KR101606417B1 - 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법 - Google Patents

희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법 Download PDF

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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode Method)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치함으로써 지중 열교환 시스템의 수명 동안 희생양극의 추가적인 보충이 필요가 없으며, 또한, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 제공된다.

Description

희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법{Method for preventing corrision of ground heat exchange system using sacrificial anode}
본 발명은 지중에 매설되는 배관이나 파이프의 부식을 방지하기 위한 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode Method)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 예를 들면, 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우, 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 것과 같이, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없어 정확한 교체시기를 알 수 없고, 그로 인해 희생양극의 보충시기를 놓치게 되면 금속 배관에 부식이 발생할 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 단점을 해결하기 위해, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 더하여, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 관한 것이다.
최근, 지하자원의 고갈 및 환경오염 문제가 대두되면서, 기존의 석탄이나 석유와 같은 화석연료를 대체하기 위한 대체에너지의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
즉, 최근에는, 예를 들면, 땅 속의 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 지중 열교환 시스템이 많이 사용되고 있으며, 이러한 지중 열교환 시스템은, 일반적으로, 크게 나누어, 지중에 HDPE 등과 같은 비금속 배관을 매설하여 물을 순환시는 방식과, 동파이프와 같은 금속 배관을 지중에 매설하여 프레온과 같은 냉매를 순환시킴으로써 땅속의 지열을 순환시키는 방식으로 구분된다.
여기서, 상기한 바와 같이 금속 배관을 지중에 매설하여 냉매를 순환시키는 방식을 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환시스템이라 하며, 이와 같이 금속 파이프를 지하에 매설하는 경우는 시간이 지남에 따라 금속 표면에 부식이 발생하게 되므로, 매설된 파이프뿐만 아니라 시스템 전체의 수명을 늘리기 위하여 지하에 매설된 배관의 부식을 방지하기 위한 방식처리가 수행된다.
즉, 지하에 매설된 금속 파이프의 부식을 방지하기 위한 대표적인 방법으로는, 예를 들면, 희생양극법(Sacrificial Anode Method)과 외부전원법(Cathodic Protection Method)이 있으며, 먼저, 희생양극법은, 보호하고자 하는 금속보다 부식이 잘 되는 금속을 희생양극으로 사용하여 금속 파이프의 부식을 방지하는 방법이다.
또한, 외부전원법은, 배관 등의 금속에 외부에서 인위적으로 전류(방식전류)를 유입시키면 전위가 높은 음극부에 전류가 유입되어 음극부의 전위가 차차 저하되다가 음극부의 전위와 양극부의 전위가 같아지게 되고, 그 결과, 금속 표면에 형성된 부식전류가 자연히 소멸되고 부식이 정지되어 배관 등의 금속은 완전한 방식상태에 있게 되는 원리를 이용한 것으로서, 이때, 국부 양극과 동전위가 되는 국부 음극의 전위를 부식전위라 하고, 방식전위에 도달하기 위하여 필요한 전류를 방식전류라 하며, 아울러, 방식전류밀도란 실제 음극방식에 필요한 단위면적당 전류를 말한다.
더 상세하게는, 희생양극법은, 크게 나누어, 마그네슘 양극(Mg-Anode) 방식과, 알루미늄 양극(Al-Anode) 방식 및 아연양극(Zn - Anode) 방식이 있다.
먼저, 마그네슘 양극(Mg-Anode) 방식은, 일반 토양과 담수 계통의 희생양극식 전기방식에서 담수 및 일반 토양은 토양비저항 및 해수 저항이 크기 때문에 알루미늄이나 아연을 사용할 수 없으므로, 철에 대한 유효 전위차 크고 전기화학적 당량이 큰 마그네슘 양극(Mg-Anode)을 사용하는 방법이다.
즉, 마그네슘 양극(Mg-Anode)은 지하배관과 소규모 탱크 방식에 사용되며, 양극을 한곳에 집중적으로 설치하여 설치 개소를 줄여서 설치하는 집중식(BED식)과, 관로와 병행하여 등간격으로 배분하여 설치하는 분배식(DISTRIBUTION식)이 있다.
또한, 알루미늄 양극(Al-Anode) 방식은, 해수 중 염분의 농도, 용존 산소의 농도, 불순물의 양, 유속, 온도 등에 의해 해수 중의 금속체가 치명적인 부식환경에 노출되는 것을 감안하여, 기전력이 큰 저전위 금속을 방식대상 금속과 전기적으로 연결하여 방식전류를 공급하여 부식 진행을 방지 및 예방하는 방법이다.
이때, Al은 주로 합금 상태로 사용되고, 합금의 종류는 Al-Zn-Hg계, Al-Zn-In-Cd계, Al-Zn-In-Sn계, Al-Zn-Mg-In-Ca계 등이 있으며, 순수한 알루미늄이 사용되지 않는 이유는 순수한 Al은 쉽게 산화되어 부동태화 하기 때문에 합금 상태로 사용된다.
아울러, 아연양극(Zn - Anode) 방식은, 철강 등의 피복 재료나 전기 방식용 유전 양극으로서 광범위하게 사용되고 있으며, 아연 양극은 희생양극식 전기 방식에 사용되는 양극 중 효율이 가장 우수하지만, 알루미늄에 비해 비중이 크고 재질의 강도가 약하여 수명이 긴 대형 제품에는 적합하지 않은 단점이 있으나, 충격시 아크가 발생하지 않으므로 인화성 가스가 발생하는 지역에 사용하기 적합하며, 해양 구조물, 지하배관, 저장탱크에 적용되는 해수, 해토 등에 사용되고 육토에서는 양극 주위를 백필하여 사용한다.
여기서, 상기한 바와 같은 기존의 희생양극법을 이용한 부식방지방법에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0540392호에 제시된 "부식방지용 콘트롤밸브"에 따르면, 콘트롤밸브의 결합부분에 희생양극을 직접 또는 전선을 이용해 연결하여 콘트롤밸브에 발생되는 부식전류를 희생양극으로 유도하여 부식되게 함으로써 밸브의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 기술내용이 제시된 바 있고, 한국 등록실용신안공보 제20-0347880호에 제시된 "부식방지 장치"에 따르면, 희생 양극을 부식 대상물에 직접 연결하지 않고 전선을 이용하여 연결함으로써 부식 대상물의 부식을 효과적으로 방지하도록 하는 기술내용이 제시된 바 있다.
더욱이, 한국 등록특허공보 제10-0523331호에 제시된 "기준전극이 제거된 해양구조물용 강제전류인가 방식장치"에 따르면, 선박과 같은 해양구조물에서 별도의 수밀용 장치를 이용하여 설치되는 기준전극이 필요 없게 되어 설치비를 줄일 수 있는 기술내용이 제시된 바 있고, 한국 등록특허공보 제10-1071353호에 제시된 "내부식성이 우수한 조립식 강 구조물 교각의 설치방법"에 따르면, 교각 외부 표면을 전기 방식 공법으로 음분극시켜 교각의 외부면의 부식을 방지시키는 기술내용이 제시된 바 있다.
그러나 종래의 희생양극법은, 예를 들면, 마그네슘 양극과 같은 희생양극 물질이 모두 소모되면 배관에 이상이 없어도 매몰 배관에 대한 전기방식 공사를 다시 수행하여 마그네슘을 새로 설치해야 하는 불편함이 있고 그에 따라 유지보수 비용도 증가하는 문제가 있었다.
즉, 종래의 희생양극법은, 예를 들면, 최초 설치시 예상하지 못한 어떠한 이유로 인해 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우, 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 것과 같이, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없어 정확한 교체시기를 알 수 없고, 그로 인해 희생양극의 보충시기를 놓치게 되면 금속 배관에 부식이 발생할 우려가 있는 문제가 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 부식방지를 위한 희생양극 물질을 주기적으로 다시 보충할 필요가 없도록 하여 효과적으로 지중 금속 배관의 부식을 방지할 수 있는 동시에, 잦은 유지보수로 인한 불편함 및 운영비용을 감소할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-0540392호 (2005.12.26.)
2. 한국 등록실용신안공보 제20-0347880호 (2004.04.06.)
3. 한국 등록특허공보 제10-0523331호 (2005.10.14.)
4. 한국 등록특허공보 제10-1071353호 (2011.09.30.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode Method)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 예를 들면, 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우, 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 것과 같이, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없어 정확한 교체시기를 알 수 없고, 그로 인해 희생양극의 보충시기를 놓치게 되면 금속 배관에 부식이 발생할 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 문제점을 해결하기 위해, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 더하여, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 지하에 매설되는 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 방지하기 위한 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 있어서, 지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프를 지중에 매설하는 단계; 상기 지중 열교환기를 구성하는 상기 금속 파이프의 기대수명을 예측하여 예측된 상기 기대수명에 해당하는 크기로 막대나 봉 형태의 희생양극을 형성하는 단계; 상기 희생양극을 형성하는 단계에서 상기 기대수명에 해당하는 크기로 형성된 상기 희생양극을 상기 금속 파이프의 일측에 함께 매설하는 단계; 부도체로 구성되어 상기 금속 파이프와 상기 희생양극 사이에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 설치되는 연결스트립을 이용하여 상기 금속 파이프와 상기 희생양극을 고정하고 단락을 방지하는 단계; 및 상기 희생양극의 지하 측 끝단을 도체로 상기 금속 파이프와 연결하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 제공된다.
여기서, 상기 금속 파이프와 연결하는 단계는, 전선을 포함하는 도체를 이용하여 상기 희생양극의 지하 측 끝단과 상기 금속 파이프를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 희생양극을 고정하고 단락을 방지하는 단계에서, 상기 연결스트립은, 플라스틱이나 세라믹을 포함하는 부도체를 이용하여 이루어지며, 양단이 갈고리 또는 원형 고리 형태를 가지는 얇은 판이나 띠 형상으로 형성되어 상기 금속 파이프와 상기 희생양극 사이에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 배치됨으로써, 상기 금속 파이프와 상기 희생양극을 항상 일정한 간격으로 유지 및 고정하는 동시에 단락을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 부식방지방법은, 상기 금속 파이프의 매설시 상기 금속 파이프의 지하 측에 기준전극(reference electrode)을 설치하는 단계; 상기 기준전극을 통해 방식전류를 측정하여 상기 희생양극의 소모량 및 수명을 측정하기 위한 모니터링부를 지상에 설치하는 단계; 및 상기 기준전극과 상기 모니터링부를 통해 측정된 상기 희생전극의 소모량 및 상기 금속 파이프의 수명에 근거하여 보수공사의 필요 여부를 판단하고, 상기 희생양극의 보충이 필요한 것으로 판단되면 보수공사를 실시하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 부식방지방법은, 상기 금속 파이프를 지중에 매설하는 단계에서, 지면을 천공하여 지중에 U자 형으로 설치되는 동파이프(copper pipe)를 포함하는 금속 배관으로 구성되는 지중 열교환기를 매설하며, 상기 희생양극을 형성하는 단계 및 상기 희생양극을 매설하는 단계에서, 상기 금속 배관 사이의 중심 부분에 상기 금속 배관의 길이 방향을 따라 막대나 봉 형태로 형성되는 금속 코어(steel core)를 함께 설치하고, 상기 금속 코어의 길이 방향을 따라 미리 정해진 일정 간격 및 크기로 복수의 상기 희생양극을 설치하도록 구성됨으로써, 상기 연결스트립을 설치할 필요 없이 상기 희생양극의 설치가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 이용하여 지하에 매설되는 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 구성되는 지중 열교환 시스템에 있어서, 지중에 매설되는 금속 파이프를 포함하여 이루어지는 지중 열교환기; 상기 지중 열교환기에 의한 열교환에 의해 냉난방을 공급하기 위한 압축기와 축열기를 포함하여 구성되는 지상부; 상기 금속 파이프의 부식을 방지하기 위해 상기 금속 파이프의 예상수명에 해당하는 크기의 막대나 봉 형태로 형성되어 상기 금속 파이프와 함께 매설되는 희생양극; 상기 금속 파이프와 상기 희생양극을 고정하고 단락을 방지하기 위해 부도체로 형성되어 상기 금속 파이프와 상기 희생양극 사이에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 설치되는 연결스트립; 상기 희생양극의 지하 측 끝 부분을 상기 금속 파이프와 연결하기 위한 도체; 상기 금속 파이프의 매설시 상기 금속 파이프의 지하 측에 설치되는 기준전극(reference electrode); 및 상기 기준전극을 통해 방식전류를 측정하여 상기 희생양극의 소모량 및 수명을 측정하기 위해 지상에 설치되는 모니터링부를 포함하여 구성됨으로써, 상기 기준전극과 상기 모니터링부를 통해 측정된 상기 희생전극의 소모량 및 상기 금속 파이프의 수명에 근거하여 보수공사의 필요 여부를 판단하고, 상기 희생양극의 보충이 필요한 것으로 판단되면 보수공사를 실시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환 시스템이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 의해 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode System)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있는 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 더하여, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 제공됨으로써, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없고, 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우에도 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 적용되는 연결스트립의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
아울러, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 설명을 간략히 하기 위해, 각각의 실시예에서 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부호로서 나타내고 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode Method)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우, 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 것과 같이, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없어 정확한 교체시기를 알 수 없고, 그로 인해 희생양극의 보충시기를 놓치게 되면 금속 배관에 부식이 발생할 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 단점을 해결하기 위해, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 더하여, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 지하에 매설되는 동파이프 및 지중 열교환기를 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템의 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하나, 본 발명은 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 이하에 설명하는 DX형 지중 열교환 시스템 이외에 다른 시스템이나 시설물에도 얼마든지 적용 가능한 것임에 유념해야 한다.
또한, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 예를 들면, 방식전류를 인가하기 위한 외부전원이나, 지열을 이용하여 냉난방을 행하기 위한 지상부의 구체적인 구성 등과 같이, 종래기술을 참조하여 당업자에게 자명한 사항들은 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명 및 도시를 생략하였음에 유념해야 한다.
먼저, 종래의 지중 열교환 시스템의 구성에 대하여 설명하면, 종래의 지중 열교환 시스템은, 지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프의 일부분에 마그네슘 양극(Mg-Anode)으로 구성되는 희생양극을 같이 매설하고 전선과 같은 도체로 연결하여 금속 파이프의 부식을 방지하도록 구성된다.
그러나 이러한 종래의 부식방지방법은, 지중 열교환 시스템의 전체적인 수명을 고려하지 않고 희생양극을 설치함으로 인해, 금속 파이프의 수명이 남아 있어도 희생양극이 먼저 소모되어 희생양극을 구성하는 마그네슘의 보충을 위한 보수공사가 빈번하게 이루어져야 하는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 종래기술의 부식방지방법의 문제점을 해결하기 위해, 지중 열교환 시스템의 수명이 다할 때까지 별도의 보수공사 없이 사용 가능한 새로운 부식방지방법을 제안하였다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 종래기술의 경우와 동일한 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하고, 다른 부분에 대하여만 설명한다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 적용된 지중 열교환 시스템(20)은, 지중에 매설되는 금속 파이프로 이루어지는 지중 열교환기(21)와, 지중 열교환기(21)에 의한 열교환에 의해 냉난방을 공급하기 위한 압축기와 축열기 등을 포함하여 구성되는 지상부(22) 및 지중 열교환기(21)를 구성하는 금속 파이프의 부식을 방지하기 위한 희생양극(23)을 포함하여 구성되는 점은 상기한 종래기술의 방법과 같다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법은, 지중 열교환기(21)를 구성하는 금속 파이프의 기대수명을 미리 예측하고, 예측된 기대수명에 따라, 예를 들면, 파이프의 일부가 아닌 전체 길이에 해당하는 크기로, 막대나 봉 형태의 희생양극(23)을 형성하여 함께 매설하고, 희생양극(23)의 지하 측 끝 부분에서만 전선 등의 도체로 금속 파이프와 연결하도록 구성되는 점이 다르다.
여기서, 금속 파이프와 희생양극(23) 사이에는, 단락을 방지하기 위해, 예를 들면, 플라스틱이나 세라믹 등과 같이, 부도체를 이용하여 형성되는 연결스트립(24)을 일정 간격으로 복수 개 배치하여 금속 파이프와 희생양극(23)을 각각 고정하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 적용되는 연결스트립(24)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 연결스트립(24)은, 예를 들면, 부도체 물질을 이용하여 양단이 갈고리 형태나 원형 고리 형태 등으로 이루어지는 얇은 판 형태로 형성되어 금속 파이프와 희생양극(23) 사이에 일정 간격으로 복수 개 설치됨으로써, 금속 파이프와 희생양극(23)을 항상 일정한 간격으로 지지 및 고정하는 동시에, 단락을 방지할 수 있도록 구성된다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 지중 열교환기(21)를 구성하는 금속 파이프의 기대수명을 미리 예측하고 예측된 기대수명에 따라 희생양극(23)의 크기를 결정하여 함께 매설함으로써, 희생양극(23)의 추가나 보충을 위한 공사가 필요 없이 지중 열교환기(21)의 수명이 다할 때까지 사용이 가능하며, 또한, 금속 파이프와 희생양극(23) 사이에 일정 간격으로 복수의 연결스트립(24)을 설치함으로써, 금속 파이프와 희생양극(23)을 항상 일정한 간격으로 유지하고 단락을 방지할 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법은, 먼저, 지중에 지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프를 매설하는 단계(S41)와, 상기 지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프의 기대수명을 예측하여 예측된 기대수명에 해당하는 크기로 막대나 봉 형태의 희생양극을 형성하는 단계(S42)와, 형성된 희생양극을 금속 파이프의 일측에 함께 매설하는 단계(S43)와, 부도체로 구성되는 연결스트립을 일정 간격으로 복수 개 배치하여 금속 파이프와 희생양극을 고정하고 단락을 방지하는 단계(S44) 및 희생양극의 지하 측 끝단을 도체로 금속 파이프와 연결하는 단계(S45)를 각각 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 희생양극은, 마그네슘 양극(Mg-Anode), 알루미늄 양극(Al-Anode) 및 아연양극(Zn - Anode) 등으로 형성될 수 있으며, 이러한 희생양극을 구성하는 물질은, 예를 들면, 금속 파이프가 강관이나 동관인 경우 등과 같은 금속 파이프의 종류 및 일반 토양과 담수 또는 해수인 경우와 같은 시공 환경에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기한 연결스트립은, 예를 들면, 플라스틱이나 세라믹 등과 같은 부도체를 이용하여 형성되며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 양단이 갈고리 또는 원형 고리 형태를 가지는 얇은 판이나 띠 형상으로 형성되어 금속 파이프와 희생양극을 지지 및 고정하는 동시에 단락을 방지하도록 구성될 수 있다.
아울러, 희생양극의 지하 측 끝단과 금속 파이프를 연결할 때에는, 예를 들면, 전선 등과 같은 도체를 이용하여 연결하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명에 따르면, 희생양극의 추가나 보충이 필요 없이 지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프의 수명이 다할 때까지 사용 가능하며, 또한, 금속 파이프와 희생양극 사이에 일정 간격으로 복수의 연결스트립을 설치함으로써, 금속 파이프와 희생양극을 항상 일정한 간격으로 유지하고 단락을 방지할 수 있다.
여기서, 예를 들면, 예상하지 못한 어떠한 원인으로 인해 처음 예상된 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우가 발생할 수 있으며, 이러한 경우는 원래 계획된 수명이 되기 전에 희생양극을 보충해 주어야 하나, 종래, 지상에서는 희생양극의 소모량이나 잔량을 알 수 없으므로 적절한 교체시기를 놓치게 되어 금속 배관에 부식이 발생해 버리는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이, 기준전극을 통하여 방식전류를 측정하는 것에 의해 희생양극의 설치 후에도 지상에서 희생양극의 소모량이나 잔량을 용이하게 파악하여 항상 적절한 시기에 희생양극을 보충함으로써 금속 배관의 효과적으로 방지할 수 있도록 하였다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 다른 실시예로서, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생양극의 설치 후에 지상에서 희생양극의 소모량이나 잔량을 용이하게 파악할 수 있도록 구성되는 지중 열교환 시스템(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 4에 나타낸 지중 열교환 시스템(20)은, 지중에 매설되는 금속 파이프로 이루어지는 지중 열교환기(21)와, 지중 열교환기(21)에 의한 열교환에 의해 냉난방을 공급하기 위한 압축기와 축열기 등을 포함하여 구성되는 지상부(22), 지중 열교환기(21)를 구성하는 금속 파이프의 부식을 방지하기 위해, 상기 지중 열교환기(21)를 구성하는 금속 파이프의 기대수명을 예측하여 예측된 기대수명에 해당하는 크기로 막대나 봉 형태로 형성되어 함께 매설되는 희생양극(23)과, 부도체로 형성되어 금속 파이프와 희생양극(23)을 고정하고 단락을 방지하도록 금속 파이프와 희생양극(23) 사이에 일정 간격으로 복수 개 설치되는 연결스트립(24) 및 희생양극(23)의 지하 측 끝 부분을 금속 파이프와 연결하기 위한 전선 등의 도체를 포함하여 구성되는 점은 상기한 도 1에 나타낸 실시예의 구성과 같다.
그러나 도 4에 나타낸 구성은, 상기한 구성 이외에, 금속 배관의 지하 측에 설치되는 기준전극(reference electrode)(55)과, 기준전극(55)을 통해 방식전류를 측정함으로써 희생양극의 소모량 및 수명을 측정하기 위한 모니터링부(56)를 더 포함하여 구성되는 점이 다르다.
따라서 상기한 도 4에 나타낸 실시예의 구성에 따르면, 상기한 바와 같은 기준전극(55)과 모니터링부(56)를 통해 금속 배관으로부터 방식전류를 측정하여 희생양극(23)의 소모량 및 수명을 측정하고, 측정된 희생양극(23)의 수명에 근거하여 보수공사의 필요 여부를 판단하고 필요시 보수공사를 실시하도록 함으로써, 예상과 다른 희생전극의 소모가 발생하여도 희생양극의 보충시기를 놓치는 일이 없이 효과적으로 금속 배관의 부식을 방지하고 운영비용을 절감할 수 있다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 5에 있어서, 도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 적용된 지중 열교환 시스템(20)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a에서 "A"로 나타낸 부분의 확대도이며, 도 5c는 도 5a에서 "B-B" 선에 따른 단면도이다.
즉, 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같은 구성 이외에, 지면을 천공하여 지중에 U자 형으로 설치되는 동파이프(copper pipe)와 같은 금속 배관으로 구성되는 지중 열교환기(21) 사이의 중심 부분에, 금속 배관의 길이 방향을 따라 막대나 봉 형태로 형성되는 금속 코어(steel core)(62)를 함께 설치하고, 이러한 금속 코어(62)의 길이 방향을 따라 일정 간격 및 크기로 복수 개의 희생양극(23)을 배치한 다음, 벤토나이트(64) 등으로 지면을 메우도록 구성됨으로써, 별도의 연결스트립을 설치하지 않고도 희생양극의 설치가 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 구현함으로써, 본 발명에 따르면, 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관을 포함하여 구성되는 직접팽창(Direct Expansion ; DX)형 지중 열교환 시스템에 있어서, 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 의해 지하에 매설되는 동파이프와 같은 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 희생양극법(Sacrificial Anode Method)을 이용하여 효과적으로 방지할 수 있는 지중 열교환 시스템의 부식방지방법을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 지중에 설치되는 금속 배관의 기대수명을 산출하여 해당 수명에 따라 희생양극의 양을 결정하고 설치하는 것에 더하여, 기준전극을 통한 방식전류 측정에 의해 희생전극의 소모량을 측정하여 지중에 설치된 희생양극의 수명을 정확히 예측하고 적절한 시기에 보수공사를 진행할 수 있도록 구성됨으로써, 최초 설치시의 기대수명과 다르게 희생양극이 비정상적으로 소모되는 경우에도 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 효과적으로 방지하고 운영비용을 절감할 수 있도록 구성되는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법이 제공됨으로써, 지중에 희생양극을 설치하고 나면 희생양극이 얼마나 소모되었는지를 파악할 수 없고, 최초 설치시의 기대수명보다 희생양극이 빨리 소모되는 경우에도 지상에서는 이러한 사실을 파악할 수 없어 희생양극의 보충시기를 놓치게 됨으로 인해 금속 배관에 부식이 발생하게 되는 우려가 있었던 종래의 희생양극법을 이용한 부식방지방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
20. 지중 열교환 시스템 21. 지중 열교환기
22. 지상부 23. 희생양극
24. 연결스트립 55. 기준전극
56. 모니터링부 62. 금속 코어
64. 벤토나이트

Claims (6)

  1. 지하에 매설되는 금속 배관에 부식이 발생하는 것을 방지하기 위한 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법에 있어서,
    지중 열교환기를 구성하는 금속 파이프를 지중에 매설하는 단계;
    상기 지중 열교환기를 구성하는 상기 금속 파이프의 기대수명을 예측하여 예측된 상기 기대수명에 해당하는 크기로 막대나 봉 형태의 희생양극을 형성하는 단계;
    상기 희생양극을 형성하는 단계에서 상기 기대수명에 해당하는 크기로 형성된 상기 희생양극을 상기 금속 파이프의 일측에 함께 매설하는 단계;
    부도체로 구성되어 상기 금속 파이프와 상기 희생양극 사이에 미리 정해진 일정 간격으로 복수 개 설치되는 연결스트립을 이용하여 상기 금속 파이프와 상기 희생양극을 고정하고 단락을 방지하는 단계; 및
    상기 희생양극의 지하 측 끝단을 도체로 상기 금속 파이프와 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 부식방지방법은,
    상기 금속 파이프를 지중에 매설하는 단계에서, 지면을 천공하여 지중에 U자 형으로 설치되는 동파이프(copper pipe)를 포함하는 금속 배관으로 구성되는 지중 열교환기를 매설하며,
    상기 희생양극을 형성하는 단계 및 상기 희생양극을 매설하는 단계에서, 상기 금속 배관 사이의 중심 부분에 상기 금속 배관의 길이 방향을 따라 막대나 봉 형태로 형성되는 금속 코어(steel core)를 함께 설치하고, 상기 금속 코어의 길이 방향을 따라 미리 정해진 일정 간격 및 크기로 복수의 상기 희생양극을 설치하도록 구성됨으로써,
    상기 연결스트립을 설치할 필요 없이 상기 희생양극의 설치가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 파이프와 연결하는 단계는,
    전선을 포함하는 도체를 이용하여 상기 희생양극의 지하 측 끝단과 상기 금속 파이프를 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부식방지방법은,
    상기 금속 파이프의 매설시 상기 금속 파이프의 지하 측에 기준전극(reference electrode)을 설치하는 단계;
    상기 기준전극을 통해 방식전류를 측정하여 상기 희생양극의 소모량 및 수명을 측정하기 위한 모니터링부를 지상에 설치하는 단계; 및
    상기 기준전극과 상기 모니터링부를 통해 측정된 상기 희생전극의 소모량 및 상기 금속 파이프의 수명에 근거하여 보수공사의 필요 여부를 판단하고, 상기 희생양극의 보충이 필요한 것으로 판단되면 보수공사를 실시하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 희생양극을 이용한 지중 열교환 시스템의 부식방지방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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