KR101415299B1 - 고심도용 지중 열교환기 그라우팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고심도용 지중 열교환기 그라우팅 장치에 관한 것으로서는,
지열굴착공과;유밴드해더로 상호 연결 구성된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관과;
그라우팅액의 혼합믹싱을 위한 그라우팅믹서와;그라우팅액을 주입하기 위한 주입펌프와;그라우팅액을 주입하기 위해 설치된 트레미파이프와;HDPE 관에 주입관으로 연결된 유체가압장치로 구성된 것을 특징으로 하고 있으며
고심도용 지중 열교환기 그라우팅 방법으로서는,
지열굴착공을 굴착하는 공정과;유 밴드헤더가 결합된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관을 삽입 설치하는 공정과;급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부에 충수하여 유체가압장치를 이용하여 제한된 수압으로 유지시키는 공정과;지열굴착공 내부에 그라우팅액을 주입하여 양생하는 공정과;급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부의 수압을 해지하는 공정으로 이루어져 지는 것을 특징으로 하여 고심도 지열굴착공 내부의 그라우팅을 안정적으로 수행할 수 있는 효과가 있게 한 발명이다.

Description

고심도용 지중 열교환기 그라우팅 장치 및 방법{omitted}

본 발명은 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 회수하기 위한 고밀도폴리에칠렌(HDPE) 관을 고심도 지열 굴착공에 삽입 설치한 상태에서 그라우팅을 시행하는 과정에서 비중이 높은 시멘트액이나 모래, 벤토나이트 등의 혼합물로 이루어진 고 비중의 그라우팅액의 하중에 의해 사용하여도 고심도에서 연질의 HDPE 관이 함몰되지 않도록 하기 위해 실행될 수 있도록 한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치 및 방법에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 열교환장치이다.

지중열교환장치 중 수직밀폐형 지중 열교환기 장치는 굴착된 지열 굴착공 내부에 지중 열교환을 할 수 있도록 하부가 U밴드로 연결된 두 가닥 또는 다수개의 지열 코일관을 바닥까지 삽입하여 설치한 다음 굴착공벽과 지열코일관들 사이를 그라우팅액으로 충진하여 고정한 것이다. 수직밀폐형 지중 열교환기 장치는 지하수를 직접 양수하여 노출시키지 않고 지열 코일관을 통해 지상에서 열교환되어 보유한 열을 지중에 다시금 교환하는 기능만을 하게 됨으로서 항시 폐쇄된 순환배관 내부에 열교환을 위한 브라인이 순환펌프에 의해 순환될 뿐 지하수와 직접 접촉되지는 않게 됨으로써 개방형 지중 열교환기 장치에 비해서는 지하수 오염을 크게 우려하지 않을 수 있어 지하수 환경보전적인 측면에서는 적극 권장되어져야 할 시스템이라 할 수 있으며 개방형 지중 열교환기 장치가 지하수의 수위강하나 지하수의 고갈에 다른 지속적인 시설운영에 장애가 있는 반면 수직밀폐형 지중열교환기 장치는 이러한 장애없이 항시 안정적인 운영이 가능하여 비교우위의 장점을 가지고 있는 시스템이다.

특히 저탄소 녹색성장 추진과 석유가격의 급등으로 인해 신재생에너지의 확대공급 정책에 따라 지열의 수요는 지속적으로 증가되어질 수 있는 여지가 높아진 반면 지열 시스템의 운용에 따른 지하수 오염 우려로 인해 환경 행정 규제 또한 점차 강화되어져 가고 있는 추세이다. 지열시스템에 의한 지하수 오염 우려는 일반 지하수 굴착공과 동일한 시설 형태를 취하면서 열교환된 지하수가 직접 굴착공 내에 유동하고 있는 암반대수층의 지하수와 접촉될 수밖에 없는 개방형 지중 열교환기 장치의 경우가 심각하여 개방형 지중 열교환기 장치와 대체될 수 있는 장치와 공법의 필요성이 크게 대두되어지고 있다.

수직밀폐형 지중 열교환기 장치의 경우에는 열교환기와 순환수배관을 순환하는 브라인(여기에서 브라인은 동절기에 동결되지 않도록 부동액을 첨가한 깨끗한 청수를 사용하게 되며 브라인관 내부와 열교환기, 그리고 지열굴착공 내부에 설치된 지열코일관 내부를 순환하는 열교환 매체이다.)이 지하수와 직접 접촉하지 않음으로써 지하수의 오염 우려가 낮음은 물론 순환수를 크게 낮출 수 있어 지상에 설치되는 순환펌프만으로 브라인의 열교환을 위한 시스템 내부의 순환을 달성할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이러한 수직밀폐형 지중 열교환기 장치로 구성된 지열시스템은 현재 수직밀폐형으로서는 U밴드 지열코일관을 지열굴착공에 삽입 설치하여 구성된 U밴드 수직밀폐형이 있으며 외부순환관을 지열굴착공 내부에 먼저 삽입한 후 그 내부에 내부순환관을 삽입하여 구성한 이중관 튜브형, 그리고 기초 파일 내부에 지열코일관을 설치한 에너지 파일형이 대표적 형식으로 개발되어 운용 중에 있다.

수직밀폐형 지중 열교환기 장치로 구성된 지열시스템의 급수관과 환수관은 제조원가가 저렴한 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이 주로 사용되고 있다. HDPE 관은 가격이 저렴한 이점은 있지만, 비중이 약 0.97로 물보다 가벼워 작고 연성인 특성이 있기 때문에 지열공 깊이가 300∼500m에 이르는 고심도의 경우 그라우팅액을 시멘트로 사용하게 되는 경우 시멘트가 고비중임으로 지열굴착공 내부에서 급수관과 환수관이 내부로 함몰되어 막히는 사고가 발생할 수 있게 되는 문제점이 있었다,

대한민국 특허출원 제10-2011-0142749호 대한민국 특허출원 제10-2008-0041012호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열을 회수하기 위한 연질의 HDPE 관을 고심도에 사용하여도 그라우팅액의 하중에 의해 변형이나 함몰이 발생되지 않고 안정적으로 설치될 수 있도록 고심도용 지중 열교환기 그라우팅 장치 및 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치는,

지열굴착공과;

유밴드해더로 상호 연결 구성된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관과;

그라우팅액의 혼합믹싱을 위한 그라우팅믹서와;

그라우팅액을 주입하기 위한 그라우팅펌프와;

그라우팅액을 주입하기 위해 설치된 트레미파이프와;

HDPE 관에 주입관으로 연결된 유체가압장치로 구성된 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅방법은,

지열굴착공을 굴착하는 공정과;

유 밴드헤더가 결합된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관을 삽입 설치하는 공정과;

급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부에 충수하여 유체가압장치를 이용하여 제한된 수압으로 유지시키는 공정과;

지열굴착공 내부에 그라우팅액을 주입하여 양생하는 공정과;

급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부의 수압을 해지하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환기 그라우팅방법.

본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치 및 방법에 의하면,

급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부의 수압을 유지시킴으로써 그라우팅액의 하중에 의한 HDPE 관의 변형이나 함몰을 방지할 수 있어 고심도 지열굴착공 내부의 그라우팅을 안정적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치를 표현한 단면도.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치는,

지열굴착공(1)과;

유밴드해더(6)로 상호 연결 구성된 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)과;

그라우팅액의 혼합믹싱을 위한 그라우팅믹서(15)와;

그라우팅액을 주입하기 위한 그라우팅펌프(9)와;

그라우팅액을 주입하기 위해 설치된 트레미파이프(17-1)와;

급수측 HDPE 관(2) 또는 환수측 HDPE 관(3)에 주입관(16)으로 연결된 유체가압장치(12)로 구성된 것을 특징으로 하고 있다.

이러한 구성을 상세히 설명하면, 지중에 형성된 지열굴착공(1)에 열교환수 급수 및 환수를 위한 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)을 삽입하여 설치하되 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)의 끝단에는 유 밴드헤더(6)를 결합하였다.(여기서 HDPE는 고밀도폴리에칠렌을 말한다)

유밴드헤더(6)는 원통 또는 타원통체의 형태로 제작되며 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)을 결합하도록 하며 그 내부가 이들 두 관이 연결되어 연통되도록 되어 향후 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)으로 구성된 코일관 내부에 채워지는 브라인의 순환에 장애가 없도록 하였다. 물론, 유밴드헤더(6)는 HDPE 재질로 제작된 통상의 지열 전용 유(U)밴드관을 포함한 것으로 이해되어야 할 것이다.

유밴드헤더(6) 몸체 하부에는 비중이 큰 금속재질의 웨이트부(미도시)를 한 몸체로 구성하거나 볼트로 결합하도록 형성하여 코일관이 부력에 의해 상승되는 것을 방지하도록 하였다.

또한 웨이트부 하단에는 앵커(미도시)를 설치하도록 함으로써 앵커(8)가 지열굴착공(1) 내벽면에 고정되어 코일관이 부력에 의해 상승되는 것을 방지하도록 하였다. 물론 앵커(8)는 삽입시에는 오무려진 상태로 있게 되고 설치가 완료되면 날개가 펼쳐지는 구조로 설치하게 되는데 이에 따른 상세한 작동설명은 생략하도록 한다.

지열굴착공(1) 내부에 삽입되는 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)의 내부에는 통상적으로 비중을 높이고 부력을 방지하기 위해 물을 충진하게 된다. 물로 충진된 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)의 끝단에는 관마개(14)가 설치되어 차폐되며 급수측 HDPE 관(2) 또는 환수측 HDPE 관(3)의 관마개(14) 중 한곳에는 주입구(13)를 결합하여 주입관(16)으로 유체가압장치(12)와 연결하도록 하였다.

관마개(14)는 통상 HDPE 관에 열융착으로 결합되는 HDPE 캡 형태로 제작되어 열융착 설치되며 주입구(13)가 설치되는 경우에는 통상의 밸브소켓(미도시)을 HDPE 관에 열융착한 다음 주입구(13)를 나사결합하여 구성될 수 있도록 하였다.

유체가압장치(12)는 수압발생기이거나 고압가스탱크 또는 공기압축기등 압력유체를 생산하거나 공급할 수 있는 시설장치이며 일정한 압력을 조정하여 유지시켜 줄 수 있도록 압력조정기(11)가 부착되어지도록 구성되었다.

압력조정기(11)는 통상의 가스압력조정기 또는 수압조정기와 그 구조와 기능이 동일 유사한 것으로 보면 될 것이며 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)의 내부 압력변화가 없도록 일정하게 압력을 유지할 수 있도록 유체를 공급해주는 역할을 하게 되며 일차측 압력계와 이차측압력계가 설치되어 조정된 압력수치를 확인할 수 있도록 구성된다.

물론, 이러한 구성은 지열굴착공(1) 내부에 대구경의 외부순환관(미도시)을 먼저 삽입하고 그 중앙에 내부순환관(미도시)을 삽입하여 설치되는 통상의 이중관 지중열교환기(특허 제10-2008-0041012호) 설치시에도 외부순환관과 내부순환관에 수압을 일정하게 유지한 상태에서 외부순환관과 지열굴착공(1) 사이에 그라우팅액을 주입하여 그라우팅을 시행하게 되는 경우에도 동일하게 운용되어질 수 있음은 당연하다 할 것이다.

이렇게 급수측 HDPE 관(2) 또는 환수측 HDPE 관(3) 내부에 수압을 일정압력이상으로 높여 유지하게 될 경우 급수측 HDPE 관(2) 또는 환수측 HDPE 관(3) 외부에서 형성되는 높은 비중의 그라우팅 충진재(4)의 하중에서도 높은 수압으로 인해 지탱되어질 수 있게 되어 함몰 등 변형사고를 예방할 수 있게 되는 것이다.

지열굴착공(1) 내부에 그라우팅액(8)을 주입하기 위해서는,

지상에 설치되어 시멘트와 규사, 벤토나이트, 물 등으로 이루어진 그라우팅액(8) 혼합물의 믹싱을 위한 그라우팅믹서(15)가 설치되며 그라우팅믹서(15)는 교반기모터(7)와 교반프로펠러(10)로 이루어져 있다.

믹싱된 그라우팅액은 그라우팅펌프(9)의 가동으로 그라우팅주입호스(17)를 통해 트레미파이프(17-1)를 거쳐 지열굴착공(1) 하단부에서부터 채워져 올려져 그라우팅충진재(4)가 형성되어지게 된다. 트레미파이프(17-1)는 지열굴착공(1) 내부에 삽입설치되는 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)을 설치할 때 함께 삽입 설치되게 된다.

한편, 고심도용 지중 열교환기 코일관 설치방법은,

지열굴착공(1)을 굴착하는 공정과;

유 밴드헤더(6)가 결합된 급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3)을 삽입 설치하는 공정과;

급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3) 내부에 충수하여 유체가압장치(12)를 이용하여 제한된 수압으로 유지시키는 공정과;

지열굴착공(1) 내부에 그라우팅액(8)을 주입하여 양생하는 공정과;

급수측 HDPE 관(2)과 환수측 HDPE 관(3) 내부의 수압을 해지하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환기 그라우팅방법.

1 : 지열 굴착공 2 : 급수측 HDPE 관
3 : 환수측 HDPE 관 4 : 그라우팅충진재
5 : 지하수 6 : 유밴드헤더
7 : 교반기모터 8 : 그라우팅 액
9 : 그라우팅펌프 10 : 교반프로펠러
11 : 압력조정기 12 : 유체가압장치
13 : 주입구

Claims (3)

1. 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치에 있어서,
   지열굴착공과;
   유밴드해더로 상호 연결 구성된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관과;
   그라우팅액의 혼합믹싱을 위한 그라우팅믹서와;
   그라우팅액을 주입하기 위한 주입펌프와;
   그라우팅액을 주입하기 위해 설치된 트레미파이프와;
   상기 급수측 HDPE 관 또는 환수측 HDPE 관에 주입관으로 연결되며, 상기 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부를 일정 압력으로 유지하여 상기 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관이 그라우팅액에 의해 함몰되지 않도록 하는 유체가압장치로 구성되며,
   상기 유체가압장치는 공기압축기 또는 수압발생기 또는 고압발생용기와 압력조정기를 포함하여서 구성된 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환기 그라우팅장치.
2. 삭제
3. 고심도용 지중 열교환기 그라우팅방법에 있어서,
   지열굴착공을 굴착하는 공정과;
   유 밴드헤더가 결합된 급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관을 삽입 설치하는 공정과;
   급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관내부에 충수하여 제한된 수압으로 유지시키는 공정과;
   지열굴착공 내부에 그라우팅액을 주입하여 양생하는 공정과;
   급수측 HDPE 관과 환수측 HDPE 관 내부의 수압을 해지하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고심도용 지중 열교환기 그라우팅방법.

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