KR100407673B1 - 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형 에너지 말뚝 즉 대형 열교환 말뚝에서 지중의 열을 채열하여 대형 및 고층 건물을 냉난방시킬 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝을 시공하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템은 열순환 파이프(3)를 포함하는 대형 에너지 말뚝(5)과, 상기 대형 에너지 말뚝(5)의 열순환 파이프(3)로 순환수를 공급하고 열순환 파이프(3)에서 열교환된 순환수를 배출하기 위해 바닥 콘크리트 슬래브(7)에 매설되는 순환수 분배회로(9)와, 상기 순환수 분배회로(9)에서 배출되는 순환수와 공기유입장치(13)에 의해 유입된 공기를 열 교환시키기 위한 열교환기(11)와, 상기 공기를 순환시키기 위한 냉난방 공기 회로(15)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝 시공방법{AN AIR CONDITIONING SYSTEM USING THE HEAT OF THE EARTH AND METHOD OF CONSTRUCTING A LARGE HEAT-EXCHANGING PIPE}

본 발명은 대형 에너지 말뚝 즉 대형 열교환 말뚝에서 지중의 열을 채열하여 대형 및 고층 건물을 냉난방시킬 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 위의 대형 열교환 말뚝을 시공하는 방법에 관한 것이다.

스위스, 오스트리아, 및 스칸디나비아 반도 국가들에서 비교적 널리 알려진 열순환 파이프로 지중열 에너지를 채열하여 건물을 냉난방하는 열순환 파이프 시스템은 12cm 직경의 구리관을 심도 300m까지 설치하여 활용하고 있다.

그러나, 상기 열순환 파이프 시스템은 구리와 같은 높은 열전도도를 갖는 재질을 사용하기 때문에 비용이 많이 들고 작은 직경(15cm 이하)의 열순환 파이프를 사용하기 때문에 대량의 지열을 추출하기 곤란하며, 그 사용이 국한되어 활용 보급이 극히 제한적이 문제점이 있다.

국내의 경우, 지중열 교환시스템의 열적 성능에 대한 수학적 모델링을 설정하여 매설관에 대한 수치 해석(김 홍재, 에너지기술연구소, 1991년), 열 파이프를 이용한 융설시스템에 대한 연구(신 현준, 한국건설기술연구원, 1992년), 수직 및 수평매설관을 이용한 건물 에너지에 관한 기초연구(조 정식, 통산산업부, 1995년) 등 지중열을 이용하는 연구가 이루어졌으나, 이러한 연구들은 현장 실용성이 결여된 초기연구단계 수준이다.

따라서, 본 발명의 목적은 중·저온의 지열 활용과 기존의 열교환 시스템을 연계시켜 고층 및 대형건물의 냉난방시킬 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 현장에서 순수한 지열만을 보존하고 있는 심도, 즉 한계심도인 20m 에서 최저 심도 80m 이하까지 대직경을 천공한 후 고효율 열교환 튜브 또는 파이프를 설치하고 현장에서 콘크리트를 타설함으로써 열순환 및 건물지지 기능을 동시에 보유할 수 있는 경제적이고 실용적인 대형 열교환 말뚝 시공방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 일례는 열순환 파이프를 포함하는 대형 에너지 말뚝과, 상기 대형 에너지 말뚝의 열순환 파이프로 순환수를 공급하고 열순환 파이프에서 열교환된 순환수를 배출하기 위해 바닥 콘크리트 슬래브에 매설되는 순환수 분배회로와, 상기 순환수 분배회로에서 배출되는 순환수와 공기유입장치에 의해 유입된 공기를 열 교환시키기 위한 열교환기와, 상기 공기를 순환시키기 위한 냉난방 공기 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 순환수 분배회로를 따라 흐르는 순환수를 열순환 파이프 하부로 순환시키기 위한 압축기가 열교환기에 내장될 수 있는 있는 것을 특징으로 한다.

상기 대형 에너지 말뚝은 직경이 1.0 m∼2.7m 이며 깊이가 20m ∼80m 이고,철근망에 복수개의 열순환 파이프가 고정되며, 콘크리트가 철근망에 채워지는 것을 특징으로 한다.

상기 대형 에너지 말뚝은 고층 및 대형 건물의 경우, 외부 둘레에 단순 기초말뚝과 교대로 설치되며, 둘레 내부에 소정의 간격으로 배열되고, 상기 대형 에너지 말뚝의 배치 간격은 지반여건에 따라 달라질 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 대형 에너지 말뚝은 지지 말뚝이 아닌 단순한 열교환 말뚝으로 사용될 경우 보강철근망을 사용하지 않고 열전도가 높은 일반 나트륨형 벤토나이트로 충진될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 열순환 파이프는 열교환 튜브 또는 PVC 파이프로 이루어지며, 외측에 유입수 통로가 형성되고 내측에 배출수 통로가 형성되며, 상기 유입수 통로와 배출수 통로 사이에 충진재가 채워지는 것을 특징으로 한다.

상기 유입수 통로를 따라 흐르는 순환수는 지중의 열과 열교환되면서 하부로 이동하고, 상기 배출수 통로를 따라 흐르는 순환수는 상부로 이송되어 열교환기에서 공기와 열교환을 하게 되는 것을 특징으로 한다.

상기 순환수는 염수 또는 물과 부동액이 7 : 3으로 혼합된 혼합수인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 대형 에너지 말뚝의 시공방법은 직경 1∼3m, 심도 80m까지 천공할 수 있는 대구경 대심도 회전 굴삭기를 이용하여 대구경 대심도의 구멍을 천공하는 단계와, 소정의 심도까지 천공한 후 보강철근망을 구멍에 설치하고 열순환 파이프를 보강철근망에 고정시키는 단계와. 보강철근망과 열순환 파이프가 천공구멍에 설치되면 레미콘 트럭과 트레미관을 이용하여 현장에서 콘크리트를 타설하고 타설종료 후 잉여 콘크리트를 제거하는 단계와. 위 단계에서 사용된 케이싱을 인발하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 대형 에너지 말뚝의 시공방법은 토사층을 굴착할 때, 0.5∼1.5m 길이의 케이싱을 연결하여 소요 굴착 깊이까지 삽입하여 공내 붕괴방지를 도모하고, 토사층과 암반층 사이의 구간을 굴착할 때 공내 이수공법 또는 RCD공법 등으로 굴진시키며, 암반층을 굴착할 때 암반을 천공할 수 있는 비트를 이용하여 암반을 굴착하고, 드릴롯드 파이프로 순환수와 함께 부순 돌을 공기로 흡입하여 지상으로 배출하는 것을 특징으로 한다.

다량의 열에너지를 얻기 위해 각각의 에너지 말뚝에 다수의 열순환 파이프를 설치할 수 있는 것을 특징으로 한다.

효과적인 열전달을 위해 상기 열순환 파이프를 보강철근망 바깥쪽에서 고정시키는 것을 특징으로 한다.

잉여 콘크리트를 제거하는 단계서, 열순환 파이프가 손상되지 않도록 강철 캡으로 열순환 파이프의 두부에 보호하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템을 도시한 개략도

도 2는 도 1의 열교환 말뚝을 도시한 사시도

도 3은 도 2의 열교환 파이프를 도시한 단면도

도 4는 본 발명에 따른 열교환 말뚝에서 열교환 파이프의 배열을 도시한 개략도

도 5a 와 5b는 본 발명에 따른 열교환 말뚝을 시공하는 방법을 도시한 순서도

도 6은 지하 5m 심도에서의 연중 평균 지중온도를 도시한 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

3 : 열순환 파이프 4 : 보강철근망

5 : 대형 에너지 말뚝 7 : 바닥 콘크리트 슬래브

9 : 순환수 분배회로 11 : 열교환기

13 : 공기유입장치 15 : 냉난방 공기 회로

17 : 단순 기초말뚝 31 : 유입수 통로

33 : 배출수 통로 37 : 충진재

41 : 대구경 대심도 회전 굴삭기 43 : 케이싱

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템은 열순환 파이프(3)를 포함하는 대형 에너지 말뚝(5)과, 상기 대형 에너지 말뚝(5)의 열순환 파이프(3)로 순환수를 공급하고 열순환 파이프(3)에서 열교환된 순환수를 배출하기위해 바닥 콘크리트 슬래브(7)에 매설되는 순환수 분배회로(9)와, 상기 순환수 분배회로(9)에서 배출되는 순환수와 공기유입장치(13)에 의해 유입된 공기를 열 교환시키기 위한 열교환기(11)와, 상기 공기를 순환시키기 위한 냉난방 공기 회로(15)로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템은 상기 순환수 분배회로(9)를 따라 흐르는 순환수를 열순환 파이프(3) 하부로 순환시키기 위한 압축기(도시하지 않음)가 열교환기(11)에 내장될 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 대형 에너지 말뚝(5)은 직경이 1.0 m∼2.7m 이며 깊이가 20m ∼80m 이고, 철근망(4)에 복수개의 열순환 파이프(3)가 고정되며, 콘크리트(6)가 철근망(4)에 채워진다.

위와 같이 구성된 대형 에너지 말뚝(5)은 도 3에 도시된 바와같이 고층 및 대형 건물의 경우, 외부 둘레에 단순 기초말뚝(17)과 교대로 설치되며, 둘레 내부에 소정의 간격으로 배열된다. 그리고, 상기 대형 에너지 말뚝(5)의 배치 간격은 지반여건에 따라 달라질 수 있다. 즉, 건조한 모래나 자갈측에서는 더 깊고 넓은 간격이 요구된다.

상기 대형 에너지 말뚝(5)은 지지 말뚝이 아닌 단순한 열교환 말뚝으로 사용될 경우 보강철근망을 사용하지 않고 열전도가 높은 일반 나트륨형 벤토나이트로 충진될 수 있다.

도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 열순환 파이프(3)는 열교환 튜브 또는 PVC 파이프로 이루어지며, 외측에 유입수 통로(31)가 형성되고 내측에 배출수 통로(33)가형성되며, 상기 유입수 통로(31)와 배출수 통로(33) 사이에 충진재(37)가 채워진다.

상기 유입수 통로(31)를 따라 흐르는 순환수는 지중의 열과 열교환되면서 하부로 이동하고, 상기 배출수 통로(33)를 따라 흐르는 순환수는 상부로 이송되어 도 1에 도시된 열교환기(11)에서 공기와 열교환을 하게 된다.

상기 순환수는 염수 또는 물과 부동액이 7 : 3으로 혼합된 혼합수일 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템에서 대형 에너지 말뚝의 시공 방법을 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저 직경 1∼3m, 심도 80m까지 천공할 수 있는 대구경 대심도 회전 굴삭기(41)를 이용하여 대구경 대심도의 구멍을 천공한다(S101). 이 때 토사층 굴착(약 -20m)은 0.5∼1.5m 길이의 케이싱(43)을 연결하여 소요 굴착깊이까지 굴진시켜 공내 붕괴방지를 도모하고, 토사층과 암반층 사이의 구간을 굴착할 때는 공내 이수공법 또는 RCD(Reverse Circulation Drill)공법 등으로 굴진시키며, 암반층을 굴착할 때는 암반을 천공할 수 있는 비트(bit)를 이용하여 암반을 굴착하고, 드릴롯드 파이프로 순환수와 함께 부순 돌을 공기로 흡입하여 지상으로 배출한다.

소정의 심도까지 천공한 후 보강철근망(4 : 도 2 참조)을 구멍에 설치하고 열순환 파이프(3)를 보강철근망(4)에 고정시킨다(S102). 이 때 다량의 열에너지를 얻기 위해 각각의 에너지 말뚝에 다수의 열순환 파이프(3)를 설치할 수 있다. 또한, 보강철근망(4)을 조립할 때 최대 20∼25m의 길이의 열순환 파이프(3)가 이어져보강절근망(4)에 고정되므로 열순환 파이프(3)의 이음부를 수침 등으로 사전 검사하하고 효과적인 열전달을 위해 열순환 파이프를 보강철근망의 바깥쪽에서 고정시킨다.

보강철근망과 열순환 파이프가 천공구멍에 설치되면 레미콘 트럭과 트레미관을 이용하여 현장에서 콘크리트를 타설하고. 타설종료 후 잉여 콘크리트를 제거한다(S103). 이 때, 열순환 파이프(3)가 손상되지 않도록 강철 캡(도시하지 않음)으로 열순환 파이프의 두부에 보호한다. 그 후, 케이싱(43)을 인발하면(S104) 본 발명의 시공이 종료된다.

상기와 같이 구성되고 대형 에너지 말뚝이 시공되는 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템은 다음과 같이 작동한다.

동절기에 압축기(도시하지 않음)가 구동되면 상기 압축기에 의해 열순환 파이프(3)의 유입수 통로(31)를 따라 하부로 흐르는 순환수가 에너지 말뚝(5)의 하단부로 흐르면서 지중의 열을 흡수하게 된다. 지중이나 지하수의 온도는 지하 약 2m 심도에서 7∼21℃로 안정적이며, 우리나라의 경우, 혹한기인 1∼3월에도 지하 5m 심도에서 도 6과 같이 평균 10℃ 이상의 지온 분포를 포이고 있어 순환수와의 열교환에 의한 지열 추출이 가능하다. 그리고, 본 발명은 대기온도가 지하에 영향을 미치지 않는 지하 20m 심도에서 시공을 실시하여 지열을 채열하기 때문에 더욱 안정적이며, 기술 및 시공 여건을 고려하여 최저심도를 지하 80m로 제한하는 것이 바람직하다.

이와같이 열을 흡수한 순환수는 열순환 파이프(3)의 배출수 통로(33)를 따라상부로 이동하게 된다. 이 때, 배출수 통로(33)를 따라 상부로 이동하는 순환수는 충진재(37)에 의해 열순환 파이프(3)의 유입수 통로(31)를 따라 흐르는 순환수와 열교환이 일어나지 않게 된다.

열순환 파이프(3)의 배출수 통로(33)에서 배출된 순환수는 열교환기(11)에서 공기유입장치(13)에 의해 유입된 공기와 열교환을 하게 되고, 다시 순환수 분배회로(9)를 통해 순환하게 되고, 열을 흡수한 공기는 종래의 공기조절장치(air conditioning system)에 연계되어 건물의 난방에 사용된다.

하절기의 경우, 열순환 파이프(3)의 유입수 통로(31)를 따라 하부로 흐르는 지중의온도에 비해 상대적으로 고온인 순환수가 하강하면서 열교환에 의해 냉각되어 열교환기(11)에서 상대적으로 고온인 공기와 열교환을 하게되어 공기를 냉각시키고, 위에서 설명한 것과 같은 방식으로 순환하게 되며, 냉각된 공기는 마찬가지로 공기절절장치를 통해 건물의 냉방에 사용된다.

위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝 시공방법은 지중내의 천연 에너지를 이용하기 때문에 환경보전에 크게 기여할 수 있으며, 벽난로나 기존의 공기조절 시스템 등에 비해 난방비가 2/3정도 절약되어 5∼10년 경과시 초기설비 투자비를 회수할 수 있으므로 장기적인 측면에서 매우 경제적이고 실용적이고, 고층 및 대형 건물외에도 아파트 단지, 개인주택의 냉난방, 농산물의 저장고, 스키장 제설 용도 등으로 다양한 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

위의 설명한 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝 시공방법의 실시예는 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로서, 본 발명은 위에서 설명한 실시예에 한정되지 않는다. 이 분야에 기술을 가진 자라면, 이외에 여러 가지 방식을 첨부한 특허청구범위에 벗어남 없이 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 대형 열교환 말뚝 시공방법을 변형할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 열순환파이프(3)를 포함하는 대형에너지 말뚝(5)과 상기 공지의 열 순환 파이프(3)로 순환수를 공급하여 열교환된 순환수를 배출하기 위해 바닥 콘크리트 슬래브(7)에 매설되는 순환수 분배회로(9)를 통해 배출되는 순환수와 공기 유입장치(13)를 이용하여 유입된 공기를 열교환하기 위한 열교환기(11)와 공지의 냉난방 공기회로(14)로 구성되는 것을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 순환수 분배회로(9)를 따라 흐르는 순환수를 열순환 파이프(3)의 하부로 순환 시키기 위한 압축기가 열교환기(11)내에 내장되는 것을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 대형 에너지말뚝(5)은 직경이 1.0-2.7m이며, 깊이가 20-80m이며, 철근망(4)에 복 수개의 열순파이프(3)가 고정되며, 콘크리트(6)가 철근망(4)에 채워지도록함을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
4. 청구항 1 또는 3항에 있어서,

   상기 대형 에너지말뚝(5)은 고층 및 대형건물의 경우, 외부 둘레에 단순기초말뚝(17)과 교대로 설치되며, 둘레 내부에 소정의 간격으로 배열되고, 상기 대형 에너지 말뚝(5)의 배치간격은 지반의 여건에 따라 달라지도록 함을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
5. 청구항 1 또는 3에 있어서,

   상기 대형 에너지 말뚝(5)은 지지말뚝이 아닌 단순한 열교환말뚝으로 사용될 경우 보강철근망을 사용하지 않고 열전도가 높은 일반 나트륨형 벤토나이트로 충진하도록함을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 열순환 파이프(3)은 열교환튜브 또는 PVC파이프로 이루어지며, 외측에 유입수통로(31)가 형성되고 내측에 배출수통로(33)가 형성되며, 상기 유입수통로(31)와 배출수통로(33)사이에 충진재(37)가 채워짐을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 유입수통로(31)를 따라 흐르는 순환수는 지중의 열과 열교환되면서 하부로 이동하고, 상기 배출수통로(33)를 따라 흐르는 순환수는 상부로 이송되어 열교환기(11)에서 공기와 열교환하게 되는 것을 특징으로하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 순환수는 염수 또는 물과 부동액이 7:3 으로 혼합된 혼합수인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.
9. 직경 1-3m, 심도 80m까지 천공할 수 있는 대구경/대심도 회전 굴삭기(41)를 이용하여 구멍을 천공하는 단계(S101)와,

   소정의 심도까지 천공한 후 보강 철근망(4)을 구멍에 설치하고 열순환 파이프(3)을 보강 청근망에 고정시키는 단계(S102)와,

   공지의 현장타설 콘크리트 말뚝 시공방법에 의해 시공단계가 구성됨을 특징으로하는 대형 열교환 말뚝시공방법.
10. 삭제
11. 청구항 9에 있어서,

    다량의 열에너지를 얻기 위해 각각의 에너지 말뚝에 다수의 열 순환 파이프(5)를 설치하는 것을 특징으로하는 대형 열교환 말뚝 시공방법.
12. 청구항 9 또는 11항에 있어서,

    효과적인 열전달을 위해 상기 열 순환파이프(5)를 보강 철근망(4)의 바깥쪽에서 고정시키는 것을 특징으로하는 대형 열교환 말뚝 시공방법.
13. 청구항 9에 있어서,

    열순환 파이프(3)가 손상되지 않토록 강철캡으로 열순환 파이프(3)의 두부를 보호하도록함을 특징으로하는 대형 열교환 말뚝 시공방법.