WO2023058841A1 - 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법 - Google Patents

6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법 Download PDF

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WO2023058841A1
WO2023058841A1 PCT/KR2022/008814 KR2022008814W WO2023058841A1 WO 2023058841 A1 WO2023058841 A1 WO 2023058841A1 KR 2022008814 W KR2022008814 W KR 2022008814W WO 2023058841 A1 WO2023058841 A1 WO 2023058841A1
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WO
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heat exchange
exchange coil
heat
tube
tubes
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PCT/KR2022/008814
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조희남
장현호
최성욱
김영화
안조범
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주식회사 지앤지테크놀러지
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the present invention relates to a vertically closed underground heat exchanger device, and more particularly, to a vertically closed underground heat exchanger device comprising six or more heat exchange coil tubes that increase the heat exchange surface area of the heat exchange coil tube while operating geothermal balls of the same diameter, and the same It's about how to install it.
  • Geothermal heat refers to the specific heat and heat of the ground that the groundwater pumped by excavating groundwater has.
  • the underground temperature maintains a temperature of 17 °C to 18 °C throughout the year without changing in all four seasons, and when the groundwater having this temperature is pumped and heat is used using a heat pump, the amount of water pumped by the groundwater deep well pump reaches 1000 liters per hour and the temperature difference is In the case of 4°C, it is possible to secure the amount of heat up to 4000 kilocalories per hour, and the temperature of the groundwater, which has risen or lowered through this heat exchange, flows into the groundwater drilling hole through the return pipe and is again heat exchanged by the heat of the ground, lowering or lowering the temperature of the groundwater. As the temperature changes again in an elevated state, this cycle can maintain a continuously usable state.
  • a facility using this principle is a geothermal heat exchanger.
  • the supply side and the return side of the geothermal heat exchange pipe are mainly used with high-density polyethylene (HDPE) pipes, which are inexpensive to manufacture.
  • HDPE pipe has the advantage of low price, but its specific gravity is about 0.94 to 0.97, which is smaller than that of water, so it has buoyancy to float on water and is ductile. When inserting the geothermal exchange pipe composed of the side into the geothermal hole, buoyancy is generated, making insertion itself impossible or difficult.
  • the process that takes the longest construction period and the most cost in the vertical closed type is the geothermal hole drilling process in which heat exchange coils are excavated below the ground surface to insert and install them.
  • the diameter of the heat exchange coil tube inserted into the geothermal hole becomes larger, and the smaller the gap between the walls of the geothermal hole, the lower the thermal resistance value and the higher the heat exchange capacity. It has been confirmed that this increases
  • the increase in the heat transfer surface area can be calculated to increase by about 50%.
  • the diameter of the geothermal hole must be excavated to a level higher than 165mm, the cost of excavating the geothermal hole will increase, leading to a decrease in economic feasibility.
  • Patent Document 1 Registered Patent No. 10-0958360
  • Patent Document 2 Registered Patent No. 10-2197104
  • the present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and six or more heat exchangers that improve the capacity of the underground heat exchanger by increasing the heat exchange surface area of the heat exchange coil tube while eliminating the excavation cost increase factor by operating a geothermal ball of the same diameter.
  • the purpose is to provide a heat exchange unit composed of a coil tube, a vertical closed underground heat exchanger device including the same, and an installation method thereof.
  • the heat exchange unit composed of six or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention is composed of a tubular supply part and a return part connected to each other at the bottom where the heat medium is circulated, and is inserted into the geothermal hole and transfers the heat of the heat medium to the heat exchanger.
  • a heat exchange coil tube for transmitting A load member is installed on the heat exchange coil tube, and the number of heat exchange coil tubes is 3 or more, and the sum of the supply unit and the return unit is 6 or more, and the 3 or more heat exchange coil tubes connect the supply unit and the return unit. It is characterized in that the bottom portion to be piped so that it overlaps vertically, and six or more supply and return portions are arranged along the circumferential direction.
  • the heat exchange unit composed of six or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention is composed of a tubular supply part and a return part connected to each other at the bottom where the heat medium is circulated, and is inserted into the geothermal hole and transfers the heat of the heat medium to the heat exchanger.
  • a heat exchange coil tube for transmitting It includes a load member installed in the heat exchange coil tube, and the heat exchange coil tube is made up of 3 or more, and the sum of the supply unit and the return unit is 6 or more.
  • the heat exchange surface area of the heat exchange coil tube is increased to operate a geothermal ball of the same diameter while underground
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a vertical closed type underground heat exchanger device comprising six or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a heat exchange coil tube applied to a vertical closed underground heat exchanger device comprising six or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a heat exchange unit applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a heat exchange unit applied to a vertical closed type underground heat exchanger device having 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a protective casing applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 6 is another exemplary view of a protective casing applied to a vertical closed type underground heat exchanger device having 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a cushion applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing another arrangement of heat exchange units applied to a vertical closed type underground heat exchanger device having 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • 9 and 10 are a perspective view and a plan view of a load member applied to a vertical closed underground heat exchanger device comprising six or more heat exchange coil tubes according to the present invention, respectively.
  • 11 and 12 are other exemplary views of a load member applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are views showing an example in which an 8-tube type is applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • 15 to 16 are exemplary views of spacers applied to a vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention.
  • first curved surface accommodating part 113 second curved surface accommodating part
  • hinge part 117 hinge connector
  • bracket connection part 160 variable drive mechanism
  • curved display device 210 display body
  • the vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention is inserted into the geothermal hole 1 drilled in the ground and installed in the geothermal hole 1, and the heat medium circulates.
  • a heat exchange unit 100 that recovers and then supplies geothermal heat using a heat exchange unit 100, a circulation means 10 for circulating a heat medium along the inside of the heat exchange unit 100, and geothermal heat supplied from the heat exchange unit 100 through the circulation means 10
  • a heat pump (general term for all heat exchangers) 20 that produces cooling and heating heat using the heat source as a heat source and supplies it to the load-side heat exchanger 30, and a filler filled inside the geothermal ball 1, the heat exchange unit 100
  • a load member 150 and a load weight 160 may be added to increase the load of the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 while having the six- or eight-tube heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 as a basic configuration.
  • the heat exchange unit 100 described in the present invention is
  • the geothermal ball 1 has the same diameter as a geothermal ball using a 4-tube heat exchange coil tube even if the 6- or 8-tube heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 are used, and the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 have a diameter of about 32 mm. (40mm in the case of the conventional 4-pipe type), but it has a characteristic.
  • geothermal hole 1 is excavated and formed through conventional excavation equipment, it has an organic coupling relationship with the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140, and is excavated and formed according to the present invention.
  • the circulation means 10 connects the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 and the heat pump 20 so that the heat medium circulates through the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 and the heat pump 20, and the heat medium is forced to circulate.
  • a circulation pump 12 is included.
  • connection pipe 11 is a supply unit 11-1 that supplies the heat medium to the heat pump 12 and a return unit 11-2 that returns the heat medium that has passed through the heat pump 12 to the heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140. Separated.
  • the supply unit 11-1 and the return unit 11-2 are each equal to the number of heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 and may be connected in a 1:1 ratio or a smaller number than a plurality of heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 (for example, For example, a plurality of heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 may be gathered and connected into one.
  • the heat exchange coil tubes 110 , 120 , 130 , and 140 (hereinafter referred to as 'first to fourth heat exchange coil tubes') have the same structure and will be described by taking the first heat exchange coil tube 110 as an example.
  • the first heat exchange coil pipe 110 is a u-bend part 111 having openings formed on both sides, and two pipes connected to the openings of the u-bend part 111, respectively, and the supply part 112 and the return part It has a structure of (113) and has a path of heat medium by the return part 113 - the band part 111 - the supply part 112.
  • the supply unit 112 and the return unit 113 are spaced apart at a certain distance so that heat exchange does not occur when the heat medium flows along the supply unit 112 and the return unit 113, and the space due to this distance is the heat exchange coil tube It is used as a space for plumbing.
  • the second to fourth heat exchange coil tubes 120, 130, and 140 have the same structure and are given codes in the same way.
  • the first to fourth heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 have the same diameter as well as structure, have the same size as described above, and are arranged as follows to be inserted into the geothermal hole 1 having the above-mentioned diameter.
  • 3 and 4 are perspective views and planes showing an example of a six-tube type, the first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 are arranged in parallel, and the third heat exchange coil tube 130 is the first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 ) and the third breast band portion 131 is disposed above the first and second breast band portions 111 and 121 while being arranged in a direction orthogonal to.
  • the third heat exchange coil pipe 130 it is also possible for the third heat exchange coil pipe 130 to have the third heat exchange coil tube 130 disposed under the first and second heat bend parts 111 and 121 .
  • one heat exchange coil tube is inserted into the space between the supply part and the return part of the two heat exchange coil tubes among the three heat exchange coil tubes 110, 120, and 130.
  • the geothermal hole since the distance between the supply part and the return part must be secured, the geothermal hole must be larger or the diameter of the heat exchange coil pipe must be smaller.
  • the distance (a) between the supply part and the return part is larger than the width (b) of the band part 131 of the third heat exchange coil pipe 130.
  • the third heat exchange coil pipe 130 is inserted into the space between the supply part and the return part of the first and second heat exchange coil pipes 110 and 120, so that the third heat exchange coil pipe 131 is connected to the first and second heat exchange coil parts 111 and 121.
  • the geothermal hole 1 By being placed on top of the geothermal hole 1, it is possible to secure high efficiency with an optimal arrangement.
  • the width of the first and second breast band parts 111 and 121 satisfy the range of 100 to 140 mm.
  • the geothermal hole 1 has a diameter of 150 mm to 165 mm, and the supply and return parts of the heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 each have an outer diameter of 32 mm to 40 mm and a thickness of 4 mm to 5 mm, and the width of the band portion 111, 121, and 131 is 100 to 140 mm.
  • the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 and the first to third U-band portions 111, 121, and 131 are preferably made of high-density polyethylene (HDPE).
  • HDPE high-density polyethylene
  • the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, 130 are gathered into one to facilitate insertion into the geothermal ball 1 and prevent friction with the geothermal ball 1.
  • a protective casing 170 may be included to protect the third U-band parts 111 , 121 , and 131 from being damaged.
  • the protective casing 170 has a hemispherical structure with an open upper portion to be inserted into the first to third milk band portions 111, 121, and 131 and a hemispherical structure with a bottom portion matching the outer shape of the first to third milk band portions 111, 121, and 131, and a filler is filled inside to make the protective casing 170. It is fixed together with the first to third U-band parts 111, 121, and 131.
  • the protective casing 170 may have a structure in which the bottom is opened so that the load weight 16 can be connected to any one of the first to third U-band portions 111, 121, and 131.
  • the lower surface of the protective casing 170 may be configured with concavo-convex portions for synthesis with the filler.
  • the protective casing 170 may also have a structure in which the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 are directly coupled without the first to third heat exchanger parts 111, 121, and 131 so that the heating medium is combined and then distributed.
  • the protective casing 170 has a tubular structure with an empty space therein, and includes coil pipe connection holes 171 to which the first to third heat exchange coil pipes 110, 120, and 130 are respectively connected.
  • the protective casing 170 has a cylindrical structure with an open top, a structure in which a separate plate material having a coil pipe connection hole 171 is formed is combined.
  • the inner space of the protective casing 170 may be configured with a diaphragm so that the supply part and the water return part of the first to third heat exchange coil tubes 110 , 120 , and 130 are isolated from each other.
  • first and second U-band portions 111 and 121 of the first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 and the third U-band portion 131 of the third heat exchange coil tube 130 are formed between the first and second U-band portions 111 and 121 of the first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 and the third U-band portion 131 of the third heat exchange coil tube 130.
  • a cushion 180 (see FIG. 7 ) may be included to protect from collision.
  • the cushion 180 has a block shape and has first and second grooves 181 and 182 covering the upper portions of the first and second U-band portions 111 and 121 of the first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 at the bottom, and the third heat exchanger at the upper portion.
  • a third groove 183 supporting the bottom of the third U-band part 131 of the coil pipe 130 is formed.
  • the cushion 180 supports the first, second, and third breast band portions 111, 121, and 131 while filling the gap caused by the difference in height between the first and second breast band portions 111 and 121 and the third breast band portion 131, thereby supporting the It can prevent vibration and also prevent heat transfer of the heating medium.
  • the second breast band portion 121 is inserted into the upper portion of the first breast band portion 111 and the third breast band portion 131 is inserted into the upper portion of the second breast band portion 121.
  • the first breast band portion 131 is inserted.
  • a total of six tubes of the supply parts 112 , 122 , 132 and return parts 113 , 123 , 133 of the first to third heat exchange coil pipes 110 , 120 , and 130 are arranged at intervals of 60 degrees.
  • the load member 150 has coil pipe alignment grooves 151 into which supply parts 112, 122, 132 and return parts 113, 123, and 133 of the first to third heat exchange coil pipes 110, 120, and 130 are respectively inserted. included
  • the load member 150 has a structure in which six wings 152 (depending on the number of heat exchange coil tubes) are radially formed at regular intervals along the circumferential direction, and the spacing between adjacent wings 152 is The coil tube aligning groove 151 is formed, and the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 do not adhere to each other through the wings 152 while increasing the load of the heat exchange unit 100 by using their own weight and maintaining a gap. It also serves as a retaining spacer. At this time, since the function of the spacer is achieved through the thickness of the wing 152, the wing 152 has an appropriate thickness to prevent the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 from adhering to each other.
  • the load member 150 has a structure in which six wings 152 are connected to each other through a central body, preferably made of a casting article having a load, but the outer surface is coated with pvc or pe and the first to the first to be made of HDPE. 3. Do not damage the surfaces of the heat exchange coil tubes (110, 120, 130).
  • first to third heat exchange coil tubes 110, 120, 130 inserted into the coil tube aligning groove 151 of the load member 150 are fixed through a fixing band 154, and the wing 152 has one or more stages. It is preferable that the band groove 153 into which the fixing band 154 is inserted is configured.
  • the load member 150 protrudes more than the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 so that the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 do not collide with the inner wall surface of the geothermal ball 1. ) is the length that protrudes further toward the side).
  • a spacer 190 supported by the wing 152 on the inner wall surface of the geothermal ball 1 to maintain a constant distance between the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, 130 and the inner wall surface of the geothermal ball 1 (FIG. 1). Reference) may be further applied.
  • the spacer 190 has the same flat cross-section as the load member 150, that is, as shown in FIGS. 15 to 16, has a coil pipe alignment groove 191 and a wing 192, ), the length is shorter than that of
  • 11A is a plan view showing another form of the load member 150 and another arrangement of the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130, and the supply part 112 of the first heat exchange coil tube 110 is a load member ( 150) so that the water return part 113 is arranged outside it, and the supply parts 122 and 132 and the water return parts 123 and 133 of the second and third heat exchange coil pipes 120 and 130 return water to the circumference of the supply part 122. It is arranged along the circumferential direction with the part 113, and at this time, all the tubes maintain the same interval, and the five tubes are arranged with the supply unit 112 as the center.
  • one tube is placed in the center of the load member 150 and the remaining tubes are placed around the tube, but the center line of one circumferential tube and the center line of one of the circumferential tubes are placed around the tube. While the coils are aligned (arranged on the same line), there is no boundary wall between the two tubes (the circumferential tube and the central tube) so that the central coil tube can be easily inserted.
  • the load member 150 has one center side coil tube alignment groove 151-1 into which the supply part 112 and the return part 113 of the first heat exchange coil tube 110 are inserted together in the center. is formed, and four circumferential side coil tube alignment grooves 151-2 into which four tubes are inserted are formed in the circumferential portion.
  • One center-side coil pipe alignment groove 151-1 is inserted into two tubes, the supply part 112 and the return part 113, and the two circumferential coil pipe alignment grooves 151-2 are the second and third Since the supply parts 122 and 132 and the return parts 123 and 133 of the heat exchange coil tubes 120 and 130 can be respectively inserted, it is very easy to assemble all the heat exchange coil tubes 110 , 120 and 130 .
  • the central coil tube alignment groove 151-1 has a structure in which two tubes, the supply part 112 and the water return part 113, are inserted, and at this time, the supply part 112 and the water return part 113 face each other to maintain a distance.
  • Each of the jaws 151-3 may be formed on the inner wall surface. The distance between the jaws 151-3 is smaller than the outer diameter of the supply part 112 so that the supply part 112 and the water return part 113 do not stick to each other, and the inside of the jaw 151-3 is smaller than the outer diameter of the supply part 112. formed in large sizes.
  • center-side coil tube alignment groove 151-1 is divided into two so that the two tubes are spaced apart from each other.
  • the center-side coil tube alignment groove 151-1 is formed in a straight shape without a jaw 151-3 so that the two tubes can be arranged in a straight line.
  • the first heat exchange coil tube 110 is inserted into the center-side coil tube alignment groove 151-1, and the second and third heat exchange coil tubes 120 and 130 are Each of them is inserted into four independent circumferential side coil pipe alignment grooves 151-2.
  • the load weight 160 is a commonly used weight and is installed hanging from one or more of the first to third milk band parts 111, 121, and 131.
  • an 8-tube type that is, the first to fourth heat exchange coil tubes 110, 120, 130, and 140 may be configured.
  • first and second heat exchange coil tubes 110 and 120 are arranged side by side and the third and fourth heat exchange coil tubes 130 and 140 are arranged side by side on top of the first and second heat exchange coil tubes 111 and 121, so that the third and fourth U-band parts ( 131 and 141) are arranged.
  • first heat exchange coil tube 110 is inserted into the central coil tube alignment groove 151-1, and six circumferential coil tube alignment grooves 151-2 are formed to form second to fourth heat exchange coils. It shows an example of inserting the supply part and the return part of each pipe (120,130,140), respectively.
  • the installation method of the vertical closed type underground heat exchanger device comprising 6 or more rows of heat exchange coil tubes according to the present invention is as follows.
  • the geothermal hole (1) is drilled by vertically excavating the ground using excavation equipment.
  • the diameter of the geothermal hole 1 is a diameter for maximizing heat exchange efficiency and installation of the 6-tube or 8-tube heat exchange unit 100 .
  • a circulation means 10, a heat pump 20, and a load-side heat exchanger 30 are installed on the ground around the geothermal hole 1, and they are connected to each other with pipes.
  • the supply unit 11-1 and the return unit 11-2 of the circulation means 10 are piped below the ground surface and over the ground.
  • the heat exchange unit 100 is assembled by fixing the first to third heat exchange coil tubes 110, 120, and 130 (or including the fourth heat exchange coil tube 140) with a load member 150 and connecting a load weight 160.
  • the heat exchange unit 100 is inserted into the geothermal hole 1, and the first to third heat exchange coil pipes 110, 120, 130 are connected to the supply part 11-1 and the return part 11-2 of the circulation means 10. .
  • a filler various compositions such as bean gravel and cement are available.

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Abstract

본 발명은 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법에 관한 것으로, 동일 직경의 지열공을 운용하여 굴착비 상승 요인을 없애면서 열교환코일관의 열교환 표면적을 증가시켜 지중열교환기의 용량을 향상하는 것을 목적으로 한다.

Description

6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법
본 발명은 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 직경의 지열공을 운용하면서 열교환코일관의 열교환 표면적을 증가시키는 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법에 관한 것이다.
이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.
지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것이다.
일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환 된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환 시스템을 이용하여 지열을 사용하고 있다.
지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 온도변화 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용 가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 열교환 장치이다.
지열교환관의 공급측과 환수측은 제조원가가 저렴한 고밀도 폴리에틸렌관(HDPE 관)이 주로 사용되고 있다. HDPE 관은 가격이 저렴한 이점은 있지만, 비중이 약 0.94~0.97로 물보다 작아 가벼워 물에 뜨는 부력이 존재하고 연성인 특성이 있기 때문에 지열공 깊이가 300~500m에 이르는 고심도의 경우 공급측과 환수측으로 구성된 지열교환관을 지열공에 삽입할 때 부력이 발생되어 삽입 자체가 불가능하거나 어려운 현상이 발생된다.
종래의 수직밀폐형 지중열교환기로서, 예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제10-0958360호의 "지열을 이용하는 지중열교환기"가 있다.
상기 특허문헌의 경우, 지열공 에 공급관과 환수관, 총 2개의 관만 삽입되어, 지열공 내부에 빈 공간이 넓게 형성되므로, 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있었으며, 이로 인해 스마트팜이나 일반건축물에 필요한 열용량을 충족시키기 위해서는 많은 지열공의 굴착이 요구되었고, 이에 따라 시설부지의 면적이 넓게 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 수직밀폐형에 있어 가장 시공기간이 길게 소요되고 비용이 많이 소요되는 공정이 열교환코일관을 삽입 설치하기 위해 지표면 아래로 굴착하는 지열공 천공 공정이라 할 수 있다.
따라서 가장 경제적인 수직밀폐형 시공이 이루어지려면 단위 냉난방 열부하 용량에 대해 지열공 굴착수량을 감소시키기 위한 기술개발이 필요한 상황이다.
연구개발과정에서 지열공 내 삽입되는 열교환코일관의 관경이 커져서 지열공벽 간 간극이 작아질수록 열저항 값은 작아지게 되어 열교환 용량은 커질 수 있으며 열교환코일관의 전열면적이 커질수록 또한 열교환 용량이 커지는 것으로 확인된 바 있다.
이는 같은 깊이의 2관식 열교환코일관을 설치하는 지중열교환기의 열용량보다 4관식으로 열교환코일관을 설치하는 지중열교환기의 열용량이 약 15%이상 열교환용량이 커지는 시험결과 값으로 확인된 바 있다.
이러한 결과는 열교환코일관의 직경이 커짐으로써 지열공벽과의 거리가 가까워지는 것도 이유일 수 있으나 2관식의 열교환코일관의 전열면적보다 4관식의 열교환코일관의 전열면적이 더 넓어지는 것으로 인한 것도 포함되어 있다고 할 것이다.
즉, 지열공 내 삽입 설치되는 열교환코일관 수량을 6관식으로 할 때 4관식과 동일한 직경인 40mm의 열교환코일관을 사용하게 될 경우 열전달 표면적의 증가는 약 50%가 증가되는 것으로 산출될 수 있지만, 지열공의 직경을 한 단계 높힌 165mm 이상으로 굴착해야 함으로써 지열공 굴착비 상승으로 이어져 경제성이 낮아질 우려가 있다.
즉, 지열공 굴착직경을 종래(150mm)대로 유지하면서 열교환코일관의 직경을 32mm로 한 단계 낮춰 6관식으로 할 경우 열교환표면적의 증가는 약 20%이상 증대되어지게 되어 경제성이 확보될 수 있는 여유가 있다.
[특허문헌]
(특허문헌 1) 등록특허 제10-0958360호
(특허문헌 2) 등록특허 제10-2197104호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동일 직경의 지열공을 운용하여 굴착비 상승 요인을 없애면서 열교환코일관의 열교환 표면적을 증가시켜 지중열교환기의 용량을 향상하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트는, 열매체가 순환하도록 연결되는 저부에서 서로 연결되는 관형의 공급부 및 환수부로 구성되어 상기 지열공 안에 삽입 설치되며 상기 열매체의 열을 열교환기에 전달하는 열교환코일관과; 상기 열교환코일관에 설치되는 하중부가재를 포함하며, 상기 열교환코일관은 3개 이상으로 공급부와 환수부의 합이 총 6개 이상으로 이루어지며, 3개 이상의 열교환코일관은 상기 공급부와 환수부를 연결하는 저부가 상하로 겹쳐지도록 배관되어 6개 이상의 공급부와 환수부가 원주방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트는, 열매체가 순환하도록 연결되는 저부에서 서로 연결되는 관형의 공급부 및 환수부로 구성되어 상기 지열공 안에 삽입 설치되며 상기 열매체의 열을 열교환기에 전달하는 열교환코일관과; 상기 열교환코일관에 설치되는 하중부가재를 포함하며, 상기 열교환코일관은 3개 이상으로 공급부와 환수부의 합이 총 6개 이상으로 이루어지되, 상기 공급부와 환수부 중에서 어느 하나를 중앙측 관으로 하여 중앙부에 배치하고 나머지 관들을 상기 중앙측 관의 둘레부에 원주방향을 따라 배열하며 둘레의 관 중에서 1개의 둘레측 관의 중심선과 상기 중앙측 관의 중심선이 동일선상에 배치되도록 하면서 상기 둘레측 관과 중앙측 관 사이에는 경계의 벽이 없도록 배관되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와 이를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기 장치 및 이의 설치 방법에 의하면, 열교환코일관의 열교환 표면적을 증가시켜 동일 직경의 지열공을 운용하면서도 지중열교환기의 용량을 향상함으로써 굴착비 상승 요인에 따른 비용 증가를 막을 수 있고 열교환용량의 증가에 따라 지열 공급 기술로서의 신뢰성을 향상하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 열교환코일관의 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 열교환 유니트의 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 열교환 유니트의 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 보호 케이싱을 보인 도면.
도 6은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 보호 케이싱의 다른 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 쿠션을 보인 도면.
도 8은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 열교환 유니트의 다른 배열을 보인 도면.
도 9와 도 10은 각각 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 하중부가재의 사시도와 평면도.
도 11과 도 12는 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 하중부가재의 다른 예시도.
도 13과 도 14는 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 8관식이 적용된 예를 보인 도면.
도 15 내지 도 16은 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치에 적용된 스페이서의 예시도.
[부호의 설명]
100: 형상 가변장치 110: 가변케이스
111: 제1 곡면 수용부 113: 제2 곡면 수용부
115: 힌지부 117: 힌지연결체
120: 백라이트유닛 130: 디스플레이패널
140: 구동유닛 150: 구동브래킷
151: 제1 지지부 151a,153a: 수평부
151b,153b: 수직부 153: 제2 지지부
155: 브래킷연결부 160: 가변구동기구
200: 곡면 디스플레이장치 210: 디스플레이본체
230: 패널위치변경기구
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치는, 지중에 천공 형성되는 지열공(1), 지열공(1) 안에 삽입 설치되며 열매체의 순환을 이용하여 지열을 회수한 후 공급하는 열교환 유니트(100), 열교환 유니트(100) 내부를 따라 열매체를 순환시키는 순환수단(10), 순환수단(10)을 통해 열교환 유니트(100)에서 공급되는 지열을 열원으로 하여 냉난방열을 생산하여 부하측 열교환기(30)에 공급하는 히트펌프(모든 열교환기를 총칭한다)(20) 및 지열공(1) 내부에 충진되는 충진재를 포함하며, 열교환 유니트(100)는 6관식 또는 8관식의 열교환코일관(110,120,130,140)을 기본 구성으로 하면서 열교환코일관(110,120,130,140)의 하중을 증가시키는 하중부가재(150)와 하중추(160)가 추가될 수 있다. 본 발명에서 설명한 열교환 유니트(100)는 전술한 다른 구성에 한정되지 않고 독립적인 사용이 가능하다.
본 발명에서 지열공(1)은 6관식 또는 8관식의 열교환코일관(110,120,130,140)을 사용하더라도 4관식의 열교환코일관을 사용하는 지열공과 동일한 직경이며, 열교환코일관(110,120,130,140)은 약 32mm의 직경(종래 4관식의 경우 40mm)인데 특징이 있다.
즉, 지열공(1)은 종래의 굴착장비를 통해 굴착 형성되지만 열교환코일관(110,120,130,140)과 유기적 결합관계를 맺고 있는 것으로 본 발명에 맞춰 굴착 형성되는 것이다.
순환수단(10)은 열교환코일관(110,120,130,140)과 히트펌프(20)를 연결하여 열매체가 열교환코일관(110,120,130,140)과 히트펌프(20)를 순환하도록 하는 연결관(11), 열매체를 강제로 순환시키는 순환펌프(12)를 포함한다.
연결관(11)은 열매체를 히트펌프(12)에 공급하는 공급부(11-1) 및 히트펌프(12)를 통과한 열매체를 열교환코일관(110,120,130,140)으로 복귀시키는 환수부(11-2)로 구분된다.
공급부(11-1)와 환수부(11-2)는 각각 열교환코일관(110,120,130,140)의 수량과 동일하여 1:1로 연결될 수 있고 또는 다수개의 열교환코일관(110,120,130,140)보다 더 적은 수량(예를 들어 1개)으로 형성되어 다수개의 열교환코일관(110,120,130,140)들이 하나로 모아져 연결되는 형태일 수도 있다.
열교환코일관(110,120,130,140)(이하 '제1 내지 제4열교환코일관'이라 칭함)은 동일한 구조로서 제1열교환코일관(110)을 예로 들어 그 구조를 설명한다.
도 2에서 보이는 것처럼, 제1열교환코일관(110)은 양쪽에 각각 개방부가 형성된 유밴드부(111), 유밴드부(111)의 개방부에 각각 연결되는 2개의 관으로서 공급부(112) 및 환수부(113)의 구조로 이루어지며 환수부(113) - 유밴드부(111) - 공급부(112)에 의한 열매체의 경로를 구비한다.
공급부(112)와 환수부(113)는 열매체가 공급부(112)와 환수부(113)를 따라 흐를 때 서로 열교환이 이루어지지 않도록 일정 거리를 두고 이격되며, 이 거리에 의한 공간은 열교환코일관의 배관을 위한 공간으로 사용된다.
제2 내지 제4열교환코일관(120,130,140)도 동일한 구조이며 동일한 방식으로 부호를 부여한다.
제1 내지 제4열교환코일관(110,120,130,140)은 구조뿐만 아니라 직경도 동일하고 전술한 크기이며, 전술한 직경의 지열공(1) 안에 삽입 설치되도록 다음과 배열된다.
도 3과 도 4는 6관식의 예를 보인 사시도와 평면이며, 제1,2열교환코일관(110,120)은 평행하게 배열되며 제3열교환코일관(130)은 제1,2열교환코일관(110,120)과 직교하는 방향으로 배열되면서 제3유밴드부(131)가 제1,2유밴드부(111,121)의 위쪽에 배치된다. 물론, 반대로 제3열교환코일관(130)의 제3유밴드부(131)가 제1,2유밴드부(111,121)의 아래쪽에 배치되는 것도 가능하다.
단, 전체 부피를 볼 때, 3개의 열교환코일관(110,120,130) 중에서 2개의 열교환코일관의 공급부와 환수부 사이의 공간에 1개의 열교환코일관이 삽입되는 것이 바람직하다. 반대의 경우 공급부와 환수부 사이의 거리를 넓게 확보하여야 하므로 지열공을 더 크게 하거나 열교환코일관의 직경을 더 작게 하여야 한다.
제1,2열교환코일관(110,120)은 공급부와 환수부 사이의 거리(a)는 제3열교환코일관(130)의 유밴드부(131)의 폭(b)보다 크게 형성된다.
이와 같이 제1,2열교환코일관(110,120)의 공급부부와 환수부 사이의 공간에 제3열교환코일관(130)이 삽입되어 제3유밴드부(131)가 제1,2유밴드부(111,121)의 상부에 배치됨으로써 지열공(1) 안에서 최적의 배열로 고효율을 확보할 수 있는 것이다.
이 때, 제1,2유밴드부(111,121)의 폭은 100~140mm 의 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
지열공(1)은 직경이 150mm~165mm 이며, 열교환코일관(110,120,130)들의 공급부와 환수부는 각각 외경이 32mm~40mm 두께가 4mm~5mm 이고, 유밴드부(111,121,131)의 폭은 100~140mm 이다.
제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)과 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)는 바람직하게 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 재질로 한다.
제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)를 하나로 모아 지열공(1)에 삽입이 용이하도록 함과 아울러 지열공(1)과의 마찰방지로 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)를 손상되지 않도록 보호하는 보호 케이싱(170)(도 5 참고)이 포함될 수 있다.
보호 케이싱(170)은 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131) 삽입되도록 상부가 개방되고 저부가 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)의 외형에 맞춰 반구 형상의 구조이며, 내부에 충진재가 충진되어 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)와 함께 고정된다.
도 5에서 보이는 것처럼, 하중추(16)를 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131) 중에서 어느 하나의 유밴드부에 연결할 수 있도록 보호 케이싱(170)은 저부가 개방되는 구조도 가능하다.
상기 충진재는 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)의 탈락을 방지하고 견고한 고정이 가능한 시멘트 등이 사용 가능하다. 이 때, 보호 케이싱(170)의 저면은 상기 충진재와 합성을 위하여 요철부가 구성될 수 있다.
한편, 보호 케이싱(170)은 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)이 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131)없이 직접 결합되어 열매체가 합쳐진 후 분배되는 구조도 가능하며, 도 6에서 보이는 것처럼, 보호 케이싱(170)은 내부에 빈 공간이 있는 통구조이면서 상부에 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)이 각각 연결되는 코일관 연결홀(171)이 포함된다.
이 때, 보호 케이싱(170)을 상부가 개방된 통구조로 하면서 코일관 연결홀(171)이 형성된 별도의 판재를 결합하는 구조가 가능하다.
여기서, 보호 케이싱(170)의 내부 공간은 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130) 중의 공급부와 환수부가 각각 격리되도록 격판이 구성될 수도 있다.
또한, 이와 같은 구조에서 제1,2열교환코일관(110,120)의 제1,2유밴드부(111,121)와 제3열교환코일관(130)의 제3유밴드부(131) 사이에서 이들(111,121,131)을 충돌로부터 보호하기 위한 쿠션(180)(도 7 참고)이 포함될 수 있다.
쿠션(180)은 블록 형태이며 저부에는 제1,2열교환코일관(110,120)의 제1,2유밴드부(111,121)의 상부를 덮는 제1,2홈(181,182)이 형성되고 상부에는 제3열교환코일관(130)의 제3유밴드부(131)의 저부를 받쳐 지지하는 제3홈(183)이 형성된다.
쿠션(180)은 제1,2유밴드부(111,121)와 제3유밴드부(131)의 높이차로 인하여 생기는 틈을 채우면서 제1,2,3유밴드부(111,121,131)를 지지하여 이들(111,121,131)의 떨림을 막아주고 또한 열매체의 열전달도 막아줄 수 있다.
지금까지 설명한 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 배열을 이용하면 지그재그 형태의 배열(이웃하는 관들이 원주방향을 따라 일정 각도만큼 이격되는 배열)도 가능하다.
도 8에서 보이는 것처럼, 제1유밴드부(111)의 상부에 제2유밴브부(121)가 삽입되고 제2유밴드부(121) 상부에 제3유밴드부(131)가 삽입되며, 이 때, 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 공급부(112,122,132)와 환수부(113,123,133) 총 6개의 관은 60도의 간격으로 배열된다.
도 9와 도 10에서 보이는 것처럼, 하중부가재(150)는 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 공급부(112,122,132)와 환수부(113,123,133)이 각각 삽입되는 코일관 정렬홈(151)이 포함된다.
하중부가재(150)는 6개의 날개(152)(열교환코일관의 수량에 따라 달라짐)가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 방사형으로 형성되는 구조이고, 이웃하는 날개(152)들 사이의 간격이 코일관 정렬홈(151)이 형성되는 것이며, 자중을 이용하여 열교환 유니트(100)의 하중을 더 무겁게 하면서도 날개(152)를 통해 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)이 서로 붙지 않고 간격을 유지하는 스페이서의 기능도 한다. 이 때, 스페이서의 기능은 날개(152)의 두께를 통해 이루어지는 것이므로 날개(152)는 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)들이 서로 붙지 않도록 하는 적정의 두께로 이루어진다.
하중부가재(150)는 6개의 날개(152)가 중앙의 몸체를 통해 서로 연결되는 구조이며, 바람직하게 하중을 갖는 주물품으로 이루어지되 외피면이 pvc 또는 pe 코팅되어 HDPE 재질인 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 표면이 손상되지 않도록 한다.
또한, 하중부가재(150)의 코일관 정렬홈(151)에 삽입된 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)은 고정밴드(154)를 통해 고정되며, 날개(152)에는 1단 이상으로 고정밴드(154)가 삽입되는 밴드홈(153)이 구성되는 것이 바람직하다.
하중부가재(150)는 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)들이 지열공(1)의 내벽면에 충돌하지 못하도록 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)보다 더 돌출(지열공(1)쪽을 향해 더 돌출)되는 길이이다.
또는, 날개(152)에 지열공(1)의 내벽면에 지지되어 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)과 지열공(1) 내벽면 간에 일정한 간격을 유지하는 스페이서(190)(도 1 참고)가 더 적용될 수 있다.
스페이서(190)는 하중부가재(150)와 동일한 평단면의 형태 즉, 도 15 내지 도 16에서 보이는 것처럼, 코일관 정렬홈(191)과 날개(192)를 갖는 구조이고, 하중부가재(15)에 비해 길이가 더 짧게 형성된다.
도 11a는 하중부가재(150)의 다른 형태 및 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)의 다른 배열을 보인 평면도이며, 제1열교환코일관(110)의 공급부(112)를 하중부가재(150)의 중앙에 배치하여 환수부(113)가 그 바깥쪽에 배열되도록 하고 제2,3열교환코일관(120,130)의 공급부(122,132)와 환수부(123,133)들이 공급부(122)의 둘레부에 환수부(113)와 함께 원주방향을 따라 배열되며 이 때 모든 관들이 같은 간격을 유지하고, 공급부(112)를 중심으로 하여 5개의 관들이 배열되는 형태이다.
이와 같은 배열을 요약하면, 하중부가재(150)의 중앙부에 하나의 관을 배치하고 나머지 관들을 상기 관의 주변에 배치하되, 둘레의 관 중에서 1개의 둘레측 관의 중심선과 중앙측 관의 중심선이 일치되도록 배치(동일선상으로 배치)되면서 2개의 관(둘레측 관과 중앙측 관) 사이에는 경계의 벽이 없도록 하여 중앙측 코일관의 삽입이 용이하도록 한 것이다.
이상의 배열을 위하여, 하중부가재(150)는 중앙에 제1열교환코일관(110)의 공급부(112)와 환수부(113)가 함께 삽입되는 하나의 중심측 코일관 정렬홈(151-1)이 형성되고 둘레부에 4개의 관이 삽입되는 4개의 둘레부측 코일관 정렬홈(151-2)이 형성된다.
하나의 중심측 코일관 정렬홈(151-1)이 2개의 관인 공급부(112)와 환수부(113)가 함께 삽입되고, 2개의 둘레부측 코일관 정렬홈(151-2)이 제2,3열교환코일관(120,130)의 공급부(122,132)와 환수부(123,133)를 각각 삽입할 수 있는 구조이기 때문에 모든 열교환코일관(110,120,130)의 조립이 매우 용이하다.
중심측 코일관 정렬홈(151-1)은 2개의 관인 공급부(112)와 환수부(113)가 삽입되는 구조이며, 이 때, 공급부(112)와 환수부(113)의 간격 유지를 위하여 마주하는 내벽면에는 각각 턱(151-3)이 형성될 수 있다. 턱(151-3)들 사이의 거리는 공급부(112)의 외경보다 작아 공급부(112)와 환수부(113)가 서로 붙지 않도록 하며, 턱(151-3)의 안쪽은 공급부(112)의 외경보다 큰 크기로 형성된다.
물론, 중심측 코일관 정렬홈(151-1)은 2개의 관이 서로 이격되도록 2개로 분할되는 것도 가능하다.
또한, 도 11b에서 보이는 것처럼, 중심측 코일관 정렬홈(151-1)은 턱(151-3)이 없는 직선형으로 형성되어 2개의 관이 일직선상으로 배치되도록 하는 것도 가능하다.
도 12는 전술한 배열의 변형예를 도시한 것이며, 제1열교환코일관(110)은 중심측 코일관 정렬홈(151-1) 안에 삽입되어 있고, 제2,3열교환코일관(120,130)은 서로 독립된 4곳의 둘레부측 코일관 정렬홈(151-2) 안에 각각 삽입되어 있다.
하중추(160)는 통상적으로 사용되는 중량물이며 제1 내지 제3유밴드부(111,121,131) 중 한 곳 이상에 매달려 설치된다.
지금까지는 6관식에 대해서만 설명하였으나, 본 발명은 8관식 즉 제1 내지 제4열교환코일관(110,120,130,140)의 구성도 가능하다.
도 13은 제1,2열교환코일관(110,120)이 나란히 배열되고 제1,2유밴드부(111,121)의 상부에 제3,4열교환코일관(130,140)이 나란히 배열됨으로써 제3,4유밴드부(131,141)가 배열되는 것을 도시한 것이다.
도 14는 중심측 코일관 정렬홈(151-1) 안에 제1열교환코일관(110)을 삽입하고, 6개의 둘레부측 코일관 정렬홈(151-2)을 형성하여 제2 내지 제4열교환코일관(120,130,140)의 공급부와 환수부를 각각 삽입하는 예를 도시한 것이다.
본 발명에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치의 설치 방법은 다음과 같다.
1. 지열공 천공.
굴착장비를 이용하여 지반을 수직으로 굴착하여 지열공(1)을 천공한다.
지열공(1)의 직경은 6관식 또는 8관식의 열교환 유니트(100)의 설치와 열교환효율을 극대화하기 위한 직경이다.
2. 지상 설비 설치.
지열공(1) 주변의 지상에 순환수단(10)과 히트펌프(20) 및 부하측 열교환기(30)를 설치하고 이들을 서로 배관으로 연결한다.
여기서, 순환수단(10)의 공급부(11-1)와 환수부(11-2)는 지표면 아래와 지상에 걸쳐 배관된다.
3. 열교환 유니트 조립 및 설치.
제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)(또는 제4열교환코일관(140) 포함)을 하중부가재(150)로 고정하고 하중추(160)를 연결하여 열교환 유니트(100)를 조립한다.
열교환 유니트(100)를 지열공(1) 안에 삽입하고, 제1 내지 제3열교환코일관(110,120,130)을 순환수단(10)의 공급부(11-1)와 환수부(11-2)에 연결한다.
4. 지열공 충진.
지열공(1) 내부에 충진재(콩자갈, 시멘트 등 다양한 조성물이 가능)를 충진한다.

Claims (9)

  1. 열매체가 순환하도록 연결되는 저부에서 서로 연결되는 관형의 공급부 및 환수부로 구성되어 상기 지열공 안에 삽입 설치되며 상기 열매체의 열을 열교환기에 전달하는 열교환코일관과;
    상기 열교환코일관에 설치되는 하중부가재를 포함하며,
    상기 열교환코일관은 3개 이상으로 공급부와 환수부의 합이 총 6개 이상으로 이루어지며, 3개 이상의 열교환코일관은 상기 공급부와 환수부를 연결하는 저부가 상하로 겹쳐지도록 배관되어 6개 이상의 공급부와 환수부가 원주방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  2. 열매체가 순환하도록 연결되는 저부에서 서로 연결되는 관형의 공급부 및 환수부로 구성되어 상기 지열공 안에 삽입 설치되며 상기 열매체의 열을 열교환기에 전달하는 열교환코일관과;
    상기 열교환코일관에 설치되는 하중부가재를 포함하며,
    상기 열교환코일관은 3개 이상으로 공급부와 환수부의 합이 총 6개 이상으로 이루어지되, 상기 공급부와 환수부 중에서 어느 하나를 중앙측 관으로 하여 중앙부에 배치하고 나머지 관들을 상기 중앙측 관의 둘레부에 원주방향을 따라 배열하며 둘레의 관 중에서 1개의 둘레측 관의 중심선과 상기 중앙측 관의 중심선이 동일선상에 배치되도록 하면서 상기 둘레측 관과 중앙측 관 사이에는 경계의 벽이 없도록 배관되는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환코일관은 1개씩의 공급부와 환수부가 유밴드부로 연결되거나 다수개의 공급부와 환수박 원통형의 보호 케이싱으로 연결되는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환코일관의 공급부와 환수부가 유밴드부로 연결되는 구간의 간격은 공급부와 환수부의 직경보다 더 큰 크기인 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 하중부가재는 이웃하는 날개를 통해 상기 열교환코일관의 공급부와 환수부가 삽입되는 코일관 정렬홈을 포함하고, 상기 날개는 상기 열교환코일관보다 더 돌출되어 상기 열교환코일관이 지열공의 내벽면에 충돌하지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 상하로 겹쳐지는 유밴드부의 사이에 개재되어 상부측의 유밴드부와 저부측의 유밴드부에 각각 지지되는 쿠션을 포함하는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 열교환코일관의 간격을 유지시키고 정렬하는 스페이서를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 하중부가재와 동일한 평단면이면서 길이가 짧은 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트.
  8. 지중에 천공으로 형성되는 지열공과;
    청구항 1 또는 청구항 2에 의한 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트와;
    상기 지열공과 인접한 지상에 설치되는 순환수단과 히트펌프 및 부하측 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치.
  9. 청구항 8에 의한 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치의 설치 방법으로서,
    지중에 지열공을 천공하는 제1단계와;
    상기 지열공과 인접한 지상에 순환수단과 히트펌프 및 부하측 열교환기를 설치하고 서로 배관으로 연결하는 제2단계와;
    상기 지열공 안에 6열 이상의 열교환 코일관으로 구성되는 열교환 유니트를 삽입 설치하고 상기 순환수단에 연결하는 제3단계와;
    상기 지열공 내부를 충진재로 충진하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 6열 이상의 열교환 코일관을 구성한 수직밀폐형 지중열교환기 장치의 설치 방법.
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