KR101795583B1 - 지열정 열교환시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열정 열교환시스템 및 그의 시공방법에 관한 것으로 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템은 지반을 굴착하여 형성된 지열정, 지상에서 상기 지열정의 하부까지 연장되고, 상기 지열정의 내부에 상기 지열정의 내주면과 서로 이격되어 배치되는 파이프 및 상기 지열정 및 상기 파이프 사이의 공간에 축열재가 구비되고, 지열 회수를 위한 열전달매체가 통과하는 축열부를 포함한다.

Description

지열정 열교환시스템{HEAT EXCHANGE SYSTEM FOR GEOTHERMAL BOREHOLE}

본 발명은 지열정 열교환시스템 및 그의 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열정의 내부를 순환하는 열전달매체에 난류를 형성하여 지열정으로부터의 열 회수 효율을 상승시킬 수 있는 지열정 열교환시스템 및 그의 시공방법에 관한 것이다.

지반의 내부에 보유되어 있는 열인 지열은 지구 내부 맨틀의 대류 또는 지각 속의 방사성 물질의 붕괴 또는 화산지역의 마그마 등에 의한 열을 그 열원으로 한다.

이러한 지열을 에너지원으로 이용하기 위하여 전 세계 약 80개국 이상에서 지열에너지를 활용하고 있으며, 지열활용을 기술별로 분류하면 다음과 같다.

첫째, 심도 30~200m 내외를 천공하고 히트펌를 사용하여 냉난방하는 기술인 소구경의 수직밀폐형 천부지열 기술이 있고, 둘째, 소구경 300~500 m 가령을 시추하고 지하의 지하수를 직접 순환하고 히트펌프를 이용하는 관정형 천부지열 기술, 셋째 하산지대에서 사용하는 방식으로써 소구경 1000m이상을 시추하고 지하에서 200℃이상의 고온수를 직접 지상으로 끌어 올려 지열 발전하는 기술, 넷째 심도 500m~5,000m의 장심도 대구경을 시추하여 지열순환매체를 순환시키는 방식을 통해 열만 지상으로 끌어 올리고 히트펌프 없이 지열직접 난방 및 발전하는 기술인 심부지열 기술로 크게 분류할 수 있다.

본 발명은 마지막 네 번째 언급한 기술에 해당되는 것으로써 지열정을 시추하고, 지열정의 내부에 파이프 또는 지중열교환기를 삽입하여 지열정을 따라 열전달매체가 유동하여 지하 고온의 열을 지상으로 열손실 없이 생산이 가능케 하는 장심도/고효율의 대구경 심부지열 지중열교환기 제조에 관한 기술이다.

특히, 전 세계 지열산업은 기존의 천부지열에서 고효율 형태인 심부지열 형태로 산업 패러다임이 전환되고 있어 본 발명에서 제안하는 대구경/심부지열 기술은 전세계적으로 최근 많은 관심을 끌고 있는 실정이다.

또한, 본 발명은 우리나라와 같은 비화산지대이면서, 암반이 단단한 화강암 지대에 매우 적합한 기술로써 향후 개발 성공시 국내 지열산업의 가속화와 새로운 지열에너지 사업 창출이 가능한 기술이라 하겠다.

즉, 지열정에 하나 이상의 파이프를 삽입하여 지열정 내부의 공간을 구획하고, 구획된 공간의 일부를 통하여 열전달매체가 주입정 내부로 주입되어 지열을 공급받고, 다른 구획된 공간을 통하여 지상으로 회수되어 열 에너지를 이용하는 구성이다.

이때, 지열정의 내부로 주입되는 열전달매체의 온도는 지열정 하부의 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도를 가지고 있고, 지열정의 하부에서 열전달매체가 가열된 상태로 회수되므로, 지열정의 상부측에서 파이프로 인해 구획된 공간 간의 온도차가 커지게 되는 문제점이 있다.

이러한 경우, 지열정의 내부에 삽입된 파이프를 통하여 열전달이 발생하게 되고, 따라서 가열된 열전달매체의 열이 새로 주입되는 열전달매체로 전달되면서 회수되는 열전달매체의 온도가 낮아지게 된다.

따라서, 전체적인 지열 회수 열교환시스템의 효율이 낮아질 수 밖에 없고, 이는 지열 회수 열교환시스템의 시공 및 운영에 있어서 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 지열정의 내부에서 회수할 수 있는 지열은 지열정 내부의 면적 및 지열정 내부를 순환하는 열전달매체의 유속 등에 의해 한계가 있는 문제점이 있다.

따라서, 전체적인 지열정 열교환시스템의 지열회수 효율이 향상되기 어려운 문제점이 있다.

한편, 지열을 회수하기 위하여 지열공을 형성하는 지역의 지반이 약한 경우, 열전달매체가 유동하는 과정에서 지열공의 내면이 무너질 수 있으며, 이러한 경우 무너진 지반에 의해 열전달매체의 유로가 차단되어 지열공의 기능을 상실할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열정의 내부를 순환하는 열전달매체의 유속을 낮추고, 지열정 내부의 열교환 면적을 증가시켜 열 회수 효율을 상승시킬 수 있는 지열정 열교환시스템 및 그의 시공방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템은 지반을 굴착하여 형성된 지열정, 지상에서 상기 지열정의 하부까지 연장되고, 상기 지열정의 내부에 상기 지열정의 내주면과 서로 이격되어 배치되는 다공성의 외측파이프, 상기 외측파이프와 대응되는 길이로 형성되어 상기 외측파이프의 내부에 상기 외측파이프의 내주면과 서로 이격되어 배치되는 내측파이프 및 상기 지열정 및 상기 외측파이프 사이의 공간에 축열재가 구비되고, 지열 회수를 위한 열전달매체가 통과하는 축열부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 축열부는 소정의 부피를 가지는 복수개의 축열재가 상기 지열정 및 상기 외측파이프 사이의 공간에 구비되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 축열부는 다공성 형태의 축열재가 구비되고, 상기 열전달매체가 상기 축열부의 공극을 통해 투과될 수 있다.

그리고, 상기 축열부는 복수개의 축열재가 상기 외측파이프의 외주면에 돌출되는 형태로 결합되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 축열재는 상기 축열재의 상면에 소정의 면적을 가지는 형태로 형성될 수 있다.

한편, 상기 내측파이프는 상기 내측파이프의 내부 및 외부간의 열교환 효율을 낮추기 위한 단열부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 축열부는 상기 지열정의 하부 소정의 깊이까지 구비될 수 있다.

그리고, 상기 내측파이프는 상기 내측파이프 상부의 열저항이 상기 내측파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 내측파이프는 상기 내측파이프 상부 외주면의 직경이 상기 내측파이프 하부 외주면의 직경보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

한편, 전술한 구성에 의한 지열정 열교환시스템을 시공하기 위한 시공방법은 지반을 소정의 직경으로 굴착하여 상기 지열정을 형성하는 굴착단계, 상기 굴착단계에서 형성된 상기 지열정의 내부로, 상기 지열정의 하부까지 상기 외측파이프 및 상기 내측파이프를 연장하여 삽입하는 삽입단계 및 상기 지열정의 내주면 및 상기 외측파이프 사이의 공간에 축열재를 충전하는 충전단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 굴착단계 및 상기 삽입단계 사이에 상기 지열정의 하단부에 소정의 두께로 상기 축열재를 충전하는 가충전단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 충전단계는 상기 지열정의 하부 소정의 깊이까지 상기 축열재를 충전할 수 있다.

한편, 전술한 구성에 의한 지열정 열교환시스템을 시공하기 위한 시공방법은 상기 외측파이프의 외주면에 복수개의 축열재가 돌출되는 형태로 상기 파이프 및 상기 축열재를 결합하여 축열외측파이프를 제조하는 축열외측파이프제조단계, 지반에 상기 축열외측파이프가 삽입될 수 있는 직경으로 지열정을 굴착하는 굴착단계 및 상기 굴착단계에서 형성된 상기 지열정의 내부로, 상기 지열정의 하부까지 상기 축열외측파이프를 삽입하고, 상기 축열외측파이프의 내부로 상기 내측파이프를 삽입하는 삽입단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 삽입단계는 상기 지열정의 하부 소정의 깊이까지 상기 축열외측파이프를 삽입하고, 상기 축열외측파이프의 상부에는 상기 축열재가 결합되지 않은 상기 외측파이프를 연결하여 지상까지 연장할 수 있다.

본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 및 그의 시공방법에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 지열정의 내부의 열용량 및 열전도계수를 증가시킬 수 있다.

둘때, 지열정 내부에서 유동하는 열전달매체에 난류가 발생하여 열회수 효율을 향상시킬 수 있다.

셋째, 지열정의 내부로 열전달매체가 순환할 때, 지열정 내부에 삽입되는 파이프의 내부 및 외부간에 열전도율을 낮춰 지열 회수 효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제1 실시예의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제1 실시예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제1 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제3 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제4 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.

< 지열정 열교환시스템의 제1 실시예 >

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제1 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 1은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제1 실시예의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제1 실시예의 구성을 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제1 실시예의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템은 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(400)를 포함할 수 있다.

지열정(100)은 지반을 굴착하여 형성되는 홀의 구성으로, 이용하고자 하는 온도의 지열이 발생되는 깊이까지 굴착하여 형성될 수 있다.

또한, 지열정(100)은 지열을 회수하기 위해 충분한 양의 열전달매체가 유동할 수 있는 폭으로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

한편, 외측파이프(200)는 전술한 지열정(100)의 내부에 삽입되는 구성으로, 지상에서 지열정(100)의 하부까지 연장되고, 지열정(100)의 내부에서 지열정(100) 내주면과 서로 이격되어 배치될 수 있다.

또한, 외측파이프(200)는 지열정(100)의 내부 하면에 접촉하지 않고 소정의 간격으로 이격되어 배치되는 것이 유리할 수 있다.

그리고, 외측파이프(200)는 외측파이프(200)의 표면에 외측파이프(200)의 내부와 외부가 연통된 형태의 관통홀이 복수 형성된 다공성 파이프의 형태로 형성될 수 있다.

관통홀은 지열정(100)의 내부로 주입되는 열전달매체의 유동을 원활하게 하고, 지열정(100) 내면으로부터 생산정 부근으로 대류를 통한 열전달을 촉진시켜 지열의 회수를 원활하게 할 수 있다.

이러한 외측파이프(200)의 구성은 지반 내부의 압력 및 유동하는 열전달매체의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

한편, 내측파이프(300)는 전술한 외측파이프(200)의 내부에 삽입되는 구성으로, 외측파이프(200)와 대응되는 길이로 형성되고, 외측파이프(200)의 내주면과 서로 이격되어 배치될 수 있다.

이러한 내측파이프(300)의 구성 역시 지반 내부의 압력 및 유동하는 열전달매체의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

그리고, 내측파이프(300)는 내측파이프(300)의 내부 및 외부간의 열교환 효율을 낮추기 위한 단열부를 포함하여 형성될 수 있다.

단열부는 적어도 하나 이상의 단열소재가 내측파이프(300)의 면을 따라 구비되어 형성될 수 있으며, 외관 및 내관을 포함하는 이중관 형태의 내측파이프(300)의 외관 및 내관 사이의 공간에 구비되는 것이 유리할 수 있다.

이러한 단열부는 발포 우레탄, 발포 고무 등과 같은 발포성 단열소재가 충진된 형태로 구성되어 있으나, 공기, 스티로폼, 유리섬유 등의 다양한 단열소재가 적용되는 등 그 소재 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

또한, 내측파이프(300)는 내측파이프(300) 상부의 열저항이 내측파이프(300) 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

푸리에 법칙을 적용하여, 열전달율은 일종의 흐름이라 하고 열전도계수, 물질의 두께 및 단면적의 조합은 이 흐름에 대한 저항이라 하며, 온도는 열유동을 위한 구동함수가 되기 때문에 열유동은 열 포텐셜의 차이와 비례하고, 열저항과 반비례하다고 정리할 수 있다.

따라서, 열저항이 높게 형성되는 경우에는 열유동이 반비례로 작아지게 되고, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 상부가 하부에 비해 열유동이 적게 일어날 수 있다.

즉, 내측파이프(300) 상부의 총합열전달계수가 더 높게 나타날 수 있으며, 이러한 구성은 지열정(100)의 내부에서 열전달매체가 순환하는 과정에서, 지열정(100)의 상부의 경우 내측파이프(300)의 내부 및 외부의 온도차가 하부에 비해 더 크기 때문에, 지열 회수의 효율을 향상시키는데 유리할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 지열정 순환시스템의 구성들은 도 2에 도시된 바와 같이, 지열정(100)의 폭(D1) 보다 상대적으로 작은 폭으로 외측파이프(200)가 형성되고, 외측파이프(200)의 폭(D2)보다 상대적으로 작은 폭으로 내측파이프(300)가 형성될 수 있다.

또한, 외측파이프(200)는 지열정(100)의 내부에 서로 이격되도록 배치되고, 내측파이프(300)는 외측파이프(200)의 내부에 서로 이격되도록 배치될 수 있다.

위와 같이, 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)가 지열정(100)의 내부에서 서로 이격되어 배치되기 위하여, 외측파이프(200)는 내측파이프(300)와의 간격을 유지하기 위한 제1 지지부(210) 및 지열정(100)과의 간격을 유지하기 위한 제2 지지부(220)를 포함할 수 있다.

제1 지지부(210)는 외측파이프(200)의 내주면 및 내측파이프(300)의 외주면과 맞닿아 외측파이프(200) 및 내측파이프(300) 간의 간격을 유지하며, 외측파이프(200)와 내측파이프(300) 중 적어도 하나에 고정되어 형성될 수 있다.

또한, 제2 지지부(220)는 외측파이프(200)의 외주면 및 지열정(100)의 내벽과 맞닿아 외측파이프(200) 및 지열정(100) 간의 간격을 유지하도록 형성될 수 있다.

이때, 제2 지지부(220)는 수평 단면상 복수개가 방사형으로 배치되고, 외측파이프(200)가 지열정(100) 내부의 중심에 배치되도록 동일한 거리로 돌출되는 것이 유리할 수 있다.

또한, 제2 지지부(220)는 하방경사를 가지며 외측파이프(200)의 외측으로 지열정(100)과 이격되는 간격만큼 돌출되다가 다시 외측파이프(200)의 내측 방향으로 휘어지도록 형성될 수 있다.

이러한 구성은, 제2 지지부(220)가 외측파이프(200)를 어느정도 지지하면서도, 외측파이프(200)를 지열정(100)의 내부에 삽입할 때, 제2 지지부(220)가 지열정(100)에 걸리는 것을 방지할 수 있다.

한편, 축열부(400)는 전술한 지열정(100) 및 외측파이프(200)의 사이 공간에 축열재가 구비되는 구성으로, 지열정(100)의 내부로 주입되는 열전달매체가 통과할 수 있도록 형성될 수 있다.

축열부(400)로 구성되는 축열재는 자갈, 모래 또는 콘크리트 등 큰 열용량을 가지는 소재가 적용될 수 있으며, 이외에도 지열을 품고 있다가 주변을 유동하는 열전달매체로 열을 전달하도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

본 실시예에서 축열부(400)는 소정의 부피를 가지는 복수개의 축열재가 지열정(100) 및 외측파이프(200) 사이의 공간에 구비되어 형성될 수 있다.

이때, 축열부(400)의 내부에는 각 축열재 사이 간격이 형성되고, 이러한 축열재의 간격을 통하여 열전달매체가 유동하며 지열정(100)의 하부로 이동할 수 있다.

즉, 내측파이프(300)의 외부 공간으로 주입된 열전달매체는 외측파이프(200)에 형성된 복수개의 관통홀을 통해 지열정(100)과 외측파이프(200) 사이의 공간 및 외측파이프(200)와 내측파이프(300) 사이의 공간을 연통하며 지열에 의해 가열될 수 있다.

또한, 지열정(100)과 외측파이프(200) 사이의 공간이 유로의 역할을 수행하게 되어, 열전달매체가 순환하는데 필요한 펌프의 소요동력을 절감할 수 있다.

이후, 가열된 열전달매체는 지열정(100)의 하부에서 내측파이프(300)의 내부로 유입되어 내측파이프(300)를 통하여 지상으로 회수될 수 있다.

이러한 구성은 열전달매체가 지열정(100)의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되고, 이러한 난류는 지열정(100)으로부터 생산정으로의 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정(100)의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부(400)의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 지열정(100) 및 외측파이프(200) 사이의 공간이 축열부(400)로 채워지기 때문에 지반의 강도가 약한 지역에 지열정(100)이 형성되는 경우에도, 지열정(100)의 내주면이 붕괴되며 지열정 열교환시스템이 파손되는 현상을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 축열부(400)는 지열정(100)의 하면과 전술한 두 파이프의 사이 공간에 구비되는 것이 유리할 수 있다.

이러한 구성은, 축열부(400)가 지열정(100)의 하면에서 지열정(100)의 내부로 삽입되는 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 하부를 지지하게 되므로, 별도의 지지수단 없이 지열정(100)의 하면과 전술한 두 파이프의 하단부가 직접적으로 접촉하는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제1 실시예의 변형예는 도 3에 도시된 바와 같이 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(400)를 포함할 수 있다.

여기서, 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)는 전술한 제1 실시예의 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

축열부(400)의 구성 역시 전술한 제1 실시예의 축열부(400) 구성과 동일한 구성이나, 본 변형예에서 축열부(400)는 지열정(100)의 하부 소정의 깊이까지 구비될 수 있다.

즉, 축열부(400)가 지열정(100) 및 외측파이프(200) 사이의 공간에 구비될 때, 전술한 제1 실시예와 같이 지상에서부터 지열정(100)의 하면까지 모두 구비되지 않고, 지열정(100)의 하부 소정의 깊이까지만 구비될 수 있다.

지열정(100)의 내부에서 이용하고자 하는 온도의 지열은 지열정(100)의 하단부에서 발생하기 때문에, 지열정(100)의 하단부에서 집중적으로 열전달매체의 유동에 난류가 발생하여 지열 회수 효율을 상승시키는 효과를 얻을 수 있다.

< 지열정 열교환시스템의 제2 실시예 >

이어서, 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제2 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 4는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템은 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(500)를 포함할 수 있다.

여기서, 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 구성은 전술한 제1 실시예의 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 축열부(500)는 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 지열정(100) 및 내측파이프(300)의 사이 공간에 구비되어 지열정(100)의 내부로 주입되는 열전달매체가 통과할 수 있도록 형성될 수 있다.

또한, 큰 열용량을 가지는 소재가 적용될 수 있으며, 지열을 품고 있다가 주변을 유동하는 열전달매체로 열을 전달하도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

다만, 본 실시예에서 축열부(500)는 다공성 형태의 축열재로 구성되어, 축열부(500) 내부에 형성된 공극을 통하여 열전달매체가 투과될 수 있다.

이러한 구성은 열전달매체가 지열정(100)의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되고, 이러한 난류는 지열정(100)으로부터 생산정으로의 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정(100)의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부(500)의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 실시예의 축열부(500) 역시 전술한 제1 실시예와 같이 지열정(100)의 하면과 전술한 두 파이프의 하단부 사이에 구비될 수도 있고, 지상에서부터 지열정(100)의 하면까지 모두 구비되거나, 지열정(100)의 하부 소정의 깊이까지만 구비될 수도 있다.

이러한 구성을 통하여 제1 실시예의 상세한 설명에 기재된 효과와 같은 효과를 얻을 수 있다.

< 지열정 열교환시스템의 제3 실시예 >

이어서, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 5는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제3 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템은 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(600)를 포함할 수 있다.

여기서, 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 구성은 전술한 제1 실시예의 지열정(100), 외측파이프(200) 및 내측파이프(300)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 축열부(600)는 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 지열정(100) 및 외측파이프(200)의 사이 공간에 구비되어 지열정(100)의 내부로 주입되는 열전달매체가 통과할 수 있도록 형성될 수 있다.

또한, 콘크리트 등 큰 열용량을 가지는 소재가 적용될 수 있으며, 지열을 품고 있다가 주변을 유동하는 열전달매체로 열을 전달하도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

다만, 축열부(600)는 복수개의 축열재가 외측파이프(200)의 외주면에 돌출되는 형태로 결합되어 형성될 수 있다.

이때, 각각의 축열재는 열전달매체의 유동에 저항을 발생시키기 위하여 축열재의 상면에 소정의 면적을 가지는 형태로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

본 실시예에서 축열부(610)는 외측파이프(200)를 중심으로 외측부로 돌출되는 플레이트 형태 및 지열정(100)의 형태와 대응되는 형태로 형성되며, 각각의 축열부(610)는 유동하는 열전달매체가 통과할 수 있는 관통홀(612)이 복수개 형성될 수 있다.

이러한 구성은 열전달매체가 지열정(100)의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되고, 이러한 난류는 지열정(100)으로부터 생산정으로의 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정(100)의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부(610)의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제3 실시예의 변형예는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(600)를 포함할 수 있다.

여기서, 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(600)는 전술한 제3 실시예의 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(600)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 제1 변형예에서 축열부(620)는 제3 실시예의 축열부(610)에 비해 상대적으로 작은 면적을 가지는 플레이트 형태로 형성되어, 외측파이프(200)의 외주면을 따라 나선형으로 배치될 수 있다.

또한, 제2 변형예에서 축열부(630)는 외측파이프(200)의 외주면을 따라 나선형으로 감겨 내려가는 플레이트 형태로 형성될 수 있다.

이러한 구성은, 상대적으로 자연스럽고 원활하게 열전달매체가 유동하게되고, 열전달매체가 지열정(100)의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되어 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정(100)의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부(610)의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 축열부(620)의 구성은 지그재그 배치, 무작위 배치 등 유동하는 열전달매체에 저항을 발생시키도록 마련된다면 본 변형예에 제한되지 않고 그 형태 및 배치는 다양할 수 있다.

한편, 본 실시예의 축열부(600) 역시 지열정(100)의 하부 소정의 깊이까지만 구비될 수도 있다.

이러한 구성을 통하여 제1 실시예의 상세한 설명에 기재된 효과와 같은 효과를 얻을 수 있다.

< 지열정 열교환시스템의 제4 실시예 >

이어서, 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제4 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 8은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템의 제4 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 제4 실시예는 지열정(100), 외측파이프(200), 내측파이프(300) 및 축열부(400)를 포함할 수 있다.

여기서, 지열정(100), 외측파이프(200) 및 축열부(400)의 구성은 전술한 제1 실시예의 지열정(100), 외측파이프(200) 및 축열부(400)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 내측파이프(300)의 기본적인 구성 역시 전술한 제1 실시예의 내측파이프(300)와 동일한 구성일 수 있다.

다만, 본 실시예의 내측파이프(300)는 내측파이프(300) 상부 외주면의 직경(L2-a)이 내측파이프(300) 하부 외주면의 직경(L2-b)보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다. 이에따라, 도 8에 도시된 바와 같이 내측파이프(300) 단열부가 상부로 갈수록 그 두께가 두꺼워지도록 구성될 수 있다.

이러한 구성은 지열정(100)의 내주면 및 내측파이프(300)의 사이 공간이 지열정(100)의 하부로 갈 수록 넓어질 수 있다.

따라서, 지열정(100)의 하부로 갈수록 열전달매체의 유로가 넓어지게 되어 동일한 압력에 의해 열전달매체가 유동하는 경우 지열정(100)의 하부로 갈 수록 열전달매체의 유속이 느려지고, 열전달매체가 지열정(100)의 내부에서 유동하는 시간을 더욱 늘릴 수 있다.

또한, 지열정(100)의 하부로 갈수록 축열부(400)층이 두꺼워져 지열정 하부의 열용량이 보다 증가하고, 유동하는 열전달매체에 보다 많은 난류를 형성하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

이를 통하여, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 실시예의 축열부(400) 역시 지열정(100)의 하부 소정의 깊이까지만 구비될 수도 있다.

이러한 구성을 통하여 제1 실시예의 상세한 설명에 기재된 효과와 같은 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 실시예의 내측파이프(300)는 내측파이프(300) 상부 내주면의 직경(L3-a)이 내측파이프(300) 하부 내주면의 직경(L3-b)보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

이러한 경우, 내측파이프(300)의 내부를 통해 회수되는 열전달매체의 유동속도가 지열정(100)의 상부로 갈수록 빨라지게 되고, 따라서 지열정(100) 상부에서 내측파이프(300)의 내부 및 외부간에 열교환이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

즉, 회수하는 지열을 빼앗기지 않기 때문에 보다 열회수 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

< 지열정 열교환시스템 시공방법의 제1 실시예 >

다음으로, 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제1 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 9는 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법은 전술한 구성에 의한 지열정 열교환시스템을 시공하기 위한 방법으로, 굴착단계(S100), 가충전단계(S200), 삽입단계(S300) 및 충전단계(S400)를 포함할 수 있다.

굴착단계(S100)는 지반을 소정의 직경으로 굴착하여 지열정을 형성하는 단계로, 이용하고자 하는 온도의 지열이 발생하는 깊이와 충분한 양의 열전달매체가 유동할 수 있는 폭으로 지반을 굴착할 수 있다.

이러한 굴착단계(S100)는 일반적으로 지반을 굴착하는 공정 및 장비 등을 이용하여 지열정을 굴착할 수 있다.

한편, 가충전단계(S200)는 전술한 굴착단계(S100)에서 형성된 지열정의 하단부에 소정의 두께로 축열재를 충전하는 단계로, 그 두께는 후술하는 삽입단계(S300)에서 지열정의 내부로 삽입되는 두 파이프가 지열정의 하면과 이격되는 간격과 대응되는 두께로 충전될 수 있다.

축열재는 콘크리트 등 큰 열용량을 가지는 소재가 적용되고, 열전달매체가 투과될 수 있도록 형성되며, 지열을 품고 있다가 주변을 유동하는 열전달매체로 열을 전달하도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

한편, 삽입단계(S300)는 지열정의 내부로 지상에서부터 지열정의 하부까지 외측파이프 및 내측파이프를 연장하여 삽입하는 단계로 외측파이프의 외주면은 지열정의 내주면과 서로 이격되고, 내측파이프의 외주면은 외측파이프의 내주면과 서로 이격되도록 배치될 수 있다.

이때, 두 파이프는 복수개의 단위파이프를 연결하여 길이를 연장하면서 지열정의 내부로 삽입될 수 있다.

또한, 전술한 가충전단계(S200)에서 충전된 축열재의 상부와 외측파이프 및 내측파이프의 하단부를 접촉시켜, 축열재가 파이프를 지지할 수 있다.

또한, 삽입단계(S300)에서 삽입되는 내측파이프는 내측파이프의 내부 및 외부간에 열교환 효율을 낮출 수 있는 단열부가 포함된 파이프를 이용하는 것이 유리할 수 있다.

이러한 내측파이프는 이중관 구조의 형태로 형성되어, 내측파이프의 외관 및 내관 사이 공간에 단열소재가 구비되어 단열부를 구성하도록 형성될 수 있다.

한편, 충전단계(S400)는 지열정의 내주면 및 외측파이프의 외주면 사이의 공간에 축열재를 충전하는 단계일 수 있다.

이때, 축열재가 지열정 및 외측파이프 사이의 공간의 지상까지 모두 충전될 수도 있고, 지열정의 하부 소정의 깊이까지 축열재를 충전한 뒤 충전단계(S400)를 종료할 수도 있다.

또한, 축열재를 일부 충전한 후, 이후에는 상대적으로 열전달매체의 투과성이 보다 높은 소재의 축열재를 충전할 수도 있다.

이러한 공정을 통하여 형성되는 지열정 열교환시스템은 축열재가 충전된 지열정 및 내측파이프 사이의 공간을 통하여 열전달매체를 주입하고, 지열정의 하부에서 가열된 열전달매체를 내측파이프의 내부를 통해 회수할 수 있다.

이때, 열전달매체가 지열정의 하부까지 유동하는 과정에서 외측파이프를 연통하며 유동하고, 이때 열전달매체가 지열정의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되어 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

< 지열정 열교환시스템 시공방법의 제2 실시예 >

이어서, 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제2 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 10은 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 열교환시스템 시공방법은 전술한 구성에 의한 지열정 열교환시스템을 시공하기 위한 방법으로, 축열외측파이프 제조단계(S500), 굴착단계(S600) 및 삽입단계(S700)를 포함할 수 있다.

축열외측파이프 제조단계(S500)는 외측파이프의 외주면에 복수개의 축열재가 돌출되는 형태로 외측파이프와 축열재를 결합하여 축열외측파이프를 제조하는 단계일 수 있다.

이때, 축열재는 콘크리트 등 큰 열용량을 가지는 소재가 적용되고, 열전달매체가 투과될 수 있도록 형성되며, 지열을 품고 있다가 주변을 유동하는 열전달매체로 열을 전달하도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

또한, 복수개의 축열재는 외측파이프를 중심으로 파이프의 외주면을 따라 나선 배치, 지그재그 배치, 무작위 배치 등 다양하게 배치되어 결합될 수 있다.

그리고, 각각의 축열재는 파이프의 상부 측을 향해 소정의 면적이 형성되도록 배치되어 결합되는 것이 유리할 수 있다.

한편, 굴착단계(S600)는 전술한 본 발명에 따른 열교환시스템 시공방법 제1 실시예의 굴착단계(S100)와 동일한 공정이며, 전술한 축열파이프 제조단계(S500)에서 제조된 축열파이프가 삽입될 수 있는 폭으로 지열정을 굴착할 수 있다.

한편, 삽입단계(S700)는 전술한 굴착단계에서 형성된 지열정의 내부로, 지열정의 하부까지 축열외측파이프를 삽입하고, 축열외측파이프의 내부로 내측파이프를 삽입하는 단계일 수 있다.

이때, 삽입단계(S700)는 복수개의 축열외측파이프를 연결하여 길이를 연장하면서 지열정의 내부로 삽입할 수 있으며, 내측파이프도 같은 방법을 통해 지열정의 내부로 삽입할 수 있다.

이때, 내측파이프는 내측파이프의 내부 및 외부간에 열교환 효율을 낮출 수 있는 단열소재가 포함된 파이프를 이용하는 것이 유리할 수 있다.

그리고, 내측파이프의 외부로 주입된 열전달매체가 내측파이프의 내부로 유동할 수 있도록, 축열외측파이프 및 내측파이프의 하단부는 지열정의 하면과 소정의 간격으로 이격되는 것이 유리할 수 있다.

또한, 지열정의 하부 소정의 깊이까지 축열외측파이프를 삽입한 뒤에는 축열재가 결합되지 않은 외측파이프를 연결하여 지열정의 지상까지 외측파이프를 연장할 수도 있다.

즉, 지열정의 하부 일부에는 축열외측파이프가 연결되어 구비되고, 축열외측파이프의 상부에는 일반 외측파이프가 지상까지 연결될 수 있다.

이러한 공정을 통하여 형성되는 지열정 열교환시스템은 축열재가 충전된 지열정 및 내측파이프 사이의 공간을 통하여 열전달매체를 주입하고, 지열정의 하부에서 가열된 열전달매체를 내측파이프의 내부를 통해 회수할 수 있다.

이때, 열전달매체가 지열정의 하부까지 유동하는 과정에서 열전달매체의 유속이 빨라지게 되어 난류가 형성되어 열전달을 촉진시킬 수 있다.

또한, 열전달매체가 지열정의 내주면을 통하여 지열을 전달받는 것과 동시에 지열에 의해 가열된 축열부의 열을 전달받을 수 있어, 생산정 내부의 열전도계수를 향상시켜 지열을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.

따라서, 열전달매체가 전달받게 되는 총 열량이 크게 증가하게 되어 보다 많은 지열을 회수할 수 있으며, 지열정 열교환시스템의 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이상 설명한 바와 같이 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 지열정
200 : 외측파이프
300 : 내측파이프
400, 500, 600 : 축열부

Claims (14)

1. 지반을 굴착하여 형성된 지열정;
   지상에서 상기 지열정의 하부까지 연장되고, 상기 지열정의 내부에 상기 지열정의 내주면과 서로 이격되어 배치되는 다공성의 외측파이프;
   상기 외측파이프와 대응되는 길이로 형성되어 상기 외측파이프의 내부에 상기 외측파이프의 내주면과 서로 이격되어 배치되고, 외관과 내관으로 이루어져 외부와 내부간의 열교환 효율을 낮추기 위한 단열부가 상기 외관 및 상기 내관의 사이에 구비되는 내측파이프; 및
   상기 지열정 및 상기 외측파이프 사이의 공간에 축열재가 구비되고, 상기 외측파이프의 외주면에 돌출되어 상면에 소정의 면적을 가지고 나선형으로 배치되는 플레이트 형태로 형성되어 지열 회수를 위한 열전달매체가 통과하는 축열부;를 포함하고,
   상기 내측파이프는,
   상기 내측파이프 상부 외주면의 직경이 상기 내측파이프 하부 외주면의 직경보다 상대적으로 크게 형성되고, 상기 단열부의 두께가 상부로 갈수록 두꺼지워지도록 구비되는 지열정 열교환시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 축열부는,
   소정의 부피를 가지는 복수개의 축열재가 상기 지열정 및 상기 외측파이프 사이의 공간에 구비되어 형성되는 지열정 열교환시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 축열부는,
   다공성 형태의 축열재가 구비되고, 상기 열전달매체가 상기 축열부의 공극을 통해 투과되는 지열정 열교환시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 축열부는,
   상기 지열정의 하부 소정의 깊이까지 구비되는 지열정 열교환시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 내측파이프는,
   상기 내측파이프 상부의 열저항이 상기 내측파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성되는 지열정 열교환시스템.
9. 삭제
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12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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