KR101327900B1 - 하우스용 지중열교환기 - Google Patents

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박문균
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Abstract

본 발명은 하우스 실내와 지중을 통해 복수의 덕트관으로 구성된 도관부를 배치하여 하우스의 실내 공기를 흡입하여 지중을 통과시키면서 지중의 온도와 열교환된 공기를 다시 하우스 실내로 순환시켜 지중의 온도를 이용하여 하우스 실내를 냉,난방시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 하우스용 지중열교환기는, 하우스(10) 내의 실내와 지중 사이를 연결하는 복수의 덕트관(110)으로 연결된 도관부(100); 지중의 덕트관(110) 사이에 마련되며, 내주면에 나선형으로 돌출형성되는 철부(225)를 구비하고 상기 철부(225)는 철부(225) 내에 열전달액체가 충전되는 구조로 이루어지며 하우스(10) 내의 실내공기가 열교환되면서 유동하는 공간부를 갖도록 구성되는 내관(220)과, 상기 내관(220)의 외측에 권회되고 집수조(350)의 열전달유체(251)가 순환되는 유체 파이프(250) 및 상기 유체 파이프(250)의 외측을 감싸도록 마련되는 외관(210)을 포함하여 구성되는 지중열교환부(200); 상기 지중열교환부(200)의 유체 파이프(250) 내에 순환되는 열전달유체(251)를 가열 또는 냉각시키기 위한 온수기(320) 및 냉각기(330); 상기 지중열교환부(200)를 통과하는 열전달유체(251)가 집수되고 상기 온수기(320) 또는 냉각기(330)로 상기 집수된 열전달유체(251)를 압송시키는 펌프(352)를 갖는 집수조(350); 및 상기 도관부(100)의 단부에 마련되어 상기 지중열교환부(200)를 통과하면서 열교환된 공기를 상기 하우스(10) 내로 공급하기 위한 공급덕트(130);로 구성된다.

Description

하우스용 지중열교환기{Ground heat exchange apparatus for vinyl house}
본 발명은 하우스용 지중열교환기에 관한 것으로, 특히 지중의 온도 뿐만 아니라, 동절기 또는 하절기에 따라 선택적으로 온수기 또는 냉각기를 동작시켜 열전달유체를 가열 또는 냉각시킴으로써, 지중을 통과하는 공기에 열 전도방식으로 열교환한 후에 하우스 실내로 공급할 수 있으므로, 하우스 내의 냉,난방 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 온수기 또는 냉각기를 이용한 적극적인 냉,난방이 이루어질 경우 신속한 냉,난방 효과를 얻을 수 있도록 그 구조가 개선된 하우스용 지중열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 지열이라 함은 지표면의 하부에 분포되어 있는 토양과 암석이 태양복사열 이나 지구 내부의 마그마열 때문에 보유하고 있는 열을 의미한다.
지표면 하부의 특정 심도의 지열은 연중 일정한 온도를 유지하고 있으며, 지하수가 풍부한 곳에서는 지하수의 수온을 이용하고 지하수의 산출성이 빈약한 곳에서는 순수한 토양과 암석 자체가 보유하고 있는 지열을 건물의 냉, 난방에 사용하고 있다.
지열을 이용하는 냉난방시스템은 냉난방 방식 중에서 가장 효율이 높고, 환경 친화적인 방법으로 알려져 있으며 지구온난화를 유발하는 이산화탄소 배출 절감을 위한 방안 중에서 가장 경제적이고 효과적인 방법으로 인식되고 있다.
종래에는 지하수를 흡입하기 위하여 보어홀을 천공하고, 천공된 보어홀 내부의 지하수를 유입하여 사용하였으나, 상기한 흡입 과정에서 각종 이물질(암분, 암편)이 유입되어 흡입배관이 막히는 문제점이 발생 되어 전체적인 냉, 난방 효율을 저하하고, 시스템의 운전이 불안정해지는 문제점을 야기시켰다.
종래 지열을 이용한 열교환 시스템과 관련된 선행기술은 한국 등록특허공보 등록번호 제 10-0803351호 "지열에너지 이용을 위한 지중 열교환시스템"(등록일자 : 2008.02.04)에 나타낸 바와 같이, 지중에 보어홀을 형성하여 흡입 파이프와 순환 파이프를 설치하고, 상기 흡입 파이프를 통해 흡입된 지하수가 갖고 있는 열에너지를 열교환부를 통해 열교환을 실시하여 각종 건물의 냉난방으로 사용할 수 있도록 암반 또는 지하수를 통한 지중 열교환이 가능하도록 암반층 또는 대수층이 형성된 지중에 형성되는 보어홀과, 보어홀 상에 일정 수위를 이룬 지하수의 흡입이 가능하도록 일단부가 보어홀의 하측에 위치하고 타단부가 수직 방향으로 연장 형성되되 일단부 상에 지하수의 흡입이 가능하도록 흡입 파이프 바디의 원주방향 상에 횡방향으로 관통 형성된 제 1슬롯홀과, 상기 제 1슬롯홀의 상측으로 이격되어 흡입 파이프의 바디 상에 구비되며 제 1슬롯홀을 통해 유입된 지하수를 끌어올리도록 설치된 양수펌프를 포함하는 흡입파이프와, 흡입파이프를 통해 흡입된 지하수가 갖고 있는 열 에너지와 열교환이 이루어지는 열교환부, 열교환부를 통해 열교환을 실시한 지하수가 보어홀로 리턴되도록 흡입 파이프와 연결된 순환 파이프, 일단이 상기 순환 파이프와 연결 설치되고 타단이 보어홀을 향해 연장 형성되며 길이 방향 상에 제 2슬롯홀이 다수 형성되어 균일 압력으로 제 2슬롯홀을 통해 지하수를 유출 가능하게 하는 토출 파이프를 포함하여 구성된 것이다.
또한, 종래 지열을 이용한 열교환시스템과 관련된 다른 선행기술은 한국 공개특허공보 제 10-2007-0003504호 "지중열교환기 및 지열이용 열펌프식 공기조화장치"(공개일자 : 2007.01.05)에 나타난 바와 같이, 나선상이며 내부에 유체가 아래쪽으로 유동가능한 왕로관부와, 그 왕로관부로부터 하측으로 유동 가능한 유체를 지상까지 유도 가능한 복로관부를 구비하여 열손실을 억제할 수 있도록 한 지중열교환기 및 지열이용 열펌프식 공기조화장치에 관한 것이 있다.
그런데, 기존 지열을 이용한 열교환시스템들은 단순히 지열 에너지만을 이용하여 하우스 실내 공기를 냉,난방시키는 방식이므로, 열 전달효율이 저하되고 냉,난방에 소요되는 시간이 지연되며 충분한 냉,난방 효과를 얻을 수 없는 단점이 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 제 10-0803351호 "지열에너지 이용을 위한 지중 열교환시스템"(등록일자 : 2008.02.04) 한국 공개특허공보 제 10-2007-0003504호 "지중열교환기 및 지열이용 열펌프식 공기조화장치"(공개일자 : 2007.01.05)
본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 지중 열의 전달 효율을 향상시켜 하우스 내의 냉,난방 시스템을 보조하도록 된 하우스용 지중열교환기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 열교환기의 초기 열교환시간을 단축시켜 냉,난방 시간을 단축시킬 수 있도록 한 하우스용 지중열교환기를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하우스 내의 실내와 지중 사이를 연결하는 복수의 덕트관으로 연결된 도관부와,
지중의 덕트관 사이에 마련되며, 내주면에 나선형으로 돌출형성되는 철부를 구비하고 상기 철부는 철부 내에 열전달액체가 충전되는 구조로 이루어지며 하우스 내의 실내공기가 열교환되면서 유동하는 공간부를 갖도록 구성되는 내관과, 상기 내관의 외측에 권회되고 집수조의 열전달유체가 순환되는 유체 파이프 및 상기 유체 파이프의 외측을 감싸도록 마련되는 외관을 포함하여 구성되는 지중열교환부와,
상기 지중열교환부의 유체 파이프 내에 순환되는 열전달유체를 가열 또는 냉각시키기 위한 온수기 및 냉각기와,
상기 지중열교환부를 통과하는 열전달유체가 집수되고 상기 온수기 또는 냉각기로 상기 집수된 열전달유체를 압송시키는 펌프를 갖는 집수조와,
상기 도관부의 단부에 마련되어 상기 지중열교환부를 통과하면서 열교환된 공기를 상기 하우스 내로 공급하기 위한 공급덕트를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 지중열교환부는 상기 하우스 내의 실내공기가 유동되는 경로인 공간부를 갖는 내관과,
상기 내관의 외측면에 밀착되도록 권회되고 단부에 상기 집수조측으로 열전달유체를 배수하여 상기 열전달유체를 순환시키기 위한 유체 파이프와,
상기 유체 파이프의 외측에 외부를 감싸도록 마련되는 외관을 구비한다.
바람직하게는 상기 내관은 내주면에 돌출된 철부가 나선형구조로 형성되고, 상기 철부 내에 열전달액체가 충전된 것이다.
상기 지중열교환부는 상기 유체 파이프를 외측에서 감싸도록 결합시켜 상기 유체파이프의 일측면을 상기 내관에 면접촉시키기 위한 고정밴드와, 상기 고정밴드의 양측 단부를 상기 내관에 고정시키기 위한 고정핀부재를 구비한다.
상기 덕트관들 중 지중에 배치되는 덕트관은 외주면과 내주면 사이의 내부에 나선형구조의 공간부를 형성하되, 상기 공간부내에 액상의 열교환유체가 충진된 것이다.
첫째, 본 발명은 하우스 실내와 지중을 통해 복수의 덕트관으로 구성된 도관부를 배치하여 하우스의 실내 공기를 흡입하여 지중을 통과시키면서 지중의 온도와 열교환된 공기를 다시 하우스 실내로 순환시켜 지중의 온도를 이용하여 하우스 실내를 냉,난방시킬 수 있도록 함으로써, 하절기나 동절기시 하우스 내의 냉,난방을 위한 에너지를 절감할 수 있는 유용한 이점을 갖는다.
둘째, 본 발명은 하우스 실내 공기의 순환과정에서 지중열교환부의 내관측에 가열 또는 냉각할 수 있도록 열전달유체가 유체 파이프를 통해 순환되므로, 지중의 온도와 열교환되는 시간을 단축시켜 도관부를 통해 이동되는 공기를 신속하게 가열 또는 냉각시킬 수 있는 이점을 갖는다.
셋째, 본 발명은 내관의 내주면에 철부가 돌출되게 형성되고, 철부 내에 열전달액체가 충전되어 있으므로, 지중열교환부를 통과하는 공기와의 접촉면적을 증대시킴과 아울러 열전달액체를 통한 열 전도 성능을 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 하우스용 지중열교환기의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 지중열교환부의 구성을 나타낸 구성도.
도 3은 도 2의 측단면도.
도 4는 본 발명 지중 덕트관의 구성을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명 지중열교환부의 변형예를 보인 사시도.
도 6a는 본 발명의 지중열교환기가 하절기때 동작되는 상태를 보인 사용상태도이고, 도 6b는 본 발명의 지중열교환기가 동절기때 동작되는 상태를 보인 사용상태도.
본 발명은 하우스 실내와 지중을 통해 복수의 덕트관으로 구성된 도관부를 배치하여 하우스의 실내 공기를 흡입하여 지중을 통과시키면서 지중의 온도와 열교환된 공기를 다시 하우스 실내로 순환시켜 지중의 온도를 이용하여 하우스 실내를 냉,난방시킬 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 하우스용 지중열교환기는, 도 1 내지 도 6을 참조하면, 하우스 내의 실내와 지중 사이를 연결하는 복수의 덕트관(110)으로 구성된 도관부(100)와, 지중의 덕트관(110) 사이에 마련되고 외관(210)과 내관(220) 사이에 내부공간을 갖는 이중관 구조로 구성되며 상기 내부공간내에 액상의 열전달유체(251)가 순환되는 유체 파이프(250)가 배치되어 상기 하우스(10) 내의 실내 공기와 지중 내의 열 에너지가 열교환되는 지중열교환부(200)와, 상기 지중열교환부(200)의 유체 파이프(250) 내에 순환되는 열전달유체(251)에 가열 또는 냉각시키기 위한 온수기(320) 및 냉각기(330)와, 상기 지중열교환부(200)를 통과하는 열전달유체(251)가 집수되고 상기 온수기(320) 또는 냉각기(330)로 상기 집수된 열전달유체(251)를 압송시키는 펌프(352)를 갖는 집수조(350)와, 상기 도관부(100)의 단부에 마련되어 상기 지중열교환부(200)를 통과하면서 지중의 열에너지와 열교환된 공기를 상기 하우스(10) 내로 공급하기 위한 공급덕트(130)로 구성된다.
도 1을 참조하면, 도관부(100)는 덕트관(110) 일단부가 하우스(10) 내에 배치되고 외부 전원에 의해 구동되는 흡입팬(150)이 마련되며, 지중으로 경사진 각도로 연결된 후에 타단부가 다시 하우스(10) 실내로 연결되는 공급덕트(130)를 구비한다.
도관부(100)의 내부는 하우스(10) 내의 공기가 유입되어 순환되는 이동 경로가 된다.
온수기(320)는 동절기 때 하우스(10) 내의 차가운 공기가 도관부(100) 내로 유입될 경우, 열교환 시간을 단축시키기 위해 열전달유체(251)를 가열하는 기능을 수행하게 된다.
반면에, 냉각기(330)는 하절기 때 하우스(10) 내의 더운 공기가 도관부(100) 내로 유입될 경우, 지중열교환부(200)의 열교환 시간을 단축시키기 위해 열전달유체(251)를 냉각시키는 기능을 수행하게 된다.
온수기(320) 및 냉각기(330)는 외부 전원이 인가됨에 따라 각각 가열 또는 냉각되는 히터 또는 에어컨디셔너를 채용할 수 있다.
그리고 도관부(100)는 하우스(10) 실내의 공기를 지중열교환부(200)측으로 공급하기 전에 공기중의 이물질을 필터링하기 위한 필터부재(170)가 마련되는 것이 바람직하다.
또 도관부(100)의 덕트관(110)들 중 지중에 배치된 덕트관(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 외주면과 내주면 사이의 내부에 길이방향으로 나선형 공간부가 형성되며, 나선형 공간부 내에 지중의 열 전달이 용이하도록 액상의 열교환유체(115)가 충진된 구조를 갖는다.
이는 지중의 열이 액상의 열교환유체(115)를 매개로 덕트관(110) 내부로 신속하게 전달되도록 하기 위함이다.
집수조(350)는 열전달유체(251)의 순환을 위해 유체 파이프(250)의 일단부가 상측에 배치되고, 하부에 온수기(320)와 냉각기(330)측으로 각각의 유체 파이프(250)의 타단부가 연결되는 구조로 되어 있다.
또한, 집수조(350)는 내부에 충진된 열전달유체(251)를 온수기(320) 또는 냉각기(330)에 각각 압송하기 위한 펌프(352)를 구비할 수 있다.
또 유체 파이프(250)는 온수기(320) 및 냉각기(330)로부터 지중열교환부(200) 측으로 열전달유체(251)를 선택적으로 공급하기 위해 개폐밸브(354)가 마련된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 지중열교환부(200)는 상기 하우스(10) 내의 실내공기가 유동되는 경로인 공간부를 갖는 내관(220)과, 상기 내관(220)의 외측면에 밀착되도록 권회되고 단부에 상기 집수조(350)측으로 열전달유체(251)를 배수하여 상기 열전달유체(251)를 순환시키기 위한 유체 파이프(250)와, 상기 유체 파이프(250)의 외측에 외부를 감싸도록 마련되는 외관(210)으로 구성된다.
유체 파이프(250)는 내관(220)과 외관(210) 사이에 지그재그 방식으로 마련되어 상기 유체 파이프(250) 내를 순환하는 열전달유체(251)를 매개로 내관(220)과 열교환된다.
또한, 지중열교환부(200)는 상기 유체 파이프(250)를 외측에서 감싸도록 결합시켜 상기 유체 파이프(250)의 일측면을 상기 내관(220)에 면접촉시키기 위한 고정밴드(260)와, 상기 고정밴드(260)의 양측 단부를 상기 내관(220)에 고정시키기 위한 리벳 등의 고정핀부재(265)를 더 구비한다.
즉, 고정밴드(260)는 유체 파이프(250)의 외주연 일부를 감싸는 형태로서, 양측 플랜지가 내관(220)에 고정핀부재(265)를 매개로 고정되어 유체 파이프(250)를 내관(220)에 밀착시키는 기능을 수행하게 된다.
내관(220)은 도 5에 도시된 바와 같이, 내주면에 돌출된 철부(225)가 내주면을 따라 나선형 구조로 형성되며, 철부(225) 내에 열전달액체(예: 물)가 충전되는 구조를 갖는다.
이로 인해, 내관(220)은 내주면에 철부(225)가 나선형 구조로 돌출되게 형성되어 있으므로, 지중열교환부(200)를 통과하는 공기와의 접촉 면적이 증대되어 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 철부(225)내에 열전달액체가 충전된 경우 열 전도 효율이 더 증대될 수 있다.
따라서, 내관(220)은 철부(225)가 형성됨에 따라 지중열교환부(200)를 통과하는 공기와의 접촉면적을 증대시킴과 아울러 열전달액체를 통한 열 전도 성능을 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
여기서 열전달유체(251)와 열교환유체(115)는 열 전도가 용이한 액상의 물이나 기름을 채용할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 흡입팬(150)의 구동시 하우스(10) 실내의 공기가 도관부(100)의 일단부 내부로 흡입되고, 흡입된 공기는 지상의 덕트관(110)을 통해 지중의 덕트관(110) 내부로 유입되며, 유입된 공기는 필터부재(170)를 통과하면서 필터링된 후에 지중열교환부(200) 측으로 공급된다.
이후에, 동절기에는 도 6a에 도시된 바와 같이 온수기(320)를 온 동작시키고 하절기에는 도 6b에 도시된 바와 같이 냉각기(330)를 온 동작시켜 집수조(350) 내의 열전달유체(251)를 가열 또는 냉각시켜 유체 파이프(250)를 따라 순환시킨다.
이로 인해 유체 파이프(250)를 따라 순환되는 열전달유체(251)는 유체 파이프(250)-집수조(350)를 순환하는 과정에서 지중열교환부(200)를 내부를 통과하는 공기와 열 교환되어 공기를 가열 또는 냉각시키는 열교환과정을 수행하게 된다.
이에 따라 열전달유체(251)에 의해 열교환된 공기는 지중의 덕트관(110)을 통과하여 지상의 공급덕트(130)를 통해 하우스(10) 실내로 다시 유입되며, 이러한 공기의 열교환과정이 반복됨에 따라 지중의 열과 온수기(320) 또는 냉각기(330)를 이용하여 하우스(10) 실내를 냉,난방할 수 있게 된다.
이때, 지중열교환부(200)는 유체 파이프(250)를 통과하는 열전달매체가 내관(220)과 밀착되게 접촉되어 있으므로, 내관(220)을 통과하는 공기가 열전달유체(251)와의 열 전도를 통해 냉각되거나 가열된 상태로 열교환됨과 아울러, 지중의 열이 외관(210)을 매개로 내관(220)에 전도되어 내관(220)의 내부를 따라 유입되는 공기와 열교환된다.
하절기시 지중의 온도는 내관(220)을 통해 유입되는 공기의 온도보다 상대적으로 낮은 온도를 유지하게 되므로, 흡입팬(150)에 의해 흡입된 공기가 덕트관(110)을 매개로 지중열교환부(200)를 통해 다시 하우스(10) 내부로 순환되는 과정에서 지중의 온도가 외관(210)과 내관(220)을 냉각시키는 기능을 수행하게 된다.
이와 반대로 동절기시 지중의 온도는 동절기에는 내관(220)을 통해 유입되는 공기의 온도보다 상대적으로 높은 온도를 유지하게 되므로, 상기한 열교환과정에서 외관(210)과 내관(220)의 온도를 상승시키는 난방기능을 수행하게 된다.
한편, 덕트관(110)은 길이방향의 내부에 나선형 공간부가 형성되고, 나선형 공간부 내에 액상의 열교환유체(115)가 충진된 경우, 공기층이 충진된 경우보다 신속한 열 전도효과를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명은 도관부(100)를 통해 지중을 통과하여 다시 하우스(10)로 순환되는 공기는 상기한 지중의 온도 뿐만 아니라, 동절기 또는 하절기에 따라 선택적으로 온수기(320) 또는 냉각기(330)를 동작시켜 열전달유체(251)를 가열 또는 냉각시킴으로써, 내관(220)을 통과하는 공기에 열 전도방식으로 열교환한 후에 하우스(10) 실내로 공급할 수 있으므로, 하우스(10) 내의 냉,난방 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 온수기(320) 또는 냉각기(330)를 이용한 적극적인 냉,난방이 이루어질 경우 신속한 냉,난방 효과를 얻을 수 있는 이점을 갖는다.
10 : 하우스 100 : 도관부
110 : 덕트관 112 : 나선형 공간부
115 : 열교환유체 130 : 공급덕트
170 : 필터부재 200 : 지중열교환부
210 : 외관 220 : 내관
225 : 철부 250 : 유체 파이프
251 : 열전달유체 260 : 고정밴드
265 : 고정핀부재 320 : 온수기
330 : 냉각기 350 : 집수조
352 : 펌프 354 : 개폐밸브

Claims (5)

  1. 하우스(10) 내의 실내와 지중 사이를 연결하는 복수의 덕트관(110)으로 연결된 도관부(100);
    지중의 덕트관(110) 사이에 마련되며, 내주면에 나선형으로 돌출형성되는 철부(225)를 구비하고 상기 철부(225)는 철부(225) 내에 열전달액체가 충전되는 구조로 이루어지며 하우스(10) 내의 실내공기가 열교환되면서 유동하는 공간부를 갖도록 구성되는 내관(220)과, 상기 내관(220)의 외측에 권회되고 집수조(350)의 열전달유체(251)가 순환되는 유체 파이프(250) 및 상기 유체 파이프(250)의 외측을 감싸도록 마련되는 외관(210)을 포함하여 구성되는 지중열교환부(200);
    상기 지중열교환부(200)의 유체 파이프(250) 내에 순환되는 열전달유체(251)를 가열 또는 냉각시키기 위한 온수기(320) 및 냉각기(330);
    상기 지중열교환부(200)를 통과하는 열전달유체(251)가 집수되고 상기 온수기(320) 또는 냉각기(330)로 상기 집수된 열전달유체(251)를 압송시키는 펌프(352)를 갖는 집수조(350); 및
    상기 도관부(100)의 단부에 마련되어 상기 지중열교환부(200)를 통과하면서 열교환된 공기를 상기 하우스(10) 내로 공급하기 위한 공급덕트(130);를 구비한 것을 특징으로 하는 하우스용 지중열교환기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지중열교환부(200)는 상기 유체 파이프(250)를 외측에서 감싸도록 결합시켜 상기 유체파이프의 일측면을 상기 내관(220)에 면접촉시키기 위한 고정밴드(260)와,
    상기 고정밴드(260)의 양측 단부를 상기 내관(220)에 고정시키기 위한 고정핀부재(265)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 하우스용 지중열교환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 덕트관(110)들 중 지중에 배치되는 덕트관(110)은 외주면과 내주면 사이의 내부에 나선형구조의 공간부를 형성하되, 상기 공간부내에는 액상의 열교환유체(115)가 충진된 것을 특징으로 하는 하우스용 지중열교환기.
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