KR101935203B1 - High Efficient Elliptical Ground Heat Exchanger and Its Installation Method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지중열교환기에 관한 것으로, 폐순환회로 내에서 토양과 간접적으로 열을 교환하는 수직 밀폐형 지중열교환기 기술에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
지열 시스템은 지중열교환기를 이용하여 지중의 항온층과 열교환하여 건물의 냉난방 에너지를 공급하는 기술로, 지중열교환기의 효율이 전체 시스템 성능에 큰 영향을 미친다.The geothermal system is a technology to supply the heating and cooling energy of the building by heat exchange with the underground heat transfer layer using the underground heat exchanger. The efficiency of the underground heat exchanger greatly affects the overall system performance.
지중열교환기는 일반적으로 직경 100 내지 150mm의 보어홀(bore hole)에 직경 25 내지 40mm의 U 튜브 타입의 파이프를 삽입하여 지중의 토양과 열을 교환하는 장치를 나타낸다. 이러한 U 튜브 타입의 파이프는 입구와 출구 간 상호 간격이 가까워 열간섭으로 인해 효율 감소가 발생한다.An underground heat exchanger generally refers to a device for exchanging heat with soil in the ground by inserting a U tube type pipe having a diameter of 25 to 40 mm into a bore hole having a diameter of 100 to 150 mm. These U tube type pipes have a close distance between the inlet and outlet, resulting in reduced efficiency due to thermal interference.
지중열교환기의 파이프의 관경을 증가시키면 지중과의 접촉면적이 증가하여 열교환 효율이 증대되나, 동일 보어홀 내에서 열교환 파이프의 상호 간격 또한 가까워져서 열간섭이 더욱 증대되는 문제가 발생한다.When the pipe diameter of the pipe of the underground heat exchanger is increased, the contact area with the ground is increased to increase the heat exchange efficiency. However, the mutual spacing of the heat exchange pipes in the same bore hole is also shortened.
한국공개특허 제10-2017-0111826호는 공급 및 환수 심도구간을 구분하여 구성된 지하수 대수층을 이용한 지열 지중열교환기 시스템 및 이 시공 방법에 관한 것으로, 다층으로 구성된 지질기반에서 층별로 형성된 지하수 대수층을 심도별로 구분하여 지하수 수온이 일정한 심층의 지하수 대수층에서 양수되는 지하수는 지열시스템에서 공급수로 사용하고 히트펌프의 열교환기를 거쳐 나온 환수 지하수는 별도 대수층에 환수시키도록 함으로써 공급 지하수와 환수 지하수가 서로 열간섭없이 운용되도록 하는 기술을 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-0111826 relates to a geothermal underground heat exchanger system using a groundwater aquifer constituted by dividing supply and return depth sections and a construction method thereof, and relates to a groundwater aquifer formed in a multi- Groundwater pumped from a deep groundwater aquifer with a constant groundwater temperature is used as feed water in the geothermal system and return water from the heat pump heat exchanger is returned to a separate aquifer, Without the need of a computer.
본 발명의 실시예들은 동일 보어홀 내에서 열교환 파이프의 관경을 증가시켜 표면적을 증가시키는 경우 파이프의 상호 간격이 가까워져 열간섭이 증대되는 것을 해결하기 위한 것으로서, 지중열교환기의 파이프의 표면적을 증가시키되 파이프간 간격은 표면적 증가 이전보다 열간섭이 증대되지 않도록 일정 거리를 유지시키기 위한 것이다.Embodiments of the present invention are intended to solve the problem that the mutual spacing of the pipes is increased to increase the thermal interference when the surface area is increased by increasing the pipe diameter of the heat exchange pipe in the same borehole so as to increase the surface area of the pipe of the underground heat exchanger The inter-pipe spacing is intended to maintain a certain distance so that thermal interference does not increase before surface area increase.
수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법에 있어서, 상기 지중열교환기의 파이프의 단면 형상 별 수치 분석을 통해 설계하고자 하는 특정 형상을 결정하는 단계, 및 결정된 상기 특정 형상을 기반으로 상기 파이프의 단면을 설계하는 단계를 포함하고, 상기 파이프의 단면 형상은 원형 및 타원형의 형상을 포함할 수 있다.A method of constructing a vertical closed-type geothermal heat exchanger, comprising the steps of: determining a specific shape to be designed through numerical analysis of the cross-sectional shape of the pipe of the underground heat exchanger; and designing the cross- Wherein the cross-sectional shape of the pipe may include a circular and elliptical shape.
일측면에 따르면, 상기 특정 형상을 결정하는 단계는, 복수의 단면 형상 별 지중채열량을 기반으로 상기 특정 형상을 결정할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the step of determining the specific shape may determine the specific shape based on the amount of underground fill for each of a plurality of sectional shapes.
다른 측면에 따르면, 상기 파이프의 단면을 설계하는 단계는, 상기 지중열교환기에 속하는 동일 보어홀(bore hole)을 대상으로, 파이프의 단면이 원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리와 파이프의 단면이 타원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리가 미리 정의된 오차범위 내에서 동일하도록 설계할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the step of designing the cross-section of the pipe includes a step of designing a bore hole belonging to the underground heat exchanger so that the cross-section of the pipe corresponds to a circular shape, The distance between the inlet and outlet corresponding to the elliptical shape can be designed to be the same within a predefined tolerance range.
또 다른 측면에 따르면, 상기 특정 형상을 결정하는 단계는, 서로 다른 장축 및 단축의 비율을 갖는 상기 타원형의 형상을 갖는 파이프들을 대상으로, 지중채열량이 가장 높은 비율의 장축 및 단축 비율을 갖는 타원형의 형상을 상기 특정 형상으로 결정할 수 있다.According to another aspect of the present invention, the step of determining the specific shape includes the steps of: measuring a pipe having the elliptical shape having different major and minor axes, Can be determined as the specific shape.
또 다른 측면에 따르면, 설계된 파이프는 형상이 원형일 때 대비 상대적으로 보어홀 내에서 파이프의 표면적이 증가될 수 있다. According to another aspect, the designed pipe can have a relatively increased surface area of the pipe in the borehole compared to when the shape is circular.
또 다른 측면에 따르면, 상기 수치 분석은 FEFLOW 프로그램을 기반으로 수행될 수 있다.According to another aspect, the numerical analysis can be performed based on the FEFLOW program.
또 다른 측면에 따르면, 상기 파이프의 입구부터 출구 간의 형상이 W 형(W type), 더블 U 튜브형(double U tube), U 튜브형(U tube), 및 코일 형(Coil type) 중 어느 하나의 형상을 나타낼 수 있다.According to another aspect of the present invention, the shape between the inlet and the outlet of the pipe is one of a W type, a double U tube, a U tube, and a coil type Lt; / RTI >
또 다른 측면에 따르면, 상기 지중열교환기의 파이프의 입구를 기준으로 미리 지정된 레이어(layer) 별 열원 온도는 상기 파이프의 입구로 주입된 순환수가 상기 파이프 안을 순환함에 따른 파이프 외벽과의 열 교환량에 기초하여 계산될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the heat source temperature for each layer, which is predetermined based on the inlet of the pipe of the underground heat exchanger, is set such that the circulation water injected into the inlet of the pipe is equal to the amount of heat exchange with the pipe outer wall Can be calculated on the basis of.
수직 밀폐형 지중열교환기에 있어서, 입구로 주입된 순환수를 출구를 통해 출수시키는 지중열교환기의 파이프(pipe), 및 상기 파이프를 둘러싸고 있는 보어 홀(bore hole)을 포함하고, 상기 파이프의 단면은 타원형 형상을 나타낼 수 있다.A vertical closed type subsea heat exchanger, comprising: a pipe of an underground heat exchanger for discharging circulated water injected into an inlet through an outlet; and a bore hole surrounding the pipe, Shape.
상기 지중열교환기의 파이프는, 상기 지중열교환기에 속하는 동일 보어홀(bore hole)에서 파이프의 단면이 원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리와 파이프의 단면이 타원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리가 미리 정의된 오차범위 내에서 동일하도록 설계될 수 있다.Wherein the pipe of the underground heat exchanger has a distance between an inlet and an outlet corresponding to a circular shape in cross section of the pipe at the same bore hole belonging to the underground heat exchanger and a distance between an inlet and an outlet corresponding to an elliptical shape Can be designed to be the same within a predefined error range.
장축 및 단축의 길이가 서로 다른 타원형 형상으로 지중열교환기의 파이프의 단면을 설계하여, 지중열교환기의 파이프의 표면적을 증가시키면서 파이프간 간격(즉, 파이프의 입구 및 출구간 간격)은 동일 보어홀 내에서 파이프의 형상이 원형일 때 보다 열간섭이 증대되지 않도록 일정 거리를 유지시킬 수 있다. (Ie, the distance between the inlet and the outlet of the pipe) is increased by increasing the surface area of the pipe of the underground heat exchanger by increasing the surface area of the pipe of the underground heat exchanger, It is possible to maintain a certain distance so that thermal interference does not increase more than when the shape of the pipe is circular.
또한, 파이프의 표면적은 증가시키면서 파이프간 간격을 일정 거리로 요지시킴으로써, 지중열교환기의 채열성능을 파이프의 단면 형상이 원형일 때보다 향상시킬 수 있다.Further, by increasing the surface area of the pipe and increasing the distance between the pipes to a certain distance, it is possible to improve the heat-exchanging performance of the underground heat exchanger as compared with when the cross-sectional shape of the pipe is circular.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀폐형 지중열교환기의 구조를 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 밀폐형 지중열교환기의 내부구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 지중열교환기의 지중 열원 온도를 산출하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 지표면 열 교환 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 지중열교환기의 파이프의 세부 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 밀폐형 지중열교환기의 다양한 타입을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 보어홀에 삽입된 파이프의 형상을 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 표 4의 6개의 케이스 별 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프를 나타낼 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 원형 및 타원형의 파이프 단면을 기반으로 설계된 지중열교환기의 평균채열량 및 평균 온도를 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 타원형의 지중열교환기의 파이프의 연결 소켓의 구조를 도시한 도면이다.FIG. 1 shows a structure of a closed-type geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of constructing a vertically-sealed underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing an internal configuration of a vertically-sealed underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram showing a process of calculating the underground heat source temperature of the underground heat exchanger of the present invention.
Figure 5 is a diagram provided to illustrate the surface heat exchange operation in one embodiment of the present invention.
6 is a view showing a detailed structure of a pipe of an underground heat exchanger in an embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates various types of vertically-sealed underground heat exchangers in an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing the shape of a pipe inserted into a bore hole in an embodiment of the present invention. FIG.
FIGS. 9 to 11 are graphs showing simulation results of six cases in Table 4. FIG.
FIG. 12 is a graph showing an average heat amount and an average temperature of an underground heat exchanger designed on the basis of circular and elliptic pipe sections, according to an embodiment of the present invention. FIG.
13 is a view showing a structure of a connection socket of a pipe of an elliptic underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In addition, the same reference numerals shown in the drawings denote the same members.
본 실시예들은 지중열교환기를 시공하는 기술에 관한 것으로서, 특히, 보어홀(bore hole)에 삽입되는 파이프(pipe)의 형상을 특정 형상으로 설계하여 지중의 토양과 열교환을 수행하는 지중열교환기의 파이프의 표면적은 동일 보어홀 내에서 증대시키되 파이프 간 간격은 유지시키는 지중열교환기 시공 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for constructing a geothermal heat exchanger, and more particularly, to a technique of designing a pipe inserted in a bore hole into a specific shape and performing heat exchange with a soil in the ground, To increase the surface area in the same borehole but to maintain the spacing between the pipes.
본 실시예들에서, 지중열교환기는 지중 항온성을 이용하는 온도차 에너지 기술인 지열 히트펌프 시스템에서 이용되는 것으로서, 밀폐형과 개방형이 존재하며, 밀폐형이 설치 장소에 대한 제약이 개방형보다 적을 수 있다. 밀폐형 지중열교환기는, 폐순환회로 내에서 토양과 간접적으로 열교환을 실시하고, 개방형 지중열교환기는 지하수를 이용하여 직접적으로 열교환을 실시할 수 있다. 특히, 본 실시예들은 지중열교환기 중 수직 밀폐형 지중열교환기 기술에 관한 것이다.In the present embodiments, the geothermal heat exchanger is used in a geothermal heat pump system which is a temperature difference energy technology using geothermal thermostability, and there is a closed type and an open type, and a closed type can be less restrictive than an open type. An enclosed underground heat exchanger performs heat exchange indirectly with the soil in a closed loop circuit, and an open underground heat exchanger can conduct heat exchange directly using groundwater. In particular, these embodiments relate to the vertical closed-type subsea heat exchanger technology in an underground heat exchanger.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀폐형 지중열교환기의 구조를 나타낼 수 있다.FIG. 1 shows a structure of a closed-type geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
도 1에서, 110은 수평 밀폐형 지중열교환기의 구조를 나타내고, 120은 수직 밀폐형 지중열교환기의 구조를 나타낼 수 있다.1,
수직형 지중열교환기는 토양을 수직으로 천공한 후 열교환용 순환파이프를 삽입하고, 홀(hole)과 파이프(pip) 사이의 빈 공간을 되메우는 그라우팅 방법으로 시공할 수 있다. 수직형 지중열교환기 시공에는 순환파이프 매설용 홀을 뚫기 위해 지하수시추장비가 요구될 수 있다.The vertical underground heat exchanger can be constructed by a grouting method in which the soil is vertically pierced, the circulation pipe for heat exchange is inserted, and the empty space between the hole and the pipe is covered. Vertical underground heat exchanger construction may require groundwater drilling equipment to drill holes for recirculating pipe.
수평형 지중열교환기는 토양을 약 5m 깊이로 수평으로 길게 굴착한 후 파이프를 매설하고 되메우는 방식으로 설치될 수 있다. 지중열교환기를 수평형으로 설치하는 경우, 굴삭기 정도의 장비가 요구되어 매우 저렴하게 시공할 수 있으며, 넓은 부지가 요구될 수 있다. Horizontal submerged heat exchangers can be installed by horizontally long digging the soil to a depth of about 5m and then filling and refilling the pipe. When the geothermal heat exchanger is installed horizontally, it is required to equip the excavator and the construction can be very inexpensively, and a large site may be required.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직 밀폐형 지중열교환기의 내부구성을 도시한 블록도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of constructing a vertically-sealed underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a block diagram illustrating an internal configuration of a vertically- .
도 3을 참고하면, 수직 밀폐형 지중열교환기(300)는 시공을 제어하는 구성요소인 형상 결정부(310) 및 설계 제어부(320)를 포함할 수 있다. 그리고, 수직 밀폐형 지중열교환기(300)는 토양에 시공되어 열교환을 실시하는 구성요소인 보어홀(bore hole) 및 파이프(pipe) 등을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the vertically-sealed
도 2의 각 단계들(210 내지 220 단계)은 도 3의 구성요소인 형상 결정부(310) 및 설계 제어부(320)에 의해 수행될 수 있다.The steps (210 to 220) of FIG. 2 may be performed by the
210 단계에서, 형상 결정부(310)는 지중열교환기(300)의 파이프의 단면 형상 별 수치 분석을 통해 설계하고자 하는 특정 형상을 결정할 수 있다. In
일례로, 형상 결정부(310)는 장축 및 단축의 길이가 동일한 원형 형상과 장축 및 단축의 길이가 서로 다른 타원형 형상을 대상으로, 수지 분석을 통해 설계하고자 하는 형상을 결정할 수 있다. 이때, 형상 결정부(310)는 유한요소법에 기반하는 해서툴(tool)인 FELLOW 프로그램을 사용하여 수치 분석을 수행하여 파이프의 단면 형상을 원형 형상 및 타원형 형상 중 어느 하나로 결정할 수 있다. 특정 형상을 결정함에 있어서, 형상 결정부(310)는 지중채열량을 기반으로 결정할 수 있다. 예컨대, 형상 결정부(310)는 동일 보어홀 내에서 표면적이 상대적으로 넓으면서 지중채열량이 상대적으로 높은 형상인 타원형 형상을 파이프의 단면 형상으로 결정할 수 있다. 여기서, 지중채열량이 상대적으로 높다는 것은 열간섭을 상대적으로 덜 받음을 나타낼 수 있다.For example, the
다른 예로, 장축 및 단축의 길이기 서로 다른 타원형 형상이 복수개인 경우, 형상 결정부(310)는 복수의 타원형 형상을 대상으로, 지중채열량이 가장 높은 비율이 장축 및 단축 비율을 갖는 타원형의 형상을 특정 형상으로 결정할 수 있다.As another example, when there are a plurality of elliptical shapes having different lengths of major axes and minor axes, the
220 단계에서, 설계 제어부(320)는 결정된 특정 형상을 기반으로 파이프(pipe)의 단면을 설계하도록 제어할 수 있다.In
일례로, 지중열교환기에 속하는 동일 보어홀(bore hole)을 대상으로, 파이프의 단면이 원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리와 파이프의 단면이 타원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리가 미리 정의된 오차범위 내에서 동일하도록 설계를 제어할 수 있다. 즉, 파이프의 입구 및 출구 간 간격(즉, 파이프 간 간격이 단면이 원형일 때와 동일한 간격)을 유지하도록 설계를 제어할 수 있다. 이처럼, 파이프의 형상을 타원형으로 설계하는 경우, 형상이 원형일 때보다 동일 보어홀 내에서 상대적으로 표면적은 증가시키면서 파이프간 간격은 동일하게 유지시켜 지중채열량을 높일 수 있다.For example, a bore hole belonging to an underground heat exchanger is defined as a distance between an inlet and an outlet corresponding to a circular cross section of a pipe, and a distance between an inlet and an outlet corresponding to an elliptical cross- The design can be controlled to be the same within a given error range. That is, the design can be controlled to maintain the inlet and outlet spacing of the pipe (i.e., the spacing between the pipes being the same as when the section is circular). Thus, when the shape of the pipe is designed in an elliptical shape, it is possible to increase the surface area of the pipe in the same borehole as compared with when the shape is circular, while maintaining the same interval between the pipes.
도 4는 본 발명의 지중열교환기의 지중 열원 온도를 산출하는 과정을 도시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing a process of calculating the underground heat source temperature of the underground heat exchanger of the present invention.
도 4를 참고하면, 건물의 냉난방 부하량에 따라 ΔT가 설정될 수 있다. 냉방 시 ΔT를 가산 한 온도 
난방 시에는, ΔT를 감산한 온도인 
도 4에서는 보어 홀(410) 내에 U 튜브 형으로 파이프(420)가 삽입된 경우를 예로 도시하고 있으며, U 튜브 형 이외에 다양한 타입의 파이프가 삽입될 수 있다.4 shows an example in which a
도 4에 따르면, 지중열교환기의 파이프 내 순환수 온도는 입구(421)에서부터 레이어(layer) 깊이 별로 순차적으로 계산될 수 있다. 파이프의 입구로 주입된 순환수가 출구로 출수될 때의 순환수 온도는 레이어 별로 계산될 수 있다. 지표면을 기준으로 땅속에 U 튜브형의 파이프(420)가 삽입된 보어홀(410)이 설치됨에 따라, 지표면을 기준으로 땅속으로 깊이 들어갈수록 미리 지정된 레이어 별로 순환수 온도가 계산될 수 있다. 이때, 순환 시 순환 파이프 외벽과의 열 교환량을 계산하고, 계산된 열 교환량에 기초하여 각 레이어의 열원 온도가 계산될 수 있다. 예컨대, 유한차분법을 이용하여 각 레이어에 위치한 순환파이프의 노드( node, 423, 424, 425, 426) 각각의 평균 온도가 각 레이어의 열원 온도로서 계산될 수 있다. 4, the circulating water temperature in the pipe of the underground heat exchanger can be sequentially calculated from the inlet 421 to the depth of the layer. The circulating water temperature when the circulating water injected into the inlet of the pipe exits to the outlet can be calculated for each layer. Since the borehole 410 in which the
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 지표면 열 교환 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.Figure 5 is a diagram provided to illustrate the surface heat exchange operation in one embodiment of the present invention.
도 5를 참고하면, 지표면 열교환은 위의 비특허문헌 [1] Yujin Nam , Ryozo Ooka, Suckho Hwang , Development of a numerical model to predict heat exchange rates for a groundsource heat pump system, Cw403 Institute of Industry Science, The University of Tokyo, 153-8505, Japan.에 제시된 지표면 열 이동 및 지중열교환기와 지중 토양의 열 이동을 동시에 해석하는 모델에 기초하여 계산될 수 있다.Referring to Fig. 5, the surface heat exchange is performed by the above-described non-patent document [1] Yujin Nam , Ryozo Ooka, Suckho Hwang , Development of a numerical model to predict heat exchange rates for a groundsource heat pump system, Cw403 Institute of Industry Science, The University of Tokyo, 153-8505, Japan. Can be calculated based on a model that simultaneously analyzes the surface heat transfer and the heat transfer of the underground heat exchanger and the underground soil.
지표면의 일사수열 Q는 아래의 표 1과 같을 수 있다.The solar radiation series Q on the surface can be as shown in Table 1 below.
표 1에서, 장파복사 Rsky는 파장이 4 내지 100m 사이의 빛을 나타내는 것으로서, 대기에서 관측되는 장파복사는 대부분 지표나 대기에서 방출되는 것이므로 지구복사라고도 칭할 수 있다. 단파복사 Rsol는 파장이 4mm인 빛을 경계로 이보다 짧은 파장의 빛을 나타낼 수 있다. Rsurf는 지표면 장파복사, Lsurf는 잠열 이동을 나타내고, 대류열전달계수 Hsurf는 대류현상에 의해 고체 표면에서 유체에 열을 전달하는 크기를 나타내는 계수를 나타낼 수 있다. In Table 1, the longwave radiation Rsky represents light with a wavelength between 4 and 100 m, and the long-wave radiation observed in the atmosphere is mostly emitted from the surface of the earth or the atmosphere. Shortwave radiation Rsol can represent light with a shorter wavelength than the light with a wavelength of 4 mm. Rsurf represents surface longwave radiation, Lsurf represents latent heat transfer, and the convective heat transfer coefficient, Hsurf, can represent a coefficient that conveys heat from a solid surface to a fluid by convection.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 지중열교환기의 파이프의 세부 구조를 도시한 도면이다.6 is a view showing a detailed structure of a pipe of an underground heat exchanger in an embodiment of the present invention.
도 6을 참고하면, 지중열교환기의 파이프의 내벽과 순환수의 열 교환량을 계산하고, 계산된 열 교환량을 기반으로 각 지점의 순환수 온도에 대한 비정상계산이 수행될 수 있다.6, an amount of heat exchange between the inner wall of the pipe of the underground heat exchanger and the circulating water is calculated, and an abnormal calculation with respect to the circulating water temperature at each point can be performed based on the calculated heat exchange amount.
도 6에서, 지표면을 기준으로 수직방향으로 미리 지정된 각 레이어의 노드(node) 별 순환수 온도는 아래의 수학식 1에 기초하여 계산될 수 있다. 수학식 1은 1차 대류확산 방정식에 기반할 수 있다.In FIG. 6, the circulation water temperature per node of each layer previously specified in the vertical direction with respect to the surface of the earth can be calculated based on the following equation (1). Equation (1) may be based on a first-order convective diffusion equation.
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서, T는 순환수 온도(˚C), ρ는 밀도(kg/m2), U는 유속(m/s), A는 면적(m2), P는 유량(l/s), λ는 열전도율(W/mK), C는 비열(J/kg˚C ), h는 순환수의 대류열전달율(W/m2K)를 나타낼 수 있다.In the equation (1), T is the circulating water temperature (° C), ρ is the density (kg / m 2 ), U is the flow velocity (m / s), A is the area (m 2 ) , λ is the heat conductivity (W / mK), C is the specific heat (J / kg ° C), and h is the convective heat transfer coefficient (W / m 2 K) of the circulating water.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 수직밀폐형 지중열교환기의 다양한 타입을 도시한 도면이다.FIG. 7 illustrates various types of vertically-sealed underground heat exchangers in an embodiment of the present invention.
수직밀폐형 지중열교환기는 W 타입(type, 710), 2U 타입(type, 720), U 타입(type, 730), 및 코일 타입(coil type, 740) 등과 같이 다양한 타입으로 설계될 수 있다. Vertically sealed submerged heat exchangers can be designed in various types such as W type (type 710), 2U type (type 720), U type (type 730), and coil type (coil type 740)
W 타입(710) 및 2U 타입(720)의 경우, 하나의 보어홀 내에서 파이프의 입구 및 출구의 모양을 위에서 바라보면 701과 같을 수 있다.In the case of the
U 타입(730)의 경우, 하나의 보어홀 내에서 파이프의 입구 및 출구의 모양을 위에서 바라보면 702와 같을 수 있다.In the case of the
코일 타입(740)의 경우, 보어홀에 삽입된 코일 타입의 파이프를 위에서 바라보면 703과 같을 수 있다.In case of the
수직 밀폐형 지중열교환기의 형상 별로 지반의 열전도도를 계산하면, 100시간 연속 운전에서 코일형 지중열교환기가 76.8W/m로 가장 높은 열효율을 가지며, 5일간 부분운전에서는 코일형 지중열교환기가 103.1W/m로 가장 높은 열효율을 가진다. 이처럼, 다양한 타입으로 지중열교환기를 제작함에 있어서, 파이프의 단면 형상에 따라 지중채열성능이 달라질 수 있다. 예컨대, 단면 형상이 원형일 때 보다 타원형일 때 지중채열성능이 상대적으로 더 높으며, 타원형인 경우에도 장축 및 단축의 비율에 따라 지중채열 성능이 달라질 수 있다.When the thermal conductivity of the soil is calculated by the shape of the vertical closed type submerged heat exchanger, the coil type submerged heat exchanger has the highest thermal efficiency of 76.8 W / m in the continuous operation for 100 hours, and the coil type submerged heat exchanger has the highest thermal efficiency of 103.1 W / m and the highest thermal efficiency. As described above, in the production of various types of underground heat exchangers, the underfloor heating performance may vary depending on the cross-sectional shape of the pipe. For example, the underfloor heating performance is relatively higher when the cross-sectional shape is elliptical than when the cross-sectional shape is circular, and the underfloor performance may vary depending on the ratio of the major axis and the minor axis even in the case of the elliptical shape.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 보어홀에 삽입된 파이프의 형상을 도시한 도면이다.FIG. 8 is a view showing the shape of a pipe inserted into a bore hole in an embodiment of the present invention. FIG.
도 8에서 810은 장심도 수직 밀폐형 지중열교환기 해석모델로서, 해석 영역은 20m×20m×100m로 설계될 수 있다. 채열량 예측을 위해 테트라 메쉬(tetra mesh)를 이용한 파이프 형상 및 토양이 재현될 수 있다. 시뮬레이션 조건은 아래의 표 2와 같을 수 있다.In FIG. 8,
파이프의 형상에 따라 지중채열량을 예측 및 정량화하기 위해 위의 표 1의 조건에 따라 시뮬레이션 모델이 이용될 수 있다.810을 참고하면, 파이프의 입구와 출구 간 간격(즉, 파이프 간 간격)은 0.075m로 설정될 수 있다. 이때, 동일 보어홀 내에서 파이프의 형상은 원형(820)일수도 있고, 타원형(830)으로 설계될 수 있다. 예컨대, 형상 결정부(310)에서 설계하고자 하는 파이프 단면의 형상을 결정하기 위해, 대류 열전달률이 계산될 수 있다.Simulation models can be used according to the conditions in Table 1 above to predict and quantify the amount of underground heating depending on the shape of the pipe. Referring to 810, the distance between the inlet and the outlet of the pipe (ie, the distance between pipes) 0.075 m. In this case, the shape of the pipe in the same borehole may be a
820을 참고하면, 파이프의 단면 형상이 원형인 경우, 즉, 원형관의 특성 길이 L은 아래의 수학식 2에 기초하여 계산될 수 있다.820, when the cross-sectional shape of the pipe is circular, that is, the characteristic length L of the circular pipe can be calculated based on the following equation (2).
[수학식 2]&Quot; (2) "
수학식 2에서, D0는 원형 파이프 관의 지름의 길이에 해당할 수 있다.In Equation (2), D 0 may correspond to the length of the diameter of the circular pipe.
830을 참고하면, 파이프의 단면 형상이 타원형인 경우, 즉, 타원형관의 특성 길이 L은 아래의 수학식 3에 기초하여 계산될 수 있다.830, when the cross-sectional shape of the pipe is elliptical, that is, the characteristic length L of the elliptical pipe can be calculated based on the following equation (3).
[수학식 3]&Quot; (3) "
수학식 3에서, D1은 타원형 파이프 관의 단축의 길이, D2는 장축의 길이에 해당할 수 있다.In Equation (3), D 1 may be the length of the minor axis of the elliptic pipe and D 2 may be the length of the major axis.
이처럼, 형상 별로 특성 길이 L이 계산되면, 아래의 수학식 4에 기초하여 형상 별로 관내 유체 난류운동의 열전달률이 계산될 수 있다.As described above, when the characteristic length L is calculated for each shape, the heat transfer rate of the fluid turbulent motion in the tube can be calculated for each shape based on Equation (4) below.
[수학식 4]&Quot; (4) "
위의 수학식 4에서, Nu는 누셀트 수(Nusselt Number), k는 열전도도, L은 유동 내 특성 길이를 나타낼 수 있다. 여기서, 디터스 볼터(Dittus-Boelter) 식에 의한 누셀트 수는 아래의 수학식 5에 기초하여 계산될 수 있다.In the above equation (4), Nu is the Nusselt number, k is the thermal conductivity, and L is the in-flow characteristic length. Here, the Nusselt number by the Dittus-Boelter equation can be calculated based on the following equation (5).
[수학식 5]&Quot; (5) "
수학식 5에서, Re는 레이놀드 수(Reynolde number), Pr은 프란틀 수(Prandtl number)를 나타낼 수 있다. 레이놀드 수는 아래의 수학식 6에 기초하여 계산될 수 있다.In Equation (5), Re denotes a Reynolds number and Pr denotes a Prandtl number. The Reynolds number can be calculated based on the following equation (6).
[수학식 6]&Quot; (6) "
수학식 6에서, 
위의 표 2의 시뮬레이션 조건에 따라 지중채열량을 형상 별로 비교하기 위한 시뮬레이션 케이스는 아래의 표 3 및 표 4와 같을 수 있다.The simulation case for comparing the amount of underground storage by shape according to the simulation condition of Table 2 above may be as shown in Table 3 and Table 4 below.
위의 표 3은 6개의 시뮬레이션 케이스 별 조건을 나타낼 수 있다.표 3에 따르면, 케이스 1, 2 및 3은 장단변비가 1.0인 원형 형상을 나타내고, 케이스 4, 5, 6은 장단변 비가 2.0 인 타원형 형상을 나타낼 수 있다. 이때, 원형 형상 및 타원형 형상의 관경을 다르게 하여 6개의 케이스가 구분될 수 있다.According to Table 3,
표 4는 물성치 조건을 나타낼 수 있다.도 9 내지 도 11은 표 4의 6개의 케이스 별 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프를 나타낼 수 있다.And Table 4 can show the property condition conditions. FIGS. 9 to 11 are graphs showing simulation results of six cases in Table 4. FIG.
도 9은 케이스 1 및 케이스 4의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프, 도 10은 케이스 2 및 케이스 5의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프, 도 11은 케이스 3 및 케이스 6의 시뮬레이션 결과를 비교하기 위한 그래프를 나타낼 수 있다.9 is a graph for comparing simulation results of
도 9를 참고하면, 그래프 930은 장단변비에 따른 케이스 별 채열량 변화를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 4(920)가 원형에 해당하는 케이스 1(910)보다 지중채열량(931)이 상대적으로 높음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, a
그래프 940은 평균 채열량 및 순환수 출구 온도를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 4(920)가 원형에 해당하는 케이스 1(910)보다 평균 채열량이 상대적으로 높고, 순환수 출구온도는 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.The
도 10을 참고하면, 그래프 1010은 장단변비에 따른 케이스 별 채열량 변화를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 5(1020)가 원형에 해당하는 케이스 2(1010)보다 지중채열량(1031)이 상대적으로 높음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, a
그래프 1040은 평균 채열량 및 순환수 출구 온도를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 5(1020)가 원형에 해당하는 케이스 2(1010)보다 평균 채열량이 상대적으로 높고, 순환수 출구온도는 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.The
도 11을 참고하면, 그래프 1110은 장단변비에 따른 케이스 별 채열량 변화를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 6(1120)이 원형에 해당하는 케이스 3(1110)보다 지중채열량(1131)이 상대적으로 높음을 확인할 수 있다.11, the
그래프 1140은 평균 채열량 및 순환수 출구 온도를 나타낸 것으로서, 파이프 단면의 형상이 타원형에 해당하는 케이스 6(1120)가 원형에 해당하는 케이스 3(1110)보다 평균 채열량이 상대적으로 높고, 순환수 출구온도는 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.The graph 1140 shows the average amount of heat and the outlet temperature of the circulating water. The average heat amount of the
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 원형 및 타원형의 파이프 단면을 기반으로 설계된 지중열교환기의 평균채열량 및 평균 온도를 도시한 그래프이다.FIG. 12 is a graph showing an average heat amount and an average temperature of an underground heat exchanger designed on the basis of circular and elliptic pipe sections, according to an embodiment of the present invention. FIG.
도 12에 따르면, 케이스 1(case 1)의 평균 채열량은 34.26W/m, 케이스 4(case 4)의 평균 채열량은 45.07W/m로 최대 31%의 성능차이를 보임을 확인할 수 있다. 즉, 평균 채열량이 파이프의 단면이 원형일 때 보다 타원형인 경우 31% 우수함을 확인할 수 있다.According to FIG. 12, it can be seen that the average amount of heat of the
케이스 2(case 2)의 평균 채열량은 42.44W/m, 케이스 5(case 5)의 평균 채열량은 48.01W/m로 최대 13%의 성능차이를 보임을 확인할 수 있다. 즉, 평균 채열량이 파이프의 단면이 원형일 때 보다 타원형인 경우 13% 우수함을 확인할 수 있다.The average heat loss of
케이스 3(case 3)의 평균 채열량은 47.40W/m, 케이스 6(case 6)의 평균 채열량은 60.96W/m로 최대 28%의 성능차이를 보임을 확인할 수 있다. 즉, 평균 채열량이 파이프의 단면이 원형일 때 보다 타원형인 경우 28% 우수함을 확인할 수 있다.The average amount of heat in
이처럼, 수직 밀폐형 지중열교환기의 단면 형상, 특히, 파이프의 단면 형상을 타원형으로 설계 시 원형 단면에 비해 열교환 면적은 커지면서, 관정 간 열 간섭의 영향을 덜 받아 채열량이 증대됨을 확인할 수 있다. 도 12에 따르면, 수직 밀폐형 지중 열교환기 형상에 따른 채열량 분석결과 타원형 단면이 원형 단면보다 훨씬 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있다.As described above, when the cross-sectional shape of the vertically-sealed geothermal heat exchanger, in particular, the cross-sectional shape of the pipe is designed to be elliptical, the heat exchange area is larger than that of the circular cross-section. According to FIG. 12, it can be confirmed that the elliptical cross-section has a much better performance than the circular cross-section as a result of the analysis of the heat capacity according to the shape of the vertically-closed underground heat exchanger.
예컨대, 32A의 경우, 10.81W/m 차이가 났으며, 타원형 단면이 원형 단면보다 31% 우수한 성능을 가지고, 40A의 경우, 5.57W/m 차이가 났으며, 타원형 단면이 원형 단면보다 13% 우수한 성능을 가지고, 50A의 경우, 13.56W/m 차이가 났으며, 타원형 단면이 원형 단면보다 28% 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있다. 이에 따라, 형상 결정부(310)는 형상 별로 정량화된 채열량 분석 결과를 기반으로, 설계하고자 하는 형상을 타원형 형상으로 결정할 수 있다. 이때, 타원형이 복수개인 경우, 장단변 길이의 비율에 따라 지중채열량이 가장 높은 비율의 타원형을 설계하고자 하는 형상으로 결정할 수 있다.For example, 32A has a difference of 10.81 W / m, the elliptical cross section has a 31% superior performance to the circular cross section, the 5.57 W / m difference at 40A, the 13% higher elliptical cross section than the circular cross section And 50%, respectively, and the elliptical cross section has 28% better performance than the circular cross section. Accordingly, the
이외에, 지중열교환기의 장단변비 및 지중조건의 변화에 따라 지중채열량이 달라질 수 있으며, 지중조건에 따라 가장 높은 지중채열량을 갖는 비율의 타원형을 특정 지중조건에서 설계하고자 하는 형상으로 결정할 수도 있다. 즉, 지중열교환기를 시공하고자 하는 토양의 지중조건에 따라 서로 다른 장단축 길이 비율을 갖는 타원형이 설계하고자 하는 파이프의 단면 형상으로 결정될 수 있다.In addition, the amount of underground heat can be varied depending on the change of long-term constipation and underground condition of the underground heat exchanger, and the shape of the ellipse having the highest amount of underground heat depending on the underground condition can be determined as a shape to be designed under specific underground conditions . That is, an elliptical shape having a different length and short axis length ratio depending on the underground conditions of the soil to which the geothermal heat exchanger is to be installed may be determined as the cross-sectional shape of the pipe to be designed.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, 타원형의 지중열교환기의 파이프의 연결 소켓의 구조를 도시한 도면이다.13 is a view showing a structure of a connection socket of a pipe of an elliptic underground heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
타원형의 지중열교환기의 파이프(즉, 지중열교환 파이프)를 시공 시, 상부 구조인 배관과 상기 파이프를 연결하기 어려우므로, 연결이 용이하도록 중간에 소켓형 접속 기구가 존재할 수 있다. When the pipe of the elliptical underground heat exchanger (i.e., the underground heat exchange pipe) is constructed, it is difficult to connect the piping, which is the upper structure, to the pipe.
도 13을 참고하면, 소켓형 접속 기구는 형상이 서로 다른 상부 배관과 타원형의 지중열교환 파이프를 중간에서 연결할 수 있다. 예컨대, 소켓형 접속 기구의 하부는 타원형의 지중열교환 파이프에 끼워지는 방식으로 연결되고, 융착을 통해 접속될 수 있다. 마찬가지로, 소켓형 접속 기구의 상부는 원형의 파이프 배관과 융착을 통해 연결될 수 있다. 이처럼, 소켓형 접속 기구를 기반으로 타원형의 지중열 교환 파이프 및 원형의 배관을 상호 연결함으로써, 한정된 보어홀 내에서 파이프와 토양과의 표면적은 증가시키면서 파이프 간 거리는 미리 지정된 일정 거리를 유지하도록 확보할 수 있다.Referring to Fig. 13, the socket-type connecting mechanism can connect the upper pipe of different shapes and the elliptical underground heat exchange pipe in the middle. For example, the lower portion of the socket-type connection mechanism may be connected in such a manner as to be fitted in an elliptic underground heat exchange pipe, and may be connected through fusion. Likewise, the upper portion of the socket-type connection mechanism can be connected to the circular pipe pipe by welding. Thus, by interconnecting the elliptical underground heat exchange pipe and the circular pipe on the basis of the socket-type connection mechanism, the surface area between the pipe and the soil in the limited bore hole is increased, and the distance between pipes is secured .
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA) , A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing unit may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.
소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (10)
상기 지중열교환기의 파이프의 단면 형상 별 수치 분석을 통해 설계하고자 하는 특정 형상을 결정하는 단계; 및
결정된 상기 특정 형상을 기반으로 상기 파이프의 단면을 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 파이프의 단면 형상은 원형 및 타원형의 형상을 포함하고,
상기 특정 형상을 결정하는 단계는,
상기 파이프의 단면이 원형 형상일 때의 특성 길이를 원형 파이프의 지름의 길이로서 계산하는 단계;
상기 파이프의 단면이 타원형 형상일 때의 특성 길이를 타원형 파이프의 단축의 길이 및 장축의 길이에 기초하여 계산하는 단계;
계산된 상기 원형 형상일 때의 특성 길이에 기초하여 열전달률을 계산하는 단계;
계산된 상기 타원형 형상일 때의 특성 길이에 기초하여 열전달률을 계산하는 단계; 및
계산된 상기 원형 형상에 해당하는 열전달률과 상기 타원형 형상에 해당하는 열전달률에 기초하여 상기 특정 형상을 원형 및 타원형 중 어느 하나로 결정하는 단계
를 포함하고,
상기 파이프의 단면을 설계하는 단계는,
상기 특정 형상이 타원형의 형상으로 결정된 경우, 상기 지중열교환기에 속하는 동일 보어홀(bore hole)을 대상으로, 파이프의 단면이 타원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리가 미리 정의된 오차범위 내에서 상기 단면이 원형 형상일 때의 입구와 출구 간의 거리와 동일하도록 설계하는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.A method of constructing a vertical closed-type geothermal heat exchanger,
Determining a specific shape to be designed through numerical analysis of the cross-sectional shape of the pipe of the underground heat exchanger; And
Designing a section of the pipe based on the determined specific shape
Lt; / RTI >
Wherein the cross-sectional shape of the pipe includes a circular and elliptical shape,
The step of determining the specific shape may include:
Calculating a characteristic length when the cross section of the pipe has a circular shape as a length of a diameter of the circular pipe;
Calculating a characteristic length when the cross section of the pipe has an elliptical shape based on the length of the minor axis and the length of the major axis of the elliptical pipe;
Calculating a heat transfer coefficient based on the calculated characteristic length of the circular shape;
Calculating a heat transfer coefficient based on the calculated characteristic length of the elliptical shape; And
Determining the specific shape as either a circular shape or an elliptical shape based on the calculated heat transfer coefficient corresponding to the circular shape and the heat transfer coefficient corresponding to the elliptical shape
Lt; / RTI >
The step of designing the cross-
Wherein when the specific shape is determined to be an elliptical shape, the distance between the inlet and the outlet, which corresponds to the elliptical shape of the cross section of the pipe, of the same bore hole belonging to the underground heat exchanger, Designed to be the same as the distance between the inlet and outlet when the section is circular
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
상기 특정 형상을 원형 및 타원형 중 어느 하나로 결정하는 단계는,
서로 다른 장축 및 단축의 비율을 갖는 상기 타원형의 형상을 갖는 파이프들을 대상으로, 지중채열량이 가장 높은 비율의 장축 및 단축 비율을 갖는 타원형의 형상을 상기 특정 형상으로 결정하는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.The method according to claim 1,
The step of determining the specific shape as either a circular shape or an elliptical shape may include:
Determining the shape of the elliptical shape having the major axis and the minor axis ratio at the highest ratio of the amount of underground reduction for the pipe having the elliptical shape having different major axis and minor axis ratio to the specific shape
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
상기 타원형의 형상으로 설계된 파이프는 형상이 원형일 때 대비 상대적으로 보어홀 내에서 파이프의 표면적이 증가되는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.The method according to claim 1,
The pipe designed in the elliptical shape is relatively increased in surface area of the pipe in the borehole when the shape is circular
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
상기 수치 분석은 FEFLOW 프로그램을 기반으로 수행되는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.The method according to claim 1,
The numerical analysis is based on the FEFLOW program
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
상기 파이프의 입구부터 출구 간의 형상이 W 형(W type), 더블 U 튜브형(double U tube), U 튜브형(U tube), 및 코일 형(Coil type) 중 어느 하나의 형상을 나타내는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.The method according to claim 1,
The shape between the inlet and the outlet of the pipe is one of a W type, a double U tube, a U tube, and a coil type
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
상기 지중열교환기의 파이프의 입구를 기준으로 미리 지정된 레이어(layer) 별 열원 온도는 상기 파이프의 입구로 주입된 순환수가 상기 파이프 안을 순환함에 따른 파이프 외벽과의 열 교환량에 기초하여 계산되는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기의 시공 방법.The method according to claim 1,
The heat source temperature for each layer previously designated with reference to the inlet of the pipe of the underground heat exchanger is calculated based on the amount of heat exchange with the pipe outer wall as the circulating water injected into the inlet of the pipe circulates in the pipe
Wherein the vertical airtight type submerged heat exchanger is installed in a vertical closed type submerged heat exchanger.
입구로 주입된 순환수를 출구를 통해 출수시키는 지중열교환기의 파이프(pipe); 및
상기 파이프를 둘러싸고 있는 보어 홀(bore hole)
을 포함하고,
상기 파이프의 단면은, 원형 파이프의 지름의 길이로서 계산된 상기 파이프의 단면이 원형 형상일 때의 특성 길이 및 상기 원형 형상일 때의 특성 길이에 기초하여 계산된 열전달률, 타원형 파이프의 단축의 길이 및 장축의 길이에 기초하여 계산된 상기 파이프의 단면이 타원형 형상일 때의 특성 길이, 그리고 상기 타원형 형상일 때의 특성 길이에 기초하여 계산된 열전달률을 기반으로 원형 및 타원형의 형상 중 어느 하나로 결정되고,
상기 지중열교환기의 파이프는, 상기 파이프의 단면이 상기 타원형의 형상으로 결정된 경우, 상기 지중열교환기에 속하는 동일 보어홀(bore hole)을 대상으로, 파이프의 단면이 타원형 형상에 해당하는 입구와 출구 간의 거리가 미리 정의된 오차범위 내에서 상기 단면이 원형 형상일 때의 입구와 출구 간의 거리와 동일하도록 설계되는 것
을 특징으로 하는 수직 밀폐형 지중열교환기.In a vertically-closed type underground heat exchanger,
A pipe of an underground heat exchanger for discharging the circulating water injected into the inlet through an outlet; And
A bore hole surrounding the pipe,
/ RTI >
The cross-section of the pipe is a heat transfer coefficient calculated on the basis of the characteristic length when the cross section of the pipe is circular and the characteristic length when the pipe is circular, which is calculated as the length of the diameter of the circular pipe, And the shape of the circular or elliptical shape based on the heat transfer coefficient calculated on the basis of the characteristic length when the cross section of the pipe is an elliptic shape and the characteristic length when the pipe is the elliptical shape And,
Wherein the pipe of the underground heat exchanger is designed so that when the cross section of the pipe is determined to be the elliptic shape, the cross-sectional shape of the pipe is the same between the inlet and the outlet corresponding to the elliptical shape, with respect to the same bore hole belonging to the underground heat exchanger. Designed so that the distance is equal to the distance between the inlet and the outlet when the section is circular in a predefined tolerance range
And a vertical airtight underground heat exchanger.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180068808A KR101935203B1 (en) | 2018-06-15 | 2018-06-15 | High Efficient Elliptical Ground Heat Exchanger and Its Installation Method |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101935203B1 true KR101935203B1 (en) | 2019-01-03 |
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ID=65021841
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101935203B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210100440A (en) | 2020-02-06 | 2021-08-17 | 부산대학교 산학협력단 | Installation Method of a Multi-layer Low-depth Ground Heat Exchanger |
-
2018
- 2018-06-15 KR KR1020180068808A patent/KR101935203B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 황석호, 송두삼, '지중열 교환기의 종류에 따른 열전달 성능에 관한 연구', 한국생태환경건축학회논문집, Vol.10, No.4, pp.75-80* |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210100440A (en) | 2020-02-06 | 2021-08-17 | 부산대학교 산학협력단 | Installation Method of a Multi-layer Low-depth Ground Heat Exchanger |
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