KR101046522B1 - 지하연속벽을 이용한 지중열교환기 설치방법 - Google Patents

Abstract

기존의 지하 연속벽 설치 공정에서 지중열교환기 파이프(60)만 추가로 조립하여 설치하기 때문에, 별도로 지중열교환기 파이프(60)를 설치하기 위한 공간을 필요하지 않고, 시추, 그라우팅 작업을 필요하지 않아서 이러한 작업에 소요되는 장비들이 필요 없을 뿐만 아니라 기존 공정과 간섭이 거의 없으므로, 초기 투자비용을 줄일 수 있다.

지하 연속벽, 시추, 열교환기, 파이프, 결속선

Description

지하연속벽을 이용한 지중열교환기 설치방법{A method for establishing a geothermal exchanger using slurry wall}

본 발명은 지중열교환기 배관의 설치방법, 특히 지하연속벽(slurry wall)을 이용한 지중열교환기 설치방법에 관한 것이다.

지열 에너지를 이용하여 냉난방하는 기술은 1950년대 최초개발되어 미국, 유럽, 아시아 등 각국가에서 널리 사용되는 기술이다. 지열 에너지를 이용하기 위해서는 지중 열교환기를 지하에 설치해야 한다. 지중 열교환기는 파이프의 매설방법에 따라서, 약 지하 100 내지 200 m 수직으로 파이프, 예를 들어서, 폴리에틸렌 파이프(polyethylene pipes)를 매설하는 수직형과 지하1.25m ∼1.5m 수평으로 매설하는 수평형이 있다. 그리고 지하수에 직접 파이프를 연결하는 지하수형이 있다.

수직형 지중열교환기는 가장 일반적인 형태로 높은 신뢰성을 가지며 시공 부지가 협소한 경우에 적합하고 열 성능이 우수하다는 장점이 있으니, 높은 시공비가 드는 단점이 있다.

수평형 지중열교환기는 시공비가 저렴하고 시공이 용이하고 유지보수가 간단하지만, 넓은 설치 부지가 필요하고, 수직형에 비해서 열 성능이 미흡하고, 도심지 에 설치 불가능하여, 국내에서는 시공사례가 거의 없다.

지하수형 지중열교환기는 지하수에 직접 파이프를 연결하기 때문에, 시공비가 저렴하고, 열 성능이 우수하고 설치 부지가 협소하지만, 지속적인 지하수량이 필요하고 지하수위 저하 우려가 있고 일부 지역에서만 적용가능하고 지하수 함유물에 의해 장비가 고장날 우려가 있다. 이러한 지하수 지중열교환기는 최근에 국내 시공사례가 일부 있다.,

열교환기의 파이프 선택은 수명, 유지비용, 펌프의 소요에너지와 지역적인 현장조건등을 고려하여 열융착으로 연결 가능한 폴리에틸렌 혹은 폴리 부틸렌을 사용하고 파이프 직경은 소비 동력과 열전달을 동시에 고려하여야 한다. 즉 파이프 직경을 크게 하면 소비전력을 감소하나 열전달이 감소하고 직경을 적게 하면 열 전달이 원할하나 소비전력이 증가한다.

지중열교환기의 파이프의 시공은 본출원인에 의해 특허허여된 한국특허번호10-0654152호를 참조로 다음과 같은 순서에 의해서 통상적으로 이루어진다.

지열교환기의 설치는 지하 50m~200m 정도 깊이의 보어홀(시추공)을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 시추공에는 한두 번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.그리고 파이프 설치 후 각 시추공은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅 한다. 그라우팅 과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 시추공을 채우게 된다. 일반적으 로 그라우팅 재료는 일반 뒷채움재보다 낮은 열전달 특성을 가지며, 비용도 비싸다. 지역적 규제가 허용된다면, 시추공의 상부 6m~10m의 그라우팅으로 지표수 침투를 막는데 충분하며, 높은 지열교환기 효율과 낮은 단가 실현이 가능하다. 채움과 그라우팅 후 수직 파이프는 헤더 파이프(Header Pipes)와 연결한다. 헤더 파이프는 지열교환기 열전달 유체를 열펌프로 주고받는 역할을 한다. 수직 순환계는 일반적으로 수평형보다 비싼 편이지만, 깊을수록 더 효율이 높기 때문에 설치 파이프의 길이가 수평형보다 짧다.

다수의 적정수의 수직 파이프를 지중에 설치하고 이들을 하나의 헤더 파이프에 연결하고, 헤더 파이프는 맨홀에 의해 덮여지고 인입 파이프(배관)를 통해서 히터펌프로 연결되어진다.

보다 상세하게는 본원 출원인과 본 발명자의 한국특허출원 10-2002-0073638호의 "지열교환기 설치방법 및 설치구조"는 수직형 지중열교환기의 설치방법에 관한 것으로, 도 3(본원 발명의 도 1에 종래기술로 도시함)을 참고로 설명하면, 지열교환기(100)의 설치는 지하 45m-150m 정도 깊이의 시추공(boreholes)을 소정의 간격으로 천공한 다음, 천공된 각각의 수직구에 'U'자형의 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)를 삽입하고, 인접된 파이프들을 직렬로 서로 연결한 후 이들 파이프의 양쪽 끝단부 파이프(102a)(102n)의 일측은 유입구(104)와 유출구(106)가 연결되고, 이들 유입구(104)와 유출구(106)는 히트펌프(200)와 연결하는 방법으로 설치한다.

그리고 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)가 설치된 각각의 시추공은 흙으로 채운 후, 지표면으로부터 대략 6-10m 구간은 시추공에 지표수의 대수층 유 입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 일반 채움재보다 낮은 열전달 특성을 갖는 재질로 그라우팅 작업을 실시한다.

이와 같이 설치된 지열냉난방장치의 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)에는 지온과 열교환 하기 위하여 열전달 유체가 주입되며, 이러한 지열냉난방장치는 지열을 열교환 파이프(102a)(102b)(102c)(102n)를 통하여 그 내부에

담긴 유체가 빼앗아 히트펌프(200)의 작동에 의하여 필요한 장소로 강제 순환시키면서 냉방 또는 난방을 행하게 된다.

이러한 수직형 지중열교환기의 설치작업에서 시추공을 시추하고 그라우팅 작업은 많은 장비들, 예를 들어 굴착기, 펌프, 믹서 등을 필요로 하며, 많은 시간과 비용이 들어, 초기 투자비가 높다.

본 발명의 목적은 지하연속벽에 철근과 함께 지중열교환기의 파이프를 설치하여 초기 투자비용을 줄일 수 있는 지하연속벽을 이용한 지중열교환기 설치방법을 제공하는 것이다.

지하연속벽은 지하주차장 벽면과 같이 지하벽면에 철근망을 조립해서 설치하고 콘크리트로 타설해서 형성된다.

본 발명은 지하연속벽의 철근망의 조립시에 지중열교환기의 파이프를 함께 조립하여 콘크리트를 타설하여, 지하연속벽내에 지중열교환기의 파이프를 매설하는 한다.

본 발명은 수직형 지중열교환기 설치작업으로, 지하연속벽 형성과정에서의 철근망을 조립하는 단계와,

상기 철근망 사이에 지중열교환기 파이프를 배치하고, 철근에 결속선 또는 U형 볼트로 상기 지중열 교환기 파이프를 고정하는 단계와,

상기 철근망과 상기 지중열교환기 파이프의 조립 완료후, 콘크리트를 타설하여 지하 연속벽을 형성하는 단계를 포함한다.

지중열교환기 파이프를 직렬방식이나 병렬방식으로 설치할 수 있다.

지하연속벽에 지중열교환기의 파이프를 설치하여 시추, 그라우팅 작업을 없애서 이러한 작업에 소요되는 장비들이 필요 없을 뿐만 아니라 기존 공정과 간섭이 거의 없으므로, 초기 투자비용을 줄일 수 있다.

이하에 본원 발명의 실시예를 첨부의 도면을 참고로 아래에 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 2은 지하 연속벽의 개략도로 지하 1층, 2층 및 3층 또는 그 이하의 지하 연속벽일 수 있다. 지하 연속벽의 형성과정에서 가로철근(51) 및 세로 철근(52)과 이들을 고정하는 결속선 또는 U형 볼트(53)에 의해 조립되어 설치되고 콘크리트가 타설되지 않은 도면이다.

도 3는 지중열교환기 파이프(60)가 철근망에 직렬로 배치되어 있는 사시도이다. 지중열교환기 파이프(60)는 하나의 입구측과 하나의 출구측을 가진다. 지중열교환기 파이프(60)는 가로철근(51) 또는 세로 철근(52)중 하나와 함께 결속근 또는 U형 볼트(53)에 의해 고정된다. 바람직하게는, 지중열교환기 파이프(60)의 단단한 고정을 위해서는 가로철근(51)과 세로 철근(52)의 교차점을 결속점으로 한다.

본 발명의 지하연속벽을 이용한 지중열교환기 파이프(60) 설치 방법은,

가로 철근(51)과 세로 철근(52)을 결속선 또는 U형 볼트(53)으로 서로 고정하여 철근망을 철근망을 조립하는 단계와,

상기 철근망 사이에 지중열교환기 파이프(60)를 배치하고, 철근에 결속선 또 는 U형 볼트(53)로 상기 지중열 교환기 파이프를 고정하는 단계와,

상기 철근망과 상기 지중열교환기 파이프의 조립 완료후, 콘크리트를 타설하여 지하 연속벽(80)을 형성하는 단계를 포함한다.

도 4은 지중열교환기 파이프(60)가 철근망에 병렬로 배치되어 있는 사시도이다. 지중열교환기 파이프(60)는 하나 이상의 분기 U 파이프를 포함한다.

기존의 지하 연속벽 설치 공정에서 지중열교환기 파이프(60)만 추가로 조립하여 설치하기 때문에, 별도로 지중열교환기 파이프(60)를 설치하기 위한 공간을 필요하지 않고, 시추, 그라우팅 작업을 필요하지 않아서 이러한 작업에 소요되는 장비들이 필요 없을 뿐만 아니라 기존 공정과 간섭이 거의 없으므로, 초기 투자비용을 줄일 수 있다.

본 발명의 다양한 특징과 장점이 상술한 설명에서 본 발명의 상세한 구성과 기능과 함께 설명되어 있을 지라도, 이들들은 단지 설명을 위한 것이다. 변경, 특히 형상, 크기 및 부품의 배치등은 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 일어날 수 있으며, 첨부의 청구범위에 의해서 보다 넓은 의미로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래 기술의 수직형 지중열교환기 파이프의 설치도.

도 2은 일반적인 지하 연속벽의 사시도.

도 3는 본 발명의 지하 연속벽에서의 지중열교환기 파이프가 직렬 방식으로 배치된 사시도.

도 4은 본 발명의 지하 연속벽에서의 지중열교환기 파이프가 병렬 방식으로 배치된 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

51, 52 : 철근

53 : 결속선

80 : 지하 연속벽

Claims (3)

1. 지하연속벽을 이용한 지중열교환기 파이프 설치 방법으로서,

   가로 철근(51)과 세로 철근(52)으로 고정된 철근망을 조립하는 단계와,

   상기 철근망 사이에 지중열교환기 파이프(60)를 고정하는 단계와,

   상기 철근망과 상기 지중열교환기 파이프의 조립 완료후, 콘크리트를 타설하여 지하 연속벽(80)을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 지중열교환기 파이프(60)를 직렬 또는 병렬로 배치하는 것을 특징으로 하는 지하연속벽을 이용한 지중열교환기 파이프 설치 방법.
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3. 삭제

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