KR101418884B1 - 수직개방형 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중의 열에너지를 지하수를 이용하여 열교환하는 수직개방형 지중 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수가 유동하도록 지중에 매설되는 우물공의 물넘침 또는 수위저하를 방지하는 우물공 수위조절 구조를 갖는 수직개방형 지중 열교환기에 관한 것이다.

Description

수직개방형 지중 열교환기{Standing Column Well type Geothermal Exchanger}

본 발명은 지중의 열에너지를 지하수를 이용하여 열교환하는 수직개방형 지중 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수가 유동하도록 지중에 매설되는 우물공의 물넘침 또는 수위저하를 방지하는 우물공 수위조절 구조를 갖는 수직개방형 지중 열교환기에 관한 것이다.

지열에너지는 지하 또는 지표를 구성하는 토양, 암반, 지하수 및 지표수가 가지고 있는 열에너지를 말한다. 지열은 땅속 얕은 곳의 토양온도차를 이용하는 천부지열과, 땅속 깊은 곳의 뜨거운 열을 이용하는 심부지열로 구분된다.

지하로 깊어질수록 지열 온도의 진폭이 작아짐에 따라 그 진폭 주기가 지연되고, 일정 깊이에 도달하면, 지열은 일정한 온도를 유지하게 된다. 이때의 지열을 천부지열이라 한다. 천부지열을 이용한 지중 열교환기는 지중의 열을 대상물에 공급하여 대상물을 난방하고, 대상물의 열을 지중에 방출하여 대상물을 냉방시킨다. 지열은 연중 일정한 안정적인 온도를 유지하기 때문에 친환경적인 타열원 예를 들면 태양열 등에 비하여 성적 계수(coefficient of performance, COP)가 우수하고, 안정적이다.

수직개방형 지중 열교환기는, 상술한 바와 같은 천부지열을 이용한 지중 열교환기의 한 형태이다. 수직개방형 지중 열교환기는, 섭씨 15~25도 내외의 지열을 에너지로 사용하며, 50~1000m 정도의 천공을 필요로 한다.

도 1에는 통상의 수직개방형 지중 열교환기(10)가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 통상의 수직개방형 지중 열교환기(10)는, 소정의 깊이로 굴착하여 지하수가 유입되는 복수의 우물공(11)을 형성한다. 상기 우물공(11)에는 인케이싱관(12)이 삽입되며, 인케이싱관(12) 하단부로부터 내부로 지하수가 유입되도록 구성한다. 인케이싱관(12)으로 유입된 지하수는, 인케이싱관(12) 내부에 구비되는 펌프를 통해 지표외부로 공급된다. 복수의 인케이싱관(12)에서 공급되는 지하수는 이를 취합하는 지열공급헤더(13)를 통해 열교환기(14)로 공급된다. 열교환기(14)와 열교환된 지하수는 지열환수헤더(15)를 통해 각각의 우물공(11)에 재유입된다. 재유입된 지하수는 우물공(11) 외측의 토양 및 암반과, 열교환되어 인케이싱관(12)으로 재공급되며, 이 과정을 반복한다.

상기와 같은 수직개방형 지중 열교환기(11)는, 열교환 효율을 높이기 위해 복수의 우물공(11)을 운용할 경우, 각 우물공(11)에서 펌프를 통해 지열공급헤더(13)로 합쳐지면서 각각의 우물공(11)마다 펌프 양정차이, 배관길이 및 경로의 차이 등으로 인해 압력차가 발생하게 된다. 각각의 우물공(11)에 압력차가 발생하여 우물공(11)이 토출한 유량보다 환수 유량이 많아지면, 지하수 넘침 현상이 발생하고, 토출한 유량보다 환수한 유량이 많으면, 수위 저하가 발생한다.

상기와 같은 문제를 해결하기위해 지열공급헤더(13) 및 지열환수헤더(15)에 밸브(V1, V2)를 구성하고, 초기 가동 시 밸브(V1, V2)를 통해 각각의 우물공(12)의 유량을 조절하여 유량밸런스를 유지시키는 방법이 제시된 바 있으나, 지중의 조건이 변하거나, 펌프의 운전 조건에 따라 지하수 유량이 매순간 변하기 때문에 유량 밸런스를 정확히 맞출 수 없는 단점이 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같은 지중 열교환기(20)와 같이 복수의 우물공(21) 및 인케이싱관(22)에 각각 대응되는 복수의 열교환기(24)를 구비하여 우물공(21)의 넘침 및 수위저하를 방지하는 방법도 생각해볼 수 있으나, 열교환기(24) 추가 설치로 인한 설치 공간이 확대되고, 공정 및 비용 추가 및 효율성 감소 등의 여러 가지 문제점 때문에 실용화되지 못하고 있다.

우물공의 물넘침이 발생할 경우 주변 공간 훼손, 인근 주택 민원 발생, 주변 토사 유출 및 지하수 고갈의 문제가 야기되며, 우물공의 수위저하가 발생할 경우 펌프로 지하수 유입이 되지 않아 과열로 인한 모터 손상, 우물공의 압력이 낮아져 진공압으로 인한 우물공의 파손이 야기된다. 따라서 복수의 우물공 각각의 수위를 일정하게 유지시키기 위한 기술의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개 구비되는 우물공이 서로 동일한 수위를 유지하도록 수위 조절 수단을 갖는 수직개방형 지중 열교환기를 제공함에 있다.

또한, 복수 개 구비되는 우물공의 수위가 특정 수위 이하로 저하될 경우 수위 유지용 지하수 강제 공급수단을 통해 복수의 우물공에 지하수를 보충하는 수직개방형 지중 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 지중 열교환기는, 지중의 지하수를 열교환기에 공급하고, 상기 열교환기와 열교환된 지하수를 지중으로 순환시키는 지중 열교환기에 있어서, 상기 지하수가 수용되도록 지표에서 소정의 깊이로 형성되는 우물공; 상기 우물공에 상하 길이 방향으로 삽입되며, 하측에 상기 지하수가 유입되는 유입공이 형성되는 인케이싱관; 일단이 상기 인케이싱관의 상측에 연결되고, 타단이 상기 열교환기에 연결되는 지열공급라인; 및 일단이 상기 열교환기에 연결되고, 타단이 상기 우물공의 상측에 연결되는 지열환수라인; 을 포함하며, 상기 우물공은 복수 개가 일정거리 이격 형성되되, 상기 우물공과 이웃하는 우물공은 수위조절 수단; 을 통해 연통된다.

상기 수위조절 수단은, 일단이 상기 우물공과 연통되고 타단이 상기 우물공과 이웃하는 우물공에 연통되는 제1 연결관으로 된다.

다른 실시 예의 상기 수위조절 수단은, 내부에 지하수 수용공간이 형성되는 수위조절탱크; 및 상기 각각의 우물정과, 상기 수위조절탱크를 연통하는 복수의 제2 연결관; 으로 구성된다.

또한, 상기 수위조절 수단은, 상기 수위조절탱크의 제1 특정 수위를 감지하는 강제수위조절센서; 상기 수위조절탱크로 물 또는 별도의 지하수를 공급하기 위한 강제공급라인; 상기 강제공급라인을 밀폐 또는 개방하는 강제공급밸브; 및 상기 강제수위조절센서에 센싱 값에 의해 상기 강제공급밸브를 밀폐 또는 개방시키는 강제수위제어부; 를 더 포함하고, 상기 강제수위제어부는, 상기 강제수위조절센서가 상기 제1 특정 수위 이상을 감지할 경우 상기 강제공급밸브를 밀폐하고, 상기 제1 특정 수위 이하를 감지할 경우 상기 강제공급밸브를 개방한다.

또 다른 실시 예의 상기 수위조절 수단은, 상기 우물공의 제2 특정 수위를 감지하는 수위조절센서; 상기 지열공급라인을 밀폐 또는 개방하는 공급밸브; 상기 지열환수라인을 밀폐 또는 개방하는 환수밸브; 상기 수위조절센서에 센싱 값에 의해 상기 공급밸브 또는 환수밸브를 밀폐 또는 개방하는 수위제어부; 로 구성되고, 상기 수위제어부는, 상기 수위조절센서가 상기 제2 특정 수위 이상을 감지할 경우 상기 공급밸브를 개방 또는 상기 환수 밸브를 밀폐하고, 상기 제2 특정 수위 이하를 감지할 경우 상기 공급밸브를 밀폐 또는 상기 환수 밸브를 개방한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수직개방형 지중 열교환기는 복수의 우물공의 수위를 일정하게 조절이 가능하여 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 우물공의 지하수 범람 및 수위 저하를 방지한다.

둘째, 지하수 범람으로 인한 주변 경관 회손, 도심 민원 발생, 우물공 주변의 토사 유출 및 지하수 자원 고갈을 방지한다.

셋째, 우물공의 수위 저하에 따른 펌프의 모터 과열로 인한 펌프 손상 및 우물공의 파손을 방지한다.

궁극적으로는, 상기와 같은 수직 개방형 지중 열교환기의 문제점을 원칙적으로 해결하여 수직 개방형 지중 열교환기의 보급 확대를 기대할 수 있으며, 이로 인해 신재생 에너지 사업에 획기적으로 기여할 수 있다.

도 1은 종래의 지중 열교환기 개략도
도 2는 종래의 다른 지중 열교환기 개략도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기 개략도
도 4는 본 발명의 제1 실시 예의 우물공 연결부 개략도
도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기 우물공 연결부 횡단면개략도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기 우물공 연결부 횡단면개략도
도 7은 본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기 우물공 연결부 종단면개략도
도 8은 본 발명의 제3 실시 예의 지중 열교환기 개략도

본 발명의 지중 열교환기는 복수 개로 구비되는 우물공 각각의 수위 조절이 용이하지 않기 때문에 우물공 각각의 수위를 동일하게 유지하도록 수위조절 수단을 구비함에 그 특징이 있다. 수위조절 수단은 각각의 우물공을 서로 연통시킴에 그 구성의 특징이 있으며, 다양한 실시 예를 통해 수위조절 수단의 구성을 구체화 하였다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 지중 열교환기의 다양한 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

- 실시 예1

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기(100)는, 복수의 지열부(101, 102, 103, 104), 지열공급라인(L10), 지열공급헤더(H10), 열교환기(HE), 지열환수헤더(H20), 지열환수라인(L20)을 포함하여 구성된다.

복수의 지열부(101, 102, 103, 104)는 서로 일정거리 이격 배치된다. 복수의 지열부(101, 102, 103, 104) 각각은 복수의 지열공급라인(L10)의 일단에 각각 연결된다. 복수의 지열공급라인(L10)의 타단은 지열공급헤더(H10)로 취합된다. 따라서 복수의 지열부(101, 102, 103, 104)에서 공급되는 지하수는 지열공급헤더(H10)로 취합된다. 지열공급헤더(H10)에 취합된 지하수는 열교환기(HE)로 공급되어 열교환된 후 지열환수헤더(H20)에 공급된다. 지열환수헤더(H20)는 복수의 지열환수라인(L20)의 일단 각각에 연결되고, 지열환수라인(L20)의 타단은 각각의 복수의 지열부(101, 102, 103, 104)에 연결되어 열교환된 지하수를 복수의 지열부(101, 102, 103, 104)에 분배한다. 이하 각각의 지열부에 구성되는 우물공의 수위를 조절하기 위한, 본 발명의 핵심 구성에 대해 도면을 참조하여 상세 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 복수의 지열부(101, 102, 103, 104) 각각은 우물공(110), 인케이싱관(120), 공급관(130), 리턴관(140), 펌프(150) 및 수위조절수단(160)을 포함하여 구성된다.

우물공(110)은 지표에서 지하로 굴착 형성된다. 우물공(110)에는 지하수가 수용되도록 본실시 예의 우물공(110)은 지표로부터 400~500m의 깊이로 형성될 수 있다. 우물공(110)의 상단부에는 상부보호정(110a)이 형성되며, 상부보호정(110a)과 우물공(110)은 격벽(110b)을 통해 구획된다. 우물공(110)에는 인케이스관(120)이 수용되고, 상부보호정(110a)에는 공급관(130)과 리턴관(140)이 수용된다. 상부보호정(110a) 내에서는 공급관(130)과 리턴관(140)으로만 지하수가 유동하도록 구성되며, 상부보호정(110a) 내부로는 지하수가 유입되지 않도록 구성된다.

인케이스관(120)은 상하 길이방향으로 형성된다. 인케이스관(120)은 우물공(110)의 내경보다 작은 직경을 갖는 관상으로 이루어진다. 인케이스관(120)은 하단 및 측면이 밀폐되는 무공관으로 구성되며, 하단이 우물공(110)의 하단에 맞닿도록 설치된다. 인케이스관(120)의 측면에는 지하수 유입홀(121)이 적어도 하나 이상 관통 형성된다. 지하수 유입홀(121)은 인케이스관(120)의 하단에서 상방으로 일정거리 이격된 곳에 형성되며, 본실시 예에서는 인케이스관(120) 하단에서 약 8m 상방에서부터 약 12m 까지 형성될 수 있다. 지하수 유입홀(121)을 통해 인케이스관(120) 내부로 지하수를 유입 받는다. 지하수 유입홀(121)이 인케이스관(120)의 하측에 형성되는 이유는 열교환기(HE)로부터 열교환된 지하수가 충분히 지중을 통해 열교환한 후 인케이스관(120)으로 유입되도록 하기 위함이다. 인케이스관(120) 상에는 인케이스(120) 내부로 유입되는 지하수를 지표 외부로 유동시키기 위한 심정펌프(150)가 설치된다. 심정 펌프(150)는 통상의 펌프가 적용되며, 본 발명의 제1 실시 예의 심정 펌프(150)는 지하수 안전수위에서 약 30m 하방에 배치될 수 있다.

인케이스관(120)의 상단은 공급관(130)에 연통될 수 있다. 공급관(130)은 상부보호정(110a)에 수용되며, 일단은 격벽(110b)을 관통하여 인케이스관(120)의 상단에 연통되고, 타단은 상부보호정(110a) 외측으로 노출되어 지열공급라인(L10)의 일단에 연통된다. 또한 우물공(110)의 상단부는 리턴관(140)에 연통될 수 있다. 리턴관(140)은 상부보호정(110a)에 수용되며, 일단은 상부보호정(110a) 외측으로 노출되어 지열환수라인(L20)의 타단에 연통되고, 타단은 격벽(110b)을 관통하여 우물공(110)의 상단 내부에 노출되도록 구성된다. 리턴관(140)의 타단은 안전수위 상측에 위치하는 것이 바람직하다.

이때 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기는 수위조절 수단(160)을 구비한다. 수위조절수단(160)은 복수의 지열부(101, 102, 103, 104)를 서로 연통시키기 위해 구성된다. 수위조절 수단(160)은 일단이 지열부(101)의 우물공(110) 상단부에 연통되며, 타단이 지열부(101)와 이웃하는 지열부(102)의 우물공(110) 상단부에 연통되는 제1 연결관의 형태를 갖는다. 수위조절 수단(160)은 각각의 지열부(101, 102, 103, 104)를 서로 연통시키도록 구성된다. 도면상에 도시된 최좌측의 지열부를 제1 지열부(101)로 정의하고 우측을 따라 순차적으로 제2 지열부(102), 제3 지열부(103), 제4 지열부(104)로 정의할 때, 상기 제1 연결관은, 제1 지열부(101)와 제2 지열부(102) 사이, 제2 지열부(102)와 제3 지열부(103) 사이, 제3 지열부(103)와 제4 지열부(104) 사이에 각각 형성될 수 있다. 수위조절 수단(160)은 우물공(110)의 안전수위 상방에 연통될 수 있다. 여기서 안전수위라 함은 지열부를 운용함에 있어 가장 안정적인 우물공(110) 내의 지하수 수위를 지칭하며, 통상적으로 격벽(110b)의 하방으로 일정거리 이격되고, 심정 펌프(150)의 상방으로 일정거리 이격된 위치를 지칭할 수 있다. 도면상에는 물결로 도시하였다.

상기와 같은 구성을 통해 복수의 지열부(101, 102, 103, 104) 중 어느 하나 이상의 우물공(110)의 지하수 수위가 안전수위 이상으로 상승할 경우 수위조절 수단(160)을 통해 나머지 우물공(110)에 분배되도록 하여 우물공(110)의 물넘침을 방지하게 된다.

- 실시 예2

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기(200)는, 복수의 지열부(201, 202, 203, 204), 지열공급라인(미도시), 지열공급헤더(미도시), 열교환기(미도시), 지열환수헤더(미도시), 지열환수라인(미도시)을 포함하여 구성된다. 또한, 복수의 지열부(201, 202, 203, 204) 각각은 우물공(210), 인케이싱관(220), 공급관(미도시), 리턴관(240), 펌프(250) 및 수위조절수단(260)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기(200)는 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기(100)와 수위조절 수단(260)의 구성에만 차이가 있는바 지중 열교환기(200)에 미도시된 구성 및 이하 설명되지 않는 구성의 상세한 설명은 상술된 제1 실시 예의 구성으로 대신하며, 수위조절 수단(260)의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기(200)는 수위조절 수단(260)을 구비한다. 수위조절 수단(260)은 복수의 지열부(201, 202, 203, 204)를 서로 연통시키기 위해 구성된다. 수위조절 수단(260)은 내부에 지하수가 수용되는 수위조절탱크(261)와, 수위조절탱크(261)와 각각의 복수의 지열부(201, 202, 203, 204)를 연통시키는 제2 연결관(262)으로 구성된다. 제2 연결관(262)은, 일단이 지열부 각각(201, 202, 203, 204)의 우물공(210) 상단부에 연통되며, 타단이 수위조절탱크(261)에 연통된다. 제2 연결관(262)은 복수의 지열부(201, 202, 203, 204)가 모두 연통되도록 지열부의 수만큼 복수 개 구비될 수 있다. 제2 연결관(262)은 우물공(210)의 안전수위 상방에 연통될 수 있다. 수위조절탱크(261)의 높이도 제2 연결관(262)에 대응되도록 배치될 수 있다.

상기와 같은 구성을 통해 복수의 지열부(201, 202, 203, 204) 각각의 우물공(210)의 수위는 수위조절탱크(261)의 수위와 동일하게 유지되며, 각각의 우물공(210) 중 어느 하나 이상의 우물공(210)의 지하수 수위가 안전수위 이상으로 상승하더라도 수위조절탱크(261)를 통해 나머지 우물공(210)에 적절히 분배되도록 하여 우물공(210)의 물넘침을 방지하게 된다.

특히 본 발명의 제2 실시 예의 지중 열교환기(200)는 비상 시 각각의 우물공(210)의 수위가 제1 특정수위 이하로 하강하는 것을 방지하기 위해 다음과 같은 특징적 구성이 추가된다. 여기서 제1 특정수위라 함은 심정 펌프(250)가 공기 중에 노출될 정도의 수위 또는 우물공(210)이 진공압으로 인해 파손될 가능성이 있는 정도의 수위로 정하는 것이 바람직하다.

도 7을 참조하면, 수위조절 수단(260)은 강제수위조절센서(263), 강제공급라인(264), 강제공급밸브(265) 및 강제수위제어부(미도시)를 더 포함한다. 강제수위조절센서(263)는 통상의 수위감지센서가 적용되며, 수위조절탱크(261) 내에 설치되어 제1 특정수위 이상 또는 이하로 수위가 유지되는 지를 감지하게 된다. 강제공급라인(264)은 일단이 물 저장수단 또는 별도의 지하수 저장수단에 연통되고, 타단이 수위조절탱크(261)에 연통되어 물 또는 별도의 지하수를 수위조절탱크(261)로 공급한다. 강제공급밸브(265)는 강제공급라인(264) 상에 설치되며, 강제수위제어부의 제어에 의해 강제공급라인(264)을 밀폐 또는 개방한다.

이하 강제수위제어부의 제어에 의한 비상 시 안전 수위 유지 방법에 대해 설명하기로 한다. 평상시에는 수위조절탱크(261)의 수위가 제1 특정수위를 상회하게 되고, 이를 강제수위조절센서(263)의 센싱 값으로 전달받은 강제수위제어부는 강제공급밸브(265)가 강제공급라인(264)을 밀폐하도록 한다. 비상 시 수위조절탱크(261)의 수위가 제1 특정수위 아래로 하강할 경우 이를 강제수위조절센서(263)의 센싱 값으로 전달받은 강제수위제어부는 강제공급밸브(265)를 개방하여 강제공급라인(264)으로부터 물 또는 별도의 지하수가 수위조절탱크(261)로 공급되도록 한다. 따라서 수위조절탱크(261)의 수위 상승에 따라 각각의 우물공(210)의 수위가 상승하여 안전수위를 유지하게 된다.

- 실시 예 3

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예의 지중 열교환기(300)는, 복수의 지열부(301, 302, 303, 304), 지열공급라인(L10), 지열공급헤더(미도시), 열교환기(미도시), 지열환수헤더(미도시), 지열환수라인(L20)을 포함하여 구성된다. 또한, 복수의 지열부(301, 302, 303, 304) 각각은 우물공(310), 상부보호정(310a), 격벽(310b), 인케이싱관(320), 공급관(330), 리턴관(340), 펌프(350), 수위조절수단(360)을 포함하여 구성된다.

본 발명의 제3 실시 예의 지중 열교환기(300)는 본 발명의 제1 실시 예의 지중 열교환기(100)와 수위조절 수단(360)의 구성에만 차이가 있는바 지중 열교환기(300)에 미도시된 구성 및 이하 설명되지 않는 구성의 상세한 설명은 상술된 제1 실시 예의 구성으로 대신하며, 수위조절 수단(360)의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 제3 실시 예의 지중 열교환기는 수위조절 수단(360)을 구비한다. 수위조절수단(360)은 각각의 우물공(310)의 제2 특정수위를 감지하기 위해 우물공(310) 내부에 각각 설치되는 수위조절센서(361), 각각의 지열공급라인(L10) 상에 설치되어 지열공급라인(L10)을 밀폐 또는 개방하는 제1 밸브(V10), 각각의 지열 환수라인(L20)에 설치되어 지열환수라인(L20)을 밀폐 또는 개방하는 제2 밸브(V20), 일단이 지열부(301)의 우물공(310) 상단부에 연통되며, 타단이 지열부(301)와 이웃하는 지열부(302)의 우물공(110) 상단부에 연통되는 제3 연결관(363), 제3 연결관(363) 내부의 에어를 배출시키기 위한 에어벤트(362) 및 수위제어부(미도시)를 포함한다.

수위조절센서(361)는 통상의 수위감지센서가 적용되며, 우물공(310) 내에 설치되어 제2 특정수위 이상 또는 이하로 수위가 유지되는 지를 감지하게 된다. 제1 밸브(V10)는 지열공급라인(L10) 상에 설치되며, 수위제어부의 제어에 의해 지열공급라인(L10)을 밀폐 또는 개방한다. 제2 밸브(V10)는 지열환수라인(L20) 상에 설치되며, 수위제어부의 제어에 의해 지열환수라인(L20)을 밀폐 또는 개방한다. 여기서 제2 특정수위라 함은 우물공(310)의 안전수위로 정하는 것이 바람직하다.

이하 수위제어부의 제어에 의한 우물공(310)의 안전 수위 유지 방법에 대해 설명하기로 한다. 우물공(310)의 수위가 제2 특정수위를 상회하게 되면, 이를 수위조절센서(361)의 센싱 값으로 전달받은 수위제어부는 제1 밸브(V10)가 지열공급라인(L10)을 개방하여 지하수가 지열공급라인(L10)을 통해 공급되도록 하며, 제2 밸브(V20)가 지열환수라인(L20)을 밀폐하여 지하수가 지열환수라인(L20)을 통해 우물공(310)으로 유입되는 것을 막는다. 따라서 우물공(310)이 수위는 낮아지게 된다. 또한, 우물공(310)의 수위가 제2 특정수위를 하회하게 되면, 이를 수위조절센서(361)의 센싱 값으로 전달받은 수위제어부는 제1 밸브(V10)가 지열공급라인(L10)을 밀폐하여 지하수가 지열공급라인(L10)을 통해 공급되지 않도록 하며, 제2 밸브(V20)가 지열환수라인(L20)을 개방하여 지하수가 지열환수라인(L20)을 통해 우물공(310)으로 유입되도록 한다. 따라서 우물공(310)이 수위는 높아지게 된다. 상기와 같은 구성의 수위조절 수단(360)을 각각의 지열부(301, 302, 303, 304)에 적용하면, 우물공(310)의 수위를 각각 제어 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 제3 실시 예의 수위조절수단(360)은 복수의 지열부(301, 302, 303, 304) 중 어느 한 지열부의 수위만 상승하는 경우를 대비하여 다음과 같은 구성을 갖는다. 수위조절수단(360)은 복수의 지열부(301, 302, 303, 304)를 서로 연통시키기 위한 제3 연결관(363)을 더 포함한다. 제3 연결관(363)은 각각의 지열부(301, 302, 303, 304)를 서로 연통시키도록 구성된다. 도면상에 도시된 최좌측의 지열부를 제1 지열부(301)로 정의하고 우측을 따라 순차적으로 제2 지열부(302), 제3 지열부(303), 제4 지열부(304)로 정의할 때, 제3 연결관(363)은, 제1 지열부(301)와 제2 지열부(302) 사이, 제2 지열부(302)와 제3 지열부(303) 사이, 제3 지열부(303)와 제4 지열부(304) 사이에 각각 형성될 수 있다. 제3 연결관(363)은 우물공(310)의 안전수위 상방에 연통될 수 있다. 여기서 안전수위라 함은 지열부를 운용함에 있어 가장 안정적인 우물공(310) 내의 지하수 수위를 지칭하며, 통상적으로 격벽(310b)의 하방으로 일정거리 이격되고, 심정 펌프(350)의 상방으로 일정거리 이격된 위치를 지칭할 수 있다. 도면상에는 물결로 도시하였다.

상기와 같은 제3 연결관(363)의 구성을 통해 복수의 지열부(301, 302, 303, 304) 중 어느 하나 이상의 우물공(310)의 지하수 수위가 안전수위 이상으로 상승할 경우 제3 연결관(363)을 통해 나머지 우물공(310)에 분배되도록 하여 우물공(310)의 물넘침을 방지하게 된다.

아울러 제3 연결관(363) 상에는 에어벤트(362)가 형성되어 제3 연결관(363)에 포함된 공기를 외부로 배출 가능하도록 구성할 수 있다. 에어벤트(362)는 제2 지열부(302)와 제3 지열부(303) 사이에만 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 각각의 제3 연결관(363)에도 설치될 수 있다. 또한, 에어벤트(362)는 상술된 제1 실시 예의 수위조절 수단(160)에도 설치될 수 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100, 200, 300 : 지중 열교환기
101, 102, 103, 104 : 지열부 HE : 열교환기
L10 : 지열공급라인 H10 : 지열공급헤더
L20 : 지열환수라인 H20 : 지열환수헤더
110 : 우물공 110a : 상부보호정
110b : 격벽 120 : 인케이스관
130 : 공급관 140 : 리턴관
150 : 심정 펌프 160 : 수위조절 수단
201, 202, 203, 204 : 지열부
210 : 우물공 220 : 인케이스관
240 : 리턴관 250 : 심정 펌프
260 : 수위조절 수단 261 : 수위조절탱크
262 : 제2 연결관 263 : 강제수위센서
264 : 강제공급라인 265 : 강제공급밸브
301, 302, 303, 304 : 지열부 L10 : 지열공급라인
L20 : 지열환수라인
310 : 우물공 310a : 상부보호정
310b : 격벽 320 : 인케이스관
330 : 공급관 340 : 리턴관
350 : 심정 펌프 360 : 수위조절 수단
361 : 수위센서 362 : 에어벤트
363 : 제3 연결관

Claims (7)

1. 지중의 지하수를 열교환기에 공급하고, 상기 열교환기와 열교환된 지하수를 지중으로 순환시키는 지중 열교환기에 있어서,
   상기 지하수가 수용되도록 지표에서 소정의 깊이로 형성되고, 복수 개가 일정거리로 각각 이격 형성되는 우물공;
   상기 각각의 우물공에 상하 길이 방향으로 삽입되며, 하측에 상기 지하수가 유입되는 유입공이 형성되는 인케이싱관;
   일단이 상기 인케이싱관의 상측에 연결되고, 타단이 상기 열교환기에 연결되는 지열공급라인;
   일단이 상기 열교환기에 연결되고, 타단이 상기 각각의 우물공의 상측에 연결되는 지열환수라인; 및
   상기 각각의 우물공을 서로 연결하되, 내부에 지하수 수용공간이 형성되는 수위조절탱크, 상기 각각의 우물공과 상기 수위조절탱크를 연통하는 복수의 제2 연결관, 상기 수위조절탱크의 제1 특정수위를 감지하는 강제수위조절센서, 상기 수위조절탱크로 물 또는 별도의 지하수를 공급하기 위한 강제공급라인, 상기 강제공급라인을 밀폐 또는 개방하는 강제공급밸브, 및 상기 강제수위조절센서의 센싱 값에 의해 상기 강제공급밸브를 밀폐 또는 개방시키되, 상기 제1 특정수위 이상을 감지할 경우 상기 강제공급밸브를 밀폐하고, 상기 제1 특정수위 이하를 감지할 경우 상기 강제공급밸브를 개방하는 강제수위 제어부를 포함하는 수위조절수단
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직개방형 지중 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 수위조절 수단은,
   상기 우물공의 제2 특정 수위를 감지하는 수위조절센서;
   상기 지열공급라인을 밀폐 또는 개방하는 공급밸브;
   상기 지열환수라인을 밀폐 또는 개방하는 환수밸브;
   상기 수위조절센서에 센싱 값에 의해 상기 공급밸브 또는 환수밸브를 밀폐 또는 개방하는 수위제어부; 로 구성되는, 수직개방형 지중 열교환기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 수위제어부는,
   상기 수위조절센서가 상기 제2 특정 수위 이상을 감지할 경우 상기 공급밸브를 개방 또는 상기 환수 밸브를 밀폐하고, 상기 제2 특정 수위 이하를 감지할 경우 상기 공급밸브를 밀폐 또는 상기 환수 밸브를 개방하는, 수직개방형 지중 열교환기.

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