KR101241545B1 - 지열을 이용한 냉난방시스템의 지중파이프 매설공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중 매설된 파이프를 이용한 지열 냉난방시스템에 있어 상기 지중 파이프를 매설하기 위한 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표토층 만을 이용하여 지중 파이프를 수직 매설하되, 상기 표토층에 대하여는 내부에 지중파이프가 삽입된 형태의 스크류관을 통해 굴착공의 천공이 이루어지도록 하고, 천공된 굴착공으로부터 지중파이프는 잔류하고 스크류관 만이 인출 제거되면서 굴착공의 무너짐에 의해 지중파이프의 매립이 자연스럽게 이루어지도록 함에 따라, 표토층 만을 이용하여 지중 파이프를 수직 매설하는 형태를 갖고 있어 열효율이 우수한 수직형 회로방식의 장점과 작업 편리성이 뛰어난 수평형 회로방식의 장점을 고루 취합할 수 있는 것이고, 표토층에 대한 수직 굴착공을 이용하여 설치되므로 작업 부실 및 과도한 면적을 차지하던 종래 수평형 회로방식의 단점과 암반 천공에 의한 과다한 작업비 및 굴착공의 붕괴가 빈번하던 종래 수직형 회로방식의 단점을 모두 극복할 수 있는 것이며, 기존의 작업방식인 굴착공 천공과정과 지중파이프 삽입과정 및 굴착공 되메움과정이 일시에 모두 이루어지므로 시공 편리성은 물론 우수한 열효율을 연출하는 것이며, 표토층 만을 이용하므로 지하수를 오염시키지 않아 매우 친환경적인 동시에 고품질의 작업 상태와 최소의 작업 면적을 소요함으로 인해 경제성인 측면과 합리적인 작업성을 모두 만족시키는 효과를 갖는 것이다.

Description

지열을 이용한 냉난방시스템의 지중파이프 매설공법 {Method for laying pipe under the ground for}

본 발명은 지중 매설된 파이프를 통해 동절기에는 더운 공기가 실내로 유입되게 하고 하절기에는 시원한 공기가 실내로 유입되게 하는 지열 냉난방시스템에 있어 상기 지중 파이프를 매설하기 위한 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중파이프를 매설함에 있어 스크류관의 내부에 지중파이프를 삽입한 상태에서 굴착공을 천공하고, 그 굴착공으로부터 지중파이프가 잔류하는 상태로 스크류관 만이 굴착공으로부터 분리 제거될 수 있도록 하여, 상기 굴착과 동시에 지중파이프의 매립이 가능함은 물론 표토층 만을 이용하여 지중파이프를 매설함에 따라 시공 합리성이 뛰어난 것이다.

근래 들어 인구의 증가와 산업화에 따른 주거공간의 냉난방으로 인한 과도한 에너지 사용과 공해 발생의 문제점이 크게 부각되면서 국가 전체적으로 볼 때 전력 예비율의 감소 등 에너지 낭비로 인한 심각한 경제적 손실이 발생하고 있는 것이고, 연료의 연소과정에서 발생하는 공해는 생태계 및 환경 파괴를 초래하고 있어 심각한 사회문제로 대두하고 있다.

이에 따라 전력을 이용한 냉난방으로 인한 극심한 에너지 낭비를 방지하면서도 공해 발생을 억제할 수 있는 형태의 냉난방 시스템에 대한 연구가 각 분야에서 끊임없이 진행되고 있는 것으로서, 그 대표적인 것이 태양열을 이용한 난방시스템으로 볼 수 있을 것이나 이 역시 기후에 따른 극심한 편차가 발생하고 있으며 우천시 또는 야간에는 무용지물이 되는 동시에 과도한 설치비가 문제시 되고 있는 실정이다.

이에 근자에 들어서는 지열을 이용한 냉난방시스템이 활발하게 연구되고 있는 추세로서, 지열의 경우 동절기에는 외부 기온에 비하여 높은 온도의 지열을 갖고 있을 것이고, 하절기의 경우에는 외부 기온에 비하여 낮은 온도의 지열을 갖고 있을 것이므로 이와 같은 동절기 및 하절기에 발생하는 외부 기온과 지열 간의 온도 편차를 이용하여 실내 냉난방이 이루어지도록 하는 지열을 이용한 냉난방시스템이 실제로 적용되고 있는 것이다.

이와 같은 지열 냉난방시스템은 통상적으로 수직형 회로방식과 수평형 회로방식이 주로 적용되고 있는 것으로서, 수직형 회로방식은 도 1의 도시와 같이 지하 깊숙히 수직 천공하여 된 굴착공에 지중파이프(100)를 매설한 후 상기의 지중파이프(100)를 건물 내 순환장치(110)와 연결함에 따라 순환장치(110)로부터 계절에 따라 지열에 의해 가열된 상태의 따듯한 공기가 배출되게 하거나 차가운 공기가 배출될 수 있도록 하는 동시에 이를 연속적으로 순환시켜 실내의 냉난방이 이루어질 수 있도록 되어 있다.

또한 수평형 회로방식의 경우, 도 2의 도시와 같이 횡방향으로 지중파이프(100)를 수직 매설하여서 이들 지중파이프로 전달되는 지열을 통해 실내의 순환장치(110)로부터 계절에 따라 실외 기온과 차등의 따듯한 공기 또는 시원한 공기가 배출 및 순환될 수 있도록 하는 것이다.

이때, 상기의 지중파이프를 매설하기 위한 굴착공은 통상적으로, 도 3의 도시와 같이 파일 드라이버(120)와 오거 스크류(121) 등을 이용하여 표토층(130)과 암반층(140)에 대한 천공을 수행한 상태에서 상기 굴착공을 통해 지중파이프(100)를 삽입 및 매설하는 형태의 작업이 이루어지는 것이 보편적이다.

그러나, 상기와 같은 일반적인 지열 냉난방시스템을 위한 지중파이프의 매설공법은 다양한 문제점을 내포하고 있는 것인데, 수직형 회로방식의 경우에는 대형 장비를 이용하여 표토층과 암반층을 동시에 천공함에 따라 매설 비용이 과도하게 소요되는 문제점을 갖고 있는 것이고, 암반층까지 천공하는 과정에서 시공 시간이 지나치게 길어질 뿐만 아니라 자칫 지하수가 용출되거나 지하수를 오염시키는 사례가 빈번하게 발생하고 있는 것이다.

더욱이, 상기와 같은 파일 드라이버 및 오거 스크류에 의한 굴착공을 천공하게 되면 암반층의 굴착공은 그렇지 아니하나 표토층의 굴착공은 오거스크류의 제거 과정에서 굴착공이 붕괴되거나 메워지는 경우가 흔히 발생하고 있어 지중 파이프를 신속하고 편리하게 삽입하지 못하여 작업에 많은 지장을 초래하는 것이고, 굴착공에 대한 붕괴 또는 되메움 정도가 심한 경우에는 재천공을 반복적으로 수행하여야 하므로 불필요하게 과도한 시간과 경제적인 낭비가 반복되는 폐단을 갖고 있는 것이다.

또한, 수평형 회로방식의 경우에는 표토층 만을 대략 3m의 깊이와 30m² 정도의 넓이로 굴착한 후 지중 파이프에 대한 배열 및 되메움 공정을 수행하여 완성되는 것인데, 수직형 회로방식에 비하여 공사비가 저렴하고 공사기간이 단축되는 장점이 있으나 상대적으로 매우 넓은 지역에 대한 전체 굴착을 수행하여야 하므로 작업 공간이 매우 넓은 면적을 요하게 되는 것이고, 수직형 회로방식에 대하여 상대적으로 열효율이 떨어지는 동시에 수작업에 의존하다 보니 부실 공사가 빈번하게 발생하는 것이고 넓은 면적에 대한 시공이 필연적이므로 과도한 작업 공간의 점유와 사용이 문제시되고 있는 것이다.

본 발명은 전기한 바와 같은 문제점을 개선한 것으로서, 표토층 만을 이용하여 지중 파이프를 수직 매설하되, 상기 표토층에 대하여는 내부에 지중파이프가 삽입된 형태의 스크류관을 통해 굴착공의 천공이 이루어지도록 하고, 천공된 굴착공으로부터 지중파이프는 잔류하고 스크류관 만이 인출 제거되면서 표토층에 의한 굴착공의 무너짐에 의해 굴착공에 대한 되메움이 자연스럽게 이루어지면서 지중파이프가 매립되게 함에 따라,

표토층 만을 이용하므로 굴착장비의 간소화가 이루어지는 동시에 수직형 회로방식의 장점과 수평형 회로방식을 장점을 모두 연출할 수 있는 것이고, 천공 후 스크류관의 인출 제거와 동시에 지중파이프가 잔류하게 되는 것이므로 기존의 천공 작업과 지중파이프 삽입 작업 및 되메움 작업이 일시에 이루어지게 되는 것이므로 작업 효율을 크게 향상시킬 수 있는 특징을 갖는 지열을 이용한 냉난방시스템의 지중파이프 매설공법을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 지중 파이프가 매설될 지점 전체에 대한 표토층 굴착공정과; 내부에 지중파이프가 삽입되고 하단에는 마감캡이 나사 결합되어진 스크류관을 이용하여 굴착부로부터 표토층 범위 내에서 수직의 굴착공을 형성하는 천공공정과; 스크류관의 역회전 상향 인출에 의해 마감캡의 나사 분리 및 스크류관 내부의 지중파이프가 굴착공 내에 잔류되게 하는 스크류관 인출공정과; 스크류관이 제거된 굴착공이 토압에 의해 붕괴되면서 굴착공 내의 지중파이프와 마감캡이 매립되는 매립공정과; 굴착부로 돌출되어진 매립 상태의 지중파이프 선단을 별도의 연결파이프를 통해 서로 연결되도록 하는 지중파이프 연결공정과; 상기 굴착부에 대한 되메움을 수행하는 되메움공정;을 순차적으로 수행하여 이루어지는 것이다.

본 발명은, 표토층 만을 이용하여 지중 파이프를 수직 매설하는 형태를 갖고 있어 열효율이 우수한 수직형 회로방식의 장점과 작업 편리성이 뛰어난 수평형 회로방식의 장점을 고루 취합할 수 있는 것이고, 표토층에 대한 수직 굴착공을 이용하여 설치되므로 작업 부실 및 과도한 면적을 차지하던 종래 수평형 회로방식의 단점과 암반 천공에 의한 과다한 작업비 및 굴착공의 붕괴가 빈번하던 종래 수직형 회로방식의 단점을 모두 극복할 수 있는 것이며, 기존의 작업방식인 굴착공 천공과정과 지중파이프 삽입과정 및 굴착공 되메움과정이 일시에 모두 이루어지므로 시공 편리성은 물론 작업 효율이 매우 뛰어난 것이며, 표토층 만을 이용하므로 지하수를 오염시키지 않아 매우 친환경적인 동시에 고품질의 작업 상태와 최소의 작업 면적을 소요함으로 인해 경제성인 측면과 합리적인 작업성을 모두 만족시키는 효과를 갖는 것이다.

도 1은 종래 수직형 지열 냉난방시스템을 보인 개략도
도 2는 종래 수평형 지열 냉난방시스템을 보인 개략도
도 3은 종래 지열 냉난방시스템에 있어서 굴착공을 천공하는 개략도
도 4는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 표토층의 굴착 작업도
도 5는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공의 천공 작업도
도 6은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 하단 단면도
도 7은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 분리 상태도
도 8은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공의 형성 과정도
도 9는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공을 이용한 지중 파이프 배치도
도 10은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착부에 대한 되메움 상태도
도 11은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 하부캡에 대한 다른 실시예도

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 표토층의 굴착 작업도로서, 도시와 같이 먼저 백호우 등을 이용하여 지중파이프가 매설된 지점에 대한 표토층(10)의 굴착 작업을 수행하게 된다. 이때의 굴착부(11)는 상기 지중파이프가 수직인 상태로 매설되기 때문에 비교적 좁고 낮은 깊이의 면적을 차지하게 될 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공의 천공 작업도로서, 상기와 같은 굴착부(11)에 대하여 굴착공(12)을 수직방향으로 천공하게 된다. 이때의 굴착공(12)은 표토층(10)의 범위 내에서만 이루어지므로 종래 암반 천공을 위한 파일 드라이버와 같은 대형 중장비가 아니라 중형 또는 소형의 굴착 장비를 이용할 수 있을 것이므로 장비의 운용 측면이나 시공비의 측면에서 매우 유리한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 하단 단면도로서, 상기와 같은 굴착공(12)을 천공하기 위해서는 별도로 마련된 스크류관(50)이 적용되어야 하는 것이다.

즉, 상기의 스크류관(50)은 내부가 비어있는 형태의 파이프이고 그 스크류관(50)의 외면에는 나선 형태의 스크류날(51)이 연속적으로 돌출 형성되어 있는 것이며, 스크류관(50)의 하단에는 별도의 마감캡(60)이 나사 체결 방식을 통해 결합되어 있는 것이다.

또한, 상기와 같은 스크류관(50)의 내부에는 지열을 이용한 냉,난방시스템을 구축하기 위한 절곡 상태의 지중파이프(20)가 삽입되어 있는 형태를 갖고 있는 것이다.

이에 따라 상기와 같은 스크류관(50)을 굴착 장비에 장착한 상태에서 굴착부(11)로부터 표토층(10)에 대한 천공 작업을 수행하게 되면 하단의 마감캡(60)은 나사 체결 방향과 일치하는 방향을 갖고 있어 회전하는 스크류관(50)에 의해 서로 분리되지 않을 것이고, 스크류관(50) 외면의 스크류날(51)에 의해서는 표토층(10)에 대한 수직 천공이 점진적으로 이루어지게 되는 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 분리 상태도로서, 전기한 바와 같이 스크류관(50)에 의해 표토층(10)에 대한 설계된 깊이까지의 천공이 이루어진 상태라면, 그 스크류관(50)을 역회전시켜 표토층(10)의 굴착공(12)으로부터 그 스크류관(50)을 분리 제거하는 과정을 거치게 된다.

이와 같은 과정에서 상기 스크류관(50)이 역회전하게 되면 하단의 마감캡(60)은 나사 결합방향과 반대 방향으로 회전력이 작용하게 되므로 자연스럽게 스크류관(50)과 마감캡(60)의 나사 결합구조는 해제되는 것이고, 역회전을 통해 상향 인출되는 스크류관(50)과는 달리 분리 상태인 마감캡(60)은 굴착공(12)의 바닥부에 그대로 잔류하게 되는 것이다.

또한, 상기 스크류관(50)으로부터 마감캡(60)이 분리됨에 따라 스크류관(50)의 하단이 개방될 것이므로 자연스럽게 내부의 지중파이프(20)가 스크류관(50)으로부터 하향 인출되면서 그 지중파이프(20) 역시 굴착공(12) 내에 잔류하게 되는 것이다. 이때, 상기의 굴착공(12)은 표토층(10) 만을 천공하여 이루어진 것이므로 상기의 스크류관(50)이 상향 인출되는 동시에 굴착공(12)의 내부는 토압으로 인한 붕괴 작용이 일어나면서 그 굴착공(12)은 되메움 현상이 일어나게 되는 것이고, 굴착공(12) 내의 지중파이프(20)는 굴착공(12)에 대한 되메움 현상으로 인해 자연스럽게 지중에 매립된 상태가 되는 것이다.

또한, 상기와 같이 지중 매립된 상태의 지중파이프(20)는 상측 선단이 굴착부(11)로부터 돌출될 정도의 길이를 갖도록 하여야 할 것이다. 이에 따라 상기와 같이 스크류관에 의한 천공 및 인출 작업을 통해 지중파이프에 대한 매립이 일시에 이루어질 수 있는 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공의 순차 형성 과정도로서, 전기한 바와 같은 천공에 의한 굴착 작업 및 역회전에 의한 스크류관(50)의 분리 인출 상태를 순차적으로 도시한 것인데, 스크류관(50)이 제거되어 매립 상태의 굴착공(12)에는 지중파이프(20)와 마감캡(60)이 지중 매립된 상태로 잔류하게 되는 것이다. 이에 따라, 한 지점에 대한 지중파이프(20)의 매립이 이루어지면 인근의 다른 지점으로 또 다른 지중파이프(20)가 내입된 스크류관(50)을 이동시켜 그 스크류관(50)에 의한 굴착공(12)의 천공 및 스크류관(50)의 역회전에 의한 지중파이프(20)와 마감캡(60)의 분리 잔류가 이루어지도록 하는 것이며, 스크류관(50)의 인출 제거를 통해 그 굴착공(12)은 토압에 의한 붕괴 현상으로 되메움이 자연스럽게 이루어지게 된다.

따라서, 스크류관(50)을 이용한 굴착과 인출을 반복함에 따라 각기 구분 형성된 지중파이프(20)를 마치 지중에 꽂아 심듯이 순차적으로 나열 및 매립하는 것이고, 단일의 스크류관(50)을 이용하여 내측으로 지중파이프(20)를 계속하여 삽입시키되 새로운 마감캡(60)을 이용하여 스크류관(50)의 하단을 밀폐시키면 새로운 지점에 대한 굴착 및 지중파이프(20) 매립이 연속적으로 가능하게 되는 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착공을 이용한 지중 파이프 배치도로서, 상기와 같은 지중파이프의 매립과정을 통해 다수의 지중파이프(20)가 원하는 배열과 간격을 갖도록 매립되면 매립부(11)로 돌출된 각각의 지중파이프(20)를 별도의 연결파이프(30)를 통해 선단을 서로 연결 형성하여 이를 건물 내 순환장치와 결합하면 되는 것으로서, 대기온도와 차등의 온도를 갖는 지열을 이용하여 계절에 따라 건물 내 난방이나 냉방을 효율적으로 수행할 수 있는 것이다.

이때의 지중파이프(20)는 상기의 연결파이프(30)를 이용하여 종래의 수직형 회로방식과 동일하게 연결하는 것이 이상적이고 필요에 따라서는 직렬 및 병렬 형태로 다양하게 연속적인 연결이 이루어져도 무방할 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 굴착부에 대한 되메움 상태도로서, 상기의 지중파이프(20)에 대한 배치와 설치가 완전히 이루어진 상태라면 그 굴착부(11)에 대한 되메움부(40)의 형성을 통해 지중파이프(20)가 완전히 매립되도록 하는 것이고, 지중파이프(20)가 지중으로 완전히 매입됨에 따라 고도의 열효율을 얻을 수 있는 동시에 평평한 상태의 지표로부터 다양한 작물을 재배하거나 또 다른 구조물 또는 건축물이나 도로 등을 형성할 수 있는 것이다.

특히, 표토층(10) 만을 이용하여 지중파이프를 매설함에 따라 시공비의 절감은 물론 공사기간의 단축 효과가 월등한 것이고, 과거 수직형 회로방식에 비해서는 열효율이 미약하게 떨어질 수 있는 있으나 전체적인 경제성을 놓고 보면 비교할 수 없을 정도로 월등하게 우월한 경제적 효과를 갖고 있는 것이다.

또한, 지중 깊숙한 위치까지 매립되는 방식이 아닌 표토층 만을 이용하는 매립방식이므로 지하수 등을 오염시킬 우려가 없어 매우 친환경적이라 할 수 있는 것이다.

도 11은 본 발명에 따른 지중파이프 매설공법에 있어 스크류관의 하부캡에 대한 다른 실시예도로서, 상기와 같은 스크류관(50)의 역회전 분리과정에서 하단에 결합된 마감캡(60)이 자연스럽게 분리되지 아니하고 그 스크류관(50)과 함께 역회전하여서 그대로 지상 인출되는 것을 방지하기 위해 마감캡(60)의 외면에 일체의 간섭날(61)을 형성한 것이다.

여기서, 상기의 간섭날(61)은 굴착 과정에서 표토층(10)에 대한 굴착 작업이 더욱 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 역할을 수행하는 동시에 지중에 박힌 상태의 간섭날(61)은 스크류관(50)의 역회전시 토양과의 회전 저항체로의 역할을 수행할 것이므로 결국 상기의 스크류관(50)의 역회전시 하단의 마감캡(60)은 토양과의 저항력으로 인해 나사 체결 상태의 해제가 안정적으로 이루어질 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10 : 표토층 11 : 굴착부
12 : 굴착공
20 : 지중파이프
30 : 연결파이프
40 : 되메움부
50 : 스크류관 51 : 스크류날
60 : 마감캡 61 : 간섭날

Claims (2)

1. 지중 파이프가 매설될 지점 전체에 대한 표토층 굴착공정과;
   내부에 지중파이프가 삽입되고 하단에는 마감캡이 나사 결합되어진 스크류관을 이용하여 굴착부로부터 표토층 범위 내에서 수직의 굴착공을 형성하는 천공공정과;
   스크류관의 역회전 상향 인출에 의해 마감캡의 나사 분리 및 스크류관 내부의 지중파이프가 굴착공 내에 잔류되게 하는 스크류관 인출공정과;
   스크류관이 제거된 굴착공이 토압에 의해 붕괴되면서 굴착공 내의 지중파이프와 마감캡이 매립되는 지중파이프 매립공정과;
   굴착부로 돌출되어진 매립 상태의 지중파이프 선단을 별도의 연결파이프를 통해 서로 연결되도록 하는 지중파이프 연결공정과;
   상기 굴착부에 대한 되메움을 수행하는 되메움공정;을 순차적으로 수행하여 됨을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방시스템의 지중파이프 매설공법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   마감캡은, 외면에 반복의 간섭날을 돌출 형성함에 따라 천공 방향으로부터 역회전하는 스크류관에 의한 마감캡의 분리 과정에서 상기 간섭날이 토양과의 저항체로 작용하여 그 마감캡이 스크류관과 함께 회전하려는 것을 억제하여 그 스크류관과 마감캡에 대한 나사 분리가 용이하게 이루어질 수 있도록 함을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방시스템의 지중파이프 매설공법.

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