KR101968143B1 - 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지열 냉난방에 사용되는 열교환 파이프를 외부 충격으로부터 파손되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 하단에 드릴 비트가 결합된 드릴 스트링을 이용하여 지표면과 수직인 방향으로 지층을 천공하여 지열 냉난방용 시추공을 굴착하는 단계; 상기 지열 냉난방용 시추공에 열교환 파이프를 삽입하는 단계; 상기 열교환 파이프가 움직이지 않도록 상기 지열 냉난방용 시추공에 미리 정해진 높이까지 시멘트를 삽입하여 그라우팅층을 형성하는 단계; 상기 열교환 파이프를 보호하며 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 용접이 된 케이싱을 상기 지열 냉난방용 시추공을 통해 상기 그라우팅층까지 삽입하는 단계; 상기 그라우팅층과의 충격으로 상기 케이싱을 상하부로 분리시키는 단계; 및 상기 케이싱의 상부를 회수하는 단계;를 포함한다.

Description

지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법{A method for protecting geothermal heat exchanging pipe}

본 발명은 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지열 냉난방에 사용되는 열교환 파이프를 굴삭기 등의 외부 충격으로부터 파손되는 것을 방지하기 위한, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법에 관한 것이다.

대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

지열에너지 발전은 첫째, 심도 30~200m 내외를 천공하고 히트펌프를 사용하여 냉난방하는 기술인 소구경의 수직밀폐형 천부지열 기술이 있고, 둘째, 소구경 300~500m 가령을 시추하고 지하의 지하수를 직접 순환하고 히트펌프를 이용하는 관정형 천부지열 기술, 셋째, 하산지대에서 사용하는 방식으로써 소구경 1000m이상을 시추하고 지하에서 200℃이상의 고온수를 직접 지상으로 끌어 올려 지열 발전하는 기술, 넷째 심도 500~5,000m의 장심도 대구경을 시추하여 지열순환매체를 순환시키는 방식을 통해 열만 지상으로 끌어 올리고 히트펌프 없이 지열 직접 난방 및 발전하는 기술인 심부지열 기술로 크게 분류할 수 있다.

이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열 히트펌프 시스템은, 지중 열교환기를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.

통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.

그러나 이러한 시스템은 시설물의 건설 이전에 설치되어야 하는 것으로, 굴삭기와 같은 중장비를 이용하여 터파기 및 지반 보강 공사를 하면서 기설치된 열교환 파이프를 파손하여, 이에 따라 건축물의 건설에 소요되는 기간과 비용이 늘어나는 문제점이 있다.

또한, 암반층에 비해 비교적 연약한 토층으로 구성된 지층에 지열 냉난방용 시추공을 굴착해야 하는 경우, 공이 쉽게 붕괴될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 케이싱의 설치가 요구된다.

한국등록실용신안공보 제20-0417382호는 히트펌프용 고효율 지열교환기에 관한 고안으로서, 시추공 내의 토층 깊이까지 강관 케이싱을 설치하면서 굴착함으로써 시추공이 무너지지 않게 보호하였으나, 터파기 및 지반 보강 공사 단계에서 굴삭기와 같은 중장비를 간섭하여 공사 기간이 늘어나는 문제점이 있다. 또한, 상기 토층의 깊이가 깊을수록 소요되는 강관 케이싱의 길이가 늘어나므로 비경제적이다.

한국공개특허공보 제10-2015-0094040호는 지열을 이용한 냉난방 지중열교환 시스템과 관련된 기술로서, 상기 열교환 파이프가 삽입된 시추공 내부 전체에 그라우팅층을 형성하기 위해 그라우팅 재료가 과다하게 소모되어 비경제적이며, 터파기 및 지반 보강 공사단계에서 굴삭기와 같은 중장비에 의해 상기 그라우팅층이 파손시 열교환 파이프에 충격이 전달되는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제10-0778936호는 상기 열교환 파이프가 삽입된 시추공 내부에 열전달 그라우팅 재료를 삽입하여 경화시키고, 그 위에 시멘트 그라우팅 재료를 삽입하여 지반을 보강하였으나, 이는 상기 열전달 그라우팅층과 상기 시멘트 그라우팅층을 형성하기 위해 그라우팅가 과다하게 소모되어 비경제적이다. 또한, 토층과 암반층의 경계까지 케이싱을 삽입하여 굴착시 지반이 취약해지는 것을 방지하였으나, 상기 토층의 깊이가 깊을수록 소요되는 케이싱의 길이가 늘어나므로 비경제적이다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0417382호(2006.05.22.) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0094040호(2015.08.19.) 대한민국 등록특허공보 제10-0778936호(2017.11.16.)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 지열 냉난방에 사용되는 열교환 파이프가 외부의 충격으로 인해 파손되는 것을 방지하며, 상기 열교환 파이프가 파손됨에 따라 건축물의 건설에 불필요하게 소요될 수 있는 기간과 비용을 줄이는, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 암반층에 비해 비교적 연약한 토층으로 구성된 지층에 상기 열교환 파이프가 설치되는 경우, 상기 토층이 붕괴되어 상기 열교환 파이프가 훼손되는 현상을 방지하기 위한, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법은, 하단에 드릴 비트가 결합된 드릴 스트링을 이용하여 지표면과 수직인 방향으로 지층을 천공하여 지열 냉난방용 시추공을 굴착하는 단계; 상기 지열 냉난방용 시추공에 열교환 파이프를 삽입하는 단계; 상기 열교환 파이프가 움직이지 않도록 상기 지열 냉난방용 시추공에 미리 정해진 높이까지 시멘트를 삽입하여 그라우팅층을 형성하는 단계; 상기 열교환 파이프를 보호하며 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 용접이 된 케이싱을 상기 지열 냉난방용 시추공을 통해 상기 그라우팅층까지 삽입하는 단계; 상기 그라우팅층과의 충격으로 상기 케이싱을 상하부로 분리시키는 단계; 및 상기 케이싱의 상부를 회수하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 열교환 파이프의 내부에 외부로부터 이물질이 삽입되지 않도록 엔드캡을 씌우는 단계;를 추가로 포함한다.

바람직하게는, 상기 케이싱은 상부 케이싱과 하부 케이싱으로 구분되되, 상기 상부케이싱과 상기 하부 케이싱은 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 가용접된 상태이다.

바람직하게는, 상기 케이싱은 상부 케이싱, 연결 케이싱, 하부 케이싱으로 구분되되, 상기 상부케이싱과 상기 연결 케이싱은 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 가용접된 상태이다.

바람직하게는, 상기 연결케이싱의 내경은 상기 상부케이싱의 외경 및 상기 하부케이싱의 외경보다 크다.

바람직하게는, 상기 열교환 파이프의 위치를 식별할 수 있도록 상기 지층에 표시 도구를 삽입하는 단계;를 추가로 포함한다.

바람직하게는, 상기 표시 도구는 유색의 천 또는 비닐로 형성된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명의 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법은 강관 케이싱으로 열교환 파이프의 상단을 감쌈으로써 지열 냉난방용 열교환 파이프가 외부의 충격으로 인해 파손되는 것을 방지하며, 이에 따라, 상기 열교환 파이프가 파손되어 건축물의 건설에 불필요하게 소요될 수 있는 기간과 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명에 따르면 암반층에 비해 비교적 연약한 토층으로 구성된 지층에 상기 열교환 파이프가 설치되는 경우, 강관 케이싱으로 열교환 파이프를 보호함으로써 상기 토층이 붕괴되어 상기 열교환 파이프가 훼손되는 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법의 개략 대표도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법의 순서도에 따른 개략도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법의 순서도이고, 도 3은 도 1에 따른 개략도이다.

도 1 및 도 3을 참조하여, 지열 냉난방용 열교환 파이프를 보호하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 지열 냉난방용 열교환 파이프 설치 공사가 시작되면, 지열 냉난방용 시추공(30)이 굴착된다(S10).

상기 지열 냉난방용 시추공(30)은 하단에 드릴 비트(미도시)가 부착된 드릴 스트링(미도시)을 이용하여 지층과 수직인 방향으로 정해진 깊이까지 굴착되어야 한다.

상기 드릴 비트는 굴착 대상 지역의 지반 상태에 따라서 재질, 형상 등을 고려하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 연암 및 중경암 지반의 굴착시 메탈 드릴 비트를 사용하며, 경암 및 극경암 지반의 굴착시 다이아몬드 드릴 비트를 사용한다.

또한, 습식 드릴 비트를 적용하여 상기 지층을 굴착하는 과정에서 생길 수 있는 분진을 방지함으로써, 작업자들에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있다.

상기 드릴 비트는 모터가 설치된 회전 구동부(미도시)에 의해 회전력을 전달 받아 회동되어 지층에 굴착이 이루어진다.

다음으로, 상기 지열 냉난방용 시추공(30)에 열교환 파이프(20)를 삽입한다(S20).

상기 열교환 파이프(20)는 일반적으로 PE 파이프 및 PVC 파이프 등이 널리 사용되며, 상기 열교환 파이프(20)는 폴리스틸렌(PE)과 같은 합성수지 재질의 파이프로 형성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 열교환 파이프(20)가 움직이지 않도록 상기 지열 냉난방용 시추공(30)에 미리 정해진 높이까지 그라우팅 재료를 주입하여 그라우팅층(40)을 형성한다(S30).

상기 그라우팅 재료는 상기 지층의 열이 상기 열교환 파이프(20)에 잘 전도되도록 하기 위해 열 전도율이 높은 금속 물질을 혼합한 시멘트 또는 열 전도율이 높은 금속 물질을 혼합한 벤토나이트를 포함하는 개념이다.

상기 벤토나이트는 몬모릴로나이트(Montmorillonite)를 주성분으로 하는 점토의 일종이며, 상기 몬모릴로나이트는 미립의 얇은 판상 형태를 보이는 결정 구조로 형성되어 있다. 상기 결정 구조는 기본 층 사이에 간격이 존재하고 그 속에 교환성 양이온과 물이 포함되어 있으며, 이들은 주변의 조건에 따라 많은 물을 흡수하기도 하고 탈수하기도 하여 층간격이 변화된다.

이러한 구성광물의 성질 때문에 벤토나이트는 건조시와 습윤시에 있어 체적의 수축과 팽창이 큰 특징을 가지고 있으며, 실제로 벤토나이트는 정수 상태에서 물과 반응하면 보통 무게의 5배까지, 체적의 13∼16배까지 팽윤(Free-Swelling)하여 틱소트로픽(Thixotropic)한 겔(Gel)상태의 물질로 변화하는 성질을 가진다.

상기 벤토나이트는 부족한 전하를 어떤 성분으로 대체 하는가에 따라 여러 가지 형태의 벤토나이트로 구분된다.

크게 소디움(나트륨) 벤토나이트와 칼슘 벤토나이트, 그리고 칼슘 벤토나이트를 소디움 벤토나이트화한 활성 벤토나이트 등으로 구분되며 물리적 특성이 소디움 벤토나이트가 우수하여 벤토나이트를 이용한 거의 모든 제품에는 소디움 벤토나이트를 사용한다.

이와 같이 벤토나이트는 물과 반응하여 팽창성을 갖는 이외에도 다른 물질과 혼합하여 다른 물질을 서로 점착시 키는 점착성, 겔 상태를 형성하므로 점성이 낮은 다른 재료들을 농축하는 농후성 및 윤활성을 갖는다.

다음으로, 상기 열교환 파이프(20)를 보호하기 위한 케이싱(10)을 삽입한다(S40).

상기 그라우팅 재료의 경화 및 양생이 완료된 후, 상기 케이싱(10)을 삽입하는 것이 바람직하며, 상기 케이싱(10)은 상기 지열 냉난방용 시추공(30) 내벽을 따라 삽입하되, 상기 그라우팅층(40)의 상면에 위치하도록 삽입한다.

상기 케이싱(10)은 내부에 빈 공간이 있는 원기둥의 형태를 띠는 철강 제품을 포함하는 개념인 강관(steel pipe)으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 케이싱(10)은 상부 케이싱(12) 및 하부 케이싱(16)을 포함하되, 상기 케이싱(10)은 상부 케이싱(12), 연결 케이싱(14) 및 하부 케이싱(16)을 포함하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 케이싱(10)이 상기 지열 냉난방용 시추공(30)에 삽입되는 과정에서 상기 그라우팅층(40)과의 충격으로 인해 상기 상부 케이싱(12)과 상기 하부 케이싱(16)으로 분리 된다(S50).

상기 케이싱은 상부 케이싱(12)의 하단과 상기 연결 케이싱(14)의 상단은 상기 그라우팅층과의 충돌에 의해 쉽게 분리되도록 가용접되는 것이 바람직하다.

상기 하부 케이싱(16)과 분리된 상기 상부 케이싱(12)은 케이싱 회수 장치(미도시)에 의해 회수된다(S60).

회수된 상기 상부 케이싱(12)은 인근 지열 냉난방용 시추공 굴착시 재사용될 수 있기 때문에 경제적이다.

상기 상부 케이싱(12)이 제거된 상기 하부 케이싱(16)은 터파기 및 기초 기반 공사시 굴삭기 등의 중장비에 의한 외부 충격이 상기 열교환 파이프(20)에 가해지지 않도록 보호하는 역할을 한다.

한편, 상기 열교환 파이프(20)가 설치된 상기 지열 냉난방용 시추공(30) 내부에 표시 도구(미도시)를 삽입하여 상기 열교환 파이프(20)의 위치를 식별할 수 있다. 상기 표시 도구는 공사가 완료된 후 제거가 용이하도록 유색의 천 또는 비닐로 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법의 개략 대표도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연결 케이싱(14)의 내경은 상기 상부 케이싱(12)의 외경 및 상기 하부 케이싱(16)의 외경보다 큰 것이 바람직하다.

상기 하부 케이싱(16)은 상기 열교환 파이프(20)와 근접하게 설치함으로써 상기 열교환 파이프(20)을 일차적으로 보호하고, 상기 연결 케이싱(14)은 상기 지열 냉난방용 시추공(30) 내벽에 밀착시킴으로써, 상기 열교환 파이프(20)을 이차적으로 보호하기 위해 설치된다.

상기 열교환 파이프(20) 내부에서 열매체가 폐쇄적으로 순환할 수 있도록 U-자형으로 삽입되는 것이 바람직하다.

상기 열교환 파이프(20)의 상단에 엔드캡(22)을 설치한다. 상기 엔드캡(22)은 상기 열교환 파이프(20) 내부에서 순환하는 상기 열매체가 공사 중에 외부로부터 유입될 수 있는 이물질에 오염되는 것을 방지할 수 있도록 한다.

이후, 지열을 열원으로 사용하는 냉난방용 히트펌프를 적용하기 위해서, 상기 엔드캡(22)을 제거하여 상기 열교환 파이프(20)와 연결할 수 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

10: 케이싱(Casing)
12: 상부 케이싱
14: 연결 케이싱
16: 하부 케이싱
20: 열교환 파이프
22: 엔드캡(End cap)
30: 지열 냉난방용 시추공
40: 그라우팅층

Claims (7)

1. 하단에 드릴 비트가 결합된 드릴 스트링을 이용하여 지표면과 수직인 방향으로 지층을 천공하여 지열 냉난방용 시추공을 굴착하는 단계;
   상기 지열 냉난방용 시추공에 열교환 파이프를 삽입하는 단계;
   상기 열교환 파이프가 움직이지 않도록 상기 지열 냉난방용 시추공에 미리 정해진 높이까지 시멘트를 주입하여 그라우팅층을 형성하는 단계;
   상기 그라우팅층에 고정된 U자 형상의 상기 열교환 파이프를 보호하며 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 용접이 된 케이싱을 상기 지열 냉난방용 시추공을 통해 상기 그라우팅층까지 삽입하는 단계;
   상기 그라우팅층과의 충격으로 상기 케이싱을 상하부로 분리시키는 단계; 및
   상기 케이싱의 상부를 회수하는 단계;를 포함하되,
   상기 케이싱은 내부가 비어 있는 원기둥의 형태를 지니며,
   상기 케이싱은 상부 케이싱, 연결 케이싱, 하부 케이싱으로 구분되되, 상기 연결 케이싱의 내경은 상기 상부 케이싱의 외경보다 크고, 상기 하부 케이싱의 외경보다 크게 형성되며,
   상기 상부 케이싱과 상기 연결 케이싱은 외부 충격에 의해 쉽게 분리되도록 가용접된 상태의 가용접부가 형성되어, 상기 케이싱이 상기 그라우팅층과의 충격으로 가용접된 상태의 가용접부가 분리되어 상기 상부 케이싱과 상기 연결케이싱이 분리되는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방용 열교환 파이프 보호 방법.
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