KR101746194B1

KR101746194B1 - Spiral type soil heat exchanger

Info

Publication number: KR101746194B1
Application number: KR1020140131475A
Authority: KR
Inventors: 박성구; 전보경; 이준석; 민철기; 문선; 김도경
Original assignee: (주)지오테크; 주식회사 한국피이엠
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-06-13
Also published as: KR20160038418A

Abstract

충분한 구조적 강성을 지녀 시공부지의 지중 환경 변화에도 상대적으로 변형이 덜하고 보다 향상된 열전달 성능을 지닌 나선형 지중 열교환기가 개시된다. 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기는, 지중에 매설되며 내부에 중공의 유로가 형성되어 상기 유로를 따라 유동하는 열매체가 지중의 열과 열교환 가능하도록 구성된 지열파이프의 내주면에 지열파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 리브를 형성한 것을 구성의 요지로 한다.A helical underground heat exchanger having sufficient structural stiffness and relatively less deformation and improved heat transfer performance even underground environment changes of the construction site is disclosed. The spiral geothermal heat exchanger according to the present invention comprises a spiral geothermal heat exchanger which is embedded in the ground and has a hollow flow path formed therein so that the heating medium flowing along the flow path is heat- And the ribs are formed.

Description

{Spiral type soil heat exchanger}

본 발명은 지중 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 지중의 열을 냉난방 에너지원으로 활용하기 위한 지열 시스템을 구성하며 내연에 나선형의 리브(rib)를 형성한 나선형 지중 열교환기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a geothermal heat exchanger, and more particularly to a spiral geothermal heat exchanger in which a geothermal system for utilizing heat in the ground as a cooling and heating energy source is formed and a spiral rib is formed in the internal combustion.

지열은 지표면 하부의 지중에 분포된 열을 말하는 것으로, 대기의 온도가 큰 폭으로 변화하는데 반하여, 지표면으로부터의 깊이가 증가할수록 조금씩 증가하는 경향은 있으나 통상적으로 지중의 온도는 계절 변화에도 큰 변화 없이 10 ~ 20도 사이로 일정하게 유지된다.Geothermal heat refers to the heat distributed in the ground below the surface of the earth. The temperature of the atmosphere varies greatly, while the temperature tends to increase gradually as the depth from the surface increases. However, And remains constant between 10 and 20 degrees.

따라서 여름철 상대적으로 저온인 지하의 열원을 냉방에너지원으로 이용하면 전력소모가 적은 효율적인 냉방이 가능하고, 겨울철 상대적으로 고온인 지하의 열원을 난방에너지원으로 이용하면 효율적인 난방을 도모할 수 있다. 이처럼 지중의 열원을 냉난방에너지원으로 활용하기 위한 요소 기술 중 하나가 지중 열교환 시스템이다.Therefore, if the underground heat source in the summer is used as a cooling energy source, efficient cooling can be achieved with less power consumption, and efficient heating can be achieved by using a relatively high temperature underground heat source in the winter as a heating energy source. One of the elemental technologies for utilizing the underground heat source as an energy source for heating and cooling is the underground heat exchange system.

지중 열교환 시스템은 계절 변화에 상관 없이 일정하게 유지되는 10 ~ 20도의 지열을 열원으로 이용하여 실내 냉난방을 구현하는 시스템으로서, 지하로부터 열을 회수하거나 배출하도록 지중의 열과 열교환을 위해 지중에 매설되는 중공의 지열파이프를 포함한다. 이때 지열파이프는 일반적으로 에너지 파일이라고도 한다.Underground heat exchange system is a system that realizes indoor cooling and heating by using geothermal heat of 10 ~ 20 degrees which is kept constant regardless of seasonal change as a heat source. It is a system that recovers or discharges heat from underground, Of geothermal pipes. Geothermal pipes are also commonly referred to as energy files.

지중 열교환 시스템에 적용되는 지열파이프로서 중공관 형태의 고강도 프리스트레스 파일(PHC파일)이나 강관파일 등이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 종래 단순 중공관 형태의 지열파이프는 배관 중앙을 기준으로 열이 일정하게 전달됨으로써 열교환 성능을 높이는 데에 한계가 있으며, 따라서 향상된 열교환 성능을 기대하기 어렵다.As a geothermal pipe to be applied to an underground heat exchange system, a hollow tube type high strength prestress (PHC) file or a steel pipe file is generally used. However, in the conventional hollow tube type geothermal pipe, there is a limit to increase the heat exchange performance by uniformly transmitting heat with respect to the center of the pipe, and therefore it is difficult to expect improved heat exchange performance.

더욱이, 지중 열교환 시스템을 구축함에 있어 종래에는 주로 지열파이프 등을 지중에 매설하는 기술에 연구가 집중되었으며, 이에 따라 지열파이프 자체의 열교환 성능을 증대시키려는 시도는 극히 제한적이었다. 따라서 보다 향상된 열교환 성능을 발휘할 수 있는 지열파이프의 개발이 필요한 실정이다.
Furthermore, in the construction of an underground heat exchange system, researches have focused mainly on a technique of buried geothermal pipes in the ground. Thus, attempts to increase the heat exchange performance of the geothermal pipes themselves have been extremely limited. Therefore, it is necessary to develop a geothermal pipe capable of exhibiting improved heat exchange performance.

한국특허공개 제2014-0088937호 (공개일 2014. 07. 14)Korean Patent Publication No. 2014-0088937 (Publication date 2014. 07. 14)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 파이프 내주면을 따라 나선형으로 리브를 형성하여, 보다 향상된 열교환 성능을 발휘할 수 있는 나선형 지중 열교환기를 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a helical underground heat exchanger in which a rib is formed in a spiral shape along an inner circumferential surface of a pipe to exhibit improved heat exchange performance.

또한, 파이프 내부에 형성된 리브를 통한 구조적 강성의 보강으로 시공부지의 지중 환경 변화에도 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않는 나선형 지중 열교환기를 제공하고자 하는 것이다.
Also, it is intended to provide a helical underground heat exchanger in which deformation is not easily caused even when the underground environment of the site is changed due to reinforcement of structural rigidity through a rib formed inside the pipe.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, 지중에 매설되며 내부에 중공의 유로가 형성되어 상기 유로를 따라 유동하는 열매체가 지중의 열과 열교환이 가능하도록 구성된 지열파이프; 및 상기 지열파이프의 내주면에 지열파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 형성된 리브;를 포함하는 나선형 지중 열교환기를 제공한다. The present invention relates to a geothermal heat pipe which is buried in a ground and has a hollow channel formed therein and is constructed so that a heat medium flowing along the channel is heat exchangeable with heat in the ground. And a rib formed on the inner circumferential surface of the geothermal pipe in a spiral shape along the longitudinal direction of the geothermal pipe.

바람직하게는, 상기 리브가 상기 지열파이프의 길이 방향을 따라 연속(連續)된 나선형으로 구성될 수 있다. Preferably, the ribs may be formed in a continuous spiral shape along the longitudinal direction of the geothermal pipe.

이와는 다르게, 상기 리브가 싱기 지열파이프의 길이 방향을 따라 단속(斷續)적인 나선형으로 구성될 수도 있다.Alternatively, the rib may be formed in an intermittent spiral shape along the longitudinal direction of the pyrolysis geothermal pipe.

이때, 상기 지열파이프 및 내부의 나선형 리브는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene)을 소재로 구성될 수 있다. At this time, the geothermal pipe and the spiral rib in the inside may be made of HDPE (High Density Polyethylene).

또한, 상기 리브는 단일나선(single spiral) 또는 이중 이상 다중나선(multi spiral)형으로 구성될 수 있다.In addition, the ribs may be of a single spiral type or a double or multi-spiral type.

바람직하게는, 상기 리브의 단면 크기는 지열파이프의 수력직경(D_h)을 지열파이프의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92 ~ 0.96 정도가 되도록 구성할 수 있다.Preferably, the cross-sectional size of the rib may be such that a value (D _h / D) obtained by dividing the hydraulic diameter (D _h ) of the geothermal pipe by the diameter (D) of the geothermal pipe is about 0.92 to 0.96.

그리고 상기 리브의 피치(Pitch)는 상기 지열파이프 직경(D)의 10 ~ 18배에 달하는 길이로 형성함이 바람직하다.The pitch of the ribs is preferably 10 to 18 times the diameter D of the geothermal pipe.

본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기는, 지면에서부터 일정 깊이로 지중에 매설되어 상기 지열파이프 상부를 둘러싸 보호하는 케이싱과; 지열파이프 선단을 밀봉하는 밀봉부재;를 더 포함할 수 있다.The helical underground heat exchanger according to the present invention comprises: a casing embedded in the ground at a predetermined depth from the ground to surround and protect the upper portion of the geothermal pipe; And a sealing member sealing the front end of the geothermal pipe.

본 발명의 실시 예에 따르면, 지열파이프 내부에 나선형으로 리브가 형성됨으로써, 종래의 단순 중공의 파이프 구조에 비해 열매체가 파이프와 접촉하는 면적과 체류시간이 증대될 뿐만 아니라, 난류의 발생으로 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변해 열전도율이 크게 향상되고, 이로 인해 열교환 효율이 증대되는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, since the spiral rib is formed inside the geothermal pipe, compared to the conventional simple hollow pipe structure, the area where the heating medium contacts the pipe and the residence time are increased, The heat medium temperature of the heat exchanger is irregularly changed, and the heat conductivity is greatly improved. As a result, the heat exchanging efficiency is increased.

또한, 지열파이프 내부에 나선형 리브의 적용으로, 구조적으로는 지열파이프의 자체 강성 보강의 효과를 기대할 수 있어, 시공부지의 지중 환경 변화에도 종래 단순 중공의 파이프 구조에 비해 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않을 정도의 충분한 내구성을 갖춘 신뢰도 높은 지열파이프를 제공할 수 있다.
In addition, the application of helical ribs inside the geothermal pipes can be expected to have the effect of reinforcing the self-rigidity of the geothermal pipes structurally. Even if the underground environment of the site is changed, A reliable geothermal pipe having sufficient durability can be provided.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기를 길이 방향으로 절개 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 횡 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종방향(길이방향) 내부 개략 투시도.
도 6은 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기의 다른 실시 예를 나타낸 종방향 내부 개략 투시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 시공 상태도.
도 8은 종래 단순 중공관 형태(내부 평활형)의 지중 열교환기와 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 내부 열유동 상태를 비교 도시한 도면.1 is a perspective view of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a perspective view showing a longitudinal direction of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a longitudinal sectional view of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a helical underground heat exchanger in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a longitudinal (longitudinal) interior schematic perspective view of a helical underground heat exchanger in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a longitudinal, internal, schematic perspective view of another embodiment of a helical underground heat exchanger in accordance with the present invention;
7 is a constructional view of a spiral submerged heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison between a conventional hollow tube type (internal smooth type) geothermal heat exchanger and a helical geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention. FIG.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the present invention, a detailed description of known configurations will be omitted, and a detailed description of configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기를 길이 방향으로 절개 도시한 사시도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view of a spiral submerged heat exchanger according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a longitudinal direction of a spiral submerged heat exchanger according to an embodiment of the present invention. And Figure 3 is a longitudinal sectional view of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지중 열교환기(1)는 직관형 파이프 구조의 지열파이프(10)를 구비한다. 지열파이프(10)는 시공 시 지중에 일정 깊이로 매설되며 내부에 중공의 유로(S)를 구비한다. 그리고 중공의 유로(S)를 구비한 상기 지열파이프(10)의 내주면에는 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 나선형으로 리브(12)가 형성된다.1 to 3, the geothermal heat exchanger 1 according to the embodiment of the present invention includes a geothermal pipe 10 having an intuitive pipe structure. The geothermal pipe 10 is embedded in the ground at a predetermined depth and has a hollow channel S therein. A rib 12 is formed on an inner circumferential surface of the geothermal pipe 10 having a hollow channel S along a longitudinal direction of the geothermal pipe 10.

지열파이프(10) 및 그 내부에 형성된 나선형 리브(12)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene) 재질로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질 또는 유리섬유강화플라스틱(GFRP)과 같이 내구성과 열전도성(Thermal Conductivity)이 높은 재질이면 특별한 제한은 없다.The geothermal pipe 10 and the helical ribs 12 formed therein may be made of high density polyethylene (HDPE). However, the present invention is not limited thereto, and there is no particular limitation as long as it is a material having high durability and high thermal conductivity such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material or glass fiber reinforced plastic (GFRP).

지열파이프(10) 내부의 상기 유로(2)를 액상의 열매체 예컨대, 물, 부동액, 염수 등이 유동하면서 지중의 열과 열교환 작용을 하되, 내부에 형성된 상기 나선형 리브(12)에 의해 지열파이프(10)와 열매체 사이의 접촉하는 면적이 증대되고 난류가 발생하여 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변화함으로써 열전도율이 크게 향상될 수 있다.The heat exchanging effect with the heat in the ground while flowing a liquid heating medium such as water, antifreeze liquid, brine or the like through the passage 2 in the geothermal pipe 10 is prevented by the spiral rib 12 formed in the geothermal pipe 10 ) And the heating medium is increased and turbulence is generated and the temperature of the heating medium in the pipe is irregularly changed, so that the thermal conductivity can be greatly improved.

리브(12)는 상기 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 연속(連續)된 나선형으로 구성됨이 바람직하다. 물론, 이외에도 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 그 내주면에 단속(斷續, 끊겼다 이어졌다 함)적인 나선형으로 구성될 수도 있으며, 단일나선(single spiral, 도 5 참조) 또는 이중이상 다중나선(multi spiral)형(도 6 참조)으로 구성될 수 있다.The ribs 12 are preferably formed in a continuous spiral shape along the longitudinal direction of the geothermal pipe 10. It is also possible to form the spiral shape of the inner circumferential surface along the longitudinal direction of the geothermal pipe 10 or to form a single spiral (see FIG. 5) or a multi-spiral multi spiral type (see Fig. 6).

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 횡 단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종방향(길이방향) 내부 개략 투시도이다.FIG. 4 is a transverse cross-sectional view of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a longitudinal (longitudinal) interior schematic perspective view of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.

리브(12)의 단면 크기는 지열파이프(10)의 수력직경(D_h)을 지열파이프(10)의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92 ~ 0.96 정도가 되도록 구성함이 바람직하다. 이때 상기 수력직경(D_h)은 지열파이프(10)의 수력반경(R_h)에 대해 D_h=4R_h값으로 정의되며, 여기서 수력반경을 나타내는 R_h는 접수면적(통수단면적)을 접수길이(윤변(潤邊)의 길이)로 나눈 값이다.The sectional size of the rib 12 is configured such that a value (D _h / D) obtained by dividing the hydraulic diameter D _h of the geothermal pipe 10 by the diameter D of the geothermal pipe 10 is about 0.92 to 0.96 desirable. Here, the hydraulic diameter D _h is defined as a value of D _h = 4R _h with respect to the hydraulic radius R _h of the geothermal pipe 10, where R _h representing the hydraulic radius represents the receiving area (receiving end area) (The length of the circumference).

만약, 리브(12)의 단면 크기를 설정함에 있어 수력직경(D_h)을 지열파이프(10)의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92보다 작게 구성된 경우에는 리브(12)의 크기가 상대적으로 너무 작아져 난류형태의 유동흐름을 발생시키기 어려워 열전도율 상승효과가 미미하며, 0.96보다 크면 리브(12)의 크기가 상대적으로 너무 커져 열매체 유동에 오히려 방해가 될 수 있다.If the value D _h / D obtained by dividing the hydraulic diameter D _{h by the} diameter D of the geothermal pipe 10 is less than 0.92 in setting the cross-sectional size of the rib 12, The size of the rib 12 is too small to generate a turbulent flow flow, so that the effect of increasing the thermal conductivity is insignificant. If it is larger than 0.96, the size of the rib 12 becomes relatively large, which may interfere with the flow of heat medium.

지열파이프(10) 내부의 열전도율은 또한 상기 나선형 리브(12)의 피치(Pitch)를 작게 할 수록 좋다. 그러나 피치가 너무 작으면 유량 대비 배관의 압력 강하가 크게 발생할 수 있으므로, 열매체의 원활한 유동성과 압력 강하로 인한 열손실 등을 고려했을 때 지열파이프(10) 직경(D)에 대해 상기 피치(Pitch)가 10 ~ 18배인 것이 바람직하다.The thermal conductivity of the inside of the geothermal pipe 10 may also be smaller as the pitch of the helical ribs 12 is reduced. However, if the pitch is too small, the pressure drop of the pipe may be large compared to the flow rate. Therefore, considering the smooth fluidity of the heating medium and the heat loss due to the pressure drop, Is preferably 10 to 18 times.

즉 리브(12)의 피치(Pitch)가 지열파이프(10) 직경(D)의 10배보다 작으면 발생 열매체의 접촉면적이 증대되어 열전도율 상승을 기대할 수 있으나 유량 대비 배관의 압력 강하가 커지는 문제가 있고, 18배보다 크면 열매체와 지열파이프(10)의 접촉면적이 일자형 단면을 갖는 종래의 파이프와 차이가 거의 없어 열교환 효율의 상승을 기대하기 어렵다.That is, if the pitch of the ribs 12 is smaller than 10 times the diameter D of the geothermal pipe 10, the contact area of the generated heat medium is increased to increase the thermal conductivity, but the problem of increasing the pressure drop of the pipe If it is larger than 18 times, it is difficult to expect an increase in heat exchange efficiency because the contact area of the heat medium and the geothermal pipe 10 is not different from that of a conventional pipe having a straight cross-section.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 시공 상태를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a view showing a construction of a helical underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기(1)는 굴착장비를 통한 시공부지의 수착 굴착과 함께 지면으로부터 일정 깊이로 수직 매설될 수 있다. 이때 지면에서부터 일정 깊이의 지중에 케이싱(14)이 함께 매설되어 상기 지열파이프(10) 상부를 둘러싸 보호하며, 지열파이프(10) 선단에는 이를 밀봉하기 위하여 밀봉부재(16)가 설치된다.Referring to FIG. 7, the helical geothermal heat exchanger 1 according to the present invention can be vertically embedded at a predetermined depth from the ground along with the excavation of the construction site through the excavation equipment. At this time, the casing 14 is embedded in the ground at a certain depth from the ground so as to surround and protect the upper part of the geothermal pipe 10, and a sealing member 16 is installed at the tip of the geothermal pipe 10 to seal the geothermal pipe 10.

밀봉부재(16)는 상기 지열 파이프 선단을 폐쇄하여 그 내부에 수용된 액상의 열매체(열교환 매체)의 외부 누설을 방지하는 동시에 열매체 수용을 위한 밀폐 공간을 형성시키는 역할을 하며, 상기 지열파이프(10) 선단의 입구와 출구에 각각 연통 가능하게 접속되어 열매체가 순환 유동될 수 있도록 독립된 열매체 유입관(160)과 열매체 유출관(160)을 구비한다.The sealing member 16 serves to close the front end of the geothermal pipe to prevent external leakage of the liquid heating medium (heat exchange medium) contained therein and to form a closed space for receiving the heating medium, And an independent heating medium inlet pipe 160 and a heating medium outlet pipe 160 connected to the inlet and the outlet of the front end so as to be able to circulate the heating medium.

본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기를 지중에 일정 깊이로 매설한 후에는 토사나 별도의 분말형 보온 단열재와 같은 되메우기재를 사용하여 도 7과 같이 밀봉부재가 설치된 지중 열교환기의 상부가 완전히 매립되도록 되메우기를 실시한다. 즉 상기 되메우기재를 통해 보온 단열층(20)을 형성함으로써 입구 및 출구 측 열손실을 최소화한다.After the spiral geothermal heat exchanger according to the present invention is embedded in the ground at a certain depth, the upper part of the geothermal heat exchanger provided with the sealing member as shown in FIG. 7 is completely buried by using a backing material such as earth or another powder type heat insulating material. . That is, the heat insulating layer 20 is formed through the backing material to minimize the inlet and outlet heat losses.

도 8은 종래 단순 중공관 형태(내부 평활형)의 지중 열교환기와 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 내부 열유동 상태를 비교 도시한 도면이다.FIG. 8 is a view showing a comparison between internal flow states of a conventional hollow tube type (internal smooth type) geothermal heat exchanger and a spiral geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 종래의 내부 평활형 지중 열교환기는 도 8의 (a)와 같이 유량이 많지 않은 경우 층류식 열유동이 발생하여 열전달 효율이 떨어지는 데에 반해, 본 발명의 실시 예와 같이 나선형 구조로 형성한 경우에는 내부의 나선형 리브로 인해 적은 유량에도 도 8의 (b)와 같이 난류형 열유동이 발생하여 높은 열전달 효율을 기대할 수 있다.Referring to FIG. 8, in the conventional internal smooth ground type heat exchanger, when the flow rate is not large as shown in FIG. 8 (a), laminar heat flow is generated and heat transfer efficiency is lowered. On the other hand, A turbulent heat flow is generated as shown in FIG. 8 (b) even at a low flow rate due to the internal spiral ribs, so that a high heat transfer efficiency can be expected.

이하 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 열교환 성능에 대해 종래 단순 중공관 형태(이하 설명 편의를 위해 '내부 평활형'이라 함)의 지중 열교환기와의 성능비교실험을 통해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, the heat exchanging performance of the spiral submerged heat exchanger according to the embodiment of the present invention will be described in more detail through a performance comparison test between the conventional single hollow tube type (hereinafter, referred to as 'internal smooth type' Let's take a look.

아래 [표 1]은 내부 평활형 대비 내부 나선형 지열 파이프의 피치 별 유량에 따른 압력 강하 성능실험 결과를 나타내고 있다.
Table 1 below shows the experimental results of the pressure drop performance according to the flow rate of the inner spiral geothermal pipe compared to the inner smooth type.

위 [표 1]을 보면, 배관길이 60m를 기준으로 유량범위 40 ~ 50 LPM(Liter Per Minute)에서 내부 나선형 구조의 리브 피치(RIB PITCH)가 400mm인 경우를 제외한 나머지 내부 나선형 구조의 경우 내부 평활형과 비교해 압력 강하량이 0.1kg/cm² 이내로 압력 강하가 비교적 낮은 수준이거나 매우 미미한 수준임을 알 수 있다.In Table 1, except for the case where the rib pitch (RIB PITCH) of the inner spiral structure is 400 mm in the flow rate range of 40 to 50 LPM (Liter Per Minute) based on the pipe length of 60 m, The pressure drop is less than 0.1 kg / cm ^{2, which} is comparatively low or very small.

즉 유량범위 40 ~ 50 LPM 구간에서의 압력 강하량이 일부(리브 피치가 400mm인 것)를 제외한 나머지 내부 나선형 구조 모두에서 내부 평활형과 비교해 적정한 수준으로 유지된다는 점으로 미루어, 리브 피치를 너무 작게만 하지 않으면 압력 강하로 인한 열손실 등을 최소화하면서 목적하는 열교환 성능의 증대를 도모할 수 있다. In other words, since the pressure drop in the flow range of 40 to 50 LPM is maintained at an appropriate level compared to the internal flat type in all the internal spiral structures except for a part (the rib pitch is 400 mm), the rib pitch is too small The desired heat exchange performance can be increased while minimizing the heat loss due to the pressure drop.

아래 [표 2]는 내부 평활형과 내부 나선형 지열 파이프의 열전도도 성능실험 결과를 나타내고 있다. Table 2 below shows the thermal conductivity test results of the inner smooth and inner spiral geothermal pipes.

위 [표 2]를 통해 나타난 열전도도 성능실험 결과를 보면, 내부 나선형 리브를 형성한 지열파이프가 종래의 내부 평활형 파이프에 비해 월등히 우수한 열전달 성능을 보이는 것을 명확히 알 수 있으며, 이때 열전달 성능은 내부 리브 피치(Rib Pitch)가 작을수록 높아지는 것을 확인할 수 있다. The results of the thermal conductivity test shown in [Table 2] clearly show that the geothermal pipe having the inner spiral rib has much better heat transfer performance than the conventional inner smooth pipe. In this case, It can be seen that the smaller the rib pitch, the higher.

이상의 본 발명의 실시 예에 따르면, 지열파이프 내부에 나선형으로 리브가 형성됨으로써, 종래의 단순 중공의 파이프 구조에 비해 열매체가 파이프와 접촉하는 면적과 체류시간이 증대될 뿐만 아니라, 난류의 발생으로 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변해 열전도율이 크게 향상되고, 이로 인해 열교환 효율이 증대되는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention described above, since the spiral ribs are formed inside the geothermal pipe, compared with the conventional simple hollow pipe structure, the area of the heating medium contacting the pipe and the residence time are increased, The heat medium temperature is irregularly changed and the thermal conductivity is greatly improved, thereby increasing the heat exchange efficiency.

또한, 지열파이프 내부에 나선형 리브의 적용으로, 구조적으로는 지열파이프의 자체 강성 보강의 효과를 기대할 수 있어, 시공부지의 지중 환경 변화에도 종래 단순 중공의 파이프 구조에 비해 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않을 정도의 충분한 내구성을 갖춘 신뢰도 높은 지열파이프를 제공할 수 있다.In addition, the application of helical ribs inside the geothermal pipes can be expected to have the effect of reinforcing the self-rigidity of the geothermal pipes structurally. Even if the underground environment of the site is changed, A reliable geothermal pipe having sufficient durability can be provided.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the foregoing detailed description of the present invention, only specific embodiments thereof have been described. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific forms thereof, which are to be considered as being limited to the specific embodiments, but on the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. .

1 : 지중 열교환기
10 : 지열파이프
12 : 리브
14 : 케이싱
16 : 밀봉부재 1: Underground heat exchanger
10: Geothermal pipe
12: rib
14: casing
16: Sealing member

Claims

A geothermal pipe in which an inlet and an outlet are formed and an internal flow path through which the heating medium flows;
A spiral rib formed on an inner circumferential surface of the geothermal pipe and continuous in a longitudinal direction of the geothermal pipe in a single spiral or a double or multi-spiral shape;
A casing embedded in the ground together with the geothermal pipe, the casing being formed to have a shorter length than the geothermal pipe and being buried in the ground in the form of surrounding only a part of the upper part of the geothermal pipe; And
And a sealing member sealing the front end of the geothermal pipe and the casing at the same time and having a heating medium inlet pipe and a heating medium outlet pipe respectively connected to the inlet and the outlet of the geothermal pipe,
The geothermal pipe and the spiral rib are made of high density polyethylene (HDPE)
The cross-sectional size of the spiral rib is 0.92 to 0.96 of a value (D _h / D) obtained by dividing the hydraulic diameter D _h of the geothermal pipe by the diameter D of the geothermal pipe, and the pitch is the geothermal pipe diameter D ) Of 10D to 18D,
Wherein the sealing member and the heating medium inlet pipe and the heating medium outlet pipe are embedded in a heat insulating layer made of a backing material.

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