KR100795336B1

KR100795336B1 - 지열을 이용한 열교환시스템

Info

Publication number: KR100795336B1
Application number: KR1020060085961A
Authority: KR
Inventors: 강한기; 박창현
Original assignee: (주)이앤이 시스템
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-01-17

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 열교환시스템에 관한 것으로 그 주요 구성은 지중에 매설되는 주공급관 및 주회수관; 지중에 천공되는 다수의 구멍 속에 삽입되어 지중과의 열교환을 하게 되는 열교환파이프; 상기 주회수관의 출구측과 상기 열교환파이프의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관; 및 상기 열교환파이프의 출구측과 상기 주공급관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관;으로 이루어지고, 상기 분기관은, 분기되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루며, 상기 합류관은, 합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되는 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 의하여 지중에 천공되는 각 구멍들속에 삽입되는 열교환 파이프의 유량분배 및 회수가 균형을 이루도록 할 수가 있다.

지중열, 관정, 분기관, 합류관, 열교환

Description

지열을 이용한 열교환시스템{Heating Exchanging System Using the Ground Source}

도 1은 종래의 지열을 이용한 수직밀폐형 열교환시스템을 설명하는 개략도이고,

도 2는 종래의 지열을 이용한 개방형(SCW) 열교환시스템을 설명하는 개략도이며,

도 3은 종래의 지표면 하부에 매설되는 열교환파이프의 예를 설명하는 개략도이며,

도 4는 도 3에 따른 열교환파이프에서 유량의 분배상태를 나타내는 설명도이고,

도 5는 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환시스템의 배관상태를 나타내는 개략적인 사시도이고,

도 6은 도 5에서 지표면의 하부에 매설되는 열교환파이프의 예를 나타낸 설명도이며,

도 7은 본 발명에 따른 지중열을 이용한 열교환시스템의 분기관을 나타낸 사시도이며,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중열을 이용한 열교환시스템을 나타 내는 개략적인 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 시추공 2: 파이프

4: 암반층 6: 지하수유입관

8: 지하수송출관 10: 지하수복귀관

15: 열교환파이프 16: 주공급관

17: 주회수관 18: 구멍

20: 분기관 30: 합류관

P: 수중펌프

본 발명은 지열을 이용한 열교환시스템에 관한 것으로, 특히 지중에 천공되는 각 구멍들속에 삽입되는 열교환 파이프의 유량분배 및 회수가 균형을 이루도록 하는 지열을 이용한 열교환시스템에 관한 것이다.

지열을 이용하여 냉난방의 에너지로 활용하기 위한 방법으로서는, 고밀도폴리에틸렌파이프를 지중에 매설하여 지중열을 이용하는 방법과, 지하수를 이용하는 방법과, 지표수를 이용하는 방법 등이 있다.

위 방법 중에서 지중열을 이용하는 기술의 경우는 일반적으로 도 1의 지열을 이용한 수직밀폐형 열교환시스템에서 보는 바와 같이 지표면 하부로 시추공(1)을 시추하여 그 내부에 파이프(2)를 매설하고 상기 파이프(2)의 내부로 냉매 등의 유체를 순환시켜 지열과의 열교환을 시키도록 하거나, 또는 도 2의 지열을 이용한 개방형(SCW) 열교환시스템에서 보는 바와 같이 암반층(4)의 내부 까지 소정 깊이로 시추되어 얻게 되는 관정(5) 내에서 유동되거나 또는 고여지는 지하수를 파이프(6)의 내부에 설치되는 수중펌프(P)를 구동시켜 지하수유출관(8)을 통하여 열교환기로 보내어 열교환을 시키고, 열교환이 이루어진 지하수는 다시 지하수복귀관(10)을 통하여 관정(5) 내로 복귀되도록 하는 방법이 이용되고 있다.

그런데, 대용량의 지열히트펌프 시스템을 설치하고자 하는 경우에는 이에 비례하여 지열과의 열교환을 위한 지중열교환기의 용량도 커져야 하는 바, 이러한 경우에는 도 3에서 보는 바와 같이 지중에 설치되는 주공급관(7)과, 상기 주공급관(7)과 이격져 설치되는 주회수관(9)과, 상기 주공급관(7)과 주회수관(9) 사이를 연결하도록 각각의 구멍(11)에 삽입되어 설치되는 다수의 열교환파이프(12)들로 이루어지는 지열교환시스템이 통상적으로 사용되고 있다.

그러나, 위와 같은 구조로 이루어지는 지열교환시스템은 지중에 천공되는 구멍(11)의 개수가 적을 때는 각각의 열교환파이프(12)에 분배되는 유량의 불균형이 문제되지 않으나, 천공되는 구멍(11)의 개수가 많아질수록 도 4에서 보는 바와 같이 각 구멍속에 삽입되는 열교환파이프의 내부에서 순환되는 유량(도 4의 예에서는 각 열교환파이프의 내부에 순환되는 유량은 85~115의 범위로 서로 다르게 나타남)이 서로 다르게 나타나게 되어 유량의 불균형은 두드러지게 나타나게 되고, 위와 같은 유량의 불균형은 전체 시스템의 효율의 저하를 야기하게 된다.

따라서, 위와 같은 문제점을 해소하기 위해서는 지중에 천공된 다수의 구멍들에 매설된 지열교환파이프의 유량이 동일하게 순환되도록 하기 위하여 각각의 열교환파이프에 정유량 밸브를 각각 설치토록 함으로서 위와 같은 유량의 불균형을 해소할 수 있기는 하나, 그러나, 정유량밸브를 설치하는데 따른 초기의 투자비가 높아지게 되고, 더욱이 지중속에 매설되는 지중매설배관의 특성상 각각의 열교환파이프에 정유량밸브를 매설하게 되면 밸브의 고장시 교체 및 수리가 불가능하게 되는 유지 보수상의 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 지중에 천공되는 각 구멍들속에 삽입되는 열교환 파이프의 유량분배 및 회수가 균형을 이루도록 하는 지열을 이용한 열교환시스템을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환시스템은 지중에 매설되는 주공급관; 상기 주공급관과 이격져서 지중에 매설되는 주회수관; 지중에 천공되는 다수의 구멍; 상기 구멍 속에 삽입되고, 그 내부에서 유동되는 순환유체는 지중과의 열교환을 하게 되는 열교환파이프; 상기 주회수관의 출구측과 상기 열교환파이프의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관; 및 상기 열교환파이프의 출구측과 상기 주공급관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관;으로 이루어지고, 상기 분기관은, 분기되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루며, 상기 합류관은, 합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되고, 또 합류된 관들을 그 다음에 합류되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환파이프는 U자형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 다수의 분기관은, 상기 주회수관으로부터 분기되는 제1분기관; 상기 제1분기관으로부터 분기되는 제2분기관; 및 상기 제2분기관으로부터 분기되는 제3분기관;으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형(SCW) 지열을 이용한 열교환시스템은 지표면 하부로 지하수가 고일 수 있도록 천공되는 다수의 관정; 상기 관정의 내부에 설치되고, 그 하부에는 지하수를 유입시키기 위한 구멍이 형성되어 있는 지하수유입관; 상기 지하수유입관의 내부에 설치되어 지하수를 양수시키기 위한 수중펌프; 상기 수중펌프의 유출구측에 설치되는 지하수송출관; 상기 관정내에 삽입되어 그 내부에 유동되는 지하수를 관정내에 투입시키기 위한 지하수복귀관; 지중에 매설되는 주공급관; 상기 주공급관과 이격져서 지중에 매설되는 주회수관; 상기 주회수관의 출구측과 상기 지하수복귀관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관; 및 상기 지하수송출관의 출구측과 상기 주공급관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관;으로 이루어지고, 상기 분기관은, 분기되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루며, 상기 합류관은, 합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되고, 또 합류된 관들을 그 다음에 합류되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환시스템은 도 5에서 보는 바와 같이 지표면 하부에 매설된 열교환파이프(15)의 내부에서 순환되는 순환유체가 지열과의 열교환에 의해 열교환된 후 상기 순환유체를 지상에 설치된 열교환기(미도시)로 공급되도록 하기 위한 주공급관(16)과, 지상에 설치된 상기 열교환기(미도시)에서 송출되는 순환유체를 지열과의 열교환을 위해서 지표면 하부로 회수되도록 하기 위한 주회수관(17)과, 지표면의 하부에 지열과의 열교환을 위해 천공된 다수의 구멍(18)과, 상기 구멍(18)내에 설치되는 열교환파이프(15)와, 상기 주회수관(17)의 출구측과 상기 열교환파이프(15)의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관(20)과, 상기 열교환파이프(15)의 출구측과 상기 주공급관(16)의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관(30)으로 이루어진다.

상기 열교환파이프는 도 6에서 보는 바와 같이 지표면의 하부에 천공된 구멍(18) 속에 삽입되고, 그 내부에서 유동되는 순환유체는 지중과의 열교환을 하게 되며, U자형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 분기관(20)은 도 5에서 보는 바와 같이 상기 주회수관(17)과 열교환파이프(15) 사이에 설치되며, 분기 되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루게 된다.

상기 분기관(20)은, 지열과의 열교환하고자 하는 용량에 따라 분기되는 분기관의 숫자를 가감시킬 수가 잇으며, 그 세부적인 일 예로서는 도 7에서 보는 바와 같이 주회수관(17)으로부터 분기되는 제1분기관(21)과, 상기 제1분기관(21)으로부터 분기되는 제2분기관(22)과, 상기 제2분기관(22)으로부터 분기되는 제3분기관(23)으로 구성할 수가 있으며, 분기관의 전체적인 형상을 분기관(21)과 분기관(22)으로 볼 때, H 자 형상을 이루며 분기되고 있고, 또 분기관(22)와 분기관(23)도 전체적으로 H자 형상을 이루고 있다.

상기 합류관(30)은 상기 열교환파이프(15)와 주공급관(16) 사이에 설치되며, 합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되고, 또 합류된 관들을 그 다음에 합류되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루게 된다.

상기 합류관(30)은 상기 분기관(20)과 같은 방법으로 합류되며, 상기 합류관(30)의 숫자 역시 지열과의 열교환하고자 하는 용량에 따라 가감시킬 수가 있다.

위와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환시스템은 지상에 설치한 열교환기(미도시), 예를 들면 히트펌프의 출구측에 연결되는 주회수관(17)으로부터 지표면의 하부에 천공한 구멍(18) 속에 삽입되게 되는 각각의 열교환파이프(15)까지 모두 동일한 거리를 가지게 되고, 또 분기되는 분기관(20)들은 분기되기 이전의 관들의 직경보다 가늘어지면서 동일한 관경을 가지게 되므로 각각의 열교환파이프(15)에 분배되는 유량이 동일하게 되고, 또 상기 열교환파이프(15)에서 지열과의 열교환이 완료된 순환유체가 히트펌프로 다시 공급되기 전에 열교환파이프(15)에서 연결되는 합류관(30)들이 더 직경이 커지면서 동일한 직경을 가지고, 또 각각의 열교환파이프(15)에서 주공급관(16)까지의 거리도 모두 동일하게 되므로 각각의 합류관(30)에 분배되는 유량이 동일하게 할 수 있으므로 각각의 관들에 걸리게 되는 유량의 불균형을 해소시킬 수가 있게 되므로 열교환시스템은 더욱 유효한 성능을 발휘할 수가 있다.

한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지열을 이용한 열교환시스템은 지표면 하부로 지하수가 고일 수 있도록 천공되는 다수의 관정(미도시)과, 상기 관정의 내부에 설치되고, 그 하부에는 지하수를 유입시키기 위한 구멍이 형성되어 있는 지하수유입관(41)과, 상기 지하수유입관(41)의 내부에 설치되어 지하수를 양수시키기 위한 수중펌프(P)와, 상기 수중펌프(P)의 유출구측에 설치되는 지하수송출관(42)과, 상기 관정내에 삽입되어 그 내부에 유동되는 지하수를 관정내에 투입시키기 위한 지하수복귀관(43)과, 지중에 매설되는 주공급관(44)과, 상기 주공급관(44)과 이격져서 지중에 매설되는 주회수관(45)과, 상기 주회수관(45)의 출구측과 상기 지하수복귀관(43)의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관(50)과, 상기 지하수송출관(42)의 출구측과 상기 주공급관(44)의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관(60)으로 이루어진다.

상기 분기관(50)은 상기 주회수관(45)의 출구측으로부터 지하수복귀관(43)의 입구측에 연결되도록 H 자형을 이루며 분기되는 관으로서, 도 7에서 설명한 분기관과 동일한 구조를 가지는 것이므로 더 이상의 설명은 생략한다.

상기 합류관(60)은 상기 지하수송출관(42)의 출구측에서 상기 주공급관(44)의 입구측으로 연결되도록 H 자형을 이루며 합류되는 관으로서, 도 5에서 설명한 합류관과 동일한 구조를 가지는 것이므로 더 이상의 설명은 생략한다.

위와 같은 구조로 이루어지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형 지열을 이용한 열교환시스템은 주회수관(45)으로부터 지하수복귀관(43)까지 분기되는 분기관(50)들이 H 자형을 이루면서 분기되고, 또 분기되는 관들은 분기되기 이전의 관들보다도 그 직경이 감소되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되기 때문에 주회수관(45)으로부터 각각의 지하수복귀관(43)으로 분배되는 유량이 동일하게 되고, 또 지하수송출관(42)으로부터 주공급관(44)으로 합류되는 합류관(60)들도 H 자형을 이루며 합류하되, 합류되는 관들은 합류되기 이전의 관보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되기 때문에 지하수송출관(42)으로부터 주공급관(44)으로 합류될 때, 각각의 합류관(60)으로 합류되는 유량들이 동일하게 되므로 유량의 불균형을 해소할 수가 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환시스템은 지중에 천공되는 각 구멍들속에 삽입되는 열교환파이프의 유량분배 및 회수가 균형을 이루도록 함으로써 열교환시스템의 효율을 극대화시키도록 할 수가 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예 들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예 들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함하는 것으로 보아야 한다.

Claims

지중에 매설되는 주공급관;

상기 주공급관과 이격져서 지중에 매설되는 주회수관;

지중에 천공되는 다수의 구멍;

상기 구멍 속에 삽입되고, 그 내부에서 유동되는 순환유체는 지중과의 열교환을 하게 되는 열교환파이프;

상기 주회수관의 출구측과 상기 열교환파이프의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관; 및

상기 열교환파이프의 출구측과 상기 주공급관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관;으로 이루어지고,

상기 분기관은,

분기되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루며,

상기 합류관은,

합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되고, 또 합류된 관들을 그 다음에 합류되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
제1항에 있어서,

상기 열교환파이프는 U자형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
제1항에 있어서,

상기 다수의 분기관은,

상기 주회수관으로부터 분기되는 제1분기관;

상기 제1분기관으로부터 분기되는 제2분기관; 및

상기 제2분기관으로부터 분기되는 제3분기관;

으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.
지표면 하부로 지하수가 고일 수 있도록 천공되는 다수의 관정;

상기 관정의 내부에 설치되고, 그 하부에는 지하수를 유입시키기 위한 구멍이 형성되어 있는 지하수유입관;

상기 지하수유입관의 내부에 설치되어 지하수를 양수시키기 위한 수중펌프;

상기 수중펌프의 유출구측에 설치되는 지하수송출관;

상기 관정내에 삽입되어 그 내부에 유동되는 지하수를 관정내에 투입시키기 위한 지하수복귀관;

지중에 매설되는 주공급관;

상기 주공급관과 이격져서 지중에 매설되는 주회수관;

상기 주회수관의 출구측과 상기 지하수복귀관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 분기관; 및

상기 지하수송출관의 출구측과 상기 주공급관의 입구측 사이에 설치되는 다수의 합류관;으로 이루어지고,

상기 분기관은,

분기되기 이전의 관과 분기된 관을 비교할 때 분기된 관은 분기되기 이전의 관에서 직각으로 분기되고, 분기된 이후에는 분기되기 이전의 관의 직경보다 감소된 직경을 가지면서 동일 길이 및 동일 직경으로 분기되고, 또 분기된 관들을 그 다음에 분기되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루며,

상기 합류관은,

합류되기 이전의 관과 합류된 관을 비교할 때 합류된 관은 합류되기 이전의 관에서 직각으로 합류되고, 합류된 이후에는 합류되기 이전의 관의 직경보다 그 직경이 커지게 되면서 동일 길이 및 동일 직경으로 합류되고, 또 합류된 관들을 그 다음에 합류되는 관들과 전체적으로 보면 H자형을 이루는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환시스템.