KR101154016B1 - 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건축 시공법 중 탑다운(top-down) 방식으로 진행되는 현장에서, 지열냉난방 시스템의 설치를 위해 건축물 기초 하부에 지중열교환기를 시공할 때 케이싱(casing)을 설치하고, 절단(cutting)하는 작업을 거치지 않고도 간단한 방법으로 지열배관 파이프를 시공, 관리할 수 있도록 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 지열배관 파이프의 시공방법은 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입하는 단계; 및 지상층부터 지하 최저층에 위치한 상기 지열배관 파이프를 절단 또는 인발하는 단계를 포함하는 지열배관 파이프의 시공방법를 포함한다.
본 발명에 따른 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프를 이용한 시공방법은 시공 시 지역배관 파이프가 파손되어 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위한 별도의 케이싱을 설치하지 않아도 되므로, 케이싱 비용 및 절단작업에 소요되는 시간을 절감시킬 수 있으므로, 신재생에너지 보급촉진에 이바지 할 수 있다.

Description

지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법{Close Socket for Connecting Terrestrial Heat Pipe and Construction Method Using the same}
본 발명은 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건축 시공법 중 탑다운(top-down) 방식으로 진행되는 현장에서, 지열냉난방 시스템의 설치를 위해 건축물 기초 하부에 지중열교환기를 시공할 때 케이싱(casing)을 설치하고, 절단(cutting)하는 작업을 거치지 않고도 간단한 방법으로 지열배관 파이프를 시공, 관리할 수 있도록 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
최근 들어 고유가에 대처하기 위하여 건설업계에서는 냉난방에 사용되는 에너지원으로서 석유나 천연가스를 대체할 수 있는 대체 에너지 개발을 활발하게 진행하고 있다. 이러한 대체 에너지 자원중에서, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등을 이용하여 냉난방시스템에 적용할 수 있는 기술이 연구되고 있는데, 이들 에너지 자원들은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
풍력과 태양열 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 에너지 생산량이 적고, 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되므로, 현재까지 냉난방시스템에 적용하는데 한계가 있다.
지열에너지는 설치 및 유지관리가 상대적으로 저렴하기 때문에, 지열을 열원으로 이용한 냉난방시스템이 많이 제안되고 있다.
지열은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량을 의미하는데, 지중온도는 지형에 따라 다르지만 지표면에 가까운 땅속의 온도는 대략 섭씨 10 ~ 20도 정도로 연중 큰 변화가 없이 일정하게 유지된다. 이러한 지열원은 태양열 또는 풍력 등의 신재생 에너지와 달리 안정적으로 열원을 공급할 수 있는 장점을 가지고 있다.
지열원을 이용한 열교환 시스템은 연중 온도가 일정한 지하수, 지표수 및 지중을 냉방시에는 히트싱크(heat sink)로, 난방시에는 히트 소스(heat source)로 이용하여 냉방과 난방을 동시에 가능하도록 구성된다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 지열교환 시스템을 나타낸 것으로, 루프형 파이프(104a, 104b)의 배치방향에 따라 수직형(vertical-loop) 지열교환 시스템과 수평형(horizontal-loop) 지열교환 시스템으로 나눌 수 있다.
수직형 지열교환 시스템은 주택 등의 구조물(102) 하부 또는 잉여 공지에 수직방향으로 루프형 파이프(104a)를 매설하고 유체를 순환시켜 지중과 열교환을 하는 형태이며, 수평형 지열교환 시스템은 지표면(106)과 수평으로 루프형 파이프(104b)를 지중에 매설하여 유체를 순환시켜 지중과 열교환하는 형태이다.
수직형 지열교환 시스템은 부지를 많이 차지하지 않아 단독 건물 등의 부지가 협소한 곳에 사용된다.
일반적으로 도심지 건축물의 경우, 잉여 부지가 협소하여 지중열교환기를 설치할 공간이 없으므로 건축 기초 하부에 지중열교환기를 설치하는 경우가 종종 있다. 특히 건축물이 탑다운(top-down) 방식으로 시공되는 현장의 경우, 지열배관 파이프를 시공하기 위해서는 토사층과 암반층의 경계까지 케이싱을 삽입한 다음, 대략 수직방향으로 지하 약 100m~300m 정도 깊이의 천공홀(boreholes)을 소정의 간격으로 천공한 후, 천공된 각각의 천공홀에 "U"자형 또는 코일형의 지중열 파이프를 삽입한 다음, 터파기 공정에 따라 지상층에 위치한 케이싱 및 지중열 파이프를 일정 길이씩 절단 후, 지중열 파이프에 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위하여 별도의 캡 등으로 마감을 하고 있다.
따라서 통상의 지열배관 파이프 시공방법은 토사구간의 천공 공벽의 붕괴를 막기 위해 케이싱을 설치하고, 암반 하부까지 설계된 깊이까지 천공한 후, 지중열교환기로 사용되는 지열 배관을 설치한 다음, 천공 공벽과 지중열 파이프와의 공간을 메워 열전도를 높이고, 지하수 오염을 방지하기 위한 그라우팅 작업을 진행한 다음 케이싱을 인발시키고 있다.
그러나, Top-down 공법으로 시공이 진행되는 건축물 하부에 지중열교환기를 설치하는 경우에는 지중열교환기 설치 후 터파기 공정시 지중열 파이프의 손상을 방지하기 위하여 케이싱을 존치시켜야 하고, 설치된 케이싱과 지중열 파이프는 터파기 공정에 맞추어 절단을 하는데 이에 많은 인력과 경비가 소요되는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프를 이용할 경우, 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 내부가 막혀져 있어, 지열배관 파이프 내부에 이물질이 혼입되지 않기에, 시공시 지열배관 파이프가 파손되어 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위한 케이싱을 존치시키지 않아도 되므로, 케이싱 비용 및 절단 작업에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다는 사실을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 건축물이 탑다운(top-down) 방식으로 진행되는 현장에 있어서 지열배관 파이프를 시공 시, 지열배관 파이프에 이물질이 혼입되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 간단하고 경제적으로 시공할 수 있도록 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 및 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 타파기 공정시 지열배관 파이프의 보호를 위한 케이싱을 존치시키지 않고도 간단하고 경제적으로 지열배관 파이프를 시공하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓을 제공한다.
본 발명은 또한, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 제공한다.
본 발명은 또한, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입하는 단계; 및 지상층부터 지하 최저층에 위치한 상기 지열배관 파이프를 절단 또는 인발하는 단계를 포함하는 지열배관 파이프의 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프를 이용한 시공방법은 시공시 지열 배관 파이프가 파손되어 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위한 별도의 케이싱을 존치하지 않아도 되므로, 케이싱 비용 및 절단작업에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으므로, 신재생에너지 보급촉진에 이바지 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직형 지열교환 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 수평형 지열교환 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 사진 및 도면이다(A, B: 사진, C:투시정면도, D: 배면도/평면도).
도 4는 통상의 탑다운 방식의 지열배관 파이프 시공방법(A)과 본 발명에 따른 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프를 이용한 시공방법(B)의 설명도이다.
본 발명에서는 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 이용할 경우, 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 내부가 막혀져 있어, 지열배관 파이프 내부에 이물질이 혼입되지 않기에, 시공시 지역배관 파이프가 파손되어 이물질이 혼입되는 것을 방지하기 위한 별도의 케이싱을 설치하지 않아도 되므로, 케이싱 비용 및 절단작업에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다는 것을 확인하고자 하였다.
따라서, 본 발명은 일 관점에서, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 결합구가 각각 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓에 관한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 외부 형태는 원기둥 또는 다각기둥인 것이 바람직하나, 특별히 제한되지는 않는다.
상기 원기둥 또는 다각기둥의 상부면 및 하부면에는 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 결합구가 각각 형성되어 있는데, 상기 결합구에 지열배관 파이프가 3~15㎝ 삽입되도록 구(hole)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 내부는 막혀져 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 상부면 및 하부면에 형성되어 있는 결합구와 결합구는 서로 통하지 않고, 중간이 막혀져 있다.
상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 재질은 특별히 제한되지 않으나, 지열배관 파이프와 동일한 재질인 것이 바람직하다. 예를 들면 통상적인 지열배관 파이프의 재질인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene)을 재질로 할 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체에 관한 것이다.
상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓과 지열배관 파이프는 열융착, 접착제, 나사 이음, 커플링 이음 등의 결합방법으로 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓(30)으로 결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체의 형태는 다양한 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어 통상적으로 이용되는 "U"자형인 경우는 2개의 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 상부면에 각각의 지열배관 파이프(20')를 연결시키고, 하부면에 "U"자형 지열배관 파이프(40)의 양끝을 결합시켜 제작할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체는 천공 홀에 삽입시 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓이 건물의 지하 최저층 바닥면 상부에 위치하도록 제작되어 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 천공 홀의 높이에 따라 상부면에 연결시키는 지열배관 파이프의 길이와 하부면에 결합시키는 "U"자형 지열배관 파이프의 길이를 조절할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 "지하 최저층 바닥면 상부"는 바닥면으로부터 50~150㎝인 것이 바람직하다.
만일 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입시 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓이 지상층에 위치할 경우, 지열배관 파이프 절단시 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓이 같이 절단되어 이물질이 혼입될 우려가 있고, 지하 최저층 바닥면 하부에 위치할 경우 지열배관 파이프의 수평배관을 지열배관 파이프에 연결시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입하는 단계; 및 지상층부터 지하 최저층에 위치한 상기 지열배관 파이프를 절단 또는 인발하는 단계를 포함하는 지열배관 파이프의 시공방법에 관한 것이다.
상기 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입시, 상기 지열배관 파이프 결합체중 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 부분이 지하 최저층 바닥면 상부에 위치하도록 삽입하는 것이 바람직하다.
도 4는 통상의 탑다운 방식의 지열배관 파이프 시공방법(A)과 본 발명에 따른 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프를 이용한 시공방법(B)의 설명도이다.
통상의 탑다운 공법이 적용된 건축물의 지열배관 파이프 시공방법은 케이싱(10)을 삽입하는 단계, 천공 홀을 천공하는 단계, 지열배관 파이프(20)를 천공 홀에 삽입하는 단계, 천공 공벽과 지열배관 파이프의 열전도를 높이고 외부 오염물질에 의한 지하수 오염을 방지하기 위한 그라우팅 단계 및 건축의 터파기 공정에 맞춰 케이싱 및 지열배관 파이프를 절단하고, 지열배관 파이프로의 이물질 흡입을 방지하기 위한 캡을 융착하는 단계를 포함한다.
따라서, 통상의 탑다운 시공방법은 케이싱을 그대로 존치시켜야 하므로, 경제적으로 바람직하지 않으며, 지상층부터 지하 최저층에 위치한 케이싱과 지열배관 파이프를 1번에 1~2m씩 여러번 절단해야 하므로, 소요되는 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.
반면, 본 발명에서는 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 천공홀에 삽입한 다음, 케이싱을 인발시킨 상태에서 지상층부터 지하 최저층에 위치한 지열배관 파이프를 1개층에서 한번만 절단하거나 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 상부면의 결합구에 연결되어 있는 지열배관 파이프를 인발하여도 되므로, 케이싱을 존치시키지 않아도, 지열배관 파이프에 이물질이 혼입되는 것을 방지하면서, 간단하게 시공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 있어서, 상기 "인발"은 지열배관 설치 및 그라우팅 타설 후 상부면의 지열배관을 인위적으로 뽑아올려 제거하는 것을 의미한다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓으로 연결되어 있는 지열배관 파이프의 시공
2개의 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 상부면에 형성된 결합구에는 건축물의 지하층 전체 높이에 의해 결정된 길이 20m의 지열배관 파이프가 각각 열융착으로 결합되어 있고, 하부면에 형성된 결합구에는 설계에 의해 지중열교환기의 길이로 결정되어진 200m 높이의 "U"자형 지열배관 파이프(한국 PEM, HDPE) 양끝이 열융착으로 결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체를 제작하였다.
토사구간의 천공 홀 무너짐을 방지하기 위하여 케이싱을 설치하고, 220m 깊이로 천공한 후, 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓이 지하 최저층 바닥면 상부에 위치하도록 제작된 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입한 다음 그라우팅, 케이싱 인발, 터파기, 지열배관 절단의 공정을 진행하였다.
그 결과, 케이싱 존치에 따른 배관의 절단에 소요되는 비용 즉, 케이싱의 절단 및 이물질 혼입 방지를 위한 재융착(캡핑) 작업에 소요되는 비용을 절감할 수 있었다. 또한, 상기 작업을 위해 건축공정이 중단되지 않고, 지열배관 파이프의 절단 또한 단순화되어 작업시간을 단축시킬 수 있었다.
통상의 시공방법과 비교하여 볼 때, 1개소에 대한 지중열 교환기 설치시, 약 3백만원의 비용 절감 효과가 있으며, 일반적으로 지중열교환기를 다수 설치하는 사례로 볼 때 시공 수량이 증가할수록 비용절감 효과는 더욱 커질 것으로 사료된다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 케이싱
20: 통상의 지중열교환기로 사용되는 지열배관 파이프
20': 지열배관 파이프
30: 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓
40: "U"자형 지열배관 파이프

Claims (9)

  1. 지열배관 파이프가 삽입될 수 있도록 상부면 및 하부면에 각각 결합구가 형성되어 있고, 내부가 막혀져 있는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 외부 형태는 원기둥 또는 다각기둥인 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 재질은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓.
  4. 제1항의 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 상부 및 하부에 지열배관 파이프가 삽입?결합되어 있는 지열배관 파이프 결합체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 외부 형태는 원기둥 또는 다각기둥인 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 결합체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓의 재질은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 결합체.
  7. 제4항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓과 지열배관 파이프의 연결은 열융착, 접착제, 나사이음, 커프링 이음 및 테이핑(Taping)으로 구성된 군에서 선택되는 결합방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프 결합체.
  8. 제4항 내지 제7항중 어느 한 항의 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입하는 단계; 및
    지상층부터 지하 최저층에 위치한 상기 지열배관 파이프 결합체를 절단 또는 인발하는 단계를 포함하는 지열배관 파이프의 시공방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 지열배관 파이프 결합체중 지열배관 파이프 연결용 밀폐 소켓 부분이 지하 최저층 바닥면 상부에 위치하도록 지열배관 파이프 결합체를 천공 홀에 삽입하는 것을 특징으로 하는 지열배관 파이프의 시공방법.

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