KR101925242B1 - 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101925242B1
KR101925242B1 KR1020180031327A KR20180031327A KR101925242B1 KR 101925242 B1 KR101925242 B1 KR 101925242B1 KR 1020180031327 A KR1020180031327 A KR 1020180031327A KR 20180031327 A KR20180031327 A KR 20180031327A KR 101925242 B1 KR101925242 B1 KR 101925242B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat
heat exchanger
open
hybrid tank
closed
Prior art date
Application number
KR1020180031327A
Other languages
English (en)
Inventor
류상범
Original Assignee
류상범
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 류상범 filed Critical 류상범
Priority to KR1020180031327A priority Critical patent/KR101925242B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101925242B1 publication Critical patent/KR101925242B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T2010/50—Component parts, details or accessories
    • F24T2010/53—Methods for installation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

본 발명은 지중에 설치되는 지중열교환기를 이용하여 냉난방에 필요한 열에너지를 공급하는 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 상기 지열 히트펌프 시스템은, 지중에 설치되는 다수의 밀폐형 지중열교환기; 지중에 설치되는 개방형 지중열교환기; 1차측 열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 히트펌프; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 히트펌프의 사이에 위치하고 상기 밀폐형 지중열교환기 및 상기 개방형 지중열교환기로부터의 열을 흡수 및 저장하는 하이브리드 탱크; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기로 제1 열매체를 공급하는 밀폐형 유입유로; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기에서 열교환된 제1 열매체가 빠져나가는 밀폐형 유출유로; 상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프로 1차측 열매체를 공급하는 1차측 유입유로; 상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프에서 열교환된 1차측 열매체를 유출하는 1차측 유출유로; 상기 1차측 열매체 및 상기 제1 열매체의 순환을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 개방형 지중열교환기를 통한 지하수의 열은 상기 하이브리드 탱크로 전달된다.
이러한 구성에 따르면, 개방형 지중열교환기와 밀폐형 지중열교환기를 혼합하여 시스템을 구성함으로써, 개방형과 밀폐형의 장점을 모두 취하면서 각각의 단점을 보완할 수 있는 지열 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

Description

개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템 {Geothermal heat pump system with mixed form of open type and closed type}
본 발명은 지중에 설치되는 지중열교환기를 이용하여 사용자측에 열을 공급하는 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
최근 화석에너지에 의한 이산화탄소 배출량이 지구 환경문제로 크게 부각되면서 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 그 일환으로서 지중에 열교환기를 설치하고, 이 지중 열교환기에 열매체를 순환시킴으로써 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 공급받는 지열 히트펌프 시스템이 개발되어 사용되고 있다.
지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하므로, 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하면 온도차에 따른 열량 확보가 가능하다. 히트펌프에서 열교환되어 데워지거나 차가워진 지하수 또는 열매체는 지하로 유입되어 다시 지중과 열교환되므로 이러한 사이클이 지속적으로 유지될 수 있다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 히트펌프 시스템이다.
지열 히트펌프 시스템에서 땅속에 위치하는 지중열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.
밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 폴리에칠렌관을 U자형으로 설치하고 관 내부로 열매체를 순환시켜, 열매체와 지중의 열을 교환할 수 있도록 한 것이다.
개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 한 것이다.
개방형은 작은 수의 지열공으로도 높은 효과를 얻을 수 있으나, 지하수를 열매체로 사용하므로 겨울철과 같은 갈수기에 지하수가 고갈되면 원하는 열교환 효과를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
밀폐형은 지하수가 아닌 열매체를 U자형 관 내부로 순환시키므로 지하수의 고갈에 관계없이 운전이 가능하나, 개방형보다 훨씬 많은 수의 지열공을 구성해야 원하는 효과를 얻을 수 있어서 넓은 지하 공간을 필요로 하는 단점이 있다.
또한, 밀폐형의 공사시에는 천공된 지열공이 토목 작업에서 지열공 내부로 흙이 들어가서 막히는 경우가 많이 발생된다. 예를 들어, 50공의 지열공을 천공했을 때, 30공이 막혀서 20공만 사용 가능한 경우가 많다. 이와 같이, 밀폐명은 천공해야 하는 지열공의 수가 많고 중간에 막히는 경우가 많아서 천공 작업이 매우 어려운 것이 현실이다.
개방형이든 밀폐형이든 한 번 설치해서 완료하게 되면, 나중에 문제가 생기더라도 이를 보완하기 위한 추가 공사가 매우 어려운 문제가 있다.
따라서, 개방형 지중열교환기와 밀폐형 지중열교환기의 장점을 얻고 단점을 보완할 수 있는 지열 히트펌프 시스템이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1403041호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 개방형 지중열교환기와 밀폐형 지중열교환기의 장점을 모두 취하면서 각각의 단점을 보완할 수 있도록 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 지열 히트펌프 시스템은, 지중에 설치되는 다수의 밀폐형 지중열교환기; 지중에 설치되는 개방형 지중열교환기; 1차측 열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 히트펌프; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 히트펌프의 사이에 위치하고 상기 밀폐형 지중열교환기 및 상기 개방형 지중열교환기로부터의 열을 흡수 및 저장하는 하이브리드 탱크; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기로 제1 열매체를 공급하는 밀폐형 유입유로; 상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기에서 열교환된 제1 열매체가 빠져나가는 밀폐형 유출유로; 상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프로 1차측 열매체를 공급하는 1차측 유입유로; 상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프에서 열교환된 1차측 열매체를 유출하는 1차측 유출유로; 상기 1차측 열매체 및 상기 제1 열매체의 순환을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 개방형 지중열교환기를 통한 지하수의 열은 상기 하이브리드 탱크로 전달된다.
또한, 상기 개방형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 위치하고, 지하수와 제2 열매체 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기; 상기 개방형 지중열교환기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 열교환된 지하수를 상기 개방형 지중열교환기로 공급하는 개방형 유입유로; 상기 개방형 지중열교환기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 상기 개방형 지중열교환기내의 지하수가 빠져나가는 개방형 유출유로; 상기 열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 하이브리드 탱크로 제2 열매체를 공급하는 열매체 유입유로; 상기 열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 하이브리드 탱크에서 열교환된 제2 열매체를 유출하는 열매체 유출유로; 를 포함하고, 상기 하이브리드 탱크에서는 상기 제1 열매체, 상기 제2 열매체 및 상기 1차측 열매체가 혼합되고, 상기 하이브리드 탱크에는 열을 흡수하여 저장하는 축열제가 충전된다.
또한, 상기 제1 열매체, 상기 제2 열매체 및 상기 1차측 열매체는 동일하고, 상기 하이브리드 탱크의 내부에는 상기 축열제로서 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 상변화물질(PCM)이 충전된다.
또한, 상기 개방형 지중열교환기로 새로운 물을 유입하기 위해 상기 개방형 유입유로에 연결되는 블리딩관; 을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 개방형 지중열교환기와 밀폐형 지중열교환기를 혼합하여 시스템을 구성함으로써, 개방형과 밀폐형의 장점을 모두 취하면서 각각의 단점을 보완할 수 있는 지열 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 밀폐형 지중열교환기를 이용하여 운전하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 하이브리드 탱크와 히트펌프 사이의 열교환을 통해 운전하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 개방형 지중열교환기를 이용하여 운전하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 개방형과 밀폐형 지중열교환기를 모두 이용하여 운전하는 상태를 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 지열 히트펌프 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 밀폐형 지중열교환기를 이용하여 운전하는 상태를 도시하는 도면이다. 도 3은 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 하이브리드 탱크와 히트펌프 사이의 열교환을 통해 운전하는 상태를 도시하는 도면이다. 도 4는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 개방형 지중열교환기를 이용하여 운전하는 상태를 도시하는 도면이다. 도 5는 도 1의 지열 히트펌프 시스템에서 개방형과 밀폐형 지중열교환기를 모두 이용하여 운전하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 지열 히트펌프 시스템은 밀폐형 지중열교환기(110), 개방형 지중열교환기(120), 히트펌프(130), 하이브리드 탱크(140), 열교환기(150), 제어부 등을 포함한다.
밀폐형 지중열교환기(110)는 천공된 지열공으로 U자형의 관을 매설하고, 상기 관 내부로 제1 열매체를 순환시켜 지중의 열을 흡수하기 위한 것이다. 본 실시예에서, 밀폐형 지중열교환기(110)는 200m×21공이 설치될 수 있다.
개방형 지중열교환기(120)는 천공된 지열공 내부에 배치되는 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중의 열을 흡수하기 위한 것이다. 본 실시예에서, 개방형 지중열교환기(120)는 400m×3공이 설치될 수 있다.
히트펌프(130)는 1차측(열원측) 열매체와 2차측(사용자측) 열매체 사이의 열교환을 통해 사용자측으로 열(온열 또는 냉열)을 공급한다. 2차측 열매체는 공기 또는 물이 될 수 있다.
하이브리드 탱크(140)는 밀폐형 지중열교환기(110)와 히트펌프(130)의 사이에 위치하고, 밀폐형 지중열교환기(110) 및 개방형 지중열교환기(120)로부터의 열을 흡수 및 저장하는 기능을 한다. 하이브리드 탱크(140)에 저장된 열은 히트펌프(130)에서 2차측 열매체와 열교환된다.
밀폐형 유입유로(111)는 밀폐형 지중열교환기(110)와 하이브리드 탱크(140) 사이에 연결되어 밀폐형 지중열교환기(110)로 제1 열매체를 공급한다. 밀폐형 유입유로(111)에는 분배기(113)가 배치되어, 다수의 밀폐형 지중열교환기(110)로 제1 열매체를 선택적으로 공급할 수 있다.
밀폐형 유출유로(112)는 밀폐형 지중열교환기(110)와 하이브리드 탱크(140) 사이에 연결되어 밀폐형 지중열교환기(110)에서 열교환된 제1 열매체가 빠져나가서 하이브리드 탱크(140)로 공급된다. 밀폐형 유출유로(112)에는 분배기(114)가 배치되어, 다수의 밀폐형 지중열교환기(110)에서 유출된 제1 열매체를 하이브리드 탱크(140)로 이송할 수 있다. 밀폐형 유출유로(112)에는 팽창탱크(116)가 설치될 수 있다.
1차측 유입유로(141)는 하이브리드 탱크(140)와 히트펌프(130) 사이에 연결되어, 하이브리드 탱크(140)에서 잔열을 회수한 1차측 열매체를 히트펌프(130)로 공급한다.
1차측 유출유로(142)는 하이브리드 탱크(140)와 히트펌프(130) 사이에 연결되어 히트펌프(130)에서 2차측 열매체와 열교환된 1차측 열매체를 유출하고, 1차측 열매체는 다시 하이브리드 탱크(140)로 유입된다.
열교환기(150)는 개방형 지중열교환기(120)와 하이브리드 탱크(140) 사이에 위치하고, 지하수와 제2 열매체 사이의 열교환이 이루어진다. 개방형 지중열교환기(120)에서 지중의 열을 흡수한 지하수는 직접 하이브리드 탱크(140)로 공급되어 열교환하지 않고, 열교환기(150)에서 제2 열매체에 열을 전달하고, 지하수의 열을 흡수한 제2 열매체가 하이브리드 탱크(140)로 열을 전달한다. 이는 지하수의 오염물질이 하이브리드 탱크(140)로 직접 유입되는 것을 방지하고 열교환 순환을 지속적으로 할 수 있도록 한다.
개방형 유입유로(121)는 개방형 지중열교환기(120)와 열교환기(150) 사이에 연결되어 개방형 지중열교환기(120)로 지하수를 공급한다. 개방형 유입유로(121)에는 분배기(123)가 배치되어, 복수의 개방형 지중열교환기(120)로 제2 열매체를 선택적으로 공급할 수 있다. 많은 열교환을 통해 개방형 지중열교환기(120) 내의 지하수 온도가 상승했을 경우, 개방형 지중열교환기(120) 내로 새로운 지하수를 유입하여 열교환 순환을 지속적으로 유지할 필요가 있다. 이를 위해, 개방형 유입유로(121)에는 개방형 지중열교환기(120)로 새로운 물을 유입하기 위한 블리딩관(125)이 설치될 수 있다. 블리딩관(125)은 기존의 지하수를 배출하고, 새로운 물을 개방형 유입유로(121)로 유입한다.
개방형 유출유로(122)는 개방형 지중열교환기(120)와 열교환기(150) 사이에 연결되어, 지중의 열을 흡수한 개방형 지중열교환기(120) 내의 지하수가 빠져나가서, 열교환기(150)로 유입된다. 개방형 유출유로(122)에는 분배기(124)가 배치되어, 복수의 개방형 지중열교환기(120)에서 유출된 제2 열매체를 열교환기(150)로 이송할 수 있다.
열매체 유입유로(151)는 열교환기(150)와 하이브리드 탱크(140) 사이에 연결되어 하이브리드 탱크(140)로 제2 열매체를 공급한다. 열매체 유입유로(151)에는 팽창탱크(155)가 설치될 수 있다.
열매체 유출유로(152)는 열교환기(150)와 하이브리드 탱크(140) 사이에 연결되어 하이브리드 탱크(140)에서 열교환된 제2 열매체를 유출한다.
제어부는 각종 밸브, 유로 또는 펌프(115, 153) 등의 제어를 통해 제1 열매체, 제2 열매체, 1차측 열매체 및 2차측 열매체의 순환을 제어한다. 제1 열매체, 제2 열매체 및 1차측 열매체는 동일한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
개방형 지중열교환기(120) 및 밀폐형 지중열교환기(110)로부터의 열을 회수하여 저장하는 하이브리드 탱크(140)는 수용공간이 형성된 탱크 형상으로 이루어지고, 내부에는 열을 흡수하는 저장하는 축열제가 충전된다. 이러한 축열제는 온도에 따라 상변화를 일으키는 상변화물질(phase change materials, PCM)이 될 수 있다.
상변화물질은 제1 열매체, 제2 열매체 및 1차측 열매체의 온도를 고려하여 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 공지된 상변화물질 중에서 선택되고, 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 사용된다.
n-Hexadecane은 일정한 지열 온도 전후의 온도 범위(10 ~ 25℃)에서 안정적으로 상변화되면서 잠열량이 높고, 이와 같이 잠열량이 높은 상변화물질을 사용하는 경우 충전량을 줄일 수 있는 동시에 소형화를 이룰 수 있다.
하이브리드 탱크(140)의 내부에 충전되는 상변화물질(PCM)로서 n-Hexadecane만 사용해도 충분한 성능이 담보되지만, 본 발명에서는 상변화물질(PCM)의 열확산 성능을 향상시키기 위해 n-Hexadecane에 탄소분말을 혼합하여 사용한다.
상변화물질(PCM)을 하이브리드 탱크(140)의 내부에 충전할 때에는 원통형(또는 5각형, 6각형, 8각형)으로 형성된 외주면에 다수 개의 주름(또는 나선형 돌기)이 형성된 신축성 캡슐의 내부에 일정 양의 상변화물질(PCM)을 넣은 상태로 충전한다. 이와 같이, 상변화물질(PCM)을 원통 형상의 신축성 캡슐 내부에 넣고 사용하면 상변화물질(PCM)이 반복하여 상변화를 일으키더라도 손실 없이 일정한 축열 성능이 담보될 수 있다.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템은 지중에 공간을 많이 차지하는 밀폐형 지중열교환기(110)와 적은 공간을 차지하는 개방형 지중열교환기(120)를 설치하고, 각각으로부터 지중의 열을 하이브리드 탱크(140)에 흡수 및 저장하고, 이를 히트펌프(130)에서 2차측 열매체에 전달할 수 있다. 따라서, 밀폐형 지중열교환기(110)와 개방형 지중열교환기(120)가 갖는 이점을 취하면서 각각의 단점을 보완할 수 있다.
예를 들어, 밀폐형 지중열교환기의 천공 작업 중에 다수의 밀폐형 지중열교환기가 폐쇄되었고, 추가로 많은 수의 밀폐형 지중열교환기를 천공하기 어렵거나 지중에 충분한 공간이 없을 경우 1~3개의 지열공을 천공하여 개방형 지중열교환기를 설치함으로써, 요구되는 열 용량을 얻을 수 있다.
또한, 갈수기에 개방형 지중열교환기로부터 열을 얻을 수 없는 경우, 밀폐형 지중열교환기만으로 운영할 수 있고, 지하수가 풍부할 경우 개방형 지중열교환기만으로 운영할 수 있다. 필요한 열 용량에 따라, 개방형 지중열교환기와 밀폐형 지중열교환기를 모두 운영할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 지열 히트펌프 시스템을 이용하는 실시예를 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 밀폐형 지중열교환기(110)만을 이용하여 지열을 회수하는 실시예가 도시된다.
하이브리드 탱크(140)로부터 제1 열매체는 밀폐형 유입유로(111)를 통해 각각의 밀폐형 지중열교환기(110)로 U자형 관을 따라 들어가서 지중의 열을 흡수한 후, 밀폐형 유출유로(112)를 통해 다시 하이브리드 탱크(140)로 유입되어, 지중의 열을 하이브리드 탱크(140)로 전달한다. 하이브리드 탱크(140)에는 잠열량이 높은 상변화물질이 충전되어 있어, 많은 양의 열을 축열할 수 있다.
하이브리드 탱크(140)에서 열을 얻은 1차측 열매체는 1차측 유입유로(141)를 통해 히트펌프(130)에 열을 전달한 후, 1차측 유출유로(142)를 통해 다시 하이브리드 탱크(140)로 복귀한다.
사용자측의 2차측 열매체는 2차측 유입유로(181)를 통해 히트펌프(130)로 유입되어 열을 얻은 후, 2차측 유출유로(141)를 통해 사용자측에 열을 전달한다.
이와 같이, 밀폐형 지중열교환기(110)를 통해 흡수된 지중의 열은 하이브리드 탱크(140)에 축열되고, 이를 사용자측에 전달할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드 탱크(140)에 충분한 양의 열이 축열되면, 밀폐형 지중열교환기(110)로 제1 열매체를 순환시키지 않고, 열을 흡수한 1차측 열매체를 하이브리드 탱크(140)와 히트펌프(130) 사이에서 순환시키는 것으로도 2차측에 필요한 열을 전달할 수 있다. 제1 열매체에 비해 비교적 근거리에서 이동하는 1차측 열매체만을 순환시킴으로써, 순환에 필요한 에너지 비용를 절감할 수 있다.
1차측 열매체만을 순환시키다가 하이브리드 탱크(140)에 축열된 열의 양이 줄어드면, 다시 제1 열매체를 밀폐형 지중열교환기(110)를 통해 순환시켜 하이브리드 탱크(140)에 열을 축열한다.
도 4를 참조하면, 개방형 지중열교환기(120)만을 이용하여 지열을 회수하는 실시예가 도시된다.
개방형 지중열교환기(120) 내에서 지열을 흡수한 지하수는 개방형 유출유로(122)를 통해 열교환기(150)로 유입되어 제2 열매체에 열을 전달한다. 열을 전달한 지하수는 개방형 유입유로(121)를 통해 개방형 지중열교환기(120)로 유입되어 회수된다.
한편, 열교환기(150)에서 지하수로부터 열을 흡수한 제2 열매체는 열매체 유입유로(151)를 통해 하이브리드 탱크(140)에 열을 전달하고, 열매체 유출유로(152)를 통해 열교환기(150)로 다시 유입되어 지하수로부터 열을 흡수한다.
이러한 과정을 통해 하이브리드 탱크(140)에는 많은 양의 열이 축열되고, 하이브리드 탱크(140)에서 열을 얻은 1차측 열매체는 1차측 유입유로(141)를 통해 히트펌프(130)에 열을 전달한 후, 1차측 유출유로(142)를 통해 다시 하이브리드 탱크(140)로 복귀한다.
사용자측의 2차측 열매체는 2차측 유입유로(181)를 통해 히트펌프(130)로 유입되어 열을 얻은 후, 2차측 유출유로(141)를 통해 사용자측에 열을 전달한다.
이와 같이, 개방형 지중열교환기(120)를 통해 흡수된 지중의 열은 열교환기(150)에서 제2 열매체에 전달되고, 제2 열매체의 열은 하이브리드 탱크(140)에 축열되어, 이를 사용자측에 전달할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드 탱크(140)에 충분한 양의 열이 축열되면, 개방형 지중열교환기(120)에서 지하수의 열을 회수하는 과정 없이, 열을 흡수한 1차측 열매체를 하이브리드 탱크(140)와 히트펌프(130) 사이에서 순환시키는 것으로도 2차측에 필요한 열을 전달할 수 있다. 지하수에 비해 비교적 근거리에서 이동하는 1차측 열매체만을 순환시킴으로써, 순환에 필요한 에너지 비용를 절감할 수 있다.
1차측 열매체만을 순환시키다가 하이브리드 탱크(140)에 축열된 열의 양이 줄어드면, 다시 지하수와 제2 열매체를 개방형 지중열교환기(120)와 열교환기(150)를 통해 순환시켜 하이브리드 탱크(140)에 열을 축열한다.
도 5를 참조하면, 밀폐형 지중열교환기(110)와 개방형 지중열교환기(120)를 모두 이용하여 지열을 회수하는 실시예가 도시된다. 밀폐형 지중열교환기(110)와 개방형 지중열교환기(120)로부터 지열을 회수하는 방법은 도 2 내지 도 4를 참조하면 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 지열 히트펌프 시스템은 밀폐형 지중열교환기(110)와 개방형 지중열교환기(120)를 모두 설치하고, 각각으로부터 선택적으로 지중의 열을 하이브리드 탱크(140)에 흡수 및 저장하고, 이를 히트펌프(130)에서 2차측 열매체에 전달할 수 있다. 따라서, 밀폐형 지중열교환기(110)와 개방형 지중열교환기(120)가 갖는 이점을 취하면서 각각의 단점을 보완할 수 있다.
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.
110 : 밀폐형 지중열교환기
111 : 밀폐형 유입유로
112 : 밀폐형 유출유로
113, 114 : 분배부
115 : 펌프
120 : 개방형 지중열교환기
121 : 개방형 유입유로
122 : 개방형 유출유로
123, 124 : 분배부
125 : 블리딩관
130 : 히트펌프
140 : 하이브리드 탱크
141 : 1차측 유입유로
142 : 1차측 유출유로
150 : 열교환기
151 : 열매체 유입유로
152 : 열매체 유출유로
153 : 펌프
155 : 팽창탱크
181 : 2차측 유입유로
182 : 2차측 유출유로

Claims (4)

  1. 지열 히트펌프 시스템에 있어서,
    지중에 설치되는 다수의 밀폐형 지중열교환기;
    지중에 설치되는 개방형 지중열교환기;
    1차측 열매체와의 열교환을 통해 사용자측으로 열을 공급하는 히트펌프;
    상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 히트펌프의 사이에 위치하고 상기 밀폐형 지중열교환기 및 상기 개방형 지중열교환기로부터의 열을 흡수 및 저장하는 하이브리드 탱크;
    상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기로 제1 열매체를 공급하는 밀폐형 유입유로;
    상기 밀폐형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 밀폐형 지중열교환기에서 열교환된 제1 열매체가 빠져나가는 밀폐형 유출유로;
    상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프로 1차측 열매체를 공급하는 1차측 유입유로;
    상기 하이브리드 탱크와 상기 히트펌프 사이에 연결되어 상기 히트펌프에서 열교환된 1차측 열매체를 유출하는 1차측 유출유로;
    상기 개방형 지중열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 위치하고, 지하수와 제2 열매체 사이의 열교환이 이루어지는 열교환기;
    상기 개방형 지중열교환기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 열교환된 지하수를 상기 개방형 지중열교환기로 공급하는 개방형 유입유로;
    상기 개방형 지중열교환기와 상기 열교환기 사이에 연결되어 상기 개방형 지중열교환기내의 지하수가 빠져나가는 개방형 유출유로;
    상기 열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 하이브리드 탱크로 제2 열매체를 공급하는 열매체 유입유로;
    상기 열교환기와 상기 하이브리드 탱크 사이에 연결되어 상기 하이브리드 탱크에서 열교환된 제2 열매체를 유출하는 열매체 유출유로;
    상기 개방형 지중열교환기로 새로운 물을 유입하기 위해 상기 개방형 유입유로에 연결되는 블리딩관;
    상기 1차측 열매체 및 상기 제1 열매체의 순환을 제어하는 제어부;
    을 포함하고,
    상기 개방형 지중열교환기를 통한 지하수의 열은 상기 하이브리드 탱크로 전달되고,
    상기 블리딩관은 상기 개방형 유입유로를 통해 유동하는 지하수를 배출하고 새로운 물을 상기 개방형 유입유로로 유입하고,
    상기 하이브리드 탱크에서는 상기 제1 열매체, 상기 제2 열매체 및 상기 1차측 열매체가 혼합되고,
    상기 하이브리드 탱크에는 열을 흡수하여 저장하는 축열제가 충전되고,
    상기 제1 열매체, 상기 제2 열매체 및 상기 1차측 열매체는 동일하고,
    상기 하이브리드 탱크의 내부에는 상기 축열제로서 10 ~ 25℃의 온도 범위에서 상변화를 일으키는 상변화물질(PCM)이 충전되는 지열 히트펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
KR1020180031327A 2018-03-19 2018-03-19 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템 KR101925242B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180031327A KR101925242B1 (ko) 2018-03-19 2018-03-19 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180031327A KR101925242B1 (ko) 2018-03-19 2018-03-19 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101925242B1 true KR101925242B1 (ko) 2018-12-04

Family

ID=64669099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180031327A KR101925242B1 (ko) 2018-03-19 2018-03-19 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101925242B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210072965A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 수에너지 주식회사 수직밀폐형과 수평형이 혼합된 지열 히트펌프 시스템

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101114220B1 (ko) * 2011-11-24 2012-02-15 코텍엔지니어링주식회사 고효율 지열 하이브리드 시스템 및 그 작동방법
KR101297104B1 (ko) * 2011-08-10 2013-08-20 (주)삼미지오테크 분산형 지열 시스템
KR101722384B1 (ko) * 2016-09-21 2017-04-04 류상범 리사이클링 탱크가 구비된 ｗｔａ 방식의 지열 히트펌프 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101297104B1 (ko) * 2011-08-10 2013-08-20 (주)삼미지오테크 분산형 지열 시스템
KR101114220B1 (ko) * 2011-11-24 2012-02-15 코텍엔지니어링주식회사 고효율 지열 하이브리드 시스템 및 그 작동방법
KR101722384B1 (ko) * 2016-09-21 2017-04-04 류상범 리사이클링 탱크가 구비된 ｗｔａ 방식의 지열 히트펌프 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210072965A (ko) * 2019-12-10 2021-06-18 수에너지 주식회사 수직밀폐형과 수평형이 혼합된 지열 히트펌프 시스템
KR102269496B1 (ko) * 2019-12-10 2021-06-25 수에너지 주식회사 수직밀폐형과 수평형이 혼합된 지열 히트펌프 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101722384B1 (ko) 리사이클링 탱크가 구비된 ｗｔａ 방식의 지열 히트펌프 시스템
US4392531A (en) Earth storage structural energy system and process for constructing a thermal storage well
US4131158A (en) Storage arrangement for thermal energy
FI62180B (fi) Foerfarande och anordning foer reglering av temperaturen i asfalt- eller betongkroppar
EP0151843A1 (en) System for efficiently exchanging heat with ground water in an aquifer
RU2429428C2 (ru) Система и распределительная цистерна для сети низкотемпературной энергии
KR102118321B1 (ko) 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템
EP2462399A2 (en) Arrangement and method for storing thermal energy
KR101021578B1 (ko) 대수층 축열 냉난방 시스템
KR102120464B1 (ko) 복합형 지열 열교환기를 이용한 히트펌프 시스템
KR101925242B1 (ko) 개방형과 밀폐형이 혼합된 방식의 지열 히트펌프 시스템
JP2020026933A (ja) 地中熱利用システム及び地中熱利用システムの運転方法
KR101641507B1 (ko) 블리딩 지하수를 열교환하여 재활용하는 냉난방 시스템
JP6443783B2 (ja) 熱交換装置の制御方法及び熱交換装置並びに水冷式ヒートポンプ冷暖房装置
CN111609574A (zh) 可持续利用的跨季节地热能开发***
KR102269259B1 (ko) 물 넘침을 방지하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템
FI73073C (fi) Borrhaolslager.
JP2003307353A (ja) 不凍液循環式地中熱利用装置
JPS6335327Y2 (ko)
KR102457279B1 (ko) 동일 순환 열매체를 공유하는 밀폐형과 개방형 융합 지중열교환 시스템 및 이의 시공 방법
KR102269496B1 (ko) 수직밀폐형과 수평형이 혼합된 지열 히트펌프 시스템
CA1166242A (en) Geothermal heat transfer
KR20230168465A (ko) 열전달 성능이 향상된 리사이클링 탱크가 구비되는 지열 히트펌프 시스템
JP2005172402A (ja) 蓄熱システム
KR20150081739A (ko) 축열컨테이너 및 이를 이용한 운송형 축열시스템

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant