KR101187863B1

KR101187863B1 - 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템

Info

Publication number: KR101187863B1
Application number: KR1020110123173A
Authority: KR
Inventors: 이병대; 조희남
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-11-23

Abstract

본 발명은 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 관한 것으로, 지하수 급수 위치를 상부(지표면측)에 지하수 환수위치를 지열공의 바닥측으로 하여 열교환 효율을 향상함과 아울러, 지하수의 급수공과 환수공의 크기를 다르게 하여 지열공의 천공 작업을 단순화함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템은, 지중에 천공되는 지열공(10)과; 급수 펌프(21) 및 급수관(22)으로 구성되며 상기 지열공(10) 내부의 지하수를 급수하는 급수수단(20)과; 상기 급수수단(20)의 급수관과 연결되어 급수된 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(30)와; 상기 히트펌프에서 토출되는 지하수를 지열공(10)에 복귀시키는 환수관(40)을 포함하며, 상기 지열공은 상기 급수수단의 급수 펌프와 급수관이 삽입되는 지열 급수공(11) 및 상기 환수관이 삽입되는 지열 환수공(12)으로 이루어지되, 상기 지열 환수공은 상기 지열 급수공의 저부에 상기 지열 급수공보다 깊은 심도이면서 상기 지열 급수공보다 작은 직경으로 형성되어 상기 환수관에 형성된 환수공이 상기 지열 환수공의 바닥부에 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템{Open type geothermal system unit}

본 발명은 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수 급수 위치를 상부(지표면측)에 지하수 환수위치를 지열공의 바닥측으로 하여 열교환 효율을 향상함과 아울러, 지하수의 급수공과 환수공의 크기를 다르게 하여 지열공의 천공 작업을 단순화할 수 있는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 관한 것이다.

그리고, 본 발명은 다수의 지열공에서 지하수를 회수하는 경우 모든 지열공의 부하를 균일하게 조절할 수 있는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 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 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 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 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 필수적인 시설은 바로 굴착된 지하수 심정 시설이며 특히 지하수를 양수하여 열교환을 위한 시설인 경우에는 지하수 심정펌프와 양수파이프 및 환수관을 다시금 굴착된 지하수 심정 내부에 연결되도록 하는 것은 반드시 갖춰져야 하는 시스템이라 할 것이다.

잘 알다시피 지하수(地下水: groundwater)라 함은 지하의 지층이나 암석사이의 빈틈을 채우고 있거나 흐르는 물을 말하는 것으로, 현대에 이르러 산업화가 진척됨에 따라 환경오염이 심화되고, 토양의 오염이 심각해짐으로써 자연히 토양층을 투과하여 형성되는 지하수 역시 그 오염 율이 날로 증가되어 가고 있는 추세이다. 지층은 통상적으로 일반 흙과 모래 등으로 구성된 토사층과 지하수의 투수율이 그나마 높은 풍화암층, 그리고 불투수층이라 할 수 있는 연암층과 보통암, 경암층 순으로 구성되어 있다. 연암층 이하 층에 형성된 암반대수층 지하수는 지층 상부의 토사층이나 풍화암층으로부터의 오염된 지하수의 영향을 받지 않고 있어 맑고 깨끗한 수질상태를 유지하고 있게 된다. 그러나 토사층과 풍화암층은 지표상부로부터 유입하는 각종 오염물질로부터 일부 여과의 기능은 가능하다 하겠으나 투수 중 자연정화의 시간이 짧고 토사층이나 풍화암층이 오염되어 있을 경우 이 공간을 흐르는 지하수 역시 함께 오염될 수 밖에 없는 상황이 발생된다. 지하수 개발과정에서는 당연히 토사층과 풍화암층을 천공하게 되고 이러한 천공되는 구간은 이어서 연암층과 보통암,경암층을 관통하여 구성되어지게 된다. 결과적으로 오염에 취약하거나 오염되어 있는 지하수는 아무런 저항이나 여과 수단없이 자연스럽게 오염되지 않은 암반대수층의 지하수에 혼입되어지게 되고 암반대수층 지하수 오염의 주요 요인이 되어왔다. 따라서, 지하수 개발과정에서 암반대수층의 지하수를 이러한 오염된 상층 지하수로부터 어떻게 보호하며 유입을 차단할 것인가가 지금까지의 지표하부보호벽 구성의 주요 목적이며 연구과제라 할 수 있었다.

지열을 이용하기 위한 굴착된 지하수 심정 역시 지하수를 사용하여야 하며 지하수 심정 펌프와 양수파이프를 설치하여야 함에는 일반 지하수 심정과 큰 차이가 없으며 단지 열을 이용한 후 다시금 지하수 심정 내부로 유입시키는 지하수환수관 시설만이 다를 뿐이어서 지하수 오염방지를 위한 지표하부보호벽 시설 또한 당연히 일반 지하수 심정과 동일하게 시설되어야 하고 또 고려되어야 할 부문이라 할 수 있다.

또 다른 문제는 일반 지하수 심정과는 달리 지열용 지하수 심정은 다량의 지하수를 양수하여 사용함으로써 없어지는 것이 아니라 단지 지하수가 보유한 열량만을 열교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 다시금 지하수 굴착공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 심정펌프와 양수파이프가 설치되는 최소한의 공간을 확보할 수 있는 직경으로 굴착이 이루어지게 되는데 반해 열교환 후 되돌아오는 환수된 지하수가 환수관을 따라 지하수 심정의 깊은 깊이까지는 투입이 불가능하다는 데 문제가 있었다. 대체적으로 상부에 위치한 지하수 환수관은 환수되는 지하수를 지하수 심정 상부에서 토출이 이루어지게 되고 토출된 환수지하수는 지하수 심정 내부에서 낙수되면서 다량의 기포를 함유하게 되고 이들 기포는 지하수 심정 내부에서 열교환된 지하수와 함께 지하수 심정펌프로 흡입되어 양수파이프를 통해 열교환시스템 내부를 순환하게 된다. 순환되는 열교환용 지하수 내부에 혼입된 기포는 일차적으로 고속으로 회전하면서 지하수를 양수하는 지하수 심정펌프의 임펠라를 부식시키게 되며 또 한편으로는 순환배관 중에 에어포켓을 형성하여 지하수의 순환장애를 일으킴은 물론 히트펌프 내부에서 효율적인 열교환을 방해하고 장치부식을 일으켜 열교환시스템의 장애를 발생시키는 요인으로 대두되고 있는 상황이다. 또한, 환수관을 통해 높고 강한 토출 수압으로 낙수되는 지하수는 특히 풍화암층의 암반공벽을 침식하여 다량의 모래를 지하수 심정 내부로 유입되게 작용하게 되고 결국 이들의 모래들로 인해 지하수 심정펌프의 임펠라 침식과 순환배관과 히트펌프에 모래가 침적되어 지하수의 소통을 저해하게 되어 정상적인 시스템 운용에 장애가 되는 문제가 있었다.

또한, 좁은 굴착 직경을 갖는 지열용 지하수 심정 내부에 이미 설치된 심정펌프와 연결된 양수파이프와 심정펌프를 가동시키기 위한 동력케이블과 수위선이 설치되어 있어 활용가능한 공간이 없음에도 불구하고 이곳에 다시금 환수배관을 수위 깊숙한 곳까지 함께 설치하여 구성한다는 것은 현실적으로 큰 어려움이 있었던 것이 사실이다. 이러한 결과 열교환 된 지하수가 환수되어 지하수 심정 내부로 유입되는 경우 상부에 떨어지는 지하수는 지중 열교환이 충분히 이루어지지 않은 상태에서 지하수 심정 펌프로 즉시 유입되어 지상의 히트펌프로 이동됨으로써 결과적으로 지열의 핵심기능 장치인 히트펌프의 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용되는 문제점을 가지고 있었으며 단순히 배열된 유공관의 설치깊이는 미쳐 열교환이 마쳐지지 않은 지하수를 지하수 심정펌프로 흡입되도록 함으로써 결과적으로 지열용 히트펌프의 열교환 효율을 떨어뜨리는 동일한 요인으로 작용하게 하였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 지열용 지하수 심정 내부에 PVC 재질의 내부 케이싱을 삽입한 후 내부 케이싱과 굴착공벽 사이에 다수의 환수튜브관을 일정깊이까지 삽입한 후 환수 헤더를 내부 케이싱 상부에 구성하여 환수관에 결합하는 방법을 운용하기도 하나 이러한 경우 시설 설치의 공간 확보를 위해 충분한 크기의 굴착직경으로 굴착을 시행하게 됨으로써 많은 비용이 소요하게 되어 경제성에서 문제를 야기하고 있다.

이하, 도면을 참고하여 종래 지중 열교환 시스템에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 종래 기술에 의한 지중 열교환 시스템은, 지열공(1), 지열공(1) 내부에 삽입되며 다수의 구멍이 형성된 내부 케이싱(2), 내부 케이싱(2) 내부에 설치되어 지하수를 급수하는 급수수단으로 급수 펌프(3)와 급수관(4), 급수관(4)에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(5), 히트펌프(5)를 통과한 지하수를 지열공(1)에 환수하는 환수관(6)으로 구성된다.

급수 펌프(3)는 지열공(1)의 바닥측에 배치된다.

환수관(6)은 내부 케이싱(2)과 지열공(1)의 벽면 사이에 배치되고 토출단이 급수 펌프(3)보다 지표면측에 가깝게 배치된다.

종래 기술에 의한 지중 열교환 시스템에 의하면, 급수 펌프(3)는 내부 케이싱(2) 내부에 있는 지하수를 펌핑하여 급수관(4)에 급수하며, 급수관(4)은 지하수를 히트펌프(5)에 공급한다. 히트펌프(5)는 열교환매체를 이용하여 지하수의 열을 회수하고, 히트펌프(5)를 통과하여 열을 빼앗긴 지하수는 환수관(6)을 통해 지열공(1) 내부에 환수된다.

환수관(6)의 위치상 지열공(1)에 환수된 지하수는 지열공(1)의 바닥부로 내려가면서 지열을 회수하고 내부 케이싱(2) 내부에 유입되어 급수 펌프(3)로 공급된다. 이와 같이 지하수가 순환하면서 히트펌프(5)에 지열을 공급한다.

이러한 구성의 종래 지중 열교환 시스템에 따르면 다음과 같은 문제점이 있다.

환수관(6)을 통해 지하수를 지열공(1)에 환수시킬 때 지하수가 지열공(1) 내부의 지하수 안에 떨어지도록 환수관(6)이 지열공(1) 내부 지하수에 잠기도록 설치되지만, 운전 중 지하수의 수위 변동이 발생되는 경우 지하수가 지열공(1) 내부의 지하수 상부에 떨어지는 문제점이 있다. 이는 환수관(6)이 지열공(1)의 상부쪽에 배치되어 발생되는 문제이다.

환수관(6)이 지하수위 상부에 위치하게 되어 질 경우 환수관(6)과 지하수위 사이에 낙차가 형성되어지게 되며 이러한 낙차는 급수펌프(3)의 운전양정을 그만큼 높이는 효과를 가지게 함으로써 급수펌프(3)의 운전동력비용의 상승을 가져오게 되어서 결과적으로 지열시스템의 효율을 저하시키는 문제를 발생시키게 된다.

그리고, 환수관(6)이 내부 케이싱(2)과 지열공(1) 벽면 사이에 삽입되어 지하수가 내부 케이싱(2)과 지열공(1) 사이를 따라 흐르기 때문에, 지하수의 환수를 원활하게 하기 위해서는 지열공의 크기를 충분하게 형성하여야 하므로 지열공(1)의 형성을 위하여 막대한 비용이 소요되는 문제점과 공기가 길어지는 문제점이 있다.

급수부를 상부에 배치하고 환수부를 하부에 배치하는 기술이 있긴 하지만, 지열공은 급수부와 환수부의 구분없이 전체적으로 동일한 직경으로 형성되어 급수부의 기능을 하지 않는 부분을 형성할 수밖에 없으므로 천공작업시 비용과 시간적 손실이 발생된다.

또한, 지열공(1) 내부의 지하수가 내부 케이싱(2)의 구멍을 통해 유입되는 구조이고, 내부 케이싱(2)의 구멍은 환수관(6)을 통해 환수된 지하수의 열교환을 고려하여 지열공(1)의 바닥부에 근접되도록 형성되며, 토사류가 지열공(1)의 바닥부에 쌓일 경우 지하수가 내부 케이싱(2)에 원활하게 유입되지 못하거나 차단되는 문제점도 있다. 물론, 압축공기 등을 이용하여 지열공(1) 바닥부를 청소할 수 있지만, 압축공기에 의해 지열공(1)에 쌓인 토사류를 배출시키지 못하여 청소는 현실적이지 못하다.

또한, 지열공 깊이가 300~500m에 이르는 고심도로 형성되어지는 경우에는 환수관의 재질로 사용하는 PE관의 경우 낮은 비중과 휘어지는 연성으로 인해 고심도 지열공 내부에 삽입이 어려운 문제가 발생됨으로써 금속강관을 삽입 설치하는데 비해 경제적인 시설이 가능함에도 불구하고 적용에 한계를 가지고 있을 수 밖에 없었다.

대한민국 등록특허 제10-0868099호 대한민국 등록특허 제10-0997184호 대한민국 등록특허 제10-0768064호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하수 급수 위치를 상부(지표면측)에 지하수 환수위치를 지열공의 바닥측으로 하여 열교환 효율을 향상함과 아울러, 지하수의 급수공과 환수공의 크기를 다르게 하여 지열공의 천공 작업을 단순화할 수 있게 함은 물론 급수공과 환수공을 편심되도록 배치하게 함으로써 급수펌프와 급수관의 구성을 위한 공간확보가 용이하게 할 수 있도록 한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 고심도 지열공 내부에 환수관을 경제적이고 불편함없이 삽입 설치할 수 있는 기술을 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템은, 지중에 천공되는 지열공과; 급수 펌프 및 급수관으로 구성되며 상기 지열공 내부의 지하수를 급수하는 급수수단과; 상기 급수수단의 급수관과 연결되어 급수된 지하수의 열을 회수하는 히트펌프와; 상기 히트펌프에서 토출되는 지하수를 지열공에 복귀시키는 환수관을 포함하며, 상기 지열공은 상기 급수수단의 급수 펌프와 급수관이 삽입되는 지열 급수공 및 상기 환수관이 삽입되는 지열 환수공으로 이루어지되, 상기 지열 환수공은 상기 지열 급수공의 저부에 상기 지열 급수공보다 깊은 심도이면서 상기 지열 급수공보다 작은 직경으로 형성되어 상기 환수관에 형성된 환수공이 상기 지열 환수공의 바닥부에 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 급수공과 환수공은 그 중심이 편심되도록 형성되어 급수공 내부에 심정펌프와 부대시설의 설치가 용이한 공간 확보가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 지열 급수공과 지열 환수공이 연결공을 통해 연결되도록 독립적으로 천공 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다수의 지열공 내부의 지하수 수위를 감지하고, 환수량의 조절을 통해 모든 지열공에 균일한 수위의 지하수가 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 의하면, 급수부를 상부에 환수부를 바닥부에 배치하며 급수부와 환수부의 크기를 다르게 형성하거나(실시예 1), 급수부와 환수부를 독립적으로 형성하여(실시예 2) 지하수의 열교환 효율을 증대하며, 대형의 천공 장비를 사용하지 않고 지열공을 천공할 수 있고 또는 대형의 천공장비를 사용하더라도 천공시간을 줄일 수 있으므로 공사비용을 절감할 수 있다.

그리고, 다수의 지열공에서 지하수를 공급받는 경우 모든 지열공의 부하를 균일하게 조절함으로써 생산성을 향상할 수 있다.

또한, 저렴한 PE 관과 웨이트 연결소켓, 웨이트 선단헤드를 조합 사용하여 고심도의 지열공에서도 환수관의 부상을 막을 수 있으면서 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 개방형 지중 열교환 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 적용된 환수관의 예시도.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시예 1에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 적용된 웨이트의 다른 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 구성도.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템에 적용된 지열공의 평면도.
도 9는 본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 다른 예시도.

<실시예 1>

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 따른 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템은, 지하수의 급수와 환수를 위한 지열공(10), 지열공(10) 내부의 지하수를 급수하는 급수수단(20), 급수수단(20)에 의해 급수된 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(30), 히트펌프(30)에서 토출되는 지하수를 지열공(10)에 복귀시키는 환수관(40)으로 구성된다.

지열공(10)은 지중에 있는 지하수를 급수하기 위한 대구경의 급수 지열공(11) 및 히트펌프(30)를 통해 열을 빼앗긴 환수하기 위한 소구경의 환수 지열공(12)으로 구분된다.

본 발명에서 지열공(10)은 환수관(40)을 통해 환수 지열공(12)에서 환수되는 지하수와 급수수단(20)의 급수관(22)을 통해 급수되는 지하수간에 열교환이 이루어지지 않도록 하고, 환수관(40)에서 토출된 지하수가 급수에 적합한 온도로 변하도록 하는 특징이 있으며, 대구경의 급수 지열공(11)에서 소구경의 환수 지열공(12)이 지하로 연장되도록 굴착되는 형태이고, 도 3에서처럼, 바람직하게 환수 지열공(12)은 급수 지열공(11)에 편심되도록 형성된다. 즉, 대경부의 급수 지열공(11)과 환수 지열공(12)의 사이에는 직경 차이로 인한 턱(13)이 형성된다. 환수 지열공(12)이 급수 지열공(11)의 일측과 나란하게 형성되는 경우에는 턱(13)이 일측에 치우치게 형성될 것이고, 환수 지열공(12)이 급수 지열공(11)의 안쪽에 편심되도록 형성되면 턱(13)이 환형으로 형성될 것이다. 후자와 같이 턱(13)이 환형으로 형성되는 경우 후술하는 급수관(22)의 설치를 위한 급수관 브래킷의 설치가 용이하다.

지열 급수공(11)은 운전 중 형성되는 운전 수위와 지하수의 수위가 자연적으로 하강하는 현상을 감안하여 충분한 깊이로 형성된다.

지열 환수공(12)은 열교환이 이루어지는 공간으로, 환수관(40)에서 토출된 지하수는 지열 급수공(11)측으로 올라가면서 열교환한다.

급수수단(20)은 급수 펌프(21) 및 급수관(22)으로 구성된다.

급수 펌프(21)는 급수 지열공(11)에 지하수에 잠기도록 설치되어 급수 지열공(11)에 있는 지하수를 펌핑한다.

급수관(22)은 일측이 급수 펌프(21)에 연결되고 타측이 히트펌프(30)에 연결되어 급수 펌프(21)에서 펌핑된 지하수를 히트펌프(30)에 급수한다.

히트펌프(30)는 급수관(21)을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하는 것으로, 공지의 것을 이용하므로 구체적인 설명을 생략한다.

환수관(40)은 히트펌프(30)를 통과한 지하수를 환수 지열공(12)에 환수하는 것으로, 환수 지열공(12)의 바닥부측에는 지하수의 환수를 위한 다수의 토출공(40a)이 구비된다. 즉, 환수관(40)은 환수 지열공(12)의 바닥부에만 토출공(40a)이 형성되는 것이므로 무공관과 유공관의 조합으로 이루어지는 것이다.

본 발명에 의하면, 토출공(40a)이 환수 지열공(12)의 바닥부에 형성되어, 지하수가 환수 지열공(12)에 환수될 때까지 급수 지열공(11)과 환수 지열공(12) 내부의 지하수와 열교환되지 않으므로 급수관(22)을 통해 급수되는 지하수를 최적의 온도로 유지할 수 있다.

도 4에서 보이는 것처럼, 환수관(40)은 PE 재질의 단위 환수관(44) 및 웨이트 연결소켓(45)으로 구성된다. 즉, 환수관(40)이 PE 재질만으로 이루어지면 비중에 의해 고심도에 설치되는 경우 부상하는 문제점이 있으며, 그렇다고 중량이 무거운 고가의 소재를 사용하는 것은 비경제적이기 때문에 웨이트 연결소켓(45)(스틸 등)을 사용하면 비용을 절감하면서도 부상을 막을 수 있다.

물론, 웨이트 연결소켓(45)을 사용하게 되면 단위 환수관(44)의 연결부위가 많아 작업공정이 복잡해 질 수 있어 단순히 PE 재질의 환수관(40)의 주변을 감싸서 씌울 수 있도록 제작된 웨이트 커버(47)(강철 등으로서 자체 중량이 무거운 것을 말함)(도 5)를 설치하게 할 수도 있다. 웨이트 커버(47)는 2개의 반원형 편이 체결구를 통해 결합되는 구조일 수 있다. 도 5에서는 웨이트 커버(47)가 급수관(22)과 환수관(40)을 함께 고정하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 웨이트 커버(47)는 급수관(22)과 환수관(40)를 각각 독립적으로 감싸는 구조도 가능하다. 웨이트 커버(47)의 내주면에는 웨이트 커버(47)가 환수관(40)에서 미끄러지지 않도록 슬립방지부(47a)가 구성될 수 있다. 슬립방지부(47a)는 요철형 등으로 구성될 수 있다.

도 6은 웨이트의 다른 예시로서, 웨이트판(48)은 급수관(22)과 환수관(40) 사이에 개재되며 고정밴드(48a)를 통해 급수관(22) 또는 환수관(40) 또는 급수관(22)과 환수관(40)에 고정될 수 있다.

또한, 환수관(40)의 하단부에는 웨이트 선단헤드(46)가 적용될 수도 있다. 웨이트 선단헤드(46)는 자체 중량이 무거운 스틸 등을 재질로 하여 급수관(40)의 설치 위치를 유지한다.

PE 재질의 단위 환수관(44)과 웨이트 연결소켓(45) 및 웨이트 선단헤드(46)는 끼움식, 나사식, 융착식 등 다양한 방법이 가능하다.

급수관(22)과 환수관(40)은 공지의 커플러 등을 매개로 하여 히트펌프(30)의 관에 관이음된다.

이하, 급수관(22)과 환수관(40)의 설치 구조에 대해 설명한다.

도 2와 도 3에서 보이는 바와 같이, 급수관(22)은 급수관 브래킷(23)과 볼트(24)(유볼트)를 통해 설치된다. 급수관(23)은 급수관(22)을 지지하기 위한 구조물로서 급수 지열공(11)의 상부(상부 보호공(50)의 설치를 위한 표면측)에 설치되며 받침링(25) 위에 안착 고정된다. 받침링(25)은 환형으로 형성되며 지중에 앵커 등을 통해 고정되고, 급수관 브래킷(23)은 양측이 받침링(25)에 안착 고정된다.

급수관 브래킷(23)은 급수관(22)을 지지하기 위한 길이이며 급수관(22)의 안정적인 지지를 위하여 곡선형의 홈이 형성될 수도 있다.

볼트(24)는 급수관(22)을 감싸면서 급수관 브래킷(23)에 관통되어 너트로 체결됨으로써 급수관(22)이 급수관 브래킷(23)에 지지되도록 한다.

환수관(40)은 급수관 브래킷(23)을 통해 지지될 수도 있고, 또한, 환수관(40)의 길이가 긴 점을 감안하여 2개소 이상에서 지지되는 것이 바람직하며, 급수 지열공(11)과 환수 지열공(12) 사이에 턱(13)이 형성되는 것을 감안하여 턱(13)을 이용하여 환수관(40)을 지지한다.

환수관 브래킷(42)은 양측이 턱(13) 상부에 안착되고, 볼트(43)는 환수관(40)을 감싸면서 환수관 브래킷(42)에 너트로 체결되어 환수관(40)을 지지한다. 환수관 브래킷(42)과 볼트(43)는 급수관 브래킷(23)과 볼트(24)와 동일하게 구성된다.

한편, 작업자가 급수 지열공(11) 내부에서 환수관 브래킷(42)과 볼트(43)를 체결하는 것은 어려울 것이므로, 지상에서 환수관 브래킷(42)과 볼트(43)를 환수관(40)에 체결한 상태로 환수관(40)을 삽입하여 환수관 브래킷(42)이 턱(13)에 지지되도록 함으로써 설치할 수 있다.

도면 중 미설명 부호 60은 급수 지열공(11)의 붕괴를 막기 위한 그라우팅 케이싱, 70은 그라우팅 차수벽, 80은 흙막이 케이싱이다.

본 실시예에 따른 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 작용은 다음과 같다.

급수 펌프(21)는 지열 급수공(11) 내부에 있는 지하수를 펌핑하여 급수관(22)에 급수하며, 지하수는 급수관(22)을 경유하여 히트펌프(30)에 공급되어 열교환매체와 열교환된 후 환수관(40)에 토출된다.

환수관(40)은 히트펌프(30)에서 토출된 지하수를 지열 환수공(12)의 바닥부에 토출한다.

지열 환수공(12)에 환수된 지하수는 지열 급수공(11)을 향해 상승하면서 지열과 열교환되며, 이 과정에서 열교환을 방해하는 요소가 없으므로 지열 급수공(11)에는 적정 온도의 지하수가 유지된다. 이와 같은 순환을 통해 지열을 회수한다.

본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템의 청소 방법은, 예를 들어, 급수수단(20), 수위센서 등을 인양한 후, 환수관(40)을 통해 압축공기를 고압 분사하여 지열 환수공(12)의 바닥부를 청소하며, 이때, 압축공기는 냉각장치를 거쳐 예컨대 30~40℃로 조절되어 PE 재질의 관의 열변형을 방지한다.

<실시예 2>

도 7과 도 8에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 따른 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템은, 지열 급수공(11)과 지열 환수공(12)이 서로 독립적으로 형성되며 연결공(14)을 통해 서로 연결되는데 특징이 있다.

지열 급수공(11)과 지열 환수공(12)은 각각의 목적에 맞는 심도로 형성되며, 즉, 지열 급수공(11)은 지표면에서 근접되는 심도로만 형성되고 지열 환수공(12)은 지열 급수공(12)보다 깊은 심도로 형성된다.

본 실시예에 의한 지열 급수공(11)과 지열 환수공(12)은 동일한 통수 단면적으로 형성될 수 있으며, 따라서, 실시예 1과 비교할 때 실시예 1에 따르면 대경부의 지열 급수공(11)을 천공한 후 일정 심도에서 소경부의 지열 환수공(12)을 천공하여야 하므로 지열 급수공(11)을 천공하기 위한 장비와 지열 환수공(12)을 천공하기 위한 장비를 사용하거나 지열 환수공(12)을 천공하는 장비를 여러회 사용하여 대경부의 지열 급수공(11)을 천공한 후 지열 환수공(12)을 천공하여야 하는 경제적 부담과 번거로운 작업이 발생되지만, 본 실시예에 의하면, 하나의 천공장비를 이용하여 지열 급수공(11)과 지열 환수공(12)을 천공할 수 있으므로 장비 사용 비용과 번거로운 작업을 없앨 수 있다.

연결공(14)은 굴착, 발파 등을 통해 형성될 수 있다.

그 이외의 구성(환수관(40)의 웨이트 구조 등)은 실시예 1과 동일하므로 구체적인 설명을 생략한다.

본 실시예에 따르면, 환수관(40)에서 지열 환수공(12)으로 환수된 지하수는 상부로 올라오면서 열교환된 후 연결공(14)을 통해 지열 급수공(11)에 유입되어 급수 펌프(21)와 급수관(22)을 통해 급수되어 히트펌프(30)에 공급된다.

도 9는 본 발명에 의한 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템을 이용한 다른 예시도로서, 다수의 지열공에서 지하수를 채수하여 사용하는 경우 모든 지열공에서 급수되는 지하수의 양이 다른 점을 고려하여 각 지열공의 부하를 균일하게 유지할 수 있도록 구성된다.

도면에서는 2개의 지열공(제1지열공(10-1), 제2지열공(10-2))을 예로 들어 도시하였다.

제1,2지열공(10-1,10-2)에는 제1,2수위센서가 설치되며, 제1,2환수관(22-1, 22-2)에는 제1,2유량조절밸브(44-1,44-2)가 장착된다.

미도시된 컨트롤러는 상기 제1,2수위센서의 값을 근거로 하여 제1,2유량조절밸브(44-1,44-2)를 제어하여 지하수의 환수량을 조절한다. 예를 들어, 상기 제1,2수위센서와 제1,2유량조절밸브(44-1,44-2)의 값을 서로 비교하여 환수량이 동일하도록 제어한다.

제1,2수위센서는 공지 제품을 사용하므로 구체적인 구성과 작용의 설명을 생략한다.

10 : 지열공, 11 : 급수 지열공
12 : 환수 지열공,
20 : 급수수단, 21 : 급수 펌프
22 : 급수관,
30 : 히트펌프,
40 : 환수관, 41 : 단위 환수관
42 : 웨이트 연결소켓, 43 : 웨이트 선단헤드
50 : 상부 보호공, 47 : 웨이트 커버
48 : 웨이트 판,

Claims

지중에 천공되는 지열공(10)과;
급수 펌프(21) 및 급수관(22)으로 구성되며 상기 지열공(10) 내부의 지하수를 급수하는 급수수단(20)과;
상기 급수수단(20)의 급수관과 연결되어 급수된 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(30)와;
상기 히트펌프에서 토출되는 지하수를 지열공(10)에 복귀시키는 환수관(40)을 포함하며,
상기 지열공은 상기 급수수단의 급수 펌프와 급수관이 삽입되는 지열 급수공(11) 및 상기 환수관이 삽입되는 지열 환수공(12)으로 이루어지되, 상기 지열 환수공은 상기 지열 급수공의 저부에 상기 지열 급수공보다 깊은 심도이면서 턱(13)을 두고 상기 지열 급수공보다 작은 직경으로 형성되도록 하며 상기 환수공에 형성된 환수관이 상기 지열 환수공의 바닥부에 배치되도록 하고,
상기 환수관은 PE 재질로 이루어진 다수의 단위 환수관(44), 상기 단위 환수관들을 연결하는 웨이트 연결소켓(45), 판형 또는 관형으로 형성되어 상기 단위 환수관을 감싸는 웨이트 커버(47)를 포함하며 비중의 상승을 통해 상기 지열 환수공에 잠기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
지중에 천공되는 지열공(10)과;
급수 펌프(21) 및 급수관(22)으로 구성되며 상기 지열공(10) 내부의 지하수를 급수하는 급수수단(20)과;
상기 급수수단(20)의 급수관과 연결되어 급수된 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(30)와;
상기 히트펌프에서 토출되는 지하수를 지열공(10)에 복귀시키는 환수관(40)을 포함하며,
상기 지열공은 서로 다른 심도로 형성되며 연결공(14)을 통해 서로 연결되는 지열 급수공과 지열 환수공으로 구분되며,
상기 지열 급수공은 상기 급수수단의 급수 펌프와 급수관이 삽입되고, 상기 지열 환수공은 상기 지열 급수공보다 깊은 심도로 형성되어 상기 환수관에서 환수되는 지하수가 상기 지열 급수공을 향해 상승하면서 열교환된 후 상기 연결공을 통해 상기 지열 급수공에 공급되도록 하고,
상기 환수관은 PE 재질로 이루어진 다수의 단위 환수관(44), 상기 단위 환수관들을 연결하는 웨이트 연결소켓(45), 판형 또는 관형으로 형성되어 상기 단위 환수관을 감싸는 웨이트 커버(47)를 포함하며 비중의 상승을 통해 상기 지열 환수공에 잠기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
삭제
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 환수관은 하단부에 웨이트 선단헤드(46)가 장착되는 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지열공들의 수위를 검출하는 수위센서, 상기 환수관의 유로를 조절하는 유량조절밸브를 포함하며, 컨트롤러는 상기 수위센서의 감지값을 비교하여 상기 유량조절밸브의 개도를 제어함으로써 다수의 지열공 내부에 균일한 수위의 지하수가 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 환수관은, 상기 지열 급수공과 지열 환수공 사이의 턱(13)에 지지되는 환수관 브래킷(42), 상기 환수관을 감싸면서 상기 환수관 브래킷에 너트로 체결되는 볼트(43)를 통해 고정되는 것을 특징으로 하는 환수관이 지열공 저부에 설치되는 개방형 지중 열교환 시스템.
삭제