KR20070011836A - 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반보강을 위한 마이크로파일의 설치시, 상기 마이크로파일 주위에 열매체자켓을 설치하여 열펌프시스템의 열을 지반에 방출하거나, 지반으로부터 열을 흡수할 수 있는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일에 관한 것으로, 강재에 열매체 자켓이 설치되고, 상기 열매체 자켓은 열펌프 시스템의 열교환기와 연결되어 그 내부로 열매체가 순환하는 것을 특징으로 하는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일이다.

마이크로파일, 지반보강, 열펌프, 힛펌프

Description

열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일{Micro-pile installing geothermal pipe for heat pump}

도 1은 본 발명의 실시예1의 단면도

도 2는 본 발명의 실시예2의 단면도

도 3은 본 발명을 실시예1을 적용한 지열회수형 열펌프 시스템의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,2,3,4,5,6,7,8: 관 10: 열교환기

20: 팽창밸브 30: 4포트밸브

40: 컴프레서 50,60,70: 실내기

51,61,71: 제어밸브 80: 펌프

100: 마이크로파일 101,102: 너트

103: 열매체자켓 104: 베이스플레이트

105: 보강철근 110: 마이크로파일

111,112: 너트 113: 열매체자켓

113: 베이스플레이트

본 발명은 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지반보강을 위한 마이크로파일의 설치시, 상기 마이크로파일 주위에 열매체자켓을 설치하여 열펌프시스템의 열을 지반에 방출하거나, 지반으로부터 열을 흡수할 수 있는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일에 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 단위장치당 에너지 생산용량이 작 고 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.

일반적으로, 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축기, 4포트 밸브, 실외 열교환기, 팽창밸브 및 실내기를 연속되게 구비한 채, 사방 변 밸브에 의해 냉난방을 선택적으로 전환하고, 이에 따라, 실외 열교환기 및 실내기에서 냉매를 선택적으로 응축 또는 증발시키는 과정을 통해, 실내기에서의 증발열 또는 응축열로 실내를 냉방 또는 난방시키는 구조를 이룬다.

종래의 열펌프 시스템은 실외 열교환기의 열원으로 외기를 이용하는 공기 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이 널리 이용되어 왔는데, 이 공기열원식 히트펌프 냉난방 시스템은 외기의 온도가 난방중에는 너무 낮고 반대로 냉방 중에는 너무 높을 경우 냉매의 열 흡수 및 배출에 많은 에너지가 소비되었으며, 또한, 혹한기에는 외기의 온도가 영하 이하로 떨어지는 등 외기의 온도가 일정치 않을 경우 난방에 필요한 열원의 부족으로 인하여, 안정된 난방 운전이 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.

이를 개선하기 위하여 개발된 지열을 이용하는 열펌프 시스템은 실외 열교환기의 열원으로 외기(외부의 공기)를 이용하는 공기 열교환식 히트펌프(EHP, GHP) 냉난방 시스템과 달리, 실외 열교환기의 열원으로 지열을 이용하고 그 지열에 의해 소정의 온도가 된 물 등의 열매체를 이용하여 실외 열교환을 수행하는 히트펌프식 냉난방 시스템이다.

따라서, 지열을 이용하는 열펌프 시스템은 외기온도에 의한 영향을 받지 않는 지중의 열을 열교환용 열원으로 이용하므로, 공기 열교환식 히트펌프보다 높은 열효율(COP, EER)을 나타내는 것으로 알려져 왔다.

이러한 지열을 이용하는 열펌프 시스템은, 상기한 장점에도 불구하고, 냉방 운전시 실내에서 열교환된 후 실외의 수 열교환기로 흐른 냉매를 응축하는 과정에서 흡수열을 지중으로 충분히 방출하지 못하거나, 난방 운전시 실내의 난방 공급에 필요한 열을 지중에서 충분하게 흡수하지 못하는 경우, 냉난방 운전의 안정성과 신뢰성이 떨어지는 문제점을 여전히 가지고 있었다.

일반적으로 지열에너지를 이용하는 설비는 땅 속에 별도의 파이프를 매설하고, 상기 파이프 내부에 물 또는 기타 열매체를 순환시켜 파이프와 지반 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는데, 상기와 같이 파이프의 지반 내 매설로 인한 열교환의 효율은 매설된 파이프의 깊이, 지반과의 접촉면적, 설치 방법에 따라 상당한 영향을 받는다.

따라서, 지열을 이용하기 위한 파이프의 매설은 그 성능을 효과적으로 얻기 위해서는 매설 및 굴착에 과다한 비용이 소요될 뿐만 아니라 설치 장소 또한 제한을 받을 수 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 열펌프의 실외 열교환기에서 외기온도에 영향을 적게 받는 지열을 이용하기 위하여 지반보강을 위한 마이크로파일의 설치시, 상기 마이크로파일 주위에 열매체자켓을 설치하여 열펌프시스템의 열을 지반에 방출하거나, 지반으로부터 열을 흡수할 수 있는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마이크로 파일에 있어서, 강재에 열매체 자켓이 설치되고, 상기 열매체 자켓은 열펌프 시스템의 열교환기와 연결되어 그 내부로 열매체가 순환하는 것을 특징으로 하는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일이다.

상기 강재는 관체로 형성되어, 그 내부에 열매체 자켓이 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 열매체 자켓은 PE 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.

마이크로파일의 시공은, 토목 공사시 연약지반 및 불량지반 위에 구조물을 그대로 설치할 수 없으므로 이를 보강하기 시행되는 것으로, 일반적으로 케이싱을 지반에 삽입하고, 유압드릴이나 각종 천공기를 이용하여 천공 작업을 하고, 마이크 로파일을 삽입시킨 후, 그라우팅 믹서기를 이용하여 보강액(그라우팅액)을 주입하는 그라우팅 작업을 시행함으로써 이루어진다.

즉, 케이싱삽입작업, 천공작업, 파일삽입작업, 그라우팅작업의 순서로 이루어진다.

상기의 케이싱은 삽입은 토사층의 붕괴를 방지하기 위하여 일정심도까지, 즉 암반층에 도달할 수 있을 깊이까지 삽입하여야 한다.

다음에 마이크로파일을 삽입하고, 천공된 구멍과 마이크로파일 사이의 공간에 그라우팅액의 주입으로 상기 케이싱 내부 및 하단 부위의 암반층까지 그라우팅액이 채워지며, 이때 마이크로파일과 함께 지반이 경화된다.

도 1은 본 발명의 실시예1의 단면도이다.

본 발명의 실시예1에서는 상기와 같은 종래의 마이크로파일의 주위에 열매체자켓(103)을 설치하였다.

따라서, 지반에 삽입된 마이크로파일(100)의 주위로 열매체자켓(103)이 나선을 형성하여, 지반과 접촉하여 있는 그라우팅액과 접하게 된다.

일반적으로 마이크로파일(100)은 10m 이상의 깊이로 설치되므로, 열매체자켓(103)을 설치하는 깊이로는 충분하다.

상기 열매체자켓(103)은 열전달효율이 좋고, 내구성이 뛰어난 PE 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

도면부호 104는 베이스플레이트로써, 마이크로파일(100) 삽입 후, 그라우팅액을 채워 양생한 뒤 너트(101,102)를 이용하여 설치된다.

상기 베이스플레이트(104) 위로 보강철근(2) 설치하고, 상기 완료된 기주 위로 구조물을 설치하면 된다.

따라서, 상기 열매체자켓(103)은 열매체가 그 내부로 흐를 수 있으며, 하기하는 열교환기(10) 사이에서 펌프(80)에 의해 계속적으로 순환된다.

도 2는 본 발명의 실시예2의 단면도이다.

실시예1과 유사하나, 열매체자켓(113)이 마이크로파일(110)의 내부를 통하여 연결된다.

즉, 마이크로파일(110)은 관체로써, 열매체자켓(113)이 마이크로파일(110)의 내부를 통하여 마이크로파일(110)의 하부 단부로 나와 마이크로파일(110)을 감아 올라가도록 형성된다.

도 3은 본 발명을 적용한 지열을 이요한 열펌프 시스템을 도시한 것이다.

도 3의 좌측에는 본 발명의 실시예1의 열매체자켓(103)을 설치한 마이크로파일(100)이 매설되어 있다.

상기 열매체자켓(103)은 상기 열교환기(10)와 연결되어, 그 내부로 열매체가 펌프(80)에 의해 시계반대방향(10→1→80→103→8→10) 또는 시계방향(10→8→103→80→1→10)으로 순환된다.

열매체로는 물과 같이 비열이 큰 재료를 쓰는 것이 바람직하다.

상기 열교환기(10)는 팽창밸브(20)와 연결되며, 상기 팽창밸브(20)를 나온 관은 냉방 또는 난방을 필요로 하는 각 가정 등의 실내기(50,60,70)과 병렬로 연결된다.

상기 실내기(50,60,70)는 제어밸브(51,61,71)와 연결되어 냉방 또는 난방이 필요없는 경우 잠그거나, 필요한 정도에 따라 냉방 또는 난방을 위한 열매체를 흐르도록 하는 역할을 한다.

상기 제어밸브(51,61,71)와 연결된 수개의 관은 하나로 합쳐져 4포트밸브(30)와 연결된다.

상기 4포트밸브(30)는 열매체의 흐르는 방향을 임의로 조절하여 냉방 또는 난방을 선택할 수 있다.

상기 4포트밸브(30)의 4개의 포트 중 하나는 상기 열교환기(10)와 연결되고, 다른 하나는 상기 제어밸브(51,61,71)를 통과하여 하나로 합쳐진 관(4)과 연결되고, 나머지 2개는 컴프레서(40)의 입력측(6)과 출력측(5)에 각각 연결된다.

따라서, 겨울에 난방이 필요한 경우에는 상기 열매체자켓(103)이 외부순환용 열매체를 통하여 지하의 열을 상기 열교환기(10)에 공급하고, 열교환기(10)에서 열을 공급받은 내부순환용 열매체는 컴프레서(40)에 의해 압축되어 고온고압이 되고, 상기 실내기(50,60,70)에서 열을 방출한 후, 다시 팽창밸브(20)를 통해 감압된 뒤, 상기 열교환기(10)에 돌아와 다시 열을 공급받아 순환하게 된다.

이 때 4포트밸브(30)의 제어를 통해 컴프레서(40)의 입력측(6)은 열교환기(10)와 연결되고, 컴프레서(40)의 출력측(5)은 관(4)과 연결된다.

즉, 열매체는 10→7→6→40→5→4→50,60,70→51,61,71→3→20→2→10의 순으로 순환하게 된다.

그러므로, 상기 열교환기(10)는 응축기의 역할을 하고, 실내기(50,60,70)는 기화기의 역할을 한다.

반대로, 여름에 냉방이 필요한 경우에는 상기 열교환기(10)의 열을 외부순환용 열매체를 통하여 상기 열매체자켓(103)으로 지하에 열을 버리고, 상기 열교환기(10)에서 냉각된 내부순환용 열매체는 팽창밸브(20)를 통하여 감압되어, 상기 실내기(50,60,70)를 통해 실내의 열을 흡수한 후, 상기 컴프레서(40)에 의해 압축되어 고온고압이 되고, 상기 열교환기(10)에 돌아와 다시 열을 버리게 된다.

이 때 4포트밸브(30)의 제어를 통해 컴프레서(40)의 입력측(6)은 관(4)과 연결되고, 컴프레서(40)의 출력측(5)은 열교환기(10)와 연결된다.

즉, 열매체는 10→2→20→4→51,61,71→50,60,70→4→6→40→5→7→10의 순으로 순환하게 된다.

상기 열펌프 시스템에 부가적으로 보일러 또는 냉각탑 또는 폐열관 등을 상기 열교환기(10)와 연결함으로써, 열교환 능력을 향상시키는 것도 가능하다.

또한, 나선형상의 상기 열매체자켓(103) 대신 U자형상의 열매체자켓을 사용하는 것도 가능하다. 따라서, U자형의 상기 열매체자켓의 수직한 부분은 마이크로파일(100)과 나란하게 되고, U자형의 상기 열매체자켓의 하부의 요곡된 부분은 상기 마이크로파일(100)의 아래에 위치하도록 설치된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명을 통하여 지열을 이용함으로써 에너지절약을 가능하게 할 수 있으며, 지열회수용 배관을 매설하기 위한 땅의 천공없이 토목공사시 요구되는 마이크로파일을 이용한 보강작업에서 지열회수용 열매체 자켓을 매설할 수 있어서 설치비용의 절감을 가져올 수 있다.

또한, 지열 열교환식 열펌프 시스템은 공기에 비해 비열이 높은 물 등을 열매체로 이용하고 외기의 온도에 영향을 받지 않는 지열을 열교환수의 열원으로 이용하므로, 공기 열교환식 히트펌프보다 높은 열효율을 가진다.

또한, 지열이 실외 열교환에 불충분할 경우, 선택적으로 냉각탑 및 보일러 등을 보조열원공급수단으로 이용할 수 있다.

Claims (3)

1. 마이크로 파일에 있어서,

   강재에 열매체 자켓이 설치되고,

   상기 열매체 자켓은 열펌프 시스템의 열교환기와 연결되어 그 내부로 열매체가 순환하는 것을 특징으로 하는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일.
2. 제1항에 있어서, 상기 강재는 관체로 형성되어, 그 내부에 열매체 자켓이 삽입되는 것을 특징으로 하는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일.
3. 제1항에 있어서, 상기 열매체 자켓은 PE 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 열펌프용 지열파이프가 설치된 마이크로파일.

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