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KR20190059644A - 지중 열교환기 - Google Patents

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KR20190059644A
KR20190059644A KR1020170157456A KR20170157456A KR20190059644A KR 20190059644 A KR20190059644 A KR 20190059644A KR 1020170157456 A KR1020170157456 A KR 1020170157456A KR 20170157456 A KR20170157456 A KR 20170157456A KR 20190059644 A KR20190059644 A KR 20190059644A
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KR1020170157456A
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Inventor
강상우
박진수
이승주
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 지중 열교환기에 관한 것으로서, 제1관 및 제2관이 U자형을 이루는 열공급 배관이 보어홀의 수직방향으로 병설된 구조를 가지는 지중 열교환기에 있어서, 상기 열공급 배관의 외측면에 결합되어 상기 제1관 및 상기 제2관의 간격을 유지하는 고정 스페이서; 및, 상기 고정 스페이서의 외측에 결합되며 고정 스페이서와 보어홀의 내벽 사이의 공극에 수용되는 방열핀부를 포함하는 지중 열교환기를 제공한다.

Description

지중 열교환기{BOREHOLE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 지중 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보어홀에 각각 수직으로 삽입된 U자형 열공급 배관을 포함하며, 서로 이격 배치되는 상기 열공급 배관 내에 지속적이면서 안정적으로 열에너지를 공급할 수 있는 지중 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 역사적으로 경제가 발전하게 되면서 에너지 사용이 늘고 온실가스 배출이 증가하게 되는데 석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석에너지 가격의 높은 변동성으로부터 회피하기 위해서라도 화석에너지의 의존도를 줄여야 하는 상황으로, 온실가스 배출 증가에 따른 기후변화가 전 지구적인 문제로 떠오르면서 신재생에너지의 사용이 불가피한 현실이다.
특히 1970년대 제 1차, 제 2차 석유파동과 지구온난화, 오존층 파괴 등 환경오염으로 인하여 전 세계적으로 화석연료의 사용 제약과 신재생에너지 사용 활성화를 적극 추진하여 각국에서는 2025~2030년까지 온실가스 감축 목표를 설정하고 있으며, 여러 공약을 세우고 이를 시행하고자 노력하고 있다.
지난 40여 년간 OECD 국가의 신재생에너지(지열, 태양광, 풍력, 조력, 파력, 바이오디젤, 바이오연료, 바이오가스, 폐기물 등이 포함)는 연평균 2.5%로 성장이 크게 증가하고 있고, 특히 OECD 국가의 신재생에너지는 '71년 1.6억 TOE에서 '12년 4.4억 TOE로 증가하여 이 기간 동안 연평균 2.8%씩 성장(태양광, 풍력의 경우 다른 에너지원에 비해 동일기간 연평균 18.8% 증가)이 높은데 이는 해당국가의 태양광, 풍력 관련 에너지 확장 정책의 추진에 기인하며, 전 세계적인 화석연료 사용 저감을 위하여 국제간의 협력체계를 구축하고 국제에너지협회(IEA) 사업으로 기술향상을 위한 연구를 활발히 추진하고 있다.
국내의 신재생에너지 시설은 기존 에너지시설 대비 규모가 작으며 자본 비용도 낮고 기술 집약적인 특징이 있어 성능이 우월하고 가격 경쟁력이 있는 기술이 시장을 장악하고 있으며, 안정성 높은 신재생에너지 기술, 신재생에너지+에너지저장기술(축열장치), 신재생에너지+스마트그리드에 대한 수요가 존재한다.
풍력, 조력 등 일부 신재생에너지를 제외하고 환경 규제에 대한 영향은 미미하며, 원자력화력은 주변 환경에 영향을 미치지만, 태양열, 태양광, 연료전지 등은 건물에 설치하기가 용이하고 환경 규제에 대한 영향이 상대적으로 적다.
국내 신재생에너지 산업은 초기에 기술개발 중심으로 상용화 측면을 고려할 여지가 없었지만, 보급촉진을 위한 다양한 제도가 만들어지고 본격 적용되면서 국내외 시장에서 확대되고 있는 추세에 있으며, 신재생에너지 보급사업 중 주택지원사업의 경우 보급목표는 2020년까지 단계적으로 주택의 약 10%까지 신재생에너지 보급확대를 목표로 약 1,250만 가구 중 100만 가구에 태양광, 태양열, 연료전지, 지열 등을 보급하고 있다.
한편, 신재생 에너지를 이용한 지역 난방은 일정 규모 이상의 단지에 분산 또는 집중 설치된 집열기를 하나의 시스템으로 묶어서 지중 계간 축열조라는 대용량의 장기 축열시스템과 연계시켜 집열된 신재생 에너지 열을 축열 및 공급하는 일련의 중앙 열공급 방식의 시스템이다.
적게는 소규모 단지에서부터 크게는 지역난방에 이르기까지 그 규모도 다양하게 적용할 수 있으며 이러한 지중 계간 축열조는 일반적으로 열부하가 적은 봄부터 가을에 이르기까지 남는 태양열을 저장하였다가 부족할 때 사용하는 대규모 용량의 중장기 축열체인 계간 축열(Seasonal Heat Storage) 시스템을 필요로 한다.
이러한 신재생 에너지 관련 기술 개발이 주목받으면서 신재생 에너지를 이용한 열저장 시스템인 보어홀 방식의 지중 열교환기의 설치가 확대되고 있다.
그런데, 종래의 보어홀 방식의 지중 열교환기는 보어홀의 내벽과 열공급 배관의 외벽 사이에 열전달매체인 그라우팅 충전재만이 존재하여 보어홀이 형성된 토양과 열 공급 배관의 매질 간의 열전도율을 향상시키는데 한계가 있어 축열 효율이 낮은 문제점이 있었다.
또한, 보어홀 내에 일정한 간격 유지를 위해 스페이서 등을 부착하지만 열전달 향상률은 매우 미비한 문제점이 있었다.
등록특허공보 제1670007호(2016.10.21)
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 보어홀의 내벽과 U자형 열공급 배관의 외벽 사이에 열전달 성능을 향상시키기 위한 고정 스페이서와 방열핀부의 결합체를 설치하여, 열공급 배관 외벽으로부터 보어홀 내벽까지 전도되는 열전도율을 높이며, 토양에 축열되는 효율을 향상시킬 수 있는 지중 열교환기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1관 및 제2관이 U자형을 이루는 열공급 배관이 보어홀의 수직방향으로 병설된 구조를 가지는 지중 열교환기에 있어서, 상기 열공급 배관의 외측면에 결합되어 상기 제1관 및 상기 제2관의 간격을 유지하는 고정 스페이서; 및, 상기 고정 스페이서의 외측에 결합되며 고정 스페이서와 보어홀의 내벽 사이의 공극에 수용되는 방열핀부를 포함하는 지중 열교환기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 고정 스페이서는, 상기 제1관 및 상기 제2관의 둘레를 감싸는 2개의 결합부; 및, 상기 2개의 결합부 사이를 연결하는 연결부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 결합부는 상기 제1관 및 상기 제2관의 외경에 대응하는 내경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 방열핀부는, 상기 고정 스페이서의 결합부의 외측면으로부터 서로 간격을 두고 외측으로 돌출 형성되어 보어홀의 내벽과 접하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 방열핀부는 상기 고정 스페이서의 결합부로부터 보어홀의 내벽을 향해 일직선으로 설치된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 고정 스페이서와 방열핀부는 알루미늄 금속재로 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 지중 열교환기 의하면, 보어홀 내벽과 U자형 열공급 배관 사이에, 열전달 성능을 향상시키기 위한 고정 스페이서와, 방열핀부의 결합체를 설치하여 열공급 배관의 전열 면적을 증가시킴으로써, 보어홀 내벽을 통하여 전도되는 지열의 열전도율을 높이며, 축열 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고정 스페이서를 포함한 지중 열교환기의 설치 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고정 스페이서를 포함한 지중 열교환기의 설치 상태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 고정 스페이서와 방열핀을 나타내는 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 공동주택단지, 공공건물 단지, 학교 단지, 대형 병원 등의 대상지 건물군에 연중 안정적으로 열에너지를 공급할 수 있는 계간 축열 시스템의 지중 열교환기에 관한 것이다.
첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 열교환기는, 열전달매체를 통해 지표면에 저장된 지열과 열교환하기 위하여 토양에 시추 가능한 보어홀(h)에 U자형 열공급 배관(100)이 삽입된다.
상기 열공급 배관(100)은 설정된 간격으로 서로 평행하게 연장되는 제1관(110) 및 제2관(120)을 포함한다. 상기 제1관(110) 및 상기 제2관(120)은 상기 보어홀(h)에 수직으로 연장되어 삽입된 상태로 서로 이격 배치되어 지상에서 발생된 잉여열을 지하로 전달하는 경로를 형성하는 잉여열 공급관일 수 있고, 상기 잉여열 공급관을 따라 유입된 잉여열이 지하에서 열교환 후 지상으로 전달되는 경로를 형성하는 지열 회수관일 수 있다.
상기 보어홀(h)에는 보어홀(h)의 바닥으로부터 터파기 심도까지 그라우팅재를 투입하는데, 상기 그라우팅재는 소일 시멘트, 방수 기능을 가진 벤토나이트 등으로 충전하여 지하수가 보어홀(h)로 유입되는 것을 방지하는 그라우팅 작업이 가능하다.
상기 제1관(110) 및 상기 제2관(120)을 포함하는 열공급 배관(100)은 일정 간격을 두고 보어홀(h)을 따라 수직으로 연장 형성되어 있는데, 서로 간격을 두고 이격 배치되며 서로 마주보게 형성된다.
본 발명은 상기 제1관(110) 및 상기 제2관(120)의 둘레를 감싸는 2개의 결합부(11,12)와, 상기 2개의 결합부(11,12) 사이를 연결하는 연결부(13)로 이루어진 고정 스페이서(spacer, 10)가 구비된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 고정 스페이서(10)는 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 길이방향을 따라 길게 형성된다.
상기 고정 스페이서(10)는 상기 제1관(110) 및 제2관(120)에 결합되어 제1관(110) 및 제2관(120) 사이의 간격을 유지한다. 이를 통해 상기 제1관(110) 및 제2관(120) 간의 열 손실을 저감시키고 열저항을 줄인다.
상기 고정 스페이서(10)는 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 접선 방향으로 투입되어 제1관(110) 및 제2관(120)에 결합되어 고정된다.
상기 고정 스페이서(10)의 결합부(11,12)는 제1관(110) 및 제2관(120)의 외측 둘레면을 각각 감싸도록 형성되어 있으며, 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 외경에 대응하는 내경을 구비하게 된다. 즉, 상기 제1관(110) 및 제2관(120)이 원통 형상으로 형성되어 있으므로 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 형상에 대응하는 환형으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 외측면과 대응하는 상기 고정 스페이서(10)의 내측면은 서로 긴밀하게 맞닿아 양호한 접촉을 통해 안정적으로 결합된다.
상기 결합부(11,12)가 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 일부만을 감싸도록 형성될 수 있으나, 이러한 경우에는 결합부(11,12)가 제1관(110) 및 제2관(120)에 안정적으로 결합되지 않고, 상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 결합 면에서 이탈될 우려가 있으므로 제1관(110) 및 제2관(120) 전체를 감쌀 수 있는 충분한 결합 면적을 확보한 상태로 제1관(110) 및 제2관(120)에 안정적으로 결합되는 것이 중요하다.
상기 연결부(13)는 각각의 결합부(11,12)를 연결하는 구성으로, 제1관(110) 및 제2관(120)을 간격을 두고 유지할 수 있도록 하는 물리적 구조를 제공하게 된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 연결부(13)가 결합부(11,12)의 대략적인 중앙 부위, 즉 결합부(11,12)의 서로 대향하는 대향부의 일측에서 직선 형태로 연장되어 있는 것을 도시하고 있는바, 이러한 연결부(13)는 각각의 결합부(11,12)가 그 사이 간격 만큼 이격되도록 각각의 결합부(11,12)에 연결된다.
더불어, 상기 결합부(11,12)의 둘레에는 복수의 방열핀부(20)가 부착될 수 있다.
상기 방열핀부(20)는 보어홀(h) 내에 적어도 한 개 이상 설치되어 상기 결합부(11,12)의 외측면으로부터 서로 간격을 두고 외측으로 돌출 형성되어 보어홀(h)의 내벽과 접할 수 있다.
상기 방열핀부(20)는 보어홀(h)의 내벽과 서로 간격을 두고 이격될 수도 있으나, 보어홀(h)의 내벽과 접하도록 설치되는 것이 열전달 측면에서 유리하다.
지표면에 저장된 지열은 보어홀(h) 내벽을 통하여 열공급 배관(100)으로 전달되도록 구성되는바, 열전달매체인 상기 방열핀부(20)는 상기 보어홀(h) 내에서 열공급 배관(100)과 고정 스페이서(10)가 차지하는 공간을 제외한 보어홀(h)의 공간에 수용된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방열핀부(20)는 상기 고정 스페이서(10)의 결합부(11,12)로부터 보어홀(h)의 내벽을 향해 일직선이 되게 설치된다.
그러나, 상기 방열핀부(20)의 설치 형태는 반드시 이에 한정되지 않으며, 지열이 보어홀(h) 내벽을 통해 열공급 배관(100)으로 효과적으로 전달될 수 있는 구성이라면 모두 채택 가능하다. 즉, 상기 방열핀부(20)는 상기 보어홀(h) 내에 방사상으로 설치될 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 고정 스페이서(10)와 방열핀부(20)는 상기 열공급 배관(100)의 전체 외측면을 감싸도록 설치되는 것이 열전달 효율 측면에서 우수하나, 설치 편의성 측면에서 간격을 두고 설치될 수도 있다.
이러한 방열핀부(20)와 고정 스페이서(10)는 열전도도가 높은 소재, 예컨대 알루미늄(150-200W/m K) 등의 금속재로 제조될 수 있다.
상기 고정 스페이서(10) 및 방열핀부(20)는 보어홀(h)에 충전되는 그라우팅재의 외력에 의한 임의의 이동, 비틀림 등에 저항할 수 있는 충분한 저항력을 구비하여 형태가 변하지 않는 것이 바람직하다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 지중 열교환기를 설치하기 위해, 먼저 지중에 소정의 직경으로 수m 깊이의 보어홀(h)을 굴착한 다음, 지중 열교환기를 운송수단 등을 이용하여 이송한 후 굴착된 보어홀(h)에 삽입한다.
그리고 상기 지중 열교환기의 열공급 배관(100)에 높은 열전달 특성을 갖는 고정 스페이서(10)와 방열핀부(20)를 열공급 배관(100)의 접선 방향으로 투입하여 고정시키게 된다.
그리고 지중 열교환기가 설치된 보어홀(h)에 그라우팅재를 충전하는 그라우팅 작업을 실시한다.
상기 보어홀(h)에 그라우팅 작업을 행할 때 그라우팅재의 외력이 가해져도 상기 고정 스페이서(10)와 방열핀부(20)의 변형이 발생하지 않는 것이 중요하다.
이와 같이 지중 열교환기가 보어홀(h)에 매설되면 제1관(110) 및 제2관(120)으로 이루어진 U자형 열공급 배관(100)을 히트펌프와 연결하여 지중 열교환기의 설치를 완료한다.
본 발명에 따른 지중 열교환기는, 보어홀(h)과 열공급 배관(100) 사이에 열전달매체인 고정 스페이서(10) 및 방열핀부(20)를 설치하여 열공급 배관(100)의 전열 면적을 증가시킴으로써, 열공급 배관(100)의 전열 면적을 증가시켜 보어홀(h) 내벽을 통하여 전도되는 지열의 열전도율을 높이며, 축열 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 열공급 배관 110 : 제1관
120 : 제2관 10 : 고정 스페이서
11,12 : 결합부 13 : 연결부
20 : 방열핀부

Claims (6)

  1. 제1관 및 제2관이 U자형을 이루는 열공급 배관이 보어홀의 수직방향으로 병설된 구조를 가지는 지중 열교환기에 있어서,
    상기 열공급 배관의 외측면에 결합되어 상기 제1관 및 상기 제2관의 간격을 유지하는 고정 스페이서; 및,
    상기 고정 스페이서의 외측에 결합되며 고정 스페이서와 보어홀의 내벽 사이의 공극에 수용되는 방열핀부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정 스페이서는,
    상기 제1관 및 상기 제2관의 둘레를 감싸는 2개의 결합부; 및,
    상기 2개의 결합부 사이를 연결하는 연결부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결합부는 상기 제1관 및 상기 제2관의 외경에 대응하는 내경을 가지는 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열핀부는,
    상기 고정 스페이서의 결합부의 외측면으로부터 서로 간격을 두고 외측으로 돌출 형성되어 보어홀의 내벽과 접하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방열핀부는 상기 고정 스페이서의 결합부로부터 보어홀의 내벽을 향해 일직선으로 설치된 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정 스페이서와 방열핀부는 알루미늄 금속재로 이루어진 것을 특징으로 하는 지중 열교환기.
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KR20230083859A (ko) 2021-12-03 2023-06-12 주식회사 지앤지테크놀러지 다관식 지중열교환기의 열교환코일관 스페이서

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KR101670007B1 (ko) 2016-06-15 2016-10-27 한국지역난방기술 (주) 열원의 공급온도에 따라 축열 공간의 선택이 가능한 보어홀 방식의 계간 축열 시스템

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