KR101162957B1 - Energy dual pipe apparatus for using geothermal energy and for ground reinforcement and the method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치 및 그 시공 공법에 관한 것으로, 지반에 형성된 천공홀의 내부로 삽입되어 지반의 붕괴를 방지하면서, 동시에 열교환 순환수의 외벽 역할을 하는 외관; 상기 외관의 내부에 동축(同軸)으로 삽입되고, 상기 외관으로 유입되는 열교환 순환수와, 열교환이 되어 밖으로 나가는 열교환 순환수 간의 열교환을 억지시켜주는 내관; 상기 외관의 상단을 유입 파이프 포트에 연결하여 유입 순환수를 외관 내부로 유입시키고, 상기 내관의 상단을 유출 파이프 포트에 연결하여 유출 순환수를 외부로 배출시키며, 상기 유입 순환수와 유출 순환수가 혼합되는 것을 방지하는 캡; 및 상기 캡의 유입 파이프 포트 또는 유출 파이프 포트에 연결되어 유출 순환수를 히트펌프 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송해주며, 또는 히트펌프 혹은 인접의 에너지 이중관에서 열교환이 이루어진 순환수를 다시 에너지 이중관까지 이송해주는 외부 파이프;를 포함하는 구조이다. 본 발명에 의하면 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지하의 지열 에너지를 효과적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 지반 구조를 보강할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다. The present invention relates to an integrated energy double pipe device for use and reinforcement of geothermal energy and its construction method, which is inserted into the interior of the drilling hole formed in the ground to prevent the collapse of the ground, and at the same time serves as the outer wall of the heat exchange circulation water; An inner tube inserted coaxially into the interior of the exterior and inhibiting heat exchange between the heat exchange circulation water flowing into the exterior and the heat exchange circulation water flowing out through the heat exchange; The upper end of the exterior is connected to the inflow pipe port to introduce the inflow circulating water into the exterior, and the upper end of the inner pipe is connected to the outlet pipe port to discharge the outflow circulation water to the outside, and the inflow circulation water and the outlet circulation water are mixed. A cap to prevent it from becoming; And is connected to the inlet pipe port or the outlet pipe port of the cap to transfer the outlet circulation water to the heat pump or the energy double pipe of the next stage, or the heat exchanged circulation water from the heat pump or the adjacent energy double pipe to the energy double pipe again. External pipe for conveying; the structure including. According to the present invention, not only the underground geothermal energy maintaining a constant temperature throughout the year can be effectively used, but also an excellent effect of reinforcing the ground structure can be obtained.
Description
본 발명은 지열 에너지를 이용함과 동시에 지반 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치 및 공법에 관한 것으로, 보다 상세히는 천공홀의 내부에 보강 기능을 하는 내,외관을 장착하고, 그 내부에 순환수를 통과시킴으로써, 지반 구조를 쉽게 보강할 수 있을 뿐만 아니라, 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지하의 지열 에너지를 효과적으로 활용하여 각종 시설물의 에너지를 충당할 수 있도록 된 지열 에너지 이용과 보강일체형의 에너지 이중관 장치 및 공법에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated energy double pipe device and a method for reinforcing the ground while using geothermal energy, and more particularly, by installing an inner and an outer tube to reinforce the inside of the drilling hole, and passing the circulating water therein, It is not only easy to reinforce the ground structure, but also the utilization of geothermal energy and the reinforcement-integrated energy double pipe system and construction method that can effectively utilize the geothermal energy of the underground which maintains a constant temperature throughout the year. will be.
일반적으로 신재생 에너지의 확대 공급 정책에 따라서 지열의 수요는 지속적으로 증가하고 있다.In general, the demand for geothermal energy continues to increase in line with the expanded supply of renewable energy.
이와 같은 지열 에너지를 이용하는 지열 시스템은 새로운 에너지를 개발한다는 측면에서 매우 그 이용가치가 높다고 할 수 있으나, 종종 지하수를 오염시키는 문제점을 갖는다.Geothermal systems using such geothermal energy can be said to be very valuable in terms of developing new energy, but often have the problem of contaminating groundwater.
이와 같이 지하수를 취수하지 않은 상태에서 지중 열을 이용할 수 있는 종래 기술의 예로서는 대한민국 등록특허 제10-0880675호의 "이중 삽입 지열관을 이용한 폐쇄형 지중열교환기 장치 및 구성 방법"이 제안되어 있다.As an example of the prior art that can use the ground heat in the ground water is not collected in the state of the Republic of Korea Patent No. 10-0880675 "closed underground heat exchanger device and configuration method using a double insertion geothermal tube" has been proposed.
이와 같은 종래의 지열 시스템은 폐쇄형 지중열 교환장치로서 이중 삽입 지열관을 이용한 구조이다.Such a conventional geothermal system is a structure using a double insertion geothermal tube as a closed underground heat exchanger.
이와 같은 종래 기술은 지열을 이용하기 위해 굴착된 굴착공 내부에 하단부를 마개로 차폐한 대구경의 외부순환관을 삽입 설치한 다음, 외부순환관의 내부에 유공관이 하부에 형성된 내부순환관을 바닥까지 삽입하여 구성한 것이다.The conventional technology is to insert a large diameter outer circulation tube shielding the lower end with a stopper in the excavation hole excavated in order to use geothermal heat, and then the inner circulation tube formed on the bottom of the inner circulation tube to the bottom It is inserted and configured.
그리고 운전동력비 절감을 위해 폐쇄형 순환회로를 구성하여 순환펌프를 지상에 설치하도록 하였으며 외부순환관의 삽입 설치를 용이하게 하기 위하여 선단부를 원추형으로 가공한 구조이다.In order to reduce the driving power cost, the closed circulation circuit is constructed to install the circulation pump on the ground, and the tip is conical to facilitate the installation of the external circulation pipe.
그러나 이와 같은 종래의 기술은 단순히 지중의 지열 에너지 획득에만 초점을 맞춘 것으로서, 지열을 이용하기 위해 지중 암반 깊숙이 굴착된 지열 굴착공의 내부에 무게를 갖게 한 PE 재료의 유공관을 연결 설치하여 순환관을 통하여 지열을 회수하도록 구성된 것이다.However, such a conventional technology focuses only on the acquisition of geothermal energy in the ground, and in order to use the geothermal heat, a circulation pipe is formed by connecting a hollow pipe made of PE material that has been weighted inside the geothermal drilling hole excavated deep in the underground rock. Geothermal heat is recovered through.
따라서 지반의 안정화를 위한 지반 보강에는 아무런 역할도 하지를 못하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem that does not play any role in reinforcing the ground for stabilization of the ground.
한편 이와는 다른 종래의 기술로는 대한민국 등록특허 제10-0778936호의 "지열파이프 일체형 지반보강공법"이 제안되어 있다.On the other hand as another conventional technology has been proposed "Geothermal pipe integrated ground reinforcement method" of Republic of Korea Patent No. 10-0778936.
이와 같은 종래의 기술은 지열파이프를 설치할 경우 지반이 취약해지는 것을 막고, 지열에너지로 인한 대체에너지의 사용과 구조물의 안정성을 모두 확보할 수 있는 파일앵커를 지열파이프와 일체로 설치함으로써 공사비의 절감효과를 얻을 수 있는 지열파이프 일체형 지반보강공법에 관한 것이다.This conventional technology prevents the ground from becoming weak when installing geothermal pipes, and reduces the cost of construction by installing pile anchors integrated with geothermal pipes that can secure both the use of alternative energy due to geothermal energy and the stability of structures. It relates to a geothermal pipe integrated ground reinforcement method can be obtained.
이와 같은 종래의 기술은 케이싱을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입하고, 상기 케이싱 내로 지면으로부터 연약층을 지나 암반층까지 천공하여 천공홀을 형성하며, 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지열파이프를 설치하고, 열전달그라우팅을 천공홀에 충전한다. 그리고 상기 열전달그라우팅 위로 앵커파일을 삽입하고, 패커를 설치하며, 재차 상기 패커에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시키는 과정으로 시공되는 것이다.This conventional technique inserts the casing to the boundary between the soft layer and the rock layer, and drills the hole into the casing from the ground through the soft layer to the rock layer to form a perforation hole, install a geothermal pipe to the bottom of the perforation hole, and heat transfer grouting. Charge in the hole. Then, the anchor pile is inserted onto the heat transfer grout, the packer is installed, and the cement grouting solution is supplied to the packer and then hardened.
즉 이와 같은 종래의 기술은 지열에너지 사용과 구조물의 안정성을 모두 확보할 수 있는 지열파이프 일체형 지반보강공법으로 선단구간을 지열획득구간으로 후단구간으로 지반보강구간으로 구분하여 시공하고 있다.In other words, such a conventional technique is constructed by dividing the tip section into the geothermal reinforcement section and the ground reinforcement section by the geothermal pipe integrated ground reinforcement method which can secure both the use of geothermal energy and the stability of the structure.
그러나 이와 같은 종래의 기술은 지역획득구간과 지반보강구간을 상하로 구분하여 시공하기 때문에 지반 천공홀의 깊이가 상대적으로 깊게 형성되고, 그에 관련된 시공비용의 증가를 초래하여 비용측면에서 비효율적인 문제점이 있었다.However, since the conventional technology is constructed by dividing the local acquisition section and the ground reinforcement section up and down, the depth of the ground perforation hole is formed relatively deep, resulting in an increase in the construction cost, thereby inefficient in terms of cost. .
한편, 터널, 흙막이, 비탈면과 등과 같은 지반구조물은 연중 일정한 온도를 유지하고 있어 지열에너지 자원으로 활용하기 좋음에도 불구하고 실제 현장 활용은 미비하다. 이와 같은 지반구조물의 지열에너지 이용을 위해서는 지열 에너지 파이프 설치를 위해 지반에 다수의 천공이 필요하며, 일반적인 PE 유공관과 같은 지열파이프는 지반에 대한 안정화를 하지 못한다.On the other hand, ground structures such as tunnels, barriers, and slopes maintain a constant temperature throughout the year, so they are not suitable for use as actual geothermal energy resources. In order to use the geothermal energy of such a ground structure, a large number of perforations are required in the ground to install a geothermal energy pipe, and geothermal pipes such as general PE oil pipes do not stabilize the ground.
따라서 이와 같은 PE 유공관과 같은 지열파이프와는 별도로 지반의 안정화를 위한 별도의 보강재를 설치하여야 함으로써 공사비를 이중으로 발생시키는 문제점을 갖는다.Therefore, a separate reinforcement material for stabilization of the ground, apart from geothermal pipes such as PE pipes, has a problem of generating construction costs twice.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은 굴착된 지반의 안정성을 확보하기 위해 사용되는 보강재의 내부에 순환수를 통과시켜서 지열에너지를 회수할 수 있는 기능을 더함으로써 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지중의 지열 에너지를 보강재를 이용하여 쉽게 얻을 수 있도록 된 지열 에너지 이용과 보강일체형의 에너지 이중관 장치 및 공법을 제공함에 있다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, the object of the year by adding a function to recover the geothermal energy by passing the circulation water through the interior of the reinforcement used to ensure the stability of the excavated ground It is to provide geothermal energy use and reinforcement integrated energy double pipe device and construction method, which makes it possible to easily obtain geothermal energy of underground maintaining constant temperature using reinforcement.
그리고 본 발명의 다른 목적은 에너지 보강재로부터 얻어진 지중의 열원을 이용하여 지하철 역사의 냉난방 및 터널 출입구의 결빙방지, 터널의 부대시설 등과 같이 각종 시설물에서 소요되는 에너지 일부를 충당하도록 함으로써 지열 에너지를 효과적으로 이용하도록 된 지열 에너지 이용과 보강일체형의 에너지 이중관 장치 및 공법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to effectively use geothermal energy by using the underground heat source obtained from the energy reinforcement to cover a part of the energy required in various facilities such as cooling and heating of subway stations, freezing prevention of the tunnel entrance, and additional facilities of the tunnel. To provide geothermal energy utilization and reinforcement integrated energy double pipe system and method.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지반에 형성된 천공홀의 내부로 삽입되고, 상기 천공홀의 내부에 충전되는 그라우팅과 상호 작용하여 지반의 붕괴를 방지하는 보강재 기능을 하고, 동시에 열교환 순환수의 외벽 역할을 하는 외관; 상기 외관의 내부에 동축(同軸)으로 삽입되고, 상기 외관으로 유입되는 열교환 순환수와, 열교환이 되어 밖으로 나가는 열교환 순환수 간의 열교환을 억지시켜주는 내관; 상기 외관의 상단을 유입 파이프 포트에 연결하여 유입 순환수를 외관 내부로 유입시키고, 상기 내관의 상단을 유출 파이프 포트에 연결하여 유출 순환수를 외부로 배출시키며, 상기 유입 순환수와 유출 순환수가 혼합되는 것을 방지하는 캡; 및 상기 캡의 유입 파이프 포트 또는 유출 파이프 포트에 연결되어 유출 순환수를 히트펌프 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송해주며, 또는 히트펌프 혹은 인접의 에너지 이중관에서 열교환이 이루어진 순환수를 다시 에너지 이중관까지 이송해주는 외부 파이프;를 포함하여 상기 외관과 그라우팅을 통하여 지반을 구조적으로 보강하는 동시에 내,외관 사이를 통과하는 순환수를 이용하여 지열 에너지를 추출하여 이용하는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is inserted into the interior of the drilling hole formed in the ground, and acts as a reinforcing material to prevent the collapse of the ground by interacting with the grouting filled in the interior of the drilling hole, and at the same time Appearance acting as an outer wall; An inner tube inserted coaxially into the interior of the exterior and inhibiting heat exchange between the heat exchange circulation water flowing into the exterior and the heat exchange circulation water flowing out through the heat exchange; The upper end of the exterior is connected to the inflow pipe port to introduce the inflow circulating water into the exterior, and the upper end of the inner pipe is connected to the outlet pipe port to discharge the outflow circulation water to the outside, and the inflow circulation water and the outlet circulation water are mixed. A cap to prevent it from becoming; And is connected to the inlet pipe port or the outlet pipe port of the cap to transfer the outlet circulation water to the heat pump or the energy double pipe of the next stage, or the heat exchanged circulation water from the heat pump or the adjacent energy double pipe to the energy double pipe again. Integral energy double pipe device for geothermal energy use and reinforcement by using geothermal energy to extract the geothermal energy by using the circulating water passing between the inner and the exterior while structurally reinforcing the ground through the outer and grouting; To provide.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 외관은 그 하단에 마개를 나사결합으로 고정하여 내부의 순환수가 외부로 유출되는 것을 방지하고, 그 상단은 상기 캡의 하단에 나사결합으로 고정되며, 적어도 강관 혹은 그와 유사한 인장강도 및 연성의 재료로 이루어지고, 그 외면에는 천공홀과의 사이에 그라우팅재가 충전된 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.And the present invention is preferably the appearance is screwed to the stopper at the lower end to prevent the circulation water from flowing out to the outside, the upper end is fixed by screwing on the lower end of the cap, at least steel pipe or its It consists of a material of similar tensile strength and ductility, and on its outer surface provides an integrated energy double tube device for use and reinforcement of geothermal energy filled with grouting material between perforations.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 내관은 단열 성능이 우수한 단열관으로 이루어지고, 그 외주면에는 원주방향 등간격을 유지하면서 상기 외관의 내경에 일치하는 외경의 다수의 스페이서들이 길이방향으로 다수 형성되며, 상기 내관의 하단은 외관의 하단보다 길이가 짧게 형성되어 상기 외관을 통하여 유입된 순환수가 내관으로 유로를 변경하는 방향 전환부를 형성하고, 상기 내관의 상단은 캡의 유출 파이프 포트에 나사결합으로 연결되는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.In addition, the present invention preferably the inner tube is made of a heat insulating tube excellent in heat insulating performance, the outer peripheral surface is formed with a plurality of spacers of the outer diameter corresponding to the inner diameter of the appearance while maintaining the circumferential equal intervals, The lower end of the inner tube is formed to have a shorter length than the lower end of the outer tube to form a direction change portion for changing the flow path into the inner tube, the upper end of the inner tube is connected to the outlet pipe port of the cap by screwing Provides an integrated energy double pipe arrangement for geothermal energy utilization and reinforcement.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 캡은 그 내측에 상기 내관에 중앙이 관통하여 끼워지고, 상기 내관 둘레에는 유입 파이프 포트로부터 외관으로 연통하는 다수의 구멍을 형성한 고무 패킹이 장착된 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.And the present invention is preferably the cap is fitted inside the inner tube through the center, the geothermal energy utilization is equipped with a rubber packing formed a plurality of holes around the inner tube to communicate from the inlet pipe port to the outside Provides an integrated energy double tube device for reinforcement.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 외관은 그 상단부에 캡이 나사결합되는 나사산의 하부측으로 너트 및 플레이트가 장착되어 천공홀의 입구에 외관의 위치가 고정된 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.In another aspect, the present invention preferably has an integrated energy double pipe device for the use and reinforcement of geothermal energy, the nut and plate is mounted to the lower side of the thread threaded cap is screwed on the upper end of the outer appearance is fixed at the entrance of the drilling hole to provide.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 외부 파이프는 지반구조물의 길이방향을 따라서 연장하는 메인 관부와, 상기 메인 관부로부터 지반구조물의 단면 방향을 따라서 연장하는 다수의 지관부를 포함하며, 상기 지관부에는 지반구조물에 각각 시공된 캡의 유입 파이프 포트와 유출 파이프 포트가 연결되어 순환수를 히트펌프 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송해주는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 제공한다.And the present invention preferably the outer pipe includes a main pipe portion extending along the longitudinal direction of the ground structure, and a plurality of branch pipe portions extending along the cross-sectional direction of the ground structure from the main pipe portion, the ground pipe portion is a ground structure The inlet pipe port and outlet pipe port of each constructed cap are connected to provide an integrated energy double pipe device for the use and reinforcement of geothermal energy that transfers the circulating water to the heat pump or the next level of energy double pipe.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 지반에 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀 내부에 선단 쪽이 막혀있는 외관을 삽입하며, 상기 외관 주변의 천공홀에 그라우팅 시공하고, 상기 천공홀의 입구에는 플레이트와 너트를 설치하여 외관을 고정하며, 상기 외관의 내부에는 선단이 캡과 연결되어있는 내관을 외관 내로 삽입하여 동축(同軸)으로 배치하고, 상기 외관의 선단을 상기 캡에 연결하며, 상기 외관으로는 외부 파이프로부터 순환수를 유입시키고, 지열에 열교환한 순환수를 내관을 통과하여 배출시키는 단계들을 포함하여 지열 에너지를 이용함과 동시에 지반을 구조적으로 보강하는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention forms a perforated hole in the ground, inserts the appearance of the front end is blocked in the perforated hole, grouting construction in the perforated hole around the exterior, the entrance of the perforated hole A plate and a nut are installed to fix the exterior, and inside the exterior, an inner tube having a tip connected to the cap is inserted into the exterior and disposed coaxially, and the tip of the exterior is connected to the cap. Externally, the integrated energy use and reinforcement of geothermal energy that structurally reinforces the ground while using geothermal energy, including the steps of introducing the circulating water from an external pipe and discharging the circulating water heat-exchanged to the geothermal heat through the inner tube. Provide double pipe construction method.
그리고 본 발명은 바람직하게는 상기 내관은 그 외주면에 원주방향 등간격을 유지하면서 외관의 내경에 일치하는 외경의 다수의 스페이서들을 길이방향으로 다수 형성하고, 단열 성능이 우수한 단열관으로 이루어지며, 그 하단은 외관의 하단보다 길이를 짧게 형성하여 외관을 통하여 유입된 순환수가 내관으로 유로를 변경하는 방향 전환부를 형성함으로써 상기 외관의 상단으로부터 방향 전환부로 이동하면서 지열과 열교환한 순환수는 그 열을 유지되면서 상기 내관을 통하여 반대방향으로 흐르면서 상기 캡에 연결된 외부 파이프를 통하여 외부로 방출되는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법을 제공한다.And the present invention preferably the inner tube is formed on the outer peripheral surface while maintaining the circumferential equal intervals in the longitudinal direction a plurality of spacers of the outer diameter corresponding to the inner diameter of the outer appearance, made of a heat insulating tube excellent in heat insulating performance, the The lower end has a shorter length than the lower end of the exterior, so that the circulating water introduced through the exterior changes the flow path into the inner tube, thereby moving from the upper side of the exterior to the direction changing section while maintaining the heat. While providing an integrated energy double pipe construction method for the use and reinforcement of geothermal energy emitted to the outside through the outer pipe connected to the cap while flowing in the opposite direction through the inner pipe.
또한 본 발명은 바람직하게는 상기 외부 파이프는 지반구조물의 길이방향을 따라서 연장하는 메인 관부와, 상기 메인 관부로부터 지반구조물의 단면 방향을 따라서 연장하는 다수의 지관부를 포함하도록 설치하고, 상기 지관부에는 지반구조물의 벽체에 각각 시공된 캡의 유입 파이프 포트와 유출 파이프 포트를 연결하여 순환수를 히트펌프 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송시킴으로써 지반에 구축된 터널의 지열 에너지를 이용함과 동시에 지반구조물을 구조적으로 보강하는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법을 제공한다.In addition, the present invention is preferably provided so that the outer pipe includes a main pipe portion extending along the longitudinal direction of the ground structure, and a plurality of branch pipe portions extending along the cross-sectional direction of the ground structure from the main pipe portion. By connecting the inflow pipe port and the outflow pipe port of the caps respectively constructed on the wall of the ground structure, the circulation water is transferred to the heat pump or the next-generation energy double pipe to utilize the geothermal energy of the tunnel built in the ground and It provides an integrated energy double pipe construction method for geothermal energy use and reinforcement.
본 발명에 의하면 록볼트와 같은 강성 혹은 그와 유사한 인장강도 및 연성의 재료로 이루어지고, 그 외주면에는 천공홀과의 사이에 그라우팅재가 충전된 외관을 구비하고, 상기 외관의 내부에는 순환수가 흐르면서 지열과 열교환하는 순환수 회로를 구비함으로써 굴착된 지반의 안정성을 확보하기 위해 사용되는 보강재에 지열에너지를 이용할 수 있는 기능을 병행하게 된다.According to the present invention made of a rigid or similar tensile strength and ductile material, such as rock bolts, the outer peripheral surface is provided with a grouting material filled between the perforated hole, the inside of the exterior with a circulation water flow geothermal By providing a circulating water circuit for heat exchange with and to perform a function that can use geothermal energy in the reinforcement used to ensure the stability of the excavated ground.
따라서 본 발명에 의하면 지반에 보강재를 시공한 것과 같은 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지중의 지열 에너지를 이용하는데 있어서 공사비를 이중으로 발생시키지 않아서 비용 절감 효과를 크게 얻을 수 있다.Therefore, according to the present invention, not only the same effect as the construction of reinforcement material can be obtained on the ground, but also the cost reduction effect can be obtained significantly by not generating the construction cost in using geothermal energy of the ground which maintains a constant temperature throughout the year. have.
그리고 본 발명에 의하면 에너지 이중관으로부터 얻어진 열원을 히트펌프에 연결하여 지하철 역사의 냉난방 및 터널 출입구의 결빙방지, 터널의 부대시설 등과 같이 각종 시설물에서 소요되는 냉난방 에너지의 일부를 충당할 수 있음으로써 실용적으로 지열 에너지를 활용할 수 있는 우수한 효과가 얻어진다.According to the present invention, by connecting a heat source obtained from the energy double pipe to a heat pump, it is practically possible to cover a part of the heating and cooling energy required in various facilities such as cooling and heating of the subway station, preventing freezing of the tunnel entrance, and additional facilities of the tunnel. An excellent effect of utilizing geothermal energy is obtained.
도 1은 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치의 동작상태를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치에 구비된 캡을 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치에 구비된 캡의 평단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치가 터널 구조물에 적용된 설명도이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법을 단계적으로 도시한 설명도이다.1 is an exploded perspective view showing an integrated energy double tube device for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing an operating state of the integrated energy double pipe device for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention.
Figure 3 is a partial cutaway perspective view of the cap provided in the integrated energy double pipe device for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention.
4 is a plan cross-sectional view of a cap provided in an integrated energy double tube device for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention.
5 is an explanatory diagram in which an integrated energy double pipe device for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention is applied to a tunnel structure.
6A to 6F are explanatory views showing step by step integrated energy double pipe construction method for geothermal energy use and reinforcement according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치(100)는 도 1에 전체적으로 도시된 바와 같이, 지반에 형성된 천공홀(H)의 내부로 삽입되어 지반의 붕괴를 방지하면서, 동시에 열교환 순환수의 외벽 역할을 하는 외관(110)을 구비한다.Integrated energy
이와 같은 외관(110)은 강관 혹은 적어도 그와 유사한 인장강도 및 연성의 재료로 이루어지는 것으로서, 그 외주면에 천공홀(H) 과의 사이에 그라우팅(G)이 충전되면 마치 보강재와 같이 지반을 구조적으로 보강시킨다.This
그리고 상기 외관(110)은 그 하단에 나사산(112a)을 형성하고, 마개(120)를 나사결합으로 고정하는 것으로서, 이후에 설명되는 바와 같이, 상기 마개(120)는 외관(110)의 내부에 순환수가 유입되면, 그 내부의 순환수가 외부로 유출되는 것을 방지하고, 그 상단은 나사산(112b)을 형성하여 이후에 설명되는 캡(150)의 하단에 나사결합으로 고정되는 구조이다.And the
또한 상기 외관(110)의 내부에는 동축(同軸)으로 내관(130)이 삽입되는데, 이와 같은 내관(130)은 외관(110)으로 유입되는 열교환 순환수와, 열교환이 되어 밖으로 나가는 열교환 순환수 간의 열교환을 억지시키게 된다.In addition, the
이를 위하여 상기 내관(130)은 단열 성능이 우수한 단열관으로 이루어지는데, 이와 같은 단열관의 재료특성으로 인하여 내관(130)의 내부를 흐르는 유출 순환수는 외관(110)의 내부를 흐르는 유입 순환수에 의해서 열교환이 최소화되어 지열을 유지한 채, 온도변화없이 외부로 배출된다.To this end, the
그리고 상기 내관(130)의 외주면에는 원주방향 등간격을 유지하면서 상기 외관(110)의 내경에 일치하는 외경의 다수의 스페이서(132)들이 길이방향으로 다수 형성되는 구조이다.The outer circumferential surface of the
이와 같은 스페이서(132)는 내관(130)의 외면과, 외관(110)의 내면 사이에서 유입 순환수가 흐르는 유로를 형성하기 위한 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 내관(130)의 길이방향으로 연속하여 돌출형성된 긴 돌기의 형태로 이루어질 수 있으며, 또는 이와는 다르게 내관(130)의 길이방향으로 단속적으로 형성된 짧은 길이의 돌기(미 도시)들로 이루어질 수 있다.Such a
또는 상기 스페이서(132)는 내관(130)에 일체로 형성되거나, 또는 내관(130)과는 별개로 형성된 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명은 어느 특정 구조에 한정되지 않고, 내관(130)의 외면과 외관(110)의 내면을 일정간극으로 분리시켜 유로(136)를 형성시키는 모든 구조를 포함한다.Alternatively, the
그리고 이와 같은 내관(130)은 그 하단의 길이가 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 외관(110)의 하단보다 길이가 짧게 형성되는데, 이와 같은 구조를 통하여 상기 외관(110)을 통하여 유입된 순환수가 내관(130)으로 흐르게 되어 그 유로를 변경하는 방향 전환부(140)를 형성한다.And the
즉 상기 외관(110)의 내부로 유입된 순환수는 외관(110)의 상단으로부터 하단으로 흐르다가 방향 전환부(140)에 도달해서는 외관(110)으로부터 내관(130)의 내부를 향해 반대 방향으로 흐르게 된다.That is, the circulating water introduced into the exterior 110 flows from the top to the bottom of the exterior 110 and reaches the
또한 이와 같은 내관(130)의 상단은 나사산(137)을 형성하며, 이후에 설명되는 캡(150)의 유출구(152)에 나사결합으로 연결되어 내관(130)으로부터 외부로 순환수를 배출시키게 되며, 상기 유출구(152)에는 일측으로 유출 파이프 포트(154)가 형성된다.In addition, the upper end of the
이와 같은 외관(110)과 내관(130)의 상단에 장착되는 캡(150)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 외관(110)의 상단을 유입 파이프 포트(156)에 연결하여 유입 순환수를 외관(110) 내부로 유입시키고, 상기 내관(130)의 상단을 유출 파이프 포트(154)에 연결하여 유출 순환수를 외부로 배출시키며, 상기 유입 순환수와 유출 순환수가 서로 혼합되는 것을 방지하게 된다.As shown in FIGS. 3 and 4, the
이와 같은 캡(150)은 그 내주면에 나사면(158a)을 형성하여 상기 외관(110)의 상단에 나사결합으로 연결되고, 그 일측으로는 유입 파이프 포트(156)가 연결되어 유입 순환수를 외관(110) 내부로 유입시킨다. 그리고 그 내측 중앙에는 유출구(152)의 내면에 나사산(158b)이 형성되어 내관(130)의 상단에 나사결합으로 연결되며, 유출구(152)의 타측은 내관(130)을 관통하여 유출 파이프 포트(154)가 외부로 연장됨으로써 상기 내관(130)으로부터 배출되는 유출 순환수를 외부로 배출시킨다.The
그리고 이와 같은 캡(150)의 내측에는 상기 내관(130)에 중앙이 관통하여 끼워지고, 상기 내관(130) 둘레에는 유입 파이프 포트(156)로부터 외관(110)으로 연통하는 다수의 구멍(172)을 형성한 고무 패킹(170)이 장착된다. 이와 같은 고무 패킹(170)은 캡(150)의 하단에 위치하여 그 내부를 흐르는 순환수가 캡(150)과 외관(110)의 연결부분을 통해서 외부로의 누수되는 것을 효과적으로 방지하게 된다.In addition, a center of the
또한 상기 캡(150)은 그 유입 파이프 포트(156) 또는 유출 파이프 포트(154)에 외부 파이프(180)가 연결되는데, 이와 같은 외부 파이프(180)는 도 5에 도시된 바와 같이, 유출 순환수를 히트펌프(200) 혹은 다음 단계의 에너지 이중관 장치(100) 까지 이송해주며, 또는 히트펌프(200) 혹은 인접의 에너지 이중관 장치(100)에서 열교환이 이루어진 순환수를 다시 에너지 이중관 장치(100) 까지 이송해주도록 연결된다.In addition, the
즉 상기 외부 파이프(180)는 도 5에 도시된 바와 같이, 지반구조물(210)에 배치되는 경우, 지반에 형성된 터널을 따라서 연장하는 메인 관부(182)와, 상기 메인 관부(182)로부터 터널의 단면 방향을 따라서 연장하는 다수의 지관부(184)를 포함한다.That is, as shown in FIG. 5, when the
또한 상기 지관부(184)에는 지반구조물에 각각 시공된 캡(150)의 유입 파이프 포트(156)와 유출 파이프 포트(154)가, 도 4에 도시된 바와 같이, 연결되어 순환수를 히트펌프(200) 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송해주게 되며, 이와 같은 연결구조를 통하여 지반구조물(210)의 일정한 지열 에너지를 이용함과 동시에, 지반구조물을 구조적으로 보강할 수 있게 된다.In addition, the
그리고 본 발명은 상기 외관(110)의 상단부에 도 2에 도시된 바와 같이, 캡(150)이 나사결합되는 나사산(112)의 하부측으로 너트(222) 및 플레이트(224)가 장착되어 천공홀(H)의 입구에 외관(110)의 위치가 고정된 것이다.And the present invention, as shown in Figure 2 in the upper end of the exterior 110, the
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치(100)는 외부 파이프(180)를 통해 캡(150)의 유입 파이프 포트(156)로 순환수가 유입되고, 고무 패킹(170)의 유입 구멍(172)을 통해 외관(110)의 내부로 이동한 후, 외관(110)과 단열 내관(130) 사이의 유로(136)를 따라서 외관(110)의 하단으로 이동하면서 외관(110)을 통해서 지열과 열교환을 이룬다.Integrated energy
이와 같이 열교환된 순환수는 방향 전환부(140)에서 단열 내관(130)의 사이로 방향을 전환하여 흐르게 되며, 다시 캡(150)의 유출 파이프 포트(154)로 이동한 후, 외부 파이프(180)를 따라서 외부로 이송된다.The circulating water heat exchanged in this way flows by changing the direction between the adiabatic
이와 같은 과정에서 상기 외관(110)과 천공홀(H) 사이에 존재하는 그라우팅(G)은 지반 보강을 위한 충전재 역할을 할 뿐 아니라, 천공홀(H)의 외부에서 오는 지열을 외관(110) 까지 연결하는 열전달 매개체 역할을 하게 된다.In this process, the grout (G) existing between the exterior (110) and the drilling hole (H) not only serves as a filler for reinforcing the ground, but also the geothermal heat coming from the outside of the drilling hole (H). It will act as a heat transfer medium to connect up to.
또한 캡(150)의 유입 파이프 포트(156)를 통해 들어온 순환수가 유입 구멍(172)을 통하여 에너지 이중관의 외관(110)으로 이동할 때, 캡(150) 하단에 존재하는 고무 패킹(170)은 순환수가 시스템 외부로의 누수되는 것을 효과적으로 방지하는 역할을 수행하게 된다.In addition, when the circulating water entering through the
이하, 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법(300)에 대해서 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the integrated energy double
먼저, 도 6a에 도시된 바와 같이, 지반에 천공홀(H)을 형성하고, 다음으로는 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 천공홀(H)의 내부에 선단 쪽이 막혀있는 외관(110)을 삽입하며, 상기 외관(110) 주변의 천공홀(H)에 그라우팅(G) 시공한다.First, as shown in FIG. 6A, a perforation hole H is formed in the ground, and as shown in FIG. 6B, an
이때, 그라우팅(G)은 기존의 보강재 설치시 사용되는 시멘트 그라우팅 또는 레진(resin) 그라우팅 등을 포함한 통상의 그라우팅 재료를 사용할 수 있다.In this case, the grouting (G) may use a conventional grouting material including cement grouting or resin grouting used in installing existing reinforcement materials.
그리고 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 천공홀(H)의 입구에는 플레이트(224)와 너트(222)를 설치하여 외관(110)을 고정한다.6c, the
이때, 상기 플레이트(224)와 너트(222)는 일반적인 보강재 설치시 사용되는 플레이트(224) 및 너트(222)로 이루어질 수 있고, 보강재를 고정시키는 방법과 동일한 방식으로 외관(110)을 고정시키게 된다.At this time, the
또한 다음으로는 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 외관(110)의 내부에는 선단이 캡(150)과 연결되어 있는 내관(130)을 외관(110) 내로 삽입하여 동축(同軸)으로 배치한다.Next, as shown in FIG. 6D, an
이와 같은 경우, 상기 내관(130)은 그 외주면에 원주방향 등간격을 유지하면서 외관(110)의 내경에 일치하는 외경의 다수의 스페이서(132)들을 길이방향으로 다수 형성하고, 단열 성능이 우수한 단열관으로 이루어진 것이다.In this case, the
또한 상기 내관(130)은 그 하단이 외관(110)의 하단보다 길이를 짧게 형성하여 외관(110)을 통하여 유입된 순환수가 내관(130)으로 유로를 변경하는 방향 전환부(140)를 형성함으로써 상기 외관(110)의 상단으로부터 방향 전환부(140)로 이동하면서 지열과 열교환한 순환수는 그 열을 유지되면서 상기 내관(130)을 통하여 반대방향으로 흐르면서 상기 캡(150)에 연결된 외부 파이프(180)를 통하여 외부로 방출된다.In addition, the
그리고 다음으로는 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 외관(110)의 선단을 상기 캡(150)에 연결하며, 상기 외관(110)으로는 외부 파이프(180)를 연결시킨다.Next, as shown in FIG. 6E, the front end of the exterior 110 is connected to the
또한 도 6f에 도시된 바와 같이, 상기 유입 파이프를 통해서 캡(150)의 내부에 순환수를 유입시키고, 지열에 열교환한 순환수를 내관(130)을 반대방향으로 통과시켜서 외부로 배출시키게 된다.In addition, as shown in Figure 6f, through the inlet pipe circulating water is introduced into the inside of the
이와 같은 본 발명에 따른 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법(300)은 터널, 비탈면, 흙막이 등 지반구조물에 적용 가능하며, 터널의 경우, 이는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 외부 파이프(180)를 지반에 형성된 터널을 따라서 연장하는 메인 관부(182)와, 상기 메인 관부(182)로부터 터널의 단면 방향을 따라서 연장하는 다수의 지관부(184)를 포함하도록 설치하고, 상기 지관부(184)에는 터널의 벽체에 각각 시공된 캡(150)의 유입 파이프 포트(156)와 유출 파이프 포트(154)를 연결하여 순환수를 히트펌프(200) 혹은 다음 단계의 에너지 이중관 장치(100) 까지 이송시키도록 연결한다. 이와 같이 외부 파이프(180)를 연결시킴으로써 지반에 구축된 터널의 지열 에너지를 이용함과 동시에 지반구조물(210)을 구조적으로 보강하게 된다.The integrated energy double
상기와 같이 본 발명은 굴착된 지반의 안정성을 확보하기 위해 사용되는 보강재에 지열에너지를 이용할 수 있는 기능을 병행하게 됨으로써 지반에 보강재를 시공한 것과 같은 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지중의 지열 에너지를 이용하는데 있어서 공사비를 이중으로 발생시키지 않아서 비용 절감 효과를 크게 얻을 수 있다.As described above, the present invention not only obtains the same effect as constructing the reinforcing material on the ground by using a function of using geothermal energy in the reinforcing material used to secure the stability of the excavated ground, and maintains a constant temperature throughout the year. The use of underground geothermal energy that is maintained does not incur double construction costs, thereby greatly reducing the cost.
또한 본 발명은 에너지 이중관으로부터 얻어진 열원을 히트펌프에 연결하여 주변 시설물, 예를 들면 지하철 역사의 냉난방 및 터널 출입구의 결빙방지, 터널의 부대시설 등과 같이 각종 시설물에서 소요되는 냉난방 에너지의 일부를 충당할 수 있음으로써 지열을 실용적으로 활용될 수 있게 된다.In addition, the present invention by connecting the heat source obtained from the energy double pipe to the heat pump to cover a part of the heating and cooling energy required in various facilities, such as the surrounding facilities, for example, the heating and cooling of the subway station and the freezing of the tunnel entrance, the auxiliary facilities of the tunnel. By doing so, geothermal heat can be used practically.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.An embodiment of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications are within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.
100...... 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치
110...... 외관 112a,112b,137..... 나사산
120..... 마개 130...... 내관
132..... 스페이서(spacer) 136...... 유로
140..... 방향 전환부 150...... 캡
152..... 유출구 154...... 유출 파이프 포트
156..... 유입 파이프 포트 158a,158b..... 나사산
170..... 고무 패킹 172..... 구멍
180..... 외부 파이프 182..... 메인 관부
184...... 지관부 200...... 히트펌프
210..... 터널 구조물 222...... 너트
224..... 플레이트
300..... 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 시공공법
G...... 그라우팅 H...... 천공홀100 ...... Integral energy double tube device for geothermal energy utilization and reinforcement
110 ......
120 ..... Plug 130 ...... Inner Tube
132 ..... spacer 136 ...... Euro
140 .....
152 .....
156 .....
170 ..... rubber packing 172 ..... hole
180 .....
184 ......
210 .....
224 ..... Plate
300 ..... Integrated energy double pipe construction for use and reinforcement of geothermal energy
G ...... grouting H ...... Drilling hole
Claims (9)
상기 외관의 내부에 동축(同軸)으로 삽입되고, 상기 외관으로 유입되는 열교환 순환수와, 열교환이 되어 밖으로 나가는 열교환 순환수 간의 열교환을 억지시켜주는 내관;
상기 외관의 상단을 유입 파이프 포트에 연결하여 유입 순환수를 외관 내부로 유입시키고, 상기 내관의 상단을 유출 파이프 포트에 연결하여 유출 순환수를 외부로 배출시키며, 상기 유입 순환수와 유출 순환수가 혼합되는 것을 방지하는 캡; 및
상기 캡의 유입 파이프 포트 또는 유출 파이프 포트에 연결되어 유출 순환수를 히트펌프 혹은 다음 단계의 에너지 이중관까지 이송해주며, 또는 히트펌프 혹은 인접의 에너지 이중관에서 열교환이 이루어진 순환수를 다시 에너지 이중관까지 이송해주는 외부 파이프;를 포함하여 상기 외관과 그라우팅을 통하여 지반을 구조적으로 보강하는 동시에 내,외관 사이를 통과하는 순환수를 이용하여 지열 에너지를 추출하여 이용하는 것을 특징으로 하는 지열 에너지 이용과 보강을 위한 일체형 에너지 이중관 장치.An appearance inserted into an interior of the boring hole formed in the ground and interacting with the grouting filled in the interior of the boring hole to function as a reinforcing material to prevent the ground from collapsing, and at the same time serving as an outer wall of the heat exchange circulation water;
An inner tube inserted coaxially into the interior of the exterior and inhibiting heat exchange between the heat exchange circulation water flowing into the exterior and the heat exchange circulation water flowing out through the heat exchange;
The upper end of the exterior is connected to the inflow pipe port to introduce the inflow circulating water into the exterior, and the upper end of the inner pipe is connected to the outlet pipe port to discharge the outflow circulation water to the outside, and the inflow circulation water and the outlet circulation water are mixed. A cap to prevent it from becoming; And
It is connected to the inlet pipe port or the outlet pipe port of the cap and transfers the effluent circulating water to the heat pump or the next energy double pipe, or transfers the circulating water heat exchanged from the heat pump or the adjacent energy double pipe back to the energy double pipe. Integrate for geothermal energy use and reinforcement, including; external pipe that comprises; and geothermal energy to extract the geothermal energy by using the circulating water passing between the inner and outer, while structurally reinforcing the ground through the appearance and grouting Energy double pipe device.
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