KR20150004387U - 박스형 지열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 박스형 지열교환기에 관한 것이다. 본 고안은 본 고안의 구성적 특징은 내부에는 공간이 형성되어 있는 하우징과 상기 하우징의 내부 공간에 수용되는 원통형의 메쉬망 부재와 상기 메쉬망 부재의 내부에 충진되는 무기질 오니와 상기 메쉬망 부재의 표면에는 제1 종단 및 제2 종단이 상기 하우징의 상부에 형성된 통공을 통하여 외부로 돌출되어 지표면의 외부로 노출되도록 하고, 내부에는 유체가 수용되도록 형성되는 지열 파이프를 포함하는 박스형 지열 교환기와 상기 제1 종단 및 제2 종단과 연결되어 상기 박스형 지열 교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 냉난방 장소로 이동시켜 열교환에 의한 냉난방이 이루어지도록 하는 보일러 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 고안의 지열교환기는 기존의 수직형 지열 교환기와 같이 지하 100미터 내지 150미터까지 매설하지 않고 지하 3~5미터 정도의 깊이로 매설하여도 보다 효율적인 지열 교환을 수행할 수 있는 우수한 효과가 있는 것이다.

Description

박스형 지열교환기{Box type Geothermal Heat Exchanger}

본 고안은 박스형 지열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정 수용 공간을 갖는 하우징 부재의 내부 공간에 종래 충진물인 모래 및 석분보다 입자가 적고 열전도율이 우수한 무기질 하수 슬러지 및 폐 오니를 충진하여 지열 교환을 고효율로 수행할 수 있는 박스형 지열교환기에 관한 것이다.

최근 들어, 인구의 증가에 따른 급속한 산업화로 주거 공간이 급진적으로 늘어나고 있다. 이러한 주거공간의 냉난방으로 인한 에너지 사용은 점진적으로 늘어나 국가 전체적으로 볼 때, 전력 예비율의 감소 등 에너지 낭비로 인하여 심각한 경제적 손실이 따르고 에너지를 얻기 위하여 화석 연료의 연소과정 등에서 발생하는 공해는 생태계 파괴 등 심각한 사회문제로 대두되고 있는 실정이다.

일반적으로 자원은 석유, 석탄, 천연가스 등과 같은 화석 연료, 나무와 같은 천연 연료, 기타 태양열, 지열, 풍력, 해수력 등 자연으로부터 얻을 수 있는 자원에 대한 활용 방안이 활발히 연구가 되어 적용되고 있다.

이와 같이 최근에는 공해를 발생시키지 않고 산업 현장 또는 주거공간에서 사용할 수 있는 에너지 개발에 많은 연구 비용을 투자하고 있다. 상기와 같이 공해를 발생시키지 않으며 환경을 저해하지 않고 얻을 수 있는 에너지는 태양열과 지하에 존재하는 지하열을 에너지화하는 것이다.

일반적으로 지하열은 태양열의 약 47%가 지표를 통하여 지하에 저장된 것을 말하며 이는 우리가 사용하는 에너지량의 500%에 해당하는 양이다. 이와 같은 지하열은 공해가 없고 계속적인 자연 충전이 가능하며 더운 여름동안 비축된 에너지를 겨울 동안 약 400% 정도 사용할수 있으며, 조사에 따르면 현재 사용 중인 에너지의 대부분은 발전 전력에 의존하고 있는 상기와 같은 지하열과 대비하였을 경우 약 48%의 에너지 효과를 낼 수 있으며 가스나 오일인 경우 36%에서 43% 전후의 열을 낼수 있으나 지하 열을 사용할 때에는 약 75% 전후의 열을 낼 수 있다.

지열을 이용하는 방식으로는 배관을 지하 수십미터 또는 수백미터 깊이로 깊게 홀을 형성하여 지열을 이용하도록 하고 있다. 이처럼 깊게 홀을 형성하는 경우에는 일반적으로 넓은 홀을 형성하고, 그 홀에 시멘트 몰탈층을 시공한 후, 다시 시멘트 몰탈층이 굳은 다음에 지열 흡열용 파이프를 넣게 된다. 따라서, 이처럼 여러 단계를 거치면서 지열흡수를 위한 시공을 하게 되며, 특히 그 깊이가 수십미터에서 수백미터에 이르기 때문에, 시공이 싶지 않아 시공 비용이 많이 들뿐만 아니라 지하층의 자연을 훼손할 수도 있는 문제점이 있었다.

이러한 지열 이용 장치를 계속 사용하다 보면, 사용 중 지층의 변화로 인하여 시설 파괴의 우려도 있고, 기타 지하철, 지하수로의 확보 등과 같은 외부 공사로 인하여 지열 이용시설이 파괴될 수 있어서 일반 가정이나, 시설 등에서 자유로이 시설하기가 곤란한 문제점이 있다.

따라서, 상기와 같은 지하 열을 이용한 냉난방장치가 다수 제안된 바 있으나, 이들은 지하열을 이용하여 기존의 냉난방시스템에 적용시킨 비교적 단순하고 편이성이 결여된 구성을 취하고 있다. 이에, 지하 매설 등의 설치 및 시공이 보다 간편하면서 보다 효율적인 지열교환기의 개발이 요구되고 있다.

KR 2009-0108795 10 KR 2012-0077934 10

따라서, 본 고안은 이러한 문제를 해결하기 안출된 것으로 콘크리트 재질의 하우징과 지열파이프, 내부에는 무기질 오니를 충진한 박스형 지열교환기를 제조하여 상기 박스형 지열교환기를 지중(地中)에 매립하여, 지열을 잘 흡수하여 깊지 않은 지하 층에 매설하더라도 고 효율의 지열 교환을 수행할 수 있는 박스형 지열교환기를 제공하고자 하는데 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 내부에는 공간이 형성되어 있는 하우징과 상기 하우징의 내부 공간에 수용되는 원통형의 메쉬망 부재와 상기 메쉬망 부재의 내부에 충진되는 무기질 오니와 상기 메쉬망 부재의 표면에는 제1 종단 및 제2 종단이 상기 하우징의 상부에 형성된 통공을 통하여 외부로 돌출되어 지표면의 외부로 노출되도록 하고, 내부에는 유체가 수용되도록 형성되는 지열 파이프를 포함하는 박스형 지열 교환기와 상기 제1 종단 및 제2 종단과 연결되어 상기 박스형 지열 교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 냉난방 장소로 이동시켜 열교환에 의한 냉난방이 이루어지도록 하는 보일러 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 하우징은 콘크리트 재질로 형성하여 내부 공간의 수분을 일정하게 유지하고 열 전도율을 높인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 무기질 오니는 광물 분쇄시설 또는 토사 세척시설에서 발생한 것을 침전 처리한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지열 파이프는 내부의 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 최대화할 수 있도록 액셀형 코일 형상으로 설치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 박스형 지열교환기는 1개 이상으로 병렬로 구성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 고안의 박스형 지열교환기를 지중(地中)에 매립하도록 하여 전체가 모두 흙으로 둘러싸도록 하여, 더욱 효율적인 지열 교환을 수행할 수 있는 우수한 효과가 있는 것이다.

또한, 박스 형태의 지열교환기 자체를 용이하게 지중에서 발굴하여 자신이 원하는 위치에 다시 매설하여 설치할 수 있으므로 작업의 효율성을 가져다 주는 효과가 있는 것이다.

그리고, 폐기물인 무기물 하수 슬러지 및 폐 오니 등을 내부에 충진하여 재활용함으로서 폐기물의 처리비용을 줄이고 환경오염을 예방하는 효과가 있으며 모래나 석분 등을 대체하여 사용함으로서 자원의 절약 효과 또한 기대할 수 있다.

도 1은 본 고안의 박스형 지열교환기를 지중에 매설한 형상을 도시한 단면도.
도 2는 본 고안의 박스형 지열교환기를 설치한 전체적인 구성도.

본 고안의 구성적 특징은 내부에는 공간이 형성되어 있는 하우징과 상기 하우징의 내부 공간에 수용되는 원통형의 메쉬망 부재와 상기 메쉬망 부재의 내부에 충진되는 무기질 오니와 상기 메쉬망 부재의 표면에는 제1 종단 및 제2 종단이 상기 하우징의 상부에 형성된 통공을 통하여 외부로 돌출되어 지표면의 외부로 노출되도록 하고, 내부에는 유체가 수용되도록 형성되는 지열 파이프를 포함하는 박스형 지열 교환기와 상기 제1 종단 및 제2 종단과 연결되어 상기 박스형 지열 교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 냉난방 장소로 이동시켜 열교환에 의한 냉난방이 이루어지도록 하는 보일러 시스템인 것이다.

이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시가 되더라도 가능한 한 동일 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, 하기에서 본 고안을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 박스형 지열 교환기를 지중에 매설한 형상을 도시한 단면도이고, 도 2는 본 고안의 박스형 지열교환기를 설치한 전체적인 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 고안에 의한 지열 교환기(100)는 하우징 부재(20)와 메쉬망 부재(30)를 포함한다.

콘크리트 재질의 상기 하우징 부재(20)는 내부가 비어 있는 밀폐형 박스 형태로 일정한 부피의 내부 공간이 형성되어 내부 공간에 메쉬망 부재(30)를 수용한다.

상기 메쉬망 부재(30)는 철(鐵)을 재료로 하는 형태의 망(網)을 구성한 것으로, 상기 메쉬망 부재(30)의 표면을 지열 파이프(40)로 용이하게 휘감아서 감쌀 수 있도록 원통 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 메쉬망 부재(30)의 내부에는 본 고안의 큰 특징 중의 하나인 버려지는 폐자원인 무기질 오니(하수 슬러지: 35)로 충만되어 있는데, 상기 무기질 오니는 하수준설토(고형물 중 유기성 물질의 함량이 7% 이하인 것만 해당), 토기, 자기, 내화물, 시멘트, 콘크리트, 석재품의 제조 및 가공시설, 건설 공사장의 세륜(洗輪)시설, 비금속광물 분쇄시설, 토사 세척시설에서 발생하는 오니인 것이다. 상기 무기질 오니(35)는 광물 분쇄시설 또는 토사 세척시설에서 발생한 것을 침전 처리한 것을 사용하는 것이며, 비교적 수분의 비중이 높은 것을 특징으로 한다.

상기 지열 파이프(40)는 열 전도율이 높도록 하는 재질의 열교환 파이프 형태이며, 상기 지열 파이프(40)의 내부에는 외부에 형성된 보일러 시스템(110)으로부터 공급되는 유체(물)가 수용되어 흐르도록 하여 지열과 열교환이 잘 이루어지도록 하는 것이다.

그리고, 상기 지열 파이프(40)는 내부의 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 최대화할 수 있도록 액셀형 코일 형상으로 설치된 것이다. 여기서, 상기 열전달 유체는 물이 바람직할 것이다.

도 1을 보면, 본 고안의 박스형 지열 교환기(100)는 얕은 지하 층에 매설될 수 있다. 일반적으로 지상 온도가 30℃ 이상인 여름이나 영하의 추운 날씨가 지속되는 겨울에도 땅속의 온도는 10℃ 내지 15℃를 유지하게 되는데, 상기와 같은 땅속의 온도가 전도되는 박스형 지열 교환기(100)를 매설한 후에, 지열 파이프(40)를 통하여 흐르는 물로 지열 교환을 수행하여 보일러 시스템(110)으로 공급하면 추가적인 에너지의 투입없이 여름에는 지표면 상부보다 상대적으로 시원한 냉방 효과를 얻을 수 있으며, 겨울에는 지표면 상부보다 상대적으로 따뜻한 온열 효과를 얻을 수 있는 것이다.

상기 박스형 지열 교환기(100)의 내부와 외부 모두 흙(土)으로 밀폐, 덮히도록 하고 있는데, 덮히는 흙은 하우징 부재(20) 외부의 지층과 지열 파이프(40) 간의 열 교환이 보다 효율적으로 수행될 수 있도록 매개체 역할을 할 수가 있는 것이다.

그리고, 본 고안의 박스형 지열 교환기(100)는 이동과 설치에 있어서 효율성을 주는 장점이 있는데, 상기 박스형 지열 교환기(100)는 적출과 매립이 가능한 것이므로 임의로 작업자가 원하는 위치에 손쉽게 매립할 수 있으며, 경우에 따라서는 매립된 상기 박스형 지열 교환기(100)를 다시 발굴, 적출하여 또 다른 장소로 이송하여 손쉽게 매립을 할 수 있으므로 상기 박스형 지열 교환기(100)의 이동과 설치의 편익을 가져다 주는 것이다.

또한, 상기 박스형 지열 교환기(100)는 지중(地中) 매설시 현장에 있는 땅의 흙을 활용할 수가 있으므로 매립 작업의 편익도 줄 수가 있는 것이다.

이하에서는 본 고안에 의한 박스형 지열교환기(100)의 작용과 효과를 설명하기로 한다.

도 1에 도시한 대로, 본 고안의 박스형 지열교환기(100)는 콘크리트 재질의 상기 하우징(20)의 내부에 무기질 오니(35)를 수용한 금속망 부재(30)를 넣고 표면을 지열 파이프(40)로 둘러싸고 흙을 집어 넣은 후에, 하우징(20) 상부를 콘크리트로 밀폐시키는 것이다. 따라서, 하우징(20)의 내부는 사방이 콘크리트 재질로 형성되어 완전한 밀폐가 되어 있으므로 내부 공간의 수분을 일정하게 유지를 하여, 열 전도율을 높게 하는 장점이 있는 것이다.

상기 지열 파이프(40)의 끝단은 양 종단에 형성된 제1 종단(41)과 제2 종단(42)이 하우징(20)의 외부로 노출되어 유출될 수 있도록 상기 하우징(20)의 상부에 각 통공(미도시)이 형성되는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 상기 제1 종단(41)과 제2 종단(42)은 외부의 보일러 시스템(110)과 연결되도록 하는 것이다.

즉, 열전달 유체를 지중의 지열 파이프(40)로 안내하고, 지중에서 지열과 열 교환이 이루어진 유체를 다시 냉난방 장소(50)로 공급하게 하기 위하여 보일러 시스템(110)과 연결된다.

그러므로, 상기 보일러 시스템(110)은 지열 파이프(40)에 의하여 지열과 열교환이 이루어지게 되고, 소정의 온도로 냉각이나 가열된 유체를 소정의 냉난방 장소(50)로 순환시키거나 순환되는 유체를 다시 지열 파이프(40)에 공급되도록 하는 방식으로 여름에는 냉방이 겨울에는 난방으로 작동되도록 이루어지는 것이다.

여기서, 보일러 시스템(110)은 상기 지열 파이프(40)와의 열교환을 위하여 통상적으로 사용되는 일반적인 것으로 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 박스형 지열 교환기(100)는 병렬 형태로 1개 이상 구성된 것으로, 물 등과 같은 유체를 순환시키게 되어 여름에는 14 ~ 16℃를 유지하여 냉방시스템을 가능하도록 하고 겨울에는 18℃ 정도의 유체를 보일러 시스템(110)을 통하여 가열하여 20 ~ 30℃의 온도를 유지하도록 하여 보일러의 연료비를 대폭적으로 절약할 수 있는 것이다.

덧붙여, 겨울에 사용을 하지 않을 경우에는 지열수만 순환시키도록 하여 약 15℃ 정도를 유지하게 되므로 보일러 시스템(110)이 동파되지 않으며, 사용을 할 경우에는 순환수의 최저 온도도 15℃ 정도이므로 보일러의 가동 즉시 따뜻하게 되므로 연료 사용의 절감도 도모할 수가 있으며, 여름에는 지열 순환수만 가동하여도 온도가 15℃를 유지하므로 냉방 효과도 도모할 수 있는 것이다.

또한, 저렴한 비용으로 본 고안의 박스형 지열교환기(100)의 제조와 설치도 가능하며, 에너지의 효율적 이용도 가능한 우수한 효과가 있는 것이다.

따라서, 박스형 지열 교환기(100)의 전체가 흙으로 감싸여져 뒤덮히도록 매설되므로 지중의 열을 지열 파이프(40)에 더욱 확실한 전달이 가능한 것이다. 도 2를 보면, 상기 제1종단(41)과 제2 종단(42)을 외부로 빠져나오게 유출되도록 하여 상기 제1 및 제2 종단(41,42)이 외부의 보일러 시스템(110)이나 인접하게 매립, 구성된 또 다른 박스형 지열 교환기(100)와 연결을 할 수 있도록 하는 것이다.

따라서, 상기와 같은 박스형 지열교환기(100)를 설치함으로서, 지중의 지열이 박스형 지열 교환기(100) 내부의 열전달(熱傳達) 유체(流體)를 전달하여 보일러 시스템(110)의 작동으로 열전달 유체가 소정의 냉난방 장소로 이동시켜 순환을 시킴으로서 냉, 난방을 시킨 후에 열교환된 유체는 다시 박스형 지열 교환기(100)로 투입되어 순환하는 과정을 거쳐서 냉난방 작업을 행할 수 있는 것이다. (여기서, 상기 열전달(熱傳達) 유체(流體)란 물체의 표면온도와 이에 접하는 기체 또는 액체(양자를 포함하여 유체(流體)라고 함)의 평균 온도가 다른 때, 물체와 유체 사이에 열의 흐름이 생기는 현상을 말하는 것이다.)

따라서, 지열교환기(100) 내부 금속망 부재(30)에 무기질 오니(35)를 충진하여 일반적으로 충진하는 물질인 모래 및 석분보다 입자가 고와서 열교환 효율도 높아지게 되고 종래에 수분을 넣어 충진하는 불편함도 덜수 있으며 버려지는 하수 슬러지 재질의 무기질 오니를 재활용할 수 있으므로 시공비를 절감할 수 있는 우수한 장점이 있는 것이다.

그러므로, 상기 냉난방에 의한 지열로 인하여 여름철의 온도보다는 낮은 온도를 유지하고 겨울철의 온도보다는 높게 하여 여름철 냉방의 경우에는 지열이 냉난방 장소(50)의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 겨울철 난방의 경우에는 지열이 실내에 방열되도록 함으로서 난방 가능한 구조인 것이다.

상기와 같이 서술한 대로, 본 고안은 비록 한정된 실시예와 도면에 의하여 설명되었으나, 본 고안은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 고안의 범위는 설명한 실시예에 국한되지 아니하고 첨부되는 실용신안등록청구범위 뿐만 아니라, 상기 청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.

20 : 하우징 부재
30 : 금속망 부재 35 : 무기질 오니
40 : 지열 파이프 41 : 제1 종단
42 : 제2 종단 50 : 냉난방 장소
100 : 박스형 지열 교환기 110 : 보일러 시스템

Claims (5)

1. 내부에는 공간이 형성되어 있는 하우징(20);과
   상기 하우징(20)의 내부 공간에 수용되는 원통형의 메쉬망 부재(30);와
   상기 메쉬망 부재(30)의 내부에 충진되는 무기질 오니(35);와
   상기 메쉬망 부재(30)의 표면에는 제1 종단(41) 및 제2 종단(42)이 상기 하우징(20)의 상부에 형성된 통공을 통하여 외부로 돌출되어 지표면의 외부로 노출되도록 하고, 내부에는 유체가 수용되도록 형성되는 지열 파이프(40)를 포함하는 박스형 지열 교환기(100);와
   상기 제1 종단(41) 및 제2 종단(42)과 연결되어 상기 박스형 지열 교환기(100)에서 회수한 지열을 갖는 유체를 냉난방 장소(50)로 이동시켜 열교환에 의한 냉난방이 이루어지도록 하는 보일러 시스템(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박스형 지열교환기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 하우징(20)은 콘크리트 재질로 형성하여 내부 공간의 수분을 일정하게 유지하여 열 전도율을 높게 하는 것을 특징으로 하는 박스형 지열교환기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 무기질 오니(35)는 광물 분쇄시설 또는 토사 세척시설에서 발생한 것을 침전 처리한 것을 특징으로 하는 박스형 지열교환기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 지열 파이프(40)는 내부의 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 최대화할 수 있도록 액셀형 코일 형상으로 설치된 것을 특징으로 하는 박스형 지열교환기.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 박스형 지열 교환기(100)는 1개 이상으로 병렬로 구성된 것을 특징으로 하는 박스형 지열교환기.
   
   
   

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