KR100572991B1 - 저심도 수평형 지열교환기 - Google Patents

Abstract

지표온도 변화에 대한 영향을 최소화 할 수 있도록 이루어진 저심도 수평형 지열교환기를 제공하기 위하여,

지중에 수평방향으로 매설되어 지중의 열과 교환이 이루어지는 열매체를 갖는 열교환 유닛;

상기 열교환 유닛으로부터 열을 공급받아 냉난방 위치로 상기 지중의 열을 공급하는 히트펌프;

상기 열교환 유닛과 지표면 사이에 위치하여 지표의 열에너지가 상기 열교환 유닛으로 전달되는 것을 차단하는 수단을 포함하는 저심도 수평형 지열교환기를 제공한다.

상기 지표의 열에너지를 차단하는 수단은 고무분말 성형체 또는 스치로폼을 포함하는 단열재로 이루어진다.

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Description

저심도 수평형 지열교환기{LOW DEPTH HORIZONTAL TYPE GEOTHERMAL ENERGY EXCHANGER}

도 1은 본 발명의 지열교환기를 설명하기 위하여 수평형 지열교환기의 일반적인 설치 상태를 나타내는 도면.

도 2 및 도 3은 본 발명의 저심도 수평형 지열교환기가 설치된 것을 나타내는 단면도.

도 4는 본 발명의 저심도 수평형 지열교환기에 제공된 단열재의 평면도.

본 발명은 수평형 지열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지표온도 변화에 대한 영향을 최소화 할 수 있도록 이루어진 저심도 수평형 지열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 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 있다.

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 자연에너지를 이용한 기술 중에서 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 지열교환시스템이 알려져 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.

즉, 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지하 5m 이하의 지중의 온도는 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지되므로 지열교환시스템은 여름에는 냉방장치로 겨울에는 난방장치로 사용할 수 있다.

지열교환시스템의 통상적인 구성은, 지중에 매설되어 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기와, 상기 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열을 이용하여 열교환을 행하고 열교환된 냉매를 사용처로 공급하는 히트펌프로 구성된다.

상기 지열교환시스템은 지열교환기의 매설 방법에 따라서 수직형, 수평형, 오픈형, 연못형 시스템 등으로 분류된다. 이들 중에서 수직형과 수평형 시스템이 많이 설치되고 있으며, 수직형 시스템은 대략 수직방향으로 시굴공을 천공하여 지열교환기를 설치하는 방법이고, 수평형 시스템은 지중의 수평 방향으로 지열교환기를 매설하는 방법이다.

상기 수직형 시스템은 가장 일반적으로 시공되는 시스템으로서 열부하나 냉방부하가 큰 건물에 이상적이며 부지를 많이 필요로 하지 않은 장점이 있는 반면, 설치비용이 많이 소요되는 단점이 있고, 수평형 시스템은 상대적으로 부하가 작은 곳에서 쓸 수 있으며, 시공비용이 비교적 적게 소요되는 장점이 있는 반면, 넓은 부지를 확보하여야 하는 단점이 있다.

상기 수평형 지열교환기는 지표면에서 전달되는 계절적 온도변화의 영향을 최소화하기 위하여 지표면에서 2m이상의 깊이에 매설하는 것이 바람직하지만, 예를 들어 암반이 지표면으로터 2m이내에 존재할 경우, 지하수위가 높아 깊은 굴착이 어려울 경우, 지표면 온도의 영향을 상대적으로 많이 받을 것이라 판단되는 경우에는 정상적인 설치가 어렵고 시공비가 크게 증가해 정상적인 설치가 어렵다.

수평형 지열교환기를 지표면의 2m이하의 깊이에 설치하면 지표온도 변화에 대한 영향을 많이 받고, 또 지열교환기가 지열에너지를 안정적으로 얻을 수 없으므로 효율적인 지열교환시스템의 운용이 불가능하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으 로서, 본 발명의 목적은 지열교환기를 지표면에서 2m이내에 설치했을 경우에도 지열교환기가 지표온도 변화에 대한 영향을 최소화 할 수 있도록 하여 지열교환시스템을 효율적으로 운용할 수 있도록 된 저심도 수평형 지열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명이 제안하는 저심도 수평형 지열교환는,

지중에 수평방향으로 매설되어 지중의 열과 교환이 이루어지는 열매체를 갖는 열교환 유닛;

상기 열교환 유닛으로부터 열을 공급받아 냉난방 위치로 상기 지중의 열을 공급하는 히트펌프;

상기 열교환 유닛과 지표면 사이에 위치하여 지표의 열에너지가 상기 열교환 유닛으로 전달되는 것을 차단하는 수단을 포함하는 저심도 수평형 지열교환기를 제공한다.

상기 지표의 열에너지를 차단하는 수단은 고무분말 성형체 또는 스치로폼을 포함하는 단열재로 이루어진다.

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

도 1은 본 발명에 의한 저심도 수평형 지열교환기를 설명하기 위하여 수평형 지열교환기의 일반적인 설치 상태를 나타내는 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 저심도 수평형 지열교환기가 설치된 상태의 단면도를 나타낸다.

도시된 바와 같이 통상적인 수평형 지열교환시스템은, 지중(10)에 소정의 깊이로 매설되어 지열을 회수하기 위한 지열교환기(20)와, 회수한 지열을 건물과 같은 냉난방장소(30)로 장소로 강제 순환시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(40)로 구성된다.

상기 지열교환기(10)는 폴리에틸렌 파이프 또는 동(銅)파이프와 같이 열전도율이 높은 열교환 파이프로 이루어지며, 그 내부에는 지열에너지와 열교환을 하기 위하여 냉매가 충진된 구조를 갖는다.

이러한 수평형 지열교환기는 지중(10)에 대략적인 수평방향으로 설치되어 폐회로를 이루면서, 그 양단부인 입구측과 출구측은 히트펌프(40)로 연결된다.

이와 같은 수평형 지열교환기의 설치는 지열교환기(10)를 설치할 부지를 소정의 깊이로 굴착하고 설치하게 되는데, 통상적으로는 지표면으로부터 2m 정도를 굴착하고 설치하게 된다.

그러나 암반이 지표면의 가까운 부분에 있을 때, 또는 지하수위가 높아 정상적인 굴착이 어려울 경우와 같이 지표면에서 2m 깊이의 굴착 할 수 없어 정상적인 깊이에 지열교환기를 설치하지 못하면, 설치된 지열교환기는 지표면 온도의 영향을 상대적으로 많이 받아 지열교환기가 지열에너지를 안정적으로 얻을 수 없으므로 효율적인 지열교환시스템의 운용이 불가능하다.

본 발명은 이와 같은 것을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 특징은 상기와 같이 정상적인 깊이에 지열교환기의 설치가 어려울 경우, 도 2에서와 같이 지열교환기(10)의 상부나, 도 3에서와 같이 지열교환기(10)를 덮은 복토면(50) 상부에는 상기 지열교환기(10)가 지표온도 변화에 대한 영향을 최소화 할 수 있도록 단열재(60)가 제공된다.

상기 단열재(60)는 지열교환기(10)를 충분히 덮을 수 있도록 지열교환기(10)가 설치된 면적보다 더 넓은 면적으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 단열재(60)는 도 4에 도시된 바와 소정의 크기를 갖추어 지열교환기(10)를 충분히 커버할 수 있도록 이루어지고, 다수의 구멍(62)이 천공되어 빗물이나 지하수위 상승으로 인한 부력에 의하여 설치된 위치로부터 이탈되지 않도록 되어있다.

이러한 단열재(60)는 보온력이 우수하면서 비교적 저렴한 고무분말 성형체나 스치로폼 중에서 어느 하나를 선택적으로 제공할 수 있다.

이와 같은 저심도 수평형 지열교환기는, 지중(10)의 지열이 지열교환기(20)의 내부에 담긴 열전달 유체로 전달된 상태에서 히트펌프(40)의 작동으로 열전달 유체를 냉난방장소(30)로 이동시켜 강제 순환시키면서 냉방 또는 난방을 행한 후, 열교환 된 유체는 지열교환기(10)로 다시 투입되는 과정을 반복하여 냉난방을 행한다.

이때 지열교환기(20)가 정상적인 깊이에 설치되지 않아 지표면의 온도가 낮거나 높을 경우, 지표면의 열에너지가 상기 지열교환기(20)로 전달되는 것을 단열재(60)가 차단하여 지열교환기(10)가 지표온도 변화에 대한 영향을 거의 받지 않게 된다.

또한 단열재(60)가 설치된 위치에 대량의 빗물이 유입되거나 지하수위가 상 승하여도, 유입된 물이 단열재(60)에 형성된 구멍(62)으로 배출되므로 부력에 의하여 단열재(60)는 설치된 위치로부터 이탈되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 저심도 수평형 지열교환기는, 정상적인 깊이보다 더 얕게 지열교환기가 설치되어도 지열교환기의 상부나, 지열교환기를 덮은 복토면 상부에 설치된 단열재로 인하여 지열교환기가 지표온도 변화에 대한 영향을 거의 받지 않으므로 지열교환기의 효율저하를 방지할 수 있다.

Claims (6)

1. 지중에 수평방향으로 매설되어 지중의 열과 교환이 이루어지는 열매체를 갖는 열교환 유닛;

   상기 열교환 유닛으로부터 열을 공급받아 냉난방 위치로 상기 지중의 열을 공급하는 히트펌프;

   상기 열교환 유닛과 지표면 사이에 위치하여 지표의 열에너지가 상기 열교환 유닛으로 전달되는 것을 차단하는 수단을 포함하는 저심도 수평형 지열교환기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 지표의 열에너지를 차단하는 수단은 고무분말 성형체 또는 스치로폼을 포함하는 단열재인 것을 특징으로 하는 저심도 수평형 지열교환기.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지표의 열에너지를 차단하는 수단은 부력을 감소하기 위한 수단이 제공된 것을 특징으로 하는 저심도 수평형 지열교환기.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 부력을 감소하기 위한 수단은 상기 단열재에 상하로 관통하는 구멍이 형성된 것임을 특징으로 하는 저심도 수평형 지열교환기.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 지표의 열에너지를 차단하는 수단은 상기 열교환 유닛의 매설영역보다 더 큰 영역에 걸쳐 제공되는 것을 특징으로 하는 저심도 수평형 지열교환기.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환 유닛은 지표면 2m 이하에 설치되는 것을 특징으로 하는 저심도 수평형 지열교환기.

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