KR101538926B1

KR101538926B1 - 지열을 이용한 열교환 장치

Info

Publication number: KR101538926B1
Application number: KR1020130141035A
Authority: KR
Inventors: 최용삼
Original assignee: 큰산기술 주식회사
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-07-23
Also published as: KR20150058675A

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것으로, 인케이싱 내부에 설치되어 지하수를 취수하는 하부케이싱과, 실내에서 열교환되어 유입되는 환수관을 경암층까지 연장시켜 취수되는 지하수와 환수되는 지하수를 서로 격리시킴과 아울러 인케이싱 내부의 지하수에 의해 환수관을 1차 열교환시킴으로써 열교환효율을 극대화시킨 지열을 이용한 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지열을 이용한 열교환 장치는, 지하수취수공을 통해 취수된 지하수를 실내로 순환시켜 열교환시키며, 실내에서 열교환된 지하수를 환수하여 지하수취수공으로 유입시켜 지하수와 열교환시키는 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서, 상기 지하수취수공에는 충적층까지 관 형태의 아웃케이싱이 설치되고, 상기 케이싱의 내부에는 지하수를 취수하기 위한 인케이싱과 환수되는 지하수를 유입시키기 위한 환수관이 암반층까지 설치되며, 상기 환수관의 상단은 아웃케이싱의 상측부에서 외측과 연통되도록 접속됨과 아울러 아웃케이싱의 상측에는 취수된 지하수를 외부로 배출하기 위한 취수관이 설치되어 구성된다.

Description

지열을 이용한 열교환 장치{Heat exchange apparatus using subterranean heat}

본 발명은 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것으로, 특히 취수되는 지하수와 열교환되어 환수되는 지하수와의 접촉 면적을 최소화하여 열효율을 높이고자 한 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것이다.

지중으로부터 취수되는 지하수는 지열에 의해 항상 일정한 온도를 유지하고 있으므로, 이를 이용하여 여름철에는 냉방을 행하고, 겨울철에는 난방을 행하게 되며, 취수된 지하수를 순환관을 통해 실내로 공급하여 열교환시키고, 이를 다시 환수하여 지하수 취수공을 다시 유입시키게 된다.

이를 위해 등록특허 제10-1058138호에서는 도1에 도시한 바와같이 지중열교환기를 제안하고 있는데, 이는

지하수를 이용하기 위해 개발된 지하수취수공(22);

지하수취수공(22)의 상부에 매설된 지표하부케이싱(21);

지표하부케이싱(21)의 상단부에 구비되고 양쪽 측면부에 지하수토출구(29) 및 지하수회수구(31)가 각각 구비되며 지하수취수공(22)과 상하로 연락되는 연장공간을 형성하고 상부를 밀폐함으로 개방형지중열교환기의 외부오염 및 시설물동파를 방지하는 원형관(36)과, 원형관(36)의 내부에 투입될 시 원형관(36)의 내부면에 밀착되어서 지하수토출구(29)와 지하수회수구(31)에 자동으로 연락·연통되도록 양쪽 측면부에 지하수토출로(30) 및 지하수회수로(32)가 구비되고 아래면에는 지하수토출로(30)와 연락통로를 가진 지하수양수관체결구(27) 및 지하수회수로(32)와 연락통로를 가진 지하수주입관체결구(28)가 구비되는 결속뭉치(26)로 이루어진 지중열교환기 상부밀폐 및 유체순환장치(25);

지하수취수공(22) 내부에 설치되어서 지하수를 결속뭉치(26)의 지하수양수관체결구(27) 측으로 펌핑하는 수중모터펌프(38);

수중모터펌프(38)와 결속뭉치(26)의 지하수양수관체결구(27)에 연결되는 지하수양수관(39);

결속뭉치(26)의 지하수주입관체결구(28)에 연결되어서 열교환기(37)를 순환한 지하수를 지하수취수공(22)으로 주입시키는 지하수주입관(40)으로 이루어지고;

수중모터펌프(38) 및 지하수양수관(39)은 지하수취수공(22)의 중간 상부측에 설치되어서 지하수양수관체결구(27)에 연락되게 체결되며;

지하수주입관(40)은 상단부가 지하수주입관체결구(28)에 연결되고 하단부가 지하수취수공(22)의 바닥부까지 위치되어서 열교환기를 순환한 후 회수되는 지하수가 지하수취수공(22)의 바닥부에서 배출되도록 하며 지하수취수공(22)의 바닥부에서 배출된 지하수가 수중모터펌프(38)까지 도달되는 시간을 연장시켜서 충분한 시간동안 열복원되도록 하는 지하수 순환체계를 갖도록 구성된다.

그런데, 종래의 지중열교환기는 지하수취수공(22)의 내에서 지하수양수관(39)의 단부가 암반층의 시작되는 부위에 위치하도록 설치되고, 지하수주입관(40)은 암반층 아래에 위치함으로써 지하수주입관(40)의 외측과 취수되는 지하수와의 접촉면적이 커서 지하수의 온도가 일정하게 유지되지 않은 상태로 취수된다.

즉, 여름철에는 열교환기(37)를 순환하여 환수되는 지하수에 의해 지하수주입관(40)의 표면온도가 높아져서 취수되는 지하수가 지하수주입관(40)과 열교환되어 온도가 올라갈 것이고, 겨울철에는 환수되는 지하수의 온도가 낮아져서 취수되는 지하수의 온도가 낮아지게 되므로, 열교환효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 암반층에도 토사층이나 연암층이 존재하므로, 이러한 암반층에 형성된 토사층이나 연암층이 무너지는 경우 지하수주입관(40)이 손상되고, 이러한 손상에 의해 환수되는 지하수가 유출되므로 충분히 열교환되지 않은 지하수가 암반층의 상측까지만 설치된 지하수양수관(39)으로 곧바로 재유입됨으로써 열교환효율이 급속히 저하되는 문제점을 갖는다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 인케이싱 내부에 설치되어 지하수를 취수하는 하부케이싱과, 실내에서 열교환되어 유입되는 환수관을 경암층까지 연장시켜 취수되는 지하수와 환수되는 지하수를 서로 격리시킴과 아울러 인케이싱 내부의 지하수에 의해 환수관을 1차 열교환시킴으로써 열교환효율을 극대화시킨 지열을 이용한 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지열을 이용한 열교환 장치는,

지하수취수공을 통해 취수된 지하수를 실내로 순환시켜 열교환시키며, 실내에서 열교환된 지하수를 환수하여 지하수취수공으로 유입시켜 지하수와 열교환시키는 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서,

상기 지하수취수공에는 충적층까지 상부케이싱과 하부케이싱, 그리고 상부케이싱과 하부케이싱 사이에 위치한 접속케이싱으로 이루어진 관 형태의 아웃케이싱이 설치되고, 상기 아웃 케이싱의 내부에는 지하수를 취수하기 위한 인케이싱과 환수되는 지하수를 유입시키기 위한 환수관이 암반층까지 설치되며, 상기 환수관의 상단은 접속케이싱에서 외측과 연통되도록 접속됨과 아울러 상부케이싱에는 취수된 지하수를 외부로 배출하기 위한 취수관이 설치되어 구성된다.

이러한 본 발명은 지하수를 취수하는 인케이싱과 지하수를 환수하여 주입하는 환수관이 서로 독립되어 암반층까지 연장됨으로써 취수된 지하수와 환수되는 지하수의 열교환이 이루어지지 않아 암반층에서 열교환된 지하수가 안정적인 온도를 가지고 취수될 수 있도록 하여 열효율을 높이고, 아울러 인케이싱과 아웃케이싱 사이의 지하수에 의해 환수되는 지하수가 1차로 열교환됨으로써 열교환효율이 극대화되는 효과를 갖는다.

도1은 종래의 지중열교환기의 구조를 보인 도.
도2는 본 발명에 의한 지열을 이용한 열교환 장치의 구조를 보인 도.
도3은 본 발명의 다른 실시예를 보인 도.
도4 내지 도6까지는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 도.

이와 같이 구성된 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 지열을 이용한 열교환 장치(100)의 구조를 보인 도로서, 지하수취수공의 충적층까지 아웃케이싱이 설치되는데, 이러한 아웃케이싱은 상부케이싱(110)과 하부케이싱(120), 그리고, 상부케이싱(110)과 하부케이싱(120)의 접속부위에서 구경이 넓게 형성된 접속케이싱(150)을 가지게 되는데, 이러한 넓은 접속케이싱(150)에 의해 환수관(160)과 인케이싱(140)의 설치가 용이하게 된다.

상기 상부케이싱(110)의 상단은 커버(111)에 의해 보호되고, 내측에는 취수관(130)이 장착되는데, 이러한 취수관(130)은 본 출원인이 이미 등록한 등록특허 제10-0890815호의 '지하수의 오염방지장치'의 구조와 동일하므로 구체적인 구조에 대해서는 설명하지 않는다.

접속케이싱(150)에는 인케이싱(140)의 상단이 위치하고, 측부로는 실내에서 열교환된 지하수가 환수되는 환수관(160)이 접속되는데, 환수관(160)의 상단은 접속케이싱(150)의 내측면 방향으로 절곡되어 접속케이싱(150)을 관통함으로써 환수구(161)가 외부로 노출되며, 이러한 환수구(161)에 환수되는 지하수를 유입시키기 위한 순환관이 연결된다.

이러한 환수관(160)은 암반층까지 연장되도록 설치된다.

인케이싱(140)은 접속케이싱(150)의 위치에서 암반층까지 연장되도록 설치되며, 통상적으로 지하수를 취수하는 인케이싱(140)의 구경이 환수관(160)의 구경보다 크게 형성된다.

따라서, 인케이싱(140)의 내부에 설치된 수중펌프에 의해 펌핑된 지하수는 취수관(130)의 상측까지 차오르게 되며, 암반층으로부터 펌핑된 지하수가 유도관(131)과 취수구(132)를 통해 외부로 유출되어 취수구(132)에 접속된 순환관을 통해 실내로 유입됨으로써 열교환한다.

이렇게 열교환된 지하수는 다시 환수관(160)을 통해 암반층까지 유입되는데, 이때 하부케이싱(120)의 내측의 공간부(121) 즉, 인케이싱(120)과 환수관(160)의 설치공간 이외의 공간부(121)에는 지하수가 차있는 상태이므로 환수관(160)의 표면과 하부케이싱(120) 내부의 지하수가 1차 열교환하게 된다.

이때, 공간부(121)에 차있는 지하수가 열교환되어 온도가 변화되었다 할지라도 인케이싱(140) 내부에서 취수되는 지하수에는 큰 영향을 주지 않게 되는데, 이는 하부케이싱(120)의 구경이 200mm이고, 인케이싱(140)의 구경이 150mm이며, 환수관(160)의 구경이 50mm 안팎이므로 인케이싱(140)을 통해 취수되는 지하수의 온도에는 큰 변화를 주지않고 오히려 환수관(160)과 1차 열교환되는 공간부(121)의 지하수의 온도가 취수되는 지하수의 온도와 근접하여 1차 열교환 효율을 높이게 되는 것이다.

환수구(160)를 통해 환수된 지하수는 암반층에서 지하수와 열교환하게 되며, 열교환된 지하수는 다시 인케이싱(140)을 통해 취수된다.

한편, 위에서 예를 들어 언급한 바와같이 하부케이싱(120)의 구경이 200mm이고, 인케이싱(140)의 구경이 150mm이며, 환수관(160)의 구경이 50mm 안팎인 경우 하부케이싱(120)과 인케이싱(140)의 두께에 의해 실제로는 하부케이싱(120)의 내부에서 환수관(160)이 삽입될 공간의 여유분이 30mm정도밖에 확보되지 않는다.

따라서, 환수관(160)의 구경은 최소한 50mm가 확보되어야 하므로, 환수관(160)을 30mm의 구경을 갖는 2개의 관으로 분기시키는 것이 바람직한데, 이를 위해 도3에서는 하부케이싱(120)의 측부에 환수부(200)가 접속되도록 한다.

상기 환수부(200)는 'ㄱ' 형태로 통로를 갖는 환수어댑터(230)가 하부케이싱(120)의 내측부에서 접속되고, 그 일측에는 환수구(210)가 접속되며, 타측에는 각각 30mm의 구경을 갖는 한 쌍의 환수관(221,222)이 접속된다.

이때, 환수어댑터(230)의 내측에는 하나의 환수구(210)를 통해 유입된 지하수를 한 쌍의 환수관(221,222)으로 분기시키기 위해 분기공간부(231)가 형성되며, 이러한 분기공간부(231)에 환수관(221,222)의 상단이 접속되는 것이다.

도4 내지 도6까지는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 도로서, 도3에서와 같이 2개로 분리된 환수관(400)의 상측이 절곡되어 2개의 환수구(410)가 하부 케이싱(120)의 외측으로 노출되고, 하부 케이싱(120)의 외측에는 환수어댑터(300)가 장착되는데, 환수어댑터(300)의 몸체(310)에는 도5에서와 같이 2개의 환수구(411,412)를 수용하도록 관통된 접속공(320)이 형성되어 있다.

상기 환수구(411,412)에는 각각 순환관이 접속되는데, 이때 순환되는 지하수의 압력에 의해 환수구(411,412)가 흔들려 서로 부딪히게 되면 손상이 발생할 수 있으므로 접속공(320)의 내부에서 이를 고정시켜야 하는데, 이를 위해 몸체(310)의 상측으로부터 접속공(320)까지 관통된 핀홀(330)이 형성되고, 이러한 핀홀(330)은 내측에 나사산을 가지면서 접속공(320)의 중심부위에 위치하게 된다.

또한 환수구(411,412)에는 도6에 도시한 바와같이 핀홀(330)과 대응되는 위치에 둘레를 따라서 핀홈(411-1,412-1)이 각각 형성되어 있어서, 핀홀(330)을 통해 장볼트(350)가 끼워지면 접속공(320)으로 장볼트(350)가 삽입되고, 이때 핀홈(411-1,412-1) 사이에 장볼트(350)가 위치하면서 끼워지게 된다.

그러므로, 환수구(411,412)가 장볼트(350)에 의해 흔들리지 않고 고정되고, 이로인해 환수관(400)의 상측도 흔들리지 않고 고정될 수 있는 것이다.

110 : 상부케이싱 120 : 하부케이싱
121 : 공간부 130 : 취수관
140 : 인케이싱 150 : 접속케이싱
160 : 환수관

Claims

지하수취수공을 통해 취수된 지하수를 실내로 순환시켜 열교환시키며, 실내에서 열교환된 지하수를 환수하여 지하수취수공으로 유입시켜 지하수와 열교환시키는 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서,
상기 지하수취수공에는 충적층까지 상부케이싱과 하부케이싱, 그리고 상부케이싱과 하부케이싱 사이에 위치한 접속케이싱으로 이루어진 관 형태의 아웃케이싱이 설치되고, 상기 아웃 케이싱의 내부에는 지하수를 취수하기 위한 인케이싱과 환수되는 지하수를 유입시키기 위한 환수관이 암반층까지 설치되며, 상기 환수관의 상단은 접속케이싱에서 외측과 연통되도록 접속됨과 아울러 상부케이싱에는 취수된 지하수를 외부로 배출하기 위한 취수관이 설치되어 구성되고,
상기 환수관은 아웃케이싱의 내측에서 2개로 분기되며, 상기 2개로 분기된 환수관의 아웃케이싱의 외측으로 노출되고, 아웃케이싱의 외측에는 관통된 접속공이 형성된 환수어댑터가 설치되어 접속공의 내측으로 상기 분기된 환수관을 수용하며, 상기 환수어댑터의 상측에는 접속공까지 관통된 핀홀이 형성됨과 아울러 접속공에 수용된 2개의 환수관에는 핀홀과 대응된 위치에 각각 둘레를 따라 핀홈이 형성되어 접속공을 통해 장볼트가 삽입되어 핀홈사이에 끼워짐으로써 환수관을 고정시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환 장치.
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