KR101483114B1

KR101483114B1 - 열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기

Info

Publication number: KR101483114B1
Application number: KR20130117168A
Authority: KR
Inventors: 류형규; 정민호; 정원석; 고건혁
Original assignee: 대림산업 주식회사; 대림아이앤에스주식회사
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-10-01

Abstract

본 발명은 개방형 지중열교환기에 구비된 공급관에 유체의 난류형성 촉진용 나선돌기를 설치함으로써, 건물의 히트펌프로부터 회수관을 통해서 지중으로 회수된 유체가 지중을 흐를 때 난류를 형성하면서 지중을 흐르게 하여 열교환 효율을 크게 향상시키게 되는 "열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기"에 관한 것이다.
본 발명에서는 지중에 천공된 우물공(100) 내에 설치된 공급관(10), 흡입구(32)로 유체를 흡입하여 송출하도록 공급관(10) 내에 설치된 심정펌프(30), 및 히트펌프로부터 유체가 다시 회수되도록 공급관(10)과 우물공(100) 내벽 사이에 배치되어 있는 회수관(20)을 포함하는 개방형 지중열교환기로서, 상기 공급관(10)의 외면에는, 회수관(20)을 통해서 우물공(100)으로 유입된 유체가 난류의 형태로 아래로 흐르게 하는 난류형성촉진 돌기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 개방형 지중열교환기가 제공된다.

Description

열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기{Open type Underground Heat Exchanger having Supply Pipe with Screw Pin}

본 발명은 지중열을 이용하여 냉방 또는 난방에 이용하기 위하여 지중에 매립되는 지중열교환기에 관한 것으로서, 구체적으로는 개방형 지중열교환기에 구비된 공급관에 유체가 난류 형태로 흐르도록 촉진하는 난류형성촉진 돌기를 설치함으로써, 건물의 히트펌프로부터 회수관을 통해서 지중으로 회수된 유체가 지중을 흐를 때 난류를 형성하면서 지중을 흐르게 하여 열교환 효율을 크게 향상시키게 되는 "열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기"에 관한 것이다.

냉난방을 위하여 지중열을 에너지원으로 이용하는 지중열교환기로서 종래기술에 의한 개방형 지중열교환기의 일예가 대한민국 등록특허 제10-1150596호에 개시되어 있다.

도 1에는 종래기술에 의한 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 종래의 개방형 지중열교환기는, 지면으로부터 지반의 깊이 방향으로 연직하게 지중에 형성된 우물공(100) 내에 공급관(supply pipe)(10)이 설치되어 있고, 공급관(10)과 우물공(100) 사이에는 채움재(400)가 채워져 있다. 건물의 실내와 같이 냉난방이 필요한 공간을 위하여 히트펌프(도시되지 않음)에서의 열교환을 마친 유체를 채움재(400)로 유입시키기 위한 회수관(return pipe)(20)이 구비되어 있으며, 상기 공급관(10)의 상부 위치에서 공급관(10)의 내부에는 유체를 히트펌프로 송출하기 위한 심정펌프(30)가 배치되어 있는 구성을 가진다. 그리고 상기 공급관(10)의 하단 즉, 지중 깊은 곳에 위치하는 공급관(10)의 하단에는 유체가 유입될 수 있는 유입공(11)이 형성되어 있으며, 상기 심정펌프(30)에는 공급관(10)에서 펌핑하여 퍼낸 유체를 히트펌프로 송출하기 위한 송출관(31)이 연결되어 있다. 도 1에서 편의상 상기 회수관(20) 및 송출관(31)은 편의상 굵은 화살표의 형태로 도시하였다. 한편, 도 1에서 점선으로 도시된 화살표는 유체의 흐름 방향을 나타낸다.

따라서 위와 같은 구성을 가지는 종래의 개방형 지중열교환기에서는, 예를 들어, 빌딩이나 아파트와 같은 건물의 냉난방이 필요한 공간(이하, 편의상 "건물"이라고 약칭함)을 위한 히트펌프로부터 회수된 유체는 상기 회수관(20)을 통해서 채움재(400)로 유입되고, 이러한 유체는 우물공(100) 내에서 지하수와 섞이면서 중력에 의해 아래로 흐르게 된다. 우물공(100)의 하부에서는 공급관(10)의 유공관 구간에 형성된 유입공(11)을 통해 지하수를 공급관(10)의 내부로 빨아들여 공급관(10)이 아래에서부터 채워지게 하며, 심정펌프(30)는 공급관(10)에 채워진 유체를 펌핑하여 송출관(31)을 통해서 건물 등의 냉난방을 위한 히프펌프로 송출하게 된다. 히트펌프에서는 다시 열교환이 이루어지며, 히트펌프에서의 열교환을 마친 유체는 다시 회수관(20)을 통해서 회수된다.

위와 같은 종래의 개방형 지중열교환기에서는, 회수관(20)으로 복귀된 유체는 우물공(100)의 상부에서부터 채움재(400)로 유입되어 아래로 흘러가면서 지하수와 섞이게 되고, 지하수는 우물공(100)의 깊은 곳에서부터 흡입되어 송출관(31)으로 보내진다. 그런데 위와 같은 종래 기술에서는 채움재(400)로 유입된 유체가 단순히 아래로 내려가는 형태로만 흐르게 되어, 유체가 우물공(100)의 내벽면과 접촉하는 것이 제한적이고, 따라서 유체가 우물공(100) 내벽면과의 접촉에 의한 열교환을 기대하기 어렵다는 한계가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1150596호(2012. 06. 08. 공고) 참조.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 따른 개방형 지중열교환기가 가지는 한계와 문제점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 히트펌프로부터 회수되어오는 유체가 채움재로 유입될 때, 채움재 내에서 바람직한 흐름 구조를 가지도록 함으로써 회수되는 유체의 열교환 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 유체가 채움재 내에서 난류형태로 흐르게 만들므로써 우물공 내벽과의 접촉을 증대시키고, 그에 따라 열교환 효율이 더욱 향상되도록 하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 지중에 천공된 우물공 내에 설치된 공급관, 우물공에 채워진 채움재, 흡입구로 유체를 흡입하여 송출하는 심정펌프, 및 히트펌프로부터 유체가 다시 회수되는 회수관을 포함하는 개방형 지중열교환기로서, 상기 공급관의 외면에는, 회수관을 통해서 채움재로 유입된 유체가 난류 형태로 아래로 흐르게 하는 난류형성촉진 돌기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 개방형 지중열교환기가 제공된다.

위와 같은 본 발명에 있어서 상기 난류형성촉진 돌기는, 공급관의 외면을 나선형태로 감고 있는 나선형 돌기로 구성되거나 또는 하향 경사진 상면을 가지는 링(ring)형 돌기로 이루어져서 공급관의 길이 방향으로 간격을 두고 복수개로 공급관의 외면에 구비될 수 있다.

본 발명에 의한 개방형 지중열교환기의 경우, 공급관의 외부에 나선돌기가 구비되어 있으므로, 채움재로 유입된 유체가 중력에 의해 아래로 흘러갈 때, 상기 나선돌기를 따라 흐르면서 난류형태의 흐름을 가지게 되고, 그에 따라 지하수와 더욱 잘 섞이게 됨은 물론이고, 채움재가 채워져 있는 우물공 내벽과 유체의 접촉이 더욱 증가하게 되어, 그만큼 유체의 열교환 효율이 크게 증대되는 효과가 발휘된다.

도 1은 종래기술의 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 개방형 지중열교환기에 구비되는 난류형성촉진 돌기가 나선형 돌기로 이루어진 공급관의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 상태에 대한 개략적인 평면도이다.
도 5는 본 발명에서 이용되는 설치 링부재의 개략적인 사시도이다.
도 6 내지 도 8은 각각 공급관에 상기 설치 링부재를 배치하고, 이를 이용하여 복수개의 회수관을 설치하는 것을 보여주는 개략적인 부분 사시도이다.
도 9는 난류형성촉진 돌기가 하향 경사진 상면을 가지는 링형 돌기로 이루어져서 외면에 구비되어 있는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공급관의 개략적인 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 공급관을 구비한 본 발명의 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 개방형 지중열교환기에 구비된 공급관으로서, 난류형성촉진 돌기가 나선형 돌기로 이루어져서 그 외면에 구비되어 있는 공급관의 개략적인 사시도가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 개방형 지중열교환기는, 지면으로부터 지반의 깊이 방향으로 연직하게 지중에 형성된 우물공(100) 내에 공급관(supply pipe)(10)이 설치되어 있다. 상기 공급관(10)의 상부 위치에서 공급관(10)의 내부에는 유체를 건물의 히트펌프로 송출하기 위한 심정펌프(30)가 배치되어 있다. 상기 심정펌프(30)에는 공급관(10)에서 펌핑하여 퍼낸 공기를 냉난방이 필요한 공간으로 송출하기 위한 송출관(31)이 연결되어 있다. 본 발명에서 상기 공급관(10)에는 유체를 난류형태로 흐르도록 유도하는 난류형성촉진 돌기가 그 외면에 구비되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예의 경우, 난류형성촉진 돌기가 나선형 돌기(18)로 이루어져서 공급관(10)의 외면을 나선형태로 감고 있다.

상기 공급관(10)과 우물공(100) 사이에는 히트펌프에서 열교환을 마친 유체가 회수되어 돌아오는 회수관(return pipe)(20)이 배치되어 있다. 상기 회수관(20)의 하단부는 지하수 수위의 바로 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 도 4에는 본 발명에 따른 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 상태에 대한 개략적인 평면도가 도시되어 있는데, 도면에 도시된 것처럼 본 발명에서 상기 회수관(20)은 상기 공급관(10)의 주위에서 복수개로 구비된다. 이 때, 필요에 따라서는 회수관(20)을 공급관(10) 주위에서 설계된 위치에 정확하게 그리고 견고하게 배치하기 위하여 설치 링부재(ring)(70)를 이용할 수도 있다. 도 5에는 본 발명에서 이용되는 설치 링부재(70)의 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 6 내지 도 8에는 공급관(10)에 상기 설치 링부재(70)를 배치하고, 이를 이용하여 복수개의 회수관(20)을 설치하는 것을 보여주는 개략적인 부분 사시도가 각각 도시되어 있다. 도 5에 도시된 것처럼, 설치 링부재(70)는 공급관(10)의 외주면을 감싸도록 공급관(10)의 외면에 끼워지는 메인 링(71)과, 상기 메인(main) 링(71)의 외측에 결합되며 회수관(20)의 외주면을 감싸도록 회수관(20)의 외면에 끼워지는 복수개의 보조 링(72)을 포함하여 구성된다. 상기 보조 링(72)에는 필요에 따라 보조 링(72)의 직경을 줄이거나 늘릴 수 있도록 조임지그(73)가 구비된다. 이러한 메인 링(71)은 나선 돌기(18)가 형성되지 않은 공급관(10)의 상부에 구비되는데, 도 6에 도시된 것처럼 우선 메인 링(71)을 공급관(10)의 외면에 끼우기 전에 메인 링(71)을 고정시킬 수 있는 스톱퍼부재(19)가 공급관(10)의 외면에 고정설치된다. 도 7에 도시된 것처럼 메인 링(71)을 공급관(10)의 외면에 끼우게 되면 상기 스톱퍼부재(19)에 의해 상기 메인 링(71)이 지지되어 그 위치가 고정된 상태로 공급관(10)의 외면에 설치된다. 후속하여 도 8에 도시된 것처럼, 각각의 보조 링(72)에 회수관(20)을 삽입한다. 조임지그(73)를 조여서 보조 링(72)이 견고하게 회수관(20)을 물어서 고정하도록 한다.

이와 같은 설치 링부재(70)를 이용하여 회수관(20)을 설치하게 되면, 회수관(20)을 공급관(10) 주위에서 설계된 위치에 정확하게 그리고 견고하게 배치할 수 있게 된다. 위와 같은 설치 링부재(70)는 보조 링(72)의 개수와 크기, 및 간격을 필요에 맞게 달리한 상태로 제작하여 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 지중열교환기에서, 건물의 냉난방을 위한 히트펌프로부터 보내진 유체는 회수관(20)을 통해서 우물공(100)으로 유입되는데, 앞서 살펴본 것처럼, 본 발명에서 상기 공급관(10)의 외면에는 난류형성촉진 돌기(도 2 및 도 3의 실시예의 경우에는 부재번호 18로 표시된 나선형 돌기)가 구비되어 있으므로, 공급관(10)과 우물공(100) 사이로 유입된 유체가 지하수와 섞여서 중력에 의해 아래로 흐를 때, 나선 돌기(18)의 형상에 따라 아래로 흐르면서 나선형의 흐름 형태의 난류로 흐르게 된다. 이렇게 유체가 난류 형태로 흐르게 되면 지하수와의 혼합이 더욱 왕성하게 이루어지게 되어 열교환이 더욱 활성화됨과 동시에, 유체가 우물공(100)의 내벽과도 접촉할 기회가 더 많아지게 되고, 그에 따라 우물공(100)의 내벽과 유체간의 열교환이 더욱 활발하게 이루어져서, 열교환이 그만큼 더욱 왕성하게 그리고 효율적으로 이루어지게 되는 효과가 발휘된다.

그러나 본 발명에서 난류형성촉진 돌기는 위에서 예시한 "나선형 돌기(18)"의 형태에 한정되지 아니한다. 도 9에는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공급관(10)으로서, 난류형성촉진 돌기가 링형 돌기(119)로 이루어져서 외면에서 길이 방향으로 복수개가 간격을 두고 구비되어 있는 공급관(10)의 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 10에는 도 9에 도시된 공급관(10)을 구비한 본 발명의 개방형 지중열교환기가 지중에 설치되어 있는 구조를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 것처럼, 본 발명에서 유체의 난류흐름 형성을 촉진하기 위하여 공급관(10)의 외면에 구비되는 난류형성촉진 돌기는 링(ring)형 돌기(119)로 구성될 수 있으며, 특히 상기 링형 돌기(119)는 하향 경사진 상면을 가지는 형상을 가질 수 있다. 이러한 링형 돌기(119)는 공급관(10)의 길이 방향으로 간격을 두고 복수개로 공급관(10)의 외면에 구비될 수 있는데, 그 개수는 변화될 수 있다. 이와 같이 링형 돌기(119)가 공급관(10)에 구비되는 경우, 앞서 살펴본 나선형 돌기(18)와 마찬가지로, 유체가 공급관(10)과 우물공(100) 사이로 유입되어 지하수와 섞여서 중력에 의해 아래로 흐를 때, 링형 돌기(119)를 지나면서 난류의 형태로 흐르게 된다. 따라서 난류 형태의 유체 흐름에 의해 유체가 지하수와 더욱 왕성하게 혼합되면서 열교환이 더욱 활성화됨과 동시에, 유체가 우물공(100)의 내벽과도 접촉할 기회가 더 많아지게 되고, 그에 따라 우물공(100)의 내벽과 유체간의 열교환이 더욱 활발하게 이루어져서, 열교환이 그만큼 더욱 왕성하게 그리고 효율적으로 이루어지게 되는 효과가 발휘된다. 특히, 링형 돌기(119)가 경사진 상면을 가지는 경우, 유체가 경사진 상면 형상에 따라 아래로 흐를 때 난류 형태의 흐름이 더욱 원활하게 만들어져서 위와 같은 열교환 증진 효과가 배가된다. 링형 돌기(119)를 구비한 공급관(10)에 대해서도 앞서 도 5 내지 도 8과 관련하여 설명한 바와 같이 설치 링부재(ring)(70)를 이용하여 회수관(20)을 공급관(10) 주위의 설계된 위치에 배치하는 구성이 적용될 수 있다.

10: 공급관
20: 회수관
30: 심정펌프

Claims

히트펌프와 연결되어 사용되는 개방형 지중열교환기로서,
지중에 천공된 우물공(100) 내에 설치된 공급관(10), 흡입구(32)로 유체를 흡입하여 송출관(31)을 통해서 유체를 히트펌프를 향하여 송출하도록 공급관(10) 내에 설치된 심정펌프(30), 및 공급관(10)과 우물공(100) 내벽 사이에 배치되어 있고 히트펌프와 연결되어 히트펌프로부터 유체가 흘러오게 되는 회수관(20)을 포함하며;
상기 공급관(10)의 외면에는, 회수관(20)을 통해서 우물공(100)으로 유입된 유체가 난류의 흐름을 아래로 흐르게 하는 난류형성촉진 돌기가 구비되고;
공급관(10)의 외주면을 감싸도록 공급관(10)의 외면에 끼워지는 메인 링(71)과, 상기 메인(main) 링(71)의 외측에 결합되며 회수관(20)의 외주면을 감싸도록 회수관(20)의 외면에 끼워지는 복수개의 보조 링(72)을 포함하여 구성된 설치 링부재(70)를 이용하여 상기 공급관(10)의 주위에 복수개의 회수관(20)이 설치되는데;
메인 링(71)을 공급관(10)의 외면에 끼우기 전에 메인 링(71)을 고정시킬 수 있는 스톱퍼부재(19)가 공급관(10)의 상부 외면에 고정설치되고, 메인 링(71)은 공급관(10)의 외면에 끼워져서 상기 스톱퍼부재(19)에 의해 지지된 상태로 공급관(10)의 상부 외면에 설치되며;
각각의 보조 링(72)에 회수관(20)이 삽입되어 공급관(10)의 주위에 복수개의 회수관(20)이 설치되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 개방형 지중열교환기.
제1항에 있어서,
상기 난류형성촉진 돌기는, 공급관(10)의 외면을 나선형태로 감고 있는 나선형 돌기(18)로 구성되어서;
회수관(20)을 통해서 우물공(100)으로 유입된 유체는 나선형 돌기(18)의 형상에 의해 나선형 흐름 형태의 난류로 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 개방형 지중열교환기.
제1항에 있어서,
상기 난류형성촉진 돌기는, 하향 경사진 상면을 가지는 링(ring)형 돌기(119)로 이루어져서 공급관(10)의 길이 방향으로 간격을 두고 복수개로 공급관(10)의 외면에 구비되어서;
회수관(20)을 통해서 우물공(100)으로 유입된 유체는 링형 돌기(119)의 경사진 상면을 따라 아래로 흐르면서 난류로 흐르게 되는 것을 특징으로 하는 개방형 지중열교환기.
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