KR101584095B1 - 교대 운전이 가능한 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기는, 복수 개의 관정; 상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이에 연결되는 제1 순환라인; 상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되는 지하수 전환밸브;를 포함한다. 이로써, 상기 복수 개의 관정을 교대하여 운전할 수 있어 지하수를 교체하는 과정에서 발생될 수 있는 효율 저하를 미연에 방지할 수 있다. 또, 지하수를 대수층으로 배출함으로써 지반이 침하되거나 지하수가 고갈되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

Description

교대 운전이 가능한 지중 열교환기{SHIFT DRIVING SYSTEM FOR GROUND-LOOP HEAT EXCHANGER}

본 발명은 지하수 또는 지열을 열원으로 사용하여 냉·난방을 실시하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기에 관한 것이다.

지열의 이용방식은 지중의 고온의 열을 이용하여 전기를 발전하는 지열발전 이용방식과, 온천수와 같이 지열을 직접 이용하는 지열직접 이용방식과, 히트펌프를 장착하여 저온의 지열을 이용하여 냉 난방을 수행하는 지열펌프 이용방식으로 크게 나눌 수 있다. 그 중 지열펌프 이용방식으로는 지하수와 지열 등을 냉 난방 열원으로 사용하는 지열 히트펌프가 널리 알려져 있다.

상기 지열 히트펌프는 암반층이 잘 발달된 암반 내부에 약 400~500m 깊이의 관정을 파고 관정 내부에 열교환기를 설치하여 냉 난방을 수행하는 기술이다. 상기 지열 히트펌프의 구조는 본 출원인에 의해 출원된 등록실용신안 제0371813호 및 등록특허 제10-0675257호에 제시된 바 있다.

상기 지열 히트펌프 중에서도 반 개방형인 스탠딩 컬럼 웰(Standing Column Well) 방식의 열교환기는 암반층을 통상 400~500m 깊이까지 시추하여 좁고 긴 관정을 형성하고, 그 관정에 지하수를 순환시키기 위한 순환관을 넣어 관정 내부에 고인 물을 지상으로 끌어올리고 외부에 설치된 지상 열교환기와 지하수관으로 연결하여 열교환을 시킨 후, 다시 순환관을 통해 관정의 내부로 복귀시키면서 열에너지를 흡수하여 냉 난방 시스템의 에너지로 활용하는 방식이다.

이러한 스탠딩 컬럼 웰 방식의 지중 열교환기(이하, 지중 열교환기로 약칭함)는 지하수를 직접 이용하는 개방형 열교환기나 또는 U자형 관을 수직으로 삽입하는 밀폐형 열교환기에 비해 설치 공간 확보, 설치비용, 오염 관리 등에서 유리하다.

하지만, 상기와 같은 지중 열교환기는 상기 관정 내 고인 지하수를 펌핑하여 지상 열교환기와의 사이에서 지속적으로 순환시키면서 열에너지를 흡수하는 방식이어서 장시간 운전시 관정 내 지하수의 온도가 과도하게 상승하거나 하강하여 지상 열교환기의 효율이 저하될 수 있었다. 즉, 냉방시에는 관정 내 지하수의 온도가 너무 높아지는 반면 난방시에는 관정 내 지하수의 온도가 너무 낮아져 열교환 효율이 저하될 수 있었다. 이를 감안하여, 종래에는 상기 순환관을 따라 순환되는 지하수의 일부를 유출시켜 관정의 내부로 새로운 지하수가 유입되도록 함으로써 열교환 효율을 높이는 방안이 제시되어 있다. 이에 대해서는 국내 특허등록(등록번호:10-0969557호)된 "지하수 유출 제어를 통한 지중열교환기 시스템"에 관련 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 지중 열교환기는, 관정 내 지하수의 온도가 적정 온도 이상으로 상승하거나 하강하게 되면 사용중인 지하수를 폐기하고 새로운 지하수를 관정으로 유입시키게 되는데, 이 과정에서 지중과 열교환이 일어나는 관정의 수위가 낮아져 지중 열교환기의 운전이 지연되거나 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또, 종래의 지중 열교환기는, 관정 내 지하수를 배출할 때 대수층(帶水層)이 아닌 지표층(地表層)으로 배출함에 따라 지하수 고갈에 대한 우려가 확산될 수 있고, 실제 관정 인근의 지반이 취약해지거나 심하면 지반이 침하되는 등 환경적인 문제가 발생될 뿐만 아니라, 지하수의 폐기량이 증가하는 만큼 새로운 지하수의 사용량이 증가하여 비용이 증가하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은, 과열되거나 과냉된 지하수를 교체하는 과정에서 관정내 수위가 낮아져 열교환이 지연되거나 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있는 교대운전이 가능한 지중 열교환기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 지하수를 교체할 때 대수층으로 배출함으로써 지반이 침하되거나 지하수가 고갈되는 것을 미연에 방지할 수 있는 교대운전이 가능한 열교환기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정; 상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인; 상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 전환밸브는 상기 지상 열교환기를 기준으로 환수측에 설치될 수 있다.

그리고, 상기 전환밸브는 상기 지상 열교환기를 기준으로 급수측과 환수측에 각각 설치될 수 있다.

그리고, 상기 제1 순환라인 또는 상기 제2 순환라인 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 순환되는 지하수를 배수시키는 배수관 및 배수밸브가 더 구비될 수 있다.

그리고, 상기 배수관 및 배수밸브는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인이 분관되는 지점보다 전위에 설치될 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 관정에 연결되는 각각의 순환라인은 서로 다른 지상 열교환기와 독립적으로 연결되고, 상기 서로 다른 지상 열교환기와 독립적으로 연결되는 각각의 순환라인 중에서 적어도 2개의 순환라인 사이에는 연통관과 전환밸브가 설치되어 상기 적어도 2개의 순환라인이 선택적으로 연통될 수 있다.

그리고, 상기 관정내 또는 상기 각 순환라인에는 지하수의 온도를 검출하는 온도센서가 설치되고, 상기 온도센서는 상기 전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되어 해당 관정의 운전여부를 결정할 수 있다.

그리고, 상기 전환밸브는 그 전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부에는 상기 전환밸브의 개폐시간을 검출하는 타이머가 구비될 수 있다.

본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기는, 복수 개의 관정을 구비하고 그 복수 개의 관정에 삽입되는 각각의 순환관을 서로 연결하며 상기 복수 개의 순환관이 선택적으로 지상 열교환기와 열교환되도록 밸브가 설치됨으로써, 상기 복수 개의 관정 중에서 운전중인 관정의 지하수 온도가 적정 온도보다 과열되거나 과냉되는 경우에는 지하수를 대수층으로 배출하는 동시에 다른 관정으로 교대하여 운전할 수 있고, 이를 통해 지하수를 교체하는 과정에서 관정내 수위가 낮아져 열교환 운전이 지연되거나 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 지하수를 교체할 때 대수층으로 배출함으로써 지반이 침하되거나 지하수가 고갈되는 것을 미연에 방지하여 친환경적인 지중 열교환기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기의 일실시예를 보인 계통도,
도 2는 도 1에 따른 제어유닛을 보인 개략도,
도 3은 도 1에 따른 지중 열교환기에서 제1 관정이 운전하는 예를 보인 계통도,
도 4는 도 1에 따른 지중 열교환기에서 제2 관정이 운전하는 예를 보인 계통도,
도 5 내지 도 7은 도 1에 따른 교대운전이 가능한 지중 열교환기에서, 제1 관정과 제2 관정이 각각 복수 개씩인 경우를 보인 계통도,
도 8은 본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기에서 다른 실시예를 보인 계통도.

이하, 본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기 및 운전 방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 교대운전이 가능한 지중 열교환기의 일실시예를 보인 계통도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 교대운전이 가능한 지중 열교환기는, 암반이 잘 발달된 지역의 암반층(1)을 시추하여 내부에 지하수(W1)(W2)가 고이는 관정(10)(20)을 복수 개 형성하고, 상기 각 관정(10)(20)의 내부에 고인 지하수(W1)(W2)를 이용하여 관정을 이루는 암반의 열을 흡수하거나 암반에 열을 저장할 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 관정(10)(20)은 상단부를 제외한 하반부의 내주면에는 대수층을 이루는 암반에 노출되도록 형성될 수 있다. 이에 따라 암반층(1)의 상부 또는 하부로 유동하는 지하수(W1)(W2)가 상기 관정(10)(20)의 내부로 유입되어 고이게 될 수 있다.

상기 관정(10)(20)은 일정 거리 이상을 두고 적어도 2개 이상 형성될 수 있다. 상기 복수 개의 관정(10)(20)은 지하수가 상호 직접적으로 이동할 수 없는 정도의 거리를 두지만, 해당 관정의 주변 열이 다른 관정의 주변에 영향을 미칠 수 있는 정도의 거리를 가지도록 형성될 수 있다. 이로써, 상기 복수 개의 관정(10)(20) 사이에서 지하수가 직접 이동하는 것을 방지할 수 있지만, 열교환기를 통한 열이 운전하는 관정 주변의 암반층으로 전달되어 일종의 축열효과를 가지도록 할 수 있다.

상기 복수 개의 관정(10)(20)에는 각각 온도센서(11)(21)와 수위센서(12)(22)가 설치될 수 있다.

상기 온도센서(11)(21)은 관정의 내부에 설치될 수도 있지만, 도 1에서와 같이 후술할 펌핑측 순환관(31a)(32a)의 중간에 설치될 수도 있다.

그리고 상기 온도센서(11)(21)는 후술할 제어유닛(40)의 입력부(41)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 복수 개의 관정(10)(20)에 고인 지하수의 온도를 검출하여 해당 관정에 대한 운전가능 여부를 판단할 수 있다.

상기 수위센서(12)(22)는 후술할 제1 양수펌프(35)와 제2 양수펌프(36)와 같은 높이에 설치되거나 낮은 위치에 설치되는 것이 수위에 따라 펌프의 운전여부를 제어할 수 있어 바람직할 수 있다.

그리고 상기 수위센서(12)(22)는 후술할 제어유닛(40)의 입력부(41)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 복수 개의 관정(10)(20)에 고인 지하수의 수위를 검출하여 해당 관정에 대한 지하수 펌핑필요 여부를 판단할 수 있다.

상기 관정(10)(20)의 주변에는 그 관정의 상부에 압력을 가하여 관정 내 지하수를 대수층으로 배출시키는 가압유닛(미도시)이 설치될 수 있다. 상기 가압유닛으로는 고압의 공기를 주입하는 공기가압유닛 등이 사용될 수 있다.

상기 복수 개의 관정 중에서 어느 한 개의 관정에는 지상 열교환기와 연결되는 순환관이 삽입될 수 있다. 이하에서는, 상기 지상 열교환기(2)와 연결되는 순환관을 제1 순환관(31)이라고 하며, 상기 제1 순환관(31)이 삽입되는 관정을 제1 관정(10)이라고 한다.

상기 제1 관정(10)은 상기 제1 순환관(31)이 직접 삽입될 수 있도록 단순한 웅덩이 형상으로 형성될 수도 있지만, 상기 제1 관정(10)의 상단부에 맨홀과 같은 외부오염물질 유입방지 기구(미도시)를 설치하고 그 외부오염물질 유입방지 기구에 연결관을 구비하여 상기 제1 순환관(31)을 연결할 수도 있다. 상기와 같은 외부오염물질 유입방지 기구를 이용하는 것이 상기 제1 순환관(31)을 유지 관리하는데 유리할 수 있다.

상기 제1 순환관(31)은 후술할 제1 공통관(2a) 및 제2 공통관(2b)과 함께 제1 순환라인을 이루며, 펌핑측 순환관(이하, 제1 급수관)(31a)과 환수측 순환관(이하, 제1 환수관)(31b)으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 급수관(31a)과 제1 환수관(31b)의 일단은 각각 상기 지상 열교환기(2)에 연결된 펌핑측 공통순환관(이하, 제1 공통관)(2a)과 제2 공통순환관(이하, 제2 공통관)(2b)에 연결되고, 상기 제1 급수관(31a)과 제2 환수관(31b)의 타단은 각각 상기 제1 관정(10)에 삽입될 수 있다. 그리고 상기 제1 급수관(31a)의 하단에는 제1 관정(10)에 고인 지하수(W1)를 펌핑하기 위한 제1 양수펌프(35)가 설치될 수 있다.

상기 제1 양수펌프(35)는 후술할 제어유닛(40)의 출력부(43)에 전기적으로 연결되어 그 제어유닛(40)의 제어에 따라 선택적으로 구동될 수 있다. 여기서, 상기 제1 양수펌프(35)는 후술될 제2 순환관(32)에 설치되는 제2 양수펌프(36)와 선택적으로 동작될 수 있다. 이로써, 운전하지 않는 관정에 설치된 양수펌프는 구동시키지 않음으로써 전력낭비를 억제할 수 있다.

상기 제1 급수관(31a)과 제1 환수관(31b)은 동일한 내경과 길이를 갖도록 형성될 수 있으나, 상기 제1 관정(10)의 지하수(W1)가 내부 공간에서 원활한 순환을 위하여 상기 제1 급수관(31a)과 제1 환수관(31b)의 내경과 길이는 적절하게 결정할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 급수관(31a)은 상기 제1 관정(10) 내 자갈이나 모래와 같은 기타 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 상기 제2 환수관(31b)의 길이보다 짧게, 즉 상기 제1 급수관(31a)의 하단은 상기 제1 관정(10)의 상반부, 정확하게는 상기 제1 환수관(31b)의 하단보다는 상대적으로 높은 위치에 배치되도록 형성되는 반면, 상기 제1 환수관(31b)의 하단은 지하수를 뿜어주게 되므로 이물질이 유입될 염려가 적을 뿐만 아니라 열교환된 지하수가 관정의 바닥으로 배출되도록 상기 제1 관정(10)의 바닥면 근처까지 길게 연장되도록 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 상기 제1 급수관(31a)을 제1 관정(10)의 바닥에 설치하고 상기 제1 환수관(31b)을 제1 관정(10)의 상반부에 설치하는 것도 가능하며, 이 경우에는 모래와 같이 이물질의 유입을 방지하도록 망체와 같은 별도의 여과부재를 설치하는 것이 바람직할 수 있다.

또, 상기 관정(10(20)의 내부에서 지하수가 충분하게 순환할 수 있도록 하기 위하여는 상부와 하부가 개방된 긴 파이프(미도시)를 상기 관정의 내부에 설치하고 양수펌프를 이 파이프 내부에 위치하도록 설치할 수도 있다.

상기 제1 급수관(31)과 제1 환수관(31b)은 모두 가요성 재질, 즉 PVC보다는 유연하고 탄력을 갖는 PE재질로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 제1 급수관(31a)과 제1 환수관(31b) 중에서 상대적으로 길이가 긴 제1 환수관(31b)은 견인작업과 보관이 용이하도록 PE재질보다 더욱 유연한 재질, 즉 폴리우레탄 내장 호스 또는 고무 내장 호스와 같이 접힘성 재질로 된 소방호스와 같은 재질로 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 상기 제1 환수관(31b)의 내주면과 외주면은 각각 방수재질로 된 방수층이 형성되고, 상기 내측 방수층과 외측 방수층의 사이에는 단열층이 형성될 수 있다.

한편, 상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 관정(10)을 제외한 다른 관정은 제2 관정(20)이라고 하고, 상기 제2 관정(20)에 삽입되어 지하수를 순환시키는 관을 제2 순환관(32)이라고 한다. 여기서, 상기 제2 관정(20)은 도 1과 같이 한 개만 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 상기 제2 관정(20)이 복수 개가 형성되어 각각의 제2 관정(20)에 각각의 제2 순환관(32)이 삽입되고 이 각각의 제2 순환관(32)은 상기 제1 순환관(31)에 병렬로 연결될 수도 있다. 물론, 상기 제2 관정(20)이 복수 개로 형성되어 그 제2 관정(20)에 삽입되는 각각의 제2 순환관(32)이 서로 직렬로 연결될 수도 있다.

상기 제2 관정(20)은 상기 제1 관정(10)과 유사하게 형성될 수 있다.

상기 제2 순환관(32)은 제2 순환라인을 이루며, 상기 제1 순환관(31)과 같이 제2 급수관(32a)과 제2 환수관(32b)으로 이루어져 상기 제2 관정(20)에 삽입될 수 있다. 그리고 상기 제2 급수관(32a)에는 제2 양수펌프(36)가 설치되고, 상기 제2 양수펌프(36)는 상기 제2 관정(20) 내에 고인 지하수에 잠길 수 있도록 설치될 수 있다.

상기 제2 급수관(32a) 및 상기 제2 환수관(32b)은 상기 제1 급수관(31a) 및 상기 제1 환수관(31b)과 동일하거나 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 상기 제1 급수관 및 상기 제1 환수관의 설명으로 대신한다.

다만, 상기 제2 환수관(32b)은 그 일단이 상기 제1 환수관(31b)과 함께 후술할 지하수 전환밸브(이하, 전환밸브)(33)에 의해 제2 공통관(2b)에 연결되고, 그 타단은 상기 제2 관정(20)에 삽입될 수 있다.

상기 전환밸브(33)는 3방밸브로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 전환밸브(33)는 후술할 제어유닛(40)의 출력부(43)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 온도센서(11)(21) 또는 수위센서(12)(22)에 의해 검출되는 해당 관정의 지하수 온도 또는 지하수 수위에 따라 상기 전환밸브(33)의 유로방향을 제어하거나 개폐량을 제어하여 해당 관정으로 지하수가 순환 또는 차단되도록 제어하거나 지하수의 유통량을 제어할 수 있다. 이를 통해 해당 관정의 운전 여부는 물론 운전비를 제어할 수 있다.

한편, 도 2에서와 같이, 상기 제어유닛(40)은 상기 온도센서(11)(21)와 수위센서(12)(22)에 전기적으로 연결되는 입력부(41)와, 상기 입력부(41)에 의해 전달되는 검출값을 전달받아 설정값과 비교하여 운전될 관정을 판단하는 판단부(42)와, 상기 전환밸브(33)와 후술할 배수밸브(34a)가 각각 전기적으로 연결되어 상기 판단부(42)에 의해 판단된 값에 따라 상기 밸브(33)(34a)의 개폐방향 및 개폐량 신호를 출력하는 출력부(43)로 이루어질 수 있다.

상기 입력부(41)에는 상기 전환밸브(33)의 개폐시간을 검출하는 타이머(미도시)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 타이머는 상기 전환밸브(33)의 개폐시간을 검출하여 일정 주기마다 상기 전환밸브(33)의 개폐방향 또는 개폐량을 조절할 수 있다.

한편, 상기 제2 공통관(2b)의 중간에는 배수관(34)이 연결되고, 상기 배수관(34)의 중간에는 그 배수관(34)을 선택적으로 개폐시켜 지하수의 일부를 외부로 배출시키는 배수밸브(34a)가 설치될 수 있다. 상기 배수관(34)과 배수밸브(34a)는 상기 제2 공통관(2b) 외에 제1 공통관(2a) 또는 각 순환관 중 어디에 설치할 수도 있으나, 상기 제2 공통관(2b)의 중간에 설치하는 것이 배수관(34) 및 배수밸브(34a)의 개수를 줄이는 동시에 양수펌프의 불필요한 운전을 줄일 수 있어 바람직할 수 있다. 만약, 상기 배수관(34)과 배수밸브(34a)가 순환관(31)(32)에 설치될 경우에는 각각의 순환관에 배수밸브와 배수관을 모두 설치하여야 하고, 상기 제1 공통관(2a)에 설치할 경우에는 양수펌프에 의해 펌핑된 지하수가 지상 열교환기와 열교환되기 전에 배수되므로 불필요한 펌핑에너지가 소모될 수 있다.

도면중 미설명 부호인 1a는 지표층, 1b는 풍화암층, 1c는 대수층을 포함하는 암반층이다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 지중 열교환기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 지중 냉 난방 시스템이 가동되면, 상기 제어유닛(40)은 전환밸브(33)를 제어하여 상기 제2 공통관(2b)이 상기 제1 환수관(31b)과 제2 환수관(32b) 중에서 어느 한 쪽 환수관과 연결되고 다른 한 쪽 환수관과는 차단되도록 한다. 이하에서는 상기 제2 공통관(2b)이 제1 환수관(31b)에 연결된 예를 먼저 살펴본다.

도 3에서와 같이, 상기 전환밸브(33)에 의해 상기 제2 공통관(2b)이 제1 환수관(31b)에 연결되고, 상기 제1 양수펌프(35)가 구동하여 상기 제1 관정(10) 내 지하수를 펌핑하게 된다. 상기 제1 관정(10)에서 펌핑된 지하수는 상기 제1 급수관(31a)과 제1 공통관(2a)을 통해 지상 열교환기로 유입되어 상기 지상 열교환기(2)에서 냉매관 또는 2차 순환수 배관과 열교환된 후에 상기 제1 환수관(31b)을 통해 다시 제1 관정(10)으로 환수된다.

이때, 상기 제2 양수펌프(36) 역시 구동하여 상기 제2 관정(20) 내 지하수를 펌핑한다. 이 제2 관정(20)에서 펌핑된 지하수는 상기 제2 급수관(32a)을 통해 제1 공통관(2a)으로 이동하여 상기 제1 관정(10)에서 펌핑된 지하수와 함께 지상 열교환기(2)로 유입된다. 하지만, 상기 전환밸브(33)에 의해 상기 제2 환수관(32b)이 제2 공통관(2b)과 차단된 상태가 되므로, 상기 지상 열교환기를 거쳐 제2 공통관(2b)으로 이동하는 지하수는 상기 제2 환수관(32b)쪽으로는 이동하지 못하여 제2 관정(20)으로는 지하수가 환수되지 못하게 된다. 결국, 상기 제2 관정(20)에 펌핑되는 지하수는 제1 관정(10)으로 이동하게 된다.

이에 따라, 상기 제1 관정(10)에는 그 제1 관정(10)에 고인 지하수와 상기 제2 관정(20)에서 이동한 지하수가 합쳐지게 되어 그만큼 제1 관정(10) 내 지하수 수위가 상승하게 되고, 상기 제1 관정(10) 내 지하수 수위가 상승하는 만큼 관정 내 수압이 상승하여 상기 제1 관정(10) 내 지하수의 일부가 대수층(1c)을 통해 제1 관정(10)의 외부로 배출된다. 이로써, 상기 제1 관정(10) 내 지하수를 지표층(1a)으로 배출하지 않고 대수층(1c)으로 배출되도록 함에 따라 지하수의 고갈에 대한 우려를 줄일 수 있다.

반면, 상기 제2 관정(20)에서는 전술한 바와 같이 그 제2 관정(20) 내 지하수의 일부가 환수되지 못하고 제1 관정(10)으로 이동하게 되므로 상기 제2 관정(20) 내 지하수 수위가 낮아지게 된다. 상기 제2 관정(20) 내 지하수 수위가 낮아지는 만큼 수압이 하강하여 결국 제2 관정(20) 주변의 대수층(1c)으로부터 새로운 지하수가 제2 관정(20)으로 유입된다. 이로써, 상기 제2 관정(20)으로 유입되는 새로운 지하수는 냉방시에는 상대적으로 낮은 온도를, 난방시에는 상대적으로 높은 온도를 띄게 되어 상기 지상 열교환기의 효율을 높일 수 있다.

이때, 상기 제2 관정(20) 내 지하수 수위가 일정 수위 이하, 즉 펌프가 안정적으로 작동할 수 있는 수위 이하로 내려가는 것을 방지하도록 상기 제2 관정(20)에 수위계(22)를 설치될 수도 있다.

상기와 같이 제2 공통관(2b)이 제1 환수관(31a)과 연결된 상태에서 일정 기간 동안 운전을 지속하게 되면 상기 제1 관정(10) 내 지하수의 온도가 지속적으로 상승하여 결국 설정 온도 이상으로 과열될 수 있다. 그러면 도 4와 같이, 상기 제어유닛(40)는 전환밸브(33)를 제어하여 상기 제2 공통관(2b)이 제2 환수관(32b)과 연결되도록 한다.

그러면 상기 제2 관정(20)으로는 지하수가 정상적으로 환수되는 반면 상기 제1 관정(10)으로는 지하수가 환수되지 못하여 결국 제1 관정(10) 내 지하수의 일부가 제2 관정(20)으로 이동하게 된다. 상기 제1 관정(10)에서 제2 관정(20)으로 지하수가 이동한 만큼 상기 제1 관정(10)으로는 새로운 지하수가 유입되어 지상 열교환기(2)로 공급됨에 따라 상기 지상 열교환기(2)의 효율이 향상되는 반면, 상기 제2 관정(20)의 지하수 수위가 높아져 그 제2 관정(20) 내 지하수의 일부는 대수층(1c)으로 방출되어 지하수 고갈에 대한 우려를 낮출 수 있다.

여기서, 상기 제1 관정(10) 또는 제2 관정(20)에서 순환되는 지하수의 온도가 일정 온도 이상으로 과열되거나 과냉되어 관정 내 지하수의 온도를 신속하게 적정온도로 회복할 필요가 있을 수 있다. 이런 경우에는 상기 배수밸브(34a)를 열어 배수관(34)을 통해 과열되거나 과냉된 지하수의 일부를 지표층(1a)으로 배출할 수도 있다. 이로써, 상기 관정 내 지하수의 온도를 적정온도로 신속하게 회복시킬 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 상기 전환밸브의 열림방향이 전환되는 것이나, 굳이 전환되지 않고 개도량이 조절될 수도 있다. 예를 들어 상기 제1 관정(10)이 운전을 할 때에는 상기 전환밸브(33)는 제2 관정(20)으로 환수되는 지하수 량을 낮출 수 있도록 제2 환수관(32b)쪽의 개도량을 낮추고 상기 제1 환수관(31b)쪽 개도량을 높이는 반면, 상기 제2 관정(20)이 운전을 할 때에는 반대로 개도량을 조절할 수 있다.

또, 전술한 실시예에서는 상기 제1 관정(10)과 제2 관정(20)이 각각 1개씩인 경우를 살펴보았으나, 상기 제1 관정(10)(10')과 제2 관정(20)(20')이 복수 개씩 형성될 수도 있다. 이 경우, 상기 제1 관정(10)(10')과 제2 관정(20)(20')은 한 개씩 짝을 이루어 지상 열교환기(2)에 연결될 수 있다. 그리고 상기 제1 관정(10)(10')과 제2 관정(20)(20')의 짝은 도 5와 같이 각각 한 개의 지상 열교환기(2)에 함께 연결될 수도 있고, 도 6과 같이 각각 별개의 제1,제2 지상 열교환기(2)(2')에 연결될 수도 있다. 이 경우에도 상기 제1 급수관(31a)(31a')의 중간에서 제2 급수관(32a)(32a')이 분지되고, 상기 제1 환수관(31b)(31b')의 중간에서 제2 환수관(32b)(32b')이 연결되며, 상기 제1 환수관과 제2 환수관이 연결되는 지점에 각각 전환밸브(33)(33')가 설치될 수 있다.

도 6에 도시된 실시예의 경우, 상기 제1 지상 열교환기(2)와 제2 지상 열교환기(2')는 서로 다른 건물의 실내 열교환기와 연결되거나, 또는 동일 건물의 다른 층에 구비된 실내 열교환기와 연결될 수 있다.

그리고 도 6에 도시된 실시예의 경우, 상기 제1 지상 열교환기(2)와 열교환되는 관정들을 제1 군(A), 상기 제2 지상 열교환기(2')와 열교환되는 관정들을 제2 군(B)이라고 할 때, 상기 제1 군(A)과 제2 군(B) 사이를 선택적으로 연통시키는 연통관(39a)(39b)과 제3 전환밸브(33c)을 설치하여 어느 한 쪽 군에 지하수를 집중시키도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 연통관(39a)(39b)과 제3 전환밸브(33c)는 급수관(31a,31a')(32a,32a')이나 환수관(31b,31b')(32b,32b') 어느 쪽에 연결시켜도 무방할 수 있으나, 가급적 각 군의 급수관(31a,31a')(32a,32a')에 연결하는 것이 지하수의 집중 속도를 신속하게 할 수 있어 바람직할 수 있다. 여기서, 상기 연결관의 중간에는 역지변(미부호)이 설치될 수 있다.

그리고, 상기 제1 관정(10)(10')과 제2 관정(20)(20')이 복수 개씩 형성되는 경우에는 관정 사이에서의 열교환을 통한 축열효과를 높일 수 있도록 이웃하는 관정과는 상호 반대로 운전을 하는 것이 바람직할 수 있다.

또, 도 7에서와 같이, 상기 제1 관정(10)(10')이 1개씩으로 구성된 2개의 관정으로 이루어져 그 각각의 제1 관정이 각각의 지상 열교환기(2)(2')와 독립적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 각 제1 관정(10)(10')에 연결되는 급수관(31a)(31a')의 중간에는 연통관(39a)(39b)과 제3 전환밸브(33c)가 설치되어 상기 각 제1 관정(10)(10') 중에서 어느 한 쪽 제1 관정(10)(10')에 지하수를 집중시켜 교대 운전을 할 수도 있다. 도면중 미설명 부호인 3,3'는 각각 실내 열교환기이다.

한편, 전술한 실시예들에서는 상기 전환밸브가 한 개만 구비되는 것이나, 경우에 따라서는 도 8에서와 같이 상기 전환밸브가 제1 전환밸브(33a)와 제2 전환밸브(33b)로 이루어져 상기 제1 전환밸브(33a)는 제1 공통관(2a)과 제1 급수관(31a) 그리고 제2 급수관(32a)이 연결되는 지점에, 상기 제2 전환밸브(33b)는 제2 공통관(2b)과 제1 환수관(31b) 그리고 제2 환수관(32b)이 연결되는 지점에 각각 설치될 수도 있다. 또, 필요에 따라 역지변(미도시)을 설치하여 지하수가 가동하지 않는 관정으로 순환하는 것을 방지할 수도 있다.

이 경우에도 기본적인 구성과 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이할 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 급수측과 환수측에 각각 전환밸브(33a)(33b)가 설치됨에 따라 운전되는 관정을 전환시킬 때에는 상기 제1 전환밸브(33a)와 제2 전환밸브(33b)가 일정 시간차를 두고 열린 방향을 조절할 필요가 있다.

예를 들어, 상기 제1 관정(10)에서 제2 관정(20)으로 운전될 관정을 변경할 경우에는 상기 제1 전환밸브(33a)는 제1 급수관(31a)쪽을 개방하여 상기 제1 관정(10) 내 지하수를 일정 시간 동안 펌핑하는 반면, 상기 제2 전환밸브(33b)는 제2 환수관(32b)쪽을 개방하여 상기 제1, 제2 공통관(2a)(2b)을 거친 지하수가 상기 제1 관정(10)으로는 환수되지 않고 제2 관정(20)쪽으로만 환수되도록 할 수 있다. 이로써, 상기 제1 관정에서 제2 관정으로 운전되는 관정을 변경할 수 있다.

또, 상기 제1 환수관(31b)에 제1 배수관(37)과 제1 배수밸브(37a)가 설치되고, 상기 과 제2 환수관(32b)에 제2 배수관(38)과 제2 배수밸브(38a)가 각각 설치되어 해당되는 관정에서 순환되는 지하수를 필요에 따라 신속하게 배출시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 관정(10) 내 지하수의 온도가 적정온도를 벗어난 경우에는 상기 제1 전환밸브(33a)와 제2 전환밸브(33b)를 모두 제1 관정(10)쪽이 열린 방향으로 전환시켜 상기 제1 관정(10)에서만 지하수가 펌핑되어 순환되도록 하는 동시에, 상기 제2 배수밸브(38a)를 열어 상기 제2 환수관(32b)의 지하수를 필요에 따라 배수시킬 수 있다. 물론, 상기 제1 순환관(31)과 제2 순환관(32)의 길이가 긴 경우에는 상기 제1 배수관(37)과 제2 배수관(37)에 각각 배수펌프(미도시)를 설치할 수도 있다.

한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 제1 전환밸브와 제2 전환밸브는 2방밸브로 이루어져 상기 제1 급수관과 제1 환수관, 상기 제2 급수관과 제2 환수관에 각각 설치할 수도 있다. 이 경우에도 기본적인 구성과 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하다.

2 : 지상 열교환기 2a,2b : 제1,제2 공통관
10,20 : 제1,제2 관정 11,12 : 온도센서
12,22 : 수위센서 31,32 : 제1,제2 순환관
31a,32a : 제1,제2 급수관 31b,32b : 제1,제2 환수관
33,33a,33b : 전환밸브 34,37,38 : 배수관
35,36 : 양수펌프 40 : 제어유닛

Claims (8)

1. 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정;
   상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인;
   상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및
   상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되되, 상기 지상 열교환기를 기준으로 환수측에 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
2. 삭제
3. 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정;
   상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인;
   상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및
   상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되되, 상기 지상 열교환기를 기준으로 급수측과 환수측에 각각 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제1 순환라인 또는 상기 제2 순환라인 중에서 적어도 어느 한 쪽에는 순환되는 지하수를 배수시키는 배수관 및 배수밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 배수관 및 배수밸브는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인이 분관되는 지점보다 전위에 설치되는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
6. 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정;
   상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인;
   상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및
   상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하며,
   상기 복수 개의 관정에 연결되는 각각의 순환라인은 서로 다른 지상 열교환기와 독립적으로 연결되고,
   상기 서로 다른 지상 열교환기와 독립적으로 연결되는 각각의 순환라인 중에서 적어도 2개의 순환라인 사이에는 연통관과 전환밸브가 설치되어 상기 적어도 2개의 순환라인이 선택적으로 연통되는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
7. 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정;
   상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인;
   상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및
   상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하며,
   상기 관정내 또는 상기 각 순환라인에는 지하수의 온도를 검출하는 온도센서가 설치되고,
   상기 온도센서는 상기 지하수 전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되어, 상기 온도센서에 의해 검출된 지하수의 온도를 기초로 하여 해당 관정의 운전여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.
8. 일정 간격 이상을 두고 시추된 복수 개의 관정;
   상기 복수 개의 관정 중에서 일부의 관정과 지상 열교환기 사이를 연결하여 상기 관정 내 지하수를 순환시키는 제1 순환라인;
   상기 복수 개의 관정 중에서 상기 제1 순환라인이 연결되는 관정 외의 다른 관정과 상기 제1 순환라인에 선택적으로 연결되는 제2 순환라인; 및
   상기 제1 순환라인과 제2 순환라인 사이, 또는 상기 제1 순환라인과 제2 순환라인에 각각 설치되어 상기 지하수의 순환방향을 제어하는 지하수 전환밸브;를 포함하며,
   상기 지하수 전환밸브는 그 지하수 전환밸브를 제어하는 제어부에 전기적으로 연결되고, 상기 제어부에는 상기 지하수 전환밸브의 개폐시간을 검출하는 타이머가 구비되는 것을 특징으로 하는 교대운전이 가능한 지중 열교환기.

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