KR101062323B1 - 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 터널 내부의 항온층에 지열교환기를 구비하여 지열 에너지가 지속적으로 순환공급되도록 함으로써, 지열교환기의 설치를 위한 굴착비용과 추가적인 설치장소가 필요없으면서 터널의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않도록 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다. 구성은 지열의 온기 또는 냉기를 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기와, 상기 지열교환기의 열전달 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 이송하기 위한 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송된 지열에너지를 공급받아 냉난방에 적절한 온도로 열교환을 행하고 열교환된 지열에너지를 사용처로 공급하는 히터펌프와, 상기 히터펌프에 의해 생성된 온기 또는 냉기를 공급받고 냉방 또는 난방을 하는 실내냉난방기기를 포함하는 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템으로서, 상기 지열교환기는 터널 발파시 형성되는 항온층에 설치되며, 외기의 온도에 영향을 많이 받는 터널 전후 50m를 제외한 항온층에 설치되는 것을 특징으로 한다.

터널, 항온층, 냉난방, 히터펌프

Description

터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템{a heating and cooling system using the tunnel constant temperature zone}

본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 터널 내부의 항온층에 지열교환기를 구비하여 지열 에너지가 지속적으로 순환공급되도록 함으로써, 지열교환기의 설치를 위한 굴착비용과 추가적인 설치장소가 필요없으면서 터널의 지지력과 구조적인 안정을 저하시키지 않도록 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 건축물의 냉난방을 위한 냉난방 시스템은 에너지원으로 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 상기와 같은 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력 에너지를 주로 사용하고 있다.

또, 요즘에는 상기와 같은 화석연료나 전력 에너지 이외에 무한한 에너지원인 지열 에너지를 이용하는 냉난방 시스템도 많이 개발되고 있다.

상기한 냉난방 시스템 중, 지열 에너지를 이용하는 종래의 냉난방 시스템의 일례를 살펴보면, 지열의 온기 또는 냉기를 흡수하는 열전달 유체를 갖고 열교환하는 지열교환기와, 상기 지열교환기의 열전달 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 이송하기 위한 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송된 지열에너지를 공급받아 냉난방에 적절한 온도로 열교환을 행하고 열교환된 지열에너지를 사용처로 공급하도록 열원을 흡수하는 증발기와, 기체로 변한 열을 압축하여 고온으로 변환하는 압축기와, 상기 압축된 고온고압의 가스를 방출하여 열을 수라인의 물에 전달하는 응축기와, 상기 응축기를 거치면서 액화된 냉매를 감압하는 팽창밸브를 포함하여 이루어지는 히터펌프와, 상기 히터 펌프에 의해 생성된 온기 또는 냉기 에너지를 공급받고 냉방 또는 난방을 하는 실내냉난방기기 등으로 이루어진다.

그러나, 상기와 같은 종래의 지열 에너지를 이용하는 냉난방 시스템은, 지열교환기의 설치를 위해서 대부분의 경우, 반드시 여유가 있는 대지를 확보한 후 대략 수직방향으로 지중에 천공(穿孔)을 하여야 하므로, 굴착비용이 많이 소요되고 여유 대지 확보가 불가능한 곳은 적용할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 상기 천공 속으로 지열 교환기를 삽입한 후, 천공을 지표면으로부터 소정의 깊이 까지는 흙으로 채운 후 나머지 지표면까지는 그라우팅 작업을 실시하는 것에 따른 시공상의 불편함과 구조적인 불안정성 및 결함이 발생되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 터널이 설치된 가까운 곳에 위치하는 터널 관리사무소의 냉난방 시스템은 산악 등의 한랭지역에 산재되어 있어, 난방시 효율이 떨어져 보조 히터를 사용하여야 하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 터널시공시 형성되는 항온층에 락볼트(Rock Bolt)와 함께 지중 열교환기를 설치함으로써, 지열교환기를 설치하기 위한 굴착작업 등으로 인한 비용을 절감함과 동시에 산악지역 등과 같은 한랭지역에 주로 산재되어 있는 터널 관리사무소에 열손실없이 원활하고 용이한 냉난방을 이루도록 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 터널 발파에 의해 형성되는 상기 항온층의 복공시 락볼트에 지지되는 지열교환기의 열교환 파이프가 보강재 역할을 이루도록 하여 굴착면을 보다 견고하게 지지할 수 있는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지열의 온기 또는 냉기를 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기와, 상기 지열교환기의 열전달 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 이송하기 위한 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송된 지열에너지를 공급받아 냉난방에 적절한 온도로 열교환을 행하고 열교환된 지열에너지를 사용처로 공급하는 히터펌프와, 상기 히터펌프에 의해 생성된 온기 또는 냉기를 공급받고 냉방 또는 난방을 하는 실내냉난방기기를 포함하는 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템으로서, 상기 지열교환기는 터널 발파시 형성되는 항온층에 설치되며, 외기의 온도에 영향을 많이 받는 터널 전후 50m를 제외한 항온층에 설치되는 것을 특징으로 한다.

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상기 지열교환기는 터널 공사시 설치되는 락볼트에 의해 지지되어 처짐을 방지함과 동시에 상기 항온층의 복공시 굴착면을 보다 견고하게 지지하도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 냉난방 시스템은 한랭 지역에 산재되어 있는 터널 관리 사무소의 냉방 및 난방을 위해 사용되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 터널 시공시 형성되는 항온층에 락볼트의 설치와 거의 동시에 지열교환기를 설치하여 한랭 지역에 주로 위치하는 터널 관리사무소로 냉기 또는 온기를 열손실 없이 원활하고 용이하게 공급되도록 함으로써, 지열교환기의 설치를 위한 대지확보 및 굴착공정이 필요 없어 비용을 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 터널의 항온층 복공 작업시 락볼트와 함께 설치되는 지열교환기에 의해 굴착면이 보다 견고하게 지지되어 구조적인 불안정성을 해소할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술되는 용어들은 본 발명에 서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방 시스템을 정면에서 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 측면 상태를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 지열교환기를 터널의 길이 방향으로 설치한 상태를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 냉난방 시스템(100)은 도로를 건설하고자 하는 위치에 통상의 기술을 이용하여 터널(110)을 굴착한다.

이때, 상기 굴착된 터널(110)의 내벽 평평도가 어느 정도 일정하게 되도록 두께를 갖는 숏크리트층(113)을 형성한다.

이어서, 상기 숏크리트층(113)에 부직포 및 방수시트(미도시)를 설치한 후, 터널(110)의 길이 방향으로 일정한 간격과 깊이를 갖는 홀(hole)(미도시)을 방사상으로 뚫은 다음, 상기 홀에 접착제를 주입하고 암석의 낙하를 방지하기 위해 앵커볼트(anchor bolt) 또는 락볼트(114)를 견고하게 고정 설치한다.

계속해서, 상기 락볼트(114)를 따라 내부에 열교환을 위한 열전달 유체를 충진한 파이프로 이루어지는 지열교환기(120)를 설치한다. 여기서, 상기 지열교환기(120)가 형성되는 공간은 추후 콘크리트 라이닝층(111)의 시공시에 외부와 단절되는 항온층(112)으로 형성된다. 이에 따라 열교환 파이프로 이루어지는 지열교환기(120)는 터널(110)의 시공작업시 항온층(112)에 간편하고 용이하게 설치될 수 있다.

그리고, 상기 항온층(112)에 존재하는 지열에너지는 여름철에는 대기온도보다는 낮고, 겨울철에는 대기온도보다 높은 온도를 형성하고 있으므로 지열을 이용하는 히트펌프형 냉난방 시스템의 열원으로서 적합할 뿐만 아니라, 터널의 유지관리를 위해 설치되는 모든 터널 관리사무소의 냉난방에 매우 효과적으로 이용할 수 있다.

상기 지열교환기(120)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE : high-density polyethylene)과 같은 열전도율이 높음과 동시에 부식의 염려가 없는 반영구적인 재질로 형성되는 것을 이용하며, 지열 에너지와 열교환을 위하여 내부에는 열전달 유체가 충진된다.

여기서, 상기 열전달 유체는 부동액과 물을 혼합한 것을 이용하는 것이 동파방지를 위해 바람직하다.

또, 상기 지열교환기(120)는 터널(110)의 길이방향 또는 폭방향으로 형성될 수 있고, 열에너지를 효과적으로 열교환시키는데 문제가 없는 다양한 형태로 형성될 수 있다.

이때, 상기 지열교환기(120)가 외기 온도에 영향을 많이 받는 터널 전후 50m를 제외한 부분의 항온층(112)에 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 터널(110) 내에 형성된 항온층(112)에 존재하는 열에너지를 열원으로 사용하기 위해서는 터널(110)의 입구 및 출구 측은 외부로부터 내측 개략 40m 정도까지가 외기 온도에 영향을 받게 되므로 열원의 효율을 극대화 하기 위해서는 외기 온도에 영향을 받지 않는 부분으로 형성되어야 한다.

이와 같이, 상기 터널(110)의 항온층(112)에 지열교환기(120)를 설치한 후에는 콘크리트를 타설하여 일정한 두께의 콘크리트 라이닝층(111)을 형성함으로써 복공한다.

이때, 상기 지열교환기(120)는 터널(110)의 공사시 설치되는 락볼트(114)에 의해 지지되어 처짐이 방지됨과 동시에 양단은 터널(110)의 항온층(112) 외부로 다른 부재와의 연결을 위해 돌출 형성된다. 따라서, 지중에 설치되는 지열교환기(120)의 설치를 위한 대지확보 및 굴착공정이 필요 없어 비용을 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 터널(110)의 항온층(112) 복공 작업시 상기 락볼트(114)와 함께 설치되는 지열교환기(120)에 의해 굴착면이 보다 견고하게 지지되어 구조적인 불안정성을 해소할 수 있다.

이어서, 상기 지열교환기(120)의 일측단은 도시되지 않은 헤드 파이프를 통하여 열전달 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 냉난방에 적절한 온도로 열교환을 행하여 사용처로 공급하는 히터펌프(130)의 유입관(미도시)과 연결하고, 타 일측단은 헤드 파이프를 통하여 히터펌프(130)의 유출관(미도시)과 연결한다.

여기서, 상기 지열교환기(120)의 일측으로는 열교환 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 이송하기 위한 순환펌프(121a)가 형성된다.

계속해서, 상기 히터펌프(130)의 타 일측으로는 상기 히터 펌프(130)에 의해 생성된 온기 또는 냉기를 공급받고 냉방 또는 난방을 하는 실내냉난방기기(미도시)의 연결 파이프와 연결되어 냉방 또는 난방을 행하게 된다.

따라서, 상기와 같은 작용을 지속적으로 반복함으로써 여름철에는 대기온도보다 낮은 터널 항온층(112)의 지열을 공급하고, 겨울철에는 대기온도보다 높은 터널 항온층(112)의 지열을 한랭 지역 등에 산재되어 있는 터널 관리사무소로 원활하고 용이하게 제공할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방 시스템을 정면에서 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 측면 상태를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 지열교환기를 터널의 길이 방향으로 설치한 상태를 나타낸 도면이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

110 : 터널 111 : 콘크리트 라이닝층

112 : 항온층 113 : 숏크리트층

114 : 락볼트(Rock Bolt) 120 : 지열교환기

121a : 순환펌프 130 : 히터 펌프

100 : 냉난방 시스템

Claims (4)

1. 지열의 온기 또는 냉기를 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기와, 상기 지열교환기의 열전달 유체에 의해 열교환된 지열에너지를 이송하기 위한 순환펌프와, 상기 순환펌프에 의해 이송된 지열에너지를 공급받아 냉난방에 적절한 온도로 열교환을 행하고 열교환된 지열에너지를 사용처로 공급하는 히터펌프와, 상기 히터펌프에 의해 생성된 온기 또는 냉기를 공급받고 냉방 또는 난방을 하는 실내냉난방기기를 포함하는 지열 에너지를 이용한 냉난방 시스템으로서,

   상기 지열교환기는 터널 발파시 형성되는 항온층에 설치되며, 외기의 온도에 영향을 많이 받는 터널 전후 50m를 제외한 항온층에 설치되는 것을 특징으로 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기는 터널 공사시 설치되는 락볼트에 의해 지지되어 처짐을 방지함과 동시에 상기 항온층의 복공시 굴착면을 보다 견고하게 지지하도록 하는 것을 특징으로 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 냉난방 시스템은 한랭 지역에 산재되어 있는 터널 관리사무소의 냉방 및 난방을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 터널 항온층을 이용한 냉난방 시스템.

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