스페이서와 수용성 고분자에 충진된 벤토나이트를 PE 파이프와 동시에 투입하는 지열시공 공법 {A method of ground source construction for putting PE pipe in borehole with spacer and packed betonite in water-soluble polymer}
본 발명은 지열 시공을 함에 있어 열교환기로 PE 파이프를 매설하게 되는데 보어홀 안쪽과 매설되는 열교환기를 최대한 밀착시켜 주고 보어홀과 열교환기 사이에 열전달 매개체가 되는 벤토나이트를 가득 채움으로써 지중열과 열교환기 사이의 열전도도를 높여 최대의 열교환 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 지열을 시공함에 있어 열교환기가 매설되는 외부공사와 히트펌프와 순환펌프들이 장착되는 기계실 내부공사로 나눌 수 있는데, 현재 지열시공비 자체가 매우 값비싼 공사이며 지열 외부공사 비용은 전체공사 비용의 약 60%를 차지할 정도로 비용이 많이 드는 공사이다. 이에 지구환경을 위해 화석연료를 줄일 수 있는 신재생에너지의 한 분야인 지열을 국내에 보급함에 있어서 값비싼 공사비가 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서 본 발명이 도입되면 시공되는 보어홀의 갯수를 줄임으로써 지열 전체공사비를 저렴하게 낮출 수 있다.
지열은 태양광, 풍력과 더불어 현재 국내에서 화석연료를 대체하는 신재생에 너지로써 각광을 받고 있다. 지열은 보어홀을 천공, 열교환기 매설, 그라우팅, 트렌치, 히트펌프 및 순환펌프 설치, 기계실 배관, 부하쪽 냉난방 공급의 순서로 시공되고 있다. 이 중 보어홀 천공, 열교환기 매설, 그라우팅의 비용이 전체공사비의 약 60% 정도를 차지할 정도로 비용이 많이 소모되는 공정들이다. 이에 여러 연구자들에 의해 시공비용을 낮출 수 있는 방법들이 모색되었으나, 현재 이렇다할 만한 방법들이 제시되지 못하고 있다. 본 발명은 롤 형태로 공급되는 열교환기 매설 시 최대한 직선으로 매설하기 위함과 보어홀과 열교환기를 최대한 밀착시켜 주기 위해 수용성 고분자에 충진된 벤토나이트를 포함시킬 수 있는 장치를 장착한 스페이서를 도입하여 시공함으로써 그라우팅에 대한 시공비를 줄일 수 있으며, 지중열과 열교환기 사이에 열전도 효과를 증대시켜 천공되는 보어홀 수를 줄이고 매설되는 열교환기 길이를 감소시켜 긍극적으로 외부공사비용을 줄임으로써 지열 보급을 확대시킬 수 있다.
지열 시공 시 공사비용이 많이 소모되는 외부공사에 있어 보어홀에 열교환기 삽입 시 롤 형태이기 때문에 시공상 어려움으로 작업자들이 많은 애로점을 갖고 있으며, 열교환기 삽입 후 그라우팅 시 벤토나이트와 물을 혼합하여 보어홀 내부로 투입 시 빠른 시간 내에 벤토나이트가 부풀어 오름으로써 벤토나이트 투입장비의 배관과 펌프 등이 막혀 그라우팅 작업이 수시로 중단되는 문제점이 있다. 또한 작업시간이 늘어남으로써 작업자들의 인건비가 상승되어 지열 공사비가 전체적으로 추가되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 보어홀에 롤 형태의 열교환기를 삽입할 때 [도면 ]과 같이 열교환기가 수직으로 매설될 수 있도록 열교환기를 잡아 주는 스페이서를 장착하고 스페이서 옆면에 수용성 고분자에 충진된 벤토나이트를 장착할 수 있는 틀을 추가하여 열교환기 매설 시 벤토나이트도 동시에 매설되고 열교환기는 보어홀 벽면에 최대한 밀착될 수 있도록 하였다. 열교환기 매설 작업이 끝난 후 보어홀 내부로 물을 투입하여 매설된 벤토나이트와 물이 접촉하게 되어 벤토나이트가 부풀면서 보어홀 내부를 채울 수 있도록 하였다. 따라서 열교환기 매설 시 열교환기가 수시로 말리는 현상을 해결하여 작업시간을 단축시켰으며, 벤토나이트를 열교환기와 같이 매설하여 나중에 물을 투입하여 부풀게 함으로써 기존의 벤토나이트 투입 시 그라우팅 장비의 배관과 펌프의 막힘 현상을 해결하였다.
기존의 열교환기 매설과 그라우팅 방법을 사용할 때 보다 본 발명의 방법으로 열교환기와 벤토나이트를 동시에 삽입 시 공사비용을 약 20 % 감소시킬 수 있었으며 기존 방식의 열교환기 매설과 그라우팅 시 보다 열교환 효율이 1.5배 상승됨을 얻을 수 있었다. 따라서 공사비용과 열교환 효율을 높임으로써 국내에 지열을 보급함에 있어 기타의 방식보다 우수한 기술을 사용함으로써 보급 확산에 기여할 수 있다고 판단된다.
[도면 1] ①은 스페이서의 일부분을 나타내며 ②는 스페이서와 벤토나이트가 충진된 수용성 고분자 물질을 체결하기 위한 곳이다. ③은 충진된 벤토나이트이며, ④는 벤토나이트가 충진된 수용성 고분자 자루를 나타낸 것이다. [도면 2] ①은 약 150 mm지름으로 천공된 보어홀을 나타내며 ②는 25 mm PE 파이프 열교환기를 표현한 것이다. ③은 열교환기 삽입 후 벤토나이트를 부풀리기 위하여 물을 공급해 주는 투입구이다. 물을 투입하면 수용성 고분자가 물에 녹아 벤토나이트와 공급된 물이 접촉하여 벤토나이트가 부풀게 된다. ④는 벤토나이트가 충진된 수용성 고분자 자루이며 ⑤는 PE 파이프 열교환기를 직선으로 잡아주기 위한 스페이서를 나타낸 것이다. ⑥은 스페이서와 벤토나이트가 충진된 수용성 고분자 자루를 체결하기위한 곳이다. ⑦은 보어홀 내로 물을 투입할 때 공기가 통하기 위한 공기통풍구이다. |
