KR101358251B1

KR101358251B1 - 그라우트 튜브스틱을 이용한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법

Info

Publication number: KR101358251B1
Application number: KR1020120132969A
Authority: KR
Inventors: 안장호; 이주호; 이준서; 김일민; 이동윤; 임철호
Original assignee: 롯데건설 주식회사
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-02-05

Abstract

본 발명은 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 관한 것으로, 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 채워진 그라우트 튜브 스틱을 이용함으로써, 그라우트 튜브 스틱이 연결된 지중열교환기를 보어홀에 삽입 설치하는 것만으로 또는 그라우트 튜브 스틱을 지중열교환기와 보어홀 사이에 넣어주는 것으로 간편하고 용이하게 그라우팅 시공을 할 수 있고 또한 그 시공비를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

그라우트 튜브스틱을 이용한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법{GROUTING METHOD OF VERTICAL TYPE GEOTHERMAL EXCHANGER USING GROUT TUBE STICK}

본 발명은 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그라우트 튜브스틱을 이용한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 관한 것이다.

인류는 오래전부터 난방 혹은 냉방을 위하여 다양한 열원을 사용해왔다. 최근에는 지구온난화 문제로 국제사회가 탄소배출의 최소화를 위하여 노력하고 있다.

신재생에너지 활용기술의 발전은 시대적 요구이며 지구를 온전하게 후손에게 물려줄 이 시대의 사명이기도 하다. 그 가운데 지열의 이용기술은 화석연료의 사용을 줄이는 획기적인 기술로써 최근 각광을 받고 있다. 하지만 다른 열 에너지의 사용기술에 비하여 초기투자비가 높다는 단점을 지니고 있다.

지열을 이용하기 위한 기술 중에, 수직밀폐형 지중열교환기는 지하수의 부존 여부에 상관없이 열전달매체(매질)를 사용하는 것으로, 한국 등록특허 제10-0985854호 및 제10-0981527호에 개시되어 있다.

수직밀폐형 지중열교환기는, 도 1과 같이, 보어홀(5)에 U-튜브형 열교환기(U-튜브관: 10)가 설치된다.

이를 위하여, 우선, 수직방향으로 토양층(1)과 경계층(2)을 지나 암반층(3)이 드러날 때까지 천공한 다음, 아웃케이싱(4)을 설치하여 토양의 붕괴와 지표수의 오염 방지 처리를 한 후, 지하 약 50m~300m 정도 깊이의 보어홀(5)을 암반층(3)에 천공하고, 여기에 상기 U-튜브형 열교환기(U-튜브관: 10)를 삽입하게 된다.

그리고, 상기 U-튜브관(10)은 각각 공급관과 환수관으로 구성되어 히트펌프(미도시)와 연결하는 방법으로 설치된다. 이어서, 상기 보어홀(5)에는 U-튜브관(10)과 암반층(3) 사이에 열전도가 원활하게 될 수 있도록 그라우팅 작업을 실시한다.

이때, 상기 U-튜브관(10)은 보어홀 하단부에서 U-밴드에 의해 서로 연결된다. U-튜브관(10)은 PVC관 보다 충격에 강하고 일정 길이(예컨대, 150m 길이)의 연속관으로, 시공시간을 단축할 수 있는 HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 재질의 PE관이 주로 사용되고 있다.

또한, 상기 보어홀(5)의 그라우팅 작업시 통상적으로 방수기능과 물보다 열전도율이 높은 벤토나이트(bentonite; 30)를 그라우트재로 사용하며, 이 벤토나이트(30)를 적정량의 물과 혼합하여 주입관(트레미 파이프; 20)을 통해 펌프를 사용하여 보어홀(5)의 바닥부터 벤토나이트(32)를 채워 넣는 방법으로 그라우팅 작업을 행하고 있다.

그러나, 물과 혼합된 벤토나이트(30)는 그 체적이 약 10~15배로 급속히 팽윤하면서 점성이 높아지는 특성이 있어서, 그라우팅 작업 동안, 도 1에 도시한 바와 같이, 점점 팽윤되어 주입관(20)이 막히는 등 그라우팅 작업의 능률이 저하되는 문제점이 있어 왔다.

또한, 펌핑을 용이하게 하기 위하여 벤토나이트를 묽게 반죽함으로써 고형율이 낮아지고 따라서 열전도율을 저하하는 부실시공이 현실적으로 나타나고 있다. 그리고, 보어홀 내부로 U-튜브관(10) 주입시 공급관과 환수관이 서로 꼬여 주입관(20)의 삽입이 어려운 문제점도 있어 왔다.

상기 문제점을 일부 해결하기 위해 한국 공개특허 제10-2008-0009844호(연결부재를 갖는 지중 열교환기 파이프)에서는 공급관, 환수관 및 주입관 삽입공을 일체형으로 한 것이 개시되어, 이로써 공급관과 환수관의 꼬임은 물론 주입관 삽입의 어려움은 해소할 수 있다. 그러나, 그라우트재 특성에 의해 주입관이 막혀 시공이 지연되거나 부실하게 그라우팅 되어 열전도율에 문제를 일으키는 문제는 여전히 남아 있다.

한국 공개특허 제10-2011-0110570호(수직 밀폐형 지중열 교환기 조립체 및 그 시공방법)에서는 지중열 교환파이프 주변으로 충진재를 채운 지중열 교환기 기초부재 및 중간부재를 개시하고, 각 부재를 연결하여 지중열 교환기를 설치하고 있다. 그러나, 상기 각 부재와 보어홀 사이에 공극이 남게 되어 효율적인 지열 교환이 이루어 지지 않는 문제 또한 여전히 남아 있다.

한국 등록특허 제10-0985854호(수직밀폐형 지중 열교환기의 그라우팅 시공방법)에서는 그라우트재로 골재와 무수축모르타르가 사용되는 방법을 개시하여 벤토나이트의 주입 문제를 배제하고 있다. 그러나, 한국토지주택공사 지열 냉난방시스템 시방서 제51020호의 경우, 수직밀폐형 보어홀의 그라우팅 작업에는 자갈 등의 골재를 사용할 수 없도록 명시되어 있고 순수 벤토나이트나 벤토나이트와 실리카 샌드 혼합물을 사용하도록 명시함으로써, 상기 선행기술의 방법은 특수한 경우가 아니면 적용하기 어려운 문제점으로 남아 있다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하며 간편하게 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트시공을 할 수 있도록 하는 그라우트 튜브스틱을 이용한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지하에 일정 깊이의 보어홀을 형성하는 제 1 단계와, 상기 보어홀에 지중열교환기를 삽입 설치하는 제 2 단계를 포함하여 구성된 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 있어서, 상기 지중열교환기의 지하로 향한 끝단에는 소정의 체결부로 그라우트 튜브 스틱이 상기 보어홀의 길이 방향으로 체결되고, 상기 그라우트 튜브 스틱은 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 상기 보어홀 내의 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 채워진 것이고, 상기 제 2 단계는 상기 지중열교환기를 상기 보어홀에 삽입 설치하는 것으로 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이의 공간을 상기 그라우트재로 메우는 단계를 구현하는 것을 특징으로 한다.

또는, 지하에 일정 깊이의 보어홀을 형성하는 제 1 단계와, 상기 보어홀에 지중열교환기를 삽입 설치하는 제 2 단계를 포함하여 구성된 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 있어서, 상기 제 2 단계 이후에 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이의 공간을 소정의 열전달물질로 메우는 제 3 단계를 더 포함하고, 상기 제 3 단계는 상기 열전달물질로 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 채워진 그라우트 튜브 스틱을 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이에 넣어주는 것으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 패킹 부재는 상기 그라우트재가 연속적으로 패킹되어 하나의 동물 창자 모양으로 형성되거나, 단속적으로 패킹되어 길이 방향으로 하나 이상의 연결 마디가 형성된 것을 본 발명의 다른 특징으로 한다.

그리고, 상기 그라우트재는 벤토나이트와 실리카 샌드가 포함된 혼합물이고, 상기 패킹 부재는 종이, 합성수지 및 비닐 중에서 선택된 어느 하나로 형성되고, 상기 미세공은 상기 벤토나이트 및 상기 실리카 샌드보다 작은 크기를 갖는 것을 본 발명의 다른 특징으로 한다.

그리고, 상기 그라우트재는 상기 벤토나이트 20~30중량%와, 상기 실리카 샌드 70~80중량%로 혼합된 것이고, 상기 비닐은 경질 폴리에틸렌인 것을 본 발명의 다른 특징으로 한다.

본 발명은 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 채워진 그라우트 튜브 스틱을 이용함으로써, 그라우트 튜브 스틱이 연결된 지중열교환기를 보어홀에 삽입 설치하는 것만으로 또는 그라우트 튜브 스틱을 지중열교환기와 보어홀 사이에 넣어주는 것으로 간편하고 용이하게 그라우팅 시공을 할 수 있고 또한 그 시공비를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 그라우팅 작업을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 그라우트 튜브 스틱을 이용하는 그라우팅 시공 모습을 예시적으로 보인 사용 상태도이다.
도 3은 도 2에 도시된 그라우트 튜브 스틱의 수직 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 그라우트 튜브 스틱의 수평 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 그라우트 튜브 스틱을 변형하여 이용하는 그라우팅 시공 모습을 예시적으로 보인 사용 상태도이다.
도 6은 도 5에 도시된 그라우트 튜브 스틱의 수직 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

본 발명의 제 1 실시예에 의한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법은 도 2와 같이 실시될 수 있다.

이를 위해, 우선 지하에 수직방향으로 토양층(1)과 경계층(2)을 지나 암반층(3)이 드러날 때까지 천공한 다음, 통상과 같이, 아웃케이싱(4)을 설치하여 토양의 붕괴와 지표수의 오염 방지 처리를 한 후, 지하 약 50m~300m 정도 깊이의 보어홀(5)을 암반층(3)에 천공하여 형성한다(제 1 단계).

이어, 상기 보어홀(5)에, 도 2(a)와 같이, U-튜브형 열교환기(U-튜브관: 10) 또는 코일형 열교환기(미도시)와 같은 지중열교환기(10)를 삽입 설치한다(제 2 단계).

이때, 상기 지중열교환기(10)의 지하로 향한 끝단, 예컨대 U-튜브관(10)의 끝단에는, 도 2(a)와 같이, 소정의 체결부(50)로 그라우트 튜브 스틱(100)이 상기 보어홀(5)의 길이 방향으로 체결되어, 상기 제 2 단계로 상기 지중열교환기(10) 삽입 설치시 그라우트 튜브 스틱(100)이 함께 보어홀(5) 내부로 들어가도록 한다.

상기 그라우트 튜브 스틱(100)은, 도 3과 같이, 복수 개의 미세공(61)이 형성된 패킹 부재(60)에 상기 보어홀(5) 내의 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재(40)가 채워진 것이다.

따라서, 본 실시예는 상기 제 2 단계로 상기 지중열교환기(10)를 상기 보어홀(5)에 삽입 설치하는 것만으로 상기 그라우트 튜브 스틱(100)이 함께 보어홀(5) 내부로 삽입되고, 이후 도 2(b) 및 도 2(c)와 같이, 보어홀(5) 내부에 존재하는 물이나 습기에 의하여 그라우트재(40)가 팽창하여 그라우트 튜브 스틱(100)이 터지게 함으로써, 지중열교환기(10)와 보어홀(5) 사이의 공간을 그라우트 튜브 스틱(100)에서 터져 나온 그라우트재(40)로 자연스럽게 메우도록 하는 것을 핵심 기술적 사상으로 한다.

본 실시예의 상기 기술적 사상을 보다 잘 구현하기 위해서는, 상기 그라우트 튜브 스틱(100)을 하기와 같이 구성함이 바람직하다.

먼저, 상기 그라우트 튜브 스틱(100)에 채워진 상기 그라우트재(40)는 벤토나이트와 실리카 샌드(Silica Sand; 규사)가 포함된 혼합물로 하고, 특히 벤토나이트 20~30중량%, 실리카 샌드 70~80중량%로 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.

이는 벤토나이트가 물이나 습기에 접하게 되면 약 10~15배의 부피 팽창을 한다는 점과, 물에 대하여 30% 순수 벤토나이트를 넣어 측정한 열전도도는 약 0.8W/m℃인데(순수한 물의 열전도도는 0.61W/m℃임), 여기에 0.05mm 크기를 갖는 실리카 샌드를 혼합물 전체 중량(벤토나이트+실리카 샌드)에 대해 일정 중량 첨가하며 열전도도를 측정한 실험에서 50% 첨가하였을 경우, 열전도도가 1.8W/m℃까지 증가한다는 점(대한설비공학회 2006하계학술발표대회 논문집 pp.713~718 참조)을 고려해 볼 때, 벤토나이트를 20중량% 미만으로 하고 대신 실리카 샌드가 80중량% 초과하여 배합하게 되면, 혼합물의 열전도도는 높아질 수 있으나, 보어홀(5)을 완벽하게 채우지 못해 공극의 존재로 인한 전체적인 열전도도는 낮아지는 문제점이 있고, 그렇다고 벤토나이트를 30중량% 초과하고 실리카 샌드가 70중량% 미만으로 배합할 경우에는 보어홀(5)을 완벽하게 채울 수는 있어도, 열전도도는 상대적으로 떨어지게 되는 문제점이 있기 때문이다.

그리고, 상기 패킹 부재(60)는 보어홀(5)에 주입되기 이전에는 소정의 형상을 유지하고 있다가 그라우트시공을 위해 보어홀(5)에 주입된 이후에는 보어홀(5)에 고인 지하수나 습기로 상기 그라우트재(40)가 일정 부피 이상으로 팽창할 경우에 터지거나 찢어질 수 있는 소재이면 어떤 소재로도 형성할 수 있다.

따라서, 상기 패킹 부재(60)는 일 예로 종이, 합성수지 또는 비닐로 형성될 수 있고, 그라우트재(40) 팽창시 잘 찢어지기 위해서는 경질의 폴리에틸렌(PE) 소재로 형성함이 바람직하다.

또한, 상기 패킹 부재(60)에는 보어홀(5)에 주입된 이후 패킹된 그라우트재(40)가 주변의 지하수나 습기에 노출되어 팽창되도록, 복수 개의 미세공(61)이 형성된다.

이때, 상기 미세공(61)의 크기는 그라우트재(40)를 이루는 입자, 예컨대 벤토나이트 및 실리카 샌드의 크기(최대 직경)보다 작도록 하여, 본 실시예에 의한 그라우트 튜브 스틱(100)을 보어홀(5)에 주입시 그라우트재(40)가 미세공을 통하여 흘러나오지 않도록 함이 바람직하다.

일 예로, 실리카 샌드는 입자의 크기가 작을수록 그라우팅 후 열전도도가 높아 바람직하나, 통상 0.4 mm 이상의 크기를 사용하고, 벤토나이트 입자가 실리카 샌드보다 크므로, 상기 미세공(61)의 크기를 0.1~0.2mm 정도로 형성할 수 있다.

상기와 같이, 복수 개의 미세공(61)이 형성된 패킹 부재(60)는 그라우트재(40)가, 도 3과 같이, 연속적으로 패킹되어 하나의 동물 창자(순대) 모양으로 형성되거나, 도 5 및 도 6과 같이, 단속적으로 패킹되어 길이 방향으로 복수 개(210, 220, 230)로 형성되고, 각 패킹 부재의 사이에는 하나 이상의 연결 마디(70)가 형성될 수 있다.

후자의 경우에는, 본 실시예에 의해 그라우트 튜브 스틱(200)이 보어홀(5) 내에 주입될 때, 일부 패킹 부재(210)(220)(230)가 돌출된 암반 등에 의하여 파괴되어 찢어지더라도 연결 마디(70)에서 이를 차단하여 다른 패킹 부재에의 영향을 배제할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 2는 본 실시예에 의한 그라우트 튜브 스틱을 이용하여 그라우팅 시공 모습을 예시적으로 보인 사용 상태도 인데, 도 2(a)는 그라우트 튜브 스틱(100)이 U-튜브형 열교환기(10)의 끝단에 연결되어 함께 주입된 직후의 모습이고, 도 2(b)는 일정 시간 후, 패킹 부재(60) 내의 그라우트재(42)가 복수 개의 미세공(61)을 통하여 지하수와 접하게 되면서 팽창된 모습을 보인 것이고, 도 2(c)는 더 시간이 지나 그라우트재(44)가 팽창되면서 패킹 부재(60)가 찢어진 후 보어홀(5)을 메운 모습을 보여준다.

그리고, 도 5는 도 2에 도시된 그라우트 튜브 스틱을 변형한 예, 즉 그라우트재(40)가 단속적으로 패킹되어, 도 6과 같이, 길이 방향으로 복수 개(210, 220, 230)로 형성되고, 각 패킹 부재의 사이에는 하나 이상의 연결 마디(70)가 형성된 것으로 사용될 수 있음을 보여준다.

본 발명의 제 2 실시예에 의한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법은, 지하에 일정 깊이의 보어홀을 형성하는 제 1 단계, 상기 보어홀에 지중열교환기를 삽입 설치하는 제 2 단계, 그리고 상기 제 2 단계 이후에 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이의 공간을 소정의 열전달물질로 메우는 제 3 단계를 더 포함하여 진행하는 것으로 구성될 수 있다.

이때, 상기 제 3 단계는, 도 3 또는 도 6에 예시된 바와 같이, 상기 열전달물질로 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재(40)가 복수 개의 미세공(61)이 형성된 패킹 부재(60)에 채워진 그라우트 튜브 스틱(100, 200)을 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이에 넣어주는 것으로 구현되는 것을 핵심 기술적 사상으로 한다.

상기 제 2 실시예의 기술적 사상을 구현하기 위해서는, 상기 제 1 실시예에서 설명한 그라우트 튜브 스틱(100, 200)의 특징을 갖는 것을 여기서도 그대로 이용할 수 있다.

다만, 본 제 2 실시예에서는 상기 제 1 실시예와 달리 그라우트 튜브 스틱(100, 200)을 보어홀(5)에 별도 삽입하게 되므로, 본 실시예의 그라우트 튜브 스틱(100, 200)은 상술한 그라우트재(40)에 지하수 부력을 이기기 위한 소정의 물질(비중이 물보다 훨씬 높은 물질, 예컨대 석재나 금속류)이 더 첨가될 수 있다.

나머지 그라우트 튜브 스틱(100, 200)의 구성상 특징들은 상기 제 1 실시예에서 충분히 기재했으므로, 이에 대한 반복된 설명은 생략한다.

이상으로 설명된 각 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체화한 일 예에 지나지 않으므로, 이를 기초로 대등한 구성으로 교체하며 다양하게 변경하여 실시할 수 있다 할 것이나, 청구범위에 기재된 기술적 사상의 범위 이내에 있는 한 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

1: 토양층
2: 경계면
3: 암반층
4: 아웃케이싱
5: 보어홀
10: U-튜브형 열교환기(U-튜브관)
20: 주입관
30, 32: 벤토나이트
40, 41, 42, 44: 그라우트재
50: 체결부
60: 패킹 부재
61: 미세공
70: 연결 마디
100, 200: 그라우트 튜브 스틱

Claims

지하에 일정 깊이의 보어홀을 형성하는 제 1 단계와, 상기 보어홀에 지중열교환기를 삽입 설치하는 제 2 단계를 포함하여 구성된 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 있어서,
상기 지중열교환기의 지하로 향한 끝단에는 소정의 체결부로 그라우트 튜브 스틱이 상기 보어홀의 길이 방향으로 체결되고,
상기 그라우트 튜브 스틱은 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 상기 보어홀 내의 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 채워진 것이고,
상기 제 2 단계는 상기 지중열교환기를 상기 보어홀에 삽입 설치하는 것으로 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이의 공간을 상기 그라우트재로 메우는 단계를 구현하는 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법.
지하에 일정 깊이의 보어홀을 형성하는 제 1 단계와, 상기 보어홀에 지중열교환기를 삽입 설치하는 제 2 단계를 포함하여 구성된 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법에 있어서,
상기 제 2 단계 이후에 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이의 공간을 소정의 열전달물질로 메우는 제 3 단계를 더 포함하고,
상기 제 3 단계는 상기 열전달물질로 물이나 습기의 접촉으로 팽창하는 그라우트재가 복수 개의 미세공이 형성된 패킹 부재에 채워진 그라우트 튜브 스틱을 상기 지중열교환기와 상기 보어홀 사이에 넣어주는 것으로 구현되는 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 패킹 부재는 상기 그라우트재가 연속적으로 패킹되어 하나의 동물 창자 모양으로 형성되거나, 단속적으로 패킹되어 길이 방향으로 하나 이상의 연결 마디가 형성된 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법.
제 3 항에 있어서,
상기 그라우트재는 벤토나이트와 실리카 샌드가 포함된 혼합물이고,
상기 패킹 부재는 종이, 합성수지 및 비닐 중에서 선택된 어느 하나로 형성되고,
상기 미세공은 상기 벤토나이트 및 상기 실리카 샌드보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법.
제 4 항에 있어서,
상기 그라우트재는 상기 벤토나이트 20~30중량%와, 상기 실리카 샌드 70~80중량%로 혼합된 것이고,
상기 비닐은 경질의 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우트 시공방법.