KR101219315B1

KR101219315B1 - 지중열복원 및 효율향상을 위한 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법

Info

Publication number: KR101219315B1
Application number: KR1020120077523A
Authority: KR
Inventors: 김대선; 김기현
Original assignee: (주)엔텍
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2013-01-11

Abstract

본 발명은 지중열복원 및 효율향상을 위한 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 지열시스템의 구성 중 천공에 의해 지반내부와 열교환이 이루어지도록 하는 지열교환기의 시추공 수를 줄이고, 시추공 감소에 의해 부족한 지열교환 열원은 히트펌프와 지열교환기를 연결하는 순환관 일측에 열원보상장치를 장착하여, 부족한 열원은 열원보상장치에 의해 가열 또는 냉각에 의해 보상이 이루어지도록 하는 등 지열시스템의 효율저하없이 초기시설비를 대폭적으로 줄일 수 있는 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.

Description

지중열복원 및 효율향상을 위한 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법{HYBRID GEOTHERMAL SYSTEM FOR GEOTHERM RESTORATION AND EFFICIENCY ENHANCEMENT AND OPERATION METHOD THEREOF}

일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등이 있으나, 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있고 핵연료는 방사능에 의한 환경오염을 야기할 수 있으며, 매장량의 한계가 있으므로 근래에는 이를 대체할 수 있는 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 자연에너지에 대한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있다. 이러한 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야하며, 이 장치들은 단위 장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다.

대체에너지의 다른 예인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열로 발전에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 냉난방 시스템에 적용하여 사용하고 있으며, 상기 건물 냉난방에 지열을 적용하면 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있다고 알려져 있다.

상기 지열에너지를 이용하는 지열시스템(지열 히트펌프 시스템)은 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 건물내로 공급하여 냉난방이 이루어지는 실내외연결관과 열교환이 이루어지는 히트펌프로 구성되어, 열교환에 의해 하절기에는 실내열을 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하여 실내로 공급하도록 한 것이다.

여기서 상기 지열교환기는 지중에 수직방향으로 천공한 시추공을 다수 형성하고, 형성된 시추공에는 펌프를 설치하거나 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치된다. 이러한 지열교환기의 시추공은 제공하고자 하는 건물의 냉난방용량에 의해 그 수가 가감된다. 즉, 건물에 필요한 냉난방용량에 의해 히트펌프의 용량이 결정되고, 상기 히트펌프의 용량에 의해 지열교환기의 용량이 결정되어 필요한 용량만큼 시추공 수가 증가된다. 이러한 시추공수 산정은 통상적으로 지중열 설계 프로그램(GLD) 시뮬레이션에 의해 설정된다.

그러나 상기 지열교환기의 시추공은 천공에 큰 비용이 소요되므로 시추공이 증가할수록 지열시스템 초기 시설비가 증가되는 단점이 있다.

물론 시추공수를 줄여 시설비를 절감시키는 방법을 적용할 수 있으나, 시추공 수를 줄이면 냉난방 용량이 낮아지므로 부하를 감당하지 못해 난방시에는 지중으로 유입되는 순환수의 온도가 낮아 순환수에 의해 지중온도가 점진적으로 낮추고, 냉방시에는 지중으로 유입되는 순환수의 온도가 높아 지중온도를 점진적으로 높이는 등 히트펌프에 원하는 온도보다 낮거나 높은 온도의 순환수가 제공되어 효율성이 떨어지는 문제점이 있으므로, 건물에 필요로하는 냉난방 용량을 낮추지 않으면서 시설비용을 감소시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 발명의 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법은,

비용이 크게 소요되는 시추공의 수를 줄이고, 시추공 수의 감소에 의해 부족한 열원은 열원보상장치에 의해 보상이 이루어지되, 상기 열원보상장치는 순환수저장탱크, 항온조, 냉각탑으로 구성하고 이를 순환관 라인에 설치하여 순환수를 선택적으로 가열 또는 냉각시켜 보상이 이루어지도록 하는 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 지열교환기의 시추공이 형성되는 구역을 다수로 분리하고, 각 구역별로 별도의 배관을 통해 순환수의 공급이 이루어지도록 하여 지열교환기가 설치된 전체지역에서 최대한 균일한 열교환이 이루어지도록 하는 지열시스템의 제공을 다른 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 하이브리드형 지열시스템은,

지열을 이용하여 실내 냉난방에 이용하는 지열시스템에 있어서, 순환수를 공급받아 실내측공급배관과 열교환이 이루어지는 히트펌프와; 지중으로 천공되는 다수의 시추공과, 상기 시추공 내부로 배관되어 이송되는 순환수를 지열과 열교환시키는 지중열교환관과, 상기 지중열교환관을 지상배관과 연결시켜 순환수 유입과 배출이 이루어지게하는 연결헤더로 이루어지고, 히트펌프의 용량보다 낮은 용량으로 설치되는 지열교환기와; 상기 지열교환기에서 배출되는 순환수를 순환펌프에 의해 히트펌프로 이송시키는 지열공급순환관과; 상기 히트펌프에서 열교환된 순환수를 지열교환기로 유입시키는 지중유입순환관과; 상기 지중유입순환관 라인상에 설치되어 지열교환기에서 제공되는 열교환에너지의 부족한 열원을 보상시키는 열원보상장치;를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명에 따른 하이브리드형 지열시스템을 이용한 운전방법은,

지열시스템 운전방법에 있어서, 지열에너지가 공급될 실내 온도를 설정하고 순환펌프를 구동시켜 히트펌프와 지열교환기 사이의 순환수를 순환시키는 단계와; 순환되는 순환수가 히트펌프 내에서 실내측공급배관과 열교환이 이루어지는 단계와; 히트펌프에서 배출된 순환수를 하이브리드 저장탱크에 임시저장하는 단계와; 하이브리드 저장탱크에 임시저장된 순환수를 지중으로 유입시켜 지열교환기로 공급해 지중열과 열교환이 이루어지도록 하는 지중열교환 단계와; 지중열과 열교환이 이루어진 순환수를 히트펌프로 공급하는 단계와; 상기 지열교환기로 공급되는 순환수 또는 배출되는 순환수의 온도를 측정하여 이전 측정온도와 비교하는 단계와; 온도 비교시 측정한 온도가 이전 측정온도보다 높거나 낮으면 히트펌프에서 배출된 순환수는 열원보상장치의 냉각탑 또는 항온조를 통과시켜 열원을 보상한 다음 하이브리드저장탱크에 공급되어 순환펌프에 의해 순환되도록 하는 열원보상단계;를 포함하여 이루어진다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 하이브리드형 지열시스템 및 그 운전방법은,

열교환기의 시추공 수를 필요수보다 줄이고, 시추공수의 감소에 따른 부족한 열원은 열보상장치에 의해 보상되도록 함으로써 과부하에 따른 지중온도변화를 방지하여 열교환효율성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 고비용이 소요되는 시추공의 수가 감소하므로 초기투자시설비용을 낮춰 시설의 보급을 확대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 지열교환기는 다수로 구획된 구역별로 별도의 배관이 이루어져 구획된 다수 구역에서 동시에 열교환되어 최대한 균일한 열교환이 이루어지게 함으로써 온도편차 최소화에 의한 열교환효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 대도시의 건물 밀집지역과 같이 시추공이 천공되는 여유부지가 부족한 협소한 지역에서도 설치해 활용할 수 있게 하는 등 지열에너지 시장을 확대시킬 수 있는 지열시스템 및 그 운전방법의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지열시스템의 배관연결상태를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지열교환기의 시추공부분을 확대도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지열시스템을 도시한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 지열시스템의 운전과정을 도시한 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 지열시스템을 도시한 구성도이다.

참조한 바와같이 본 발명에 따른 지열시스템(10)은 실내측공급배관(21)과 열교환이 이루어지는 히트펌프(20)와, 지중에 설치되어 지열과 열교환되는 지열교환기(30)와, 지열교환기에서 배출되는 순환수를 히트펌프로 공급하는 지열공급순환관(40)과, 상기 히트펌프에서 열교환된 순환수를 지열교환기로 유입시키는 지중유입순환관(50)을 포함하여 구성된다.

상기 히트펌프(20)는 지열교환기에서 열교환된 순환수와 실내측공급배관의 물 또는 냉매와 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 지그재그배관 또는 격층유로형성 등 열교환면적을 증가시키는 통상구조를 갖는다.

다음으로 상기 지열교환기(30)는 지중에 설치되어 지열과 지열교환기 내부의 순환수 사이에 열교환이 이루어지도록 하여 냉방시에는 열을 지중으로 방출하고, 난방시에는 지중의 열을 흡수하는 구조이다.

이러한 지열교환기(30)는 지중으로 천공되는 다수의 시추공(31)과, 지중에 매립되고 일부가 시추공 내부로 배관되어 시추공 내부에서 열교환이 이루어지는 지중열교환관(32)과, 상기 지중열교환관과 지상 배관(지열공급순환관과 지중유입순환관)을 연결시키는 연결헤더(33)로 구성되어 유입된 순환수가 열교환이 이루어진 다음 배출되는 구조를 갖도록 한다.

상기 시추공(31)은 지중에 수직방향으로 천공되는 것으로 지표면으로부터 100~200m의 시추깊이로 형성할 수 있으며, 열교환은 지각층과 직접 이루어지거나, 지하수를 통한 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.

또한 상기 지중열교환관(32)은 연결헤더(33)에 의해 지상 배관(40,50)과 연결되어 히트펌프로부터 순환수를 공급받고 지열과 열교환된 순환수를 다시 히트펌프로 공급되도록 한다. 상기 지중열교환관(32)은 다수의 시추공(31)에 연속적으로 배관되어 유입된 순환수가 순차적으로 통과되도록 하거나, 도 2에 도시된 바와같이 다수의 시추공(31) 입구부분에는 하나의 지중열교환관(32)이 배관되고, 상기 지중열교환관에서는 지중열교환지관(35)을 분기시켜 시추공으로 내입하여 각 시추공의 열교환량이 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 즉, 상기 지중열교환관(32)은 지중열교환지관(35)으로 다수 분기된 다음 다시 합류되는 형태로 배관되고, 상기 분기된 지중열교환지관 부분이 시추공(31)으로 내입되도록 배관이 이루어지는 것이다.

그리고 상기 지열교환기(30)는 시추공(31)을 일정 구역별로 분리된 다수의 지열그룹(34)으로 분류하고, 상기 지중열교환관(32)도 다수로 분기하여 하나의 지열그룹(34)에 하나의 지중열교환관(32)이 연결되도록 하거나, 도 3에서와 같이 소그룹으로 지열그룹을 분리하지 않고 하나의 지중열교환관(32)이 다수 시추공(31)에 모두 연결되도록 할 수 있다.

상기 도 3의 실시예는 지상배관과 지중열교환관이 1대1 대응되므로 연결헤드의 구조도 단순하게 구성할 수 있으며 배관도 단순하게 연결하는 장점이 있으나, 하나의 지중열교환관(32)을 통해 다수의 시추공(31)에 순환수 공급이 이루어지므로 공급시작과 끝부분의 시추공에 공급되는 순환수 공급시간 차가 발생되고, 시추공을 분산형성시 지중 배관라인이 이전 실시예보다 길어져 열손실율이 높아지며, 소량의 지열만 필요할 때에도 지열교환기 전체를 사용해야 하는 등 사용 용량을 조절할 수 없는 단점이 있다.

반면 도 1의 실시예는 연결헤더(33)에서 하나의 지중유입순환관(50)으로 공급받은 순환수를 다수의 지중열교환관(32)으로 분기공급하고 분기된 지중열교환관을 하나로 합관시켜 지열공급순환관(40)으로 공급되도록 한 것으로, 각 지열그룹(34)의 위치를 다양한 방향으로 분산 배치할 수 있고, 분산배치된 각 지열그룹에 동시에 순환수를 공급하여 열교환이 이루어지도록 할 수 있는 장점이 있으며, 분기된 각 지중열교환관에는 단속밸브를 장착하여 필요한 지열용량에 따라 다수의 지열그룹 중 일부를 폐구하여 과도한 열교환을 방지 또는 순환수 이송에 소요되는 에너지소모량을 줄일 수 있다.

상기 지열공급순환관(40)은 지열교환기(30)의 연결헤더(33)에 의해 지중열교환관(32)과 연통되도록 연결되어 지열교환기에서 열교환된 순환수를 히트펌프(20)로 이송시킨다. 상기 지열공급순환관의 라인상에는 순환펌프(41)를 설치하여 지열시스템 내부 배관에서의 순환수 유동이 이루어지도록 한다. 상기 순환펌프(41)도 하나의 큰 용량의 순환펌프를 설치하여 순환수의 유동이 이루어지도록 하거나, 도시된 바와같이 다수의 소용량의 순환펌프를 병렬 연결하여 필요용량에 따라 가동되는 순환펌프 수를 조절하도록 할 수 있다.

또한, 지열공급순환관(40) 라인상에는 배관압력을 완충시키는 팽창탱크(42)가 더 설치될 수 있다. 지열시스템의 배관 내부 온도가 높아지면 순환수 체적이 증가로 배관 내압이 증가되어 배관연결부에 큰 하중이 전달되고, 이러한 하중에 의해 배관이 파손되거나 취약부분을 통해 누수되는 문제점이 발생될 수 있으므로 팽창탱크에서 증가되는 압력을 흡수하여 배관내압이 증가되는 것을 방지하도록 한 것이다.

상기 지중유입순환관(50)은 히트펌프(20)에서 실내측공급배관과 열교환이 이루어진 순환수를 공급받아 지열교환기(30)로 이송시키는 관체이다.

상기 지중유입순환관(50)의 라인상에는 열원보상장치(60)가 설치된다. 상기 열원보상장치는 지열교환기의 줄어든 시추공(31)을 통해 열교환이 이루어질 지열에너지 량을 보상해주는 장치이다.

상기 열원보상장치(70)는 일정량의 순환수가 임지 저장되는 하이브리드 저장탱크(61)와, 순환수의 온도를 낮추는 냉각탑(63)과, 순환수의 온도를 높이는 항온조(65)로 구성된다.

상기 하이브리드 저장탱크(61)는 지열교환기(30)와 히트펌프(20)의 용량 차이분에 대한 순환수가 저장되는 것이다. 즉, 일반적인 지열시스템은 지열교환기의 용량과 히트펌프의 용량을 1대1의 비율로 설계하지만, 본 발명에서는 시추공을 형성하는 천공작업에 과도한 비용이 소요되므로 지열교환기(30)의 시추공(31) 수를 일부 줄여서 설계한 것이다.

따라서, 줄어든 시추공(31)의 용량(배관체적)만큼의 순환수를 하이브리드 저장탱크(61)에 임시저장하여 지열교환기(30)의 용량이 줄어들어도 히트펌프(20)에는 순환수의 공급이 1대1로 원활하게 공급되도록 한다. 여기서 상기 하이브리드 저장탱크(61)의 용량은 적어도 히트펌프(20)의 내부관 체적에 지열교환기(30)의 내부관 체적을 뺀 차이 량에 대해 1~2배로 형성하여 줄어든 지열교환기의 용량에 대한 순환수 량을 보상하는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 냉각탑(63)은 하이브리드 저장탱크(61)와 히트펌프(20) 사이의 지중유입순환관(50) 라인에서 3웨이밸브(66)로 분기된 냉각관(62) 라인상에 설치되고, 상기 항온조(65)는 하이브리드 저장탱크와 히트펌프 사이의 지중유입순환관 라인에서 3웨이밸브(67)로 분기된 가열관(64) 라인상에 설치된다. 상기 분기된 냉각관(62)과 가열관(64)은 지중유입순환관(50)에 재합류하여 하이브리드 저장탱크(61)로 공급되도록 하거나, 하이브리드 저장탱크(61)로 직접 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 냉각관(62)과 가열관(64)에는 지중유입순환관으로 재합류 또는 하이브리드 저장탱크와 연통되는 부분과 근접하여 단속밸브를 각각 형성하여 순환수가 역방향으로 유입되는 것을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 냉각탑(63)은 이송되는 순환수를 대기와 열교환하여 냉각이 이루어지도록 한 것으로, 대기와의 열교환면적을 증가시키기 위해 내부배관을 지그재그 형태로 형성하고, 각 배관외면에는 다수의 방열핀을 형성하여 이송되는 순환수의 열발산이 용이하게 이루어지도록 하며, 일측에는 송풍팬을 장착하여 송풍이 이루어지는 구조로 제공될 수 있다.

아울러 상기 항온조(65)는 내부배관을 지그재그 형태로 형성하고 일측에 전열기를 구비하여 이송되는 순환수에 열을 가하여 온도를 상승시키는 장치이다. 상기 항온조의 온도는 줄어든 시추공을 통해 지중에서 수취할 수 있는 지열에너지의 량만큼 보상하도록 하여 지열교환기의 시추공수가 줄어들어도 히트펌프에 공급되는 열량은 시추공수가 줄어들지 않은 지열교환기와 동일한 에너지를 제공하도록 한다. 이러한 항온조는 가열관에 외면세 가열재킷을 설치하고 가열재킷과 가열관 사이에 전열기를 장착하여 직접 가열관에 열을 전달하는 형태로 제공될 수 있다.

이와같이 상기 냉각관과 가열관으로 순환수를 이송시키는 두 개의 3웨이밸브(66,67)와, 냉각탑(63) 또는 항온조(65)의 구동여부 및 구동온도는 열원보상제어부(68)를 통해 이루어지며, 상기 열원보상제어부(68)는 열원보상장치(60) 내에 설치되거나 지열시스템(10) 전체 제어부에 일체로 설치되어 제어가 이루어지도록 할 수 있다.

이러한 열원보상제어부(68)는 순환수의 온도를 측정하여 필요 온도 이하일 경우 항온조(65)를 가동하도록 하고 필요온도 이상일 경우 냉각탑(63)을 가동하여 순환수가 적절한 온도로 제공되도록 한다.

일예로 상기 순환수의 온도측정은 지열교환기(30)에서 배출되는 순환수의 온도를 측정하여 열원보상장치(60)의 구동여부를 판단한다. 상기 냉난방시 온도가 설정되면 설정된 온도에 따라 히트펌프에 공급되는 순환수의 필요온도를 실험데이터 또는 설계프로그램에 의해 설정할 수 있다. 상기 설정된 필요온도와 히트펌프로 유입되는 순환수 예컨대 지열교환기의 연결헤더(33)에 설치된 온도센서를 통해 순환수의 온도를 측정하여 측정온도와 필요온도를 대비하여 부족한 열원을 보충하도록 한다. 상기 냉각탑(63)과 항온조(65)를 구동시키기 위한 기준은 센서를 통해 측정된 온도가 이전 측정온도 또는 평균측정온도보다 허용치 이상(ㅁ0.5~2℃)으로 높아지거나 낮아질 때 냉각탑 또는 항온조를 가동시켜 열원보충이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 상기 열원보상제어부(68)는 냉각관(62) 또는 가열관(64)이 분기되는 2개의 3웨이밸브(66,67) 중 어느 하나를 작동시켜 순환수의 이동경로를 변경하고, 변경된 냉각관 또는 가열관에 설치되는 냉각탑(63) 또는 항온조(65)를 구동시켜 이송되는 순환수의 열원보충이 이루어지도록 한다.

아울러 상기 순환수의 온도를 하이브리드 저장탱크(61)에 임시 저장된 순환수의 온도를 측정하여 냉각탑(63) 또는 항온조(65)의 작동여부를 판단하도록 할 수 있다. 즉, 냉방 또는 난방시 추가로 필요로 하는 열원은 실험적데이터 또는 설계프로그램에 의해 수취할 수 있으므로, 냉난방에 따라 하이브리드 저장탱크(61)에 임시로 저장되는 순환수의 온도를 설정하여 설정된 온도로 순환수를 가열 또는 냉각시키도록 할 수 있는 것이다. 예컨대 하이브리드 저장탱크(61) 내의 온도를 냉방시에는 25~30℃ 난방시에는 10~15℃로 설정하여 상기 범위를 벗어나면 가열 및 냉각이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 냉각탑(63)과 항온조(65)는 도시된 바와같이 지중유입순환관(50)과 병렬로 설치되어 냉방 또는 가열이 필요할 때만 통과되도록 설계하거나, 냉각탑과 항온조를 지중유입순환관의 라인상에 직렬로 설치하여 구동이 이루어지도록 할 수 있다. 이때에는 냉각탑은 전면에 배치하고 항온조를 후면에 배치하여 가열된 순환수가 냉각탑을 통과하면서 열손실이 발생되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 따른 하이브리드형 지열시스템의 운전방법을 도 1과 도 4를 참조하여 설명하면,

먼저 지열에너지가 공급될 실내 온도를 설정하고 순환펌프(41)를 구동시켜 히트펌프(20)와 지열교환기(30) 사이의 순환수를 순환시키는 단계가 수행된다.

상기 순환되는 순환수는 히트펌프(20) 내에서 실내측공급배관(21)과 열교환이 이루어지는 단계와, 히트펌프에서 배출된 순환수를 하이브리드 저장탱크(61)에 임시저장하는 단계와, 하이브리드 저장탱크에 임시저장된 순환수를 지중으로 유입시켜 지열교환기(30)로 공급해 지중열과 열교환이 이루어지도록 하는 지중열교환 단계와, 지중열과 열교환이 이루어진 순환수를 히트펌프(20)로 공급하는 단계가 순차적으로 이루어진다.

다음으로는 상기 지열교환기(30)에서 배출되는 순환수의 온도를 측정하여 이전 측정온도와 비교하는 단계가 수행된다. 본 단계에서 온도센서로 측정한 온도는 이전에 측정된 온도 또는 측정온도의 평균온도와 비교가 이루어지도록 하는 단계이다.

아울러 온도비교시 측정한 온도가 이전측정온도 또는 측정평균온도 대비 높거나 낮으면 냉각탑(63) 또는 항온조(65)를 구동시켜 열원을 보상하는 열원보상단계가 수행된다. 이 때 측정온도는 이전측정온도 또는 측정평균온도보다 허용치 이상으로 차이가 발생될 때 열원보상단계가 수행되며, 상기 허용치 범위는 적용장소에 따라 0.5 ℃ 이하로 정밀 또는 2 ℃ 이상으로 둔감하게 설정할 수 있으나, 바람직하게는 일반적으로 ±0.5~2℃로 설정하여 상기 범위를 벗어날 경우 열원보상이 즉시 수행되도록 하는 것이다. 상기 열원보상단계는 냉난방시의 온도차이에 따라 순환수의 이동경로를 냉각탑 또는 항온조를 통과하도록 하여 부족한 열원을 보상하도록 한다.

아울러 상기 순환수의 온도측정을 지열교환기에서 배출되는 부분이외에 하이브리드 저장탱크(61)에서 측정이 이루어질 수 있다. 이 때 측정온도는 냉방시 25~30℃, 난방시 10~15℃로 설정된 온도와 비교하여 상기 범위를 벗어나면 열원보상단계가 수행되도록 할 수 있다.

상기 열원보상단계는, 냉방시 측정온도가 이전온도 또는 설정된 온도보다 높으면 지중유입순환관(50)에서 냉각관(62)을 분기시키는 3웨이밸브(66)를 단속하여 순환수가 냉각관을 통해 하이브리드 저장탱크(61)로 이송되도록 하는 단계가 수행된다. 이와 동시에 냉각탑(62)의 송풍팬을 구동시켜 냉각관을 통해 이송되는 순환수가 냉각탑에 형성된 배관을 통과하면서 대기와 열교환되어 순환수의 온도를 낮추는 예랭이 이루어지도록 하는 예랭단계가 수행된다.

또한, 난방시 측정온도가 이전온도 또는 설정된 온도보다 낮으면 지중유입순환관(50)에서 가열관(64)을 분기시키는 3웨이밸브(67)를 단속하여 순환수가 가열관을 통해 하이브리드 저장탱크(61)로 이송되는 단계가 수행된다. 이와동시에 항온조(65)의 전열기를 구동시켜 가열관을 통해 이송되는 순환수가 항온조에 형성된 배관을 통과하면서 가열되어 순환수의 온도를 높이는 예열이 이루어지도록 하는 예열단계가 수행되어 필요한 열원을 보상할 수 있다.

아울러 본 발명은 지열교환기(30)가 다수의 소그룹인 지열그룹(34)으로 구획되어 있으므로, 최대용량으로 구동하지 않을시에는 구획된 지열그룹에 각각 연통된 지중열교환관의 단속밸브를 번갈아가면서 단속시켜 각 지열그룹으로 연통되는 지중열교환관으로 불연속적인 순환수 공급이 이루어지도록 하는 단계가 수행되도록 함으로써 연속 열교환에 의한 지중의 지열에너지 손실을 최소화하여 지중 온도분포로 신속하게 복귀되도록 하여 다음 열교환시 열교환효율을 극대화시킬 수 있다.

상기한 바와같이 본 발명은 지열교환기에서 부족한 열원을 항온조 또는 냉각탑에 의해 보상되도록 하여 시추공이 필요한 수보다 적은 수로 설치된 지열교환기의 열교환부하를 줄여주면서 히트펌프에 필요한 열원을 충분히 공급하는 설치비용을 절감시킨 지열시스템 및 운전방법의 제공이 가능하게 되었다.

10 : 지열시스템
20 : 히트펌프
21 : 실내측공급배관
30 : 지열교환기
31 : 시추공 32 : 지중열교환관
33 : 연결헤더 34 : 지열그룹
35 : 지중열교환지관
40 : 지열공급순환관
41 : 순환펌프 42 : 팽창탱크
50 : 지중유입순환관
60 : 열원보상장치
61 : 하이브리드 저장탱크
62 : 냉각관 63 : 냉각탑
64 : 가열관 65 : 항온조
66,67 : 3웨이밸브 68 : 열원보상제어부

Claims

지열을 이용하여 실내 냉난방에 이용하는 지열시스템에 있어서,
순환수를 공급받아 실내측공급배관(21)과 열교환이 이루어지는 히트펌프(20)와; 지중으로 천공되는 다수의 시추공(31)과, 상기 시추공 내부로 배관되어 이송되는 순환수를 지열과 열교환시키는 지중열교환관(32)과, 상기 지중열교환관을 지상배관과 연결시켜 순환수 유입과 배출이 이루어지게하는 연결헤더(33)로 이루어지되, 상기 시추공을 히트펌프 필요용량의 시추공수보다 낮은 수로 설치하는 지열교환기(30)와; 상기 지열교환기에서 배출되는 순환수를 순환펌프(41)에 의해 히트펌프로 이송시키는 지열공급순환관(40)과; 상기 히트펌프에서 열교환된 순환수를 지열교환기로 유입시키는 지중유입순환관(50)과; 상기 지중유입순환관 라인상에 설치되어 지열교환기에서 제공되는 열교환에너지의 부족한 열원을 보상시키는 열원보상장치(60);를 포함하여 구성되되,
상기 열원보상장치(60)는
상기 지중유입순환관 배관라인상에 설치되고, 상기 히트펌프의 필요용량 시추공수보다 줄어든 시추공수에 해당하는 배관용량의 순환수를 임시 저장하는 하이브리드 저장탱크(61)와;
상기 하이브리드 저장탱크(61)와 히트펌프(20) 사이의 지중유입순환관(50) 라인에서 3웨이밸브(66)로 분기된 다음 재합류가 이루어지는 냉각관(62)과;
상기 냉각관 라인상에 설치되어 이송되는 순환수를 대기와 열교환하여 냉각시키는 냉각탑(63)과;
상기 하이브리드 저장탱크와 히트펌프 사이의 지중유입순환관 라인에서 3웨이밸브(67)로 분기된 다음 하이브리드 저장탱크로 연통배관되는 가열관(64)과;
상기 가열관 라인상에 설치되어 이송되는 순환수를 가열하여 승온시키는 항온조(65)와;
상기 지열교환기에서 배출되는 순환수 온도를 체크하여 온도가 필요온도보다 낮거나 높으면 지중유입순환관으로 이송되는 순환수를 냉각관(62) 또는 가열관(64)을 통해 하이브리드 저장탱크(61)로 유입되도록 하고, 냉각탑와 항온조의 작동을 제어하는 열원보상제어부(68);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 지열시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 지열교환기(30)는,
다수의 시추공(31)을 다수 지열그룹(34)으로 분류하고, 상기 지중열교환관(32)은 다수 지열그룹으로 각각 분기되어 배관되도록 연결하고,
상기 분류된 지열그룹(34)의 다수 시추공(31)에는 지중열교환관으로부터 분기된 지중열교환지관(35)이 각각 내입되도록 배관하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 지열시스템.
열교환된 순환수를 실내측공급배관과 열교환시키는 히트펌프(20)와, 순환수와 지중열을 열교환시키고 실내측 필요공급량보다 낮은 용량으로 설치되는 지열교환기(30)와, 상기 지열교환기와 히트펌프 사이에 순환수를 순환되도록 이송하는 지열공급순환관(40) 및 지중유입순환관(50)과, 지열교환기의 부족한 열원을 보상시키는 하이브리드저장탱크(61)와 냉각탑(63)과 항온조(65)로 구성된 열원보상장치(60)를 포함하는 하이브리드형 지열시스템 운전방법에 있어서,
지열에너지가 공급될 실내 온도를 설정하고 순환펌프를 구동시켜 히트펌프와 지열교환기 사이의 순환수를 순환시키는 단계와;
히트펌프 내에서 지열교환기에서 열교환된 순환수와 하이브리드저장탱크에 저장된 순환수의 용량합과, 실내측 공급배관 순환수 용량을 1 대 1 로 열교환하는 단계와;
히트펌프에서 배출된 순환수를 하이브리드 저장탱크에 임시저장하는 단계와;
하이브리드 저장탱크에 임시저장된 순환수를 지중으로 유입시켜 지열교환기로 공급해 지중열과 열교환이 이루어지도록 하는 지중열교환 단계와;
지중열과 열교환이 이루어진 순환수를 히트펌프로 공급하는 단계와;
상기 지열교환기에서 배출되는 순환수의 온도를 측정하여 이전 측정온도와 비교하는 단계와;
온도 비교시 측정한 온도가 이전 측정온도보다 높거나 낮으면 히트펌프에서 배출된 순환수는 열원보상장치의 냉각탑 또는 항온조를 통과시켜 열원을 보상한 다음 하이브리드저장탱크에 공급되어 순환펌프에 의해 순환되도록 하는 열원보상단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 지열시스템의 운전방법.
제4항에 있어서,
상기 열원보상단계는
냉방시 측정온도가 이전온도보다 높으면 지중유입순환관에서 냉각관을 분기시키는 3웨이밸브를 단속하여 순환수가 냉각관을 통해 하이브리드 저장탱크로 이송되도록 하는 단계와;
냉각관으로 이송되는 순환수가 냉각탑을 통과하면서 대기와 열교환되어 예랭이 이루어지는 예랭단계와;
난방시 측정온도가 이전온도보다 낮으면 지중유입순환관에서 가열관을 분기시키는 3웨이밸브를 단속시켜 순환수가 가열관을 통해 하이브리드 저장탱크로 이송되도록 하는 단계와;
가열관으로 이송되는 순환수가 항온조를 통과하면서 가열되어 예열이 이루어지는 예열단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 지열시스템의 운전방법.