KR100958208B1 - 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매 순환을 위한 유입관과 유출관을 갖고 지중에 매설(埋設)된 열교환 파이프와, 그리고 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 상호 비(非)접촉 이격시키는 몸체와, 절개부와, 상기 절개부에 각각 삽입되어 유입관 및 유출관을 몸체에 고정시키는 밴딩수단을 포함하는 간격유지부재로 이루어져, 지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프의 매설 작업 시 간격유지부재가 열교환 파이프의 유입관과 유출관 상호 간의 꼬임 현상을 방지하고, 열교환 파이프의 매설 후 공극이나 기공이 발생하는 것을 방지하여 열교환 효율 및 시공편의성을 보장하며, 또 간격유지부재와 열교환 파이프 간의 결합 및 분리가 쉽고 용이하여 작업성을 높이고, 아울러 간격유지부재의 구성이 심플하고 재사용이 가능하여 재료의 절감 및 경제성을 제고(提高)할 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 제안하고자 한다.

히트펌프, 열교환기, 열교환 파이프, 간격유지부재, 절개부, 밴딩수단, 타이, 탄성부재, 하중인가부재

Description

열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기{GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER}

본 발명은 지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프의 매설 작업 시 간격유지부재가 열교환 파이프의 유입관과 유출관 상호 간의 꼬임 현상을 방지하고, 열교환 파이프의 매설 후 공극이나 기공이 발생하는 것을 방지하여 열교환 효율 및 시공편의성을 보장하며, 또 간격유지부재와 열교환 파이프 간의 결합 및 분리가 쉽고 용이하여 작업성을 높이고, 아울러 간격유지부재의 구성이 심플하고 재사용이 가능하여 재료의 절감 및 경제성을 제고(提高)할 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 지열을 이용한 열교환기는 지중에 매설되는 열교환 파이프를 순환하는 냉매 및/또는 열 유체에 의한 열전달을 통하여 냉방 및/또는 난방 에너지를 공급하게 된다.

이 경우 열교환 파이프를 매설하기 위해 지중에 매설공을 굴착하여 매설공에 열교환 파이프를 투입한 후, 매설공에 벤토나이트나 또는 그라우트 재 등을 이용하 여 매설공을 메우는 그라우팅 작업을 하게 되는데,

이때 지중에 굴착된 매설공의 깊이는 수십 미터에서 수백 미터의 심층까지 굴착되어 롤 형태로 권선되어 있는 열교환 파이프를 매설공에 투입하여 매설하게 된다.

그러나 매설공의 투입되는 열교환 파이프는 투입 과정에서 상호 꼬이는 현상이 발생하며, 특히 열교환 파이프가 폴리에틸렌이나, 또는 고밀도 폴리에틸렌 등의 합성수지재로 성형된 경우에는 열교환 파이프가 유연성을 가져 꼬이는 현상은 더욱 극명하게 발생하게 된다.

이러한 상태에서 그라우팅 작업을 하여 열교환 파이프를 매설하는 경우 열교한 파이프가 꼬인 부분에서는 공극이 커지거나 또는 기공이 발생하여 열교환 효율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 한국에너지기술연구원에 의한 등록실용 제20-0393075호(2005.05.26. 등록. 이하 ‘종래기술 1’이라 함.) “3관용 U-밴드 파이프 스페이서“와,

고려대학교 산하협력단에 의한 공개특허 제10-2008-0092726호(2008.10.16. 공개. 이하 ‘종래기술 2’라 함.) “지열냉난방용 지중열교환기 및 그 시공방법” 및

김영식에 의한 등록실용 제20-0328146호(2003.09.17. 공개. 이하 ‘종래기술 3’이라 함.) 등이 개시되어 있다.

그러나 상기 종래기술 1의 경우에는 각 열유체 루프의 꼬임 현상을 방지할 수 있겠으나, 각 열유체 루프를 위한 루프 크립 및 트레미 루프가 상호 이격된 공간이 존재하여

그라우팅 작업 후 상기 공간에서 공극이나 기공이 발생하는 문제는 여전히 해결되지 않는 문제가 있다.

아울러 상기 종래기술 2 및 3은 각각 스페이서나 연결판은 열교환 파이프와 일체로 성형되어 있어 열교환 파이프의 성형이 용이하지 않다는 문제와,

또 열교환 파이프의 파손이나 손상 등으로 열교환 파이프와 함께 폐기 처리할 수밖에 없어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프의 매설 작업 시 간격유지부재가 열교환 파이프의 유입관과 유출관 상호 간의 꼬임 현상을 방지하고, 열교환 파이프의 매설 후 공극이나 기공이 발생하는 것을 방지하여 열교환 효율 및 시공편의성을 보장하며,

또 간격유지부재와 열교환 파이프 간의 결합 및 분리가 쉽고 용이하여 작업성을 높이고,

아울러 간격유지부재의 구성이 심플하고 재사용이 가능하여 재료의 절감 및 경제성을 제고(提高)할 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 제공하는 것을 하나의 목적으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 간격유지부재에서 몸체는 원추 형태로 이루어지고, 동시에 열교환 파이프의 유입관과 유출관을 수용하기 위한 삽입홈이 형성되어

열교환 파이프와 간격유지부재간의 접촉면적을 확장함으로써 상호 지지력을 보강하고, 아울러 상호 간의 결합신뢰성을 향상시킬 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

또 본 발명에 따른 간격유지부재의 밴딩수단은 판형상의 탄성부재로 이루어 져, 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 외측에서 감싸 절개부에 삽입되어 열교환 파이프를 탄성 지지하고,

특히 탄성부재에 의하여 간격유지부재와 열교환 파이프의 체결 및 분리가 원터치방식에 의하여 이루어짐으로써 작업능률을 더욱 배가시킬 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

더 나아가 본 발명에 따른 열교환 파이프 하단부에는 하중인가부재가 더 구비되어 있어 지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프를 투입하는 경우 일정 이상의 하중이 인가되어 열교환 파이프의 투입 및 설치를 용이하게 할 수 있는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기는 냉매 순환을 위한 유입관과 유출관을 갖고, 상기 유입관과 유출관이 상호 연결되어 지중에 매설(埋設)된 열교환 파이프; 및 상기 유입관과 유출관을 상호 비(非)접촉 이격시키는 몸체와, 상기 몸체에 형성된 복수의 절개부와, 상기 절개부에 각각 삽입되고, 상기 유입관과 유출관을 상기 몸체에 고정시키기 위한 밴딩수단을 포함하는 간격유지부재;를 포함하여 이루어진다.

그리고 본 발명에 따른 상기 간격유지부재에서 상기 몸체는 원추 형태로 이 루어지고, 상기 몸체에는 상기 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 수용하기 위한 삽입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 상기 간격유지부재에서 상기 밴딩수단은 상기 유입관 및 유출관을 외측에서 감싸면서 상기 절개부에 삽입되는 판형상의 탄성부재인 것을 특징으로 한다.

더 나아가 본 발명에 따른 상기 열교환 파이프 하단부에는 하중인가부재가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기는 지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프의 매설 작업 시 간격유지부재가 열교환 파이프의 유입관과 유출관 상호 간의 꼬임 현상을 방지하고, 열교환 파이프의 매설 후 공극이나 기공이 발생하는 것을 방지하여 열교환 효율 및 시공편의성을 보장하며,

또 간격유지부재와 열교환 파이프 간의 결합 및 분리가 쉽고 용이하여 작업성을 높이고,

아울러 간격유지부재의 구성이 심플하고 재사용이 가능하여 재료의 절감 및 경제성을 제고(提高)할 수 있게 된다.

그리고 본 발명에 따른 간격유지부재에서 몸체는 원추 형태로 이루어지고, 동시에 열교환 파이프의 유입관과 유출관을 수용하기 위한 삽입홈이 형성되어

열교환 파이프와 간격유지부재간의 접촉면적을 확장함으로써 상호 지지력을 보강하고, 아울러 상호 간의 결합신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

또 본 발명에 따른 간격유지부재의 밴딩수단은 판형상의 탄성부재로 이루어져, 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 외측에서 감싸 절개부에 삽입되어 열교환 파이프를 탄성 지지하고,

특히 탄성부재에 의하여 간격유지부재와 열교환 파이프의 체결 및 분리가 원터치방식에 의하여 이루어짐으로써 작업능률을 더욱 배가시킬 수 있게 된다.

더 나아가 본 발명에 따른 열교환 파이프 하단부에는 하중인가부재가 더 구비되어 있어 지중에 형성된 매설공에 열교환 파이프를 투입하는 경우 일정 이상의 하중이 인가되어 열교환 파이프의 투입 및 설치를 용이하게 할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면,

도 1은 본 발명에 따른 열교환 파이프 및 간격유지부재를 나타내는 분해 및 결합 사시도, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 간격유지부재에 삽입홈에 구비된 것 을 나타내는 분해 및 결합 사시도, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 간격유지부재에서 밴딩수단이 탄성부재인 것을 나타내는 분해 및 결합 사시도와 단면도, 도 6은 본 발명에 따른 하중인가부재를 나타내는 대략 개념도, 도 7은 본 발명에 따른 열교환 파이프 및 간격유지부재 다양한 구현례를 나타내는 사용 상태도이다.

우선 본 명세서상에서는 지열용 지중열교환기에서 열교환 파이프와 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 비접촉 이격시키는 간격유지부재에 관하여 기술하고,

다음으로 상기 열교환 파이프 및 간격유지부재를 포함하는 지열용 지열교환기를 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치에 관하여 자세히 기술하기로 한다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기는

냉매 순환을 위한 유입관(110)과 유출관(120)을 갖고, 상기 유입관(110)과 유출관(120)이 상호 연결되어 지중에 매설(埋設)된 열교환 파이프(100); 및 상기 유입관(110)과 유출관(120)을 상호 비(非)접촉 이격시키는 몸체(210)와, 상기 몸체(210)에 형성된 복수의 절개부(220)와, 상기 절개부(220)에 각각 삽입되고, 상기 유입관(110)과 유출관(120)을 상기 몸체(210)에 고정시키기 위한 밴딩수단(230)을 포함하는 간격유지부재(200);를 포함하여 이루어진다.

도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기에서, 상기 열교환 파이프(100)는

상기 히트펌프와 연결되고, 냉매 순환을 위한 유입관(110) 및 유출관(120)을 포함하고,

상기 유입관(110)과 유출관(120)을 연결하여 ‘U'자관 형태로 지중에 매설되어 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하게 된다.

그리고 상기 열교환 파이프(100)의 직경은 20mm 내지 35mm 정도이며, 그 재질은 일정한 유연성을 갖는 폴리에틸렌(또는 고밀도폴리에틸렌) 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

아울러 지중에는 상기 열교환 파이프(100)를 매설하기 위한 매설공(埋設空)(LH)이 형성되는데,

상기 매설공(LH)은 대략의 지름이 15cm 정도로, 그 깊이는 100m 내지 250m 정도까지 굴착된다.

다음으로 상기 매설공(LH)에 열교환 파이프(100)가 매설되는 경우 매설공(LH)의 심하층까지 삽입되는데,

이 경우 일정 정도의 유연성을 갖는 열교환 파이프(100)는 상기 매설공(LH)에 삽입되면서 꼬이거나 또는 접촉하게 되는 문제가 발생하게 된다.

즉 이는 상기 열교환 파이프(100)를 상기 매설공(LH)에 삽입한 후 그라우팅(grouting) 작업을 위해 상기 매설공(LH)에 벤토나이트나 또는 그라우트 재 등을 채우는 경우

상기 열교환 파이프(100)가 상호 꼬인 부분이나, 또는 맞닿아 있는 부분에는 공극이 크게 형성되거나 또는 기공이 발생하여 열효율을 떨어뜨려 열교환 성능에 악영향을 미치게 되는 문제가 발생한다.

따라서 상기 매설공(LH)에 열교환 파이프(100)를 매설 한 후 상기한 바와 같이 열교환 파이프(100)의 꼬임 현상이나, 또는 상호 맞닿아 접촉하여 공극이나 기공이 발생하여 열교환 효율을 저하되는 것을 방지하기 위해

본 발명은 간격유지부재(200)를 도입하여 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110)과 유출관(120)을 상호 비(非)접촉 이격되도록 함으로써 상기한 바와 같은 문제점들을 일거에 해소할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기에서, 상기 간격유지부재(200)는

상기 유입관(110)과 유출관(120)을 상호 이격시키는 몸체(210)와,

상기 몸체(210)에 형성된 복수의 절개부(220)와,

상기 절개부(220)에 각각 삽입되고, 상기 유입관(110)과 유출관(120)을 상기 몸체(210)에 고정시키기 위한 밴딩수단(230)을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 간격유지부재(200)의 몸체(210)는 원추 형태(또는 타원체)로 이루어져

상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 상호 비접촉 이격시켜 상기 매설공(LH)에 열교환 파이프(100)를 매설하는 경우 상호 꼬임 현상이나, 상호 맞닿거나 접촉하는 현상을 방지하여 시공 편의성을 보장하고, 열교환 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그리고 상기 간격유지부재(200)의 몸체(210)가 원추 형태(또는 타원체)로 이루어지는 것은

상기 몸체(210)와 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)과의 접촉 면적을 확장하여 지지력을 보강함으로써 결합신뢰성을 보장하기 위함이다.

더 나아가 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 간격유지부재(200)의 몸체(210)와 열교환 파이프(100) 간의 결합신뢰성을 보다 견고히 하기 위해

본 발명에 따른 몸체(210)의 외측면에는 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 수용하기 위한 삽입홈(211)이 형성되며,

상기 삽입홈(211)에는 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)이 안착됨으로써 상기 몸체(210)와 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)과의 접촉 면적을 더욱 확장시킬 수 있어

상기 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100) 간의 지지력을 보강하여 상호 간의 결합신뢰성을 더욱 배가시킴으로써 그 신뢰성을 보장할 수 있게 된다.

다만 첨부된 도면에는 도시되지 않았지만 상기 간격유지부재의 몸체의 형상은

상기한 바와 같은 원추 형태(또는 타원체) 외에 단면 형상이 다각형 형태로 이루어질 수 있으며,

또한 이러한 경우 열교환 파이프의 개수에 따라 삼각형 또는 사각형 형태 등과 같이 다양한 형태로 설계 변경 및 변형 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 간격유지부재(200)의 절개부(220)는

상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120) 외측부를 감싸기 위해 상기 몸체(210)에 형성되고,

또 상기 절개부(220)는 상기 몸체(210)의 두 부분을 절개하여 상호 관통되도록 형성되어 상기 밴딩수단(230)이 삽입되며,

따라서 상기 절개부(220) 양측으로 밴딩수단(230)이 노출되어 상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 각각 묶어 고정시킬 수 있게 된다.

더 나아가 간격유지부재(200)에 상기 삽입홈(211)이 형성된 경우에는 상기 절개부(220)가 상기 삽입홈(211) 양측 주변에 형성되는 것이 바람직한데,

이는 상기 절개부(220)가 상기 삽입홈(211)에 형성되는 경우에는 상기 열교 환 파이프(100)가 상기 삽입홈(211)에 안착되는 경우 밴딩수단(230)과 열교환 파이프(100)가 상호 겹쳐져 공간이 형성될 수 있고,

이 상태에서 그라우팅 작업을 하는 경우 밴딩수단(230)과 열교환 파이프(100)가 상호 겹쳐지는 공간에서 공극이 커지거나 기공이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

아울러 본 발명에 따른 간격유지부재(200)의 밴딩수단(230)은

상기 절개부(220)에 관통 삽입되어 절개부(220) 양측으로 노출되어 상기 몸체(210)와 접촉 배열되어 있는 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 감싸 묶음으로써 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100)를 고정시키게 된다.

이 경우 상기 밴딩수단(230)은 다양한 형태의 것으로 이루어질 수 있으나,

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100)와의 신속한 결합 및 분리가 가능하도록 타이(또는 와이어)(231) 형태의 밴드를 사용하여 단번에 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100)를 결합시키고,

또 상호 분리 시에는 타이(또는 와이어)(231)를 절단하여 신속하게 분리 가능하도록 하는 것이 바람직하며,

이에 의하여 상기 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100) 간의 결합 및 분리가 신속하면서도 용이하여 작업성을 높일 수 있게 된다.

더 나아가 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 간격유지부재(200)에서 상기 밴딩수단(230)은

상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 외측에서 감싸면서 상기 절개부(220)에 삽입되는 판형상의 탄성부재(233)로 이루어지는데,

상기 탄성부재(233)는 판형상의 부재를 만곡지게 구부려 형성된 클립 또는 클램프 형태로 일정한 탄성이 보장되어 상기 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100)를 탄성 지지하고,

동시에 간경유지부재와 열교환 파이프(100)의 결합 및 분리가 원터치 방식에 의하여 이루어지도록 함으로써 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100) 간의 탈부착을 위한 작업이 신속하고도 간편하여 작업능률을 향상시킬 수 있게 된다.

이는 상기 몸체(210)에 열교환 파이프(100)의 유입관(110) 및 유출관(120)을 맞닿게 배열시킨 상태에 상기 탄성부재(233)가 탄성을 발휘하여 상기 유입관(110) 및 유출관(120)의 외주면을 감싸고,

동시에 상기 밴딩수단(230)의 양단부가 상기 절개부(220)에 삽입되어 열교환 파이프(100)를 가압하여 탄성 지지하게 된다.

이 경우 상기 밴딩수단(230) 양단부의 일정 부분이 상기 절개부(220)에 삽입되어 상기 몸체(210) 내부에서 간격유지부재(200)의 몸체(210)와 열교환 파이프(100)를 상호 가압함으로써 밴딩수단(230)이 이탈하는 것이 방지될 수 있으며,

필요에 따라서는 상기 밴딩수단(230)의 양단부를 외측방향으로 구부려서 이탈방지편(233a)을 형성하여 상기 밴딩수단(230)이 절개부(220)에 삽입되어

상기 몸체(210) 내부에 상기 이탈방지편(233a)이 걸려 간격유지부재(200)와 열교환 파이프(100)가 결합된 후 이탈을 방지함으로써 결합신뢰성을 보장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 첨부된 도 4 및 도 5에서는 상기 간격유지부재(200)의 몸체(210)에 삽입홈(211)이 구비된 경우에 상기 밴딩수단(230)이 탄성부재(233)인 것으로 도시되어 있지만,

이는 도 1에서와 같이 상기 삽입홈(211)이 구비되지 않는 경우에도 상기 밴딩수단이 탄성부재를 도입하는 것이 가능하고,

이에 의한 기능 및 효과 역시 동일한 것임을 밝힌다.

더 나아가 첨부된 도면에는 상기 절개부(220)와 밴딩수단(230)이 복수로 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나,

이는 본 발명에 따른 일례에 불과한 것으로 상기 절개부 및 밴딩수단은 일측을 기준으로 단수로 형성되는 것 또한 가능하다.

또 상기 간격유지부재(200)는 열교환 파이프(100)의 길이방향을 따라 5m ~ 10m 간격을 두고 배열되어 있어 열교환 파이프(100) 전장을 통하여 간격유지부 재(200)의 유효한 지지를 보장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

마지막으로 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환 파이프(100)는 2 내지 4 개수로 구비될 수 있으며, 이러한 경우에는 상기 간격유지부재(200) 역시 열교환 파이프(100)의 개수에 따라 각 파이프의 해당 위치에 절개부(220), 밴딩수단(230) 및 삽입홈(211) 등이 형성되어 다양한 변형 사용을 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하중인가부재(300)는

상기 열교환 파이프(100)의 유입관(110)과 유출관(120)을 연결하고, 만곡지게 구부려 형성된 만곡부(130)에 연결된 로커(310)와,

상기 로커(310)와 연결된 무게추(320)를 포함하여 이루어진다.

이는 지면을 굴착하여 형성된 매설공은 굴착 시 지하수가 유입되어 매설공에는 수두가 형성되는데,

이 경우 폴리에틸렌 또는 고밀도폴리에틸렌 등의 합성수지재로 성형된 열교환 파이프의 경우에는 그 재질상의 특징에서 밀도가 물보다 작아 열교환 파이프가 뜨려는 힘을 받아 매설 작업이 쉽지 않게 되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 열교환 파이프에 철근이나 그 밖에 폐자재들을 열교환 파이프의 만곡부에 묶어 일정 하중을 인가함으로써 열교환 파이프의 매설 작업을 하였으나,

이러한 철근이나 폐자재들은 지중의 환경을 파괴하는 원인으로 작용할 수 있는 문제가 있다.

따라서 본 발명에 따른 하중인가부재(300)는 지중에 형성된 매설공(LH)에 열교환 파이프(100)를 투입하는 경우 일정 이상의 하중을 인가하여 열교환 파이프(100)의 투입 및 설치 작업이 용이하고, 또 친환경적인 작업 및 시스템을 구축하기 위해 도입된 구성이다.

즉 상기 하중인가부재(300)의 로크(310)는 상기 무게추(320)가 연결되어 상기 무게추(320)를 지지하는 역할을 하고,

상기 무게추(320)는 상기 로크(310)에 연결되어 열교환 파이프(100)에 일정한 하중을 인가하여 그 무게에 의하여 열교환 파이프(100)가 매설공(LH)을 통하여 자연스럽게 하강하도록 하여 작업성을 높일 수 있게 된다.

더 나아가 본 발명에 따른 하중인가부재(300)의 로커(310) 및 무게추(320)는 그 재질이 내식성 및 내부식성을 갖는 환경 친화적인 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 열교환 파이프 및 간격유지부재(도 8 및 도 9에는 미도시)를 포함하여 이루어진 지열용 지중열교환기를 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치는

냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프;

지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기;

상기 히트펌프와 상기 지열교환기를 연결하는 열교환 파이프 내의 냉매를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프를 포함하여 이루어진 지열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서,

상기 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 유닛에 각 유닛을 유닛별로 제어할 수 있는 N 개의 컨트롤러가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 컨트롤러 내부에 에너지 소모량 및 에너지 비용을 측정할 수 있는 측정기를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 측정기에 나타난 수치를 디스플레이할 수 있도록 컨트롤러 외부에 엘씨디가 더 마련된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 지열교환기는 쓰레기 매립장에 매설되어 25-40℃ 내에서 열교환되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도 8 내지 도 9를 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명의 대상이 되는 시스템은 지하에 있는 열에너지를 이용할 수 있는 것이면 모두 적용되나, 본 발명의 일실시예에서는 쓰레기 매립장에 버려지는 폐열을 이용한 것에 한정하여 설명한다.

도 8은 본 발명에 의한 지열을 이용한 히트펌프시스템의 실시도이고, 도 9는 도 8에 도시된 히트펌프시스템을 이용한 전체적인 개념도이다.

도 8에서 도시한 바와 같이 본 발명은 냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프(30); 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기(10); 상기 히트펌프(30)와 상기 지열교환기(10)를 연결하는 열교환 파이프(100) 내의 냉매를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프(20)를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛; 상기 유닛에는 각 유닛을 유닛별로 제어할 수 있고, 내부에 에너지 소모량 및 에너지 비용을 측정할 수 있는 측정기가 설치된 N 개의 컨트롤러(40); 상기 측정기에 나타난 것을 외부로 전시할 수 있는 엘씨디(60); 및 상기 컨트롤러(40)를 중앙에서 제어하는 메인 컴퓨터(50)를 포함하여 이루어진다.

상기 히트펌프(30)는 응축기(32), 컴프레셔(34), 팽창밸브(36) 등으로 구성되어 있고, 지열수가 지열교환기(10)를 통해 지열을 흡수하여 히트펌프(30)로 유입되면 히트펌프(30)에서 냉매가 흡수한 지열을 열원으로 하여 상기 히트펌프(30)와 연결되어 있는 냉난방부(70)를 통해 냉난방 기능, 급탕기능 및 침출수 처리공정의 가온용으로 활용한다.

상기 지열교환기(10)는 쓰레기 매립장에 설치되며, 상기 지열교환기(10)는 냉매의 유통경로가 되는 열교환 파이프(100)가 지중에 매설되어 있는 것으로서 그 형태는 코일형태, U자형 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며 설치방식도 쓰레기 매립장에 수직 또는 수평하게 설치할 수 있다.

상기 지열순환펌프(20)는 히트펌프(30)와 지열교환기(10)를 연결하는 열교환 파이프(100) 내의 냉매의 흐름을 원활하게 한다.

쓰레기 매립장의 바닥지면은 평균온도가 15℃정도이나 그 상부는 쓰레기의 분해열로 평균온도가 25℃ 이상이어서 열교환 파이프 내에 있는 5℃~10℃의 지열수는 지열교환기를 통과하면서 지열을 흡수하여 20℃~25℃의 냉매로 되어 지열 순환펌프를 통해 순환펌프로 들어가고,

상기 순환펌프는 컴프레셔를 거치면서 쓰레기 매립장에서 취출한 고온의 온도를 전달하고, 팽창밸브를 거치게 되며, 상기 팽창밸브는 쓰로틀 밸브 또는 모세 관이 사용될 수 있다.

쓰레기 매립장은 쓰레기의 분해과정에서 발생하는 열로 인하여 지중열이 평균 25℃ 이상에 달한다. 이는 보통 지중열이 평균 15℃인 것에 비하면 상당히 높은 온도로서, 지열시스템은 지중과 열교환 파이프 내의 냉매와의 열교환 방식에 의해 에너지를 얻는 방식이므로 온도차가 클수록 효율은 커진다.

또한, 쓰레기 매립장은 지열교환기를 지하 깊이 매설할 필요가 없고 천공과정 없이도 지열교환기의 설치가 가능하므로 초기 설치투자비가 획기적으로 감소하므로 경제적이다.

본 발명에서는 유닛을 다수 개를 설치하여 각각의 유닛이 냉난방부(70)에 필요한 열원을 모두 각각 제공할 수도 있지만, 냉난방부(70)의 급탕기능과 냉난방기능을 분리하여 각각의 히트펌프가 이를 전담하게 할 수도 있으며, 또한 침출수 처리공정의 가온을 전담하게 할 수도 있다.

상기 냉난방부(70)는 냉매의 순환을 원활히 하기 위한 순환펌프, 실내 냉난방을 위한 순환펌프, 실내 냉난방을 위한 냉온수탱크, 샤워 및 온수제공을 위한 급탕탱크 등으로 구성할 수 있다.

일반적으로 수요자가 원하는 냉동톤을 얻기 위하여는 대개 여러개의 히트펌프를 사용하는 것이 일반적인바, 종래에는 여러개의 히트펌프시스템을 하나로 보고 지열순환펌프를 하나 설치하고, 시스템을 콘트롤러 하나로 제어하였지만,

본 발명에서는 다수개의 히트펌프(30); 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기(10); 상기 히트펌프(30)와 상기 지열교환기(10)를 연결하는 열교환 파이프(100) 내의 지열수를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프(20)를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 구성하는 것이 핵심이다.

또한, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 상기 유닛을 제어할 수 있는 컨트롤러(40)를 유닛마다 설치를 하는데, 상기와 같이 각 유닛별로 컨트롤러(40)를 설치함으로서 부하에 따른 장비의 순차 및 댓수를 제어 할 수 있다.

댓수제어라 함은 소정의 냉동톤에 도달하기 위하여 작동되어야 하는 유닛수를 제어를 하는 것을 말하며,

순차제어라 함은 소정의 냉동톤을 얻고자 할 경우에 제1유닛이 작동하고,

수차제어라 함은 상기 댓수제어로 소망하는 냉동톤을 달성하고, 시스템이 종료된 후 다시 시스템을 작동시켜야 하는 경우 종전에 작동한 유닛 이후의 유닛을 순차적으로 작동하게 하는 것을 말한다.

상기 순차제어 및 댓수제어에 대한 순서도는 도 10에 도시되어 있는 바, 본 발명에 의한 순차제어 및 댓수제어는 다음과 같은 흐름에 의하여 얻어진다.

우선, 소망하는 냉동톤(X)이 입력되면(S1) 제1유닛이 작동하여(S2) 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 발생된다.

상기 냉동톤(X1)과 소망하는 냉동톤(X)을 비교하는 단계를 거치게 된다.(S3) 상기 단계에서 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 소망하는 냉동톤(X) 이상인 경우에는 더 이상의 제2유닛을 작동시키지 않고 제1유닛만 작동하게 되고, 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 소망하는 냉동톤(X) 이하인 경우에는 제2유닛을 작동시키게 되고(S4), 이 단계에서는 냉동톤(X2)가 발생된다.

상기 제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합과 소망하는 냉동톤을 비교단계를 거치게 된다.(S5)

제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합(X1+X2)이 소망하는 냉동톤(X) 이상인 경우에는 제3유닛이 작동되지 않고, 제1유닛과 제2유닛만 작동하게 되고, 제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합(X1+X2)이 소망하는 냉동톤(X) 이하인 경우에는 제3유닛이 작동하여, 위 과정을 반복하여 나간다.

종전의 지열을 이용한 히트펌프시스템에서는 하나의 지열순환펌프를 사용하 여 소정의 냉동톤을 얻었으나, 이 경우 소정의 냉동톤에 부하가 미달할 경우에는 지열순환펌프와 히트펌프에서의 전력 손실이 있었고,

또한 부하변동에 대해 지열순환펌프와 히트펌프 모두가 잦은 기동정지 때문에 기계적 고장의 원인을 제공하였으나,

본 발명에서는 지열순환펌프를 유닛개수 만큼 사용하여 유닛을 순차제어 함과 동시에 댓수제어를 할 수 있어 소망하는 냉동톤을 저렴한 비용으로 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 각 유닛과 컨트롤러는 통신라인으로 구성하는 것이 바람직한데, 상기와 같이 통신라인으로 구성함으로서 배관 배선을 획기적으로 줄일 수 있다.

종래에는 전체의 시스템을 하나의 컨트롤러로 제어하는 방식을 취하였으나, 각 유닛별로 컨트롤러를 설치함으로서 각 유닛별 온도 및 전류 등을 감시할 수 있고, 동파현상 및 컴프레셔 등에 문제가 생겼을 경우 경고를 할 수 있고, 각 장비별로 기동정지를 할 수 있고, 유닛별로 연동운전이 가능해지는 장점이 있다.

또한, 유닛에 설치된 컨트롤러에서 각 유닛별로 이상 현상을 감지할 수 있어 유닛별로 수리가 가능하다.

상기 컨트롤러(40) 내부에는 에너지 측정에 따른 에너지 소모량 및 에너지 비용을 계산할 수 있는 프로그램을 내장시키고, 이 프로그램에 의하여 계산된 에너지 소모량 및 에너지 비용을 디스플레이 할 수 있는 엘씨디(70)를 컨트롤러(40) 외부에 설치하게 할 수 있다.

따라서 본 발명은 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 유닛으로 하여 부하에 따른 지열순환펌프를 순차적으로 제어할 수 있음과 더불어 댓수를 제어할 수 있게 하여 궁극적으로는 에너지를 절감하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 N개의 유닛으로 이루어진 시스템을 제어하는 N개의 컨트롤러를 설치하여 유닛별 온도 및 전류 등을 감시함과 동시에 이상 현상(동파현상, 컴프레셔에 이상 현상) 발생 시 경보를 발생시킬 수 있고, 각 장비를 유닛별로 기동정지 할 수 있게 하고, 유닛별로 제어됨으로서 여름, 겨울철 절환운전을 용이하게 할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤러 외부에 에너지 소모량 및 에너지 비용 등을 표시할 수 있는 표시기를 설치하여 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 시스템을 쓰레기 매립장에 설치함으로서, 초기 설치투자비를 획 기적으로 감소시켜 경제적이고 높은 지열을 이용함으로 히트펌프의 효율을 높일 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기를 설명함에 있어 특정 형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환 파이프 및 간격유지부재를 나타내는 분해 및 결합 사시도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 간격유지부재에 삽입홈에 구비된 것을 나타내는 분해 및 결합 사시도,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 간격유지부재에서 밴딩수단이 탄성부재인 것을 나타내는 분해 및 결합 사시도와 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 하중인가부재를 나타내는 대략 개념도,

도 7은 본 발명에 따른 열교환 파이프 및 간격유지부재 다양한 구현례를 나타내는 사용 상태도,

도 8은 본 발명에 따른 지열용 지중열교환기를 이용한 히트펌프시스템을 나타내는 처리계통도,

도 9는 본 발명에 따른 지열용 지중열교환기를 이용한 히트펌프시스템을 이용한 전체적인 개념도,

도 10은 도 8에 의하여 제어되는 상태를 나타내는 개념도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

10 : 지열교환기

20 : 지열순환펌프 30: 히트펌프

32 : 응축기 34: 컴프레셔

36 : 팽창밸브 40 : 컨트롤러

50 : 메인컴퓨터 60 : 엘씨디

70: 냉난방부

100 : 열교환 파이프 110 : 유입관

120 : 유출관 130 : 만곡부

200 : 간격유지부재 210 : 몸체

211 : 삽입홈 220 : 절개부

230 : 밴딩수단 231 : 타이

233 : 탄성부재 233a : 이탈방지편

300 : 하중인가부재 310 : 로커

320 : 무게추

LH : 매설공

Claims (4)

1. 냉매 순환을 위한 유입관과 유출관을 갖고,

   상기 유입관과 유출관이 상호 연결되어 지중에 매설(埋設)된 열교환 파이프; 및

   상기 유입관과 유출관을 상호 비(非)접촉 이격시키는 몸체와,

   상기 몸체에 형성된 복수의 절개부와,

   상기 절개부에 각각 삽입되고, 상기 유입관과 유출관을 상기 몸체에 고정시키기 위한 밴딩수단을 포함하는 간격유지부재;를 포함하여 이루어지며,

   상기 밴딩수단은 상기 유입관 및 유출관을 외측에서 감싸면서 상기 절개부에 삽입되는 판형상의 탄성부재인 것을 특징으로 하는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 간격유지부재에서

   상기 몸체는 원추체로 이루어지고,

   상기 몸체에는 상기 열교환 파이프의 유입관 및 유출관을 수용하기 위한 삽입홈이 더 구비되며,

   상기 절개부는 상기 삽입홈 주변에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 열교환 파이프 하단부에는 하중인가부재가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 성능이 향상된 지열용 지중열교환기.

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