KR101448200B1 - 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피삽입물에 접하는 복수의 관형상의 튜브와 상기 튜브가 부착된 시트로 구성되는 튜브시트; 상기 튜브시트의 내주연에 위치하는 유동관;을 포함하여 구성되는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 이를 이용한 지열에너지 이용방법에 관한 것이다.

Description

튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 방법{Geothermal energy utilizing apparatus and method using tube sheet}

본 발명은 지반보강용으로 기 설치되거나 설치되어질 콘크리트, 강관파일 등의 규격에 상관없이 설치가 가능하여 시공이 용이하고 경제적이며, 튜브시트의 그라우팅에 의한 확장에 의해 열전달매체가 지반에 최대한 근접하여 유동하는 유로가 형성되고, 유로 사이에 단열층이 형성되어 에너지효율을 배가시킬 수 있는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 공법에 관한 것이다.

일반적으로 지열 냉난방시스템은 지중에 열교환파이프를 매설하고, 이와 연결된 히트펌프, 공조설비 등으로 이루어지는 바, 열교환매체가 지중에 매설된 열교환파이프를 순환함으로써 열교환매체가 지중의 에너지를 축적하여 이러한 에너지를 이용하는 것으로 친환경적이며 열효율이 높은 장점이 있다.

종래 기술로서 대한민국 등록특허 제10-0880675호에서는 지열을 이용하기 위해 굴착된 굴착공 내부에 하단부를 마개로 차폐한 대구경의 외부순환관을 삽입 설치한 다음, 외부순환관의 내부에 유공관이 하부에 형성된 내부순환관을 바닥까지 삽입한 기술을 제시하고 있다. 그런데 상기 기술은 단순히 지중의 지열에너지 획득에만 초점을 맞춘 것으로서 지반의 안정화를 위한 지반 보강에는 아무런 역할도 하지를 못하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로서, 종래 대한민국 등록특허 제10-0778936호에서는 지열파이프를 설치할 경우 지반이 취약해지는 것을 방지하여 지열에너지로 인한 대체에너지의 사용과 구조물의 안정성을 모두 확보할 수 있는 파일앵커를 지열파이프와 일체로 설치함으로써 공사비의 절감효과를 얻을 수 있는 지열파이프 일체형 지반보강공법을 제시하고 있다. 즉 케이싱을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입하고, 상기 케이싱 내로 지면으로부터 연약층을 지나 암반층까지 천공하여 천공홀을 형성하며, 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지열파이프를 설치하고, 열전달그라우팅을 천공홀에 충진하도록 하며, 상기 열전달그라우팅 위로 앵커파일을 삽입하고, 패커를 설치하며, 재차 상기 패커에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시키는 과정으로 시공되는 기술을 제시하고 있다.

그러나 상기 기술은 지열획득구간과 지반보강구간을 상하로 구분하여 시공하기 때문에 지반 천공홀의 깊이가 상대적으로 깊게 형성되고, 그에 관련된 시공비용의 증가를 초래하여 비용측면에서 비효율적인 문제점이 있었다.

또한, 상기에서 제시되는 기술들에서는 천공홀의 내부의 외부순환관, "U"자형의 파이프에 의해 지중에서 열교환매체의 열교환이 이루어지도록 하는 바, 열교환을 위해 유입되는 열교환매체가 지반과 유격이 형성됨으로써 충분한 열교환이 이루어진다고 볼 수 없으며, 열교환이 이루어져 외부로 방출되는 열교환매체와 열교환이 이루어지도록 내부로 유입되는 열교환매체 간에 열교환을 차단할 수 있는 어떠한 구조가 제시되지 않아 열교환효율이 저하되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0880675호 대한민국 등록특허 제10-0778936호

이에 본 발명은 상기 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 지반보강을 위해 기 설치되거나 설치되어야 할 콘크리트, 강관파일 내부에 그라우팅에 의한 확장이 가능한 튜브시트 및 유동관을 설치함으로써 시공이 용이하고, 경제적이며, 그라우팅에 의해 열교환매체가 지반과 최대한 근접하여 유동하며, 열교환이 이루어진 매체와 열교환이 되어야 할 매체 간에 열전달이 차단되는 구조가 제시되어 에너지효율이 우수한 지열에너지 이용장치 및 공법을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치는 피삽입물에 접하는 복수의 관형상의 튜브와 상기 튜브가 부착된 시트로 구성되는 튜브시트; 상기 튜브시트의 내부에 위치하는 유동관;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 피삽입물에 접하는 복수의 튜브와 유동관으로 열전달매체가 유동하도록 하고, 상기 복수의 튜브가 부착된 시트가 단열층으로 작용토록 하여 지열에너지를 이용하도록 하는 장치에 관한 것이다.

상기에서 언급한 바와 같이 복수의 튜브가 구성됨과 동시에 단열층으로서 기능을 하는 상기 시트는 단열층의 효과를 극대화 하기 위해 내부에 공기가 충진되어 밀폐된 2중 구조로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 시트에는 복수의 그라우팅홀이 구성되며, 상기 튜브시트는 그라우트의 주입에 의해 확관되면서 상기 피삽입물에 상기 튜브가 접하도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 튜브시트 및 유동관의 하단부를 고정시키면서 내부에 공간부가 형성되는 케이싱이 구성되도록 함이 타당하다.

한편 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용방법은, 상기 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치를 피삽입물에 장착하는 단계; 상기 튜브시트와 상기 유동관 사이에 그라우팅을 하여 상기 튜브시트를 확관시킴에 의해 상기 튜브를 피삽입물에 접하도록 하는 단계; 상기 튜브를 통해 상기 유동관으로 열교환매체를 유동시키는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명인 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 방법은 지반보강용으로 기 설치되거나 설치되어질 콘크리트, 강관파일 등의 규격에 상관없이 설치 및 적용이 가능하여 용이하면서도 경제적으로 지반보강용 파일을 에너지파일화 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명인 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 방법은 천공홀에 적용하는 경우 튜브시트 구조에 기해 지열에너지 이용과 동시에 지반보강이 가능하도록 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명인 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치 및 방법은 열전달매체가 유동하는 유로를 지반과 최대한 근접하도록 하여 열교환매체와 지반간의 열전달효율을 증대시킴과 동시에 유로사이에 단열층이 형성되도록 하여 유동하는 열전달매체 간에 열교환을 차단시킴으로써 에너지효율을 배가시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치를 나타내는 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 구성인 튜브시트를 나타내는 사시도이고,
도 3은 본 발명의 구성인 유동관에 튜브시트가 장착된 상태를 나타내는 사시도이고,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치의 작동상태를 나타내는 측단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 구성인 튜브시트를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 구성인 유동관에 튜브시트가 장착된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치의 작동상태를 나타내는 측단면도이다.

우선 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)는 도 1에서 보는 바와 같이 피삽입물(1)에 접하는 복수의 관형상의 튜브(111)와 상기 튜브(111)가 부착된 시트(112)로 구성되는 튜브시트(110), 상기 튜브시트(110)의 내부에 위치하는 유동관(120)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구성인 튜브시트(110)는 도 2에서 보는 바와 같이 관형상으로 복수의 튜브(111)와 상기 튜브(111)가 부착된 시트(112)로 구성되는 바, 상기 튜브(111)의 형상은 도 2 등에서는 그 단면이 사각관형상으로 도시되나 이에 한정하는 것은 아니며, 원형 등으로 구성될 수도 있다. 이러한 상기 튜브(111)는 각각이 열전달매체가 유동하는 유로를 형성하게 되는 것이며, 상기 시트(112)는 상기 튜브(111)와 또 하나의 유로를 형성하는 유동관(120) 사이에 위치하게 되어 단열층으로서 기능을 하게 되는 것이다.

그런데 상기 튜브(111)의 경우는 상기 피삽입물(1)의 내주연과 접하면서 열전달이 이루어져야 하므로 열전달율이 우수한 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 시트(112)의 경우는 상기 튜브(111)에서 열전달이 된 열교환매체가 상기 유동관(120)으로 유동시 상기 튜브(111)로 유입되는 열전달이 않된 열교환매체와 상호 열교환을 차단토록 하여야 하는 바, 이를 위해 본 발명에서는 도 2에서 보는 바와 같이 상기 시트(112)를 구성함에 있어 내부에 공기가 충진되어 밀폐된 2중 구조를 제시함으로써 그 단열효과를 극대화 하도록 하는 것이다.

또한, 본 발명에서 복수의 튜브(111)와, 상기 튜브(111)가 부착된 시트(112)로 구성되는 튜브시트(110)를 사용하는 이유는 이하에서 설명하는 바와 같이 유동관(120)과 상기 튜브시트(110) 사이에 그라우트(130)를 주입함에 따라 상기 시트(112)가 그라우트(130)의 가압에 의해 직경이 확장(확관)되며, 이에 따라 각각의 튜브(111)가 피삽입물(1)의 내주연에 밀착하게 되어 튜브(111)와 지반 간의 열전달효율을 높이고자 하는 것이다.

상기 유동관(120)은 상기 튜브(111)를 타고 유동하면서 열교환이 이루어진 열교환매체가 외부로 유출되도록 하는 유로로서 기능을 하며, 경우에 따라 도 4a 등에서 보는 바와 같이 본 발명이 천공홀에 장착되어 그라우트(130)가 주입됨에 의해 지반보강의 기능도 하게 되는 경우 지주로서 기능도 하게 되는 것이다.

이러한 튜브시트(110) 및 유동관(120)은 도 3에서 보는 바와 같이 유동관(130) 외주연에 튜브시트(110)를 감싸도록 하여 피삽입물(1)에 삽입 장착이 되도록 하는 것이다. 여기서 피삽입물(1)은 지반에 천공홀, 콘크리트파일, 강관파일 등이 될 것이며, 이러한 피삽입물(1)의 시공과 같이 본 발명이 시공되거나, 기 시공된 피삽입물(1)에 본 발명을 시공함으로써 에너지파일이 형성되도록 하는 것이다.

여기서 유동관(130) 외주연에 튜브시트(110)를 감싸도록 하여 피삽입물(1)에 삽입 장착시 상기 튜브시트(110)의 양단은 상호 겹침부가 형성되도록 접합부(114)가 구성되도록 한다. 이러한 형태로 상기 유동관(130)과 상기 튜브시트(110)를 장착하기 위해 도면에 도시된 바는 없으나, 그라우트(130)의 주입에 의해 용이하게 절단될 수 있는 실 등을 이용하여 묶음방식에 의해 장착할 수 있으며, 당연히 장착방식을 한정하지는 않는다.

이러한 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)의 작동상태 및 이를 이용한 지열에너지 이용방법에 대해 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)가 피삽입물(1)로 천공홀에 장착되어 열교환이 이루어지는 작동상태를 나타낸다.

우선 도 4a에서 보는 바와 같이 유동관(120) 외주연에 튜브시트(110)를 감싸도록 하여 피삽입물(1)에 삽입 장착이 되도록 한다. 이 경우 상기 유동관(130)과 상기 튜브시트(110)의 하단부에는 케이싱(140)이 구성되도록 하는 바, 상기 케이싱(140)에 의해 상기 튜브시트(110) 및 유동관(120)의 하단부가 고정되며, 상기 케이싱(140)에는 하부에 공간부(141)가 형성되도록 하여 튜브(111)로부터 유동관(130)으로 열교환매체가 유동하는 공간으로서 기능을 하도록 한다. 물론 이 경우 상기 시트(112)는 상,하단이 막힌구조로 되어 단열층으로서 기능이 수행되며, 유동하는 열교환매체의 시트(112)로 유입을 차단토록 한다. 이러한 케이싱(140)의 구성에 기해 유동관(130) 및 튜브시트(110)는 하단부만이 케이싱(140)에 의해 상호 부착이 되며, 케이싱(140) 상부에서는 상기 유동관(120)과 상기 튜브시트(110)는 상호간 부착이 없다.

그 다음으로 도 4b에서 보는 바와 같이 튜브시트(110)와 유동관(120) 사이에 모르타르(130)를 주입한다. 상기 튜브시트(110)에 있어 시트(112)에는 복수의 그라우팅홀(113)이 구성되며, 상기 튜브시트(110)의 양단부에는 겹침부가 형성된 접합부(114)가 형성되는 바, 상기와 같이 튜브시트(110)와 유동관(120) 사이에 모르타르(130)가 주입되면 모르타르(130)는 상기 튜브시트(110)를 내측에서 외측으로 가압하게 되면서 동시에 그라우팅홀(113)을 통해 시트(112) 외측으로 유출이 되며, 겹침부가 형성된 접합부(114)가 풀리면서 튜브시트(110)는 직경이 확장되는 것이다. 이러한 작용에 기해 튜브시트(110)의 튜브(111)는 천공홀(피삽입물(1))의 내주연에 접하게 되는 것이다. 이에 더하여 튜브시트(110) 외측으로 유출되는 모르타르(130)는 튜브(111), 시트(112) 및 천공홀의 내주연에 의해 형성되는 공간에 충진이 되면서 이렇게 충진된 모르타르(130)는 결국 천공홀의 내주연으로 침투 또는 가압을 하게 되어 지반보강의 기능을 하게 된다. 즉 복수의 튜브(111)가 일정유격을 형성하며 시트(112)에 부착된 형상의 튜브시트(110)를 구성함에 따라 모르타르(130)에 의한 그라우팅에 의해 튜브(111)가 천공홀의 내주연과 접하도록 하여 열교화효율을 극대화시킴과 동시에 튜브(111)와 시트(112)에 의해 형성된 공간을 통해 천공홀의 내주연에 모르타르 침투 또는 가압에 의해 지반보강이 동시에 수행되도록 하는 것이다.

또한, 유동관(120) 외주연에 튜브시트(110)를 감싸도록 하여 피삽입물(1)에 삽입 장착이 되도록 한 후, 그라우팅에 의해 피삽입물(1)의 내주연에 튜브(111)가 접하도록 할 수 있으므로 기 설치되어 지거나 설치되어질 천공홀, 콘크리트파일, 강관파일 등 피삽입물(1)의 사이즈에 상관없이 본 발명의 적용이 가능한 장점이 있다.

그 다음으로 도 4c에서 보는 바와 같이 상기 튜브(111)를 통해 상기 유동관(120)으로 열교환매체를 유동시킴에 따라 기 설치되거나 설치되어질 천공홀, 콘크리트파일, 강관파일 등에 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)를 장착시켜 지열에너지를 수득(이용)하도록 하는 것이다.

이때 상기 튜브(111)에는 열교환매체 유입라인이 구성되고, 상기 유동관(120)에는 열교환매체 배출라인이 구성되도록 하는 바, 도면에 도시된 바는 없으나, 본 발명의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)가 직렬로 연결되는 경우는 상기 유입라인에 타 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)로부터의 배출라인이 연결되고, 상기 배출라인에는 타 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치(100)의 유입라인이 연결되도록 구성될 수 있다.

이렇게 유입라인으로 유입된 열교환매체는 튜브(111)를 타고 유동하면서 지반으로부터 열을 흡수하거나 지반으로 열을 방출하게 되는 것이며, 이렇게 열을 흡수하거나 방출된 열교환매체는 유동관(120)을 타고 유동하여 배출라인에 의해 타 유입라인으로 유동하거나, 히트펌프(도면에 도시되지 않음)로 유동하게 되는 것이다. 이러한 열교환매체의 유동에서 튜브(111)에서 유동에 의해 열을 흡수하거나 방출된 열교환매체는 유동관(120)으로 유동하여 외부로 방출되는데, 이때 유동관(120)으로 유동하는 열을 흡수하거나 방출된 열교환매체가 튜브(111)로 유입되는 열교환매체와 열교환이 이루어지는 경우 지열에너지 이용효율이 저하되는 바, 이에 본 발명에서는 2중 구조의 시트(112)가 구성되어 유동관(120)으로 유동하는 열을 흡수하거나 방출된 열교환매체가 튜브(111)로 유입되는 열교환매체와 열교환을 차단토록 하는 것이다. 또한, 상기에서 언급한 바와 같이 그라우팅에 의해 튜브(111)가 피삽입물(1, 천공홀)의 내주연에 접하게 됨으로써 지반과 튜브(111) 내부로 유동하는 열교환매체 간의 열교환효율이 배가되는 것이다.

이상 설명된 내용은 본 발명의 실시 예에 의하여 일례로 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서에 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100 : 본 발명 110 :튜브시트
111 : 튜브 112 : 시트
120 : 유동관 130 : 모르타르
140 : 케이싱

Claims (5)

1. 피삽입물에 접하는 복수의 관형상의 튜브 및 상기 튜브가 부착되며 내부에 공기가 충진되어 밀폐된 2중 구조를 가지는 시트로 구성되는 튜브시트;
   상기 튜브시트의 내주연에 위치하는 유동관;
   을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 시트에는 복수의 그라우팅홀이 구성되며, 상기 튜브시트는 그라우트의 주입에 의해 확관되면서 상기 피삽입물에 상기 튜브가 접하도록 구성됨을 특징으로 하는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 튜브시트 및 유동관의 하단부를 고정시키면서 내부에 공간부가 형성되는 케이싱이 구성됨을 특징으로 하는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치.
   
5. 제 1항, 제3항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용장치를 피삽입물에 장착하는 단계;
   상기 튜브시트와 상기 유동관 사이에 그라우팅을 하여 상기 튜브시트를 확관시킴에 의해 상기 튜브를 피삽입물에 접하도록 하는 단계;
   상기 튜브를 통해 상기 유동관으로 열교환매체를 유동시키는 단계;
   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 튜브시트를 이용한 지열에너지 이용방법.

Images