열순환 파이프의 시공 방법

열순환 파이프의 시공 방법{CONSTRUCTION METHOD OF HEAT CIRCULATION PIPE}

본 발명은 열순환 파이프의 시공 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물의 하부에 설치되는 열순환 파이프의 시공 방법에 관한 것이다.

에너지 절약 및 효율 향상을 위해 신재생 에너지에 대한 관심과 국가 지원이 증가하면서 지열을 이용한 냉난방 시스템을 적용한 건물이 늘어나고 있다. 지열을 이용한 냉난방 기술로는 첨부되는 특허문헌들과 같은 다양한 기술들이 있으며, 보다 나은 기술을 제공하고자 지속적으로 기술 개발이 이루어지고 있다.

지열을 이용하여 건물의 냉난방을 하기 위해서는 열순환 파이프가 설치될 옥외 천공 부지를 확보해야 하나, 도심과 같은 지역에서는 옥외 천공 부지의 확보에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 건물 하부에 지열용 구멍을 천공하고, 지열용 구멍에 열순환 파이프를 설치하는 방안이 제시되었다.

건물 하부에 지열용 구멍을 천공하는 방법에는 도 1과 같이 건물이 들어설 부지에 터파기 작업 전 지열용 구멍을 천공하는 방법과, 도 2와 같이 터파기 작업 후 지열용 구멍을 천공하는 방법이 공지되어 있다.

도 1에 도시한 시공 방법에서는 (a) 및 (b)와 같이 건물이 들어설 부지에 지열용 구멍(1)을 천공하고, (c)와 같이 토사층의 붕괴를 방지하기 위하여 금속 재질의 케이싱(2)을 설치하고, (d)와 같이 중장비를 이용하여 터파기 작업을 실시한 후 터파기 작업이 완료되면 지열용 구멍에 열순환 파이프를 삽입하고, 마무리 작업인 그라우팅 작업을 한다.

그런데 이 경우에는 케이싱(2)으로 인해 터파기 작업이 용이하지 못하여 공사 기간이 늘어나고, 터파기 작업의 진행에 따라 일정한 간격으로 케이싱(2)을 절단하고, 이물질이 유입되지 않도록 지열용 구멍(1)을 밀봉해야 하는 불편함이 있다.

도 2의 (a)와 같이 터파기 작업을 한 후 (b)와 같이 지열용 구멍(1)을 천공하여 지열용 구멍(1)에 열순환 파이프를 삽입하고, 마무리 작업인 그라우팅 작업을 하는 경우에는 열순환 파이프의 시공 관점에서 볼 때 적합한 방법이라 할 수 있지만, 건물의 건축 작업과 연관하여 볼 때에는 아래와 같은 문제점이 있다.

터파기 작업 후 지열용 구멍(1)을 천공함에 따라 다른 건축 작업을 진행하지 못하여 공사 기간이 길어지고, 다른 건축 작업에 주는 방해를 최소화하기 위하여 터파기 작업 후 곧바로 지열용 구멍(1)을 천공해야 하므로 공사 시기에 따른 유연성을 발휘하지 못하게 된다.

본 발명은 토목 공사 및 건물 건축 공사에 불편을 주지 않고 공사 지연을 유발하지 않으면서 열순환 파이프를 쉽게 시공할 수 있는 열순환 파이프의 시공 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열순환 파이프의 시공 방법은, 건물 부지에 지열용 구멍을 천공하고, 지열용 구멍에 아웃 케이싱을 삽입하여 토사층의 함몰을 방지하며, 아웃 케이싱을 통하여 지열용 구멍에 열순환 파이프와 인 케이싱의 조립체를 삽입하여 설치하고, 아웃 케이싱을 제거하여 터파기 작업을 시행하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열순환 파이프의 시공 방법은, 건물 부지에 지열용 구멍을 천공하고, 지열용 구멍에 아웃 케이싱을 설치하는 단계와, 아웃 케이싱을 통하여 지열용 구멍에 열순환 파이프와 인 케이싱의 조립체를 삽입 설치하는 단계와, 지열용 구멍으로부터 아웃 케이싱을 제거하는 단계와, 터파기 작업을 진행하여 인 케이싱을 지면으로 노출시키는 단계와, 인 케이싱을 제거하고 지열용 구멍에 그라우팅 물질을 채워 그라우팅 작업을 하는 단계를 포함한다.

인 케이싱은 열순환 파이프의 일부를 감싸며, 인 케이싱의 외경은 아웃 케이싱의 내경보다 작을 수 있다. 열순환 파이프와 인 케이싱의 조립체는 지열용 구멍에서 아웃 케이싱보다 아래에 설치될 수 있다.

열순환 파이프의 상단은 로프로 묶이고, 인 케이싱은 로프로 묶인 열순환 파이프의 상단 주위를 감싸도록 설치될 수 있다. 인 케이싱의 상단 중앙에는 로프를 빼내는 개구부가 형성될 수 있다.

인 케이싱의 상면에는 일단이 인 케싱에 고정되고 다른 일단이 상측을 향해 경사지게 돌출된 스토퍼가 설치될 수 있다. 인 케이싱의 외주면에는 인 케이싱의 외주면을 둘러싸는 패킹 부재가 설치될 수 있다.

본 실시예에서는 터파기 작업 전 지열용 구멍을 천공함에 따라 토목 공사 기간 및 시기의 영향을 받지 않고 지열용 구멍을 쉽게 천공할 수 있다. 또한, 아웃 케이싱 제거 후 터파기 작업이 이루어짐에 따라 방해 요소 없이 터파기 작업을 용이하게 진행할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 열순환 파이프의 시공 방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 열순환 파이프의 다른 시공 방법을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열순환 파이프의 시공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시한 제1 단계와 제2 단계를 나타낸 개략 단면도이다.
도 5와 도 6은 도 3에 도시한 제3 단계를 나타낸 개략 단면도이다.
도 7은 도 5에 도시한 아웃 케이싱과 열순환 파이프 및 인 케이싱을 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 5에 도시한 아웃 케이싱과 열순환 파이프 및 인 케이싱을 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 5에 도시한 제3 단계를 나타낸 개략도이다.
도 10은 도 3에 도시한 제4 단계를 나타낸 개략 단면도이다.
도 11은 도 3에 도시한 제5 단계와 제6 단계를 나타낸 개략 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열순환 파이프의 시공 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 열순환 파이프의 시공 방법은, 건물 부지에 지열용 구멍을 천공하는 제1 단계(S10)와, 지열용 구멍에 아웃 케이싱을 설치하여 토사층의 함몰을 방지하는 제2 단계(S20)와, 지열용 구멍에 열순환 파이프와 인 케이싱을 설치하는 제3 단계(S30)와, 지열용 구멍에서 아웃 케이싱을 제거하는 제4 단계(S40)와, 토목 공사인 터파기 작업을 진행하는 제5 단계(S50)와, 지열용 구멍으로부터 인 케이싱을 제거하고 그라우팅 작업을 하는 제6 단계(S60)를 포함한다.

도 4는 도 3에 도시한 제1 단계와 제2 단계를 나타낸 개략 단면도이다.

도 4를 참고하면, 제1 단계(S10)에서는 건물이 들어설 부지에 보링기와 같은 통상의 기계를 이용하여 다수의 지열용 구멍(1)을 천공한다. 지열용 구멍(1)에는 이후 열순환 파이프가 설치되어 지열을 이용한 건물의 냉난방을 가능하게 한다.

제2 단계(S20)에서는 지열용 구멍(1)에 아웃 케이싱(out-casing)(2)을 설치하여 지열용 구멍(1)을 보호한다. 아웃 케이싱(2)은 견고한 금속 재질의 관으로 이루어져 토사층의 붕괴 및 함몰을 억제하여 지열용 구멍(1)이 토사층에 의해 파손되는 것을 방지한다. 아웃 케이싱(2)의 길이는 토사층의 깊이와 같거나 이보다 크게 형성된다.

도 5와 도 6은 도 3에 도시한 제3 단계를 나타낸 개략 단면도이고, 도 7과 도 8은 도 5에 도시한 아웃 케이싱과 열순환 파이프 및 인 케이싱을 나타낸 사시도 및 단면도이고, 도 9는 도 5에 도시한 제3 단계를 나타낸 개략도이다.

도 5 내지 도 9를 참고하면, 제3 단계(S30)에서는 아웃 케이싱(2)이 설치되어 있는 지열용 구멍(1)에 열순환 파이프(3)를 삽입한다. 열순환 파이프(3)의 상단은 로프로 묶여 있으며, 작업자는 로프를 서서히 내려 지열용 구멍(1)에 열순환 파이프(3)를 삽입한다.

이때 열순환 파이프(3)의 상단에 인 케이싱(in-casing)(4)을 조립한 후 열순환 파이프(3)와 인 케이싱(4)을 함께 삽입한다. 인 케이싱(4)은 열순환 파이프(3)의 상단 외측을 덮는 견고한 금속 재질의 관으로 이루어진다. 인 케이싱(4)의 상단 중앙에는 로프를 빼내는 개구부가 형성된다.

인 케이싱(4)은 그 외경이 아웃 케이싱(2)의 내경보다 작게 형성되어 아웃 케이싱(2)의 내부를 통과한다. 인 케이싱(4)은 상부가 폐쇄된 형태로 이루어지고, 대략 2m 내지 3m의 길이(L)(도 8 참조)로 형성될 수 있다.

인 케이싱(4)은 암반층에 도달할 때까지 지열용 구멍(1)에 삽입되어 암반층에 위치할 수 있다. 즉, 열순환 파이프(3)와 인 케이싱(4)은 아웃 케이싱(2)보다 아래에 위치한다. 인 케이싱(4)의 위치는 터파기 작업의 깊이에 따라 변하며, 터파기 작업에 완료될 때 인 케이싱(4)이 지반 위로 노출되도록 한다.

인 케이싱(4)의 상면에는 상측으로의 이동을 방지하는 스토퍼(5)가 설치될 수 있다. 스토퍼(5)의 일단은 인 케이싱(4)의 상면에 고정되고, 다른 일단은 상측을 향해 경사지게 돌출 형성된다. 스토퍼(5)는 철판으로 형성될 수 있다. 스토퍼(5)는 지열용 구멍(1)에 인 케이싱(4)을 삽입할 때 수압 또는 부력과 같은 다양한 원인에 의해 인 케이싱(4)이 상측으로 이동하는 것을 방지한다.

인 케이싱(4)의 외주면에는 패킹 부재(6)가 설치될 수 있다. 패킹 부재(6)는 열순환 파이프(3)와 인 케이싱(4)을 삽입할 때 아웃 케이싱(2)과 접촉하여 아웃 케이싱(2)과의 사이에 마찰력을 발생시킨다. 따라서 패킹 부재(6)는 열순환 파이프(3)와 인 케이싱(4)의 무게에 의해 이들이 빠른 속도로 내려가는 것을 억제하여 열순환 파이프(3)의 손상을 방지하고, 지열용 구멍(1)으로 이물질이 유입되는 것을 억제한다.

또한, 패킹 부재(6)는 지열용 구멍(1)에 인 케이싱(4)이 설치된 상태에서 토사층 또는 암반층과 인 케이싱(4) 사이에 발생하는 틈새를 줄이며, 이에 따라 이 틈새를 통해 이물질이 지열용 구멍(1) 아래로 유입되는 것을 방지한다. 패킹 부재(6)는 고무와 같은 신축성 소재로 제조될 수 있다.

도 10은 도 3에 도시한 제4 단계를 나타낸 개략 단면도이다.

도 10을 참고하면, 제4 단계(S40)에서는 아웃 케이싱(2)을 지열용 구멍(1)에서 제거한다. 지열용 구멍(1)에서 아웃 케이싱(2)이 제거된 이후 토사층이 붕괴되어도 지열용 구멍(1)은 인 케이싱(4)에 의해 덮여 있으므로 열순환 파이프(3)가 설치된 지열용 구멍(1)으로 토사가 유입되지 않는다.

도 11은 도 3에 도시한 제5 단계와 제6 단계를 나타낸 개략 단면도이다.

도 11을 참고하면, 제5 단계(S50)에서는 토목 공사인 터파기 작업을 실시한다. 이때 터파기 작업은 아웃 케이싱(2)이 제거된 상태에서 진행되므로 지열 공사와 상호 영향을 미치지 않는다.

터파기 작업 완료 후 제6 단계(S60)에서는 지열용 구멍(1)으로부터 인 케이싱(4)을 제거하고, 열순환 파이프(3)가 설치된 지열용 구멍(1)에 벤토나이트 등을 채워 그라우팅 작업을 한다. 이로써 열순환 파이프(3)의 시공이 완료된다.

이후 건물 부지 위에 건물(도시하지 않음)을 세우고, 열순환 파이프(3)를 열 교환기(도시하지 않음)에 연결시킴으로써 열순환 파이프와 열 교환기로 이루어진 지열 열교환기의 시공을 완료한다.

본 실시예에 따르면, 아웃 케이싱이 제거된 상태에서 터파기 작업이 이루어지므로 터파기 작업시 방해 요소가 없다. 또한, 터파기 작업 완료 후 지면으로 노출된 인 케이싱을 제거하고 그라우팅 작업을 실시하면 열순환 파이프의 시공을 끝낼 수 있으므로 다른 공사에 미치는 영향을 최소하하면서 열순환 파이프의 시공을 완료할 수 있다.

1: 지열용 구멍 2: 아웃 케이싱
3: 열순환 파이프 4: 인 케이싱
5: 스토퍼 6: 패킹 부재