KR101631508B1 - Temperature control system for road using solar heat and geothermal heat pump - Google Patents
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Abstract
태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면 지열 및 태양열과 같은 자연에너지가 히트펌프 유닛에 공급되도록 함으로써, 도로 표면의 온도를 조절하는 데에 소요되는 에너지가 절감되도록 할 수 있다.A road surface temperature control system using a solar and geothermal heat pump is disclosed. According to the present invention, natural energy such as geothermal and solar heat is supplied to the heat pump unit, thereby reducing the energy required to control the temperature of the road surface.
Description
본 발명은 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템에 관한 것으로, 지열 및 태양열 등의 자연에너지를 이용하여 도로 표면의 온도를 조절하는 데에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a road surface temperature control system using a solar thermal and geothermal heat pump, and more particularly, to a solar thermal and geothermal heat pump capable of reducing the energy required to control the temperature of the road surface using natural energy such as geothermal heat and solar heat. The present invention relates to a road surface temperature control system.
사람이나 화물의 수송에는 다양한 운송수단이 사용되고 있으며, 그 중 차량을 이용한 수송이 상당한 비중을 차지하고 있다. 이에 따라 포장된 도로의 확충은 현재까지도 전세계적으로 지속되고 있다.Various transportation means are used for the transportation of people and freight, and the transportation of the vehicles is a significant proportion. As a result, the expansion of packed roads continues to the present day to the present.
일반적으로 포장된 도로의 표층은 차량의 타이어와 높은 마찰계수를 갖도록 한 아스팔트 또는 콘크리트로 이루어지고 있는데, 도로의 표층에 눈이 쌓이거나 빗물 등의 수분이 추운 날씨에 의해 결빙되는 경우에는 마찰계수가 급격히 낮아져서 통상적인 타이어를 장착한 차량은 운행할 수 없게 되는 경우가 많다.Generally, the surface layer of the packed road is made of asphalt or concrete having high coefficient of friction with the tire of the vehicle. When snow is piled up on the surface of the road or water such as rainwater is frozen by cold weather, It is often the case that a vehicle equipped with a normal tire can not be operated.
이럴 경우 염화나트륨이나 염화칼슘과 같이 물의 빙점을 낮출 수 있는 화학물질을 살포하여 결빙된 물을 녹이는 방법이 널리 사용되고 있으나, 물에 용해된 상기 화학물질의 부식성에 의해 차량의 차체나 차량 하부에 설치된 각종 장치의 부식이 야기되고, 하수의 오염이 유발되는 문제가 있다.In this case, a method of spraying a chemical material capable of lowering the freezing point of water, such as sodium chloride or calcium chloride, to dissolve frozen water is widely used. However, due to the corrosiveness of the chemical dissolved in water, And there is a problem that contamination of sewage is caused.
또한, 도로 표층 내에 전열선을 배치하고 전열선에 전력을 가하여 발생되는 열로 결빙을 제거하는 방법도 사용되고 있으나, 동절기에 냉각된 도로 표층의 온도를 상승시키는 데에는 막대한 전력이 사용되는 단점이 있다.Also, there is a method of disposing an electric heating line in the surface layer of the road and removing the ice from the heat generated by applying electric power to the electric heating line, but there is a disadvantage that enormous electric power is used to raise the temperature of the road surface layer cooled in the winter season.
이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1328067호(이하, '특허문헌 1'이라고 함) 및 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1334228호(이하, '특허문헌 2'라고 함)와 같은 대응책이 제안된 바 있다.In order to solve such a problem, Korean Patent Registration No. 10-1328067 (hereinafter referred to as "
특허문헌 1에는 터널 내로 침출되는 지하수 또는 암반수와 같은 침출수를 도로 표층 내로 순환시켜 도로 표층의 온도를 높이는 기술이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 터널 인근의 하천수 도로 표층 내로 순환시켜 표층의 온도를 높임으로써 결빙을 제거하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 기온이 매우 낮은 지역에서는 하천수가 결빙되어 도로 표층까지 유동되도록 하지 못하는 경우가 발생될 가능성이 높다. 그리고 침출수 또한 도로 표층 내를 순환하는 과정에서 냉각되어 결빙될 가능성이 있고, 침출수 결빙되지 않도록 순환속도를 높이기 위해서는 충분한 양의 침출수가 확보되어야 한다는 지역적인 제한이 따를 수 있다.However, in areas with very low temperatures, it is highly likely that river water will not freeze to the surface of the road. Also, leachate may be frozen in the course of circulation through the surface of the road, and there may be local limitations to ensure that there is sufficient leachate to increase the circulation rate to prevent leachate freezing.
한편, 도로의 표층이 아스팔트로 이루어진 경우에는 하절기와 같이 일광이 강한 시기에 표층의 온도가 매우 높게 상승될 수 있다. 이럴 경우 아스팔트에 포함된 피치에 의한 구성물 간의 결합 강도가 급격하게 낮아져서 도로의 표층이 쉽게 손상되는 상황이 발생되기도 한다.On the other hand, when the surface layer of the road is made of asphalt, the temperature of the surface layer may be elevated to a very high level in a period of strong sunlight, such as during the summer season. In this case, the bond strength between the components due to the pitch included in the asphalt is drastically lowered, and the surface layer of the road is easily damaged.
따라서, 상술한 바와 같은 문제들을 해결하기 위해서 도로 표면의 온도를 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있는 수단이 필요한 실정이다.Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, there is a need for means for appropriately adjusting the temperature of the road surface as necessary.
본 발명의 실시예는 포장된 도로의 표면의 온도를 조절할 수 있도록 하고자 한다.Embodiments of the present invention are intended to be able to control the temperature of the surface of a packaged road.
또한 본 발명의 실시예는 도로 표면의 온도조절에 사용되는 에너지를 최소화하고자 한다.Embodiments of the present invention also seek to minimize the energy used to control the temperature of the road surface.
본 발명의 일 측면에 따르면, 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브와 팽창밸브를 구비하는 히트펌프 유닛과, 지하에 설치된 하나 이상의 열저장탱크를 갖는 열저장부와, 일단은 상기 열저장탱크의 상측에 연결되고 타단은 상기 히트펌프 유닛에 연결된 제1관로와, 일단은 상기 열저장탱크의 하측에 연결되고 타단은 상기 히트펌프 유닛에 연결된 제2관로와, 제3관로 및 제4관로에 의해 상기 히트펌프 유닛에 연결된 하나 이상의 열교환파이프를 갖는 열교환부와, 상기 제1관로에 설치된 제1삼방향밸브 및 상기 제3관로에 설치된 제3삼방향밸브에 양단이 연결되고, 중간 부분에는 제3펌프가 설치된 제5관로와, 상기 제2관로에 설치된 제2삼방향밸브 및 상기 제2관로에 설치된 제4삼방향밸브에 양단이 연결된 제6관로와, 상기 제1관로의 상기 제1삼방향밸브와 상기 열저장탱크 사이의 위치에 설치된 제5삼방향밸브와, 상기 제2관로의 상기 제2삼방향밸브와 상기 열저장탱크 사이의 위치에 설치된 제6삼방향밸브를 포함하는 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a heat pump unit comprising: a heat pump unit having a pair of heat exchangers, a compressor, a four-way valve, and an expansion valve; a heat storage unit having one or more heat storage tanks installed in a basement; And the other end is connected to the heat pump unit, and the third pipe is connected to the heat pump unit by the third pipe and the fourth pipe, and the second pipe is connected to the heat pump unit. A heat exchange unit having at least one heat exchange pipe connected to the heat pump unit, a first three-way valve installed at the first pipe, and a third three-way valve installed at the third pipe, A sixth conduit having both ends thereof connected to a second three-way valve installed in the second conduit and a fourth three-way valve provided in the second conduit, a fifth conduit in which the pump is installed, valve A fifth three-way valve installed at a position between the heat storage tanks and a sixth three-way valve installed at a position between the second three-way valve and the heat storage tank of the second duct, Can be provided.
상기 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템은 열교환모듈과, 상기 열교환모듈에 열을 공급하는 외부열공급수단과, 일단은 상기 제5삼방향밸브에 연결되고 타단은 상기 열교환모듈에 연결된 제7관로와, 일단은 상기 제6삼방향밸브에 연결되고 타단은 상기 열교환모듈에 연결된 제8관로와, 일단은 제2관로의 상기 제6삼방향밸브 및 상기 열저장탱크 사이에 연결되고 타단은 상기 제7삼방향밸브에 연결된 제9관로를 더 포함할 수 있다.The road surface temperature control system using the solar and geothermal heat pumps comprises a heat exchange module, external heat supply means for supplying heat to the heat exchange module, Way valve, one end connected to the sixth three-way valve and the other end connected to the heat exchange module, one end connected between the sixth three-way valve and the heat storage tank of the second duct, and the other end connected to the sixth three- And a ninth conduit connected to the seventh three-way valve.
여기서, 상기 외부열공급수단은 상기 열교환모듈에 연결되고 태양열을 수집하는 집열패널을 포함할 수 있다.Here, the external heat supply unit may include a heat collecting panel connected to the heat exchange module and collecting solar heat.
한편, 상기 열교환파이프는 포장된 도로의 표층 내에 배치될 수 있다.On the other hand, the heat exchange pipe can be disposed in the surface layer of the packed road.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트펌프 유닛을 이용하여 도로의 표면을 가열 또는 냉각할 수 있으므로, 계절 조건 등 필요에 따라 도로 표면의 온도를 적절히 조절할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, since the surface of the road can be heated or cooled by using the heat pump unit, the temperature of the surface of the road can be appropriately adjusted as needed, such as seasonal conditions.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 지열 및 태양열을 활용할 수 있도록 함으로써 도로 표면의 온도조절에 소요되는 에너지가 절약될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, by utilizing geothermal and solar heat, it is possible to save energy required to control the temperature of the road surface.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템의 계통도
도 2는 도 1에 도시된 열교환부의 구조를 설명하기 위한 도면
도 3 내지 도 7는 도 1에 도시된 지열히트펌프의 작동을 설명하기 위한 도면1 is a schematic diagram of a system for controlling a road surface temperature using a solar and geothermal heat pump according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the structure of the heat exchanger shown in Fig. 1
Figs. 3 to 7 are views for explaining the operation of the geothermal heat pump shown in Fig. 1
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템의 계통도가 도시되어 있다.1 is a block diagram of a system for controlling a road surface temperature using a solar thermal and geothermal heat pump according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템(1)에는 히트펌프 유닛(100), 온도조절부(300), 열저장부(500) 및 외부열공급수단이 포함된다.Referring to FIG. 1, a road surface
그리고, 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템(1)에는 상기 구성요소들을 서로 연결하여 열매체가 순환되도록 하는 복수의 관로(L11 내지 L19)와, 관로(L1 내지 L19) 내의 열매체를 유동시키기 위한 복수의 펌프(P11 내지 P14)와, 관로(L1 내지 L19)를 통한 열매체의 유동여부 및 유동방향을 조절하기 위한 복수의 삼방향밸브(TV11 내지 TV17)가 더 포함된다.The road surface
히트펌프 유닛(100)은 한 쌍의 열교환기, 압축기, 사방밸브, 팽창밸브 및 그 내부를 유동하는 작동유체를 구비하고, 상기 압축기의 작동에 따라 히트펌프 유닛(100)에 연결된 관로(L13, L14)를 통하여 순환되는 열매체가 상기 작동유체에 의해 가열 또는 냉각이 이루어지도록 한다.The
참고로, 작동유체로는 통상적인 냉동사이클에 사용되는 염화불화탄소(CFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소화불화탄소(HFC), 과불화탄소(PFC)와 같은 것이 사용될 수 있다.For reference, working fluids such as chlorofluorocarbons (CFCs), hydrofluorocarbons (HCFCs), hydrofluorocarbons (HFCs), and perfluorocarbons (PFCs) used in a typical refrigeration cycle may be used.
여기서, 히트펌프 유닛(100)은 본 출원인이 출원한 바 있는 국내 특허출원번호 제10-2014-0084297호(발명의 명칭: 지열 폐열을 이용한 항온항습기)에서 설명된 바와 같은 것이고, 본 발명은 히트펌프 유닛(100) 자체의 구조 및 작동을 요지로 하지 않으므로, 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 상세한 설명은 생략한다.Here, the
온도조절부(300)에는 열교환파이프(310)가 포함된다. 열교환파이프(310)의 양단부는 히트펌프 유닛(100)에 연결된 제3관로(L13) 및 제4관로(L14)에 각각 연결되어, 히트펌프 유닛(100)이 작동되면 열매체가 상기 열교환파이프(310)를 통하여 순환된다.The
열교환파이프(310)는 도시된 바와 같이 복수 개가 설치될 수 있는데, 필요에 따라 그 수가 가감될 수 있다. 열교환파이프(310)의 구조 및 작동에 대해서는 아래에서 도 2를 참조하여 설명한다.A plurality of
열저장부(500)에는 하나 이상의 열저장탱크(501)가 포함되며, 열저장탱크(501)는 지하에 매설된다. 히트펌프 유닛(100)과 열저장탱크(501)는 제1관로(L11) 및 제2관로(L12)에 의하여 연결되는데, 제1관로(L11)의 일단은 열저장탱크(501)의 상측에 연결되고 타단은 히트펌프 유닛(100)에 연결되며, 제2관로(L12)의 일단은 열저장탱크(501)의 하측에 연결되고 타단은 히트펌프 유닛(100)에 연결된다.The
제1관로(L11)에는 도시된 바와 같이 일단으로부터 타단 방향을 따라 열매체를 유동시키기 위한 제1펌프(P11). 제1삼방향밸브(TV11) 및 제5삼방향밸브(TV15)가 순차적으로 설치된다. 그리고 제2관로(L12)에는 일단으로부터 타단 방향을 따라 제2삼방향밸브(TV12) 및 제6삼방향밸브(TV16)가 순차적으로 설치된다.As shown in the figure, a first pump (P11) is provided in the first conduit (L11) to flow the heating medium from one end to the other end. A first three-way valve TV11 and a fifth three-way valve TV15 are sequentially installed. A second three-way valve TV12 and a sixth three-way valve TV16 are sequentially installed in the second conduit L12 from one end to the other end.
열저장탱크(501)가 지하여 매설되는 것은 지열을 이용하기 위한 것으로, 계절의 변화 등에 따른 기온의 변화에도 불구하고 연중 일정한 온도가 유지되거나 온도의 변화가 작은 지중에 열저장탱크(501)를 설치함으로써 지열에 의해 온도가 조절되도록 하기 위한 것이다.The
예를 들어, 지하 10m 정도의 깊이에서는 연중 온도가 섭씨 10 내지 12도 범위 내에서 유지되는 것으로 알려져 있으므로, 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 장치(1)가 작동되는 중 열매체가 열저장탱크(501) 내에 머물러 있거나 통과하여 유동되는 과정에서 열매체의 온도가 지중의 온도에 가깝게 조절될 수 있다.For example, at a depth of about 10 m underground, it is known that the annual temperature is maintained within the range of 10 to 12 degrees Celsius. Therefore, when the heat medium in which the road surface
자세히 도시되지는 않았으나, 열저장탱크(501)의 내부에는 열매체가 저장되거나 유동될 수 있는 공간이 형성되어 제1관로(L11)를 통하여 열저장탱크(501)의 하측으로 유입된 열매체가 열저장탱크(501)의 내부를 거쳐 상측으로 이동된 후 제2관로(L12)를 통하여 유출되는 구조를 갖는다.Although not shown in detail, a space is formed in the
이때 열저장탱크(501)의 내부에는 열매체의 온도가 지중의 온도와 동일하거나 근접하는 온도까지 신속하게 변화될 수 있도록 하기 위하여 다공성의 투과층이 형성되도록 할 수 있다. 투과층은 알갱이 형상의 열저장재를 다량 적층시켜서 이들 사이에 형성된 공극에 의해 열매체가 저장 또는 유동되도록 할 수 있다. 이러한 알갱이 형상의 열저장재로는 자갈과 같은 자연물 또는 열전도성이 높고 비열이 크도록 인공적으로 제조된 것이 사용될 수 있다.At this time, a porous permeable layer may be formed inside the
열저장탱크(501)가 지하에 설치되는 깊이가 깊어지거나 열저장탱크(501)의 규모가 커질수록 설치에 소요되는 비용은 증가되는 반면 지상의 기온변화와 상관없이 열매체가 일정한 온도범위에 이르도록 하는 효과가 커질 수 있다.As the depth of the
이에 따라 열교환파이프(310)를 가열 또는 냉각시키기 위하여 히트펌프 유닛(100)이 작동될 때 동절기에는 열저장탱크(501)로부터 기온보다 높은 온도의 열매체를 공급받을 수 있고, 하절기에는 기온보다 낮은 온도의 열매체를 공급받을 수 있으므로, 히트펌프 유닛(100)의 작동에 소요되는 에너지가 절약되는 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, when the
참고로, 제1 내지 제19관로(L11 내지 L19)를 통하여 히트펌프 유닛(100)과 열저장탱크(501) 사이를 순환하는 열매체로는 에틸렌글리콜이나 알코올 등이 물에 포함된 부동액 등이 사용될 수 있는데, 이는 동절기에 열매체가 결빙되는 것을 방지하기 위한 것이다.For reference, as the heat medium circulating between the
외부열공급수단에는 집열패널(700), 관로(LS11, LS12) 및 펌프(14)가 포함되며, 집열패널(700)은 관로(LS11, LS12)에 의해 아래에서 설명할 열교환모듈(710)과 열매체가 순환되도록 연결된다. 참고로, 태양열집열부에 포함된 열매체 또한 동절기에 결빙되지 않도록 에틸렌글리콜이나 알코올 등이 물에 포함된 부동액이나 열매체유 등이 사용될 수 있다.The external heat supply means includes a
집열패널(700)은 태양열을 수집하여 내부를 유동하는 열매체가 가열되도록 하고, 펌프(P14)는 열매체를 순환시켜 집열패널(700)에 수집된 태양열이 열교환모듈(710)로 전달되도록 한다.The
여기서, 집열패널(700)은 태양열을 활용하는 경우를 상정한 것으로, 풍차 또는 수차 등에 의해 수집된 에너지를 열로 변환시키는 수단 등으로 대체될 수 있다.Here, the
즉, 집열패널(700)은 지열히트펌프를 이용한 도로 온도조절 시스템(1)이 설치되는 지역에서 얻기 용이한 열원으로 대체될 수 있는데, 이는 본 실시예가 작동될 때 소요되는 에너지가 절감되도록 하는 효과 외에도 전력수급이 불안정한 도서지방이나 산간오지에서 용이하게 에너지를 획득할 수 있도록 하기 위한 것이다.That is, the
열교환모듈(710)은 상술한 바와 같은 집열패널(700)로부터 전달된 열이 히트펌프 유닛(100) 등으로 순환되는 열매체로 전달되도록 하기 위한 것으로, 열교환모듈(710)에는 제7관로(L17) 및 제8관로(L18)가 연결된다.The
즉, 도시된 바와 같이 제7관로(L17)의 일단은 제5삼방향밸브(TV15)에 연결되고 타단은 열교환모듈(710)에 연결되고, 제8관로(L18)의 일단은 제6삼방향밸브(TV16)에 연결된다.That is, one end of the seventh channel L17 is connected to the fifth three-way valve TV15, the other end is connected to the
본 실시예에는 제7관로(L17)에 설치된 제7삼방향밸브(TV17)와, 일단은 제2관로(L12)의 제6삼방향밸브(TV16) 및 열저장탱크(501) 사이에 연결되고 타단은 상기 제7삼방향밸브(L17)에 연결된 제9관로(L19)가 더 포함된다.In this embodiment, a seventh three-way valve TV17 provided on the seventh channel L17 and one end connected between the sixth three-way valve TV16 and the
그리고, 제3관로(L13)에는 제3삼방향밸브(TV13)가 설치되고 제4관로(L14)에는 제4삼방향밸브(TV14)가 설치되며, 양단이 제1삼방향밸브(TV11)와 제3삼방향밸브(TV13)에 연결되고 중간 부분에는 제3펌프(P13)가 설치된 제5관로(L15) 및 양단이 제2삼방향밸브(TV12)와 제4삼방향밸브(TV14)에 연결된 제6관로(L16)가 더 포함된다.A third three-way valve TV13 is provided in the third pipe L13 and a fourth three-way valve TV14 is provided in the fourth pipe L14. Both ends of the third three-way valve TV14 are connected to the first three- A fifth conduit L15 connected to the third three-way valve TV13 and having a third pump P13 at the middle portion thereof and a fifth conduit L15 connected at both ends to the second three-way valve TV12 and the fourth three- The sixth conduit L16 is further included.
이들의 작동에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.Their operation will be described below again.
도 2에는 도 1에 도시된 열교환부의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.Fig. 2 is a view for explaining the structure of the heat exchanging part shown in Fig.
도 2를 참조하면, 상술한 열교환파이프(310)는 도로(900)의 표층(930) 내에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 2, the
포장된 도로(900)에는 기층(910) 및 표층(930)이 포함된다. 여기서, 기층(910)은 지반위에 형성되어 표층(930)을 견고하게 지지하는 층을 지칭하고, 표층(930)은 상술한 바와 같이 아스팔트나 콘크리트로 이루어져 차량의 타어어 등과 직접 접하는 부분을 지칭한다.The packed
통상 표층(930)은 복수 회 아스팔트 등의 재료를 적층하여 이루어지는데, 열교환파이프(310)는 표층(930)을 형성하는 과정에 설치되어 완성된 도로의 표층 내에 배치되도록 한다.Usually, the
이때 열교환파이프(310)는 도시된 바와 같이 복수 개가 설치될 수 있으며, 온도를 조절하고자 하는 도로(900)의 길이에 따라 그 수가 가감될 수 있다.At this time, a plurality of
앞에서 설명한 바와 같이, 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)의 작동에 따라 열교환파이프(310)는 표층(930)을 가열 또는 냉각할 수 있다.As described above, according to the operation of the road surface
예를 들어, 동절기에 표층(930)이 상면에 눈이 쌓이거나 수분이 결빙되어 빙판이 형성된 상황일 경우, 열교환파이프(310)를 통하여 가열된 열매체가 유동되도록 함으로써 눈이나 결빙된 수분이 융해되도록 할 수 있다.For example, in the case where the
참고로 지속적으로 눈이 내리거나 융해된 물이 다시 결빙되지 않도록 하고자 할 경우에는 열교환파이프(310)가 표층(930)의 온도가 영상으로 유지되도록 하여 표층(930)에 접촉된 눈이나 수분이 즉시 융해되도록 함으로써 도로(900)에 빙판이 형성되는 것이 방지되도록 할 수 있다.The temperature of the
한편, 하절기와 같이 일조량이 매우 많은 경우에는 표층(930)이 상당히 높은 온도로 가열될 수 있다. 이때 표층(930)이 아스팔트로 이루어진 경우에는 높은 온도에 의해 강도가 낮아질 수 있다. 표층(930)의 강도가 낮아졌을 때 무거운 하중의 화물차 등이 도로(900)를 통행할 경우, 낮아진 강도의 표층(930)에 반복적인 변형이 유발되어 표층(930)의 내구연한이 짧아질 수 있다.On the other hand, when the amount of sunshine is very large as in the summer, the
그러므로, 표층(930)의 온도가 과도하게 상승된 경우에는 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)이 열교환파이프(310)를 통하여 냉각된 열매체가 유동되도록 작동되어 표층(930)이 적절한 온도까지 냉각되도록 함으로써 표층(930)의 강도가 유지되도록 할 수 있다.Therefore, when the temperature of the
참고로, 도시되지는 않았으나, 표층(930)의 온도는 열교환파이프(310)와 함께 표층(930)내에 온도센서를 설치하여 측정되도록 할 수 있다.For reference, although not shown, the temperature of the
한편, 열교환파이프(310)는 도로의 형상에 따라 적절한 형상으로 구부러질 수 있어야 하므로 가요성을 가질 수 있어야 한다. 그리고 상술한 바와 같이 표층(930)은 기온에 따라 팽창 및 수축되므로, 열교환파이프(310) 또한 표층(930)과 함께 팽창 및 수축되는 신축성을 가질 수 있어야 한다.On the other hand, the
따라서, 열교환파이프(310)는 내화학성, 내후성, 가요성 및 신축성이 높은 폴리에틸렌과 같은 합성수지 또는 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재로 제조될 수 있으며, 주름관 형상으로 형성될 수 있다.Therefore, the
이하, 도 1, 도 3 내지 도 7을 참조하여 상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예의 작동을 설명한다.Hereinafter, the operation of one embodiment of the present invention having the structure as described above with reference to Figs. 1, 3 to 7 will be described.
다시 도 1을 참조하면, 히트펌프 유닛(100)이 지열을 이용하여 작동될 경우 열매체의 흐름이 화살표로 표시되어 있다.Referring again to FIG. 1, when the
히트펌프 유닛(100)의 압축기, 제1펌프(P11) 및 제2펌프(P12)가 작동되면, 히트펌프 유닛(100)으로부터 제4관로(L14)를 따라 가열된 열매체가 유출된다. 이때 제4삼방향밸브(TV14)는 열매체가 제6관로(L16)로는 유입되지 않도록 조절된다.When the compressor of the
제4관로(L14)를 통하여 유동되는 가열된 열매체는 열교환파이프(310)를 거친 후 제3관로(L13)로 유동되며, 제2펌프(P12)의 작동에 의해 다시 히트펌프 유닛(100)으로 유입된다. 이때 제3삼방향밸브(TV13)는 열매체가 제5관로(L15)로는 유동되지 않도록 조절된다.The heated heating medium flowing through the fourth conduit L14 flows to the third conduit L13 after passing through the
상술한 과정에서 열교환파이프(310)로 유입된 열매체는 도로(900)의 표층(930)을 가열시키면서 냉각되므로, 표층(930)은 가열되고 열매체는 상대적으로 냉각된다.In the process described above, the heating medium introduced into the
냉각된 열매체는 히트펌프 유닛(100)에서 다시 가열되어 열교환파이프(310)로 유동되는 과정이 반복되면서 표층(930)의 온도가 상승되도록 하는데, 표층(930)에는 도시되지 않은 온도센서 또는 결빙상태를 감지할 수 있는 수단 등이 설치되어 표층(930) 상의 눈이나 결빙이 융해되어 제거될 때가지 열교환파이프(310)이 가열이 지속되도록 할 수 있다.The cooled heat medium is heated again in the
한편, 제1펌프(P11)가 작동됨에 따라 열저장탱크(501) 내에 있던 열매체가 제1관로(L11)를 거쳐 히트펌프 유닛(100)으로 유입되고, 히트펌프 유닛(100)을 거치면서 냉각된 열매체는 제2관로(L12)를 거쳐 열저장탱크(501)로 유입된다.As the first pump P11 is operated, the heat medium in the
이를 위하여, 제1삼방향밸브(TV11) 및 제5삼방향밸브(TV15)는 열매체가 제1관로(L11)를 통해서만 유동되도록 조절되고, 제2삼방향밸브(TV12) 및 제6삼방향밸브(TV16)은 열매체가 제2관로(L12)를 통해서만 유동되도록 조절된다.For this purpose, the first three-way valve TV11 and the fifth three-way valve TV15 are controlled so that the heating medium flows only through the first conduit L11, and the second three-way valve TV12 and the sixth three- (TV16) is adjusted so that the heating medium flows only through the second conduit L12.
제1관로(L1)를 통하여 히트펌프 유닛(100)으로 유입된 열매체는 열저장탱크(501) 내에 머무르는 동안 지열과 같거나 유사한 온도를 갖게 된다.The heating medium flowing into the
따라서 표층(930)보다는 상대적으로 높은 온도, 즉 지열에 의한 에너지를 갖게 된다. 히트펌프 유닛(100)은 제3관로(L13)를 통하여 유입되는 냉각된 열매체를 가열하여 제4관로(L14)로 유출시키는 데에 이 지열에너지를 활용하게 되므로, 히트펌프 유닛(100)이 사용하는 에너지가 절감될 수 있다.Therefore, it has relatively higher temperature than the
이 과정에서 제1관로(L11)를 통하여 유입된 열매체는 다시 냉각된 후 제2관로(L12)를 통하여 유출되고, 이 냉각된 열매체는 열저장탱크(501)로 유입된다.In this process, the heating medium flowing through the first conduit L11 is cooled again and flows out through the second conduit L12, and the cooled heating medium flows into the
상술한 바와 같이 제1관로(L11)는 열저장탱크의 상측에 연결되고 제2관로(L12)는 열저장탱크(501)의 하측에 연결된다. 냉각된 열매체가 열저장탱크(501)의 하측으로 유입된다. 냉각된 열매체는 열저장탱크(501)의 하측으로부터 상측으로 이동되는 과정에서 상술한 바와 같은 투과층을 거치면서 주변의 지열을 흡수하여 온도가 상승된다.The first conduit L11 is connected to the upper side of the heat storage tank and the second conduit L12 is connected to the lower side of the
그런데 열저장탱크(501) 내로 냉각된 열매체가 유입되며 지열에 의해 온도가 상승된 열매체가 지속적으로 유출되는 과정이 장시간 지속될 경우, 유출되는 열매체의 온도가 점차 낮아질 가능성이 있다.However, if the heat medium that has been cooled into the
이를 방지하기 위해서는 열저장탱크(501)의 용적을 증가시키거나, 열저장부(500)에 포함된 열저장탱크(501)의 수를 증가시키거나, 외부의 에너지를 활용할 수 있다.To prevent this, the volume of the
도 3에는 상술한 집열패널(700)에 의해 수집된 태양열을 활용하는 경우가 예시되어 있다.FIG. 3 illustrates a case in which solar heat collected by the above-described
도 3을 참조하면, 제5삼방향밸브(TV15)가 조절되어 열교환모듈(710)로부터 유출되는 열매체가 제1관로(L11)를 거쳐 히트펌프 유닛(100)으로 유입되고, 제6삼방향밸브(TV16)가 조절되어 히트펌프 유닛(100)으로부터 유출되는 냉각된 열매체가 제2관로(L12) 및 제8관로(L18)를 거쳐 열교환모듈(710)로 유입된다.3, the fifth three-way valve TV15 is controlled so that the heat medium flowing out of the
이는 일조량이 충분할 경우를 상정한 것으로, 집열패널(700)에 의해 수집된 태양열이 여기에 연결된 관로(LS11, LS12) 및 펌프(P14)에 의해 열교환모듈(710)로 전달된 후 열매체를 통하여 히트펌프 모듈(100)로 전달되도록 한 것이다.The solar heat collected by the
따라서, 열매체를 통하여 히트펌프 유닛(100)으로 공급되는 태양열에 의해 열교환파이프(310)를 가열시키기 위하여 히트펌프 유닛(100)이 작동되는 데에 소요되는 에너지가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.Therefore, the energy required to operate the
도 4에는 본 실시예가 태양열 및 지열을 모두 활용하는 경우를 예시한 것이다.FIG. 4 illustrates the case where the present embodiment utilizes both solar heat and geothermal heat.
도 4를 참조하면, 제6삼방향밸브(TV16)는 제2관로(L12)를 거쳐 유동되는 열매체가 열교환모듈(710)로 유입되도록 조절되고, 제7삼방향밸브(TV17)는 열교환모듈(710)로부터 유출되는 열매체가 제9관로(L19) 및 제2관로(L12)의 일부를 거쳐 열저장탱크(501)로 유입되도록 조절된다.4, the sixth three-way valve TV16 is controlled so that the heating medium flowing through the second conduit L12 flows into the
따라서, 집열패널(700)에 의해 수집된 태양열이 열교환모듈(710)로 공급되고, 이 열에 의해 온도가 상승된 열매체는 다시 열저장탱크(501)를 거친 후 히트펌프 유닛(100)으로 유입된다.Accordingly, the solar heat collected by the
따라서, 히트펌프 유닛(100)은 지열 및 태양열을 모두 활용하게 되므로 작동에 소요되는 에너지가 더욱 절감되는 효과를 얻을 수 있다.Therefore, since the
이 과정에서 열교환모듈(710)로부터 열저장탱크(501)로 유입되는 열매체의 온도가 열저장탱크(501) 내부의 온도보다 더 높을 수도 있다, 이럴 경우, 열매체가 열저장탱크(501)를 거치는 과정에서 주변의 토양 및 상술한 열저장재의 온도가 상승되어 태양열로부터 얻은 에너지가 저장되는 효과를 얻을 수 있다.In this case, the temperature of the heat medium flowing into the
즉, 태양열은 주간이면서 기상 조건이 양호할 때에 얻을 수 있으므로, 야간이나 악천후를 대비하여 태양열로부터 얻은 에너지가 열저장탱크(501)에 축적되도록 할 수 있다.That is, since the solar heat can be obtained when the daytime and the weather condition are good, the energy obtained from the solar heat can be accumulated in the
열저장탱크(501)에 충분한 열에너지가 축적된 경우에는 이를 활용하여 히트펌프 유닛(100)을 작동시키지 않고도 열교환파이프(310)가 가열되도록 할 수 있는데, 이에 대해서는 도 5를 참조하여 설명한다.When sufficient heat energy is accumulated in the
도 5를 참조하면, 제5관로(L15)에 설치된 펌프(P13)가 작동되고, 제1삼방향밸브(TV11) 및 제3삼방향밸브(TV13)는 열저장탱크(501)로부터 유동되어 오는 열매체가 제5관로(L15)를 거쳐 열교환파이프(310)로 유입되도록 각각 조절된다. 그리고 제2삼방향밸브(TV12) 및 제4삼방향밸브(TV14)는 열교환파이프(310)를 거친 열매체가 제6관로(L16)를 거쳐 열저장탱크(501)로 유입되도록 각각 조절된다.5, the pump P13 installed in the fifth conduit L15 is operated, and the first three-way valve TV11 and the third three-way valve TV13 flow from the
이때, 히트펌프 유닛(100), 제1펌프(P11) 및 제2펌프(P12)에 공급되는 전력은 차단되어 이들은 작동하지 않는다.At this time, the electric power supplied to the
이와 같은 작동에 의해, 열저장탱크(501)에 저장되어 있던 열에너지를 활용하여 열교환파이프(310)로 이 열에너지가 전달되어 활용되도록 할 수 있으며, 이에 따라 히트펌프 유닛(100) 및 펌프들(P11, P12)을 작동시키는 데에 소요되는 에너지가 절감될 수 있다.The heat energy stored in the
한편, 일조량이 충분할 경우에는 도 6과 같이 집광패널(700)에 의해 수집된 태양열이 열교환파이프(310)로 전달되도록 할 수도 있다.On the other hand, when the amount of sunshine is sufficient, the solar heat collected by the condensing
즉, 도 6에 도시된 바와 같이 제1삼방향밸브(TV11), 제3삼방향밸브(TV13) 및 제5삼방향밸브(TV15)를 조절하여 열교환모듈(710)로부터 유출되는 열매체가 제7관로(L17), 제1관로(L11)의 일부, 제5관로(L15) 등을 거친 후 열교환파이프(310)에 공급되도록 할 수 있다.6, the heating medium flowing out of the
그리고, 제2삼방향밸브(TV12), 제4삼방향밸브(TV14) 및 제6삼방향밸브(TV16)를 각각 조절하여 열교환파이프(310)를 거친 열매체가 제6관로(L16), 제2관로(L12)의 일부 및 제8관로(L18)를 거쳐 다시 열교환모듈(710)로 유입되도록 할 수 있다.The second three-way valve TV12, the fourth three-way valve TV14 and the sixth three-way valve TV16 are respectively regulated so that the heat medium passing through the
도 7에는 일조량이 다소 부족하여 지열을 동시에 활용하고자 하거나, 태양열로부터 얻은 에너지가 열저장탱크(501)에 축적되도록 하는 경우가 예시되어 있다.7 shows a case in which the amount of sunshine is somewhat insufficient to utilize the geothermal heat at the same time, or the energy obtained from the solar heat is accumulated in the
즉, 열매체가 도시된 방향으로 유동될 수 있도록 제1 내지 제7삼방향밸브를 조절하고, 제3펌프(P13)를 작동시키면, 열매체가 열교환모듈(710), 열저장탱크(501) 및 열교환파이프(310) 사이에서 순환될 수 있다.That is, when the first to seventh three-way valves are adjusted so that the heating medium can flow in the illustrated direction and the third pump P13 is operated, the heating medium is circulated through the
앞에서 설명한 바 있으나, 집열패널(700)은 수차, 풍차 외에도 본 실시예(1)가 설치되는 지역적인 특성에 따라 조력이나 파력 등의 자연에너지를 활용하도록 구성할 수 있다. 이와 같이 자연에너지를 활용할수록 본 히트펌프 유닛(100)이 소모하는 에너지가 절약되는 효과를 얻을 수 있으며, 전력수급이 불안정한 지역에도 본 실시예(1)를 설치할 수 있는 장점이 있다.The
참고로, 이상 설명한 본 실시예(1)의 작동은 열교환파이프(310)를 가열하여 도로(900)의 표층(930)을 가열하는 경우를 상정한 것으로, 히트펌프 유닛(100) 및 펌프(P11 내지 P13)의 작동방향을 조절하면 열교환파이프(310)에 의한 표층(930)의 냉각도 가능하다.The operation of the
즉, 앞에서 언급했던 바와 같이 일광 등에 의해 표층(930)의 온도가 과도하게 상승되어 표층(930)의 강도가 저하될 우려가 있을 경우, 열교환파이프(310)에 의해 표층(930)의 온도가 미리 정해진 온도보다 상승되지 않도록 할 수 있다. 이에 따라 하절기 등에도 차량의 통행에 의한 표층(930)의 변형이나 파손을 최소화하여 도로(900)의 수명이 연장되도록 할 수 있다.That is, when the temperature of the
또한, 열교환파이프(310)를 주거용 건축물, 비닐하우스 또는 온실과 같은 농업용 건축물에 설치할 경우, 본 실시예(1)를 이용하여 냉난방에 소요되는 에너지가 절약되는 효과 및 전력수급이 불안정한 곳에서도 안정적인 냉난방을 행할 수 있다.In addition, when the
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 지열히트펌프를 이용한 온도조절 시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed embodiments, Other embodiments may easily be proposed by adding, changing, deleting, adding, or the like of components within the scope of the present invention, but this also falls within the scope of the present invention.
1: 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템
100: 히트펌프 유닛 300: 온도조절부
310: 열교환파이프 500: 열저장부
501: 열저장탱크 700: 집열패널
710: 열교환모듈 900: 도로
910: 기층 930: 표층
L11 내지 L19: 제1 내지 제9관로
TV11 내지 TV 17: 제1 내지 제17삼방향밸브
P11 내지 P14: 제1 내지 제4펌프1: Surface temperature control system with heat storage tank
100: Heat pump unit 300: Temperature control unit
310: Heat exchange pipe 500: Heat storage part
501: heat storage tank 700: heat collecting panel
710: Heat exchange module 900: Road
910: Base layer 930: Surface layer
L11 to L19: first to ninth conduits
TV11 to TV17: first to seventeenth three-way valves
P11 to P14: First to fourth pumps
Claims (4)
지하에 설치된 하나 이상의 열저장탱크를 갖는 열저장부;
일단은 상기 열저장탱크의 상측에 연결되고 타단은 상기 히트펌프 유닛에 연결된 제1관로;
일단은 상기 열저장탱크의 하측에 연결되고 타단은 상기 히트펌프 유닛에 연결된 제2관로;
제3관로 및 제4관로에 의해 상기 히트펌프 유닛에 연결된 하나 이상의 열교환파이프를 갖는 온도조절부;
상기 제1관로에 설치된 제1삼방향밸브 및 상기 제3관로에 설치된 제3삼방향밸브에 양단이 연결되고, 중간 부분에는 제3펌프가 설치된 제5관로;
상기 제2관로에 설치된 제2삼방향밸브 및 상기 제4관로에 설치된 제4삼방향밸브에 양단이 연결된 제6관로;
상기 제1관로의 상기 제1삼방향밸브와 상기 열저장탱크 사이의 위치에 설치된 제5삼방향밸브;
상기 제2관로의 상기 제2삼방향밸브와 상기 열저장탱크 사이의 위치에 설치된 제6삼방향밸브;
열교환모듈;
상기 열교환모듈에 열을 공급하는 외부열공급수단;
일단은 상기 제5삼방향밸브에 연결되고 타단은 상기 열교환모듈에 연결된 제7관로;
일단은 상기 제6삼방향밸브에 연결되고 타단은 상기 열교환모듈에 연결된 제8관로;
일단은 제2관로의 상기 제6삼방향밸브 및 상기 열저장탱크 사이에 연결되고 타단은 상기 제7삼방향밸브에 연결된 제9관로;를 포함하고,
상기 외부열공급수단은 상기 열교환모듈에 연결되고 태양열을 수집하는 집열패널을 포함하고,
상기 열교환파이프는 포장된 도로의 표층 내에 배치된
태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템.
A heat pump unit having a pair of heat exchangers, a compressor, a four-way valve, and an expansion valve;
A heat storage unit having one or more heat storage tanks installed underground;
A first conduit having one end connected to the upper side of the heat storage tank and the other end connected to the heat pump unit;
A second conduit having one end connected to the lower side of the heat storage tank and the other end connected to the heat pump unit;
A temperature regulator having at least one heat exchange pipe connected to the heat pump unit by a third duct and a fourth duct;
A fifth conduit having both ends connected to a first three-way valve installed in the first conduit and a third three-way valve installed in the third conduit, and a third pump installed in the middle portion;
A sixth conduit connected at both ends to a second three-way valve installed in the second conduit and to a fourth three-way valve installed in the fourth conduit;
A fifth three-way valve installed at a position between the first three-way valve of the first conduit and the heat storage tank;
A sixth three-way valve installed at a position between the second three-way valve of the second conduit and the heat storage tank;
Heat exchange module;
External heat supply means for supplying heat to the heat exchange module;
A seventh conduit having one end connected to the fifth three-way valve and the other end connected to the heat exchange module;
An eighth conduit having one end connected to the sixth tri-directional valve and the other end connected to the heat exchange module;
And a ninth conduit connected at one end between the sixth three-way valve and the heat storage tank of the second conduit and at the other end connected to the seventh three-way valve,
Wherein the external heat supply unit includes a heat collecting panel connected to the heat exchange module and collecting solar heat,
The heat exchange pipe is disposed within the surface layer of the packed road
Surface temperature control system using solar and geothermal heat pumps.
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