KR101576690B1 - 지중 열교환장치의 누수보수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 지중열교환 장치의 누수보수방법은 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프를 다수개 포함하고 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 지중열교환장치에서, 상기 지열교환기의 열교환파이프에 담긴 열전달 유체가 누수되는 경우에, 누수보조제를 상기 열교환파이프에 투입하는 것을 특징으로 한다.

Description

지중 열교환장치의 누수보수 방법{the method of conversation of water leak of Geothermal Exchanger}

본 발명은 지중 열교환장치의 누수보수 방법에 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 때문

에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.

근래에는 현장 타설 말뚝을 제작할 때, 그 내부에 열교환파이프를 매설하여 말뚝을 제작하는 방법이 사용되고 있는데, 이에따라 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 대기온도보다는 높은 온도를 갖고 있으므로 가능하게 되는데, 냉방의 경우 지열이 실내의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열됨으로 난방을 할 수 있게 된다.

냉난방은 히트펌프에 설치된 스위치 조작을 통하여 열전달 유체의 흐름방향을 바꾸어 줌으로서 냉방과 난방모드를 간단하게 전환시킬 수 있다.

그러나, 열교환파이프에 주입되어 순환하는 열전달 유체는 장기 운전 중에 손실 없이 운전이 되어야 하나, 열교환파이프에 일부 누수 현상이 발생되는 경우에는 열전달 유체의 손실이 발생하여 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 이렇게 누수현상이 발생할 경우에, 이를 개별적으로 보수할 수 있는 방법이 없어, 누수되는 열교환파이프를 폐쇄하거나, 전체를 교환하여야하는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 열교환파이프의 내부에 주입되어 운전되는 열전달 유체의 누수 현상이 발생시 이를 쉽게 보수할 수 있는 지중 열교환장치의 누수보수 방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 지중열교환 장치의 누수보수방법은 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프를 다수개 포함하고 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 지중열교환장치에서, 상기 지열교환기의 열교환파이프에 담긴 열전달 유체가 누수되는 경우에, 누수보조제를 상기 열교환파이프에 투입하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 누수보조제는 세라믹성분의 접착성 액체와 구리분말을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 열교환파이프의 내부에 주입되어 운전되는 열전달 유체의 누수 현상이 발생시 이를 쉽게 보수할 수 있는 지중 열교환장치의 누수보수 방법을 제공하였다.

도 1은 본 발명에 의한 지중 열교환장치에서 이용되는 지열교환기의 일례에 대한 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 지중 열교환 장치는 지열교환기와, 히트펌프를 포함하는바, 히트펌프는 종래의 일반적인 히트펌프를 채용할 수 있다.

본 발명에서 이용되는 지열교환기는 지중으로 파일(10)을 다수개 매설하고, 이 파일(10)의 내부에 열교환파이프(30)를 설치할 수 있다.

여기서, 파일(10)은 건축물의 기초공사시 기초에서 받은 하중을 지반까지 연결하는데 사용되는 것으로서 지반의 구조와 건물의 크기에 따라서 파일의 길이 및 간격을 조절하여 설치할 수 있다.

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 열교환파이프(30)의 훼손 및 시공 불량을 일차적으로 방지할 수 있다.

본 발명은 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.

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.

특히 본 발명에서는 상기 열교환파이프(30)의 지상 임의의 지점에 열전달 유체의 압력을 측정할 수 있는 유압측정기(P)를 설치하여, 열전달 유체의 유압을 측정함으로써, 누수가 되지 않는 정상적인 상태에서의 유압 상태에서 운전되다가, 열교환파이프(30)에 누수가 발생하는 경우에 열전단 유체가 누수됨으로써 발생되는 유압의 저하를 체크함으로써 열교환파이프에 누수가 발생되었음을 쉽게 검색할 수 있는 것이다.

이 때, 상기 유압측정기는 다수의 열교환파이프(30)마다 개별적으로 설치함으로써, 다수의 열교환파이프(30) 중에서 누수가 발생되는 열교환파이프(30)를 개별적으로 선별하여 교환 및 수리를 할 수 있는 것이다.

이렇게 열교환파이프(30)에서 열전달 유체의 누수가 검색된 경우에는 누수되는 열교환파이프에 누수보조제를 투입함으로써, 누수보조제를 포함하는 열전달 유체가 열교환파이프(30)의 내부를 통과하다가 열교환파이프(30)의 누수되는 영역에서 외부로 유출되면서 외부의 온도 및 압력에 의하여 경화됨으로써 누수되는 영역이 보수되도록 할 수 있다.

이 때, 상기 누수보조제는 세라믹성분의 접착성 액체와 구리분말을 포함함으로써, 누수되는 영역에서 열교환파이프(30)의 외부로 상기 세라믹 성분의 접착성 액체와 구리분말이 유출되면서 이들이 경화를 일으키는 원리에 의하여 누수를 보수할 수 있는 것이다.

10 : 파일, 20 : 지중, 30 : 열교환파이프, 40 : 그라우트, P : 유압측정기

Claims (2)

1. 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 담긴 열교환파이프를 다수개 포함하고 지중에 매설되는 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 지중열교환장치에서,
   다수의 상기 열교환파이프 각각에 구비되어 상기 열교환파이프 각각의 유압의 저하를 체크하는 유압측정기를 더 포함하고,
   상기 지열교환기의 열교환파이프에 담긴 열전달 유체가 누수되어 상기 열교환파이프의 유압의 저하가 체크되는 경우에, 누수보조제를 상기 열교환파이프에 투입하는 것을 특징으로 하는 지중열교환장치의 누수보수방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 누수보조제는 세라믹성분의 접착성 액체와 구리분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환장치의 누수보수방법.

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