KR102601567B1 - 지중 열교환기의 시공 방법 - Google Patents

지중 열교환기의 시공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중 열교환기의 시공 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법의 일 양태는, 지중 열교환기가, 지면으로부터 설정된 깊이만큼 굴착된 보어 홀의 내부에 매설되는 열교환기 매설 단계; 제1액체가, 상기 지중 열교환기의 내부에 주입되는 제1액체 주입 단계; 토사가, 상기 지중 열교환기가 매설된 상기 보어 홀의 내부에 매립되는 토사 매립 단계; 상기 제1액체가, 그 수위가 기설정된 기초면 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기의 외부로 제거되는 단계; 상기 제1액체 미만의 비중으로 상기 보어 홀이 형성되는 지중의 온도에서 고화되는 상변화물질인 제2액체가, 그 수위가 상기 기초면 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기의 내부로 주입되는 제2액체 주입 단계; 및 상기 보어 홀을 포함하는 상기 지면의 일부가, 상기 보어 홀의 깊이 미만으로 설정된 깊이만큼 파내어져서 기초면이 형성됨과 동시에 상기 기초면 미만의 높이에 위치되는 상기 지중 열교환기의 일부가 제거되는 터파기 단계; 를 포함한다.

Description

지중 열교환기의 시공 방법{CONSTRUCTION METHOD FOR GEOTHERMAL EXCHANGER}
본 발명은 지중 열교환기의 시공 방법을 제공하는 것이다.
최근에는 화석 연료의 사용에 따른 환경 오염의 문제점에 대한 대안으로 신재생에너지를 활용하는 다양한 방법이 강구되고 있다. 이중 지중 열교환기는, 열전달매체와 지중을 열교환시키는 것으로, 지중에 매설되는 지중 열교환기를 포함한다. 이와 같은 지중 열교환기로는, 일반적으로 U자 형상의 튜브가 사용되는데, 지중에 매립된 후 열교환 유체의 순환을 위하여 열교환 시스템을 구성하는 다른 튜브나 파이프와 연결된다.
따라서, 지중 열교환기가 지중에 매립된 후 지중 열교환기의 내부로의 토사와 같은 이물질의 유입을 방지하기 위한 대책이 요구된다. 종래에는, 지중 열교환기의 양단을 차폐한 상태에서, 공사를 진행함으로써, 지중 열교환기의 내부로의 이물질의 유입을 차단하였다. 그러나 이와 같은 종래 기술에서는, 지중 열교환의 양단을 차폐하는 공정 및 이를 개방하는 공정이 번거로울 뿐만 아니라, 지중 열교환기의 양단을 차폐한 부재가 손상되는 경우에는, 지중 열교환기의 내부로 이물질이 유입될 우려가 발생한다. 특히, 지중 열교환기를 매립한 후 터파기 공사시 지중 열교환기의 내부로 이물질이 유입되는 현상이 빈번하게 발생한다.
대한민국 등록특허공보 제1065330호(명칭: 지중열교환기 시공방법) 대한민국 등록특허공보 제1569419호(명칭: 건물 하부 지반에서의 지중열교환기용 열순환파이프 시공방법) 대한민국 등록특허공보 제1602826호(명칭: 환경오염 방지 및 지수를 위한 지열관용 팩커 및 이를 이용한 지중열 교환시스템의 시공방법) 대한민국 등록특허공보 제2018709호(명칭: 지중 열교환기 및 그 시공 방법)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 간단한 구성으로 지중 열교환기의 내부로의 이물질의 유입을 방지할 수 있는 지중 열교환기의 시공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 보다 효율적으로 지중 열교환기의 내부로의 이물질의 유입을 방지할 수 있도록 구성되는 지중 열교환기의 시공 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 사용되는 상변화물질의 재활용이 가능하도록 구성되는 지중 열교환기의 시공 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법의 일 양태는, 지중 열교환기가, 지면으로부터 설정된 깊이만큼 굴착된 보어 홀의 내부에 매설되는 열교환기 매설 단계; 제1액체가, 상기 지중 열교환기의 내부에 주입되는 제1액체 주입 단계; 토사가, 상기 지중 열교환기가 매설된 상기 보어 홀의 내부에 매립되는 토사 매립 단계; 상기 제1액체가, 그 수위가 기설정된 기초면 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기의 외부로 제거되는 제1액체 제거 단계; 상기 제1액체 미만의 비중으로 상기 보어 홀이 형성되는 지중의 온도에서 고화되는 상변화물질인 제2액체가, 그 수위가 상기 기초면 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기의 내부로 주입되는 제2액체 주입 단계; 및 상기 보어 홀을 포함하는 상기 지면의 일부가, 상기 보어 홀의 깊이 미만으로 설정된 깊이만큼 파내어져서 기초면이 형성됨과 동시에 상기 기초면 미만의 높이에 위치되는 상기 지중 열교환기의 일부가 제거되는 터파기 단계; 를 포함한다.
본 발명의 실시예의 일 양태는, 차폐 부재가, 상기 제2액체가 상기 지중 열교환기의 내부로 주입된 후 상기 지중 열교환기의 내부로 투입되는 차폐 부재 투입 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 차폐 부재 투입 단계에서, 상기 차폐 부재는, 상기 제2액체 미만의 비중으로 상기 제2액체에 부유되어 상기 제2액체의 수위 이상에 해당하는 상기 지중 열교환기의 내부에만 위치된다.
본 발명의 실시예의 일 양태는, 상기 제2액체 초과의 비중인 고온의 제3액체가, 상기 지중 열교환기의 내부로 주입되는 제3액체 주입 단계; 및 고화된 상기 제2액체가, 상기 제3액체에 의하여 액화되어 상기 지중 열교환기의 외부로 회수되는 제2액체 회수 단계; 를 더 포함한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 제3액체 주입 단계에서, 상기 제3액체는, 고화된 상기 제2액체가 액화되는 과정에서 상기 제1 및 제2액체의 경계면 수위 이하에 해당하는 상기 지중 열교환기의 내부에 그 선단이 위치되도록 상기 지중 열교환기의 내부로 계속적으로 인입되는 주입 파이프를 통하여 주입된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 제3액체 주입 단계 및 제2액체 회수 단계에서, 상기 제3액체는, 상기 지중 열교환기의 단부에 결합되는 연결 파이프를 관통하여 상기 지중 열교환기의 내부로 인입되는 주입 파이프를 통하여 주입되고, 액화된 상기 제2액체는, 상기 연결 파이프의 일측에서 분지되는 회수 파이프를 통하여 회수 탱크로 회수된다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 제2액체 회수 단계에서, 상기 회수 탱크로 회수된 상기 제2액체 이외의 상기 제1 및 제3액체 중 적어도 일방은, 상기 제2액체와의 비중차에 의하여 상기 회수 탱크에 형성되는 배출구를 통하여 상기 회수 탱크의 외부로 배출된다.
본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에서는, 튜브의 내부에 주입되어 고화되는 상변화물질이 튜브의 내부의 물에 부유된 상태에서 고화된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 보다 간단하게 튜브의 내부로의 이물질의 유입을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 본 발명의 실시예에서는, 터파기 공사가 이루어지는 과정에서, 매설된 튜브의 양단부가 이물질 유입 방지 부재와 함께 튜브의 나머지로부터 분리되어 제거되더라도 튜브의 내부에서 고화된 상변화물질에 의하여 튜브의 내부로의 이물질의 유입이 방지된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 터파기 공사 과정에서 튜브의 일부가 분리 또는 손상되더라도 튜브의 내부로의 이물질의 유입을 방지할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에서는, 터파기 공사가 완료된 후 액화된 상변화물질이 분리관 및 분리통에 의하여 포집된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 상변화물질의 재활용이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법을 보인 플로우챠트.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 과정을 보인 작업상태도.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법을 보인 플로우챠트이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 과정을 보인 작업상태도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 지중 열교환기의 시공 방법은, 열교환기 매설 단계(S100), 제1액체 주입 단계(S200), 토사 매립 단계(S300), 제1액체 제거 단계(S400), 제2액체 주입 단계(S500), 차폐 부재 투입 단계(S600), 터파기 단계(S700), 제3액체 투입 단계(S800) 및 제2액체 회수 단계(S900)를 포함한다.
보다 상세하게는, 도 2를 참조하면, 상기 열교환기 매설 단계(S100)에서는, 지중 열교환기100)가 지면(1)으로부터 설정된 깊이만큼 굴착된 보어 홀(10)의 내부에 매설된다. 상기 지중 열교환기100)로는, U자 형상의 튜브가 사용되고, 그 양단부가, 상기 지면(1)의 상방에 위치되도록 상기 보어 홀(10)의 내부에 매설될 수 있다.
그리고 상기 제1액체 주입 단계(S200)에서는, 제1액체(L1)가, 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 주입된다. 상기 지중 열교환기100)의 내부로 주입되는 상기 제1액체(L1)로는, 예를 들면, 물이 사용될 수 있다.
상기 제1액체 주입 단계(S200)는, 상기 지중 열교환기(100)의 손상 여부를 판단하기 위한 것이다. 즉, 상기 지중 열교환기(100)의 내부 압력이 기설정된 제1기준 압력, 예를 들면, 수두압(10㎏f/㎠)에 도달하도록 상기 제1액체(L1)가 주입된 후 상기 지중 열교환기(100)의 내부 압력이 상기 제1기준 압력 미만으로 저하되면, 상기 지중 열교환기(100)의 손상에 의하여 액체가 누설된 것을 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 토사 매립 단계(S400)에서는, 토사(11)가, 상기 지중 열교환기(100)가 매설된 상기 보어 홀(10)의 내부에 매립된다. 실질적으로, 상기 토사 매립 단계(S400)에서는, 상기 지면(1)에 대응하는 높이로 상기 토사(11)가 상기 보어 홀(10)의 내부에 매립될 수 있다.
상기 제1액체 제거 단계(S400)에서는, 상기 제1액체(L1)의 일부가 상기 지중 열교환기(100)의 외부로 제거된다. 실질적으로, 상기 제1액체 제거 단계(S400)에서는, 상기 제1액체(L1)의 수위가 기설정된 기초면(20) 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 주입된 상기 제1액체(L1)의 일부가 상기 지중 열교환기(100)의 외부로 제거된다.
한편, 상기 제2액체 주입 단계(S500)에서는, 제2액체(L2)가, 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입된다. 상기 제2액체(L2)로는, 상기 제1액체(L1) 미만의 비중으로 상기 보어 홀(10)이 형성되는 지중의 온도에서 고화되는 상변화물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 제2액체 주입 단계(S500)에서는, 상기 제2액체(L2)의 수위가 상기 기초면(20) 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입된다. 이는 공사 과정에서의 오차 등을 고려하여 상기 제2액체(L2), 실질적으로 고화된 상기 제2액체(L2)가 위치되는 상기 지중 열교환기(100)의 구간을 충분하게 확보하기 위함이다.
다음으로, 상기 차폐 부재 투입 단계(S600)에서는, 차폐 부재(200)가, 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 투입된다. 즉, 상기 차폐 부재 투입 단계(S600)에서는, 상기 제1액체(L1)가 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입된 후 상기 차폐 부재(200)가 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 투입된다. 상기 차폐 부재(200)는, 상기 제2액체(L2)에 부유될 수 있도록 상기 제2액체(L2) 미만의 비중의 재질로 성형된다. 따라서, 상기 차폐 부재(200)는, 상기 제2액체(L2)의 수위 이상에 해당하는 상기 지중 열교환기(100)의 내부에만 위치된다. 상기 차폐 부재(200)는, 상기 제2액체(L2)가 고화되기 전 상기 지중 열교환기(100)의 내부로의 이물질의 유입을 차단하는 역할을 한다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 상기 터파기 단계(S700)에서는, 상기 보어 홀(10)을 포함하는 상기 지면(1)의 일부가, 상기 보어 홀(10)의 깊이 미만으로 설정된 깊이만큼 파내어져서 기초면(20)이 형성된다. 따라서, 상기 터파기 단계(S700)에서, 상기 지면(1)을 파내는 과정에서 상기 기초면(20) 미만의 높이에 위치되는 상기 지중 열교환기(100)의 일부가 제거될 수 있다. 그런데, 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 주입된 상기 제2액체(L2)의 수위는 상기 기초면(20) 미만의 높이이므로, 상기 터파기 단계(S700)에서 상기 지중 열교환기(100)의 일부가 제거되더라도 고화된 상기 제2액체(L2)에 의하여 상기 지중 열교환기(100)의 내부로의 이물질의 유입이 차단될 것이다.
그리고 상기 제3액체 주입 단계(S800)에서는, 제3액체(L3)가 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입된다. 상기 제3액체 주입 단계(S800)에서, 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입되는 상기 제3액체(L3)는, 고화된 상기 제2액체(L2)를 액화시키기 위한 것으로, 상기 제2액체(L2)의 액화를 위한 에너지를 제공할 수 있는 고온이어야 한다. 또한, 상기 제3액체(L3)로는, 상기 제2액체(L2)가 그 상방에 위치되도록 상기 제2액체(L2) 초과의 비중의 액체, 예를 들면, 상기 제1액체(L1)와 동일한 물이 사용될 수 있다.
마지막으로, 상기 제2액체 회수 단계(S900)에서는, 고화된 상기 제2액체(L2)가, 상기 제3액체(L3)에 의하여 액화되어 상기 지중 열교환기(100)의 외부로 회수된다. 상기 제2액체 회수 단계(S900)에서 액화되는 상기 제2액체(L2)는 회수 탱크(400)로 회수된다.
특히, 본 실시예에서는, 상기 제3액체 주입 단계(S800) 및 제2액체 회수 단계(S900)에서, 상기 지중 열교환기(100)의 단부에 결합되는 연결 파이프(510) 및 상기 연결 파이프(510)에서 분지되는 회수 파이프(520)를 통하여 상기 제3액체(L3)의 주입 및 액화된 상기 제2액체(L2)의 회수가 이루어진다. 예를 들면, 상기 연결 파이프(510)는, 상기 지중 열교환기(100)의 단부가 삽입될 수 있도록 소정의 길이를 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 회수 파이프(520)는, 상기 연결 파이프(510)의 일측, 실질적으로, 상기 연결 파이프(510)가 상기 지중 열교환기(100)에 결합된 상태에서, 상기 지중 열교환기(100)의 상방에 해당하는 상기 연결 파이프(510)의 일측에서 분지될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제3액체 주입 단계(S800)에서는, 상기 제3액체(L3)가, 상기 연결 파이프(510)를 관통하여 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 인입되는 주입 파이프(300)를 통하여 주입된다. 특히, 본 실시예에서는, 상기 주입 파이프(300)가, 고화된 상기 제2액체(L2)가 액화되는 과정에서 상기 제1 및 제2액체(L1)(L2)의 경계면 수위 이하에 해당하는 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 그 선단이 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 계속적으로 인입된다. 따라서, 상기 주입 파이프(300)를 통하여 주입되는 상기 제3액체(L3)에 의하여 고화된 상기 제2액체(L2)의 표면, 특히, 상면 일부만 국부적으로 액화되지 않고, 고화된 상기 제2액체(L2)가 전체적으로 신속하게 액화될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 제3액체(L3)는 상기 제2액체(L2) 초과의 비중이므로, 액화된 상기 제2액체(L2)는 상기 제3액체(L3)의 상방에 위치될 것이다. 따라서, 상기 제3액체(L3)의 계속적인 주입에 의하여 상기 제2액체(L2)의 수위가 높아짐으로써, 상기 제2액체(L2)가 상기 회수 파이프(520)를 통하여 상기 지중 열교환기(100)의 외부, 실질적으로, 상기 회수 탱크(400)로 회수된다.
한편, 상기 제2액체 회수 단계(S900)에서, 상기 제3액체(L3)의 주입량에 따라서 상기 제2액체(L2)와 함께 상기 제1 또는/및 제3액체(L3), 실질적으로 물이 상기 회수 탱크(400)로 회수될 수도 있다. 본 실시예에서는, 상기 회수 탱크(400)에 상기 제2액체(L2)와 함께 회수된 상기 제1 또는/및 제3액체(L3)의 배출을 위한 배출구가 형성된다. 특히, 상기 배출구(410)가 상기 회수 탱크(400)의 저면 또는 이에 인접하게 위치됨으로써, 상기 회수 탱크(400)로 회수된 상기 제2액체(L2) 이외의 상기 제1 또는/및 제3액체(L3)가, 상기 제2액체(L2)와의 비중차에 의하여 상기 배출구(410)를 통하여 상기 회수 탱크(400)의 외부로 배출될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
1: 지면 10: 보어 홀
11: 토사 20: 기초면
100: 지중 열교환기 200: 차폐 부재
300: 주입 파이프 400: 회수 탱크
410: 배출구 510: 연결 파이프
520: 회수 파이프

Claims (7)

  1. 지중 열교환기(100)가, 지면(1)으로부터 설정된 깊이만큼 굴착된 보어 홀(10)의 내부에 매설되는 열교환기 매설 단계(S100);
    제1액체(L1)가, 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 주입되는 제1액체 주입 단계(S200);
    토사(11)가, 상기 지중 열교환기(100)가 매설된 상기 보어 홀(10)의 내부에 매립되는 토사 매립 단계(S300);
    상기 제1액체(L1)가, 그 수위가 기설정된 기초면(20) 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 외부로 제거되는 제1액체 제거 단계(S400);
    상기 제1액체(L1) 미만의 비중으로 상기 보어 홀(10)이 형성되는 지중의 온도에서 고화되는 상변화물질인 제2액체(L2)가, 그 수위가 상기 기초면(20) 미만의 높이에 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입되는 제2액체 주입 단계(S500);
    상기 보어 홀(10)을 포함하는 상기 지면(1)의 일부가, 상기 제2액체(L2)가 고화된 후 상기 보어 홀(10)의 깊이 미만으로 설정된 깊이만큼 파내어져서 기초면(20)이 형성됨과 동시에 상기 기초면(20) 미만의 높이에 위치되는 상기 지중 열교환기(100)의 일부가 제거되는 터파기 단계(S700);
    상기 제2액체(L2) 초과의 비중인 고온의 제3액체(L3)가, 고화된 상기 제2액체(L2)가 액화된 후 상기 제1 및 제3액체(L1)(L3)의 상방으로 부유되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입되는 제3액체 주입 단계(S800); 및
    고화된 상기 제2액체(L2)가, 상기 제3액체(L3)에 의하여 액화되어 상기 지중 열교환기(100)의 외부로 회수되는 제2액체 회수 단계(S900); 를 포함하고,
    상기 제3액체 주입 단계(S800)에서,
    상기 제3액체(L3)는, 상기 지중 열교환기(100)의 단부에 결합되는 연결 파이프(510)를 관통하여 상기 제1 및 제2액체(L1)(L2)의 경계면 수위 이하에 해당하는 상기 지중 열교환기(100)의 내부에 그 선단이 위치되도록 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 인입되는 길이가 조절되는 주입 파이프(300)를 통하여 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입되는 지중 열교환기의 시공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    차폐 부재(200)가, 상기 제2액체(L2)가 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 주입된 후 상기 지중 열교환기(100)의 내부로 투입되는 차폐 부재 투입 단계(S600)를 더 포함하는 지중 열교환기의 시공 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 차폐 부재 투입 단계(S600)에서,
    상기 차폐 부재(200)는, 상기 제2액체(L2) 미만의 비중으로 상기 제2액체(L2)에 부유되어 상기 제2액체(L2)의 수위 이상에 해당하는 상기 지중 열교환기(100)의 내부에만 위치되는 지중 열교환기의 시공 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2액체 회수 단계(S900)에서,
    액화된 상기 제2액체(L2)는, 상기 연결 파이프(510)의 일측에서 분지되는 회수 파이프(520)를 통하여 회수 탱크(400)로 회수되는 지중 열교환기의 시공 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2액체 회수 단계(S900)에서,
    상기 회수 탱크(400)로 회수된 상기 제2액체(L2) 이외의 상기 제1 및 제3액체(L3) 중 적어도 일방은, 상기 제2액체(L2)와의 비중차에 의하여 상기 회수 탱크(400)에 형성되는 배출구(410)를 통하여 상기 회수 탱크(400)의 외부로 배출되는 지중 열교환기의 시공 방법.

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