KR101402472B1 - 지중열교환기의 유동화제 및 일체형 그라우팅재 제조방법 - Google Patents

지중열교환기의 유동화제 및 일체형 그라우팅재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중열교환기의 일체형 그라우팅재에 관한 것으로서, 물 40~60중량%; 점도 1,000~3,000cps, 고형분함량 30~50중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 3~5중량%로 혼합하여 에멀젼화시키는 단계와, 개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시키는 단계, 및 계면활성제 HLB 8~10 중량% 를 첨가하여 교반하여 혼합하는 단계로 유동화제를 제조하고, 이렇게 제조된 유동화제를 분무장치를 통하여 미리 준비된 그라우팅 재료에 분사하여 그라우팅 재료를 1차 코팅하는 단계와, 건조장치로 유동화제로 코팅된 그라우팅 재료를 건조시키는 단계와, 유동화제, 폴리비닐아세테이트 및 스타이렌부타디인고무 중에서 선택되는 폴리머를 분무장치를 통하여 상기 1차 건조한 코팅된 그라우팅 재료에 분사하여 2차 코팅하는 단계,및 건조장치로 상기 2차 코팅된 것을 건조시키는 단계로서 일체형 그라우팅재를 제조한다.

Description

지중열교환기의 유동화제 및 일체형 그라우팅재 제조방법{Manufacturing Method for Superplasticizer and Grouting material of geothermal exchanging system}
본 발명은 지중열교환기의 일체형 그라우팅재에 관한 것으로서, 보다 상세히는 여러가지 혼합물을 현장에서 믹싱하여 투입되던 제품을 공장에서 사전에 혼합포장하여 현장에서는 단순하게 물만 첨가하여, 투입시 지중에 매설된 열교환기의 열전도 성능을 향상시키고, 물과 혼합시 급격한 팽창을 방지하고 그라우팅 주입시 윤활성을 향상시키고, 일정한 점도를 유지하여 작업을 용이하게 하고 열교환기 조건에 충족하는 지중열교환기의 일체형 그라우팅재에 관한 것이다.
지열 열펌프 시스템(Ground Source Heat Pump, GSHP)은 지열(geothermal)에너지를 이용하여, 저비용으로 냉/난방을 구현하는 대표적인 환경보호 및 에너지 재생기술로서 최근에 크게 각광을 받고 있다.
지중 열펌프 시스템은 지중의 열을 흡수,방열하기 위해 고밀도 폴리에틸렌 파이프(High Density Polyethylene PiPe HDPE)를 통하여 냉방 사이클일 때는 실내에서 흡수한 열을 지중 열교환기를 통하여 방출하고, 반대로 난방 사이클일 경우는 이와 반대의 형태로 지중에서 열을 흡수하여 실내로 공급하는 방식이다
지열 열펌프 시스템은 지하수를 직접 열펌프로 유입시켜 열을 교환한 후 다시 지중으로 내보내는 방식이다. 지열 열펌프 시스템의 핵심은 열교환기를 통하여 지반과의 열전도가 원활하게 될 수 있도록 그라우팅 작업을 한다.
지열교환기의 설치는 대략 수직방향으로 지하 150~200m 정도 깊이의 시추공(bore holes)을 일정한 간격으로 천공한 다음, 천공된 시추공에 HDPE 열교환 파이프를 "U"형으로 직렬 삽입하고, 연결된 양쪽 끝단부에 유입구와 출입구를 히트펌프와 연결하고, 열교환용 파이프에 물을 투입하고 순환시켜 사용하는 방법이다. 지중 열 펌프시스템의 핵심은 지중에 설치된 지중 열교환기의 성능에 따라 좌우된다. 지중열교환기의 파이프가 설치되는 각각의 시추공에는 열교환 파이프와 지반 간의 열전도가 원활하게 이루어질 수 있도록 그라우트를 사용하게 되며, 그라우트작업의 충실도에 따라 성능의 차이가 크다.
그라우트에 사용되는 구성재료로서 벤토나이트는 지하수의 오염을 방지하고 낮은 투수계수와 부착력을 향상시키고, 실리카샌드는 열전도성을 높이는 재료로 사용된다. 이 두 가지 제품을 혼합하여 주입하기 위하여는 유동화제(Superplasticizer)을 사용하여 물:유동화제:벤토나이트:실리카샌드를 혼합하여 주입하는 형태를 가지고 있다.
현장에서 적정량의 유동화제와 그라우팅 재료를 사용하지 않으면 팽윤이 않되고, 시공기간 단축을 위해 물,유동화제,그라우팅 재료를 동시에 교반시키면 재료분리현상이 발생하고, 유동화제가 충분하지 않을 경우 트레미 파이프가 믹히는 현상이 발생한다. 작업자의 숙련도에 따라 혼합하는 형태와 배합배율을 일정하게 유지하기가 힘들고, 실리카샌드는 거친 입자로 교반기와 펌프의 마모도가 심해 잦은 피스톤 교체가 필요하고, 작업자의 숙련도에 따라 그라우트의 비율 및 형태의 변형을 요구하는 수치의 열전도도를 유지하기 힘들다.
또한 국내에서 전문적으로 취급하는 공급업체의 영세성과 부족으로 일괄적인 기준이 없는 제품의 구입으로 제품의 품질에 많은 문제점을 가지고 있으며, 고품질을 요구하는 업체에서는 전량 수입에 의존하고 있는 현실이다
현재 가장 문제가 되는 사항은 부족한 대지로 인하여 효율적인 열전도를 위해서는 200m 이상 깊은 시추가 필요하나 현재의 그라우팅 재료를 가지고 시추공에 투입하기에는 기계에 무리가 가고 보어홀에 투입된 트래미관이 원형으로 감아져 올라오게 되어있어 많은 부하를 받아 실질적으로 투입이 불가능한 상태로 지중 열 펌프 시스템의 보급확산에 가장 큰 애로사항이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 지중에 설치된 지중열교환기의 성능을 최적화하고, 혼합시 문제점인 그라우트재의 품질관리와 현장작업을 용이하게 하며, 깊이에 관계없이 기계에 부하가 없이 용이하게 투입이 가능하며, 작업자의 숙련도가 아닌 제품 형태의 일체형 그라우트재를 제공하여 시공성 향상과 시공비를 절감하는 지중열교환기의 일체형 그라우팅재를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 지중열교환기의 유동화제 제조방법의 일예로서, 물 40~57중량%; 점도 1,000~3,000cps, 고형분함량 30~47중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 8~15의 계면활성제 3~5중량%로 혼합하여 에멀젼화시키는 단계와, 개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시키는 단계, 및 계면활성제 HLB 8~15의 계면활성제 8~10 중량% 를 첨가하여 교반하여 혼합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 지중열교환기의 유동화제 제조방법의 다른 일예로서, 물 41~60중량%; 점도 1,000~3,000cps, 고형분함량 31~50중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 8~15의 계면활성제 3~5중량%로 혼합하여 에멀젼화시키는 단계와, 개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시키는 단계, 및 중합된 반응물을 냉각시키고 계면활성제 HLB 8~15의 계면활성제 1~2.5중량% 첨가하여 60℃~80℃의 온도로 숙성하여 역 에멸젼시킨후 고온에서 수분을 증발시켜 고체상태의 유동화제를 제조한 후 분쇄하여 입상타입 또는 파우더 타입으로 제조하는 단계를 포함한다.
삭제
본 발명에 따른 지중열교환기의 일체형 그라우팅재 제조 방법의 일예로서,
본 발명에 따라서 제조된 유동화제를 분무장치를 통하여 미리 준비된 그라우팅 재료에 분사하여 그라우팅 재료를 1차 코팅하는 단계와, 건조장치로 유동화제로 코팅된 그라우팅 재료를 건조시키는 단계와, 유동화제, 폴리비닐아세테이트 및 스타이렌부타디인고무 중에서 선택되는 폴리머를 분무장치를 통하여 상기 1차 건조한 코팅된 그라우팅 재료에 분사하여 2차 코팅하는 단계,및 건조장치로 상기 2차 코팅된 것을 건조시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 그라우팅 재료는 물 30~39중량%, 벤토나이트 또는 실리카샌드 40~49중량% 및 흑연 20~29중량%로 이루어진다.
본 발명에 따른 지중열교환기의 일체형 그라우팅재는 공장에서 사용자의 요구조건에 맞추어 일체형으로 혼합된 그라우팅재를 생산 제공함으로, 현장에서는 단순히 물과 혼합하여 투입함으로 품질을 유지할 수 있으며 더 깊이까지 시공할 수 있어 원가절감및 신속한 시공이 가능하게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지중열교환기의 일체형 그라우팅재의 설치단면도
본 발명이 제안하는 시공성이 향상된 지중열교환기의 일체형 그라우팅재의 바람직한 예를 설명한다.
제조공장에서 일체형 제품을 생산하기 위하여 먼저 유동화제를 다음과 같은 방법으로 제조한다.
물 40~60중량%; 점도 1,000~3,000cps와, 고형분함량 30~50중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 3~5중량%을 첨가하여 에멀젼화시킨다.
그런 다음, 에멀젼화된 유동화제에 개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시킨다.
그런 다음, 계면활성제 HLB 8~10 중량% 를 첨가한 후 30rpm으로 5시간동안 교반하여 유동화제를 완성한다.
다른 예로서, 유동화제를 입상 타입 또는 파우더 타입으로 제조하는 방법은 다음과 같다.
물 40~60중량%; 점도 1,000~3,000cps와, 고형분함량 30~50중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 3~5중량%을 첨가하여 에멀젼화시킨다.
그런 다음, 에멀젼화된 유동화제에 개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시킨다.
그런 다음, 중합된 반응물을 냉각시키고 계면활성제 HLB 8~15의 계면활성제인 페닐에테르계인 폴리옥시에틸렌 노닐 페닐 에테르 1~2.5중량%를 첨가하여 60℃~80℃의 온도로 1시간 동안 숙성하여 역 에멸젼시킨후 100℃에서 수분을 증발시켜 고체상태의 유동화제를 제조한 후 분쇄하여 입상타입 또는 파우더 타입으로 제조한다.
다음으로, 도 1을 참조하여, 위와같이 제조된 유동화제를 그라우팅 재료에 코팅시키는 방법에 대해서 설명한다. 그라우팅 재료는 물 10~50중량%, 벤토나이트 10~90중량% 또는 실리카샌드 10~80중량% 및 흑연 10~30중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.
그라우팅 재료(10)를 호퍼(15)에 투입하고, 스크류 콘베이어(20)를 통하여 건조분무장치(22)로 이송하여 낙하시키고, 살포량을 조절할 수 있는 저압 스프레이 살포장치(25)를 통하여 위와같이 제조된 유동화제를 그라우팅 재료(10)에 분사하여 도포시킨다.
도포되어 떨어진 그라우팅 재료는 1차챔퍼(30)에 투입되며, 송풍기(35)가 1차챔버(30) 내부로 90~150℃로 가열된 따뜻한 공기를 송풍하여 빠른 시간에 건조시킨다.
그런 다음, 엘리베이터(50)를 통하여 2차 스크류 콘베이어(55)로 투입시켜, 건조분무장치(62)로 이송하여 낙하시키고, 살포량을 조절할 수 있는 저압 스프레이 살포장치(65)를 통하여 위와같이 제조된 유동화제를 그라우팅 재료(10)에 분사하여 도포시킨다.
도포되어 떨어진 그라우팅 재료는 2차챔퍼(70)에 투입되며, 송풍기(75)가 2차챔버(70) 내부로 90~150℃로 가열된 따뜻한 공기를 송풍하여 빠른 시간에 건조시킨다.
이로써, 그라우팅 재료에 유동화제가 견고히 코팅되며, 그라우팅 재료는 공장 생산이 된다.
비교예 1
일반적으로 지중 열교환기에 사용되는 벤토나이트 그라우트의 열전도도는 0.7~0.9W/m℃로서, 물 85중량%에 유동화제 0.5중량%을 3분 동안 혼합한 후 벤토나이트 15중량%을 투입하여 1분에 60 회전속도로 혼합한 후 그라우팅 펌프로 천공된 시추공(boreholes)에 투입하는 표준시방을 기준으로 실제 시공되고 있다
이에 1차로 표준시방에 준하는 배합으로 시험결과를 측정하여 표1과 같은 결과을 얻었고, 2차로 직접 현장에서 그라우팅 투입 작업을 실시하는 곳에서 임의로 5개의 시추공에 투입되는 그라우팅 재료를 임의로 채취하여 측정한 결과 표2와 같은 결과를 얻었다.
물 85중량% : 벤토나이트 15중량%: 유동화제 0.5중량%/표준배합시료
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
표준배합 570 635 640 0.746 0.74 0.743 500 1700 1800
물85중량% : 벤토나이트 15중량%: 유동화제 0.5중량%/임의시료채취
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
시료#1 360 635 640 0.746 0.74 0.743 500 1700 1800
시료#2 428 611 609 0.621 0.617 0.618 580 1600 1640
시료#3 345 412 416 0.542 0.539 0.538 462 1210 1350
시료#4 298 367 369 0.495 0.492 0.493 327 1170 1280
시료#5 348 342 346 0.479 0.471 0.473 485 1680 1750
비교예 2
또한 표준시방에 의해 열전도도를 1.0~1.29W/m℃ 로 높이기 위하여 물 50%중량%, 유동화제 0.5중량%를 투입하여 3분 동안 혼합한 후, 벤토나이트 25중량%, 실리카샌드 25중량%를 투입하여 1분에 60 회전 속도로 혼합한 후 시험결과를 측정한결과 표 3과 같은 결과를 얻었고, 2차로 직접 현장에서 그라우팅 투입 작업을 실시하는 곳에서 임의로 5개의 시추공(boreholes)에 투입되는 그라우팅 재료를 임의로 채취하여 측정한 결과 표4와 같은 결과를 얻었다.
물 50중량% : 벤토나이트 25중량%: 실리카샌드25중량%:유동화제 0.5중량%/표준배합시료
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
표준배합 240 340 350 1.011 1.012 1.012 150 700 1060
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
시료#1 205 295 275 0.921 0.877 0.875 100 550 950
시료#2 194 195 205 0.842 0.841 0.841 85 1600 1640
시료#3 210 205 225 1.052 1.053 1.052 160 720 1100
시료#4 180 200 210 0.815 0.814 0.812 82 1170 1280
시료#5 160 185 180 0.745 0.746 0.744 75 1680 1750
실시예1
그라우팅 재료로서 물 85중량%, 벤토나이트 15중량%에 유동화제를 코팅하고 표준시방기준에 의해 측정한 결과 표5와 같은 결과를 얻었고, 2차로 직접 현장에서 균일하게 코팅된 그라우팅 재료를 시추공(boreholes)에 투입하며 임의로 5개의 시료를 채취하여 측정한 결과 표6과 같은 결과를 얻었다.
물 85중량% : 벤토나이트 15중량%(일체형)/표준배합시료
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
표준배합 630 750 850 0.814 0.812 0.811 560 1850 1920
물 85중량% : 벤토나이트 15중량%(일체형)/임의시료채취
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
시료#1 620 742 841 0.813 0.811 0.810 550 1830 1890
시료#2 632 771 882 0.814 0.815 0.813 570 1880 1950
시료#3 627 732 743 0.812 0.811 0.811 555 1725 1900
시료#4 633 763 911 0.814 0.812 0.811 570 1890 1960
시료#5 628 747 843 0.813 0.813 0.812 560 1735 1910
실시예 2
열전도도를 높이기 위해 그라우팅 재료를 물 50중량% : 벤토나이트 25중량%: 실리카샌드25중량%로 구성하여 비교예 2와 같은 조건으로 벤토나이트와 실리카샌드에 유동화제 코팅을 한 후 표준시방기준에 의한 측정한 결과 표7과 같은 결과를 얻었고, 2차로 직접 현장에서 균일하게 코팅된 그라우팅 재료를 시추공(boreholes)에 투입하며 임의로 5개의 시료를 채취하여 측정한 결과 표8과 같은 결과를 얻었다.
물 50중량% : 벤토나이트 25중량%: 실리카샌드25중량%(일체형)/표준배합시료
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
표준배합 270 390 435 1.014 1.013 1.013 240 950 1250
물 50중량% : 벤토나이트 25중량%: 실리카샌드 25중량%:(일체형)/임의시료채취
항목 팽윤량 (ml) 열전도도(W/m.oC)/KD-2-P 점도P(g/Cm.S)
혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간 혼합직후 24시간 48시간
시료#1 268 389 435 1.14 1.013 1.012 237 949 1246
시료#2 271 391 436 1.016 1.014 1.013 242 951 1252
시료#3 267 391 434 1.013 1.011 1.011 239 948 1245
시료#4 270 390 434 1.014 1.012 1.013 240 950 1251
시료#5 270 290 433 1.014 1.012 1.012 240 950 1250
상기와 같은 품질시험을 통하여 나타난 것과 같이 균일한 코팅에 의해 공장에서 제조되어 현장에서 사용된 제품의 품질이 균일한 투입과, 기계의 안정성, 열전도도의 향상, 투수계수의 향상, 작업시간의 단축과 주변환경의 청결 등을 향상시킬수 있으며, 부족한 대지의 지하로 깊숙한 투입이 가능하다고 판단된다.
여기에서 설명한 것은 본 발명에 따른 지중열교환기의 일체형 그라우팅재를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 그라우팅 재료 15 : 호퍼 20 : 스크류 콘베이어
22 : 건조분무장치 25 : 저압 스프레이 살포장치
30 : 1차챔퍼 35 : 송풍기 50 : 엘리베이터
55 : 2차 스크류 콘베이어 62 : 건조분무장치
65 : 저압 스프레이 살포장치 70 : 2차챔퍼
75 : 송풍기

Claims (4)

  1. 물 40~57중량%; 점도 1,000~3,000cps, 고형분함량 30~47중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 8~15의 계면활성제 3~5중량%로 혼합하여 에멀젼화시키는 단계와,
    개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시키는 단계, 및
    계면활성제 HLB 8~15의 계면활성제 8~10 중량% 를 첨가하여 교반하여 혼합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환기용 유동화제 제조방법.
  2. 물 41~60중량%; 점도 1,000~3,000cps, 고형분함량 31~50중량%, PH 6~8인 폴리아크릴에멀젼; 계면활성제 HLB(hydrophile lipophile balance) 8~15의 계면활성제 3~5중량%로 혼합하여 에멀젼화시키는 단계와,
    개시제인 암모니옴 퍼설페이트[(NH4)]2S2O8] 0.1~0.2중량%와 소디움 비설파이트(Na2SO3) 1~1.5중량%를 첨가하여 중합시키는 단계, 및
    중합된 반응물을 냉각시키고 계면활성제 HLB 8~15의 계면활성제 1~2.5중량% 첨가하여 60℃~80℃의 온도로 숙성하여 역 에멸젼시킨후 고온에서 수분을 증발시켜 고체상태의 유동화제를 제조한 후 분쇄하여 입상타입 또는 파우더 타입으로 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환기용 유동화제 제조방법
  3. 제1항에 따라서 제조된 유동화제를 분무장치를 통하여 미리 준비된 그라우팅 재료에 분사하여 그라우팅 재료를 1차 코팅하는 단계와,
    건조장치로 유동화제로 코팅된 그라우팅 재료를 건조시키는 단계와,
    유동화제, 폴리비닐아세테이트 및 스타이렌부타디인고무 중에서 선택되는 폴리머를 분무장치를 통하여 상기 1차 건조한 코팅된 그라우팅 재료에 분사하여 2차 코팅하는 단계,및
    건조장치로 상기 2차 코팅된 것을 건조시키는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중열교환기의 일체형 그라우팅재 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서
    상기 그라우팅 재료는 물 30~39중량%, 벤토나이트 또는 실리카샌드 40~49중량% 및 흑연 20~29중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지중열교환기의 일체형 그라우팅재 제조방법.
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