KR20140088936A - 지중열 축열을 위한 파일 집합체 - Google Patents

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Abstract

열교환 파일의 둘레에 열 장벽(heat barrier) 내지 축열 기능을 수행하는 축열 파일을 설치한 지중열 축열을 위한 파일 집합체에 관한 것이다.
개시되는 지중열 축열을 위한 파일 집합체는, 구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에 매설되는 파일 집합체로서, 내부에 형성된 공간을 유동하는 열교환 유체가 지중 물질과 열교환 가능하도록 구성된 열교환 파일; 및 상기 열교환 파일의 둘레에 설치되며, 지중 물질에서 전달된 열을 축열하도록 축열물질이 충진되는 축열 파일;을 포함하며, 상기 축열 파일은 각각의 상기 열교환 파일을 둘러싸도록 구성되어 상기 열교환 파일 사이의 열간섭을 차단하도록 구성된다.

Description

지중열 축열을 위한 파일 집합체{Pile Assembly for Heat Storage}
본 발명은 구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에 매설되는 파일 집합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지열을 효율적으로 이용할 수 있도록 지중 물질과 열교환 가능하게 구성된 열교환 파일의 둘레에 열 장벽(heat barrier) 내지 축열 기능을 수행하는 축열 파일을 설치한 지중열 축열을 위한 파일 집합체에 관한 것이다.
구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에는 다수의 파일로 구성되는 파일 집합체가 설치된다.
최근에는 지열을 에너지원으로 활용하기 위하여 구조물의 기초가 되는 파일(말뚝)의 내부에 지중 물질과 열교환이 가능하도록 열교환 유체를 유동시키는 구조를 갖는 열교환 파일이 사용되고 있다.
그러나, 이러한 열교환 파일은 지중 물질과 열교환이 이루어지도록 설치되므로 열교환 파일 사이에 위치하는 지중 물질의 온도가 열교환을 통하여 열교환 파일 내부에 충진된 물질의 온도와 근접하게 된다.
따라서, 열교환 파일 사이의 간격이 너무 가까운 경우에는 열간섭이 발생하게 되어 열교환 파일의 열교환 효율이 극히 저하된다는 문제점이 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 지중열교환이 가능한 파일 집합체는 구조물의 하부(B)에 설치되는 다수의 파일(10, 20) 중에서 열교환 파일(10)로 일부의 파일을 사용하고, 나머지 파일(20)을 열교환에 사용하지 않고 단지 구조물의 기초를 위한 역할로서 사용된다.
이때, 열교환 파일(10)의 내부에는 열교환 유체의 이동이 가능하도록 열교환 파일(10)의 내부로 열교환 유체를 공급하는 공급관(11)과 열교환 파일(10)의 외부로 열교환 유체를 배출하는 배출관(12)이 포함된다.
이러한 종래의 지중열교환이 가능한 파일 집합체는 전술한 열간섭의 효과를 최소화하기 위하여, 파일 직경의 2.5 ~ 3배 정도의 간격을 두고 열교환 파일(10)이 설치된다.
따라서, 종래의 파일 집합체는, 도 2에 도시된 바와 같이 열교환 파일(10) 사이의 간격(L1)이 대략 5 ~ 6m가 되어 구조물의 기초로 사용되는 파일 중에서 대략 20 ~ 35 % 정도만이 열교환 파일(10)로 사용되고, 나머지 파일(20)은 열교환에 아무런 기능도 담당하지 않는 미사용 파일로 남아 있으므로 충분한 열교환 효율을 달성할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 파일 집합체에 구비되는 파일 중 다수의 파일을 열교환 파일로 사용하되 열간섭을 최소화하도록 함으로써 지중열 안정화 및 지중 열교환 효율을 높일 수 있는 지중열 축열을 위한 파일 집합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에 매설되는 파일 집합체로서, 내부에 형성된 공간을 유동하는 열교환 유체가 지중 물질과 열교환 가능하도록 구성된 열교환 파일; 및 상기 열교환 파일의 둘레에 설치되며, 지중 물질에서 전달된 열을 축열하도록 축열물질이 충진되는 축열 파일;을 포함하며, 상기 축열 파일은 각각의 상기 열교환 파일을 둘러싸도록 구성되어 상기 열교환 파일 사이의 열간섭을 차단하는 지중열 축열을 위한 파일 집합체를 제공한다.
바람직하게, 상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 액상 물질로 구성될 수 있다. 이때, 상기 액상 물질은 염수, 물, 부동액 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 콘크리트, 모르타르, 점토, 벤토나이트 및 아스팔트 중 어느 하나 또는 그 조합으로 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 열교환 파일과 상기 축열 파일 사이의 열교환을 위하여 상기 열교환 파일과 상기 축열 파일 사이에 열교환 유체의 이동이 가능하도록 유동관이 설치될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 상기 축열 파일이 설치된 지중의 물질보다 열용량이 더 큰 물질로 구성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 열교환 파일의 둘레를 축열조의 기능을 수행하는 축열 파일로 둘러싸도록 함으로써 열교환 파일 사이의 열간섭을 최소화할 수 있고, 이로 인해 열교환 파일의 간격을 좁힐 수 있어 구조물의 기초로 사용되는 파일 집합체의 열교환 효율을 극대화할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 축열 파일에 축열된 열을 열교환에 이용하도록 함으로써 열교환 효율을 더욱 높일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 파일 집합체의 구성을 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 파일 집합체의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체의 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 지중열 축열을 위한 파일 집합체의 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에 매설되는 다수의 파일을 갖는 파일 집합체에서 일부의 파일을 열교환 파일로 이용하고, 열교환 파일로 사용되지 않는 미사용 파일 중 적어도 일부를 축열 기능을 수행하는 축열 파일로 구성함으로써, 축열 파일이 열교환 파일의 둘레에서 열 장벽(heat barrier) 내지 축열 기능을 수행하도록 하며 지중열 안정화를 달성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체(100)에 대해 설명한다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체(100)는 다수의 파일을 구비하며, 다수의 파일은 지중열교환을 위해 사용되는 열교환 파일(110)과, 축열 기능의 수행을 위해 사용되는 축열 파일(120)로 구분할 수 있다. 다만, 본 발명에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체(100)는 열교환 파일(110)과 축열 파일(120) 이외의 일부 파일이 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같이 종래의 파일 집합체(100)에 구비되는 미사용 파일(20)로 구성되는 것을 배제하는 것은 아니다.
상기 열교환 파일(110)은 내부에 형성된 공간을 유동하는 열교환 유체가 지중 물질과 열교환 가능하도록 구성된다.
이러한 열교환 파일(110)의 내부에는 열교환 유체가 흐르도록 구성된다. 즉, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 열교환 파일(110)의 내부에는 열교환 유체의 이동이 가능하도록 열교환 파일(110)의 외부에서 내부로 열교환 유체를 공급하는 공급관(111)과, 열교환 파일(110)의 외부로 열교환 유체를 배출하는 배출관(112)이 구비될 수 있다. 이때, 배출관(112)에서 배출되는 열교환 유체는 미도시된 열교환기와 열교환한 후 공급관(111)을 통하여 열교환 파일(110) 내부로 순환되는 구성을 갖는다. 이러한 열교환 유체의 예로는 물, 부동액, 염수 등을 포함할 수 있으며, 공지의 다양한 열교환 유체가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 열교환 파일(110)은 공급관(111)과 배출관(112)을 유동하는 열교환 유체가 열교환 파일(110)의 내부공간에 수용될 수 있도록 공급관(111)과 배출관(112)이 개방된 개방형 열교환 구조를 가질 수 있으며, 이와는 달리 공급관(111)과 배출관(112)이 하나의 관으로 연결되어 열교환 파일(110)의 내부공간으로 배출되지 않도록 하는 폐쇄형 열교환 구조를 가질 수도 있다.
이때, 전술한 개방형 열교환 구조의 경우에는 열교환 파일(110)의 내부공간에 공급관(111)과 배출관(112)을 흐르는 열교환 유체가 수용되어 열교환 파일(110)의 외면에 위치하는 지중 물질과 열교환하도록 구성될 수 있으며, 폐쇄형 열교환 구조의 경우에는 공급관(111)과 배출관(112)을 흐르는 열교환 유체가 열교환 파일(110) 내부에 수용된 액상(예를 들어, 물 등) 또는 고상(예를 들어, 콘크리트 등)의 열전달 매체를 통해 열교환 파일(110)의 외면에 위치하는 지중 물질과 열교환하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 축열 파일(120)은 상기 열교환 파일(110)의 둘레에 설치되며, 지중 물질에서 전달된 열을 축열하도록 축열물질이 충진되도록 구성된다.
이러한 축열 파일(120)은 각각의 상기 열교환 파일(110)을 둘러싸도록 구성되어 축열 기능뿐만 아니라 열교환 파일(110) 사이의 열간섭을 차단하게 된다.
이를 위하여, 상기 축열 파일(120)의 내부에 충진된 축열 물질은 충분한 열을 보유할 수 있도록 상기 축열 파일(120)이 설치된 지중의 물질보다 열용량이 더 큰 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
일 예로서, 상기 축열 파일(120)의 내부에 충진된 축열 물질은 액상 물질로 구성될 수 있으며, 이때, 상기 액상 물질은 염수, 물, 부동액 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다.
이와는 달리, 상기 축열 파일(120)의 내부에 충진된 축열 물질은 콘크리트, 모르타르, 점토, 벤토나이트 및 아스팔트 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 고상 물질로 구성되는 것도 가능하다.
도 4를 참조하면, 이러한 축열 파일(120)은 각각의 열교환 파일(110)의 둘레에 각각 배치되어 하나의 열교환 파일(110)과 인접한 열교환 파일(110) 사이를 구획하는 열 장벽으로서 기능하게 된다.
한편, 도 4에서는 하나의 열교환 파일(110)이 8개의 축열 파일(120)로 둘러싸이는 구성을 도시하고 있지만, 열교환 파일(110)과 축열 파일(120)의 배치는 파일 집합체(100)에 구비되는 파일의 배치형태에 따라 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 열교환 파일(110)이 6개의 축열 파일(120)로 둘러싸이는 구성도 가능하다.
아울러, 상기 축열 파일(120)은 열교환 파일(110)과의 사이에, 직접적 또는 열교환기 등을 통한 간접적인 열교환이 가능하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 열교환 파일(110)과 상기 축열 파일(120) 사이에 열교환 유체의 이동이 가능하도록 유동관(130)이 설치될 수 있다.
이러한 유동관(130)은 축열 파일(120)과의 열전달을 위하여 열교환 파일(110)로부터 축열 파일(120)로 열전달 유체를 공급하는 유출관(132)과, 축열 파일(120)에서 열전달이 이루어진 열전달 유체를 공급받는 유입관(131)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 이러한 유입관(131)과 유출관(132)은 하나의 순환관으로 구성될 수도 있다. 다만, 상기 유동관(130)의 배치는 전술한 배치에 한정되는 것은 아니며, 축열 파일(120)에 축열된 열을 이용할 수 있다면 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 상기 유동관(130)은 전술한 공급관(111)이나 배출관(112)과 연결된 열교환기(미도시)와 연통되도록 구성될 수도 있다.
그리고, 도 6에서는 하나의 열교환 파일(110)과 3개의 축열 파일(120)과의 사이에 열전달 유체의 이동이 이루어지는 것을 예시하고 있으나, 하나의 열교환 파일(110)과 열전달 유체의 이동이 이루어지는 축열 파일(120)의 개수는 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 축열 파일(120)과 각각 연결된 다수의 유동관(130)이 서로 연통되도록 구성된 후 열교환 파일(110)과 연결되는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체(100)는 열교환 파일(110)의 둘레에 열 장벽(heat barrier) 내지 축열 기능을 수행하도록 종래의 미사용 파일을 축열 파일(120)로 사용함으로써 열교환 파일(110) 사이의 간격(도 4의 L2)이 줄어들어도 열간섭에 의한 효율 저하를 방지할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열 축열을 위한 파일 집합체(100)는 종래에 비해 지중열 이용 효율을 크게 높일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100... 파일 집합체 110... 열교환 파일
111... 공급관 112... 배출관
120... 축열 파일 130... 유동관
131... 유입관 132... 유출관

Claims (6)

  1. 구조물의 기초를 구성하기 위하여 지중에 매설되는 파일 집합체로서,
    내부에 형성된 공간을 유동하는 열교환 유체가 지중 물질과 열교환 가능하도록 구성된 열교환 파일; 및
    상기 열교환 파일의 둘레에 설치되며, 지중 물질에서 전달된 열을 축열하도록 축열물질이 충진되는 축열 파일;을 포함하며,
    상기 축열 파일은 각각의 상기 열교환 파일을 둘러싸도록 구성되어 상기 열교환 파일 사이의 열간섭을 차단하는 지중열 축열을 위한 파일 집합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 액상 물질인 것을 특징으로 하는 지중열 축열을 위한 파일 집합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액상 물질은 염수, 물, 부동액 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 지중열 축열을 위한 파일 집합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 콘크리트, 모르타르, 점토, 벤토나이트 및 아스팔트 중 어느 하나 또는 그 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열 축열을 위한 파일 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환 파일과 상기 축열 파일 사이의 열교환을 위하여 상기 열교환 파일과 상기 축열 파일 사이에 열교환 유체의 이동이 가능하도록 유동관이 설치되는 것을 특징으로 하는 지중열 축열을 위한 파일 구조체.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축열 파일의 내부에 충진된 축열 물질은 상기 축열 파일이 설치된 지중의 물질보다 열용량이 더 큰 것을 특징으로 하는 지중열 축열을 위한 파일 구조체.
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