KR20240038931A - 동축 저심도 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방 부하 시와 냉방 부하 시에 지중 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 방향을 조절하고, 지열수의 순환 속도가 늦어지게 함으로써 천공되는 지열공의 깊이를 낮게 하면서도 열교환 효율이 향상되도록 하여 초기 공사 비용을 줄이고, 천공 깊이 감소에 따라 양수펌프 가동에 따른 운용 비용을 크게 줄일 수 있는 동축 저심도 지중 열교환기에 관한 것으로, 지중 열교환기에 배치되는 지열수 공급관과 지열수 환수관이 동심으로 구성되고, 냉방 부하 시와 난방 부하 시 상기 지중 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 방향이 전환될 수 있도록 구성된 동축 저심도 지중 열교환기에 관한 것이다.

Description

동축 저심도 지중 열교환기{Coaxial low-depth underground heat exchanger}

본 발명은 동축 저심도 지중 열교환기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 지중 열교환기에 배치되는 지열수 공급관과 지열수 환수관이 동축으로 구성되고, 냉방 부하 시와 난방 부하 시 상기 지중 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 방향이 전환될 수 있도록 구성된 동축 저심도 지중 열교환기에 관한 것이다.

석유, 석탄 및 원자력과 같은 화석 연료의 고갈 및 환경오염 문제를 해결하고자 최근에는 태양열, 지열, 풍력, 조력과 같은 친환경 에너지의 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이러한 친환경 에너지 중 지열을 이용한 지열 에너지 시스템은 기후조건이나 계절의 변화에 영향을 받지 않고 냉ㆍ난방용으로 이용 가능한 지열 에너지를 매체를 통해 에너지 효율이 높은 히트펌프에서 열 교환시켜 에너지 이용 효율을 향상시킨 시스템이다.

지열 에너지 시스템은 열원을 획득하는 지열 교환기의 형태에 따라 지하수를 직접 히트펌프에서 열 교환하는 개방형 방식(준개방형 SCW:Standing Column well 방식 포함)과, 지중에 매설된 U자 관 내를 순환하는 상수(Water) 혹은 부동액(이하 '지열수'라 한다)을 통해 지열을 간접적으로 히트펌프에서 열 교환하는 밀폐형으로 구분된다.

상기 개방형 방식은 지하 300m 정도에서 지하수를 끌어올려 열을 교환하는 방식으로 높은 온도의 열을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 지하수 의존도가 높아 풍부한 지하수가 흐르는 대수층을 활용해야 하는 관계로 지열공 천공시 대수층 오염이나 열교환에 따른 지하 생태계의 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.

상기 밀폐형 방식은 지하 150~200m의 지열을 이용하는 것으로 개방형보다 깊이가 낮은 열원을 이용하는 관계로 많은 지열공을 필요로 하는 단점이 있다.

도 1은 종래 한 실시 예에 따른 밀폐형 지열 교환 시스템의 구성도로서 이를 통해 종래 일반적인 밀폐형 지열 교환 시스템의 구성을 살펴본다.

도시된 종래의 일반적인 밀폐형 지열 교환 시스템은 크게 생산된 냉난방 에너지를 소비하는 부하로서의 실내 열교환기와, 열 교환된 냉매를 통해 부하를 냉난방시키는 히트펌프 시스템과, 히트펌프 시스템에 열원으로 작용하는 지열수가 지열과 열 교환하도록 형성된 밀폐형 지열 교환기와, 상기 히트펌프 시스템 및 지열 교환기 등의 작동을 제어하는 제어기로 구성된다.

상기 부하라 함은 냉난방 열원의 사용처로 예를 들어 실내 공간, 수영장, 목욕탕, 대형 냉장 창고, 욕실용 냉온수 탱크와 같이 생산된 냉난방 에너지를 소비하는 사용처를 말하는데, 이러한 부하에서 필요로 하는 냉난방 용량에 따라 히트펌프 시스템 및 지열 교환기의 가동률이 변화하게 된다.

상기 히트펌프는 부하 냉난방용 냉열 및 온열을 공급하기 위해 순환되는 냉매를 압축-응축-팽창-증발시켜 냉방 또는 난방을 수행하도록 하는 장치로, 이를 위해 냉매를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 압축된 냉매의 방향을 전환하는 방향 전환밸브(4방밸브), 지열 교환기를 순환하는 지열수와 냉매가 열교환을 행하는 열원측 열교환기(냉방시는 응축기로 작동하고 난방시는 증발기로 작동), 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 그리고 부하와 열 교환하는 부하측 열교환기(냉방시는 증발기로 작동하고 난방시는 응축기로 작동)를 구비한다. 이러한 구성은 일반적인 공지의 냉난방기 기술이므로 이하 구체적인 설명은 생략한다.

상기 밀폐형 지열 교환기는 지열공에 매립되는 U자 관과, U자 관 내부를 지나며 지열과 열 교환하는 지열수와, 상기 U자 관 내부의 지열수를 히트펌프로 공급 및 환수하기 위한 공급관(2) 및 환수관(3)과, 상기 공급관을 통해 지열수를 양수하여 지열수를 공급하기 위한 양수펌프(1)와, 상기 환수관에 설치된 유량 조절밸브(4)를 포함하여 구성된다.

한편, 상기 각각의 U자 관에서 양수되는 지열수는 보통 헤더와 연결되어 히트펌프에 공급되도록 구성할 수 있다. 이처럼 헤더를 구비하게 되면 일정량의 지열수 공급을 통하여 시스템의 안정성을 구현하는 장점이 있다.

상기 제어기는 부하에서 필요로 하는 또는 설정된 온도 값에 따라 히트펌프의 압축기, 방향 전환밸브 및 지열 교환기의 U자 관 내부를 순환하는 지열수 양수펌프의 작동 등을 제어하도록 구성된다.

그러나 상기와 같이 구성된 종래 밀폐형 지열 교환 시스템은 하나의 지열공에 배치할 수 있는 지열수 공급관 및 지열수 환수관의 크기에 제한이 있었다. 즉, 제한된 크기의 지열공 내부에 지열수 공급관과 지열수 환수관을 U자형으로 연결하여 배치하여야 하는 관계로 상기 지열수 공급관과 지열수 환수관의 배관 크기가 제한되어 지열공의 전체 단면적을 효율적으로 활용하지 못하는 문제점이 있었다.

지열수 공급관과 지열수 환수관을 각각 1개의 관으로 구성할 경우 천공된 지열공의 지름을 D라 할 때 이용 불가능한 유휴면적이 πD2/8이나 되고, 지열수 공급관과 지열수 환수관을 각각 2개의 관으로 구성하더라도 이용 불가능한 유휴면적이 여전히 존재하는 등 천공된 지열공을 효율적으로 활용할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점으로 인하여 열교환 면적을 증가시키고 필요한 열을 지열로부터 획득하기 위해서는 천공되는 지열공의 깊이를 깊게 할 수밖에 없는데 지열공의 깊이를 깊게 하려면 지열 교환 시스템의 초기 공사 비용이 과도하게 증가하여 또 다른 문제점이 야기된다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 지열수 공급관과 지열수 환수관을 동축으로 형성한 지중 열교환기가 등장하기에 이르렀다.

등록특허공보 제10-1797520호에는 위와 같은 동축 지중 열교환기의 일례가 개시되어 있는데, 상기 종래 기술에 따르면, 천공된 지열공에 외부관(4)을 설치하고, 상기 외부관(4)의 내부에 배부관(6)을 설치하며, 상기 외부관의 상부에 분기관(4a)을 형성한 후 상기 내부관(6)의 상단을 히트펌프의 공급측에 연결하고, 상기 외부관의 상부에 형성된 분기관을 히트펌프의 환수측에 연결하여 지중 열교환 시스템을 구성하게 된다.

위와 같이 구성되는 열교환 시스템에서 효율적인 깊이로 지열공을 천공하여 초기 공사 비용을 줄이고 양수펌프 가공에 필요한 동력을 줄여 운용 비용을 경감하려면 난방 부하와 냉방 부하가 동일하여야 한다. 그러나 대부분의 경우 난방 부하와 냉방 부하가 동일하지 않고, 심지어 우리나라의 경우 냉방 부하가 난방 부하에 비해 30% 이상 큰 실정인 바, 적은 부하를 기준하여 지열공의 천공 깊이를 낮추면 초기 공사 비용은 줄일 수 있지만, 보다 큰 부하에 대응할 수 없어서 시스템이 무용지물이 되고, 큰 부하를 기준하여 지열공의 천공 깊이를 깊게 하면 부하에는 대응할 수 있지만 적은 부하 때의 천공 깊이보다 훨씬 더 깊게 지열공을 천공할 필요가 있으므로 초기 공사 비용이 과도하게 증가하고 깊은 양정으로 인한 양수펌프 운용 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

등록특허공보 제10-0821253호(2008.04.11. 공고) 등록특허공보 제10-1456198호(2014.11.03. 공고) 등록특허공보 제10-1797520호(2017.11.15. 공고)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 난방 부하 시와 냉방 부하 시에 지중 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 방향을 조절하고, 지열수의 순환 속도가 늦어지게 함으로써 천공되는 지열공의 깊이를 낮게 하면서도 열교환 효율이 향상되도록 하여 초기 공사 비용을 줄이고, 천공 깊이 감소에 따라 양수펌프 가동에 따른 운용 비용을 크게 줄일 수 있는 동축 저심도 지중 열교환기를 제공함에 있다.

또한 본 발명은 기존의 금속제 외측 배관의 부식 문제를 해결함과 동시에 지하수 오염 문제를 예방하기 위한 다른 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은 밀폐형 지중 열교환 시스템을 구성하는 지중 열교환기를, 지열수가 상기 지중 열교환기를 순환하며 열 교환할 수 있도록 동축으로 형성된 내부관 및 외부관;과, 상기 내부관 및 외부관을 순환하는 지열수의 순환 방향을 전환하기 위한 지열수 순환 방향 전환수단;과, 선택적으로 상기 지열수 순환 방향 전환수단을 제어하는 제어장치;를 포함하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기의 지열수 순환 방향 전환수단을 히트펌프의 공급관측 배관에 배치되는 개폐수단 1;과 히트펌프의 환수관측 배관에 배치되는 개폐수단 2;와 상기 히트펌프의 공급관측 배관과 히트펌프의 환수관측 배관을 연결하는 연결배관 1에 배치되는 개폐수단 3;과 상기 히트펌프의 공급관측 배관과 히트펌프의 환수관측 배관을 연결하는 연결배관 2에 배치되는 개폐수단 4;를 포함하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기의 지열수 순환 방향 전환수단으로서의 개폐수단을 개폐밸브 또는 상기 개폐밸브와 체크밸브를 조합하여 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기의 내부관 외부에 나선형 스페이서를 배치함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기의 내부관을 복수 개로 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기를 구성하는 외부관의 상부에 분기관이 형성되고, 상기 분기관은 히트펌프의 공급관측 배관에 접속되며, 상기 내부관의 상단에는 상기 내부관과 상기 외부관을 흐르는 유체의 흐름 분리용 플랜지 이음 어댑터가 형성되고, 내부관의 상단은 히트펌프의 환수관측 배관에 접속되도록 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 지중 열교환기를 구성하는 내부관과 외부관을 PE관으로 구성함으로써 달성될 수 있다.

본 발명은 지중 열교환기를 구성하는 지열수 공급관과 지열수 환수관을 동축으로 배치하고 난방 부하 시와 냉방 부하 시에 상기 지중 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 방향을 전환시켜 지열공에 배치되는 지중 열교환기의 내부관과 외부관이 효율적으로 활용되도록 함으로써 지열공의 천공 깊이가 낮아져 초기 공사 비용이 크게 감소됨과 동시에, 천공 깊이 감소에 따라 양수펌프의 양정이 줄어들어 운용 비용이 감소되는 효과가 있으며, 열부하에 효율적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 열교환기를 순환하는 지열수의 순환 속도가 조절되도록 함으로써 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 지중 열교환기의 내부관과 외부관을 PE관으로 구성함으로써 내부관과 외부관을 통과하는 지열수의 비효과적인 열교환을 방지함과 동시에, 기존 금속제 배관 사용에 따른 부식 및 지하수 오염을 원천적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 개요도이다.
도 2는 종래의 동축 지중 열교환기의 개요도이다.
도 3은 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 냉방 부하 시의 지열수 순환도이다.
도 5는 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 난방 부하 시의 지열수 순환도이다.
도 6은 본 발명의 변형 실시 예로서 지중 열교환기의 내부관이 복수 개로 형성된 실시 예이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예 등을 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다른 뜻을 의미하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않은 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시 예를 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 냉방 부하 시의 지열수 순환도이며, 도 5는 본 발명의 동축 저심도 지중 열교환기의 난방 부하 시의 지열수 순환도이고, 도 6은 본 발명의 변형 실시 예로서 지중 열교환기의 내부관이 복수 개로 형성된 실시 예이다.

도 3을 참조하면 본 발명에 따른 동축 저심도 지중 열교환기(10)는 지열수가 순환하며 열 교환할 수 있도록 동축으로 형성된 내부관(110) 및 외부관(120)과, 상기 내부관(110) 및 외부관(120)을 순환하는 지열수의 순환 방향을 전환하기 위한 지열수 순환 방향 전환수단(200)과, 선택적으로 상기 지열수 순환 방향 전환수단(200)을 제어하는 제어장치(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 내부관(110)의 상단에는, 지열수를 히트펌프(300) 측으로 순환시키는 배관과의 접속을 위한 플랜지(113)가 장착되고, 상기 플랜지에는 외부관(120)을 흐르는 유체를 분리시키기 위한 플랜지 이음 어댑터(130)가 장착된다.

한편 내부관(110)의 하단에는 다수의 통공(112)이 형성되어 있어 상기 내부관(110)의 하단 통공(112)을 통해 외부관(120)과의 유체 접속이 이루어진다. 즉 내부관(110)의 하단 통공(112)을 통하여 지열수가 유입 또는 유출되게 된다.

또한 상기 내부관(110)의 외부에는 나선형 스페이서(111)가 배치된다.

위와 같이 내부관(110)의 외부에 나선형 스페이서(111)가 배치되면 외부관(120)과 상기 내부관(110) 사이(이하 외부관 내부라 칭한다)를 흐르는 지열수의 흐름 속도가 늦어져 지열수가 지열과 열 교환할 수 있는 시간이 증가하고, 지열수에 난류에 발생되어 열 교환량이 증대될 수 있게 된다.

상기와 같이 나선형 스페이서가 내부관의 외부에 형성된 지중 열교환기를 사용하여 실험한 결과 스페이서가 형성되지 않은 종래의 지중 열교환기에 비해 열전달 효과가 24% 이상 향상되는 것으로 나타났다.

상기 내부관(110)의 외측에 배치되는 외부관(120)은 하단이 폐쇄되어 밀폐형 지중 열교환기(10)를 형성하게 되며, 상기 외부관(120)의 상부에는 분기관(121)이 형성되고 외부관(120)의 상단은 상기 플랜지 이음 어댑터(130)를 경유하여 지열수를 히트펌프(300) 측으로 순환시키는 배관과 플랜지(113)를 통해 접속된다.

이때 상기 외부관(120) 내부의 단면적을 내부관(110)의 단면적보다 크게 형성한다. 이처럼 외부관(120) 내부의 단면적을 내부관(110)의 단면적보다 크게 형성하는 이유는 단위 시간당 외부관(120) 내부와 내부관(110)을 흐르는 지열수의 양을 비슷하게 함으로써 양수펌프에 발생할 수 있는 캐비테이션 현상을 방지하기 위함이다. 즉 외부관(120) 내부와 내부관(110)의 단면적을 비슷하게 할 경우, 본 발명의 내부관(110)의 외부에 상술한 바와 같은 나선형 스페이서(111)가 배치되어 있으므로 외부관(120) 내부를 흐르는 지열수의 속도가 내부관(110)을 흐르는 지열수의 속도보다 늦어져 단위 시간당 내부관(110)과 외부관(120) 내부를 순환하는 지열수의 양에 큰 차이가 생겨 양수펌프에 캐비테이션 발생의 우려가 있는 바, 이를 보완하기 위함이다. 본 발명에서는 일 실시예로서 지열공(100)의 지름이 150㎜일 경우, 외부관(120)의 지름은 125㎜이고, 내부관(110)의 지름은 75㎜로 할 수 있다.

또한 본 발명의 내부관(110)과 외부관(120)은, 기존의 지중 열교환기 외측 배관에 금속제 배관이 사용되는 것과는 달리, PE관으로 형성된다. 상술한 바와 같이 본 발명에서 지중 열교환기(10)의 내부관(110)과 외부관(120)을 PE관으로 형성하는 이유는, 지열공(100)의 깊이를 70미터 이내로 설계할 수 있는 현장의 경우 시공이 쉬워질 뿐만 아니라, 금속제 배관에서 발생하는 부식 문제를 예방하고, 지하수의 오염을 방지할 수 있는 효과가 발생하게 된다.

또한 PE의 특성상 내부관(110)과 외부관(120) 내부를 순환하는 지열수의 온도 차이가 크지 않을 경우 열전달이 쉽게 일어나지 않으므로 내부관(110)과 외부관(120) 내부를 순환하는 지열수 사이의 불필요한 열전달을 방지할 수 있게 되어 지중 열교환기(10)의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편 상기 지중 열교환기(10)의 지열수 순환 방향 전환수단(200)은 히트펌프의 공급관측 배관(310)에 배치되는 개폐수단 1(210)과, 히트펌프의 환수관측 배관(320)에 배치되는 개폐수단 2(220)와, 상기 히트펌프의 공급관측 배관(310)과 히트펌프의 환수관측 배관(320)을 연결하는 연결배관 1(250)에 배치되는 개폐수단 3(230)과, 상기 히트펌프의 공급관측 배관(310)과 히트펌프의 환수관측 배관(320)을 연결하는 연결배관 2(260)에 배치되는 개폐수단 4(240)를 포함하여 구성된다.

보다 구체적으로 상기 외부관(120)의 상부에 형성된 분기관(121)은 개폐수단 1(210)을 경유하여 히트펌프의 공급관측 배관(310)에 접속되고, 상기 내부관(110)의 상단은 개폐수단 2(220)를 경유하여 히트펌프의 환수관측 배관(320)에 접속된다.

상기 히트펌프의 공급관측 배관(310)과 히트펌프의 환수관측 배관(320)에는 이들 배관을 연결하는 연결배관 1(250)과 또 다른 연결배관 2(260)가 접속되고, 상기 연결배관 1(250) 및 연결배관 2(260)에 각각 개폐수단 3(230) 및 개폐수단 4(240)가 형성된다,

상기 연결배관 1(250)은 개폐수단 2(220)보다 히트펌프(300)에 가까운 쪽의 배관에서 분기되어 개폐수단 1(210)보다 지중 열교환기(10)에 가까운 쪽의 배관에 접속되는 배관이고, 상기 연결배관 2(260)는 개폐수단 1(210)보다 히트펌프(300)에 가까운 쪽의 배관에서 분기되어 개폐수단 2(220)보다 지중 열교환기(10)에 가까운 쪽의 배관에 접속되는 배관이다.

한편, 상기 지중 열교환기(10)의 지열수 순환 방향 전환수단(200)은 전동 또는 수동으로 작동될 수 있는 바, 전동 방식에 의할 경우 지열수 순환 방향 전환수단(200) 제어용 제어장치(미도시)에 의하여 제어된다.

즉 전동형 지열수 순환 방향 전환수단(200)의 개폐수단 1 내지 4(210, 220, 230, 240)는 지열수 순환 방향 전환수단(200) 제어용 제어장치(미도시)에 의하여 제어되는 바, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 냉방 부하 시에는 개폐수단 3, 4(230, 240)는 폐쇄되고, 개폐수단 1, 2(210, 220)만이 개방된다. 이때 양수펌프에 의해 양수된 지열수는 지중 열교환기(10)의 외부관(120) 상부에 형성된 분기관(121)을 통해 유출되고 개방된 개폐수단 1(210)을 경유하여 히트펌프의 공급관측 배관(310)으로 공급된 후 히트펌프(300)를 순환하면서 열교환하고 히트펌프의 환수관측 배관(320)으로 유출되어 개방된 개폐수단 2(220)를 경유하여 지중 열교환기(10)의 내부관(110) 상단으로 유입되게 된다. 한편 개폐수단 3, 4(230, 240)가 폐쇄되어 있으므로 지열수는 연결배관 1, 2(250, 260)를 통하여 순환할 수 없다.

한편, 난방 부하 시에는 개폐수단 1, 2(210, 220)가 폐쇄되고, 개폐수단 3, 4(230, 240)가 개방된다. 이때 양수펌프에 의해 양수된 지열수는 지중 열교환기(10)의 내부관(110) 상단으로 유출되고, 연결배관 2(260)에 설치된 개폐수단 4(240)를 경유하여 히트펌프의 공급관측 배관(310)으로 공급된 후, 히트펌프(300)를 순환하면서 열교환하고, 히트펌프의 환수관측 배관(320)으로 유출되어 연결배관 1(250)에 설치된 개폐수단 3(230)을 경유하여 지중 열교환기(10)의 외부관(120)에 형성된 분기관(121)을 통해 지중 열교환기(10)로 유입되게 된다.

위와 같은 개폐수단 1 내지 4(210, 220, 230, 240)는 수동으로 개폐될 수 있고, 그 작동 상태는 전동으로 개폐될 때와 동일하므로 별도의 설명은 생략한다.

또한 변형 실시 예로서 상기 개폐밸브의 일부를 체크밸브로 대체하여 실질적으로 개폐밸브의 역할을 하도록 구성할 수 있는 바, 이처럼 구성되더라도 상기한 바와 같이 지열수의 순환 방향이 전환될 수 있으므로 별도의 설명은 생략한다.

본 발명에서는 위와 같이 냉방 부하 시와 난방 부하 시에 지중 열교환기(10)를 순환하는 지열수의 순환 방향을 전환시켜, 지열 교환 효율이 높아지도록 함으로써 지중 열교환기(10)의 설치를 위한 지열공(100)의 천공 깊이를 낮출 수 있게 되는 것이다. 즉 지중 온도가 통상적으로 15℃ 내외인 점을 고려할 때, 신재생 에너지 설비 지원 등에 관한 지침에 따라 냉방 부하 시에 히트펌프(300)로 공급되는 지열수의 최고 온도가 30℃ 이하, 난방 부하 시에 히트펌프(300)로 공급되는 지열수의 최저 온도가 5℃ 이상이 되려면, 냉방 부하 시에 히트펌프(300)로 유입되는 지열수는 지중 온도보다 11~15℃ 높은 26~30℃로 열 교환되고, 난방 부하 시에 히트펌프(300)로 유입되는 지열수는 지중 온도보다 6~10℃ 낮은 5~9℃로 열 교환되어야 한다. 그런데 지중 열교환기(10)를 출입하는 지열수의 온도 변화(△t)가 5℃ 정도인 점을 고려하면, 냉방 부하 시에는 히트펌프(300)로부터 유출되는 최고 온도 35℃의 지열수가 지중 열교환기(10)를 통과하면서 온도가 30℃ 이하로 낮아져야 하고, 난방 부하 시에는 히트펌프(300)로부터 유출되는 최저 온도 0℃의 지열수가 지중 열교환기(10)를 통과하면서 온도가 5℃ 이상으로 높아져야 한다.

본 발명의 발명자는 지열공(100)의 천공 깊이를 최소화하면서도 상술한 바와 같이 냉방 부하 시 및 난방 부하 시에 지열수의 온도를 효율적으로 달성할 수 있는 방법을 연구하던 중, 지열 교환기를 통과하는 지열수의 흐름 방향과 지열이 대향류를 형성하도록 구성하면 열교환 효율이 향상되어 지열공(100)의 천공 깊이를 최소화할 수 있게 된다는 사실을 알아내고, 이를 구현할 수 있도록 냉방 부하 시 및 난방 부하 시에 지하수의 순환 방향을 전환하는 본 발명을 창안하게 된 것이다.

이하 바람직한 실시 예로서 냉방 부하 시와 난방 부하 시의 지열수의 순환 방향을 제어하기 위한 개폐수단의 제어 방법에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.

냉방 부하 시 히트펌프(300)로부터 유출된 최고 35℃의 지열수는 지중 열교환기(10)를 통과하면서 최고 30℃ 이하의 온도로 온도가 낮아져야 한다. 즉 지중 열교환기(10)로부터 유출되는 지열수는 지중 열교환기(10)의 상단에서 온도가 가장 낮아져야 하는데, 지중 온도도 상부로 갈수록 낮아지므로 원활한 열교환을 위하여 냉방 부하 시에는 지열수가 지중 열교환기(10)의 내부관(110)으로 유입되어 외부관(120) 내부로 유출되면서 지열과 열 교환되도록 개폐수단들을 제어한다.

즉 냉방 부하 시에는 지중 열교환기(10)의 외부관(120)을 통해 유출된 지열수가 개폐수단 1(210)을 통해 히트펌프의 공급관측 배관(310)으로 공급된 후, 히트펌프(300)에서 열을 흡수하고 히트펌프의 환수관측 배관(320)으로 유출되어 개폐수단 2(220)를 통해 지중 열교환기(10)의 내부관(110)으로 유입되도록 개폐수단 1, 2(210, 220)를 개방하고 개폐수단 3, 4(230, 240)가 폐쇄되도록 제어한다.

이때 지열수는 지중 열교환기(10)의 외부관(120)의 상부에 형성된 분기관(121)을 통해 유출되고 개방된 개폐수단 1(210)을 경유하여 히트펌프의 공급관측 배관(310)을 통해 히트펌프(300)로 공급된다. 히트펌프(300)에서 열을 흡수한 지열수는 히트펌프의 환수관측 배관(320)을 통해 유출되고 개방된 개폐수단 2(220)를 경유하여 지중 열교환기(10)의 내부관(110)으로 유입되어 외부관(120) 내부로 상승하면서 지열과 열 교환하는 사이클을 형성한다.

한편 난방 부하시 히트펌프(300)로부터 유출된 최저 0℃의 지열수는 지중 열교환기(10)를 통과하면서 최저 5℃ 이상의 온도로 온도가 높아져야 한다. 즉 지중 열교환기(10)로부터 유출되는 지열수는 지중 열교환기(10)의 상단에서 온도가 가장 높아져야 하는데, 지중 온도는 상부로 갈수록 낮아지므로 원활한 열교환을 위하여 난방 부하 시에는 지열수가 지중 열교환기(10)의 외부관(120)으로 유입되어 내부관(110)으로 유출되면서 지열과 열 교환되도록 개폐수단을 제어한다.

즉 난방 부하 시에는 지중 열교환기(10)의 내부관(110)을 통해 유출된 지열수가 연결배관 2(260)에 설치된 개폐수단 4(240)를 경유하여 히트펌프(300)로 공급된 후, 히트펌프(300)에서 열을 방출하고 히트펌프(300)로부터 다시 유출되어 연결배관 1(250)에 설치된 개폐수단 3(230)을 경유하여 지중 열교환기(10)의 외부관(120)으로 유입되도록 개폐수단 1, 2(210, 220)를 폐쇄하고 개폐수단 3, 4(230, 240)가 개방되도록 제어한다.

이때 지열수는 지중 열교환기(10)의 내부관(110)을 통해 유출되어 개방된 개폐수단 4(240)를 경유하여 히트펌프의 공급관측 배관(310)을 통해 히트펌프(300)로 공급된다. 히트펌프(300)에서 열을 방출한 지열수는 히트펌프의 환수관측 배관(320)을 통해 유출된 후 개방된 개폐수단 3(230)을 경유하여 지중 열교환기(10)의 외부관(120)의 상부에 형성된 분기관(121)으로 유입되어 외부관(120) 내부로 하강하면서 지열과 열교환하는 사이클을 형성한다.

실험 결과 상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 종래의 U자형 지중 열교환기에 비해 열전달 효과가 20% 이상 향상되는 것으로 나타난 바, 종래의 U자형 지중 열교환기를 사용할 때보다 지열공의 천공 깊이를 20% 이상 낮게 하는 것이 가능하게 되어 초기 지열공 천공 비용을 크게 절감할 수 있으며, 양정 감소에 따라 양수펌프 가동에 필요한 동력도 크게 줄일 수 있는 효과가 나타나게 된다.

바람직한 변형 실시 예로서 상기 내부관(110)은 도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개로 구성될 수 있다.

이때의 지열수의 순환은 단수 개의 내부관(110)으로 구성된 지중 열교환기와 큰 차이가 없으므로 이에 대한 별도의 설명은 생략한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이므로 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 지중 열교환기 100: 지열공
110: 내부관 111: 나선형 스페이서
112: 통공 113: 플랜지
120: 외부관 121: 분기관
130: 플랜지 이음 어댑터
200: 지열수 순환 방향 전환수단
210: 개폐수단 1 220: 개폐수단 2
230: 개폐수단 3 240: 개폐수단 4
250: 연결배관 1 260: 연결배관 2
300: 히트펌프
310: 히트펌프 공급관측 배관 320: 히트펌프 환수관측 배관

Claims (7)

1. 밀폐형 지중 열교환 시스템을 구성하는 지중 열교환기에 있어서,
   지열수가 상기 지중 열교환기를 순환하며 열 교환할 수 있도록 동축으로 형성된 내부관 및 외부관;
   상기 내부관 및 외부관을 순환하는 지열수의 순환 방향을 난방 부하와 냉방 부하에 따라 전환하기 위한 지열수 순환 방향 전환수단;
   을 포함하는 지중 열교환기
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 지중 열교환기의 외부관과 내부관 사이의 단면적이, 내부관의 단면적보다 크게 형성된 지중 열교환기
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 지열수 순환 방향 전환수단은
   히트펌프의 공급관측 배관에 직결되는 배관에 배치되는 개폐수단 1;
   히트펌프의 환수관측 배관에 직결되는 배관에 배치되는 개폐수단 2;
   상기 히트펌프의 공급관측 배관과 히트펌프의 환수관측 배관을 연결하는 연결배관 1에 배치되는 개폐수단 3;
   상기 히트펌프의 공급관측 배관과 히트펌프의 환수관측 배관을 연결하는 연결배관 2에 배치되는 개폐수단 4;를 포함하고
   선택적으로 상기 지열수 순환 방향 전환수단을 제어하는 제어장치;를 포함하는 지중 열교환기
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 개폐수단은
   개폐밸브, 또는 상기 개폐밸브와 체크밸브의 조합으로 이루어지는 지중 열교환기
   
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 내부관의 둘레에는 나선형 스페이서가 배치되는 지중 열교환기
   
6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 내부관이 복수 개인 지중 열교환기
   
7. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 외부관의 상부에는 분기관이 형성되고,
   상기 분기관은 히트펌프의 공급관측 배관에 직결 접속되며,
   상기 내부관의 상단에는 상기 내부관과, 상기 내부관과 외부관 사이를 흐르는 유체의 흐름 분리용 플랜지 이음 어댑터가 형성되고,
   상기 내부관의 상단은 히트펌프의 환수관측 배관에 직결 접속되는 지중 열교환기