KR101541781B1 - Pcm 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기 및 그의 시공 방법 - Google Patents

Abstract

PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기는, 가운데 중공이 형성되어 있고, 지중에 설치되는 파일; 열교환 매체가 담겨 있고, 상기 파일의 중공 내에 배치되는 열교환 파이프; 및 상기 열교환 파이프와 상기 중공 내면 사이에 채워져서 상기 열교환 매체와 열교환을 수행하는 그라우트를 포함하고, 상기 그라우트는 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함한다. 이에 따라, 고효율의 지중열 교환기를 제공할 수 있다.

Description

PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기 및 그의 시공 방법{GROUND HEAT EXCHANGER USING PHASE CHANGE MATERIALS FUSED GROUT AND METHOD FOR CONSTRUCTING THE SAME}

본 발명은 PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기 및 그의 시공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지중열 펌프 시스템에 적용하기 위한 PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기 및 그의 시공 방법에 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 자원 중에서, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등을 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.

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

지열 에너지는 사용하는 깊이와 온도에 따라 직접이용(direct use)과 간접이용(indirect use) 기술로 분류할 수 있으며, 지열 에너지의 직접이용 기술 중 가장 큰 부분을 차지하는 기술이 지열 열펌프 시스템(geothermal heat pump system)이다. 건물 신재생에너지 설비로 많은 관심을 받고 있는 지열 열펌프 시스템은 크게 지중열 교환기(ground heat exchanger)와 지열 열펌프 유닛(geothermal heat pump unit)으로 구성된 냉난방 겸용 시스템이다.

또한, 외기에 거의 영향을 받지 않는 지중의 항온성을 활용하기 때문에 효율이 높은 시스템으로 간주되고 있다. 국내는 주로 수직형 지열 열펌프 시스템을 사용하며, 이 시스템의 핵심은 열펌프와 지중열 교환기로 볼 수 있다. 여기서 지중열 교환기는 U자 형상의 폴리에틸렌 파이프를 보어홀에 삽입한 다음, 파이프와 보어홀 사이의 빈 공간을 그라우팅 재료로 채움으로써 완성된다. 이때, 적절한 열전도를 가지며, 동시에 수리전도도(투수도)가 작은 재료로 빈 공간을 채우는 그라우팅이 지중열 교환기 성능에 가장 핵심적인 요소라고 할 수 있다.

그러나, 종래 사용되는 콘크리트나 벤토나이트와 같은 그라우팅 재료는 지중의 열을 전달받는 열전달 효율이 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 따른다.

KR 10-2009-0108795 A KR 10-2012-0002714 A

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 온도 및 채열량을 극대화할 수 있는 PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 지중열 교환기의 시공 방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 PCM 융합 그라우트를 적용한 지중열 교환기는, 가운데 중공이 형성되어 있고, 지중에 설치되는 파일; 열교환 매체가 담겨 있고, 상기 파일의 중공 내에 배치되는 열교환 파이프; 및 상기 열교환 파이프와 상기 중공 내면 사이에 채워져서 상기 열교환 매체와 열교환을 수행하는 그라우트를 포함하고, 상기 그라우트는 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 그라우트는 제2 그라우트재를 더 포함하고, 상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래 및 콩자갈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 그라우트는 상기 제1 그라우트재 및 상기 제2 그라우트재가 교번적으로 적층될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 그라우트는 상기 제1 그라우트재 및 상기 제2 그라우트재가 혼합되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 열교환 파이프는 이중 원통 구조로 형성되어, 내부에 열교환 매체가 담겨 있고, 길이 방향 중앙에 형성된 코어부; 및 상기 코어부를 감싸며 상안정 상변화 물질이 담겨 있는 클래딩부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 클래딩부는 길이 방향으로 상기 상안정 상변화 물질을 고정하는 적어도 하나의 격벽을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 상안정 상변화 물질은 폴리머에 상변화 물질을 혼합하여 형성된 상변화 물질, 캡슐레이션된 상변화 물질 및 상변화 물질을 다공성 물질에 함침시켜 형성된 상변화 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 지중열 교환기의 시공 방법은, 상기 중공에 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함하는 그라우트를 타설하는 단계; 및 상기 그라우트가 타설된 중공에 열교환 매체가 담겨 있는 열교환 파이프를 설치하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 그라우트를 타설하는 단계는, 상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 교번적으로 적층할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 그라우트를 타설하는 단계는, 상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 혼합하여 형성한 그라우트재를 타설할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래 및 콩자갈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 열교환 파이프를 설치하는 단계는, 코어부에 열교환 매체가 담겨 있고, 클래딩부에 상안정 상변화 물질이 담겨 있는 이중 원통 구조로 형성된 열교환 파이프를 설치할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 상안정 상변화 물질을 지중열 교환기의 그라우트 재료로 사용하여 상변화 과정에서 액체로 변환된 PCM이 유출되는 문제점을 해결하고, 높은 열전도율을 확보할 수 있다. 따라서, 지중열 온도를 안정화시키고, 지중열 교환기의 열효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지중열 펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 지중열 교환기가 지중에 설치되어 있는 상태를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 이중 열교환 파이프의 수직 방향 및 길이 방향의 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 적용되는 SSPCM의 예들이다.
도 8은 본 발명에 따른 지중열 교환기의 열효율 향상을 보여주기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중열 교환기의 시공 방법의 순서도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 지중열 펌프 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1의 지중열 교환기가 지중에 설치되어 있는 상태를 보여주는 단면도이다.

건물 신재생에너지 설비로 많은 관심을 받고 있는 지중열 펌프 시스템은 크게 지중열 교환기(ground heat exchanger)와 지열 열펌프 유닛(geothermal heat pump unit)으로 구성된 냉난방 겸용 시스템이다. 지중열 펌프 시스템은 외기에 거의 영향을 받지 않는 지중의 항온성을 활용하기 때문에 효율이 높은 시스템으로 간주되고 있다. 그러나, 하절기 방열로 인한 지중온도 상승 및 동절기 채열로 인한 지중온도 하강으로 시스템 효율 급격히 감소되기 때문에, 본 발명에서는 PCM(Phase Change Materials)을 활용하여 지중열 교환기의 온도 및 채열량을 극대화한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 지중열 펌프 시스템(1)은, 지중에 매립 설치된 지중열 교환기(10)를 포함한다. 상기 지중열 교환기(10)는 가운데 중공이 형성되어 있고, 지중에 설치되는 파일(30), 열교환 매체가 담겨 있고, 상기 파일의 중공 내에 배치되는 열교환 파이프(100) 및 상기 열교환 파이프(100)와 상기 중공 내면 사이에 채워져서 상기 열교환 매체와 열교환을 수행하는 그라우트(200)를 포함한다. 상기 지중열 교환기(10)는 상기 파일(30) 내부에 형성되어 상기 열교환 파이프(100) 및 상기 그라우트(200)를 컨테이너(200)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 지중열 펌프 시스템(1)은, 건물의 냉난방을 위한 냉난방 유체(냉난방 유체는 액체일 수도 있고 기체일 수도 있다)가 순환하는 열교환 파이프(100)가 연결된 냉난방 유체 간의 열교환이 이루어지는 냉난방용 히트펌프(20)를 포함할 수 있다. 상기 열교환 파이프(100)의 관내에는 유체 흐름을 차단하거나 개방하도록 필요한 위치에 밸브가 구비될 수가 있다.

또한, 상기 지중열 펌프 시스템(1)은, 시간이 지나감에 따라 소실되어 가는 지중열을 복원하기 위하여 태양열 집열판(미도시)과 축열조(미도시)가 더 구비될 수 있다. 도면에서는 생략되었으나, 상기 파일(30) 내부와 연결되는 배출관, 순환 파이프 등이 더 설치될 수 있다.

상기 지중열 교환기(10)의 시공을 위해, 지중에 천공홀을 형성한 후 건축물의 하중을 안전하게 지반에 전달하는 목적으로 설치되는 기초재로서, 파일(30, 말뚝)을 설치한다. 상기 천공홀을 형성하는 방법은 LW 공법, SGR 공법 및 JSP 공법 등을 사용할 수 있다.

상기 파일(30)은 가운데 중공(11)이 형성되며, PHC 파일을 사용할 수 있다. 상기 파일(30) 내부에는 컨테이너(200)가 더 설치될 수 있다. 상기 열교환 파이프(100)가 상기 컨테이너(200)의 상면을 통과한 상태에서 상기 컨테이너(200)의 상면은 밀봉되어야 하며, 밀봉 방법으로는 관과 상면 간의 융착을 이용할 수 있다.

상기 열교환 파이프(100)은 자체 탄성을 가지며, U자 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 코일 형상, 일자 형상, 지그재그 형상 등 다양한 형태로 변형될 수 있다.

상기 열교환 파이프(100)는 상기 컨테이너(200) 내부 또는 상기 파일(30)의 중공(11)에 배치될 수 있다. 상기 컨테이너(200)의 외면과 중공(11)의 내면 사이의 간격에는, 지반과의 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 그라우트(300)가 채워진다. 상기 컨테이너(200)의 외면과 중공(11)의 내면 사이의 간격에 그라우트(300)를 채울 때에는, 열 전달이 원활하게 되도록 하기 위하여 그라우트(300) 내에 공극이 없도록 다짐작업을 실시할 수 있다.

또한, 상기 열교환 파이프(100)가 형성된 이외의 공간인, 상기 컨테이너(200) 또는 상기 파일(30)의 내부 공극(22)에도 역시 그라우트(300)가 채워져 열적효율을 높일 수 있다.

상기 그라우트(300)가 채워진 후, 상기 파일(30)의 상부에는 마감 캡(13)이 설치되어 상기 파일(30)의 중공(11)을 폐쇄하게 된다. 물론 열교환 파이프(100)는 상기 마감 캡(13)을 관통하여 상기 파일(30)의 외부로 연장된다. 상기 마감 캡(13)은, 상기 관이 통과할 수 있는 통과 구멍이 형성되며 중공(11)을 폐쇄하는 판부재로 이루어질 수 있다.

상기 지중열 교환기(10)는 지중열 펌프 시스템(1) 전체 공사비의 50%를 차지할 정도로 많은 비용이 소요되는 부분이며, 지중열 펌프 시스템(1) 성능을 좌우하는 중요한 부분이다. 그라우트는 천공홀과 상기 지중열 교환기(10)의 열교환 파이프(100) 사이의 공극을 채우는 재료로 지중열 펌프 시스템(1) 전체 공사비의 2 내지 3%를 차지하지만 그라우트의 열전도도를 0.7 W/mk에서 1.4 W/mk로 2배가량 증가하면 지중열전도도는 약 15%가량 증가하며, 지중열 펌프 시스템(1)에 소요되는 총 지중열 교환기(10)의 길이는 30%이상 절감할 수 있을 정도로 중요한 부분이다.

본 발명은 연중 일정한 지중온도를 확보하고 잠열을 이용한 축열이 가능한 지중열 펌프 시스템을 개발하기 위하여, 그라우트에 상변화 물질(Phase Change Materials; PCM)을 적용한다. 상변화 물질의 이용은 물질이 상변화할 때 온도변화 없이 많은 열의 출입이 발생하는 특성을 이용하는 것으로서, 주변의 온도가 상승하면 녹으면서 열을 흡수하고 주변의 온도가 낮아지면 결정화 하면서 열을 방출하는 축열과 방열을 반복하는 물질이다.

PCM의 축열효과를 이용하여 타 열원과 병용 시 지중열 교환기의 온도 및 채열량을 극대화 할 수 있으므로, 본 발명에 따른 지중열 펌프 시스템(1)은 열교환 효율 및 채열량을 극대화하기 위하여 PCM을 적용한다. PCM 적용을 통하여 지중온도를 효율적으로 안정화 시키면, 장기 운전시의 시스템 성능을 기존 시스템 대비 30%이상 향상시킬 수 있으며 중공 1공당 채열량을 극대화하여 시스템의 경제성 향상을 도모할 수 있다.

그러나, PCM은 상변화 과정에서 액체로 변환된 PCM이 유출되는 문제점이 있고 낮은 열전도율이 문제되어 그 자체로 그라우트재로 적용할 수 없기 때문에, 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 그라우트재로 활용한다.

이하에서는, 상안정 상변화 물질을 그라우트재로 활용하는 본 발명의 실시예들에 대해서 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다.

본 실시예에서 그라우트는 SSPCM을 포함하는 제1 그라우트재(310)와 상기 제1 그라우트재(310)와 다른 제2 그라우트재(320)를 교번적으로 적층하여 형성된다. 상기 제2 그라우트재(320)는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래, 콩자갈 등으로 형성될 수 있고, 이에 한정되지 않고 공지된 그라우트재를 모두 포함할 수 있다.

시공 시에는 지중에 설치된 상기 파일(30)의 천공홀 또는 상기 컨테이너(200)의 중공에 상기 제1 그라우트재(310) 및 상기 제2 그라우트재(320)를 타설한 후 상기 열교환 파이프(100)를 매설할 수 있다. 그러나, 이와 반대로 상기 열교환 파이프(100)를 상기 파일(30)의 천공홀 또는 상기 컨테이너(200)의 중공에 설치 후 상기 제1 그라우트재(310) 및 상기 제2 그라우트재(320)를 타설할 수도 있다. 또한, 상기 제1 그라우트재(310) 및 상기 제2 그라우트재(320)의 적층과 동시에 상기 열교환 파이프(100)의 매설이 이루어질 수도 있을 것이다.

상기 제1 그라우트재(310) 및 상기 제2 그라우트재(320)의 적층 순서는 서로 바뀌어도 무방하며, 각 구간의 적층 높이는 필요에 따라 조절 가능하다. 본 실시예에 따라 SSPCM을 포함하는 제1 그라우트재(310)와 상기 제2 그라우트재(320)를 적층하여 그라우트를 형성함으로써, SSPCM이 누출되지 않는 동시에 열전도율을 높일 수 있다. 또한, 지중 온도가 상층부와 하층부가 다름을 이용하여 용융점이 다른 SSPCM을 각 구간마다 적절하게 적용함에 따라 축열 성능을 최대로 끌어올릴 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다.

본 실시예에서 그라우트는 SSPCM을 포함하는 제1 그라우트재와 상기 제1 그라우트재와 다른 제2 그라우트재를 혼합하여 형성된다. 상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래, 콩자갈 등으로 형성될 수 있고, 이에 한정되지 않고 공지된 그라우트재를 모두 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 그라우트재에 상기 제2 그라우트재를 함침하여 혼합 그라우트재(330)를 제조할 수 있다. 이는 SSPCM이 콘크리트의 잔골재로 적용되는 것과 비슷한 원리이다.

시공 시에는 지중에 설치된 상기 파일(30)의 천공홀 또는 상기 컨테이너(200)의 중공에 상기 혼합 그라우트재(330)를 타설한 후 상기 열교환 파이프(100)를 매설할 수 있다. 그러나, 이와 반대로 상기 열교환 파이프(100)를 상기 파일(30)의 천공홀 또는 상기 컨테이너(200)의 중공에 설치 후 상기 혼합 그라우트재(330)를 타설할 수도 있다. 또한, 혼합 그라우트재(330)의 적층과 동시에 상기 열교환 파이프(100)의 매설이 이루어질 수도 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지중열 교환기의 SSPCM 그라우트재의 적용을 보여주기 위한 도면이다. 도 6은 도 5의 이중 열교환 파이프의 수직 방향 및 길이 방향의 단면도들이다.

본 실시예에서 그라우트재(340)는 SSPCM을 포함할 수 있으며, 열교환 파이프(100)가 이중 원통 구조로 형성되어, 외부 파이프 내부에 SSPCM이 채워질 수 있다.

도 6a를 참조하면, 도 5의 열교환 파이프(100)의 수직 방향의 단면도로서, 내부에 열교환 매체가 담겨 있고, 길이 방향 중앙에 형성된 코어부(110) 및 상기 코어부(110)를 감싸며 SSPCM이 채워진 클래딩부(130)를 포함한다. 상기 코어부(110)에 채워진 열교환 매체는 유동하는 기체 또는 유체일 수 있으며, 예를 들어 온수일 수 있다. 상기 클래딩부(130)에 채워진 SSPCM는 유동할 필요가 없으므로, 적어도 하나의 격벽을 포함한다.

도 6b를 참조하면, 도 5의 열교환 파이프(100)의 길이 방향의 단면도로서, 상기 클래딩부(130)는 SSPCM을 담고 있는 SSPCM 구간(130a)과 상기 SSPCM의 고정을 위한 격벽(130b)을 포함한다.

상기 설명한 바와 같이, 본 발명은 열전도율이 높은 SSPCM을 다른 그라우트재와 혼합함으로서 고축열, 고열전도의 특징을 가진 PCM 융합 그라우트를 적용한다. 이를 통하여 최종적으로 지중열 펌프 시스템의 채열량 확보와 더불어 열효율을 향상시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 적용할 수 있는 SSPCM의 예를 보여준다.

도 7(a)는 폴리머와의 결합을 통한 SSPCM 제조로서, 폴리머에 PCM을 혼합하여 SSPCM을 만든 것이고, 도 7(b)는 캡슐레이션을 통한 PCM 상안정화로서, 캡슐화 형태의 PCM으로서 캡슐 내부에 PCM이 존재하며, 외부에는 실리카 등 다양한 물질이 PCM을 싸는 역할을 한다.

도 7(c)는 밀가루 반죽에 물이 새지 않는 것처럼 PCM을 다공성 물질 등에 함침시킴으로써 제조된 SSPCM이다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 다양한 형태의 SSPCM을 제조하고, 지중열 교환기에 적용할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 지중열 교환기의 열효율 향상을 보여주기 위한 개념도이다.

본 발명은 지중열 교환기에 SSPCM을 적용하여 지중 온도를 효율적으로 안정화 시키고, 장기 운전시의 지중열 펌프 시스템 성능을 기존 시스템 대비 30%이상 향상시킬 수 있다. 이에, 1 중공당 채열량을 극대화하여 지중열 펌프 시스템의 경제성 향상을 도모할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지중열 교환기의 시공 방법의 순서도이다.

먼저 중공이 형성된 파일 또는 컨테이너를 건축물 시공에 따른 기초 위치에 매입한다(단계 S110).

상기 중공에 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함하는 그라우트를 파일의 천공홀 또는 컨테이너의 중공에 타설한다(단계 S130).

상기 그라우트를 타설하는 단계(단계 S130)는, 상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 교번적으로 적층할 수 있다. 상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래, 콩자갈 등을 포함할 수 있다.

다른 예로서, 상기 그라우트를 타설하는 단계(단계 S130)는, 상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 혼합하여 형성한 그라우트재를 타설할 수 있다.

상기 그라우트가 타설된 중공에 열교환 매체가 담겨 있는 열교환 파이프를 설치한다(단계 S150).

상기 열교환 파이프를 설치하는 단계(단계 S150)는, 코어부에 열교환 매체가 담겨 있고, 클래딩부에 상안정 상변화 물질이 담겨 있는 이중 원통 구조로 형성된 열교환 파이프를 설치할 수 있다.

본 실시예에서는 상기 그라우트를 파일의 천공홀 또는 컨테이너의 중공에 타설한 후 상기 열교환 파이프를 설치하였으나, 이와 다르게 상기 열교환 파이프를 파일의 천공홀 또는 컨테이너의 중공에 삽입한 후 상기 그라우트를 채울 수도 있다. 또한, 그라우트의 타설 정도에 따라 상기 파이프를 단계적으로 설치할 수도 있다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

지중열 펌프 시스템의 열효율이 향상된다면 신재생 관련 건축시장의 활성화와 더불어 지열을 주로 이용하는 우리나라의 경우, 상당한 에너지 절약과 경제적 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 현재 PCM과 관련한 국내 연구 및 시장은 크게 형성되어 있지 않으며, 지중열 펌프 시스템 적용을 위하여 PCM 융합 그라우트 개발에 대한 연구는 미미한 것으로 분석된다. 국내에서 활용이 가능한 신재생에너지 자원 중 지열이 가지고 있는 잠재성은 매우 크다. 최근 지중열 펌프 시스템에 대한 관심과 연구가 커지고 있으며, PCM 융합 그라우트재의 개발에 따라 관련 시장이 매우 커질 것으로 전망한다.

1: 지중열 펌프 시스템 10: 지중열 교환기
11: 중공 13: 마감 캡
20: 히트펌프 30: 파일
100: 파이프 200: 컨테이너
300: 그라우트

Claims (12)

1. 가운데 중공이 형성되어 있고, 지중에 설치되는 파일;
   열교환 매체가 담겨 있고, 상기 파일의 중공 내에 배치되는 열교환 파이프; 및
   상기 열교환 파이프와 상기 중공 내면 사이에 채워져서 상기 열교환 매체와 열교환을 수행하는 그라우트를 포함하고,
   상기 그라우트는 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함하고,
   상기 그라우트는 제2 그라우트재를 더 포함하고,
   상기 그라우트는 상기 제1 그라우트재 및 상기 제2 그라우트재가 교번적으로 적층된 지중열 교환기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래 및 콩자갈 중 적어도 하나를 포함하는 지중열 교환기.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 그라우트는 상기 제1 그라우트재 및 상기 제2 그라우트재가 혼합되어 형성된 지중열 교환기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 열교환 파이프는 이중 원통 구조로 형성되어,
   내부에 열교환 매체가 담겨 있고, 길이 방향 중앙에 형성된 코어부; 및
   상기 코어부를 감싸며 상안정 상변화 물질이 담겨 있는 클래딩부를 포함하는 지중열 교환기.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 클래딩부는 길이 방향으로 상기 상안정 상변화 물질을 고정하는 적어도 하나의 격벽을 포함하는 지중열 교환기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 상안정 상변화 물질은 폴리머에 상변화 물질을 혼합하여 형성된 상변화 물질, 캡슐레이션된 상변화 물질 및 상변화 물질을 다공성 물질에 함침시켜 형성된 상변화 물질 중 적어도 하나를 포함하는 지중열 교환기.
   
8. 가운데 중공이 형성된 파일을 지중에 설치하는 단계;
   상기 중공에 상안정 상변화 물질(Shape stabilized Phase Change Materials; SSPCM)을 포함하는 제1 그라우트재를 포함하는 그라우트를 타설하는 단계; 및
   상기 그라우트가 타설된 중공에 열교환 매체가 담겨 있는 열교환 파이프를 설치하는 단계를 포함하고,
   상기 열교환 파이프를 설치하는 단계는,
   코어부에 열교환 매체가 담겨 있고, 클래딩부에 상안정 상변화 물질이 담겨 있는 이중 원통 구조로 형성된 열교환 파이프를 설치하는 지중열 교환기의 시공 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 그라우트를 타설하는 단계는,
   상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 교번적으로 적층하는 지중열 교환기의 시공 방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 그라우트를 타설하는 단계는,
    상기 제1 그라우트재 및 제2 그라우트재를 혼합하여 형성한 그라우트재를 타설하는 지중열 교환기의 시공 방법.
    
11. 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 그라우트재는 벤토나이트, 시멘트, 콘크리트, 토사, 모래 및 콩자갈 중 적어도 하나를 포함하는 지중열 교환기의 시공 방법.
    
12. 삭제

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