KR-102960018-B1 - VERTICAL CLOSED-TYPE GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER

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Abstract

본 발명은 수직밀폐형 지중 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동배관의 외측면에 4mm 내지 6mm 간격의 격자 사선의 미세홈을 포함한 열교환배관부와 열교환배관부를 한 쌍으로 구비하여 상기 열교환배관부의 하부에 설치되는 완충부 및 열교환배관부와 완충부를 일체로 결합하고 지중의 보어홀에 연통되게 설치된 케이싱을 통해 보어홀에 인입되는 스페이서부를 포함하는 수직밀폐형 지중 열교환기에 관한 것이다.

Inventors

한진석
한수민

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20250826

Claims (5)

동배관의 외측면에 4mm 내지 6mm 간격의 격자 사선의 미세홈 및 상기 동배관의 단면을 3로브, 4로브 중 어느 하나의 코일형태로 롤링성형한 열교환배관부; 상기 열교환배관부를 한 쌍으로 구비하여 상기 열교환배관부의 하부에 설치되는 완충부; 및 상기 열교환배관부와 상기 완충부를 일체로 결합하고 지중의 보어홀에 연통되게 설치된 케이싱을 통해 상기 보어홀에 인입되는 스페이서부를 포함하고, 상기 열교환배관부는 상기 미세홈 및 상기 롤링성형에 의해 상기 동배관 내부의 열교환 표면적을 늘리고 열전도율을 높임으로써, 상기 동배관의 내부를 이동하는 유체의 와류 및 상기 동배관의 강도를 가질 수 있게 유도 한 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중 열교환기.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 완충부는 상기 열교환배관부의 하부에 연통하는 한 쌍의 홀과 상기 홀을 연통하는 U형상의 U밴드; 및 상기 U밴드의 중앙에 연통되게 결합된 워터햄머방지기를 더 포함하는 수직밀폐형 지중 열교환기.
제 1 항에 있어서, 상기 스페이서부는 길이방향으로 연장되고 일면에 상기 동배관을 한 쌍으로 배치하거나 양면에 상기 동배관을 두 쌍으로 배치하여 일측이 지중으로 매설되는 강판부; 상기 강판부의 일면의 중앙에 길이를 따라 관통된 홀을 복수개로 배치한 톱니홀; 및 상기 케이싱의 내측면에 위치하고 상기 톱니홀에 대응하여 상기 강판부의 양면에 수직하게 복수개로 배치된 기어부를 더 포함하는 수직밀폐형 지중 열교환기.
제 4 항에 있어서, 상기 스페이서부는 상기 열교환배관부를 상기 강판부에 견고하게 위치시키는 고정부재를 복수개로 구비하여 상기 열교환배관부의 일직선을 기준으로 상기 고정부재를 경사방향으로 결합한 고정부를 더 포함하는 수직밀폐형 지중 열교환기.

Description

수직밀폐형 지중 열교환기{VERTICAL CLOSED-TYPE GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER} 본 발명은 수직밀폐형 지중 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 순환 폐회로방식에 의해 지열사용의 효율성과 안정성을 높일 수 있는 수직밀폐형 지중 열교환기에 관한 것이다. 일반적으로 가정 및 사무실에서 실내온도를 조절하기 위하여 냉방이나 난방을 하고 있다. 이러한 냉난방을 위해서 화석연료를 사용하거나, 화석연료를 사용하여 생산된 전기에너지를 주로 사용하게 된다. 그러나 전술한 화석연료는 연소과정에서 각종 공해 물질을 발생시키는 단점이 있어, 근래에는 대체 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 대체 에너지원으로는 태양열, 지열, 풍력 등을 주로 사용하며, 특히 지열은 태양에너지가 지표면에 축적된 에너지로 지구 심층부에서 발산되어 지표면에 방출된다. 이러한 지열을 이용한 열교환 시스템은 열교환기가 지중에 삽입되는 형상에 따라 수직 밀폐형, 수평 밀폐형, 지하수형, 저수지형(코일형) 등의 종류로 현재 상용되고 있다. 전술한 바와 같이 히트펌프 시스템은 지표면으로부터 지하로 Nm 에서 N㎞ 깊이에 존재하는 뜨거운물(온천)과 돌(마그마)을 포함하여 땅이 가지고 있는 에너지를 이용하는 기술로 히트펌프 기기를 이용한 건축물의 냉·난방 및 온수 생성에 이용된다. 또한, 지열 히트펌프 시스템은 연중 온도가 일정한 지하수(Ground Water), 지표수(Surface Water) 및 지중(약300m 이내)을 냉방시에는 실내열을 흡수하여 지중으로 방출하는 히트싱크이다. 그리고 난방시에는 지중열을 흡수하여 실내로 방출시키는 히트소스로 이용하여 건축물의 냉/난방을 동시에 가능하도록 하는 복합형 시스템이다. 이러한 종래기술의 열교환기는 지중 300m 이내로 천공된 홀에 고밀도 폴리에틸렌 재질의 U자형 파이프 또는 코일형 파이프의 열교환기를 설치하고, 상기 설치된 파이프에 유체를 순환시켜 지중과의 열교환을 통하여 냉, 난방에 필요한 에너지를 수급하게 된다. 그러나 종래기술의 열교환기는 파이프의 길이와 지열과 접촉되는 면적에만 의존하여 천공 홀의 깊이와 파이프의 개수가 정해지는 문제가 있다. 또한, 큰 용량의 에너지원을 수급하기 위해서 파이프의 길이가 300m 이상으로 길어지고 다수개의 파이프가 필요로 하여 파이프를 매설하기 위한 천공 홀의 깊이와 폭이 넓어져야 한다. 특히, U자형 파이프를 매설시 천공의 깊이와 너비가 동시에 커져 천공비용이 높아지고 열교환기를 삽입할 수 있는 시공부지 선정이 어렵게 된다. 또한, 깊은 깊이로 인해 파이프를 매설 후 수리를 하기에 어려운 문제점이 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 예시도. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기의 열교환배관부의 3로브 및 3로브의 단면을 도시한 단면도. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기를 시공하는 상태를 도시한 예시도. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기 스페이서부에 열교환배관부를 배치한 상태를 도시한 예시도. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기에 대하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기의 구성을 개략적으로 도시한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기의 열교환배관부의 3로브 및 3로브의 단면을 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기를 시공하는 상태를 도시한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기 스페이서부에 열교환배관부를 배치한 상태를 도시한 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기(10)는 열교환배관부(100), 완충부(200) 및 스페이서부(300)를 포함한다. 보다 상세하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중 열교환기(10)는 동배관(110)의 외측면에 4mm 내지 6mm 간격의 격자 사선의 미세홈(120)을 포함한 열교환배관부(100), 열교환배관부를 한 쌍으로 구비하여 열교환배관부의 하부에 설치되는 완충부(200) 및 열교환배관부와 완충부를 일체로 결합하고 지중의 보어홀(11)에 연통되게 설치된 케이싱(12)을 통해 보어홀에 인입되는 스페이서부(300)를 포함한다. 도 1을 참조하면, 열교환배관부(100)는 150m 내지 200m 깊이의 보어홀(11)로 동배관(110)을 한 쌍으로 인입하여 매설하고 매설된 동배관(110)을 유입관, 유출관으로 하여 열교환배관 내부에 열매체를 순환되게 하여 열교환을 이루어지게 한다. 이로 인해, 주거 및 상업 등의 건물 냉난방에 필요한 에너지를 공급받기 위한 시설을 갖출 수 있게 한다. 동배관(110)은 열교환에 사용되는 배관으로 구비하여 후술하는 미세홈(120)을 형성하여 열교환 효율을 증대할 수 있게 한다. 미세홈(120)은 동배관(110)의 외측면에 4mm 내지 6mm 간격의 격자 사선의 오목한 홈을 형성하여 동배관(110)의 내부로 유입된 열매체의 열전도율을 높여 열교환을 빠르게 하는 역할을 한다. 일례로, 지중 열교환 방식에 따라 개회로 방식과 폐회로방식으로 분류된다. 먼저, 개회로 방식은 지하수 관정에 심정모터펌프를 설치하여 지상의 히트펌프로 보내어 열교환이 이뤄진 후 관정에 물을 환수하는 방식으로 하는 직접 열교환방식이다. 다음, 폐회로방식은 지열원을 얻기 위하여 지상에서 수직으로 150m 내지 200m의 깊이까지 약 150mm 지름의 크기로 천공하여 보어홀을 형성한다. 그리고 보어홀에 열매체가 순환될 수 있도록 유입관, 유출관의 2열이 1조가 되도록 열교환배관을 삽입한다. 또한, 유입관 및 유출관 최하단부위에 U밴드를 설치하여 관 내부의 열매체가 순환되도록 하여 지중의 열과 열매체가 교환할 수 있도록 배관 설비를 마친 후 그라우트 재료로 보어홀의 내부를 채운다. 이때, 본 발명의 미세홈(120)을 동배관(110)에 형성하고 동배관(110)을 유입관 및 유출관의 1조를 이루게 하여 동배관(110)의 내부로 열매체를 순환되게 한다. 순환되는 열매체는 미세홈(120)에 의해 열교환의 효율을 증대하여 전술한 폐회로 방식의 일반적인 보어홀(11)의 깊이를 짧게 하는 것이 가능하다. 다른 일례로, 수직폐회로 방식으로 지중에 매설되는 열교환배관의 길이는 300m 내지 400m에 이를 수 있다. 이러한 길이의 폐회로방식은 지중 보어홀(11)에 한번 설치되면 열교환배관의 보수를 할 수 없다. 또한, 열교환배관에 워터햄머에 대비할수 있는 신축이음 설치가 불가능한 이유는 150mm 정도의 지름밖에 되지 않는 협소한 보어홀이 원인이 될 수 있다. 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 전술한 바와 같이 본 발명은 동배관(110)에 미세홈(120)을 포함하여 지중 보어홀(11)에 인입하는 열교환배관의 길이를 150m 이하로 할 수 있게 하였다. 그리고 후술하는 3로브, 4로브로 인해 150m보다 더 짧은 길이를 실현할 수도 있다. 한편, 미세홈(120)은 도 1에 도시된 바와 같이 3로브(130), 4로브의 외주면에 형성하는 것이 가능하고, 도 2에 도시된 바와 같이 3로브(130), 4로브의 외주면에 형성하지 않는 것도 가능하다. 즉, 필요에 따라 미세홈(120) 및 3로브(130), 4로브를 혼용하거나 각각 단독으로 제조할 수 있는 것이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 열교환배관부(100)는 동배관(110)의 단면을 3로브(130), 4로브 중 어느 하나의 코일형태로 롤링성형 하여 동배관(110)의 열교환 표면적을 늘리고, 동배관(110)의 내부를 이동하는 유체의 와류를 형성할 수 있게 하는 것이 바람직하다. 여기서, 4로브는 3로브의 삼각형태에서 사각형태를 이루게 하는 것으로 여기 명세서의 도면에서 표현을 생략하였다. 그리고 열교환배관부(100)는 타원형태의 2로브로 형성하는 것도 가능하고 도면에서 표현을 생략하였다. 일례로, 3로브(130)는 삼각형의 단면의 꼬임관을 형성하여 유체역학에서의 레이놀즈 수(Re 이하 Re라고 함.)의 크기와 꼬임 피치 간격의 길이에 따른 수역학 및 열적 특성을 살펴보면, 마찰계수는 Re 수가 증가할수록 감소하고, 피치간격이 짧아지면 증가할 수 있다. Re 수가 증가하거나 피치간격이 짧아지면 와류의 강도가 증가하여 꼬임관의 너셀 수(nusselt number (Nu 이하, Nu 수라고 함.))가 증가할 수 있다. 다시 설명하면, 꼬임관 내부 Re 수의 증가에 따라 소용돌이 와류가 활성화되어 벽면과 중심부 간의 열 혼합이 활성화되고 열 경계층 두께가 얇아져 열전달이 촉진되면서 평균 Nu 수는 증가한다. 특히, Re 수가 증가하면 압력 강하량은 증가하지만, 유체의 관성력은 평균속도의 제곱에 비례하므로 마찰계수의 크기는 오히려 감소할 수 있다. 이때, 동배관(110)의 꼬임관 피치가 관 지름이 3D일 때 Nu 수가 가장 큰 값을 나타내며 Re 수가 증가함에 따라 열경계층의 두께가 얇아져 Nu 수가 증가한다. (여기서, 3D는 3배수를 뜻하는 것으로 예를 들어 관 지름을 10mm라고 할 때, 관 지름의 3배인