KR20080023626A - 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법에 관한 것으로, 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기로 이루어지며, 지중에 매설되는 지열교환기와 상기 매설된 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서, 구조물의 기초공사를 위하여 설치하는 말뚝의 외부에 상기 지열교환기를 함께 설치하므로 종래에 비하여 좁은 공간에 시공이 가능하며 지열교환기 시공을 위한 별도의 천공구멍이 필요하지 않으므로 시공비가 저렴하고, 말뚝의 외부에 설치하므로 말뚝의 내부에 설치하는 경우보다 상대적으로 열에너지의 전도율이 높으므로 지열교환기의 효율성이 증가 되는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법을 제공한다.

열교환장치, 지열교환기, 말뚝, 히트펌프

Description

말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법{geothermal heat exchanger around precast pile and installation method }

도 1은 본 발명에 의한 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법을 설명하기 위하여 말뚝이 지중에 설치된 것을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 말뚝의 외부를 이용한 U자형 지열교환기의 예시도,

도 3은 본 발명에 의한 말뚝의 외부를 이용한 나선형 지열교환기의 예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 식별번호의 설명*

10 : U자형 지열교환기 11 : 나선형 지열교환기

20 : 천공구멍 21 : 천공구멍의 공간부

30 : 말뚝 40a : 말뚝 두부와의 이격공간

40b : 말뚝 선단과의 이격공간

본 발명은 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지열을 회수하도록 그 내부에 열전달 유체가 담긴 지열교환기로 이루어지며, 지중에 매설되는 지열교환기와 상기 매설된 지열교환기에서 회수한 지열 에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서, 구조물의 기초공사를 위하여 설치하는 말뚝의 외부에 상기 지열교환기를 함께 설치하므로 종래에 비하여 좁은 공간에 시공이 가능하며 지열교환기 시공을 위한 별도의 천공구멍이 필요하지 않으므로 시공비가 저렴하고, 말뚝의 외부에 설치하므로 말뚝의 내부에 설치하는 경우보다 상대적으로 열에너지의 전도율이 높으므로 지열교환기의 효율성이 증가 되는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방을 위하여 사용되는 에너지는 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력에너지를 주로 사용하고 있으나, 상기 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점과 자원의 한정성에 따른 단가증가로 근래에는 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 무한한 에너지를 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방 장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기 오염과 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, 환경적인 변동성으로 인한 에너지 생산이 항상 일정치 않을 수 있다. 또한, 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

따라서 항상 일정한 에너지를 얻을 수 있으며 설치 및 유지관리에 상대적으 로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 항상 일정한 지중의 지열에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.

지열교환기의 설치는 대부분 여유가 있는 대지를 확보한 후 수직방향이나 수평방향으로 보어 홀(Bore-hole)을 굴착하여 열교환기를 매설하는 형태로 설치된다. 하지만 보어 홀 굴착비용이 많이 소요되고 대지 확보가 불가능한 곳은 적용할 수 없는 단점을 가진다.

이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 보다 큰 건물에 적합하며, 보어 홀을 소정의 깊이와 간격으로 굴착하고, 지열교환기를 설치하고 후 각 보어 홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채움 후 그라우팅한다. 상기 그라우팅 과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어 홀을 채우게 된다.

채움과 그라우팅 후 수직 파이프는 수평 헤더 파이프(Header Pipes)와 연결한다. 헤더 파이프는 지열교환기 열전달 유체를 열 펌프로 주고받는 역할을 한다. 수직 순환계는 일반적으로 수평형보다 비싸지만 깊을수록 더 효율이 높기 때문에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.

이와 같이 설치된 지열냉난방장치의 지열교환기에는 지중 열과 열교환하기 위하여 유체가 주입되며 이러한 지열냉난방장치는 지열을 지열교환기를 통하여 그 내부에 담긴 열전달 유체가 상기 지열에너지를 빼앗아 저장하는데, 이 상태에서 유체를 히트펌프의 작동으로 강제 순환시켜 필요한 장소로 이동시켜 냉방 또는 난방을 행하게 된다.

이러한 냉난방에 필요한 지열은 여름철에는 대기온도보다 낮고 겨울철에는 대기온도보다 온도가 높으므로 가능하게 되는데, 냉방의 경우 지열이 실내의 열을 추출하여 지중으로 전달하고, 난방의 경우 지열이 실내에 방열 되므로 난방을 할 수 있게 된다.

그러나 이와 같은 종래의 지열교환기의 설치는, 먼저 지중에 시굴 공을 천공하고 상기 천공한 시굴 공에 지열교환기를 삽입하는 방식으로 말뚝과 별개로 지열교환기를 설치함으로써, 추가적인 지열교환기의 설치를 위한 시굴 공과 장소를 필요로 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명은 지열교환기를 구조물의 기초공사를 위하여 설치하는 말뚝의 외부에 상기 지열교환기를 함께 설치하므로 종래에 비하여 좁은 공간에 시공이 가능하며 지열교환기 시공을 위한 별도의 천공구멍이 필요하지 않으므로 시공비가 저렴하고, 말뚝의 외부에 설치하므로 말뚝의 내부에 설치하는 경우보다 상대적으로 열에너지의 전도율이 높으므로 지열교환기의 효율성이 증가 되는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명이 제안하는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기는 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 채워져 있으며, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어서 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서, 상기 지열교환기는 구조물의 시공시 기초 재로 설치된 말뚝의 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기를 제공한다.

또한, 말뚝과 지열교환기의 설치를 위해 지반을 천공하는 단계; 상기 말뚝과 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기를 천공구멍에 삽입하는 지열교환기 설치단계; 상기 지열교환기가 설치된 천공구멍의 공간부에 시멘트 그라우트로 그라우팅하는 단계를 포함하는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 및 설치공법을 설명하기 위하여 말뚝이 지중에 설치된 것을 나타내는 단면도이다.

상기 말뚝(30)은 구조물의 기초공사시 기초에서 받는 하중을 지반까지 연결하는데 사용되는 것으로서, 지반의 구조와 건물의 크기에 따라서 말뚝의 길이 및 간격을 조절하여 설치하게 된다. 이러한 말뚝(30)은 통상적으로 콘크리트 말뚝이나 강관말뚝과 같이 그 외부에 지열교환기를 설치할 수 있는 구조의 말뚝(30)은 모두 사용될 수 있다.

즉, 말뚝(30)은 후술하는 지열교환기(10)를 그 외부에 설치할 수 있는 구조면 된다.

본 발명의 특징은 이렇게 구조물의 기초공사시 천공구멍(20)에 설치되는 말뚝(30)의 외부에 지열교환기(10)를 함께 시공하여 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기 및 설치공법에 관한 것이다.

상기 지열교환기(10)는 폴리에틸렌 파이프 등과 같이 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있으며, 지열에너지와 열교환을 위하여 지열교환기(10) 내부에는 열전달 유체가 충전된다.

이러한 지열교환기는 도 2에 도시된 바와 같이 "U" 자 형태로 이루어지거나 도 3에 도시된 바와 같은 나선형의 구조로 이루어진 지열교환기가 사용될 수 있는데, 본 실시 예에서는 U자형 지열교환기(10)가 제공된 것을 예로서 설명한다.

상기 나선형으로 된 지열교환기(11)는 열전달 유체가 지중에 머무르는 시간을 최대한 늘려주므로 열효율을 극대화할 수 있다.

이와 같이 말뚝(30)의 외부에 지열교환기(10)를 설치하고, 상기 지열교환 기(10)가 설치된 말뚝을 삽입하기 위해 지중에 천공구멍(20)을 말뚝 천공기계로 만들고 상기 천공구멍(20)은 사용하는 말뚝에 따라서 그 넓이와 길이를 달리할 수 있으며, 지열교환기(10)가 설치된 말뚝을 천공구멍(20)에 삽입하여 설치된 후, 말뚝을 고정하기 위해 말뚝을 타격하게 되는데 이때 지열교환기는 말뚝 두부와 이격공간(40a)을 두어 말뚝 타격시 지열교환기의 손상을 방지하고 또한, 지열교환기는 말뚝 선단과의 이격공간(40b)을 두어 말뚝 타격시 말뚝의 관입으로 인한 지열교환기의 손상을 방지한다.

또한, 말뚝(30)을 천공구멍(20)에 설치한 후, 상기 말뚝(30)의 주변마찰력의 증가를 위해 천공구멍의 공간부(21)를 시멘트 그라우트로 그라우팅한다.

이와 같이 지중에 설치되는 말뚝(30)의 외부에 지열교환기(10)를 설치한 후, 천공구멍의 공간부(21)에 타설된 콘크리트 그라우트를 양생하면, 말뚝(30)의 외부를 이용한 지열교환기(10)의 설치가 완료되는데, 상기와 같이 구조물의 기초공사를 위하여 설치된 말뚝(30)의 외부에 지열교환기(10)를 설치하면, 종래의 말뚝과 지열교환기의 개별설치에 따른 천공비용을 줄일 수 있으며 지열교환기를 설치하기 위한 넓은 부지도 필요하지 않다. 또한, 말뚝의 내부에 설치하는 것보다 열전도율이 상대적으로 높다.

이렇게 설치된 지열교환기(10)가 말뚝(30)의 외부에 설치되면, 지열교환기(10)의 2개의 자유단 중 하나는 도시되지 않는 헤더 파이프를 통하여 히트펌프의 유입부재와 연결하고 다른 하나는 헤더 파이프를 통하여 히트펌프의 유출 부재와 연결되면 지열교환기의 설치가 완료된다. 이와 같이 설치된 지열 냉난방장치는, 지 중의 지열이 지열교환기(10)에 전달되고 상기 지열은 다시 지열교환기 내부에 담긴 열전달 유체로 전달되고, 이 상태에서 히트펌프의 구동으로 열전달 유체를 냉난방장소로 이동시켜 순환시키면서 열교환을 통하여 냉방 또는 난방을 행하며, 열교환된 유체는 지열교환기(10)로 다시 되돌아오는 과정을 반복하면서 냉난방을 행한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기를 구조물의 기초공사를 위하여 설치하는 말뚝의 외부에 함께 설치하므로 종래에 비하여 좁은 공간에 시공이 가능하며 지열교환기 시공을 위한 별도의 천공구멍이 필요하지 않으므로 시공비가 저렴하고, 말뚝의 외부에 설치하므로 말뚝의 내부에 설치하는 경우보다 상대적으로 열에너지의 전도율이 높으므로 지열교환기의 효율성이 증가한다.

Claims (2)

1. 지열을 회수하도록 내부에 열전달 유체가 채워진 지열교환기와, 상기 매설된 지열교환기와 연결되어서 지열교환기에서 회수한 지열에너지를 갖는 열전달 유체를 필요한 장소로 이동시켜 열교환에 의하여 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프를 포함하는 열교환장치에 있어서,

   상기 지열교환기는 구조물의 시공시 기초 재로 설치되는 말뚝의 외부에 설치되는 것을 특징으로 하는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기.
2. 말뚝과 지열교환기의 설치를 위해 지반을 천공하는 단계;

   상기 말뚝과 지열에너지를 흡수하거나 또는 냉난방장소로부터 회수한 열을 지중으로 방출하는 지열교환기를 천공구멍에 삽입하는 지열교환기 설치단계;

   상기 지열교환기가 설치된 천공구멍의 공간부에 시멘트 그라우트로 그라우팅하는 단계를 포함하는 말뚝의 외부를 이용한 지열교환기 설치공법.

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