KR20140093307A - 열전도율을 개선한 장심도 지중열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업발전과 화석 연료사용 증대로 인하여 지구 온난화가 가중되고 있어 이상기후 현상이 심화되고 있다. 이는 지구가 적용하고자 몸부림치고 있다는 분명한 증거이기도 하다. 인류의 재앙이 아닐수 없다. 이에대한 대비책이 필요하고 국가시책인 저탄소 녹색성장에 부흥하기 위한 일환으로 개발된 것이다. 지구 중심에는 상상을 초월하는 열에너지를 가지고 있다. 이를 이용한 여러가지로 생활에 활용함으로써 CO₂를 저감시킬수 있다. 그런데 이 열을 전달하는 좀 더 효율적으로 효과적인 장치가 필요하다. 따라서 본 발명을 하게 된 것이다.
용 도 * 지열냉난방 신재생 에너지
* 농업 냉.온 장치
* 제조산업
효 과 * 시공용이 및 간소화
* 열전도율 개선
* 설치비용 절감

Description

열전도율을 개선한 장심도 지중열 교환기 {Deep geothmal changer of thmal conductivity improvement}

본 발명은 지중열 교환기의 효율을 높이고 시공및 유지관리의 용이토록 하는데 있다. 종전에 사용하던 열교환기는 열전도율이 떨어질뿐 아니라 시공이 난이하고 효율성이 저조하여 실효성이 적었다. 향후 신재생에너지 보급확대와 더불어 저탄소 배출하는 산업을 지속발전을 가능케 하기위해서는 기계설비 분야에서 유용하게 활용될 필요가 높다.

우리나라도 G20 정상회의에서 이상기후변화에 대응하기 위하여 국제적으로 약속이행 결의에 동참하고 저탄소 녹생성장 지침을 발표하였다. 또한, 저우에서 지원정책과 더불어 신재생 보급사업에 박차를 가하고 있다. 하지만 많은 시행착오를 거듭하면서 개선을 하고 있지만 효과나 보급율에는 아직 걸음마 단계에 머물고 있다고해도 과언이 아닐 것이다. 그중에서 본 발명은 발목을 잡는 난점을 해결하는데 일역을 담당할 것이다. 우리나라는 겨울이 길고 추운지역이다. 하지만 지하 100m만 파면 어디나 섭씨 15^o도 온도를 얻을수 있어 향후 이를 이용한 난방은 물론이고 냉방까지 활용할수 있다. 하지만 초기설비 투자비 과다및 유지관리 난해성 때문에 실질보급에서는 주저하게 되는것이 현실화되고 있다.

1. 지중열 교환기 설치비용 과다

지중열 교환기 설치를 위하여 지하를 천공한 후에 지중열교환기를 삽입하고 지하공내 여백을 벤토나이트및 씰리카겔로 그라우팅하게 되는데 통상 150mm 공내에 32mm PE관 상하행용 2개를 뺀 여백을 그라우팅해야 되므로 자재비와 인력이 많이 소요된다.

2. 열전도율(Thermal conductivity) 저하

기존 지중열교환기를 삽입하고 그 주변을 벤토나이트로 충진하게 되는데 암반과 열전도를 하기위해 유체가 흐르는 열전도관 사이에 열전도가 잘되기 위해서는 최대한 거리가 가까와야하고, 전도율이 높은 물질로 충진할 필요 성이 있다.

3. 지하오염 방지

지하 땅속은 향후 사용용도가 높은 지하자원으로서 수자원(water)이 존재 하는데 지열을 얻기위한 지하천공이 다수 생기면서 그라우팅 업자가 아닌 일반 시공자들이 생산성만을 강조하여 오염방지는 뒷전이고 성과에만 눈이 먼 시공을 하고 있다. 그리고 일단 그라우팅하는데 양이 적고 오염방지에 좀더 용이한 지중열 교환기 구조 변경이 필수적이라 하겠다.

4. 유체흐름 에너지 절감

지중열 교환기내에 지중열을 운반하기 위하여 유체(통상물, water)가 흐 르게 되는데 이를 위해서 동력이 쓰이게 된다.

유체가 흐르게 될때 단면적에 비례하여 동력이 적게 소요된다. 말을 바꾸면 같은 유속일때 단면적이 넓으면 넓을수록 동력이 절감된다는 것이다.

1. 지중열교환기 설치비용 절감

지하천공내 암벽과 지중열 교환기 간격을 최소화 시킴으로써 밀폐재가 적게 쓰이고 지하수가 있는곳 즉, 지하수 자연수위가 안정적으로 존재수위 이하 부분은 실리카겔 또는 모래로 충진하고 자연수위 상부만 오염방지를 위하여 그라우팅을 실시하므로 구라우팅재의 절감과 효율을 향상시킨다.

2. 열전도율(Thermal conductivity) 향상

본 발명의 가장 큰 과제는 지중 암반의 열을 효과적으로 전달될수 있도록하는데 있다. 그러기 위해서는 (1)전도거리의 최단거리화 (2)열전도 면적의극대화 (3)열전도대의 최적자재 선정등이 중요하다. 이중에서 본 발명에서는 (1),(2)항의 문제를 해결토록 지중열 교환기를 구조 변경한 것이다.

3. 지하오염 방지 철저

지중열을 이용하는 것도 좋지만 이에 따르는 환경파괴를 최소화 해야하는 것은 지극히 당연한 것이다. 지열을 이용하기 위해서는 향후 수많은 지열공이 발생되는데 오염방지가 무엇보다 중요시 되지 않을 수 없다. 지열공내와 지중열 교환기 공간의 줄임으로 오염방지재 양을 축소시키고, 인력과 비용 소요를 절감 시킨다. 그만큼 오염방지하는데 용이해 질수 있다. 이외에도 시공시 오염방지에 지속적인 감리와 감독 철저가 필요시 되고 있다.

4. 유체운반 동력축소

본 발명에서는 지중열 교환기에 흐르는 유체 접촉면적을 크게 하므로 열전 도율을 높이고 유체 흐름에너지를 적제함으로써 소요동력을 절감 시킬수있다. 지열 신재생 에너지 활용은 통상 기존 전기에너지 사용과 비교할 때약 2/3를 절감시킬수 있는데 본 발명의 지중열 교환기를 사용하게 되면 분명그 이상의 효과를 가져올수 있다. 물론, 같은 조건의 지열공의 직경과 깊이를 가정했을 때이다.

1. 열전도율의 개선

2. 열전도 매체운반 동력절감

3. 시공비 절감

4. 유지보수 용이

1. 그림1 대표도
지중열 교환기의 이중구조 및 전체적 모형도
2. 그림2
지중열 교환기의 헤드부분의 접속모형 상세도
3. 그림3
지중열 교환기의 유체 출입구의 접속모형 상세도
4. 그림4
지중열 교환기의 치수와 도서

1. 열전도 면적의 극대화

지중 암반의 열을 전달하기 위해서 단위,길이당 접촉면적이 크도록 열교환기 유체흐름 구조로 하였다.

2. 열전도용 유체동력 절감

지중열 교환기내 열 전달하는 유체이송 동력을 줄이기 위해 단위,길이당유체통로 단면적을 증대시킴으로써 유체이송 동력을 절감시키도록 하였다.

3. 구라우팅 자재 절감

지열공 암벽과 지중열 교환기 사이 공간을 줄이므로 그라우팅재의 소모를많이 줄일수 있고, 그만큼 비용과 인력을 절감시키도록 하였다.

4. 오염방지 철저 준수

지열공의 형태가 원형이면서 지중열 교환기 형태 또한 원형으로하여 필요 시 오염방지 팩카를 활용할시 지하오염을 원천봉쇄할 수 있는 특징적 구조를 가지고 있다.

1. 그림1. ㄱ - 지중열 교환기 헤드 연결구
2. 그림1. ㄴ - 지중열 교환기 측면 연결구
3. 그림1. ㄷ - 지중열 교환기 외관과 내관 이격 거리
4. 그림1. ㄹ - 지중열 교환기 외관, 내관의 직경 비율

Claims (4)

1. 장심도 지중열 교환기 이중적 구조 - 외관내부에 내관이 설치되는 구조를 하고 있다. 외관 내경은 내관,내경 1.5배 비율
2. 장심도 지중열 교환기 열전도 면적 확대 - 지열공 직경의 2/3직경(실질 지열공 상태에 따라 증가 가능)으로 하는 원주 둘레 단면적을 가질수 있어 길이,단위당 열전도 면적이 증가.
   열전율은 단위,길이당 접촉면적에 비례하여 증가
3. 오염방지용 팩카 설치 구조
   본 발명은 원형구조로 지열공 구조도 원형이므로 오염방지 팩카 설치로 오염방지 원천봉쇄 가능
   * 오염방지및 자갈채움 공법(출원인코드:1-2009-0300139.)을 추가 서술 활용하여 오염방지철저 실시. 단, 자갈 대신 극세사 0.4mm ~ 0.7mm로 대체 사용한다. 열전도율을 높이기 위하여 여백공간을 줄이기 위해서 임.
4. 지중열 교환기내 유송이송모터 동력 절감
   지중열 교환기내 유체이송 통로 단면적 증가로 동일 유량, 유속일때 유체 이송동력이 절감. 동력에너지는 유체통로 단면적에 반비례하여 소모

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