KR20140115285A

KR20140115285A - 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법

Info

Publication number: KR20140115285A
Application number: KR1020140111761A
Authority: KR
Inventors: 조희남
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2014-09-30

Abstract

본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법은, 지열을 회수하기 위해 비중이 낮은 PE 또는 HDPE 관을 지열코일관으로 사용하여도 고심도에서 지하수의 부력에 의해 부상하지 않고 안정적으로 설치함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관은, 지열 굴착공에 삽입되며 유체의 순환을 위한 단부가 열교환부와 연결되어 지열을 회수하는 열교환매체의 순환을 유도하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관으로서, 내부가 중공이며 상기 지열 굴착공에 상하 종방향을 따라 설치되어 상기 열교환매체의 순환을 유도하는 코일관 본체와; 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 설치되어 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 중량을 부가함으로써 상기 지열 코일관의 비중을 증가하는 부상방지부재를 포함하되, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 외주면에 고정되거나, 상기 코일관 본체의 내부에 인서트 사출(함침)되거나, 상기 코일관 본체의 외주면에 표피층을 통해 장착되거나, 상기 코일관 본체의 둘레부에 장착된다.
본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법은, 지중에 지열 굴착공을 천공하는 제1단계와; 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 상기 제1단계를 통해 천공한 지열 굴착공에 설치하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 설치된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 지상측의 열교환부와 연결하는 제3단계를 포함하되, 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 2가닥을 U 밴드를 통해 연결하여 밀폐형 지열시스템의 지열코일관으로 시공하거나 개방형 지열시스템의 급수측과 환수측으로 구분하여 시공한다.

Description

고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법{HIGH DEPTH GEOTHERMAL COIL PIPE FOR GEOTHERMAL EXCHANGER AND METHOD FOR CONSTRUCTING THE SAME}

본 발명은 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지열을 회수하기 위한 지열코일관을 폴리에칠렌관(PE 관)이나 고밀도 폴리에칠렌관(HDPE 관)을 사용하여도 고심도에서 지하수의 부력에 의해 지열코일관이 부력에 의해 부상하지 않도록 하고 지열코일관의 구부러짐에 의한 굴착공벽과의 마찰을 저감하여 안정적으로 지열코일관을 설치할 수 있는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것이다.

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 열교환 된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환 시스템을 이용하여 지열을 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 온도변화 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용 가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열 열교환장치이다.

특히 저탄소 녹색성장 추진과 석유가격의 급등으로 인해 신재생열에너지의 확대공급 정책에 따라 지열의 수요는 지속적으로 증가되어질 수 있는 여지가 높아지고 있는 추세이다.

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 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. 반면 수직밀폐형 지중 열교환기 장치는 굴착된 지열 굴착공 내부에 지중 열교환을 할 수 있도록 하부가 U밴드로 연결된 두 가닥 또는 다수개의 지열 코일관을 바닥까지 삽입하여 설치한 다음 굴착공벽과 지열코일관들 사이를 그라우팅액으로 충진하여 고정한 것이다. 수직밀폐형 지중 열교환기 장치는 지하수를 직접 양수하여 노출시키지 않고 지열 코일관을 통해 지상에서 열교환되어 보유한 열을 지중에 다시금 교환하는 기능만을 하게 됨으로서 항시 폐쇄된 순환배관 내부에 열교환을 위한 브라인이 순환펌프에 의해 순환될 뿐 지하수와 직접 접촉되지는 않게 됨으로써 개방형 지중 열교환기 장치에 비해서는 지하수 오염을 크게 우려하지 않을 수 있어 지하수 환경보전적인 측면에서는 비교 권장되어져야 할 시스템이라 할 수 있으며 개방형 지중 열교환기 장치가 지하수의 수위강하나 지하수의 고갈에 따른 지속적인 시설운영에 장애가 있는 반면 수직밀폐형 지중열교환기 장치는 이러한 장애없이 항시 안정적인 운영이 가능하여 비교우위의 장점을 가지고 있는 시스템이기도 하다.

수직밀폐형 지중 열교환기 장치로 구성된 지열시스템은 U밴드 지열코일관을 지열굴착공에 삽입 설치하여 구성된 U밴드 수직밀폐형이 있으며 외부순환관을 지열굴착공 내부에 먼저 삽입한 후 그 내부에 내부순환관을 삽입하여 구성한 이중관 튜브형, 그리고 기초 파일 내부에 지열코일관을 설치한 에너지 파일형이 대표적 형식으로 개발되어 운용 중에 있다.

그러나, 두 가닥의 지열코일관 끝에 U밴드를 열융착 연결하여 형성한 U밴드 지열코일관의 경우 지열코일관이 원형으로 감겨진 상태로 생산되고 그 형태로 현장에 반입됨으로써 지열굴착공 내부에 삽입하는 경우 지열코일관의 끝부분인 U밴드부분이 지열굴착공의 공벽에 부딪히거나 지열코일관 전체가 원형으로 구부러져 있었던 중이라 현장에서 펼친다할 지라도 직진성을 확보하기가 어려운 상태여서 삽입 장애가 일어나게 된다.

한편, 지하수의 양수와 환수를 위한 급수관과 환수관은 제조원가가 저렴한 고밀도 폴리에틸렌관(HDPE 관)이 주로 사용되고 있다. HDPE 관은 가격이 저렴한 이점은 있지만, 비중이 약 0.94~0.97로 물보다 작아 가벼워 물에 뜨는 부력이 존재하고 연성인 특성이 있기 때문에 지열공 깊이가 300~500m에 이르는 고심도의 경우 급수관과 환수관으로 구성된 지열코일관을 지열굴착공에 삽입할 때 부력이 발생되어 삽입 자체가 불가능한 현상이 발생된다.

한편, HDPE 관의 이러한 단점을 보완하기 위하여 HDPE 관 내부에 물을 채워 부력을 저감하거나 U밴드 하단에 무거운 추를 메달아 극복하는 방법이 있지만, 근본적인 비중 차이의 저감은 달성되지 않아 삽입이 어려웠다. 왜냐하면 추로 인하여 전체적인 무게가 증가할 수는 있지만 추가 HDPE 관의 저부에 매달리는 것이기 때문에 저부를 제외한 나머지 부분에서 부력을 줄이지 못하기 때문이다.

그리고, HDPE 관은 연성의 특성이 있기 때문에 지열공에 삽입할 때 직진성이 확보되지 않아 휨이 발생되는 문제점도 있다. 따라서 HDPE 관은 특성 상 강관파이프처럼 경직된 직진성을 확보하기 어려워 강제적인 삽입력 확보가 불가능하고 따라서 대체적으로 150∼200m를 한계 삽입깊이로 하여 삽입하여 시설되어지고 있는 중이다.

한편, 동일한 전열량이라 할 때 고심도를 굴착하여 운용하는 개방형 지중 열교환기 장치의 지열굴착공과 비교하여 U밴드 수직밀폐형의 경우 다량의 지열굴착공이 필요하게 되었고 자연히 다량의 지열굴착공을 굴착하기 위한 부지면적 또한 보다 넓게 확보하여야 하였다. 이러한 부지 면적의 확보 문제로 인해 U밴드 수직밀폐형의 경우 대체적으로 건물을 짓기 전에 기초 파일의 내부에 지열코일관을 설치하거나 건물이 지어지는 바닥부분에 조밀하게 지열굴착공을 굴착한 후 지열코일관을 삽입 설치하여 지중 열교환기를 구성한 후 기계실 내에 설치되는 히트펌프의 전열교환기로 배관을 연결하여 왔다. 결국 부지면적이 좁은 경우 시설운용이 편리한 장점을 가지고 있는 U밴드 수직 밀폐형 지열 설비는 시설용량을 충분히 설치할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 강관파이프를 이용하여 지열코일관을 고심도로 깊이 삽입하는데 도움이 되도록 한다 할지라도 삽입이 완료되고 난 후 강관파이프를 지상으로 뽑아내는 과정에서 강관파이프와 지열코일관의 외주면이 지속적으로 마찰을 일으켜 마모에 의한 천공이 발생될 수 있는 여지가 높아 활용될 수 없었다.

따라서 소량의 지열 굴착공을 굴착하여 다량의 지열을 활용할 수 있는 기술의 개발이 필요하였으며, 이를 위하여 본 출원인은 등록특허공보 제10-0981527호(고심도 수직밀폐형 지중 열교환기 장치 및 구성방법)를 통해 지열코일관의 삽입 깊이를 획기적으로 고심도로 시행할 수 있는 기술을 개발한 바 있다.

또한, 지열코일관의 비중을 증가시키기 위해 별도의 웨이트바를 지열코일관 외주연에 설치하여 전체적인 지열코일관의 무게를 크게 함으로써 지열 굴착공 내부에 지열코일관이 용이하게 설치될 수 있도록 출원한 바 있다. 그러나 이러한 설치방법은 지열코일관의 외경을 크게 하여 지열 굴착공 내부에서의 간섭에 직접적인 영향을 받게 됨으로써 굴곡진 지열 굴착공 내부에서의 지열코일관의 삽입에 장애가 일어날 수 있는 여지를 완전히 해소하지 못한 문제가 있었으며 웨이트바의 하중이 지열코일관에 고르게 분포되지 않고 일정 부분에 집중되어짐으로써 지열코일관이 지지력이 약한 구간에서는 구부러짐이 극심하여져 순환폐색이 발생될 가능성도 배제하기 어려웠다.

또한, 등록특허공보 제10-1425632호는 급수관 연결부와 환수측 연결부가 구비된 유 밴드헤더와, 상기 유 밴드헤더의 급수측 이음부와 환수측 이음부에 각각 관이음되는 급수측과 환수측 HDPE 소켓과, 상기 HDPE 소켓에 각각 열융착되는 급수측과 환수측 HDPE 관과, 급수측과 환수측 HDPE 관 내부에 삽입되는 웨이트장치로 구성되어 상기 HDPE 관이 부력에 의해 부상하지 않고 지열공에 삽입되도록 하는 것을 특징하는 발명을 완수한 바 있으나, 상기 발명에서도 초기 반입과정에서 롤형태로 현장에 입고되어 현장에서 구부러진 상태의 HDPE 관을 완벽하게 직선화로 펼치지 못하는 한계로 인해 지열굴착공 공벽과 HDPE 관 간의 마찰을 저감할 수 없는 한계가 있었다.

또한, 개방형 지중 열교환기의 경우 환수관을 지열굴착공의 내부케이싱과 굴착공벽 사이에 삽입하여 순환되도록 하는 형태에서 내부케이싱을 제거하고 환수관을 지열 굴착공 바닥 근처까지 삽입하는 구조를 취하게 되는 경우 스테인레스강관 재질의 50A 파이프를 사용하게 되거나 PVC파이프를 연결하여 사용함으로써 HDPE 관의 부력으로 인한 부양현상을 방지할 수 있게 되어지긴 하였으나 고심도 시공에 다른 자재비가 많이 소요되어 시공에 경제적이지 않은 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1025018호 대한민국 등록특허 제10-0981527호 대한민국 등록특허 제10-0768064호 대한민국 특허출원 제10-2011-0142749호 대한민국 특허등록 제10-1187863호 대한민국 등록특허 제10-1425632호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열을 회수하기 위한 HDPE 관을 사용하여도 단위 길이당 지열코일관에 균등히 무게가 부가되어져 고심도에서 지열코일관이 낮은 비중으로 인하여 지하수의 부력에 의해 부상하지 않게 하고 지열코일관의 구부러짐에 의한 굴착공벽과의 마찰을 저감할 수 있도록 직선형으로 교정하여 안정적으로 지열코일관이 지열굴착공에 삽입 설치될 수 있도록 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관은, 지열 굴착공에 삽입되며 유체의 순환을 위한 단부가 열교환부와 연결되어 지열을 회수하는 열교환매체의 순환을 유도하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관으로서, 내부가 중공이며 상기 지열 굴착공에 상하 종방향을 따라 설치되어 상기 열교환매체의 순환을 유도하는 코일관 본체와; 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 설치되어 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 중량을 부가함으로써 상기 지열 코일관의 비중을 증가하는 부상방지부재를 포함하되, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 외주면에 고정되거나, 상기 코일관 본체의 내부에 인서트 사출(함침)되거나, 상기 코일관 본체의 외주면에 표피층을 통해 장착되거나, 상기 코일관 본체의 둘레부에 장착되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법은, 지중에 지열 굴착공을 천공하는 제1단계와; 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 상기 제1단계를 통해 천공한 지열 굴착공에 설치하는 제2단계와; 상기 제2단계를 통해 설치된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 지상측의 열교환부와 연결하는 제3단계를 포함하되, 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 2가닥을 U 밴드를 통해 연결하여 밀폐형 지열시스템의 지열코일관으로 시공하거나 개방형 지열시스템의 급수측과 환수측으로 구분하여 시공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관 및 이를 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법에 의하면, 지열코일관의 외주면 등에 지열코일관의 길이방향을 따라 적용된 부상방지부재를 통해 지열코일관에 전체적인 비중을 크게 하여 지열굴착공의 심도에 따라 적합한 비중의 관체를 구성함으로써 고심도에서도 지하수의 부력에 의해 부상을 일으키지 않고 지열코일관을 설치하는 이점이 있다.

그리고, 부상방지부재에 의해 지열코일관의 구부러짐 현상을 직선형태로 교정하여 지열코일관을 지열 굴착공벽에 마찰 현상없이 안정적으로 설치하므로 시공성이 우수하고 시공 비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관에 적용된 코일관 본체의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 코일관 본체에 적용된 보호턱의 다른 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관에 적용된 부상방지부재의 선단부를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관에 적용된 부상방지부재가 그물망 형태인 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 사시도.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 종단면도.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 사시도.
도 10은 본 발명의 실시예 4에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 횡단면도.
도 11은 본 발명의 실시예 5에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 구성도.
도 12는 본 발명의 실시예 6에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 구성도.
도 13은 본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관이 밀폐형 시스템에 적용된 예시도.
도 14는 본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관이 개방형 시스템에 적용된 예시도.
도 15는 본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 시공을 위한 코일관 직선화 장비의 구성도.
도 16은 본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관이 밀폐형 시스템에 시공되고 제1,2그라우팅층에 의해 그라우팅된 도면.

<실시예 1>

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은, 코일관 본체(11), 코일관 본체(11)의 모든 부분에 걸쳐 중량을 균일하게 부가하여 지열 코일관(10)의 모든 부분의 비중을 높임으로써 부력에 의한 부상을 방지하고 아울러 코일 형태로 감겨 취급(제조, 운반)되는 코일관 본체(11)이 지중에 설치될 때 직선형을 유지하도록 하는 부상방지부재(12)로 구성된다.

코일관 본체(11)는 PE, HDPE 등이 사용된다.

부상방지부재(12)는 전술한 기능(부력에 의한 부상방지 등)을 위하여 일정 중량[이 중량은 지열 코일관(10)의 전체 비중을 지하수에 의해 부상하지 않을 정도의 중량이므로 코일관 본체(11)의 비중에 따라 달라진다]으로 이루어지고 따라서, 폭과 길이는 다양하게 달라질 수 있는 것이다.

예를 들어 부상방지부재(12)는 1m당 무게는, 코일관 본체(11) 1m 당 갖는 비중에 따른 부력을 극복하고 코일관 본체(11)가 지열 굴착공 내부에 삽입시 지하수중에 침강이 일어날 수 있는 무게를 산출하고 이에 적합한 부상방지부재(12)의 무게를 산정하여 그 굵기나 두께를 결정하도록 하였다.

즉, 예를 들면 호칭경 50mm 코일관의 경우 외경이 60mm이며 두께가 6.0mm일 때 고밀도폴리에칠렌관(HDPE 관)의 비중이 0.95로 하며 길이 1m 당 실질적인 무게는,

{{(π/4 × aD²)-(π/4 × bD²)}×1.0m 대입하여 산출된 값인,

(0.002826-0.00180864)×1.0=0.001017㎥ 이다.

이 값은 순수한 물의 체적에 해당되는 무게일 경우에는

0.001017 ㎥ × 1,000 = 0.1017kg = 101.7g이다.

그런데 고밀도폴리에칠렌관(HDPE 관)의 비중이 0.95인 것으로 산출하면, 101.7g × 0.95 = 96.62g에 해당되어 결국 코일관이 물에 가라앉기 위해서는 코일관 1m 당 101.7-96.62 =5.08g 이상의 무게가 증대될 수 있는 조치가 필요하게 된다. 이러한 비중에 의한 부력의 크기는 지열 굴착공 내부에 삽입되는 지열 코일관의 깊이가 깊어져 길이가 길어질수록 체적이 커지게 됨으로 부력 역시 비례하여 상승되어지게 되며 지열 코일관을 300m 깊이로 설치하게 되면 부력을 상쇄시키기 위한 중량은 96.62g × 300m ÷ 1,000 = 28.9 kg 에 까지 이르게 된다. 따라서 이 무게보다 크게 상승된 중량을 코일관 본체(11)에 골고루 분배하여 하중이 실려 낮은 비중을 감쇄시켜 결과적으로 자연스럽게 코일관이 지열 굴착공 내부에 채우져 있는 지하수중에 침강이 이루어질 수 있도록 할 필요가 있다 하겠다.

부상방지부재(12)는 따라서 철을 재질로 하는 철선이 바람직하고, 물론 이에 한정되는 것은 아니며 전술한 기능(무게를 증가하고 아울러 직선형을 유지하는 기능)을 수행하는 모든 다른 재료와 형태가 가능하며, 또한 원형 단면, 판형 단면 등으로 인발 제작된 형태를 적용할 수도 있다.

부상방지부재(12)가 철선인 경우 철선은 특히 부식에 의해 날카로운 면이 발생되어 코일관 본체(11)에 손상을 입힐 수 있고 이를 방지하기 위해 연질 에폭시 등으로 피막을 입혀 사용하거나 내 부식성 재질인 스테인레스 철선을 사용하도록 하였다.

또한 부상방지부재(12)는 하나의 사용은 물론 두 개 이상이 함께 사용(부착, 꼬임 등)되는 것도 가능하다.

부상방지부재(12)는 코일관 본체(11)의 외주면에 하나 또는 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 두 개 이상이 적용 가능하다.

본 실시예에 적용되는 부상방지부재(12)는 부상 방지와 직선형 유지의 목적 달성을 위하여 코일관 본체(11)의 외주면(내주면도 가능하지만 지하수의 오염 등을 감안할 때 외주면이 바람직함)에 상하 종방향을 따라 설치된다.

부상방지부재(12)는 재질에 따라 고정 방식이 달라질 것이므로 이에 대해서는 한정하지 아니하며, 상하 종방향의 부상방지부재(12)의 방향성을 고려할 때 부상방지부재(12)와 반대 방향인 횡방향의 고정밴드(13)가 적용된다.

고정밴드(13)는 부상방지부재(12)의 상하 방향을 따라 일정 높이를 두고 1단 이상으로 적용되며, 코일관 본체(11)의 외주면에 있는 부상방지부재(12)를 감싸면서 부상방지부재(12)가 흔들리거나 이동하지 않도록 하고 코일관 본체(11)에서 떨어지지 않도록 함으로써 코일관 본체(11)의 모든 부분에 균등한 무게 배분이 가능하도록 한다.

고정밴드(13)는 타이 밴드, 클램프, 와이어 로프 등 부상방지부재(12)를 고정하는 모든 것이 가능하고 즉 고정수단을 총칭하는 것이며, 물론 도면에 도시된 링 형상으로 한정되지 아니하고 부상방지부재(12)를 고정하는 모든 크기와 형태가 가능하다. 고정밴드(13)는 부상방지부재(12)와 동일한 재질 예컨대 철선인 경우 비중을 증가하는 기능도 겸하므로 횡방향의 부상방지부재라 할 수도 있다.

부상방지부재(12)와 코일관 본체(11)간에 틈새가 발생하여 삽입설치과정에서 마찰이 발생하면 코일관 본체(11) 일부에 천공이 발생하거나 두께가 얇아져 운전 수압에 의해 누수가 발생될 수도 있으므로 부상방지부재(12)의 결속은 단단할수록 좋다.

부상방지부재(12)는 기성품인 코일관 본체(11)의 외주면에 설치되는 것도 가능하지만, 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외주면보다 돌출되어 지열 코일관(10)의 설치시 부상방지부재(12)가 접촉에 의한 간섭을 일으키고 이에 따라 코일관 본체(11)에서 움직이거나 떨어질 수 있으므로 도 2에서처럼, 코일관 본체(11)의 외주면에 삽입홈(14)을 형성하여 이 삽입홈(14) 안에 설치되는 것이 바람직하다.

부상방지부재(12)는 삽입홈(14) 안에 삽입 및 기타 고정 방법에 의해 고정되어 코일관 본체(11)의 외주면보다 돌출되지 않으며 따라서 지열 코일관(10)의 삽입 설치 과정에서 간섭을 방지한다.

부상방지부재(12)의 외주면에는 고정밴드(13)가 삽입되는 홈이 형성될 수도 있다.

여기서 부상방지부재(12)의 폭방향 양측 즉 코일관 본체(11)와 맞닿는 부분에서 틈 등이 발생되어 부상방지부재(12)가 간섭을 일으킬 수 있고 결과적으로 삽입홈(14)에서 이탈될 수 있으므로 삽입홈(14)의 폭방향 양측에는 코일관 본체(11)의 외주면보다 돌출되는 보호턱(15)이 형성된다.

보호턱(15)은 삽입홈(14)의 단부에서 점진적으로 하향 경사지는 단면 등 다양한 형상이 가능하다.

보호턱(15)은 코일관 본체(11)의 외주면보다 돌출되지 않고 외경을 유지하도록 구성되는 것도 가능하며 도 3에서처럼 부상방지부재(12)의 외부를 덮는 방식도 가능하다. 즉 삽입홈(14)은 코일관 본체(11)의 외부를 향해 개방되어 부상방지부재(12)가 둘레부에서 끼움되는 것으로 한정되지 않고 부상방지부재(12)의 장착을 위하여 상하 방향으로만 개방되어 부상방지부재(12)가 상부나 하부에서 반대쪽으로 끼워지는 것도 가능한 것이다.

한편, 도 1과 도 4에서 보이는 바와 같이, 부상방지부재(12)의 끝이 절단 등에 의해 날카로운 경우 선단에 의한 코일관 본체(11)의 손상을 방지하기 위해 부상방지부재(12)의 선단부에 컬링부(16)가 구성될 수 있다. 컬링부(16)는 부상방지부재(12)의 선단부를 동그랗게 말은 형태이며 이와 동등한 기능을 하는 모든 형태를 포함한다.

한편 본 실시예에 따르면, 부상방지부재(12)는 종방향으로 설치되지 않고 1단 이상의 횡방향으로도 장착 가능하다. 부상방지부재(12)가 횡방향인 경우 전술한 부상방지부재(12)의 구조가 동일하게 적용 가능하고 고정밴드의 경우 상하 종방향으로 배열되어 횡방향의 부상방지부재(12)를 고정한다.

또한, 부상방지부재(12)는 종방향과 횡방향이 함께 적용되는 것도 가능하고, 관형으로 형성되어 코일관 본체(11)에 결합되는 2중관식도 가능하다.

<실시예 2>

도 5에서 보이는 것처럼, 본 실시예에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은, 코일관 본체(11) 및 부상방지부재(12)로 구성되며, 실시예 1과 비교하면 본 실시예의 부상방지부재(12)는 코일관 본체(11)의 외주면에 나선형으로 감기는데 특징이 있다.

부상방지부재(12)는 코일관 본체(11)의 외주면 전체 또는 일부분 또는 일정 간격을 두고 다수의 부분에 적용 가능하고, 코일관 본체(11)의 외주면에 부착 또는 핀으로 고정되는 등 다양한 방식으로 고정될 수 있다.

부상방지부재(12)는 원형 단면, 판형 단면 등 다양한 단면이 사용 가능하고 판형 단면의 경우 구멍이 있는 것도 가능하다. 판형 단면의 구멍의 경우 코일관 본체(11)의 PE 또는 HDPE 재질이 구멍을 통해 상 하부가 일체화 될 수 있도록 하여 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)로부터 이탈되는 것을 방지해 줄 수 있는 효과가 있다.

도 6은 본 실시예에 의한 부상방지부재(12)의 변형 예를 도시한 것으로, 부상방지부재(12)는 그물망 형태로 구성되어 코일관 본체(11)의 외주면을 덮는 형태도 가능하다.

본 실시예에 의해 띠 형태의 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외주면에 노출 또는 돌출되도록 적용된 지열 코일관(10)을 유밴드로 연결되는 개방형의 지열 코일관 즉 급수측 지열 코일관과 환수측 지열 코일관으로 사용하는 경우 급수측과 환수측의 지열 코일관의 마주보는 위치를 피하고 외향면에 부상방지부재(12)가 위치하도록 하여 급수측과 환수측의 지열 코일관에 적용된 부상방지부재(12)에 의한 지열 코일관의 손상을 방지하도록 한다.

<실시예 3>

도 7에서 보이는 것처럼, 본 실시예에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은, 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 제조시 인서트되어 일체로 구성되는데 특징이 있다.

본 실시예에서 부상방지부재(12)는 원형 단면, 판형 단면 등 다양한 형상의 와이어나 띠 형태 또는 그물망 형태 또는 관의 형태 등이 가능하고, 코일관 본체(11)의 사출시 코어 내부에 미리 설치되어 코일관 본체(11)의 사출시 자연적으로 내장됨으로써 제조성[부상방지부재(12)의 고정을 위한 작업과 코일관 본체(11)의 구조 변경 등이 없음]이 우수하고 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외부로 노출 및 돌출되지 않아 손상과 시공시 간섭을 일으키지 않는다.

부상방지부재(12)는 도면에서처럼 2개 이상이 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 적용되는 것, 하나만 적용되는 것이 모두가 가능하다.

또한, 코일관 본체(11)는 전체적으로 원형을 유지하면서 부상방지부재(12)가 삽입된 형태, 부상방지부재(12)가 적용된 부분이 더 큰 직경으로 돌출된 형태 등 다양하게 적용 가능하다.

한편, 코일관 본체(11)의 제조와 지열 굴착공의 굴착 심도를 볼 때 2개 이상의 지열 코일관(10)을 관이음함으로써 사용되며, 지열 코일관(10)을 열융착으로 관이음할 때 부상방지부재(12)가 재질에 따라 열융착을 방해할 것이므로 도 8에서처럼 기존 리밍기 등을 이용하여 열융착 부분의 일부분을 제거(리밍)[부상방지부재(12)의 제거와 코일관 본체(11)의 일부 두께 제거](동일한 형태의 제조도 포함)한 후 열융착한다. 지열 코일관(10)들을 열융착으로 관이음한 후 제거된 부분의 보호를 위하여 테이핑 등을 통해 마감될 수 있다.

<실시예 4>

도 9와 도 10에서 보이는 것처럼, 본 실시예는 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)에 인서트되지 않고, 코일관 본체(11)의 외주면에 적용되고 이 외면에 표피층(17)을 코팅하는 것도 가능하다.

표피층(17)은 코일관 본체(11)와 동일한 PE, HDPE 의 코팅재의 코팅에 의해 형성된다. 또는 표피층(17)은 시트의 접착에 의해 형성되는 것도 가능하다.

표피층(17)에 적용되는 부상방지부재(12)는 도면에 도시된 그물망 형태로 한정되지 아니하고 전술한 모든 형태가 가능하다.

본 실시예와 같이 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외부로 노출되지 않고 내장된 경우 부상방지부재(12)를 동선이나 내부식성 전도성 소재를 이용하면 신호선으로 활용할 수 있고, 따라서, 누수여부 체크와 온도체크 등 지열 지중열교환기 내부 상황을 체크하여 운영에 도움을 갖게 할 수도 있다.

<실시예 5>

도 11에 도시된 것처럼, 본 실시예에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은, 부상방지부재(12)를 실시예 1처럼 코일관 본체(11)의 외주면에 고정하거나 실시예 2처럼 코일관 본체(11)에 인서트 또는 외부를 코팅으로 마감하는 것과 다르게 코일관 본체(11)의 외주면에 결합되는 하중밴드(18)를 이용하여 설치하는 것이다.

부상방지부재(12)는 철선 등으로서 상하 길이방향의 양측이 하중밴드(18)에 고리 등으로 연결되어 적용된다.

하중밴드(18)는 예컨대 링 형상으로 이루어져 코일관 본체(11)의 둘레부에 결합[부상방지부재(12)들로 연결되어 단순 끼움도 가능, 코일관 본체(11)에 접착 등으로 고정]되며, 지열 코일관(10)의 비중을 높이기 위하여 철 등을 재질로 하는 것이 바람직하고 물론 이에 한정되는 것은 아니다.

하중밴드(18)를 사용함으로써 부분적으로 하중을 더 무겁게 할 수 있으며, 즉 하중밴드(18)는 부분적인 하중 증대가 필요한 부분에도 쉽게 적용할 수 있다는 점에서 이점이 있다.

부상방지부재(12)는 하중밴드(18)들을 매개로 하여 상하 종방향으로 설치됨으로써 용이한 적용이 가능하다.

부상방지부재(12)와 하중밴드(18)가 코일관 본체(11)에 고정되지 않는 경우 최상단 또는 최상단을 포함하는 다른 위치의 하중밴드(18)는 코일관 본체(11)에 흘러내리지 않고 돌아가지 않도록 직접 고정되어야 한다.

하중밴드(18)는 도면에 도시된 것처럼, 부상방지부재에 연결되는 것으로 한정되지 않고 전술한 실시예 1 내지 4에도 적용 가능하며, 즉 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외주면에 띠 형태로 장착(실시예 1), 나선형으로 권선(실시예 2), 코일관 본체(11)에 인서트(실시예 3), 코일관 본체(11)에 표피층으로 보호(실시예 4)되는 것에 하중밴드가 추가로 적용될 수 있는 것이다.

<실시예 6>

도 12에서 보이는 것처럼, 본 실시예에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은, 부상방지부재가 코일관 본체(11)의 외주면에 층상 구조로 형성되는 부상방지막(12a)인 것을 특징으로 한다.

부상방지막(12a)은 코일관 본체의 비중을 증가하는 입자상 내지 분말상의 비중증가제(철분, 석회분 등 비중을 높일 수 있는 모든 재료가 가능하고, 입도는 예컨대 0.1~2mm 등 다양한 입도가 가능하다)가 상기 코일관 본체의 외주면에 도포 내지 침지에 의해 형성되고, 접착을 위한 에멀젼이나 PE 등 증착수지와 혼합되어 사용되고, 상기 비중증가제 100중량부에 대하여 증착수지 5~30중량부 등 다양한 혼합비율안에서 조성 가능하다.

본 실시예는 코일관 본체(11)의 외주면에 직접 도포나 침지 형식으로 형성되지 않고 부상방지관으로 제작된 후 결합되는 2중관 식도 가능하다. 여기서 2중관 식의 부상방지관은 PE, HDPE 관도 가능하다.

본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)은 밀폐형과 개방형 모두에 적용 가능하다.

지금까지 설명한 실시예들은 부상방지부재(12)들이 코일관 본체(11)와의 구조적 개선을 통해 이루어진 것이므로 밀폐형과 개방형 모두 적용 가능하고, 이하에서는 밀폐형과 개방형 지열코일관의 구성을 이용한 예에 대해 설명하기로 한다.

도 13에서 보이는 바와 같이, 개방형 시스템에 적용되는 지열 코일관(10)은, 저부에 유밴드(19)가 구비되어 브라인의 급수와 환수가 이루어지는 유형 코일관 본체(11), 유형 코일관 본체(11)를 따라 상하 종방향으로 배열되며 저부가 유형 코일관 본체(11)의 유밴드(19)에 고정되는 부상방지부재(12)로 구성된다.

부상방지부재(12)는 유형 코일관 본체(11)와 동일하게 배열됨에 따라 유형 코일관 본체(11)에 전체적으로 중량을 부여하여 전체적으로 비중이 커짐으로써 유형 코일관 본체(11)의 모든 부분에서 부력을 감소시킨다.

부상방지부재(12)는 철선, 철판 등이 바람직하고, 저부가 유(U)밴드(19)에 직접 또는 간접적으로 고정되며, 상부는 어느 부분에서 고정되어도 무방하다. 부상방지부재(12)를 직접 고정하는 방식은 부상방지부재(12)의 단부를 유밴드(19)에 감아 고정하는 것이고, 간접적인 고정은 고정소켓(20), 와이어 로프 등을 연결하여 고정하는 것이다.

고정소켓(20)은 유밴드(19)를 감싸면서 부상방지부재(12)가 연결되는 고리의 구성이 갖추어진 모든 것이 가능하다.

아울러, 고정소켓(20)은 무게추(30)를 설치하는 용도를 겸할 수도 있다.

본 발명은 부상방지부재(12)를 통해 지열 코일관(10)에 전체적으로 부력을 줄임으로써 별도의 무게추(30)를 사용하지 않아도 무방하지만, 최하단부에서 시공성을 증대하기 위하여 무게추(30)를 사용할 수 있으며, 이때, 무게추(30)를 부상방지부재(12)를 연결하기 위한 고정소켓(20)을 이용하여 설치함으로써 구조를 단순화하는 효과가 있다.

무게추(30)는 와이어나 고리 등을 통해 고정소켓(20)의 저부에 형성된 고리에 매달려 설치된다.

도 14는 개방형 시스템에 적용된 예를 도시한 것이며, 환수측 지열 코일관(10)을 코일관 본체(11)와 부상방지부재(12)로 구성하되, 부상방지부재(12)의 저부를 코일관 본체(11)의 하단에 고정고리 등을 통해 고정하고 상부를 예컨대 상부보호공이나 케이싱이나 환수측 지열 코일관(10)의 상부(꺽임부 등) 등에 고정될 수 있다.

부상방지부재(12)의 저부는 환수측 지열 코일관(10)의 저부, 환수측 지열 코일관(10)의 저부에 장착되는 스트레이너(40)의 상단부 등에 고정고리 등을 통해 연결 가능하다.

도 14에서 도시된 미설명 부호 2는 급수측 지열 코일관, 3은 양수펌프이다.

도 13와 도 14에서는 부상방지부재(12)가 코일관 본체(11)의 외부에 적용된 것이며, 이는 전술한 실시예들과 함께도 적용 가능한 것이다.

이하, 본 발명에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관의 시공 방법에 대해 설명한다.

도 15에서 보이는 바와 같이, 지열 코일관(10)은 드럼(50)에 원형으로 감겨 시공 현장으로 운반된다.

본 발명은 드럼(50)에 감긴 지열 코일관(10)을 지열 굴착공(1) 내부에 직선형으로 설치하기 위한 코일관 직선화 장비(100)가 포함된다.

코일관 직선화 장비(100)는 내부에 상하 종방향의 경로가 구비되며 지열 굴착공(1)과 상기 경로와 연통하도록 상하 종방향으로 세워지면서 저부가 지면이나 지중에 삽입되는 케이싱에 정착되는 가이드 케이싱(110), 가이드 케이싱(110)의 입구쪽에 설치되며 지열 코일관(10)을 가이드 케이싱(110)의 내부로 유도하는 유도롤러(120), 드럼(50)에서부터 유도롤러(120)를 거쳐 공급되는 지열 코일관(10)을 직선형으로 성형하는 직선화 가이드(130), 가이드 케이싱(110)의 내부에 열풍을 송풍하여 온도를 상승시킴으로써 지열 코일관(10)의 직선화를 유도하는 열풍기(140), 가이드 케이싱(110) 내부의 저부에 설치되며 모터를 구동으로 하여 회전하면서 직선형으로 변화된 지열 코일관(10)을 지열 굴착공(1) 내부에 삽입하는 삽입롤러(150)로 구성된다. 부상방지부재(12)가 철선인 경우 코일관 본체(11)가 직선화된 상태를 유지하도록 하는 기능을 한다.

가이드 케이싱(110)은 외형이 예컨대 사각형인 박스형이며 열풍기(140)에 의한 열풍이 손실되지 않도록 지열 코일관(10)이 통과하는 부분을 제외한 부분이 밀폐 구성된다.

유도 롤러(120)는 가이드 케이싱(110)의 상부에 설치되며 드럼(50)에서 공급되는 지열 코일관(10)을 직선화 가이드(130)로 유도한다.

직선화 가이드(130)는 가이드 케이싱(110) 안에 직선의 경로를 형성하는 것으로 예를 들어 지열 코일관(10)이 통과하는 홀이 구비된 판재 2개 이상이 높이차를 두고 형성되거나 또는 지열 코일관(10)이 통과하는 간격을 두고 횡방향을 따라 서로 이격되는 한 쌍의 롤러가 높이차를 두고 2세트 이상으로 설치됨으로써 이루어진다.

열풍기(140)는 토출구가 가이드 케이싱(110) 내부의 덕트부와 통하도록 설치되며 지열 코일관(10)이 직선을 유지하는 온도의 열풍을 상기 덕트부에 급기한다.

삽입롤러(150)는 모터를 구동원으로 하여 회전하며 반대쪽의 아이들롤러와 함께 지열 코일관(10)을 강제로 삽입한다.

코일관 직선화 장비(100)는 한 가닥의 지열 코일관(10), 서로 분리된 두 가닥 이상의 지열 코일관(10), 유밴드로 연결된 두 가닥의 지열 코일관(10)(밀폐형 시스템용) 등 다양한 지열 코일관의 직선화 및 삽입시공이 가능하다.

코일관 직선화 장비(100)를 이용하여 지열 코일관(10)을 하고, 지열 코일관(10)의 삽입이 완료되면 지상에서 지열 코일관(10)을 절단한 후 지열 열교환기와 연결한다.

코일관 직선화 장비(100)는 전술한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관에 한정되지 않고 종래 지열코일관을 직선화하여 시공하는 것으로도 사용 가능하다.

한편 밀폐형 시스템의 경우 지열 굴착공 내부를 그라우팅하며, 본 발명에서는 도 16에서처럼, 지열 굴착공(1)의 저부에서부터 일정 높이까지의 제1그라우팅층(200), 제1그라우팅층(200)에서부터 지표면까지의 제2그라우팅층(300)으로 구분된다.

제1,2그라우팅층(200,300)의 경계선은 지면에서 예컨대 100 ~ 200m 이며, 즉 제1그라우팅층은 고심도의 그라우팅이고 제2그라우팅층(300)은 일반 그라우팅이라 할 수 있다.

제1그라우팅층(200)은 고심도용 그라우팅제를 통해 이루어진다.

상기 고심도용 그라우팅제는 지하수의 수질을 오염시키지 않는 벤토나이트만을 그라우팅제로 사용함으로써 지하수의 수질을 양호한 상태로 보존하고 그러면서도 벤토나이트에 의한 압송 펌프와 압송 호스의 막힘없이 벤토나이트를 고심도의 설계 심도까지 주입하여 그라우팅체를 시공할 수 있으므로 고심도의 지열 굴착공도 용이하게 그라우팅하는 것이며, 지중 심정 내부에 주입된 후 경화되어 그라우팅하는 입자상의 친환경의 주재료, 상기 주재료의 표면에 코팅되어 상기 주재료의 주입 중에 지하수(주입을 위하여 별도의 물을 사용하는 경우 이 물도 포함됨)와의 접촉에 의해 상기 주재료가 풀리는 것을 방지하여 상기 주재료를 원하는 심도로 주입하며 주입완료 후 상기 주재료가 지하수와의 반응에 의해 그라우팅 작용하도록 하는 지연흡수성 코팅막으로 구성된다.

상기 주재료는 지하수를 오염시키지 않는 친환경 재료로서, 물과 반응하여 팽창 팽윤함으로써 최적의 그라우팅을 수행하는 벤토나이트가 바람직하며, 물론, 벤토나이트와 동등 이상의 기능을 하는 재료도 가능하다.

상기 지연흡수성 코팅막은 지연흡수성 코팅제의 코팅(분무, 침지 등)에 의해 구성된다.

상기 지연흡수성 코팅제는 지하수를 흡수하여 피막형태가 해체되거나 균열을 일으키도록 한 특성을 기본으로 하며 왜냐하면 지하수와 반응할 때 자신의 피막효과가 제거됨으로써 상기 주재료와 지하수가 반응할 수 있기 때문이다.

이러한 기능을 하는 지연흡수성 코팅제는 지하수를 오염시키지 않는 특성을 갖는 것이 더욱 바람직하며 무해한 무기물질을 활용하는 것이 좋다 하겠으며 특히 황토가 바람직하다.

상기 황토는 지하수와 반응을 하기 전까지는 상기 주재료인 벤토나이트에서 박리되지 않고 지하수에 의해 쉽게 풀어지거나 균열이 발생되며 상기 주재료인 벤토나이트에 의한 그라우팅을 방해하지 않는 조건 하에서 사용되고, 따라서 분말(미분도 가능)이 물에 혼합된 황토풀로 사용되는 것이 바람직하다. 황토 분말과 물의 혼합비율에 따라 지연흡수성 코팅막의 순도와 점착강도 등이 달라지므로 이들의 혼합비율을 수치로 한정하지 않아도 실시가 가능하지만 예를 들어 황토 미분(시중에서 구하는 황토 미분) 100중량부에 대하여 물 5~30중량부가 혼합되어 사용되며, 이와 같은 조성의 황토풀은 분무기나 도포기에 의한 분무나 도포 또는 주재료의 침지 등에 의해 지연흡수성 코팅막을 형성한다.

상기 지연흡수성 코팅막은 주재료(11)의 표면에 전체적으로 형성될 수 있고 또는 다수의 기공을 갖도록 형성될 수도 있다. 상기 기공은 상기 지연흡수성 코팅막이 없거나 얇은 형태이며 따라 지하수가 상기 주재료와 더욱 신속하게 반응하도록 한다. 따라서, 상기 기공은 반응 속도 조절을 위하여 효율적으로 사용되는 것이다.

상기 지연흡수성 코팅막은 두께에 따라 풀어 헤쳐지거나 균열이 발생되는 속도가 달라지기 때문에 그라우팅 심도 등에 따라 다양한 두께로 코팅되며, 코팅이 가능한 최소 두께(예를 들어 0.1mm)에서부터 최대 1mm로 가능하고, 물론 이 수치로 한정되는 것은 아니다. 그라우팅구간에 주입된 상기 주재료는 지하수와 접촉하게 될 경우 먼저 상기 주재료 주변을 감싸 보호하고 있는 상기 지연흡수성 코팅막이 지하수를 흡수하게 되고 흡수가 진행되는 일정시간이 경과하게 되면 지연흡수성 코팅막이 자연적으로 지하수중에서 풀어져 해체되거나 흡수된 지하수가 상기 지연흡수성 코팅막을 서서히 침투하여 주재료에 도달하게 되면 상기 주재료가 지하수를 흡수하게 되면서 팽윤이 일어나게 되고 팽윤된 팽창력에 의해 상기 지연흡수성 코팅막에 균열이 발생하게 되면서 급속히 지하수가 상기 주재료에 흡수되어지면서 급격한 팽윤이 진행되어지게 된다.

또한 상기 지연흡수성 코팅막을 형성한 지연흡수성 코팅제는 물에 녹은 상태로 그라우팅체 안에 있는 것이기 때문에 적정의 양이 사용되도록 두께가 결정되는 것이다.

또한, 지연흡수성 코팅제는 황토만을 지칭하는 것으로 이해되어서는 않되며 흡수 후 일정시간이 경과하면 피막효과가 해체되는 모든 물질을 총칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

고심도용 그라우팅제의 제조 방법은 다음과 같다.

1. 주재료 선별.

주재료인 벤토나이트는 미분의 상태인 경우 상기 지연흡수성 코팅막의 성형을 어렵게 하고 지연흡수성 코팅제 등 기타 재료의 사용을 필요로 함으로써 그라우팅 강도의 저하를 초래할 수 있고 반대로 너무 큰 입도이면 압송 펌프에 의한 압송이 어려워 시공성을 떨어뜨리므로 2~4mm 입도로 사용되는 것이 바람직하다.

즉, 벤토나이트는 분말 또는 과립 상태로 공급되고 있으며 2mm 입도 이하의 분말은 2~4mm 입도로 가공된 후 사용되고 2~4mm 입도의 과립은 입도 가공없이 그대로 사용 가능하다.

2mm 입도 이하의 상기 주재료인 벤토나이트는 물과 혼합된 후 환형 또는 과립형 또는 펠렛형 등으로 가공되며, 예를 들어 벤토나이트 분말 100중량부에 대하여 물 2~10중량부를 혼합한 후 통상의 반죽기와 성형기를 통해 구형 등으로 제조된다.

2. 코팅.

일정 입도로 가공, 선별된 주재료인 벤토나이트와 지연흡수성 코팅제를 준비한다.

지연흡수성 코팅제를 이용하여 상기 주재료인 벤토나이트의 표면에 지연흡수성 코팅막을 형성하며, 전술한 것처럼, 분무나 도포에 의한 코팅, 상기 주재료의 침지에 의한 코팅 등 다양한 방법이 가능하다.

상기 지연흡수성 코팅막을 코팅한 후 건조한다. 건조 방식은 상온에 의한 자연 건조와 건조기에 의한 강제 건조 모두가 가능하고, 건조 방식에 따라 건조 시간은 달라지며 상기 지연흡수성 코팅막이 벗겨지지 않고 묻지 않을 때까지 건조한다.

3. 수용성 코팅막 안정화.

고심도용 그라우팅제는 지중 심정에 주입될 때까지 상기 지연흡수성 코팅막이 제거되지 않고 유지하여 하며, 고심도용 그라우팅제의 보관과 그라우팅 주입 과정에서 외력에 의해 지연흡수성 코팅막이 파괴되지 않도록 안정화 공정을 거쳐야 한다.

고심도용 그라우팅제의 안정화는 소성 가공에 의해 이루어진다. 지연흡수성 코팅막이 형성된 고심도용 그라우팅제를 소성로에 넣고 600~800℃의 온도에서 3~4시간 동안 소성 가공한다.

소성 공정을 통해 지연흡수성 코팅막이 경화되어 조직이 치밀해짐으로써 강도가 증가되어 물과 반응하기 이전에는 지연흡수성 코팅막이 소멸되지 않거나 일정 시간동안 물과 반응한다 할지라도 풀어 헤쳐지는 것을 지연시킬 수 있게 된다.

제2그라우팅층(300)을 형성하는 그라우팅제는 통상적으로 사용되는 모든 그라우팅제가 사용된다.

1 : 지열 굴착공,
10 : 지열 코일관, 11 : 코일관 본체
12 : 부상방지부재, 13 : 고정밴드
14 : 삽입홈, 15 : 보호턱
16 : 컬링부, 17 : 표피층
18 : 하중밴드, 20 : 고정소켓
30 : 무게추, 40 : 스트레이너
50 : 드럼, 100 : 코일관 직선화 장비
110 : 가이드 케이싱, 120 : 유도롤러
130 : 직선화 가이드, 140 : 열풍기
150 : 삽입롤러,

Claims

지열 굴착공에 삽입되며 유체의 순환을 위한 단부가 열교환부와 연결되어 지열을 회수하는 열교환매체의 순환을 유도하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관으로서,
내부가 중공이며 상기 지열 굴착공에 상하 종방향을 따라 설치되어 상기 열교환매체의 순환을 유도하는 코일관 본체와;
상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 설치되어 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 중량을 부가함으로써 상기 지열 코일관의 비중을 증가하는 부상방지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 표면에 상하 종방향 또는 원주의 횡방향 또는 종방향과 횡방향의 격자형 또는 나선형 중 어느 하나로 배열되면서 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 2에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 외주면에 형성되는 삽입홈에 삽입 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 3에 있어서, 상기 코일관 본체는 상기 삽입홈의 폭방향 양측에 상기 삽입홈에 삽입 장착된 부상방지부재보다 돌출되는 보호턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일관 본체의 표면에 상기 부상방지부재와 직교하는 방향으로 배열되면서 고정되어 상기 부상방지부재를 상기 코일관 본체의 표면에 지지하는 고정수단이 포함되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코일관 본체가 열교환매체의 순환을 위한 U 형의 저부가 구비되는 경우 상기 코일관 본체에 적용된 부상방지부재는 서로 마주보는 위치를 피하여 배치되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체에 인서트 사출로 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 외주면에 장착되면서 표피층(17)에 의해 외부로 노출되지 않고 보호되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 부상방지부재는 구리선이나 내부식성 전도성 소재를 재질로 하여 신호선으로 사용되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관은 길이방향 양측 단부의 열융착에 의한 관이음부에서 상기 부상방지부재를 리밍한 후 열융착에 의해 관이음되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 2 또는 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 부상방지부재는 와이어형, 판형, 망형, 관형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 비중을 증가하는 입자상 내지 분말상 소재가 상기 코일관 본체의 외주면에 도포 내지 침지에 의해 부상방지막으로 형성되거나 관형으로 제작된 후 2중관식으로 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 2 또는 청구항 7 또는 청구항 8 또는 청구항 12에 있어서, 상기 코일관 본체의 둘레부에 결합되어 중량을 부가하는 하중밴드가 포함되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 둘레부에 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 배열되며 상하 양측 중 일측 이상이 상기 코일관 본체의 둘레부에 결합되는 하중밴드에 연결되어 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 코일관 본체는 상기 열교환매체가 순환하는 U 형의 저부를 포함하여 밀폐형 시스템에 적용되며, 상기 부상방지부재는 상기 코일관 본체의 둘레부에 상기 코일관 본체의 길이방향을 따라 배열되며 저부가 상기 코일관 본체의 U 형의 저부에 연결되어 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 15에 있어서, 상기 부상방지부재는 저부가 상기 코일관 본체의 U 형의 저부에 결합되는 고정소켓에 연결되어 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 16에 있어서, 상기 고정소켓에 연결되는 무게추가 포함되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 있어서, 상기 코일관 본체는 저부가 개방되어 지열 굴착공의 공저에 배치되는 개방형 시스템의 환수측 코일관 본체이며, 상기 부상방지부재는 상기 환수측 코일관 본체의 둘레부에 상기 환수측 코일관 본체의 길이방향을 따라 배열되면서 저부가 상기 환수측 코일관 본체의 저부에 직접 또는 상기 환수측 코일관 본체에 연결되는 스트레이너에 연결되어 장착되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관.
청구항 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법으로서,
지중에 지열 굴착공을 천공하는 제1단계와;
상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 상기 제1단계를 통해 천공한 지열 굴착공에 설치하는 제2단계와;
상기 제2단계를 통해 설치된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 지상측의 열교환부와 연결하는 제3단계와;
상기 지열 굴착공 내부를 그라우팅하여 밀폐형 시스템을 시공하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.
청구항 19에 있어서, 상기 제4단계는 상기 지열 굴착공의 저부에서부터 서로 다른 그라우팅제를 통해 시공되는 제1그라우팅층과 제2그라우팅층으로 구분되며,
상기 제1그라우팅을 시공하는 고심도용 그라우팅제는 일정 입도의 벤토나이트를 포함하는 군 중 선택된 하나 이상으로서 물을 흡수하면 팽윤하는 특성에 의해 지중 심정을 그라우팅하는 주재료와; 상기 주재료의 표면에 코팅되며 물에 녹아 제거됨으로써 상기 주재료가 물과 반응하여 그라우팅 작용하도록 하는 지연흡수성 코팅막으로 이루어지며, 상기 지열 굴착공 내부에 주입되어 물과 반응하여 상기 지연흡수성 코팅막이 풀리거나 균열이 발생되어 피막기능이 없어져 상기 주재료가 수팽창에 의해 그라우팅되는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.
청구항 1에 의한 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법으로서,
지중에 지열 굴착공을 천공하는 제1단계와;
상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 상기 제1단계를 통해 천공한 지열 굴착공에 설치하되, 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 급수측 지열코일관과 환수측 지열코일관으로 구분하여 설치하는 제2단계와;
상기 제2단계를 통해 설치된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관의 급수측 지열코일관과 환수측 지열코일관을 지상측의 열교환부와 연결하여 개방형 지열 지중열교환 시스템을 시공하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.
청구항 19 또는 청구항 21에 있어서, 상기 제2단계는 드럼(50)에 감긴 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 코일관 직선화 장비를 통해 직선화한 후 상기 지열 굴착공에 삽입 설치하며,
상기 코일관 직선화 장비(100)는 내부에 상하 종방향의 경로가 구비되며 상기 지열 굴착공(1)과 상기 경로와 연통하도록 상하 종방향으로 세워지면서 저부가 지면이나 지중에 삽입되는 케이싱에 정착되는 가이드 케이싱(110), 상기 가이드 케이싱(110)의 입구쪽에 설치되며 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)을 상기 가이드 케이싱의 내부로 유도하는 유도롤러(120), 상기 드럼(50)에서부터 상기 유도롤러(120)를 거쳐 공급되는 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)을 직선형으로 성형하는 직선화 가이드(130), 상기 가이드 케이싱(110)의 내부에 열풍을 송풍하여 온도를 상승시킴으로써 지열 코일관(10)의 직선화를 유도하는 열풍기(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.
청구항 22에 있어서, 상기 가이드 케이싱(110) 내부의 저부에 설치되며 모터를 구동으로 하여 회전하면서 직선형으로 변화된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)을 상기 지열 굴착공(1) 내부에 삽입하는 삽입롤러(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.
지중에 지열 굴착공을 천공하는 제1단계와;
상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 상기 제1단계를 통해 천공한 지열 굴착공에 설치하는 제2단계와;
상기 제2단계를 통해 설치된 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 지상측의 열교환부와 연결하는 제3단계를 포함하고,
상기 제2단계는 드럼(50)에 감긴 상기 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 코일관 직선화 장비를 통해 직선화한 후 상기 지열 굴착공에 삽입 설치하며,
상기 코일관 직선화 장비(100)는 내부에 상하 종방향의 경로가 구비되며 상기 지열 굴착공(1)과 상기 경로와 연통하도록 상하 종방향으로 세워지면서 저부가 지면이나 지중에 삽입되는 케이싱에 정착되는 가이드 케이싱(110), 상기 가이드 케이싱(110)의 입구쪽에 설치되며 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)을 상기 가이드 케이싱의 내부로 유도하는 유도롤러(120), 상기 드럼(50)에서부터 상기 유도롤러(120)를 거쳐 공급되는 고심도 지열 지중열교환기용 지열 코일관(10)을 직선형으로 성형하는 직선화 가이드(130), 상기 가이드 케이싱(110)의 내부에 열풍을 송풍하여 온도를 상승시킴으로써 지열 코일관(10)의 직선화를 유도하는 열풍기(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고심도 지열 지중열교환기용 지열코일관을 이용한 지열 지중열교환 시스템 시공 방법.