KR20180136889A - 지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법 - Google Patents

지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지열을 취득하기 위하여 수직 밀폐형 지중열교환 시스템이 설치되는 천공(bore hole)을 혼합(混合)지열원 구역과 천부(淺部)지열원 구역으로 구분하고, 대기 및 지표온도의 영향을 거의 받지 않는 천부지열원 구역의 천공에는 열전도도가 높은 기존의 전열(傳熱)그라우팅재를 충전하고, 계절에 따라 대기 및 지표온도에 영향을 많이 받는 혼합지열원 구역의 천공에는 단열(斷熱)그라우팅재를 충전하거나 단열성 카트리지를 시공함으로써, 천부지열원에서 취득한 지열 에너지를 보유하고 있는 열전달 매체가 혼합지열원 구역을 통과하는 과정에서, 동계에 발생하는 열손실 혹은 하계에 발생하는 온도 상승을 방지하여 지중열교환 시스템에 의한 지열 에너지의 취득률을 보다 높일 수 있도록 하는 지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법에 관한 것이다.

Description

지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법 {Geothermal Heat Exchanging System and Construction Method thereof}
본 발명은 지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지열을 취득하기 위하여 수직 밀폐형 지중열교환 시스템이 설치되는 천공(bore hole)을 혼합(混合)지열원 구역과 천부(淺部)지열원 구역으로 구분하고, 대기 및 지표온도의 영향을 거의 받지 않는 천부지열원 구역의 천공에는 열전도도가 높은 기존의 전열(傳熱)그라우팅재를 충전하고, 계절에 따라 대기 및 지표온도의 영향을 많이 받는 혼합지열원 구역의 천공에는 단열(斷熱)그라우팅재를 충전하거나 단열성 카트리지를 시공함으로써, 천부지열원에서 취득한 지열 에너지를 보유하고 있는 열전달 매체가 혼합지열원 구역을 통과하는 과정에서, 동계에 발생하는 열손실 혹은 하계에 발생하는 온도 상승을 방지하여 지중열교환 시스템에 의한 지열 에너지의 취득률을 보다 높일 수 있도록 하는 지중열교환 시스템 및 지중열교환 시스템의 시공방법에 관한 것이다.
일반적으로 지열 열펌프(GSHP : Ground Source Heat Pump)시스템은 동계에는 지중온도가 대기온도보다 높으므로 지중의 열을 흡수하며 난방에 사용하고, 하계에는 반대로 대기를 그보다 상대적으로 낮은 온도를 갖고 있는 지중에서 냉각하여 냉방을 행하는 방법이다.
지열 열펌프 시스템 중, 많이 사용되고 있는 수직 밀폐형 시스템에서는 지중에 수직으로 시공된 천공에 지중열교환 시스템을 설치하고 지중열교환 시스템 주변의 공간을 메우기 위한 다양한 그라우팅재 및 그라우팅방법이 알려져 있다.
예를 들면, 한국특허공보 제10-0985854 호(2010.10.08.공고)는 지중에 150~200m 깊이로 천공을 형성하여 수직 밀폐형 지중열교환 시스템을 설치한 후, 천공의 바닥에서 암반층까지는 열전도성 향상을 위하여 평균지름 5~30mm 정도의 콩자갈을 충전하고 암반층에서 지반 상부까지는 무수축(無收縮) 모르타르로 그라우팅하여 외부 오염물질이 천공로 유입되는 것을 방지하는 그라우팅 시공 방법이 개시되어 있다.
한편, 한국 등록특허공보 제10-1358251호(2014.02.05.공고)는 그라우팅작업의 간편성과 긴밀한 충전을 위하여, 팽창에 의해 파열되는 재질의 긴 튜브에 20~30중량%의 벤토나이트와 70~80중량%의 실리카 샌드의 혼합물을 채운 스틱을 지중열교환 시스템이 설치된 보어홀에 삽입하여 물의 접촉으로 벤토나이트가 팽창되면서 보어홀을 긴밀하게 그라우팅 하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0032677호(2015.03.27.공개)는 지중 150~200m 깊이로 지중열교환 시스템이 설치된 천공에 이전의 벤토나이트 그라우팅재 대신에 열전도를 높이기 위하여, 잘게 파쇄된 암반쇄석을 천공에 검출된 자연수위까지 채우고 나머지는 벤토나이트를 충전하여 외부 오염물질의 유입을 방지하여, 지중열교환 시스템에 대한 열전도율을 보다 높일 수 있는 그라우팅 공법이 개시되어 있다.
등록특허공보 제10-0985854호 (2010.10.08.공고) 등록특허공보 제10-1358251호 (2014.02.05.공고) 공개특허공보 제10-2015-0032677호 (2015.03.27.공개)
상기한 선행기술들은 주로 지중열교환 시스템의 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 이들 방법에 있어서는 주로 천공 주위의 지열을 지중열교환 시스템이 효과적으로 흡수하기 위하여 그라우팅재의 열전도를 높이는데 주안점을 두고 있으나, 천부지열원에서 지중열교환 시스템에 의해 취득한 지열 에너지를 보유하고 있는 열교환매체를 지상으로 추출하는 과정에서, 외부 온도의 영향을 많이 받는 지표부근의 혼합지열원 구역에서 동계에 발생하는 열손실 또는 하계의 열전달 유체의 온도 상승에 대하여는 간과하고 있다.
예를 들어, 도 1에 나타낸 종래의 방식에 의하여 천공(20) 내에 지중열교환 시스템을 시공한 경우를 살펴보면, 대기온도에 영향을 받는 혼합지열원 구역(GH1)이 지표면에 가까이 위치하며, 대한민국 서울지역의 경우 약 10m 깊이까지가 이 구역에 해당되고, 연중 온도차가 깊이에 따라 약 40-1℃ 정도까지이다.
천부지열원 구역(GH2)은 지표면으로부터 약 15m에서 200m 깊이 까지에서는 깊이에 따라 약 15-20℃라고 하는 비교적 일정한 연중 온도를 유지하고 있어서, 천부지열원 구역(GH2)에서 열교환파이프(10)를 통하여 취득한 지열 에너지를 지상으로 추출하기 위하여서는 열교환 매체가 혼합지열원 구역(GH1)을 통과해야만 하며, 이 과정에서 동계의 경우, 천부지열원 구역(GH2)보다 낮은 온도를 갖는 혼합지열원 구역(GH1)과 천부지열원 구역(GH2)의 온도 차이만큼 열에너지가 소실될 우려가 있다. 또한 하계의 경우, 혼합지열원 구역(GH1)의 온도가 천부지열원 구역(GH2)보다 높기 때문에 천부지열원 구역(GH2)에서 냉각된 열교환 매체가 혼합지열원 구역(GH1)에서 다시 덥혀져서 냉각효율이 떨어지게 된다.
이러한 일이 발생되는 이유는, 종래의 시공방법에 있어서는 천부지열원 구역이나 혼합지열원의 구역 구분 없이 전열그라우팅재(30), 예컨대 벤토나이트, 파쇄석, 콩자갈 등을 지중열교환 시스템 주변의 천공(20) 전체에 걸쳐서 충전하기 때문이다.
지열 열펌프 시스템에 의한 지열을 냉난방에 이용하는 기술은 10~20℃에 불과한 지중의 열에너지를 이용하는 것이므로 1~2℃의 열에너지를 더 얻는 것도 중요하고, 또한 적은 열량의 손실도 간과할 수 없는 예민한 문제이다.
따라서, 본 발명의 목적은 지중열교환 시스템이 설치된 천공을 연중 온도변화가 거의 없는 천부지열원 구역과, 대기 및 지표온도 변화의 영향을 많이 받는 혼합지열원 구역으로 구분하고, 천부지열원 구역에는 전열그라우팅재가 충전되는 전열부를 형성하고, 혼합지열원 구역에는 단열그라우팅재가 충전되는 단열부를 형성함으로써 열에너지의 손실이 최소화되도록 한, 이중 구조로 된 지중열교환 시스템 및 그의 시공방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 지중열교환 시스템이 설치된 천공을 연중 온도변화가 거의 없는 천부지열원 구역과, 대기 및 지표온도 변화의 영향을 많이 받는 혼합지열원 구역으로 구분하고, 천부지열원 구역의 천공에는 기존의 전열그라우팅재가 충전되는 전열부로 형성하고, 혼합지열원 구역의 천공에는 단열재가 충전된 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지가 배치되도록 함으로써 열에너지의 손실이 최소화되도록 한, 이중 구조로 된 지중열교환 시스템 및 그의 시공방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 지중열교환 시스템에 사용하기에 적합하며, 천부지열원 구역에서 취득한 지열 에너지를 지상으로 전송하는 과정 중, 혼합지열원 구역에서 발생할 수 있는 열손실 또는 열전달 유체의 온도 상승을 방지함으로써 냉난방 효율을 높일 수 있는 단열재 및 단열성 카트리지를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분된 천공에 설치되는 지중열교환 시스템으로서, 상기 천공의 혼합지열원 구역 둘레부에 시공되는 차수벽; 상기 차수벽으로 둘러싸인 천공의 혼합지열원 구역 내부에 단열 그라우팅재를 충전하여 구성되는 단열부; 상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전하여 구성되며, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부; 및, 상기 단열부 및 전열부를 통과하며, 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프;를 포함하는 지중열교환 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분된 천공에 설치되는 지중열교환 시스템로서, 상기 천공의 혼합지열원 구역에 설치되는 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지; 상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전하여 구성되며, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부; 및, 상기 단열부 및 전열부를 통과하며, 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프;를 포함하는 지중열교환 시스템이 제공된다.
이러한 지중열교환 시스템에 사용되는 단열성 카트리지는 내부 및 외부 파이프로 구성되며, 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이에는 단열재가 충전되고, 상기 내부 파이프에는 단열그라우팅재가 충전되며 상기 열교환 파이프가 통과하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단열성 카트리지는 상부 및 하부에서 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이의 공간을 폐쇄하는 뚜껑을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 단열성 카트리지의 재질은 플라스틱이다.
바람직하게는, 단열그라우팅재는 경량기포 콘크리트(HPFC:High Porosity Foamed Concrete), 질석(蛭石)의 혼합 시멘트, 화산석의 혼합시멘트, 또는 알루미늄 분말의 발포제가 혼합된 시멘트인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단열성 카트리지의 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트이다.
충전되는 단열재로서는, 우레탄폼, 스티로폼, 유리면(Glass wool), 암면(rock wool)등이 단독, 또는 혼합되어 사용될 수 있다.
또한, 경량기포 콘크리트는 초가소제(Superplasticizer) 및/또는 기포형성제가 첨가될 수 있다.
바람직하게는, 다수 개의 지중열교환 시스템을 상호간에 접속하는 트렌치(trench)도 단열 그라우팅재가 충전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 지중열교환 시스템을 설치하기 위한 천공을 형성하며, 상기 천공을 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분하는 단계; 상기 천공의 내부에 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프를 설치하는 단계; 상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전함으로써, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부를 형성하는 단계; 상기 천공의 혼합지열원 구역 둘레부에 차수벽을 시공하는 단계; 및, 상기 차수벽으로 둘러싸인 천공의 혼합지열원 구역 내부에 단열 그라우팅재를 충전하여 단열부를 형성하는 단계;를 포함하는 지중열교환 시스템의 시공방법이 제공된다.
바람직하게는, 단열부를 형성하는 단계 이후에, 다수 개의 열교환 파이프 및 히트펌프가 접속되는 트렌치(trench)를 단열 그라우팅재로 시공하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 지중열교환 시스템을 설치하기 위한 천공을 형성하며, 상기 천공을 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분하는 단계; 상기 천공의 내부에 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프를 설치하는 단계; 상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전함으로써, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부를 형성하는 단계; 상기 천공의 혼합지열원 구역에, 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지를 설치함으로써 단열부를 형성하는 단계;를 포함하는 지중열교환 시스템의 시공방법이 제공된다.
본 발명의 지중열교환 시스템은, 그 지중열교환 시스템이 설치되는 천공을 연중 온도변화가 거의 없는 천부지열원 구역과, 대기 및 지표온도 변화의 영향을 많이 받는 혼합지열원 구역으로 구분하고, 천부지열원 구역의 천공에는 기존의 전열그라우팅재가 충전되는 전열부와, 혼합지열원 구역의 천공에는 단열그라우팅재가 충전되는 단열부의 이중 구조로 되어 있기 때문에, 종래 전열그라우팅재만을 전체 천공에 충전하여 시공한 것에 비하여 지열 에너지를 양호하게 취득할 수 있고 취득된 지열에너지의 열손실 또는 열전달 유체의 온도 상승을 유효하게 방지할 수 있다.
또한 천공의 혼합지열원 구역 내부에 구성되는 단열부에 사용되는 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트(HPFC: High Porosity Foamed Concrete)를 충전하였기 때문에 단열 효과를 높일 수 있고 열손실 혹은 열전달 유체의 온도 상승의 방지에 의해 지열 에너지의 취득률이 보다 높게 되는 동시에 차수벽에 의해 외부의 오염물질의 유입이 차단되어 천공의 주위 환경을 안전하게 보호할 수 있다.
또한, 본원발명에 있어서는, 단열재가 충전된 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지를 천공의 혼합지열원 구역에 설치하고, 이러한 단열성 카트리지는 내부 및 외부 파이프로 구성되며, 상기 내부 파이프는 상기 외부 파이프의 내부에 배치되고, 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이의 공간에는 단열재가 충전되고 상기 내부 파이프 내의 공간으로는 상기 열교환 파이프가 통과하도록 구성되었기 때문에, 차수벽을 별도로 시공할 필요가 없고, 내부 및 외부 파이프는 수분을 차단하여 내부에 충전된 단열재를 외부환경으로부터 보호하여 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 방식에 따른 지중열교환 시스템의 실시 예시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 지중열교환 시스템의 실시 예시도.
도 3A는 본 발명의 지중열교환 시스템에 사용되는 적층가능한 단열성 카트리지의 단면도, 도 3B는 단열성 카트리지의 적층된 상태를 나타내는 모식도.
도 4는 단열성 카트리지를 사용하여 시공된 본 발명의 제2 실시예에 관한 지중열교환 시스템의 시공상태를 예시하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시예의 다양한 변경, 균등물 및/ 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지는 않는다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 명세서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시예들을 배제하도록 해석될 수는 없다.
도 2는 본 발명에 따른 지중열교환 시스템의 실시예시도로서, 도시한 바와 같이 지표에서 지하 약 15m 깊이까지의 혼합지열원 구역(GH1)을 관통하여 15~200m 깊이의 천부지열원 구역(GH2)에 이르는 천공(20)에 U자형으로 만곡된 열교환 파이프(10)가 연결된 지중열교환 시스템을 설치함에 있어서, 천공(20)의 주변 토양으로부터의 지열전도의 촉진 및 외부의 물과 오염물질의 유입을 방지하기 위하여 천공에는 그라우팅재를 충전하게 된다.
본 발명에 있어서는 먼저, 상기 지중열교환 시스템이 설치되는 천공(20)을 지표의 온도의 영향을 받는 혼합지열원 구역(GH1)과, 연중 온도변화가 거의 없는 천부지열원 구역(GH2)으로 구분한다.
즉, 상기 지중에 깊게 뚫린 천부지열원 구역(GH2)의 천공에는 지중열교환 시스템에 지열을 양호하게 전도하는 전열그라우팅재(30)를 충전하여 전열부를 구성하고, 상기 혼합지열원 구역(GH1)의 천공 주위에는 차수벽(50)을 구비하여 외부로부터의 물과 오염물질의 유입을 방지하는 동시에, 천부지열원 구역으로부터 열교환매체가 취득한 지열 에너지를 열교환 파이프(10)를 통하여 지상으로 추출하는 과정에서, 혼합지열원 구역(GH1) 통과 시에 발생할 수 있는 열손실 혹은 열전달 유체의 온도 상승을 방지하기 위하여 혼합지열원 구역(GH1)의 천공에는 단열그라우팅재(40)를 충전하여 2중 구조의 열교환 시스템으로서 시공하는 것이다.
상기 천부지열원 구역(GH2)의 천공에 충전하는 전열그라우팅재(30)는 벤토나이트, 모래가 혼합된 벤토나이트, 탄소나 흑연이 혼합된 벤토나이트 또는 콩자갈이 포함된 벤토나이트 등, 지중열교환 시스템에 지열을 양호하게 전도할 수 있는 그라우팅재를 선택적으로 적용한다.
천부지열원과 혼합지열원의 경계는 지역에 따라 일정하지 않으나 천공 시에 지열의 측정에 의해 파악할 수 있으므로 온도변화의 경계를 설정하면 된다.
상기 단열그라우팅재(40)로서는 작고 균일한 기포가 고르게 많이 분포되어 조직밀도가 낮고 열전도율이 비교적 낮은 단열그라우팅재를 선택적으로 적용할 수 있다.
예를 들어, 경량기포 콘크리트(HPFC:High Porosity Foamed Concrete), 질석(蛭石)의 혼합 시멘트, 화산석의 혼합시멘트, 알루미늄 분말의 발포제가 혼합된 시멘트를 적용할 수 있다.
본원 발명에서 사용하기에 가장 바람직한 단열그라우팅재(40)로서는 경량기포 콘크리트(HPFC:High Porosity Foamed Concrete)를 들 수 있으며, 여기에 초가소제(Superplasticizer)가 첨가될 수 있다.
초가소제가 첨가된 시멘트 모르타르에 컴프레서에 의해 소정량의 공기를 주입하여 기포를 일으키면서 천공(20)에 주입하여 충전한다. 주입된 시멘트 모르타르는 첨가된 초가소제의 분산작용에 의해 시멘트에 기포가 균일하게 포함하게 됨으로써, 경화 후에는 일정한 크기의 독립성 기포가 균일하게 분포된 경량기포 콘크리트로 된다.
또한 기포형성재를 첨가한 시멘트 모르타르를 사용하여 기포를 생성시킬 수도 있으며, 상기 공기주입법과 병행할 수도 있다.
또한 상기 경량기포 콘크리트는 혼합지열원 구역(GH1)의 천공의 그라우팅 뿐 아니라 상기 지중열교환 시스템의 파이프 및 지열열펌프를 서로 연결하는 지표의 트렌치(GS)에도 적용할 수 있다.
이와 같이 충전하여 경화된 경량기포 콘크리트의 단열그라우팅재(40)는 단열작용이 우수하여, 천부지열원구역(GH2)에서 취득한 지열 에너지를 외부로 이동하는 과정에서 혼합지열원 구역(GH1)에서의 열손실 혹은 열전달 유체의 온도 상승을 효과적으로 방지할 수 있고, 따라서 지열열펌프의 효율을 높이게 되며, 또한 차수벽에 의해 외부의 오염물질의 유입이 차단되어 천공의 주위환경을 안전하게 보호할 수 있다.
제1 실시예
상기와 같이 구성된 본원발명의 제1 실시예에 따른 지중열교환 시스템의 시공방법은 다음과 같다.
1. 천공의 그라우팅 구역 설정
도2에 표시된 바와 같이, U형 파이프로 된 지중열교환 시스템(10)가 설치될 천공(20)을, 대기온도에 따라 지중온도가 변하는 지하 약 15m 깊이까지의 혼합지열원구역(GH1)의 부분과, 지하 약 15-20℃를 유지하는 약 15~200m 깊이의 천부지열원 구역(GH2)의 부분으로 구분한다.
상기 천공(20)에 있어서의 혼합지열원 구역(GH1)의 부분은 이후 단열부(A)로 형성되고, 천부지열원 구역(GH2)의 부분은 전열부(B)로 될 것이며, 그의 경계선(C)은 천공시에 측정되는 깊이에 따라 확실하게 천부지열원이 시작되는 깊이로 설정하는 것이 좋고, 지역에 따라 혼합지열원과 천부지열원의 경계선 깊이가 다르기 때문에 상기 경계선(C)의 위치는 정해진 것은 아니다.
2. 천공의 구역별 소재의 그라우팅 시공
열교환파이프(10)가 설치된 천공(20)의 천부지열원구역(GH2)의 부분(B)에, 전열그라우팅재(30)를 충전한다,
전열그라우팅재(30)로서는, 예를 들어 모래가 포함된 벤토나이트 혼합재를 상기 천공(20)의 경계선(C)의 레벨까지 충전하여 그라우팅 시공함으로써, 전열부(B)를 형성한다.
상기 충전된 벤토나이트 혼합재는 상기 천공(20)에 존재하는 지하수에 의해 천공(20)의 허용공간의 범위로 팽창하게 되며, 이에 의하여 천공(20)은 기밀하게 그라우팅이 된다.
벤토나이트의 지나친 팽창 압력에 의해 지중열교환 시스템의 열교환파이프(10)가 변형되는 경우도 있으므로 천공(20)의 내경과 천부지열원 구역(GH2)의 경계선(C)까지의 용적을 미리 측정하여 충전할 벤토나이트의 적정량을 설정해 놓는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 경계선(C)으로부터 지표면까지의 나머지 천공(20)의 혼합지열원구역(GH1)에는 차수벽(50)을 시공하고 여기에 단열그라우팅재(40)를 충전함으로써 단열부(A)를 시공한다.
상기 차수벽(50)으로서는 벤토나이트, 콘크리트, 강관, 합성수지관 등이 이용된다.
단열그라우팅재(40)로서는, 시멘트, 물, 초가소제를 혼합하여 이루어진 시멘트 모르타르를 컴프레서에 의해 공기를 주입하여 발포하면서 상기 천공(20)에 주입하여 그라우팅 시공한다.
시멘트 모르타르에 과량의 공기를 주입하면 기포량은 증가되는 반면, 콘크리트의 강도가 저하되기 때문에 콘크리트의 적정한 강도와 단열을 위한 기포 공극량과 균형을 이루도록 한다.
상기 초가소제는 일종의 고분자 물질의 계면활성제로서 시멘트 모르타르 입자의 유동성을 양호하게 유지하여 분산성을 높여 균일한 분포의 기포를 형성하는데 유용하다.
또한 상기 천공(20)에 충전되는 단열그라우팅재(40)는 경량기포 콘크리트에 한정되는 것은 아니며, 다양한 유무기질 단열재를 선택적으로 적용할 수 있다.
또한 상기 단열그라우팅재(40)로서의 경량기포 콘크리트는 열교환 파이프(10)들을 상호간에 연결하는 트렌치(GS)에도 동일하게 시공하는 것이 좋다.
상기한 본 실시예에서 천부지열원 구역(GH2)의 전열부(B)에 사용된 전열그라우팅재(30)에 의하여 열교환 파이프(10) 내를 순환하는 열교환매체에 대한 지열 에너지의 전도가 양호하여 지중열교환 시스템의 열교환 성능이 그만큼 향상될 수 있다.
또한 혼합지열원 구역(GH1)의 단열부(A)의 단열그라우팅재(40)에 의하여, 이미 천부지열원 구역(GH2)에서 취득한 지열에너지가 대기온도의 영향을 받는 혼합지열원 구역(GH1)에서 손실되는 것을 방지할 수 있으므로, 그만큼 지중열교환 시스템에 의한 지열 에너지의 취득률이 높게 되어 지열 에너지를 보다 효과적으로 이용할 수 있다.
제2 실시예
도 3을 참고하여 본원발명의 제2 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본원발명의 제2 실시예의 지중열교환 시스템 및 그의 시공방법이 제1 실시예와 상이한 점은, 제1 실시예에서의 차수벽(50) 및 단열부(B)가, 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지(60)로 대체되는 점이다.
이러한 적층가능한 단열성 카트리지(60)는 제1 실시예에서와 마찬가지로 대기온도의 영향을 받는 혼합지열원 구역(GH1)에서의 열손실 또는 열매체의 온도 상승을 방지하기 위해 시공되는 것으로서, 우수한 단열성능과, 지표수 및 지하수의 유입을 방지할 수 있고, 시공깊이에 따라서 적층식으로 조립할 수 있는 구조를 가지고 있다. 따라서, 운반 및 시공이 편리한 길이로 제작하여 현장에서 간편하게 조립할 수 있는 구조이다.
본원 발명의 제2 실시예에 따른 지중열교환 시스템의 혼합지열원 구역(GH1)에 설치되는 적층가능한 단열성 카트리지(60)는, 플라스틱 재질로 형성되는 원통 형상의 내부 파이프(62) 및 외부 파이프(64)로 구성되며, 상기 내부 파이프(62)와 외부 파이프(64)의 사이에는 단열재가 충전된다.
각 파이프가 플라스틱으로 형성됨에 따라 수분을 차단함으로써, 내부에 충전되어 있는 단열재를 외부환경으로부터 보호하여 성능을 유지한다.
충전되는 단열재로서는, 우레탄폼, 스티로폼, 유리면(Glass wool), 암면(rock wool)등이 단독, 또는 혼합되어 사용될 수 있다.
한편, 상기 내부 파이프(62)에는 상술한 바와 같은 단열 그라우팅재, 즉 경량기포 콘크리트(HPFC), 질석(蛭石)의 혼합 시멘트, 화산석의 혼합시멘트, 알루미늄 분말의 발포제가 혼합된 시멘트가 충전되며, 바람직하기로는 경량기포 콘크리트가 충전되며, 상기 열교환 파이프(10)가 통과하여 지나가게 된다.
한편, 이러한 적층가능한 단열성 카트리지(60)는 그의 상부 또는 하부에서 상기 내부 파이프(62)와 외부 파이프(64)의 사이를 밀폐하는 뚜껑(66)을 가짐으로써 파이프 내에 충전된 단열재의 유실 및 지하수의 침투를 방지함과 동시에, 내부를 통과하는 열교환파이프(10)의 위치정렬을 용이하게 한다.
상기 내부파이프(62)의 내경은 미리 충전 형성된 전열부(B)의 직경과 동일하게 하는 것이 바람직하며, 여러 개의 단열성 카트리지(60)를 적층 시공함으로써, 제1 실시예에서의 단열부(A)와 동일한 기능을 구현할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예는 개시된 기술 내용의 설명 및 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 범위는, 본 발명의 기술적 사상에 근거한 모든 변경 또는 다양한 다른 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 열교환 파이프 20 : 천공
30 : 전열그라우팅재 40 : 단열그라우팅재
50 : 차수벽 60: 적층가능한 단열성 카트리지
62 : 내부 파이프 64 : 외부 파이프
66 : 뚜껑
A : 단열부 B : 전열부
GH1 : 혼합지열원 GH2 : 천부지열원
GS : 트렌치 P : 파이프

Claims (31)

  1. 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분된 천공에 설치되는 지중열교환 시스템으로서,
    상기 천공의 혼합지열원 구역 둘레부에 시공되는 차수벽;
    상기 차수벽으로 둘러싸인 천공의 혼합지열원 구역 내부에 단열 그라우팅재를 충전하여 구성되는 단열부;
    상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전하여 구성되며, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부; 및,
    상기 단열부 및 전열부를 통과하며, 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프;
    를 포함하는 지중열교환 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트(HPFC: High Porosity Foamed Concrete)인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트는 초가소제(Superplasticizer)가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트는 기포형성제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    다수 개의 지중열교환 시스템을 상호간에 접속하는 트렌치(trench)도 단열 그라우팅재가 충전되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  6. 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분된 천공에 설치되는 지중열교환 시스템로서,
    상기 천공의 혼합지열원 구역에 설치되는 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지;
    상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전하여 구성되며, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부; 및,
    상기 단열성 카트리지 및 전열부를 통과하며, 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프;
    를 포함하는 지중열교환 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적층가능한 단열성 카트리지는 내부 및 외부 파이프로 구성되며, 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이에는 단열재가 충전되고, 상기 내부 파이프에는 단열그라우팅재가 충전되며 상기 열교환 파이프가 통과하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 적층가능한 단열성 카트리지는 상부 및 하부에서 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이의 공간을 폐쇄하는 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 단열성 카트리지의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 단열재는 우레탄폼, 스티로폼, 유리면 또는 암면인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트에 초가소제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  13. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트에 기포형성제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  14. 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분된 천공에 설치되는 지중열교환 시스템의 혼합지열원 구역에 설치되는 적층가능한 단열성 카트리지로서,
    상기 단열성 카트리지는 원통 형상의 내부 파이프 및 외부 파이프로 구성되며,
    상기 내부 파이프와 상기 외부 파이프의 사이에는 단열재가 충전되고,
    상기 내부 파이프에는 단열 그라우팅재가 충전되며, 상기 열교환 파이프가 통과하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템용 단열성 카트리지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단열성 카트리지는 상부 및 하부에서 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이의 공간을 폐쇄하는 뚜껑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템용 단열성 카트리지.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 단열성 카트리지의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템용 단열성 카트리지.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템.
  18. 지중열교환 시스템을 설치하기 위한 천공을 형성하며, 상기 천공을 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분하는 단계;
    상기 천공의 내부에 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프를 설치하는 단계;
    상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전함으로써, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부를 형성하는 단계;
    상기 천공의 혼합지열원 구역 둘레부에 차수벽을 시공하는 단계; 및,
    상기 차수벽으로 둘러싸인 천공의 혼합지열원 구역 내부에 단열 그라우팅재를 충전하여 단열부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  19. 제18항에 있어서,
    단열부를 형성하는 단계 이후에, 다수 개의 열교환 파이프 및 히트펌프가 접속되는 트렌치(trench)를 단열 그라우팅재로 시공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 단열 그라우팅재는 경량기포 콘크리트(HPFC: High Porosity Foamed Concrete)인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트는 초가소제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  22. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트는 기포형성제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  23. 지중열교환 시스템을 설치하기 위한 천공을 형성하며, 상기 천공을 혼합지열원 구역과 천부지열원 구역으로 구분하는 단계;
    상기 천공의 내부에 열교환 매체가 유통되는 열교환 파이프를 설치하는 단계;
    상기 천공의 천부지열원 구역 내부에 전열 그라우팅재를 충전함으로써, 천부지열원으로부터의 지열을 취득하는 전열부를 형성하는 단계;
    상기 천공의 혼합지열원 구역에, 하나 이상의 적층가능한 단열성 카트리지를 설치함으로써 단열부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 적층가능한 단열성 카트리지는 내부 및 외부 파이프로 구성되며, 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이에는 단열재가 충전되고, 상기 내부 파이프에는 단열그라우팅재가 충전되며 상기 열교환 파이프가 통과하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 단열성 카트리지가 2개 이상 적층 설치되는 경우, 상기 내부 파이프와 외부 파이프의 사이의 공간을 폐쇄하는 뚜껑을 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  26. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 단열성 카트리지의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 단열그라우팅재는 경량기포 콘크리트인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  28. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 단열재는 우레탄폼, 스티로폼, 유리면 또는 암면인 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  29. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트는 초가소제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  30. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 경량기포 콘크리트에는 기포형성제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
  31. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    단열부를 형성하는 단계 이후에, 다수 개의 열교환 파이프 및 히트펌프가 접속되는 트렌치를 단열 그라우팅재로 시공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환 시스템의 시공방법.
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