KR100654151B1 - 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치공법 - Google Patents

말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치공법 Download PDF

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Abstract

건축물의 기초재로 설치된 파일(말뚝) 내부에 열교환파이프를 설치하여, 굴착비용과 추가적인 설치장소가 필요없으면서 파일의 단면적은 그대로 유지하여 파일의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않도록 이루어진 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치를 제공하기 위하여,
지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프로 이루어지며, 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서,
상기 지열교환기는 건축물의 시공시 기초재로 설치된 파일의 공간부 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치를 제공한다.
지열교환기,파일,열교환파이프

Description

말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치공법{GEOTHERMAL EXCHANGER USING HOLLOW OF PILE AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}
도 1은 본 발명에 의한 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 설치공법을 설명하기 위하여 파일이 지중에 설치된 것을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치에 제공된 열교환파이프의 예시도.
본 발명은 열교환장치 및 그 설치공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건축물의 기초재로 설치된 말뚝(파일) 내부에 열교환파이프를 설치하여, 굴착비용과 추가적인 설치장소가 필요없으면서 파일의 단면적은 그대로 유지하여 파일의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않도록 이루어진 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치공법에 관한 것이다.
일반적으로 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로서는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력 에너지를 주로 사용하고 있다.
그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 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 단점이 있다.
특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야하며, 이 장치들은 단위장치 당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.
따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술이다.
통상적으로 사용되는 지열냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.
지열교환기의 설치는 대부분의 경우 여유가 있는 대지를 확보한 후 대략 수직방향으로 보어홀(Bore-hole)을 굴착하여 열교환기를 매설하는 형태로 설치된다. 하지만 보어홀 굴찰비용이 많이 소요되고 여유 대지 확보가 불가능한 곳은 적용할 수 없는 단점을 가진다.
이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 보다 큰 건물에 아주 적합하다. 이러한 지열교환기의 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 인한 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 지열교환기 효율과 낮은 단가 실현이 가능하다.
채움과 그라우팅 후 수직 파이프는 수평 헤더 파이프(Header Pipes)와 연결한다. 헤더 파이프는 지열교환기 열전달 유체를 열펌프로 주고받는 역할을 한다. 수직 순환계는 일반적으로 수평형보다 비싼 편이지만, 깊을수록 더 효율이 높기 때문에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.
근래에는 현장타설 말뚝을 제작할 때, 그 내부에 열교환파이프를 매설하여 말뚝을 제작하는 방법이 사용되고 있는데, 이에 따라 지열교환기를 구성하는 열교환파이프가 말뚝 내부에 일체형으로 설치되어, 지열교환기의 설치를 용이하고 간편하게 할 수 있도록 되어있다.
이와 같이 설치된 지열냉난방장치의 열교환파이프에는 지중열과 열교환 하기 위하여 열전달 유체가 주입되며, 이러한 지열냉난방장치는 지열을 열교환파이프를 통하여 그 내부에 담긴 열전달 유체가 빼앗아 저장되는데, 이 상태에서 유체를 히트펌프의 작동으로 강제 순환시켜 필요한 장소로 이동시켜 냉방 또는 난방을 행하게 된다.
이러한 냉난방은 지열은 여름철에는 대기온도보다는 낮고 겨울철에는 대기온도 보다는 높은 온도를 갖고 있으므로 가능하게되는데, 냉방의 경우 지열이 실내의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열됨으로 난방을 할 수 있게된다.
냉난방은 히트펌프에 설치된 스위치 조작을 통하여 열전달 유체의 흐름방향을 바꾸어 줌으로서 냉방과 난방모드를 간단하게 전환시킬 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 지열교환기의 설치는, 먼저 시굴공을 천공한 다음, 여기에 열교환파이프를 삽입하고 시굴공을 지표면으로부터 소정의 깊이까지는 흙으로 채운 후, 나머지 지표면까지는 그라우팅 작업을 실시하여 이를 말뚝으로 형성하는 방법이므로, 현장에서 말뚝을 제작하는 것에 따른 시공상의 불편함과 구조적인 불안정성 및 결함이 발생되는 문제점이 있다.
본 출원인은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 2003년 10월 9일자로 특허출원 제0070181호를 제안한 바 있다.
그러나 상기 출원의 지열교환기의 설치는, 현장타설 말뚝을 제작할 때, 그 내부에 열교환파이프를 매설하여 지열교환기를 설치하게 되므로, 열교환파이프를 설치하기 위하여 중공부의 크기를 일반말뚝보다 크게 형성하게 되므로, 말뚝의 단면적 감소로 인하여 말뚝의 지지력이 감소되는 단점이 있다.
이와 같은 말뚝의 지지력 감소로 인하여 말뚝의 역할인 기초에서 받은 하중을 지반까지 전달하는데 구조적인 불안정성이 따른다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 선출원의 단점을 해소하면서 건축물의 기초재로 설치된 파일(말뚝) 내부에 열교환파이프를 설치하여 굴착비용과 추가적인 설치장소가 필요없으며, 파일의 단면적은 그대로 유지하여 파일의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않도록 이루어진 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 제안하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치는,
지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프로 이루어지며, 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서,
상기 지열교환기는 건축물의 시공시 기초재로 설치되며 선단부가 막혀있는 콘크리트 파일의 공간부 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치공법 을 설명하기 위하여 파일이 지중에 설치된 것을 나타내는 단면도로서, 부호 10은 파일(Pile)을 나타낸다.
상기 파일(10)은 건축물의 기초공사시 기초에서 받은 하중을 지반까지 연결하는데 사용되는 것으로서, 지반의 구조와 건물의 크기에 따라서 파일의 길이 및 간격을 조절하여 설치하게 된다.
이러한 파일(10)은 통상적으로 중앙부 길이 방향으로 공간부(12)를 갖추고 있다, 본 실시예에서 파일(10)은 콘크리트 파일이나 강관파일과 같이 그 내부가 공간부로 형성된 파일이면 어떠한 파일이라도 본 발명을 실현할 수 있으며, 이외에도 이와 유사한 구조로 이루어져 열교환장치를 파일 내부에 설치할 수 있는 구조의 파일은 모두 사용될 수 있다.
즉, 파일(10)은 후술하는 지열교환기를 구성하는 열교환파이프를 내장할 수 있는 구조이면 족하다.
파일(10)의 설치는 타입공법과 매입공법을 이용하여 지중에 설치할 수 있는데, 이를 위하여 파일(10)의 선단부는 도 1에 도시된 바와 같이 뾰족하게 형성되면서 막혀있다. 따라서 파일(10)을 지중에 설치할 때 파일(10) 내부의 공간부(12)로 흙이나 지하수의 유입이 차단되므로 공간부(12)에 설치되는 열교환파이프의 훼손 및 시공 불량을 방지한다. 상기 파일(10)은 지반내에 항타 등으로 설치한 다음 확인항타 및 두부정리를 하는 방법으로 설치할 수 있다.
본 발명의 특징은 이렇게 건축물의 기초공사시 지중(20)에 설치된 파일(10)의 공간부(12)에 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기 본체인 열교환파이프(30)가 설치된다.
상기 열교환파이프(30)는 폴리에틸렌 파이프 또는 동(銅)파이프와 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있으며, 지열에너지와 열교환을 위하여 열교환파이프(30) 내부에는 열전달 유체가 충진된다.
이러한 열교환파이프(30)는 도 2a에 도시된 바와 같은 "U"자 형태로 이루어진 열교환파이프(30)가 사용되거나, 도 2b에 도시된 바와 같은 나선형의 구조로 이루어진 열교환파이프(32)가 사용될 수 있는데, 본 실시예에서는 "U"자 형태로 이루어진 열교환파이프(30)가 제공된 것을 예로서 설명한다.
상기 나선형으로 이루어진 열교환파이프(32)는 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려주므로 열효율을 극대화할 수 있다.
이와 같이 파일(10)의 공간부(12)에 열교환파이프(30)가 설치되면, 파일(10)이 지중(20)에 설치된 후, 공간부(12)를 통하여 지표수가 침투되는 것은 방지하면서 지열이 파일(10)을 통하여 열교환파이프(30)의 냉매와 열교환이 잘 이루어질 수 있도록 하기 위하여 공간부(12)에는 시멘트나 벤토나이트 등의 그라우트(40)를 채운다.
이와 같이 파일(10)의 공간부(12)에 열교환파이프(30)를 설치한 후, 타설된 그라우트(40)가 양생되면, 지열교환기의 본체인 열교환파이프(30)의 설치가 완료되는데, 상기와 같이 건축물의 기초공사를 위하여 설치된 파일(12)에 열교환파이프(30)를 설치하면, 파일(10)의 단면적은 그대로 유지하여 파일의 지지력과 구조적인 안정감은 종래에 비하여 감소되지 않는다.
이렇게 설치된 열교환파이프(30)가 파일(10)의 중공부(12)에 설치되면, 열교환파이프(30)의 2개의 자유단 중 하나는 도시되지 않은 헤더 파이프를 통하여 히트펌프의 유입부재와 연결하고, 다른 하나는 헤더 파이프를 통하여 히트펌프의 유출부재와 연결하면 지열교환기의 설치가 완료된다.
이와 같이 설치된 지열 냉난방장치는, 지중(20)의 지열이 파일(10)에 전달되고 이 지열은 다시 그라우트(40)를 통하여 열교환파이프(30)를 거쳐 열교환파이프(30) 내부에 담긴 열전달 유체로 전달되어 축열되며, 이 상태에서 히트펌프의 구동으로 열전달 유체를 냉난방장소로 이동시켜 순환시키면서 열교환을 통하여 냉방 또는 난방을 행하며, 열교환된 유체는 열교환파이프(30)로 다시 리턴되는 과정을 반복하면서 냉난방을 행한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치는, 지열교환기의 본체인 열교환파이프를 건축물의 기초공사를 위하여 설치된 파일의 내부에 설치하므로, 종래에 비하여 파일의 단면적은 그대로 유지하여 파일의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않은 상태로 설치할 수 있다. 또한 파일의 선단부는 뾰족하게 형성되면서 막혀있으므로 파일을 지중에 설치할 때 파일 내부의 공간부로 흙이나 지하수의 유입이 차단되어 공간부에 설치되는 열교환파이프의 훼손 및 시공 불량을 방지한다.

Claims (3)

  1. 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프로 이루어지며, 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서,
    상기 지열교환기는 건축물의 시공시 기초재로 설치되며 선단부가 막혀있는 콘크리트 파일의 내부 공간부에 설치되는 것을 특징으로 하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환파이프가 설치된 후, 상기 콘크리트 파일의 공간부를 통하여 지표수가 침투되는 것은 방지하면서 지열이 상기 콘크리트 파일을 통하여 열교환파이프의 냉매와 열교환이 잘 이루어질 수 있도록, 상기 콘크리트 파일의 공간부에는 그라우트가 채워지는 것을 특징으로 하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치.
  3. 건물의 시공시 기초재로 사용되며 선단부가 폐쇄된 상태로 내부 길이 방향으로 공간부가 형성된 콘크리트 파일을 제작하는 단계;
    상기 제작된 콘크리트 파일을 설치장소로 이송하여 지중에 설치하는 파일매설단계;
    상기 단계에서 매설된 콘크리트 파일의 공간부에 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기를 삽입하는 지열교환기 설치단계;
    상기 지열교환기가 설치된 콘크리트 파일의 공간부에 지표수의 침투를 막기 위하여 그라우트를 타설하는 그라우팅 단계를 포함하는 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 설치공법.
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