KR20060021023A - 관정형 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관정형 지중 열교환기에 관한 것으로 특히, 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 갖는 관정형 지중 열교환기는, 지표면 하부에 지중 파이프를 매설하고, 지중 파이프의 내부에는 히트펌프의 증발관을 삽입 설치하며, 지중 파이프와 증발관 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프를 삽입 설치하고, 증발관은 압축기 및 팽창밸브를 통하여 히트펌프의 응축기와 연결하여 구성하되, 지중 파이프의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 지중 파이프의 상부에는 물유입공이 형성되며, 중간 파이프의 상부 및 하부에는 물순환공이 각각 형성되어, 상기 히트펌프의 증발관이 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어진 상태에서 히트펌프의 작동유체를 증발관의 내부에서 증발시키는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 히트펌프, 증발관, 응축기, 지중 파이프, 물순환공, 물유입공

Description

관정형 지중 열교환기{Geothermal Well Type Direct Expansion Heat Exchanger}

도 1a는 종래의 지열 히트펌프 장치의 구성을 나타내는 개략도

도 1b는 종래의 지열 히트펌프 장치 중 지중 열교환기를 나타내는 개략 단면도

도 2는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성을 나타내는 개략도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 히트펌프의 응축기 2 : 증기관

3 : 압축기 5 : 팽창밸브

6 : 증발기 6a : 열매체 파이프

7 : 순환펌프 8 : 폴리에틸렌 파이프

9 : 보호관 10 : 충전재

11 : 지표면 12 : 지중 파이프

12a : 물유입공 13 : 중간 파이프

13a : 물순환공 15 : 증발관

17 : 상승수 18 : 하강수

본 발명은 관정형 지중 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 히트펌프는 고압의 작동유체가 감압되면서 팽창하는 과정에서 주위의 열을 흡수하도록 한 후 이를 압축기를 이용하여 가압 승온시키고, 응축기에서 주위에 열을 방출하면서 다시 액화되는 과정이 연속적으로 이루어지도록 하는 하나의 열적 사이클이다.

상기한 히트펌프의 열적 사이클은, 증발기에서 주위의 열에너지를 흡수하여 응축기에서 고온의 열을 방출하는 과정으로 나눌 수 있으며, 이를 위하여 증기 압축기를 구동하게 된다.

상기한 히트펌프의 원리에 의하여, 건물이나 산업공정에서 가열을 목적으로 하는 고온의 열을 얻게 되는데, 상기 히트펌프를 적용하게 되면 연료의 연소열을 이용한 직접적인 가열방법에 비하여 소요 에너지를 저감할 수 있게 되는 장점이 있다.

한편, 상기 히트펌프의 증발기 내에서 작동유체가 증발되는 데 요구되는 주위의 열에너지로서 지열을 이용하는 것을 지열 히트펌프라고 하는데, 지열은 공기 또는 하천수 등에 비하여 온도가 상대적으로 높고 안정적이기 때문에 높은 성적계수의 히트펌프 시스템을 구성할 수 있으며, 이로 인하여 압축기 동력을 보다 더 절감할 수 있어 건물이나 산업공정에서 필요한 가열 소요를 제공하는 데 있어서 가장 중요한 에너지 절감 기술 분야에 속한다.

상기와 같은 지열을 이용한 종래의 히트펌프 장치의 구성에 대하여 도 1을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 1a는 종래의 지열 히트펌프 장치의 구성을 나타내는 개략도이며, 도 1b는 종래의 지열 히트펌프 장치 중 지중 열교환기를 나타내는 개략 단면도로서, 도면에 나타낸 바와 같이, 지중(地中)에 설치된 고밀도 폴리에틸렌 파이프(8) 내에 열매체 파이프(6a)를 통하여 열매체가 충전되고, 상기 열매체 파이프(6a)의 일측에 설치된 순환펌프(7)에 의하여 지표면(11) 하부의 지열 에너지가 히트펌프의 증발기(6)에 전달되며, 상기 히트펌프의 증발기(6)를 통하여 증발된 작동유체는 증기관(2)을 통하여 압축기(3)와 응축기(1) 그리고 팽창밸브(5)를 순차적으로 통과하면서 열사이클을 이루게 된다.

상기한 구성에 있어서, 폴리에틸렌 파이프(8)는 스틸 재질의 보호관(9) 내에 설치되며, 상기 보호관(9) 내부에는 열전달 성능이 우수하며 폴리에틸렌 파이프(8)의 수축과 팽창을 흡수할 수 있는 충전재(10)가 충진되어, 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기를 이루게 된다.

상기한 바와 같은 지중 열교환기는, 지열 히트펌프 장치의 열 용량에 따라서 그 매설 수량이 결정되고, 통상적으로 폴리에틸렌 파이프(8)를 포함하는 보호관의 직경(D1)은 100mm 정도이며, 보호관의 전체 길이(L1)는 150m 정도이므로, 지열 히트펌프 장치의 전체 구성 중에서 설치 면적이나 소요 재료의 양 그리고 비용측면에서 가장 중요한 부분이 된다.

상기와 같은 지열 히트펌프 장치는, 환경 공해를 유발하지 않는 재생 가능한 지열 에너지를 에너지원으로 활용할 수 있는 장점으로 인하여 널리 적용되어 이용되어 왔어야 하지만 아래에 기재된 다음과 같은 문제점들로 인하여 보급 확대에 큰 애로사항이 있었다.

첫째, 지열공에 대한 시추 비용과 지중 열교환기에 대한 재료 및 설치 비용이 에너지 절감 금액에 비해 높고, 초기 설치비가 과다하게 소요될 뿐만 아니라 전체 시스템의 경제성이 낮은 문제점이 있었다.

둘째, 지중 열교환기를 설치하기 위해서는 넓은 지표 면적이 요구되기 때문에 대도시나 인구 밀집지역에 설치하기가 곤란한 문제점이 있었다.

셋째, 열매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 부가적으로 필요하며 이를 구동하기 위한 전력이 요구되어 운전 및 설치비 상승요인으로 작용하는 문제점이 있었다.

넷째, 지중 열교환기를 구성하는 폴리에틸렌 파이프가 파손될 경우 작동유체의 누출에 의한 지하수 오염 문제가 발생할 수 있지만 이를 해결할 수 있는 보수대책 수립이 곤란한 문제점이 있었다.

다섯째, 보다 중요한 문제로서, 일단 매설해 놓은 지중 열교환기는 지면으로부터의 깊이가 150m 정도되고 매설 수량이 많기 때문에 제거가 불가능한 문제점이 있었으며, 이는 장기적으로 중대한 환경 문제를 유발시키는 문제점이 있었다. 즉, 매설된 지중 열교환기가 파손되어 내부의 작동유체(부동액)가 지하수로 흘러 들어 지하수 오염 등을 유발시키거나 또는 상기 지중 열교환기가 지하 폐기물로 남는 등의 환경 문제를 야기시키는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 지중 열교환기의 시추 깊이를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 전체적인 크기를 감소시켜, 소요 비용을 절감할 수 있는 동시에 지하수 오염이나 지하 폐기물에 의한 환경 오염 문제의 발생을 방지할 수 있는 관정형 지중 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 관정형 지중 열교환기는 종래의 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서,

지표면 하부에는 지중 파이프를 매설하고, 지중 파이프의 내부에는 히트펌프의 증발관을 삽입 설치하며, 지중 파이프와 증발관 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프를 삽입 설치하고, 증발관은 압축기 및 팽창밸브를 통하여 히트펌프의 응축기와 연결하여 구성하되, 지중 파이프의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 지중 파이프의 상부에는 물유입공이 형성되며, 중간 파이프의 상부 및 하부에는 물순환공이 각각 형성되어, 지중 파이프의 내부에 설치된 히트펌프의 증발관이 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어진 상태에서 히트펌프의 작동유체를 증발관의 내부에서 증발시킴으로써, 종래에 비하여 대폭 시추공의 길이를 단축할 수 있을 뿐만 아니라 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수가 외부로 배출되지 않기 때문에 토양 또는 수질 오염의 문제점을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기를 이루는 지중 파이프의 물유입공과 중간 파이프의 물순환공 측에는 각각 이물질 유입 방지용 필터를 더 설치하여, 이물질의 유입으로 인한 열전달 효율의 감소를 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성을 나타내는 개략도로서, 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 관정형 지중 열교환기는, 종래의 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서, 지표면(11) 아래에는 비교적 큰 직경의 지 중 파이프(12)가 매설되고, 상기 지중 파이프(12)의 내부에는 히트펌프의 증발관(15)이 설치되며, 상기 증발관(15)은 압축기(3) 및 팽창밸브(5)를 통하여 지상의 히트펌프 응축기(1)와 연결되어 구성된다.

상기 구성에 있어서, 지중 파이프(12)는 종래와 동일한 고밀도 폴리에틸렌 재질로 이루어지고, 그 직경(D2)과 길이(L2)는 지열 히트펌프 장치의 열 용량에 따라서 가변적으로 결정되는데, 도 1에 나타낸 종래의 지중 열교환기의 폴리에틸렌 파이프(8)를 포함하는 보호관(9)의 통상적인 직경(D1)이 100mm 정도이며, 상기 보호관(9) 의 전체 길이(L1)가 150m 정도 수준인 바, 상기 지중 파이프(12)의 직경(D2)을 350mm로 할 경우 단위 길이당 외표면적은 종래의 지중 열교환기 대비 약 3.5배가 된다. 따라서 동일한 외표면적을 얻는데 필요한 지중 파이프(12)의 길이는 종래의 지중 열교환기 대비 약 1/3 수준으로 형성할 수 있어, 지표면으로부터 약 50m 깊이의 시추작업 만으로도 적용이 가능함을 알 수 있다. 이러한 장점은 설치 시의 시추 작업을 용이하게 할 뿐만 아니라 향후 지중 파이프(12)의 제거에 있어서도 비용 절감 효과를 가져다 주게 되는 것이다.

상기한 지중 파이프(12)의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 이루어지되, 상부에는 커버(14)가 설치되어 폐쇄되며, 상기 지중 파이프(12)의 상부에는 우수 또는 지하수가 유입되는 물유입공(12a)이 형성된다. 이때 상기 물유입공(12a) 측에는, 지중의 토사 등의 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터(미도시)를 더 설치하는 것이 바람직하다.

한편, 지중 파이프(12)와 증발관(15) 사이의 공간에는 열전도율이 우수한 구 리 재질의 중간 파이프(13)가 삽입되어 설치되는데, 상기 중간 파이프(13)의 상부 및 하부에는 상기 지중 파이프(12) 내의 우수 또는 지하수가 유통되어 순환되는 물순환공(13a)이 각각 형성되어, 상기 지중 파이프(12) 내부에 충진된 우수 또는 지하수의 대류현상을 유발시켜 지열의 흡수효과를 촉진시킬 수 있도록 한다. 이때 상기 물순환공(13a) 측에는, 상기 지중 파이프(12) 내로 유입된 이물질을 필터링하기 위한 필터(미도시)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 이는 이물질의 축적으로 인한 열전달 효율의 감소를 방지하기 위한 것이다. 상기 구성에 있어서, 중간 파이프(13)의 상부에 형성된 물순환공(13a)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 지중 파이프(12)의 물유입공(12a) 보다는 하부에 형성된다.

이하, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 우수 또는 지하수가 지중에 매설된 지중 파이프(12)의 물유입공(12a)을 통하여 상기 지중 파이프(12) 내에 충진되는데, 이때 상기 지중 파이프(12) 내에 충진된 우수 또는 지하수는 중간 파이프(13)의 물순환공(13a)을 통하여 상기 중간 파이프(13)의 내측으로 유입되어 증발관(15)을 잠기게 한다.

상기한 상태에서, 지열은 지중 파이프(12)의 외표면을 통하여 내부의 우수 또는 지하수에 전달되는데, 상기 지중 파이프(12) 내표면 부근의 우수 또는 지하수 온도가 중간 파이프(13) 내부의 우수 또는 지하수 온도보다 상대적으로 높기 때문에 밀도차에 의하여 물(우수 또는 지하수)은 상부로 이동하게 된다.(이는 도 2에 화살표의 상승수(17)로 도시되었음)

상기와 같이 상부로 이동하는 상승수(17)는 결과적으로 중간 파이프(13)의 상부에 형성된 물순환공(13a)을 통하여 증발관(15) 측으로 유입되어 냉각되며, 상기와 같이 냉각된 물은 밀도차에 의하여 하강(이는 도 2에 화살표의 하강수(18)로 도시되었음)된 후 상기 중간 파이프(13)의 하부에 형성된 물순환공(13a)을 통하여 지중 파이프(12) 측으로 이동되어 순환이 이루어지게 되는 것이다.

상기와 같은 물의 내부 순환 작용에 의하여 지열의 증발관(15)에 대한 열전달이 촉진되며, 이로서 보다 고효율의 지중 열교환기의 실현이 가능해 지게 되는 것이다.

더욱이, 하나의 지중 파이프(12) 내에 삽입되는 증발관(15)의 표면적이 종래의 지중 열교환기에 비하여 획기적으로 증대되므로 지중 열교환기의 단위 체적당 열흡수량을 종래에 비하여 획기적으로 증대시킬 수 있으며, 이는 결과적으로 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기 소요 수량을 대폭 감소시킬 수 있는 유리한 장점으로 이어지게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 관정형 지중 열교환기는, 지중 파이프의 내부에 설치된 히트펌프의 증발관이 상기 지중 파이프의 내부로 유입된 우수 또는 지하수와 직접 접촉이 이루어지며, 이 상태에서 히트펌프의 작동유체가 상기 증발관의 내부에서 증발됨으로써, 종래에 비하여 대폭 시추공의 길이를 단축할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 열매체 순환루프가 필요치 않으며, 폐공의 제거가 용이한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기를 이루는 지중 파이프의 내부에 우수 또는 지하수가 자연적으로 충진되며, 내부로 유입된 우수 또는 지하수는 외부로 배출되지 않기 때문에 토양 또는 수질 오염의 문제점이 방지된다.

그리고 또한, 본 발명의 관정형 지중 열교환기의 구성에 의하여, 장치의 전체적인 크기를 줄일 수 있어, 설치 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 종래의 지열 히트펌프 장치의 지중 열교환기에 있어서,

   지표면(11) 하부에는 지중 파이프(12)를 매설하고, 상기 지중 파이프(12)의 내부에는 히트펌프의 증발관(15)을 삽입 설치하며, 상기 지중 파이프(12)와 증발관(15) 사이의 공간에는 물의 대류현상을 유도하는 기능의 중간 파이프(13)를 삽입 설치하고, 상기 증발관(15)은 압축기(3) 및 팽창밸브(5)를 통하여 히트펌프의 응축기(1)와 연결하여 구성하되, 상기 지중 파이프(12)의 상부 및 하부는 폐쇄된 형태로 형성되고, 상기 지중 파이프(12)의 상부에는 물유입공(12a)이 형성되며, 상기 중간 파이프(13)의 상부 및 하부에는 물순환공(13a)이 각각 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 지중 파이프(12)의 물유입공(12a) 측에는, 지중의 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 필터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간 파이프(13)의 물순환공(13a) 측에는, 상기 지중 파이프(12) 내로 유입된 이물질을 필터링하기 위한 필터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 관정형 지중 열교환기.

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