KR101092058B1 - 지중열교환기의 균등유량 제어방법 - Google Patents

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Abstract

지중열교환기의 균등유량 제어방법은 지중열교환기 파이프의 배관을 병렬식으로 배치하고, 압력계와 밸브가 설치된 중간 유량 분배용 헤더에 의해서 순환유체의 흐름의 저항을 균등하게 함으로써, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량을균등 분배하여 열전달을 효과적으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 지중열교환기의 균등유량 제어방법은, 지중열교환기 파이프가 분기 U파이프와 말단 U파이프와 맨홀로 이어지는 주 파이프로 이루어지도록 병렬방식으로 배치하며, 상기 분기 U파이프와 상기 말단 U파이프 사이의 거리가 일정하게 배관되는 것을 특징으로 한다.
불균형, 유량, 파이프, 지중열교환기, 밸브, 저항

Description

지중열교환기의 균등유량 제어방법{A method for controlling uniform flow amounts of Geothermal heat exchanger}
본 발명은 지중열교환기에서 순환하는 순환유체의 지열 트렌치 파이프의 균등유량 제어방법, 특히 트렌치 파이프의 형상과 맨홀내의 중간 유량 분배용 헤더에서의 균등유량 제어방법에 관한 것이다.
지열 에너지를 이용하여 냉난방하는 기술은 1950년대 최초개발되어 미국, 유럽, 아시아 등 각국가에서 널리 사용되는 기술이다. 지열 에너지를 이용하기 위해서는 지중 열교환기를 지하에 설치해야 한다. 지중 열교환기는 파이프의 매설방법에 따라서, 약 지하 100 내지 200 m 수직으로 파이프, 예를 들어서, 폴리에틸렌 파이프(polyethylene pipes)를 매설하는 수직형과 지하1.25m ∼1.5m 수평으로 매설하는 수평형이 있다. 그리고 지하수에 직접 파이프를 연결하는 지하수형이 있다.
수직형 지중열교환기는 가장 일반적인 형태로 높은 신뢰성을 가지며 시공 부지가 협소한 경우에 적합하고 열 성능이 우수하다는 장점이 있으니, 높은 시공비가 드는 단점이 있다.
수평형 지중열교환기는 시공비가 저렴하고 시공이 용이하고 유지보수가 간단하지만, 넓은 설치 부지가 필요하고, 수직형에 비해서 열 성능이 미흡하고, 도심지에 설치 불가능하여, 국내에서는 시공사례가 거의 없다.
지하수형 지중열교환기는 지하수에 직접 파이프를 연결하기 때문에, 시공비가 저렴하고, 열 성능이 우수하고 설치 부지가 협소하지만, 지속적인 지하수량이 필요하고 지하수위 저하 우려가 있고 일부 지역에서만 적용가능하고 지하수 함유물에 의해 장비가 고장날 우려가 있다. 이러한 지하수 지중열교환기는 최근에 국내 시공사례가 일부 있다.
열교환기의 파이프 선택은 수명, 유지비용, 펌프의 소요에너지와 지역적인 현장조건등을 고려하여 열융착으로 연결 가능한 폴리에틸렌 혹은 폴리 부틸렌을 사용하고 파이프 직경은 소비 동력과 열전달을 동시에 고려하여야 한다. 즉 파이프 직경을 크게 하면 소비전력을 감소하나 열전달이 감소하고 직경을 적게 하면 열 전달이 원할하나 소비전력이 증가한다.
지중열교환기의 파이프의 시공은 본출원인에 의해 특허허여된 한국특허번호10-0654152호를 참조로 다음과 같은 순서에 의해서 통상적으로 이루어진다.
지중열교환기의 설치는 지하 50m~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 한두 번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.그리고 파이프 설치 후 각 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅 한다. 그라우팅 과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인 한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채우게 된다. 일반적으로 그라우팅 재료는 일반 뒷채움재보다 낮은 열전달 특성을 가지며, 비용도 비싸다. 지역적 규제가 허용된다면, 보어홀의 상부 6m~10m의 그라우팅으로 지표수 침투를 막는데 충분하며, 높은 지중열교환기 효율과 낮은 단가 실현이 가능하다. 채움과 그라우팅 후 수직 파이프는 헤더 파이프(Header Pipes)와 연결한다. 헤더 파이프는 지중열교환기 열전달 유체를 열펌프로 주고받는 역할을 한다. 수직 순환계는 일반적으로 수평형보다 비싼 편이지만, 깊을수록 더 효율이 높기 때문에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.
통상적인 수평형 지열교환시스템에서, 지중에 소정의 깊이로 매설되어 지열을 회수하기 위한 지중열교환기는 폴리에틸렌 파이프 또는 동(銅)파이프와 같이 열전도율이 높은 열교환 파이프로 이루어지며, 그 내부에는 지열에너지와 열교환을 하기 위하여 순환유체(냉매)가 충진된 구조를 갖는다.
이러한 수평형 지중열교환기는 지중에 대략적인 수평방향으로 설치되어 폐회로를 이루면서, 그 양단부인 입구측과 출구측은 히트펌프로 연결된다.
이와 같은 수평형 지중열교환기의 설치는 지중열교환기를 설치할 부지를 소정의 깊이로 굴착하고 설치하게 되는데, 통상적으로는 지표면으로부터 2m 정도를 굴착하고 설치하게 된다.
수평형 지중열교환기 파이프들은 또한 지하 기초 슬래브에 매설된다.
아파트와 같은 공동세대에 지열을 공급하기 위해서는 다수의 적정수의 파이프, 예를 들어 20개를 지중에 설치하고 이들의 입구측과 출구측을 맨홀내에 설치된 헤더 파이프에 연결하여 히트펌프로 연결되어진다.
지중열교환기 파이프들은 지중, 기초슬래브, 지하연속벽 등에 설치되는데, 그들의 직경은 일정하게 할 수 있으나, 길이나 높이는 일정하게 할 수 없다. 따라서 지중열교환기 파이프들의 길이와 높이는 제각기 다르다.
지중열교환기 파이프들은 길이나 굵기, 높이 등에 의해 순환유체의 흐름의 저항이 일정하지 못하여, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량이 불균등 분배되어 열전달을 효과적으로 할 수 없다.
본 발명의 목적은 지중열교환기 파이프의 배관을 병렬식으로 배치하고, 히트펌프와 지중열교환기 파이프 사이에 헤더 파이프를 설치해서 순환유체의 불균형 분배를 해소하여 지열열교환기의 열효율을 상승하는 지중열교환기의 균등유량 제어방법을 제공하는 것이다.
지중열교환기의 균등유량 제어 방법으로서, 제 1실시예에서는 지중열교환기 파이프가 분기 U파이프와 말단 U파이프와 맨홀로 이어지는 주 파이프로 이루어지도록 병렬방식으로 배치하며, 상기 분기 U파이프와 상기 말단 U파이프 사이의 거리가 일정하게 배관되고, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루게 연결된다.
제 2실시예에서는 지중열교환기 파이프의 맨홀로 인입되는 파이프의 길이가 일정하도록 맨홀로부터 가장 가까운 분기 U파이프와 가장 먼쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하고, 맨홀로부터 두 번째 가까운 분기 U파이프와 두 번째 먼 쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하고, 맨홀로부터 세 번째 가까운 분기 U파이프와 세 번째 먼 쪽 말단 U파이프를 하나의 주 파이프로 연결하여 파이프들의 길이를 일정하게 유지하며, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루게 연결된다.
제 3실시예에서는, 지중열교환기 파이프 각각은 맨홀 내의 중간 유량 분배용 헤더와 연결되고, 상기 중간 유량 분배용 헤더에 각 지중열교환기 파이프의 압력을 체크하기 위한 압력계와 순환유체의 유량을 제어하는 밸브를 설치하며, 상기 중간 유량 분배용 헤더에 설치된 압력계를 보고 밸브를 조절하여 각 지중열교환기 파이프에 따른 저항차이에 무관하게 순환유체의 균등유량을 조절하며, 상기 밸브는 수동으로 제어하는 볼 밸브이거나, 자동으로 제어하는 EPS 밸브이다.
지열열교환기 파이프의 배관방식과 압력계와 밸브가 설치된 중간 유량 분배용 헤더에 의해서 순환유체의 흐름의 저항을 균등하게 함으로써, 지중열교환기 위치별로 순환유체의 유량을 균등 분배하여 열전달 효율을 높일 수 있다.
이하에 본원 발명의 실시예를 첨부의 도면을 참고로 아래에 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예의 지중열교환기 파이프의 배관(트렌치)을 도시한 것이다.
도 1에는 지중열교환기 파이프(60)가 맨홀(50)에 모여지며, 각 지중열교환기 파이프(60)는 분기 U파이프(61)와 말단 U파이프(62)와 맨홀(50)로 이어지는 주 파이프(63)로 이루어져 있다. 주 파이프(63)와 분기 U파이프(61)는 T자 형상을 이루고 있다. 지중열교환기 파이프(60)를 병렬방식으로 배치한 것이다. 이는 도 1a에 도시되어 있다. 이러한 병렬방식은 도 1b에 도시한 직렬방식에 비해서 균등한 유체를 분배할 수 있다. 또한, 열효율과 파이프의 저항을 고려하여, 각 분기 U파이프(61)와 각 말단 파이프(62)의 이격 거리가 거의 일정하도록 배관한다. 즉 제 1지중열교환기 파이프(6O')의 말단 파이프(62')와 분기 파이프(61')의 거리와 제 1지중열교환기 파이프(60')의 분기 파이프(61')와 제 2지중열교환기 파이프(60")의 말단 파이프(62")의 거리는 일정하다.
도 2는 또 다른 양호한 실시예를 도시한 것으로, 각 지중열교환기 파이프(60)의 맨홀로 인입되는 파이프의 길이가 일정하도록 맨홀로부터 가장 가까운 분기 U파이프(61)와 가장 먼 쪽 말단 U파이프(62)와 하나의 주 파이프(63)로 연결하고, 맨홀로부터 두 번째 가까운 분기 U파이프(61')와 두 번째 먼 쪽 말단 U파이프(62')를 하나의 주 파이프(63')로 연결하고, 맨홀로부터 세 번째 가까운 분기 U파이프(61")과 세 번째 먼 쪽 말단 U파이프(62")를 하나의 주 파이프(63")로 연결한다. 이렇게 하면 파이프들(60, 60', 60")의 전체길이가 거의 일정하게 되어 파이프의 저항이 거의 같아서 열전달효율을 높일 수 있다.
상술한 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 지중열교환기 파이프의 배관방식에 따라서 1차로 순환유체를 균등분배하게 되지만 이것으로 불충분한 경우에 2차로 순환유체를 균등분배하기 위해서 중간 유량 분배용 헤더(70)에 압력계(71)와 밸브(72)를 설치하고 있다. 도 3를 참고로 상세하세 설명하면, 지중열교환기 파이프(60) 각각은 맨홀(50)내의 중간 유량 분배용 헤더(70)와 연결되며, 중간 유량 분배용 헤더(70)에는 각 지중열교환기 파이프(60)의 압력을 체크하기 위한 압력계(71)와 순환유체의 유량을 제어하는 밸브(72)가 설치되어 있다. 각 지중열교환기 파이프(60)의 길이와 높이가 다르기 때문에, 각 지중열교환기 파이프(60)의 저항 및 압력은 서로 다르다. 중간 유량 분배용 헤더(70)에 설치된 압력계(71)를 보고 밸브(72)를 조절하여 각 지중열교환기 파이프(60)에 따른 저항차이에 무관하게 순환유체의 균등유량을 중간 유량 분배용 헤더(70)를 통해서 히트펌프로 보낼 수 있다.
밸브(72)는 수동으로 제어할 수 있는 볼 밸브일 수 있으며, 또한, 자동으로 제어할 수 있는 EPS 밸브(Electronic Power Steering Valves)일 수 있다.
본 발명의 다양한 특징과 장점이 상술한 설명에서 본 발명의 상세한 구성과 기능과 함께 설명되어 있을지라도, 이들은 단지 설명을 위한 것이다. 변경, 특히 형상, 크기 및 부품의 배치등은 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 일어날 수 있으며, 첨부의 청구범위에 의해서 보다 넓은 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 양호한 제 1실시예의 사시도.
도 1a는 지중열교환기 파이프의 병렬배치도.
도 1b는 지중열교환기 파이프의 직렬배치도.
도 2는 본 발명의 양호한 제 2실시예의 사시도.
도 3은 본 발명의 양호한 제 3실시예로 중간 유량 분배용 헤더의 상세도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 지중열교환기
20 : 히트펌프
60 : 파이프
70 : 중간 유량 분배용 헤더
71 : 압력계
72 : 밸브

Claims (6)

  1. 지중열교환기의 균등유량 제어 방법으로서,
    지중열교환기 파이프(60)가 분기 U파이프(61)와 말단 U파이프(62)와 맨홀(50)로 이어지는 주 파이프(63)로 이루어지도록 병렬방식으로 배치하며, 상기 분기 U파이프(61)와 상기 말단 U파이프(62) 사이의 거리가 일정하게 배관되고, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루는 것을 특징으로 하는 지중열교환기의 균등유량 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 지중열교환기의 균등유량 제어 방법으로서,
    지중열교환기 파이프(60)의 맨홀로 인입되는 파이프의 길이가 일정하도록 맨홀로부터 가장 가까운 분기 U파이프(61)와 가장 먼 쪽 말단 U파이프(62)를 하나의 주 파이프(63)로 연결하고, 맨홀로부터 두 번째 가까운 분기 U파이프(61')와 두 번째 먼쪽 말단 U파이프(62')를 하나의 주 파이프(63')로 연결하고, 맨홀로부터 세 번째 가까운 분기 U파이프(61")와 세 번째 먼쪽 말단 U파이프(62")를 하나의 주 파이프(63")로 연결하여 파이프들의 길이를 일정하게 유지하며, 주 파이프와 분기 U파이프는 T형상을 이루는 것을 특징으로 하는 지중열교환기의 균등유량 제어 방법.
  4. 지중열교환기의 균등유량 제어 방법으로서,
    지중열교환기 파이프 각각은 맨홀 내의 중간 유량 분배용 헤더와 연결되고,상기 중간 유량 분배용 헤더(70)에 각 지중열교환기 파이프(60)의 압력을 체크하기 위한 압력계(71)와 순환유체의 유량을 제어하는 밸브(72)를 설치하며,
    상기 중간 유량 분배용 헤더(70)에 설치된 압력계(71)를 보고 밸브(72)를 조절하여 각 지중열교환기 파이프(60)에 따른 저항차이에 무관하게 순환유체의 균등유량을 조절하며, 상기 밸브는 수동으로 제어하는 볼 밸브이거나, 자동으로 제어하는 EPS 밸브인 것을 특징으로 하는 지중열교환기의 균등유량 제어 방법.
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