수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법

수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법{Method for Constructing Grouting of Closed-Loop Vertical Ground Heat Exchanger}

본 발명은 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중열을 이용하여 냉난방을 할 수 있도록 지중에 설치되는 수직밀폐형 지중열교환기의 열전도성능 향상과 외부 오염물의 유입방지를 위한 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로서는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료를 이용하여 생산된 전력 에너지를 많이 사용하고 있다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야하며, 이 장치들은 단위장치 당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열 에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 이용되고 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열에너지를 이용하는 기술이다.

통상적으로 사용되는 지열냉난방장치는 지중과 열을 교환하기 위한 지중열교환기와, 회수한 지열을 필요한 온도로 승온 및 감온하는 히트펌프와 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 순환펌프로 구성된다.

지열교환기의 설치는 대략 수직방향으로 지하 약 50m~300m 정도 깊이의 천공홀(boreholes)을 소정의 간격으로 천공한 다음, 천공된 각각의 천공홀에 "U"자형 또는 코일형의 열교환 파이프를 삽입하고, 인접된 파이프들을 직렬 또는 병렬로 연결한 후, 연결된 파이프의 유입부와 유출부를 순환펌프를 거친 후 히트펌프와 연결하는 방법으로 설치한다.

그리고 열교환 파이프가 설치된 각각의 천공홀에는 열교환 파이프와 지반의 열전도가 원활하게 될 수 있도록 그라우팅 작업을 실시한다.

이러한 지중열교환기가 설치된 천공홀의 그라우팅 작업시 사용되는 그라우트재는 통상적으로 방수기능을 갖는 벤토나이트(bentonite)를 사용하며, 이 벤토나이트를 적정량의 물과 혼합하여 천공홀에 채워 넣는 방법으로 그라우팅 작업을 행하고 있다.

그러나, 상기와 같이 벤토나이트를 이용하여 그라우팅 작업을 수행할 경우, 벤토나이트의 물성 특성상 급격하게 팽창하므로 시공상의 어려움이 있으며, 지중열교환기의 천공 깊이가 200m보다 깊어질 경우 지중열교환기 배관 내외부의 이질재료에 의한 밀도차로 인해 배관의 손상이 빈번하게 발생하고 있으며, 또한 배관단면의 수축으로 설계 유량의 불균형이 발생되고 있다.

한편, 정부의 신재생에너지 보급촉진 정책에 발맞추어 일정규모 이상의 공공 건축물에서는 신재생에너지를 의무적으로 이용하고 있다. 그 중 지열을 이용한 냉난방시스템의 경우 타 신재생에너지와 비교하여 동일 용량당 설치단가가 가장 저렴하여 최근 들어 시공사례가 크게 증가하고 있다.

하지만, 지역 특성에 따른 지반 특성을 감안하지 않은 채 획일적으로 지열을 이용한 냉난방시스템을 시공함으로써, 적정 열용량을 취득하지 못하고 있는 실정이다. 예를 들어 인천 송도, 청라지구, 전북 새만금 등의 매립지 또는 해안 인근의 경우 지중의 지하수가 염분을 포함하고 있어 일반적인 그라우팅 재료로 사용되는 벤토나이트를 사용할 경우 벤토나이트의 결합특성을 저해시켜 본연의 그라우팅 재료로써의 기능을 전혀 하지 못하고 있다. 또한, 일반시멘트 모르타르를 그라우팅 재료로 사용할 경우 시멘트의 경화 과정에서 수축이 발생하여 그라우팅의 구비조건 중 하나인 열전도율이 향상되지 못하는 문제점이 발생되어 매립지역의 지열을 이용한 히트펌프 냉난방시스템의 적용이 보류되고 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 통상적으로 사용되는 벤토나이트 그라우트 대신에 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부까지 골재를 충진시키고, 암반 출현부로부터 지반 상부까지 무수축모르타르를 충진시켜 그라우팅을 수행할 경우, 지중에 설치된 지중열교환기의 지반침하에 의한 손상을 방지하고, 열전도성능을 증가시킬 뿐만 아니라, 외부 오염물의 유입을 효과적으로 차단할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 매립지역의 특성상 빈번하게 발생되는 지반침하에 의한 지중열교환기의 훼손을 방지하면서, 열전도성능이 우수하고, 외부 오염물의 유입을 효과적으로 차단할 수 있는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 염수와 접촉시 결합이 파괴되어 그라우팅 재료로 이용될 수 없는 벤토나이트를 대체하는 신규의 그라우팅 재료를 이용한 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 지중에 50~300m 깊이의 천공홀을 형성하는 단계; (b) 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지중열교환기를 설치하는 단계; (c) 상기 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부까지 골재를 충진시켜 제1 그라우팅을 수행하는 단계; 및 (d) 상기 암반 출현부로부터 지반 상부까지 무수축모르타르를 충진시켜 제2 그라우팅을 수행하는 단계를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법을 제공한다.

본 발명에 따른 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법은 육지뿐만 아니라 지중의 지하수가 염분을 함유하고 있는 해양 매립지에서도 지중에 설치된 지중열교환기의 지반침하에 의한 손상을 방지하면서, 열전도성능을 증가시키고, 외부 오염물의 유입을 효과적으로 차단할 수 있으므로, 경제적, 공간적 제약없이 지열을 이용한 히트펌프 냉난방시스템을 적용시켜 신재생에너지 보급촉진에 이바지 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공 설명도 이다.

본 발명에서는 물과 반응시 급격히 팽창되며, 특히 염수와 접촉시 결합특성이 저해되는 문제점을 가지는 벤토나이트 그라우트 대신에 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부까지 골재를 충진시키고, 암반 출현부로부터 지반 상부까지 무수축모르타르를 충진시켜 그라우팅을 수행할 경우, 지중에 설치된 지중열교환기 내외부의 밀도차가 발생하지 않아 배관의 손상 및 단면 수축 등이 일어나지 않고, 열전도성능을 증가시킬뿐만 아니라, 외부 오염물의 유입을 효과적으로 차단시킬 수 있다는 것을 확인하고자 하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, (a) 지중에 50~300m 깊이의 천공홀을 형성하는 단계; (b) 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지중열교환기를 설치하는 단계; (c) 상기 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부까지 골재를 충진시켜 제1 그라우팅을 수행하는 단계; 및 (d) 상기 암반 출현부로부터 지반 상부까지 무수축모르타르를 충진시켜 제2 그라우팅을 수행하는 단계를 포함하는 수직밀폐형 지중열교환기의 그라우팅 시공방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 지중(地中)이라 함은 땅을 뚫고 들어갔을 때의 그 속을 의미하는 것으로서, 지중의 지하수에 염분이 없거나 미량 함유되어 있는 육지뿐만 아니라 지중의 지하수에 염분이 다량 함유되어 있는 해양 매립지를 모두 포함할 수 있다.

통상적으로 수직밀폐형 지중열교환기의 경우 지중 50~300m 깊이의 천공홀을 형성한 후, 지중열 교환기를 설치할 수 있다. 지중은 깊이에 따라서 특성을 달리하는데, 내륙지역의 경우 지층에서 10~15m의 깊이, 매립지의 경우 지층에서 30~80m의 깊이에 토질부가 존재하고, 그 아래로 암반부가 존재한다.

본 발명에 있어서, 상기 암반 출현부는 토질부 하부에 위치하며, 암반부가 시작되는 위치를 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 지중열교환기는 통상적으로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE; High Density Polyethylene pipe)를 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 골재로는 천공부의 채움 작업시 브릿지 현상을 일으키지 않는 적정크기의 자연석 또는 인조석을 이용하거나 이들을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 자연석은 산, 강 등에 있는 가공하지 않은 돌을 의미하며, 상기 인조석은 천연석의 모조로서 모르타르나 콘크리트의 표면에 각종 돌가루, 돌조각을 넣은 건축재료를 의미한다. 상기 인조석의 경우 그 성분이 지하수를 오염시키지 않는 소재인 것이 바람직하다.

상기 골재로 콩자갈을 예시할 수 있는데, 상기 콩자갈은 암석이 마모되어 둥그스름해진 조립(粗粒) 석재로서, 시멘트콘크리트용이나 아스팔트콘크리트용 골재, 도로 포장, 구조물 기초 등의 재료로 널리 사용되고 있다.

본 발명에서, 상기 골재의 평균지름은 5~30㎜ 바람직하게는 10~25㎜이다.

상기 골재의 지름이 5㎜ 미만인 경우 고가로 시공비가 크게 상승하는 문제점이 있고, 30㎜를 초과할 경우 천공부 내부에 브릿지 현상을 일으켜 채움작업이 원활하게 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

본 발명에 있어서, 상기 골재를 이용하여 제1 그라우팅을 수행할 경우, 지중열교환기로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE) 내외부의 압력차를 해소시켜 HDPE의 손상을 방지하고, 그라우팅 재료사이에 자연스럽게 지하수가 충만되어 열사이펀 작용에 의한 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부까지 골재를 충진시켜 제1 그라우팅을 수행시킨 다음, 상기 암반 출현부로부터 지반 상부까지는 무수축모르타르를 충진시켜 제2 그라우팅을 수행한다. 단 무수축모르타르 충진 시작지점은 무수축모르타르의 그라우팅 종료 후 하단부가 암반부에 정착되어 토질부분의 지중열교환기를 충분히 지지할 수 있는 위치여야 한다.

상기 제 2 그라우팅을 무수축모르타르(mortar)가 아닌 통상의 시멘트 모르타르를 이용하여 수행할 경우 경화과정에서 수축이 발생하여 열전달 효과가 저감된다.

상기 무수축모르타르를 이용하여 암반 출현부로부터 지반 상부까지 제 2 그라우팅을 수행하면 상기 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 외부 오염물질이 수직 천공부를 통해 유입되는 것을 방지하고 매립지의 지반침하에 의한 수직력에 의하여 지중열교환기로 사용되는 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 콩자갈과 무수축모르타르를 이용한 지중열 교환기의 시공

송도테크노파크 IT센터 부근에 150m 깊이의 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지중열교환기(한국PEM, HDPE)를 설치하였다. 다음으로 천공홀의 바닥부로부터 암반 출현부(지반 상부에서 50m 되는 지점)까지 지름 10~15㎜의 콩자갈을 충진시킨 후, 지반 상부까지 무수축모르타르(GP-400 상품명)를 충진시켰다. 시공된 지중열교환기의 지중 열전도도를 건양대학교 기계공학과에 의뢰하여 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

비교예 1: 벤토나이트를 이용한 지중열 교환기의 시공

인천시 연구수 송도동 부근에 200m 깊이의 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지중열교환기(한국PEM, HDPE)를 설치하였다. 다음으로 천공홀의 바닥부로부터 지반 상부까지 벤토나이트(Hydrogel)를 충진시켰다. 시공된 지중열교환기의 지중 열전도도를 한국냉동공조인증센터에 의뢰하여 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

표 1에 나타난 바와 같이, 자갈과 무수축모르타르를 이용하여 지중열 교환기를 그라우팅 시공한 실시예 1은 벤토나이트를 이용하여 지중열 교환기를 그라우팅 시공한 비교예 1보다 열전도도가 월등하게 우수한 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.