KR101498932B1 - 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템 - Google Patents

지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템에 관한 것으로, 일정한 공간에 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기를 설치, 운영함으로서 나타날 수 밖에 없는 열섬화 현상을 해소하기 위해, 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기가 설치되는 공간의 안쪽에 수직밀폐형지중열교환기의 굴착 깊이보다 30m 이상 깊은 심도를 갖는 지하수공, 지하수공 안에서 주변 수직밀폐형지중열교환기의 굴착 깊이와 동일한 깊이에 설치되어 지하수를 퍼올리는 수중펌프 및 지중열을 감지하는 온도센서로 구성된 열섬화방지부를 구비한다.
따라서, 집단적으로 설치된 수직밀폐형지중열교환기의 지속적 운영으로 주변 지중열이 일정 온도까지 상승하게 되면 열섬화방지부의 온도센서가 지중열을 감지하고 열섬화방지부의 수중펌프를 작동시켜서 지하수를 밖으로 퍼냄으로써, 외부로부터 신선한 지중 온도를 가진 지하수가 열섬화방지부로 이동해 들어오면서 높아진 주변의 지중열을 흡수한 후 다시 열섬화방지부를 통해 밖으로 배출되는 과정을 거친다. 그러므로 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기가 설치된 주변의 지중 온도를 낮추게 되므로, 수직밀폐형지중열교환기의 열섬화 현상을 방지하고 수직밀폐형지열시스템의 냉방효율을 높이게 된다.

Description

지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템{Complex geothermal system that equip underground water intake device that become automatic operation according to underground}
본 발명은 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 수직밀폐형지중열교환기의 열섬화 현상을 방지함으로써 지열시스템의 냉방효율을 높일 수 있는 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템에 관한 것이다.
지중의 지열을 이용하는 지열 냉난방 시스템은 지상에 설치되는 히트펌프 등 기계설비와 지중을 굴착하는 과정을 거쳐 지하에 설치되는 지중열교환기로 구성된다. 지상에 설치된 히트펌프 등의 기계설비는 지하에서 올라오는 열에너지를 난방 또는 냉방에너지로 변환시켜 부하공간에 공급하는 역할을 하며, 지중에 설치된 지중열교환기는 열교환유체를 순환시켜서 흡수하는 열에너지를 지상의 기계설비에 공급하는 역할을 한다.
여기서, 지열 냉난방 시스템이란 대기 중의 온도와 땅속 즉, 지중열의 온도차를 열에너지로 이용하는 것이며, 우리나라에서 주로 사용하는 지열 냉난방 시스템은 지중열교환기를 설치하는 방법과 열교환유체의 종류에 따라서, 개방형과 수직밀폐형으로 구분된다.
개방형 지열 냉난방 시스템은, 지하수공을 개발하는 방법으로 지중열교환기를 설치한 후에, 지하수를 열교환유체로 순환시켜 지중의 열에너지를 흡수해서 히트펌프 등 지상의 기계설비에 전달하는 방식이다.
수직밀폐형 지열 냉난방 시스템은, 통상적으로는 직경 15cm, 깊이 150m 정도 깊이로 땅속을 굴착해서 나공상태의 지열공을 형성한 후에 그 안으로 바닥까지 내려가고 다시 올라오는 U자 형태로 PE 파이프를 설치하며, 나머지 빈 공간은 그라우팅하여 되메움하는 방법으로 수직밀폐형지중열교환기를 설치한다. 그리고 지상에 설치된 히트펌프의 출구에 연결된 PE 파이프의 한쪽으로 부동액 등 열교환유체를 주입시키면 U자 형태로 설치한 파이프를 따라 이송하는 과정에서 땅속의 열에너지를 흡수한 열교환유체가 PE 파이프의 다른 한쪽을 통해 히트펌프의 입구와 연락되어서 땅속의 열에너지를 히트펌프 등 지상의 기계설비에 전달하는 방식이다.
우리나라 여름철의 경우, 대기 온도는 30℃에 육박하는 반면 땅속의 지중 온도는 연중 15~20℃를 유지하기 때문에 지상의 히트펌프에서 대기중 온도를 가지고 이동을 시작한 열교환유체가 U자 형태로 설치한 파이프를 따라 수직밀폐형지중열교환기를 돌아나오는 동안에 지중온도로 열교환되어 지상의 히트펌프에 도달하고, 히트펌프의 열교환기를 거치는 동안에 열에너지를 방출하게 된다.
이렇게 열에너지를 방출한 열교환유체는 다시 파이프를 따라 땅속의 수직밀폐형지중열교환기를 돌아나오는 과정으로 지중열에너지를 흡수하는 일을 반복하게 되는데, 열교환유체가 수직밀폐형지중열교환기를 경유하는 동안 지상에서 흡수한 온열은 지중에서 방출하고 지중의 냉열을 끌어내는 일이 반복되므로써, 시간이 지날수록 땅속의 수직밀폐형지중열교환기 주변의 지중온도가 상승하게 되어 수직밀폐형지중열교환기의 열복원능력이 저하된다.
더욱이 부하공간이 큰 대규모 건물 등에 냉방을 해결하기 위해 수직밀폐형 지열시스템을 도입하는 경우에는 정해진 공간에 일정한 간격(약 5m)과 일정한 깊이(약 150m)로 땅속을 굴착해서 수십 개소 또는 수백 개소의 수직밀폐형지중열교환기를 격자형태의 일정간격(약 5m)으로 설치하게 되고, 이렇게 집단적으로 설치된 수직밀폐형지중열교환기에서는 각기 열교환을 통해서 지중의 열에너지를 지상으로 공급하게 된다.
이와 같은 과정에서 지중온도가 점차 상승함에 따라 저하되는 열복원능력은 주변에서 새로운 에너지를 공급받음으로서 회복되어야 하지만 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기를 설치한 경우, 바깥쪽의 수직밀폐형지중열교환기는 주변의 신선한 지중열을 받아들여 열복원에 도움이 되지만 안쪽에 위치한 수직밀폐형지중열교환기는 다른 지중열교환기에 둘러싸여 새로운 외부 지중열을 받아들일 수 없는 상황이 된다.
이러한 상태에서 지열시스템을 계속 가동하게 되면 시간이 갈수록 수직밀폐형지중열교환기의 온도 상승륭이 높아지면서 전체적으로 열섬화 현상이 발생되어 지열시스템의 냉방효율이 급격하게 감소되며, 한번 발생된 열섬화 현상은 지열시스템을 장시간 정지시키지 않는 한 쉽게 해소되지 않는다.
대한민국 특허등록 제10-0848717호
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수직밀폐형지중열교환기가 집단적으로 설치된 지중의 온도를 낮추어서, 수직밀폐형지중열교환기의 열섬화 현상을 방지하고 지열시스템의 냉방효율을 높일 수 있도록 한 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템은, 지중의 지열을 이용하기 위해 지반에는 다수개의 지열공들이 형성되고, 지열공들에 순환유체가 진입된 후 배출되도록 U자형 열복원관들이 설치되며, 순환유체가 U자형 열복원관을 경유하는 동안 지열공 내부와 열교환이 이루어지면서 냉각 또는 가열되는 다수의 수직밀폐형지중열교환기; 건물에 설치되고 수직밀폐형지중열교환기에 연결되어서 열복원된 순환유체가 공급되므로 지열공들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방하는 히트펌프; 수직밀폐형지중열교환기의 출구와 히트펌프에 연결되어서 열복원된 순환유체가 히트펌프로 공급되도록 안내하는 유체공급관; 수직밀폐형지중열교환기의 입구와 히트펌프에 연결되어서 히트펌프를 통과한 순환유체가 지열공 측으로 유입되도록 안내하는 유체회수관; 집단적으로 다수 설치된 수직밀폐형지중열교환기들에 의해 발생되는 열섬화 현상을 방지하기 위해 수직밀폐형지중열교환기들 사이에 설치되어서, 수직밀폐형지중열교환기들에 의해 발생된 지중의 열섬화 현상을 방지시키는 열섬화방지부; 지상에 설치되고 열섬화방지부에 연결되어서 열섬화방지부를 제어하는 컨트롤러를 포함하여서 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템의 다른 특징은, 열섬화방지부는, 수직밀폐형지중열교환기들이 배치된 공간 중앙 부위에 위치되고 지열공의 길이방향을 따라 지중으로 형성되는 토출공과, 토출공 내에 설치되고 토출공으로 유입되는 지하수를 지상으로 펌핑하여서 지중의 지하수가 수직밀폐형지중열교환기들 측으로 유입되도록 유도하며 컨트롤러에 연결되어서 이에 의해 제어되는 수중펌프와, 일단이 수중펌프에 연결되고 타단이 지상에 연결되어서 토출공 내의 지하수가 지상으로 배출되도록 안내하는 토출라인과, 토출공 내에 설치되고 컨트롤러에 연결되며 토출공 내의 지하수 온도가 세팅온도를 벗어나면 이를 감지하여서 수중펌프가 구동되도록 하고 토출공 내의 지하수 온도가 세팅온도 범위 내이면 수중펌프가 정지되도록 하는 온도감지센서로 이루어진다.
본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템의 또 다른 특징은, 토출공은, 지열공의 하단보다 30m 더 깊게 형성되며, 수중펌프는, 지열공의 하단과 평행한 위치의 토출공 내에 위치된다.
본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템의 또 다른 특징은, 열섬화방지부의 토출라인에는 함양정이 연결되어 있으며, 수중펌프에서 토출된 지하수가 저장된다.
이상에서와 같은 본 발명은, 일정한 공간에 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기를 설치, 운영함으로서 나타날 수 밖에 없는 열섬화 현상을 해소하기 위해, 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기가 설치되는 공간의 안쪽에 수직밀폐형지중열교환기의 굴착 깊이보다 30m 이상 깊은 심도를 갖는 토출공 및 토출공 안에서 주변 수직밀폐형지중열교환기의 굴착 깊이와 동일한 깊이에 설치되어 지하수를 퍼올리는 수중펌프 및 지중열을 감지하는 온도감지센서로 구성된 열섬화방지부를 구비한다. 따라서, 집단적으로 설치된 수직밀폐형지중열교환기의 지속적 운영으로 주변 지중열이 일정 온도까지 상승하게 되면 열섬화방지부의 온도감지센서가 지중열을 감지하고 열섬화방지부의 수중펌프를 작동시켜서 지하수를 밖으로 퍼냄으로써, 외부로부터 신선한 지중 온도를 가진 지하수가 열섬화방지부로 이동해 들어오면서 높아진 주변의 지중열을 흡수한 후 다시 열섬화방지부를 통해 밖으로 배출되는 과정을 거친다. 그러므로 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기가 설치된 주변의 지중 온도를 낮추게 되므로, 수직밀폐형지중열교환기의 열섬화 현상을 방지하고 지열시스템의 냉방효율을 높이게 된다.
또한, 열섬화방지부에 의해 지하수를 퍼냄으로서 수직밀폐형지중열교환기 주변의 지중온도가 목표치까지 낮아지면 열섬화방지부의 온도감지센서가 이를 감지하고 열섬화방지부의 수중펌프 작동을 중지시키므로 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템이 구현된다.
도 1은 본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템을 보인 개략적 단면도
도 2는 도 1의 개략적 평면도
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템을 보인 개략적 단면도이고, 도 2는 도 1의 개략적 평면도이다.
이러한 본 발명은 수직밀폐형지중열교환기(10), 히트펌프(20), 유체공급관(30), 유체회수관(40), 열섬화방지부(50), 컨트롤러(미도시)를 포함하여서 이루어진다.
수직밀폐형지중열교환기(10)는, 지열공(11), U자형 열복원관(12)으로 이루어진다.
지열공(11)은, 지중의 지열을 이용하기 위해 지반(1)에 다수개 형성된다. U자형 열복원관(12)은, 지열공(11)들에 순환유체가 진입된 후 배출되도록 지열공(11)들 내에 설치되며, 순환유체가 U자형 열복원관(12)을 경유하는 동안 지열공(11) 내부와 열교환이 이루어지면서 냉각 또는 가열된다. U자형 열복원관(12)의 입구(13)는 유체회수관(40)에 연결되고, U자형 열복원관(12)의 출구(14)는 유체공급관(30)에 연결된다.
히트펌프(20)는, 건물에 설치되고 수직밀폐형지중열교환기(10)에 연결되어서 열복원된 순환유체가 공급되므로 지열공(11)들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방한다.
유체공급관(30)은, 수직밀폐형지중열교환기(10)의 출구(14)와 히트펌프(20)에 연결되어서 열복원된 순환유체가 히트펌프(20)로 공급되도록 안내한다.
유체회수관(40)은, 수직밀폐형지중열교환기(10)의 입구와 히트펌프(20)에 연결되어서 히트펌프(20)를 통과한 순환유체가 지열공(11) 측으로 유입되도록 안내한다.
열섬화방지부(50)는, 집단적으로 다수 설치된 수직밀폐형지중열교환기(10)들에 의해 발생되는 열섬화 현상을 방지하기 위해 수직밀폐형지중열교환기(10)들 사이에 설치되어서, 수직밀폐형지중열교환기(10)들에 의해 발생된 지중의 열섬화 현상을 방지시킨다.
이러한 열섬화방지부(50)는, 토출공(51), 수중펌프(52), 토출라인(53), 온도감지센서(54)로 이루어진다.
토출공(51)은, 수직밀폐형지중열교환기(10)들이 배치된 공간 중앙 부위에 위치되고 지열공(11)의 길이방향을 따라 지중으로 형성된다.
이러한 토출공(51)은, 지열공(11)의 하단보다 30m 더 깊게 형성된다.
토출공(51)의 깊이를 지열공(11)의 깊이보다 30m 더 깊게 형성시키는 이유는 다음과 같다.
수중펌프(52)가 구동되면 다수의 지열공(11) 주변의 지하수가 토출공(51)으로 유입된다. 따라서 유입된 지하수가 일시 저장될 충분한 공간이 필요하다.
또한 수중펌프(52)의 설치 위치는 지열공(11) 바닥 부분에 위치되는 것이 바람직하다.
수중펌프(52)의 설치위치가 지열공(11)의 바닥을 기준으로 그 상측에 설치되면 수중펌프(52)의 구동시 지열공(11) 하부의 지하수가 제대로 펌핑되지 못하게 되며, 수중펌프(52)의 설치위치가 지열공(11)의 바닥을 기준으로 그 하부에 설치되면 수중펌프(52)의 구동시 지열공 상부의 지하수가 제대로 펌핑되지 못하게 된다. 따라서, 지하수의 유입량 및 수중펌프(52)의 설치위치를 고려하여서 토출공(51)의 깊이를 지열공(11)의 깊이보다 30m 더 깊게 형성시킨다.
토출공(51)의 깊이가 지열공(11)의 깊이보다 30m 미만으로 더 깊게 형성되면 지중의 지하수가 토출공(51)으로 충분히 유입되지 못하게 되며, 수중펌프(52)의 설치위치가 그만큼 토출공(51)의 상측으로 이송되어야 한다. 토출공(51)의 깊이가 지열공(11)의 깊이보다 30m를 초과하여서 더 깊게 형성되면 불필요한 굴착 공정이 증가되어서 굴착 작업시간 및 공사 비용이 크게 증가된다. 따라서 토출공(51)의 깊이를 지열공(11)의 깊이보다 30m 더 깊게 형성시키는 것이 바람직하다.
수중펌프(52)는, 토출공(51) 내에 설치되고 토출공(51)으로 유입되는 지하수를 지상으로 펌핑하여서 지중의 지하수가 수직밀폐형지중열교환기(10)들 측으로 유입되도록 유도하며 컨트롤러에 연결되어서 이에 의해 제어된다.
토출라인(53)은, 일단이 수중펌프(52)에 연결되고 타단이 지상에 연결되어서 토출공(51) 내의 지하수가 지상으로 배출되도록 안내한다.
이러한 토출라인(53)에는 함양정(미도시)이 연결되어 있으며, 수중펌프(52)에서 토출된 지하수가 저장된다. 저장된 지하수는 생활용수, 공업용수 및 농업용수 등으로 사용될 수 있다.
온도감지센서(54)는, 토출공(51) 내에 설치되고 컨트롤러에 연결되며 토출공(51) 내의 지하수 온도가 세팅온도를 벗어나면 이를 감지하여서 수중펌프(52)가 구동되도록 하고 토출공(51) 내의 지하수 온도가 세팅온도 범위 내이면 수중펌프(52)가 정지되도록 한다.
컨트롤러(미도시)는 지상에 설치되고 열섬화방지부(50)의 수중펌프(52), 온도감지센서(54)에 연결되어서 열섬화방지부(50)를 제어한다.
이러한 본 발명의 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템은, 일정한 공간에 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기(10)를 설치, 운영함으로서 나타날 수 밖에 없는 열섬화 현상을 해소시킨다.
집단적으로 수직밀폐형지중열교환기(10)가 설치되는 공간의 안쪽에 수직밀폐형지중열교환기(10)의 굴착 깊이보다 30m 정도 더 깊은 심도를 갖는 토출공(51)을 형성시키고, 이 토출공(51)에는 주변 수직밀폐형지중열교환기(10)의 굴착 깊이와 동일한 깊이에 설치되어 지하수를 퍼올리는 수중펌프(52)를 설치하며, 수중펌프(52) 일측에는 지중열을 감지하는 온도감지센서(54)를 설치한다.
따라서, 집단적으로 설치된 수직밀폐형지중열교환기(10)의 지속적 운영으로 주변 지중열이 일정 온도까지 상승하게 되면 열섬화방지부(50)의 온도감지센서(54)가 지중열을 감지하고 열섬화방지부(50)의 수중펌프(52)를 작동시켜서 지하수를 밖으로 퍼낸다. 그러므로 외부로부터 신선한 지중 온도를 가진 지하수가 열섬화방지부(50)로 이동해 들어오면서 높아진 주변의 지중열을 흡수한 후 다시 열섬화방지부(50)를 통해 밖으로 배출되는 과정을 거친다.
이러한 본 발명은 집단적으로 수직밀폐형지중열교환기(10)가 설치된 주변의 지중 온도를 낮추게 되므로, 수직밀폐형지중열교환기(10)의 열섬화 현상을 방지하고 지열시스템의 냉방효율을 높이게 된다.
또한, 열섬화방지부(50)에 의해 지하수를 퍼냄으로서 수직밀폐형지중열교환기(10) 주변의 지중온도가 목표치까지 낮아지면 열섬화방지부(50)의 온도감지센서(54)가 이를 감지하고 열섬화방지부(50)의 수중펌프(52) 작동을 중지시킨다. 이러한 작동에 의해, 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템이 구현된다.
이와 같은 본 발명은 상술한 바와 같이 하절기에 냉방용으로 사용될 수 있지만, 동절기에 난방용으로 사용될 수도 있다. 동절기에는 지중열이 지상의 온도보다 더 따뜻하기 때문이다.
한편, 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 둘레에는 산화방지코팅층이 코팅될 수 있다. 이 마모방지코팅층은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되어 이루어진 분말이 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)에 용사되어서 이루어지고, 50∼600㎛의 두께로 이루어지며, 경도는 900∼1000HV를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
이 산화방지코팅층은 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되어 이루어진 분말이 용사되어서 이루어진다.
유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면에 세라믹 코팅을 하는 이유는 마모 방지 및 부식 방지가 주목적이다. 세라믹 코팅은 크롬도금 또는 니켈크롬도금에 비해 내부식성, 내스크래치성, 내마모성, 내충격성 및 내구성이 뛰어나다.
산화크롬(Cr2O3)은, 금속 내부로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태피막(Passivity Layer)의 역할을 함으로써 녹이 잘 슬지 않도록 하는 역할을 한다.
이산화티타늄(TiO2)은, 물리화학적으로 매우 안정적이고 은폐력이 높아서 백색안료로 많이 된다. 또한 굴절율이 높아서 고굴절율의 세라믹스에도 많이 이용되고 있다. 그리고 광촉매적 특성과 초친수성의 특성을 갖는다. 이산화티타늄(TiO2)은, 공기정화 작용, 항균작용, 유해물질 분해작용, 오염방지 기능, 변색 방지기능의 역할을 수행한다. 이러한 이산화티타늄(TiO2)은, 산화방지코팅층이 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면에 확실하게 피복되도록 하며, 산화방지코팅층에 부착된 이물질을 분해, 제거하여 산화방지코팅층의 손상을 방지시킨다.
여기서, 산화크롬(Cr2O3)과 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여서 사용할 경우, 이들의 혼합 비율은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량%에 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되는 것이 바람직하다.
산화크롬(Cr2O3)의 혼합비율이 96∼98%보다 적을 경우, 고온 등의 환경에서 산화크롬(Cr2O3)의 피복이 파괴되는 경우가 종종 발생되었으며, 이에 따라 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 녹방지 효과가 급격이 저하되었다.
이산화티타늄(TiO2)의 혼합비율이 2∼4중량%보다 적을 경우, 이를 산화크롬(Cr2O3)에 혼합하는 목적이 퇴색될 정도로 이산화티타늄(TiO2)의 효과가 미미하였다. 즉, 이산화티타늄(TiO2)은 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면 둘레에 부착되는 이물질을 분해, 제거하여서 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면이 부식되거나 손상되는 것을 방지시키는데, 그 혼합비율이 2∼4중량%보다 작을 경우, 부착된 이물질을 분해하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
이러한 재료들로 이루어진 코팅층은, 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 둘레에 50∼600㎛의 두께로 이루어지고, 경도는 900∼1000HV, 표면조도는 0.1∼0.3㎛를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
이러한 산화방지코팅층은, 상기의 분말가루와 1400℃의 가스를 마하 2정도의 속도로 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 둘레에 제트분사하여서 50∼600㎛으로 용사한다.
산화방지코팅층의 두께가 50㎛ 미만일 경우, 상술한 세라믹 코팅층에 의한 효과가 보장되지 못하게 되며, 산화방지코팅층의 두께가 600㎛을 초과할 경우, 상술한 효과의 증대는 미미한 반면 과다한 세라믹코팅에 의해 작업시간 및 재료비가 낭비되는 문제점이 있다.
유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면에 마모방지코팅층이 코팅되는 동안 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 온도는 상승되는데, 가열된 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 변형이 방지되도록 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면이 냉각장치(미도시)로 냉각되어서 150∼200℃의 온도를 유지하도록 된다.
산화방지코팅층의 둘레에는 금속계 유리 석영 계통으로 이루어진 무수크롬산(CrO3)으로 이루어진 실링재가 더 도포될 수 있다. 무수크롬산은 무기실링재로써 크롬니켈 분말로 이루어진 코팅층 둘레에 도포된다.
무수크롬산(CrO3)은, 높은 내마모, 윤활성, 내열성, 내식성, 이형성을 필요로 하는 곳에 사용되며, 대기중이나 지중에서 변색이 안되고, 내구성이 크며, 내마모성과 내식성이 좋다. 실링재의 코팅 두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다. 실링재의 코팅두께가 0.3㎛ 미만이면 약간의 스크래치홈에도 실링재가 쉽게 파이면서 벗겨지게 되므로 상술한 효과를 얻을 수 없게 된다. 실링재의 코팅두께가 0.5㎛를 초과할 정도로 두껍게 하면 도금면에 핀홀(pin hole), 균열 등이 많게 된다. 따라서 실링재의 코팅두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다.
따라서 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면의 둘레에 내마모성 및 내산화성이 뛰어난 코팅층이 형성되므로 유체공급관(30) 및 유체회수관(40)의 외주면이 마모되거나 산화되는 것이 방지되고, 이에 따라 제품의 수명이 연장된다.
또한, 유체공급관(30), 유체회수관(40)과 열복원관(12)의 연결조인트(미도시)는 노듈러주철로 이루어질 수 있다. 이 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
노듈러주철은, 일반 회주철의 용탕에 마그네슘 등을 첨가하여 응고과정에서 흑연이 구상으로 정출된 주철이므로 회주철에 비하여 흑연의 형태가 구상이다. 이러한 노듈러주철은 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상된다.
본 발명의 연결조인트는 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
여기서, 노듈러주철을 1600℃ 미만으로 가열하면 전체 조직이 충분히 용융되지 못하며, 1650℃를 초과하여 가열시키면 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열하는 것이 바람직하다.
용융된 노듈러주철에는 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣는 바, 마그네슘이 0.3중량% 미만이면 구상화 처리제를 투입효과가 극히 미미해 지며, 0.7중량%를 초과하면 구상화 처리제의 투입효과가 크게 향상되지 않는 반면에, 고가의 재료비가 증가되는 문제점이 있다. 그러므로 구상화 처리제의 마그네슘 혼합비율은 0.3∼0.7중량% 정도가 적합하다.
용융된 노듈러주철에 구상화 처리제가 투입되면 이를 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한다. 구상화 처리 온도가 1500℃ 미만이면 구상화 처리가 제대로 이루어지지 않으며, 1550℃를 초과하면 구상화 처리 효과가 크게 개선되지 않는 반면에 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 구상화 처리 온도는 1500∼1550℃가 적합하다.
이와 같이 본 발명의 연결조인트가 노듈러주철로 이루어지므로 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상된다.
그리고, 컨트롤러의 케이스 둘레에는 외부 충격 또는 외부 환경에 대한 내충격성이 우수한 폴리프로필렌 수지 조성물이 도포될 수 있다. 이러한 폴리프로필렌 수지 조성물은 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 전술한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%인 것이 바람직한데, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체가 75중량% 미만이면 강성이 저하되고, 95중량%를 초과하면 내충격성이 저하되며, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 5중량% 미만이면 내충격성이 저하되고, 25중량%를 초과하면 강성이 저하된다.
상기 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체는 에틸렌 0.5~7중량% 및 탄소수가 4~5인 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물의 기계적 강성유지 및 내열성을 향상시키며 내백화성을 유지하는데 효과적인 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 0.5~5중량%이며, 더욱 바람직하게는 1~3중량%일 수 있으며, 0.5중량% 미만이면 내백화성이 저하되고, 7중량%를 초과하면 수지의 결정화도 및 강성이 저하된다. 또한, 상기 알파올레핀은 에틸렌 및 프로필렌을 제외한 임의의 알파올레핀을 의미하며, 바람직하게는 부텐이다. 또한, 전술한 알파올레핀은 탄소수가 4 미만이거나 5를 초과하면 랜덤 공중합체의 제조 시, 코모노머와의 반응성이 낮아 공중합체를 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 전술한 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 바람직하게는 1~10중량%이고, 더욱 바람직하게는 3~9중량%일 수 있다. 상기 알파올레핀은 1중량% 미만이면, 결정화도가 필요 이상으로 높아져 투명성이 저하되고, 15중량%를 초과하면 결정화도 및 강성이 저하되어 내열성이 현저히 낮아지는 문제점을 가진다.
또한, 상기 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 에틸렌 20~50중량%을 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물에 내충격적 특성을 부여하고 미세 분산이 가능하여 내백화성 및 투명성을 동시에 부여하는 역할을 한다. 이러한 에틸렌 함량은 바람직하게는 20~40중량%일 수 있으며, 20중량% 미만이면 내충격성이 저하되고 50중량%를 초과하면 내충격성 및 내백화성이 저하될 수 있다.
또한, 컨트롤러의 둘레에는 온도에 따라 색이 변화하는 온도변색층이 도포될 수 있다.
이 온도변색층은, 소정의 온도 이상이 되었을 때 색이 변하는 두 가지 이상의 온도변색물질이 컨트롤러의 표면에 코팅되어 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리됨으로써 단계적인 온도 변화를 판단할 수 있고, 온도변색층 위에는 온도변색층이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막층이 코팅된다.
여기서, 온도변색층은, 각각 40℃ 이상 및 60℃ 이상의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 코팅하여 형성될 수 있다.
온도변색층은 컨트롤러의 온도에 따라 색이 변화하여 도료의 온도 변화를 감지하기 위한 것이다. 이러한 온도변색층은 소정의 온도 이상이 되었을 때 색깔이 변하는 온도변색물질이 컨트롤러의 표면에 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
온도변색물질은 일반적으로 1~10㎛의 마이크로캡슐 구조로 구성되어 있고, 마이크로캡슐 내에 전자 공여체와 전자 수용체의 온도에 따른 결합 및 분리현상으로 인해 유색 및 투명색을 나타내도록 할 수 있다.
또한, 온도변색물질은 색의 변화가 빠르고, 40℃, 60℃, 70℃, 80℃, 등의 다양한 변색온도를 가질 수 있으며, 이러한 변색온도는 여러 방법으로 쉽게 조정될 수 있다. 이러한 온도변색물질은 유기화합물의 분자 재배열, 원자단의 공간 재배치 등의 원리에 의한 다양한 종류의 온도변색물질이 이용될 수 있다.
이를 위해, 온도변색층은 서로 다른 변색 온도를 가지는 두 가지 이상의 온도변색물질을 코팅하여 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 온도변색층은 상대적으로 저온의 변색온도를 갖는 온도변색물질과 상대적으로 고온의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40℃이상 및 60℃이상의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하여 온도변색층을 형성할 수 있다.
이를 통해, 컨트롤러의 온도 변화를 단계적으로 확인할 수 있어 도료의 온도변화를 감지할 수 있으며, 이에 따라 컨트롤러를 최적의 상태에서 운용할 수 있으며, 과열에 의한 컨트롤러의 손상을 미연에 방지시킬 수 있다.
보호막층은 온도변색층 위에 코팅되어서 외부의 충격으로 인해 온도변색층이 손상되는 것을 방지하며, 온도변색층의 변색 여부를 쉽게 확인함과 동시에 온도변색물질이 열에 약한 것을 고려하여 단열 효과를 가지는 투명 코팅재를 사용하는 것이 바람직하다.
1 : 지반 10 : 수직밀폐형지중열교환기
11 : 지열공 12 : 열복원관
13 : 입구 14 : 출구
20 : 히트펌프 30 : 유체공급관
40 : 유체회수관 50 : 열섬화방지부
51 : 토출공 52 : 수중펌프
53 : 토출라인 54 : 온도감지센서

Claims (4)

  1. 지중의 지열을 이용하기 위해 지반(1)에는 다수개의 지열공(11)들이 형성되고, 지열공(11)들에 순환유체가 진입된 후 배출되도록 U자형 열복원관(12)들이 설치되며, 순환유체가 U자형 열복원관(12)을 경유하는 동안 지열공(11) 내부와 열교환이 이루어지면서 냉각 또는 가열되는 다수의 수직밀폐형지중열교환기(10);
    건물에 설치되고 수직밀폐형지중열교환기(10)에 연결되어서 열복원된 순환유체가 공급되므로 지열공(11)들 내의 지열을 공급받아서 건물 내부를 냉방 또는 난방하는 히트펌프(20);
    수직밀폐형지중열교환기(10)의 출구(14)와 히트펌프(20)에 연결되어서 열복원된 순환유체가 히트펌프(20)로 공급되도록 안내하는 유체공급관(30);
    수직밀폐형지중열교환기(10)의 입구와 히트펌프(20)에 연결되어서 히트펌프(20)를 통과한 순환유체가 지열공(11) 측으로 유입되도록 안내하는 유체회수관(40);
    집단적으로 다수 설치된 수직밀폐형지중열교환기(10)들에 의해 발생되는 열섬화 현상을 방지하기 위해 수직밀폐형지중열교환기(10)들 사이에 설치되어서, 수직밀폐형지중열교환기(10)들에 의해 발생된 지중의 열섬화 현상을 방지시키는 열섬화방지부(50);
    지상에 설치되고 열섬화방지부(50)에 연결되어서 열섬화방지부(50)를 제어하는 컨트롤러를 포함하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 열섬화방지부(50)는,
    수직밀폐형지중열교환기(10)들이 배치된 공간 중앙 부위에 위치되고 지열공(11)의 길이방향을 따라 지중으로 형성되는 토출공(51)과,
    토출공(51) 내에 설치되고 토출공(51)으로 유입되는 지하수를 지상으로 펌핑하여서 지중의 지하수가 수직밀폐형지중열교환기(10)들 측으로 유입되도록 유도하며 컨트롤러에 연결되어서 이에 의해 제어되는 수중펌프(52)와,
    일단이 수중펌프(52)에 연결되고 타단이 지상에 연결되어서 토출공(51) 내의 지하수가 지상으로 배출되도록 안내하는 토출라인(53)과,
    토출공(51) 내에 설치되고 컨트롤러에 연결되며 토출공(51) 내의 지하수 온도가 세팅온도를 벗어나면 이를 감지하여서 수중펌프(52)가 구동되도록 하고 토출공(51) 내의 지하수 온도가 세팅온도 범위 내이면 수중펌프(52)가 정지되도록 하는 온도감지센서(54)로 이루어진 것을 특징으로 하는 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    토출공(51)은, 지열공(11)의 하단보다 30m 더 깊게 형성되며,
    수중펌프(52)는, 지열공(11)의 하단과 평행한 위치의 토출공(51) 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    열섬화방지부(50)의 토출라인(53)에는 함양정이 연결되어 있으며, 수중펌프(52)에서 토출된 지하수가 저장되는 것을 특징으로 하는 지중온도에 따라 자동 운전되는 열섬화 방지장치를 구비한 집단형 수직밀폐형지열시스템.
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