KR101091316B1 - 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 구조물의 기초재로 설치된 PHC파일 내부에 열 교환파이프를 설치할 때, 파일 상부에 설치하는 두부캡에 열 교환파이프를 삽입할 수 있는 공간을 형성하고, 두부캡에 조립되는 철근의 지지 방법을 개선한 에너지 파일형 지중열교환기 의 파일 두부캡 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치는, 중공형(中空型) PHC파일의 내부 상부에 설치되는데, 상기 두부캡 장치는, 디스크 형상의 캡; 일단(一端)이 상기 캡의 상면에 수직으로 결합 설치되는 복수의 수직 보강철근; 상기 PHC파일의 상단에 설치되며, 상기 수직 보강철근을 지지하는 지지대로 구성되며, 상기 캡에는 지중열교환파이프를 삽입시키기 위한 삽입공이 형성되며, 상기 지지대는 띠 형상의 부재로 만든 모서리가 라운드진 별이나 크로바 형상인 것을 구성적 특징으로 한다.

지중열교환기, 두부캡 장치, 캡, 보강철근, 지지대, 삽입공,

Description

에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치{HEAD CAP DEVICE OF ENERGY PILE TYPE EARTH TUBE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 구조물의 기초재로 설치된 PHC파일(고강도 콘크리트 파일) 내부에 열교환 파이프를 설치할 때, 파일 상부에 설치하는 두부캡에 열교환 파이프를 삽입할 수 있는 공간을 형성하고, 두부캡에 조립되는 철근의 지지 방법을 개선한 에너지 파일형 지중열교환기 의 파일 두부캡 장치에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로서는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력 에너지를 주로 사용하고 있다. 그러나 화석연료의 고갈로 인해 냉난방에 소요되는 에너지 비용은 급상승하고 있다. 또한 상기 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 대기 환경을 오염시키고, 연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소는 대기 중의 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 야기하 며, 상기 지구 온난화는 기상이변 및 각종 재난을 발생시키므로 인간의 삶에 치명적인 영향을 주고 있다. 그러므로 근래에는 상기 화석 연료를 대체할 수 있고, 친환경적인 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체 에너지 중에서도 친환경적이고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양광, 지열 등의 대체 에너지 개발 사업을 활발하게 진행하고 있으며, 상기 대체에너지를 이용한 냉난방장치가 적극 개발되어 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후조건에 거의 제약을 받지 않고 연중 운전이 가능하며, 열 저장이나 수송을 필요로 하지 않는 안전한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮다는 단점이 있다. 특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 날씨 및 풍량에 영향을 받으므로 설치 지역이 한정되어 있으며, 이들 장치는 단위장치 당 에너지 생산용량이 적고 또한 초기 투자비용 및 유지 관리 비용이 많이 소요된다.

따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 개발되어 이용되고 있는데, 일년내내 일정한 온도(10∼20℃)를 유지하는 안정적인 열원인 지열 에너지를 이용하므로 대체 에너지로 각광을 받으며 널리 보급이 확대되고 있다. 지열에너지를 이용한 냉난방 기술은 1950년대 최초로 개발되어 현재 미국, 유럽 및 아시아 등 각 국가에서 널리 사용되고 있는 기술이다. 지열 에너지를 이용하기 위해서는 지중 열교환기를 지하에 설치 해야 되는데, 열교환 파이프를 매설하는 방법에 따라 수직형, 수평형, 지하수형 및 에너지 파일형으로 구분할 수 있다.

열교환 파이프를 매설하는 방법 중 수직형은 직경 100 ∼ 200㎜ 의 열교환 파이프를 깊이 100 ∼ 200 m 수직으로 매설하는 것으로 설치장소를 많이 차지하지 않아 대도시 등의 장소가 협소한 곳에 일반적으로 사용되고, 열 성능이 우수한 장점이 있으나, 시공비가 높은 단점이 있다.

수평형은 시공비가 저렴하고 시공이 용이하고 설치후에 유지보수가 간단하지만, 넓은 부지가 필요하고, 수직형에 비해서 열 성능이 미흡하며, 부지 문제로 인하여 도심지에 설치가 불가능하여 국내에서는 시공된 사례가 거의 없다.

지하수형은 지하수에 직접 열교환 파이프를 매설하기 때문에, 시공비가 저렴하고, 열 성능이 우수하며 설치부지가 협소해도 되지만 지속적인 지하수량이 필요한데, 지하수위가 저하될 우려가 있기 때문에 지하수량이 풍부한 지역에서만 적용 가능하고 지하수 함유물에 따라 장비 고장의 우려가 있다. 이러한 지하수형은 최근에 국내에서도 시공 사례가 일부 있다.

에너지 파일형은 열 교환파이프를 구조물의 기초로 사용하는 기존의 PHC 파일, 강관 등의 중공파일의 내부에 삽입하여 그라우팅 한 것으로, 열교환 효율을 높일수 있고, 타 방법과 비교해서 추가적인 설치장소 및 굴착비용이 필요하지 않아 기존 방법에 비해 시공비를 30 ~ 50% 절감할 수 있어 경제성이 매우 우수하다.

상기 에너지 파일형의 지중 열교환기를 설치시에는, 공장에서 미리 생산된 강관 파일, PHC 파일, PC 파일 RC 파일 등을 타입공법(타격, 진동)이나 매입공법 등의 방법으로 지중에 매입하는데, 상기 파일은 그 지반의 상태에 따라 연속으로 타격되며, 적정하게 타격된 뒤에는 지반 상부로 돌출된 파일을 적절히 절단하고 그 선단부를 보강하게 되는바, 이렇게 파일 선단부를 정리하면서 보강하는 것을 두부정리(頭部整理)라 하며, 이러한 두부를 정리하고 보강한 다음에는 그 상부에 수평 방향으로 철근을 배근하고, 기초 콘크리트를 타설하여 항타한 파일과 타설된 콘크리트에 의해, 구조물을 안정적으로 지지하도록 하는 것이다.

상기 항타한 파일의 두부 정리(두부 보강)의 경우, 항타한 파일 내부에 디스크 형태의 파일 두부캡(철, PVC)을 보강철근과 조립하여 일정 깊이로 삽입하는데, 이때 파일의 상부로 보강철근의 일정 길이가 돌출되게 배근한다. 이에, 파일 내부의 적정 깊이(두부캡이 설치된 지점)로 콘크리트를 타설하여 메우면서 파일의 두부 정리 및 두부 보강을 한다.

한편, 에너지 파일형은 파일 내부에 열 교환파이프를 설치해야 하는데, 기존의 파일 두부캡은 열교환 파이프를 파일 내부로 삽입할 수 공간이 확보되지 않아 열교환 파이프 시공에 어려움이 있어 열교환 파이프를 파일 내부로 삽입하기 위해서는 추가적인 작업이 요구되어 작업의 효율성 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 에너지 파일형 지중열 교환기에서 구조물의 기초재로 설치되는 PHC파일 내부에 열교환 파이프를 설치할 때, 두부 정리 및 보강을 위해 파일 상부에 설치하는 두부캡에 열교환 파이프를 용이하게 삽입할 수 있도록 공간이 확보되고, 상기 두부캡에 조립되는 철근의 지지방법을 개선한 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 문제해결을 위하여 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기 의 파일 두부캡 장치는, 중공형(中空型) PHC파일의 내부 상부에 설치되는데, 상기 두부캡 장치는, 디스크 형상의 캡; 일단(一端)이 상기 캡의 상면에 수직으로 결합 설치되는 복수의 수직 보강철근; 상기 PHC파일의 상단에 설치되며, 상기 수직 보강철근을 지지하는 지지대; 로 구성되며, 상기 캡에는 지중열교환파이프를 삽입시키기 위한 삽입공이 형성되어 있고, 상기 지지대는 띠 형상의 부재로 만든 모서리가 라운드진 별이나 크로바 형상이고, 상기 별이나 크로바 형상의 내측 각 모서리의 외측에 상기 수직 보강철근이 위치하도록 배치되는 것을 구성적 특징으로 한다.

바람직하게는, 캡의 외주연에는 등간격으로 복수의 절개부가 형성되어 있으며, 지지대에는 수직 보강철근을 균등 간격으로 배치되며, 상기 캡의 하부에는 수평 보강철근이 더 설치된다.

이상에서 설명한 것과 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치는, 두부캡에 조립되는 보강철근을 지지하기 위한 지지대를 설치했기 때문에 보강철근을 균등하게 배치할 수 있고, 파일의 선단부를 정리하면서 보강할 때 파일 내부에 설치되는 두부캡에 열교환 파이프를 삽입할 수 있는 공간이 확보되므로 열교환 파이프를 파일 내부로 삽입하기 위한 추가적인 작업이 필요 없으므로 용이하게 열교환 파이프를 시공할 수 있어 작업의 효율성이 높아진다.

도 1 내지 도 4을 참조하여 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치의 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부(頭部)캡 장치는, 중공형(中空型) PHC파일의 내부 상부에 설치되는데, 상기 두부캡 장치는, 디스크 형상의 캡(40); 일단(一端)이 상기 캡의 상면에 수직으로 결합 설치되는 복수의 수직 보강철근(20); 상기 PHC파일(60)의 상단에 설치되며, 상기 수직 보강철근(20)을 지지하는 지지대(30)로 구성되며, 상기 캡(40)에는 지중열교환파이프(10)를 삽입시키기 위한 삽입공(41)이 형성되어 있는 것을 구성적 특징으로 한다.

상기 캡(40)은 PHC파일(60)의 중공부(61) 내부로 삽입되는 것으로, 공장에서 미리 생산된 PHC파일(60)에 타격이나 진동 등의 힘을 가해 지중에 매입한다. 파일(60)이 지중에 매입되고 나서 지반 상부로 돌출된 파일(60)을 적절히 절단하고, 파일(60)의 상단부를 보강하여야 한다. 상기 캡(40)을 파일 중공부(61)의 내부로 일정 깊이 만큼 삽입하고 콘크리트를 파일 중공부(61)에 타설하여 파일(60)의 상단부를 보강함으로써 지중열교환기(10)등의 구조물이 안정적으로 지지된다. 상기 캡(20)은 중공부(61)로 콘크리트 타설시에 콘크리트가 파일의 상단부의 일정 깊이, 즉 캡(40)이 위치한 깊이만큼 채워지고 그 아래로는 타설된 콘크리트가 흘러내리지 못하게 하는 역할을 한다.

상기 캡(40)에는 복수개의 삽입공(41)이 형성되는데, 지중열교환기(10)(열교환파이프)를 파일 중공부(61)에 설치한 후, 상기 삽입공(41)으로 지중열 교환기의 양단을 통과시키면, 상기 두부캡 장치를 용이하게 파일(60)의 중공부(61)내로 삽입ㆍ설치할 수 있다. 상기 캡(40)에는 그 외주연을 따라 등간격으로 복수개의 절개부(42)를 형성하는 것이 바람직한데, 상기 절개부(42)는, 캡(40)을 상기 파일(60)의 중공부(61)에 삽입시에 절개부(42)를 중심으로 캡(40)의 외주연이 약간 오므라들면서 캡(40)의 전체적인 형상이 아래로 볼록한 돔(dome)형상이 되면서 캡(40)을 용이하게 삽입할 수 있게 된다. 물론 캡(40)에 절개부(42)를 형성시키지 않고 파일 내로 캡(40)이 용이하게 삽입되도록, 캡(40)을 제작할 때 파일 중공부(61)의 직경보다 약간 작은 직경을 갖도록 제작할 수도 있다.

파일 중공부(61)에 콘크리트를 타설시 캡(40)으로만 콘크리트의 무게를 감당하기 어려우므로 캡(40)의 상면에 용접 등의 방법으로 복수개의 수직 보강철근(20)을 연결하거나, 캡(40)의 하부에는 수평으로 배치되는 수평 보강철근(50)을 더 설치하고 상기 수직 보강철근(20)이 상기 캡(40)을 관통하여 캡(40)의 하부에서 수평 보강철근(50)과 연결되어 캡(40)을 하부에서 지지하면, 상기 캡(40)에 인가되는 콘크리트의 부하가 감소되어 캡(40)을 중공부(61)에 안정적으로 위치하게 한다.

상기 수직 보강철근(20)의 상단측에는 지지대(30)가 설치되는데, 지지대(30)는 띠 형상의 부재로 만든 모서리가 라운드진 별이나 크로바 형상이며, 상기 별이나 크로바 형상의 내측 각 모서리부의 외측에 수직 보강철근(20)이 위치하도록 배치되는데(도 2참조), 상기 지지대(30)는 PHC파일(60)의 상단에 설치되며, 캡(40) 상부로 타설되는 콘크리트의 무게를 감당하는 역할을 하도록 상기 캡(40)의 사이즈보다 크게 제작하여야 한다. 이와 같이 지지대(30)의 크기(외경)를 PHC파일(60)의 중공부(61) 직경보다 크게 형성함으로써 파일 상부에 콘크리트가 타설되더라도 지지대(30)가 PHC파일(60)의 상단에 걸리게되어 콘크리트 무게를 지지해 주게 된다.

상기 수직 보강철근(20)과 수평 보강철근(50) 및 지지대(30)는, 캡(40)과 서로 연결되어 있어서, 파일 중공부(61)로 타설되어 캡(40)의 상부에 위치하는 콘크리트의 무게를 감당하고, 캡(40)이 안정적으로 중공부(61)에 위치하도록 하여 콘크 리트가 캡(40)의 하부로 유출되는 것을 방지한다. 상기의 두부캡 장치를 파일에 삽입할 때, 먼저 지중열교환기(10)를 파일 중공부(61)로 삽입하고, 지상에 노출된 지중열교환기(10)의 단부를 캡(40)의 삽입공(41)을 통해 통과시키면서 PHC파일(60)의 중공부(61)에 두부캡 장치를 삽입한다.

상기 두부캡 장치의 하부에 형성되는 파일의 중공부(61)에는 벤토나이트 나 자갈 또는 모래 등의 재료로 채우는데, 상기 재료는 대수층의 부실로 인해 파일(60)의 중공부(61)로 침투할 수 있는 물을 막는 차수제 및 지중열을 지중열교환기(10)에 원할히 전달해주는 열전도제 역할을 하며, 또한 지중열교환기(10)를 지지해 주는 역할도 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 사시도인데, 캡(40)에 삽입공(41)이 하나만 형성되어 있다. 상기 삽입공(41)의 직경을 크게 형성하여 지중열교환기(10)의 양단을 함께 통과시키면 지중열교환기(10)를 용이하게 파일(60)의 중공부(61)에 설치할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며,본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치를 PHC파일에 설치한 상태를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10. 지중열교환기 20. 수직 보강철근

30. 지지대 40. 캡

41. 삽입공 42. 절개부

50. 수평 보강철근 60. PHC파일

61. 중공부

Claims (4)

1. 중공형 PHC파일의 내부 상부에 설치되는 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부(頭部)캡 장치에 있어서,

   디스크 형상의 캡;

   일단(一端)이 상기 캡의 상면에 수직으로 결합 설치되는 복수의 수직 보강철근;

   상기 PHC파일의 상단에 설치되며, 상기 수직 보강철근을 지지하는 지지대;

   로 구성되며, 상기 캡에는 지중열교환파이프를 삽입시키기 위한 삽입공이 형성되고, 상기 캡의 외주연을 따라 등간격으로 복수개의 절개부가 형성되며, 상기 지지대는 띠 형상의 부재로 만든 모서리가 라운드진 별이나 크로바 형상이며, 상기 별이나 크로바 형상의 내측 각 모서리부의 외측에 상기 수직 보강철근이 위치하도록 배치되며, 상기 캡의 하부에는 수평 보강철근이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 파일형 지중열교환기의 파일 두부캡 장치.
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