KR20230045134A - 건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법 - Google Patents

건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법에 관한 것이다. 상기 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법은, 지중을 천공하여 관정을 형성하고 지표면 위로 돌출되도록 소정 길이의 케이싱을 설치하는 단계; 지중을 제1 깊이로 터파기하는 단계; 상기 제1 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계; 지중을 제2 깊이로 터파기하는 단계; 상기 제2 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계; 를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 지중을 천공하여 관정을 형성하고 터파기 하는 단계마다 케이싱을 일부 절단함으로써, 공사의 어려움을 줄이면서 건물 지하에 개방형 지열공을 설치할 수 있는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법을 제공할 수 있다.

Description

건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법 {Geothermal hole formation method of open-type geothermal heat pump system for installation in building underground space}
본 발명은 건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법에 관한 것이다.
화석에너지에 의한 이산화탄소 배출이 지구환경 문제로 크게 부각되면서 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있으며, 그 일환으로 지중에 열교환기를 설치하고, 이 지중열교환기를 통해 열매체를 순환시킴으로써 건물의 냉난방에 필요한 에너지를 지열로부터 얻는 지열히트펌프 시스템이 개발되어 사용되고 있다.
지중 온도는 사계절 변함없이 17 내지 18℃의 온도를 유지하므로, 지중의 열을 이용하여 히트펌프에서 열교환하면 온도차에 따른 열량 확보가 가능하다. 히트펌프에서 열교환되어 데워지거나 차가워진 지하수 또는 열매체는 지하로 유입되어 다시 지중과 열교환 되므로, 이러한 사이클이 지속적으로 유지될 수 있다.
지열 히트펌프 시스템에서 땅속에 위치하는 지중열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.
개방형은 지열공이 일반 지하수 관정과 유사하고, 심정펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중열을 교환할 수 있도록 한 것이다. 개방형은 지하 400m 정도로 지열공을 설치한다.
밀폐형은 땅속으로 천공되는 지열공 내부에 열교환용 폴리에칠렌관(PE관)을 U자형으로 설치하고 관 내부로 열매체를 순환시켜, 열매체와 지중의 열을 교환할 수 있도록 한 것이다. 밀폐형은 지하 150~200m 정도로 지열공을 설치한다.
개방형은 각각의 지열공마다 심정펌프의 양정 차이, 배관 길이 및 경로의 차이 등으로 인해 압력차가 발생할 수 있고, 이러한 각각의 지열공의 압력차에 의해 지하수 넘침 현상이 종종 발생하여 지열공은 건물 외부의 옥외에 설치하게 된다.
그러나, 건물의 대지가 부족하여 건물 외부에 개방형의 지열공을 설치할 수 없는 경우에는 건물 지하에 지열공을 설치하는 경우가 있다. 건물 지하에 개방형의 지열공을 설치할 경우에는, 건물의 터파기 공사 후 땅바닥에 장비를 내리고 지열공을 천공하게 된다.
예를 들어, 지하 3~6층 정도 깊이로 터파기할 경우, 땅바닥에 장비를 내리기 어렵고 지하수로 인해 공사가 어려운 문제가 있다.
따라서, 건물의 대지가 부족하여 건물 지하에 지열공을 설치할 경우에 더 효율적으로 지열공을 형성하는 방법이 필요하다.
대한민국 특허출원 제10-2012-0053730호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 건물의 대지가 부족하여 건물 지하에 지열공을 설치할 경우에 공사의 어려움을 줄여 효율적으로 지열공을 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법은, 지중을 천공하여 관정을 형성하고 지표면 위로 돌출되도록 소정 길이의 케이싱을 설치하는 단계; 지중을 제1 깊이로 터파기하는 단계; 상기 제1 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계; 를 포함한다.
또한, 지중을 제2 깊이로 터파기하는 단계; 상기 제2 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계; 를 포함한다.
또한, 터파기가 완성된 후 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱 상부에 상부보호공을 결합하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 케이싱의 외부 표면에는 시인성을 향상시키기 위해 형광시트가 부착된다.
본 발명에 따르면, 지중을 천공하여 관정을 형성하고 터파기 하는 단계마다 케이싱을 일부 절단함으로써, 공사의 어려움을 줄이면서 건물 지하에 개방형 지열공을 설치할 수 있는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법에서 관정을 천공하고 케이싱을 형성한 상태를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에서 지중을 제1 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에서 지중을 제2 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에서 지중을 제3 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 4에서 바닥 위로 돌출된 케이싱 상부에 상부보호공을 결합한 상태를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 지열공 형성 방법에 따라 건물 지하에 복수 개의 지열공을 형성한 상태를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법에서 관정을 천공하고 케이싱을 형성한 상태를 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1에서 지중을 제1 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다. 도 3은 도 2에서 지중을 제2 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다. 도 4는 도 3에서 지중을 제3 깊이로 터파기하고 돌출된 케이싱을 절단한 상태를 도시하는 도면이다. 도 5는 도 4에서 바닥 위로 돌출된 케이싱 상부에 상부보호공을 결합한 상태를 도시하는 도면이다. 도 6은 본 발명의 지열공 형성 방법에 따라 건물 지하에 복수 개의 지열공을 형성한 상태를 도시하는 도면이다.
본 발명은 건물의 대지가 부족한 경우 건물 지하에 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공을 효율적으로 설치하기 위한 방법에 관한 것이다.
지열 히트펌프 시스템에서 땅속에 위치하는 지중열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분되는데, 이 중에서 개방형은 지하 400m 정도로 천공하여 지하수 관정을 형성하고, 토사층의 붕괴를 방지하기 위해 지상에 인접하여 수십 m 정도로 케이싱을 설치한다. 지중에 위치하는 심정펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프에서 열교환시킨 다음, 열교환된 지하수를 다시 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 지하 400m 정도로 천공하여 관정(110)을 형성하고, 지상(10)에서부터 지중으로 케이싱(120)을 설치한다. 케이싱(120)은 금속의 원형 관으로 설치되고, 지표면 위로 소정 길이만큼 돌출된다.
도 2를 참조하면, 지중을 제1 깊이(101)로 터파기한다. 이때, 터파기는 케이싱(120)이 지표면 위로 돌출된 상태에서 이루어지므로, 케이싱(120)은 제1 깊이(101)의 바닥 위로 돌출된 상태가 된다. 제1 깊이(101)는 예를 들어, 3m 정도가 될 수 있다.
다음에, 제1 깊이(101)의 바닥 위로 돌출된 케이싱(120)을 바닥 위로 소정 길이만 남기고 절단한다.
도 3을 참조하면, 지중을 다시 제2 깊이(102)로 터파기한다. 터파기에 의해 케이싱(120)은 제2 깊이(102)의 바닥 위로 돌출된 상태가 된다. 제2 깊이(102)는 3m 정도가 될 수 있다.
다음에, 제2 깊이(102)의 바닥 위로 돌출된 케이싱(120)을 바닥 위로 소정 길이만 남기고 절단한다.
도 4를 참조하면, 지중을 다시 제3 깊이(103)로 터파기한다. 터파기에 의해 케이싱(120)은 제3 깊이(103)의 바닥 위로 돌출된 상태가 된다. 제3 깊이(103)는 3m 정도가 될 수 있다.
다음에, 제3 깊이(103)의 바닥 위로 돌출된 케이싱(120)을 바닥 위로 소정 길이만 남기고 절단한다.
도 5를 참조하면, 제1 내지 제3 깊이로 터파기에 의해 터파기가 완성되고, 케이싱(120)은 터파기된 바닥 위로 돌출된 상태가 된다. 케이싱(120)의 상부에 상부보호공(130)을 결합함으로써, 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성이 완료된다.
본 발명의 지열공 형성 방법에서는, 처음에 관정(110)을 형성하고 터파기 하는 과정에서 케이싱(120)을 한 단계씩 절단하면서 터파기를 완성한다.
종래와 같이, 지하 3층에서 6층 정도로 터파기 공사 후 땅바닥에 장비를 내리고 지열공을 천공하면, 바닥에 장비를 내리는 과정 및 지하수 등으로 인해 공사가 매우 어려워진다.
본 발명에서, 최초 형성한 관정(110) 및 케이싱(120)의 길이는 터파기 및 절단으로 인해 지하 층수만큼 줄어들게 된다.
이러한 점을 고려하여, 도 1에서와 같이 처음에 관정(110)을 형성하는 단계에서, 천공하는 관정(110)의 깊이는 터파기에 의해 줄어드는 관정의 길이를 고려하여 더 깊게 형성한다. 또한, 케이싱(120)을 설치하는 단계에서도 설치되는 케이싱(120)의 길이는 터파기에 의해 절단되는 길이를 고려하여 더 길게 설치한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 지열공 형성 방법에 따르면, 지중을 천공하여 관정(110)을 형성한 후, 터파기하는 단계마다 케이싱(120)을 부분적으로 절단함으로써, 장비 운용의 어려움과 지하수 등으로 인한 공사의 어려움을 해결할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법을 도시하는 도면이다.
지하를 천공하여 관정(110)을 형성하고, 지상(10)에서부터 지중으로 케이싱(120)을 설치하고, 제1 내지 제3 깊이만큼 단계적으로 터파기를 한다. 이러한 터파기 과정에서는 건설 장비가 이동하면서 케이싱(120)이 손상될 위험이 있다.
케이싱(120)의 손상 위험을 방지하기 위해, 지상(10)으로부터 터파기하는 깊이까지의 케이싱(120)에는 외부 표면에 형광시트(121)를 부착하여 공사 현장에서의 시인성을 향상시킨다.
케이싱(120)의 표면에 형광시트(121)가 부착됨으로써, 터파기 과정에서 작업자가 케이싱(120)이 있는 위치를 쉽게 식별할 수 있도록 하여 주의를 환기시킬 수 있도록 한다. 그에 따라, 케이싱(120)의 손상 위험을 줄일 수 있다.
또한, 케이싱(120)의 상부에는 덮개(140)가 설치된다. 덮개(140)는 원형관으로 되어 케이싱(120)에 삽입되는 삽입부(141)와, 이러한 삽입부(141)와 연결되면서 삽입부(141)보다 확장된 단면을 갖고 상부로 갈수록 단면적이 줄어드는 축소부(142)로 이루어진다. 덮개(140)는 전체적으로 버섯 형상을 갖는다.
덮개(140)는 케이싱(120)의 상부를 덮어 케이싱(120)을 보호하면서 케이싱(120) 내부로 이물이 들어가는 것을 방지한다.
덮개(140)에는 완충부재(150)가 씌워진다. 완충부재(150)는 충격을 흡수할 수 있는 부재로 제작되어, 공사현장에서 케이싱(120)에 가해지는 충격을 완화시키는 기능을 한다.
완충부재(150)는 케이싱(120)의 상부에 고깔 형태로 씌워지면서 하부로 연장된다. 완충부재(150)의 하부는 지그재그 형태로 내측으로 접혀서 탄성스트립(160)으로 묶여진다.
완충부재(150)의 단부는 탄성스트립(160)의 외부로 돌출되고, 돌출된 단부에는 중량체(161)가 연결된다. 완충부재(150)는 케이싱(120)의 원주를 따라 종방향으로 절단되어 복수 개로 구성될 수 있고, 복수 개로 구성된 완충부재(150)의 상단부는 서로 연결된다.
터파기 과정에서, 중량체(161)를 지지하던 지면이 내려가면, 중력에 의해 중량체(161)가 내려가면서 완충부재(150)가 하부로 당겨진다. 완충부재(150)를 당기는 힘이 커지면, 탄성스트립(160)에 묶여 있던 완충부재(150)의 절첩된 부분이 풀리면서 완충부재(150)가 케이싱(120)을 감싸도록 하부로 내려가게 된다.
터파기 과정에서 지면이 충분히 내려가면, 완충부재(150)는 탄성스트립(160)에서 완전히 풀려 케이싱(120)을 덮는 상태가 될 수 있다.
완충부재(150)가 탄성스트립(160)에서 다 풀린 상태에서 탄성스트립(160)이 이탈 되는 것을 방지하기 위해, 탄성스트립(160)은 완충부재(150)에 연결되도록 구성된다. 완충부재(150)의 외부 표면에는 작업자의 시인성을 향상시키기 위해 형광시트가 부착된다.
덮개(140) 및 완충부재(150)는 제1 깊이로 터파기 후, 지면 위로 돌출된 케이싱(120)을 절단할 때 케이싱(120)으로부터 분리되어 이후의 터파기 과정에서 재사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 터파기 과정에서 덮개(140)에 의해 케이싱(120)의 상부를 덮어 케이싱(120) 내부로 이물이 들어가는 것을 방지할 수 있고, 완충부재(150)에 의해 케이싱(120)을 보호하면서 시인성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 지면
101 : 제1 깊이
102 : 제2 깊이
103 : 제3 깊이
110 : 관정
120 : 케이싱
130 : 상부보호공
140 : 덮개
141 : 삽입부
142 : 축소부
150 : 완충부재
160 : 탄성스트립
161 : 중량체

Claims (4)

  1. 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법에 있어서,
    지중을 천공하여 관정을 형성하고 지표면 위로 돌출되도록 소정 길이의 케이싱을 설치하는 단계;
    지중을 제1 깊이로 터파기하는 단계;
    상기 제1 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계;
    를 포함하는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    지중을 제2 깊이로 터파기하는 단계;
    상기 제2 깊이의 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱을 절단하여 바닥 위로 소정 길이만 남기는 단계;
    를 포함하는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    터파기가 완성된 후 바닥 위로 돌출된 상기 케이싱 상부에 상부보호공을 결합하는 단계;
    를 포함하는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 케이싱의 외부 표면에는 시인성을 향상시키기 위해 형광시트가 부착되는 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법.
KR1020210127617A 2021-09-28 2021-09-28 건물 지하공간에 설치하기 위한 개방형 지열 히트펌프 시스템의 지열공 형성 방법 KR102529410B1 (ko)

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