지중열을 이용한 파일형 냉난방시스템{COOLING AND HEATING PILE TYPE SYSTEM UTILIZED HEAT OF THE UNDERGROUND}

본 발명은 지중열을 이용한 파일(pile)형 냉난방시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환수단의 냉매를 지열교환기의 열교환 파이프를 통하여 직접 순환하도록 구성하고, 이 열교환 파이프를 건축물에 사용되는 파일에 내장하여 열교환 효율을 높일 수 있도록 하면서 파일이 건축물의 기능과 냉난방 기능을 할 수 있도록 한 지중열을 이용한 파일형 냉난방시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용 가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프시스템이 알려져 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 열을 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5M 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원할하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프시스템은 자연에너지를 이용하는 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지자원이 부족하고 에너지비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

현재까지 개발된 지열을 이용한 히트펌프시스템은, 열전달유체가 담긴 파이프를 지중에 설치하여 지중열 에너지를 열전달유체가 회수하여 이용하는 지하배관 시스템과, 지하에서 지하수를 끌어올려 지하수의 열을 회수하여 냉난방으로 이용하는 지하수 시스템과, 바다나 강물의 경우 어느 정도 깊이에 도달하면 물의 온도가 연중 일정하게 유지되므로 여기에 순환수 파이프를 넣어 열을 흡수하거나 물을 직접 끌어올려 열교환기를 통해 열을 흡수하는 지표수 시스템이 알려져 있다.

상기와 같은 지열을 이용한 냉난방시스템의 통상적인 구성은, 지중에 설치되어 지중의 열을 흡수하는 열전달유체를 갖는 지열교환기와, 상기 지열교환기로부터 축열된 열전달유체를 공급받아 이 열전달유체와 열교환을 행하고 열교환된 냉매를 사용처로 공급하는 히트펌프로 구성된다.

이와 같은 지열냉난방시스템은 지열을 이용하여 냉방과 난방을 동시에 해결할 수 있으므로 냉난방시스템의 유지비용을 최소화할 수 있는데, 더욱 바람직한 지열냉난방시스템은 지열을 안정적으로 흡수할 수 있으면서 효율이 높아야 하고, 또한 초기설치비를 최소화할 수 있어야 한다.

그러나, 이와 같은 종래의 지열냉난방시스템은, 지열교환기의 열전달유체가 지열을 흡수한 후, 축열된 열전달유체를 히트펌프의 냉매와 열교환 하여 이 냉매를 사용처로 공급하도록 구성되므로 열효율이 저하되는 문제점이 있다.

즉, 지중의 지열과 열교환을 행한 열전달유체가 히트펌프의 냉매와 다시 열교환을 행하게 되고 이러한 열전달유체와 냉매의 열교환시 열손실이 발생하므로 냉난방의 효율이 저하된다.

게다가 이와 같은 지중열 히트펌프 시스템은 건축물과 조화를 이루어 건축의 일부로 설치될 수 있는데도 불구하고 지금까지는 건축물과 독립하여 설치를 하고 있으므로 설치비가 과다하게 되는 한 요인이 되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 히트펌프의 냉매를 지열교환기의 열교환 파이프를 통하여 순환하도록 함으로서 열교환 효율을 높이면서 이 열교환 파이프가 건축물의 파일에 내장되도록 하여 초기 설치비용을 최소화할 수 있는 지중열을 이용한 파일형 냉난방시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방시스템의 전체구성도로서, 냉방시 냉매의 흐름을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 냉난방시스템의 전체구성도로서, 난방시 냉매의 흐름을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 냉난방시스템에 제공된 지열교환기를 나타낸 사시도.

도 4는 도 1의 AA선 단면도.

본 발명이 제안하는 지중열을 이용한 파일형 냉난방시스템은, 지중에 매설되어 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기; 상기 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 흡수 또는 회수한 지열에너지를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하고,

상기 지열교환기와 히트펌프의 열교환 유체는 단일 냉매를 사용하는 배관 구성을 이루며, 상기 지열 교환기는 건축공사에 사용되는 파일에 내장되는 지중열을 이용한 파일형 냉난방 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 냉난방시스템의 전체구성도로서, 도 1은 냉방시 냉매의 흐름을 도시한 도면이고, 도 2는 난방시 냉매의 흐름을 도시한 도면이다.

그리고 도 3은 본 발명에 따른 냉난방시스템에 제공된 지열교환기의 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 1의 AA선 단면도를 나타낸다.

본 발명에 따른 지중열을 이용한 파일형 냉난방시스템은, 지중에 매설되어 지열과 열교환을 행하는 지열교환부(10)와, 상기 지열교환부(10)의 입구측과 출구측 관로(L1)(L2)를 통하여 흐르는 냉매를 압축하는 압축기(20) 및 팽창밸브(22)와, 이들 압축기(20) 및 팽창밸브(22)와 관로(L3)(L4)를 통하여 연결되어 상기 지열교환부(10)의 열에너지를 이용하여 실내의 냉방 및 난방을 행하는 열교환수단(30)을포함한다. 이러한 구성은 통상의 히트펌프 시스템과 유사한 구성을 갖지만, 지열교환부(10)와 열교환수단(30)이 인라인 형태를 이루며 단일 냉매를 사용하는 것이 다른 것이다.

본 발명이 제안하는 상기 지열교환부(10)는 건축물에 사용되는 일반적인 파일과 결합된다. 즉 본 실시예에 의한 지열교환부(10)는 도 3 내지 도 4에서와 같이 콘크리트 등으로 성형되는 파일 본체(12)와, 이 파일 본체(12) 내부에 설치되어 지열에너지와 열교환을 행하는 열교환 파이프(14)를 포함하며, 이 열교환 파이프(14)는 입구측과 출구측 관로(L1)(L2)와 연결되면서 파일 본체(12)의 외부로 연결될 수 있음을 보여 주고 있다.

상기 파일 본체(12)는 도면에 표시한 구조의 것에 한정되지 않으며 어떠한 구조의 것도 모두 사용될 수 있다. 즉 상기 열교환 파이프(14)를 내장할 수 있는 구조이면 족하다. 그리고 열교환 파이프(14)의 끝단은 파일 본체의 끝단에서 관로(L1)(L2)와 연결될 수도 있고 파일 본체(12)의 중간에서 관로들과 연결될 수도 있다.

상기 파일 본체(12)는 건축물 시공시 지중에 매설되는 것이므로 상기 열교환 파이프(14)는 상기 파일 본체(12)의 외측면에 가까운 지점에 설치되어야 지중의 열과 교환이 용이하게 이루어질 수 있다.

상기 열교환 파이프(14)는 폴리에틸렌 파이프 또는 동(銅)과 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있으며, 지열에너지와 열교환을 위하여 열교환 파이프(14) 내부에는 냉매가 충진된다.

이러한 열교환 파이프(14)는 본 실시예에서는 파일 본체(12)의 외측 길이방향을 따라서 배치하거나 원주방향으로 배치하거나 또는 기타 다른 배열로 설치할 수도 있다.

이것은 파일 본체(12)를 성형할 때 성형틀에 열교환 파이프(14)를 배치하고 콘크리트물을 넣고 성형하는 방식으로 제조될 수 있다.

상기 파일 본체(12)의 내부와 열교환 파이프(14) 사이에는 콘크리트나 흙과 같은 열전도물질(16)을 채워서 지열이 파일 본체(12)를 통하여 열교환 파이프(14)의 냉매와 열교환이 잘 이루어질 수 있도록 하는 것도 고려될 수 있다.

상기와 같은 냉난방시스템은 압축기(20)와 팽창밸브(22)에 의하여 냉매가 지열교환부(10)와 열교환수단(30)을 순환하면서 냉난방을 행하게 되는데, 냉매가 지열과 직접 열교환되는 구조이므로 냉난방의 효율을 더욱 좋게할 수 있다.

즉, 본 발명의 냉난방시스템은 종래의 지열과 열교환을 행한 열전달유체가 히트펌프의 냉매와 다시 열교환을 행할 때 발생하는 열손실을 방지할 수 있어 냉난방의 효율이 높아진다.

냉난방 모드는 압축기(20)에서 고온 고압으로 압축된 냉매의 흐름방향을 변환하는 것으로 실현될 수 있으며, 이와 같은 모드변환수단은 일반적으로 잘 알려진 로터리 밸브가 설치됨으로서 실현 가능하다.

이와 같은 본 발명의 지중열을 이용한 냉난방장치의 냉난방 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 냉방모드가 선택되어 작동이 시작되면, 압축기(20)가 구동을 하면서 냉매를 압축하여 지열교환부(10)로 공급하게 된다. 이와 같이 이동하는 냉매는 실질적으로 땅속에 설치되어 있는 파일 본체(12)의 내부에 배치되어 있는 열교환 파이프(14)를 순환하면서 관로(L1)를 따라 나오게 된다.

이 과정에서 땅속에 설치되어 있는 파일 본체(12)의 주위에 있는 지열과 냉매 사이에서 열교환이 이루어지게 되므로 실질적으로 관로(L1)를 따라 나온 냉매는 지열과 열교환이 이루어진 냉매가 된다.

지열에너지와 열교환된 냉매는 관로(L1)를 따라 팽창밸브(22)를 통과하면서 급속하게 압력이 저하되고 그 결과 주위의 열을 빼앗으면서 열교환수단(30)으로 들어 가게 된다.

이러한 냉방모드에서는 냉매의 흐름방향이 도 1에 도시하고 있는 바와 같이 지열교환기(10) - 팽창밸브(22) - 열교환수단(30) - 압축기(20)의 경로를 거치면서 순환하게 되며, 이때 지열교환기(10)는 응축기의 역할을 수행하고 열교환수단(30)은 증발기의 역할을 수행한다.

따라서 냉방장소의 흡열된 열에너지를 갖는 냉매는, 이 냉매의 온도보다 낮은 온도를 갖는 지중에 설치된 지열교환기(10)를 통하여 열교환되어 지중으로 열에너지를 방출한 후 자신은 응축되고, 이와 같이 열에너지를 빼앗긴 이 냉매는 팽창밸브(22)를 통과하면서 압력이 떨어져 열교환수단(30)에서 실내의 공기와 열교환하여 실내공기를 냉각하고, 자신은 증발하여 기체상태의 냉매로 변한다.

그리고 기체상태의 냉매는 압축기(20)로 흡입·압축되어 다시 지열교환기(10)로 보내지면서 응축되면서 위와 같은 순환을 반복하게 된다.

이와 같은 냉방작용이 이루어지면서 냉매는 지열교환기(10) 및 열교환수단(30)으로 리턴하면서 위의 작용을 반복하게 된다.

그리고 난방모드가 선택되면, 도 2에 도시하고 있는 바와 같이 압축기(20)로부터 토출되는 냉매의 흐름방향이 냉방시와는 반대가 되어 바뀌면서 지열교환기(10)는 증발기의 역할을 수행하고 열교환수단(30)은 응축기의 역할을 수행한다.

따라서 지열교환기(10)에서 흡열된 열에너지를 갖는 냉매는 열교환파이프(14)에서 축열상태로 저장되고 있다가, 펌프(미도시)가 구동을 시작하면서 열교환수단(30)으로 이동하게 되며, 이때 압축기(20)가 구동하면서 냉매는 열교환수단(30) - 팽창밸브(22) - 지열교환기(10) - 압축기(20)의 경로를 거치면서 순환하게 된다.

이와 같이 냉매가 순환하면서 압축기(20)에서 고온 고압으로 압축된 지열에너지를 갖는 기체상태의 냉매는 열교환수단(30)에서 대기로 열을 방출하여 필요한 장소를 난방하고, 자신은 응축되어 액체상태의 냉매로 변한다.

그리고 액체상태의 냉매는 팽창밸브(22)로 흡입·팽창되어 다시 지열교환기(10)로 보내지면서 팽창되면서 위와 같은 순환을 반복하게 된다.

이와 같은 난방작용이 이루어지면서 냉매는 지열교환기(10) 및 열교환수단(30)으로 리턴하면서 위의 작용을 반복하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 지중열을 이용한 냉난방시스템은, 지열교환기에서 열교환된 냉매가 히트펌프에 의하여 냉난방장소로 직접 이동하여 냉난방을 행하도록 구성되므로, 종래의 열전달유체가 지중열에너지와 일차적으로 열교환을 행하고 2차적으로 히트펌프의 냉매와 열교환을 행한 후 냉난방을 행하는 것에 비하여 냉매의 열교환시 열손실이 발생하는 것을 방지하므로 열효율을 높일 수 있다.

게다가 이와 같은 냉매의 흐름을 건축물의 파일 본체에 내장하여 실질적으로 땅속에서 지열과 열교환이 이루어지도록 하고 있으므로, 지중열을 이용하는 냉난방 히트펌프 시스템이 갖는 제반 문제점들을 해소할 수 있다.