KR20190063698A - 지중 축열부가 구비된 에너지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제1순환유로; 상기 제1순환유로를 순환하는 유체에 열을 공급하는 열원; 적어도 일부 영역이 지하에 매립되도록 구비되며, 상기 제1순환유로를 따라 순환하는 유체로부터 열을 흡수하는 축열부; 냉매순환관을 따라 순환하는 냉매에 열을 공급하여 냉매를 증발시키는 증발기 및 냉매의 열을 방출시켜 상기 냉매순환관을 따라 순환하는 냉매를 응축하는 응축기가 구비된 열교환부; 유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 축열부에서 열을 흡수하여 상기 증발기에 방출하도록 구비된 제2순환유로; 유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 응축기에서 열을 흡수하여 열소비부에 방출하도록 구비된 제3순환유로; 및 상기 축열부를 통과하는 지하수의 수위를 조절하도록 구비된 수위조절부;를 포함하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치에 관한 것이다.

Description

지중 축열부가 구비된 에너지 장치 {Energy System having Underground Storage}

본 발명은 열원이 제공하는 에너지를 지하에 매설된 축열부에 저장하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(Energy System having Underground Storage, or Energy Facilities having Underground Storage)에 관한 것으로, 지하수에 의해 축열부에 저장된 에너지가 손실되는 것을 방지하거나 최소화 가능한 것이 특징이다.

에너지 사용량이 늘어나 온실가스 배출이 증가하고 있어 인류는 온실가스 배출량을 줄이기 위해 화석에너지의 의존도를 줄여야 하는 상황에 직면해 있다. 즉, 온실가스량 증가에 따른 기후변화가 전 지구적인 문제로 떠오르면서 인류는 재생에너지의 개발이 시급한 상황에 있다.

태양에너지는 무공해 에너지원으로서 화석 연료를 대체하고 이산화탄소를 배출하는 화석연료와는 달리 환경오염 없는 녹색 에너지로 각종 환경규제에 가장 적극적으로 대응 가능한 에너지이다. 또한, 태양에너지 이외에 발전소 등에서 발생되는 각종 폐열, 각종 장치에 구비되어 냉매를 응축시키는 응축기에서 방출되는 응축열 등도 재생에너지로써 활용 될 수 있다.

태양에너지를 비롯한 상술한 재생에너지를 에너지원으로 활용하기 위해서는 태양열을 수집하는 집열부, 태양열을 저장하는 축열부, 유체가 순환하는 유로를 형성하며 집열부에서 흡수한 열을 축열부에 전달하는 열공급관이 필수적이다.

종래 축열부는 지상에 설치될 수도 있고, 땅속에 매설될 수도 있다. 다만, 땅속에 축열부를 위치시킬 경우 지하수에 의한 열손실이 문제될 수 있다. 즉, 축열부가 단열재를 통해 외부와 열교환하는 것을 최소화시키는 구조로 구비된다 하더라도, 지하수가 축열부를 통과하여 흐른다면 축열부에 저장된 열에너지의 일부는 지하수에 의해 손실되는 문제가 있다.

본 발명은 지중 축열부에 저장된 에너지가 지하수에 의해 손실되는 것을 방지 가능한 에너지 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다. 즉, 지중 축열부가 구비된 에너지 장치에 있어서, 본 발명은 원뿔형 수위강하 현상(cone of depression)을 유발시켜 지하수가 축열부에 접촉하는 것을 방지 가능한 에너지 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 지중 축열부에 저장된 에너지가 지하수에 의해 손실되는 것을 최소화 가능한 에너지 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다. 즉, 지중 축열부가 구비된 에너지 장치에 있어서, 본 발명은 지하수면 경사도(water table gradient)를 최소화 가능한 에너지 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상술한 과제의 해결을 위해, 본 발명은 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제1순환유로; 상기 제1순환유로를 순환하는 유체에 열을 공급하는 열원; 적어도 일부 영역이 지하에 매립되도록 구비되며, 상기 제1순환유로를 따라 순환하는 유체로부터 열을 흡수하는 축열부; 냉매순환관을 따라 순환하는 냉매에 열을 공급하여 냉매를 증발시키는 증발기 및 냉매의 열을 방출시켜 상기 냉매순환관을 따라 순환하는 냉매를 응축하는 응축기가 구비된 열교환부; 유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 축열부에서 열을 흡수하여 상기 증발기에 방출하도록 구비된 제2순환유로; 유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 응축기에서 열을 흡수하여 열소비부에 방출하도록 구비된 제3순환유로; 및 상기 축열부를 통과하는 지하수의 수위를 조절하도록 구비된 수위조절부;를 포함하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치를 제공한다.

상기 수위조절부는 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 적어도 3개의 관정(tubular well); 및 상기 각 관정으로 유입되는 지하수를 지표면으로 배출시키는 관정펌프;를 포함하고, 상기 각 관정은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수 있다.

상기 각 관정은 상기 축열부의 바닥면보다 낮은 위치에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있고, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 상기 축열부의 바닥면 사이에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있다.

상기 수위조절부는 상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 지하수의 상류와 하류에 각각 위치되는 제1관정 및 제2관정; 상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 상기 제1관정 및 상기 제2관정과 함께 상기 축열부를 감싸는 사각형상의 공간을 형성하며, 지하수의 상류와 하류에 각각 구비되는 제3관정 및 제4관정; 일단은 상기 제1관정에 삽입되고, 타단은 상기 제2관정에 삽입된 제1연결관; 상기 제1연결관에 구비되어 상기 제1관정의 지하수를 상기 제2관정으로 이동시키는 제1연결관 펌프; 일단은 상기 제3관정에 삽입되고, 타단은 상기 제4관정에 삽입된 제2연결관; 상기 제2연결관에 구비되어 상기 제3관정의 지하수를 상기 제4관정으로 이동시키는 제2연결관 펌프;를 포함하고, 상기 각 관정은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수 있다.

상기 각 관정은 상기 축열부의 바닥면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 상기 축열부의 바닥면 사이에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있다.

본 발명은 상기 제1관정의 수위를 감지하는 제1센서; 상기 제2관정의 수위를 감지하는 제2센서; 상기 제3관정의 수위를 감지하는 제3센서; 상기 제4관정의 수위를 감지하는 제4센서; 및 상기 제1센서, 상기 제2센서, 상기 제3센서, 및 상기 제4센서가 제공하는 수위데이터를 수신하여, 지하수면의 경사(water-table gradient)가 기 설정된 기준 값을 유지하도록 상기 제1연결관 펌프와 상기 제2연결관 펌프를 작동시키는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 제1관정과 상기 제3관정 사이에 위치하는 제5관정; 상기 축열부를 사이에 두고 상기 제5관정과 마주보도록 구비되고, 상기 제2관정과 상기 제4관정 사이에 위치하는 제6관정; 일단은 상기 제5관정에 삽입되고, 타단은 상기 제6관정에 삽입된 제3연결관; 상기 제3연결관에 구비되어 상기 제5관정의 지하수를 상기 제6관정으로 이동시키는 제3연결관 펌프;를 더 포함할 수 있다.

상기 수위조절부는 상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 지하수의 상류에 위치하는 제1도랑 및 지하수의 하류에 위치하는 제2도랑; 일단은 상기 제1도랑에 삽입되고, 타단은 상기 제2도랑에 삽입된 도랑연결관; 및 상기 도랑연결관에 구비되어 상기 제1도랑의 지하수를 상기 제2도랑으로 이동시키는 도랑연결관 펌프;를 더 포함하고, 상기 제1도랑과 상기 제2도랑은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수 있다.

상기 제1도랑과 상기 제2도랑은 상기 축열부의 바닥면보다 낮은 위치에 상기 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 상기 축열부의 바닥면 사이에 상기 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 각 도랑의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있다.

상기 수위조절부는 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 도랑;을 더 포함하고, 상기 도랑은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수 있다.

상기 도랑은 상기 축열부의 바닥면보다 낮은 위치에 상기 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 상기 축열부의 바닥면 사이에 상기 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 도랑의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있다.

상기 도랑은 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 원, 사각형, C자 형상, 또는 ㄷ자 형상 중 어느 하나의 형상을 가지도록 구비될 수 있다.

본 발명은 유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 축열부에서 열을 흡수하여 열소비부에 공급하도록 구비된 제4순환유로; 상기 제4순환유로를 따라 유체를 순환시키는 제4펌프; 상기 축열부에 저장된 열을 제4순환유로 내부의 유체에 전달하도록 상기 제4순환유로에 구비된 제4흡열영역; 및 상기 제4순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 열소비부에 공급하도록 상기 제4순환유로에 구비된 제4발열영역;을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 지중 축열부에 저장된 에너지가 지하수에 의해 손실되는 것을 방지 가능한 에너지 장치를 제공하는 효과가 있다. 즉, 지중 축열부가 구비된 에너지 장치에 있어서, 본 발명은 원뿔형 수위강하 현상(cone of depression)을 유발시켜 지하수가 축열부에 접촉하는 것을 방지 가능한 에너지 장치를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 지중 축열부에 저장된 에너지가 지하수에 의해 손실되는 것을 최소화 가능한 에너지 장치를 제공하는 효과가 있다. 즉, 지중 축열부가 구비된 에너지 장치에 있어서, 본 발명은 지하수면 경사도(water table gradient)를 최소화 가능한 에너지 장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 3, 도 4, 및 도 5는 본 발명에 구비된 수위조절부의 일례를 도시한 것이다.
도 6과 도 7은 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에 사용된 용어가 당해 용어의 일반적 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 한편, 이하에 기술될 장치의 구성이나 제어방법은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위함은 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(100)는 열원(1), 에너지가 저장되는 공간을 제공하며 적어도 일부 영역이 지하에 매설된 축열부(2), 물과 같은 유체의 순환유로를 형성하도록 구비되어 상기 열원(1)에서 흡수한 열을 상기 축열부(2)에 방출하는 제1열전달부(3), 순환하는 냉매를 증발시키는 증발기(51) 및 증발기를 통과한 냉매를 응축시키는 응축기(52)가 구비된 열교환부(5), 상기 축열부(2)에 저장된 열을 흡수하여 상기 증발기(51)에 방출하는 제2열전달부(6), 상기 응축기(52)에서 방출되는 열을 열소비부(4)에 방출하는 제3열전달부(7)를 포함한다.

상기 열원(1)은 태양에너지를 수집하도록 구비된 집열장치, 발전소 등에서 발생하는 폐열을 수집하도록 구비된 집열장치 등이 일례가 될 수 있다.

상기 축열부(2)는 탱크축열식(TTES-tank thermal energy storage), 피트축열식(PTES-pit thermal energy storage), 보어홀축열식(BTES-borehole thermal energy storage) 중 어느 하나의 방식으로 구비될 수 있다.

상기 탱크축열식 축열부는 적어도 일부 영역이 땅속에 매립된 탱크(21), 상기 탱크 내부에 저장된 축열재(22)로 구성되는데, 도 1은 상기 탱크(21)가 전부 땅속에 매립된 경우를 일례로 도시한 것이다. 탱크축열식 축열부에서 축열재는 물이 될 수 있다. 피트축열식 축열부는 인공 또는 자연 웅덩이에 축열재를 채우고, 상부면을 폐쇄하는 커버로 구성되는데, 축열재는 물, 또는 물과 자갈의 혼합물이 될 수 있다.

도 2는 보어홀축열식 축열재의 일례를 도시한 것으로, 보어홀축열식 축열재는 지표면에서 지하를 향해 시추한 홀에 제1열전달부(3)의 일부 영역(313)을 삽입시킴으로써 땅속에 열에너지를 저장하는 방식이다(땅이 축열재의 기능을 수행하는 방식).

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1열전달부(3)는 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제1순환유로(31)를 포함하는데, 상기 제1순환유로(31)는 상기 열원(1)에서 수집되는 열을 제1순환유로 내부의 유체에 전달하도록 구비된 제1흡열영역(311), 상기 제1순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 축열부(2)에 방출하도록 구비된 제1발열영역(313)을 포함한다.

즉, 상기 제1순환유로(31)는 상기 제1흡열영역(311)을 통해 상기 집열부(1)와 열교환하고, 상기 제1발열영역(313)을 통해 축열부(2)와 열교환한다. 또한, 상기 제1열전달부(3)에는 유체가 상기 제1순환유로(31)를 따라 순환하게 만드는 제1펌프(32)가 구비된다.

제어부의 제어신호에 따라 상기 제1펌프(32)가 작동하면, 유체는 제1순환유로(31)를 따라 순환하게 되는데, 제1순환유로(31) 내부의 유체는 상기 제1흡열영역(311)을 통과하면서 열에너지를 흡수하고, 제1발열영역(313)을 통과하면서 흡수한 열에너지를 축열부(2)에 방출하게 될 것이다. 상기 제1발열영역(313)을 통과하면서 냉각된 유체는 제1펌프(32)를 거쳐 다시 제1흡열영역(311)으로 이동하고, 이 과정에서 다시 열에너지를 흡수하게 된다. 따라서, 본 발명은 상기 열원(1)를 통해 수입된 에너지는 축열부(2)에 저장할 수 있다.

상기 열교환부(5)가 히트펌프(heat pump)로 구비될 경우, 상기 열교환부(5)는 냉매가 상기 증발기(51) 및 응축기(52)를 순차적으로 통과할 수 있게 하는 냉매순환관(54), 냉매가 상기 냉매순환관(54)을 따라 순환할 수 있게 하는 압축기(541), 응축기(52)를 통과한 냉매의 압력을 낮추는 팽창기(543)를 포함한다.

상기 제2열전달부(6)는 물 등의 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제2순환유로(61)를 포함하는데, 상기 제2순환유로(61)는 상기 축열부(2)에 저장된 열을 제2순환유로 내부의 유체에 전달하도록 구비된 제2흡열영역(611), 상기 제2순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 증발기(51)에 방출하도록 구비된 제2발열영역(613)을 포함한다.

상기 제2열전달부(6)에는 유체가 상기 제2순환유로(61)를 따라 순환하게 만드는 제2펌프(62)가 구비된다. 제어부의 제어신호에 따라 상기 제2펌프(62)가 작동하면, 제2순환유로(61) 내부의 유체는 상기 제2흡열영역(611)을 통과하면서 축열부(2)로부터 열에너지를 흡수하고, 상기 제2펌프(62)를 거쳐 상기 제2발열영역(613)을 통과할 때 흡수한 열에너지를 증발기(51)에 방출한다. 상기 증발기(51)와 열교환을 마친 유체는 제2순환유로(61)를 따라 다시 상기 축열부(2)로 이동하ㅇ여 축열부(2)에 저장된 열에너지를 흡수하게 된다. 상술한 과정을 통해 축열부(2)에 저장된 열에너지는 증발기(51)에 공급되고, 증발기(51)를 통과하는 냉매는 증발될 것이다.

상기 제3열전달부(7)는 응축기(52)에서 방출되는 열에너지를 흡수하여 열소비부(4)에 공급하는 수단이다. 상기 열소비부(4)는 열에너지를 소비하는 수단을 의미하는데, 가정 내 열에너지를 소비하는 가전기기나 열에너지를 이용하여 발전하는 발전기, 발전소 등이 일례가 될 수 있다.

상기 제3열전달부(7)는 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제3순환유로(71)를 포함하는데, 상기 제3순환유로(71)는 상기 응축기(52)에서 방출되는 열을 제3순환유로 내부의 유체에 전달하도록 구비된 제3흡열영역(711), 상기 제3순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 열소비부(4)에 방출하도록 구비된 제3발열영역(713)을 포함한다.

상기 제3열전달부(7)에는 유체가 상기 제3순환유로(71)를 따라 순환하게 만드는 제3펌프(72)가 구비된다. 제어부의 제어신호에 따라 상기 제3펌프(72)가 작동하면, 유체는 제3순환유로(71)를 따라 순환하게 되며, 이 과정에서 제3순환유로 내부의 유체는 응축기(52)를 통과하는 냉매로부터 열에너지를 흡수하여 열소비부(4)에 공급하게 되고, 응축기(52)를 통과하는 냉매는 응축된다.

즉, 제3펌프(72)의 작동으로 제3순환유로(71)를 순환하는 유체는 상기 제3흡열영역(711)에서 응축기(52)에서 방출되는 열에너지를 흡수하고, 상기 제3발열영역(713)을 통과하면서 흡수한 열에너지를 열소비부(4)에 공급한다. 상기 제3발열영역(713)을 통과한 유체는 상기 제3순환유로(71)를 따라 다시 상기 응축기(52)로 이동하여 열에너지를 흡수한다.

상술한 구성만을 구비한 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(100)는 축열부(2)가 지하수에 접촉할 경우 에너지 손실이 발생할 수 있다. 즉, 축열부(2)가 단열재를 통해 외부와 열교환하는 것을 최소화시키는 구조로 구비된다 하더라도, 지하수의 수위(W1)가 축열부(2)에 접촉하는 수위를 형성한다면 축열부(2)가 지하수와 열교환하여 축열부(2)에 저장된 에너지부는 손실될 위험이 크다. 지하수에 의한 열손실을 최소화하기 위해, 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(100)는 원뿔형 수위강하 현상(cone of depression)을 유발시켜 지하수의 수위(W1)를 조절하는 수위조절부(8)를 더 포함하도록 구비된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수위조절부(8)는 상기 축열부(2)를 감싸도록 구비되는 적어도 3개의 관정(tubular well), 및 상기 각 관정으로 유입되는 지하수를 지표면으로 배출시키는 관정펌프를 포함하도록 구비될 수 있다.

도 3은 상기 수위조절부(8)가 축열부(2)를 감싸도록 구비되는 4개의 관정(81, 82, 83, 84), 각 관정으로 유입된 지하수를 지표면으로 배출시키는 4개의 관정펌프(811, 821, 831, 841)로 구비된 경우를 일례로 도시한 것이다.

즉, 도 3 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 구비된 수위조절부(8)는 상기 축열부(2)를 사이에 두고 서로 마주보는 제1관정(81) 및 제2관정(82), 상기 축열부(2)를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되며 상기 제1관정과 제2관정과 함께 상기 축열부(2)를 감싸는 사각형을 형성하는 제3관정(83) 및 제4관정(84)을 포함하도록 구비될 수 있다.

이 경우, 도 3의 수위조절부(8)는 상기 제1관정의 지하수를 지표면으로 배출시키는 제1관정펌프(811), 상기 제2관정의 지하수를 지표면으로 배출시키는 제2관정펌프(821), 상기 제3관정의 지하수를 지표면으로 배출시키는 제3관정펌프(831), 및 상기 제4관정의 지하수를 지표면으로 배출시키는 제4관정펌프(841)를 포함하도록 구비된다.

한편, 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)은 자연상태의 지하수의 수면(관정의 설치 전 지하수의 수면)보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비된다.

자연상태의 지하수면이 축열부(2)의 바닥면보다 높은 경우, 각 관정(81, 82, 83, 84)은, 도 3 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 축열부(2)의 바닥면(B)보다 낮은 위치에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수 있다. 지하수의 수위를 낮춰(W2) 축열부(2)가 지하수와 접촉하는 것을 방지하기 위함이다.

각 관정펌프(811, 821, 831, 841)를 통해 지하수를 지상으로 배출하면 지하수면(W1)에는 원뿔형 수위강하가 발생하고, 4개의 관정(81, 82, 83, 84)에서 발생하는 각각의 원뿔형 수위강하가 서로 조합되면 지하수의 수위는 거의 수평면을 형성할 수 있다. 따라서, 각 관정(81, 82, 83, 84)의 바닥면이 상기 축열부(2)의 바닥면(B)보다 낮은 위치에 구비되도록 각 관정이 시추(drilling)되면, 지하수의 수위(W1)를 축열부(2)에 접촉하지 않는 수위(W2)까지 낮출 수 있다.

다만, 지하(G)에 존재하는 암석과 같은 환경적 요인이나 시추에 소요되는 비용적 요인 때문에 도 3 (a)와 같은 관정을 형성시킬 수 없다면, 도 3 (b)와 같은 형태의 수위조절부(8)를 통해 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)의 바닥면이 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 곳에 위치되게 할 수도 있다.

도 3 (b)의 수위조절부(8)에 구비된 관정(81, 82, 83, 84)들은 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선(H)과 상기 축열부의 바닥면(B) 사이에 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)의 바닥면이 위치된다는 점에서 도 3 (a)의 수위조절부에 구비된 관정과 구별된다. 도 3 (b)의 수위조절부(8)는 지하수면의 경사각(water-table gradient)를 최소화하여 지하수의 이동속도를 늦출 수 있고, 이로 인해 축열부(2)의 열손실을 최소화 가능하다. 뿐만 아니라 도 3 (b)에 도시된 실시예는 지하수의 이동속도를 늦춤으로써 지하수도 에너지를 저장하는 축열재로 활용할 수 있어 축열부(2)의 열저장용량을 확대하는 효과도 기대할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 달리, 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)들은 그 바닥면이 지표면과 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선(H) 사이에 위치하도록 시추될 수도 있다.

도 4는 상기 수위조절부(8)의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 도 4 (a)와 도 4 (b)에 도시된 수위조절부(8)는 상기 축열부(2)를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되는 제1관정(81) 및 제2관정(82), 상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되며 상기 제1관정 및 상기 제2관정과 함께 상기 축열부를 감싸는 사각형상의 공간을 형성하는 제3관정(83) 및 제4관정(84)을 포함한다. 다만, 상기 제1관정(81)과 제3관정(83)은 지하수의 상류에 위치하고, 상기 제2관정(82)과 제4관정(84)은 지하수의 하류에 위치됨이 바람직하다.

나아가, 도 4의 수위조절부(8)는 일단은 상기 제1관정(81)에 삽입되고, 타단은 상기 제2관정(82)에 삽입된 제1연결관(823), 상기 제1연결관(823)에 구비되어 상기 제1관정(81)의 지하수를 제2관정(82)으로 이동시키는 제1연결관 펌프(825), 일단은 상기 제3관정(83)에 삽입되고, 타단은 상기 제4관정(84)에 삽입된 제2연결관(843), 상기 제2연결관(843)에 구비되어 상기 제3관정(83)의 지하수를 제4관정(84)으로 이동시키는 제2연결관 펌프(845)를 포함한다.

한편, 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수 있다. 즉, 지하수의 수위에 따라 상기 각 관정(81, 82, 83, 84)은 상기 축열부(2)의 바닥면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 각 관정의 바닥면을 축열부 중심을 통과하는 수평선과 축열부의 바닥면 사이에 위치시키는 깊이로 구비(도 4 (a) 참고)될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 각 관정의 바닥면이 위치되게 하는 깊이로 구비될 수도 있다.

나아가, 본 실시예에 따른 수위조절부(8)는 상기 제1관정(81)의 수위를 감지하는 제1센서(91), 상기 제2관정(82)의 수위를 감지하는 제2센서(92), 상기 제3관정(83)의 수위를 감지하는 제3센서(미도시). 상기 제4관정(84)의 수위를 감지하는 제4센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제어부(89)는 상기 제1센서(91), 상기 제2센서(92), 상기 제3센서, 및 상기 제4센서가 제공하는 수위데이터를 수신하여, 지하수면의 경사(W2)가 기 설정된 기준 값을 유지하도록 상기 제1연결관 펌프(825)와 상기 제2연결관 펌프(845)를 제어할 수 있다. 상기 기준 값은 0도 내지 5도 범위의 경사각으로 설정될 수 있다.

또한, 도 4 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수위조절부(8)는 상기 제1관정(81)과 상기 제3관정(83) 사이에 배치됨으로써 지하수의 상류에 위치하게 되는 제5관정(85), 상기 축열부(2)를 사이에 두고 상기 제5관정과 마주보도록 구비되고, 상기 제2관정(82)과 상기 제4관정(84) 사이에 위치하는 제6관정(86), 일단은 상기 제5관정(85)에 삽입되고, 타단은 상기 제6관정(86)에 삽입된 제3연결관(863), 상기 제3연결관(863)에 구비되어 상기 제5관정(85)의 지하수를 상기 제6관정(86)으로 이동시키는 제3연결관 펌프(865)를 더 포함할 수 있다. 보다 신속하고 효과적으로 지하수면 경사각을 기준 값으로 유지시키기 위함이다.

이 경우, 상기 수위조절부(8)는 상기 제5관정(85)의 수위를 감지하는 제5센서(미도시), 상기 제6관정(86)의 수위를 감지하는 제6센서(미도시)를 더 포함하고, 제어부는 제5센서와 제6센서가 제공하는 수위데이터에 근거하여 지하수의 수위를 조절할 수 있다.

도 4 (c)에 도시된 수위조절부(8)는 상기 축열부(2)를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되는 제1도랑(871, ditch) 및 제2도랑(873), 일단은 상기 제1도랑(871)에 삽입되고, 타단은 상기 제2도랑(873)에 삽입된 도랑연결관(875), 및 상기 도랑연결관에 구비되어 상기 제1도랑의 지하수를 상기 제2도랑으로 이동시키는 도랑연결관 펌프(879)를 포함하는 것이 특징이다. 이 경우, 상기 제1도랑(871)과 제2도랑(873) 중 어느 하나는 지하수의 상류에 위치하도록 구비되고, 상기 제1도랑(871)과 제2도랑(873) 중 나머지 하나는 지하수의 하류에 위치되어야 한다.

다만, 상기 제1도랑(871)과 상기 제2도랑(873)은 자연상태의 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 도랑(871, 873)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비됨이 바람직하다. 즉, 지하수면의 깊이에 따라 상기 제1도랑(871)과 제2도랑(873)은 상기 축열부(2)의 바닥면보다 낮은 위치에 상기 각 도랑(871, 873)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 축열부의 중심을 지나는 수평선과 축열부의 바닥면 사이에 각 도랑(871, 873)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있다.

도 5에 도시된 수위조절부(8)는 상기 축열부(2)를 감싸도록 구비되는 도랑(88)만으로 구비되는 것이 특징이다. 상기 도랑(88)은 자연상태의 지하수면보다 낮은 위치에 각 도랑(88)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비됨이 바람직하다. 따라서, 지하수면의 깊이에 따라 상기 도랑(88)은 상기 축열부(2)의 바닥면보다 낮은 위치에 상기 도랑(88)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있고, 상기 축열부(2)의 중심을 통과하는 수평선과 상기 축열부(2)의 바닥면 사이에 상기 도랑(88)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있으며, 상기 축열부의 중심을 통과하는 수평선과 지표면 사이에 상기 도랑(88)의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비될 수도 있다.

본 실시예에 따른 수위조절부(8)는 축열부(2)를 감싸는 사각형상(도 5 (a)) 또는 원(도 5 (b))으로 구비될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 도랑(88)은 C자 형상 또는 ㄷ자 형상으로 구비되어도 무방하다. 지하수가 지하(G)를 통과할 때 지하수에 작용하는 유로저항보다 지하수가 도랑(88)을 통과할 때 지하수에 작용하는 유로저항이 더 작을 것이므로, 지하수의 수위(W2)는 도 5(c)에 도시된 형태로 조정될 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(100)의 다른 실시예를 도시한 것으로, 본 실시예에 따른 에너지 장치(100)는 열원(1)에서 수집된 열에너지를 축열부(2)에 저장하지 않고, 곧바로 열소비부(4)에 전달하는 열공급유로(34)를 더 포함하는 것이 특징이다.

상기 열공급유로(34)는 일단은 상기 제1흡열영역(311)과 상기 제1발열영역(313) 사이에 연결(제1지점)되고, 타단은 상기 제1발열영역(313)과 제1펌프(32) 사이에 연결(제2지점)되는 연결관(343), 상기 연결관 내부의 유체를 상기 열소비부(4)와 열교환시키는 연결관 발열영역(3431), 상기 제1지점에 구비되어 제어부에 의해 제어되는 밸브(341)를 포함할 수 있다.

상기 밸브(341)에 의해 상기 제1흡열영역(311)을 통과한 유체는 상기 연결관(343)을 통해 상기 열소비부(4)를 거쳐 제1펌프(32)로 이동할 수도 있고, 상기 제1발열영역(313)을 통해 축열부(2)를 거친 뒤 제1펌프(32)로 이동할 수도 있다. 따라서, 본 실시예는 필요에 따라 열에너지를 축열부(2)에 저장할 수도 있고, 곧바로 열소비부(4)에 공급할 수도 있다.

도 7은 본 발명 지중 축열부가 구비된 에너지 장치(100)의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 본 실시예에 따른 에너지 장치(100)는 축열부(2)에 저장된 에너지가 열교환부(5)를 거치지 않고 직접 열소비부(4)에 전달되는 제4열전달부(41)를 더 포함할 수 있는 것이 특징이다.

상기 제4열전달부(41)는 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제4순환유로(411), 상기 제4순환유로(411)를 따라 유체를 순환시키는 제4펌프(417), 상기 축열부(2)에 저장된 열을 제4순환유로 내부의 유체에 전달하는 제4흡열영역(413), 상기 제4순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 열소비부(4)에 공급하는 제4발열영역(415)을 포함한다.

도 7에 도시된 실시예의 경우, 축열에너지 온도센서(미도시) 등을 통해 측정된 축열부(2)에 저장된 열의 온도가 기준온도 이상이면, 제어부는 상기 제4펌프(417)를 작동시켜 상기 축열부(2)에 저장된 에너지를 열소비부(4)에 공급할 것이다. 그러나, 상기 축열부(2)에 저장된 열의 온도가 기준온도 미만이면, 제어부는 제2열전달부(6), 열교환부(5) 및 제3열전달부(7)를 통해 축열부(2)에 저장된 에너지를 열소비부(4)에 공급할 수도 있다.

본 발명은 다양한 형태로 변형되어 실시될 수 있을 것인바 상술한 실시예에 그 권리범위가 한정되지 않는다. 따라서 변형된 실시예가 본 발명 특허청구범위의 구성요소를 포함하고 있다면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 지중 축열부가 구비된 에너지 장치 1: 열원
2: 축열부 21: 탱크 3: 제1열전달부
31: 제1순환유로 311: 제1흡열영역 313: 제1발열영역
32: 제1펌프 34: 열공급유로 341: 삼방밸브
343: 연결관 3431: 연결관 발열영역 4: 열소비부
5: 열교환부 51: 증발기 52: 응축기
54: 냉매순환관 541: 압축기 543: 팽창기
6: 제2열전달부 61: 제2순환유로 611: 제2흡열영역
613: 제2발열영역 62: 제2펌프 7: 제3열전달부
71: 제3순환유로 711: 제3흡열영역 713: 제3발열영역
72: 제3펌프 8: 수위조절부 81: 제1관정
811: 제1관정펌프 82: 제2관정 821: 제2관정펌프
83: 제3관정 831: 제3관정펌프 84: 제4관정
841: 제4관정펌프 823: 제1연결관 825: 제1연결관 펌프
843: 제2연결관 845: 제2연결관 펌프 85: 제5관정
86: 제6관정 863: 제3연결관 865: 제3연결관 펌프
871: 제1도랑 873: 제2도랑 875: 도랑연결관
879: 도랑 연결관 펌프 9: 제어부 91: 제1센서
92: 제2센서

Claims (9)

1. 유체가 순환하는 유로를 형성하는 제1순환유로;
   상기 제1순환유로를 순환하는 유체에 열을 공급하는 열원;
   적어도 일부 영역이 지하에 매립되도록 구비되며, 상기 제1순환유로를 따라 순환하는 유체로부터 열을 흡수하는 축열부;
   냉매순환관을 따라 순환하는 냉매에 열을 공급하여 냉매를 증발시키는 증발기 및 냉매의 열을 방출시켜 상기 냉매순환관을 따라 순환하는 냉매를 응축하는 응축기가 구비된 열교환부;
   유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 축열부에서 열을 흡수하여 상기 증발기에 방출하도록 구비된 제2순환유로;
   유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 응축기에서 열을 흡수하여 열소비부에 방출하도록 구비된 제3순환유로; 및
   상기 축열부를 통과하는 지하수의 수위를 조절하도록 구비된 수위조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수위조절부는 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 적어도 3개의 관정(tubular well); 및 상기 각 관정으로 유입되는 지하수를 지표면으로 배출시키는 관정펌프;를 포함하고,
   상기 각 관정은 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비되는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수위조절부는
   상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 지하수의 상류와 하류에 각각 위치되는 제1관정 및 제2관정;
   상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 상기 제1관정 및 상기 제2관정과 함께 상기 축열부를 감싸는 사각형상의 공간을 형성하며, 지하수의 상류와 하류에 각각 구비되는 제3관정 및 제4관정;
   일단은 상기 제1관정에 삽입되고, 타단은 상기 제2관정에 삽입된 제1연결관;
   상기 제1연결관에 구비되어 상기 제1관정의 지하수를 상기 제2관정으로 이동시키는 제1연결관 펌프;
   일단은 상기 제3관정에 삽입되고, 타단은 상기 제4관정에 삽입된 제2연결관;
   상기 제2연결관에 구비되어 상기 제3관정의 지하수를 상기 제4관정으로 이동시키는 제2연결관 펌프;를 포함하고,
   상기 각 관정은 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 관정의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비되는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
4. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1관정의 수위를 감지하는 제1센서;
   상기 제2관정의 수위를 감지하는 제2센서;
   상기 제3관정의 수위를 감지하는 제3센서;
   상기 제4관정의 수위를 감지하는 제4센서; 및
   상기 제1센서, 상기 제2센서, 상기 제3센서, 및 상기 제4센서가 제공하는 수위데이터를 수신하여, 지하수면의 경사(water-table gradient)가 기 설정된 기준 값을 유지하도록 상기 제1연결관 펌프와 상기 제2연결관 펌프를 작동시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1관정과 상기 제3관정 사이에 위치하는 제5관정;
   상기 축열부를 사이에 두고 상기 제5관정과 마주보도록 구비되고, 상기 제2관정과 상기 제4관정 사이에 위치하는 제6관정;
   일단은 상기 제5관정에 삽입되고, 타단은 상기 제6관정에 삽입된 제3연결관; 및
   상기 제3연결관에 구비되어 상기 제5관정의 지하수를 상기 제6관정으로 이동시키는 제3연결관 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 수위조절부는
   상기 축열부를 사이에 두고 서로 마주보도록 구비되고, 지하수의 상류에 위치하는 제1도랑 및 지하수의 하류에 위치하는 제2도랑;
   일단은 상기 제1도랑에 삽입되고, 타단은 상기 제2도랑에 삽입된 도랑연결관; 및
   상기 도랑연결관에 구비되어 상기 제1도랑의 지하수를 상기 제2도랑으로 이동시키는 도랑연결관 펌프;를 더 포함하고,
   상기 제1도랑과 상기 제2도랑은 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비되는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 수위조절부는 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 도랑;을 더 포함하고, 상기 도랑은 지하수의 수면보다 낮은 위치에 각 도랑의 바닥면을 위치시키는 깊이로 구비되는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 도랑은 상기 축열부를 감싸도록 구비되는 원, 사각형, C자 형상, 또는 ㄷ자 형상 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 한에 있어서,
   유체가 순환하는 유로를 형성하며, 상기 축열부에서 열을 흡수하여 열소비부에 공급하도록 구비된 제4순환유로;
   상기 제4순환유로를 따라 유체를 순환시키는 제4펌프;
   상기 축열부에 저장된 열을 제4순환유로 내부의 유체에 전달하도록 상기 제4순환유로에 구비된 제4흡열영역;
   상기 제4순환유로 내부의 유체에 저장된 열을 상기 열소비부에 공급하도록 상기 제4순환유로에 구비된 제4발열영역;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 축열부가 구비된 에너지 장치.

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