KR20050122041A - 코일형 지열교환기 - Google Patents

Abstract

제작된 코일형 지열교환기를 운반하거나 지중에 매설하였을 경우, 코일부가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 코일형 지열교환기를 제공하기 위하여,

2개의 자유단부를 갖는 열교환파이프 내부에 열전달유체가 충진되고, 상기 자유단부 사이에는 소정의 회전반경과 간격을 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 코일부를 포함하고, 상기 코일부에는 외력이 가해져도 코일부의 형태가 변하는 것을 방지하는 형상유지부재가 설치되는 코일형 지열교환기를 제공한다.

Description

코일형 지열교환기{SPIRAL TYPE GEOTHERMAL EXCHANGER}

본 발명은 코일형 지열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제작된 코일형 지열교환기를 운반하거나 지중에 매설하였을 경우, 코일부가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 구성된 코일형 지열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로서는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력 에너지를 주로 사용하고 있다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야하며, 이 장치들은 단위장치 당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20??인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.

지열교환기의 설치는 지하 50m~200m 정도 깊이의 보어홀(Bore-hole)을 소정의 간격으로 굴착한 다음, 굴착된 각각의 보어홀에 지열교환기 본체인 열교환 파이프를 삽입한 다음, 인접된 열교환 파이프들을 직렬로 서로 연결한 후, 이들 열교환 파이프의 양쪽 단부는 히트펌프와 연결하는 방법으로 설치한다.

그리고 열교환 파이프가 설치된 각각의 보어홀은 흙으로 채운 후, 지표면으로부터 대략 6m~10m 구간은 보어홀에 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 일반 채움재보다 낮은 열전달 특성을 갖는 재질로 그라우팅 작업을 실시한다.

그러나, 이와 같은 지열교환기를 설치하려면, 열교환 파이프가 각각 삽입될 수 있도록 다수의 보어홀을 굴착하여야 함으로 넓은 시공부지가 필요하고, 보어홀 굴착에 많은 시간 및 비용이 소요되는 문제점이 있다.

특히 냉난방의 효율을 높이기 위해서는 열교환 파이프의 매설깊이가 깊어져야 하는데, 이러한 경우 보어홀의 굴착에 따른 비용이 기하급수적으로 증가하게 된다.

따라서 최근에는 하나의 시추공에 지열교환기를 설치하여 시공부지 및 시공비를 최소화하면서 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있도록, 열교환 파이프를 코일형태로 제작한 이른바 코일형 지열교환기가 제작되어 사용되고 있다.

이러한 코일형 지열교환기는 특히 시추공을 별도로 굴착하지 않고 건물의 기초부에 설치되는 중공형 말뚝내부를 시추공과 같은 용도로 사용하여 지열교환기를 설치하는 경우에 특히 유용하다.

상기 코일형 지열교환기는 열교환파이프를 소정의 회전반경으로 소정의 피치를 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 형태로 이루어진다.

이와 같은 지열교환기의 본체인 열교환 파이프에는 지열과 열교환 하기 위하여 열전달 유체가 주입되며, 이러한 지열냉난방장치는 지열을 열교환 파이프를 통하여 그 내부에 담긴 유체가 빼앗아 히트펌프의 작동에 의하여 필요한 장소로 강제 순환시키면서 냉방 또는 난방을 행하게 된다.

이러한 냉난방은 지열은 여름철의 대기온도보다는 낮고 겨울철의 대기온도 보다는 높은 온도를 갖고 있으므로 가능하게 되는데, 냉방의 경우 지열이 실내의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열됨으로 난방을 할 수 있게된다.

이러한 냉난방은 히트펌프에 설치된 스위치 조작을 통하여 열전달 유체의 흐름방향을 바꾸어 줌으로서 냉방과 난방모드를 간단하게 전환시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 코일형 지열교환기는, 열교환파이프가 일정한 간격을 유지하며 코일형태로 감겨진 구조이므로 열교환기의 설치를 위하여 운반하거나 지중에 매설할 때, 외력에 의하여 코일부의 파이프들 사이의 피치가 변하거나 또는 코일부가 뒤틀리는 것과 같이 열교환파이프가 변형되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 코일형 지열교환기를 운반하거나 지중에 매설할 때 외력이 가해져도 열교환파이프가 변형되지 않고 원래의 상태대로 유지될 수 있는 코일형 지열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 제안하는 코일형 지열교환기는, 2개의 자유단부를 갖는 열교환파이프 내부에 열전달유체가 충진되고, 상기 자유단부 사이에는 소정의 회전반경과 간격을 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 코일부를 포함하고, 상기 코일부에는 외력이 가해져도 코일부의 형태가 변하는 것을 방지하는 형상유지부재가 설치되는 코일형 지열교환기를 제공한다.

상기 형상유지부재는 코일의 내부에 삽입되어 코일부의 내측면을 지지하는 지지부로 이루어지거나, 코일부들 피치 사이를 서로 결속하는 고정부로 이루어지거나, 또는 상기 지지부와 고정부를 모두 사용하여 코일부의 형태가 변하는 것을 방지하도록 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 코일형 지열교환기가 지중에 매설된 것을 나타내는 측면도이고, 도 2는 도 1의 코일형 지열교환기에 제공된 형상유지부재의 설치상태를 나타내는 단면도를 나타낸다.

상기 코일형 지열교환기는 시작단(2)과, 이 시작단(2)에서 소정의 각도 및 회전반경을 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 코일부(4)와, 이 코일부(4)의 끝단부에서 곡선형으로 연장된 후 코일부(4)의 내부를 직선으로 관통하는 직선부(6)와,이 직선부(6)에서 연장되는 끝단부(8)로 구성된다.

이러한 코일형 지열교환기는 폴리에틸렌 파이프 또는 열전도율이 높은 금속재의 열교환파이프로 이루어지며, 그 내부에는 부동액이 포함된 열전달 유체가 충진되어 지열과 열교환이 이루어질 수 있도록 되어있다.

코일형 지열교환기는 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있고, 또 하나의 보어홀만 굴착하여 설치할 수 있으므로 각각의 수직구에 각각의 열교환 파이프를 삽입하는 구조에 비하여 시공부지 및 시공비를 최소화할 수 있다.

이러한 코일형 지열교환기의 양쪽 자유단인 시작단(2)과 끝단부(8)는 열전달 유체를 지중으로 안내하는 유입부재와, 지중에서 지열과 열교환이 이루어진 열전달 유체를 사용처로 공급하는 유출부재가 연결되며, 이들 유입부재와 유출부재는 도시되지 않은 히트펌프와 연결되는데, 이와 같은 구조의 냉난방 시스템은 통상적으로 설치되거나 사용되는 방법이 적용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

코일형 지열교환기의 통상적인 제작방법으로는, 소정의 외경을 갖는 원통형 혹은 다각형의 틀을 준비하고, 이 틀의 외주면을 따라서 열교환파이프를 소정의 피치를 유지하며 스프링 모양으로 감는 방법으로 코일부(4)를 성형하게 되며, 이 코일부(4)의 양측단은 시작단(2)과 끝단부(8)로 성형하는 방법으로 제작한다.

이와 같이 제작된 지열교환기는 운송수단을 이용하여 설치장소로 이동한 후 굴착된 보어홀(100)이나 말뚝내에 설치하게 되는데, 운송시 또는 설치시 코일부(4)에 큰 외력이 가해지면 코일부의 피치 간격이 변하거나 코일부가 찌그러지거나 뒤틀리는 것과 같이 변형되게 된다.

본 발명의 특징은 이와 같이 코일형 지열교환기의 운반이나 설치시 외력이 가해져도 코일부(4)가 변형되지 않고 원래의 상태대로 유지될 수 있도록 하기 위하여 코일부(4)에는 형상유지부재가 제공된다.

상기 형상유지부재는 코일부(4)의 내측면에 견고하게 밀착 지지되어 코일부(4)에 외력이 가해져도 그 형상을 유지시키는 지지부(10)로 이루어질 수 있다.

상기 지지부(10)는 소정의 외경을 갖는 원통형 혹은 다각형의 틀로 이루어지고, 그 내부 길이방향으로는 홀(12)이 형성되어 열교환기의 직선부(6)가 삽입될 수 있도록 이루어진다.

상기 지지부(10)는 지열교환기를 제작할 때 코일부(4)를 형성하기 위하여 사용되는 틀의 역할을 수행하며, 지열교환기를 제작한 후 이를 제거하지 않은 상태로 남겨놓는 방법으로 설치되거나, 지열교환기를 제작한 후 원통형의 틀을 제거하고 다른 부재를 설치하는 것으로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 틀을 제거하지 않은 상태로 남겨놓는 것이 견고함을 유지하므로 더욱 좋다.

이와 같은 지지부(10)는 코일부(4)의 내측면을 밀착 지지하게 되는데, 코일부(4)가 지지부(10)에 더욱 견고하게 밀착지지 될 수 있도록, 도 3에서와 같이 지지부(10)의 외주연부에 지지홈(14)을 형성하여 이 지지홈(14)에 코일부(4)를 이루는 열교환파이프의 일부분이 끼워진 상태로 지열교환기를 제작할 수도 있다.

상기한 실시예에서 형상유지부재는 코일부(4) 내부에 제공되는 지지부(10)로 이루어지지만, 도 4에서와 같이 코일부(4)들 피치 사이를 서로 결속하여 연결하는 고정부(20)로 이루어질 수 있다.

상기 고정부(20)는 소정의 길이를 갖는 판 형태로 이루어지고, 이러한 고정부(20)는 코일부(4)의 외측에서 하나 또는 둘 이상의 피치 사이에 고정된 형태를 취한다.

상기 고정부(20)는 합성수지 또는 금속재질로 이루어지며, 코일부(4)가 폴리에틸렌 파이프와 같은 합성수지재의 열교환파이프로 이루어진 경우, 합성수지재의 고정부를 열융착, 액상융착 혹은 접착제 등을 이용하여 코일부에 접착하여 고정할 수 있고, 코일부(4)가 금속재의 열교환파이프로 이루어진 경우, 금속재의 고정부를 용접 등의 방법으로 코일부에 고정할 수 있다.

이러한 고정부(20)의 고정은 도 4a에서와 같이 코일부(4)의 하나의 피치 사이에 고정되거나 또는 도 4b에서와 같이 둘 이상의 피치 사이에 고정될 수 있으며, 이때 고정부(20)는 복수의 부재를 사용하여 고정하는 것이 좋다.

이와 같은 고정부(20)의 고정으로 코일부(4)의 피치 사이는 서로 견고하게 결속된 상태를 유지하게 된다.

상기에서 형상유지부재는 지지부(10)를 사용하거나 또는 고정부(20)를 사용하여 코일부(4)의 형태 변형을 방지하는 것으로 설명하였지만, 상기 지지부(10)와 고정부(20)를 모두 사용할 수도 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 코일형 지열교환기를 설치하려면, 먼저 지중에 소정의 직경으로 대략 50m-200m 정도 깊이의 보어홀(Bore-hole)(100)을 굴착한 다음, 본 발명의 코일형 지열교환기를 운송수단 등을 이용하여 이송한 후 굴착된 보어홀(100)에 삽입한다.

그리고 지열교환기가 설치된 보어홀(100) 하부는 지표면으로부터 대략 6-10m 구간은 흙(200)으로 채운 후, 그 상부는 보어홀(100)에 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 일반 채움재보다 낮은 열전달 특성을 갖는 재질로 그라우팅재(300)로 그라우팅 작업을 실시한다.

이와 같이 지열교환기를 이송하거나 또는 지열교환기를 보어홀(100)에 삽입 후, 보어홀(100)을 흙(200)으로 채우거나 그라우팅재(300)로 그라우팅 작업을 행할 때 열교환파이프로 이루어진 코일부(4)에 외력이 가해져도 지지부(10)나 고정부(20)가 코일부(4)의 변형을 방지하게 된다.

이렇게 지열교환기가 매설되면 2개의 자유단인 시작단(2)고 끝단부(8)를 히트펌프와 연결된 헤더 파이프와 연결하면 지열교환기의 설치가 완료된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 코일형 지열교환기는, 지열교환기의 설치를 위하여 운반하거나 지중에 매설할 때, 코일부에 외력이 가해져도 지지부와 고정부에 의하여 열교환파이프들 사이의 간격이 변하거나 변형되는 것을 방지하여, 열교환기를 안정적인 구조로 설치할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 코일형 지열교환기가 지중에 매설된 것을 나타내는 측면도.

도 2는 도 1의 코일형 지열교환기에 제공된 형상유지부재의 설치상태를 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 제1실시예의 형상유지부재에 지지홈이 형성된 것을 나타내는 단면도.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 코일형 지열교환기에 제공된 형상유지부재의 설치상태를 나타내는 측면도.

Claims (5)

1. 2개의 자유단부를 갖는 열교환파이프 내부에 열전달유체가 충진되고, 상기 자유단부 사이에는 소정의 회전반경과 간격을 유지하며 스프링 모양으로 감겨지는 코일부를 포함하고, 상기 코일부에는 외력이 가해져도 코일부의 형태가 변하는 것을 방지하는 형상유지부재가 설치되는 코일형 지열교환기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 형상유지부재는 코일의 내부에 삽입되어 코일부의 내측면을 지지하는 지지부로 이루어지거나, 코일부들 피치 사이를 서로 결속하여 고정하는 고정부로 이루어진 코일형 지열교환기.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 지지부나 고정부는 어느 하나가 코일부에 제공되거나 또는 모두 제공되는 코일형 지열교환기.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 지지부의 외주연부에는 지지홈이 형성되어 코일부가 더욱 견고하게 지지되도록 이루어진 코일형 지열교환기.
5. 청구항 2에 있어서, 상기 고정부는 코일부에 접착으로 고정되거나 용접으로 고정되는 코일형 지열교환기.