KR100941731B1 - 지중열 교환시스템 및 그의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축물 기초에 사용되는 일반 PHC 파일을 이용하여 지열교환기를 설치하되, PHC 파일 내부에 열전달효율이 우수한 채움재를 투입하고 항상 습윤상태를 유지할 수 있도록 함으로써 지중의 열효율을 제고시킬 수 있는 지중열교환시스템 및 그의 시공방법에 관한 것이다.

본 발명은, 건축물 시공에 따른 기초재로 설치되며 중공부를 갖는 파일; 상기 파일의 중공부내에 설치되며 지중열을 회수할 수 있도록 그 내부에 열교환매체가 담겨져 있는 지열 교환파이프; 상기 파일의 중공부에 채워지며, 지열 교환파이프의 열교환매체와 열교환을 수행하는 채움재; 및 상기 채움재 상측부에 매입되며, 상기 채움재가 습윤상태로 유지될 수 있도록 상기 채움재에 물을 공급하여 물다짐을 실시하는 물공급수단을 포함하는 지중열 교환시스템 및 그의 시공방법을 제공한다.

PHC 파일, 지중열교환파이프, 시수파이프, 채움재, 왕사, 콩자갈, 코일

Description

지중열 교환시스템 및 그의 시공방법{Geothermal exchanging system and constructing method the same}

본 발명은 지중열을 이용하여 각 세대를 냉,난방시키기 위한 시스템 및 그의 설치방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중열의 교환효율을 제고시킴과 동시에 건축물의 기초재로 사용되는 PHC 말뚝을 이용하여 코일형 지중열교환기를 지지토록 함으로써 구조적인 안정성을 발휘할 수 있는 코일형 지중열교환시스템 및 설치방법에 관한 것이다.

최근 들어 고유가에 대처하기 위하여 건설업계에서는 냉난방에 사용되는 에너지원으로서 석유나 천연가스를 대체할 수 있는 대체 에너지 개발을 활발하게 진행하고 있다. 이러한 대체 에너지 자원중에서, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열등을 이용하여 냉난방시스템에 적용할 수 있는 기술이 연구되고 있는데, 이들 에너지 자원들은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.

풍력과 태양열 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 에너지 생산량이 적고 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되므로, 현재까지 냉난방시스템에 적용하는데 한계가 있다.

지열에너지는 설치 및 유지관리가 상대적으로 저렴하기 때문에, 지열을 열원으로 이용한 냉난방시스템이 많이 제안되고 있다.

일례로 공개특허공보 제10-2004-0045780호의 지열교환기 설치 방법 및 설치구조와, 공개특허공보 제10-2005-0034535호의 말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치방법 등이 제안되어 있다.

이 밖에 지하수를 열교환장치에 연계시킨 지열시스템도 제안된 바 있다.

전자의 공개특허등록 제10-2004-0045780호는 도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 2개의 자유단을 가지며, 내부에 열전달유체가 담겨져 있는 코일 형상의 지열교환기(100)를 시굴공(102)에 설치한 후 시굴공(102)에 흙채움(104) 및 지표수의 대수층 유입을 방지하기 위한 그라우팅(106)을 순차적으로 실시하고, 지열교환기(100)의 2개의 자유단중 하나를 히트펌프(108)에 연결하여 지중의 열원을 회수하여 각 세대의 냉방 또는 난방을 수행하는 구조가 개시되어 있다. 상기한 구조는 하나의 시굴공에 지열교환기가 설치되므로, 시공부지 및 시공비를 최소화할 수 있으며, 지열 교환기가 코일형태로 되어 있어 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 늘려 열효율을 극대화하고 있다.

그러나, 상기의 구조는 시굴공을 뚫기 위하여 여유가 있는 대지의 확보가 필요하며, 또 시굴공의 굴착비용이 많이 소요되고 있으며, 시굴공 내부에 지열교환기 를 설치한 후 채워지는 벤토나이트나 콘크리트는 그라우팅재는 열전도율이 낮아 지열의 효율적 회수가 어려워 상용화되지 않은 상태에 있다.

상기한 문제점을 극복하기 위하여 현장에서 말뚝을 제작하고 여기에 지열교환기를 삽입하는 공법이 제안되어 있으나, 이는 현장타설 말뚝을 제작할 때 중공부의 크기가 일반말뚝의 크기보다 크게 형성되고 말뚝의 단면적 감소로 말뚝의 지지력이 감소되고 이에 따라 말뚝의 역할인 기초에서 받는 하중을 지반까지 전달하는데 구조적인 불안정성이 발생하는 문제점이 있다.

후자의 공개특허공보 제10-2005-0034535호는 도3에 도시한 바와 같이, 건축물의 기초재로 설치되는 파일(200)의 공간부(202a)에 지열의 회수를 위한 지열교환기(202)를 매설하고, 상기 파일(200)의 내부에 시멘트나 벤토나이트와 같은 그라우팅재(204)를 주입하여 양생한 후, 지열교환기(202)에 히트펌프를 연결하여 각 세대에 냉난방을 수행하는 구조가 개시되어 있다. 이는 건축물의 기초공사를 위해 설치된 파일 내부에 지열교환기(202)가 설치되므로, 파일(200)의 단면적이 그대로 유지되어 파일의 지지력과 구조적인 안정을 유지할 수 있는 효과가 있다.

그러나, 상기의 기술은 파일에 채움재로 투입되는 콘크리트나 벤토나이트와 같은 그라우팅재는 지중의 열을 전달받는 열전달효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 벤토나이트의 경우 열전도율이 0.8 ∼ 0.9이고 콘크리트의 경우 열전도율이 건조시 0.43 ∼ 1.25, 습윤시 0.83 ∼ 2.12로서 열전달 효율이 떨어져 지열을 효율적으로 이용하는데 한계가 따르는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같은 종래의 구조는 지열교환기의 코일이 일정한 피치간격으로 이루어져 있어 지중보다 지표의 열을 더욱 많이 흡수하거나 방출함으로써 지중열을 효율적으로 이용하지 못하는 다른 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 건축물 기초에 사용되는 일반 PHC 파일을 이용하여 지열교환기를 설치하되, PHC 파일 내부에 열전달효율이 우수한 채움재를 투입하고 항상 습윤상태를 유지할 수 있도록 함으로써 지중의 열효율을 제고시킬 수 있는 지중열교환시스템 및 그의 시공방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 건축물 시공에 따른 기초재로 설치되며 중공부를 갖는 파일; 상기 파일의 중공부내에 설치되며 지중열을 회수할 수 있도록 그 내부에 열교환매체가 담겨져 있는 지열 교환파이프; 상기 파일의 중공부에 채워지며, 지열 교환파이프의 열교환매체와 열교환을 수행하는 채움재; 및 상기 채움재 상측부에 매입되며, 상기 채움재가 습윤상태로 유지될 수 있도록 상기 채움재에 물을 공급하여 물다짐을 실시하는 물공급수단을 포함하는 지중열 교환시스템을 제공한다.

여기서, 상기 채움재로는 왕사 또는 콩자갈과 모래의 혼합물로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 중공부를 갖는 PHC 파일을 건축물 시공에 따른 기초위치에 매입하는 제1 단계; 자립이 가능한 코일 형상으로 이루어지며 열교환매체가 담겨져 있는 지열교환 파이프를 상기 PHC 파일의 중공부에 삽입하는 제2 단계; 왕사 또는 콩자갈과 모래가 혼합된 혼합물을 채움재로 하여 상기 PHC 파일의 중공부에 채우는 제3 단계; 및 상기 PHC 파일의 중공부에 내재된 채움재에 시수파이프를 삽입하여 상기 채움재가 습윤상태를 유지하도록 하는 제4 단계를 포함하는 지열교환시스템의 시공방법을 제공한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, PHC 파일의 내부에 지열교환기를 설치하고, PHC 파일 내부에 왕사 또는 통자갈과 모래의 혼합물을 채우되 상기 채움재가 습윤상태를 유지하도록 물을 공급함으로써 기존의 불투수성재인 그라우팅재에 비해 열전달효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 지열 교환기의 피치 간격을 지중으로부터 지표로 갈수록 점차적으로 넓게 형성하여 지중보다 지표의 열을 다 많이 흡수 또는 방출하는 단점을 해소하여 효율적인 지중열을 회수할 수 있는 다른 효과가 있다.

이하, 첨부된 도4 내지 도6의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 지중열교환시스템 및 그의 시공방법은 건축물의 기초재로 사용되는 PHC 파일을 활용하여 지열교환기를 설치하되, PHC 파일 내부에 왕사 또는 콩자갈 및 모래로 채우고 시수를 주입하여 습윤상태를 유지하도록 함으로써 지중열회수효율을 향상시킬 수 있도록 구현한 것이다.

도4는 본 발명에 따른 지중열교환시스템의 일실시예 구성를 나타낸 단면도이고, 도5는 본 발명의 요부인 PHC 파일의 중공부를 차폐하기 위한 캡의 구성을 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 지중열 교환시스템은 도면에 도시한 바와 같이, 중공부를 갖는 파일(2)과; 상기 파일(2)의 중공부에 설치되며 지중(14)의 열을 회수할 수 있도록 그 내부에 열교환매체가 담겨져 있는 지열 교환 파이프(4)와; 상기 파일(2)의 중공부에 채워지며, 지열교환파이프(4)의 열교환매체와 열교환을 수행하는 채움재(6)와; 단부가 상기 채움재(6) 상측부로 매입되며, 상기 채움재(6)를 항상 습윤상태로 유지시켜 열전도율을 향상시키기 위하여 상기 채움재(6)에 물을 공급하여 물다짐을 실시하기 위한 시수파이프(8)와; 상기 지열교환파이프(4)를 감싸 보호하기 위한 CD 관(10)과; 상기 파일(2)의 중공부 상부를 차폐하며, 지열교환 파이프(4)의 유입포트 및 유출포트와 시수파이프(8)가 통과되도록 다수의 관통홀을 가지는 캡(12); 및 상기 지열교환파이프(4)에 연결되며, 열교환된 지열을 각 세대로 공급하기 위한 히트펌프(도시하지 않음)를 포함한다.

여기서, 상기 파일(2)은 건축물의 하중을 안전하게 지반에 전달하는 목적으 로 지중(14)에 설치되는 기초재로서, 통상 PHC 파일을 사용한다.

상기 PHC 파일(2)의 중공부에 채워지는 채움재로는 왕사 또는 콩자갈과 모래가 혼합된 혼합물로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 왕사 또는 콩자갈과 모래 사이의 공극을 시수 파이프(8)로부터 공급되는 시수로 채워줌으로써 PHC 파일(2)의 중공부 내부가 매워짐과 동시에 습윤상태를 유지함으로써 지중(14)의 열을 지열교환파이프(4)가 보다 확실하게 전달받을 수 있게 된다.

상기 채움재로서의 모래 또는 콩자갈은 건조시 0.77W/mk, 습윤시 2.5W/mk의 열전도율을 가짐으로써 기존의 그라우팅재로 사용되는 콘크리트나 벤토나이트에 비해 열전도율이 월등함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서 상기 지열교환파이프(4)는 자체의 탄성을 가지며, 자립이 가능한 코일형상으로 이루어진 구조로 되어 있다. 따라서 상기 지열교환파이프(4)를 지지하기 위한 별도의 철물이나 지지대가 필요치 않으며, 시공도 간단하다. 또한, 상기 지열교환파이프(4)는 지중(14)에서 지표로 갈수록 피치가 넓게 형성된 구조로 되어 있어 지표에서의 열흡수 또는 방출량이 많아지는 것을 방지한다.

특히, 종래의 지열교환파이프는 고밀도 폴리에틸렌 재질로 이루어져 있으나, 이는 값이 싼 장점이 있는 반면에 단단하고 경성으로 인해 잘 휘어지지 않는 특성이 있어 외력에 의한 파손등의 문제점이 있음에 반하여, 본 발명의 지열교환파이프(4)는 바닥난방에 사용되는 폴리부틸렌 재질로 이루어져 있다. 이는 고밀도 폴리에틸렌 재질에 비해 열전도율이 좋고, 연성이 우수한 장점이 있다.

상기 캡(12)은 도5에 도시한 바와 같이 철근(22)이 간격을 두고 직립되게 배 근되어 있으며, 철근(22)의 외부측으로 PHC 파일(2)에 걸쳐지기 위한 삼발이(24)가 설치된 구조로 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 시공과정을 도6a 내지 도6e를 참조하여 설명한다.

먼저, 중공부를 갖는 PHC 파일(2)을 건축물 시공에 따른 기초위치에 매입한다(도6a 참조). 자립이 가능한 코일 형상으로 이루어지며 열교환매체가 담겨져 있는 지열교환 파이프(4)를 상기 PHC 파일(2)의 중공부에 삽입한다. 이때 상기 지열교환파이프(4)가 PHC 파일(2)의 중공부로 원활하게 삽입되도록 상기 지열교환파이프의 하단부에 추를 달아 PHC 파일(2)의 중공부로 하강시킨다(도6b 참조).

다음, 상기 PHC 파일(2)의 중공부에 왕사로 이루어지거나 콩자갈과 모래로 이루어진 채움재(6)를 채우게 된다(도6c 참조). 상기 PHC 파일(2)의 중공부에 캡(12)을 설치하여 중공부를 차폐하되, 상기 캡(12)의 관통홀측으로 지열 교환파이프(4)의 유입 및 유출포트를 관통시키고, 상기 유출포트는 히트펌프에 연결한다. 또한 PHC 파일(2)에 내재된 채움재(6)에 물을 공급함으로써 상기 채움재(6)가 습윤상태를 유지하도록 시수파이프(8)를 캡(12)으로부터 관통시킨다(도6d 참조). 최종적으로 시수파이프(8)에 수압게이지(16)를 장착하여 수압을 체크하고 지열교환시스템의 설치를 완료한다(도6e 참조).

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 종래기술에 따른 지열교환장치의 구성을 나타낸 개념도.

도2는 종래기술에 따른 지열교환장치의 요부인 열교환파이프의 구성도.

도3은 종래기술에 따른 지열교환장치의 다른 구성을 나타낸 단면도.

도4는 본 발명에 의한 지중열 교환시스템의 일실시예 구성을 나타낸 개략적인 단면도.

도5는 본 발명의 요부인 캡의 구성을 나타낸 사시도.

도6a 내지 도6e는 본 발명에 의한 지중열 교환시스템의 시공과정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2: PHC파일 4: 열교환파이프

6: 채움재 8: 시수파이프

10: CD 관 12: 캡

14: 지중 16: 수압게이지

Claims (12)

1. 건축물 시공에 따른 기초재로 설치되며 중공부를 갖는 파일;

   상기 파일의 중공부내에 설치되며 지중열을 회수할 수 있도록 그 내부에 열교환매체가 담겨져 있으며, 지중에서 지표로 갈수록 피치가 넓게 형성되어 있는 지열 교환파이프;

   상기 파일의 중공부에 채워지며, 지열 교환파이프의 열교환매체와 열교환을 수행하는 채움재;

   상기 채움재 상측부에 매입되며, 상기 채움재가 습윤상태로 유지될 수 있도록 상기 채움재에 물을 공급하여 물다짐을 실시하는 물공급수단; 및

   상기 지열교환 파이프의 유출포트에 연결되는 히트펌프

   을 포함하는 지중열 교환시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 채움재가 모래로 이루어진 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 채움재가 콩자갈과 모래의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
5. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 지열교환파이프는 자체의 탄성을 갖도록 폴리부틸렌 재질의 코일형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
6. 삭제
7. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 파일의 중공부를 차폐하며, 지열교환파이프의 유입포트 및 유출포트와 물공급수단이 관통하도록 다수의 관통홀을 갖는 캡을 더 포함하는 지중열 교환시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 캡은

   그의 일면에 간격을 두고 직립되게 설치된 다수의 철근과;

   상기 철근을 외주에 걸쳐 고정되며 철근이 파일에 걸쳐지기 위한 삼발이

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 파일이 PHC 강관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 지열교환파이프를 감싸 보호하기 위한 CD(Combine Duct) 관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열 교환시스템.
11. 중공부를 갖는 PHC 파일을 건축물 시공에 따른 기초위치에 매입하는 제1 단계;

    자립이 가능한 코일 형상으로 이루어지며 열교환매체가 담겨져 있는 지열교환 파이프를 상기 PHC 파일의 중공부에 삽입하는 제2 단계;

    왕사 또는 콩자갈과 모래가 혼합된 혼합물을 채움재로 하여 상기 PHC 파일의 중공부에 채우는 제3 단계; 및

    상기 PHC 파일의 중공부에 내재된 채움재에 시수파이프를 삽입하여 상기 채움재가 습윤상태를 유지하도록 하는 제4 단계

    를 포함하는 지열교환시스템의 시공방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 제4 단계는 캡의 관통홀측으로 지열교환파이프의 유입 및 유출포트와 시수파이프를 관통시킨 후 PHC 파일의 중공부를 차폐하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열교환시스템의 시공방법.

Images