KR101756753B1 - 커플링 구조체, 이를 포함하는 지열루프 구조체, 및 지열루프 시공방법 - Google Patents

Abstract

지열루프를 형성하는 지열파이프의 단부에 연결되는 커플링 구조체가 개시되며, 본원의 커플링 구조체는 하부가 상기 지열파이프의 단부에 체결되는 실린더유닛 및 상기 실린더유닛의 상단 개구부를 선택적으로 덮는 커버부를 갖는 커플러를 포함하되, 상기 커버부는 상기 상단 개구부의 둘레에 형성된 회전축을 중심으로 한 회전을 통해, 상기 상단 개구부를 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 놓이게 하는 하나 이상의 커버 피스, 및 상기 커버 피스의 회전축에 상기 상단 개구부를 덮으려는 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

Description

커플링 구조체, 이를 포함하는 지열루프 구조체, 및 지열루프 시공방법{COUPLING APPARATUS, GROUND SOURCE LOOP INCLUDING THE SAME, AND METHOD FOR CONSTRUCTING GROUND SOURCE LOOP}

본원은 커플링 구조체, 커플링 구조체를 포함하는 지열루프 구조체, 및 커플링 구조체를 이용하여 지열루프를 시공하는 방법에 관한 것이다.

지열시스템은 지열루프를 이용한 지중 열교환을 통해, 연중 일정한 온도를 유지하고 있는 지열을 히트펌프 열원으로 이용하여 건물의 냉난방 및 급탕에 활용하는 시스템이다.

도 1은 종래의 지열시스템 구축을 위한 시공방법을 설명하기 위한 개념도이다.

이와 같은 지열시스템 구축과 관련하여 도 1을 참조하면, 종래에는 터파기 등의 토공을 우선 완료한 다음, 천공기, 그라우팅기 등의 장비를 지하 토공면 상에 반입하여 지열루프 설치를 위한 공사를 진행하였다. 이러한 종래의 지하시공 방법의 경우, 천공, 지열루프 설치 등에 있어서 장비 사용을 위해 8 m 이상의 여유 높이(층고)가 확보되어야 했다.

그런데, 토공 완료 후 진행되는 건축 공정이 지열루프 설치 공정과 병행하여 진행되면, 건축 공정상 시공되는 슬라브로 인해 높이 제약이 발생하여 8 m 이상의 층고가 확보되기 어려웠다. 이에 따라, 토공 완료 후에도 건축 공정을 바로 진행하지 못하고, 지열루프 설치 공정이 완료될 때까지 대기하여야 하는 공기 지연의 문제가 있었다. 또한, 상기와 같이 터파기 등의 토공 완료 후 지열루프 설치를 위한 천공 작업을 진행하면, 천공수(지하수)로 인해 토공면 인근 지반이 포화되어 교란되는 문제 또한 존재하였다.

이에 따라 최근에는 터파기 등의 토공을 진행하기 이전에 지상에서 지열루프를 설치하는 시공방법이 개발되고 있다. 구체적으로, 최근의 지상시공 방법은 토공 전 천공 작업을 진행하고, 강봉과 같은 더미부재(dummy element)가 연결된 지열루프를 설치한 다음, 터파기 등의 토공시에 계획한 토공면보다 상측에 배치되는 더미부재 부분을 절단하는 방식을 따랐다.

하지만, 이러한 지상시공 방법은 더미부재만큼의 설치 길이(높이) 증가로 인한 자재비 증가의 문제, 지열루프 설치 후 지상에서의 수압시험이 불가능하여 지열루프의 정상적인 설치 여부의 확인이 어려운 문제, 터파기 등의 토공시 굴착장비에 의해 더미부재에 충격이 가해지면서 더미부재와 연결되어 있는 지열루프에 변형 내지 손상이 발생하고 더미부재의 재사용이 어려워지는 문제 등을 해결하지 못하였다.

등록특허공보 제1241545호

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 토공 이전에 흙막이벽체 시공 공정 등과 병행하여 지상에서 지열루프 설치 공정을 진행함으로써 건축 공정이 지연되는 것을 방지하면서도, 종래의 지상시공 방법에 비해 자재비의 손실을 최소화하고, 지상에서의 수압시험을 가능하게 하며, 지열루프의 변형 내지 손상을 방지할 수 있는 커플링 구조체, 지열루프 구조체, 및 지열루프 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 커플링 구조체는 지열파이프의 단부에 연결되는 커플링 구조체로서, 하부가 상기 지열파이프의 단부에 체결되는 실린더유닛 및 상기 실린더유닛의 상단 개구부를 선택적으로 덮는 커버부를 갖는 커플러를 포함하되, 상기 커버부는 상기 상단 개구부의 둘레에 형성된 회전축을 중심으로 한 회전을 통해, 상기 상단 개구부를 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 놓이게 하는 하나 이상의 커버 피스; 및 상기 커버 피스의 회전축에 상기 상단 개구부를 덮으려는 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따르면, 본원의 제2 측면에 따른 커플링 구조체는 상기 개방 상태에서 상기 상단 개구부를 통해 상기 실린더유닛의 내부에 삽입 고정되는 걸이관을 더 포함하고, 상기 걸이관은 그 외주 중 적어도 일부가 상기 실린더유닛의 내주에 접촉된 상태로 상기 실린더유닛에 체결될 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제3 측면에 따른 지열루프 구조체는 지열파이프; 및 상기 지열파이프의 단부에 연결되는 본원의 제1 측면에 따른 커플링 구조체를 포함할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제4 측면에 따른 지열루프 시공방법은, (a) 지하굴착 이전에 지반을 천공하여 천공부를 형성하는 단계; (b) 상기 천공부에 지열루프를 형성하는 지열파이프 및 상기 지열파이프의 단부에 연결된 본원의 제2 측면에 따른 커플링 구조체를 삽입하는 단계; (c) 상기 지열파이프 외측을 그라우팅하고 상기 커플링 구조체의 커플러로부터 상기 걸이관을 제거한 다음, 상기 천공부를 되메우는 단계; (d) 구조물 시공을 위한 지하굴착을 소정의 토공면까지 수행하는 단계; 및 (e) 상기 커플러에 직접, 또는 상기 커플러를 제거한 상기 지열파이프의 단부에 상기 지열루프를 형성하는 추가파이프를 연결하는 단계를 포함하되, 상기 (c) 단계에서, 상기 걸이관이 제거되면 상기 커버부의 탄성 회복에 의해 상기 실린더유닛의 상단 개구부는 상기 폐쇄 상태로 전환될 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 커플링 구조체를 지열파이프에 연결하여 활용함으로써, 토공 이전에 흙막이벽체 시공 공정 등과 병행하여 지상에서 지열루프 설치 공정을 진행할 수 있어 건축 공정이 지연되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 걸이관의 삽입시에는 개방되었다가 걸이관의 제거시에는 자동적으로 폐쇄되는 커플러를 지열파이프 단부에 연결함으로써, 더미부재에 해당하는 걸이관을 터파기 등의 토공을 시작하기 전에 미리 제거할 수 있어, 더미부재인 걸이관의 재사용이 용이하여 종래의 지상시공 방법에 비해 자재비의 손실이 최소화되고, 걸이관을 통해 지상에서의 수압시험이 가능하며, 더미부재와 굴착장비와의 간섭 우려가 없어 지열루프의 변형 내지 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 지열시스템 구축을 위한 시공방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a는 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체의 개략적인 분해 사시도이다.
도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체의 개략적인 사시도이다.
도 2c는 커버 피스의 정합면에 단턱이 형성된 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 구조체의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 구조체의 개략적인 사시도이다.
도 4는 실링홈에 배치되는 실링부재의 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 부상방지부재의 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 시공방법의 순서도이다.
도 7 내지 도 11은 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 시공방법을 설명하기 위한 개념도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체(이하 '본 커플링 구조체'라 함)(100) 및 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 구조체(이하 '본 지열루프 구조체'라 함)에 대해 설명한다.

도 2a는 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체의 개략적인 분해 사시도이고, 도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체의 개략적인 사시도이다. 또한, 도 3a는 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 구조체의 개략적인 분해 사시도이고, 도 3b는 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 구조체의 개략적인 사시도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 커플링 구조체(100)는 지열루프를 형성하는 지열파이프(200)의 단부에 연결된다.

본 커플링 구조체(100)는 커플러(1)를 포함한다.

커플러(1)는 실린더유닛(11) 및 커버부(12)를 포함한다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실린더유닛(11)은 그 하부가 지열파이프(200)의 단부에 체결되는 구성이다. 이러한 실린더 유닛(11)의 구성에 대해서는 커버부(12)의 구성을 먼저 설명한 다음에 설명하기로 한다.

커버부(12)는 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)를 선택적으로 덮는 구성이다. 여기서, 상단 개구부(11a)를 선택적으로 덮는다는 것의 의미는, 걸이관(2)이 상단 개구부(11a)를 통해 삽입될 때에는 상단 개구부(11a)를 열어두고, 걸이관(2)이 실린더유닛(11)으로부터 분리되어 제거되면 상단 개구부(11a)를 덮어 폐쇄한다는 것을 의미한다.

커버부(12)는 하나 이상의 커버 피스(121) 및 탄성부재를 포함할 수 있다.

커버 피스(121)는 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)의 둘레에 형성된 회전축(123)을 중심으로 한 회전을 통해, 상단 개구부(11a)를 폐쇄 상태(도 2a 참조) 또는 개방 상태(도 2b 참조)에 놓이게 하는 구성이다. 이때 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 회전축(123)은 상단 개구부(11a)의 둘레에 대한 접선 방향을 축 방향으로 할 수 있다.

또한, 탄성부재는 커버 피스(121)에 상단 개구부(11a)를 덮으려는 회전 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 구성이다.

구체적으로 도 2a를 참조하면, 걸이관(2)이 아직 상단 개구부(11a)를 통해 삽입되지 않은 상태에서는, 탄성부재에 의해 커버 피스(121)에 상단 개구부(11a)를 덮으려는 탄성 회복력이 작용되므로, 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)는 커버부(12)로 덮인 폐쇄 상태에 놓이게 된다.

또한 도 2b를 참조하면, 걸이관(2)을 상단 개구부(11a)를 통해 삽입하고자 하는 경우, 손, 도구, 장치 등을 이용하여 커버 피스(121)를 상기 탄성 회복력에 반하는 방향인 상측으로 들어올리면, 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)는 커버부(12)로 덮이지 않고 적어도 일부가 개방된 개방 상태에 놓이게 된다. 이러한 개방 상태에서 걸이관(2)을 상단 개구부(11a)를 통해 실린더유닛(11)의 내부로 삽입하면, 커버 피스(121)는 도 2b에 도시된 바와 같이 걸이관(2)의 외주에 비스듬히 기댄 상태에 놓이게 될 수 있다.

또한, 상술한 탄성부재는 토션스프링, 코일스프링 등과 같은 스프링일 수 있으나 이에만 한정되는 것은 아니다. 탄성부재로는 커버 피스(121)에 회전축(123)을 중심으로 한 회전력을 제공할 수 있는 다양한 구성들이 활용될 수 있다. 아울러, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 탄성부재는 회전축(123)이 배치된 부분에 설치될 수 있다. 예를 들어, 탄성부재는 회전축(123)에 토션스프링을 장착하는 방식으로 구비될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 탄성을 갖는 로프를 이용하여, 로프의 일단은 커버 피스(121)에 연결하고, 로프의 타단은 실린더유닛(11)의 내주에 연결하는 방식도 고려할 수 있다.

또한, 커버 피스(121)는 복수개 구비될 수 있다. 도 2a를 참조하면, 복수개의 커버 피스(121)는 상단 개구부(11a)를 덮었을 때 상단 개구부(11a)가 폐쇄 상태에 놓이도록 서로 정합되는 형상으로 배치될 수 있다. 서로 정합되는 형상이라 함은, 복수개의 커버 피스(121)가 상단 개구부(11a)를 폐쇄 상태로 덮었을 때, 복수개의 커버 피스(121) 사이에 최대한 틈이 형성되지 않도록 커버 피스(121)끼리 기밀하게 맞물릴 수 있는 형상을 의미할 수 있다. 여기서, 커버 피스(121) 사이의 틈은 없거나 미세할수록 바람직하겠지만, 커버 피스(121) 사이에 소정의 크기 이상의 토사가 진입할 수 없는 수준의 틈이 있는 경우에는, 이를 폐쇄 상태에 놓인 것으로 간주할 수도 있을 것이다.

구체적으로 도 2b를 참조하면, 복수개의 커버 피스(121) 각각은 이웃하는 커버 피스(121)의 정합면(121a)과 맞물리는 정합면(121a)을 가질 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 이러한 정합면(121a)은 굴곡이 있는 곡면일 수 있다. 정합면(121a)이 굴곡진 곡면으로 형성되는 경우, 커버 피스(121) 사이에 제작오차 등의 공차로 인해 미세한 틈이 형성되더라도, 그 틈이 비틀린 곡선 형태로 형성될 가능성이 높아져 외부로부터의 토사 등의 이물질의 유입이 방지될 수 있다.

도 2c는 커버 피스의 정합면에 단턱이 형성된 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2c를 참조하면, 커버 피스(121)의 정합면(121a)에는 정합면(121a)을 따라 단턱(121b)이 형성될 수 있다. 예를 들어 도 2c에 도시된 커버 피스(121) 중 좌측에 위치한 커버 피스(121)의 우측의 정합면(121a)에는 그 상측(폐쇄 상태 기준 상측)이 하향 함몰된 형상(이를 테면 "ㄴ" 형상)으로 단턱(121b)이 형성될 수 있다. 이와 반대로, 도 2c에 도시된 커버 피스(121) 중 우측에 위치한 커버 피스(121)의 좌측의 정합면(121a)에는 그 하측(폐쇄 상태 기준 하측)이 상향 함몰된 형상(이를 테면 "ㄱ" 형상)으로 단턱(121b)이 형성될 수 있다. 이 경우, 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)의 폐쇄 상태에서 상측이 하향 함몰된 형상("ㄴ" 형상)의 단턱(121b) 상에 하측이 상향 함몰된 형상("ㄱ" 형상)의 단턱(121b)이 안착될 수 있다.

이처럼 하나의 커버 피스(121)의 정합면(121a)이 계단과 같이 단차지게 형성되고, 그와 이웃하는 커버 피스(121)의 정합면(121a)은 반대 방향으로 단차지게 형성되도록 하여 단턱(121a)끼리 서로 맞물리게 함으로써, 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)의 폐쇄 상태에서 외부로부터의 토사, 자갈 등의 이물질 유입이 보다 원천적으로 차단될 수 있다.

한편, 실린더유닛(11)은 몸체부(111) 및 체결부(112)를 포함할 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 몸체부(111)는 지열파이프(200)의 단부 상에 위치하는 구성이다. 몸체부(111)는 내부가 상하 방향으로 통공된 실린더 형상일 수 있다. 또한, 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)는 몸체부(111)의 상단에 형성될 수 있다. 또한, 후술할 걸이관(2)은 상단 개구부(11a)를 통해 몸체부(111)의 내부에 삽입 고정될 수 있다. 이에 대해서는 걸이관(2)을 설명하면서 보다 상세히 후술하기로 한다.

또한, 체결부(112)는 몸체부(111)로부터 하향 돌출될 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 체결부(112)는 지열파이프(200)의 단부 내부에 삽입될 수 있다.

체결부(112)는 그 외주 중 적어도 일부가 지열파이프(200)의 단부의 내주에 접촉된 상태로 지열파이프(200)에 체결될 수 있다. 이러한 접촉된 상태의 체결을 통해 지열파이프(200)와 커플러(1)가 상호 연결된 부분의 기밀성이 소정 이상 유지될 수 있다. 이를 통해 지상에서의 걸이관(2)을 통한 지열파이프(200)의 수압시험이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 체결부(112)는 원하는 시기에 지열파이프(200)로부터 분리할 수 있도록, 지열파이프(200)에 착탈 가능하게 체결될 수 있다.

구체적인 예로 도 3a를 참조하면, 체결부(112)의 외주 중 적어도 일부에는 수나사산이 형성될 수 있다. 이에 대응하여, 지열파이프(200)의 단부 내주에는 체결부(112)의 수나사산과 나사 체결되는 암나사산이 형성될 수 있다. 이와 같이 나사 결합 방식을 채용함으로써, 체결부(112)의 외주와 지열파이프(200) 단부의 내주 간 접촉면적이 더욱 넓어져 연결부의 기밀성이 보다 높게 유지될 수 있다.

또한 도 3a를 참조하면, 체결부(112)의 외주에는 둘레를 따라 제1 실링홈(112a)이 형성될 수 있다. 아울러, 체결부(112)는 제1 실링홈(112a)을 따라 배치되는 제1 실링부재(112b)를 포함할 수 있다. 예를 들어 제1 실링부재(112b)는 오링(O-ring) 형태일 수 있다. 또한, 제1 실링부재(112b)는 고무 재질일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

도 4는 실링홈에 배치되는 실링부재의 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 제1 실링부재(112b)는 체결부(112)의 외주면보다 외측으로 돌출되어, 체결부(112)가 지열파이프(200)의 단부 내부에 삽입되었을 때 내측 반경방향으로 탄성 압축될 수 있다. 이러한 실링 방식을 통해, 지열파이프(200)와 커플러(1)가 상호 연결된 부분의 기밀성이 보다 높게 유지될 수 있다. 또한, 실링 방식과 전술한 나사 결합 방식을 유기적으로 조합하면 연결부의 기밀성은 더욱 높게 유지될 수 있을 것이다.

또한, 본 커플링 구조체(200)는 걸이관(2)을 포함할 수 있다.

걸이관(2)은 커버부(12)가 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)를 덮지 않은 개방 상태에서 상단 개구부(11a)를 통해 실린더유닛(11)의 내부에 삽입될 수 있다.

지열루프를 이용한 지열시스템 구축에 있어서, 터파기 등과 같은 토공 후의 토공면(520; 도 10 참조) 상에 지열파이프(200)의 단부가 위치하도록 계획될 수 있다. 이 경우, 커플러(1)와 걸이관(2)은 지열파이프(200)의 단부를 터파기 등과 같은 토공 이전에 지상까지 연결하여 주는 역할을 할 수 있다(도 8 참조). 즉, 걸이관(2)의 길이는 토공 전의 지면과 토공 후의 토공면(520) 사이의 높이 차이를 고려하여 설정될 수 있다.

또한, 걸이관(2)은 그 외주 중 적어도 일부가 실린더유닛(11)의 내주에 접촉된 상태로 실린더유닛(11)에 체결될 수 있다. 이러한 접촉된 상태의 체결을 통해 커플러(1)와 걸이관(2)이 상호 연결된 부분의 기밀성이 소정 이상 유지될 수 있다. 이를 통해 지상에서의 걸이관(2)을 통한 지열파이프(200)의 수압시험이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 걸이관(2)은 실린더유닛(11)에 착탈 가능하게 체결될 수 있다. 예를 들어, 터파기와 같은 토공 이전에 걸이관(2)을 통해 지상에서 지열파이프(200)에 대한 수압시험을 마친 후, 걸이관(2)은 커플러(1)로부터 분리하여 제거될 수 있다.

예시적으로, 걸이관(2)의 하부 외주에는 수나사산이 형성될 수 있다. 이에 대응하여, 실린더유닛(11)의 상부 내주에는 걸이관(2)의 수나사산과 나사 체결되는 암나사산이 형성될 수 있다. 이와 같이 나사 결합 방식을 채용함으로써, 걸이관(2)의 외주와 실린더유닛(11)(이를 테면 몸체부(111))의 내주 간 접촉면적이 더욱 넓어져 연결부의 기밀성이 보다 높게 유지될 수 있다. 또한, 나사 결합 방식을 채용함으로써, 걸이관(2)은 실린더유닛(11)에 착탈 가능하게 체결될 수 있다.

또한, 걸이관(2)의 하부 외주에는 둘레를 따라 제2 실링홈(2a)이 형성될 수 있다. 아울러, 걸이관(2)은 제2 실링홈(2a)에 배치되는 링 형상의 제2 실링부재(2b)를 포함할 수 있다. 예를 들어 제2 실링부재(2b)는 오링(O-ring) 형태일 수 있다. 또한, 제2 실링부재(2b)는 고무 재질일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 제2 실링부재(2b)는 걸이관(11)의 외주면보다 외측으로 돌출되어, 걸이관(11)이 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)에 삽입되었을 때 내측 반경방향으로 탄성 압축될 수 있다. 이러한 실링 방식을 통해, 커플러(1)와 걸이관(2)이 상호 연결된 부분의 기밀성이 보다 높게 유지될 수 있다. 또한, 실링 방식과 전술한 나사 결합 방식을 유기적으로 조합하면 연결부의 기밀성은 더욱 높게 유지될 수 있을 것이다.

한편, 본 지열루프 구조체는 지열파이프(200) 및 전술한 본 커플링 구조체(100)를 포함한다.

지열파이프(200)는 지열시스템의 지열루프를 형성하는 구성이다. 지열파이프(200)에는 지열루프에 사용되는 통상적인 파이프가 적용될 수 있다. 예시적으로, 지열파이프(200)는 PE 파이프일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 지열파이프(200)는 향후 지열루프(loop)를 형성하므로, 후술할 도 8에 도시된 바와 같이 하단부 절곡된 "U"자 형상으로 지하에 배치될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 본 커플링 구조체(100)는 지열파이프(200)의 단부에 연결된다. 본 커플링 구조체(100)에 대해서는 앞서 구체적으로 설명한 바 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 지열루프 구조체는 부상방지유닛(300)을 포함할 수 있다.

도 5는 부상방지부재의 일 구현예를 설명하기 위한 개념도이다.

부상방지유닛(300)은 지열파이프(200)의 부상(floating)이 방지되도록 지열파이프(200)의 외주에 설치되는 구성이다.

도 5 및 후술할 도 8을 참조하면, 부상방지유닛(300)은 지열파이프(200)의 외주에서 상향 연장되되, 위로 갈수록 지열파이프(200)의 외주로부터 이격되어 벌어지는 복수개의 쐐기부재(310)를 포함할 수 있다. 이러한 쐐기부재(310)는 지열파이프(200)에 지하수 등으로 인한 부력이 작용하여 지열파이프(200)가 원치 않게 상승되지 못하도록 일정 높이에 고정하는 역할을 할 수 있다. 아울러, 천공부(510) 주변에 소정의 지반 침하가 발생하는 경우, 침하되는 지반과 연동하여 이동되도록 함으로써, 침하되는 지반에 대해 지열파이프(200)가 상대적으로 상승 이동되는 것을 방지하는 역할 또한 수행할 수 있다.

도 5를 참조하면, 쐐기부재(310)가 벌어지는 폭은 천공부(510)의 내주와 지열파이프(200) 사이의 간격을 고려하여, 천공부(510)의 내주에 대해 소정의 쐐기 효과가 발휘될 수 있는 폭으로 결정함이 바람직하다.

또한 도 5를 참조하면, 복수개의 쐐기부재(310)는 상부 말단부(311)(꺾쇠부)가 상기 지열파이프의 외측 반경방향으로 더욱 절곡될 수 있다. 이러한 상부 말단부(311)를 통해, 지열파이프(200)의 부상(상승 이동)을 방지하는 쐐기 효과가 천공부(510)의 내주에 대하여 더욱 강하게 발휘될 수 있다.

또한, 복수개의 쐐기부재(310)는 상부 말단부(311)에 작용하는 누름 압력에 대하여 소정의 휨 탄성을 가질 수 있다. 이러한 휨 탄성을 통해, 쿠션 효과 내지 완충 효과가 발휘될 수 있다.

한편, 이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 시공방법(이하 '본 지열루프 시공방법'이라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 지열루프 시공방법은 전술한 본원의 일 실시예에 따른 커플링 구조체를 이용하여 이루어지는 시공방법으로서, 앞서 살펴본 구성과 동일하거나 유사한 구성에 대하여는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.

도 6은 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 시공방법의 순서도이다. 도 7 내지 도 11은 본원의 일 실시예에 따른 지열루프 시공방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 지하굴착 이전에 지반(500)을 천공하여 천공부(510)를 형성하는 단계(S10)를 포함한다.

건물과 같은 구조물 시공을 위해서는 터파기 등을 통해 지하굴착(도 10 참조)이 이루어질 수 있다. 도 7을 참조하면, 이러한 지하굴착이 이루어지기 전(터파기 등의 토공 이전)에 지열루프를 설치하기 위한 천공부(510)가 먼저 형성될 수 있다. 이러한 S10 단계 및 후술할 S20 단계 내지 S30 단계 중 적어도 하나 이상과 병행하여, 도 7에 도시된 바와 같은 흙막이벽(530) 구축 작업이 함께 이루어질 수 있다. 이처럼 본 지열루프 시공방법은 적어도 일부의 공정이 흙막이벽(530) 시공과 병행하여 이루어질 수 있고, 향후 건축 공정의 진행을 방해하지 않으므로, 종래의 지하시공 방법에 비해 공기를 단축할 수 있다.

참고로, 흙막이벽(530) 시공은 지하 구조(지하 층)을 갖는 구조물(건물) 시공시에 터파기 등의 토공이 진행되기 전에 그 선행 작업으로 이루어지는 것으로서, 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.

또한 도 6을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 천공부(510)에 지열루프를 형성하는 지열파이프(200) 및 지열파이프(200)의 단부에 연결된 커플링 구조체(100)를 삽입하는 단계(S20)를 포함한다. 이때, 커플링 구조체(100)는 커플링(1) 및 걸이관(2)을 포함하는 구성이다.

도 8을 참조하면, 지열파이프(200)는 천공부(510)에 배치하였을 때 토공면(520) 상에 그 단부가 노출되도록 구비함이 바람직하다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 지열파이프(200)는 루프를 형성하도록 절곡 형성될 수 있다. 지열파이프(200)와 커플링 구조체(100)의 연결 관계는 앞서 설명한 바 있으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도 8을 참조하면, 걸이관(2)은 지열파이프(200)의 단부에 연결된 커플러(1)에 착탈 가능하게 체결될 수 있다. 또한, 걸이관(2)은 터파기와 같은 토공 이전에 그 단부가 지상에 노출될 수 있는 정도의 길이로 구비됨이 바람직하다. 이러한 걸이관(2)의 단부를 통해 천공부(510) 하측에 배치된 지열파이프(200)에 대한 수압시험이 이루어질 수 있다.

또한 도 8을 참조하면, 전술한 바와 같이 지열파이프(200)에는 부상방지부재(300)가 설치되어, 지하수의 부력, 지반 침하 등으로 인한 지열파이프(200)의 예기치 못한 부상(float)을 방지할 수 있다.

또한, S20 단계에서, 천공부(510) 내부에는 커플링 구조체(100)의 걸이관(2)을 둘러싸는 케이싱(20)이 설치될 수 있다. 케이싱(20)은 천공부(510)의 내주를 지탱하는 역할을 할 수 있으며, 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도 6 및 도 8을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 전술한 S20 단계와 후술할 S30 단계 사이에, 커플링 구조체(100)의 걸이관(2)을 통해 지열루프에 대한 수압시험을 수행하는 단계(S25)를 포함할 수 있다. S25 단계에서의 지열루프에 대한 수압시험은 구조물 시공을 위한 본격적인 토공에 앞서 지상에서 이루어지는 수압시험이다. 본 지열루프 시공방법은 천공부(510)에 배치된 지열파이프(200)에 커플러(1)와 걸이관(2)을 연결함으로써, 걸이관(2) 단부를 통해 지상에서 이루어질 수 있다.

또한 도 6을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 지열파이프(200) 외측을 그라우팅하고 커플링 구조체(100)의 커플러(1)로부터 걸이관(2)을 제거한 다음, 천공부(510)를 되메우는 단계(S30)를 포함한다.

예시적으로 도 9를 참조하면, 그라우팅은 향후 터파기 등의 토공시의 토공면(520)에 대응하는 깊이만큼 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 그라우팅부(550)의 형성에 앞서, 천공부(510)의 하부에는 콩자갈부(540)가 마련될 수 있다.

또한 전술한 바와 같이, 걸이관(2)은 커플러(1)의 실린더유닛(11)에 착탈 가능하게 체결되어 있으므로, S30 단계에서 커플러(1)로부터 분리하여 지상으로 빼낼 수 있다. 이처럼 본원에 의하면, 터파기와 같은 토공 이전에 걸이관(2)을 제거함으로써, 굴착장비와의 간섭 등으로 인한 변형 내지 손상이 전혀 없는 상태의 걸이관(2)를 확보될 수 있다. 이렇게 커플러(2)로부터 분리한 걸이관(2)은 다른 천공부 또는 다른 시공현장에서 재사용될 수 있다.

또한 S30 단계에서, 걸이관(2)이 제거되면 커버부(12)의 탄성 회복에 의해 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)는 폐쇄 상태로 전환될 수 있다. 구체적으로 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 걸이관(2)이 커플러(1)에 체결된 상태는 도 2b에 도시된 바와 같은 개방 상태이고, 걸이관(2)이 커플러(2)로부터 제거된 상태는 도 2a에 도시된 바와 같은 폐쇄 상태이다. 이처럼 본원에 의하면, 커플러(1)로부터 걸이관(2)을 분리하여 들어올리는 즉시 커버부(12)가 실린더유닛(11)의 상단 개구부(11a)를 자동적으로 덮어 폐쇄하므로, 걸이관(2) 제거시 지열파이프(200) 내부로 토사, 자갈 등의 이물질이 유입되는 것이 방지될 수 있다.

이처럼 본원에 의하면, 걸이관(2)을 통해 지상에서 지열파이프(200)에 대한 수압시험을 진행할 수 있을 뿐만 아니라, 걸이관(2)을 커플러(1)로부터 손상없이 분리할 수 있어 걸이관(2)의 재활용이 가능하며, 걸이관(2)을 제거하더라도 지열파이프(200)로의 이물질 유입이 원천 차단될 수 있어 터파기 등의 토공에 들어가기에 앞서 미리 걸이관(2)을 제거해둘 수 있는바, 종래에 비해 훨씬 원활한 지열루프 시공이 이루어질 수 있다.

또한, S30 단계에서 걸이관(2)을 제거할 때, S20 단계에서 설치된 케이싱(20)이 함께 제거될 수 있다.

또한 도 6을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 구조물 시공을 위한 지하굴착을 소정의 토공면(520)까지 수행하는 단계(S40)를 포함한다. S40 단계에 의하면, 예를 들어 도 9의 상태에서 도 10의 상태로 지하굴착이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이, S40 단계 수행 전에 걸이관(2)이 이미 제거된 상태이므로, S40 단계에서 굴착장비가 걸이관(2)을 신경쓰지 않고 보다 신속하고 원활한 굴착 작업을 수행할 수 있다. 이러한 지하굴착 공정은 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 공정이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도 6을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 커플러(1)에 직접, 또는 커플러(1)를 제거한 지열파이프(200)의 단부에 지열루프를 형성하는 추가파이프(400)를 연결하는 단계(S50)를 포함한다. 예를 들어 도 11을 참조하면, 지열파이프(200)로부터 커플러(1)를 제거한 다음 지열파이프(200)의 단부에 추가파이프(400)가 연결될 수 있다. 다른 예로 도면에는 구체적으로 도시되지 않았으나, 지열파이프(200)로부터 커플러(1)를 제거하지 않고 커플러(1)에 추가파이프(400)가 연결될 수 있다. 본원에 의하면 S50 단계 이전에 천공부(510)의 천공 및 지열파이프(200) 설치가 모두 완료되므로, S50 단계에서는 천공기와 같은 높은 형고를 필요로 하는 대형장비가 요구되지 않는다. 따라서, 본원의 S50 단계는 건축 공정과 병행하여 진행될 수 있어, 종래에 터파기 등의 토공 후 야기되었던 공기 지연 등의 문제가 해소될 수 있다.

여기서, 추가파이프(400)는 지열파이프(200)에 추가적으로 연결되어 지열루프를 형성하는 구성으로서, 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도 6 및 도 11을 참조하면, 본 지열루프 시공방법은 S50 단계 이후에, 지열루프에 대한 수압시험을 수행하는 단계(S55)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 토공 전(S20 단계와 S30 단계 사이) 지상에서 1차 수압시험을 진행하여 지열파이프(200)의 이상 여부를 판정할 수 있고, 토공 및 추가파이프(400) 설치 후(S50 단계 이후)에 2차 수압시험을 진행하여 지열파이프(200)와 추가파이프(400)를 포함하는 지열루프의 이상 여부를 판정할 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 커플링 구조체
1: 커플러 11: 실린더유닛
11a: 상단 개구부 111: 몸체부
112: 체결부 112a: 제1 실링홈
112b: 제1 실링부재 12: 커버부
121: 커버 피스 121a: 정합면
121b: 단턱 123: 회전축
2: 걸이관(hanging pipe) 2a: 제2 실링홈
2b: 제2 실링부재 20: 케이싱
200: 지열파이프 300: 부상방지유닛
310: 쐐기부재 311: 상부 말단부
400: 추가파이프 500: 지반
510: 천공부 520: 토공면
530: 흙막이벽 540: 콩자갈부
550: 그라우팅부 560: 되메움부

Claims (18)

1. 지열파이프의 단부에 연결되는 커플링 구조체로서,
   하부가 상기 지열파이프의 단부에 체결되는 실린더유닛 및 상기 실린더유닛의 상단 개구부를 선택적으로 덮는 커버부를 갖는 커플러를 포함하되,
   상기 커버부는
   상기 상단 개구부의 둘레에 형성된 회전축을 중심으로 한 회전을 통해, 상기 상단 개구부를 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 놓이게 하는 하나 이상의 커버 피스; 및
   상기 커버 피스에 상기 상단 개구부를 덮으려는 회전 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 탄성부재를 포함하고,
   상기 개방 상태에서, 상기 실린더유닛의 내부에는 상기 상단 개구부를 통해 걸이관의 삽입이 가능하며,
   상기 걸이관의 하부 외주에는 수나사산이 형성되고 상기 실린더유닛의 상부 내주에는 상기 걸이관의 수나사산과 나사 체결되는 암나사산이 형성되어, 상기 걸이관은 그 외주 중 적어도 일부가 상기 실린더유닛의 내주에 접촉된 상태로 상기 실린더유닛에 착탈 가능하게 체결되는 것인, 커플링 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전축은 상기 상단 개구부의 둘레에 대한 접선 방향을 축 방향으로 하는 것인, 커플링 구조체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 커버 피스는 복수개 구비되고,
   상기 복수개의 커버 피스는 상기 상단 개구부를 덮었을 때 상기 상단 개구부가 상기 폐쇄 상태에 놓이도록 서로 정합되는 형상으로 배치되는 것인, 커플링 구조체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수개의 커버 피스 각각은 이웃하는 커버 피스의 정합면과 맞물리는 정합면을 가지고,
   상기 정합면은 굴곡이 있는 곡면인 것인, 커플링 구조체.
5. 제1항에 있어서,
   상기 실린더유닛은,
   몸체부; 및
   상기 몸체부로부터 하향 돌출되고, 상기 지열파이프의 단부 내부에 삽입 고정되는 체결부를 포함하고,
   상기 체결부는 그 외주 중 적어도 일부가 상기 지열파이프의 단부의 내주에 접촉된 상태로 상기 지열파이프에 체결되는 것인, 커플링 구조체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 체결부의 외주 중 적어도 일부에는 수나사산이 형성되고,
   상기 지열파이프의 단부 내주에는 상기 체결부의 수나사산과 나사 체결되는 암나사산이 형성되는 것인, 커플링 구조체.
7. 제6항에 있어서,
   상기 체결부의 외주에는 둘레를 따라 제1 실링홈이 형성되고,
   상기 체결부는 상기 제1 실링홈을 따라 배치되는 제1 실링부재를 포함하며,
   상기 제1 실링부재는 상기 체결부의 외주면보다 외측으로 돌출되어, 상기 체결부가 상기 지열파이프의 단부 내부에 삽입되었을 때 내측 반경방향으로 탄성 압축되는 것인, 커플링 구조체.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 걸이관의 하부 외주에는 둘레를 따라 제2 실링홈이 형성되고,
    상기 걸이관은 상기 제2 실링홈을 따라 배치되는 제2 실링부재를 포함하며,
    상기 제2 실링부재는 상기 걸이관의 외주면보다 외측으로 돌출되어, 상기 걸이관이 상기 실린더유닛의 상단 개구부에 삽입되었을 때 내측 반경방향으로 탄성 압축되는 것인, 커플링 구조체.
11. 지열파이프; 및
    상기 지열파이프의 단부에 연결되는 커플링 구조체를 포함하되,
    상기 커플링 구조체는,
    하부가 상기 지열파이프의 단부에 체결되는 실린더유닛 및 상기 실린더유닛의 상단 개구부를 선택적으로 덮는 커버부를 갖는 커플러를 포함하고,
    상기 커버부는
    상기 상단 개구부의 둘레에 형성된 회전축을 중심으로 한 회전을 통해, 상기 상단 개구부를 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 놓이게 하는 하나 이상의 커버 피스; 및
    상기 커버 피스에 상기 상단 개구부를 덮으려는 회전 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 탄성부재를 포함하고,
    상기 개방 상태에서, 상기 실린더유닛의 내부에는 상기 상단 개구부를 통해 걸이관의 삽입이 가능하며,
    상기 걸이관의 하부 외주에는 수나사산이 형성되고 상기 실린더유닛의 상부 내주에는 상기 걸이관의 수나사산과 나사 체결되는 암나사산이 형성되어, 상기 걸이관은 그 외주 중 적어도 일부가 상기 실린더유닛의 내주에 접촉된 상태로 상기 실린더유닛에 착탈 가능하게 체결되는 것인, 지열루프 구조체.
12. 제11항에 있어서,
    상기 지열파이프의 부상(floating)이 방지되도록 상기 지열파이프의 외주에 설치되는 부상방지유닛을 더 포함하는 지열루프 구조체.
13. 제12항에 있어서,
    상기 부상방지유닛은 상기 지열파이프의 외주에서 상향 연장되되, 위로 갈수록 상기 지열파이프의 외주로부터 이격되어 벌어지는 복수개의 쐐기부재를 포함하는 것인, 지열루프 구조체.
14. 제13항에 있어서,
    상기 복수개의 쐐기부재는 상부 말단부가 상기 지열파이프의 외측 반경방향으로 더욱 절곡되는 것인, 지열루프 구조체.
15. 제13항에 있어서,
    상기 복수개의 쐐기부재는 상부 말단부에 작용하는 누름 압력에 대하여 소정의 휨 탄성을 갖는 것인, 지열루프 구조체.
16. 지열루프 시공방법에 있어서,
    (a) 지하굴착 이전에 지반을 천공하여 천공부를 형성하는 단계;
    (b) 상기 천공부에 지열루프를 형성하는 지열파이프 및 상기 지열파이프의 단부에 연결된 커플링 구조체를 삽입하는 단계;
    (c) 상기 지열파이프 외측을 그라우팅하고 상기 커플링 구조체의 커플러로부터 걸이관을 제거한 다음, 상기 천공부를 되메우는 단계;
    (d) 구조물 시공을 위한 지하굴착을 소정의 토공면까지 수행하는 단계; 및
    (e) 상기 커플러에 직접, 또는 상기 커플러를 제거한 상기 지열파이프의 단부에 상기 지열루프를 형성하는 추가파이프를 연결하는 단계를 포함하되,
    상기 (b) 단계에서 삽입되는 커플링 구조체는, 하부가 상기 지열파이프의 단부에 체결되는 실린더유닛, 및 상기 실린더유닛의 상단 개구부를 선택적으로 덮는 커버부를 갖는 상기 커플러를 포함하고,
    상기 커버부는, 상기 상단 개구부의 둘레에 형성된 회전축을 중심으로 한 회전을 통해, 상기 상단 개구부를 폐쇄 상태 또는 개방 상태에 놓이게 하는 하나 이상의 커버 피스, 및 상기 커버 피스에 상기 상단 개구부를 덮으려는 회전 방향으로의 탄성 회복력을 제공하는 탄성부재를 포함하며,
    상기 개방 상태에서, 상기 실린더유닛의 내부에는 상기 상단 개구부를 통해 상기 걸이관의 삽입이 가능하고,
    상기 걸이관은 그 외주 중 적어도 일부가 상기 실린더유닛의 내주에 접촉된 상태로 상기 실린더유닛에 착탈 가능하게 체결되며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 걸이관이 제거되면 상기 커버부의 탄성 회복에 의해 상기 실린더유닛의 상단 개구부는 상기 폐쇄 상태로 전환되는 것인, 지열루프 시공방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 상기 커플링 구조체의 걸이관을 통해 상기 지열루프에 대한 수압시험을 수행하는 단계를 더 포함하는, 지열루프 시공방법.
18. 제16항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 천공부 내부에는 상기 커플링 구조체의 걸이관을 둘러싸는 케이싱이 설치되고,
    상기 (c) 단계에서, 상기 케이싱이 제거되는 것인, 지열루프 시공방법.

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