KR20170006856A

KR20170006856A - 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치

Info

Publication number: KR20170006856A
Application number: KR1020150098160A
Authority: KR
Inventors: 조희남
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-18

Abstract

본 발명은 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 관한 것으로, 지열 지중열교환기의 지열굴착공 내부에 삽입 설치된 PVC 케이싱이 선팽창지수에 따라 냉 난방 운전 중 지하수 수온 차이에서 발생되는 수축과 팽창과 케이싱의 하중에 의하여 지열공 바닥에 쌓인 토사슬러리 안으로 침강하면서 케이싱이 용이하게 이탈되는 현상을 예방하여 안전한 지하수의 순환운전이 가능하도록 한 것이다.
본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치는 개방형 지열 지중 열교환기에 의해 지중에 형성된 지열 굴착공 안에 설치되어 상기 지열 굴착공 내부를 급수부와 환수부로 구획하며, 상기 지열 굴착공의 바닥부와 대응한 곳에 지하수의 순환을 위한 유공부가 구비된 케이싱과; 상기 케이싱의 최 하단부에 구성되는 그라우팅케이싱과; 그라우팅케이싱에 형성한 걸림부와; 걸림부에 함침하도록 형성되어 지열공 공벽과 그라우팅케이싱을 고정하게 되는 그라우팅부와; 그라우팅액을 걸림부까지 주입하여 그라우팅부가 형성될 수 있도록 설치한 트레미파이프를 포함한다.

Description

개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치 {A PREVENTING SEPARATE CASING FOR OPEN TYPE GEOTHERMAL SYSTEM}

본 발명은 개방형 지열 지중 열교환기용 케이싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 회수하기 위해 지표면 아래 굴착되는 지열 굴착공에 삽입되어 설치되는 PVC 케이싱 장치가 삽입 후 지하수 수온 변화에 따라 수축과 팽창이 반복되는 과정에서 결합부가 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유 열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 열교환장치이다.

지중 열교환장치는 크게 개방형 지중 열교환기 장치와 수직밀폐형 지중 열교환 장치로 구분되어 시설되어지고 있다.

개방형 지중 열교환기 장치는 일반 지하수 심정과 동일한 구조와 시설을 갖추고 있으며 단지 지하수를 양수하여 그 물을 사용하지 않고 단지 지하수가 가지고 있는 지열을 이용한 다음 다시금 양수하였던 지하수 심정 내부로 되돌려 주입하는 형태를 취하고 있어 지하수가 지상 부분에서 노출되어짐으로써 지하수 오염의 우려가 높은 방식이라 할 수 있다.

또한, 통상의 개방형 지열 지중열교환기의 경우에는 직경 200mm로 통상 500m 깊이까지 굴착한 지열 굴착공 내부에 직경 125mm 내외의 PVC 케이싱을 삽입 설치하게 된다. 지하수를 순환시키는 수중펌프는 케이싱 안쪽에 설치하게 되며 수중펌프에 의해 양수된 지하수는 지상에 설치된 히트펌프 측의 열교환기를 거쳐 열교환된 후 케이싱과 굴착공벽 사이에 설치된 환수관을 통해 지열 굴차공 내부로 환수 주입되어지도록 하여 순환되도록 구성된다.

PVC 케이싱의 한 본당 길이는 4∼6m 이며 삽입과정에서 각 PVC 케이싱의 연결 결합은 접착제를 바른 PVC소켓을 끼워 사용하거나 스텐소켓을 끼운 후 나사못으로 고정하는 방법, 또는 연결부위 한쪽을 확관시킨 형태로 가공한 다음 연결하고자 하는 PVC 케이싱의 한쪽을 삽입하여 고정하는 방법을 사용하여 왔다.

그런데 연중 지하수의 수온이 15∼17℃로 거의 일정하게 유지되는 지하수 관정에 수중펌프와 양수시설물을 보호하기 위해 설치되는 PVC 케이싱은 연결 결합부위가 이탈되는 사례가 찾아보기 힘들었으나 지열 지중열교환기의 경우 PVC 케이싱의 연결 결합부의 이탈 사례가 빈번히 발견되어 지하수의 순환에 큰 장애요인으로 작용하여 지중열교환기의 성능확보에 큰 문제점으로 대두되었다. 이러한 이탈사고의 가장 큰 원인은 지열 지중열교환기의 경우 동절기 난방 운전 중 순환되는 지하수의 수온이 영상 2∼5℃에서 하절기 냉방 운전 중에는 순환되는 지하수의 수온이 25∼30℃ 범위로 운전될 수도 있어 온도차이가 20∼25℃에 달해 PVC 케이싱의 선팽창지수인 61×10^-6m/m K 에 지열 굴착공 내부에 삽입 설치되는 깊이가 500m 에 달해 수축 및 팽창되는 길이가 약 30mm까지 달할 수 있게 되어 이러한 수축과 팽창과정에서 자연스럽게 취약한 연결 결합부분이 이탈되어지는 사고가 발생될 수 밖에 없었다는 것이다. 더욱이 지열 굴착공의 경우 굴착과정에서 약간씩 휘어져 내려가는 만곡현상으로 인해 케이싱이 삽입 설치되었다 할지라도 일부 구간들에서 마찰과 걸림현상이 발생되고 이로 인해 500m 전 구간에 일편적으로 신축 팽창이 균등히 전달되어지지 않고 스트레스가 집중되어지는 곳이 발생되어 결국 이탈사고가 발생되어지게 된다. 또한 시공 초기 지열 굴착공 바닥에는 토사슬러리가 쌓여 있게 되는 경우가 많은데 케이싱 설치과정에서 토사슬러리 상부에 얹혀 있는 상태에서 설치종료 후 토사슬러리에 케이싱 자중에 의해 케이싱이 내려 앉아 가면서 하중에 의해 연결 결합이 취약한 부분에서 이탈사고가 발생되는 경우도 있다.

이러한 결과 PVC 케이싱과 굴착공벽 사이로 재주입된 순환 지하수가 500m 깊이 바닥근처 까지 흘러 열교환 된후 수중펌프가 설치된 PVC 케이싱 안쪽으로 유입되어 상승한 후 수중펌프에 의해 양수되어 히트펌프 측의 열교환기를 거쳐 열교환되어야 하는 순환 시스템이 지중 열교환기의 중간에서 이탈된 PVC 케이싱부분에서 수중펌프로 바로 유입되어 순환되어져 지중 열교환기의 열교환 용량을 크게 미치지 못하는 상태로 운전되어질 수밖에 없는 문제점을 갖게 하였다.

또한, 케이싱 이탈방지를 위해 케이싱 연결 중간에 열 신축에 의한 수축과 팽창길이를 합수하기 위한 신축거동이 가능한 스프링이나 벨로우즈 등을 설치한다 할지라도 케이싱이 지열공 최 하단 바닥에 쌓인 토사 슬러리를 파고 들면서 하강하게 되는 경우 케이싱 하중이 케이싱의 각 연결부위마다 작용하게 되어 결과적으로 열신축 작용과 함께 케이싱 이탈을 더욱 용이하게 하는 요인이 되는 문제점이 있었다.

등록특허 제10-1172656호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열 지중열교환기의 지열굴착공 내부에 삽입 설치된 PVC 케이싱이 선팽창지수에 따라 냉 난방 운전 중 지하수 수온 차이에서 발생되는 수축과 팽창에 의한 이탈현상을 예방하여 안전한 지하수의 순환운전이 가능하도록 한 개방형 지열 지중 열교환기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치는, 개방형 지열 지중 열교환기에 의해 지중에 형성된 지열 굴착공 안에 설치되어 상기 지열 굴착공 내부를 급수부와 환수부로 구획하며, 상기 지열 굴착공의 바닥부와 대응한 곳에 지하수의 순환을 위한 유공부가 구비된 케이싱과; 상기 케이싱을 삽입 설치한 지열 굴착공의 최 하단부에 위치하도록 구성한 걸림부와; 걸림부를 함침하도록 형성되는 그라우팅부와; 그라우팅액을 걸림부까지 주입할 수 있도록 설치한 트레미파이프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 의하면, 지열 지중열교환기의 지열굴착공 내부에 삽입 설치된 PVC 케이싱이 선팽창지수에 따라 냉 난방 운전 중 지하수 수온 차이에서 발생되는 수축과 팽창에 의한 이탈현상이 발생한다 할지라도 케이싱 최 하단부를 지열공 공벽에 고정되어질 수 있도록 하여 케이싱 이탈을 근본적으로 예방하여 안전한 지하수의 순환운전을 실행함으로써 효율 높은 지열 지중열교환기의 운용이 가능하도록 한 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 개방형 지열 지중 열교환기를 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 적용된 이탈방지부의 실시예를 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 적용된 유통공이 형성된 걸림부 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 트레미파이프를 케이싱 안쪽으로 구성한 걸림부 구성 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치에 적용된 걸림턱을 구성한 예시 단면도.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명이 적용되는 개방형 지열 지중 열교환기는, 지중에 굴착되어 이루어지며 지하수가 채워져 있는 지열 굴착공(1)과, 지열 굴착공(1) 내부에 삽입 설치되는 2개 이상의 케이싱(2)(도면에는 3개로 도시됨)과, 케이싱(2) 안쪽에 설치되어 지하수를 양수 순환시키는 수중펌프(3)와, 수중펌프(3)에 의해 양수되는 지하수를 급수하는 급수수단(4)과, 열교환기가 구비되며 급수수단(4)(급수관 등)에 의해 급수되는 지하수로부터 열을 회수하는 히트펌프(5)와, 히트펌프(5)를 통과한 지하수를 지열 굴착공(1) 내부로 환수하는 환수수단(6)(환수관 등)과, 그리고 케이싱(2)들의 연결부에 결합 설치되어 케이싱(2)이 신축 거동하도록 하는 이탈방지부(10)로 구성된다.

케이싱(2)은 지열 굴착공(1) 내부에 설치되어 지열 굴착공(1) 내부를 급수부와 환수부로 구획한다. 상기 급수부에는 수중펌프(3)와 급수수단(4)이 설치되고 상기 환수부에는 환수수단(6)이 설치된다.

지열 굴착공(1) 내부에 삽입 설치되는 케이싱(2)은 통상 수도용 PVC 직관을 사용하게 되며 예컨대 직경은 100∼125mm 이며 길이는 4m를 한 본으로 제작된 것을 사용하게 된다. 케이싱(2) 중에서 지열 굴착공(1)의 바닥부에 배치되는 케이싱(2)은 지하수의 순환을 위하여 유공부가 구비된다.

개방형 지열 지중열교환기의 지열 굴착공(1)의 형성 깊이는 300~500m에 달하며 케이싱(2)은 바닥에서부터 시작되어 지표면 근처에 까지 도달하여 설치하게 된다.

이 경우 동절기 난방 운전 중 순환되는 지하수의 수온이 영상 2∼5℃에서 하절기 냉방 운전 중에는 순환되는 지하수의 수온이 25∼30℃ 범위로 운전될 수도 있어 온도차이가 20∼25℃에 달해 선팽창지수에 따른 케이싱(2)의 최대 수축과 팽창 변화 길이는 500m 전체 구간에서 약 30mm 이상에 달하게 된다.

이러한 수축과 팽창을 케이싱(2)과 케이싱(2)의 연결결합부에 이탈방지부(10)를 체결하여 수축과 팽창 길이를 흡수하도록 함으로써 케이싱(2)의 연결결합부에서의 이탈을 방지하도록 한 것이다.

이탈방지부(10)는 여러 형태로 제작되어 운용되어질 수 있으며 대표적인 실시예를 들면 아래와 같다.

<실시예>

도 4에서 보이는 바와 같이, 이탈방지부(10)는 제1,2케이싱(2-1,2-2)을 연결하는 벨로우즈 주름관(30)이다.

상기 벨로우즈 주름관은 수밀성 확보를 위하여 상하부가 제1,2케이싱(2-1,2-2)을 감싸면서 나사못이나 리벳 등으로 고정된다.

이렇게 구성된 벨로우즈 주름관(30)은 특성에 따라 온도차에 의해 발생되는 선팽창지수에 따른 수축과 팽창에 따른 길이 변화를 흡수하여 다른 깊이에서의 케이싱(2)들의 연결 결합부가 이탈되어 순환장애를 일으키는 상태를 예방할 수 있게 된다.

한편, 도 5에서 보이는 것처럼, 케이싱(2)을 지열 굴착공(1) 내부에 내려 삽입 설치할 때 케이싱(2)의 탈락을 방지하기 위해 예컨대 스텐레스 재질의 와이어 로프(20)를 유공관(2a) 하단에 결합한 하부링(21)에 결합한 고정링(22)에 결속하여 내려 설치하게 되며 지지 로프(20) 중간에는 신축장치인 인장스프링(23)을 연결고리(24)를 이용하여 결합시키도록 하였다. 케이싱(2) 상단에는 상부링(25)에 고정링(26)을 설치하고 고정밴드(27)로 지지 로프(20)가 결속되도록 하였다.

지지 로프(20)는 선팽창지수가 PVC 재질의 케이싱(2)보다 작기는 하나 온도에 따른 수축 팽창을 신축장치인 인장스프링(23)이 흡수하도록 하여 케이싱(2)의 연결결합부의 이탈을 방지하면서 삽입 설치시 탈락을 예방하여 주는 기능을 하게 되는 것이다.

신축장치인 인장스프링(23)외 턴버클(미도시)을 같은 용도로 사용할 수도 있다.

도 6에서 보이는 것처럼, 벨로우즈 주름관(30)의 보강을 위하여 보강바(31)가 적용될 수 있다. 보강바(31)는 타측에 슬라이딩 장공(32)이 구비된 막대이며 일측은 벨로우즈 주름관(30)에 용접 등으로 고정되고 타측의 슬라이딩 장공(32)에는 벨로우즈 주름관(30) 및 벨로우즈 주름관(30) 안쪽의 케이싱(2)에 고정된 고정돌기(33)가 슬라이딩 가능하게 설치되며, 이러한 구성에 의하여 벨로우즈 주름관(30)이 신축 거동하고 이때 보강바(31)가 벨로우즈 주름관(30)을 지지하기 때문에 벨로우즈 주름관(30)의 손상을 막고 정해진 경로로 신축 거동하게 된다.

물론 이러한 실시에 외에도 여러 가지 방법과 장치들을 이용하여 케이싱(2)의 이탈을 방지할 수 있다 하겠으나 간과하기 쉬운 것은 지열공 바닥(50)에 쌓일 수 있는 토사슬러리(51)가 모든 지열 굴착공(1) 마다 존재 할 수 밖에 없는 현실 적인 문제이다. 케이싱(2)을 지열 굴착공(1)에 삽입 설치하게 되면 지열 굴착공(1)을 청소한 이후 유입된 토사슬러리(51)와 케이싱(2) 삽입 과정에서 지열공 공벽(52)을 케이싱(2)이 접촉하면서 박리되어 가라앉는 토사슬러리(51)까지 모두 지열공바닥(50)에 쌓여 있을 수 밖에 없다는 것이다.

이렇게 쌓인 토사슬러리(51)는 초기 케이싱(2) 삽입과정에서 더 이상 케이싱(2)이 지열 굴착공(1) 아래로 내려가지 못하도록 지지해 주게 되나 정상적인 지열 시스템 운영과정에서 지속적으로 케이싱(2)의 하중이 작용하게 되면 토사슬러리(51)를 헤집고 더욱 아래로 하강하게 되어지며 이때 하강되는 케이싱(2)의 하중과 순환되는 지하수의 온도변화에 따른 신축변화로 인해 결합된 케이싱(2) 연결부분이 이탈되어 아래 부분의 케이싱(2)은 밑으로 떨어지게 되면서 연결구간이 틈새가 발생되어져 결국 정상적인 지열공 내의 열교환이 이루어지지 않게 되는 것이다. 이러한 현상을 방지하기 위해 개방형 지열 지중 열교환기에 의해 지중에 형성된 지열 굴착공(1) 안에 설치되어 상기 지열 굴착공(1) 내부를 급수부와 환수부로 구획하며, 상기 지열 굴착공(1)의 바닥부와 대응한 곳에 지하수의 순환을 위한 유공부(11)가 구비된 케이싱(2)과; 상기 케이싱(2)의 최 하단부에 구성되는 걸림부(60)와; 걸림부(60)에 함침하도록 형성되어 지열공 공벽(52)과 그라우팅케이싱(62)을 고정하게 되는 그라우팅부(55)와; 그라우팅액을 걸림부(60)까지 주입하여 그라우팅부가 형성될 수 있도록 설치한 트레미파이프(56)를 포함하도록 한 케이싱 이탈을 방지하도록 하였다. 그라우팅액은 통상의 시멘트와 물의 혼합액이나 특히 초속경시멘트와 물의 혼합액을 사용하여 신속하게 양생이 되도록 하거나 물과 초속경시멘트액의 분리 하강을 통해 적층된 후 양생되는 조건을 갖게 함으로써 고심도 구간의 주입 및 양생에 도움이 될 수 있도록 하였다. 트레미파이프(56)에 의해 주입된 그라우팅액은 걸림부(60)의 유통공(61)을 통해 그라우팅케이싱(62) 안쪽으로 유입되면서 유통공(61)이 함침된 상태에서 양생이 되어지게 됨으로써 그라우팅케이싱(62)을 지열공 공벽(52)과 함께 고정하여 굳혀지는 효과를 가지게 된다. 물론 트레미파이프(56)는 케이싱(2) 바깥쪽으로만 설치되는 것이 아니며 케이싱(2) 안쪽으로도 구성되어질 수 있으며 이때도 주입된 그라우팅액은 그라우팅케이싱(62)의 유통공(61)을 통해 그라우팅케이싱(62) 바깥쪽으로 흘러나가 결과적으로 그라우팅케이싱(62)을 지열공 공벽(52)과 함께 고정하여 굳혀지는 효과를 가지게 된다.

걸림부(60)는 그라우팅케이싱(62)에 유통공(61)을 구성하여 기능을 하게 할 수도 있으나 그라우팅케이싱(62) 외주연에 걸림턱b(66)을 고정시키거나 단차가 형성된 연결소켓(67)의 고유단차를 이용한 걸림턱a(65)을 이용하여 그라우팅부(55)를 형성시켜 케이싱(2)이 하강되는 것을 방지할 수 있게 할 수도 있다.

1 : 지열 굴착공, 2 : 케이싱
3 : 수중펌프, 4 : 급수수단
5 : 히트펌프, 6 : 환수수단
10 : 이탈방지부, 50 : 지열공 바닥
51 : 토사슬러리 52 : 지열공 공벽
61 : 유통공 62 : 그라우팅케이싱

Claims

개방형 지열 지중 열교환기에 의해 지중에 형성된 지열 굴착공 안에 설치되어 상기 지열 굴착공 내부를 급수부와 환수부로 구획하며, 상기 지열 굴착공의 바닥부와 대응한 곳에 지하수의 순환을 위한 유공부(11)가 구비된 케이싱(2)과; 상기 케이싱(2)의 최 하단부에 구성되는 그라우팅케이싱(62)과; 그라우팅케이싱(62)에 형성한 걸림부(60)와; 걸림부(60)에 함침하도록 형성되어 지열공 공벽과 그라우팅케이싱(62)을 고정하게 되는 그라우팅부(55)와; 그라우팅액을 걸림부까지 주입하여 그라우팅부(55)가 형성될 수 있도록 설치한 트레미파이프(56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 1에 있어서,
걸림부는 내 외부간이 관통된 유통공(61)으로 구성되어 그라우팅액이 내 외부간 유통이 가능하도록 한 구조인 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 1, 청구항 2에 있어서,
걸림부는 그라우팅케이싱 외주면에 케이싱 외경보다 큰 걸림턱을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 2에 있어서,
걸림부는 재질이 스테인레스강으로 제작되어 유통공이 형성된 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 1에 있어서,
트레미파이프는 케이싱 안쪽으로 설치되는 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 1에 있어서,
그라우팅부를 구성하는 그라우팅액은 초속경시멘트와 물의 혼합액을 사용한 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.
청구항 6에 있어서,
초속경시멘트는 혼합된 물과 분리 적층되어 양생되는 것을 특징으로 하는 개방형 지열 지중 열교환기용 이탈 방지가 가능한 케이싱 장치.