KR101048398B1 - Tube type underground heat exchanger - Google Patents

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KR101048398B1
KR101048398B1 KR1020040069821A KR20040069821A KR101048398B1 KR 101048398 B1 KR101048398 B1 KR 101048398B1 KR 1020040069821 A KR1020040069821 A KR 1020040069821A KR 20040069821 A KR20040069821 A KR 20040069821A KR 101048398 B1 KR101048398 B1 KR 101048398B1
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박흥수
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명은 관정형 지중 열교환기에 관한 것으로 특히, 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a tubular underground heat exchanger, and in particular, in a heat pump system using geothermal heat, it is possible not only to reduce the drilling depth of the underground heat exchanger, but also to reduce the overall size of the apparatus, thereby contaminating groundwater or environmental pollution by underground waste. An object of the present invention is to provide a tubular underground heat exchanger which can prevent the occurrence of a problem.

상기한 목적을 갖는 관정형 지중 열교환기는, 지표면 하부에 지중 파이프를 매설하고, 지중 파이프의 내부에는 히트펌프의 증발관을 삽입 설치하며, 지중 파이프와 증발관 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프를 삽입 설치하고, 증발관은 압축기 및 팽창밸브를 통하여 히트펌프의 응축기와 연결하여 구성하되, 지중 파이프의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 지중 파이프의 상부에는 물유입공이 형성되며, 중간 파이프의 상부 및 하부에는 물순환공이 각각 형성되어, 상기 히트펌프의 증발관이 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어진 상태에서 히트펌프의 작동유체를 증발관의 내부에서 증발시키는 것을 특징으로 한다.The pipe-type underground heat exchanger having the above-mentioned object embeds an underground pipe under the ground, inserts an evaporating tube of a heat pump inside the underground pipe, and induces convection of water in the space between the underground pipe and the evaporating tube. Insert and install the intermediate pipe of the function, the evaporator tube is configured to connect to the condenser of the heat pump through the compressor and expansion valve, the upper and lower parts of the underground pipe is formed in a closed form, the water inlet hole in the upper part of the underground pipe Water circulation holes are formed in the upper and lower portions of the intermediate pipe, respectively, and the working fluid of the heat pump is transferred to the evaporating tube in a state in which the evaporating tube of the heat pump is in direct contact with rainwater or groundwater introduced into the underground pipe. It is characterized by evaporating inside.

열교환기, 히트펌프, 증발관, 응축기, 지중 파이프, 물순환공, 물유입공Heat exchanger, heat pump, evaporator, condenser, underground pipe, water circulation hole, water inlet hole

Description

관정형 지중 열교환기{Geothermal Well Type Direct Expansion Heat Exchanger} Geothermal Well Type Direct Expansion Heat Exchanger             

도 1a는 종래의 지열 히트펌프 장치의 구성을 나타내는 개략도1A is a schematic diagram showing the configuration of a conventional geothermal heat pump apparatus

도 1b는 종래의 지열 히트펌프 장치 중 지중 열교환기를 나타내는 개략 단면도Figure 1b is a schematic cross-sectional view showing an underground heat exchanger of the conventional geothermal heat pump apparatus

도 2는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성을 나타내는 개략도
Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the tubular underground heat exchanger of the present invention

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 히트펌프의 응축기 2 : 증기관1: condenser of heat pump 2: steam pipe

3 : 압축기 5 : 팽창밸브 3: compressor 5: expansion valve

6 : 증발기 6a : 열매체 파이프6: evaporator 6a: heat medium pipe

7 : 순환펌프 8 : 폴리에틸렌 파이프7: circulating pump 8: polyethylene pipe

9 : 보호관 10 : 충전재9: protective tube 10: filling material

11 : 지표면 12 : 지중 파이프11: ground surface 12: underground pipe

12a : 물유입공 13 : 중간 파이프12a: water inlet hole 13: intermediate pipe

13a : 물순환공 15 : 증발관 13a: water circulation hole 15: evaporation tube                 

17 : 상승수 18 : 하강수
17: rising number 18: falling number

본 발명은 관정형 지중 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a tubular underground heat exchanger, and more particularly, in a heat pump system using geothermal heat, it is possible not only to reduce the drilling depth of an underground heat exchanger but also to reduce the overall size of the apparatus, It relates to a columnar underground heat exchanger that can prevent the occurrence of environmental pollution problems.

일반적으로, 히트펌프는 고압의 작동유체가 감압되면서 팽창하는 과정에서 주위의 열을 흡수하도록 한 후 이를 압축기를 이용하여 가압 승온시키고, 응축기에서 주위에 열을 방출하면서 다시 액화되는 과정이 연속적으로 이루어지도록 하는 하나의 열적 사이클이다.In general, the heat pump absorbs the surrounding heat in the process of expanding the high pressure working fluid under reduced pressure, pressurizes it up by using a compressor, and liquefies continuously while releasing heat from the condenser. One thermal cycle to lose.

상기한 히트펌프의 열적 사이클은, 증발기에서 주위의 열에너지를 흡수하여 응축기에서 고온의 열을 방출하는 과정으로 나눌 수 있으며, 이를 위하여 증기 압축기를 구동하게 된다.The thermal cycle of the heat pump may be divided into a process of absorbing ambient heat energy in the evaporator and releasing high temperature heat from the condenser, for driving a steam compressor.

상기한 히트펌프의 원리에 의하여, 건물이나 산업공정에서 가열을 목적으로 하는 고온의 열을 얻게 되는데, 상기 히트펌프를 적용하게 되면 연료의 연소열을 이용한 직접적인 가열방법에 비하여 소요 에너지를 저감할 수 있게 되는 장점이 있다. According to the principle of the heat pump, it is possible to obtain a high temperature heat for the purpose of heating in a building or an industrial process, the application of the heat pump can reduce the required energy compared to the direct heating method using the heat of combustion of fuel. It has the advantage of being.                         

한편, 상기 히트펌프의 증발기 내에서 작동유체가 증발되는 데 요구되는 주위의 열에너지로서 지열을 이용하는 것을 지열 히트펌프라고 하는데, 지열은 공기 또는 하천수 등에 비하여 온도가 상대적으로 높고 안정적이기 때문에 높은 성적계수의 히트펌프 시스템을 구성할 수 있으며, 이로 인하여 압축기 동력을 보다 더 절감할 수 있어 건물이나 산업공정에서 필요한 가열 소요를 제공하는 데 있어서 가장 중요한 에너지 절감 기술 분야에 속한다.On the other hand, the use of geothermal heat as the ambient heat energy required to evaporate the working fluid in the evaporator of the heat pump is called a geothermal heat pump, geothermal heat is relatively high temperature and stable compared to air or river water, etc. Heat pump systems can be configured, which further reduces compressor power, making it one of the most important energy-saving technologies in providing the required heating requirements in buildings and industrial processes.

상기와 같은 지열을 이용한 종래의 히트펌프 장치의 구성에 대하여 도 1을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.The configuration of a conventional heat pump apparatus using geothermal heat as described above will be described with reference to FIG. 1.

즉, 도 1a는 종래의 지열 히트펌프 장치의 구성을 나타내는 개략도이며, 도 1b는 종래의 지열 히트펌프 장치 중 지중 열교환기를 나타내는 개략 단면도로서, 도면에 나타낸 바와 같이, 지중(地中)에 설치된 고밀도 폴리에틸렌 파이프(8) 내에 열매체 파이프(6a)를 통하여 열매체가 충전되고, 상기 열매체 파이프(6a)의 일측에 설치된 순환펌프(7)에 의하여 지표면(11) 하부의 지열 에너지가 히트펌프의 증발기(6)에 전달되며, 상기 히트펌프의 증발기(6)를 통하여 증발된 작동유체는 증기관(2)을 통하여 압축기(3)와 응축기(1) 그리고 팽창밸브(5)를 순차적으로 통과하면서 열사이클을 이루게 된다.That is, FIG. 1A is a schematic diagram showing the structure of a conventional geothermal heat pump apparatus, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing an underground heat exchanger among conventional geothermal heat pump apparatuses, and as shown in the drawing, a high density installed in the ground. The heat medium is filled in the polyethylene pipe 8 through the heat medium pipe 6a, and the geothermal energy under the ground surface 11 is transferred to the evaporator 6 of the heat pump by the circulation pump 7 installed on one side of the heat medium pipe 6a. ) And the working fluid evaporated through the evaporator 6 of the heat pump sequentially passes through the compressor 3, the condenser 1, and the expansion valve 5 through the steam pipe 2 to form a thermal cycle. do.

상기한 구성에 있어서, 폴리에틸렌 파이프(8)는 스틸 재질의 보호관(9) 내에 설치되며, 상기 보호관(9) 내부에는 열전달 성능이 우수하며 폴리에틸렌 파이프(8)의 수축과 팽창을 흡수할 수 있는 충전재(10)가 충진되어, 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기를 이루게 된다. In the above-described configuration, the polyethylene pipe 8 is installed in a protective tube 9 made of steel, and the inside of the protective tube 9 has excellent heat transfer performance and a filler capable of absorbing shrinkage and expansion of the polyethylene pipe 8. 10 is filled to form an underground heat exchanger of the geothermal heat pump apparatus.                         

상기한 바와 같은 지중 열교환기는, 지열 히트펌프 장치의 열 용량에 따라서 그 매설 수량이 결정되고, 통상적으로 폴리에틸렌 파이프(8)를 포함하는 보호관의 직경(D1)은 100mm 정도이며, 보호관의 전체 길이(L1)는 150m 정도이므로, 지열 히트펌프 장치의 전체 구성 중에서 설치 면적이나 소요 재료의 양 그리고 비용측면에서 가장 중요한 부분이 된다.The underground heat exchanger as described above has a buried quantity determined according to the heat capacity of the geothermal heat pump apparatus. Usually, the diameter D1 of the protective tube including the polyethylene pipe 8 is about 100 mm, and the total length of the protective tube ( Since L1) is about 150m, it is the most important part in terms of the installation area, the amount of material required, and the cost of the overall configuration of the geothermal heat pump apparatus.

상기와 같은 지열 히트펌프 장치는, 환경 공해를 유발하지 않는 재생 가능한 지열 에너지를 에너지원으로 활용할 수 있는 장점으로 인하여 널리 적용되어 이용되어 왔어야 하지만 아래에 기재된 다음과 같은 문제점들로 인하여 보급 확대에 큰 애로사항이 있었다.Such geothermal heat pump apparatus should have been widely applied and utilized due to the advantage of utilizing renewable geothermal energy as an energy source that does not cause environmental pollution, but due to the following problems described below, There was a big problem.

첫째, 지열공에 대한 시추 비용과 지중 열교환기에 대한 재료 및 설치 비용이 에너지 절감 금액에 비해 높고, 초기 설치비가 과다하게 소요될 뿐만 아니라 전체 시스템의 경제성이 낮은 문제점이 있었다.First, the drilling cost for the geothermal hole and the material and installation cost for the underground heat exchanger were higher than the energy saving amount, the initial installation cost was excessively consumed, and the economic efficiency of the entire system was low.

둘째, 지중 열교환기를 설치하기 위해서는 넓은 지표 면적이 요구되기 때문에 대도시나 인구 밀집지역에 설치하기가 곤란한 문제점이 있었다.Second, because the large surface area is required to install the underground heat exchanger, there is a problem that it is difficult to install in a large city or densely populated area.

셋째, 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 부가적으로 필요하며 이를 구동하기 위한 전력이 요구되어 운전 및 설치비 상승요인으로 작용하는 문제점이 있었다.Third, a circulation pump for circulating the heat medium is additionally required, and electric power is required to drive the heat medium, thereby causing a problem of operating and installation cost increase factors.

넷째, 지중 열교환기를 구성하는 폴리에틸렌 파이프가 파손될 경우 작동유체의 누출에 의한 지하수 오염 문제가 발생할 수 있지만 이를 해결할 수 있는 보수대책 수립이 곤란한 문제점이 있었다. Fourth, if the polyethylene pipe constituting the underground heat exchanger is damaged, groundwater contamination may occur due to leakage of the working fluid, but it is difficult to establish a repair measure to solve this problem.                         

다섯째, 보다 중요한 문제로서, 일단 매설해 놓은 지중 열교환기는 지면으로부터의 깊이가 150m 정도되고 매설 수량이 많기 때문에 제거가 불가능한 문제점이 있었으며, 이는 장기적으로 중대한 환경 문제를 유발시키는 문제점이 있었다. 즉, 매설된 지중 열교환기가 파손되어 내부의 작동유체(부동액)가 지하수로 흘러 들어 지하수 오염 등을 유발시키거나 또는 상기 지중 열교환기가 지하 폐기물로 남는 등의 환경 문제를 야기시키는 문제점이 있는 것이다.
Fifth, as a more important problem, once the underground heat exchanger has been buried because the depth from the ground is about 150m and there is a lot of buried water, there was a problem that can cause significant environmental problems in the long run. That is, there is a problem in that the underground underground heat exchanger is broken and the working fluid (antifreeze) therein flows into the groundwater, causing groundwater contamination, etc., or causing environmental problems such as the underground heat exchanger remaining as underground waste.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 소요 비용을 절감할 수 있는 동시에 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
The present invention has been made to improve the above-mentioned problems, and not only can reduce the drilling depth of the underground heat exchanger, but also reduce the overall size of the device, and at the same time reduce the required cost, It is an object of the present invention to provide an underground underground heat exchanger that can prevent the occurrence of environmental pollution problems.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 관정형 지중 열교환기는 종래의 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서,As a means for achieving the above object, the tubular underground heat exchanger of the present invention in the underground heat exchanger of the conventional geothermal heat pump apparatus,

지표면 하부에는 지중 파이프를 매설하고, 지중 파이프의 내부에는 히트펌프의 증발관을 삽입 설치하며, 지중 파이프와 증발관 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프를 삽입 설치하고, 증발관은 압축기 및 팽창밸브를 통하여 히트펌프의 응축기와 연결하여 구성하되, 지중 파이프의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 지중 파이프의 상부에는 물유입공이 형성되며, 중간 파이프의 상부 및 하부에는 물순환공이 각각 형성되어, 지중 파이프의 내부에 설치된 히트펌프의 증발관이 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어진 상태에서 히트펌프의 작동유체를 증발관의 내부에서 증발시킴으로써, 종래에 비하여 대폭 시추공의 길이를 단축할 수 있을 뿐만 아니라 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수가 외부로 배출되지 않기 때문에 토양 또는 수질 오염의 문제점을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.Underground pipes are buried under the ground, and inside the underground pipes, the evaporating tube of the heat pump is inserted and installed.In the space between the underground pipe and the evaporating tube, an intermediate pipe having a function of inducing convection of water is inserted. Is configured to connect to the condenser of the heat pump through the compressor and expansion valve, the upper and lower parts of the underground pipe is formed in a closed form, the water inlet is formed in the upper portion of the underground pipe, the water in the upper and lower portion of the intermediate pipe Each of the circulation holes is formed to evaporate the working fluid of the heat pump in the evaporation tube while the evaporating tube of the heat pump installed inside the underground pipe is in direct contact with rainwater or groundwater introduced into the underground pipe. Compared to this, the length of the borehole can be shortened significantly, Since water or groundwater is not discharged to the outside, it is possible to prevent problems of soil or water pollution.

또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기를 이루는 지중 파이프의 물유입공과 중간 파이프의 물순환공 측에는 각각 이물질 유입 방지용 필터를 더 설치하여, 이물질의 유입으로 인한 열전달 효율의 감소를 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the water inlet hole of the underground pipe constituting the tube-type underground heat exchanger of the present invention and the water circulation hole of the intermediate pipe, respectively, by further installing a filter for preventing the inflow of foreign substances, it is possible to prevent the reduction of heat transfer efficiency due to the inflow of foreign substances. It is done.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.The above-mentioned objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. First of all, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components have the same number as much as possible even if displayed on different drawings.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성을 나타내는 개략도로서, 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 관정형 지중 열교환기는, 종래의 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서, 지표면(11) 아래에는 비교적 큰 직경의 지 중 파이프(12)가 매설되고, 상기 지중 파이프(12)의 내부에는 히트펌프의 증발관(15)이 설치되며, 상기 증발관(15)은 압축기(3) 및 팽창밸브(5)를 통하여 지상의 히트펌프 응축기(1)와 연결되어 구성된다.Fig. 2 is a schematic diagram showing the structure of the tubular underground heat exchanger of the present invention. As shown in the drawing, the tubular underground heat exchanger of the present invention is the ground surface 11 in the underground heat exchanger of the conventional geothermal heat pump apparatus. Underground pipes 12 having a relatively large diameter are embedded below, and inside the underground pipes 12, an evaporation tube 15 of a heat pump is installed, and the evaporation tube 15 is a compressor 3 and an expansion. It is configured to be connected to the ground heat pump condenser 1 through the valve (5).

상기 구성에 있어서, 지중 파이프(12)는 종래와 동일한 고밀도 폴리에틸렌 재질로 이루어지고, 그 직경(D2)과 길이(L2)는 지열 히트펌프 장치의 열 용량에 따라서 가변적으로 결정되는데, 도 1에 나타낸 종래의 지중 열교환기의 폴리에틸렌 파이프(8)를 포함하는 보호관(9)의 통상적인 직경(D1)이 100mm 정도이며, 상기 보호관(9) 의 전체 길이(L1)가 150m 정도 수준인 바, 상기 지중 파이프(12)의 직경(D2)을 350mm로 할 경우 단위 길이당 외표면적은 종래의 지중 열교환기 대비 약 3.5배가 된다. 따라서 동일한 외표면적을 얻는데 필요한 지중 파이프(12)의 길이는 종래의 지중 열교환기 대비 약 1/3 수준으로 형성할 수 있어, 지표면으로부터 약 50m 깊이의 시추작업 만으로도 적용이 가능함을 알 수 있다. 이러한 장점은 설치 시의 시추 작업을 용이하게 할 뿐만 아니라 향후 지중 파이프(12)의 제거에 있어서도 비용 절감 효과를 가져다 주게 되는 것이다.In the above configuration, the underground pipe 12 is made of the same high-density polyethylene material as in the prior art, and its diameter (D2) and length (L2) are variably determined according to the heat capacity of the geothermal heat pump apparatus, as shown in FIG. The conventional diameter D1 of the protective tube 9 including the polyethylene pipe 8 of the conventional underground heat exchanger is about 100 mm, and the total length L1 of the protective tube 9 is about 150 m. When the diameter D2 of the pipe 12 is 350 mm, the outer surface area per unit length is about 3.5 times that of the conventional underground heat exchanger. Therefore, the length of the underground pipe 12 required to obtain the same outer surface area can be formed to about 1/3 of the conventional underground heat exchanger, it can be seen that it can be applied only by drilling operations about 50m deep from the ground surface. This advantage not only facilitates drilling during installation, but also brings cost savings in the future removal of underground pipes 12.

상기한 지중 파이프(12)의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 이루어지되, 상부에는 커버(14)가 설치되어 폐쇄되며, 상기 지중 파이프(12)의 상부에는 우수 또는 지하수가 유입되는 물유입공(12a)이 형성된다. 이때 상기 물유입공(12a) 측에는, 지중의 토사 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터(미도시)를 더 설치하는 것이 바람직하다.The top and bottom of the underground pipe 12 is made of a closed form, the cover 14 is installed and closed at the top, water inlet hole in which rainwater or groundwater flows into the top of the underground pipe 12 ( 12a) is formed. At this time, the water inlet hole (12a) side, it is preferable to further install a filter (not shown) for preventing foreign matters such as earth and sand inflow.

한편, 지중 파이프(12)와 증발관(15) 사이의 공간에는 열전도율이 우수한 구 리 재질의 중간 파이프(13)가 삽입되어 설치되는데, 상기 중간 파이프(13)의 상부 및 하부에는 상기 지중 파이프(12) 내의 우수 또는 지하수가 유통되어 순환되는 물순환공(13a)이 각각 형성되어, 상기 지중 파이프(12) 내부에 충진된 우수 또는 지하수의 대류현상을 유발시켜 지열의 흡수효과를 촉진시킬 수 있도록 한다. 이때 상기 물순환공(13a) 측에는, 상기 지중 파이프(12) 내로 유입된 이물질을 필터링하기 위한 필터(미도시)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 이는 이물질의 축적으로 인한 열전달 효율의 감소를 방지하기 위한 것이다. 상기 구성에 있어서, 중간 파이프(13)의 상부에 형성된 물순환공(13a)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 지중 파이프(12)의 물유입공(12a) 보다는 하부에 형성된다.On the other hand, in the space between the underground pipe 12 and the evaporation pipe 15 is inserted and installed in the intermediate pipe 13 of copper material having excellent thermal conductivity, the upper and lower portions of the intermediate pipe (13) 12) water circulation holes 13a through which rainwater or groundwater is circulated and circulated are formed, so that convection of rainwater or groundwater filled in the underground pipe 12 may be caused to promote the absorption of geothermal heat. do. At this time, the water circulation hole (13a) side, it is preferable to further install a filter (not shown) for filtering the foreign matter introduced into the underground pipe 12. This is to prevent a decrease in heat transfer efficiency due to accumulation of foreign matter. In the above configuration, the water circulation hole 13a formed in the upper portion of the intermediate pipe 13 is formed below the water inlet hole 12a of the underground pipe 12, as shown in FIG.

이하, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the operation of the tubular underground heat exchanger of the present invention having the above-described configuration will be described.

먼저, 우수 또는 지하수가 지중에 매설된 지중 파이프(12)의 물유입공(12a)을 통하여 상기 지중 파이프(12) 내에 충진되는데, 이때 상기 지중 파이프(12) 내에 충진된 우수 또는 지하수는 중간 파이프(13)의 물순환공(13a)을 통하여 상기 중간 파이프(13)의 내측으로 유입되어 증발관(15)을 잠기게 한다.First, rainwater or groundwater is filled in the underground pipe 12 through the water inlet hole 12a of the underground pipe 12 embedded in the ground, wherein the rainwater or groundwater filled in the underground pipe 12 is an intermediate pipe It is introduced into the intermediate pipe 13 through the water circulation hole (13a) of 13 to lock the evaporation tube (15).

상기한 상태에서, 지열은 지중 파이프(12)의 외표면을 통하여 내부의 우수 또는 지하수에 전달되는데, 상기 지중 파이프(12) 내표면 부근의 우수 또는 지하수 온도가 중간 파이프(13) 내부의 우수 또는 지하수 온도보다 상대적으로 높기 때문에 밀도차에 의하여 물(우수 또는 지하수)은 상부로 이동하게 된다.(이는 도 2에 화살표의 상승수(17)로 도시되었음) In the above state, the geothermal heat is transferred to the internal stormwater or groundwater through the outer surface of the underground pipe 12, where the stormwater or groundwater temperature near the inner surface of the underground pipe 12 is the stormwater or inside the intermediate pipe 13. Since it is relatively higher than the groundwater temperature, the water (excellent or groundwater) moves upward due to the difference in density (this is illustrated by the rising number 17 of the arrow in FIG. 2).                     

상기와 같이 상부로 이동하는 상승수(17)는 결과적으로 중간 파이프(13)의 상부에 형성된 물순환공(13a)을 통하여 증발관(15) 측으로 유입되어 냉각되며, 상기와 같이 냉각된 물은 밀도차에 의하여 하강(이는 도 2에 화살표의 하강수(18)로 도시되었음)된 후 상기 중간 파이프(13)의 하부에 형성된 물순환공(13a)을 통하여 지중 파이프(12) 측으로 이동되어 순환이 이루어지게 되는 것이다.As described above, the rising water 17 moving upwards is introduced into the evaporation tube 15 through the water circulation hole 13a formed in the upper portion of the intermediate pipe 13, and is cooled. It is lowered due to the difference in density (which is illustrated by the downfall 18 of the arrow in FIG. 2) and then moved to the underground pipe 12 through the water circulation hole 13a formed in the lower portion of the intermediate pipe 13 to circulate. This will be done.

상기와 같은 물의 내부 순환 작용에 의하여 지열의 증발관(15)에 대한 열전달이 촉진되며, 이로서 보다 고효율의 지중 열교환기의 실현이 가능해 지게 되는 것이다.The heat transfer to the evaporation tube 15 of the geothermal heat is promoted by the internal circulation of the water as described above, thereby realizing a highly efficient underground heat exchanger.

더욱이, 하나의 지중 파이프(12) 내에 삽입되는 증발관(15)의 표면적이 종래의 지중 열교환기에 비하여 획기적으로 증대되므로 지중 열교환기의 단위 체적당 열흡수량을 종래에 비하여 획기적으로 증대시킬 수 있으며, 이는 결과적으로 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기 소요 수량을 대폭 감소시킬 수 있는 유리한 장점으로 이어지게 된다.Moreover, since the surface area of the evaporation tube 15 inserted into one underground pipe 12 is significantly increased compared to the conventional underground heat exchanger, the heat absorption per unit volume of the underground heat exchanger can be significantly increased compared to the conventional, This results in an advantageous advantage that can significantly reduce the amount of underground heat exchanger requirements for geothermal heat pump devices.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

이상에서와 같이 본 발명의 관정형 지중 열교환기는, 지중 파이프의 내부에 설치된 히트펌프의 증발관이 상기 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어지며, 이 상태에서 히트펌프의 작동유체가 상기 증발관의 내부에서 증발됨으로써, 종래에 비하여 대폭 시추공의 길이를 단축할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 열매체 순환루프가 필요치 않으며, 폐공의 제거가 용이한 효과가 있다.As described above, the tubular underground heat exchanger of the present invention, the evaporation tube of the heat pump installed in the underground pipe is in direct contact with rainwater or groundwater introduced into the underground pipe, the operation of the heat pump in this state Since the fluid is evaporated inside the evaporation tube, not only can greatly shorten the length of the boreholes, but also requires a separate heat medium circulation loop, and it is easy to remove the waste pores.

또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기를 이루는 지중 파이프의 내부에 우수 또는 지하수가 자연적으로 충진되며, 내부로 유입된 우수 또는 지하수는 외부로 배출되지 않기 때문에 토양 또는 수질 오염의 문제점이 방지된다.In addition, rainwater or groundwater is naturally filled in the underground pipe constituting the tubular underground heat exchanger of the present invention, and the rainwater or groundwater introduced into the ground is not discharged to the outside to prevent problems of soil or water pollution.

그리고 또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성에 의하여, 장치의 전체적인 크기를 줄일 수 있어, 설치 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, by the configuration of the tubular underground heat exchanger of the present invention, the overall size of the device can be reduced, thereby reducing the installation cost.

Claims (3)

지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서,In the underground heat exchanger of the geothermal heat pump device, 지표면(11) 하부에는 지중 파이프(12)를 매설하고, 상기 지중 파이프(12)의 내부에는 히트펌프의 증발관(15)을 삽입 설치하며, 상기 지중 파이프(12)와 증발관(15) 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프(13)를 삽입 설치하고, 상기 증발관(15)은 압축기(3) 및 팽창밸브(5)를 통하여 히트펌프의 응축기(1)와 연결하여 구성하되, 상기 지중 파이프(12)의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 상기 지중 파이프(12)의 상부에는 물유입공(12a)이 형성되며, 상기 중간 파이프(13)의 상부 및 하부에는 물순환공(13a)이 각각 형성되어 이루어지고,An underground pipe 12 is embedded below the ground surface 11, and an evaporation pipe 15 of a heat pump is inserted into the underground pipe 12, and between the underground pipe 12 and the evaporation pipe 15. An intermediate pipe 13 having a function of inducing convection of water is inserted into the space of the space, and the evaporation pipe 15 is connected to the condenser 1 of the heat pump through the compressor 3 and the expansion valve 5. The upper and lower portions of the underground pipe 12 are formed in a closed shape, and a water inflow hole 12a is formed in the upper portion of the underground pipe 12, and the upper and lower portions of the intermediate pipe 13 are formed. Water circulation holes 13a are formed in each, 상기 중간 파이프(13)의 하단이 상기 지중 파이프(12)의 내부 바닥에 결합되어 폐쇄되어, 상기 지중 파이프(12) 내부로 유입된 물이 밀도차에 의하여 상부로 이동하여 상기 중간 파이프(13)의 상부에 형성된 물순환공(13a)을 통해서 상기 중간 파이프(13)의 상부로 유입되고, 상기 중간 파이프(13)의 상부로 유입된 물이 증발관(15) 측으로 유입되어 냉각되며, 상기와 같이 냉각된 물은 밀도차에 의하여 하강하여 상기 중간 파이프(13)의 하부에 형성된 물순환공(13a)을 통해서 지중 파이프(12)의 하부로 유입되어, 상기 지중 파이프(12) 내부로 유입된 물은 상기 지중 파이프(12) 내부에서 상승되고 상기 중간 파이프(13) 내부에서 하강되어 순환하며, The lower end of the intermediate pipe 13 is coupled to the inner bottom of the underground pipe 12 to be closed, so that the water introduced into the underground pipe 12 moves upward due to the difference in density and thus the intermediate pipe 13. Water flowing into the upper portion of the intermediate pipe 13 through the water circulation hole (13a) formed in the upper portion of the intermediate pipe 13 is introduced into the evaporation tube (15) and cooled, and The cooled water descends due to the difference in density and flows into the lower portion of the underground pipe 12 through the water circulation hole 13a formed in the lower portion of the intermediate pipe 13, and then flows into the underground pipe 12. Water rises inside the underground pipe 12 and descends inside the intermediate pipe 13 to circulate, 상기 지중 파이프(12)의 직경(D2)은 350mm로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.Tube diameter underground heat exchanger, characterized in that the diameter (D2) of the underground pipe 12 is formed to 350mm. 제1항에 있어서, 상기 지중 파이프(12)의 물유입공(12a) 측에는, 지중의 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.The tubular underground heat exchanger according to claim 1, wherein a filter is further provided at a water inlet hole (12a) of the underground pipe (12) to prevent foreign matter from entering the ground. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간 파이프(13)의 물순환공(13a) 측에는, 상기 지중 파이프(12) 내로 유입된 이물질을 필터링하기 위한 필터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.The tubular underground according to claim 1 or 2, wherein a filter for filtering foreign substances introduced into the underground pipe 12 is further installed at the water circulation hole 13a side of the intermediate pipe 13. heat transmitter.
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