KR20090128722A - 지중 열교환기 및 열 교환 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공급 및 환수 관 헤더 사이에서 일정한 간격으로 열교환 파이프를 리버스 리턴 방식의 병렬 구조로 연결하고, 지중 열교환을 하는 지중 열교환기 및 열교환 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 순환 유체를 공급하고 하부에 순환 유체가 투입되는 다수의 주입 홀이 형성된 공급 관 헤더; 상기 공급 관 헤더의 하부에 형성되어 순환 유체를 회수하고, 상부에 순환 유체가 회수되는 다수의 회수 홀이 형성된 환수 관 헤더;와 상기 공급 관 헤더의 주입 홀과 환수 관 헤더 사이의 회수 홀 사이에 일정 간격의 병렬 구조로 결합되는 다수의 열교환 파이프;를 포함하여 상기 각각의 열교환 파이프를 통과하는 순환 유체의 유량을 균일화하면서 지중 열과의 열교환을 이루도록 된 지중 열교환기 및 열교환 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 전열 면적을 극대화할 수 있으며, 리버스 리턴 방식에 의해 각각의 열교환 파이프를 통과하는 순환 유체의 유량을 일정하게 유지함으로써 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있고, 지중 열교환기의 매설깊이를 낮추어 시공비를 절약할 수 있다. 또한, 스페이서 설치 공정을 제거할 수 있으므로 공정의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 시공에 따른 제작 단가를 절감할 수 있는 우수한 효과를 얻는다.
대구경 지중 열교환기, 저심도 지중 열교환기, 병렬형 지중 열교환기, 지중 열교환기, 리버스 흐름
Description
본 발명은 지중 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 저심도 대구경의 지중 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상 하부에 형성된 공급 및 환수 관 헤더 사이에 일정한 간격으로 열교환 파이프를 병렬 구조로 연결하고, 지중 열교환을 이루도록 함으로써 스페이서(spacer)가 필요없는 간편한 시공을 통한 시공 원가의 절감을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 순환 유체의 원활한 흐름을 통하여 소비 동력을 최소화한 지중 열교환기 및 열교환 방법에 관한 것이다.
일반적으로 토양 열(지열)을 열원으로 이용하는 열 펌프에 의한 냉난방 시스템은 열원(열침)인 지중에 설치된 지중 열교환기를 통해 지열을 회수 하거나 지중으로 열을 방출하는 냉난방 시스템을 의미하며, 이는 매설환경에 따라 수직형 및 수평형을 선택하여 적용할 수 있다.
수평형의 경우 지중 열교환기를 설치하기 위한 공간이 충분히 확보되어야 하고, 열교환 파이프가 지면에서 0.5m∼1.8m의 비교적 낮은 깊이로 매설되기 때문 에 효율이 떨어지는 문제가 있어서 현재는 60∼150m의 깊이에 매설하는 수직형을 주로 이용하고 있으나 천공에 높은 비용이 소요되어 경제성에 부담으로 작용하고 있다.
이와 같이 지중 열을 열원으로 이용한 냉난방 시스템(200)은 도 (1a)에 도시된 바와 같이 냉방사이클(210a)로 작동할 수 있는데, 고온,고압의 냉매는 과열증기 상태로 압축기(212)를 나와 4방 밸브(214)를 거쳐 지중 열교환기(230) 내부를 순환하는 부동액(220)과 열교환을 하는 열교환기인 응축기(216)로 들어간다. 응축기(216)에서 고온의 증기 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 지중 열교환기(230)의 열전달 유체인 부동액 (220, 부동원액 10∼20%를 함유한 물)과 열교환을 한다.
이 과정에서 부동액(220)의 온도는 상승하며 증기 냉매는 기상(vapor phase)에서 액상(liquid phase)으로 상 변화(응축)를 하게 된다. 그리고 응축기(216)를 나온 고온의 액상냉매는 팽창밸브(222)를 지나면서 저온,저압의 상태가 된다. 이와 같은 저온,저압 상태의 액상냉매는 증발기(224)로 들어가 실내공기와 열교환을 한다. 이 열교환 과정에서 액상냉매는 증발기(224)로 유입되는 실내공기를 차갑게 만들면서 증기로 상 변화(증발)를 하게 된다. 증발기(224)를 나온 저온,저압의 액상냉매는 다시 4방 밸브(214)를 지나 압축기(212)로 들어가 압축과정을 겪으면서 다시 고온,고압의 증기 냉매가 된다.
한편 이와 같은 전형적인 지열원 냉난방 시스템(200)에서 부동액의 응축기(216) 입구온도 (EWT, Entering Water Temperature)는 약 13℃내외 이고, 출구온도 (LWT, Leaving Water Temperature)는 냉매로부터 열(온도차 에너지)을 받아 입구온도 보다 약 3℃∼6℃ 정도 상승한다. 온도가 상승한 부동액은 지중에 매설된 지중 열교환기(230)의 파이프 내를 순환하면서 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다.
도 1b에는 지열원 난방사이클(210b)을 개략적으로 도시한 것이다. 난방 싸이클(210b)은 압축기(212)를 나온 고온,고압의 증기 냉매가 4방 밸브(214)를 거쳐 응축기(216)로 들어간다. 응축기(216)에서 고온의 증기 냉매는 상대적으로 온도가 낮은 실내순환공기(물-공기 방식) 또는 물(물-물 방식)과 열교환을 수행한다.
이 과정에서 증기 냉매는 액상으로 상 변화를 하고, 실내순환공기 또는 물은 고온의 냉매와 열교환이 이루어져 온도가 상승한다. 온도가 상승한 공기 또는 물은 온돌, FCU 등 실내 열 공급 분배장치(240)를 통해 난방을 하거나 온수를 공급하게 된다. 응축기(216)를 통과하면서 액상으로 상이 변한 냉매는 팽창밸브(222)를 지나면서 온도와 압력이 감소하여 지중 열교환기를 순환하는 브라인(220)과 열교환을 하는 열교환기인 증발기(224)로 들어간다.
증발기(224)로 유입된 액상냉매는 지중 열교환기(230)를 순환하는 열전달 유체인 부동액(220)으로부터 에너지를 받아 다시 증발하고, 4방 밸브(214)를 지나 압축기(212)로 들어간다. 상기 압축기(212)는 저온,저압의 냉매가스를 압축하여 처음 상태로 만든다. 지중 열교환기(230)의 부동액은 증발기(224)에서 냉매를 증발시키고 자신은 약 3℃∼6℃ 정도 온도가 감소한다.
이때 부동액의 증발기(224) 입구온도는 대략 12℃ 내외이다. 온도가 강하된 부동액은 지중 열교환기(230) 내를 순환하면서 약 15℃의 토양과 열교환을 하여 설정 입구온도로 된다. 그리고 실내 측 분배장치(240)는 공기 조화기, 팬 코일 유닛(Fan Coil Unit, FCU) 등과 조합하여 사용할 수 있다.
도 2는 이와 같은 지열원 열펌프 냉난방 시스템(200)에 사용되는 종래의 수직형 지중 열교환기(230)를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 지중 열교환기(230)는 직경 100~200mm, 깊이 60-200m 내외로 천공한 후 U자 형태의 열교환 파이프를 삽입하게 되는데, 이때 공급 관(232)과 환수 관(234)은 PE재질로서 이들의 말단을 U-밴드(236)를 이용하여 연결하여 천공된 구멍에 삽입한 후 그라우팅을 하면 지중 열교환기가 완성된다.
그리고, 지중 열교환기(230)의 삽입 후 비어있는 나머지 공간을 시멘트 또는 벤토나이트를 주재료로 하여 그라우팅을 하게 되는데 이를 위해 트레미 파이프(238)를 삽입하여 시행하게 된다.
그러나, 종래의 수직형 지중 열교환기(230)는 모두 순환 유체의 흐름이 직류로서 열교환 파이프에 작용하는 관 마찰 저항이 크기 때문에 반송동력이 크고, 유량의 분배가 불규칙하며, 천공 심도가 깊어 천공비용이 많이 소요되는 문제가 있었다. 또한, 열교환기의 지중 삽입 후 비어있는 공간을 콘크리트 또는 벤토나이트를 주재료로 하여 채우는 그라우팅 공정 시, 열교환 파이프의 간격을 유지시키기 위한 스페이서(spacer) 제작 공정이 반드시 필요하며, 상기 스페이서 를 일일이 현장 설치하여야 하므로 많은 시간이 소요되고 상기 스페이서로 인해 트레미 파이프를 삽입하기가 용이하지 않으므로 시공이 매우 번거로울 뿐만 아니라 시공 단가가 상승하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은
대구경으로 천공하여 호칭경 5∼20mm의 열교환파이프를 다량으로 헤더에 연결하는 병렬 구조로 연결함으로써 전열면적을 극대화할 수 있으며, 순환 유체의 유량을 일정하게 유지시키고, 유체의 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있는 지중 열교환기 및 열교환 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 종래의 지중 열교환기는 천공깊이가 150m 내외에 이르기 때문에 천공과 그라우팅 비용이 높아서 이를 해결하기 위해 대구경의 저심도로 천공하여 시공비를 줄일 수 있는 지중 열교환기 및 열교환 방법을 제공하는 데 있다.
그리고 본 발명은 다른 목적으로서 공급 관 헤더와 환수 관 헤더를 이용하여 열교환 파이프를 연결함으로써, 그라우팅 작업시 열교환 파이프의 간격을 유지하기 위한 스페이서 설치 공정을 제거할 수 있으므로 시공 공정의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 제작 단가를 절감할 수 있는 지중 열교환기 및 열교환 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기에 있어서,
순환 유체를 공급하는 다수의 지중 열교환기 입구가 연결된 공급 관 헤더;
상기 공급 관 헤더의 하부에 형성되어 다수의 지중 열교환기 출구가 연결되어 순환유체가 회수되는 환수 관 헤더;와
상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더 사이에 일정한 간격으로 배열되는 다수의 열교환 파이프;를 포함하여 상기 각각의 열교환 파이프를 통과하는 순환 유체의 유량을 균일화하면서 지중 열과의 열교환을 이루도록 구성된 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
그리고, 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 열교환 파이프는 직선형 단일관으로 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 열교환 파이프는 열교환에 필요한 소요길이를 확보하기 위해 공급 및 환수 헤더 사이를 왕복하는 다수의 패스를 거쳐 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
그리고, 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 열교환 파이프는 나선형으로 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 열교환 파이프는 각각 동일 길이를 갖는 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
그리고, 본 발명은 바람직하게는 상기 다수의 열교환 파이프는 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구에서 가장 가까운 주입 홀과 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구에서 가장 먼 회수 홀에 연결되며, 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀들이 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀에 대응하여 연결되며, 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구에서 가장 먼 주입 홀과 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구에서 가장 가까운 회수 홀이 연결되는 리버스 리턴 방식에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 상기 열교환 파이프는 그 상 하단부가 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 융착 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
그리고, 본 발명은 바람직하게는 상기 열교환 파이프는 전열면적을 높이기
위해 표면에 돌기, 홈 및 핀(fin) 중의 어느 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 상기 공급 관 헤더 및 환수 관 헤더는 원형 또는 다각형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기의 열교환 방법에 있어서,
다수의 주입 홀이 하부에 형성된 공급 관 헤더를 통하여 순환 유체를 제공하는 단계;
상기 공급 관 헤더의 주입 홀에 각각 연결된 다수의 열교환 파이프들을 통하여 순환 유체를 리버스 리턴 방식으로 흐르도록 하는 단계; 및
상기 열교환 파이프들에 각각 연결된 회수 홀들이 형성된 환수 관 헤더를 통하여 순환 유체를 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 리버스 리턴 방식은 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀로부터 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀로 순환 유체가 흐르도록 하여 상기 각각의 열교환 파이프를 통한 순환 유체의 유량을 균일화하면서 순환 유체의 지중 열교환을 이루도록 하는 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기의 열 교환 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 지중 열교환기 및 열교환 방법에 의하면 열교환 파이프를 병렬 구조로 조밀하게 배치 및 연결하여 천공표면을 전열면으로 사용함으로서 전열면적을 극대화할 수 있으며, 리버스 리턴 방식에 의해 각각의 열교환 파이프를 통과하는 순환 유체의 유량을 일정하게 유지함으로써 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한, 그라우팅 작업시 뒷 채움 방법에 있어서 모래, 벤토나이트, 시멘트등을 단독주입 또는 혼합주입할 때 브릿지 현상을 방지함으로서 작업을 단순화하고, 신뢰성을 높임으로써 그라우팅 작업을 최소화할 수 있으며, 열교환 파이프의 간격 유지를 위한 스페이서 설치 공정을 제거할 수 있으므로 공정의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 시공에 따른 제작 단가를 절감할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3a)을 참조하면, 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)는 순환 유체를 공급하고 하부에 순환 유체가 투입되는 다수의 주입 홀(12)이 형성된 공급 관 헤더(10)를 구비한다. 상기 공급 관 헤더(10)는 도 3b)에 도시된 바와 같이, 그 순환 유체 입구(14)로부터 끝단(16)으로 향하여 차례차례 주입 홀(12)이 형성되는데, 상기 주입 홀(12)은 그 사이 간격(d)이 동일한 크기로 이루어진다. 또한 상기 공급 관 헤더(10)의 끝단(16)은 막힌 단부를 형성한다.
또한 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)는 상기 공급 관 헤더(10)의 하부에 형성되어 순환 유체를 회수하고, 상부에 순환 유체가 회수되는 다수의 회수 홀(32)들이 형성된 환수 관 헤더(30)를 구비한다.
상기 환수 관 헤더(30)는 도 3b)에 도시된 바와 같이, 그 순환 유체 출구(34)로부터 끝단(36)으로 향하여 차례차례 회수 홀(32)들이 형성되는데, 상기 회수 홀(32)은 그 사이 간격(d)이 동일한 크기로 이루어지고, 상기 공급 관 헤더(10)의 주입 홀(12)들과 대응하여 위치된다.
즉 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입구(14)에 가장 가깝게 형성된 주입 홀(12)은 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)에 가장 가깝게 형성된 회수 홀(32)에 그 상하 위치가 일치하고, 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입구(14)로부터 끝단(16)으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀(12)들은 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)로부터 끝단(36)으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀(32)에 각각 대응한다.
즉, 끝단(16)은 순환 유체 출구(34), 순환 유체 입구(14)는 끝단(36)과 차례로 대응한다. 또한 상기 환수 관 헤더(30)의 끝단(36)은 막힌 단부를 형성한다.
또한 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)는 상기 공급 관 헤더(10)의 주입 홀(12)과 환수 관 헤더(30) 사이의 회수 홀(32) 사이에 일정 간격(d)의 병렬 구조로 결합된 다수의 열교환 파이프(50)를 포함한다. 상기 다수의 열교환 파이프(50)는 도 3a),b)에 도시된 바와 같이, 직선형으로 형성되어 상기 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30)에 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.
그리고, 다르게는 상기 다수의 열교환 파이프(50)는 순환 유체가 난류를 형성할 수 있도록 나선형으로 가공하여 상기 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30)에 연결되어 열전달을 증대시키고, 보다 많은 열량의 열 교환을 이룰 수 있다.
또한, 열교환 파이프(50)는 단순한 1열의 직선형 단일관들의 구조뿐만 아니라, 다수 열의 관을 패스로 구성하여 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30)에 각각 연결하는 구조로 할 수 있는데, 도 6은 이것을 도시한 것이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 열교환 파이프(50)는 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30) 사이를 상하로 다수 왕복한 후, 이들을 연결하도록 구성된 것을 나타낸다.
이와 같은 경우, 상기 직선형 구조, 다수 열의 패스 구조 또는 나선 형 구조들의 열교환 파이프(50)들은 각각 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입구(14)에서 가장 가까운 주입 홀(12)과 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)에서 가장 먼 회수 홀(32)에 연결되고, 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입 구(14)로부터 끝단(16)으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀(12)들이 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)로부터 끝단(36)으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀(32)에 각각 대응하여 연결되는 리버스 리턴 방식에 의해 연결된 구조이다.
그리고 상기 열교환 파이프(50)는 상기 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30)에 각각 융착 연결되어 일체로 형성될 수 있고, 다르게는 일반적인 각종 연결방법(미 도시)으로 연결될 수 있음은 물론이다. 또한 상기 열교환 파이프(50)는 전열면적을 높이기 위해 표면에 돌기(미 도시)가 형성되도록 하거나, 다르게는 홈, 또는 핀(fin)을 돌출형성할 수도 있는 구조이다.
이와 같은 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)는 열 펌프의 열교환기(미도시)를 거쳐 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14)를 통해 유입된 순환 유체가 순환펌프(미 도시)에 의해 열교환 파이프(50)를 순환하도록 하고, 환수 관 헤더(30)의 출구(34)를 통해 회수하여 냉난방에 이용하게 된다.
이와 같은 순환 유체의 지중 열교환 과정에서 상기 공급 관 헤더(10)는 열 펌프의 열교환기, 즉 냉방 시스템의 응축기(216) 또는 난방 시스템의 증발기(224)를 거쳐 입구(14)로 유입된 순환 유체를 열교환 파이프(50)에 분배하는 용도로 사용되고, 상기 환수 관 헤더(30)는 순환 유체가 열교환 파이프(50)에 분배되어 하부로 이동하는 동안, 지중 열과 열 교환되어 일정한 온도에 도달한 후, 다시 열 펌프의 열원으로 이용하기 위해 출구(34)를 통해 열 펌프의 열교환기로 송출하는 역할을 담당한다.
보다 구체적으로, 여름에는 건물로부터 제거해야 할 열을 함유한 순환 유체는 열을 지중으로 방출하기 위해 공급 관 헤더(10)의 입구(14)로 유입되어 열교환 파이프(50)를 통해 지중으로 방출되고, 냉각된 순환 유체는 환수 관 헤더(30)에서 모아진 후, 출구(34)를 통해 열 펌프의 열교환기, 즉 냉방 시스템의 응축기(216) 로 유입된다.
그리고, 겨울에는 지중의 열을 회수하여 건물로 공급하기 위해 온도가 낮은 순환 유체가 공급 관 헤더(10)의 입구(14)로 유입되어 열교환 파이프(50)를 통과하면서 가열되어 환수 관 헤더(30)에서 모아진 후 출구(34)를 통해 열 펌프의 열교환기, 즉 난방 시스템의 증발기(224)로 유입된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예의 지중 열교환기(1')(1")를 도시한 것이다. 도 4 및 도 5를 참조하면 상기 공급 관 헤더(10) 및 환수 관 헤더(30)의 평면형상은 순환 유체를 열교환 파이프(50)를 통해 배분 및 회수할 수 있는 기능을 수행할 수 있으면 어떠한 형상으로도 제작될 수 있다. 따라서, 공급 관 헤더(10) 및 환수 관 헤더(30)들은 원형 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등의 다각형상을 포함하는 어떠한 형상으로도 제작될 수 있다.
이와 같은 경우에도 상기 열교환 파이프(50)들은 동일한 유량이 흐르도록 길이를 동일하게 하고, 유동저항을 감소시키기 위해 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입구(14)로부터 끝단(16)으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀(12)들이 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)로부터 끝단(36)으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀(32)에 각각 대응하여 연결되는 리버스 리턴 방식에 의해 상기 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30) 사이에서 결합되는 것이다.
또한, 본 발명의 지중 열교환기(1)는 공급 관 헤더(10)와 환수 관 헤더(30)의 사이의 열교환 파이프(50)들이 공장에서 융착하여 일체로 형성될 수 있고, 상기 과정을 통해 본 발명의 지중 열교환기(1)는 공장에서 제조되어 현장에 매립 시공될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)는 상기 공급 관 헤더(10)로 유입된 순환 유체가 다수의 주입 홀(12)을 통해 다수의 열교환 파이프(50)로 분배된다. 이때, 입구(14)에 가장 가까운 주입 홀(12)을 통해 배분되는 순환 유체의 유입속도가 빠르고, 입구(14)로부터 가장 먼 주입 홀(12)을 통해 배분되는 순환 유체의 유입속도는 느리므로 유량의 분배가 불규칙하게 된다.
또한, 상기 열교환 파이프(50)를 통해 배출된 순환 유체는 환수 관 헤더(30)의 출구(34)를 통해 열 펌프의 열교환기로 송출되는 데, 상기 출구(34)에 가장 가까운 회수 홀(32)을 통해 배출되는 순환 유체의 배출속도가 빠르고, 출구(34)로부터 가장 먼 회수 홀(32)을 통해 배출되는 순환 유체의 배출속도는 느리므로 역시 유량의 분배가 불규칙하게 된다.
따라서, 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14)에 가장 가까운 주입 홀(12)과 상기 환수 관 헤더(30)의 출구(34)로부터 가장 먼 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되도록 배치하고, 입구(14)에 그 다음 가까운 주입 홀(12)과 출구(34)로부터 그 다음 먼 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되는 방식으로 차례차례 배치하면 유량을 일정하게 분배할 수 있으며, 유동 저항을 감소시 킬 수 있으므로 순환펌프의 동력을 절감할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따른 지중 열교환기(1)에 구비된 상기 공급 관 헤더(10) 및 환수 관 헤더(30)는 그라우팅 공정 시, 열교환 파이프(50)의 간격(d)을 유지하는 스페이서 역할을 수행함으로써 별도의 스페이서 설치 공정을 제거할 수 있으므로 공정의 효율성을 높일 수 있다. 따라서 그라우팅 작업시 뒷 채움 방법에 의해 작업의 신뢰성을 높여 그라우팅 작업을 최소화할 수 있으며, 열교환 파이프(50)의 간격(d) 유지를 위한 스페이서 설치 공정을 제거할 수 있으므로 공정의 효율성을 높일 수 있다. 따라서 시공에 따른 제작 단가를 절감할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 지중 열교환기의 열교환 방법(100)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 지중 열교환기의 열교환 방법(100)은 먼저 공급 관 헤더(10)의 다수의 주입 홀(12)을 통하여 순환 유체를 제공하는 단계(110)가 이루어진다.
즉 공급 관 헤더(10)에는 부동액으로 이루어진 순환 유체가 순환 펌프(미 도시)를 통하여 공급되고 유입된다.
그리고 다음으로 본 발명은 상기 공급 관 헤더(10)의 주입 홀(12)에 각각 연결된 다수의 열교환 파이프(50)들을 통하여 순환 유체를 리버스 리턴 방식으로 흐르도록 하는 단계(120)가 이루어진다. 이와 같은 리버스 리턴 방식은 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14)와 이후에 설명되는 환수 관 헤더(30)의 출구(34)의 위치 조절을 통해 간단하게 구현할 수 있다.
즉, 본 발명의 리버스 리턴 방식은 상기 공급 관 헤더(10)의 순환 유체 입구(14)로부터 끝단(16)으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀(12)로부터 상기 환수 관 헤더(30)의 순환 유체 출구(34)로부터 끝단(36)으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀(32)로 순환 유체가 흐르도록 하여 상기 각각의 열교환 파이프(50)를 통한 순환 유체의 유량을 균일화하면서 흐르도록 한다.
상기에서 공급 관 헤더(10)는 입구(14)에 가장 가까운 주입 홀(12)을 통해 배분되는 순환 유체의 유입속도가 빠르고, 입구(14)로부터 가장 먼 주입 홀(12)을 통해 배분되는 순환 유체의 유입속도는 느리다. 또한, 상기 열교환 파이프(50)를 통해 배출된 순환 유체는 환수 관 헤더(30)의 출구(34)를 통해 열 펌프의 열교환기로 송출되는 데 상기 출구(34)에 가장 가까운 회수 홀(32)을 통해 배출되는 순환 유체의 배출속도가 빠르고, 출구(34)로부터 가장 먼 회수 홀(32)을 통해 배출되는 순환 유체의 배출속도는 느리다.
그러므로 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14)에 가장 가까운 주입 홀(12)과 상기 환수 관 헤더(30)의 출구(34)에 가장 가까운 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되고, 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14)로부터 가장 먼 주입 홀(12)과 상기 환수 관 헤더(30)의 출구(34)로부터 가장 먼 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되도록 배치된다면 열교환 파이프(50)들 사이에서 유량의 분배가 불규칙하게 된다.
따라서, 본 발명의 리버스 리턴 방식은 상기 공급 관 헤더(10)의 입구(14) 에 가장 가까운 주입 홀(12)과 상기 환수 관 헤더(30)의 출구(34)로부터 가장 먼 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되도록 배치하고, 상기 입구(14)에 그 다음 가까운 주입 홀(12)과, 출구(34)로부터 그 다음 먼 회수 홀(32) 사이에 열교환 파이프(50)가 연결되는 방식으로 차례차례 배치하고 있다.
이와 같은 본 발명의 리버스 리턴 방식의 배치구조를 통하면 각각의 열교환 파이프(50)들의 유량을 일정하게 분배할 수 있으며, 유동 저항을 감소시킬 수 있으므로 순환펌프의 동력을 절감할 수 있다.
다음으로 본 발명은 상기 열교환 파이프(50)들에 각각 연결된 회수 홀(32)들이 형성된 환수 관 헤더(30)를 통하여 순환 유체를 회수하는 단계(130)를 포함하여 순환 유체의 지중 열교환을 이루고, 열교환을 이룬 순환 유체를 냉난방 시스템에 사용하는 것이다. 이와 같은 과정에서 본 발명은 리버스 리턴 방식에 의해 각각의 열교환 파이프(50)를 통과하는 순환 유체의 유량을 일정하게 유지함으로써 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있는 것이다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 실시 예를 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 실시 예의 수정 또는 설계변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
도 1은 일반적인 지중 열 냉난방 시스템을 도시한 구성도로서,
a)도는 냉방 싸이클의 동작 설명도, b)도는 난방 싸이클의 동작 설명도;
도 2는 종래의 기술에 따른 수직형 지중 열교환기를 도시한 설명도;
도 3은 본 발명에 따른 지중 열교환기를 도시한 도면으로서,
a)도는 외관 사시도, b)도는 평면 및 측면 구조를 상세히 도시한 설명도;
도 4는 본 발명에 따른 지중 열교환기의 변형 구조를 도시한 도면으로서, 공급 관 헤더 및 환수 관 헤더가 사각형의 구조로 이루어진 구성도;
도 5는 본 발명에 따른 지중 열교환기의 또 다른 변형 구조를 도시한 도면으로서, 공급 관 헤더 및 환수 관 헤더가 삼각형의 구조로 이루어진 구성도;
도 6은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 또 다른 변형 구조를 도시한 도면으로서, 열교환 파이프가 다수 열의 패스로 이루어진 구성도;
도 7은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 열 교환 방법을 단계적으로 도시한 공정 순서도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1,1',1".... 본 발명에 따른 지중 열교환기
10..... 공급 관 헤더 12..... 주입 홀
14..... 순환 유체 입구 16..... 공급 관 헤더의 끝단
30..... 환수 관 헤더 32..... 회수 홀
34..... 순환 유체 출구 36..... 환수 관 헤더의 끝단
50..... 열교환 파이프
100.... 본 발명에 따른 지중 열교환기의 열교환 방법
110.... 공급 관 헤더의 다수의 주입 홀을 통하여 순환 유체를 제공하는 단계
120.... 열교환 파이프들을 통하여 순환 유체를 리버스 리턴 방식으로 흐르도록 하는 단계
130.... 환수 관 헤더를 통하여 순환 유체를 회수하는 단계
200..... 지중 열 냉난방 시스템 210a.... 냉방사이클
210b... 난방 싸이클 212.... 압축기
214.... 4방 밸브 216.... 응축기
220..... 부동액 222.... 팽창밸브
224..... 증발기 230..... 지중 열교환기
232..... 공급 관 234..... 환수 관
236..... U-밴드 238..... 트레미 파이프
Claims (10)
- 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기에 있어서,순환 유체를 공급하는 다수의 지중 열교환기 입구가 연결된 공급 관 헤더;상기 공급 관 헤더의 하부에 형성되어 다수의 지중 열교환기 출구가 연결되어 순환유체가 회수되는 환수 관 헤더;와상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더 사이에 일정한 간격으로 배열되는 다수의 열교환 파이프;를 포함하여 상기 각각의 열교환 파이프를 통과하는 순환 유체의 유량을 균일화하면서 지중 열과의 열교환을 이루도록 구성된 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 열교환 파이프는 직선형 단일관으로 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 열교환 파이프는 열교환에 필요한 소요길이를 확보하기 위해 공급 및 환수 헤더 사이를 왕복하는 다수의 패스를 거쳐 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 열교환 파이프는 나선형으로 상기 공급 관 헤 더와 환수 관 헤더에 연결되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제2항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 열교환 파이프는 각각 동일 길이를 갖는 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제1항에 있어서, 상기 다수의 열교환 파이프는 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구에서 가장 가까운 주입 홀과 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구에서 가장 먼 회수 홀에 연결되며, 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀들이 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀에 대응하여 연결되며, 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구에서 가장 먼 주입 홀과 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구에서 가장 가까운 회수 홀이 연결되는 리버스 리턴 방식에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제6항에 있어서, 상기 열교환 파이프는 그 상 하단부가 상기 공급 관 헤더와 환수 관 헤더에 융착 연결되어 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제6항에 있어서, 상기 열교환 파이프는 전열면적을 높이기 위해 표면에 돌기, 홈 및 핀(fin) 중의 어느 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 제6항에 있어서, 상기 공급 관 헤더 및 환수 관 헤더는 원형 또는 다각형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
- 지중(地中) 열을 이용한 냉난방 시스템에 이용되는 지중 열교환기의 열교환 방법에 있어서,다수의 주입 홀이 하부에 형성된 공급 관 헤더를 통하여 순환 유체를 제공하는 단계;상기 공급 관 헤더의 주입 홀에 각각 연결된 다수의 열교환 파이프들을 통하여 순환 유체를 리버스 리턴 방식으로 흐르도록 하는 단계; 및상기 열교환 파이프들에 각각 연결된 회수 홀들이 형성된 환수 관 헤더를 통하여 순환 유체를 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 리버스 리턴 방식은 상기 공급 관 헤더의 순환 유체 입구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 주입 홀로부터 상기 환수 관 헤더의 순환 유체 출구로부터 끝단으로 향하여 차례차례 형성된 회수 홀로 순환 유체가 흐르도록 하여 상기 각각의 열교환 파이프를 통한 순환 유체의 유량을 균일화하면서 순환 유체의 지중 열교환을 이루도록 하는 것임을 특징으로 하는 지중 열교환기의 열 교환 방법.
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