KR101220897B1 - 지열교환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열교환 장치에 관한 것으로서, 다공상의 암석층에 지표면으로부터 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이까지 천공된 지하굴착공; 이 지하굴착공으로 오염물질의 유입을 방지하기 위하여 지하굴착공의 상부로 돌출되게 케이싱을 마련함과 아울러 상기 케이싱의 외측 및 지하굴착공 주위의 지표면에 타설하는 그라우팅 및 콘크리트층; 상기 지하굴착공 주위의 지상에 마련되되 히트펌프의 증발기 또는 응축기, 공기조화기, 팬 코일 유닛으로 마련되는 열교환기; 이 열교환기에는 열매체파이프가 열교환기로부터 지하굴착공의 상부인 지하공기층에서 하부의 지하수층을 거쳐 상부로 되돌아 나와 다시 열교환기로 들어가게 연결되고 지속적으로 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 순환라인; 상기 지하굴착공의 지하공기층과 지하수층 사이엔 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수로 전달됨을 차단하고 오염물질의 유입을 방지하도록 마련되는 열교환차단막; 을 포함하여 구성된다.
따라서, 다공상의 암석층에 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이로 지하굴착공을 천공하고 지하굴착공 하부의 지하공기층과 지하수층의 경계부분에 열교환차단막을 마련함으로써 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수 또는 지하해수로 전달됨을 차단하여 열교환효율의 저하를 최소화할 수 있으며 이로 인하여 혹한기에도 항시 일정한 온도(17℃정도)의 지속적인 열원을 공급받을 수 있어 열교환매체인 냉수가 10℃이상으로 유지하여 히트펌프의 운전효율을 높임은 물론 상부의 지표면으로부터 유입되는 오염물질이 지하수 또는 지하해수로 들어가는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻는다.

Description

지열교환 장치{equipment for exchanging terrestrial heat}

본 발명은 지열교환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다공상의 암석층에 지하굴착공을 천공하여 지하공기나 지하(해)수로부터 열원을 확보하기 위한 지열교환 장치를 마련하되 지하굴착공 하부의 지하공기층과 지하수층의 경계부분에 열교환차단막을 마련함으로써 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하(해)수로 전달됨을 차단하여 열교환효율의 저하를 최소화하고 이로 인하여 혹한기에도 항시 일정한 온도(17℃정도)의 지속적인 열원을 공급받을 수 있어 열교환매체인 냉수가 10℃이상으로 유지하여 히트펌프의 운전효율을 높임은 물론 상부의 지표면으로부터 유입되는 오염물질이 지하(해)수로 들어가는 방지할 수 있는 지열교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 대지는 지표면으로부터 지하 6m이하에서는 하절기나 동절기는 물론 사시사철 14~16℃정도의 일정한 온도로 유지된다. 이러한 점에 착안하여 자갈층, 송이석 등으로 형성된 다공상의 암석층이나 지하에 쇄석, 골재 등을 매설한 지하의 내부공간으로 지하굴착공을 천공하고 상기 지하굴착공을 통해 다공상의 암석층에서 유동되는 지하공기나 지하수를 직간접적으로 이용하여 주택이나 비닐하우스 등의 냉난방하거나 냉난방장치인 히트펌프의 증발기, 응축기에 필요한 열원으로 활용하고 있다.

특히, 지하수를 이용하는 경우 다공상의 암석층에 이르기까지 소정깊이로 지하굴착공을 천공하더라도 대부분 상부는 지하공기층이 있고 그 하부에 지하수층이 있는데, 단순히 열매체가 순환되는 열매체파이프를 지상으로부터 지하굴착공 내의 지하수에 충분히 잠기게 설치하여 지하수와 충분히 열교환이 이루어지도록 마련한 것이었다.

따라서 개방된 지하굴착공의 상단을 통해 그 하부의 지하수로 오염물질이 유입되거나 상기 지하굴착공 주변으로부터 오염물질이 스며드는 것을 방지하기 위하여 지하굴착공의 상부를 그라우팅하고 지하굴착공 주위의 지표면을 비닐로 깔거나 콘크리트를 타설하는 것이 전부였다.

그러나 다공상의 지하 암석층은 그 내부의 지하공기나 지하수가 가지고 있는 열을 이용하기 위해서 필연적으로 지하굴착공을 천공하여야 하는바 지하굴착공의 상단을 폐쇄하지 않는 이상 오염방지가 충분하지 못한 것이며 특히, 하절기엔 덥고 동절기엔 차가운 외기와 접해 있는 지하공기를 통해 지하수가 영향을 받아 지하수의 온도가 변할 수 있고 이렇게 외기의 영향으로 인하여 지하수의 온도가 변하게 되면 열원으로 적합한 온도(17℃정도)의 지하수를 확보할 수 없음은 물론 결과적으로 열교환효율이 떨어질 수밖에 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구개발한 것으로서, 그 목적은 다공상의 암석층에 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이로 지하굴착공을 천공하고 지하굴착공 하부의 지하공기층과 지하수층의 경계부분에 열교환차단막을 마련함으로써 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수 또는 지하해수로 전달됨을 차단하여 열교환효율의 저하를 최소화할 수 있으며 이로 인하여 혹한기에도 항시 일정한 온도(17℃정도)의 지속적인 열원을 공급받을 수 있어 열교환매체인 냉수가 10℃이상으로 유지하여 히트펌프의 운전효율을 높임은 물론 상부의 지표면으로부터 유입되는 오염물질이 지하수 또는 지하해수로 들어가는 것을 방지할 수 있도록 한 지열교환 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 지하굴착공의 상부로 돌출되게 설치되는 케이싱 상단에 송풍기를 마련함으로써 지하굴착공 내의 지하공기를 유동시켜 지하골착공을 통과하는 순환라인과의 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 지열교환 장치를 제공하는 데 있다.

한국에서 화산섬으로 알려진 제주도, 특히 그 해안가에는 다공상의 암석층으로 된 지층을 갖고 있고 상기 다공상의 암석층은 최대 40%정도의 공극을 갖고 있다. 상기 지층을 굴착기를 이용하여 지하굴착공을 천공하면 상부에는 지하공기층이, 하부에는 지하수 또는 지하해수가 다공상 암석층의 공극을 채우고 있는데, 상기 지하공기, 지하수, 지하해수는 조수간만의 차에 의하여 지속적으로 다공상 암석층의 내부로 흘러들어오고 흘러나감을 반복하게 된다.

이러한 유체의 유동으로 인하여 항온(17℃ 내외)열원인 지하공기, 지하수 또는 지하해수가 다공상 암석층을 따라 지속적으로 흐르고 있음에 창안하여 상기 항온열원을 품어 올려 직접이용하지 않아 지하수의 고갈과 지층변형을 방지할 수 있고 항온열원이 가지고 있는 잠열만을 간접적으로 이용하여 지하자원인 지하공기 및 지하수 또는 지하해수의 오염을 방지하면서 항온열원의 내부에너지를 활용하고자 한다.

상기와 같은 다공상으로 된 암석층의 공극에 채워져 있는 지하공기와 지하수를 이용하여 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일실시예에 따른 지열교환 장치는, 다공상의 암석층에 지표면으로부터 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이까지 천공된 지하굴착공; 이 지하굴착공으로 오염물질의 유입을 방지하기 위하여 지하굴착공의 상부로 돌출되게 케이싱을 마련함과 아울러 상기 케이싱의 외측 및 지하굴착공 주위의 지표면에 타설하는 그라우팅 및 콘크리트층; 상기 지하굴착공 주위의 지상에 마련되되 히트펌프의 증발기 또는 응축기, 공기조화기, 팬 코일 유닛으로 마련되는 열교환기; 이 열교환기에는 열매체파이프가 열교환기로부터 지하굴착공의 상부인 지하공기층에서 하부의 지하수층을 거쳐 상부로 되돌아 나와 다시 열교환기로 들어가게 연결되고 지속적으로 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 순환라인; 상기 지하굴착공의 지하공기층과 지하수층 사이엔 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수로 전달됨을 차단하고 오염물질의 유입을 방지하도록 마련되는 열교환차단막; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 케이싱은 상단을 폐쇄함이 바람직하나 다공상 암석층의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 순환라인과의 열교환 효율을 향상시키기 위한 송풍기를 마련한 것을 특징으로 한다.

상기 케이싱에는 다공상 암석층 내의 지하공기를 흡입하여 주택이나 하우스 등으로 공급하여 냉난방으로 활용할 수 있도록 케이싱으로부터 주택, 하우스에 이르기까지 배관이 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 지열교환 장치에 있어서, 상기 열교환차단막의 상부인 지하굴착공에는 지하굴착공 내부로 오염물질이 유입됨을 보다 확실하게 방지할 수 있도록 케이싱 상단에 이르기까지 그라우트제를 채운 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 지열교환 장치에 있어서, 상기 열교환차단막의 하부인 지하굴착공에는 지하굴착공의 붕괴를 방지하기 위하여 입경이 3~50㎜인 자갈을 채운 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지열교환 장치는, 다공상의 암석층에 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이로 지하굴착공을 천공하고 지하굴착공 하부의 지하공기층과 지하수층의 경계부분에 열교환차단막을 마련함으로써 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수 또는 지하해수로 전달됨을 차단하여 열교환효율의 저하를 최소화할 수 있으며 이로 인하여 혹한기에도 항시 일정한 온도(17℃정도)의 지속적인 열원을 공급받을 수 있어 열교환매체인 냉수가 10℃이상으로 유지하여 히트펌프의 운전효율을 높임은 물론 상부의 지표면으로부터 유입되는 오염물질이 지하수 또는 지하해수로 들어가는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻는다.

또한, 본 발명의 지열교환 장치는 지하굴착공의 상부로 돌출 설치되는 케이싱 상단에 송풍기를 마련함으로써 지하굴착공 내의 지하공기를 유동시켜 지하골착공을 통과하는 순환라인과의 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻는다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 일실시예의 지열교환 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예의 지열교환 장치를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 지열교환 장치를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 지열교환 장치를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 일실시예의 지열교환 장치를 나타낸 개략도이다.

지하굴착공(10)은 자갈층, 송이석 등으로 형성된 다공상의 암석층(20)에 지표면으로부터 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이까지 천공된 것이다. 상기 지하굴착공(10)은 최대 40%정도의 공극을 갖고 있다고 알려진 다공상의 암석층(20)으로 된 지층을 갖고 있는 한국에서 화산섬으로 알려진 제주도, 특히 그 해안가에 천공함이 바람직하며, 이러한 지층을 굴착기를 이용하여 지하굴착공(10)을 천공하면 상부에는 다공상 암석층(20)의 공극에 지하공기가 채워진 지하공기층(22)이, 하부에는 다공상 암석층(20)의 공극에 지하수 또는 지하해수가 채워진 지하수층(24)이 마련되어 있다.

상기 지하굴착공(10)의 상부에는 지하굴착공(10)으로 오염물질의 유입을 방지하기 위한 오염물질 방지구조가 설치된다. 이 오염물질 방지구조는 지하굴착공(10)의 상부에서 지상으로 돌출되게 마련된 케이싱(30), 이 케이싱(30)의 외측에 마련된 그라우트(32), 및 상기 지하굴착공(10) 주위의 지표면에 타설된 콘크리트층(34)으로 이루어진다. 상기 케이싱(30)의 상단 또한 오염방지 캡을 씌워 케이싱(30)의 상단으로부터 내부로 오염물질이 유입됨을 방지함이 바람직하다.

열교환기(40)는 상기 지하굴착공(10) 주위의 지상에 마련되어 있으며, 이는 히트펌프의 증발기 또는 응축기, 공기조화기, 팬 코일 유닛 등이다.

순환라인(50)은 열매체파이프로 이루어진 것으로서, 상기 열교환기(40)로부터 지하굴착공(10)의 상부인 지하공기층에서 하부의 지하수층을 거쳐 상부로 되돌아 나와 다시 열교환기(40)로 들어가게 연결되어 폐회로를 이루고 있으며, 상기 순환라인(50)에는 그 내부의 열매체를 지속적으로 순환시키기 위한 순환펌프(52)가 마련되어 있다.

열교환차단막(60)은 상기 지하굴착공(10)의 지하공기층(22)과 지하수층(24) 사이엔 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수로 전달됨을 차단하고 오염물질의 유입을 방지하도록 마련되는 부재이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열교환 장치의 작동 과정을 상세하게 설명한다.

먼저, 주택이나 하우스 등의 냉난방을 수행하게 되면 히트펌프의 증발기 또는 응축기, 공기조화기, 팬 코일 유닛으로 되는 열교환기(40)를 통해 열교환시켜 필용한 열원을 확보하여야 한다.

이때, 순환라인(50) 상의 순환펌프(52)가 가동되면 순환라인(50)을 이루는 열매체파이프 내부의 열매체가 열교환기(40)로부터 지하굴착공(10)의 지하공기층(22)과 열교환차단막(60), 지하수층(24)을 통과한 후 열교환차단막(60)과 지하굴착공(10)의 지하공기층(22)을 통해 다시 열교환기(40)로 되돌아가는 과정이 지속적으로 이루어지게 된다.

이렇게 순환라인(50)을 따라 순환되는 과정에서 순환라인(50)을 이루는 열매체파이프 내부의 열매체는 항시 17℃내외인 지하굴착공(10)의 지하공기와 지하수가 가지고 있는 2개의 열교환층을 통과하는 동안에 열교환하게 된다.

예를 들어, 상기 열교환기(40)가 증발기와 같이 흡열용인 경우라면 열교환기(40)와 수열 교환하는 순환라인(50)의 열교환매체는 대략 10℃가 되고, 지하굴착공(10)의 지하공기층(22) 및 지하수층(24)을 통과하는 과정에서 지하공기와 지하수가 수열 교환하여 대략 17℃정도의 열교환매체로 가열되어 다시 열교환기(40)로 공급되므로 상기 열교환기(40)에 열원을 공급하는 과정을 되풀이한다.

이와 반대로, 상기 열교환기(40)가 응축기와 같이 방열용인 경우라면 열교환기(40)와 수열 교환하는 순환라인(50)의 열교환매체는 대략 25℃가 되고, 지하굴착공(10)의 지하공기층(22) 및 지하수층(24)을 통과하는 과정에서 이 지하공기와 지하수가 수열 교환하여 대략 17℃정도의 열교환매체로 냉각되어 다시 열교환기(40)로 공급되므로 상기 열교환기(40)에 열원을 공급하는 과정을 되풀이한다.

이때, 지하굴착공(10)은 열교환차단막(60)에 의해 지하공기층(22)과 지하수층(24)이 구획 분리되어 있으므로 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수로 전달됨을 차단하고 이로 인하여 더욱 향상된 열교환효율을 꾀할 수 있는 것이다.

그리고 지하굴착공(10)의 상부엔 케이싱(30)과 그 주위의 그라우트(32) 및 지표면에 타설된 콘크리트층(34)으로 인하여 지하굴착공(10) 내에 오염물질이 유입됨을 방지할 수 있고, 특히 지하굴착공(10)의 지하공기층(22)과 지하수층(24) 사이에 마련된 열교환차단막(60)으로 인하여 지하굴착공(10) 하부의 지하수로 오염물질이 유입을 원천적으로 방지할 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 지열교환 장치에 대한 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 지하굴착공(10)의 상부에 지상으로 돌출되게 마련되는 케이싱(30)의 상단에는 다공상 암석층(20)의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 순환라인(50)과의 열교환 효율을 향상시키기 위한 송풍기(70)가 더 마련한 것을 제외하고는 일실시예의 구성과 동일하다.

상기와 같은 다른 실시예의 지열교환 장치에 의하면, 케이싱(30) 상단의 송풍기(70)가 가동되면서 지하굴착공(10) 내의 지하공기를 유동시키게 되고 이때 열교환기(40)로 들어가고 나오는 순환라인(50)인 열매체파이프와 더 많은 양의 지하공기와 접촉되므로 열교환효율의 향상을 꾀할 수 있는 것이다.

상기 케이싱(30)에는 다공상의 암석층(20)에 채워져 있는 지하공기를 송풍기(70)로 흡입하여 주택이나 하우스 등으로 공급하도록 배관을 연결하면 주택이나 하우스 등의 냉난방 열원으로 활용할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 지열교환 장치에 대한 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다. 지하공기층(22)과 지하수층(24)의 경계인 열교환차단막(60) 상부의 지하굴착공(10)에는 지하굴착공(10) 내부로 오염물질이 유입됨을 보다 확실하게 방지할 수 있도록 케이싱(30) 상단에 이르기까지 그라우트제(80)를 채운 것을 제외하고는 일실시예의 구성과 동일하다.

상기한 바와 같은 또 다른 실시예의 지열교환 장치는 케이싱(30)의 상단에 이르기까지 그라우트제(80)가 채워져 있으므로 오염물질이 지하굴착공(10) 내부로 유입됨을 보다 확실하게 방지할 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 지열교환 장치에 대한 또 다른 실시 예를 나타낸 도면이다. 지하공기층(22)과 지하수층(24)의 경계인 열교환차단막(60) 하부의 지하굴착공(10)에는 지하굴착공(10)의 붕괴를 방지하기 위하여 입경이 3~50㎜인 자갈(90)을 채운 것을 제외하고는 일실시예의 구성과 동일하다.

상기한 바와 같은 또 다른 실시예의 지열교환 장치는 지하굴착공(10)하부의 지하수층(24)에 자갈(90)을 채워 넣고 열교환차단막(60)을 시공히면 암석층(20)의 공극에 채워져 있는 지하수의 유동에 악영향을 주지 않으면서 지하굴착공(10)의 붕괴를 방지할 수 있는 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 상기의 바람직한 실시 예를 들어 설명하였으나, 이러한 실시예를 종래의 공지기술과 단순히 조합 적용한 변형예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 용이하게 변경하여 이용할 수 있는 모든 기술들은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

10: 지하굴착공 20: 암석층
30: 케이싱 32: 그라우트
34: 콘크리트층 40: 열교환기
50: 순환라인 52: 순환펌프
60: 열교환차단막 70: 송풍기
80: 그라우트제 90: 자갈

Claims (4)

1. 다공상의 암석층에 지표면으로부터 지하수 또는 지하해수가 충분히 유동되는 깊이까지 천공되되 상부에는 다공상의 암석층의 공극에 지하공기가 채워진 지하공기층과, 하부에는 다공상의 암석층의 공극에 지하수 또는 지하해수가 채워진 지하수층이 마련된 지하굴착공;
   이 지하굴착공으로 오염물질의 유입을 방지하기 위하여 상기 지하굴착공의 상부로 돌출되게 마련된 케이싱, 이 케이싱의 외측에 마련된 그라우팅, 및 상기 지하굴착공 주위의 지표면에 타설되는 콘크리트층으로 이루어진 오염물질 유입방지구조;
   상기 지하굴착공 주위의 지상에 마련되되 히트펌프의 증발기 또는 응축기, 공기조화기, 팬 코일 유닛으로 마련되는 열교환기;
   이 열교환기에는 열매체파이프가 열교환기로부터 지하굴착공의 상부인 지하공기층에서 하부의 지하수층을 거쳐 상부로 되돌아 나와 다시 열교환기로 들어가게 연결되고 지속적으로 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 구비된 순환라인;
   상기 지하굴착공의 지하공기층과 지하수층 사이에 외기에 의해 지표면부분인 지하공기가 영향을 받아 지하수로 전달됨을 차단하고 오염물질의 유입을 방지하도록 마련되는 열교환차단막 ;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 지열교환 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이싱에는 다공상 암석층의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 순환라인과의 열교환 효율을 향상시키기 위한 송풍기를 마련한 것을 특징으로 하는 지열교환 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열교환차단막의 상부인 지하굴착공에는 지하굴착공 내부로 오염물질이 유입됨을 보다 확실하게 방지할 수 있도록 케이싱 상단에 이르기까지 그라우트제를 채운 것을 특징으로 하는 지열교환 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열교환차단막의 하부인 지하굴착공에는 지하굴착공의 붕괴를 방지하기 위하여 입경이 3~50㎜인 자갈을 채운 것을 특징으로 하는 지열교환 장치.

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