KR102579033B1 - 수직방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미활용된 열에너지나, 비난방기간의 태양열 시스템에 남는 잉여 열에너지와 같은 잔여 열에너지를 지중에 열 저장 하고 난방기간에 히트펌프의 열원으로 활용하기 위한 기술에 관한 것으로, 수평 열교환기와 수직 열교환기를 수직하게 배치하고, 제어에 따라 각 수평 열교환기와 수직 열교환기를 독립 또는 연결하는 것을 제어함으로써, 히트펌프의 난방 운전 성능을 향상시키며 열손실을 최소화한 수직방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법을 제공한다.

Description

수직방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법{Vertical Type Hybrid Ground Heat Exchanger and Laying Method Thereof}

본 발명은 수직방식의 하이브리드 지중열교환기와 이를 지하에 매설하는 방법에 관한 것이다.

최근에 가정이나 산업체에서 냉난방에 사용되는 에너지원으로 각종 공해 물질이나 환경오염이나 기후변화에 거의 영향을 미치지 않는, 지열, 태양광, 풍력, 조력, 파력, 바이오디젤, 바이오 연료, 폐기물 등을 이용하는 신재생 에너지를 이용한 재생가능 에너지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 중, 지중의 온도를 이용하는 지열에너지는 지구에 저장된 지하수 및 지하의 열을 이용한 에너지로, 태양 에너지를 기반으로 사용되는 대부분의 신재생 에너지에 비해, 태양 에너지의 영향을 적게 받기 때문에 24시간 연속으로 가동할 수 있다는 장점이 있으며, 날씨에 크게 영향을 받지 않는다는 장점이 있어, 지열에너지를 활용한 에너지발전에 대해 지속적으로 연구 및 개발이 진행되고 있다.

지열교환기는 지열에너지를 이용하여 열에너지를 필요한 장치로 이동시키며 가정이나 산업체에 냉난방을 수행하는 것으로, 지열을 회수하기 위한 작동유체가 유동하는 열교환 파이프와, 열교환 파이프로부터 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시키는 히트펌프를 포함하여 구성되며, 열교환 파이프 및 히트펌프의 작동으로 인해 열에너지가 이동하며 냉난방을 수행하는 것을 특징으로 한다. 지열교환기는 일반적으로 지표 하부를 굴착하여 열교환 파이프를 매립하고, 작동유체를 공급하기 위한 히트펌프는 지상에 구비하는 것으로 설치될 수 있으며, 작동유체의 유동에 의해 지중에 매립된 열교환파이프와 지열이 열교환하는 것으로 열에너지를 변환하여 지중에 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 지열교환기는 신재생에너지 설비로부터 생산된 열에너지 중에 열부하와의 차이에 의해 소비되지 못한 미활용된 열에너지를 활용하기 위해 사용될 수 있으며, 잉여 열에너지에 대해 지열교환기를 통해 지중으로 이동시켜 저장하고, 필요시 지상으로 이동시키며 열에너지를 사용할 수 있어, 신재생 에너지의 활용률을 향상시킬 수 있는 장치로 활용될 수 있다.

그러나, 이러한 지열교환기는, 열교환 파이프의 설치 깊이와 종류에 따라 설치비용이 크게 차이가 나며, 일반적으로 사용되는 기존의 얕은 깊이의 지열교환기는 설치비용이 낮아지는 장점이 있으나, 하부로 열손실이 발생하여 열효율이 떨어지며, 열교환 파이프가 설치되는 깊이가 깊지 않아 단위 대지 면적 당 설치할 수 있는 축열 용량이 적어, 운용에 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 수평의 지열교환기와 수직의 지열교환기를 함께 사용함으로써, 수평의 지열교환기로부터 손실되는 열에너지에 대해서 수직의 열교환기가 서로 보완하도록 구성하여, 효율적으로 열에너지를 이용할 수 있어, 열손실을 최소화하며 효율적인 지표면적을 활용하여 축열 용량을 향상시키는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 수직방식의 하이브리드 지중열교환기는 지중으로부터 일정 깊이에서 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀(110)에 각각 삽입되며 설치되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수직 열교환기(100); 이웃하는 상기 수직 열교환기(100)를 서로 연결하는 제1 지중 연결관(121)과, 지상 배관과 상기 수직 열교환기(100)를 연결하는 제1 지상 연결관(122)을 포함하는 제1 연결관(121, 122); 상기 수직 열교환기(100)의 상측에서 지면과 수평 방향으로 나열되며 적층되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수평 열교환기(200); 지상 배관과 상기 수평 열교환기(200)를 연결하는 제2 지상 연결관(211)을 포함하는 제2 연결관; 상기 제1 지상 연결관(122)의 어느 일측과 상기 제2 지상 연결관(211)의 어느 일측을 연결하는 순환 배관(300); 상기 순환 배관(300) 상에 구비되어, 제어에 따라 상기 제1 지상 연결관(122)과 상기 제2 지상 연결관(211)을 연통 및 차단하는 순환 밸브(310); 및 상기 순환 밸브(310)를 제어하여 상기 순환 배관(300)을 개방 및 차단하는 제어부;를 포함한다.

이때, 상기 제어부는, 상기 순환 밸브(310)가 차단되어, 작동유체가 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)에 서로 독립적으로 순환되며, 상기 수직 및 수평 열교환기(200) 중 적어도 어느 하나에서 선택적으로 작동유체를 유동시키는 제1 순환방식과, 상기 순환 밸브(310)가 개방되어, 작동유체가 상기 순환배관을 통해 상기 수직 열교환기(100) 및 수평 열교환기(200)를 순환하는 제2 순환방식을 포함하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 순환방식은 작동유체가 상기 수직 열교환기(100)를 먼저 순환한 후, 상기 순환배관을 통해 상기 수평 열교환기(200)로 유입되도록 순환하며 지중의 열을 방열하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 순환방식은, 상기 수평 열교환기(200)를 통해 작동유체를 순환시키며 지중에 축열하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 계절에 따라 상기 제1 순환방식 및 제2 순환방식 중 어느 하나를 선택하여 신호로 생성하는 것을 특징으로 하며, 여름에는, 상기 제1 순환방식이 선택되어 작동되고, 겨울에는, 상기 제2 순환방식이 선택되어 작동되는 것을 특징으로 한다.

상기 수평 열교환기(200)는, 상면 및 측면에 단열재(410, 411)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평 열교환기(200)는 1.5 m ~ 2m 깊이 이내에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 수직방식의 하이브리드 지중열교환기를 지중에 설치하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법은, 소정 깊이로 일정 면적의 지중의 흙을 제거하여 공간을 형성하고, 일정 길이의 복수의 상기 보어홀(110)을 상기 공간의 바닥에서 지중에 수직하게 삽입하는 보어홀(110) 삽입 단계; 상기 공간의 측면에 각각 단열재(410)를 배치하는 측면 단열재 배치 단계; 상기 보어홀(110)에 상기 수직 열교환기(100)를 각각 삽입하고, 상기 제1 지중 연결관(121)으로 복수의 상기 수직 열교환기(100)를 연결하며, 상기 제1 지상 연결관(122)으로 상기 수직 열교환기(100)과 지상 배관을 연결하고, 상기 보어홀(110)의 상면을 흙으로 덮는 수직 열교환기(100) 배관 연결 단계; 상기 공간에 상기 수평 열교환기(200)를 적층하고, 상기 수평 열교환기(200)와 제2 지상 연결관(211)과 연결하며, 상기 수평 열교환기(200)의 상면을 흙으로 덮는 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계; 및 상기 수평 열교환기(200)의 상부에 단열재(420)를 배치하는 상면 단열재 배치 단계;를 포함한다.

이때, 상기 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계에서, 상기 제2 지상 연결관(211)과 상기 수평 열교환기(200)를 연결한 후에, 상기 순환배관 및 제1밸브를 설치하고, 상기 수평 열교환기(200)의 상면에 흙을 덮는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공간은 1.5 m ~ 2m의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수직방식의 하이브리드 지중열교환기 및 그의 매설방법은 제한된 부지 면적에 대해 수직의 열교환기와 수평의 열교환기를 혼합적으로 설치하여 단위 대지 면정 당 축열용량을 증대하며 지열원 히트펌프의 난방 운전 성능을 향상시키고, 수직 및 수평 열교환기가 서로 상호보완하며 구동되도록 하여 열교환기의 열손실을 개선하며 최대의 열교환 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지중열교환기의 개략도
도 2는 본 발명에 따른 수직 열교환기의 개략도
도 3은 본 발명에 따른 수평 열교환기의 개략도
도 4는 본 발명에 따른 지중열교환기의 작동유체 이동 개략도
도 5는 제1 순환방식에 따른 작동유체 이동 개략도
도 6은 제2 순환방식에 따른 작동유체 이동 개략도
도 7은 본 발명에 따른 지중열교환기의 매설방법 순서도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 수직방식의 하이브리드 지중열교환기(이하 '지중열교환기')에 관한 것으로, 지중에 수직하게 삽입되는 수직 열교환기(100)와, 지중에 평행하게 적층되는 수평 열교환기(200)를 혼합하여 구성하고, 이를 각 계절에 따라 선택적으로 운용하며 사용함으로써, 지중열교환기에서 발생되는 열손실을 최소화하며 효율적으로 열에너지를 사용하는 지중열교환기를 제공하기 위한 것이다.

이에, 도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 상기 지중열교환기는, 지중으로부터 일정 깊이에서 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀(110)에 각각 삽입되며 설치되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수직 열교환기(100), 이웃하는 상기 수직 열교환기(100)를 서로 연결하는 제1 지중 연결관(121)과, 지상 배관과 상기 수직 열교환기(100)를 연결하는 제1 지상 연결관(122)을 포함하는 제1 연결관(121, 122), 상기 수직 열교환기(100)의 상측에서 지면과 수평한 방향으로 나열되며 적층되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수평 열교환기(200), 지상 배관과 상기 수평 열교환기(200)를 연결하는 제2 지상 연결관(211)을 포함하는 제2 연결관, 상기 제1 지상 연결관(122)의 어느 일측과 상기 제2 지상 연결관(211)의 어느 일측을 연결하는 순환 배관(300), 상기 순환 배관(300) 상에 구비되어, 제어에 따라 상기 제1 지상 연결관(122)과 상기 제2 지상 연결관(211)을 연통 및 차단하는 순환 밸브(310) 및 상기 순환 밸브(310)를 제어하여 상기 순환 배관(300)을 개방 및 차단하는 제어부를 포함하여 구성된다.

수직 열교환기(100)는 지중에 수직하게 삽입되는 열교환 파이프인 것으로, 도 2를 참고하여 설명하면, 본 발명의 수직 열교환기(100)는 지면에서 일정 깊이로 파낸 위치에서, 상기 수직 열교환기(100)가 지중으로 삽입되며 설치되는 것을 특징으로 한다. 상기 수직 열교환기(100)는 지중에 삽입되는 보어홀(110)의 내측에 삽입되는 것으로 설치될 수 있으며, 상기 보어홀(110)은 일정 길이를 가지며 내측이 비어있으며, 지중에 수직하게 삽입되고 내측에 상기 수직 열교환기(100)를 수용하는 것을 특징으로 한다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 일정 면적에 대해 소정 깊이로 흙을 파내어 공간(10)을 형성할 수 있고, 상기 공간(10)의 바닥면에서 복수의 상기 보어홀(110)이 지중 방향으로 각각 삽입되며 배치되고, 각 상기 보어홀(110)에 상기 수직 열교환기(100)가 삽입되는 것으로 설치될 수 있다. 이때, 수직 열교환기(100)는 U자 형태로 형성되어 상기 보어홀(110)에 삽입되는 것이 바람직하다. 상기 보어홀(110)은 상기 공간(10) 내에서 서로 소정의 간격을 두고 이격되며 배치되는 것이 바람직하고, 사용자의 필요에 따라 개수가 결정되어 사용될 수 있다. 이때, 상기 수직 열교환기(100)는 태양열이나 미활용 열원에 대해서, 필요시 지중에 축열하는 장치로 사용될 수 있다. 상기 수직 열교환기(100)는 1.5m 이상의 깊이로 형성될 수 있으며, 필요에 따라 수십 또는 수백 m 이내의 깊이로 설치될 수 있다.

제1 연결관(121, 122)은 상기 수직 열교환기(100)를 연결하는 연결관인 것으로, 도 2를 참고하여 설명하면, 이웃하는 상기 보어홀(110)에 위치되는 각 상기 수직 열교환기(100)를 서로 연결하는 제1 지중 연결관(121)과, 상기 보어홀(110)에 삽입된 상기 수직 열교환기(100)를 지상에 배치되는 지상배관과 연결하는 제1 지상 연결관(122)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 지상배관은 어느 일측에 히트펌프(미도시)와 연결되어 있으며, 상기 수직 열교환기(100)가 상기 제1 연결관(121, 122)의 제1 지상 연결관(122)에 의해 상기 히트펌프와 연결되어, 배관 내부에 유동되는 작동유체의 방향에 따라서 지상의 열을 지중에 축적하거나 또는 지중의 열을 지상으로 이동시킬 수 있다. 상기 제1 지중 연결관(121)은 각 상기 보어홀(110)에 위치되는 상기 수직 열교환기(100)를 연결하되, 사용자의 필요에 따라 직렬 또는 병렬 구조 중에 선택하거나 또는 혼합하여서 연결할 수 있다. 상기 제1 지상 연결관(122)은 지중에 삽입된 상기 수직 열교환기(100) 중 어느 일끝단의 수직 열교환기(100)와, 어느 타끝단의 수직 열교환기(100)를 각각 지상 배관과 연결하여, 지상 배관으로부터 작동유체가 지중에 삽입된 상기 수직 열교환기(100)의 일측으로 유입 또는 배출되고, 타측으로 배출 또는 유입되도록 연결할 수 있다. 즉, 상기 제1 연결관(121, 122)에 의해 지상 배관과 연결관 수직 열교환기(100)는, 어느 일방향으로 작동유체가 유동하도록 방향이 선택될 수 있고, 이에, 상기 제1 지상 연결관(122), 상기 수직 열교환기(100) 및 상기 제1 지중 연결관(121)을 각 순서대로 이동하며 작동유체가 유동할 수 있다.

수평 열교환기(200)는 상기 수직 열교환기(100)의 상측에 배치되는 열교환 파이프인 것으로, 도 3을 참고하여 설명하면, 상기 수평 열교환기(200)는 상기 수직 열교환기(100)의 상측에서, 지면과 수평한 방향으로 나열되며 배치되는 것을 특징으로 한다. 이때, 본 발명의 상기 수평 열교환기(200)는 적층되며 지중에 매립되는 것을 특징으로 하며, 길이를 가지는 상기 수평 열교환기(200)가 지면과 수평한 방향을 따라 배치되되, 상방으로 적층되며 지면 근처까지 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로, 상기 수평 열교환기(200)는 일정 면적에 대해 소정 깊이로 흙을 파낸 상기 공간(10)에 배치되며, 상기 공간(10)의 면적 내에서 상기 수평 열교환기(200)가 나열 되되, 이웃하는 상기 수평 열교환기(200)와의 일정의 간격을 가지며 상기 공간(10)의 면적에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 상기 수평 열교환기(200)가 복수의 층을 가지도록 상기 공간(10)의 높이 방향으로 적층되며 지중에 매립되어 설치될 수 있다. 상기 수평 열교환기(200)는 하나의 기다란 배관으로 형성되어 상기 공간(10)에 수평 방향 및 수직 방향으로 나열되며 설치될 수 있고, 또는 한 층의 공간에 각각 나열되는 복수의 수평 열교환기(200)로 형성되어, 각 수평 열교환기(200)가 복층으로 적층되는 것으로 지중에 설치될 수 있다. 이때, 상기 수평 열교환기(200)는 태양열이나 미활용 열원에 대해서, 지중에 축열하는 장치로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 수평 열교환기(200)의 수직한 하측에 상기 수직 열교환기(100)가 설치되는 것을 특징으로 하며, 이에, 상기 수평 열교환기(200)로부터 발생되는 열손실의 열에 있어서, 상기 지중열교환기가 이를 이용하여 효율적으로 구동시킴으로써, 지중열교환기의 열손실을 감소시키는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 특징으로 상기 수평 열교환기(200)의 상면과 측면에는 단열재(410, 420)가 더 구비되어 설치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일실시예로, 상기 수평 열교환기(200)가 형성되는 상기 공간(10)의 깊이는 1.5 ~ 2m인 것이 바람직하다.

제2 연결관은 수평 열교환기(200)를 연결하는 연결관인 것으로, 도 3을 참고하여 설명하면, 지상 배관과 상기 수평 열교환기(200)를 연결하는 제2 지상 연결관(211)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제2 지상 연결관(211)은 지중에 적층으로 매립된 수평 열교환기(200)의 어느 일끝단과 타끝단을 각각 지상 배관과 연결하는 것으로, 이에 상기 지상 배관과 상기 수평 열교환기(200)가 연결되어서, 연결된 파이프 내부로 작동 유체가 유동하면서 지중과의 열 교환이 수행되도록 한다. 또한, 상기 수평 열교환기(200)는 복수개로 형성되어 적층될 때, 이웃하는 각 층의 수평 열교환기(200)를 연결할 수 있는 제2 지중 연결관을 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 지상배관은 어느 일측에 태양열설비와 같은 재생열생산장치나 미활용열생산장치와 연결되어 있으며, 상기 수직 열교환기(100)가 상기 제2 연결관의 제2 지상 연결관(211)에 의해 상기 히트펌프와 연결되어, 배관 내부에 유동되는 작동유체의 방향에 따라서 지상의 열을 지중에 축적하거나 또는 지중의 열을 지상으로 이동시킬 수 있다. 이때, 도 4를 참고하면, 상기 히트펌프는 상기 제2 지상 연결관(211)과 상기 제1 지상 연결관(122)이 서로 각각 독립된 상태로 구분되어 연결되어 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 제2 연결관에 의해 지상 배관과 연결관 수평 열교환기(200)는, 어느 일방향으로 작동유체가 유동하도록 방향이 선택될 수 있고, 이에, 상기 제2 지상 연결관(211), 상기 수평 열교환기(200) 및 상기 제2 지중 연결관을 각 순서대로 이동하며 작동유체가 유동할 수 있다. 이에, 필요시, 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)에 의해서 지상의 태양열이나 미활용열에 대해 지중에 축열을 수행할 수 있다.

도 1을 참고하여 설명하면, 순환 배관(300)은 상기 제1 지상 연결관(122)과 상기 제2 지상 연결관(211)을 연결하는 배관으로, 상기 수직 열교환기(100)의 양 끝단에 연결된 상기 제1 지상 연결관(122) 중 어느 일단과, 상기 수평 열교환기(200)의 양 끝단에 연결된 상기 제2 지상 연결관(211) 중 어느 일단을 연결할 수 있다. 즉, 서로 독립적으로 형성되는 각 상기 수평 열교환기(200)와 상기 수직 열교환기(100)에 대해서, 상기 순환 배관(300)이 일부를 연결함으로써, 독립되어있던 상기 수평 열교환기(200)와 상기 수직 열교환기(100)를 하나의 배관으로 연결하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로, 상기 순환 배관(300)은 상기 수평 열교환기(200)의 일측에 형성된 상기 제2 지상 연결관(211)과, 상기 수직 열교환기(100)의 타측에 형성된 상기 제1 지상 연결관(122)을 연결할 수 있으며, 이때 상기 순환 배관(300)과 연결된 상기 제2 지상 연결관(211) 측은, 지중에 매립된 수평 열교환기(200) 중 가장 상측에 위치되는 수평 열교환기(200)와 연결된 연결관일 수 있다.

도 1을 참고하여 설명하면, 순환 밸브(310)는, 상기 순환 배관(300) 상에 구비되는 것으로, 상기 순환 밸브(310)를 개방하여 상기 순환 배관(300)을 연통하는 것으로 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)를 연결하거나, 상기 순환 배관(300)을 차단하는 것으로 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)의 연결을 차단할 수 있다. 또한, 상기 순환 밸브(310)는, 상기 순환 밸브(310) 내에 유동되는 작동유체의 유로를 결정할 수 있다. 상기 순환 밸브(310)는 사용자의 필요에 따른 위치에 적절하게 설치되는 것이 바람직하며, 사용자의 필요에 따라 상기 순환 배관(300) 상에 복수개 구비될 수 있고, 복수개가 구비되는 경우에도 동작은 동시에 동일한 동작을 수행하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 순환 밸브(310)는 후술될 제어부의 신호에 따라 개방 또는 차단 동작이 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일례로, 상기 순환 밸브(310)는 복수개로 구성되며, 상기 순환 배관(300)의 일측에 상기 순환 배관(300)과 상기 수직 열교환기(100)가 연결되는 부분에 어느 하나의 상기 순환 밸브(310)가 구비될 수 있고, 또한 상기 순환 배관(300)의 타측에 상기 순환 배관(300)과 상기 수평 열교환기(200)가 연결되는 부분에 어느 하나의 상기 순환 밸브(310)가 구비될 수 있다.

제어부는 상기 순환 밸브(310)를 제어하는 것으로, 상기 순환 밸브(310)를 개방하여 상기 순환 배관(300)을 연통하는 신호와, 상기 순환 밸브(310)를 차단하여 상기 순환 배관(300)을 차단하는 신호를 생성할 수 있다. 상기 제어부는 외부의 장치로부터 신호를 수신하여 작동되도록 설정될 수 있으며, 또는 자체 구비되는 다수의 센서로부터 수신되는 신호나, 자체에 설정된 기준에 따라서 신호가 생성되도록 형성될 수 있다. 일례로, 상기 제어부는 계절에 따라서 신호를 생성할 수 있으며, 이는 외부로부터 입력되는 일정 기간에 따라서 신호가 생성되도록 제어되거나, 또는 외부 환경에 대한 일정 온도를 기준으로 신호가 생성되도록 제어될 수 있다.

본 발명의 일실시예로, 상기 제어부는 상기 순환 밸브(310)를 작동하여 상기 순환 배관(300)을 차단하는 제1 순환방식과, 상기 순환 밸브(310)를 작동하여 상기 순환 배관(300)을 연통하는 제2 순환방식의 신호를 생성할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 도 5는 일실시예에 따른 상기 제1 순환방식에 대한 도면인 것으로, 참고하여 설명하면, 상기 순환 밸브(310)가 작동되어 상기 순환 배관(300)이 폐쇄됨으로써, 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)의 연결이 차단되어, 각각의 열교환기 내부의 작동 유체가 서로 독립적으로 순환하도록 제어하는 신호인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1 순환방식은 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200) 중 어느 하나의 열교환기만 작동유체가 순환하도록 할 수 있으며, 상기 수직 및 수평 열교환기(200)가 모두 순환하는 경우에는 서로 작동 유체가 각 열교환기를 통해 독립적으로 순환하는 것을 특징으로 한다. 도 6는 일실시예에 따른 상기 제2 순환방식에 대한 도면인 것으로, 참고하여 설명하면, 상기 순환 밸브(310)가 작동되어 상기 순환 배관(300)이 연통됨으로써, 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)가 하나의 배관으로 연결되어, 작동유체가 상기 수직 열교환기(100)와 상기 수평 열교환기(200)를 순환하며 유동하도록 제어하는 신호인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제2 순환방식은 작동유체가 상기 수직 열교환기(100)를 먼저 순환한 후, 상기 순환 배관(300)을 통해 상기 수평 열교환기(200)로 유입되며 유동하도록 유로의 방향이 설정될 수 있다. 또한, 상기 제2 순환방식에서 상기 수직 열교환기(100)를 통과한 작동유체가 상기 수평 열교환기(200)에 유동될 때, 작동유체가 상기 순환 배관(300)을 통과하고, 지중에 매립된 수평 열교환기(200) 중 가장 하단에 위치된 수평 열교환기(200)로 유입되어서, 상기 수평 열교환기(200) 내에서 작동유체가 상방으로 유동하도록 유로의 방향이 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예로, 상기 제어부는 계절에 따라서 상기 제1 순환방식 및 상기 제2 순환방식 중 어느 하나의 신호가 각각 생성되는 것을 특징으로 한다.

여름을 예를 들고, 도 5를 참고하여 설명하면, 여름에는 상기 지중열교환기가 태양열이나 미활용열을 이용하여 지중에 축열하기 위해서, 상기 제어부가 상기 제1 순환방식의 신호를 생성하도록 설정될 수 있다. 여름철에 생성되는 상기 제1 순환방식의 경우, 상기 수평 열교환기(200)의 작동 유체를 순환시킴으로써 지중에 축열을 수행할 수 있고, 이때 상기 수직 열교환기(100)는 상기 히트펌프에 작동 유체가 순환되도록 연결되어서, 냉방 운전을 위한 열원으로 이용될 수 있다. 이에 상기 수직 열교환기(100) 내의 작동 유체가 유동되며 상기 수직 열교환기(100) 주변의 지중 온도가 서서히 상승하도록 동작될 수 있다.

또한, 겨울을 예를 들고, 도 6을 참고하여 설명하면, 겨울에는 지중에 저장된 열원을 지상으로 이동시키는 방열을 수행하기 위해서, 상기 제어부가 상기 제2 순환방식의 신호를 생성하도록 설정될 수 있다. 겨울에 생성되는 상기 제2 순환방식의 경우, 지중에 저장할 미활용 열원이 거의 발생되지 않기 때문에, 상기 수직 열교환기(100) 주변 지중의 열에너지를 상기 히트펌프의 열원으로 사용할 수 있으며, 직렬로 상기 수평 열교환기(200)를 통과하면서 순환하면서 열을 얻으면서, 상기 히트펌프로 이동시킴으로써 열원으로 활용하도록 구성될 수 있다. 이에, 상기 수직 열교환기(100)로 작동유체가 유입되는 상기 제1 지상 연결관(122) 측에 상기 히트펌프가 연결되고, 상기 수평 열교환기(200)로부터 작동유체가 배출되는 제2 지상 연결관(211)으로 상기 히트펌프가 연결되어, 작동유체가 순환될 수 있다. 즉, 상기 히트펌프의 열원으로 사용된 작동유체의 순환에 의해서 상기 수직 열교환기(100)의 주변 지중의 온도가 낮아지고, 상기 수직 열교환기(100)를 통과한 작동유체가 상기 수평 열교환기(200)를 통과하도록 상기 순환 밸브(310)가 개방되며 유로가 결정됨으로써, 작동유체가 상기 수평 열교환기(200)를 통과하며 온도가 상승 후 상기 히트펌프의 열원으로 사용되도록 동작될 수 있다. 본 발명은 겨울에 상기 제2 순환방식으로 상기 지중열교환기를 운용함으로써, 상기 히트펌프의 난방 운전 성능을 향상키는 효과를 제공할 수 있다.

더불어, 본 발명은 봄 및 가을에, 상기 제어부가 상기 제1 순환방식의 신호를 생성하도록 설정될 수 있다. 봄 및 가을에 생성되는 상기 제1 순환방식의 경우, 잉여 열에너지에 대해, 상기 수평 열교환기(200)를 통하여 작동유체를 순환시킴으로써, 지속적으로 지중에 축열을 수행하도록 하여, 상기 수평 열교환기(200) 주변 지중 온도를 서서히 상승시키도록 동작될 수 있다. 이때, 상기 수직 열교환기(100)는 이용하지 않으며, 상기 수직 열교환기(100)의 상측에 위치한 상기 수평 열교환기(200) 주변의 지중으로부터 하부로 열이 전달되어서, 상기 수직 열교환기(100) 주변의 지중 온도도 소정 상승되도록 동작될 수 있다. 이에, 지중열교환기 구동에 필요한 전력은 최소한으로 사용하되, 잉여 열에너지에 대한 축열 효과는 향상되어서, 단위 대지면적 당 축열 용량이 증대되는 효과를 제공할 수 있다.

상기한 특징을 가지는 지중열교환기를 지중에 설치하는 매설방법에 있어서, 도 7을 참고하여 설명하면, 본 발명은 소정 깊이로 일정 면적의 지중의 흙을 제거하여 공간을 형성하고, 일정 길이의 복수의 상기 보어홀(110)을 상기 공간(10)의 바닥에서 지중에 수직하게 삽입하는 보어홀(110) 삽입 단계, 상기 공간(10)의 측면에 각각 단열재(410, 420)를 배치하는 측면 단열재(410) 배치 단계, 상기 보어홀(110)에 상기 수직 열교환기(100)를 각각 삽입하고, 상기 제1 지중 연결관(121)으로 복수의 상기 수직 열교환기(100)를 연결하며, 상기 제1 지상 연결관(122)으로 상기 수직 열교환기(100)과 지상 배관을 연결하고, 상기 보어홀(110)의 상면을 흙으로 덮는 수직 열교환기(100) 배관 연결 단계, 상기 공간(10)에 상기 수평 열교환기(200)를 적층하고, 상기 수평 열교환기(200)와 제2 지상 연결관(211)과 연결하며, 상기 수평 열교환기(200)의 상면을 흙으로 덮는 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계 및 상기 수평 열교환기(200)의 상부에 단열재(410, 420)를 배치하는 상면 단열재(420) 배치 단계를 포함하여 매설방법이 수행되는 것을 특징으로 한다.

보어홀(110) 삽입 단계는, 지중에 수직하게 상기 보어홀(110)을 삽입하는 단계로, 먼저 소정 깊이로 일정 면적의 지중의 흙을 제거하여 공간을 형성하고, 상기 공간(10)의 바닥에 소정 길이로 형성되는 복수의 상기 보어홀(110)을 매립하는 단계인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 공간(10)은 이후 상기 수평 열교환기(200)가 매립되는 공간인 것으로, 사용자의 선택에 따라 매립하고자 하는 상기 수평 열교환기(200)의 깊이나 또는 면적을 고려하여 상기 공간(10)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보어홀(110)은 상기 공간(10)의 깊이보다 더 하측의 지중에 삽입되며, 즉 상기 공간(10)의 하측 지중에, 별도의 흙 굴착 없이 복수의 상기 보어홀(110)을 지중으로 삽입하는 것으로 상기 보어홀(110)이 매설되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예로, 상기 공간(10)은 1.5~ 2m의 깊이로 형성될 수 있다.

측면 단열재(410) 배치 단계는, 상기 보어홀(110) 삽입 단계에서 형성한 상기 공간(10)에서, 상기 공간(10)의 측면 부분에 단열재(410, 420)를 배치하는 단계이다. 상기 공간(10)은 이후 상기 수평 열교환기(200)가 배치되는 공간으로, 상기 수평 열교환기(200)의 측면 방향에 단열재(410, 420)를 구비함으로써 상기 수평 열교환기(200)의 측면 방향으로의 열손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

수직 열교환기(100) 배관 연결 단계는, 상기 보어홀(110)에 상기 수직 열교환기(100)를 배치하고, 상기 제1 연결관(121, 122)을 이용하여 상기 지상 배관과 상기 수직 열교환기(100)를 연결하는 단계인 것을 특징으로 한다. 보다 상세히 설명하면, 수직 열교환기(100) 배관 연결 단계는, 먼저 상기 보어홀(110) 삽입 단계에 의해 지중에 삽입된 복수의 상기 보어홀(110)에 각 상기 수직 열교환기(100)를 삽입한다. 이때, 상기 수직 열교환기(100)는 U자 형태의 열교환 파이프 형태일 수 있고, 상기 수직 열교환기(100)이 삽입된 상기 보어홀(110)에 벤토나이트를 충진하여 단계를 수행할 수 있다. 이후, 각 상기 보어홀(110)에 삽입된 상기 수직 열교환기(100)를 서로 연결하기 위해서, 상기 제1 지중 연결관(121)을 이용하여 이웃한 상기 수직 열교환기(100)를 연결한다. 이때, 상기 제1 지중 연결관(121)을 이용하여 복수의 상기 수직 열교환기(100)는 서로 직렬이나 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 본 발명의 일실시예로, 상기 제1 지중 연결관(121)은 복수의 상기 수직 열교환기(100)를 서로 직렬로 연결하는 것이 바람직하다. 상기 제1 지중 연결관(121)을 이용해 이웃한 상기 수직 열교환기(100)를 연결한 후에, 상기 제1 지상 연결관(122)을 이용하여, 하나로 연결된 상기 수직 열교환기(100)의 양 끝단을 각각 지상 배관과 연결하며, 상기 지상 배관의 일측에는 히트 펌프가 연결되어 있다. 이후, 상기 제1 연결관(121, 122)으로 상기 수직 열교환기(100)와 상기 지상 배관을 연결하면, 상기 보어홀(110)의 상측을 흙으로 덮어 상기 수직 열교환기(100) 및 상기 제1 지중 연결관(121)을 매립한다.

수평 열교환기(200) 배관 연결 단계는, 상기 공간(10)에 상기 수평 열교환기(200)를 배치하는 단계이다. 보다 상세히 설명하면, 상기 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계는, 상기 수직 열교환기(100) 배관 연결 단계에 의해 매립된 상기 수직 열교환기(100)의 상측에 형성된 상기 공간(10)에, 상기 수평 열교환기(200)를 깊이 방향으로 적층한 후에, 상기 수평 열교환기(200)와 상기 지중 배관을 상기 제2 지상 연결관(211)을 통해 한다. 이후에, 상기 제2 지상 연결관(211)과 상기 지중 배관이 연결이 완료되면, 적층된 상기 수평 열교환기(200)의 상면을 흙으로 덮어 상기 수평 열교환기(200)를 매립하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제2 지상 연결관(211)은, 어느 하나의 상기 제2 지상 연결관(211)으로, 적층된 상기 수평 열교환기(200) 중 상기 공간(10)에서 가장 하단에 위치되는 상기 수평 열교환기(200)의 일끝단을 상기 지상 배관과 연결하고, 다른 상기 제2 지상 연결관(211)으로 상기 공간(10)에서 가장 상단에 위치되는 상기 수평 열교환기(200)의 일끝단을 상기 지상 배관과 연결할 수 있다. 또한, 상기 수평 열교환기(200)가 각 층마다 배치되는 복수의 수평 열교환기(200)로 형성되는 경우에 따른 일실시예를 설명하면, 층마다 상기 수평 열교환기(200)가 적층될 때마다 흙을 층층이 덮는 것으로 상기 수평 열교환기(200)를 매립할 수 있으며, 이때 적층되는 복수의 상기 수평 열교환기(200)는 상기 제2 지중 연결관에 의해 연결된 후, 상기 제2 지중 연결관의 일단이 외부로 노출되게끔 흙으로 매립하는 방법을 수행할 수 있다.

또한, 상기 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계에서, 상기 순환 밸브(310)를 포함하는 상기 순환 배관(300)을 설치한 후에 상기 수평 열교환기(200)와 함께 매립하는 것을 특징으로 한다. 상기 순환 배관(300)은, 상기 제2 지상 연결관(211)과 상기 수평 열교환기(200)를 연결한 후에, 상기 순환 배관(300)으로 상기 제2 지상 연결관(211)의 일측과, 상기 제1 지상 연결관(122)의 일측을 연결하고, 상기 순환 배관(300)을 연결한 이후에 흙을 덮어, 상기 순환 배관(300)이 상기 수평 열교환기(200)와 함께 지중으로 매립될 수 있다.

상면 단열재(420) 배치 단계는, 수평 열교환기(200) 배관 연결 단계를 통해 상기 수평 열교환기(200)를 지중에 매립하고, 매립된 상기 수평 열교환기(200)의 상면에 단열재(410, 420)를 배치한 후, 흙으로 상기 단열재(410, 420)의 상면을 덮어 마무리하는 단계인 것을 특징으로 한다. 상기 수평 열교환기(200)의 상면에 단열재(410, 420)를 배치함으로써, 상기 수평 열교환기(200)의 상측 방향으로 발생할 수 있는 열손실을 차단할 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 수직 열교환기 110 : 보어홀
121 : 제1 지중 연결관 122 : 제1 지상 연결관
200 : 수평 열교환기 211 : 제2 지상 연결관
300 : 순환 배관 310 : 순환 밸브
410 : 측면 단열재 420 : 상면 단열재

Claims (10)

1. 지중으로부터 일정 깊이에서 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀에 각각 삽입되며 설치되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수직 열교환기;
   이웃하는 상기 수직 열교환기를 서로 연결하는 제1 지중 연결관과, 지상 배관과 상기 수직 열교환기를 연결하는 제1 지상 연결관을 포함하는 제1 연결관;
   상기 수직 열교환기의 상측에서 지면과 수평 방향으로 나열되며 적층되고, 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 수평 열교환기;
   지상 배관과 상기 수평 열교환기를 연결하는 제2 지상 연결관을 포함하는 제2 연결관;
   상기 제1 지상 연결관의 어느 일측과 상기 제2 지상 연결관의 어느 일측을 연결하는 순환 배관;
   상기 순환 배관 상에 구비되어, 제어에 따라 상기 제1 지상 연결관과 상기 제2 지상 연결관을 연통 및 차단하는 순환 밸브; 및
   상기 순환 밸브를 제어하여 상기 순환 배관을 개방 및 차단하는 제어부;
   를 포함하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 순환 밸브가 차단되어, 작동유체가 상기 수직 열교환기와 상기 수평 열교환기에 서로 독립적으로 순환되며, 상기 수직 및 수평 열교환기 중 적어도 어느 하나에서 선택적으로 작동유체를 유동시키는 제1 순환방식과,
   상기 순환 밸브가 개방되어, 작동유체가 상기 순환배관을 통해 상기 수직 열교환기 및 수평 열교환기를 순환하는 제2 순환방식을 포함하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제2 순환방식은
   작동유체가 상기 수직 열교환기를 먼저 순환한 후, 상기 순환배관을 통해 상기 수평 열교환기로 유입되도록 순환하며 지중의 열을 방열하는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 순환방식은,
   상기 수평 열교환기를 통해 작동유체를 순환시키며 지중에 축열하는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 제어부는,
   계절에 따라 상기 제1 순환방식 및 제2 순환방식 중 어느 하나를 선택하여 신호로 생성하는 것을 특징으로 하며,
   여름에는, 상기 제1 순환방식이 선택되어 작동되고,
   겨울에는, 상기 제2 순환방식이 선택되어 작동되는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 수평 열교환기는, 상면 및 측면에 단열재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 수평 열교환기는 1.5 m ~ 2m 깊이 이내에 설치되는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기.
   
8. 제 1항의 상기 수직방식의 하이브리드 지중열교환기를 지중에 설치하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법에 있어서,
   소정 깊이로 일정 면적의 지중의 흙을 제거하여 공간을 형성하고, 일정 길이의 복수의 상기 보어홀을 상기 공간의 바닥에서 지중에 수직하게 삽입하는 보어홀 삽입 단계;
   상기 공간의 측면에 각각 단열재를 배치하는 측면 단열재 배치 단계;
   상기 보어홀에 상기 수직 열교환기를 각각 삽입하고, 상기 제1 지중 연결관으로 복수의 상기 수직 열교환기를 연결하며, 상기 제1 지상 연결관으로 상기 수직 열교환기과 지상 배관을 연결하고, 상기 보어홀의 상면을 흙으로 덮는 수직 열교환기 배관 연결 단계;
   상기 공간에 상기 수평 열교환기를 적층하고, 상기 수평 열교환기와 제2 지상 연결관과 연결하며, 상기 수평 열교환기의 상면을 흙으로 덮는 수평 열교환기 배관 연결 단계; 및
   상기 수평 열교환기의 상부에 단열재를 배치하는 상면 단열재 배치 단계;
   를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 수평 열교환기 배관 연결 단계에서,
   상기 제2 지상 연결관과 상기 수평 열교환기를 연결한 후에,
   상기 순환배관 및 제1밸브를 설치하고, 상기 수평 열교환기의 상면에 흙을 덮는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법.
   
10. 제 8항에 있어서,
    상기 공간은 1.5 m ~ 2m의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직방식의 하이브리드 지중열교환기의 매설방법.