KR101724286B1 - 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체 - Google Patents

열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체 Download PDF

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Abstract

파일의 구조적 성능을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 열교환 효율도 향상된 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체가 개시된다.
개시되는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체는, 지중열교환을 위하여 지중에 매설되는 열교환용 이중관 복합 파일로서, 단면상 주름이 형성되며, 내부에 열교환매체와 열교환하는 열교환파이프를 수용하기 위한 상하 방향의 공간이 형성되고 상하 방향으로 연장된 내부관 부재; 상기 내부관 부재의 외측에 배치되는 외부관 부재; 및 상기 내부관 부재의 외측에 상기 외부관 부재를 위치시킨 상태에서 상기 내부관 부재의 외부면과 상기 외부관 부재의 내부면 사이의 공간에 충진되는 충진재;를 포함하는 열교환용 이중관 복합 파일;; 상기 열교환용 이중관 복합 파일의 선단을 밀봉하기 위하여 설치되는 선단 폐쇄부재;; 및 상기 열교환용 이중관 복합 파일의 내부관 부재에 수용된 열교환 매체와 열교환하기 위하여 설치되는 상기 열교환 파이프;;를 포함하며, 상기 외부관 부재는 지중에 매설되어 지반과 접촉하도록 구성될 수 있다.
이러한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체에 의하면 지중열교환의 효율성 증대뿐만 아니라 구조적 성능까지 확보할 수 있게 된다.

Description

열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체{Complex Pile With Dual Pipe For Heat Exchange and Heat Exchanging Structure Having The Same}
본 발명은 구조물의 기초가 되는 말뚝을 지중열 이용 열교환에 사용하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파일(말뚝)의 구조적 성능을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 열교환 효율도 향상된 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체에 관한 것이다.
대체 에너지의 일환으로 지중열을 이용하여 냉난방이나 융설 등의 에너지원으로 이용하는 지열 이용 시스템이 주목받고 있다.
이러한 지열 이용 시스템 중에서 구조물의 기초가 되는 말뚝(파일)을 이용하여 지열을 이용하는 기술도 제안되고 있다.
예를 들어, 구조물의 기초가 되는 PHC 말뚝(Pretensioned spun High strength Concrete piles), 현장타설 말뚝, 강관 말뚝 등 기존 말뚝을 지열 파일(열교환용 파일)로 사용하고자 말뚝(파일) 내부에 지중열교환을 위한 파이프 등 열교환 장치를 설치하였다.
그러나, 종래에는 주로 말뚝(파일) 내부에 지중열교환을 위한 파이프 등 열교환 장치를 설치하는 기술에 대해서 주로 연구가 수행되어 왔으며, 열교환 성능을 향상시키기 위한 시도는 극히 제한적이었다.
따라서, 말뚝(파일)의 구조적 성능을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 열교환 성능의 향상이 가능한 열교환용 파일(말뚝)이 요청된다.
대한민국 공개특허공보 제2005-0034535호(2005.04.14. 공개) 대한민국 공개특허공보 제2009-0108795호(2009.10.19. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 열교환 효율이 향상된 열교환용 이중관 복합 파일 및 이를 구비하는 지중열교환 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일 측면으로서, 구조물의 하중 및 지압에 충분히 저항할 수 있도록 구조적 성능이 우수한 열교환용 이중관 복합 파일 및 이를 구비하는 지중열교환 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 일 측면으로서, 높은 선단 지지력 확보가 가능한 지중열교환 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 지중열교환을 위하여 지중에 매설되는 열교환용 이중관 복합 파일로서, 단면상 주름이 형성되며, 내부에 열교환매체와 열교환하는 열교환파이프를 수용하기 위한 상하 방향의 공간이 형성되고 상하 방향으로 연장된 내부관 부재; 상기 내부관 부재의 외측에 배치되는 외부관 부재; 및 상기 내부관 부재의 외측에 상기 외부관 부재를 위치시킨 상태에서 상기 내부관 부재의 외부면과 상기 외부관 부재의 내부면 사이의 공간에 충진되는 충진재;를 포함하는 열교환용 이중관 복합 파일;;
상기 열교환용 이중관 복합 파일의 선단을 밀봉하기 위하여 설치되는 선단 폐쇄부재;; 및
상기 열교환용 이중관 복합 파일의 내부관 부재에 수용된 열교환 매체와 열교환하기 위하여 설치되는 상기 열교환 파이프;;
를 포함하며,
상기 외부관 부재는 지중에 매설되어 지반과 접촉하도록 구성되는,
열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체을 제공한다.
바람직하게, 상기 내부관 부재, 외부관 부재 및 충진재는 일체화된 상태로 미리 제작되어 지중에 매설될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 내부관 부재는 파형 강관을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 파형 강관을 형성하는 파(波)의 피치(p)는 파(波)의 깊이의 2 ~ 10배이고, 파(波)의 마루 또는 골을 형성하는 곡률 반경(r)은 파(波)의 깊이(h)의 1 ~ 3배로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 외부관 부재는 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 충진재는 콘크리트를 포함하여 구성될 수 있다.
삭제
바람직하게, 상기 선단 폐쇄부재는 상기 이중관 복합 파일의 선단의 일부분을 수용하면서 폐쇄하며, 상기 이중관 복합 파일의 외경보다 큰 직경을 갖는 그라우팅 부재로 구성될 수 있다.
이때, 상기 그라우팅 부재의 높이는 상기 외부관 부재의 직경의 2 ~ 5배로 구성될 수 있으며, 상기 그라우팅 부재 속에 관입되는 상기 이중관 복합 파일의 선단의 높이는 상기 외부관 부재의 직경의 0.7 ~ 2배로 구성될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 열교환 파이프는 상기 이중관 복합 파일의 내부관 부재에 수용된 열교환 매체를 상기 이중관 복합 파일의 외부로 배출시키는 배출관과, 상기 이중관 복합 파일의 외부로부터 상기 내부관 부재에 이동시키는 공급관을 포함하여 구성되며, 상기 배출관과 공급관은 상기 내부관 부재의 내부에서 개방된 구조를 가질 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 공급관 또는 배출관은 상기 내부관 부재의 내부에서 유동하는 열교환 매체에 와류를 형성하기 위하여, 외주면에 와류형성 부재가 설치될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부관 부재를 단면상 주름이 형성된 부재를 사용함으로써 종래의 굴곡 없는 일자형 파일 구조에 비해 열교환 매체의 접촉면적이 넓어질 뿐만 아니라 내부관 부재의 음각부에서 난류가 발생하여 열전도율의 향상이 이루어질 수 있으며, 이로 인해 열교환 효율이 증대된다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부관 부재를 파형 강관으로 형성하고, 외부관 부재를 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관 중 어느 하나로 구성하며, 상기 내부관 부재와 외부관 부재 사이에 콘크리트와 같이 강도를 확보할 수 있는 충진재를 채움으로써 파일(pile, 말뚝)로서의 구조적 성능을 충분히 확보할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 내부관 부재, 외부관 부재 및 그 사이에 충진된 충진재로 구성된 복합소재를 이용하여 구조물의 압축하중이나 지압에 의한 변형에 충분히 저항할 수 있으므로 지중열교환의 효율성 증대뿐만 아니라 구조적 성능까지 확보할 수 있다는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 파형강관의 높이 및/또는 굽힘반경을 일정한 수준으로 도입함으로써 충진재와 내부관 부재(파형강관) 사이에 충진재가 충진되지 않은 공극 발생을 최소화할 수 있게 된다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부관 부재, 충진재 및 외부관 부재를 사전 제작형(pre-fabricated)으로 형성함으로써 내부관 부재와 외부관 부재 사이에 충진재를 높은 압력으로 충진할 수 있어 열전달을 방해하는 공극형성을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 지중 설치를 위한 타설장비가 필요하지 않으므로 지중열교환 구조체의 지중 설치가 용이하고 설치비가 경감된다는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 종래에는 콘크리트 파일의 경우 파일 내부에 열교환 매체(물 등의 액체) 충진시 석회물질이 열교환 매체에 혼입되어 열교환기 내부의 스케일 발생이 이루어지고 시공시 콘크리트 파일에 크랙이 발생하여 내부에 열교환 매체를 충진할 수 없거나 누수가 발생하는 상황이 발생하지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면 파형강관으로 이루어지는 내부관 부재에 의해 콘크리트 등으로 이루어지는 충진재가 이중관 복합 파일 내부에 수용된 열교환 매체와 직접 접촉하지 않으므로 석회물질 혼입으로 인한 스케일 발생을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 열교환 매체의 누수를 방지할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 열교환용 이중관 복합 파일의 선단을 그라우팅 부재로 폐쇄함으로써 이중관 복합 파일의 선단을 폐쇄하기 위한 별도의 구조물 연결이 필요하지 않다는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 이중관 복합 파일의 선단을 그라우팅 부재에 일정 깊이만큼 매립시키고, 그라우팅 부재의 깊이를 충분히 함으로써 높은 선단 지지력 확보가 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일의 종단면도.
도 2는 도 1에 도시된 열교환용 이중관 복합 파일의 열교환에 관한 설명을 위한 개략도.
도 3은 도 1의 A-A 선에 따른 횡단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체의 종단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체의 종단면도.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열교환 구조체를 설치하기 위한 중굴 공법의 시공 순서의 일 예를 나타낸 설명도.
도 7a 및 도 7b는 도면이고, 도 6a 내지 도 6d에 도시된 중굴 공법에 사용될 수 있는 굴착 장비에서 파일 및 오거스크류가 장착된 상태를 도시한 요부 구성도로서, 도 7a는 확대비트 날개가 펼쳐진 상태를 도시하고, 도 7b는 확대비트 날개가 접혀진 상태를 도시함.
도 8 및 도 9는 구근 축조의 순서를 개략적으로 나타낸 설명도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)에 대해 살펴본다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합파일은 단면상 주름이 형성되며, 내부에 공간이 형성된 내부관 부재(112)와, 상기 내부관 부재(112)의 외측에 배치되는 외부관 부재(111)와, 상기 내부관 부재(112)와 외부관 부재(111) 사이의 공간에 충진되는 충진재(113)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 내부관 부재(112)는 도 3에 도시된 바와 같이 단면상 주름이 형성된, 즉 골과 마루가 형성된 파형 강관을 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 단면상 주름이 형성된 내부관 부재(112)를 사용함으로써 종래의 일자(一字)형 단면을 갖는 파일구조에 비해 열교환 매체의 접촉면적이 1.7배 이상 넓어질 뿐만 아니라 내부관 부재(112)의 음각부에서 난류가 발생하여 열전도율의 향상이 이루어질 수 있으며, 이로 인해 열교환 효율이 증대될 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 내부관 부재(112)에 수용된 열교환 매체의 온도차에 따른 대류(C1)뿐만 아니라 내부관 부재(112)의 음각부에서 발생한 난류(C2)에 의한 열교환 매체의 유동이 발생하여 열교환 매체의 온도가 균일해져 열전달 효율이 증가하게 된다.
또한, 상기 외부관 부재(111)는 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 외측에서 지지하도록 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 충진재(113)는 상기 내부관 부재(112)와 외부관 부재(111) 사이에 충진되며 파일(pile, 말뚝)로서의 구조적 성능을 충분히 확보할 수 있도록 콘크리트로 이루어지는 것이 바람직하다. 다만, 상기 충진재(113)는 콘크리트로 한정되는 것은 아니며, 충분한 강도 확보가 가능하다면 시멘트, 모르타르, 아스팔트, 점토, 벤토나이트 등의 재료를 포함하여 구성될 수도 있다.
한편, 특허청구범위를 포함한 본 명세서에서는 충진재(113)가 내부관 부재(112)과 외부관 부재(111) 사이에 위치한다는 위치관계를 고려하여 충진이라는 표현을 사용하였지만, 상기 충진재(113)는 내부관 부재(112)의 외면에 설치되고, 외부관 부재(111)가 충진재(113)의 외면에 설치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 외부관 부재(111)가 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관이나, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관으로 이루어지는 경우, 상기 외부관 부재(111)는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이나 유리섬유강화플라스틱(GFRP)이 상기 충진재(113)의 표면에 코팅 또는 도포되어 형성되는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)은 내부관 부재(112)를 파형 강관으로 형성하고, 외부관 부재(111)를 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관 중 어느 하나로 구성하며, 상기 내부관 부재(112)와 외부관 부재(111) 사이에 콘크리트와 같이 강도를 확보할 수 있는 충진재(113)를 위치시킴으로써, 복합재료에 의하여 구조물의 하중을 충분히 지지할 수 있을 뿐만 아니라 지압에 의한 변형에 대해서도 충분히 저항할 수 있으므로 파일(pile, 말뚝)로서의 구조적 성능을 충분히 확보할 수 있게 된다.
즉, 충진재(113)의 내부와 외부를 각각 파형 강관으로 구성되는 내부관 부재(112)와, 강관 등으로 구성되는 외부관 부재(111)로 구속 및/또는 지지하게 됨으로써 도 3에 도시된 바와 같이 파일의 횡방향(반경방향) 변형에 대해서도 효과적으로 저항할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)은 외부관 부재(113)로 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관을 사용함으로써 압축강도나 인장강도 등을 확보함으로써 콘크리트 등으로 이루어지는 충진재(113)의 변형 내지 파괴를 제한할 수 있게 되어 높은 구조적 성능의 확보가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)은 압축하중 등에 의한 저항 등 파일에 요구되는 기본적인 구조적 성능을 콘크리트 등으로 구성되는 충진재(113)를 통하여 확보하여야 하므로 충진재(113)의 강도나 구체적인 조성(보강을 위한 파이버 함유 등), 두께 등은 파일의 사양에 따라 적절히 조정될 수 있다.
한편, 내부관 부재(112)의 내부에는 지중과의 열교환을 위하여 액체(물, 부동액, 염수 등)로 구성되는 열교환 매체가 충진된다. 따라서, 지중의 열이 이러한 열교환 매체에 효과적으로 전달되도록 구성되어야 한다. 그러나, 충진재(113)와 내부관 부재(파형강관)(112) 사이에 충진재(113)가 충진되지 않은 공극이 발생하면 전도에 의한 열전달이 발생하지 않으므로 지중의 열이 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 통해 열교환 매체에 효과적으로 전달될 수 없다.
따라서, 내부관 부재(112)를 구성하는 파형 강관과 외부관 부재(111) 사이에 콘크리트와 같은 충진재(113)가 충진될 때 공극발생이 최소화되도록 상기 파형 강관을 형성하는 파(波)의 피치(p)는 파(波)의 깊이(h)의 2 ~ 10배인 것이 바람직하다(도 2 참조).
만약, 파(波)의 피치(p)가 파(波)의 깊이(h)의 2배보다 작다면 파(波)의 깊이(h)가 상대적으로 커져서 내부관 부재(112)를 구성하는 파형 강관의 마루에 충진재(113)가 충분히 도입되기 어려우며, 파(波)의 피치(p)가 파(波)의 깊이(h)의 10배보다 크다면 열교환 매체와 파형 강관의 접촉면적이 일자형 단면을 갖는 종래의 파일과 거의 차이가 없게 되어 열교환 효율의 상승을 기대하기 어려워진다.
또한, 파형강관의 파(波)의 마루 또는 골을 형성하는 곡률 반경(r)은 파(波)의 깊이(h)의 1 ~ 3배로 이루어지는 것이 바람직하다(도 3 참조). 만약, 내부관 부재(112)를 구성하는 파형강관의 곡률 반경(r)이 파(波)의 깊이(h)의 1배보다 작다면 곡률반경이 너무 작아져서 파형 강관의 마루의 끝단 영역에 충진재(113)가 충분히 도입되기 어려워 공극이 발생하기 쉬우며, 곡률 반경(r)이 파(波)의 깊이(h)의 3배보다 크다면 곡률반경이 커져서 강관의 접촉면적이 일자형 단면을 갖는 종래의 파일과 거의 차이가 없게 되어 열교환 효율이 저하될 수 있다.
한편, 상기 내부관 부재(112), 외부관 부재(111) 및 충진재(113)는 일체화된 상태로 사전 제작(pre-fabricated)되어 지중에 매설되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 사전 제작형으로 형성하는 경우에는 내부관 부재(112)와 외부관 부재(111) 사이에 충진재(113)를 높은 압력으로 충진할 수 있어 열전달을 방해하는 공극형성을 최소화할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 사전 제작형 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 사용하게 되면, 내부관 부재(112)와 외부관 부재(111)를 지중에 설치한 후 콘크리트를 타설하기 위한 타설장비가 필요하지 않으므로 지중열교환 구조체(100)의 지중 설치가 용이하고 설치비가 경감된다는 이점을 얻을 수 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체(100)에 대해 살펴본다.
도 4 및 도 5에 도시된 지중열교환 구조체(100)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 열교환용 이중관 복합 파일(110)과, 상기 이중관 복합 파일(110)의 선단을 밀봉하기 위하여 설치되는 선단 폐쇄부재(120)와, 상기 이중관 복합 파일(110)의 내부관 부재(112)에 수용된 열교환 매체를 상기 이중관 복합 파일(110)의 내부 또는 외부로 이송시키는 열교환 파이프(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열교환용 이중관 복합 파일(110)에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하였기에 중복을 피하기 위하여 상세한 설명은 생략하고 전술하 기재로 갈음하기로 한다.
상기 선단 폐쇄부재(120)는 이중관 복합 파일(110)의 선단을 폐쇄하여 이중관 복합 파일(110) 내부에 액체와 같은 열교환 매체가 수용될 수 있는 공간을 형성하게 된다.
이러한 선단 폐쇄부재(120)는 이중관 복합 파일(110)에 체결된 별도의 구조물로 이루어지는 것도 가능하지만, 지중열교환 구조체(100)의 구조적 성능을 확보함과 동시에 열교환 매체 수용 공간을 형성할 수 있도록 그라우팅 부재로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 그라우팅 부재는 이중관 복합 파일(110)이 지중에 설치된 후 이중관 복합 파일(110)의 선단의 일부분을 수용하면서 폐쇄하도록 그라우트 재료가 충진되어 형성될 수 있다. 이러한 그라우팅 부재의 형성 방법의 일 예에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 후술하지만, 그라우팅 부재의 형성방법은 도시된 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능하다.
상기 선단 폐쇄부재(120)를 형성하는 그라우팅 부재는 이중관 복합 파일(110)의 선단을 완전히 폐쇄할 수 있도록 이중관 복합 파일(110)의 외경보다 큰 직경을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
특히, 지중열교환 구조체(100)의 선단 지지력을 충분히 확보할 수 있도록 상기 그라우팅 부재의 높이(H)는 상기 외부관 부재(111)의 직경의 2 ~ 5배로 구성되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 그라우팅 부재의 높이(H)가 외부관 부재(111)의 직경(D)의 2배보다 작다면 이중관 복합 파일(110)의 선단이 그라우팅 부재에 매입된 깊이(H1)가 작게 되어 충분한 선단 지지력을 확보할 수 없으며, 외부관 부재(111)의 직경의 5배를 초과하는 경우 그라우팅 부재의 깊이가 필요 이상으로 깊어지게 되어 그라우팅 부재의 형성을 위한 굴착깊이가 깊어지고 그라우트 재료의 사용이 많아져 시공기간과 시공비가 증가한다는 문제점이 있다.
또한, 지중열교환 구조체(100)의 선단 지지력을 충분히 확보할 수 있도록 상기 그라우팅 부재 속에 관입되는 상기 이중관 복합 파일(110)의 선단의 높이(H1)는 상기 외부관 부재(111)의 직경(D)의 0.7 ~ 2배로 구성되는 것이 바람직하다. 만약, 이중관 복합 파일(110)의 선단의 높이(H1)가 외부관 부재(111)의 직경(D)의 0.7배보다 작다면 이중관 복합 파일(110)의 충분한 매입이 이루어지지 않아 충분한 지지력을 확보할 수 없으며, 외부관 부재(111)의 직경(D)의 2배보다 크다면 근입 깊이가 필요 이상으로 깊어지게 되어 그라우트 재료의 소모가 많아지게 된다.
한편, 상기 이중관 복합 파일(110)의 내부관 부재(112)에는 액체(물, 염수, 부동액 등)로 구성되는 열교환 매체가 충진될 수 있다. 이러한 열교환 매체는 파형강관으로 이루어지는 내부관 부재(112)와 접촉하여 전도에 의한 열전달을 수행하게 되며, 내부관 내부에 수용된 열교환 매체의 온도차에 따른 대류(C1)뿐만 아니라 내부관 부재(112)의 음각부에서 발생한 난류(C2)에 의한 열교환 매체의 유동이 발생하여 열교환 매체의 온도가 균일해져 열전달 효율이 증가하게 된다.
이러한 점을 고려할 때, 상기 이중관 복합 파일(110) 내부에 수용되는 열교환 파이프(130)는 열교환 매체의 원활한 유동을 유도하기 위하여 개방형 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 열교환 파이프(130)는 이중관 복합 파일(110)의 내부관 부재(112)에 수용된 열교환 매체를 상기 이중관 복합 파일(110)의 외부로 배출시키는 배출관(132)과, 상기 이중관 복합 파일(110)의 외부로부터 상기 내부관 부재(112)에 이동시키는 공급관(131)을 포함하여 구성되며, 배출관(132)과 공급관(131)은 상기 내부관 부재(112)의 내부에서 개방된 구조를 가질 수 있다.
따라서, 배출관(132)을 통하여 배출되는 열교환 매체는 이중관 복합 파일(110) 외부에 배치된 열교환기와 열교환한 후 다시 공급관(131)을 통해 내부관 부재(112)로 순환하게 된다.
이때, 상기 배출관(132)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내부관 부재(112)의 내부로 연장된 형상을 가질 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 내부관 부재(112)의 내부로 연장되지 않고 내부관 부재(112)의 외면에 직접 연결되는 것도 가능하다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 공급관(131) 또는 배출관(132)은 상기 내부관 부재(112)의 내부에서 유동하는 열교환 매체에 와류를 형성하기 위하여, 외주면에 와류 형성부재(135)가 설치될 수 있다.
이와 같이, 나선형 형상의 와류 형성부재(135)가 설치됨으로써 열교환 매체의 유동을 더욱 원활하게 할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체(100)의 시공방법에 대해 살펴 본다. 다만, 도 6 내지 도 9에 도시된 지중열교환 구조체(100)의 시공방법은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열교환 구조체(100)를 설명하기 위하여 단지 참고로만 제시되는 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체(100)는 도 6 내지 도 9에 도시된 시공방법에 한정되지 않고 다양한 방법에 의해서도 시공되거나 구현되는 것도 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 의한 지중열교환 구조체(100)는 열교환용 이중관 복합 파일(110)의 선단을 폐쇄하는 선단 폐쇄부재(120)가 열교환용 이중관 복합 파일(110)에 미리 부착된 상태로 시공되는 것을 배제하는 것도 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)은 굴착 깊이에 따라 복수개로 설치되어 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 설명의 편의상 1차적으로 굴착 장비에 설치되는 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 '선단부 복합 파일'이라고 하고, 최후에 조립되는 이중관 복합 파일(110)은 '상단부 복합 파일'이라고 하고, 선단부 복합 파일과 상단부 복합 파일의 사이에 설치되는 것을 '중간 복합 파일'이라고 정의한다(중간 복합 파일은 관입 깊이에 따라 사용될 수도 있고 사용되지 않는 경우도 있다). 또한, 서로 이웃한 것에 한하여 하부에 배치된 것을 '하부 복합 파일'로, 상부에 배치된 것을 '상부 복합 파일'이라고 정의한다. 이와 같이, 본 발명에서는 이중관 복합 파일(110)은 그 조립 순서와 위치에 따라 명칭이 변경될 수 있다. 이외에 오거스크류(12) 및 이너파이프(13)는 조립되는 순서에 따라 1차, 2차, ...와 같이 번호 차수를 정하여 명명하기로 한다. 한편, 선단 폐쇄부재(그라우팅 부재)(120)의 설치하는 방법의 일 예에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.
먼저, 도 6a 내지 도 6d를 참고하면, 지중열교환용 구조체(100)를 설치하기 위하여, 굴착장비(200), 보조크레인(250), 교반플랜트, 이중관 복합 파일(110) 등의 자재가 현장에 반입된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일(110)을 설치하기 위한 굴착장비(200)는, 일 예로서 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 리더(201)에 안내되어 승강되는 상부오거(202)와 하부오거(204)와, 상부오거(202) 측에 설치된 유압 잭/스위블(206)을 구비할 수 있다.
이러한 굴착장비(200)는 상부오거(202)에 오거스크류(12)가 장착되어 회전 구동되고, 하부 오거(204)에 이중관 복합 파일(110)이 장착되어 회전 구동되도록 구성될 수 있다.
그리고, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 확대비트 헤드(14)에는 피봇 결합되어 이너파이프(13)에 의해 하향 회동하여 펼쳐지고 상향 회동하여 접혀지는 한 쌍의 확대비트 날개(14a)가 설치될 수 있다. 여기서, 도 7a는 한 쌍의 확대비트 날개(14a)가 펼쳐져 있는 상태를 나타내고, 도 7b는 한 쌍의 확대비트 날개(14a)가 접혀진 상태를 나타낸다.
이와 같이, 상기 이너파이프(13)는 상기 유압 잭/스위블(106)에 연결되어 확대비트 날개(14a)를 확대시키고 그 내부로 그라우트 주입이 공급되는 통로의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 그리고, 이너파이프(13)는 오거스크류(12)의 중공 부분에 삽입되고, 오거스크류(12)는 이중관 복합 파일(110) 중공 부분에 삽입된다.
이와 같이 상부 및 하부 오거(102, 104)를 갖는 굴착장비(200)에 이중관 복합 파일(110)을 장착시킨 후 1차 오거스크류(12) 및 이너파이프(13)의 하단에 확대비트 헤드(14)를 연결한다. 이러한 한 세트의 이중관 복합 파일(110)/오거스크류(12)/이너파이프(13)는 보조크레인(도 6c의 250)으로 인양되어 굴착장비(200)에 장착된다(도 6a 참조).
이후, 도 6b 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 선단부 복합 파일(110a)이 매입되도록 선단부 복합 파일(110a)의 수직도를 게이지로 확인 한 후 상부오거(202)를 구동시켜 확대비트 헤드(14)로 굴착함과 동시에 하부오거(204)에 연결된 선단부 복합 파일(110a)을 회전시킨다. 이와 같이, 선단부 복합 파일(110a)이 회전되므로 토사의 방해없이 관입이 용이하게 이루어진다.
여기서, 굴착 중에 원활한 잔류토의 배토와 선단부 복합 파일(110a)의 매입을 위해 이너파이프(13) 내부의 그라우트재 주입구로 공기를 주입하여 시공이 진행될 수 있다.
그 다음, 1차 굴착이 종료되면 굴착장비(200)에서 1차 오거스크류(12) 및 이너파이프(13)를 분리한 후 2차 복합 파일(110b)/오거스크류(22)/이너파이프(23)의 세트를 동일한 방법으로 굴착장비에 장착한다(도 6c참조). 이때 2차 오거스크류(22)/이너파이프(23)의 하부와 1차 오거스크류(12)/이너파이프(13)의 상부를 서로 연결하고, 이어서 선단부(하부, 1차) 복합 파일(110a)과 상단부(상부, 2차) 복합 파일(110b)을 결합시킨다.
여기서, 선단부 복합 파일(110a)과 상단부 복합 파일(110b)의 연결방법은 공지의 다양한 조인트 구조가 사용될 수 있다.
다음으로, 상부오거(202)를 구동시켜 확대비트 헤드(14)로 2차 굴착을 진행하고 동시에 하부오거(204)를 구동시켜 선단부 복합 파일(110a)과 상단부 복합 파일(110b)을 회전시켜서 관입량을 증가시킨다.
여기서, 2차 굴착이 진행된 후 목표심도에 도달될 때까지 이중관 복합 파일(110)의 증설을 확인한 후 추가가 요구될 경우 이중관 복합 파일(110)/오거스크류/이너파이프의 조립 및 연결, 관입이 반복될 수 있다.
다음으로, 확대비트 헤드(14)가 목표심도까지 도달되면, 이중관 복합 파일(110)의 회전을 정지시켜 이중관 복합 파일(110)을 더 이상 관입시키지 않고(확대비트 날개를 확대시키지 않음) 오거스크류(12)만 회전 하강시켜 암반층에 구근부 하단까지 예비굴착을 수행한다(도 8c 참조).
그 다음, 오거스크류(12)를 상승 회전시키면서 확대비트 날개(14a)를 서서히 펼치고 확대비트 날개(14a)가 완전히 확대되면 오거스크류을 승강 반복시켜 확대구근부의 깊이만큼 확대비트 날개(14a)를 상하로 수회 왕복시키면서 암반층에 예비확대구근을 형성시킨다(도 8d 참조). 이때, 예비확대구근은 그라우팅 완료시 선단 폐쇄부재(120)를 형성하게 되며, 선단 폐쇄부재(120)가 이중관 복합 파일(110)을 지지하기 위한 충분한 지지력을 확보할 수 있도록, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 예비확대구근{선단 폐쇄부재(120)}의 높이는 이중관 복합 파일(110)의 외부관 부재(111)의 직경(D)의 2 ~ 5배가 되도록 함이 바람직하다.
그 다음, 예비확대구근이 형성되면 이너파이프(13)를 통해 예비확대구근에 그라우트를 주입하면서 확대비트 날개(14a)를 상하로 반복시키면서 그라우트를 교반하여 확대구근부, 즉 선단 폐쇄부재(120)를 형성한다(도 9b 참조).
이때, 확대비트 날개의 상하 반복으로 그라우트의 교반 성능과 효율이 향상된다. 여기서, 그라우트재와 토사의 혼합을 방지하기 위해 확대비트 날개의 상하 반복 직전에 도 9a와 같이 확대비트 날개를 구근 하단까지 내린 상태에서 그라우트를 주입하여 하단부 토사를 상층으로 이동시키는 작업이 이루어질 수 있다.
그 다음, 확대구근부가 형성되면 그라우트 주입을 중단하고 확대비트 날개(14a)를 접은 후 선단에 위치한 선단부 복합 파일(110a)을 확대구근부의 상단에서 일정 깊이까지 더 근입시킨 후 오거스크류를 인발한다(도 9c 참조). 이때, 확대구근부(선단 폐쇄부재(120)) 속에 관입되는 이중관 복합 파일(110)의 깊이는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 선단부 복합 파일(110)의 외부관 부재(111)의 직경(D)의 0.7 ~ 2배로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 확대구근의 크라우트 양생 시 즉, 오거스크류의 인발 후 최상단측 복합 파일에 복합 파일지지대(150)를 용접하여 지반에 고정시켜 놓으므로써 더 이상의 변형이 없도록 함이 바람직하다(도 6d 및 도 9d 참조).
한편, 상기에서는 처음부터 굴착을 수행하면서 선단부 복합 파일을 매설하였지만 도 8a에 도시된 바와 같이 선단부 복합 파일을 미리 지반에 일정 깊이로 천공된 서비스 홀(5)에 인입시키고, 2차 복합 파일(110b)을 선단부 복합 파일(110a)에 연결한 후 시공이 진행될 수도 있다.
이러한 시공방법에 의하면, 이중관 복합 파일(110)의 회전 관입으로 인해 확대비트 헤드(14)가 굴착시킨 토사의 저항을 받지 않고 관입이 수월하게 이루어져 공기가 단축될 수 있다. 또한, 선단 확대 굴착 후 확대비트를 상하로 왕복시키면서 그라우팅이 이루어져 교반 성능이 향상될 수 있게 된다.
다만, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체(100)는 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 시공방법에 의해 설치되는 것에 한정되지 않고 다른 방법에 의해서도 시공되거나 구현되는 것도 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100... 지중열교환 구조체 110... 열교환용 이중관 복합 파일
111... 외부관 부재 112... 내부관 부재
113... 충진재 120... 선단 폐쇄부재
130... 열교환 파이프 131... 공급관
132... 배출관 135... 와류 형성부재

Claims (12)

  1. 지중열교환을 위하여 지중에 매설되는 열교환용 이중관 복합 파일로서, 단면상 주름이 형성되며, 내부에 열교환매체와 열교환하는 열교환파이프를 수용하기 위한 상하 방향의 공간이 형성되고 상하 방향으로 연장된 내부관 부재; 상기 내부관 부재의 외측에 배치되는 외부관 부재; 및 상기 내부관 부재의 외측에 상기 외부관 부재를 위치시킨 상태에서 상기 내부관 부재의 외부면과 상기 외부관 부재의 내부면 사이의 공간에 충진되는 충진재;를 포함하는 열교환용 이중관 복합 파일;;
    상기 열교환용 이중관 복합 파일의 선단을 밀봉하기 위하여 설치되는 선단 폐쇄부재;; 및
    상기 열교환용 이중관 복합 파일의 내부관 부재에 수용된 열교환 매체와 열교환하기 위하여 설치되는 상기 열교환 파이프;;
    를 포함하며,
    상기 외부관 부재는 지중에 매설되어 지반과 접촉하도록 구성되는,
    열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부관 부재, 외부관 부재 및 충진재는 일체화된 상태로 미리 제작되어 지중에 매설되는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부관 부재는 파형 강관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파형 강관을 형성하는 파(波)의 피치(p)는 파(波)의 깊이의 2 ~ 10배이고,
    파(波)의 마루 또는 골을 형성하는 곡률 반경(r)은 파(波)의 깊이(h)의 1 ~ 3배인 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 외부관 부재는 강관, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 재질의 관, 유리섬유강화플라스틱(GFRP) 재질의 관 중 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 충진재는 콘크리트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 선단 폐쇄부재는 상기 이중관 복합 파일의 선단의 일부분을 수용하면서 폐쇄하며, 상기 이중관 복합 파일의 외경보다 큰 직경을 갖는 그라우팅 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그라우팅 부재의 높이는 상기 외부관 부재의 직경의 2 ~ 5배인 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 그라우팅 부재 속에 관입되는 상기 이중관 복합 파일의 선단의 높이는 상기 외부관 부재의 직경의 0.7 ~ 2배인 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 파이프는 상기 이중관 복합 파일의 내부관 부재에 수용된 열교환 매체를 상기 이중관 복합 파일의 외부로 배출시키는 배출관과, 상기 이중관 복합 파일의 외부로부터 공급받는 공급관을 포함하여 구성되며,
    상기 배출관과 공급관은 상기 내부관 부재의 내부에서 개방된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공급관 또는 배출관은 상기 내부관 부재의 내부에서 유동하는 열교환 매체에 와류를 형성하기 위하여, 외주면에 와류형성 부재가 설치된 것을 특징으로 하는 열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체.
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