KR101095921B1 - 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치에 관한 것으로, 열복원관은, 순환유체회수관에 연결되어서 이로부터 회수된 순환유체가 지열공의 하부로 이송되는 동안 지열공 내부와 열교환이 이루어지며 이송되는 유체가 저항을 받지 않고 하측으로 이송되도록 지열공의 수직방향을 따라 직선 형태로 형성된 제1열복원관과, 하단이 제1열복원관의 하단에 연결되고 상단이 순환유체공급관에 연결되며 제1열복원관을 따라 이송되면서 열복원된 순환유체가 순환유체공급관으로 신속히 공급되도록 직선형태로 이루어진 제2열복원관으로 이루어지며; 제2열복원관의 둘레에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관의 영향을 받지 않고 순환유체공급관으로 공급되도록 보온관이 씌워진다.

따라서, 제1열복원관은 직선형태로 이루어지므로 이를 통과하는 순환유체가 제1열복원관 내에서 크게 저항을 받지 않는 가운데 흐르게 되며, 이에 따라 순환펌프에 과부하가 발생되지 않는다. 그리고, 보온관에 의해 제1열복원관과 제2열복원관 사이의 열교환이 차단되므로 충분히 열복원된 제2열복원관 내의 순환유체가 열복원중인 제1열복원관의 영향을 받지 않는 가운데 순환유체공급관으로 공급된다.

제1열복원관, 보온관, 보온재, 벨로우즈관

Description

밀폐형 지열시스템의 유체순환장치{Fluid circulator of closed type geothermal system}

본 발명은 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 열교환기를 통과한 순환유체가 지열공으로 공급되는 동안 제1열복원관 내부에서 저항을 받지 않게 하여 순환펌프에 무리한 부하가 걸리지 않게 하고, 제1열복원관과 제2열복원관 사이의 열전달을 차단시켜서 순환유체공급관으로 공급되는 순환유체의 열효율이 향상되며, 제1열복원관 및 제2열복원관의 간격을 확실하게 유지할 수 있는 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치에 관한 것이다.

일반적으로 지중열을 이용한 밀폐형 열교환구조는, 지반에 수직으로 다수의 지열공들을 형성시키고, 이 지열공 내에 열복원관을 매설한다. 건물에는 열복원관의 열을 이용하여서 건물 내부를 냉방 또는 난방하도록 히트펌프 등의 열교환기를 설치한다.

열복원관의 출구와 열교환기에는 순환유체공급관을 연결하고 열교환기와 열복원관의 입구에는 순환유체회수관을 연결한다. 따라서 열복원관으로부터 열복원된 순환유체는 순환유체공급관을 통해 열교환기로 공급되고 열교환기를 통과한 순환유 체는 순환유체회수관을 통해 열복원관으로 회수된 후 열복원된다.

이러한 종래 지중열을 이용한 밀폐형 열교환구조는, 열교환기를 통과한 순환유체가 회수관을 통과한 후 지열공으로 투입된다. 보통 지열공에는 두 개의 관이 매설되는데, 순환유체가 유입되는 열복원관과 열복원된 순환유체가 공급관 측으로 공급되는 다른 열복원관으로 이루어진다.

지열공은 보통 150mm의 직경으로 180m 까지 굴착하여 이루어진다. 이러한 지열공은 천공길이가 매우 길고 암반 등이 매장된 지중의 제반 요인에 의해 수직으로 천공되지 못하며 천공된 지열공의 내주면도 매끄럽지 못하다.

이러한 지열공에는 보통 25∼30mm의 직경을 갖는 두 열복원관들이 삽입되는데, 지열공의 내부에 두 열복원관들이 삽입되면 매우 협소한 공간만 남는다. 또한, 상술한 요인에 의해 수직으로 천공되지 못한 지열공에 두 열복원관들을 삽입시키면 지열공의 굴곡부위에서 두 열복원관들이 근접되거나 접촉되면서 두 열복원관들 사이에 열교환이 이루어진다. 따라서 두 열복원관들 사이에 열교환이 이루어지면서 열효율이 크게 저하된다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 두 열복원관들 사이에 일정한 간격을 유지하도록 스페이서를 설치하기도 한다.

그런데 두 열복원관들 사이에 스페이서를 설치하면 이들을 지열공에 삽입시키기가 곤란하다. 지열공은 상술한 바와 같이 매우 깊게 형성되고, 수직으로 천공되지도 못하며, 천공된 둘레가 매우 불규칙하다.

두 열복원관들 사이에 스페이서를 설치하면 이들 사이의 간격이 탄력적으로 조절되지 못하며 항상 일정한 간격을 유지하게 된다. 따라서 스페이서가 설치된 두 열복원관들을 불규칙하게 형성된 지열공에 삽입시키기란 거의 불가능하며, 이에 따라 실제 작업 현장에서는 스페이서없이 두 열복원관들만 삽입시키고 있는 실정이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 열교환기를 통과한 순환유체가 제1열복원관 내부로 공급되는 동안 유체의 저항이 최소화되도록 한 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 제1열복원관과 제2열복원관 사이의 열전달을 차단시켜서 순환유체공급관으로 공급되는 순환유체의 열효율이 향상되도록 한 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 제1열복원관 및 제2열복원관 사이의 간격을 확실하게 유지할 수 있을 뿐 아니라 제1열복원관 및 제2열복원관의 둘레의 공간이 각각 확보되고 확보된 공간들이 서로 차단되도록 한 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치는, 지반에 수직으로 형성되는 지열공들과, 건물에 설치되고 지열공들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방하는 열교환기와, 순환유체가 입구로 유입된 후 지열공들의 내부로 공급되어서 열복원된 후 출구로 배출되도록 지열공들의 내부에 설치되는 열복원관과, 열복원관의 출구 및 열교환기에 연결되어서 열복원된 순환유체를 열교환기로 공급하는 순환유체공급관과, 열교환기 및 열복원관의 입구에 연결되어서 열교환기를 통과한 순환유체를 열복원관으로 회수하는 순환유체회수 관으로 이루어진 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치에 있어서, 열복원관은, 순환유체회수관에 연결되어서 이로부터 회수된 순환유체가 지열공의 하부로 이송되는 동안 지열공 내부와 열교환이 이루어지며 이송되는 유체가 저항을 받지 않고 하측으로 이송되도록 지열공의 수직방향을 따라 직선 형태로 형성된 제1열복원관과, 하단이 제1열복원관의 하단에 연결되고 상단이 순환유체공급관에 연결되며 제1열복원관을 따라 이송되면서 열복원된 순환유체가 순환유체공급관으로 신속히 공급되도록 직선형태로 이루어진 제2열복원관으로 이루어지며; 제2열복원관의 둘레에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관의 영향을 받지 않고 순환유체공급관으로 공급되도록 보온관이 씌워지는 것을 특징으로 한다.

본 발명 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치의 다른 특징은, 제2열복원관과 보온관의 사이에는, 제2열복원관과 보온관의 유동을 방지하고 제2열복원관의 열이 외부와 교환되는 것을 차단시키도록 보온재가 더 구비된다.

본 발명 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치의 또 다른 특징은, 보온관은, 내측절첩부위가 제2열복원관의 외주면에 지지되고 외측절접부위가 제1열복원관의 외측에 지지되어서 제1열복원관과 제2열복원관의 간격을 일정하게 유지시키고, 제1열복원관 및 제2열복원관 둘레의 공간을 차단시키며, 제1열복원관 및 제2열복원관의 둘레에 서로 차단된 내부공간이 확보되도록 벨로우즈관 형태로 이루어진다.

이상에서와 같은 본 발명은, 열복원관으로 회수된 순환유체가 직선 형태의 제1열복원관을 통과하면서 지열공 내에 일정한 시간동안 머무르게 되고, 이에 따라 순환유체와 지열공 사이에 열교환이 충분히 이루어지게 되어 순환유체의 열복원이 확실하게 이루어지게 되며, 열교환이 이루어진 순환유체는 직선형태의 제2열복원관을 통해 순환유체공급관으로 신속히 공급되므로 열교환장치의 열효율을 향상시킬 수 있다. 열복원관의 제1열복원관 및 제2열복원관은 모두 직선형태로 이루어지므로 이를 통과하는 순환유체가 제1열복원관 및 제2열복원관 내에서 크게 저항을 받지 않는 가운데 흐르게 되며, 이에 따라 순환펌프에 과부하가 발생되지 않는다.

열복원관의 제2열복원관에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관의 영향을 받지 않고 순환유체공급관으로 공급되도록 보온관이 씌워진다. 따라서 보온관에 의해 제1열복원관과 제2열복원관 사이의 열교환이 차단되므로 충분히 열복원된 제2열복원관 내의 순환유체가 열복원중인 제1열복원관의 영향을 받지 않는 가운데 순환유체공급관으로 공급되며, 이에 따라 열복원관으로 출입되는 순환유체에 의해 열효율이 저하되는 문제가 방지된다.

제2열복원관과 보온관의 사이에는, 제2열복원관과 보온관의 유동을 방지하고 제2열복원관의 열이 외부와 교환되는 것을 차단시키도록 보온재가 더 구비된다. 따라서 보온재에 의해 제2열복원관의 보온효과가 극대화될 뿐 아니라, 이들이 서로 부딪히면서 파손되는 문제가 방지된다.

보온관은, 벨로우즈관 형태로 이루어진다. 이러한 보온관의 내측절첩부위는 제2열복원관의 외주면에 지지되고 외측절접부위는 제1열복원관의 외측에 지지된다. 따라서 보온관에 의해 제1열복원관과 제2열복원관의 간격을 일정하게 유지되고, 제1열복원관 및 제2열복원관 둘레의 공간이 서로 차단되며, 제1열복원관 및 제2열복 원관의 둘레에 서로 차단된 내부공간이 확보된다. 따라서 보온관에 의해, 제1열복원관 및 제2열복원관 사이의 간격유지, 공간차단, 공간확보 등의 여러가지 기능이 수행되므로 순환유체의 열복원 및 복원된 열을 유지시키는데 적합하다.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치를 보인 개략적 단면도이고, 도 2는 열복원관의 일실시예를 보인 개략적 부분 단면도로써, 지반(1)에는 수직으로 다수의 지열공(2)들이 형성된다. 건물에는 지열공(2)들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방하도록 열교환기(3)가 설치된다.

지열공(2)들의 내부에는 열복원관(10)이 설치되어 있으며, 순환유체가 열복원관(10)의 입구(11)로 유입된 후 지열공(2)들을 통과하는 동안 열복원되며, 열복원된 순환유체는 열복원관(10)의 출구(12)를 통해 배출된다.

여기서 열복원관(10)은, 제1열복원관(13), 제2열복원관(14)으로 이루어진다. 제1열복원관(13)은, 그 입구(11)가 순환유체회수관(5)에 연결되어서 이로부터 회수된 순환유체가 지열공(2)의 하부로 이송되는 시간이 연장되도록 하여 지열공(2) 내부와 열교환이 충분히 이루어지도록 지열공(2)의 수직방향을 따라 수직 형태로 형성된다.

열복원관(10)의 제1열복원관(13)은 직선형태로 이루어지므로 이를 통과하는 순환유체가 제1열복원관(13) 내에서 크게 저항을 받지 않는 가운데 흐르게 되며, 이에 따라 순환펌프(미도시)에 과부하가 발생되지 않는다.

제2열복원관(14)은, 하단이 제1열복원관(13)의 하단에 연결되고 상단의 출구(12)가 순환유체공급관(4)에 연결된다. 이러한 제2열복원관(14)은, 제1열복원관(13)을 따라 이송되면서 열복원된 순환유체가 순환유체공급관(4)으로 신속히 공급되도록 직선형태로 이루어진다.

열복원관(10)의 제2열복원관(14)도 직선형태로 이루어지므로 이를 통과하는 순환유체가 제2열복원관(14) 내에서 크게 저항을 받지 않는 가운데 흐르게 되며, 이에 따라 순환펌프(미도시)에 과부하가 발생되지 않는다.

제2열복원관(14)의 둘레에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않고 순환유체공급관(4)으로 공급되도록 보온관(20)이 씌워진다.

따라서 보온관(20)에 의해 제1열복원관(13)과 제2열복원관(14) 사이의 열교환이 차단되므로 충분히 열복원된 제2열복원관(14) 내의 순환유체가 열복원중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않는 가운데 순환유체공급관(4)으로 공급되며, 이에 따라 열복원관(10)으로 출입되는 순환유체에 의해 열효율이 저하되는 문제가 방지된다.

열복원관(10)의 출구(12)와 열교환기(3)에는 열복원된 순환유체를 열교환기(3)로 공급하도록 순환유체공급관(4)이 연결되어 있다. 열교환기(3)와 열복원관(10)의 입구(11)에는 열교환기(3)를 통과한 순환유체를 열복원관(10)으로 회수하도록 순환유체회수관(5)이 연결되어 있다.

이러한 구성의 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치는, 겨울철에 히트펌프 등의 열교환기(3)를 구동시키면 지열공(2) 내의 지열에 의해 가열된 순환유체가 순환유체공급관(4)으로 공급된다. 순환유체공급관(4)은 고온의 순환유체를 열교환기(3)로 신속히 공급하도록 직선형태로 이루어진다. 열교환기(3)로 공급된 순환유체는 열교환기(3)에 의해 열교환이 이루어진 후 저온 상태로 배출된다.

저온 상태로 배출되는 순환유체는 순환유체회수관(5)을 통과한 후 열복원관(10)으로 회수된다. 열복원관(10)으로 회수된 순환유체는 제1열복원관(13)의 입구(11)를 통해 지열공(2)으로 투입된다. 지열공(2)으로 투입된 순환유체는 직선 형태의 제1열복원관(13)을 통과하면서 지열공(2) 내부와 열교환이 이루어진다. 직선 형태의 제1열복원관(13)을 따라 지열공(2)의 하부로 이송된 순환유체는 열복원이 이루어지며, 제2열복원관(14)으로 공급된다. 제2열복원관(14)으로 배출된 순환유체는 출구(12)를 통해 순환유체공급관(4)으로 공급된다.

이러한 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치는 다음과 같은 장점이 있다.

열복원관(10)으로 회수된 순환유체가 직선 형태의 제1열복원관(13)을 통과하면서 지열공(2) 내에 일정한 시간동안 머무르게 되고, 이에 따라 순환유체와 지열공(2) 사이에 열교환이 충분히 이루어지게 되어 순환유체의 열복원이 확실하게 이루어지게 되며, 열교환이 이루어진 순환유체는 직선형태의 제2열복원관(14)을 통해 순환유체공급관(4)으로 신속히 공급되므로 열교환기(3)의 열효율을 향상시킬 수 있다. 열복원관(10)의 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14)은 모두 직선형태로 이루어지므로 이를 통과하는 순환유체가 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14) 내에서 크게 저항을 받지 않는 가운데 흐르게 되며, 이에 따라 순환펌프에 과부하가 발생되지 않는다.

다음, 열복원관(10)의 제2열복원관(14)에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않고 순환유체공급관(4)으로 공급되도록 보온관(20)이 씌워진다. 따라서 보온관(20)에 의해 제1열복원관(13)과 제2열복원관(14) 사이의 열교환이 차단되므로 충분히 열복원된 제2열복원관(14) 내의 순환유체가 열복원중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않는 가운데 순환유체공급관(4)으로 공급되며, 이에 따라 열복원관(10)으로 출입되는 순환유체에 의해 열효율이 저하되는 문제가 방지된다.

도 3은, 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 평단면도로써, 이는, 제2열복원관(14)과 보온관(20)의 사이에는, 제2열복원관(14)과 보온관(20)의 유동을 방지하고 제2열복원관(14)의 열이 외부와 교환되는 것을 차단시키도록 보온재(30)가 더 구비된다.

따라서 보온관(20)에 의해 제1열복원관(13)과 제2열복원관(14) 사이의 열교환이 차단되므로 충분히 열복원된 제2열복원관(14) 내의 순환유체가 열복원중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않는 가운데 순환유체공급관(4)으로 공급된다. 그러 므로, 열복원관(10)으로 출입되는 순환유체에 의해 열효율이 저하되는 문제가 방지된다.

도 4는 본 발명 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치의 또 다른 실시예를 보인 개략적 부분 측단면도로써, 보온관(40)은, 벨로우즈관 형태로 이루어진다. 이러한 보온관(40)의 내측절첩부위(41)는 제2열복원관(14)의 외주면에 지지되고 외측절접부위(42)는 제1열복원관(13)의 외측에 지지된다.

따라서 보온관(40)에 의해 제1열복원관(13)과 제2열복원관(14)의 간격을 일정하게 유지되고, 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14) 둘레의 공간이 서로 차단되며, 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14)의 둘레에 서로 차단된 내부공간이 확보된다.

그러므로 보온관(40)에 의해, 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14) 사이의 간격유지, 공간확보, 공간차단 등의 여러가지 기능이 수행되므로 순환유체의 열복원 및 복원된 열을 유지시키는데 적합하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 사시도로써, 열복원관(10)은 직선형태의 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14)으로 이루어지며 제2열복원관(14)의 둘레에는 보온관(40)이 설치되어 있다.

보온관(40) 둘레에는, 탄력을 갖는 간격유지판(50)이 등간격으로 다수 결합되어 있다. 이 간격유지판(50)은, 탄력을 갖는 재질로 이루어지므로 울퉁불퉁한 지 열공(2)의 내측면에 접촉되면서 삽입될 시 탄력적으로 변형되면서 삽입된다. 삽입된 후에는 외주면 둘레 중 한 부분이 제1열복원관(13)의 둘레에 지지되어서 제1열복원관(14)과 보온관(40) 사이의 간격을 유지시킨다.

이러한 간격유지판(50)은 탄력을 갖는 재질로 이루어지므로 지열공(2)이 진원도나 수직도를 유지하지 못하거나 지열공(2)의 내주면이 고르지 못하여도 탄력적으로 변형되면서 삽입된다.

도 6은 간격유지판(50)의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 사시도로써, 이 간격유지판(50)에는 다수의 구멍(51)들이 방사상으로 형성되어 있다. 따라서, 열복원관(10), 보온관(40), 간격유지판(50)을 지열공(2)에 삽입시킨 상태에서 지열공(2) 내부에 공메움 및 그라우팅시 그 재료가 구멍(51)들을 통해 지열공(2) 내부로 원활히 삽입된다.

도 1은 본 발명의 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치를 보인 개략적 단면도

도 2는 열복원관의 일실시예를 보인 개략적 부분 측단면도

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 부분 평단면도

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 개략적 부분 측단면도

도 5는 보온관의 둘레에 간격유지판들이 등간격으로 설치된 상태를 보인 개략적 부분 사시도

도 6은 간격유지판의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 사시도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 지반 2 : 지열공

3 : 열교환기 4 : 순환유체공급관

5 : 순환유체회수관 10 : 열복원관

11 : 입구 12 : 출구

13,60 : 제1열복원관 14 : 제2열복원관

20,40 : 보온관 30 : 보온재

41 : 내측절접부위 42 : 외측절접부위

50 : 간격유지판 51 : 구멍

Claims (5)

1. 지반에 수직으로 형성되는 지열공들과, 건물에 설치되고 지열공들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방하는 열교환기와, 순환유체가 입구로 유입된 후 지열공들의 내부로 공급되어서 열복원된 후 출구로 배출되도록 지열공들의 내부에 설치되는 열복원관과, 열복원관의 출구 및 열교환기에 연결되어서 열복원된 순환유체를 열교환기로 공급하는 순환유체공급관과, 열교환기 및 열복원관의 입구에 연결되어서 열교환기를 통과한 순환유체를 열복원관으로 회수하는 순환유체회수관으로 이루어진 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치에 있어서,

   열복원관(10)은, 순환유체회수관(5)에 연결되어서 이로부터 회수된 순환유체가 지열공(2)의 하부로 이송되는 동안 지열공(2) 내부와 열교환이 이루어지며 이송되는 유체가 저항을 받지 않고 하측으로 이송되도록 지열공(2)의 수직방향을 따라 직선 형태로 형성된 제1열복원관(13)과, 하단이 제1열복원관(13)의 하단에 연결되고 상단이 순환유체공급관(4)에 연결되며 제1열복원관(13)을 따라 이송되면서 열복원된 순환유체가 순환유체공급관(4)으로 신속히 공급되도록 직선형태로 이루어진 제2열복원관(14)으로 이루어지고;

   제2열복원관(14)의 둘레에는, 이미 열복원된 순환유체가 열복원 중인 제1열복원관(13)의 영향을 받지 않고 순환유체공급관(4)으로 공급되도록 보온관(20)(40)이 씌워지며;

   보온관(40)은, 내측절첩부위(41)가 제2열복원관(14)의 외주면에 지지되고 외측절접부위(42)가 제1열복원관(13)의 외측에 지지되어서 제1열복원관(13)과 제2열복원관(14)의 간격을 일정하게 유지시키고, 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14) 둘레의 공간을 차단시키며, 제1열복원관(13) 및 제2열복원관(14)의 둘레에 서로 차단된 내부공간이 확보되도록 벨로우즈관 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 밀폐형 지열시스템의 유체순환장치.
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