KR20240033800A - 스텐레스스틸 배관을 이용한 수직밀폐형 지중열교환배관 - Google Patents

스텐레스스틸 배관을 이용한 수직밀폐형 지중열교환배관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중의 열을 이용하여 냉난방을 하는 지열 히트펌프 시스템에서 지중에 설치되는 수직밀폐형 지중열교환배관에 관한 것이다.
상기 수직밀폐형 지중열교환배관은, 지열공의 하부에 위치하는 U자형 배관; 상기 U자형 배관의 일측에 연속하여 연결되는 다수의 제1 수직배관; 상기 U자형 배관의 타측에 연속하여 연결되는 다수의 제2 수직배관; 상기 제1 수직배관들 사이를 연결하는 제1 연결배관; 상기 제2 수직배관들 사이를 연결하는 제2 연결배관; 을 포함하고, 상기 제1 수직배관 및 상기 제2 수직배관은 스텐레스스틸로 형성된다.
이러한 구성에 따르면, 열교환배관을 스텐레스스틸로 하여 열전도율을 높여 지열공의 천공 깊이를 줄이면서, 스페이서의 이탈 문제를 해결할 수 있는 수직밀폐형 지중열교환배관을 제공할 수 있다.

Description

스텐레스스틸 배관을 이용한 수직밀폐형 지중열교환배관 {Closed type underground heat exchange piping using stainless steel pipe}
본 발명은 지중의 열을 이용하여 냉난방을 하는 지열 히트펌프 시스템에서 지중에 설치되는 수직밀폐형 지중열교환배관에 관한 것이다.
지열 히트펌프 시스템은 지중에 열교환기를 설치하고, 이러한 지중 열교환기를 통해 열매체를 순환시킴으로써 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 공급받는 방식이다.
지중의 온도는 사계절 변함없이 17 내지 18℃를 유지하므로 온도차에 따른 열량 확보가 가능하고, 히트펌프에서 열교환되어 데워지거나 차가워진 열매체는 지하로 유입되어 다시 열교환 된다.
지열 히트펌프 시스템에서 땅속에 위치하는 지중열교환기는 크게 개방형과 밀폐형으로 구분된다.
개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 한 것이다.
개방형은 작은 수의 지열공으로도 높은 효과를 얻을 수 있으나, 지하수를 열매체로 사용하므로 겨울철과 같은 갈수기에 지하수가 고갈되면 원하는 열교환 효과를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 폴리에칠렌관을 U자형으로 설치하고 관 내부로 열매체를 순환시켜, 열매체와 지중의 열을 교환할 수 있도록 한 것이다.
밀폐형은 지하수가 아닌 열매체를 U자형 관 내부로 순환시키므로 지하수의 고갈에 관계없이 운전이 가능하나, 개방형보다 훨씬 많은 수의 지열공을 구성해야 원하는 효과를 얻을 수 있어서 넓은 지하 공간을 필요로 하는 단점이 있다.
종래에 밀폐형 지중열교환배관은, 열교환기를 경유한 열매체를 지열공 내부로 투입시키는 유입관과, 이러한 유입관의 하단에 연결되고 지열공 내에서 열복원된 열매체를 열교환기로 공급하는 유출관으로 이루어진다.
지열공은 보통 150mm의 직경으로 100~200m 깊이까지 굴착하는데, 암반층을 굴착하는 지열공은 암반 특성에 의해 수직으로 천공하기 어렵고, 천공된 지열공의 내주면도 매끄럽지 못하다.
이러한 지열공에는 40∼50mm의 직경을 갖는 유입관 및 유출관이 삽입되는데, 수직으로 천공되지 못한 지열공에 유입관 및 유출관을 삽입시키면 지열공의 굴곡진 부분 때문에 유입관 및 유출관이 서로 근접되거나 접촉되면서 열간섭이 발생한다.
유입관에는 열교환기를 경유한 열매체가 흐르고, 유출관에는 지열에 의해 열복원된 열매체가 흐르는데, 유입관 및 유출관이 근접되면서 이들 사이에 열간섭이 발생하면 열효율이 그만큼 저하되므로, 유입관과 유출관 사이에는 일정한 간격을 유지하기 위해 스페이서가 설치된다.
종래의 200m 길이의 수직밀폐형 열교환배관에서는 1m 이내의 간격으로 스페이서들을 설치해야 하므로, 스페이서 설치 작업이 매우 번잡하며 많은 시간이 요구되는 문제가 있다.
또한, 유입관과 유출관이 고르지 못한 지열공의 천공면을 따라 뒤틀리게 되고, 그에 따라 유입관과 유출관에 결합된 스페이서들이 쉽게 이탈되는 문제가 있다.
또한, 종래의 수직밀폐형 지중열교환배관은 폴리에칠렌관을 U자형으로 설치하는데, 폴리에칠렌관의 열전도율이 낮아서 지열공의 천공 깊이가 깊어지는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1913107호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 열교환배관을 스텐레스스틸로 하여 열전도율을 높여 지열공의 천공 깊이를 줄이면서, 스페이서의 이탈 문제를 해결할 수 있는 수직밀폐형 지중열교환배관을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 지중의 지열공에 매설되는 수직밀폐형 지중열교환배관은, 지열공의 하부에 위치하는 U자형 배관; 상기 U자형 배관의 일측에 연속하여 연결되는 다수의 제1 수직배관; 상기 U자형 배관의 타측에 연속하여 연결되는 다수의 제2 수직배관; 상기 제1 수직배관들 사이를 연결하는 제1 연결배관; 상기 제2 수직배관들 사이를 연결하는 제2 연결배관; 을 포함한다.
또한, 상기 제1 수직배관 및 상기 제2 수직배관은 스텐레스스틸로 형성된다.
또한, 제1 베어링을 통해 상기 제1 연결배관의 외부에 회전 가능하게 결합되는 제1 외부배관; 제2 베어링을 통해 상기 제2 연결배관의 외부에 회전 가능하게 결합되는 제2 외부배관; 상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관 사이에 연결되어, 상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관 사이를 이격시키는 제1 스페이서; 를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 스페이서는 속이 빈 원통형의 제1 원통부 및 제2 원통부와, 상기 제1 원통부 및 상기 제2 원통부와 일체로 형성되어 수평으로 연장되는 수평부를 포함하고, 상기 제1 외부배관의 측면에는 수직방향으로 연장되고 상기 제1 원통부에 삽입되는 제1-1 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 제2 외부배관의 측면에는 수직방향으로 연장되고 상기 제2 원통부에 삽입되는 제2-1 가이드부가 일체로 형성되고, 상기 제1 스페이서는 상기 제1-1 가이드부 및 상기 제2-1 가이드부에 결합된 상태에서 수직방향으로 이동 가능하여, 상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관은 수직방향으로 서로 이격될 수 있다.
본 발명에 따르면, 열교환배관을 스텐레스스틸로 하여 열전도율을 높여 지열공의 천공 깊이를 줄이면서, 스페이서의 이탈 문제를 해결할 수 있는 수직밀폐형 지중열교환배관을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중열교환배관이 지중에 설치된 상태를 도시하는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 지중열교환배관을 지중에 설치하는 과정을 순차적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 제2 외부배관과 스페이서의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 2조의 지중열교환배관이 설치될 때 제1 및 제2 외부배관과 스페이서의 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직밀폐형 지중열교환배관이 지중에 설치된 상태를 도시하는 도면이다. 도 2 내지 도 4는 도 1의 지중열교환배관을 지중에 설치하는 과정을 순차적으로 도시하는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 제2 외부배관과 스페이서의 구성을 도시하는 도면이다. 도 6은 2조의 지중열교환배관이 설치될 때 제1 및 제2 외부배관과 스페이서의 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명의 수직밀폐형 지중열교환배관은 지중에 형성되는 지열공(10)에 매설되고 배관의 내부를 통한 열매체 순환에 의해 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 공급받기 위한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 수직밀폐형 지중열교환배관은 U자형 배관(110), 제1 및 제2 연결배관(120, 130), 제1 및 제2 수직배관(140, 150), 제3 및 제4 연결배관(160, 170), 제1 및 제2 ㄱ자형 배관(180, 190)을 포함한다.
U자형 배관(110)은 제1 및 제2 수직배관(140, 150)을 하부에서 서로 연결하기 위한 것으로, 지열공의 하부에 위치한다. U자형 배관(110)은 HDPE(High Density Polyethylene) 재질로 형성될 수 있다.
제1 수직배관(140)은 다수 개가 U자형 배관(110)의 일측에 연속하여 연결된다. 제1 수직배관(140)으로는 열교환기에 지중의 열을 전달한 후 지중으로 유입되는 열매체가 유동한다.
제2 수직배관(150)은 다수 개가 U자형 배관(110)의 타측에 연속하여 연결된다. 제2 수직배관(150)으로는 지중에서 열을 얻어서 열교환기에 열을 전달하기 위한 열매체가 유동한다.
제1 연결배관(120)은 U자형 배관(110)과 제1 수직배관(140) 사이 그리고 제1 수직배관들(140) 사이를 연결한다. 제2 연결배관(130)은 U자형 배관(110)과 제2 수직배관(150) 사이 그리고 제2 수직배관들(150) 사이를 연결한다.
제1 ㄱ자형 배관(180)은 ㄱ자형으로 굴곡되고 최상부의 제1 수직배관(140)과 연결된다. 제2 ㄱ자형 배관(180)은 ㄱ자형으로 굴곡되게 형성되고 최상부의 제2 수직배관(150)과 연결된다. 제1 및 제2 ㄱ자형 배관(180, 190)은 지상의 열교환기와 연결된다.
제3 연결배관(160)은 최상부의 제1 수직배관(140)과 제1 ㄱ자형 배관(180)을 연결하고, 제4 연결배관(170)은 최상부의 제2 수직배관(150)과 제2 ㄱ자형 배관(190)을 연결한다.
제1 및 제2 수직배관(140, 150)은 열전도율이 높은 스텐레스스틸(STS)로 형성되어, 지중의 열을 고효율로 흡수할 수 있다. 제1 및 제2 수직배관(140, 150)은 스텐레스스틸로 형성되므로, 설치와 이송을 위해 대략 4~5m의 길이로 형성되고, 각각의 제1 및 제2 수직배관(140, 150)은 제1 및 제2 연결배관(120, 130)에 의해 연결된다.
제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 스텐레스스틸 재질로 형성될 경우, 열효율이 향상되어 지열공(10)의 천공 깊이를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 U자형으로 지중으로 연장되는 지중열교환배관이 2조가 대향되게 설치되어, 지중의 열을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있다. 1조의 지중열교환배관은 U자형 배관(110), 제1 및 제2 연결배관(120, 130), 제1 및 제2 수직배관(140, 150), 제3 및 제4 연결배관(160, 170), 제1 및 제2 ㄱ자형 배관(180, 190)으로 이루어진다. 이 경우, 스텐레스스틸 재질의 지중열교환배관의 지름은 종래의 폴리에칠렌 재질의 지중열교환배관보다 줄어들 수 있다.
도 2를 참조하면, U자형 배관(110)의 일측에 제1 연결배관(120)과 제1 수직배관(140)이 위치되어 서로 연결되고, U자형 배관(110)의 타측에 제2 연결배관(130)과 제2 수직배관(150)이 위치되어 서로 연결된다.
도 3을 참조하면, U자형 배관(110)과 제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 연결된 상태에서 지중으로 내려지고, 그 위에 제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 제1 및 제2 연결배관(120, 130)을 통해 순차적으로 연결되면서 지중으로 내려진다.
도 4를 참조하면, 최상부의 제1 수직배관(140) 위에 제3 연결배관(160)과 제1 ㄱ자형 배관(180)이 위치되어 서로 연결되고, 최상부의 제2 수직배관(150) 위에 제4 연결배관(170)과 제2 ㄱ자형 배관(190)이 위치되어 서로 연결된다. 지열공(10) 내부는 그라우트재로 충전될 수 있다.
제1 및 제2 수직배관(140, 150) 사이에는 스페이서가 없으므로, 수직으로 천공되지 못한 지열공의 굴곡진 부분 때문에, 열매체가 유입되는 제1 수직배관(140)과 유출되는 제2 수직배관(150)이 가까이 위치하여 이들 사이에 열간섭이 발생하면 열효율이 그만큼 저하될 수 있다. 또한, 1조의 지중열교환배관과 다른 1조의 지중열교환배관이 너무 근접하면 열간섭에 의해 열효율이 저하될 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 도 5에는 제1 및 제2 연결배관(220, 230) 사이에 제1 스페이서(225)와 제2 스페이서(227)를 설치한 실시예가 도시된다.
도 5를 참조하면, 제1 연결배관(220)의 외부에는 제1 베어링(221)을 통해 제1 외부배관(222)이 회전 가능하게 결합된다. 제1 연결배관(220)의 내측 상하부에는 암나사부가 형성되어, 상부와 하부에 각각 제1 수직배관(140)이 연결된다. 제1 연결배관(220)은 제1 연결배관(120)에 대응된다.
또한, 제2 연결배관(230)의 외부에는 제2 베어링(231)을 통해 제2 외부배관(232)이 회전 가능하게 결합된다. 제2 연결배관(230)의 내측 상하부에는 암나사부가 형성되어, 상부와 하부에 각각 제2 수직배관(150)이 연결된다. 제2 연결배관(230)은 제2 연결배관(130)에 대응된다.
제1 외부배관(222)과 제2 외부배관(232) 사이에 연결되어, 제1 외부배관(222)과 제2 외부배관(232) 사이를 이격시키기 위한 제1 스페이서(225)가 연결된다. 제1 스페이서(225)에 의해 제1 수직배관(140)과 제2 수직배관(150)이 이격될 수 있다.
제1 스페이서(225)는 속이 빈 원통형의 제1 원통부(225a) 및 제2 원통부(225b)와, 제1 원통부(225a) 및 제2 원통부(225b)와 일체로 형성되어 수평으로 연장되는 수평부를 포함한다.
제1 스페이서(225)를 연결하기 위해, 제1 외부배관(222)의 측면에는 수직방향으로 연장되고 제1 원통부(225a)에 삽입되는 제1-1 가이드부(223)가 일체로 형성된다. 제1-1 가이드부(223)는 ㄷ자형 링이 제1 외부배관(222)의 측면에 부착되는 형태가 될 수 있다.
또한, 제2 외부배관(232)의 측면에는 수직방향으로 연장되고 제2 원통부(225b)에 삽입되는 제2-1 가이드부(233)가 일체로 형성된다. 제2-1 가이드부(233)는 제1-1 가이드부(223)와 동일하면서 서로 대향되는 형상을 가질 수 있다.
제1 스페이서(225)는 제1-1 가이드부(223) 및 제2-1 가이드부(233)에 결합된 상태에서 수직방향으로 소정 길이만큼 이동 가능하다. 즉, 제1 원통부(225a)와 제2 원통부(225b)의 수직방향 길이보다 제1-1 가이드부(223)와 제2-1 가이드부(233)의 수직방향 길이가 더 길게 형성된다.
그에 따라, 제1 외부배관(222)과 제2 외부배관(232)은 수직방향으로 이격될 수 있고, 또한 제1 연결배관(220)과 제2 연결배관(230)도 수직방향으로 이격될 수 있다. 이는 제1 및 제2 연결배관(220, 230)에 제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 순차적으로 연결되면서 인접하는 연결배관들 사이의 수직방향 위치가 일치하지 않는 경우에도, 제1 스페이서(225)가 수직방향으로 이동할 수 있게 하여, 제1 스페이서(225)가 제1 및 제2 수직배관(140, 150) 사이에 위치될 수 있도록 한다.
제1 외부배관(222)에는 제1-1 가이드부(223)에서 소정각도, 대략 90°회전된 위치에 제1-1 가이드부(223)와 동일한 형상의 제1-2 가이드부(224)가 형성된다. 또한, 제2 외부배관(232)에는 제2-1 가이드부(233)에서 소정각도, 대략 90°회전된 위치에 제2-1 가이드부(233)와 동일한 형상의 제2-2 가이드부(234)가 형성된다.
제1-2 가이드부(224)와 제2-2 가이드부(234)는 1조의 지중열교환배관과 대향되는 다른 1조의 지중열교환배관 사이를 이격시키기 위한 제2 스페이서(227)를 연결하기 위한 것이다.
제2 스페이서(227)는 속이 빈 원통형의 제1 원통부(227a) 및 제2 원통부(227b)와, 제1 원통부(227a) 및 제2 원통부(227b)와 일체로 형성되고 ㄷ자 형상으로 전방으로 돌출되는 전방 돌출부를 포함한다.
제2 스페이서(227)는 제1 스페이서(225)와 마찬가지로 제1-2 가이드부(224) 및 제2-2 가이드부(234)에 결합된 상태에서 수직방향으로 소정 길이만큼 이동 가능하다.
그에 따라, 제1 및 제2 연결배관(220, 230)에 연결되는 제1 및 제2 수직배관(140, 150)들 사이의 수직방향 위치가 일치하지 않는 경우에도, 제2 스페이서(227)가 제1 및 제2 수직배관(140, 150) 사이에 위치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 서로 대향되는 1조와 다른 1조의 지중열교환배관 사이에서 제2 스페이서(227)는 한 쪽의 지중열교환배관에만 형성되는 것이 바람직하다. 1조의 지중열교환배관을 삽입한 후 다른 1조의 지중열교환배관을 삽입하는 경우에는, 처음에 제2 스페이서(227)가 없는 상태로 지중열교환배관을 삽입하고, 나중에 제2 스페이서(227)가 있는 지중열교환배관을 삽입하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 스페이서(225)에 의해 인접하는 제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 이격될 수 있고, 제2 스페이서(227)에 의해 서로 대향되는 2조의 지중열교환배관 사이가 이격될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 스페이서(225, 227)는 제1 및 제2 연결배관(220, 230)에 연결되므로, 별도로 스페이서를 설치하는 과정이 필요하지 않아서 작업 효율성이 높다. 제1 스페이서(225) 또는 제2 스페이서(227)는 전체 제1 및 제2 연결배관(220, 230) 중 일부에만 설치될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 스페이서(225, 227)는 원통부가 가이드부를 둘러싸도록 결합되는 형태가 되어, 제1 및 제2 수직배관(140, 150)이 지열공(10)의 천공면을 따라 뒤틀리는 경우에도, 제1 및 제2 스페이서(225, 227)가 분리되는 경우가 발생하지 않는다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 지열공
110 : U자형 배관
120 : 제1 연결배관
130 : 제2 연결배관
140 : 제1 수직배관
150 : 제2 수직배관
160 : 제3 연결배관
170 : 제4 연결배관
180 : 제1 ㄱ자형 배관
190 : 제2 ㄱ자형 배관
220 : 제1 연결배관
221 : 제1 베어링
222 : 제1 외부배관
223 : 제1-1 가이드부
224 : 제1-2 가이드부
225 : 제1 스페이서
225a : 제1 원통부
225b : 제2 원통부
230 : 제2 연결배관
231 : 제2 베어링
232 : 제2 외부배관
233 : 제2-1 가이드부
234 : 제2-2 가이드부
227 : 제2 스페이서
227a : 제1 원통부
227b : 제2 원통부

Claims (4)

  1. 지중의 지열공에 매설되는 수직밀폐형 지중열교환배관에 있어서,
    지열공의 하부에 위치하는 U자형 배관;
    상기 U자형 배관의 일측에 연속하여 연결되는 다수의 제1 수직배관;
    상기 U자형 배관의 타측에 연속하여 연결되는 다수의 제2 수직배관;
    상기 제1 수직배관들 사이를 연결하는 제1 연결배관;
    상기 제2 수직배관들 사이를 연결하는 제2 연결배관;
    을 포함하는 수직밀폐형 지중열교환배관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수직배관 및 상기 제2 수직배관은 스텐레스스틸로 형성되는 수직밀폐형 지중열교환배관.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 베어링을 통해 상기 제1 연결배관의 외부에 회전 가능하게 결합되는 제1 외부배관;
    제2 베어링을 통해 상기 제2 연결배관의 외부에 회전 가능하게 결합되는 제2 외부배관;
    상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관 사이에 연결되어, 상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관 사이를 이격시키는 제1 스페이서;
    를 더 포함하는 수직밀폐형 지중열교환배관.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스페이서는 속이 빈 원통형의 제1 원통부 및 제2 원통부와, 상기 제1 원통부 및 상기 제2 원통부와 일체로 형성되어 수평으로 연장되는 수평부를 포함하고,
    상기 제1 외부배관의 측면에는 수직방향으로 연장되고 상기 제1 원통부에 삽입되는 제1-1 가이드부가 일체로 형성되고,
    상기 제2 외부배관의 측면에는 수직방향으로 연장되고 상기 제2 원통부에 삽입되는 제2-1 가이드부가 일체로 형성되고,
    상기 제1 스페이서는 상기 제1-1 가이드부 및 상기 제2-1 가이드부에 결합된 상태에서 수직방향으로 이동 가능하여, 상기 제1 외부배관과 상기 제2 외부배관은 수직방향으로 서로 이격될 수 있는 수직밀폐형 지중열교환배관.
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