KR101998637B1 - 복합 난류형 지중 열교환시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합 난류형 지중 열교환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴착공의 내부에 수직 설치되는 내관유닛을 수개의 내관(합성수지관)과 소켓을 연결하여 구성하되, 소켓의 외주면에 직삼각형태의 경사돌기를 간격을 두고 원주방향으로 설치하며, 지상에서 열교환한 후 지중으로 되돌아오는 지하수가 상부연결관의 연직 중심방향에 대해 나선방향으로 흡입되어 운동하게 함으로써, 나선방향의 회전관성력에 의해 나선방향으로 선회하면서 하측방향으로 운동하다가 상기 수개의 경사돌기의 경사면에 의해 선회운동 방향으로도 복합 난류를 발생시켜서 열교환 효율을 크게 상승시키고, 내관유닛의 시공이 간편하게 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명은 지하의 암반 사이로 흐르는 온냉의 지하수를 끌어올려 열교환기를 통과해 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 지표면(1)으로부터 지하를 굴착하여 굴착공(4)을 형성하며, 이 굴착공(4)에는 상측으로부터 하측으로 지표면(1)의 상측으로 상면이 노출되는 상부캡(5)과, 상부연결관(6), 그리고 외부케이싱(7)이 차례로 연결되어 삽입 설치되며, 상부연결관(6)에서부터 굴착공(4)의 하측까지 하측에 스트레이너(14)가 구비된 내관유닛(8)이 삽입 설치되고, 내관유닛(8)의 내측에 내관유닛(8)의 지하수를 열교환기(2)로 펌핑하는 심정펌프(11)가 설치되며, 상부연결관(6)의 내부로는 열교환기(2)를 통과한 지하수를 환수시키는 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)에 있어서, 상기 상부연결관(6)에는 열교환기(2)의 지하수를 상부연결관(6)의 내부로 공급하는 환수관(13)의 단부가 상부연결관(6)의 접선방향으로 내측으로 삽입되며, 그 환수관(13)의 내측 단부에는 나선형으로 감기는 감김수가 1회 내외의 길이로 형성되는 나선형 연결관(15)이 하측을 향하도록 경사지게 연결 설치되고, 상기 내관유닛(8)은 4~6미터 길이의 합성수지관을 전 길이에 걸쳐 연결 설치되는 다수개의 내관(9)이 각각의 소켓(10,10a)에 의해 연결하여 구성되고, 상기 소켓(10)은 상하로 내관(9)이 끼워지는 소켓본체(16)의 외주연에 원주방향으로 수개의 직각삼각형 형태의 경사돌기(17,17a)를 간격을 두고 형성되며, 상기 경사돌기(17,17a)는 상측은 낮고 하측이 높은 경사면으로 형성되는 구성이 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 난류형 지중 열교환시스템{Combined turbulent type ground heat exchange system}

본 발명은 복합 난류형 지중 열교환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴착공의 내부에 수직 설치되는 내관유닛을 수개의 내관(합성수지관)과 소켓을 연결하여 구성하되, 소켓의 외주면에 직삼각형태의 경사돌기를 간격을 두고 원주방향으로 설치하며, 지상에서 열교환한 후 지중으로 되돌아오는 지하수가 상부연결관의 연직 중심방향에 대해 나선방향으로 흡입되어 운동하게 함으로써, 나선방향의 회전관성력에 의해 나선방향으로 선회하면서 하측방향으로 운동하다가 상기 수개의 경사돌기의 경사면에 의해 선회운동 방향으로도 복합 난류를 발생시켜서 열교환 효율을 크게 상승시키고, 내관유닛의 시공이 간편하게 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다.

일반적인 지하수를 이용한 지열시스템은 지하수공(굴착공)을 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 교환하는 것을 통칭하는 것으로써, 일반적으로 지표면 하부를 350~500미터 내외의 깊이로 굴착하여 굴착공을 형성하고, 이곳에 열교환을 위하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프(양수관)를 설치하여 지하수를 양수한 후, 지하수가 갖고 있는 열을 지상의 열교환기나 히트펌프를 사용하여 열을 교환한다.

이렇게 열 교환된 지하수는 냉난방에 따라 그 온도가 높거나 낮아지는데 이런 지하수를 다시 환수관을 통하여 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 사용하고 있다.

이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 내부로 유입되어 지하수 심정 하부까지 흐르게 되면서 지중과 다시 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 높아진 상태를 유지하게 되는 사이클이 지속적으로 반복되어 지는 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 필수적인 시설은 바로 굴착된 지하수 심정 내부에 설치되는 내부케이싱 자재인 내관유닛을 지하수 굴착공 하부까지 설치하고, 그 하부에 스트레이너를 설치하여 내관유닛 안에 설치된 심정펌프를 이용하여 지하수를 양수하여 지상에서 열 교환시키고, 열 교환된 지하수를 굴착공 내부로 환수하도록 되어 있다.

또한, 지열을 이용하기 위한 지하수 심정은 일반 지하수 심정과는 달리 지하수를 양수하여 사용함으로써 없어지는 것이 아니라, 단지 지하수가 보유한 열량만을 열 교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 지하수 굴착공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있는 것이다.

현재 사용되어지고 있는 지하수를 이용한 지열시스템 중에 지하수를 환수시키는 방법은 보편적으로 환수되어지는 지하수가 지하수벽에 부딪쳐서 낙수되어지는 방법을 흔히 사용하고 있는데, 이는 350~500미터에 이르는 매우 깊은 굴착공의 내측 상부에서 하측으로 곧바로 내려감에 따라 열 교환효율이 좋지 못한 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 감안하여 지하수의 낙하속도를 느리게 하는 기술이 개발되었는데, 이는 특허등록 제10-1483114호(발명의 명칭 : 열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기)의 발명이 등록특허공보에 의해 알려지고 있다.

상기 종래발명은 본 발명의 내관유닛과 대응되는 구성요소가 되는 공급관의 외부에 스크류 형태의 나선돌기를 설치함으로써, 건물의 히트펌프로부터 환수관을 통해서 지중으로 환수된 유체(지하수)가 지중을 흐를 때 나선돌기를 따라 흐르면서 난류형태의 흐름을 가지게 되고, 그에 따라 지하수와 더욱 잘 섞이게 됨은 물론이고, 굴착공 내벽과 지하수의 접촉이 더욱 증가되어 그 만큼 지하수에 대한 열교환 효율이 증대되도록 하였다.

그러나, 이는 350~500미터로 그 길이가 매우 긴 공급관의 외주연 전둘레의 전길이에 걸쳐 스크류 형태의 나선돌기(스크류날개)를 설치하는 작업이 매우 어렵고 제작비용이 증가되는 문제가 있고, 350~500미터로 그 길이가 매우 긴 공급관의 외주연 전둘레의 전길이에 걸쳐 스크류 형태의 나선돌기가 설치하는 경우에 나선돌기를 나선형으로 설치하는 각도에 따라 차이가 있지만 나선돌기(유로)의 전체길이가 3~4배만큼 길어져서 최장 2,000미터 만큼 매우 길어지게 된다.

위와 같이 나선형 유로의 길이가 길어지는 만큼 지하수가 흐르는 과정에서 마찰저항이 생겨서 지하수의 흐름이 원활하지 못하게 되어 심정펌프의 용량이 큰 것을 적용해야 하나, 지름이 10㎝ 내외로 크지 않은 공급관의 내측에 원하는 바대로 큰 용량의 심정펌프를 사용하지 못하게 되어 결국에는 심정펌프에 부하가 계속되어 심정펌프의 수명이 단축되는 문제와, 높은 용량의 심정펌프가 존재한다고 해도 전력소비량이 많아져서 에너지 절약을 위해 시공하는 지하수를 이용한 지열시스템의 시공목적에 부합되지 않는 문제가 있었다.

그리고, 350~500미터의 길이로 굴착공을 굴착했을 때, 지반에 굴착하는 굴착공이 똑 바르게 굴착되지 않고 부분적으로 울퉁불퉁하게 형성되거나 휘어서 형성되게 되지만, 외주면에 나선돌기를 설치한 공급관은 1자 형태로 똑바르게 형성되어서 1자 형태로 똑바른 공급관을 내면이 부분적으로 울퉁불퉁한 굴착공에 삽입시키지 못하는 실정이어서 외주연에 나선돌기를 설치한 공급관은 현실적으로 시공이 불가능한 문제를 지니고 있는 것이다.

특허등록 제10-1483114호(발명의 명칭 : 열교환 효율 향상을 위한 난류형성 촉진 구성의 개방형 지중열교환기)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 굴착공의 내부에 수직 설치되는 내관유닛을 수개의 내관(합성수지관)과 소켓을 연결하여 구성하되, 소켓의 외주면에 직삼각형태의 경사돌기를 간격을 두고 원주방향으로 설치하며, 열교환기를 통해서 나오는 지하수가 상부연결관의 내벽면을 따라 나선형 하측으로 유입되게 함으로써, 상부연결관으로 유입되는 지하수가 나선방향으로 관성력을 가지고 하측으로 내려오다가 상기 수개의 경사돌기의 경사면을 따라 이동하면서 복합 난류를 발생시켜서 열교환 효율을 상승시키고, 내관유닛의 시공이 간편하게 이루어질 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지하의 암반 사이로 흐르는 온냉의 지하수를 끌어올려 열교환기를 통해 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 지표면으로부터 지하를 굴착하여 굴착공을 형성하며, 이 굴착공에는 상측으로부터 하측으로 지표면의 상측으로 상면이 노출되는 상부캡과, 상부연결관, 그리고 외부케이싱이 차례로 연결되어 삽입 설치되며, 상부연결관에서부터 굴착공의 하측까지 하측에 스트레이너가 구비된 내관유닛이 삽입 설치되고, 내관유닛의 내측에 내관유닛의 지하수를 열교환기로 펌핑하는 심정펌프가 설치되며, 상부연결관의 내부로는 열교환기를 통과한 지하수를 환수시키는 복합 난류형 지중 열교환시스템에 있어서, 상기 상부연결관에는 열교환기의 지하수를 상부연결관의 내부로 공급하는 환수관의 단부가 상부연결관의 접선방향으로 내측으로 삽입되며, 그 환수관의 내측 단부에는 나선형으로 감기는 감김수가 1회 내외의 길이로 형성되는 나선형 연결관이 하측을 향하도록 경사지게 연결 설치되고, 상기 내관유닛은 4~6미터 길이의 합성수지관을 전 길이에 걸쳐 연결 설치되는 다수개의 내관이 각각의 소켓에 의해 연결하여 구성되고, 상기 소켓은 상하로 내관이 끼워지는 소켓본체의 외주연에 원주방향으로 수개의 직각삼각형 형태의 경사돌기를 간격을 두고 형성되며, 상기 경사돌기는 상측은 낮고 하측이 높은 경사면으로 형성되는 구성이 포함되는 것을 특징으로 하며, 다른 실시예로서 상기 경사돌기의 경사면에는 나선방향으로 기울여지게 비틀림경사부가 형성되며, 상기 비틀림경사부가 나선형 연결관의 비틀어진 방향과 동일한 방향으로 비틀어지게 형성되는 구성이 포함되는 것을 특징으로 한다.

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이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 복합 난류형 지중 열교환시스템은, 굴착공의 내부에 수직 설치되는 내관유닛을 수개의 내관(합성수지관)과 소켓을 연결하여 구성하되, 소켓의 외주면에 직삼각형태의 경사돌기를 간격을 두고 원주방향으로 설치하며, 열교환기를 통과해서 나오는 지하수가 상부연결관의 내벽면을 따라 나선형 하측으로 유입되게 함으로써, 상부연결관으로 유입되는 지하수가 나선방향으로 관성력을 가지고 하측으로 내려오다가 상기 수개의 경사돌기의 경사면을 따라 내려가면서 복합 난류를 발생시켜서 열교환 효율을 상승시키는 효과와, 내관유닛의 시공이 간편하게 이루어지는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 난류형 지중 열교환시스템을 나타내는 도면.
도 2의 (가)(나)는 본 발명에 포함되는 상부연결관으로 지하수가 나선형으로 유입되는 것을 나타내는 정단면도 및 평단면도.
도 3의 (가)(나)는 본 발명에 포함되는 소켓의 사시도와, 그 소켓의 설치상태를 나타내는 단면도.
도 4의 (가)(나)는 본 발명에 포함되는 소켓에 형성되는 경사돌기의 일실시예를 나타내는 사시도와, 그 일실시예의 경사돌기가 형성된 소켓 설치부에서의 작용관계를 나타내는 단면도.
도 5는 도 4의 C-C선 단면도.
도 6의 (가)(나)는 본 발명에 포함되는 소켓에 형성되는 경사돌기의 이실시예를 나타내는 사시도와, 그 일실시예의 경사돌기가 형성된 소켓 설치부에서의 작용관계를 나타내는 단면도.
도 7은 도 6의 D-D선 단면도.

이하, 본 발명에 따른 복합 난류형 지중 열교환시스템에 대하여 첨부된 도면 도 1 내지 도 7을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 복합 난류형 지중 열교환시스템은 도 1에서 보는 바와 같이 지하의 암반 사이로 흐르는 온냉의 지하수를 끌어올려 열교환기를 통과해 열교환이 이루어지도록 하는 것이다.

상기 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)은 지표면(1)으로부터 지하를 굴착하여 굴착공(4)을 형성하며, 이 굴착공(4)에는 상측으로부터 하측으로 지표면(1)의 상측으로 상면이 노출되는 상부캡(5)과, 상부연결관(6), 그리고 외부케이싱(7)이 차례로 연결되어 삽입 설치된다.

이때, 굴착공(4)의 깊이는 지하수가 존재하여 열교환이 충분히 이루어질 수 있을 만큼의 깊이로 굴착하는데 경제적인 측면과 천공부지의 크기를 감안하여 통상적으로 300~500미터(도 1의 "B"참조) 내외의 깊이로 굴착하며, 상기 상부캡(5)과 상부연결관(6), 외부케이싱(7)이 연결되는 관체는 상측 지표면(1)을 포함한 토사층에서부터 암반층이 나올 만큼의 깊이로 삽입 설치하는데, 이는 토사층까지 외부케이싱(7)을 설치하여 토사층의 토사가 외부케이싱(7) 하측의 암반층으로 흘러내려 그 암반층을 메우지 않도록 하기 위함이다.

상기 상부연결관(6)으로부터 굴착공(4) 하부 바닥과 근접한 위치까지 내관유닛(8)이 삽입 설치되며, 상기 내관유닛(8)은 다수개의 내관(9)을 소켓(10)으로 연결하여 구성하며, 상기 내관(9)은 4~6미터 길이의 합성수지관을 전 길이에 걸쳐 연결 설치하는 것이 바람직하다.

그 이유는 공장에서 생산되어 나오는 PVC관이 4~6미터 길이로 절단되어 판매되므로 2차 가공 없이 곧바로 사용할 수 있고, 4~6미터 길이의 PVC관을 300~500미터로 연결 했을 때 전체적으로 플렉시블하게 구부려져서 굴착공(4)이 울퉁불퉁하거나 휜 경우에도 하부까지 삽입이 용이하기 때문이다.

그리고, 상기 내관(9) 중에서 상부측에 설치되는 내관(9)의 내부에는 심정펌프(11)가 삽입된 상태에서 심정펌프(11)와 지상에 설치되는 열교환기(2)의 사이에는 굴착공(4) 내측의 지하수를 열교환기(2)측으로 양수하는 양수관(12)이 연결되고, 상부연결관(6)과 열교환기(2)의 사이에는 지상에서 사용한 물을 굴착공(4)으로 유입시키는 환수관(13)이 연결 설치된다.

또한, 열교환기(2)의 일측 소정위치에는 히트펌프(3)가 연결 설치되어 지상에서 필요로 하는 냉난방수를 이용하게 되고, 굴착공(4)으로 삽입 설치된 내관(9) 중의 하측에 위치하는 내관(9)에는 굴착공(4) 내의 이물질을 걸러주어 지하수만 열교환기(2)측으로 양수하게 되는 스트레이너(14)가 구비되어 있다.

상기 환수관(13)은 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 상부연결관(6)의 접선방향으로 상부연결관(6)의 내측으로 삽입되며, 그 환수관(13)의 내측 단부에는 단부가 나선형으로 감긴 나선형 연결관(15)이 하측으로 경사지게 연결 설치되어 있다.

이때, 상기 나선형 연결관(15)은 나선형으로 감기는 감김수가 1회 내외의 길이로 형성함으로써, 나선형 연결관(15)을 통하여 굴착공(4)의 내부로 분사되는 환수가 나선형 연결관(15) 내부를 돌아 나올 때 관성력이 생겨 그 관성력으로 강하게 분사 배출 될 수 있게 한다.

그리고, 상기 소켓(10)의 일실시예는 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 상하로 내관(9)이 끼워지는 소켓본체(16)의 외주연에 원주방향으로 수개의 직각삼각형 형태의 경사돌기(17)를 간격을 두고 형성하되, 상측이 낮고 하측이 높게 경사부가 형성된다.

이를 다시 설명하면 수개의 경사돌기(17)가 형성된 외주면의 지름이 상측은 소켓본체(16)와 동일하지만 하측으로 갈수록 외경이 커지는 것을 의미하는 것이다.

도 6 및 도 7에 도시된 소켓(10a)의 이실시예는 도 3 내지 도 5에 도시된 일실시예에 의한 소켓(10)과 전체적으로 유사하나, 이실시예에 의한 소켓(10a)에 형성되는 경사돌기(17a)가 나선형 연결관(15)이 비틀어진 방향과 동일한 방향으로 비틀어지게 형성된 것만 일실시예와 다르고, 나머지 구성은 일실시예와 동일하므로 동일한 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하며, 이실시예에서의 비틀어진 경사면을 비틀림경사부(18)라고 칭한다.

즉, 상기 경사돌기(17a)가 비틀어 졌다고 표현하는 것은 경사돌기(17a)의 하부측의 높이가 일측은 높고 타측은 낮게 형성된 것을 그렇게 표현한 것이다.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 작용관계를 도 1 내지 도 7을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)을 시공하고자 하는 경우에는 지표면(1)으로부터 지하를 천공기(시추기)로 굴착하는데, 이때는 공지된 천공기는 원기둥형 천공드릴을 장착하고 유압 또는 공압을 이용하여 드릴을 회전, 타격시켜 지하 토양 및 암반 등을 주로 연직 방향으로 굴착하고, 굴착 과정에서 발생하는 토사는 공압 등을 이용하거나 지하수를 이용하여 굴착공 상측으로 이송시키면서 지반을 원형홀 형태로 굴착하게 되며, 초기에는 지표면으로부터 토사층을 굴착하고 뒤이어 더 깊이 토사층 아래의 암반층까지 굴착되게 된다.

위와 같이 굴착공(4)을 굴착 형성하기 전에 상부캡(5)과 상부연결관(6)이 삽입될 수 있을 만큼의 깊이로 구덩이를 판 뒤에 굴착공(4)을 형성하는 것도 무방하며, 이러한 작업은 작업환경에 맞게 굴착공(4)을 굴착한 뒤에, 상측에 구덩이를 파는 것도 무방하다.

상기 굴착공(4)의 깊이는 여건에 따라 달라질 수 있는데, 통상적으로 도 1의 "B"와 같이 소정 수위의 지하수가 존재하고 지중의 연중 온도가 15도 정도로 거의 일정한 깊이인 10~15미터 이상에서 경제적인 측면과 천공부지의 크기를 감안하여 통상 300~500여 미터를 굴착하게 된다.

이렇게 목적하는 바만큼의 굴착공(4)을 굴착하고 난 뒤에는 굴착공(4)의 내부로 외부케이싱(7)을 삽입시키되, 외부케이싱(7)의 하단부가 토사층을 관통하여 암반층이 조금 지난 위치까지 삽입시키는데, 외부케이싱(7)을 암반층이 조금 지난 위치까지 삽입시키는 것은 토사층이 외부케이싱(7)에 커버되어 토사층의 토사가 암반층 측으로 흘러내려가지 않도록 하기 위한 것이다.

그 다음에 외부케이싱(7)의 상부에 상부연결관(6)을 연결 설치하는데, 상부연결관(6)에 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 상부연결관(6)의 외측으로 환수관(13)이 설치되고 상부연결관(6)의 내측으로 삽입된 환수관(13)의 단부에는 나선형 연결관(15)이 연결된 상태로 상부연결관(6)을 외부케이싱(7)의 상부에 연결 설치하며, 환수관(13)의 지상으로 노출된 상단부는 열교환기(2)와 연결한다.

그 뒤에 상부연결관(6)에서부터 굴착공(4)의 하부까지 내관유닛(8)을 삽입 설치하는데, 이 내관유닛(8)은 다수개의 내관(9)과 다수개의 소켓(10)이 연결된 것으로 하단부측 내관(9)은 스트레이너(14)가 구비된 것을 연결 하여 구성되며, 이 내관유닛(8)의 전체길이는 상부가 상부연결관(6) 측에 위치할 만큼의 길이로 연결하여 삽입시킨다.

이때, 상기 다수의 내관(9)은 PVC관과 같은 합성수지재관으로 1개의 길이가 4~6미터의 것을 소켓(10)으로 다수개를 연결한 것임에 따라 굴착공(4)이 똑 바르지 않은 경우에도 내관유닛(8)이 휘면서 똑 바르지 않은 굴착공(4)으로도 하측까지 원활하게 삽입이 이루어지게 된다.

이 상태에서 하단부에 심정펌프(11)가 설치된 양수관(12)이 설치되는 상부캡(5)을 상부연결관(6)의 상부에 설치하되, 상부캡(5)은 지표면(1)의 상측으로 노출되게 설치하며, 양수관(12)의 상측 단부는 열교환기(2)에 연결하고, 상부캡(5)과 상부연결관(6)이 삽입될 깊이만큼 굴착한 구덩이에 토사를 메워서 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)의 설치작업을 완료한다.

상기 심정펌프(11)가 설치되는 깊이는 지하수가 잠길만큼의 깊이로 설치해야 하며, 환수관(13)의 설치깊이는 지하수가 나오는 지형에 따라 다르지만 도 1의 "A"와 같이 대략 5~10미터 정도의 깊이가 된다.

이와 같이 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)에 대한 설치작업이 완료되면, 굴착공(4)이 "B"와 같이 지형에 따라 다르지만 300~500미터의 깊이로 굴착되어서 적어도 심정펌프(11)가 잠길 만큼의 지하수가 굴착공(4) 내에 차있게 된다.

이 상태에서 심정펌프(11)가 가동되게 되면, 굴착공(4)에 차있던 지하수가 심정펌프(11)의 펌핑압력에 의해 양수관(12)을 통하여 열교환기(2)로 양수되고, 열교환기(2)로 양수된 지하수의 온도를 이용하여 필요로 하는 냉난방을 하게 되며, 열교환기(2)에서의 냉난방수로 활용하여 온도변화가 생긴 물은 환수관(13)을 통하여 상부연결관(6)의 내부로 분사 공급되게 된다.

상기 상부연결관(6)으로 분사 공급되는 환수는 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 상부연결관(6)의 내주연을 따라 나선형으로 설치된 나선형 연결관(15)을 통하여 상부연결관(6)의 내측으로 분사되는데, 이 나선형 연결관(15)이 나선형으로 하측을 향하도록 설치되고 심정펌프(11)의 펌핑압력으로 분사되어 관성력을 가지고 나선형 하측으로 분사된다.

이렇게 나선방향으로 분사되는 환수는 하측으로 나선형으로 돌면서 내려오다가 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 일부는 경사돌기(17) 쪽으로 안내되어 내려오고, 또 다른 일부는 경사돌기(17)사이로 내려가게 된다.

경사돌기(17) 쪽으로 안내되어 내려오는 환수는 직각삼각형 형태로 경사면이 하측으로 갈수록 외향 경사지게 형성되면서 단부가 직각으로 단턱지게 형성되어서 경사돌기(17)의 하측에서 와류가 형성되어 경사돌기(17)의 경사면을 따라 내려온 환수가 경사돌기(17)의 직하방에서 정체되면서 그 주변의 물과 섞이게 되어 주변의 온도와 열교환이 이루어진다.

이때, 상기 나선형 연결관(15)에 의해 내려오는 환수는 나선형으로 회전하면서 체류되어 내려오는 동시에 환수는 경사돌기(17)의 경사면에서 직하방으로 직진하는 것이 아니라 경사방향으로 안내되면서 내려오고, 경사돌기(17)에서는 측면에서도 작은 와류가 발생하고 경사도가 큰 하측에서는 큰 와류가 발생하여 경사돌기(17)의 양측과 하부에서 다양한 방향과 다양한 크기의 와류가 발생하여 복합 난류를 형성하게 된다.

따라서 경사돌기(17)들의 사이로 내려오는 환수와 경사돌기(17)에서 형성되는 와류가 섞이면서 열교환이 쉽게 이루어지며, 이렇게 열교환된 환수는 하측의 스트레이너(14)를 통하여 심정펌프(11)의 펌핑압력에 의해 내관유닛(8)의 내측을 통하여 상측으로 양수되게 되면서 열교환기(2)로 유입되게 되는 것이다.

도 5 및 도 7에 도시된 이실시예에 의한 경사돌기(17a)는 그 높이가 어느 한쪽으로 기울어지게(비틀리게) 형성되어서 비틀림경사부(18)에서도 비틀림경사부(18)가 비틀어진 만큼 비틀어지는 각도로 환수가 경사지게 내려오면서 경사돌기(17a)를 벗어나 높이가 낮은 부위에서 크고 작은 와류가 계속적으로 발생되어 환수가 부분적으로 정체되면서 주변의 지하수와 잘 섞여 열교환 효율이 상승되게 되는 것이다.

위에서 본 발명에 대하여 설명하는 과정에서 열교환기(2)를 통하여 나오는 물을 지하수 및 환수로 함께 기재하고, 열교환기(2)에서 나오는 물을 상부연결관(6)으로 공급하는 것도 환수 및 공급으로 기재하였음을 밝혀둔다.

1 : 지표면 2 : 열교환기 3 : 히트펌프
4 : 굴착공 5 : 상부캡 6 : 상부연결관
7 : 외부케이싱 8 : 내관유닛 9 : 내관
10,10a : 소켓 11 : 심정펌프 12 : 양수관
13 : 환수관 14 : 스트레이너 15 : 나선형 연결관
16 : 소켓본체 17,17a : 경사돌기 18 : 비틀림경사부
100 : 복합 난류형 지중 열교환시스템

Claims (5)

1. 지하의 암반 사이로 흐르는 온냉의 지하수를 끌어올려 열교환기를 통과해 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 지표면(1)으로부터 지하를 굴착하여 굴착공(4)을 형성하며, 이 굴착공(4)에는 상측으로부터 하측으로 지표면(1)의 상측으로 상면이 노출되는 상부캡(5)과, 상부연결관(6), 그리고 외부케이싱(7)이 차례로 연결되어 삽입 설치되며, 상부연결관(6)에서부터 굴착공(4)의 하측까지 하측에 스트레이너(14)가 구비된 내관유닛(8)이 삽입 설치되고, 내관유닛(8)의 내측에 내관유닛(8)의 지하수를 열교환기(2)로 펌핑하는 심정펌프(11)가 설치되며, 상부연결관(6)의 내부로는 열교환기(2)를 통과한 지하수를 환수시키는 복합 난류형 지중 열교환시스템(100)에 있어서,
   상기 상부연결관(6)에는 열교환기(2)의 지하수를 상부연결관(6)의 내부로 공급하는 환수관(13)의 단부가 상부연결관(6)의 접선방향으로 내측으로 삽입되며, 그 환수관(13)의 내측 단부에는 나선형으로 감기는 감김수가 1회 내외의 길이로 형성되는 나선형 연결관(15)이 하측을 향하도록 경사지게 연결 설치되고,
   상기 내관유닛(8)은 4~6미터 길이의 합성수지관을 전 길이에 걸쳐 연결 설치되는 다수개의 내관(9)이 각각의 소켓(10,10a)에 의해 연결하여 구성되고,
   상기 소켓(10)은 상하로 내관(9)이 끼워지는 소켓본체(16)의 외주연에 원주방향으로 수개의 직각삼각형 형태의 경사돌기(17,17a)를 간격을 두고 형성되며, 상기 경사돌기(17,17a)는 상측은 낮고 하측이 높은 경사면으로 형성되는 구성이 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 난류형 지중 열교환시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 경사돌기(17a)의 경사면에는 나선방향으로 기울여지게 비틀림경사부(18)가 형성되며, 상기 비틀림경사부(18)가 나선형 연결관(15)의 비틀어진 방향과 동일한 방향으로 비틀어지게 형성되는 구성이 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 난류형 지중 열교환시스템.
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