KR101092058B1 - A method for controlling uniform flow amounts of Geothermal heat exchanger - Google Patents
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Abstract
지중열교환기의 균등유량 제어방법은 지중열교환기 파이프의 배관을 병렬식으로 배치하고, 압력계와 밸브가 설치된 중간 유량 분배용 헤더에 의해서 순환유체의 흐름의 저항을 균등하게 함으로써, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량을균등 분배하여 열전달을 효과적으로 할 수 있다.The uniform flow control method of the underground heat exchanger is to arrange the pipes of the underground heat exchanger pipe in parallel, and to equalize the resistance of the flow of the circulating fluid by the intermediate flow distribution header provided with the pressure gauge and the valve, so that the ground heat exchanger is located by position. By distributing the flow rate of the circulating fluid equally, heat transfer can be effectively performed.
본 발명에 따른 지중열교환기의 균등유량 제어방법은, 지중열교환기 파이프가 분기 U파이프와 말단 U파이프와 맨홀로 이어지는 주 파이프로 이루어지도록 병렬방식으로 배치하며, 상기 분기 U파이프와 상기 말단 U파이프 사이의 거리가 일정하게 배관되는 것을 특징으로 한다.The method for controlling the uniform flow rate of the underground heat exchanger according to the present invention is arranged in a parallel manner such that the underground heat exchanger pipe is composed of a branched U pipe, a terminal U pipe and a main pipe leading to a manhole, and the branched U pipe and the terminal U pipe. Characterized in that the distance between the pipes are constantly.
불균형, 유량, 파이프, 지중열교환기, 밸브, 저항 Unbalance, flow rate, pipe, underground heat exchanger, valve, resistance
Description
본 발명은 지중열교환기에서 순환하는 순환유체의 지열 트렌치 파이프의 균등유량 제어방법, 특히 트렌치 파이프의 형상과 맨홀내의 중간 유량 분배용 헤더에서의 균등유량 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the uniform flow rate of a geothermal trench pipe of a circulating fluid circulating in an underground heat exchanger, in particular, a method for controlling the uniform flow rate in the shape of a trench pipe and a header for distributing intermediate flow rate in a manhole.
지열 에너지를 이용하여 냉난방하는 기술은 1950년대 최초개발되어 미국, 유럽, 아시아 등 각국가에서 널리 사용되는 기술이다. 지열 에너지를 이용하기 위해서는 지중 열교환기를 지하에 설치해야 한다. 지중 열교환기는 파이프의 매설방법에 따라서, 약 지하 100 내지 200 m 수직으로 파이프, 예를 들어서, 폴리에틸렌 파이프(polyethylene pipes)를 매설하는 수직형과 지하1.25m ∼1.5m 수평으로 매설하는 수평형이 있다. 그리고 지하수에 직접 파이프를 연결하는 지하수형이 있다.Cooling and heating technology using geothermal energy was first developed in the 1950s and is widely used in various countries including the United States, Europe and Asia. To use geothermal energy, underground heat exchangers must be installed underground. Underground heat exchangers are vertically buried 100 to 200 m vertically, for example, vertically buried polyethylene pipes, and horizontally buried horizontally from 1.25 m to 1.5 m horizontally, depending on the method of laying the pipes. . There is an underground water type that connects pipes directly to the ground water.
수직형 지중열교환기는 가장 일반적인 형태로 높은 신뢰성을 가지며 시공 부지가 협소한 경우에 적합하고 열 성능이 우수하다는 장점이 있으니, 높은 시공비가 드는 단점이 있다.Vertical underground heat exchanger is the most common type, has the high reliability, suitable for the case of narrow construction site and has the advantage of excellent thermal performance, there is a disadvantage that high construction cost.
수평형 지중열교환기는 시공비가 저렴하고 시공이 용이하고 유지보수가 간단하지만, 넓은 설치 부지가 필요하고, 수직형에 비해서 열 성능이 미흡하고, 도심지에 설치 불가능하여, 국내에서는 시공사례가 거의 없다. Horizontal underground heat exchanger is low in construction cost, easy to install and simple to maintain, but requires a large installation site, lacks thermal performance compared to vertical type, and cannot be installed in downtown, so there are few construction cases in Korea.
지하수형 지중열교환기는 지하수에 직접 파이프를 연결하기 때문에, 시공비가 저렴하고, 열 성능이 우수하고 설치 부지가 협소하지만, 지속적인 지하수량이 필요하고 지하수위 저하 우려가 있고 일부 지역에서만 적용가능하고 지하수 함유물에 의해 장비가 고장날 우려가 있다. 이러한 지하수 지중열교환기는 최근에 국내 시공사례가 일부 있다. Groundwater type underground heat exchangers connect pipes directly to groundwater, so construction costs are low, thermal performance is excellent, and the installation site is narrow.However, there is a need for continuous groundwater quantity, the groundwater level is low, and it is applicable only in some areas. Water may break the equipment. The groundwater underground heat exchanger has some domestic construction examples recently.
열교환기의 파이프 선택은 수명, 유지비용, 펌프의 소요에너지와 지역적인 현장조건등을 고려하여 열융착으로 연결 가능한 폴리에틸렌 혹은 폴리 부틸렌을 사용하고 파이프 직경은 소비 동력과 열전달을 동시에 고려하여야 한다. 즉 파이프 직경을 크게 하면 소비전력을 감소하나 열전달이 감소하고 직경을 적게 하면 열 전달이 원할하나 소비전력이 증가한다.Pipe selection of heat exchangers should be made of polyethylene or polybutylene which can be thermally fused in consideration of service life, maintenance costs, energy requirements of pumps and local site conditions. Pipe diameters should consider power consumption and heat transfer simultaneously. In other words, if the pipe diameter is increased, the power consumption is reduced, but the heat transfer is reduced.
지중열교환기의 파이프의 시공은 본출원인에 의해 특허허여된 한국특허번호10-0654152호를 참조로 다음과 같은 순서에 의해서 통상적으로 이루어진다.The construction of the pipe of the underground heat exchanger is usually performed by the following procedure with reference to Korean Patent No. 10-0654152, which is patented by the present applicant.
지중열교환기의 설치는 지하 50m~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 한두 번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.그리고 파이프 설치 후 각 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅 한다. 그라우팅 과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인 한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채우게 된다. 일반적으로 그라우팅 재료는 일반 뒷채움재보다 낮은 열전달 특성을 가지며, 비용도 비싸다. 지역적 규제가 허용된다면, 보어홀의 상부 6m~10m의 그라우팅으로 지표수 침투를 막는데 충분하며, 높은 지중열교환기 효율과 낮은 단가 실현이 가능하다. 채움과 그라우팅 후 수직 파이프는 헤더 파이프(Header Pipes)와 연결한다. 헤더 파이프는 지중열교환기 열전달 유체를 열펌프로 주고받는 역할을 한다. 수직 순환계는 일반적으로 수평형보다 비싼 편이지만, 깊을수록 더 효율이 높기 때문에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.The installation of underground heat exchanger excavates boreholes 50m ~ 200m deep at predetermined intervals and winds one or two of each borehole to embed a U-shaped pipe.After installation, each borehole is an impermeable material. Fill with phosphorus bentonite or cement and grout. In the grouting process, the borehole is filled with a special material to prevent the inflow of surface water into the aquifer or the infiltration of adjacent aquifers into the water. In general, grouting materials have lower heat transfer properties and are more expensive than ordinary backfills. If local regulations are allowed, the grouting of the upper 6 m to 10 m of the borehole is sufficient to prevent surface water ingress, and high geothermal heat exchanger efficiency and low unit cost are possible. After filling and grouting, the vertical pipes connect with the header pipes. The header pipe serves to transfer the underground heat exchanger heat transfer fluid to the heat pump. Vertical circulation systems are generally more expensive than horizontal ones, but the deeper they are, the more efficient the installation pipes are.
통상적인 수평형 지열교환시스템에서, 지중에 소정의 깊이로 매설되어 지열을 회수하기 위한 지중열교환기는 폴리에틸렌 파이프 또는 동(銅)파이프와 같이 열전도율이 높은 열교환 파이프로 이루어지며, 그 내부에는 지열에너지와 열교환을 하기 위하여 순환유체(냉매)가 충진된 구조를 갖는다.In a typical horizontal geothermal heat exchange system, a geothermal heat exchanger for recovering geothermal heat, which is buried to a predetermined depth in the ground, is composed of heat exchanger pipes having high thermal conductivity such as polyethylene pipe or copper pipe, and internal geothermal energy and It has a structure filled with a circulating fluid (refrigerant) for heat exchange.
이러한 수평형 지중열교환기는 지중에 대략적인 수평방향으로 설치되어 폐회로를 이루면서, 그 양단부인 입구측과 출구측은 히트펌프로 연결된다.The horizontal underground heat exchanger is installed in the ground in an approximately horizontal direction to form a closed circuit, and both ends of the inlet side and the outlet side are connected by a heat pump.
이와 같은 수평형 지중열교환기의 설치는 지중열교환기를 설치할 부지를 소정의 깊이로 굴착하고 설치하게 되는데, 통상적으로는 지표면으로부터 2m 정도를 굴착하고 설치하게 된다.The installation of such a horizontal underground heat exchanger is to excavate and install the site to install the underground heat exchanger to a predetermined depth, and is usually excavated and installed about 2m from the ground surface.
수평형 지중열교환기 파이프들은 또한 지하 기초 슬래브에 매설된다.Horizontal underground heat exchanger pipes are also embedded in underground foundation slabs.
아파트와 같은 공동세대에 지열을 공급하기 위해서는 다수의 적정수의 파이프, 예를 들어 20개를 지중에 설치하고 이들의 입구측과 출구측을 맨홀내에 설치된 헤더 파이프에 연결하여 히트펌프로 연결되어진다. In order to supply geothermal heat to common households, such as apartments, a large number of pipes, for example 20, are installed in the ground and their inlet and outlet are connected to heat pipes connected to the header pipes installed in the manhole. .
지중열교환기 파이프들은 지중, 기초슬래브, 지하연속벽 등에 설치되는데, 그들의 직경은 일정하게 할 수 있으나, 길이나 높이는 일정하게 할 수 없다. 따라서 지중열교환기 파이프들의 길이와 높이는 제각기 다르다. Underground heat exchanger pipes are installed in underground, foundation slabs, underground continuous walls, etc., but their diameters can be constant, but not their length or height. Therefore, the length and height of the underground heat exchanger pipes are different.
지중열교환기 파이프들은 길이나 굵기, 높이 등에 의해 순환유체의 흐름의 저항이 일정하지 못하여, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량이 불균등 분배되어 열전달을 효과적으로 할 수 없다. Underground heat exchanger pipes do not have a constant resistance of the flow of the circulating fluid due to length, thickness, height, etc., and the flow rate of the circulating fluid is unevenly distributed according to the locations of the underground heat exchanger, thereby making it difficult to effectively conduct heat transfer.
본 발명의 목적은 지중열교환기 파이프의 배관을 병렬식으로 배치하고, 히트펌프와 지중열교환기 파이프 사이에 헤더 파이프를 설치해서 순환유체의 불균형 분배를 해소하여 지열열교환기의 열효율을 상승하는 지중열교환기의 균등유량 제어방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to arrange underground pipes of underground heat exchanger pipes in parallel, and to install a header pipe between the heat pump and the underground heat exchanger pipe to solve the imbalance distribution of the circulating fluid, thereby increasing the thermal efficiency of the geothermal heat exchanger. It is to provide an equal flow rate control method of the group.
지중열교환기의 균등유량 제어 방법으로서, 제 1실시예에서는 지중열교환기 파이프가 분기 U파이프와 말단 U파이프와 맨홀로 이어지는 주 파이프로 이루어지도록 병렬방식으로 배치하며, 상기 분기 U파이프와 상기 말단 U파이프 사이의 거리가 일정하게 배관되고, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루게 연결된다. An equal flow control method for an underground heat exchanger, wherein in the first embodiment, the underground heat exchanger pipe is arranged in parallel so as to be composed of a branch U pipe, a terminal U pipe, and a main pipe leading to a manhole, and the branch U pipe and the terminal U The distance between the pipes is constantly piped, and the main pipe and the branch U pipe are connected in a T shape.
제 2실시예에서는 지중열교환기 파이프의 맨홀로 인입되는 파이프의 길이가 일정하도록 맨홀로부터 가장 가까운 분기 U파이프와 가장 먼쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하고, 맨홀로부터 두 번째 가까운 분기 U파이프와 두 번째 먼 쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하고, 맨홀로부터 세 번째 가까운 분기 U파이프와 세 번째 먼 쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하여 파이프들의 길이를 일정하게 유지하며, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루게 연결된다.In the second embodiment, the branch U pipe closest to the manhole and the far end U pipe are connected to one main pipe so that the length of the pipe drawn into the manhole of the underground heat exchanger pipe is constant, and the second branch U pipe close to the manhole is connected. And the second far end U pipe to one main pipe, and the third branch U pipe close to the manhole and the third far end U pipe to one main pipe to keep the pipes constant. The main pipe and the branch U pipe are connected in a T shape.
제 3실시예에서는, 지중열교환기 파이프 각각은 맨홀 내의 중간 유량 분배용 헤더와 연결되고, 상기 중간 유량 분배용 헤더에 각 지중열교환기 파이프의 압력을 체크하기 위한 압력계와 순환유체의 유량을 제어하는 밸브를 설치하며, 상기 중간 유량 분배용 헤더에 설치된 압력계를 보고 밸브를 조절하여 각 지중열교환기 파이프에 따른 저항차이에 무관하게 순환유체의 균등유량을 조절하며, 상기 밸브는 수동으로 제어하는 볼 밸브이거나, 자동으로 제어하는 EPS 밸브이다.In the third embodiment, each of the underground heat exchanger pipes is connected to an intermediate flow distribution header in a manhole, and controls the flow rate of a pressure gauge and a circulating fluid for checking the pressure of each underground heat exchanger pipe to the intermediate flow distribution header. A valve is installed, and the valve is adjusted by looking at the pressure gauge installed in the header for distributing the intermediate flow rate, thereby adjusting the uniform flow rate of the circulating fluid regardless of the resistance difference according to each underground heat exchanger pipe. Or an EPS valve that is automatically controlled.
지열열교환기 파이프의 배관방식과 압력계와 밸브가 설치된 중간 유량 분배용 헤더에 의해서 순환유체의 흐름의 저항을 균등하게 함으로써, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량을 균등 분배하여 열전달 효율을 높일 수 있다. By equalizing the resistance of the flow of the circulating fluid by the piping method of the geothermal heat exchanger pipe and the intermediate flow distribution header provided with the pressure gauge and the valve, the flow rate of the circulating fluid can be evenly distributed according to the location of the underground heat exchanger to increase the heat transfer efficiency. .
이하에 본원 발명의 실시예를 첨부의 도면을 참고로 아래에 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예의 지중열교환기 파이프의 배관(트렌치)을 도시한 것이다. 1 illustrates the piping (trench) of a ground heat exchanger pipe of a preferred embodiment of the present invention.
도 1에는 지중열교환기 파이프(60)가 맨홀(50)에 모여지며, 각 지중열교환기 파이프(60)는 분기 U파이프(61)와 말단 U파이프(62)와 맨홀(50)로 이어지는 주 파이프(63)로 이루어져 있다. 주 파이프(63)와 분기 U파이프(61)는 T자 형상을 이루고 있다. 지중열교환기 파이프(60)를 병렬방식으로 배치한 것이다. 이는 도 1a에 도시되어 있다. 이러한 병렬방식은 도 1b에 도시한 직렬방식에 비해서 균등한 유체를 분배할 수 있다. 또한, 열효율과 파이프의 저항을 고려하여, 각 분기 U파이프(61)와 각 말단 파이프(62)의 이격 거리가 거의 일정하도록 배관한다. 즉 제 1지중열교환기 파이프(6O')의 말단 파이프(62')와 분기 파이프(61')의 거리와 제 1지중열교환기 파이프(60')의 분기 파이프(61')와 제 2지중열교환기 파이프(60")의 말단 파이프(62")의 거리는 일정하다. In FIG. 1, underground heat exchanger pipes (60) are gathered in manholes (50), and each underground heat exchanger pipe (60) is a main pipe leading to branched U pipes (61) and end U pipes (62) and manholes (50). It consists of (63). The
도 2는 또 다른 양호한 실시예를 도시한 것으로, 각 지중열교환기 파이프(60)의 맨홀로 인입되는 파이프의 길이가 일정하도록 맨홀로부터 가장 가까운 분기 U파이프(61)와 가장 먼 쪽 말단 U파이프(62)와 하나의 주 파이프(63)로 연결하고, 맨홀로부터 두 번째 가까운 분기 U파이프(61')와 두 번째 먼 쪽 말단 U파이프(62')를 하나의 주 파이프(63')로 연결하고, 맨홀로부터 세 번째 가까운 분기 U파이프(61")과 세 번째 먼 쪽 말단 U파이프(62")를 하나의 주 파이프(63")로 연결한다. 이렇게 하면 파이프들(60, 60', 60")의 전체길이가 거의 일정하게 되어 파이프의 저항이 거의 같아서 열전달효율을 높일 수 있다.FIG. 2 shows yet another preferred embodiment, the
상술한 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 지중열교환기 파이프의 배관방식에 따라서 1차로 순환유체를 균등분배하게 되지만 이것으로 불충분한 경우에 2차로 순환유체를 균등분배하기 위해서 중간 유량 분배용 헤더(70)에 압력계(71)와 밸브(72)를 설치하고 있다. 도 3를 참고로 상세하세 설명하면, 지중열교환기 파이프(60) 각각은 맨홀(50)내의 중간 유량 분배용 헤더(70)와 연결되며, 중간 유량 분배용 헤더(70)에는 각 지중열교환기 파이프(60)의 압력을 체크하기 위한 압력계(71)와 순환유체의 유량을 제어하는 밸브(72)가 설치되어 있다. 각 지중열교환기 파이프(60)의 길이와 높이가 다르기 때문에, 각 지중열교환기 파이프(60)의 저항 및 압력은 서로 다르다. 중간 유량 분배용 헤더(70)에 설치된 압력계(71)를 보고 밸브(72)를 조절하여 각 지중열교환기 파이프(60)에 따른 저항차이에 무관하게 순환유체의 균등유량을 중간 유량 분배용 헤더(70)를 통해서 히트펌프로 보낼 수 있다. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the circulating fluid is firstly distributed evenly according to the piping method of the underground heat exchanger pipe. However, when this is insufficient, the intermediate flow distribution header is used to evenly distribute the circulating fluid. The
밸브(72)는 수동으로 제어할 수 있는 볼 밸브일 수 있으며, 또한, 자동으로 제어할 수 있는 EPS 밸브(Electronic Power Steering Valves)일 수 있다.The
본 발명의 다양한 특징과 장점이 상술한 설명에서 본 발명의 상세한 구성과 기능과 함께 설명되어 있을지라도, 이들은 단지 설명을 위한 것이다. 변경, 특히 형상, 크기 및 부품의 배치등은 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 일어날 수 있으며, 첨부의 청구범위에 의해서 보다 넓은 의미로 해석되어야 할 것이다. Although various features and advantages of the invention have been described in detail in the foregoing description with the detailed configuration and functions of the invention, these are for illustrative purposes only. Changes, in particular shapes, sizes and arrangements of parts, may occur without departing from the scope of the invention and should be construed in a broader sense by the appended claims.
도 1은 본 발명의 양호한 제 1실시예의 사시도.1 is a perspective view of a first preferred embodiment of the present invention.
도 1a는 지중열교환기 파이프의 병렬배치도.1A is a parallel arrangement diagram of an underground heat exchanger pipe.
도 1b는 지중열교환기 파이프의 직렬배치도.1b is a series arrangement diagram of the underground heat exchanger pipe.
도 2는 본 발명의 양호한 제 2실시예의 사시도.2 is a perspective view of a second preferred embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 양호한 제 3실시예로 중간 유량 분배용 헤더의 상세도. Figure 3 is a detailed view of the intermediate flow distribution header in a third preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 지중열교환기10: underground heat exchanger
20 : 히트펌프20: heat pump
60 : 파이프60: pipe
70 : 중간 유량 분배용 헤더70: header for medium flow distribution
71 : 압력계71: pressure gauge
72 : 밸브72: valve
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