KR101869031B1 - 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관정 설치 공법에 관한 것으로서, 상세하게는 건축물을 시공하기 위해 지반을 굴착하고, CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱을 삽입한 다음 모르타르를 타설하여 일렬로 기둥을 연속 설치하는 CIP 공법으로 흙막이를 형성시 임의의 CIP 케이싱을 삽입한 다음, 이의 내부 저면 중앙부를 일정 깊이 천공하여 관정용 케이싱을 삽입한 후 관정용 케이싱 내부를 통해 200~500m 깊이로 관정을 천공하도록 함으로써, 흙막이 작업시 관정 작업을 동시에 진행하여 소음 발생을 최소화시켜 민원을 해결하고, CIP 케이싱을 이용하여 관정을 형성함으로써 관정을 형성하기 위한 별도의 부지가 불필요하며, 관정의 개수를 CIP 케이싱의 수에 비례하여 형성할 수 있기 때문에 용량을 증대시켜 효율을 높이도록 하는 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법에 관한 것이다.

Description

개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법{METHOD FOR INSTALLING TUBE WELL FOR OPEN UNDERGROUND HEAT EXCHANGER}

본 발명은 관정 설치 공법에 관한 것으로서, 상세하게는 건축물을 시공하기 위해 지반을 굴착하고, CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱을 삽입한 다음, 모르타르를 타설하여 일렬로 기둥을 연속 설치하는 CIP 공법으로 흙막이를 형성시, 임의의 CIP 케이싱을 삽입한 다음, 이의 내부 저면 중앙부를 일정 깊이 천공하여 관정용 케이싱을 삽입한 후, 관정용 케이싱 내부를 통해 200~500m 깊이로 관정을 천공하도록 함으로써, 흙막이 작업시 관정 작업을 동시에 진행하여 소음 발생을 최소화시켜 민원을 해결하고, CIP 케이싱을 이용하여 관정을 형성함으로써 관정을 형성하기 위한 별도의 부지가 불필요하며, 관정의 개수를 CIP 케이싱의 수에 비례하여 형성할 수 있기 때문에 용량을 증대시켜 효율을 높이도록 하는 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법에 관한 것이다.

최근 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경적인 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 대체 에너지 중에서도 친환경적이고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양광, 지열 등의 대체 에너지 개발 사업이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체 에너지를 이용한 냉난방장치가 적극 개발되어 사용되고 있다.

그런데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후조건에 거의 제약을 받지 않고 연중 운전이 가능하며, 열저장이나 수송을 필요로 하지 않는 안전한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮다는 단점이 있다. 특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치 장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 날씨 및 풍량에 영향을 많이 받으므로 설치 지역이 한정되어 있으며, 이들 장치는 단위 장치 당 에너지 생산용량이 적고, 초기 투자비용 및 유지 관리 비용이 많이 소요된다.

따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 개발되어 이용되고 있는데, 지열 에너지를 이용하기 위해서는 지중 열교환기를 설치해야 되며, 열교환 파이프를 매설하는 방법에 따라 수직형, 수평형, 지하수형 및 에너지 파일형으로 구분할 수 있다.

열교환 파이프를 매설하는 방법 중 수직형은 직경 100∼200㎜의 열교환 파이프를 깊이 100∼200m 수직으로 매설하는 것으로 설치장소를 많이 차지하지 않아 대도시 등의 장소가 협소한 곳에 일반적으로 사용되고, 열성능이 우수한 장점이 있으나, 시공비가 높은 단점이 있다.

수평형은 시공비가 저렴하고 시공이 용이하고 설치 후에 유지보수가 간단하지만, 넓은 부지가 필요하고, 수직형에 비해서 열 성능이 미흡하며, 부지 문제로 인하여 도심지에 설치가 불가능하여 국내에서는 시공된 사례가 거의 없다.

지하수형은 지하수에 직접 열교환 파이프를 매설하기 때문에, 시공비가 저렴하고, 열 성능이 우수하며 설치부지가 협소해도 된다.

에너지 파일형은 열교환 파이프를 구조물의 기초로 사용하는 기존의 PHC 파일, 강관 등의 중공파일의 내부에 삽입하여 그라우팅한 것으로, 열교환 효율을 높일 수 있고, 타 방법과 비교해서 추가적인 설치장소 및 굴착비용이 필요하지 않아 기존 방법에 비해 시공비를 30 ~ 50% 절감할 수 있어 경제성이 매우 우수하다.

상기 에너지 파일형의 지중 열교환기를 설치시에는, 공장에서 미리 생산된 강관 파일, PHC 파일, PC 파일, RC 파일 등을 타입공법(타격, 진동)이나 매입공법 등의 방법으로 지중에 매입하는데, 상기 파일은 그 지반의 상태에 따라 연속으로 타격되며, 적정하게 타격된 뒤에는 지반 상부로 돌출된 파일을 적절히 절단하고 그 선단부를 보강하게 되는 바, 이렇게 파일 선단부를 정리하면서 보강하는 것을 두부정리(頭部整理)라 하며, 이러한 두부를 정리하고 보강한 다음에는 철근을 배근하고, 기초 콘크리트를 타설하게 된다.

그러나, 이러한 종래의 에너지 파일형은 기존의 PHC 파일, 강관 등의 중공파일의 내부에 삽입하여 그라우팅하기 때문에 그 삽입 깊이가 낮아 효율이 떨어지고, 이로 인해 더 많은 개수를 설치해야만 하기 때문에 공사비용이 증대되는 문제점이 있다.

또한, 중공파일을 지반에 세우고 처음부터 직접 타격하여 삽입하거나 지반을 미리 오거로 소요지점까지 뚫고, 암반에 파일을 타격하여 삽입하기 때문에 파일 삽입에 따른 소음 발생으로 민원이 유발되는 문제점이 있다.

국내 등록특허공보 10-1076194호 국내 공개특허공보 10-2016-0062783호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 건축물을 시공하기 위해 지반을 굴착하고, CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱을 삽입한 다음, 모르타르를 타설하여 일렬로 기둥을 연속 설치하는 CIP 공법으로 흙막이를 형성시, 임의의 CIP 케이싱을 삽입한 다음, 이의 내부 저면 중앙부를 일정 깊이 천공하여 관정용 케이싱을 삽입한 후, 관정용 케이싱 내부를 통해 200~500m 깊이로 관정을 천공하도록 함으로써, 흙막이 작업시 관정 작업을 동시에 진행하여 소음 발생을 최소화시켜 민원을 해결하고, CIP 케이싱을 이용하여 관정을 형성함으로써, 관정을 형성하기 위한 별도의 부지가 불필요하며, 관정의 개수를 CIP 케이싱의 수에 비례하여 형성할 수 있기 때문에 용량을 증대시켜 효율을 높이도록 하는 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 흙막이 작업시 관정을 동시에 형성함으로써 기존과 같이 흙막이 작업이 완료된 후 별도로 관정을 진행하는 것보다 상대적으로 공사 기간을 단축시켜 공사 비용을 줄일 수 있도록 하는 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

건축물을 시공시 지반에 흙막이를 설치하기 위해 굴착 장비를 이용하여 지반을 굴착한 후 구멍 내부에 CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱을 삽입하는 CIP 케이싱 삽입 공정과; 상기 CIP 케이싱의 내부를 통해 천공 장비를 삽입하여 상기 CIP 케이싱의 내부 저면 중앙부를 이의 지름보다 작게 천공한 후 관정용 케이싱을 삽입하여 고정하는 관정용 케이싱 삽입 공정과; 상기 관정용 케이싱 내부를 통해 천공 장비를 삽입하여 설계 깊이까지 천공하여 관정을 형성하고, 내부 구조물을 설치하는 관정 형성 공정; 및 상기 CIP 케이싱과 관정용 케이싱 사이에 모르타르를 충진하여 양생시키는 모르타르 충진 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법은 상기 모르타르의 양생이 완료되면 상기 CIP 케이싱을 미제거하는 CIP 케이싱 미제거 공정을 더 포함한다.

여기에서 또한, 상기 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법은 상기 흙막이 설치를 위한 상기 CIP 케이싱의 설치중 임의의 위치에 설치되는 CIP 케이싱에 상기 관정을 형성해서 설계 용량에 맞는 개수의 관정을 형성한다.

여기에서 또, 상기 CIP 케이싱은 30m 이내의 깊이로 삽입되고, 상기 관정용 케이싱은 35m 이내의 깊이로 삽입되며, 상기 관정은 370~500m의 깊이로 형성된다.

여기에서 또, 상기 CIP 케이싱은 400~600㎜의 지름을 가지고, 상기 관정용 케이싱은 250~350㎜의 지름을 가진다.

여기에서 또, 상기 관정 형성 공정은 상기 관정 내부에 물 유입 파이프, 물 배출 파이프, 심정 펌프를 설치한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법에 따르면, CIP 공법을 이용하여 흙막이를 설치시 CIP 케이싱을 이용하여 관정을 함께 설치함으로써, 소음 발생 작업을 감소시켜 민원 발생을 최소화시키고, 관정을 형성하기 위한 별도의 부지가 불필요하여 작업장 내 부지를 자유롭게 활용할 수 있으며, 관정의 개수를 CIP 케이싱의 수에 비례하여 형성할 수 있기 때문에 지중 열교환기 용량을 증대시켜 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 흙막이 작업시 관정을 동시에 형성함으로써 기존과 같이 흙막이 작업이 완료된 후 별도로 관정을 진행하는 것보다 상대적으로 공사 기간을 단축시켜 공사 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 9는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법에 따라 관정이 설치된 흙막이의 모습을 나타낸 측단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 2 내지 도 8은 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법을 설명하기 위한 설명도이며, 도 9는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법에 따라 관정이 설치된 흙막이의 모습을 나타낸 측단면도이다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법은, CIP 케이싱 삽입 공정(S10), 관정용 케이싱 삽입 공정(S20), 관정 형성 공정(S30), 모르타르 충진 공정(S40) 및 CIP 케이싱 미제거 공정(S50)으로 이루어진다.

《CIP 케이싱 삽입 공정-S10》

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 건축물을 시공시 지반에 흙막이를 설치하기 위해 보링이나 오거와 같은 굴착 장비(A)를 이용하여 암반층인 약 30m의 깊이로 지반을 굴착한 후, 도 3에 도시된 바와 같이 구멍(H) 내부에 CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱(1)을 삽입한다. 이때, CIP 케이싱(1)은 30m 이상의 길이를 가지고, 400~600㎜의 지름을 가진다.

《관정용 케이싱 삽입 공정-S20》

CIP 케이싱(1)의 삽입이 완료되면, 도 4에 도시된 바와 같이 CIP 케이싱(1)의 내부를 통해 굴착 비트와 같은 천공 장비(B)를 삽입하여 CIP 케이싱(1) 내부 저면 중앙부를 이의 지름보다 작게 암반층을 약 5m 정도를 천공한 후 관정용 케이싱(3)을 삽입하여 고정한다. 이때, 관정용 케이싱(3)은 CIP 케이싱(1)에서 더 돌출되도록 35m를 초과하는 길이로 형성되고, 250~350㎜의 지름으로 형성되는 것이 바람직하다.

《관정 형성 공정-S30》

관정용 케이싱(3)을 삽입하여 고정이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 관정용 케이싱(3) 내부를 통해 굴착 비트와 같은 천공 장비(B)를 삽입하여 암반층을 설계 깊이까지 천공하여 관정(T)을 형성하고, 도 6에 도시된 바와 같이 내부 구조물(10)을 설치한다. 이때, 내부 구조물(10)로서 관정(T) 내부에 물 유입 파이프(11), 물 배출 파이프(13), 심정 펌프(15)를 설치한다. 또한, 내부에 여과 사리(17)를 선택적으로 충전할 수 있다.

《모르타르 충진 공정-S40》

내부 구조물(10)의 설치가 완료되면, 도 7에 도시된 바와 같이 CIP 케이싱(1)과 관정용 케이싱(3) 사이에 모르타르(M)를 충진하여 양생시킨다.

《CIP 케이싱 미제거 공정-S50》

모르타르(M)의 양생이 완료되면, 도 8에 도시된 바와 같이 CIP 케이싱(1)을 미제거한다. 즉, 일반적인 흙막이를 위해 기둥을 설치시 모르타르를 충진하여 양생후 CIP 케이싱(1)을 제거해서 기둥만을 설치하는 데, 본 발명에서는 CIP 케이싱(1)이 구조체로 사용되기 때문에 그대로 사용하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법은 도 9에 도시된 바와 같이 흙막이(W) 설치를 위한 CIP 케이싱(1)의 설치중 임의의 위치에 설치되는 CIP 케이싱(1)에 관정(T)을 형성해서 설계 용량에 맞는 개수의 관정을 형성한다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : CIP 케이싱 3 : 관정용 케이싱
10 : 내부 구조물 11 : 물 유입 파이프
13 : 물 배출 파이프 15 : 심정 펌프
17 : 여과 사리 A : 굴착 장비
B : 천공 장비 H : 구멍
M : 모르타르 T : 관정
W : 흙막이

Claims (6)

1. 건축물을 시공시 지반에 흙막이를 설치하기 위해 굴착 장비를 이용하여 지반을 굴착한 후 구멍 내부에 400~600㎜의 지름을 가지고, 30m 이상의 길이를 가지는 CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱을 30m 이내의 깊이로 삽입하는 CIP 케이싱 삽입 공정과;
   상기 CIP 케이싱의 설치중 임의의 위치에 설치된 CIP 케이싱 내부에 관정을 형성하도록 상기 임의의 위치에 설치된 CIP 케이싱의 내부를 통해 천공 장비를 삽입하여 상기 CIP 케이싱의 내부 저면 중앙부를 이의 지름보다 작게 천공한 후 250~350㎜의 지름을 가지고, 35m 이상의 길이를 가지는 관정용 케이싱을 35m 이내의 깊이로 삽입하여 고정하되, 상기 관정용 케이싱이 상기 CIP 케이싱에서 더 돌출되도록 삽입하는 관정용 케이싱 삽입 공정과;
   상기 관정용 케이싱 내부를 통해 천공 장비를 삽입하여 370~500m의 깊이까지 천공하여 상기 관정을 형성하고, 상기 관정 내부에 내부 구조물인 물 유입 파이프, 물 배출 파이프 및 심정 펌프를 설치하는 관정 형성 공정과;
   상기 CIP 케이싱과 관정용 케이싱 사이에 모르타르를 충진하여 양생시키는 모르타르 충진 공정; 및
   상기 모르타르의 양생이 완료되면 상기 CIP 케이싱을 미제거하는 CIP 케이싱 미제거 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 공법.
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