KR100698021B1 - 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템 - Google Patents

유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열펌프를 이용한 건물 냉난방시스템에서, 제1열펌프; 상기 제1열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제1열교환기; 제2열펌프; 및, 상기 제2열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제2열교환기;를 포함하여 구성되되, 상기 제1열교환기는 건물의 하부에 설치되어 유출지하수를 저장하는 저수탱크의 내부에 설치되어 저장된 유출지하수와 열교환을 하는 코일형태의 제1열교환파이프; 및, 상기 제1열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제1순환유체;를 포함하고, 상기 제2열교환기는 상기 저수탱크의 격벽 내부에 매설되는 제2열교환파이프; 및, 상기 제2열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제2순환유체;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템에 관한 것이다.
제1열펌프, 제1열교환기, 제1열교환파이프, 제1순환유체, 제2열펌프, 제2열교환기, 제2열교환파이프, 제2순환유체

Description

유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템{Heating and Cooling system using Discharged ground water and Ground source heat pump}
도1은 본 발명의 구성요소를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도2는 본 발명의 제1열교환기 및 제2열교환기를 도시한 사시도이다.
도3은 배수관 및 제1열교환파이프의 단면도이다.
도4는 배수관의 상부 및 하부에 격벽이 추가적으로 설치된 상태를 도시하고 있다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11:제1열펌프
22:제2열펌프
100:제1열교환기
110:제1열교환파이프 111:제1순환유체
200:제2열교환기
210:제2열교환파이프 211:제2순환유체
300:저수탱크
301:유출지하수
310:배수관 315:흡입구
316:격벽
기술분야
본 발명은 열펌프를 이용한 건물 냉난방시스템에 관한 것으로서, 보다 상세히는 유출지하수 및 지열 각각으로부터 열교환을 하고 이를 이용하여 열펌프를 작동시켜 건물의 냉난방을 구현하는 것을 기술적 특징으로 한다.
종래기술
지열원 열펌프 시스템은 크게 지중 열교환기(ground heat exchanger)와 열펌프(heat pump)로 구성된 냉난방 겸용 시스템이다.
냉방 사이클로 작동하는 지열원 열펌프 시스템은 실내에서 흡수한 열을 지중 열교환기를 통해 지중으로 방출하고, 난방 사이클인 경우 지중 열교환기는 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급한다. 여기서 지열이라 칭하는 것은 토양(ground), 지하수(ground water), 지표수 (surface water) 등을 통칭하는 것이다.
지열원열펌프 시스템은 공기열원 열펌프(air source heat pump)보다 에너지 소비량이 적고, 대기에 노출되는 기기가 없으며, 사용되는 냉매량이 상대적으로 적은 장점이 있으나, 지중 열교환기 매설을 포함한 전체 시스템의 초기 설치비용이 기존 냉난방 설비보다 과다하다는 문제점이 있다.
지열원 열펌프 시스템은 외기의 온도변화에 영향을 적게받는 토양내부, 지하수 또는 지표수를 냉방시에는 히트싱크로, 난방시에는 히트소스로 이용하여 건물의 냉난방을 동시에 가능하도록 하는 시스템으로서, 지중 열교환기의 순환유체와 지중의 온도차를 이용한 열교환이 이루어진다.
이와 같은 지중 열교환기 가운데 지하수를 이용하는 경우, 종래의 판상 열교환소자를 이용하게 되면 판상 열교환소자의 내부를 흐르는 지하수에 포함된 이물질이 판상 열교환소자의 내부에 침전되어 점착되는 문제가 있는 바, 주기적으로 판상 열교환소자를 청소하거나 교환해야만 하는 문제점이 있었다.
또한 금속재료로 만들어진 열교환소자를 사용하는 경우 초기 열교환 효율은 설계시 요구되는 수준을 확보할 수 있으나, 열교환소자의 표면에 이물질이 첨전되어 점착되는 경우에는 열교환 효율이 급격히 저하되는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스템을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
둘째, 유지보수 비용을 최소화할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스템을 제공함을 본 발명의 다른 목적으로 한다.
셋째, 열교환 효율을 일정하게 유지할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스템을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 구성은 다음과 같다.
본 발명은 열펌프를 이용한 건물 냉난방시스템에서, 제1열펌프; 상기 제1열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제1열교환기; 제2열펌프; 및, 상기 제2열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제2열교환기;를 포함하여 구성되되, 상기 제1열교환기는 건물의 하부에 설치되어 유출지하수를 저장하는 저수탱크의 내부에 설치되어 저장된 유출지하수와 열교환을 하는 코일형태의 제1열교환파이프; 및, 상기 제1열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제1순환유체;를 포함하고, 상기 제2열교환기는 상기 저수탱크의 격벽 내부에 매설되는 제2열교환파이프; 및, 상기 제2열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제2순환유체;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 건물의 하부에 설치되는 저수탱크에 저장된 유출지하수를 지열원으로 이용하는 열펌프 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 구성요소를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도1에 도시된 바에 의하면 본 발명은 2개의 열펌프로 구성됨을 알 수 있다.
제1열펌프(11)는 제1열교환기(100)와 열교환을 하고, 제2열펌프(22)는 제2열 교환기(200)와 열교환을 한다.
다시 말하면, 제1열교환기(100) 및 제2열교환기(200)는 각각 제1열펌프(11) 및 제2열펌프(22)의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 된다.
즉, 냉방시에는 히트싱크로 작용하고 난방시에는 히트소스로 작용하게 된다.
제1열펌프(11) 및 제2열펌프(22)의 구체적 구성은 일반적인 열펌프 시스템과 동일한 바 그 기재를 생략한다.
도2는 본 발명의 제1열교환기 및 제2열교환기를 도시한 사시도이다
제1열교환기(100)는 건물의 하부에 설치되어 유출지하수(301)를 저장하는 저수탱크(300)의 내부에 설치되어 저장된 유출지하수(301)와 열교환을 하는 코일형태의 제1열교환파이프(110), 및 제1열교환파이프(110)의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제1순환유체(111)를 포함한다.
제1순환유체(111)는 제1열펌프(11)를 순환하는 냉매와 열교환을 하게 되나, 이의 구체적 기재는 생략한다.
제1열교환파이프(110)는 코일형태로 구성되어 유출지하수(301)와의 접촉면적을 최대화하고 있다.
도3에 도시된 바에 의하면, 저수탱크(300)에 저장된 유출지하수(301)가 일정 수위를 넘는 경우 이를 외부로 배출하는 배수관(310)이 별도로 구비되는데, 배수관(310)은 제1열교환파이프(110)의 코일의 중심부를 통과하도록 설치되고, 배수관(310)의 단부에는 외주면을 따라 다수 개의 흡입구(315)가 구비되어 있다.
이와 같이 흡입구(315)가 구비됨에 따라 유출지하수(301)의 배출과정에서 제 1열교환파이프(110) 주변의 유출지하수(301) 흐름이 원활해져 보다 효과적인 열교환이 이루어진다.
도4에 도시된 바에 의하면, 격벽(316)이 배수관(310)의 상부 및 하부에 설치되어 제1열교환파이프(110)의 코일 단면을 차단한다.
이와 같이 격벽(316)이 구비되는 경우 배수관(310)에 구비된 흡입구(315)를 통하여 유출지하수(301)을 배출하는 경우 제1열교환파이프(110)의 상하부 코일 단면을 통하여 유출지하수(301)가 유입되는 것을 차단하고, 제1열교환파이프(110)의 측면을 통하여 유출지하수(301)이 제1열교환파이프(110)의 코일 내부로 유입되도록 유도하여 유출지하수(301)와 제1열교환파이프(110) 사이의 열교환이 보다 효과적으로 이루어진다.
제2열교환기(200)는 저수탱크(300)의 격벽 내부에 매설되는 제2열교환파이프(210), 및 제2열교환파이프(210)의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제2순환유체(211)를 포함한다.
제2순환유체(211)도 제2열펌프(22)를 순환하는 냉매와 열교환을 하게 되나, 이의 구체적 기재는 생략한다.
제2열교환파이프(210)는 도2에 도시된 바와 같이 저수탱크(300)의 바닥벽 내부에만 설치될 수도 있으나, 필요에 따라서는 도2에 도시되지 않았으나 저수탱크(300)의 측벽 내부에도 설치될 수도 있고, 저수탱크의 바닥벽 내부 및 측벽 내부 모두에 설치될 수도 있다.
제2열교환파이프(210)의 배열 형태는 도2에 도시된 바와 같이 지그재그 형태 로 배열됨이 바람직하나 반드시 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.
제1열교환파이프(110) 및 제2열교환파이프(210)는 금속재질이 사용될 수도 있으나, 본 발명의 구체적 실시예에서는 폴리에틸렌(PE)과 같은 합성수지가 사용되었다.
이와 같이 합성수지가 사용되는 경우 그 표면에 이물질이 침전하여 점착되더라도 열교환 효율의 변동이 거의 없어, 별도의 유지보수를 하지 않더라도 초기 설계치에 해당하는 열교환 효율을 지속적으로 유지할 수 있다.
제1열교환기(100)와 함께 작동하는 제1열펌프(11), 및 제2열교환기(200)와 함께 작동하는 제2열펌프(22)는 개별적으로 작동하거나 또는 동시에 작동하도록 선택할 수 있다.
다시 말하면, 필요에 따라 제1열펌프(11) 또는 제2열펌프(22)만을 작동시켜 건물의 냉난방 부하를 감당할 수도 있고, 제1열펌프(11) 및 제2열펌프(22)를 동시에 작동시켜 건물의 냉난방 부하를 분담할 수도 있다.
첫째, 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 본 발명은 건물의 지하에 구비되는 유출지하수 저수탱크를 지열원으로 사용하는 바, 초기 설치비용을 최소화할 수 있다.
둘째, 유지보수 비용을 최소화할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스 템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 제1열교환파이프 및 제2열교환파이프의 내부에는 유출지하수와는 별개의 제1순환유체 및 제2순환유체가 각각 순환하는 바, 지하유출수에 포함된 이물질에 의한 열교환기 내부의 오염을 방지할 수 있으며, 제1열교환파이프 및 제2열교환파이프의 재질을 합성수지를 선택함으로써, 지하유출수에 포함된 이물질이 제1열교환파이프 및 제2열교환파이프의 표면에 점착되더라도 열교환 효율이 크게 저하되지 않는 효과가 있는 바, 유지보수를 위한 비용을 최소화하여 경제성을 추구할 수 있다.
셋째, 열교환 효율을 일정하게 유지할 수 있는 유출지하수 및 지열원 열펌프 시스템을 제공할 수 있다.
다시 말하면, 제1열교환파이프 및 제2열교환파이프의 재질을 합성수지를 선택함으로써, 지하유출수에 포함된 이물질이 제1열교환파이프 및 제2열교환파이프의 표면에 점착되더라도 열교환 효율이 크게 저하되지 않는다.
금속재료의 경우 표면에 이물질이 점착되는 경우와 점착되지 않는 경우에 열전도도가 크게 차이가 나나, 합성수지의 경우에는 그 차이가 크지 않기 때문이다.

Claims (5)

  1. 열펌프를 이용한 건물 냉난방시스템에서,
    제1열펌프;
    상기 제1열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제1열교환기;
    제2열펌프; 및,
    상기 제2열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제2열교환기;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 제1열교환기는,
    건물의 하부에 설치되어 유출지하수를 저장하는 저수탱크의 내부에 설치되어 저장된 유출지하수와 열교환을 하는 코일형태의 제1열교환파이프; 및,
    상기 제1열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제1순환유체;
    를 포함하고,
    상기 제2열교환기는,
    상기 저수탱크의 격벽 내부에 매설되는 제2열교환파이프; 및,
    상기 제2열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제2순환유체;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 제1열교환파이프의 코일의 중심부를 통과하도록 설치되어 상기 저수탱크에 저장된 유출지하수가 일정 수위를 넘는 경우 이를 외부로 배출하는 배수관;
    이 더 포함되되,
    상기 배수관의 단부에는 외주면을 따라 다수 개의 흡입구가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제1열교환파이프 및 상기 제2열교환파이프는 그 재질이 합성수지인 것을 특징으로 하는 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템.
  4. 제2항 또는 제3항 가운데 어느 한 항에서,
    상기 배수관의 상부 또는 하부 가운데 어느 한 곳 이상에 설치되어 상기 제1열교환파이프의 코일 단면을 차단하는 격벽;
    이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 제1열펌프와 상기 제2열펌프는 개별적으로 작동하거나 또는 동시에 작 동하도록 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 유출지하수 및 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템.
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