KR20210136683A - 지중 열교환기 및 이를 이용한 지열 냉난방 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지중의 열을 교환하는 장치와 이를 이용한 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지중 열교환기는 지중에 수직으로 매설되는 복수 개의 직선형 철근(11); 철근으로서, 상기 복수 개의 직선형 철근(11)을 바깥쪽에서 수직으로 감싸 원형을 이루면서 상기 복수 개의 직선형 철근(11)에 결합되는 스트럽(12) 및 연질로 형성되어, 상기 직선형 철근(11)과 스트럽(12)의 결합구조 외부에서 상기 직선형 철근(11)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감싸면서 배치되고 양 끝단은 지상으로 노출되는 열교환 파이프(13)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

지중 열교환기 및 이를 이용한 지열 냉난방 시스템 {UNDERGROUND HEAT EXCHANGER AND GEOTHERMAL HEATING AND COOLING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 열교환기 및 냉난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중의 열을 교환하는 장치와 이를 이용한 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다.
인간은 항온동물이기 주변의 온도가 너무 높거나 낮으면 불쾌감이나 고통을 느낀다. 그래서 옷을 입어 보온을 하거나 바람을 쐬어 몸의 온도를 유지한다. 그리고 옷을 입고 벗는 외에 집이나 사무실 등에서도 냉방 또는 난방을 함으로써 가급적 주변 온도를 적절히 유지하려고 한다.
일반적으로 냉방은 열교환기를 이용한 소위 에어컨으로 불리는 냉방기로 하고, 난방은 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료를 이용하여 보일러를 가동하거나 냉방과 같이 열교환기를 이용하는 히트펌프를 이용하게 된다. 그리고 전기를 이용하여 하나의 장치로 냉방과 난방을 할 수 있는 냉난방기를 이용할 수도 있다.
그런데 이와 같은 냉방 또는 난방에는 전기나 화석연료가 공급되어야 하기 때문에 비용이 들 뿐만 아니라 전기 생산 과정 또는 화석연료 연소 과정에서 환경오염, 지구온난화 등의 문제가 발생된다. 이에 대한 대책으로 지중의 열, 즉 지열을 이용하여 냉난방하고자 하는 기술사상이 도출되었고, 지중 온도가 지표나 지상의 온도에 비해 연중 크게 변하지 않는 특징 때문에 이러한 지열 냉난방 시스템이 큰 관심을 끌게 되었다.
도 1은 이러한 지열 냉난방 시스템의 구성을 도시한 것으로, 대부분의 지열 냉난방 시스템은 지중 열교환기(1), 지중 열교환기(1)와 열교환이 가능한 열펌프(2), 찬 공기가 유입 또는 배출되는 냉파이프(3) 및 더운 공기가 유입 또는 배출되는 온파이프(4)로 구성되어, 지중 온도가 실내 공기 온도보다 높은 때에는 냉파이프(3)를 통해 찬 공기를 유입하고 열펌프(2)에서 지중 열교환기(1)로부터 열을 얻어 온파이프(4)로 배출함으로써 난방기로 작동하고, 지중 온도가 실내 공기 온도보다 낮은 때에는 온파이프(4)로부터 더운 공기를 유입하고 열펌프(2)에서 지중 열교환기(1)에 열을 빼앗긴 후 냉파이프(3)로 냉파이프(3)로 배출함으로써 냉방기로 작동한다.
이러한 지중 냉난방이 가능하기 위해서는 지중 열교환기(1)가 필요하고, ‘특허문헌 1’에 이러한 지중 열교환기의 일례가 개시되어 있다. 도 2는 종래의 지중 열교환기의 단면도로서, 종래의 지중 열교환기는 지반을 기둥 형상(5)으로 굴착한 후 열전달 그라우팅(6) 및 지열파이프(7)를 기둥 형상(5)의 하단에 배치하고 열전달 그라우팅(6)이 경화된 위에 앵커파일(8)을 삽입하고 비어 있는 기둥 형상(5)의 굴착부에 시멘트 그라우팅(9)을 충진 및 경화시킴으로써 완성된다.
그런데 이러한 종래의 지중 열교환기는 지열파이프(7)를 직선형으로 지중에 배치함으로써 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또 지열파이프(7)를 미리 특정 형상으로 성형하는 경우 부피가 커져 운반이 어려워지는 문제점이 있다.
KR 10-0778936 B1 (2007. 11. 16.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열교환 효율이 높고 운반 및 현장 성형이 용이한 지중 열교환기 및 이를 이용한 지열 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 지중 열교환기는 지중에 수직으로 매설되는 복수 개의 직선형 철근; 철근으로서, 상기 복수 개의 직선형 철근을 바깥쪽에서 수직으로 감싸 원형을 이루면서 상기 복수 개의 직선형 철근에 결합되는 스트럽 및 연질로 형성되어, 상기 직선형 철근과 스트럽의 결합구조 외부에서 상기 직선형 철근의 길이 방향을 따라 나선형으로 감싸면서 배치되고 양 끝단은 지상으로 노출되는 열교환 파이프로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템은 본 발명에 따른 지중 열교환기 및 열교환 컨테이너로 구성되고, 상기 열교환 컨테이너가 상기 지중 열교환기에 연결되는 물탱크, 상기 물탱크의 매질을 순환시키는 순환펌프 및 상기 매질을 외부와 열교환시키는 방열기로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지중 열교환기는 열교환 파이프가 나선형으로 길게 배치되어 열교환 효율이 높다.
또 열교환 파이프가 연질로 형성되어 시공 현장에서 길이와 배치 경로를 자유롭게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템은 분배기를 포함하는 경우 지중과 지상 간 열교환 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 지열 냉난방 시스템의 구성도
도 2는 종래의 지중 열교환기의 단면도
도 3은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 사시도
도 4는 본 발명에 따른 지중 열교환기의 설치상태도
도 5는 본 발명에 따른 지중 열교환기 및 설치상태의 단면도
도 6은 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템의 구성도
이하에서는 본 발명에 따른 지중 열교환기 및 지열 냉난방 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 사시도로서, 본 발명에 따른 지중 열교환기는 복수 개의 직선형 철근(11), 스트럽(12) 및 열교환 파이프(13)로 구성된다.
직선형 철근(11)은 지중에 수직으로 매설되는 구성요소로서, 본 발명에 따른 지중 열교환기의 주변을 채우는 그라우팅이 경화되면서 건물을 지지하는 기초 철근 역할을 하게 된다. 본 발명자들이 직선형 철근(11)의 직경과 수를 변화시키면서 실험해 본 결과 그라우팅 경화 후 직경 1m, 시공 심도 8m의 파일을 형성하는 경우(이하 실험 파일의 규격은 동일하다), 구조적 안정성 및 철근 투입량의 적정성을 모두 만족시키는 결과는 직경 22㎜의 직선형 철근(11) 8개를 대각거리 0.7m인 정팔각형의 꼭짓점에 위치하도록 평행하게 배치했을 때였다.
스트럽(12)은 복수 개의 직선형 철근(11)을 바깥쪽에서 수직으로 감싸 원형을 이루면서 복수 개의 직선형 철근(11)에 결합되는 철근이다. 직선형 철근(11)만으로는 본 발명에 따른 지중 열교환기를 형성하기도 어렵지만, 설령 직선형 철근(11)을 어떤 수단으로 배치하여 그라우팅하여 고정한다 하더라도 전단 응역에 의한 사인장 균열의 발생을 피할 수 없다. 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 직선형 철근(11)을 보강하는 스트럽(12)을 구비한다. 본 발명자들이 스트럽(12)의 직경과 수를 변화시키면서 실험한 결과, 직경 16㎜의 철근을 수직방향으로 균등하게 26개 스트럽(12)으로 배치하였을 때, 균열 발생이 적정 수준 이하로 떨어지는 것을 발견하였다.
열교환 파이프(13)는 연질로 형성되어, 직선형 철근(11)과 스트럽(12)의 결합구조 외부에서 직선형 철근(11)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감싸면서 배치되고 양 끝단은 지상으로 노출된다. 이때, 열교환 파이프(13)의 일단은 직선형 철근(11)과 스트럽(12)의 결합구조를 외부를 나선형으로 감싸고, 타단(14)은 원형 스트럽(12)의 중심부를 직선형으로 통과하도록 할 수 있다. 이 경우 열교환 파이프(13) 내부의 매질이 지상쪽으로 나오면서 열을 다시 잃거나 얻는 시간이 단축되어 본 발명에 따른 지중 열교환기 하단의 지열을 거의 변함없이 지중으로 끌어낼 수 있다. 물론 지중으로 끌어낼 수 있는 열교환 매질의 양은 한계가 있지만 짧은 시간에 원하는 열을 이용할 수 있는 것이다. 가령 본 발명에 따른 지중 열교환기의 지중 끝단이 뜨거운 온천수 옆을 지나가는 경우, 열교환 파이프(13)가 나선형으로만 감겨있다면 온천수에 의해 뜨거워진 매질을 끌어올리고자 할 때 열교환 파이프(13)의 나선형 부분에 채워져 있는 매질 전부를 순환시켜야 하지만, 도 3과 같이 타단(14)이 원형 스트럽(12) 중심부를 따라 직선형으로 관통되어 있다면 본 발명에 따른 지중 열교환기의 지중 끝단에서 타단까지 채워져 있는 매질만 순환시키면 지중의 열을 지상으로 끌어낼 수 있는 것이다. 더욱이, 열교환 파이프(13)의 타단(14)이 원형 스트럽(12) 중심부를 지나기 때문에 매질 이동 경로 주변 온도의 급격한 변화가 없어 열을 지중으로 빼앗길 가능성도 낮아진다.
도 4는 본 발명에 따른 지중 열교환기의 설치상태도이고, 도 5는 본 발명에 따른 지중 열교환기 및 설치상태의 단면도이다. 지중을 원기둥 모양으로 굴착하고 그라우팅을 채운 후 본 발명에 따른 지중 열교환기를 그라우팅 내에 배치하고 그라우팅을 경화시켜 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지중 열교환기와 그라우팅이 결합되어 기초 역할을 하는 구조체를 형성할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템의 구성도로서, 본 발명에 따른 지열 냉난방 시스템은 본 발명에 따른 지중 열교환기(10) 및 열교환 컨테이너(20)로 구성되고, 열교환 컨테이너(20)는 분배기(21, 22), 물탱크(23), 순환펌프(24) 및 방열기(25)로 구성된다.
분배기(21, 22)는 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)가 복수 개 구비되는 경우 어떤 지중 열교환기(10)를 열교환에 이용할 것인지를 선택할 수 있도록 하는 구성요소로서, 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)와 물탱크(23) 사이 및 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)와 방열기(25) 사이에 구비된다.
물탱크(23)는 분배기(21, 22) 또는 분배기(21, 22) 없이 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)가 1개 구비되는 경우에는 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)에 연결되어 지중에서 열교환된 물(편의상 물이라 칭했지만 heat material이다)을 저장하는 구성요소이다.
순환펌프(24)는 물탱크(23)의 물이 순환할 수 있도록 동력을 공급하는 구성요소이고, 순환펌프(24)에 의해 순환되는 물탱크(23)의 물이 방열기(25)에서 외부와 열교환된다.
복수 개의 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)와 분배기(21, 22)가 구비되는 경우 지중의 열을 효과적으로 지상에서 교환할 수 있다. 가령 복수 개의 본 발명에 따른 지중 열교환기(10)가 모두 지중의 온기 또는 냉기와 접해있다면 분배기(21, 22)로 가동할 지중 열교환기(10)의 수를 조절함으로써 시스템 전체적인 열교환량을 조절할 수 있고, 특정 지중 열교환기(10)가 위치한 지중 온도가 적절하지 않거나 고장난 경우 특정 지중 열교환기(10)를 차단함으로써 시스템 전체적으로 열교환이 상쇄되는 현상을 제거할 수 있다.
10 본 발명에 따른 지중 열교환기 11 직선형 철근
12 스트럽 13 열교환 파이프
14 열교환 파이프의 타단 20 열교환 컨테이너
21, 22 분배기 23 물탱크
24 순환펌프 25 방열기

Claims (3)

  1. 지중에 수직으로 매설되는 복수 개의 직선형 철근(11);
    철근으로서, 상기 복수 개의 직선형 철근(11)을 바깥쪽에서 수직으로 감싸 원형을 이루면서 상기 복수 개의 직선형 철근(11)에 결합되는 스트럽(12) 및
    연질로 형성되어, 상기 직선형 철근(11)과 스트럽(12)의 결합구조 외부에서 상기 직선형 철근(11)의 길이 방향을 따라 나선형으로 감싸면서 배치되고 양 끝단은 지상으로 노출되는 열교환 파이프(13)로 구성되는 지중 열교환기.
  2. 청구항 1에 따른 지중 열교환기(10) 및 열교환 컨테이너(20)로 구성되고,
    상기 열교환 컨테이너(20)가 상기 지중 열교환기(10)에 연결되는 물탱크(23), 상기 물탱크(23)의 매질을 순환시키는 순환펌프(24) 및 상기 매질을 외부와 열교환시키는 방열기(25)로 구성되는 것을 특징을 하는 지열 냉난방 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 지중 열교환기(10)가 복수 개로 구성되고, 상기 복수 개의 지중 열교환기(10)와 물탱크(23) 사이에 구비되어 상기 복수 개의 지중 열교환기(10)를 선택적으로 상기 물탱크(23)에 연결하는 분배기(21, 22)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
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