KR101299826B1 - 고심도용 지중 열교환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고심도용 지중 열교환 시스템은, 지열을 회수하기 위한 PE 관을 사용하여도 고심도에서 지하수의 부력에 의해 부상하지 않고 안정적으로 설치됨을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템은, 히트펌프(2)와; 배관에 의해 히트펌프와 연결되도록 구성한 열교환기(3)와; 지중에 설치되면서 상기 열교환기와 연결되며 내부에 열교환수가 순환하도록 하여 지열을 상기 열교환기에 공급하는 열교환수 급수 및 환수수단을 포함하고, 상기 열교환수 급수 및 환수수단은, 급수측 연결부와 환수측 연결부가 구비된 유 밴드헤더와; 상기 유 밴드헤더의 급수측 연결부와 환수측 연결부에 각각 연결되며 상부로 갈수록 벌어지는 형태의 급수측 이음부와 환수측 이음부가 각각 구비된 지지 강관과; 상기 지지 강관의 급수측 이음부와 환수측 이음부에 각각 가열 및 압착에 의해 관이음되는 급수측과 환수측 제1PE 소켓과; 상기 제1PE 소켓에 각각 열융착되는 급수측과 환수측 PE 관과; 상기 급수측과 환수측 PE 관에 각각 열융착으로 관이음되는 제2PE 소켓과; 상기 제2PE 소켓과 가열 및 압착에 의해 관이음되는 연결 강관을 포함하되, 상기 연결 강관은 상기 PE 관의 사이에 선택적으로 개재되어 상기 PE 관이 부력에 의해 부상하지 않고 지열공에 삽입되도록 한다.

Description

고심도용 지중 열교환 시스템{DEPTH GEOTHERMAL SYSTEM UNIT}

본 발명은 고심도용 지중 열교환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 회수하기 위한 PE 관을 사용하여도 고심도에서 지하수의 부력에 의해 부상하지 않고 안정적으로 설치될 수 있는 고심도용 지중 열교환 시스템에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 열교환장치이다.

지중 열교환장치는 크게 개방형 지중 열교환기 장치와 폐쇄형 지중 열교환 장치로 구분되어 시설되어지고 있다.

개방형 지중 열교환기 장치는 일반 지하수 심정과 동일한 구조와 시설을 갖추고 있으며 단지 지하수를 양수하여 그 물을 사용하지 않고 단지 지하수가 가지고 있는 지열을 이용한 다음 다시금 양수하였던 지하수 심정 내부로 되돌려 주입하는 형태를 취하고 있어 지하수가 지상 부분에서 노출되어짐으로써 지하수 오염의 우려가 높은 방식이라 할 수 있다. 반면 폐쇄형 지중 열교환기 장치는 굴착된 지열 굴착공 내부에 지중 열교환을 할 수 있도록 하부가 U밴드로 연결된 두 가닥의 지열 코일관을 바닥까지 삽입하여 설치한 다음 굴착공벽과 지열코일관들 사이를 그라우팅액으로 충진하여 고정한 것이다. 폐쇄형 지중 열교환기 장치는 지하수를 직접 양수하여 노출시키지 않고 지열 코일관을 통해 지상에서 열교환되어 보유한 열을 지중에 다시금 교환하는 기능만을 하게 됨으로서 항시 폐쇄된 순환배관 내부에 열교환을 위한 브라인이 순환펌프에 의해 순환될 뿐 지하수와 직접 접촉되지는 않게 됨으로써 개방형 지중 열교환기 장치에 비해서는 지하수 오염을 크게 우려하지 않을 수 있어 지하수 환경보전적인 측면에서는 적극 권장되어져야 할 시스템이라 할 수 있다.

특히 저탄소 녹색성장 추진과 석유가격의 급등으로 인해 신재생에너지의 확대공급 정책에 따라 지열의 수요는 지속적으로 증가되어질 수 있는 여지가 높아진 반면 지열 시스템의 운용에 따른 지하수 오염 우려로 인해 환경 행정 규제 또한 점차 강화되어져 가고 있는 추세이다. 지열시스템에 의한 지하수 오염 우려는 일반 지하수 굴착공과 동일한 시설 형태를 취하면서 열교환된 지하수가 직접 굴착공 내에 유동하고 있는 암반대수층의 지하수와 접촉될 수밖에 없는 개방형 지중 열교환기 장치의 경우가 심각하여 개방형 지중 열교환기 장치와 대체될 수 있는 장치와 공법의 필요성이 크게 대두되어지고 있다. 또한, 개방형 지중 열교환기 장치의 경우에는 지하수를 양수하기 위한 지하수 심정 펌프를 지열 굴착공 내부에 설치하게 됨으로써 자연수위가 특히 낮을 경우에는 지하수를 양수하기 위해 지나친 운전 동력비를 부담하게 됨으로써 에너지 절감효과가 낮아지는 문제점 또한 있었다.

더구나 지열 굴착공 내부로 환수되는 지하수는 지열 굴착공 내부에서 흘러내리면서 굴착공벽을 침식시키고 침식되어 떨어지는 암편과, 파쇄대 또는 암반대수층에서 유입되는 지하수와 함께 유입되는 토사류는 장기간에 걸쳐 꾸준히 지열 굴착공 내부에 축적이 이루어지게 되고 결국은 압축공기를 이용한 청소인 써징작업을 정기적으로 시행해 주어야 하는 관리상의 어려움 또한 있었다.

또한, 다수개의 지열 굴착공을 함께 운용시 순환수량의 차이로 인해 각 지열 굴착공에 환수되는 지하수의 수량에 편차가 발생되어지게 되고 결국 일부 지열 굴착공은 심하게 지하수가 지열 굴착공 외부로 넘쳐 올라 시스템 운전에 장애를 발생시키기도 하는 문제를 가지고 있다. 또한, 지하수 자체가 가지고 있는 수질 특성상 모래 등 토사류가 함유되어 있을 수 있고 칼슘, 마그네슘 등 배관이나 열교환기 내에서 스케일을 형성할 수 있는 물질을 다수 함유하고 있어 열교환 효율저하와 순환수배관의 폐색등이 발생될 우려가 높은 문제점을 가지고 있다.

폐쇄형 지중 열교환기 장치의 경우에는 열교환기와 순환수배관을 순환하는 브라인(여기에서 브라인은 동절기에 동결되지 않도록 부동액을 첨가한 깨끗한 청수를 사용하게 되며 브라인관 내부와 열교환기, 그리고 지열굴착공 내부에 설치된 지열코일관 내부를 순환하는 열교환 매체이다.)이 지하수와 직접 접촉하지 않음으로써 지하수의 오염 우려가 낮음은 물론 순환수를 크게 낮출 수 있어 지상에 설치되는 순환펌프만으로 브라인의 열교환을 위한 시스템 내부의 순환을 달성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 폐쇄형 지중 열교환기 장치로 구성된 지열시스템은 현재 수직밀폐형으로서는 U밴드 지열코일관을 지열굴착공에 삽입 설치하여 구성된 U밴드 수직밀폐형이 있으며 외부순환관을 지열굴착공 내부에 먼저 삽입한 후 그 내부에 내부순환관을 삽입하여 구성한 이중관 튜브형, 그리고 기초 파일 내부에 지열코일관을 설치한 에너지 파일형이 대표적 형식으로 개발되어 운용 중에 있다.

한편 지표 토양을 2m 내외의 깊이로 굴삭한 다음 지열코일관을 수평으로 포설하여 매설한 후 시스템을 구성한 수평밀폐형도 폐쇄형 지중 열교환기 장치의 범주에 포함된다 하겠다.

그러나, 두 가닥의 지열코일관 끝에 U밴드를 열융착 연결하여 형성한 U밴드 지열코일관의 경우 지열코일관이 원형으로 감겨진 상태로 생산되고 그 형태로 현장에 반입됨으로써 지열굴착공 내부에 삽입하는 경우 지열코일관의 끝부분인 U밴드부분이 지열굴착공의 공벽에 부딪히거나 지열코일관 전체가 원형으로 구부러져 있었던 중이라 현장에서 펼친다할 지라도 직진성을 확보하기가 어려운 상태여서 삽입 장애가 일어나게 된다.

지하수의 양수와 환수를 위한 급수관과 환수관은 제조원가가 저렴한 폴리에틸렌(PE)이 주로 사용되고 있다. PE 관은 가격이 저렴한 이점은 있지만, 비중이 작고 연성인 특성이 있기 때문에 지열공 깊이가 300~500m에 이르는 고심도의 경우 급수관과 환수관을 지열공에 삽입할 때 부력이 발생되어 삽입 자체가 불가능한 현상이 발생된다.

한편, PE 관의 단점을 보완하기 위하여 PE 관 내부에 물을 채워 부력을 저감하는 방법이 있지만, 근본적인 비중 차이의 저감은 달성되지 않아 삽입이 어렵다.

그리고, PE 관은 연성의 특성이 있기 때문에 지열공에 삽입할 때 직진성이 확보되지 않아 휨이 발생되는 문제점도 있다. 따라서 PE 관은 특성 상 강관파이프처럼 경직된 직진성을 확보하기 어려워 강제적인 삽입력 확보가 불가능하여 대체적으로 삽입깊이는 100∼150m를 한계로 삽입하여 시설되어 지고 있다.

한편, 급수관과 환수관을 연결하는 헤더는 2개의 엘보우를 열융착하여 적용하거나 금형을 통해 하나의 몸체로 구성하고 있으며, 이로 인하여 PE 관의 직경이 커지고 최소 소요 지열공의 직경이 과도하게 커지는 문제점도 있다.

또한, 그 실제적인 삽입 깊이를 현장에서 감독 감리자가 직접 참관하며 확인하기 전에는 확인하기가 어려운 문제점 또한 가지고 있었다. 더구나 지열 굴착공 내부에 지열코일관을 붙들어주고 빈 공간의 유동을 줄이기 위해 주입되는 그라우팅이 부실하게 되는 경우 순환펌프의 작동시 발생되는 장기간의 맥동으로 인해 지열코일관의 표면이 굴착공벽과의 마찰 등에 의해 손상될 경우 순환수의 누수로 인해 지하수 오염은 물론 지열시스템에 심각한 장애를 발생시킬 수 있는 우려 또한 높은 처지에 있었다. 또한, 시설 깊이가 얕음으로써 결과적으로 개별 지열 굴착공에 시설된 지중 열교환기의 열전달면적이 크지 않음으로써 개방형 지중 열교환기 장치에 비해 지중 열교환 효율이 비교적 낮은 문제점을 안고 있었다.

이로 인해 동일한 전열량이라 할 때 고심도를 굴착하여 운용하는 개방형 지중 열교환기 장치의 지열굴착공과 비교하여 U밴드 수직밀폐형의 경우 다량의 지열굴착공이 필요하게 되었고 자연히 다량의 지열굴착공을 굴착하기 위한 부지면적 또한 보다 넓게 확보하여야 하였다. 이러한 부지 면적의 확보 문제로 인해 U밴드 수직밀폐형의 경우 대체적으로 건물을 짓기 전에 기초 화일의 내부에 지열코일관을 설치하거나 건물이 지어지는 바닥부분에 조밀하게 지열굴착공을 굴착한 후 지열코일관을 삽입 설치하여 지중 열교환기를 구성한 후 기계실 내에 설치되는 히트펌프의 전열교환기로 배관을 연결하여 왔다. 결국 부지면적이 좁은 경우 시설운용이 편리한 장점을 가지고 있는 U밴드 수직 밀폐형 지열 설비는 시설용량을 충분히 설치할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 강관파이프를 이용하여 지열코일관을 삽입하는데 도움이 되도록 한다 할지라도 삽입이 완료되고 난 후 강관파이프를 지상으로 뽑아내는 과정에서 강관파이프와 지열코일관의 외주면이 지속적으로 마찰을 일으켜 마모에 의한 천공이 발생될 수 있는 여지가 높아 활용될 수 없었다.

따라서 소량의 지열 굴착공을 굴착하여 다량의 지열을 활용할 수 있는 기술의 개발이 필요하였으며, 이를 위하여 본 출원인은 기 등록특허공보 제10-0981527호(고심도 수직밀폐형 지중 열교환기 장치 및 구성방법)에 지열코일관의 삽입 깊이를 획기적으로 고심도로 시행할 수 있는 기술을 개발한 바 있다.

한편, 단일 지열 굴착공 내부에 다수개의 지열코일관을 설치하는 형태를 통해 동일한 목적을 달성하고자 하는 경우도 있으나, 이러한 경우 지열코일관의 선단에 위치하면서 지열 굴착공 맨 하부에 위치하게 되는 U밴드가 서로 겹쳐지게 되어 지열 굴착공 내부에 이를 삽입하기 위해서는 과도한 지열굴착공의 직경이 요구될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

U밴드를 형성하기 위해 요구되는 최소 곡률반경으로 인해 지열코일관의 크기가 커짐에 따라 이러한 U밴드 형성 곡률반경은 더욱 비례해서 커지게 되고 이로 인해 지열 굴착공의 크기를 과대하게 크게 형성하여야 하는 문제점이 발생되고 지열코일관을 2줄로 설치하던 것을 3줄 또는 4줄 이상 설치시에는 이러한 문제로 인해 현실적 적용이 문제로 봉착될 수밖에 없었다.

대한민국 등록특허 제10-1025018호 대한민국 등록특허 제10-0981527호 대한민국 등록특허 제10-0768064호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열을 회수하기 위한 PE 관을 사용하여도 고심도에서 지하수의 부력에 의해 부상하지 않고 안정적으로 설치될 수 있는 고심도용 지중 열교환 시스템를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템은, 히트펌프와; 배관에 의해 상기 히트펌프와 연결되는 열교환기와; 지중에 설치되면서 상기 열교환기와 연결되며 내부에 열교환수가 순환하도록 하여 지열을 상기 열교환기에 공급하는 열교환수 급수 및 환수수단을 포함하고, 상기 열교환수 급수 및 환수수단은, 급수관 연결부와 환수측 연결부가 구비된 유 밴드헤더와; 상기 유 밴드헤더의 급수관 연결부와 환수측 연결부에 각각 연결되며 상부로 갈수록 벌어지는 형태의 급수측 이음부와 환수측 이음부가 각각 구비된 지지 강관과; 상기 지지 강관의 급수측 이음부와 환수측 이음부에 각각 가열 및 압착에 의해 관이음되는 급수측과 환수측 제1PE 소켓과; 상기 제1PE 소켓에 각각 열융착되는 급수측과 환수측 PE 관과; 상기 급수측과 환수측 PE 관에 각각 열융착으로 관이음되는 제2PE 소켓과; 상기 제2PE 소켓과 가열 및 압착에 의해 관이음되는 연결 강관을 포함하되, 상기 연결 강관은 상기 PE 관의 사이에 선택적으로 개재되어 상기 PE 관이 부력에 의해 부상하지 않고 지열공에 삽입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템에 의하면, PE 관과 강관의 조합을 통해 전체적인 비중을 크게 하여 지열공의 심도에 따라 적합한 비중의 관체를 구성하여 고심도에서도 지하수의 부력에 의해 부상하지 않고 안정적으로 설치되므로 시공성이 우수하고 시공 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템에 적용된 열교환수 급수 및 환수수단의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템의 정면도.
도 3은 도 2의 "A"부 확대 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템에 적용된 웨이트의 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템에 적용된 웨이트 커버의 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템에 적용된 웨이트판의 예시도.

도 1과 도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템은, 지중에 형성된 지열공(1)에 열교환수 급수 및 환수수단을 삽입하며 상기 열교환수 급수 및 환수수단을 통해 지열을 회수한 열교환수를 열교환기(3)에 순환시키고, 열교환기(3)와 히트펌프(2)를 배관으로 연결하여 지열을 히트펌프(2)에 공급하는 방식으로, 상기 열교환수 급수 및 환수수단은, 급수측 관과 환수측 관의 기점을 형성하여 히트펌프(2)에서 환수되어 지열을 회수한 열교환수를 다시 상기 히트펌프(2)로 급수하는 유 밴드헤더(10)와, 유 밴드헤더(10)에 관이음되며 급수측 연결부(21)와 환수측 연결부(22)가 구비된 지지 강관(20), 지지 강관(20)의 급수측 연결부(21)와 환수측 연결부(22)에 각각 연쇄적으로 관이음되는 급수측 관(30)[급수측 제1PE 소켓(31), 급수측 PE 관(32), 급수측 제2PE 소켓(33), 급수측 연결 강관(34), 이하 "제1PE 소켓, PE 관, 제2 PE 소켓, 연결 강관"으로 약칭함]과 환수측 관(40)[환수측 제1PE 소켓(41), 환수측 PE 관(42), 급수측 제2PE 소켓(43), 환수측 연결 강관(44), 이하, "제1PE 소켓, PE 관, 제2 PE 소켓, 연결 강관"으로 약칭함], 그리고 급수측 관(30)과 환수측 관(40)이 중량에 의해 지열공에 삽입이 원활하게 이루어 질 수 있도록 설치되는 웨이트수단으로 구성된다.

그리고, 부가적으로 유 밴드헤더(10)의 하부에는 자체 중량에 의해 원활한 삽입을 유도하는 웨이트헤드(50)가 갖추어진다. 먼저 웨이트헤드(50)는 유 밴드헤더(10)의 하부에 체결구(예컨대, 볼트와 너트)를 통해 분리 가능하게 결합되어 지열공의 심도에 적합한 중량이 선택되어 사용될 수 있으며, 삽입시 지하수에 의한 간섭을 줄이기 위하여 수로(51)가 구비된다. 웨이트헤드(50)는 예를 들어 원통형으로 형성되고 수로(51)는 웨이트헤드(50)의 둘레부에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성될 수 있다.

본 발명은 PE 관(32)과 PE 관(42)을 이용함과 아울러 지지 강관(20)과 연결 강관(34,44)을 이용하여 PE 관(32,42)의 단점을 해결함으로써 고심도에서도 사용이 가능하고 용이하도록 한 것이며, 도면에서는 하나의 연결 강관(34,44)과 2개의 PE 관(32,42)이 사용된 것으로 도시되었으나, PE 관(32,42)을 사용하되, 심도에 따라 연결 강관(34,44)을 선택하여 사용함을 특징으로 한다.

유 밴드헤더(10)는 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)가 형성된 구조이며 지열공의 저부에 배치되어, 열교환수와 지열의 열교환 거리를 길게 함으로써 지열공을 효율적으로 사용하도록 하며, 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)가 형성되도록 금형을 통해 제조될 수도 있고, 파이프의 벤딩을 통해서도 형성될 수 있다.

유 밴드헤더(10)는 물보다 비중이 크며 중량이 PE 관(32,42)보다 큰 재질로 이루어져, 고심도에서도 부상없이 삽입되도록 한다.

지지 강관(20)은 급수측 이음부(21)와 환수측 이음부(22)가 함께 형성된 구조이며, 급수측 이음부(21)와 환수측 이음부(22)가 각각 유 밴드헤더(10)의 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)에 각각 연결되고, 급수측 이음부(21)와 환수측 이음부(22)는 도면 기준 하부가 유 밴드헤더(10)의 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)에 연결되도록 붙어 있지만, 급수측 열교환수와 환수측 열교환수간에 열교환이 이루어지지 않도록 상부로 갈수록 벌어지는 형태로 형성된다.

물론, 지열공의 직경이 큰 경우에는 상부로 갈수록 벌어지는 형태가 아닌 유 밴드헤더(10)의 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)의 간극을 넓게 하여 구성되도록 할 수 도 있음은 당연하다.

지지 강관(20)은 물보다 비중이 큰 특성을 통해 PE 관(32,42)을 사용하더라도 지열공(1)에 삽입될 때 부력에 의한 부상을 방지한다.

웨이트수단으로서 적용을 위해 급수측 관(30)과 환수측 관(40)측에는 심도에 따라 중량을 갖는 연결 강관(34,44)이 선택적으로 PE 관(32,42)과 연결되어 사용되며, 물론, 유 밴드헤더(10)와 지지 강관(20)에 의해 PE 관(32,42)의 설치가 가능한 심도에서는 연결 강관(33,44)을 사용하지 않는다.

즉, 유 밴드헤더(10), 지지 강관(20) 및 PE 관(32,42)만으로는 비중을 맞추지 못하여 지열공(1)에 삽입이 불가능하거나 원활하지 못한 경우 연결 강관(34,44)을 사용한다.

도면에서 보이는 바와 같이, 지지 강관(20)에서부터 PE 관(32,42) - 연결 강관(34,44)이 교대로 연결되어 사용된다.

단, 지지 강관(20)과 PE 관(32,42), PE 관(32,42)과 연결 강관(34,44)은 서로 다른 재질로서 연결이 쉽지 않고, 연결부에서 손상이 일어나더라도 저렴한 비용으로 보수가 가능하도록 제1,2PE 소켓(31,41)(33,43)을 사용한다. 제1 PE 소켓(31,41)은 지지 강관(20)과 PE 관(32,42)을 연결하는 것이며, 제2 PE 소켓(33,43)은 PE 관(32,42)과 연결 강관(34,44)을 연결하는 것으로 구분하여 설명한다.

도 3은 지지 강관(20)과 제1 PE 소켓(31) 및 PE 관(32)의 연결을 도시한 것으로, 지지 강관(20)의 급수측 이음부(21)의 내부에는 암나사 형태의 압입홈(21a)(제1 PE 소켓(31)의 두께보다 얇은 단면적)이 형성된다. 제1 PE 소켓(31)을 급수측 이음부(21)의 암나사 형태의 압입홈(21a)에 연결하기 위하여 제1 PE 소켓(31)에 열(PE의 융점보다 높은 온도)을 가하면, 제1 PE 소켓(31)이 녹아 유연성을 갖도록 변형되고, 이 상태에서 제1 PE 소켓(31)의 단부를 암나사 형태의 압입홈(21a)에 맞춰 삽입하면 제1 PE 소켓(31)이 암나사 형태의 압입홈(21a)의 형태로 변형되어 압입되며, 제1PE 소켓(31)을 냉각하면 제1 PE 소켓(31)이 암나사 형태의 압입홈(21a)에 압입된 상태를 유지한다.

제1 PE 소켓(31)과 PE 관(32)은 이음부를 열융착으로 연결한다.

이와 같은 방식에 의해 제2 PE 소켓(33)과 연결 강관(34)도 동일한 방법으로 연결한다.

환수측 관(40)도 전술한 것처럼 급수측 관(30)과 동일한 방법으로 연결된다.

본 발명은 급수측 관(30)과 환수측 관(40)이 일정한 간격을 유지할 수 있도록 간격유지대(60)가 적용된다. 간격유지대(60)는 PE 관(32,42)의 사이, 제1,2 PE 소켓(31,41)(33,43)의 사이, 연결 강관(34,44)의 사이 등에 선택적으로 배치되며, 각각의 재질에 맞는 방법으로 고정된다.

그리고, 본 발명의 급수 및 환수 장치가 지열공(1)의 중심에 배치되도록 센터유지대(70)가 적용된다. 센터유지대(70)는 PE 관(32,42)의 사이, 제1,2 PE 소켓(31,41)(33,43)의 사이, 연결 강관(34,44)의 사이 등에 선택적으로 배치되며, 각각의 재질에 맞는 방법으로 고정된다.

한편, 웨이트수단의 또 다른 한 방법은 웨이트 커버(80)(도 5참고)와 웨이트판(90)(도 6참고)이 적용될 수도 있다(웨이트 커버(80)와 웨이트판(90)은 강철 등으로서 자체 중량이 무거운 것을 말함).

웨이트 커버(80)는 2개의 반원형 편이 체결구를 통해 결합되는 구조일 수 있다. 웨이트 커버(80)가 PE 관(32,42)을 함께 고정하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 웨이트 커버(80)는 P3 관(32,42)을 각각 독립적으로 감싸는 구조도 가능하다. 웨이트 커버(80)의 내주면에는 웨이트 커버(80)가 PE 관(32,42)에서 미끄러지지 않도록 슬립방지부(81)가 구성될 수 있다. 슬립방지부(81)는 요철형 등으로 구성될 수 있다.

웨이트판(90)은 PE 관(32,42) 사이에 개재되며 고정밴드(91)를 통해 PE 관(32,42)에 고정될 수 있다.

웨이트 커버(80)와 웨이트판(90)은 PE 관(32,42)의 비중을 증대하는 기능과 함께 간격유지대(60)의 기능도 겸할 수 있는 특징이 있다.

즉, 웨이트 커버(80)는 간격유지부(82) 및 간격유지부(82)의 양측에 각각 형성되는 관 결합부(83,84)로 구성되고, 웨이트판(90)은 PE 관(32,42)의 사이에 PE 관(32,42)의 방향을 따라 배치되는 웨이트 본체(90a), 웨이트 본체(90a)의 좌우 양측에 각각 형성되는 간격유지날개(90b)로 구성된다. 간격유지날개(90b)는 자유단부가 PE 관(32,42)에 지지되면서 고정밴드(91)가 연결된다.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템의 작용은 다음과 같다.

지열공(1)의 심도 및 지하수의 양 등을 확인하여 PE 관(32,42), 연결 강관(34,44)의 사용 수량을 결정한다. 유 밴드헤더(10)와 지지 강관(20) 및 1개의 PE 관(32,42)의 사용을 기본으로 하며, PE 관(32,42) 만을 사용하면 부력에 의해 삽입이 어려운 경우 PE 관(32,42)과 연결 강관(34,44)을 사용한다.

PE 관(32,42)과 연결 강관(34,44)의 연결 방법은 전술한 것처럼, 제1,2 PE 소켓(31,41)(33,43)을 통해 이루어진다.

이와 같이 본 발명의 고심도용 지중 열교환 시스템를 지열공(1) 내부에 삽입하면(먼저 케이싱 등의 흙막이 시설을 시공할 수 있음), 유 밴드헤더(10), 지지 강관(20) 및 연결 강관(34,44)[웨이트(50)가 적용된 경우 웨이트(50)의 자중 포함]의 자중에 의해 지열공(1) 내부에 지하수가 있고 고심도이더라도 부력에 의해 부상없이 설치가 가능하며, 이후 지열공(1) 내부를 그라우팅하여 시공을 완료한다(도 2에서는 그라우팅이 생략되었다).

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환 시스템의 설치가 완료된 후 열교환수를 순환시켜 열교환 시스템을 가동하며, 열교환수는 환수측 관(40)을 통해 지중 고심도로 내려가면서 지열을 회수하고, 유 밴드헤더(10)에서 방향이 전환되어 급수측 관(30)을 통해 지상으로 상승하면서 지열을 또 회수한 후 히트펌프 시스템에 공급된다.

유 밴드헤더(10)의 급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)가 근접되어 있지만, 지지 강관(20)을 통하여 급수측 관(30)과 환수측 관(40)이 서로 이격되어 열교환수간에 열교환이 이루어지지 않으므로 급수측 관(30)과 환수측 관(40)을 흐르는 열교환수의 열교환에 의한 열효율 저하를 막을 수 있다.

10 : 유 밴드헤더, 20 : 지지 강관
30 : 급수측 관,
31 : 급수측 제1 PE 소켓, 32 : 급수측 PE 관
33 : 급수측 제2 PE 소켓, 34 : 급수측 연결 강관
40 : 환수측 관,
41 : 환수측 제1 PE 소켓, 42 : 환수측 PE 관
33 : 환수측 제2 PE 소켓, 34 : 환수측 연결 강관
50 : 웨이트, 60 : 간격유지대
70 : 센터유지대, 80 : 웨이트 커버
90 : 웨이트판,

Claims (7)

1. 히트펌프(2)와;
   배관에 의해 히트펌프와 연결되도록 구성한 열교환기(3)와;
   지중에 설치되면서 상기 열교환기와 연결되며 내부에 열교환수가 순환하도록 하여 지열을 상기 열교환기에 공급하는 열교환수 급수 및 환수수단을 포함하며,
   상기 열교환 급수 및 환수수단은
   급수측 연결부(11)와 환수측 연결부(12)가 구비된 유 밴드헤더(10)와;
   상기 유 밴드헤더의 급수측 연결부와 환수측 연결부에 각각 연결되며 급수측 이음부(21)와 환수측 이음부(22)가 각각 구비된 지지 강관(20)과;
   상기 지지 강관의 급수측 이음부와 환수측 이음부에 각각 관이음되는 급수측 관(30)과 환수측 관(40)을 포함하며,
   상기 급수측 관과 상기 환수측 관은 상기 지지 강관의 급수측 이음부와 환수측 이음부에 각각 가열 및 압착에 의해 관이음되는 급수측과 환수측 제1PE 소켓(31,32), 상기 제1PE 소켓에 각각 열융착되는 급수측과 환수측 PE 관(32,42), 상기 급수측과 환수측 PE관에 적용되는 웨이트수단을 포함하여 상기 급수측과 환수측 PE 관이 부력에 의해 부상하지 않고 지열공에 삽입되도록 하며,
   상기 지지 강관에는 암나사 형태의 압입홈(21a)이 형성되며, 상기 PE 소켓은 단부가 열에 의해 변형되어 상기 지지 강관의 암나사 형태의 압입홈에 압입됨으로써 연결되는 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환 시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 웨이트수단은 상기 급수측과 환수측 PE 관에 각각 열융착으로 관이음되는 제2 PE 소켓(33,43), 상기 제2 PE 소켓과 가열 및 압착에 의해 관이음되는 급수측과 환수측 연결 강관(34,44)을 포함하되, 상기 연결 강관은 상기 급수측과 환수측 PE 관의 사이에 선택적으로 개재되어 연결된 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 웨이트수단은 판형 또는 관형으로 형성되어 상기 급수측과 환수측 PE 관을 감싸는 웨이트 커버(80) 또는 상기 급수측과 환수측 PE 관의 사이에 개재되면서 고정밴드(91)를 통해 고정되는 웨이트판(90)을 포함하여 비중을 상승시키도록 한 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 웨이트 커버는, 상기 급수측과 환수측 PE 관의 사이에 개재되어 상기 급수측과 환수측 PE 관의 사이의 간격을 유지하는 간격유지부(82), 상기 간격유지부의 양측에 각각 형성되며 상기 급수측과 환수측 PE 관에 각각 결합되는 관 결합부(83,84)로 구성된 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 웨이트 판은, 웨이트 본체(90a) 및 상기 웨이트 본체의 양측에 각각 연장 형성되며 상기 급수측과 환수측 PE 관의 둘레부에 지지되어 상기 급수측과 환수측 PE 관의 사이의 간격을 유지하며 상기 고정밴드가 고정되는 간격유지날개(90b)로 구성된 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 유 밴드헤더의 하단부에 분리 가능하게 연결되는 웨이트헤드(50)를 포함하되, 상기 웨이트헤드는 둘레부에 지하수의 흐름을 유도하는 수로(51)가 포함되는 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환 시스템.

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