KR101868074B1 - 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중 열교환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지반에 형성된 천공홀에 삽입되는 유입로 및 유출로를 포함하되, 상기 유입로 및 유출로는 상호 이격된 상태에서 각 하단부가 상호 연결되어 전체적으로 'U'자 형태를 취하며 상기 유입로 및 유출로는 하나 이상의 중공에 의해 상호 연통되는 유공코어; 및 호스 형태로, 상기 유공코어를 내재시켜 상기 유공코어를 수밀구조 만들고, 상기 유입로는 공급관으로 상기 유출로는 회수관으로 연결시키는 시트부재;를 포함하여 지중 원지반과의 접촉면적이 증가되어 지중 원지반과의 열교환 효율이 향상되는 장점이 있는 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조에 관한 것이다.

Description

유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조{Structure of an underground heat exchanger including a perforated core}

본 발명은 지중 열교환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시트부재에 유공코어가 내재되고, 유공코어는 다양한 형태로 구성되는 복수의 코어유닛이 연속배열되는 구조로 구성되어 지중 원지반과의 접촉면적이 증가되므로 지중 원지반과의 열교환 효율이 향상되는 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 신재생 에너지의 확대 공급 정책에 따라서 지열의 수요는 지속적으로 증가하고 있다.

지열 에너지를 이용하는 지열 시스템은 새로운 에너지를 개발한다는 측면에서 매우 그 이용가치가 높다고 할 수 있으나, 종종 지하수를 오염시키는 문제점을 갖는다.

이에 따라 근래 들어 지하수를 취수하지 않은 상태에서 지중 열을 이용할 수 있는 기술에 개발되었으며 그 일 예로서는 대한민국 등록특허 제10-0880675호의 "이중 삽입 지열관을 이용한 폐쇄형 지중열교환기 장치 및 구성방법"이 제안되어 있다.

상기 제안된 종래의 지열 시스템의 경우 폐쇄형 지중열 교환장치로서 이중 삽입 지열관을 이용한 구조로, 지열을 이용하기 위해 굴착된 굴착공 내부에 하단부를 마개로 차폐한 대구경의 외부순환관을 삽입 설치한 다음, 외부순환관의 내부에 유공관이 하부에 형성된 내부순환관을 바닥까지 삽입하여 구성한 것이다.

그리고 운전 동력비 절감을 위해 폐쇄형 순환회로를 구성하여 순환펌프를 지상에 설치하도록 하였으며 외부순환관의 삽입 설치를 용이하게 하기 위하여 선단부를 원추형으로 가공한 구조이다.

이러한 종래 지열 시스템에서는 외부순환관과 내부순환관 간을 열교환 매체로 사용되는 순환수가 순환하는 과정에서 외부순환관에 유입된 순환수가 지열과의 열교환이 이루어지게 되며, 열교환이 이루어진 순환수는 내부순환관을 통해 외부로 배출된다.

그러나 상기 종래의 지열 시스템은 외부순환관에 있어 지중과 대면하게 되는 경계면 부위에서만 순환수의 열교환이 이루어지게 되므로 대류 작용에 따른 순환수의 이동이 원활하지 못하고, 열교환 효율 역시 저조한 문제점이 있게 된다.

대한민국 등록특허 제10-0880675호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시트부재에 유공코어가 내재되고, 유공코어는 다양한 형태로 구성되는 복수의 코어유닛이 연속배열되는 구조로 구성되어 지중 원지반과의 접촉면적이 증가되므로 지중 원지반과의 열교환 효율이 향상되는 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조를 제공하고자 함이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조는 지반에 형성된 천공홀에 삽입되는 유입로 및 유출로를 포함하되, 상기 유입로 및 유출로는 상호 이격된 상태에서 각 하단부가 상호 연결되어 전체적으로 'U'자 형태를 취하며 상기 유입로 및 유출로는 하나 이상의 중공에 의해 상호 연통되는 유공코어; 및 호스 형태로, 상기 유공코어를 내재시켜 상기 유공코어를 수밀구조 만들고, 상기 유입로는 공급관으로 상기 유출로는 회수관으로 연결시키는 시트부재;를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.

일례로, 상기 유공코어는 단면이 원형으로 구성되는 복수의 코어유닛이 상호 밀착된 상태로 나란하게 배치되며, 상기 코어유닛마다 중공이 형성되는 것이 특징이다.

다른 예로, 상기 유공코어는 단면이 삼각형으로 구성되는 복수의 코어유닛이 트러스 구조로 배치되며, 상기 코어유닛마다 중공이 형성되는 것이 특징이다.

또 다른 예로, 상기 유공코어는 단면이 사각형으로 구성되는 복수의 코어유닛이 상호 밀착된 상태로 나란하게 배치되며, 상기 코어유닛마다 중공이 형성되는 것이 특징이다.

한편, 천공홀에 상기 유공코어가 내재된 시트부재가 삽입된 상태에서, 천공홀에는 채움재가 채워지고, 상기 채움재의 압력에 의해 유입로 및 유출로는 상호 대향측으로 더욱 이격되어 각각 천공홀의 외주연에 밀착되는 것이 특징이다.

또한, 상기 시트부재는 유연한 재질로 구성되며, 상기 채움재의 압력에 의해 유입로 및 유출로가 상호 대향측으로 이격되면서, 상기 시트부재에 의해 상기 복수의 코어유닛은 원호 형태로 배열되는 것이 특징이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조는 시트부재에 유공코어가 내재되고, 유공코어는 다양한 형태로 구성되는 복수의 코어유닛이 연속배열되는 구조로 구성되어 지중 원지반과의 접촉면적이 증가되므로 지중 원지반과의 열교환 효율이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조가 지중에 설치된 일 실시 예를 타나내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치에 순환수가 순환되도록 공급관과 회수관이 적용된 예를 타나내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 구성인 유공코어의 다양한 실시 예를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치가 시공되는 예를 나타내는 도면.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조가 지중에 설치된 일 실시 예를 타나내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치에 순환수가 순환되도록 공급관과 회수관이 적용된 예를 타나내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 구성인 유공코어의 다양한 실시 예를 나타내는 도면이다. 그리고 도 4는 본 발명에 따른 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치가 시공되는 예를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 유공코어(10)를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조는 순환수 즉, 순환 유체가 순환하면서 지중의 원지반과 열교환이 이뤄지도록 구성되는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 유공코어(10), 시트부재(20) 및 순환펌프를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

먼저, 상기 유공코어(10)는 지면으로부터 지중까지 일정 깊이만큼 형성되는 천공홀(H)에 삽입되며, 상단 일부가 지상에 노출되도록 구성되는 것으로, 유입로(11) 및 유출로(12)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 유입로(11) 및 유출로(12)는 도면에서와 같이 상호 이격된 상태에서 각각의 하단부가 상호 연결되도록 구성되어, 전체적으로 'U'자 형태를 취하게 된다.

또한, 상기 유공코어(10)에는 하나 이상의 중공(13)이 형성되되, 중공(13)에 의해 상기 유입로(11) 및 유출로(12)는 상호 연통구조를 취하게 되어, 순환수가 유공코어(10)에 형성된 중공(13)을 통해 유입로(11)로부터 유출로(12)를 통과하는 순환과정을 통해 지중열과의 열교환을 수행할 수 있게 된다.

상기 시트부재(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 호스 형태로 구성되는 것으로, 시트부재(20)의 내측에 상기 유공코어(10)를 내재시켜 상기 유공코어(10)가 외부에 노출되지 않는 즉, 밀폐구조 및 수밀구조로 취할 수 있게 된다.

이때, 상기 시트부재(20)는 탄력있는 유연한 재질로 구성시킴이 바람직한 바, 이는 이하에서 설명하게 될 상기 유공코어(10)의 다양한 실시 예에 의해 그 형상 및 배열이 달라짐에 따라 시트부재(20)가 그에 대응되는 형상 변화가 가능할 수 있으며, 아울러 유공코어(10)가 배치되는 내측에 대한 수밀성이 유지되도록 하기 위한 것이다.

이러한, 상기 시트부재(20)는 상기 유공코어(10)를 내재시키되, 유입로(11) 및 유출로(12)의 각 끝단보다 연장되도록 구성하고 각 끝단에 체결수단(부호 미도시)을 마련하여, 각각 상기 유입로(11)는 순환수가 공급되는 공급관(1)에 수밀하게 연결시키고, 상기 유출로(12)는 순환수가 회수되는 회수관(2)에 수밀하게 연결시키도록 구성된다.

즉, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 유공코어(10)를 포함하는 지중 열교환 장치는 구체적으로 도시된 바는 없으나, 상기 공급관(1) 및 회수관(2)을 따라 지반에 다수 설치될 수 있으며, 공급관(1)을 통해 다수의 유입로(11)에는 각각 순환수가 유입되게 되고, 각 공급관(1)으로 유입되는 순환수는 지중 원지반과 열교환을 한 후, 각 유출로(12)를 통해 회수관(2)으로 회수되도록 구성할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 순환펌프(미도시)가 더 구성되어 도 2에 도시된 화살표와 같이 순환수를 상기 공급관(1)으로부터 유입로(11), 유출로(12)를 거쳐 회수관(2)으로 회수되도록 순환시키는 흐름을 생성할 수 있게 된다.

이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 구성인 유공코어(10)의 다양한 실시 예에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.

먼저, 제 1실시 예 따른 유공코어(10)는 도 3a에 도시된 바와 같이 단면이 원형으로 구성되는 복수의 코어유닛(10a)이 상호 밀착된 상태로 나란하게 배치되며, 각 코어유닛(10a) 마다 중공(13)이 형성되는 것이 특징이다.

이때, 상기 시트부재(20)는 유연성 있는 재질로 마련되는 것으로, 그 단면 형상이 도시된 바와 같이 일측으로 나란하게 배열되는 복수의 코어유닛(10a)에 대응되도록 도면상 가로가 긴 납작한 형태를 취하게 된다.

제 2실시 예에 따른 유공코어(10)는 도 3b에 도시된 바와 같이 단면이 삼각형으로 구성되는 복수의 코어유닛(10b)이 트러스 구조로 배치되며, 각 코어유닛(10b) 마다 중공(13)이 형성된다.

이때, 상기 코어유닛(10b)은 트러스 구조를 취함에 있어, 도면에서와 같이 복수의 코어유닛(10b)의 각 밑변이 나란하게 밀착배치되고, 각 코어유닛(10b) 마다 그 사이에 형성된 상부 틈새에는 역삼각형 형태로 뒤집어 배열되는 복수의 코어유닛(10b)이 나란하게 안치되는 즉 2열의 코어유닛(10b)이 상하로 겹쳐진 형태를 취할 수 있게 된다.

또한, 제 1실시 예와 마찬가지로 시트부재(20)는 유연성 있는 재질로 마련되는 것으로, 그 단면 형상이 도시된 바와 같이 일측으로 나란하게 배열되는 복수의 코어유닛(10b)에 대응되도록 도면상 가로가 긴 납작한 형태를 취하게 된다.

제 3실시 예에 따른 유공코어(10)는 도 3c에 도시된 바와 같이 단면이 사각형으로 구성되는 복수의 코어유닛(10c)이 상호 밀착된 상태로 나란하게 배치되며, 각 코어유닛(10c) 마다 중공(13)이 형성되게 된다.

이때, 상기 시트부재(20)는 제 1실시 예와 마찬가지로 유연성 있는 재질로 마련되는 것으로, 그 단면 형상이 도시된 바와 같이 일측으로 나란하게 배열되는 복수의 코어유닛(10a)에 대응되도록 도면상 가로가 긴 납작한 형태를 취하게 된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 유공코어(10)를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조는 납작한 형태를 취함으로써 기존의 원형관으로 구성되는 열교환장치에 비해 지중에서 원지반과의 지중 열교환을 위한 접촉면적이 증가되므로 지중 열교환의 효율이 배가될 수 있게 된다.

한편, 일반적으로 지중 열교환을 위한 장치의 시공시 천공홀(H)에 열교환 장치를 삽입한 후 천공홀(H)에 그라우트재 등과 같은 채움재(G)를 주입함으로써 시공을 마감하게 되는 바, 이하에서는 도 4를 참조하여 천공홀(H)에 채움재(G)가 주입됨에 따라, 유공코어(10)가 내재되는 시트부재(20)가 천공홀(H)의 내주연에 밀착시키는 작용을 유도함으로써 지중 열교환 효율이 더욱 증가될 수 있는 실시 예에 대해 살펴본다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 유공코어(10)가 내재된 시트부재(20)가 천공홀(H)에 삽입된 후에, 천공홀(H)에 채움재(G)를 주입하게 되면, 도 4b에 도시된 바와 같이 천공홀(H)에 주입되는 채움재(G)의 압력에 의해 유공코어(10)의 유입로(11) 및 유출로(12) 간 간격이 벌어지게 된다.

이후, 도 4c에 도시된 바와 같이 유입로(11) 및 유출로(12) 간 간격이 벌어진 상태에서 채움재(G)의 압력이 지속적으로 가해지게 되면서 상기 시트부재(20)는 천공홀(H)의 내주연에 전체적으로 밀착되면서 원호 형태를 취하게 되고, 그에 따라 시트부재(20)에 내재되는 복수의 코어유닛 역시 도면에서와 같이 천공홀(H)의 내주연에 밀착되는 원호형태의 배열을 취하게 된다.

상기와 같은 작용에 의해, 유공코어(10)는 원호형태를 취하여 전체적으로 천공홀(H)의 내주연에 밀착하게 되므로 지중 열교환을 위한 접촉면적이 더욱 증가하게 되고 그에 따라 유공코어(10)를 순환하는 순환수의 지중 열교환 효율 역시 더욱 향상될 수 있게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1 : 공급관 2 : 회수관
10 : 유공코어 11 : 유입로
12 : 유출로 13 : 중공
20 : 시트부재

Claims (6)

1. 지반에 형성된 천공홀에 삽입되는 유입로 및 유출로를 포함하되, 상기 유입로 및 유출로는 상호 이격된 상태에서 각 하단부가 상호 연결되어 전체적으로 'U'자 형태를 취하며 상기 유입로 및 유출로는 하나 이상의 중공에 의해 상호 연통되는 유공코어; 호스 형태로, 상기 유공코어를 내재시켜 상기 유공코어를 수밀구조 만들고, 상기 유입로는 공급관으로, 상기 유출로는 회수관으로 연결시키는 시트부재;를 포함하고,
   상기 유공코어는 단면이 원형, 삼각형 또는 사각형 형태로 구성되는 복수의 코어유닛이 상호 밀착된 상태로 나란하게 배치되되, 상기 코어유닛마다 중공이 형성되고,
   천공홀에는 상기 유공코어가 내재된 시트부재가 삽입된 상태에서 채움재가 채워지되, 상기 채움재의 압력에 의해 유입로 및 유출로는 상호 대향측으로 더욱 이격되어 각각 천공홀의 외주연에 밀착되며,
   상기 채움재의 압력에 의해 유입로 및 유출로가 상호 대향측으로 이격되되, 유연한 재질로 구성되는 시트부재에 의해 상기 코어유닛들의 움직임을 제한시켜 상기 유입로 및 유출로는 각각 원호 형태를 취하게 되는 것을 특징으로 하는 유공코어를 포함하는 지중 열교환 장치의 구조.
   
   
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