 상면에 상기 제2단열재(220)를 배치하는 S15 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 S12단계에서는, 상기 일정 면적(10)에서 일측에는 상기 제1면적(11)이 배치되고, 타측에는 상기 제2면적(12)이 배치되어, 각 상기 제1면적(11)의 타측과 상기 제2면적(12)의 일측이 서로 이웃하는 부분이기 때문에, 이 부분에는 상기 제1단열재(120) 및 제2단열재(220)를 배치하지 않는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 제1면적(11)의 타측에는 상기 제1단열재(120)가 배치되지 않고, 상기 제2면적(12)의 일측에는 상기 제2단열재(220)가 배치되지 않는다. 이후, 상기 S14단계에서 상기 부분에 상기 연결배관(300)을 위치시켜 상기 제1열교환기(110) 및 제2열교환기(210)를 연결하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 S12단계에서는, 상기 제1면적(11)의 전면 및 후면에 각 제1단열재(120)를 배치하고, 상기 제2면적(12)의 전면 및 후면에 각 제2단열재(220)를 배치하는 단계를 더 포함하여 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로, 제1열교환기(110)가 수평 열교환기로 형성되고, 제2열교환기(210)가 수직 열교환기로 형성되는 경우의 매설방법에 있어서, 소정 깊이로 상기 제1면적(11)의 흙을 제거하고, 상기 제1면적(11)의 하면에 상기 제1단열재(120)를 배치하는 S21 단계, 상기 제1면적(11)의 일측면에 상기 제1단열재(120)를 배치하고, 상기 제1면적(11)에 상기 제1열교환기(110)를 수평방향으로 적층하고, 흙으로 매립하는 S22 단계, 상기 제2면적(12)의 타측면에 상기 제2단열재(220)를 삽입하고, 상기 제2면적(12)에 복수의 상기 보어홀을 지중에 수직하게 삽입하여, 상기 보어홀에 상기 제2열교환기(210)를 설치하는 S23 단계, 상기 연결배관(300)을 통해, 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(210)를 직렬로 연결하는 S24 단계 및 상기 제1열교환기(110)의 상면에 상기 제1단열재(120)를 배치하고, 상기 제2열교환기(210)의 상면에 상기 제2단열재(220)를 배치하는 S25 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른 지중열교환기의 매설방법은, 상기 제1면적(11)에 상기 제1열교환기(110)를 먼저 설치하고, 이후에 상기 제2면적(12)에 상기 제2열교환기(210)를 설치하는 것을 특징으로 한다. 이에, 상기 제2열교환기(210)가 수직 열교환기로 형성되기 때문에, 별도의 지중의 흙 제거 작업 없이 보어홀을 상기 제2면적(12)에 수직하게 삽입함으로써 설치를 수행할 수 있기 때문에 열교환기의 용량 대비 지중의 설치 면적이 적어지게 되는 효과가 있으며 설치비용도 절감이 가능하다. 이때, 상기 S21 단계는, 상기 제2면적(12)에는 별도로 흙을 제거하는 단계를 수행하지 않고, 상기 제1면적(11)만 흙을 제거하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 S22 단계는, 상기 제2면적(12)의 전면 및 후면에 각각 상기 제1단열재(120)를 배치하는 단계를 추가로 포함하여 수행될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 일정 면적
11 : 제1면적 12 : 제2면적
100 : 고온부
110 : 제1열교환기 120 : 제1단열재
200 : 저온부
210 : 제2열교환기 220 : 제2단열재
300 : 연결배관 310 : 밸브
11 : 제1면적 12 : 제2면적
100 : 고온부
110 : 제1열교환기 120 : 제1단열재
200 : 저온부
210 : 제2열교환기 220 : 제2단열재
300 : 연결배관 310 : 밸브
Claims (11)
- 지중에 일정 면적으로 매립되어, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지중열교환기에 있어서,
상기 일정 면적 중 일부분의 면적인 제1면적에 매립되는 제1열교환기 및 상기 제1열교환기의 적어도 상면 및 하면에 배치되는 제1단열재를 포함하며 형성되는 고온부;
상기 일정 면적 중 다른 부분의 면적인 제2면적에 매립되는 제2열교환기 및 상기 제2열교환기의 적어도 상면에 배치되는 제2단열재를 포함하며 형성되는 저온부;
상기 제1지중열교환기와, 상기 제2열교환기를 직렬로 연결하는 연결배관; 및
상기 제1열교환기 및 제2열교환기 내부에 유동되는 작동유체의 흐름을 제어하는 제어부;
를 포함하여 형성되는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1열교환기는, 지면과 수평한 방향으로 나열되며 적층되는 수평 열교환기이고,
상기 제2열교환기는, 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀에 각각 삽입되며 연결되는 수직 열교환기인 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1열교환기 및 제2열교환기는, 지면과 수평한 방향으로 나열되며 적층되는 수평 열교환기인 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 중 적어도 어느 하나 이상의 열교환기에 작동유체가 유동되는 제1순환방식과,
상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 순환하는 제2순환방식을 포함하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 4항에 있어서,
상기 제1순환방식은,
작동유체가 상기 제1열교환기를 먼저 순환한 후, 상기 연결배관을 통해 상기 제2열교환기로 유입되며 순환하는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 4항에 있어서,
상기 제2순환방식은,
작동유체가 상기 제2열교환기를 먼저 순환한 후, 상기 연결배관을 통해 상기 제1열교환기로 유입되며 순환하는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 4항에 있어서,
상기 제어부는,
계절에 따라 상기 제1순환방식 및 제2순환방식 중 어느 하나를 선택하여 신호로 생성하는 것을 특징으로 하며,
여름에는, 상기 제1순환방식이 선택되어 작동되고,
겨울에는, 상기 제2순환방식이 선택되어 작동되는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1단열재는,
상기 제1면적 중, 상면, 하면, 전면 및 후면에 각각 배치되고, 양측면 중 이웃하는 상기 제2면적과 접하지 않는 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 1항에 있어서,
상기 제2단열재는,
상기 제2면적 중, 상면, 전면 및 후면에 각각 배치되고, 양측면 중 이웃하는 상기 제1면적과 접하지 않는 측면에 배치되는 것을 특징으로 하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기.
- 제 2항의 상기 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 설치방법에 있어서,
소정 깊이로 상기 일정 면적의 지중의 흙을 제거하고, 상기 제1면적의 하면에 상기 제1단열재를 배치하는 S11 단계;
상기 제1면적의 일측면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2면적의 타측면에 상기 제2단열재를 배치하는 S12 단계;
상기 제1면적에 상기 제1열교환기를 수평방향으로 적층하고, 상기 제2면적에 상기 제2열교환기를 수평방향으로 적층하는 S13 단계;
상기 연결배관을 통해 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하고, 흙으로 상기 제1열교환기 및 제2열교환기를 매립하는 S14 단계; 및
상기 제1열교환기의 상면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2열교환기의 상면에 상기 제2단열재를 배치하는 S15 단계;
를 포함하여 수행하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법.
- 제 3항의 상기 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법에 있어서,
소정 깊이로 상기 제1면적의 흙을 제거하고, 상기 제1면적의 하면에 상기 제1단열재를 배치하는 S21 단계;
상기 제1면적의 일측면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제1면적에 상기 제1열교환기를 수평방향으로 적층하고, 흙으로 매립하는 S22 단계;
상기 제2면적의 타측면에 상기 제2단열재를 삽입하고, 상기 제2면적에 복수의 상기 보어홀을 지중에 수직하게 삽입하여, 상기 보어홀에 상기 제2열교환기를 설치하는 S23 단계;
상기 연결배관을 통해, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 직렬로 연결하는 S24 단계;
상기 제1열교환기의 상면에 상기 제1단열재를 배치하고, 상기 제2열교환기의 상면에 상기 제2단열재를 배치하는 S25 단계;
를 포함하여 수행하는 수평방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법.
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| KR101583603B1 (ko) * | 2015-07-17 | 2016-01-12 | 세연기업 주식회사 | 하이브리드 히트 펌프 시스템 |
| KR101670007B1 (ko) * | 2016-06-15 | 2016-10-27 | 한국지역난방기술 (주) | 열원의 공급온도에 따라 축열 공간의 선택이 가능한 보어홀 방식의 계간 축열 시스템 |
-
2021
- 2021-11-11 KR KR1020210154436A patent/KR102645264B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102645264B1 (ko) | 2024-03-11 |
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