KR100967179B1 - 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공급 관과 환수 관이 상하로 나란하게 나선형으로 지중에 설치되고, 지중 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법에 관한 것이다.

본 발명은, 지중에 형성되는 천공 홀; 상기 천공 홀의 내부에서 공급 관과 환수 관이 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치된 코일 부; 상기 코일 부의 최하단에서 상기 공급 관과 환수 관을 일체로 연통시키는 연결부; 및 상기 천공 홀의 내부를 충전하는 채움 재;를 포함하고, 상기 코일 부를 열전달 유체가 통과하면서 지중 열과의 열교환을 이루는 것과 동시에 상기 공급 관과 환수 관 사이에서 상호 열 교환을 이루도록 구성된 상하 융합형 지중 열교환기와 그 설치 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 공급 관과 환수 관들이 서로 상하로 나란하게 나선형으로 감기면서 그 상하 간에는 피치 간극이 형성되지 않고 서로 인접하여 나선형으로 감긴다. 따라서 시공이 간편할 뿐만 아니라, 지중 열에 의한 냉각 또는 가열 열교환을 이룰 수 있어서 보다 효율 높은 냉각효과 또는 가열 효과를 얻을 수 있다.

대구경 수직형 지중열교환기,상하융합형 수직 지중열교환기, 지열원 열펌프

Description

상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법{Large Diameter Geo-heat Exchanger and Its Installation Method}

본 발명은 지중 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기 및 그 설치방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공급 관과 환수 관이 상하로 나란하게 나선형으로 지중에 설치됨으로써 별도의 스페이서(spacer)가 불필요하여 시공이 간편할 뿐만 아니라, 공급 관과 환수 관과의 직접적인 열전달을 통하여 보다 효율 높은 냉각효과를 얻을 수 있는 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법에 관한 것이다.

일반적으로 지중 열을 열원으로 이용하는 열 펌프에 의한 냉난방 시스템은 열원에 설치된 열교환기를 통해 열원의 열을 회수 또는 열원에 열을 방출하는 냉난방 시스템을 의미하며, 이는 지중 매설환경에 따라 수직형 및 수평형을 선택하여 적용할 수 있다.

이와 같이 지중 열을 열원으로 이용한 냉난방 시스템(200)은 도 1a)에 도시된 바와 같이 냉방사이클(210a)로 작동할 수 있는데, 고온,고압의 냉매는 과열증기 상태로 압축기(212)를 나와 4방 밸브(214)를 거쳐 응축기(216)로 들어간다. 응 축기(216)에서 고온의 증기 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 지중 열교환기(220)의 열전달 유체인 부동액과 열교환을 한다. 이 과정에서 부동액의 온도는 상승하며 증기냉매는 기상(vapor phase)에서 액상(liquid phase)으로 상 변화(응축)를 하게 된다. 그리고 응축기(216)를 나온 고온의 액상냉매는 팽창밸브(222)를 지나면서 저온,저압의 상태가 된다. 이와 같은 저온,저압 상태의 액상냉매는 증발기(224)로 들어가 실내공기와 열교환을 한다. 이 열교환 과정에서 액상냉매는 증발기(224)로 유입되는 실내공기를 차갑게 만들면서 증기로 상 변화(증발)를 하게 된다. 증발기(224)를 나온 저온,저압의 액상냉매는 다시 4방 밸브(214)를 지나 압축기(212)로 들어가 압축과정을 겪으면서 다시 고온,고압의 증기 냉매가 된다.

한편 이와 같은 전형적인 지열원 냉난방 시스템(200)에서 부동액의 응축기(216) 입구온도 (EWT, Entering Water Temperature)는 약 15℃ 내외이고, 출구온도 (LWT, Leaving Water Temperature)는 냉매로부터 열(온도차 에너지)을 받아 입구온도 보다 약 5℃∼6℃ 정도 상승한다. 온도가 상승한 부동액은 지중 열교환기(220)의 파이프(230) 내를 순환하면서 약 12℃의 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다.

도 1b)에는 지열원 난방사이클(210b)을 개략적으로 도시한 것이다. 이와 같은 난방 싸이클(210b)은 압축기(212)를 나온 고온,고압의 증기 냉매가 4방 밸브(214)를 거쳐 응축기(216)로 들어간다. 응축기(216)에서 고온의 증기 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 실내순환공기(물 대 공기 방식) 또는 물(물 대 물 방식)과 열교환을 수행한다. 이 과정에서 증기 냉매는 액상으로 상 변화를 하고, 실내순환 공기 또는 물은 냉매가 갖고 있던 에너지를 받아 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공기 또는 물을 분배장치(240)를 통해 난방을 하거나 온수를 공급하게 된다.

응축기(216)를 통과하면서 액상으로 상이 변한 냉매는 팽창밸브(222)를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 증발기(224)로 들어간다. 증발기(224)로 유입된 액상냉매는 지중 열교환기(220)를 순환하는 열전달 유체인 부동액으로부터 에너지를 받아 다시 증발하고, 4방 밸브(214)를 지나 압축기(212)로 들어간다. 압축기(212)는 저온,저압의 액상 냉매를 압축하여 처음 상태로 만든다. 지중 열교환기(220)의 부동액은 증발기(224)에서 냉매를 증발시키고 자신은 약 5℃∼6℃ 정도 온도가 감소한다. 이때 부동액의 증발기(224) 입구온도는 대략 10℃이다. 온도가 강하된 부동액은 지중 열교환기(220) 내를 순환하면서 약 12℃의 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다.

그리고 실내 측 분배장치(240)는 공기 조화기, 팬 코일 유닛(Fan Coil Unit, FCU) 등과 조합하여 사용할 수 있다.

도 2에는 이와 같은 지중 열 냉 난방 시스템(200)에 사용되는 종래의 지중 열교환기(220)를 도시한 것이다. 이와 같은 종래의 지중 열교환기(220)는 2개의 자유 단부(232a)(232b)를 갖는 열교환 파이프(230) 내부에 열전달 유체인 부동액이 충전되고, 상기 자유단부(232a)(232b) 사이에는 소정의 회전반경과 간격을 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 코일 부(234)를 포함한다.

그리고, 상기 코일 부(234)의 내부에는 코일 부에 외력이 가해져도 형태가 변하는 것을 방지하는 형상 지지부재(236)가 설치되고, 상기 형상 지지부재(236) 는 상기 코일 부(234)의 내부에 위치하여 코일 부(234)의 내측면을 지지하는 지지부로 이루어지고, 이 지지부에는 상기 코일 부(234)가 끼워진 상태로 더욱 견고하게 지지되도록 지지 홈(미 도시)이 형성된 구조이다.

그러나, 이와 같은 종래의 지중 열교환기(220)는 코일 부(234)를 현장 시공하는 과정에서 형상 지지부재(236)에 상하 일정 간격으로 PE 재료의 파이프(230)를 감아야 하기 때문에 시공이 어렵다. 특히 천공 홀(238)의 내부에서 형상 지지부재(236)의 외측에 PE 파이프(230)를 스프링 형상으로 설치한 후, 비어있는 공간을 콘크리트 또는 벤토나이트를 주재료로 하여 채우는 그라우팅(239)을 하게 된다.

한편 이와 같은 그라우팅(239) 공정 시 충격으로 열교환 파이프(230)의 간격이 변화되므로 이와 같은 간격 유지를 정확하게 하기 위해서는 많은 시간이 소요되고, 시공이 매우 번거로울 뿐만 아니라, 스페이서(spacer)를 사용하게 되면 시공 단가가 상승하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은

공급 관과 환수 관으로 이루어진 코일 부를 천공 홀 내의 지중에 설치하는 경우, 별도의 스페이서가 불필요하여 시공이 간편할 뿐만 아니라, 시공 원가의 절감을 이룰 수 있는 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법을 제공함에 있다.

그리고 본 발명은 다른 목적으로서 지중에 매설된 코일 부를 통하여 열전달 유체가 통과하는 경우, 전열면적을 증가시키고 토양과 직접적인 접촉을 통해 열전달을 향상시켜 보다 효율 높은 냉각효과를 얻을 수 있는 상하 융합형 지중 열교환기 및 그 설치방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기에 있어서,

지중에 형성되는 천공 홀;

상기 천공 홀의 내부에서 파이프가 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치된 코일 부; 및

상기 천공 홀의 내부를 충전하는 채움 재;를 포함하고, 상기 코일 부를 열전달 유체가 통과하면서 지중 열과의 열교환을 이루는 것을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부는 공급 관과 환수 관이 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 상기 코일 부의 최하단에서 상기 공급 관과 환수 관을 일체로 연통시키는 연결부를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부는 공급 관이 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 그 내측 중앙을 환수 관이 직선형으로 통과하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 천공 홀은 그 내부에 내부 심재가 상하방향으로 위치되고, 상기 코일 부는 내부 심재의 외측에 나선형으로 감긴 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 천공 홀은 그 내부에 내부 심재가 상하방향으로 위치되고, 상기 코일 부는 내부 심재의 내측에 나선형으로 감긴 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 내부 심재는 강관임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부는 그 내측에 모래 또는 흙으로 이루어진 채움 재를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부는 그 외측에 그라우팅 재료의 채움 재를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한 다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 연결부는 공급 관의 하단과 환수 관의 하단을 연결하는 "∪"형 관으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기의 설치방법에 있어서,

지중에 천공 홀을 형성하는 단계;

상기 천공 홀의 내부에서 파이프를 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감아 코일 부를 형성하는 단계; 및

상기 천공 홀의 내부를 채움 재로 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부를 형성하는 단계는 공급 관과 환수 관의 하단을 "∪"형 관으로 연결하여 서로 연통시키고, 상기 공급 관과 환수 관을 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부를 형성하는 단계는 공급 관을 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감아 배치하고, 그 내측 중앙을 환수 관이 직선형으로 통과하도록 배치하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부를 형성하는 단계는 천공 홀의 내부에 강관형의 내부 심재를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재의 외측에 코일 부를 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 코일 부를 형성하는 단계는 천공 홀의 내부에 강관형의 내부 심재를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재의 내측에 코일 부를 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 채움 재를 충전하는 단계는 상기 코일 부의 내측에 모래 또는 흙을 충전하고, 코일 부의 외측에 그라우팅 재료를 충전하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기를 제공한다.

또한 본 발명은 바람직하게는 상기 채움 재를 충전하는 단계는 모래 또는 흙의 충전시 물을 투입하여 공극없이 다지는 공정을 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 공급 관과 환수 관으로 이루어진 코일 부가 천공 홀 내의 지중에 설치되는 경우, 각각의 공급 관과 환수 관들은 서로 상하로 나란하게 나선형으로 감기면서 그 상하 간에는 피치 간극이 형성되지 않고 서로 인접하여 나선형으로 감긴다. 또한, 그라우팅 작업시 뒷 채움 방법에 있어서 모래, 벤토나이트, 시멘트, 점토 등을 단독주입 또는 혼합주입할 때 브릿지 현상을 방지함으로서 작업을 단순화하고, 신뢰성을 높임으로써 그라우팅 작업을 최소화할 수 있으며, 상 기 코일 부를 설치하는 데에 별도의 스페이서(spacer)가 불필요하여 시공이 간편할 뿐만 아니라, 시공 원가의 절감을 이룰 수 있는 효과가 얻어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면 2를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 상하 융합형 지중 열교환기(1)는 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템(200)에 이용된다. 본 발명에 따른 상하 융합형 지중 열교환기(1)는 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 지중에 천공 홀(5)이 형성되고, 상기 천공 홀(5)의 내부에는 공급 관(10)과 환수 관(20)이 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치(P) 간격 없이 나선형으로 감겨 배치된 코일 부(30)가 위치된다.

상기 코일 부(30)는 열 전달 매체가 내부에서 흐르는 공급 관(10)과 환수 관(20)이 나란하게 나선형으로 배치되는 구조인데, 이와 같은 코일 부(30)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 강관형의 내부 심재(32) 외측에 나선형으로 감기는 경우, 공급 관(10)과 환수 관(20)의 상하 피치(P) 간격이 없이 서로 인접하여 배치된다. 즉 코일 부(30)의 맨 하부측에 공급 관(10)이 배치되면, 그 상부측으로 환수 관(20)이 위치되고, 그 상부측으로 공급 관(10)이 배치되며, 그 위로 환수 관(20)이 차례차례 배치되는 순서로 나선형으로 감겨 배치된다.

따라서 이와 같은 코일 부(30)는 독특한 나선형의 구조로 인하여 공급 관(10)의 입측(10a)이 환수 관(20)의 출측(20a)에 인접하며, 공급 관(10)의 출측(10b)은 환수 관(20)의 입측(20b)에 인접한다. 그리고 공급 관(10)이 입측(10a) 으로부터 출측(10b)으로 갈수록 환수 관(20)은 출측(20a)으로부터 입측(20b)으로 향하게 되고, 이와 같은 배치 구조로 공급 관(10)과 환수 관(20)은 서로 인접한다.

이와 같은 코일 부(30)는 그 내부를 열전달 유체가 통과하는 경우, 지중 열과의 열교환을 이루게 된다.

상기에서 열전달 유체는 부동액을 주로 사용한다. 이상적인 열전달 유체는 열전달 능력이 우수하고 점도가 낮아야 하며 지중 환경에 대한 영향이 없어야 한다. 또한 값이 저렴하면서 장기간 사용할 수 있어야 한다. 현재 주로 사용되고 있는 부동액은 예를 들면 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2)/물, 염화나트륨(sodium chloride, NaCl)/물, 탄산칼륨(potassium carbonate, K2CO3)/물, 에틸렌글리콜(ethylene glycol, HOCH2CH2OH)/물, 프로필렌글리콜(propylene glycol, CH3CHOHCH2OH)/물, 메탄올(methanol, CH3OH)/물, 에탄올 (ethanol, C2H5OH)/물 그리고 아세트산칼륨 (potassium acetate, CH3CHOOK)/물 등이다.

또한 본 발명의 지중 열교환기(1)에 사용되는 열전달 유체는 각종 금속에 대해 내 부식성을 갖추어야 한다. 따라서 실제 사용되는 부동액은 소량의 부식억제제(corrosion inhibitors)가 첨가된 것이다. 일반적으로 글루코스 (glucose)를 부식억제제로 사용하지만, 아세트산칼륨과는 함께 사용하지 않는다. 또한 일부 부식억제제는 독성을 갖기 때문에 무독성의 부동액이 부식억제제 첨가로 인해 독성을 갖지 않도록 하여야 한다.

그리고 본 발명은 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 천공 홀(5)의 내부에 내부 심재(32)가 상하방향으로 위치되고, 상기 코일 부(30)가 그 내부 심재(32)의 내측에 나선형으로 감긴 구조일 수 있다. 이와 같은 경우에도 상기 코일 부(30)는 도 4b)에 도시된 바와 같이, 공급 관(10)과 환수 관(20)들이 상하 피치(P) 간격 없이 서로 인접하여 나선형으로 배치된다. 즉 코일 부(30)의 맨 하부측에 공급 관(10)이 배치되면, 그 상부측으로 환수 관(20)이 위치되고, 그 상부측으로 공급 관(10)이 배치되며, 그 위로 환수 관(20)이 배치되는 순서로 차례차례 나선형으로 감겨 배치됨으로써 공급 관(10)과 환수 관(20)은 서로 인접한다.

또한 이와 같은 코일 부(30)는 그 최하단에서 상기 공급 관(10)과 환수 관(20)을 일체로 연통시키는 연결부(40)를 구비한다. 상기 연결부(40)는 공급 관(10)의 하단과 환수 관(20)의 하단을 연결하는 "∪"형 관으로 이루어진 것인데, 이와 같은 "∪"형 관은 강성을 유지한 파이프로 이루어진다. 이와 같은 "∪"형 관은 공급 관(10)과 환수 관(20)의 연결을 이룰 뿐만 아니라, 그 내부의 단면 축소없이 원활하게 열전달 유체가 흐를 수 있도록 하여 준다. 예를 들면 공급 관(10)과 환수 관(20)이 PE 재질로 이루어지는 경우, 공급 관(10)으로부터 환수 관(20)으로 방향 전환하게 되면, 해당 부분이 꺾여서 단면 축소가 일어나고, 이는 열 전달 유체의 원활한 흐름을 방해한다. 따라서 공급 관(10)으로부터 환수 관(20)측으로 원활한 열 전달 유체의 흐름을 유지하기 위해서는 강성을 유지한 연결부(40)의 "∪"형 관이 반드시 필요한 것이다.

그리고 본 발명은 상기 천공 홀(5)의 내부를 충전하는 채움 재(50)를 포함한다. 상기 채움 재(50)는 내부 심재(32)의 내측에 채워지는 모래 또는 흙(52a)을 포함하고, 내부 심재(32) 외측의 그라우팅 재료(52b)를 포함한다. 상기 흙(52a)은 천공 홀(5)을 파내서 발생된 흙을 재사용할 수 있고, 그라우팅 재료(52b)로는 현재 투과계수(permeability)가 낮은 시멘트 그라우트나 벤토나이트 그라우트 등을 사용할 수 있다.

이와 같은 그라우팅 층은 지중 열교환기(1)의 코일 부(30)와 천공 홀(5) 주변의 토양 또는 암석과의 사이에서 열전달을 촉진하고, 지면에 고인 물이 천공 홀(5) 내로 유입되는 것을 방지하며 천공 홀(5) 주변의 지하 수맥에서 천공 홀(5) 안으로 지하수가 유입되는 것을 방지하는 중요한 역할을 한다.

한편 본 발명은 상기 코일 부(30)가 도 6에 도시된 바와 같이, 공급 관(10)이 상하 피치(P) 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 그 내측 중앙을 환수 관(20)이 직선형으로 통과하는 구조일 수 있다.

이와 같은 경우, 상기 공급 관(10)은 피치가 없는 나선형의 구조이기 때문에 토양과의 전열면적이 최대화되어 종래 구조에 비해 열전달 효율이 크게 향상되는 것이다.

이하, 본 발명의 지중 열교환기의 설치방법(100)에 대하여 단계적으로 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 지중 열교환기의 설치방법(100)은 도 7에 전체적으로 도시된 바와 같이, 먼저 지중에 천공 홀(5)을 형성하는 단계(110)가 이루어진다. 그리고 다음으로 열전달 유체가 통과하는 공급 관(10)과 환수 관(20)을 "∪"형관으로 연결하여 서로 연통시키는 단계(120)가 이루어지는데, 이는 상기 천공 홀(5)의 내 부에 코일 부(30)를 설치하기 위하여 "∪"형 관의 연결부(40)를 이용하여 공급 관(10)과 환수 관(20)을 하나로 연결하게 된다. 여기서 공급 관(10)과 환수 관(20), "∪"형

그리고 본 발명은 다음으로 상기 천공 홀(5)의 내부에서 공급 관(10)과 환수 관(20)을 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치(P) 간격 없이 나선형으로 감아 코일 부(30)를 형성하는 단계(130)가 이루어진다.

상기 코일 부(30)를 형성하는 단계(130)는 도 3a),b)에 도시된 바와 같이, 천공 홀(5)의 내부에 강관형의 내부 심재(32)를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재(32)의 외측에 코일 부(30)를 나선형으로 감아 배치하게 된다. 또는 도 4a),b)에 도시된 바와 같이, 천공 홀(5)의 내부에 강관형의 내부 심재(32)를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재(32)의 내측에 코일 부(30)를 나선형으로 감아 배치할 수 있다.

이와 같은 구조에서 상기 코일 부(30)는 상기 공급 관(10)과 환수 관(20)의 상하 피치(P) 간격이 없이 서로 인접하여 배치되는데, 이는 공급 관(10)과 환수 관(20)의 2가닥이 내부 심재(32)의 내측 또는 외측에서 내부 심재(32)를 차례차례 상부로 감아 올라가는 구조이다. 즉 코일 부(30)는 맨 하부 측에 공급 관(10)이 배치되면 그 상부 측으로 환수 관(20)이 위치되고, 그 상부 측으로 공급 관(10)이 배치되며, 그 위로 환수 관(20)이 차례차례 배치되는 순서로 나선형으로 감겨 배치된다.

따라서 이와 같은 코일 부(30)는 독특한 나선형의 구조로 인하여 공급 관(10)의 입측(10a)이 환수 관(20)의 출측(20a)에 인접하며, 공급 관(10)의 출측(10b)은 환수 관(20)의 입측(20b)에 인접한다. 그리고 공급 관(10)이 입측(10a)으로부터 출측(10b)으로 갈수록 환수 관(20)은 출측(20a)으로부터 입측(20b)으로 향하게 되고, 이와 같은 배치 구조를 통하여 공급 관(10)과 환수 관(20)은 서로 인접한다.

이와 같은 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 공급 관(10)과 환수 관(20)이 적층된 구조에서 상하 관들 사이의 피치(P)는 실제적으로는 "0"으로 유지되는데, 도 5에서는 코일 부(30)의 나선형 구조를 설명하기 위하여 그 중간 과정으로서 피치(P)가 사이 간격을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그렇지만 실제로 코일 부(30)는 천공 홀(5)의 내부에서 이러한 피치(P)가 "0"로 유지되어 공급 관(10)과 환수 관(20)의 사이에서는 아무런 간격도 형성되지 않고 서로 상하에서 밀착한다.

그리고 본 발명은 다음으로 상기 천공 홀(5)의 내부를 채움 재(50)로 충전하는 단계(140)를 포함한다. 상기 채움 재(50)를 충전하는 단계(140)는 상기 내부 심재(32)의 내측에 모래 또는 흙(52a)을 충전하고, 내부 심재(32)의 외측에는 그라우팅 재료(52b)를 충전하는 과정을 포함한다. 이와 같은 경우, 상기 모래 또는 흙(52a)의 충전시에는 물을 동시에 투입하고, 모래 또는 흙(52a)을 공극없이 다지는 공정을 추가 포함한다.

이와 같은 단계들을 통하여 본 발명은 지중에 코일 부(30)를 매설하되, 독특한 나선형의 구조로 매설한다. 즉 공급 관(10)의 입측(10a)이 환수 관(20)의 출측(20a)에 인접하고, 공급 관(10)의 출측(10b)은 환수 관(20)의 입측(20b)에 인접 함으로써, 공급 관(10)이 입측(10a)으로부터 출측(10b)으로 갈수록 환수 관(20)은 출측(20a)으로부터 입측(20b)으로 향하게 되고, 이와 같은 배치 구조로 공급 관(10)과 환수 관(20)은 그 전체 길이에 걸쳐서 서로 인접한다. 따라서 그 내부를 열전달 유체가 통과하는 경우, 지중 열과의 열교환이 이루어지게 된다.

따라서 본 발명의 지중 열교환기(1)가 냉방 싸이클로서 사용되는 경우, 코일 부(30)의 공급 관(10)으로 유입된 열전달 유체는 공급 관(10) 입측(10a)의 가장 고온의 상태에서 토양과 열교환이 이루어지면서 점차 그 온도가 낮아져 공급 관(10)의 출측(10b)으로 하강되면서 지중 열에 의해서 냉각된다. 그리고 "∪"형 관의 연결부(40)를 통과하면서 환수 관(20)의 입측(20b)을 통하여 상승되면서 추가적으로 지중 열에 의해서 냉각되고, 가장 저온의 상태로 환수 관(20)의 출측(20a)을 통하여 빠져나간다.

또한 본 발명의 지중 열교환기(1)가 난방 싸이클로서 사용되는 경우, 코일 부(30)의 공급 관(10)으로 유입된 열전달 유체는 공급 관(10) 입측(10a)의 가장 저온의 상태에서 지열에 의해서 가열되고, 점차 그 온도가 높아지면서 공급 관(10)의 출측(10b)으로 하강되면서 지중 열에 의해서 가온된다. 그리고 "∪"형 관의 연결부(40)를 통과하면서 환수 관(20)의 입측(20b)을 통하여 상승되면서 추가적으로 지중 열에 의해서 가열되고, 가장 고온의 상태로 환수 관(20)의 출측(20a)을 통하여 빠져나간다.

이와 같이 본 발명은 공급 관(10)과 환수 관(20)으로 이루어진 코일 부(30)가 천공 홀(5) 내의 지중에 설치되는 경우, 각각의 공급 관(10)과 환수 관(20)들 은 서로 상하로 나란하게 나선형으로 감기면서 그 상하 간에는 피치(P) 간극이 형성되지 않고 서로 인접하여 나선형으로 감긴다. 따라서 본 발명은 코일 부(30)를 천공 홀(5)의 내부에 설치하는 데에 별도의 스페이서가 불필요하여 시공이 어렵지 않을 뿐만 아니라, 신속하게 이루어질 수 있고, 그에 따른 공기 단축은 물론 시공 원가의 절감을 이룰 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 지중 내에서 매설되는 코일 부(30)는 고온의 공급 관(10)과 저온의 환수 관(20)들이 서로 나란하게 상하로 밀착되어 나선형으로 감겨 있기 때문에 그 내부를 열전달 유체가 통과하는 과정에서 지중 열에 의한 냉각 또는 가열 열교환을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 토양과의 접촉면적이 증대되어 높은 냉각 또는 가열효과를 얻을 수 있어서 열교환 효율이 크게 향상되는 것이다.

그리고 본 발명은 상기 코일 부(30)를 형성하는 단계(130)는 도 6에 도시된 바와 같이, 공급 관(10)을 상하 피치(P) 간격 없이 나선형으로 감아 배치하고, 그 내측 중앙을 환수 관(20)이 직선형으로 통과하도록 배치하는 것일 수 있다. 이와 같은 경우에도, 상기 공급 관(10)은 피치가 없는 나선형의 구조이기 때문에 토양과의 전열면적이 최대화되어 종래 구조에 비해 열전달 효율이 크게 향상되는 것이다.

본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 실시 예를 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 실시 예의 수정 또는 설계변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.

도 1은 일반적인 지중열 냉난방 시스템을 도시한 구성도로서,

a)도는 냉방 싸이클의 동작 설명도, b)도는 난방 싸이클의 동작 설명도;

도 2는 종래의 기술에 따른 지중 열교환기를 도시한 설명도;

도 3은 본 발명에 따른 지중 열교환기에서 내부 심재의 외측에 코일 부가 배치된 구조를 나타낸 도면으로서,

a)도는 종 단면도, b)도는 분해 조립도;

도 4는 본 발명에 따른 지중 열교환기에서 내부 심재의 내측에 코일 부가 배치된 구조를 나타낸 도면으로서,

a)도는 종 단면도, b)도는 분해 조립도;

도 5는 본 발명에 따른 지중 열교환기에 구비된 코일 부를 상세히 설명한 도면으로서, 공급 관과 환수 관이 나란하게 인접한 상태로 코일형으로 감기는 상태를 도시한 사시도;

도 6은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 변형 구조로서, 공급 관이 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 그 내측 중앙을 환수 관이 직선형으로 통과하는 구조를 갖는 구성도;

도 7은 본 발명에 따른 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법을 단계적으로 도시한 공정 순서도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1..... 본 발명에 따른 상하 융합형 지중 열교환기

5..... 천공 홀 10..... 공급 관

10a... 공급관 입측 10b... 공급관 출측

20.... 환수 관 20a... 환수관 출측

20b... 환수 관 입측 30.... 코일 부

32.... 내부 심재 40.... 연결부

50.... 채움 재 52a.... 모래 또는 흙

52b... 그라우팅 재료

100... 본 발명의 지중 열교환기의 설치방법

110... 지중에 천공 홀을 형성하는 단계

120... 공급 관과 환수 관을 서로 연통시키는 단계

130... 코일 부를 형성하는 단계

140... 천공 홀의 내부를 채움 재로 충전하는 단계

200.... 지중 열 냉난방 시스템 210a.... 냉방사이클

210b... 난방 싸이클 212.... 압축기

214.... 4방 밸브 216.... 응축기

220.... 지중 열교환기 222.... 팽창밸브

224.... 증발기 230.... 파이프

232a,232b.... 자유 단부 239.... 그라우팅(grouting)

240.... 분배장치

Claims (16)

1. 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기에 있어서,

   지중에 형성되는 천공 홀;

   상기 천공 홀의 내부에서 파이프가 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치된 코일 부; 및

   상기 천공 홀의 내부를 충전하는 채움 재;를 포함하고, 상기 코일 부를 열전달 유체가 통과하면서 지중 열과의 열교환을 이루는 것을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일 부는 공급 관과 환수 관이 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 상기 코일 부의 최하단에서 상기 공급 관과 환수 관을 일체로 연통시키는 연결부를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 코일 부는 공급 관이 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감겨 배치되고, 그 내측 중앙을 환수 관이 직선형으로 통과하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 상기 천공 홀은 그 내부에 내부 심재가 상하방향으로 위치되고, 상기 코일 부는 내부 심재의 외측에 나선형으로 감긴 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 상기 천공 홀은 그 내부에 내부 심재가 상하방향으로 위치되고, 상기 코일 부는 내부 심재의 내측에 나선형으로 감긴 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 내부 심재는 강관임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
7. 제1항에 있어서, 상기 코일 부는 그 내측에 모래 또는 흙으로 이루어진 채움 재를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
8. 제1항에 있어서, 상기 코일 부는 그 외측에 그라우팅 재료의 채움 재를 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
9. 제2항에 있어서, 상기 연결부는 공급 관의 하단과 환수 관의 하단을 연결하는 "∪"형 관으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기.
10. 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기의 설치방법에 있어서,

    지중에 천공 홀을 형성하는 단계;

    상기 천공 홀의 내부에서 파이프를 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감아 코일 부를 형성하는 단계; 및

    상기 천공 홀의 내부를 채움 재로 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 코일 부를 형성하는 단계는 공급 관과 환수 관의 하단을 "∪"형 관으로 연결하여 서로 연통시키고, 상기 공급 관과 환수 관을 나란하게 복수의 가닥으로 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 코일 부를 형성하는 단계는 공급 관을 상하 피치 간격 없이 나선형으로 감아 배치하고, 그 내측 중앙을 환수 관이 직선형으로 통과하도록 배치하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 코일 부를 형성하는 단계는 천공 홀의 내부에 강관형의 내부 심재를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재의 외측에 코일 부를 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
14. 제10항에 있어서, 상기 코일 부를 형성하는 단계는 천공 홀의 내부에 강관형의 내부 심재를 상하방향으로 위치시키고, 상기 내부 심재의 내측에 코일 부를 나선형으로 감는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
15. 제10항에 있어서, 상기 채움 재를 충전하는 단계는 상기 코일 부의 내측에 모래 또는 흙을 충전하고, 코일 부의 외측에 그라우팅 재료를 충전하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 채움 재를 충전하는 단계는 모래 또는 흙의 충전시 물을 투입하여 공극없이 다지는 공정을 포함하는 것임을 특징으로 하는 상하 융합형 지중 열교환기의 설치 방법.

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