KR101697616B1 - 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브와 팽창밸브를 구비하는 히트펌프 유닛과, 열매체가 순환되도록 히트펌프 유닛에 연결된 하나 이상의 열교환파이프를 갖는 열교환부와, 히트펌프 유닛에 각각 연결된 한 쌍의 유공관 및 한 쌍의 유공관 사이에 형성된 투과층이 구비되고 지하에 설치된 하나 이상의 열저장탱크를 갖는 열저장부를 포함하는 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템이 제공될 수 있다.

Description

열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템{TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR ROAD USING HEAT STORAGING TANK}
본 발명은 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템에 관한 것으로, 지하에 설치된 열저장탱크를 이용하여 도로 표면의 온도를 조절하는 데에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 노면 온도조절 시스템에 관한 것이다.
사람이나 화물의 수송에는 다양한 운송수단이 사용되고 있으며, 그 중 차량을 이용한 수송이 상당한 비중을 차지하고 있다. 이에 따라 포장된 도로의 확충은 현재까지도 전세계적으로 지속되고 있다.
일반적으로 포장된 도로의 표층은 차량의 타이어와 높은 마찰계수를 갖도록 한 아스팔트 또는 콘크리트로 이루어지고 있는데, 도로의 표층에 눈이 쌓이거나 빗물 등의 수분이 추운 날씨에 의해 결빙되는 경우에는 마찰계수가 급격히 낮아져서 통상적인 타이어를 장착한 차량은 운행할 수 없게 되는 경우가 많다.
이럴 경우 염화나트륨이나 염화칼슘과 같이 물의 빙점을 낮출 수 있는 화학물질을 살포하여 결빙된 물을 녹이는 방법이 널리 사용되고 있으나, 물에 용해된 상기 화학물질의 부식성에 의해 차량의 차체나 차량 하부에 설치된 각종 장치의 부식이 야기되고, 하수의 오염이 유발되는 문제가 있다.
또한, 도로 표층 내에 전열선을 배치하고 전열선에 전력을 가하여 발생되는 열로 결빙을 제거하는 방법도 사용되고 있으나, 동절기에 냉각된 도로 표층의 온도를 상승시키는 데에는 막대한 전력이 사용되는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1328067호(이하, '특허문헌 1'이라고 함) 및 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1334228호(이하, '특허문헌 2'라고 함)와 같은 대응책이 제안된 바 있다.
특허문헌 1에는 터널 내로 침출되는 지하수 또는 암반수와 같은 침출수를 도로 표층 내로 순환시켜 도로 표층의 온도를 높이는 기술이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 터널 인근의 하천수 도로 표층 내로 순환시켜 표층의 온도를 높임으로써 결빙을 제거하는 기술이 개시되어 있다.
그런데, 기온이 매우 낮은 지역에서는 하천수가 결빙되어 도로 표층까지 유동되도록 하지 못하는 경우가 발생될 가능성이 높다. 그리고 침출수 또한 도로 표층 내를 순환하는 과정에서 냉각되어 결빙될 가능성이 있고, 침출수 결빙되지 않도록 순환속도를 높이기 위해서는 충분한 양의 침출수가 확보되어야 한다는 지역적인 제한이 따를 수 있다.
한편, 도로의 표층이 아스팔트로 이루어진 경우에는 하절기와 같이 일광이 강한 시기에 표층의 온도가 매우 높게 상승될 수 있다. 이럴 경우 아스팔트에 포함된 피치가 강도가 급격하게 낮아져서 도로의 표층이 쉽게 손상되는 상황이 발생되기도 한다.
따라서, 상술한 바와 같은 문제들을 해결하기 위해서 도로 표면의 온도를 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있는 수단이 필요한 실정이다.
대한민국특허청 등록특허공보 제10-1328067호(발명의 명칭: 터널 진출입로의 결빙 방지장치 및 그 시공방법, 등록일: 2013년 11월 5일) 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1334228호(발명의 명칭: 도로 결빙 방지 장치 및 시공방법, 등록일: 2013년 11월 22일)
본 발명의 실시예는 포장된 도로의 표면의 온도를 조절할 수 있도록 하고자 한다.
또한 본 발명의 실시예는 도로 표면의 온도조절에 사용되는 에너지를 최소화하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브와 팽창밸브를 구비하는 히트펌프 유닛과, 열매체가 순환되도록 상기 히트펌프 유닛에 연결된 하나 이상의 열교환파이프를 갖는 열교환부와, 상기 히트펌프 유닛에 각각 연결된 한 쌍의 유공관 및 상기 한 쌍의 유공관 사이에 형성된 투과층이 구비되고 지하에 설치된 하나 이상의 열저장탱크를 갖는 열저장부를 포함하는, 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템이 제공될 수 있다.
상기 유공관은 다수의 통공이 형성된 외관 및 상기 외부 유공관 내에 배치되고 다수의 통공이 형성된 내관을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열저장탱크는, 상기 한 쌍의 유공관 중 어느 하나가 상기 열저장탱크의 하측에 배치되고 다른 하나는 상측에 배치되며, 상기 투과층은 복수의 열저장재가 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 열저장재는 외각을 형성하는 외피와 상기 외피 내에 형성된 공간에 충전된 충전재를 포함할 수 있다.
한편, 상기 복수의 열저장재의 직경은 서로 상이하고, 상기 투과층에서 상측으로 갈수록 직경이 작은 상기 열저장재가 적층될 수 있다.
상기 열저장탱크는 상기 한 쌍의 유공관 및 상기 투과층을 감싸는 하우징과, 상기 하우징의 내면에 결합된 하나 이상의 축열수단을 을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템에서, 상기 히트펌프 유닛에 연결된 열교환모듈 및 상기 열교환모듈에 연결되고, 태양열을 수집하는 집열패널을 갖는 태양열집열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 히트펌프 유닛을 이용하여 도로의 표면을 가열 또는 냉각할 수 있으므로, 계절 조건 등 필요에 따라 도로 표면의 온도를 적절히 조절할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 지하에 설치된 열저장부에 의해 지열을 활용할 수 있도록 함으로써 도로 표면의 온도조절에 소요되는 에너지가 절약될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템의 계통도
도 2는 도 1에 도시된 열교환부의 구조를 설명하기 위한 도면
도 3은 도 1에 도시된 열저장부의 구조를 설명하기 위한 도면
도 4는 도 3에 도시된 유공관의 구조를 설명하기 위한 도면
도 5는 도 1에 열저장부의 변형예를 설명하기 위한 도면
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템의 계통도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)에는 히트펌프 유닛(100), 온도조절부(300), 열저장부(500) 및 태양열집열부가 포함된다.
그리고, 상기 구성요소들을 서로 연결하는 관로(L11 내지 L19)가 포함되고, 관로(L1 내지 L19) 내의 유체를 유동시키기 위한 펌프(P11 내지 P14)가 포함되며, 관로(L1 내지 L19) 내의 유체의 유동방향을 조절하기 위한 삼방향밸브(TV11 내지 TV17)이 포함된다.
히트펌프 유닛(100)은 한 쌍의 열교환기, 압축기, 사방밸브, 팽창밸브 및 그 내부를 유동하는 작동유체를 구비하고, 상기 압축기의 작동에 따라 히트펌프 유닛(100)에 연결된 관로(L13, L14)를 통하여 순환되는 열매체가 상기 히트펌프 유닛(100)을 경유하면서 상기 작동유체에 의해 가열 또는 냉각이 이루어지도록 한다.
참고로, 작동유체로는 통상적인 냉동사이클에 사용되는 염화불화탄소(CFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소화불화탄소(HFC), 과불화탄소(PFC)와 같은 것이 사용될 수 있다.
여기서, 히트펌프 유닛(100)은 본 출원인이 출원한 바 있는 국내 특허출원번호 제10-2014-0084297호(발명의 명칭: 지열 폐열을 이용한 항온항습기)에서 설명된 바와 같은 것이고, 본 발명은 히트펌프 유닛(100) 자체의 구조 및 작동을 요지로 하지 않으므로, 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 상세한 설명은 생략한다.
온도조절부(300)에는 열교환파이프(310)가 포함된다. 열교환파이프(310)의 양단부는 히트펌프 유닛(100)에 연결된 관로(L13, L14)에 각각 연결되어, 히트펌프 유닛(100)이 작동되면 열매체가 상기 열교환파이프(310)를 통하여 순환된다. 열교환파이프(310)는 도시된 바와 같이 복수 개가 설치될 수 있는데, 필요에 따라 그 수가 가감될 수 있다.
열교환파이프(310)의 구조 및 작동에 대해서는 아래에서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
열저장부(500)에는 하나 이상의 열저장탱크(501)가 포함되는데, 열저장탱크(501)는 지하에 매설된다. 열저장탱크(501)는 관로(L11, L12)를 통하여 히트펌프 유닛(100)과 연결되며, 이들 사이에는 열매체가 순환된다.
열저장탱크(501)가 지하여 매설되는 것은 지열을 이용하기 위한 것으로, 계절의 변화 등에 따른 기온의 변화에도 불구하고 연중 일정한 온도가 유지되거나 온도의 변화가 작은 지중에 열저장탱크(501)를 설치함으로써, 열저장탱크(501) 및 히트펌프 유닛(100) 사이를 유동하는 열매체의 온도를 조절하기 위한 것이다.
예를 들어, 지하 10m 정도의 깊이에서는 연중 온도가 섭씨 10 내지 12도 범위 내에서 유지되는 것으로 알려져 있으므로, 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 장치(1)가 작동되는 중 열매체가 열저장탱크(501) 내에 머물러 있거나 통과하여 유동되는 과정에서 열매체의 온도가 지중의 온도에 가깝게 조절될 수 있다.
특히, 열저장탱크(501)의 내부에 충분한 공간이 확보되어 다량의 열매체가 저장될 수 있도록 하면, 열저장탱크(501) 내에 저장되어 있던 열매체의 온도는 저장된 시간이 경과될수록 지중의 온도와 근접하거나 같게 된다.
이에 따라 열교환파이프(310)를 가열 또는 냉각시키기 위하여 히트펌프 유닛(100)이 작동될 때 동절기에는 열저장탱크(501)로부터 기온보다 높은 온도의 열매체를 공급받을 수 있고, 하절기에는 기온보다 낮은 온도의 열매체를 공급받을 수 있으므로, 히트펌프 유닛(100)의 작동에 소요되는 에너지가 절약되는 효과를 얻을 수 있다.
관로(L11, L12)를 통하여 히트펌프 유닛(100)과 열저장탱크(501) 사이를 순환하는 열매체로는 에틸렌글리콜이나 알코올 등이 물에 포함된 부동액 등이 사용될 수 있는데, 이는 동절기에 열매체가 결빙되는 것을 방지하기 위한 것이다.
태양열집열부에는 집열패널(700), 열교환유닛(710), 이들을 연결하는 관로(LS11, LS12) 및 관로(LS11)에 설치된 펌프(14)가 포함되며, 집열패널(700), 열교환유닛(710) 및 관로(LS11, LS12) 사이를 순환하는 열매체가 포함된다.
참고로, 태양열집열부에 포함된 열매체 또한 동절기에 결빙되지 않도록 에틸렌글리콜이나 알코올 등이 물에 포함된 부동액이나 열매체유 등이 사용될 수 있다.
집열패널(700)은 태양열을 수집하여 내부를 유동하는 열매체가 가열되도록 하고, 펌프(P14)는 가열된 열매체가 열교환유닛(710)으로 순환되도록 한다.
열교환유닛(710)은 상술한 관로(L11, L12)에 각각 설치된 삼방향밸브(TV15, TV16)에 연결된 관로(L17, L18)에 의해, 상술한 관로(L11, L12)에 연결된다.
따라서, 삼방향밸브(TV15, TV16)를 조절함으로써 일조량이 충분할 경우에는 집열패널(700)에 의해 수집된 태양열에 의해 열매체로 전달된 열이 히트펌프 유닛(100)으로 전달되도록 하거나, 열저장탱크(501) 내의 열매체로 전달되도록 할 수 있다.
예를 들어, 동절기에 열교환파이프(310)를 가열하고자 할 경우, 일조량이 충분한 주간에는 집열패널(700)을 통하여 수집된 열을 히트펌프 유닛(100)으로 전달되도록 하면 히트펌프 유닛(100)에서 소요되는 에너지가 절약될 수 있다.
또는 열교환파이프(310)의 가열이 충분히 이루어져 히트펌프 유닛(100)의 작동이 중지된 동안에는 삼방향밸브(TV15, TV16)를 조절하여 집열패널(700)을 통하여 수집된 열이 열저장탱크(501) 내의 열매체에 저장되도록 할 수 있다.
이후 야간이나 일조량이 부족한 경우 히트펌프 유닛(100)을 다시 가동할 때에는 열저장탱크(501) 내의 열이 저장된 열매체가 히트펌프 유닛(100)으로 유동되도록 함으로써 히트펌프 유닛(100)의 작동에 소요되는 에너지가 절약되도록 할 수 있다.
참고로, 설명하지 않은 분기 관로(L15, L16), 이들을 관로(L11, L12, L13, L14)에 각각 연결하는 삼방향밸브(TV11, TV12, TV13, TV14) 및 관로(L11, L12)에 각각 설치된 펌프(P11, P12)는 히트펌프 유닛(100)이 열교환파이프(310)를 가열 또는 냉각하고자 할 때 열매체의 유동방향을 조절하기 위한 것으로, 이에 대해서는 본 출원인이 출원한 국내 특허출원번호 제10-2014-0105051호(발명의 명칭: 태양열 및 지열히트펌프를 이용한 노면 온도조절 시스템, 출원일: 2014년 8월 13일)에 자세하게 기술되어 있으므로 설명을 생략한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)은, 열교환파이프(310)를 이용하여 냉각 또는 가열을 하는 과정에서 지열 및 태양열과 같은 자연에너지를 활용하여 히트펌프 유닛(100)이 소모하는 에너지가 최소화되는 효과를 얻을 수 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 열교환부의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 상술한 열교환파이프(310)는 도로(900)의 표층(930) 내에 배치된다.
포장된 도로(900)에는 기층(910) 및 표층(930)이 포함된다. 여기서, 기층(910)은 지반위에 형성되어 표층(930)을 견고하게 지지하는 층을 지칭하고, 표층(930)은 상술한 바와 같이 아스팔트나 콘크리트로 이루어져 차량의 타어어 등과 직접 접하는 부분을 지칭한다.
통상 표층(930)은 복수 회 아스팔트 등의 재료를 적층하여 이루어지는데, 열교환파이프(310)는 표층(930)을 형성하는 과정에 설치되어 완성된 도로의 표층 내에 배치되도록 한다.
이때 열교환파이프(310)는 도시된 바와 같이 복수 개가 설치될 수 있으며, 온도를 조절하고자 하는 도로(900)의 길이에 따라 그 수가 가감될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)의 작동에 따라 열교환파이프(310)는 표층(930)을 가열 또는 냉각할 수 있다.
예를 들어, 동절기에 표층(930)이 상면에 눈이 쌓이거나 수분이 결빙되어 빙판이 형성된 상황일 경우, 열교환파이프(310)를 통하여 가열된 열매체가 유동되도록 함으로써 눈이나 결빙된 수분이 융해되도록 할 수 있다.
참고로 지속적으로 눈이 내리거나 융해된 물이 다시 결빙되지 않도록 하고자 할 경우에는 열교환파이프(310)가 표층(930)의 온도가 영상으로 유지되도록 하여 표층(930)에 접촉된 눈이나 수분이 즉시 융해되도록 함으로써 도로(900)에 빙판이 형성되는 것이 방지되도록 할 수 있다.
한편, 하절기와 같이 일조량이 매우 많은 경우에는 표층(930)이 상당히 높은 온도로 가열될 수 있다. 이때 표층(930)이 아스팔트로 이루어진 경우에는 높은 온도에 의해 강도가 낮아질 수 있다. 표층(930)의 강도가 낮아졌을 때 무거운 하중의 화물차 등이 도로(900)를 통행할 경우, 낮아진 강도의 표층(930)에 반복적인 변형이 유발되어 표층(930)의 내구연한이 짧아질 수 있다.
그러므로, 표층(930)의 온도가 과도하게 상승된 경우에는 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템(1)이 열교환파이프(310)를 통하여 냉각된 열매체가 유동되도록 작동되어 표층(930)이 적절한 온도까지 냉각되도록 함으로써 표층(930)의 강도가 유지되도록 할 수 있다.
참고로, 도시되지는 않았으나, 표층(930)의 온도는 열교환파이프(310)와 함께 표층(930)내에 온도센서를 설치하여 측정되도록 할 수 있다.
한편, 열교환파이프(310)는 도로의 형상에 따라 적절한 형상으로 구부러질 수 있어야 하므로 가요성을 가질 수 있어야 한다. 그리고 상술한 바와 같이 표층(930)은 기온에 따라 팽창 및 수축되므로, 열교환파이프(300) 또한 표층(930)과 함께 팽창 및 수축되는 신축성을 가질 수 있어야 한다.
따라서, 열교환파이프(310)는 내화학성, 내후성, 가요성 및 신축성이 높은 폴리에틸렌과 같은 합성수지 또는 스테인리스 스틸과 같은 금속 소재로 제조될 수 있으며, 주름관 형상으로 형성될 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 열저장탱크의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 4에는 도 4는 도 3에 도시된 유공관의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 열저장부(500)에 구비된 열저장탱크(501)에는 한 쌍의 유공관(510, 520)과, 유공관(510, 520) 사이에 형성된 투과층이 포함되며, 열저장탱크(501)는 지하에 설치된다.
도 4를 참조하면, 유공관(510)에는 다수의 통공(512)이 형성된 중공형 외관(511) 및 다수의 통공(514)이 형성된 중공형 내관(513)이 포함된다. 내관(513)은 외관(511)의 중공부보다 작은 외경을 갖도록 형성되고, 내관(513)은 외관(511)의 중공부 내에 삽입된 형상으로 배치된다.
여기서, 도시되지는 않았으나, 내관(513)이 외관(511)의 중공부 내에서 일정한 위치를 유지할 수 있도록, 내관(513)의 외주면 및 외관(511)의 내주면 사이에는 내관(513)을 지지하는 지지수단이 더 설치될 수 있다.
이와 같이, 유공관(510)은 외관(513) 및 내관(511)으로 이루어진 이중유공관이 사용될 수 있다.
참고로, 유공관(520) 또한 동일한 구조를 가지므로, 유공관(520)에 대한 설명은 유공관(510)에 대한 설명으로 갈음하기로 한다.
다시 도 3을 참조하면, 한 쌍의 유공관(510, 520) 중 하나(510)는 열저장탱크(501)의 하측에 배치되고, 다른 하나(520)는 상측에 배치될 수 있다. 한 쌍의 유공관(510, 520)에는 상술한 관로(L11, L12)가 연결된다.
투과층(530)은 복수의 열저장재(531, 532, 533)가 적층되어 형성될 수 있다. 열저장재(531, 532, 533)는 구형, 다각형 또는 비정형의 덩어리 형상을 가질 수 있는데, 투과층(530)이 복수의 열저장재(531, 532, 533)의 적층으로 형성되도록 하여 토압을 지지하도록 함으로써 열저장탱크(501)의 견고성이 향상되도록 하기 위한 것이다.
아울러, 투과증(530)이 공간이라고 가정하면, 한 쌍의 유공관(510, 520)에 형성된 통공(512, 513, 522, 523)을 통하여 투과층(530)을 통하여 유동하는 열매체에 필요 이상의 대류현상이 일어나게 된다. 이럴 경우, 열저장탱크(501) 내에 체류하는 열매체의 상하위치에 따른 온도차가 적어져서 투과층(530)을 통과하는 열매체의 온도를 조절하는 효과가 저하될 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 투과층(530)이 복수의 열저장재(531, 532, 533)가 적층되어 형성되도록 하여 열매체가 복수의 열저장탱크(501) 사이에 형성된 공극을 통하여 유동되도록 함으로써, 투과층(530)을 통과하는 열매체가 지하의 온도에 가깝게 온도조절이 되는 효과가 향상되도록 한 것이다.
열저장재(531, 532, 533)로는 자갈과 같은 자연석이 사용될 수도 있고, 인공적으로 제조된 것이 사용될 수 있다. 인공적으로 제조된 열저장재(531, 532, 533)는 비열이 큰 소재로 제조되거나, 열전도율이 높은 금속재 등으로 외각이 형성된 외피 및 외피 내에 형성된 공간이 비열이 높은 물질로 이루어진 충전재가 충전된 구조를 가질 수 있다.
이는 열저장재(531, 532, 533)가 높은 비열을 갖도록 함으로써, 투과층(530)을 통하여 유동하는 열매체의 온도가 지하의 온도와 유사해지는 효과를 높이기 위한 것이다.
상술한 충전재로는 물, 에틸렌클리콜이나 알코올이 포함된 물, 벤토나이트(bentonite)가 포함되어 겔(gel)화된 물 등 비열이 크고 상술한 외각 내에 용이하게 주입할 수 있는 물질이 사용될 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이, 복수의 열저장재(531, 532, 533)는 그 직경이 서로 다른 것이 사용되고, 투과층(530)의 하측에는 상대적으로 직경이 큰 열저장재(533)가 형성하는 층(A), 중간에는 열저장재(533)보다 작은 직경을 갖는 열저장재(532)가 형성하는 층(B), 상측에는 열저장재(532)보다 더 작은 직경을 갖는 열저장재(531)가 형성하는 층(C)이 형성되도록 할 수 있다.
이는 열저장탱크(501)의 견고성을 높이기 위한 것으로, 투과층(530)의 상측으로 갈수록 직경이 큰 열저장재(533)로부터 작은 열저장재(531)가 배치되도록 함으로써, 지표면에 가깝게 배치된 유공관(520)이 직경이 작은 열저장재(531)에 의해 견고하게 지지되도록 하고, 투과층(530)의 하측으로 갈수록 열저장재(533) 사이에 형성되는 공극이 크게 형성되어 많은 양의 열매체가 저장될 수 있도록 한 것이다.
필요에 따라서는, 도시된 바와 달리 투과층(530)이 동일한 직경을 갖는 열저장재(531, 532, 533 중 어느 하나)에 의해 형성되도록 하여 높은 공극률을 갖도록 하거나, 서로 다른 직경을 갖는 열저장재(531, 532, 533)를 서로 섞어 공극률은 낮지만 하중에 대한 견고성은 높아지도록 할 수도 있다.
한편, 열저장재(531, 532, 533)는 그 표면과 접하며 유동하는 열매체와의 열교환 효율을 높이기 위하여 상술한 바와 같이 다각형이나 자연석과 같이 비정형의 외각을 갖도록 함으로써 접촉면적이 증가되도록 할 수 있다.
참고로, 가장 작은 직경을 갖는 열저장재(531)가 유공관(510, 520)의 외관(511, 521)에 형성된 통공(512, 522) 내로 유입되지 않도록, 통공(512, 522)보다 열저장재(531)의 평균직경이 상대적으로 크도록 할 수 있다.
또한, 열저장재(531, 532, 533)에 의해 통공(512, 522)이 막히는 것을 최소화하기 위하여 열저장재(531, 532, 533)가 구형일 경우에는 통공(512, 522)이 타원형이나 다각형을 갖도록 하고, 통공(512, 522)이 원형일 때에는 열저장재(531, 532, 533)가 다각형이거나 비정형을 갖도록 할 수도 있다.
그리고, 유공관(510)으로 외관(511) 및 내관(513)으로 이루어진 이중유공관을 사용하는 것은 열저장재(531, 532, 533)가 통공(512)을 통하여 외관(511) 내로 유입되었을 때 내관(513) 내부까지 유입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 열매체에 이물질이 혼합되는 것을 방지하기 위한 것이다.
이는 열저장재(531, 532, 533)로 자갈과 같은 자연석을 사용할 경우, 그 표면에는 모래나 흙과 같은 이물질이 부착되어 있다가 열매체의 유동에 따라 유공관(510, 520) 내로 유입되어 관로(L11, L12) 내부까지 유동될 가능성이 있기 때문이다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 열저장부(500)에 의해 유공관(510, 520) 사이에 형성된 투과층(530) 내에 정체되어 있거나 통과하는 열매체의 온도가 별도의 동력 없이 열저장탱크(501)가 매설된 지하의 온도에 가깝게 조절되므로, 열저장탱크를 갖는 도로 온도조절 시스템(1)을 작동시킬 때 히트펌프 모듈(100)에서 소요되는 에너지를 최소화 할 수 있다.
아울러, 동절기에는 집열패널(700)에 의해 수집된 태양열이 큰 비열을 갖는 열저장재(531, 532, 533)에 저장될 수 있으므로, 에너지 절약 효과는 더욱 향상될 수 있다.
도 5에는 도 1에 열저장탱크의 변형예가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 열저장부(500a)에 포함된 열저장탱크는 상술한 열저장탱크(501)에 하우징(540) 및 축열수단(541)이 더 구비된 것이다. 하우징(540)은 한 쌍의 유공관(510, 520) 및 투과층(530)을 감싸는 형상을 가지며, 축열수단(541)은 하우징(540)의 내면에 결합된 형상으로 배치된다.
하우장(540)은 콘크리트와 같은 높은 강도의 소재로 제조되어 높은 토압을 견딜 수 있도록 함으로써 열저장부(500a)가 더욱 깊은 지하에 설치되도록 할 수 있다. 열저장부(500a)가 설치되는 깊이가 깊어질수록 연중 거의 변화가 없는 온도의 지열을 이용할 수 있게 되므로, 열저장부(500a)의 이용효율이 더 높아질 수 있다.
축열수단(541)은 상술한 인공적인 열저장재(531, 532, 533)와 같이 비열이 높은 재질을 포함하여 이루어지도록 함으로써, 열저장탱크의 열저장효과가 더욱 향상되도록 하기 위한 것이다.
즉, 축열수단(541) 또한 열전도율이 높은 금속 등으로 형성된 외각 및 상기 외각 내에 형성된 공간에 앞에서 언급한 비열이 높은 물질이 충전되도록 하는 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 열저장재(531, 532, 533) 및 축열수단(541)의 열저장효과를 극대화하기 위하여 빙초산이나 파라핀과 같이 상온에서 상변화가 발생되는 물질을 사용할 수 있다. 즉, 열저장재(531, 532, 533) 및 축열수단(541)으로 상온에서 상변화가 발생되는 물질을 이용할 경우 액체상태에서 고체상태 또는 고체상태에서 액체상태로 상변화가 발생되는 과정에서 필요한 잠열을 이용할 수 있게 되므로, 더욱 큰 열저장효과를 얻을 수 있다.
다만, 인공적으로 제조된 열저장재(531, 532, 533) 및 축열수단(541)이 지진이나 잘못된 굴착작업 등에 의해 손상되는 경우, 내부의 충전재가 외부로 유출될 가능성이 있으므로, 벤토나이트와 물의 혼합물처럼 환경에 무해한 충전재를 선택하여 사용하는 것이 유리할 수 있다.
참고로, 이상 설명한 본 실시예(1)의 작동은 열교환파이프(310)를 가열하여 도로(900)의 표층(930)을 가열하는 경우를 상정한 것으로, 히트펌프 유닛(100) 및 펌프(P11 내지 P13)의 작동방향을 조절하면 열교환파이프(310)에 의한 표층(930)의 냉각도 가능하다.
즉, 앞에서 언급했던 바와 같이 일광 등에 의해 표층(930)의 온도가 과도하게 상승되어 표층(930)의 강도가 저하될 우려가 있을 경우, 열교환파이프(310)에 의해 표층(930)의 온도가 미리 정해진 온도보다 상승되지 않도록 할 수 있다. 이에 따라 하절기 등에도 차량의 통행에 의한 표층(930)의 변형이나 파손을 최소화하여 도로(900)의 수명이 연장되도록 할 수 있다.
또한, 열교환파이프(310)를 주거용 건축물, 비닐하우스 또는 온실과 같은 농업용 건축물에 설치할 경우, 본 실시예(1)를 이용하여 냉난방에 소요되는 에너지가 절약되는 효과 및 전력수급이 불안정한 곳에서도 안정적인 냉난방을 행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1: 열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템
100: 히트펌프 유닛 300: 온도조절부
310: 열교환파이프 500: 열저장부
501: 열저장탱크 510, 520: 유공관
511: 외관 512: 통공
513: 내관 514: 통공
521: 외관 522: 통공
530: 투과층 531, 532, 533: 열저장재
540: 하우징 541: 축열수단
700: 집열패널 710: 열교환모듈
L11 내지 L19: 관로 TV11 내지 TV 17: 삼방향밸브
P11 내지 P14: 펌프

Claims (7)

  1. 한 쌍의 열교환기, 압축기, 사방밸브 및 팽창밸브를 구비하는 히트펌프 유닛;
    열매체가 순환되도록 상기 히트펌프 유닛에 연결된 하나 이상의 열교환파이프를 갖는 온도조절부; 및
    상기 히트펌프 유닛에 각각 연결된 한 쌍의 유공관 및 상기 한 쌍의 유공관 사이에 형성된 투과층이 구비되고 지하에 설치된 하나 이상의 열저장탱크를 갖는 열저장부;
    를 포함하고,
    상기 유공관은, 다수의 통공이 형성된 외관; 및 상기 외관 내에 배치되고 다수의 통공이 형성된 내관;을 포함하며,
    상기 열저장탱크는, 상기 한 쌍의 유공관 중 어느 하나가 상기 열저장탱크의 하측에 배치되고 다른 하나는 상측에 배치되며, 상기 투과층은 복수의 열저장재가 적층되어 형성되고,
    상기 복수의 열저장재의 직경은 서로 상이하고, 상기 투과층에서 상측으로 갈수록 직경이 작은 상기 열저장재가 적층되며,
    상기 열저장탱크는 상기 한 쌍의 유공관 및 상기 투과층을 감싸는 하우징을 포함하고,
    상기 히트펌프 유닛에 연결된 열교환모듈 및 상기 열교환모듈에 연결되고, 태양열을 수집하는 집열패널을 갖는 태양열집열부를 포함하며,
    상기 히트펌프 유닛 및 상기 열저장탱크 사이를 순환하는 열매체는 물, 에틸렌글리콜을 포함하는 물 또는 알코올을 포함하는 물인
    열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열저장재는 외각을 형성하는 외피와 상기 외피 내에 형성된 공간에 충전된 충전재를 포함하는
    열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열저장탱크는
    상기 하우징의 내면에 결합된 하나 이상의 축열수단;
    을 포함하는
    열저장탱크를 갖는 노면 온도조절 시스템.
  7. 삭제
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