KR20040045780A - 지열교환기 설치방법 및 설치구조 - Google Patents

Abstract

시공부지 및 시공비를 최소화하면서 열효율을 극대화할 수 있는 지열교환기 설치방법을 제공하기 위하여, 시굴공을 뚫는 단계와, 상기 단계에서 뚫려진 시굴공으로 2개의 자유단을 갖는 코일형상으로 형성된 지열교환기를 설치하는 단계와, 상기 코일형상의 지열교환기가 삽입된 시굴공 하부에 흙채움을 하는 단계와, 상기 흙채움이 완료된 후 시굴공으로 유입되는 물의 유입을 막기 위해 행하는 그라우팅 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 하나를 히트펌프와 연결된 유입부재와 연결하는 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 다른 하나를 히트펌프와 연결된 유출부재와 연결하는 단계를 포함한다.

또한 지열교환기 설치구조는, 지중에 매설되어 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기와, 상기 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하며, 상기 지열교환기는 하나의 시굴공에 설치되고, 지열교환기 내부의 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있도록 코일형태로 설치된다.

Description

지열교환기 설치방법 및 설치구조{SETTING METHOD AND STRUCTURE FOR GEOTHERMAL EXCHANGER}

본 발명은 지열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시공부지 및 시공비를 최소화하면서 열효율을 극대화할 수 있는 지열교환기 설치방법 및 설치구조에 관한 것이다.

일반적으로 계절의 변화에 따라서 일반 가정 및 사무실에서는 실내온도를 조절하기 위하여 냉방이나 난방을 하고 있다.

이러한 냉난방을 위하여 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 직접 이용하거나 이들 화석 연료로 생산된 전력에너지를 많이 사용하고 있다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점이 있다.

특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 지표면에 장치를 설치하여야 하고, 이 장치들은 단위 장치 당 에너지 생산용량이 적으며, 장치의 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다.

따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 통상적인 지열냉난방장치는 도 3에 도시된 바와 같이 지열을 회수하기 위한 지열교환기(100)와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(200)로 구성된다.

상기 지열교환기(100)의 설치는 지하 45m-150m 정도 깊이의 시굴공(boreholes)을 소정의 간격으로 천공한 다음, 천공된 각각의 수직구에 "U"자형의 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)를 삽입하고, 인접된 파이프들을 직렬로 서로 연결한 후 이들 파이프의 양쪽 끝단부 파이프(102a)(102n)의 일측은 유입구(104)와 유출구(106)가 연결되고, 이들 유입구(104)와 유출구(106)는 히트펌프(200)와 연결하는 방법으로 설치한다.

그리고 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)가 설치된 각각의 시굴공은 흙으로 채운 후, 지표면으로부터 대략 6-10m 구간은 시굴공에 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 일반 채움재보다 낮은 열전달 특성을 갖는 재질로 그라우팅 작업을 실시한다.

이와 같이 설치된 지열냉난방장치의 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)에는 지온과 열교환 하기 위하여 열전달 유체가 주입되며, 이러한 지열냉난방장치는 지열을 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)를 통하여 그 내부에 담긴 유체가 빼앗아 히트펌프(200)의 작동에 의하여 필요한 장소로 강제 순환시키면서 냉방 또는 난방을 행하게 된다.

이러한 냉난방은 지열은 여름철의 대기온도보다는 낮고 겨울철의 대기온도 보다는 높은 온도를 갖고 있으므로 가능하게되는데, 냉방의 경우 지열이 실내의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열됨으로 난방을 할 수 있게된다.

이러한 냉난방은 히트펌프(200)에 설치된 스위치 조작을 통하여 열전달 유체의 흐름방향을 바꾸어 줌으로서 냉방과 난방모드를 간단하게 전환시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 지열냉난방장치를 구성하는 지열교환기(100)를 설치하려면, 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)가 각각 삽입될 수 있도록 다수의 수직구를 천공하고, 여기에 각각의 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)를 직렬로 연결하여 설치하는 구조이므로 넓은 시공부지가 필요하고, 수직구 천공에 많은 시간 및 비용이 소요되는 문제점이 있다.

그리고 냉난방의 효율을 높이기 위해서는 열교환파이프(102a)(102b)(102c)(102n)의 매설깊이가 깊어져야 하는데, 이러한 경우 수직구의 천공에 따른 비용이 기하급수적으로 증가하게되므로 대부분의 경우 수직구 길이가 한정되어 지열교환기의 효율을 향상시키는데 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열교환 파이프를 하나의 시굴공에 코일형태로 설치하여 시공부지 및 시공비를 최소화하면서 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있는 지열교환기 설치방법 및 설치구조를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지열교환기의 설치상태를 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명과 관련한 지열교환기의 주요부분 확대 단면도.

도 3은 종래 기술에 의한 지열교환기 설치구조를 나타내는 사시도.

본 발명이 제안하는 지열교환기 설치방법은, 시굴공을 뚫는 단계와, 상기 단계에서 뚫려진 시굴공으로 2개의 자유단을 갖는 코일형상으로 형성된 지열교환기를 설치하는 단계와, 상기 코일형상의 지열교환기가 삽입된 시굴공 하부에 흙채움을 하는 단계와, 상기 흙채움이 완료된 후 시굴공으로 유입되는 물의 유입을 막기 위해 행하는 그라우팅 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 하나를 히트펌프와 연결된 유입부재와 연결하는 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 다른 하나를 히트펌프와 연결된 유출부재와 연결하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명의 지열교환기 설치구조는, 지중에 매설되어 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기와, 상기 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하며,

상기 지열교환기는 하나의 시굴공에 설치된 것을 특징으로 하는 지열교환기설치구조를 제공한다.

상기 지열교환기는 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있도록 코일형태로 설치된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 지열교환기 설치방법 및 설치구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 지열교환기 설치방법 및 설치구조를 나타내는 확대 단면도로서, 본 발명에 의한 지열교환기는, 지중(2)에 매설되어 지열을 회수하기 위한 지열교환기(10)와, 회수한 지열을 건물과 같은 냉난방장소(20)로 장소로 강제 순환시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프(30)를 포함한다.

상기 지열교환기(10)는 폴리에틸렌 파이프 또는 열전도율이 높은 재질의 열교환파이프로 이루어지며, 그 내부에는 부동액이 포함된 열전달 유체가 충진되어 지열과 열교환이 이루어질 수 있도록 되어있다.

이러한 지열교환기(10)는 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있도록 하기 위한 방안으로 본 실시예에서는 코일형태로 제작되어 설치된다.

본 발명이 제안하는 코일 형상의 지열교환기(10)는 코일부의 직경이 대략 250mm~2000mm이고, 코일부의 길이는 대략 10m~30m이다.

상기 코일부의 시작단은 열전달 유체가 유입되는 유입부재(4)와 연결되고, 코일부의 끝단은 곡선형부재(12)와 연결되며, 이 곡선형부재(12)는 열전달 유체가열교환되는 코일부의 내부로 이어지는 직선부(14)와 연결된다.

이러한 지열교환기(10)의 양단부는 열전달 유체를 지중으로 안내하는 유입부재(4)와, 지중에서 지열과 열교환이 이루어진 유체를 사용처로 공급하는 유출부재(6)가 연결되며, 이들 유입부재(4)와 유출부재(6)는 히트펌프(30)와 연결된다.

상기 히트펌프(30)는 지열교환기(10)에 의해 지열과 열교환 이루어져 소정의 온도로 냉각 또는 가열된 유체를 냉난방장소(20)로 순환시키거나 순환된 유체를 지열교환기(10)로 다시 공급하도록 이루어진 것으로서, 여름에는 냉방사이클로 작동되고 겨울에는 난방사이클로 작동하도록 구성된다.

이러한 히트펌프(30)는 지열교환기에서 통상적으로 사용되는 것이 제공될 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

상기와 같은 지열교환기(10)의 설치는, 지중(2)에 소정의 직경으로 대략 45m-150m 정도 깊이의 시굴공(boreholes)(8)을 천공한 다음, 천공된 시굴공(8)에 2개의 자유단을 갖는 코일형상으로 이루어진 지열교환기(10)를 설치한다.

그리고 지열교환기(10)가 설치된 시굴공(8) 하부는 지표면으로부터 대략 6-10m 구간은 흙(16)으로 채운 후, 그 상부는 시굴공(8)에 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 일반 채움재보다 낮은 열전달 특성을 갖는 재질로 그라우팅(18) 작업을 실시한다.

그 다음 코일형상으로 이루어진 지열교환기(10)의 2개의 자유단 중의 하나를 히트펌프(30)와 연결된 유입부재(4)와 연결하고, 상기 지열교환기(10)의 자유단 중의 다른 하나를 히트펌프(30)와 연결된 유출부재(6)와 연결하면 지열교환기(10)의 설치가 완료된다.

이와 같이 지열교환기(10)를 하나의 시굴공(8)을 천공한 후 설치하게되면, 종래의 다수의 시굴공을 소정의 간격으로 천공하고, 천공된 각각의 수직구에 각각의 열교환 파이프를 삽입하는 구조에 비하여 시공부지 및 시공비를 최소화할 수 있게된다.

그리고 본 발명에 제공된 지열교환기(10)는 코일형태로 제작되어 지중(2)에 매설되므로, 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있게된다.

이와 같이 설치된 지열냉난방장치는, 지중(2)의 지열이 지열교환기(10)의 내부에 담긴 열전달 유체로 전달된 상태에서 히트펌프(30)의 작동으로 열전달 유체가 유출부재(6)를 통하여 냉난방장소(20)로 이동시켜 강제 순환되면서 냉방 또는 난방을 행한 후, 열교환된 유체는 유입부재(4)를 통하여 지열교환기(10)로 다시 투입되는 과정을 반복하여 냉난방을 행한다.

이러한 냉난방은 지열은 여름철의 대기온도보다는 낮고 겨울철의 대기온도 보다는 높은 온도를 갖고 있으므로 가능하게되는데, 냉방의 경우 지열이 냉난방장소(20)의 열을 추출하여 지중(2)으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열됨으로 난방을 할 수 있게된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 지열교환기 설치방법 및 설치구조는,지열교환기를 하나의 시굴공에 설치하게되므로 종래의 다수의 시굴공을 소정의 간격으로 천공하고, 천공된 각각의 수직구에 각각의 열교환 파이프를 삽입하는 구조에 비하여 시공부지 및 시공비를 최소화할 수 있다.

또한 지열교환기는 코일형태로 설치되므로 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있다.

Claims (3)

1. 시굴공을 뚫는 단계와, 상기 단계에서 뚫려진 시굴공으로 2개의 자유단을 갖는 코일형상으로 형성된 지열교환기를 설치하는 단계와, 상기 코일형상의 지열교환기가 삽입된 시굴공 하부에 흙채움을 하는 단계와, 상기 흙채움이 완료된 후 시굴공으로 유입되는 물의 유입을 막기 위해 행하는 그라우팅 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 하나를 히트펌프와 연결된 유입부재와 연결하는 단계와, 상기 2개의 자유단 중의 다른 하나를 히트펌프와 연결된 유출부재와 연결하는 단계를 포함하는 지열교환기 설치방법.
2. 지중에 매설되어 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기와, 상기 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열을 갖는 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하며,

   상기 지열교환기는 하나의 시굴공에 설치된 것을 특징으로 하는 지열교환기 설치구조.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 지열교환기는 지열교환기 내부의 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려 열효율을 극대화할 수 있도록, 코일형태로 설치된 것을 특징으로 하는 지열교환기 설치구조.