KR101055977B1 - 지열 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중에 형성된 관정(1)과, 상기 관정(1)에 설치된 열교환용 파이프(2)와, 상기 열교환용 파이프(2)의 상부에 설치된 상부캡(10)과, 상기 상부캡(10)의 일측에 연결된 입수관(20)과, 상기 입수관(20)과 연결되며 열교환용 파이프(2)의 내부에 설치된 순환용 관(30)과, 상기 순환용 관(30)의 외부에 일정간격 이격되어 지그재그로 설치된 다수개 설치된 고정날개(35)와, 상기 상부캡(10)의 다른 일측에 연결된 출수관(40)으로 구성된 지열 열교환기에 관한 것이다.

지열 열교환기.

Description

지열 열교환기 {heat exchanger of Geothermal Energy}

본 발명은 지열 및 지하수공의 내부케이싱 설치구조를 개량하여 높은 열교환 효율을 얻을 있도록 한 지열 열교환기에 관한 것이다.

지열을 이용하는 냉난방시스템은 냉난방 방식 중에서 가장 효율이 높고, 환경 친화적인 방법으로 알려져 있으며 지구온난화를 유발하는 이산화탄소 배출 절감을 위한 방안 중에서 가장 경제적이고 효과적인 방법으로 인식되고 있다.

지열이라 함은 지표면의 하부에 분포되어 있는 토양과 암석이 태양복사열 이나 지구 내부의 마그마 열 때문에 보유하고 있는 열을 의미한다.

지표면 하부의 특정 심도의 지열은 연중 일정한 온도를 유지하고 있으며,

지하수가 풍부한 곳에서는 지하수의 수온을 이용하고 지하수의 산출성이 빈약한 곳에서는 순수한 토양과 암석 자체가 보유하고 있는 지열을 건물의 냉,난방에 사용하고 있다.

지열을 이용하여 냉난방의 에너지로 활용하기 위한 방법으로는, 지반내 일정깊이에 관을 매설하고 그 관속에 냉매를 강제 순환시켜 냉매가 순환되는과정 중 지반내에서 흡수한 열에너지를 냉난방 에너지로 활용하는 매설식 방법과, 암반을 일 정깊이로 천공한 후 그곳에 공내시설물(수중펌프,파이프,모타전선 등)을 설치하여 천공된 관정내 집수된 지하수를 지상으로 끌어 올려 열교환 과정을 마친 지하수를 순환관을 통해 관정 내부로 다시 유입시키는 그러한 과정 중 흡수된 열에너지를 이용하여 냉난방 시스템의 에너지로 활용한 방법이 있다.

상기 지하수를 열원으로 이용한 방법은 전술한 관 매설식 방법에 비해 열에너지를 효율적으로 이용할 수 있다는 장점이 있어서 최근 주로 이용되고 있다.

지하수를 열원으로 이용한 방법은 수중펌프를 통해 지하수를 강제 이송시켜 열교환을 통해 하절기에는 실내를 냉각하고 동절기에는 실내를 난방토록 한 지열 열교환기가 최근에 많이 등장하기 시작하였다.

예를 들면, 특허등록공보 등록번호 제10-0798127호에는 지하수층과 연락하는 지열공과, 상부에 직경보다 크게 형성된 보호관부를 갖고 상기 지열공에 장입되는 지하수 흡입관과, 상기 보호관부 안에 설치되어 상기 지하수 흡입관을 통해서 지하수를 양수하기 위한 수중 모터펌프로 이루어진 지하수 양수수단;밀폐덮개를 갖는 상부만이 지상으로 노출되게 상기 지열공에 연결되어 상기 지열공의 상부를 폐쇄하는 지열공 보호관; 및상기 지열공 보호관에 설치되어 상기 수중 모터펌프를 지지함으로서 상기 지하수 흡입관을 지지함과 아울러 외부의 열교환수단을 순환하는 지하수 순환라인과도 연락하여, 상기 수중 모터펌프가 양수한 지하수를 상기 지열공 보호관의 측벽 쪽으로 배출함으로서 상기 지하수 순환라인을 지중에 배설되게 한 지하수 유도수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열공 보호 및 지하수순환장치가 기재되어 있고,

동 공보 등록번호 제10-0803351호에는 암반 또는 지하수를 통한 지중 열교환이 가능하도록 암반층 또는 대수층이 형성된 지중에 형성되는 보어홀;상기 보어홀 상에 일정 수위를 이룬 지하수의 흡입이 가능하도록 일단부가 보어홀의 하측에 위치하고 타단부가 수직 방향으로 연장 형성되되 상기 일단부상에 지하수의 흡입이 가능하도록 흡입 파이프 바디의 원주방향 상에 횡 방향으로 관통 형성된 제1 슬롯홀, 상기 제1 슬롯홀의 상측으로 이격되어 흡입 파이프의 바디 상에 구비되며 제1 슬롯홀을 통해 유입된 지하수를 끌어올리도록 설치된 양수펌프를 포함하는 흡입 파이프;상기 흡입 파이프를 통해 흡입된 지하수가 갖고 있는 열 에너지와 열교환이 이루어지는 열교환부;상기 열교환부를 통해 열교환을 실시한 지하수가 보어홀로 리턴되도록 흡입 파이프와 연결된 순환 파이프;일단이 상기 순환 파이프와 연결 설치되고 타단이 보어홀을 향해 연장 형성되며 길이 방향 상에 제2 슬롯홀이 다수 형성되어 균일 압력으로 제2 슬롯홀을 통해 지하수를 유출 가능하게 하는 토출 파이프; 및지하수 유동시 균일한 압력 유지를 위해 상기 제1,2 슬롯홀의 내, 외측 테두리 부분에 형성된 라운드부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지열에너지 이용을 위한 지중 열교환 시스템이 기술되어 있으며,

동 공보 등록번호 제10-0824419호에는 지중에 형성된 관정(1)의 내벽에 설치되는 외부 케이싱(2)과; 상기 관정 내부에 삽입되며 순환관(3)을 통해 열교환기(4)와 연결되며 지하수를 펌핑하여 상기 열교환기에 공급하는 수중펌프(5)와; 상기 수중펌프가 삽입되며 상기 관정 내부에 장착되는 내부 케이싱(6)과; 상기 내부 케이 싱과 관정 사이에 채워지는 충진재(7)를 포함하고, 상기 내부 케이싱의 둘레부에 하나 이상의 센터유지구(10)가 결합되어 상기 내부 케이싱이 상기 관정의 중심에 배치되도록 유도한다. 그리고, 상기 내부 케이싱은 다수의 단위 관들이 커플러를 매개로 하여 관이음되고 상기 커플러의 둘레부에는 상기 관정의 내벽에 지지되는 지지부가 형성되는 지열 및 지하수공의 내부케이싱 설치구조가 기술되어 있으며,

동 공보 등록번호 제10-0768064호에는 암반내 일정 깊이로 굴착된 관정으로부터 지상의 열교환기와 연관되는 배관시스템에 의해 지열에너지를 흡수하여 냉난방 에너지로 활용하는 지열을 이용한 냉난방 장치에 있어서,수중펌프(P)로부터 연장된 흡입구(10) 단부는 관정(1)내에 집수된 지하수 중 일정한 온도를 형성하는 심층 지하수를 흡입할 수 있도록 관정(1)내에서 상부측에 위치하고 있으며,지상의 열교환기(2)를 경유하는 순환관(20A,20B) 일측 끝단의 배출단측은 관정(1)의 최하단 바닥측으로 열교환과정을 마친 지하수가 유출될 수 있도록 관정 바닥면에 근접한 위치까지 길게 연장형성되되, 상기 순환관(20B)은 유연성이 있으면서 인장강도가 우수한 PE재질로 구성되며, 상기 순환관(20B) 측부에는 순환관(20B) 외주연에 등간격으로 설치되는 클램프(35)를 매개로 스테인리스 재질의 견인와이어(30)가 순환관(20B)을 따라 배치되어 관정에 위치하고 있는 순환관(20B)을 관정내에서 견인하는 한편 관정청소시에는 상기 견인와이어를 당겨 순환관(20B)의 인출이 용이하도록 된 것을 특징으로 하는 암반대수층의 지열을 이용한 열교환 순환장치가 알려져 있고,

동 공보 등록번호 제10-0820919호에는 암반 또는 지하수를 통한 지중 열교환이 가능하도록 암반층 또는 대수층이 형성된 지중의 보어홀 상에 일정 수위를 이룬 지하수의 흡입이 가능하도록 일단부가 보어홀의 하측에 위치하고 타단부가 수직 방향으로 연장 형성되되 상기 일단부상에 지하수의 흡입이 가능하도록 흡입 파이프 바디의 원주방향 상에 횡 방향으로 관통 형성된 제1 슬롯홀, 상기 제1 슬롯홀의 상측으로 이격되어 흡입 파이프의 바디 상에 구비되며 제1 슬롯홀을 통해 유입된 지하수를 끌어올리도록 설치된 양수펌프를 포함하는 흡입 파이프;상기 흡입 파이프를 통해 흡입된 지하수가 갖고 있는 열 에너지와 열교환이 이루어지는 열교환부;상기 열교환부를 통해 열교환을 실시한 지하수가 보어홀로 리턴되도록 흡입 파이프와 연결된 순환 파이프;일단이 상기 순환 파이프와 연결 설치되고 타단이 보어홀을 향해 연장 형성되며 길이 방향 상에 제2 슬롯홀이 다수 형성되어 균일 압력으로 제2 슬롯홀을 통해 지하수를 유출 가능하게 하는 토출 파이프;상기 열교환부를 경유한 지하수가 순환펌프와 연결된 히트펌프를 거치면서 열교환을 실시하되, 상기한 양수펌프를 통해 흡입되는 지하수의 온도 변화에 따른 신호를 입력받아 양수펌프의 회전수 또는 온(ON) 오프(OFF) 작동을 선택적으로 제어하고, 열교환부의 열교환 온도 상태에 따라 순환펌프를 온(ON), 오프(OFF) 제어하는 제어부; 및건축물에서 냉방이 이루어지는 영역이 일부 또는 특정 위치에 냉방을 필요로할 경우에 흡입 파이프를 통해 흡입된 지하수가 갖고 있는 저온의 열 에너지를 열교환부를 경유하여 상기한 건축물에 직접 공급하여 냉방을 실시하는 것을 특징으로 하는 지열에너지를 이용한 냉난방 및 수축열 시스템이 기술되어 있으며,

국내공개특허공보 공개번호 제10-2008-0027180호에는 지중에 형성된 다수의 지열공, 상기 지열공의 내경보다 작은 외경으로 이루어지면서 하단부에 유입공이 형성되어 둘레부에 복귀부가 형성되도록 상기 지열공들의 중앙에 삽입되는 양수관, 상기 양수관의 내부에 각각 장착되어 상기 유입공을 통해 상기 복귀부의 지하수를 펌핑하는 수중 펌프, 상기 복귀부와 연통되는 리턴관으로 이루어져 상기 양수관과 리턴관을 통해 지하수를 연속해서 순환 공급하는 지하수 순환수단과;상기 지하수 순환수단의 양수관들과 각각 연결되어 상기 양수관들에 의해 공급되는 지하수를 집수하는 공급측 매니폴드와;상기 공급측 매니폴드로부터 지하수를 공급받아 상기 지하수와 열교환하는 열교환수단과;상기 다수의 리턴관들과 연결되어 상기 열교환수단을 통과한 지하수를 상기 다수의 리턴관으로 분배하는 배출측 매니폴드를 포함하여 구성된 지열 열교환장치에 있어서,상기 다수의 지열공들 사이에는, 양단부가 상기 복귀부에 각각 유체 연통 가능하게 연결되는 수위조절관이 관이음되어 상기 지열공 내의 지하수의 유동을 안내하여 상기 지열공들 내의 지하수의 수위가 유지되는 구조인 것을 특징으로 하는 지하수의 지상 유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조가 공개되어 있음을 알 수 있다.

종래 기술은 냉각수의 열교환이 원활하지 못하여 열교환 파이프를 통과하는 동안에는 열교환효율이 떨어지므로 원하는 온도의 지하수를 공급하지 못하는 문제점이 있어 이러한 열교환효율을 높이두록 구조를 개량한 지열 열교환기를 제공하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 과제인 것이다.

본 발명은 상기 종래의 기술에 대한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 암반 및 지하수가 갖고 있는 열에너지와 최적의 열교환을 실시하도록 입수관 및 입수고나에 연결된 순환용 관의 직경이 열교환용파이프 의 직경보다 적게하고, 순환용 관의 외부 즉 열교환용 파이프 내부 정중앙에 열수를 와류로 배출시키는 날개형상의 순환용 관 고정부를 설치하여, 열수가 와류로 출수관을 통해 배출되는 동안 열효율을 극대화 하도록 하여 적은 깊이에 넓은 열접촉 단면적의 열교환기를 설치하여 열효율을 극대화 하도록 구조를 개량한 지열 열교환기를 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 과제해결 수단인 것이다.

본 발명은 입수관의 직경이 열교환용파이프 의 직경보다 적게하여, 유입되는 순환수를 열교환용 파이프에 보다 오래 머물게 하여 열교환이 많이 일어나도록 유도하였고, 입수관에 연결된 순환용 관의 외부 즉 열교환용 파이프 내부 정중앙에 열수를 와류로 배출시키는 날개형상의 순환용 관 고정부를 설치하여, 열수가 열교환용 파이프 내부에서 와류로 출수관을 통해 배출되도록 하여 열교환 시간을 장기화함과 동시에 열교환 접촉을 많이 하도록 하여, 접촉되는 면적을 높이고 지하공을 깊게 뚫을 때 많은 비용이 소요되기 때문에 적은 깊이에 넓은 단면적의 열교환기를 설치하여 열효율을 극대화 하여 최적 온도의 열수가 지속적으로 공급됨에 따라 지 열을 이용한 열교환장치의 신뢰성을 향상할 수 있는 장점이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 지중에 형성된 관정(1)과, 상기 관정(1)에 설치된 열교환용 파이프(2)와, 상기 열교환용 파이프(2)의 상부에 설치된 상부캡(10)과, 상기 상부캡(10)의 일측에 연결된 입수관(20)과, 상기 입수관(20)과 연결되며 열교환용 파이프(2)의 내부에 설치된 순환용 관(30)과, 상기 순환용 관(30)의 외부에 일정간격 이격되어 지그재그로 설치된 다수개 설치된 고정날개(35)와, 상기 상부캡(10)의 다른 일측에 연결된 출수관(40)으로 구성된 지열 열교환기의 구조인 것이다.

본 발명은 지열 열교환기는 대지와의 접촉면적이 많아질수록 열교환이 많이 이루어지기 때문에 접촉되는 면적을 높이고 지하공을 깊게 뚫을 때 많은 비용이 소요되기 때문에 적은 깊이에 넓은 단면적의 지열 열교환기의 구조를 개량한 것이다.

본 발명의 순환용 관의 외부에는 열교환용 파이프와 일정한 간격을 유지하기 위하여 고정날개를 일정한 간격으로 지그재그로 설치하되, 고정날개에 비틀림각을 주어 흐르는 유체가 와류(회전하며)로 열교환용 파이프 벽체와 긴밀하고도 많은 접촉으로 열교환의 효율을 극대화 하였다.

본 발명은 고정날개를 개별설치하여 관에 직접 고정날개를 설치시 높은 생산비용과 부피가 커짐으로 운반비의 상승, 파손의 염려등의 요소를 제거하였다.

본 발명의 지열 열교환기 설치방법은

통상의 천공기를 이용하여 일정 지름의 관정을 천공한 다음, 천공된 관정에 최하단부가 막힌 열교환용 파이프를 내부에 물을 채우며 서서히 지하공의 하부에 안착될때 까지( 이때, 관의 길이가 짧으면 융착 또는 조입식등으로 연결하여 사용을 하며, 열교환용 파이프 삽입 설치시 내부에 물을 넣는 것은 지하공 내부에 물이 있을때 부력을 줄이기 위함. ) 내리고,

관정과 열교환용 파이프사이의 전 영역에 충진재를 균일하게 채운 후에,

(열교환용 파이프를 삽입시 외부 또는 내부에 보조로프를 설치하여 하중에 의한 떨어짐으로 파이프가 상함을 방지하거나, 열교환용 파이프 외부에 로울러 등을 설치하여 서서히 하강시켜 하부에 안착시킨 후에,)

열교환용 파이프 삽입후, 내부에 순환용 관을 설치하고, (설치시 하부에서 일정한 거리를 유지하여 순환수의 유입시 지장이 없게 한다.)

순환용 관의 외부에는 열교환용 파이프와 일정한 간격을 유지하기 위하여 고정날개를 일정한 간격으로 지그재그로 설치하되, 고정날개에 비틀림각을 주어 흐르는 유체가 와류(회전하며)로 열교환용 파이프 벽체와 긴밀하고도 많은 접촉으로 열교환의 효율을 극대화 하도록 설치하였으며,

열교환용 파이프 상부를 캡으로 마감하되 캡에 연결되는 두 개의 관을 설치하되, 하나는 열교환용 파이프 내부에 설치된 순환용 관에 연결된 입수관과, 다른 하나는 열교환용 파이프 자체에 연결된 출수관을 설치하였다.

사용 및 작동방법을 살펴보면,

입수관을 통해 순환용 관에 순환수가 주입되면, 순환용관 하부에 유입된 순 환수는 열교환용 파이프에 유입되어 열교환용파이프 벽체를 따라 상승하면서, 열수로 되어 열교환용 파이프 상부에 설치된 출수관을 통해 사용처로 출수되는데,

이때, 열교환용 파이프 내부에 유입된 순환수는 열교환용 파이프에 접촉하여 열교환이 이루도록 하되, 열교환용 파이프 내부에 지그재그로 설치된 순환용관 고정날개에 의해 열교환수가 상승하면서, 와류로 열교환용 파이프 내부 벽체와의 접촉이 많이 일어나면서, 접촉시간을 오래하도록 하여 상승되어 열교환이 이루어진 열수를 출수관을 통해 출수 시키는 방법인 것이다.

(이때, 열교환용 파이프에서 와류등에 의해 생성된 기포등의 기체는 열수 흐름을 방해하므로 출수관에 함께 배출될 수도 있다.)

이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1 본 발명의 지열 열교환기 전체도, 도2 본 발명의 고정날개 상세도를 도시한 것이며, 관정(1), 열교환용파이프(2), 충전재(3), 상부캡(10), 입수관(20), 순환용 관(30), 고정날개(35), 출수관(40), 몸체(351), 고정통공(352), 날개(353)를 나타낸 것임을 알 수 있다.

본 발명의 지열 열교환기는 도1내지 도2에 도시된 바와 같이,

지중에 형성된 관정(1)과, 상기 관정(1)에 설치된 열교환용 파이프(2)와, 상기 열교환용 파이프(2)의 상부에 설치된 상부캡(10)과, 상기 상부캡(10)의 일측에 연결된 입수관(20)과, 상기 입수관(20)과 연결되며 열교환용 파이프(2)의 내부에 설치된 순환용 관(30)과, 상기 순환용 관(30)의 외부에 일정간격 이격되어 지그재그로 설치된 다수개 설치된 고정날개(35)와, 상기 상부캡(10)의 다른 일측에 연결된 출수관(40)으로 구성된 지열 열교환기의 구조인 것이다.

상기 고정날개(35)는 도2에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 고리형상의 몸체(351)와, 상기 몸체(351)의 양 끝단부에 설치되어 볼트와 너트가 삽입되어 고정되는 고정통공(352)과, 상기 몸체(351)의 외부에 일정간격 이격되어 다수개 설치된 지기자그형 날개(353)로 구성되어 있음을 알 수 있다.

도1 본 발명의 지열 열교환기 전체도

도2 본 발명의 고정날개 상세도

도면의 부호 설명

관정(1), 열교환용파이프(2), 충전재(3), 상부캡(10), 입수관(20), 순환용 관(30), 고정날개(35), 출수관(40), 몸체(351), 고정통공(352), 날개(353), 배관로(A), 암반(B)

Claims (1)

1. 지열 열교환기에 있어서,

   지중에 형성된 관정(1)과, 상기 관정(1)에 설치된 열교환용 파이프(2)와, 상기 열교환용 파이프(2)의 상부에 설치된 상부캡(10)과, 상기 상부캡(10)의 일측에 연결된 입수관(20)과, 상기 입수관(20)과 연결되며 열교환용 파이프(2)의 내부에 설치된 순환용 관(30)과, 상기 순환용 관(30)의 외부에 일정간격 이격되어 지그재그로 설치된 다수개 설치된 고정날개(35)와, 상기 상부캡(10)의 다른 일측에 연결된 출수관(40)으로 구성되며,

   상기 고정날개(35)는 일측이 개방된 고리형상의 몸체(351)와, 상기 몸체(351)의 양 끝단부에 설치되어 볼트와 너트가 삽입되어 고정되는 고정통공(352)과, 상기 몸체(351)의 외부에 일정간격 이격되어 다수개 설치된 지기자그형 날개(353)를 포함하여 구성되어 있음을 특징으로 하는 지열 열교환기.

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