KR101746194B1 - 나선형 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

충분한 구조적 강성을 지녀 시공부지의 지중 환경 변화에도 상대적으로 변형이 덜하고 보다 향상된 열전달 성능을 지닌 나선형 지중 열교환기가 개시된다. 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기는, 지중에 매설되며 내부에 중공의 유로가 형성되어 상기 유로를 따라 유동하는 열매체가 지중의 열과 열교환 가능하도록 구성된 지열파이프의 내주면에 지열파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 리브를 형성한 것을 구성의 요지로 한다.

Description

나선형 지중 열교환기{Spiral type soil heat exchanger}

본 발명은 지중 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 지중의 열을 냉난방 에너지원으로 활용하기 위한 지열 시스템을 구성하며 내연에 나선형의 리브(rib)를 형성한 나선형 지중 열교환기에 관한 것이다.

지열은 지표면 하부의 지중에 분포된 열을 말하는 것으로, 대기의 온도가 큰 폭으로 변화하는데 반하여, 지표면으로부터의 깊이가 증가할수록 조금씩 증가하는 경향은 있으나 통상적으로 지중의 온도는 계절 변화에도 큰 변화 없이 10 ~ 20도 사이로 일정하게 유지된다.

따라서 여름철 상대적으로 저온인 지하의 열원을 냉방에너지원으로 이용하면 전력소모가 적은 효율적인 냉방이 가능하고, 겨울철 상대적으로 고온인 지하의 열원을 난방에너지원으로 이용하면 효율적인 난방을 도모할 수 있다. 이처럼 지중의 열원을 냉난방에너지원으로 활용하기 위한 요소 기술 중 하나가 지중 열교환 시스템이다.

지중 열교환 시스템은 계절 변화에 상관 없이 일정하게 유지되는 10 ~ 20도의 지열을 열원으로 이용하여 실내 냉난방을 구현하는 시스템으로서, 지하로부터 열을 회수하거나 배출하도록 지중의 열과 열교환을 위해 지중에 매설되는 중공의 지열파이프를 포함한다. 이때 지열파이프는 일반적으로 에너지 파일이라고도 한다.

지중 열교환 시스템에 적용되는 지열파이프로서 중공관 형태의 고강도 프리스트레스 파일(PHC파일)이나 강관파일 등이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 종래 단순 중공관 형태의 지열파이프는 배관 중앙을 기준으로 열이 일정하게 전달됨으로써 열교환 성능을 높이는 데에 한계가 있으며, 따라서 향상된 열교환 성능을 기대하기 어렵다.

더욱이, 지중 열교환 시스템을 구축함에 있어 종래에는 주로 지열파이프 등을 지중에 매설하는 기술에 연구가 집중되었으며, 이에 따라 지열파이프 자체의 열교환 성능을 증대시키려는 시도는 극히 제한적이었다. 따라서 보다 향상된 열교환 성능을 발휘할 수 있는 지열파이프의 개발이 필요한 실정이다.

한국특허공개 제2014-0088937호 (공개일 2014. 07. 14)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 파이프 내주면을 따라 나선형으로 리브를 형성하여, 보다 향상된 열교환 성능을 발휘할 수 있는 나선형 지중 열교환기를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 파이프 내부에 형성된 리브를 통한 구조적 강성의 보강으로 시공부지의 지중 환경 변화에도 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않는 나선형 지중 열교환기를 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, 지중에 매설되며 내부에 중공의 유로가 형성되어 상기 유로를 따라 유동하는 열매체가 지중의 열과 열교환이 가능하도록 구성된 지열파이프; 및 상기 지열파이프의 내주면에 지열파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 형성된 리브;를 포함하는 나선형 지중 열교환기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 리브가 상기 지열파이프의 길이 방향을 따라 연속(連續)된 나선형으로 구성될 수 있다.

이와는 다르게, 상기 리브가 싱기 지열파이프의 길이 방향을 따라 단속(斷續)적인 나선형으로 구성될 수도 있다.

이때, 상기 지열파이프 및 내부의 나선형 리브는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene)을 소재로 구성될 수 있다.

또한, 상기 리브는 단일나선(single spiral) 또는 이중 이상 다중나선(multi spiral)형으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 리브의 단면 크기는 지열파이프의 수력직경(D_h)을 지열파이프의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92 ~ 0.96 정도가 되도록 구성할 수 있다.

그리고 상기 리브의 피치(Pitch)는 상기 지열파이프 직경(D)의 10 ~ 18배에 달하는 길이로 형성함이 바람직하다.

본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기는, 지면에서부터 일정 깊이로 지중에 매설되어 상기 지열파이프 상부를 둘러싸 보호하는 케이싱과; 지열파이프 선단을 밀봉하는 밀봉부재;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 지열파이프 내부에 나선형으로 리브가 형성됨으로써, 종래의 단순 중공의 파이프 구조에 비해 열매체가 파이프와 접촉하는 면적과 체류시간이 증대될 뿐만 아니라, 난류의 발생으로 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변해 열전도율이 크게 향상되고, 이로 인해 열교환 효율이 증대되는 효과가 있다.

또한, 지열파이프 내부에 나선형 리브의 적용으로, 구조적으로는 지열파이프의 자체 강성 보강의 효과를 기대할 수 있어, 시공부지의 지중 환경 변화에도 종래 단순 중공의 파이프 구조에 비해 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않을 정도의 충분한 내구성을 갖춘 신뢰도 높은 지열파이프를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기를 길이 방향으로 절개 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 횡 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종방향(길이방향) 내부 개략 투시도.
도 6은 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기의 다른 실시 예를 나타낸 종방향 내부 개략 투시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 시공 상태도.
도 8은 종래 단순 중공관 형태(내부 평활형)의 지중 열교환기와 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 내부 열유동 상태를 비교 도시한 도면.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기를 길이 방향으로 절개 도시한 사시도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 지중 열교환기(1)는 직관형 파이프 구조의 지열파이프(10)를 구비한다. 지열파이프(10)는 시공 시 지중에 일정 깊이로 매설되며 내부에 중공의 유로(S)를 구비한다. 그리고 중공의 유로(S)를 구비한 상기 지열파이프(10)의 내주면에는 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 나선형으로 리브(12)가 형성된다.

지열파이프(10) 및 그 내부에 형성된 나선형 리브(12)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene) 재질로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질 또는 유리섬유강화플라스틱(GFRP)과 같이 내구성과 열전도성(Thermal Conductivity)이 높은 재질이면 특별한 제한은 없다.

지열파이프(10) 내부의 상기 유로(2)를 액상의 열매체 예컨대, 물, 부동액, 염수 등이 유동하면서 지중의 열과 열교환 작용을 하되, 내부에 형성된 상기 나선형 리브(12)에 의해 지열파이프(10)와 열매체 사이의 접촉하는 면적이 증대되고 난류가 발생하여 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변화함으로써 열전도율이 크게 향상될 수 있다.

리브(12)는 상기 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 연속(連續)된 나선형으로 구성됨이 바람직하다. 물론, 이외에도 지열파이프(10)의 길이 방향을 따라 그 내주면에 단속(斷續, 끊겼다 이어졌다 함)적인 나선형으로 구성될 수도 있으며, 단일나선(single spiral, 도 5 참조) 또는 이중이상 다중나선(multi spiral)형(도 6 참조)으로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 횡 단면도이며, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 종방향(길이방향) 내부 개략 투시도이다.

리브(12)의 단면 크기는 지열파이프(10)의 수력직경(D_h)을 지열파이프(10)의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92 ~ 0.96 정도가 되도록 구성함이 바람직하다. 이때 상기 수력직경(D_h)은 지열파이프(10)의 수력반경(R_h)에 대해 D_h=4R_h 값으로 정의되며, 여기서 수력반경을 나타내는 R_h는 접수면적(통수단면적)을 접수길이(윤변(潤邊)의 길이)로 나눈 값이다.

만약, 리브(12)의 단면 크기를 설정함에 있어 수력직경(D_h)을 지열파이프(10)의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)이 0.92보다 작게 구성된 경우에는 리브(12)의 크기가 상대적으로 너무 작아져 난류형태의 유동흐름을 발생시키기 어려워 열전도율 상승효과가 미미하며, 0.96보다 크면 리브(12)의 크기가 상대적으로 너무 커져 열매체 유동에 오히려 방해가 될 수 있다.

지열파이프(10) 내부의 열전도율은 또한 상기 나선형 리브(12)의 피치(Pitch)를 작게 할 수록 좋다. 그러나 피치가 너무 작으면 유량 대비 배관의 압력 강하가 크게 발생할 수 있으므로, 열매체의 원활한 유동성과 압력 강하로 인한 열손실 등을 고려했을 때 지열파이프(10) 직경(D)에 대해 상기 피치(Pitch)가 10 ~ 18배인 것이 바람직하다.

즉 리브(12)의 피치(Pitch)가 지열파이프(10) 직경(D)의 10배보다 작으면 발생 열매체의 접촉면적이 증대되어 열전도율 상승을 기대할 수 있으나 유량 대비 배관의 압력 강하가 커지는 문제가 있고, 18배보다 크면 열매체와 지열파이프(10)의 접촉면적이 일자형 단면을 갖는 종래의 파이프와 차이가 거의 없어 열교환 효율의 상승을 기대하기 어렵다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 시공 상태를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기(1)는 굴착장비를 통한 시공부지의 수착 굴착과 함께 지면으로부터 일정 깊이로 수직 매설될 수 있다. 이때 지면에서부터 일정 깊이의 지중에 케이싱(14)이 함께 매설되어 상기 지열파이프(10) 상부를 둘러싸 보호하며, 지열파이프(10) 선단에는 이를 밀봉하기 위하여 밀봉부재(16)가 설치된다.

밀봉부재(16)는 상기 지열 파이프 선단을 폐쇄하여 그 내부에 수용된 액상의 열매체(열교환 매체)의 외부 누설을 방지하는 동시에 열매체 수용을 위한 밀폐 공간을 형성시키는 역할을 하며, 상기 지열파이프(10) 선단의 입구와 출구에 각각 연통 가능하게 접속되어 열매체가 순환 유동될 수 있도록 독립된 열매체 유입관(160)과 열매체 유출관(160)을 구비한다.

본 발명에 따른 나선형 지중 열교환기를 지중에 일정 깊이로 매설한 후에는 토사나 별도의 분말형 보온 단열재와 같은 되메우기재를 사용하여 도 7과 같이 밀봉부재가 설치된 지중 열교환기의 상부가 완전히 매립되도록 되메우기를 실시한다. 즉 상기 되메우기재를 통해 보온 단열층(20)을 형성함으로써 입구 및 출구 측 열손실을 최소화한다.

도 8은 종래 단순 중공관 형태(내부 평활형)의 지중 열교환기와 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 내부 열유동 상태를 비교 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 종래의 내부 평활형 지중 열교환기는 도 8의 (a)와 같이 유량이 많지 않은 경우 층류식 열유동이 발생하여 열전달 효율이 떨어지는 데에 반해, 본 발명의 실시 예와 같이 나선형 구조로 형성한 경우에는 내부의 나선형 리브로 인해 적은 유량에도 도 8의 (b)와 같이 난류형 열유동이 발생하여 높은 열전달 효율을 기대할 수 있다.

이하 본 발명의 실시 예에 따른 나선형 지중 열교환기의 열교환 성능에 대해 종래 단순 중공관 형태(이하 설명 편의를 위해 '내부 평활형'이라 함)의 지중 열교환기와의 성능비교실험을 통해 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.

아래 [표 1]은 내부 평활형 대비 내부 나선형 지열 파이프의 피치 별 유량에 따른 압력 강하 성능실험 결과를 나타내고 있다.

위 [표 1]을 보면, 배관길이 60m를 기준으로 유량범위 40 ~ 50 LPM(Liter Per Minute)에서 내부 나선형 구조의 리브 피치(RIB PITCH)가 400mm인 경우를 제외한 나머지 내부 나선형 구조의 경우 내부 평활형과 비교해 압력 강하량이 0.1kg/cm² 이내로 압력 강하가 비교적 낮은 수준이거나 매우 미미한 수준임을 알 수 있다.

즉 유량범위 40 ~ 50 LPM 구간에서의 압력 강하량이 일부(리브 피치가 400mm인 것)를 제외한 나머지 내부 나선형 구조 모두에서 내부 평활형과 비교해 적정한 수준으로 유지된다는 점으로 미루어, 리브 피치를 너무 작게만 하지 않으면 압력 강하로 인한 열손실 등을 최소화하면서 목적하는 열교환 성능의 증대를 도모할 수 있다.

아래 [표 2]는 내부 평활형과 내부 나선형 지열 파이프의 열전도도 성능실험 결과를 나타내고 있다.

위 [표 2]를 통해 나타난 열전도도 성능실험 결과를 보면, 내부 나선형 리브를 형성한 지열파이프가 종래의 내부 평활형 파이프에 비해 월등히 우수한 열전달 성능을 보이는 것을 명확히 알 수 있으며, 이때 열전달 성능은 내부 리브 피치(Rib Pitch)가 작을수록 높아지는 것을 확인할 수 있다.

이상의 본 발명의 실시 예에 따르면, 지열파이프 내부에 나선형으로 리브가 형성됨으로써, 종래의 단순 중공의 파이프 구조에 비해 열매체가 파이프와 접촉하는 면적과 체류시간이 증대될 뿐만 아니라, 난류의 발생으로 파이프 내부에서의 열매체 온도가 불규칙하게 변해 열전도율이 크게 향상되고, 이로 인해 열교환 효율이 증대되는 효과가 있다.

또한, 지열파이프 내부에 나선형 리브의 적용으로, 구조적으로는 지열파이프의 자체 강성 보강의 효과를 기대할 수 있어, 시공부지의 지중 환경 변화에도 종래 단순 중공의 파이프 구조에 비해 상대적으로 변형이 쉽게 일어나지 않을 정도의 충분한 내구성을 갖춘 신뢰도 높은 지열파이프를 제공할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 지중 열교환기
10 : 지열파이프
12 : 리브
14 : 케이싱
16 : 밀봉부재

Claims (8)

1. 입구와 출구가 형성되고, 열매체가 유동되는 내부 유로가 형성된 지열파이프;
   상기 지열파이프의 내주면에 형성되며, 지열파이프의 길이 방향으로 연속(連續)되는 단일나선(single spiral) 또는 이중 이상 다중나선(multi spiral)모양의 나선형 리브;
   상기 지열파이프와 함께 지중에 매립되되, 지열파이프보다 짧은 길이로 형성되어 지열파이프의 상부 일부만 둘러싸는 형태로 지중에 매립되는 케이싱; 및
   상기 지열파이프와 케이싱의 선단을 동시에 밀봉하며, 지열파이프의 상기 입구와 출구에 각각 접속되는 열매체 유입관과 열매체 유출관을 구비한 밀봉부재;를 포함하며,
   상기 지열파이프와 나선형 리브는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, High Density Polyethylene)으로 구성되고,
   상기 나선형 리브의 단면 크기는 상기 지열파이프의 수력직경(D_h)을 지열파이프의 직경(D)으로 나눈 값(D_h /D)의 0.92 ~ 0.96이며, 피치(Pitch)는 지열파이프 직경(D)의 10D ~ 18D이고,
   상기 밀봉부재 및 열매체 유입관과 열매체 유출관이 되메우기재로 이루어진 보온 단열층에 매립되는 것을 특징으로 하는 나선형 지중 열교환기.
   
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