KR20220106413A

KR20220106413A - 지열교환기

Info

Publication number: KR20220106413A
Application number: KR1020210009296A
Authority: KR
Inventors: 이경호; 이왕제; 주홍진; 안영섭
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-07-29

Abstract

본 발명은 지열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중에 수직하게 매립되는 복수의 보어홀에 U자형 파이프가 삽입되고, 상기 파이프 내에 작동유체가 이동하는 것으로 열교환을 수행하는 계간 축열 시스템의 지열교환기에 있어서, 보어홀의 구조와 상기 보어홀에 매립되는 U자형 파이프의 구조를 개선하여 지중에 매몰되는 복수의 보어홀 중 중심부에 위치되는 보어홀에 집중되는 열을 유효한 축열부의 하부 경계면과 외주부에 위치되는 보어홀 까지 골고루 분산시킴으로써 지열교환기의 연간 열손실 발생을 감소시키고, 향상된 열교환 효율을 제공하는 지열교환기에 관한 것이다.

Description

지열교환기{Borehole heat exchanger}

본 발명은 지열교환기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 보어홀의 구조를 개선하여 지열교환기의 연간 열손실을 감소시키며 특히 보어홀의 하부에서 발생하는 열손실을 줄일 수 있는 지열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 가정이나 산업체에서 냉난방에 사용되는 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료나 핵연료 등을 사용하여 냉난방을 가동한다. 그러나, 이러한 에너지원은 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질에 의하여 수질 및 환경을 오염시키는 주원인이며, 그 매장량에 한계가 있어 지속적인 시설관리가 필요하다는 단점이 있다.

이에, 이를 대체할 수 있는 지열, 태양광, 풍력, 조력, 파력, 바이오디젤, 바이오연료, 폐기물 등을 이용한 재생가능 에너지의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 신재생 에너지는 무한한 에너지원을 가지고, 신재생 에너지를 사용한 에너지원은 환경오염이나 기후변화에 거의 영향을 미치지 않는 다는 장점이 있다.

대부분의 재생가능 에너지는 태양에너지의 변형이므로 그 양이 한정되어 있고, 태양에너지의 영향을 크게 받는 다는 문제점이 있지만, 지열에너지는 지중의 온도를 이용하는 것으로 재생가능 에너지 중 태양 에너지의 영향을 크게 받지 않는 특징이 있다.

지열에너지는 지하 깊은 곳에서의 지열을 이용한 에너지 발전에 활용되거나, 연중 10~20℃로 유지되는 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하며, 지열을 이용한 냉난방 시스템에 있어 기존 냉난방 장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있다고 알려져 있다. 또한, 지열에너지는 공해가 없어 친환경적이며, 기존의 재생 에너지에 비해 24시간 연속으로 가동할 수 있어 가동률이 높고, 날씨의 영향을 받지 않으며, 어떠한 연료도 필요하지 않으며 폐기물 또한 생성되지 않아 환경오염을 방지할 수 있으며 또한, 유지보수 비용도 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.

이러한 지열에너지를 이용하는 지열교환기는, 지열을 회수하기 위한 열교환 파이프와 상기 열교환 파이프로부터 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 수행하는 히트펌프를 포함하며 구성된다. 일반적으로 지표 하부를 100~500m의 깊이로 다수의 보어홀을 굴착한 후, 각 보어홀의 내부에 열교환에 필요한 작동유체를 공급하기 위한 열교환 파이프를 매립하고, 작동유체를 공급하기 위한 히트펌프를 지상에 구비하는 것으로 구성되어, 작동유체에 의해 지중의 매립된 열교환 파이프와 지열이 열교환 하는 것으로 열에너지를 변환하여 저장한다.

특히 태양열, 연료전지 등과 같은 신재생에너지설비로부터 생산된 열에너지보다 소비할 열부하가 작은 경우 생산된 열에너지는 열부하와의 차이만큼 소비되지 못하게 되며, 이러한 미활용된 열에너지는 지중에 저장하여 열부하가 발생할 경우 저장한 열에너지를 공급하여 줌으로써 신재생에너지의 활용률을 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 지중 열저장을 위하여 다수의 보어홀(Borehole)을 지중에 적정한 간격을 두고 설치하고 각 보어홀에 지중열교환기를 설치한 후 지중열교환기를 통하여 미활용된 열에너지를 전달하는 열매체를 순환시켜 줌으로써 장기간에 걸쳐 발생되는 미활용 열에너지를 지중에 저장할 수 있다.

그러나, 이러한 지열교환기는 하나의 보어홀에 하나의 열교환 파이프가 매설되기 때문에 열교환 효율이 떨어진다는 문제점이 있으며, 고온의 온도가 중심부의 보어홀로 유입되는 경우, 특정 부분의 온도가 높아지게 되면서 보어홀이 차지하는 외부의 체적까지 온도가 상승하여 유용하지 않은 열에너지가 발생될 수 있고, 이에 따른 열손실이 발생하며, 특히 보어홀의 하부로의 열 손실이 높게 발생되어 연간 발생하는 열손실이 높다는 단점이 있다.

보어홀을 이용한 지중 열저장 방식에서의 설치비용을 절감하기 위하여 2 m 미만 정도의 얕은 소정의 깊이로 보어홀 지중열교환기를 다수 설치하고 그 주변부 주위를 단열재를 설치할 수 있으나, 낮은 지중열교환기의 깊이로 인하여 필요로 하는 땅의 면적이 증가하게 되는 단점이 있다.

한국등록특허공보 제10-1519340호"지중 열교환기를 포함하는 축열식 히트 펌프 시스템(2015.05.06.)"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 종래의 지열교환기는 지상에 배치된 보어홀 중에 중심부에 위치하는 보어홀의 온도가 높아 보어홀이 차지하는 외부의 체적까지 온도가 상승하여 유용하지 않은 열에너지가 발생되게 되며 이로 인한 열손실을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 지열교환기에 의한 축열 및 방열 시, 복수의 보어홀에 의해 발생하는 열손실을 최소화하기 위해 구성되며, 지중에 매몰되는 복수의 보어홀 중 중심부에 위치되는 보어홀에 집중되는 열을 외주부에 위치되는 보어홀 까지 골고루 분산 시킬 수 있도록 구조를 개선하여, 지중열교환기에 의해 발생되는 열손실을 최소화하기 위한 지열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 지열교환기는 서로 연결되어 있는 파이프 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지열교환기에 있어서, 지면에서 수직하게 매립되어 형성되고, 방사형으로 배치되는 복수의 보어홀; U자형으로 형성되어 상기 보어홀 내측에 삽입되는 열교환파이프; 및 이웃하는 상기 열교환파이프를 연결하고, 외부의 작동유체를 상기 열교환파이프 내부로 유동시키는 연결관;을 포함하며 구성되고, 상기 보어홀은, 서로 다른 길이의 상기 열교환파이프를 수용하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 보어홀은, 축열용파이프 및 방열용파이프를 포함하는 한 쌍의 상기 열교환파이프를 수용하며, 상기 축열용파이프와 상기 방열용 열교환파이프가 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 축열용파이프는, 중심부의 상기 보어홀에서 외주부의 상기 보어홀로의 반경방향으로 길이가 순차적으로 길어지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지열교환기의 축열 시, 외부의 작동유체가 상기 연결관을 따라 중심부에 위치하는 상기 축열용파이프에 유입되고, 반경방향을 따라 외주부에 위치하는 상기 축열용파이프로 이동되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 방열용파이프는, 중심부의 상기 보어홀에서 외주부의 상기 보어홀로의 반경방향으로 길이가 순차적으로 짧아지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 지열교환기의 방열 시, 외부의 작동유체가 상기 연결관을 따라 외주부에 위치하는 상기 방열용파이프에 유입되고, 반경방향을 따라 중심부에 위치하는 상기 방열용파이프로 이동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축열용파이프 및 상기 방열용파이프는, 하나의 상기 보어홀에 서로 한 방향으로 수평하게 배치되거나, 서로 수직하게 교차되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보어홀은 서로 다른 길이로 매립되는 제1보어홀, 및 제2보어홀을 포함하는 축열용보어홀 및 서로 같은 길이로 매립되는 방열용보어홀을 포함하고, 상기 축열용보어홀과 상기 방열용보어홀이 반경방향으로 서로 교번되며 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 는 단순한 설치 및 사용방법으로 장치를 구성할 수 있으며, 하나의 보어홀을 형성하되, 복수의 열교환파이프를 구비하고 이를 방열 또는 축열에 따라 선택적으로 변경하여 지상의 히트펌프와 연결시킬 수 있기 때문에, 단일의 열교환파이프를 구비할 때 보다 특정 부분에 집중되는 열을 분산시킴으로써 유용하지 않은 열에너지의 발생을 최소화하며, 이를 통해 지열교환기의 연간 열손실을 개선하며 최대의 열교환 효율을 얻을 수 있는 지열교환기를 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한 제한된 부지면적에 대하여 수직형 보어홀과 수평형 보어홀을 혼합적으로 설치하는 방법을 제공하여 지중 열저장의 활용율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 지열교환기 제1실시예의 전체 단면도
도 2는 지열교환기 제1실시예의 전체 축열용파이프 배치 단면도
도 3은 지열교환기 제1실시예의 전체 방열용파이프 배치 단면도
도 4는 지열교환기 제1실시예의 부분 축열용파이프 배치 상세도
도 5는 지열교환기 제1실시예의 부분 방열용파이프 배치 상세도
도 6은 지열교환기 제1실시예의 부분 축열용파이프 및 방열용파이프 배치 상세도
도 7은 지열교환기 제1실시예의 보어홀 내의 축열용파이프 및 방열용파이프 배치 실시예 1
도 8은 지열교환기 제1실시예의 보어홀 내의 축열용파이프 및 방열용파이프 배치 실시예 2
도 9는 지열교환기 지2실시예의 전체 단면도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 지열교환기는 지상에서부터 지중까지 복수의 파이프로 연결되어 있고, 상기 파이프는 상기 파이프의 내측에는 작동유체가 순환하며 유동되도록 형성되며, 지상과 지중으로 작동유체를 순환시키기 위한 고용량의 펌프를 구비하여, 상기 펌프에 의해 작동유체가 상기 파이프를 따라 지상과 지중을 유동하며 열교환하며 지중에 축열 또는 방열하는 것을 특징으로 한다. 이때, 지중에 매립되는 상기 파이프는 일정 이상의 길이를 가지며 지중에 수직하게 시추되는 보어홀(110)에 매립되는 것으로 자중에 상기 파이프가 위치되어 작동유체가 복수의 보어홀(110)을 통과하는 것으로 지상과 지중의 열교환을 수행할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명은 보어홀(110)을 이용한 지열교환기의 단점인 열에너지의 연간 연손실을 최소화하기 위한 것으로, 본 발명은 서로 연결되어 있는 파이프 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지열교환기(100)에 있어서, 지면에서 수직하게 매립되어 형성되고, 방사형으로 배치되는 복수의 보어홀(110), U자형으로 형성되어 상기 보어홀(110) 내측에 삽입되는 열교환파이프(120) 및 이웃하는 상기 열교환파이프(120)를 연결하고, 외부의 작동유체를 상기 열교환파이프(120) 내부로 유동시키는 연결관(130)을 포함하며 구성되고, 상기 보어홀(110)은, 서로 다른 길이의 상기 열교환파이프(120)를 수용하는 것을 특징으로 한다.

상기 보어홀(110)은, 지중으로 일정 이상의 길이로 수직하게 매립되어 형성되는 것으로, 상기 지열교환기(100)는 복수의 상기 보어홀(110)이 방사형으로 지상에 배치되는 것을 특징으로 한다. 상기 보어홀(110)은 열교환장치의 집열 온도나 적용되는 산업 분야에 따라 필요에 의해 설치되는 상기 보어홀(110)의 갯수와 매립되는 깊이를 선택하여 형성될 수 있으며, 상기 보어홀(110)은 내측에 삽입되는 상기 열교환파이프(120)의 전체 지름과 유사한 지름으로 형성되어, 상기 열교환파이프(120)의 내측에 흐르는 작동유체가 상기 보어홀(110)에서 지중과 원활하게 열교환 할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 상기 보어홀(110)의 지름 및 길이를 결정하여 설치할 수 있다.

상기 열교환파이프(120)는 상기 보어홀(110) 내측에 삽입되는 것으로, 지중열교환기에 구성된 파이프 내측에 유동되는 작동유체가 상기 보어홀(110)을 따라 지중으로 이동하며 지중과 열교환 하도록 구성되는 것이다. 상기 열교환파이프(120)는 U자형으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 지열교환기의 ㄷ자형으로 절곡 형성된 부분이 상기 보어홀(110)의 하측에 위치되도록 상기 열교환파이프(120)가 삽입되고, 상기 열교환파이프(120)의 일측으로 작동유체가 유입되면, 작동유체가 상기 열교환파이프(120)를 따라 상기 보어홀(110)의 하측으로 이동된 후 상기 열교환파이프(120)의 타측으로 배출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 열교환파이프(120)는 상기 보어홀(110)에 수용될 수 있는 지름으로 형성되는 것이면 크기 및 형태에 제한 없이 사용가능하다.

상기 연결관(130)은 지상과 지중에 구비되는 파이프를 연결하여 지열교환기(100) 내부를 유동하는 작동유체가 지상과 지중을 순환할 수 있도록 구비되는 것으로, 상기 연결관(130)은 외부에 구비되는 파이프와 지중의 상기 열교환파이프(120)를 연결하고, 또한 이웃하는 상기 열교환파이프(120)를 서로 연결할 수 있다. 상기 연결관(130)을 통해 지상의 펌프를 통과한 작동유체가 지중의 상기 열교환파이프(120)로 유입될 수 있으며, 지중에서 열교환을 수행한 작동유체가 상기 연결관(130)을 따라 지상의 펌프로 이동할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 연결관(130)은 이웃하는 상기 열교환파이프(120)를 연결시켜 지중으로 유입된 작동유체가 복수의 상기 보어홀(110)에 매몰되어 있는 상기 열교환파이프(120)를 순차적으로 통과하며 작동유체가 지중과 충분히 열교환 하도록 형성된다.

본 발명은 하나의 상기 보어홀(110)에 서로 다른 길이의 상기 열교환파이프(120)를 수용하는 것을 특징으로 하며, 이하, 본 발명의 특징을 실시예에 따라 설명한다.

<제1실시예>

본 발명의 제1실시예로, 복수의 상기 보어홀(110)이 일정한 길이를 가지며 형성되고, 복수의 상기 열교환파이프(120)가 하나의 상기 보어홀(110)에 함께 삽입되는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참고하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 하나의 상기 보어홀(110)에 한 쌍의 상기 열교환파이프(120)가 매몰될 수 있으며, 한 쌍의 상기 열교환파이프(120)는 축열용파이프(121) 및 방열용파이프(122)인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 축열용파이프(121)와 상기 방열용파이프(122)는 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 지상에 방사형으로 배치된 복수의 상기 보어홀(110)이 각각 서로 다른 길이를 가지는 상기 축열용파이프(121)와 상기 방열용파이프(122)를 함께 수용하며, 상기 보어홀(110)의 반경방향으로 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)의 길이가 가변되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명은 하나의 상기 보어홀(110)에 매립된 상기 축열용파이프(121)와 상기 방열용파이프(122)가, 지열교환기의 축열과 방열에 따라 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)가 선택적으로 상기 연결관(130)에 연결되어 작동유체를 유동시키는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참고하여 보다 상세히 설명하면, 지열교환기가 축열시, 작동유체가 상기 축열용파이프(121)를 따라 상기 보어홀로 이동할 수 있도록 V1, V4 및 V6 밸브가 개방되어 상기 연결관(130)과 연결될 수 있으며, V2, V3 및 V5 밸브가 잠겨 상기 방열용파이프(122)는 상기 연결관(130)과의 연결이 차단될 수 있다. 또한, 지열교환기가 방열시, V2, V3 및 V5 밸브가 개방되어 상기 방열용파이프(122)가 상기 연결관(130)과 연결되고, V1, V4 및 V6 밸브가 차단되어 상기 축열용파이프(121)가 상기 연결관(130)과 차단될 수 있다.

도 2를 참고하여 설명하면, 본 발명의 상기 축열용파이프(121)는 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 축열용파이프(121)와, 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 축열용 파이프의 길이가 다르게 배치되며, 중심부로부터 바깥방향으로의 반경방향을 따라 상기 축열용파이프(121)의 길이가 순차적으로 길어지도록 가변되며 배치되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 축열용파이프(121)는 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 축열용파이프(121)가, 지상에 배치되는 복수의 상기 축열용파이프(121) 중 가장 짧은 길이를 가지며, 외주부 방향으로 점차 길이가 길어지도록 배치되어, 상기 보어홀(110)의 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 축열용파이프(121)의 길이가 가장 길도록 상기 축열용파이프(121)가 배치되게 되며, 이는 방사형으로 배치되는 상기 보어홀(110)의 지름 방향을 기준으로 보았을 때, 복수의 상기 축열용파이프(121)의 길이가 상방으로 돌출되는 곡선 형태로 배치되게 되는 것을 특징으로 한다.

도 3을 참고하여 설명하면, 본 발명의 상기 방열용파이프(122)는, 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 방열용파이프(122)와, 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 방열용파이프(122)의 길이가 다르게 배치되며, 중심부로부터 바깥방향으로의 반경방향을 따라 상기 방열용파이프(122)의 길이가 순차적으로 짧아지도록 가변되며 배치되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 방열용파이프(122)는 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 방열용파이프(122)가, 지상에 배치되는 복수의 상기 방열용파이프(122) 중 가장 긴 길이를 가지며, 외주부 방향으로 점차 길이가 짧아지도록 배치되어, 상기 보어홀(110)의 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입되는 상기 방열용파이프(122)의 길이가 가장 짧도록 상기 방열용파이프(122)가 배치되게 되며, 이는 방사형으로 배치되는 상기 보어홀(110)의 지름 방향을 기준으로 보았을 때, 복수의 상기 방열용파이프(122)의 길이가 하방으로 돌출되는 곡선 형태로 배치되게 되는 것을 특징으로 한다.

또한 도 2 및 3을 참고하면, 본 발명의 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)는, 중심부의 상기 축열용파이프(121) 및 방열용파이프(122)가 외주부의 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122) 까지 방사형으로 배치되는 상기 보어홀(110)을 각각 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 이에, 본 발명의 지열교환기(100)는, 축열시 외부의 작동유체가 상기 연결관(130)을 따라 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)의 상기 축열용파이프(121)에 먼저 유입되도록 구성되며, 중심부로 유입되는 작동유체가 복수의 상기 보어홀(110)의 열교환파이프(120)를 따라 유동되며 지중과 열교환한 후, 외주부에 위치되는 상기 보어홀(110)의 상기 축열용파이프(121)를 통해 작동유체가 지상의 펌프로 이동되도록 구성된다. 또한 지열교환기의 방열시 외부의 작동유체가 상기 연결관(130)을 따라 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)의 상기 방열용파이프(122)에 먼저 유입되도록 구성되며, 외주부로 유입되는 작동유체가 복수의 상기 보어홀(110)의 열교환파이프(120)를 따라 유동되며 지중과 열교환한 후, 중심부에 위치되는 상기 보어홀(110)의 상기 방열용파이프(122)를 통해 작동유체가 지상의 히트펌프로 이동되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 일례로, 상기 축열용파이프(121)가 길이가 순차적으로 길어지는 제1, 2, 3 및 4 축열용파이프(121.a, 121.b, 121.c, 121.d)로 구성되면, 중심부의 상기 보어홀(110)에는 상기 제1축열용파이프(121.a)가 배치되며, 반경방향을 따라 제2축열용파이프(121.b) 및 제3축열용파이프(121.c)가 순차적으로 배치되게 되며, 외주부의 상기 보어홀(110)에는 상기 제4축열용파이프(121.d)가 배치되게 된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방열용파이프(122)가 길이가 순차적으로 길어지는 제1, 2, 3 및 4 방열용파이프(122.a, 122.b, 122.c, 122.d)로 구성되면, 중심부의 상기 보어홀(110)에는 상기 제4방열용파이프(122.d)가 배치되며, 반경방향을 따라 제3방열용파이프(122.c) 및 제2방열용파이프(122.b)가 순차적으로 배치되게 되며, 외주부의 상기 보어홀(110)에는 상기 제1방열용파이프(122.a)가 배치되게 된다. 이에 따라, 중심부의 상기 보어홀(110)에는 상기 제1축열용파이프(121.a) 및 상기 제4방열용파이프(122.d)가 함께 수용되고, 반경방향을 따라 각각 상기 보어홀(110)에 상기 제2축열용파이프(121.b) 및 상기 제3방열용파이프(122.c), 상기 제3축열용파이프(121.c) 및 상기 제2방열용파이프(122.b)가 함께 수용되며, 외주부의 상기 보어홀(110)에 상기 제4축열용파이프(121.c) 및 상기 제1방열용파이프(122.a)가 수용되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

이에, 도 6을 참고하여 설명하면, 지열교환기가 축열을 수행하고자 할 때, 상기 열교환파이프(120)는 복수의 상기 보어홀(110)에 삽입되어 있는 상기 축열용파이프(121)를 상기 연결관(130)과 연결하고, 지상의 작동유체가 중심부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입된 상기 제1축열용파이프(121.a)를 통해 지중으로 유입되게 되며, 작동유체가 외주부를 향한 반경방향으로 배치되는 각각 제2축열용파이프(121.b)와 제3축열용파이프(121.c)를 순차적으로 통과한 이후에, 외주부에 위치되는 상기 보어홀(110)의 상기 제4축열용파이프(121.d)를 통과하며 지상으로 이동되어, 지중과 열교환하는 것을 특징으로 한다. 또한, 지열교환기가 방열을 수행하고자 할 때, 상기 열교환파이프(120)는 복수의 상기 보어홀(110)에 삽입되어 있는 상기 방열용파이프(122)를 상기 연결관(130)과 연결하고, 지상의 작동유체가 외주부에 위치하는 상기 보어홀(110)에 삽입된 상기 제1방열용파이프(122.a)를 통해 지중으로 유입되게 되며, 작동유체가 중심부를 향한 반경방향으로 배치되는 각각 제2방열용파이프(122.b)와 제3방열용파이프(122.c)를 순차적으로 통과한 이후에, 중심부에 위치되는 상기 보어홀(110)의 상기 제4방열용파이프(122.d)를 통과하며 지상으로 이동되어, 지중과 열교환하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 지열교환기(100)는 축열시에 상기 보어홀(110)에 배치되는 상기 축열용파이프(121)가 상기 보어홀(110)의 중심부를 향해 상방으로 볼록한 곡선 형태로 배치되도록 상기 축열용파이프(121)의 길이를 배치하고, 방열시에 상기 보어홀(110)에 배치되는 상기 방열용파이프(122)가 상기 보어홀(110)의 중심부를 향해 하방으로 볼록한 곡선 형태로 배치되도록 상기 방열용파이프(122)의 길이를 배치하고, 지열교환기의 축열 또는 방열에 따라 상기 보어홀(110) 내측에 삽입되는 상기 열교환파이프(120)의 길이를 다르게 배치한 후 작동유체가 지중과 열교환 하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

이를 통해 복수의 상기 보어홀(110)에서 수행되는 작동유체와 지중과의 열교환이 어느 한 상기 보어홀(110)의 부분에 집중되지 않고, 각각 균일하게 수행될 수 있도록 역할에 따라 상기 열교환파이프(120)의 길이를 가변시킴으로써, 중심부에 집중되는 온도를 외주부의 보어홀(110)까지 골고루 분산시키며 지중과 열교환할 수 있어 중심부의 상기 보어홀(110)에 의한 열손실을 저감시킬 수 있으며, 특히 상기 보어홀(110)의 하측으로 발생하는 열손실을 감소시킬 수 있어, 지열교환기의 연간 열손실을 감소시킬 수 있으므로, 지열교환기의 최적의 열교환 효율을 얻을 수 있어 축열량 및 방열량의 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명은 하나의 상기 보어홀(110)에 한 쌍의 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)가 삽입되는 것을 특징으로 한다. 이때 도 7에 도시된 바와 같이, 각각 U자로 형성되는 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)는, 상기 보어홀(110)에서 서로 한 방향으로 나란하게, 서로 수평하도록 배치되거나, 또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 각각 U자로 형성되는 상기 축열용파이프(121) 및 상기 방열용파이프(122)가, 상기 보어홀(110)에서 서로 교차하도록, 서로 수직하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

<제2실시예>

본 발명의 제2실시예로, 지열교환기(100)가 열손실을 감소시키며 축열 및 방열 하기 위해, 복수의 상기 보어홀(110)은 축열용보어홀(111)과 방열용보어홀(112)로 구성되고, 상기 축열용보어홀(111) 및 상기 방열용보어홀(112)은 서로 다른 길이로 매립되어 형성되며, 이웃하는 상기 축열용보어홀(111) 및 상기 방열용보어홀(112)의 길이는 서로 다르도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 열교환파이프(120)는, 상기 보어홀의 길이에 대응되는 길이로 보어홀에 매립되는 것이 바람직하다.

도 9를 참고하여 설명하면, 상기 축열용보어홀(111)은 복수로 형성되되 서로 길이가 다른 것을 특징으로 하며, 본 발명의 일실시예로 상기 축열용보어홀(111)은 제1보어홀(111.a) 및 제2보어홀(111.b)로 형성될 수 있으며, 이때,상기 제1보어홀(111.a) 보다 상기 제2보어홀(111.b)의 길이가 더 길게 형성될 수 있다. 상기 제1보어홀(111.a)과 상기 제2보어홀(111.b)은 외주부 측으로 서로 교번되어 배치되고, 중심부에서 외주부로의 반경방향으로 갈수록 길이가 길어지는 것을 특징으로 한다. 상기 방열용보어홀(112)은, 복수로 형성되되 서로 같은 길이를 가지는 것을 특징으로 하며. 서로 다른 길이를 가지며 배치되는 상기 축열용보어홀(111)와 교번되며 이웃하는 상기 축열용보어홀(111)의 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 한다.

보다 상세히, 중심부로 온도가 집중되지 않도록, 중심부에 위치하는 보어홀이 길이가 짧은 상기 제1보어홀(111.a)로 배치되면, 반경방향으로 상기 제1보어홀(111.a)보다 길이가 긴 상기 제2보어홀(111.b)이 교번 배치되며, 상기 제1보어홀(111.a)과 상기 제2보어홀(111.b)의 사이에 각각 상기 방열용보어홀(112)이 배치된다. 즉, 상기 축열용보어홀(111)과 상기 방열용보어홀(112)이 서로 교번되어 배치되게 된다.

본 발명은 중심부의 상기 축열용보어홀(111)의 길이를 짧게 형성하되, 외주부의 반경방향으로 배치 되는 각각의 상기 축열용보어홀(111)의 길이를 서로 다르게 형성하고, 상기 축열용보어홀(111)의 사이에 상기 방열용보어홀(112)을 배치함으로써, 지중 깊이에서의 지중 온도 분포를 보다 균일하도록 분산시킬 수 있기 때문에, 일정 부분에서 집중되는 온도에 의한 지열교환기의 열손실을 감소시킬 수 있으며, 지열교환기의 열교환 효율을 증대시키는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 지열교환기
110 : 보어홀 120 : 열교환파이프
121 : 축열용파이프 122 : 방열용파이프
130 : 연결관

Claims

서로 연결되어 있는 파이프 내부에 유동되는 작동유체에 의해 열교환하는 지열교환기에 있어서,
지면에서 수직하게 매립되어 형성되고, 방사형으로 배치되는 복수의 보어홀;
U자형으로 형성되어 상기 보어홀 내측에 삽입되는 열교환파이프; 및
이웃하는 상기 열교환파이프를 연결하고, 외부의 작동유체를 상기 열교환파이프 내부로 유동시키는 연결관;
을 포함하며 구성되고,
상기 보어홀은, 서로 다른 길이의 상기 열교환파이프를 수용하는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제1항에 있어서,
상기 보어홀은,
축열용파이프 및 방열용파이프를 포함하는 한 쌍의 상기 열교환파이프를 수용하며,
상기 축열용파이프와 상기 방열용 열교환파이프가 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 2항에 있어서,
상기 축열용파이프는,
중심부의 상기 보어홀에서 외주부의 상기 보어홀로의 반경방향으로 길이가 순차적으로 길어지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 3항에 있어서,
상기 지열교환기의 축열 시,
외부의 작동유체가 상기 연결관을 따라 중심부에 위치하는 상기 축열용파이프에 유입되고, 반경방향을 따라 외주부에 위치하는 상기 축열용파이프로 이동되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 2항에 있어서,
상기 방열용파이프는,
중심부의 상기 보어홀에서 외주부의 상기 보어홀로의 반경방향으로 길이가 순차적으로 짧아지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 5항에 있어서,
상기 지열교환기의 방열 시,
외부의 작동유체가 상기 연결관을 따라 외주부에 위치하는 상기 방열용파이프에 유입되고, 반경방향을 따라 중심부에 위치하는 상기 방열용파이프로 이동되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 1항에 있어서,
상기 축열용파이프 및 상기 방열용파이프는, 하나의 상기 보어홀에 서로 한 방향으로 수평하게 배치되거나, 서로 수직하게 교차되어 배치되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.
제 1항에 있어서,
상기 보어홀은,
서로 다른 길이로 매립되는 제1보어홀, 및 제2보어홀을 포함하는 축열용보어홀 및 서로 대응되는 길이로 매립되는 방열용보어홀을 포함하고,
상기 축열용보어홀과 상기 방열용보어홀이 반경방향으로 서로 교번되며 배치되는 것을 특징으로 하는 지열교환기.