KR101708489B1 - 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 관한 것으로, 최소구경의 굴착을 통해 저렴한 시설비용과 용이한 작업으로 시공과 유지관리가 가능한 것이다.
본 발명에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템은, 지중에 굴착되는 지열공(1)과; 지하수와 열교환하는 열교환기(3)와; 상기 지열공의 내부에 삽입 설치되며 상기 지열공을 급수공간과 환수공간을 구획하되 수중펌프 설치구간까지 설치되는 급수관(5)과; 상기 열교환기에 연결되며 상기 열교환기를 통과한 지하수를 환수하는 환수관(6)과; 상기 급수관의 하단부에 설치되며 지하수를 펌핑하는 수중펌프(8)와; 상기 수중펌프의 둘레부에 형성되는 펌프하우징을 구성하되 펌프하우징은 수직방향으로 환수구역과 흡입구역으로 구분한 요철 형태로 되어 순환유로를 구성한 펌프하우징(20)을 형성하며;상기 순환유로를 구성한 펌프하우징에 분리 가능하게 연결되어 지하수를 상기 순환유로를 구성한 펌프하우징 내부로 유도하는 흡입관(40)을 포함하여 구성한다.

Description

순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템{OPEN TYPE GEOTHERMAL SYSTEM INCLUDE PUMP HOSING WITH PATHWAY}

본 발명은 지열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴착직경을 최소화 하여 저렴한 시설비용과 용이한 작업으로 시공과 유지관리가 가능한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 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 열교환 시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15℃ 내지 17℃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 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 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.

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 지열공 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.

한편, 지하수 지열공을 이용한 지열 지중 열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 고밀도폴리에칠렌관(HDPE)을 U튜브에 의해 수직으로 연결하여 내려 설치하고 그 내부에 열교환용 브라인을 순환시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 구성한 것이다.

개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프의 열교환기를 거쳐 열교환시킨 다음 순환되어 돌아온 지하수를 다시금 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이가 대체적으로 300~500m 깊이에 굴착직경 200mm~250mm로 굴착된 지열공 안쪽에 100~125mm 직경의 PVC 파이프로 제작된 내부케이싱이 연결소켓에 의해 연장되어지면서 바닥까지 설치되어 진다.

하부구간에는 스트레이너가 구성된 유공관이 연결되어 설치되며 내부케이싱 안쪽 상부에는 수중펌프가 설치되어 지하수를 양수관을 통해 지상 히트펌프까지 올려 순환시키게 된다.

이러한 개방형 지중 열교환기 형태는 여러 가지가 개발되어 적용되어지고 있다.

일명 게오힐 공법은 지열공 안쪽에 내부케이싱이 설치되고 하부에는 유공관이 구성되어 있게 되며 내부케이싱과 지열공벽 사이에는 예컨대 콩자갈로 이루어진 충진재가 채워지게 되며 그 안쪽에는 환수 분배관이 묻힌 상태로 설치되어지게 된다. 이러한 공법의 장점은 개방형 지열 지중열교환기가 운전 중 굴착공이 함몰되는 사고를 예방할 수 있는 장점이 있는 반면 환수 분배관을 통해 환수되는 순환지하수의 유동저항으로 인해 환수측 순환지하수가 지상으로 흘러넘쳐 배출되는 사례가 빈번하게 발견되는 문제점이 있다. 더욱이 개방형 지열공의 순환을 위해 설치되는 내부케이싱 중 유공관 설치분포가 지열공 바닥에 가까운 하부에 집중적으로 배치되어 있어 시설 운용중 지하수와 함께 유입된 토사슬러리가 쌓여 가는 경우 내부케이싱의 유공관을 폐색시킴은 물론 환수분배관의 끝부분을 막게 되어 결과적으로 순환장애를 일으키는 큰 문제점으로 나타나고 있다.

이를 개선하기 위해 내부케이싱 하단에 환수관햇더를 구성하여 환수관을 결합연통시킴으로써 순환지하수의 순환 유통을 크게 개선하는 효과를 가지게 되었다.

그러나 이러한 구성요소들을 결합하여 시공하는 과정에서 시공의 복잡성과 구성요소들의 제작, 설치과정에서 비용증가가 문제점으로 대두되어 기술적용 확대에 걸림돌이 되었다. 또한, 잦은 내부케이싱 이탈과 탈락은 지열공 내부 열교환 장애를 일으켜 지상부 히트펌프의 손상의 원인이 되고 있으며 이를 방지하기 위한 그라우팅 공정은 많은 공임과 비용이 소요되는 공정이 되어 불편한 상황이다.

더욱이 콩자갈이 채워지고 3가닥의 환수관은 미세한 토사류의 퇴적에 의한 콩자갈 공극의 폐색이 발생하게 되어 순환지하수의 순환장애가 일어난 경우 이를 개선하기 위한 역세작업이 불가능하거나 불편하여 이를 보완하기 위한 대책이 필요하였다. 이러한 함몰방지 시공의 가장 큰 이유 중 하나는 지열공 굴착 직경이 대체적으로 200~250mm 로 형성되어 큰 굴착직경으로 인한 불안정한 지질구조에서는 지열공 내부에서의 구조적 지지력 부족으로 인한 지반 함몰이 일어나기 쉽고 또 실제 발생사례도 많았다는데 있다. 굴착 및 시설 운용과정에서 이미 굴착된 지열공이 구조적 안정성을 담보하기 위해서는 가능한 굴착직경을 작게 하여 지반 스스로 지지될 수 있도록 하는 것이다. 이럴 경우 굴착된 직경 작을수록 유리함은 당연하다. 그런데 이렇게 축소된 굴착직경을 취하게 될 경우 지열공 내부에 설치되는 수중펌프의 외경으로 인해 열교환기를 순환하여 돌아오는 환수관을 지열공 내부에 삽입할 수 없을 뿐 아니라 환수되는 지하수가 수중펌프의 외경과 굴착된 지열공 내경과 거의 간극이 크지 않아 순환폐색이 쉽게 일어날 수 있는 가능성이 높아 실현될 수 없는 현실이었다.

따라서 단위 지열공당 동일 유사한 열용량을 가지면서도 굴착직경을 최소화하여 굴착비용을 절감하도록 함은 물론 지질특성을 이용한 안정된 지열 굴착공 확보와 구조의 단순화는 물론 경제적인 시공이 가능한 기술의 개발이 필요하였다.

등록특허 제10-1554668호 등록특허 제10-0966167호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 최소구경의 굴착을 통해 저렴한 시설비용과 용이한 작업으로 시공과 유지관리가 가능한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템은, 지중에 굴착되는 지열공과; 지하수와 열교환하는 열교환기와; 상기 열교환기의 급수측과 연결되며 상기 지열공의 지하수를 상기 열교환기에 급수하는 급수관과; 상기 열교환기의 환수측과 연결되어 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부로 환수하는 환수관과; 상기 지열공 내부에 설치되면서 상기 급수관과 연결되어 지하수를 상기 급수관에 급수하는 수중펌프와; 내부에 순환유로가 구비된 통구조로서, 내부에 상기 수중펌프가 설치되며 상기 환수관과 연통하는 환수구역 및 상기 급수관과 연통하는 흡입구역을 격리 형성하는 펌프하우징과; 상기 펌프하우징에 연결되며 상기 지열공 내부의 지하수를 상기 펌프하우징의 흡입구역으로 흡입 급수하는 흡입관을 포함하고, 상기 펌프 하우징은 상기 수중펌프가 설치되며 상기 급수관과 흡입관에 연결되는 흡입구역이 내부에 형성되는 한편 둘레부와 상기 지열공 사이에 상기 환수관과 연결되는 환수구역을 형성하되, 상기 흡입구역은 상기 지열공을 향해 돌출되는 하나 이상의 돌출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 펌프 하우징은 둘레부에 원주방향을 따라 2개 이상의 돌출부(내부와 통하는 돌출부)가 포함되어 상기 돌출부들 사이의 외부에 환수구역이 형성되도록 하는 요철형태인 것을 특징으로 한다.

상기 펌프하우징의 둘레부에 결합되어 상기 환수구역을 상기 지열공과 차단하는 외부하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 의하면, 수중펌프의 펌핑을 통해 지하수를 순환시켜 열교환기에 급수하고 순환유로를 구성한 펌프하우징을 통해 100~200mm 내외로 최소화한 굴착 직경내에서도 순환 지하수의 유로가 축소 폐색되지 않은 상태에서 상기 열교환기를 거쳐 순환된 지하수가 지열공 내부로 환수되어 열교환 순환될 수 있도록 하여 정상적인 지중 열교환시스템이 구성될 수 있도록 함으로써 지열 시스템 구성 시설비가 저렴하고 운용 유지관리가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 펌프하우징 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 펌프하우징 평단면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 펌프하우징 종단면도.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 흡입관의 다른 연결 상태를 보인 도면.
도 6과 도 7은 각각 본 발명의 실시예 1에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 수위센서가 적용된 예를 보인 도면.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템의 전체 구성도.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 펌프하우징과 외부하우징을 보인 평면도.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 펌프하우징과 외부하우징의 사시도.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 하부햇더와 공저측 환수관을 보인 사시도.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 적용된 환수관이 필름튜브관 형태인 예를 보인 도면.
도 13과 도 14는 각각 본 발명에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템에 지지케이싱이 적용된 도면.

[실시예 1]

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템은, 지열공(1), 지하수의 열을 회수하는 열교환기(3), 지하수를 열교환기(3)에 급수하는 급수관(5), 지열공(1) 내부의 지하수를 펌핑하여 급수관(5)을 통해 열교환기(3)에 급수하는 수중 펌프(8), 수중 펌프(8)를 보호하며 내부에 순환유로가 구비된 펌프하우징(20), 지하수를 수중 펌프(8)로 안내하는 흡입관(40), 열교환기(3)를 통과한 지하수를 환수하는 환수관(6)으로 구성되며, 환수관(6)의 토출단이 펌프하우징(20) 상부에 배치되도록 설치하고 흡입관(40)의 상단을 펌프하우징(20)에 결합하면서 흡입단을 지열공(1)의 공저에 배치되도록 설치하여 운용하는 것이다.

지열공(1)은 지중에 굴착 형성되며 공벽의 무너짐 방지를 위하여 함몰방지부(4)(그라우팅 케이싱, 그라우팅벽)가 구성된다.

열교환기(3)는 급수관(5)을 통해 급수되는 지하수와 열교환매체의 열교환을 통해 지하수의 열을 회수하는 것이며 지상 또는 지중에 설치되어 운용되고, 히트펌프 등이 사용된다.

급수관(5)은 지열공(1) 내부에 삽입 배관되면서 열교환기(3)와 수중 펌프(8)에 연결되며 수중 펌프(8)의 설치구간까지만 설치된다.

급수관(5)은 PVC 또는 PE, 스텐 등 경질의 재질이 바람직하다.

수중 펌프(8)는 급수관(5)의 하단부에 설치되어 지열공(1) 내부의 지하수를 펌핑한다.

도 4에서 보이는 것처럼, 펌프하우징(20)은 수중 펌프(8)가 가동되는 경우 흡입관(40)을 통해 지열공(1) 공저까지 지중 열교환이 이루어진 지하수를 흡입할 수 있도록 모터(9)와의 사이에 구성된 스트레이너(10)로 원활한 지하수의 흡입이 가능하도록 폐쇄된 공간을 확보하면서 지상의 열교환기(3)를 거쳐 환수관(6)을 통해 지열공(1)으로 유입되는 지하수가 원활하게 지열공(1) 공저로 흘러 유입될 수 있도록 순환유로를 확보해주는 기능을 하게 된다. 특히 본 발명에서는 통상 개방형 지열공의 굴착지름인 200~250mm를 100~200mm 내로 축소하여 구성하도록 함으로써 굴착비용을 크게 감소시켜 경제적인 시공이 가능하게 한 것이다. 그런데 이러한 기술구성이 가능하게 하기 위해서는 통상적으로 운용중인 수중펌프(8)와 모터(9)의 외경이 100mm 내외임을 간과할 수 없다는 것이다.

즉, 현재와 같이 지열공(1)의 굴착 지름을 150mm 로 할 경우 순환되는 지하수가 환수와 흡입구간을 구분하기 위해서는 별도의 수중펌프(8)를 내부에 설치하도록 하는 펌프하우징의 설치가 필수적인데 지열공(1)의 굴착 지름을 150mm한 종래에는 펌프하우징 설치를 위한 필요한 직경 확보가 불가능하였다는데 문제의 심각성이 있었다는 것이다.

따라서 수중펌프(8)의 외경과 최소화한 굴착직경 내경을 고려하여 순환지하수가 급수와 환수가 이루어지기 위해서는 펌프하우징(20)은 서로 격리된 환수구역(21)과 흡입구역(22)이 형성되도록 형태를 구상하게 된 것이다.

도 2와 도 3에서 보이는 것처럼, 환수구역(21)은 펌프하우징(20)의 외부와 지열공(1) 사이의 공간이고, 흡입구역(22)은 수중펌프(8)가 설치된 펌프하우징(20) 내부의 공간이다.

이와 같이 펌프하우징(20) 내부의 흡입구역(22)과 외부의 환수구역(21)의 격리를 위한 구조는 다양하게 가능하고, 단순하게 펌프하우징(20)은 원형의 외형인 것도 가능하고, 바람직하게 둘레부에 지열공(1)을 향해 돌출되는 돌출부[돌출에 의해 펌프하우징(20) 내부 공간의 용적이 커짐]가 구성되며, 이 돌출부는 펌프하우징(20)의 둘레부에 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 2개 이상(도면에는 3개로 도시됨)지열공(1)을 향하는 돌출부가 구성된다.

환수구역(21)은 펌프하우징(20)의 둘레부에 상하 종방향으로 연속되는 구조이고, 흡입구역(22)은 지하수의 흡입과 급수가 가능하도록 개방부가 구성되는 형태이다.

도 2는 본 실시예에 의한 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템의 펌프하우징을 표현한 평단면도로서, 지하수 순환유로를 확보하기 위해 환수관(6)을 통해 지열공(1) 상부인 펌프하우징(20) 상부에 유입된 지하수는 좁은 지열공(1)과 펌프하우징(20) 사이로 전 순환량이 흘러 내려가지 못함으로 크게 3분할된 요철형태를 갖도록 하여 수중펌프(8) 쪽으로 들어가게 형성한 요(凹)부는 환수구역(21)이 되어지게 되고 지열공(1) 공벽 쪽으로 나온 철(凸 )부는 흡입관(40)을 통해 유입된 지하수가 수중펌프(8)의 스트레이너(10)로 원활히 유입될 수 있는 흡입구역(22)인 것이다.

환수구역(21)과 흡입구역(22)은 도 3과 같이 각각 3등분하여 구성할 수도 있으나 각각 4등분 또는 5등분하여 구성할 수도 있다. 다만, 펌프하우징(20)의 재질의 두께로 인해 많은 분할은 유통로의 협소로 이어져 바람직하지 않다. 또한, 부득이 환수관(6)을 펌프하우징(20)을 지나서 삽입 설치하게 되는 경우에는 환수관(6)이 삽입될 수 있도록 한 개 이상의 요홈을 구성하여 이 구역을 환수구역(21)으로 하고 다른 구역 전반을 흡입구역(22)할 수도 있음은 당연하다.

또한, 경제적인 펌프하우징(20)의 제작을 위해 알루미늄이나 합성수지 등 사출형태로 제품을 인발하여 제작되도록 할 필요가 있음은 산업화를 위해 필요성이 크다 하겠다.

도 2와 도 4에서 보이는 것처럼, 펌프하우징(20)의 상부에는 덮개(23)를 설치하며 고정볼트(25)로 결합하도록 하였다. 수중펌프(8)와 급수관(5)의 결합은 수중펌프(8) 상단에 토출관(26)을 덮개(23)의 수밀슬리브(24)구간을 관통하여 나사결합하고 급수관(5)과는 결합후렌지(27)를 이용하여 결합하거나 PVC나 PE 관등인 경우 나사소켓을 이용하거나 열융착등을 통해 결합할 수 있도록 하였다. 물론 펌프하우징(8) 내부의 지하수의 수밀성을 위하여 수밀슬리브(24)에는 O 링(28)을 토출관(26) 외부나 수밀슬리브(24) 내부면에 삽입하여 구성되도록 하였다. 물론 수밀슬리브(24) 없이 덮개(23)와 토출관(26)을 용접 결합하여 일체화 하여 수중펌프(8)의 설치와 분리를 행하도록 할 수도 있다.

또한, 펌프하우징(20) 내부에서 수중펌프(8)와 모터(9)의 하중과 가동 중 발생할 수 있는 진동을 받쳐주기 위해 받침턱(15)을 설치하거나 받침스프링(14)을 설치하도록 구성한다.

펌프하우징(20) 하부에는 하부흡입관(29)을 연장하여 구성하고 그 아래에 상부결합구(32)를 구성하였다. 또한, 흡입관(40) 상부에는 하부결합구(33)를 구성하여 상부결합구(32)와 하부결합구(33)가 결합됨으로써 결합아답터(30)의 구성이 완성될 수 있도록 하였다. 상부결합구(32)는 하방으로 갈수록 테이퍼지는 형태로 하되 외주면에 O 링(31) 또는 와셔형태의 연질의 필름판이나 고무판제재 등 실링재를 삽입하여 수밀성이 갖춰지도록 하였다. 하부결합구(33)는 상단에는 깔때기 형태의 모음구(34)를 구성하여 약간 상부결합구(22)가 삽입 중심방향이 어긋나더라도 삽입이 용이하도록 하였다. 물론 내측면은 약간 테이퍼진 형태를 유지하고 다듬질 마무리를 곱게 하여 결합 후 수밀성이 확보될 수 있도록 하였다.

물론, 수중펌프(8)가 가동될 때 토출압력을 튜브로 인가하여 상부결합구(22)에 팽창튜브(미도시)를 0 링(31) 대신에 삽입 설치하여 결합이 완료된 상태에서 수중펌프(8)가 가동될 때 팽창튜브가 팽창되어 수밀성이 확보될 수 있도록 할 수도 있다.

하부결합구(33)에는 브라켓(41)을 구성하고 당김줄(44)을 양쪽에 설치함으로써 흡입관(40)이 지열공(1) 바닥에 쌓인 토사슬라임(16)에 빠져 들어가 탈락되는 것을 방지하고 상부결합구(32)에 하부결합구(33)를 견인하여 결합 결속을 단단히 할 수 있도록 하였다. 결합아답터(30)는 상부결합구(32)와 하부결합구(33)의 구성 형태 외에 도 5에서와 같이 결합후렌지(27)를 사용하거나 PE관, PVC관의 경우에는 열융착 또는 소켓 등을 사용할 수도 있음은 당연하며 펌프하우징(20) 하부에 흡입관(40)을 연장하여 구성할 수 있도록 결합하는 모든 수단이 포함된 것으로 간주된다.

수중펌프(8)는 흡인력이 약한 특성으로 인해 환수관(6)을 통해 유입되는 순환지하수의 수량이 줄거나 지열공(1)의 함몰로 인해 흡입되는 지하수의 수량이 급감하게 될 경우 펌프하우징(20) 내부의 지하수 수위는 급격히 떨어지게 되어 수중펌프(8)와 모터(9) 사이에 형성된 흡입구까지 하강하게 되고 이러한 상태에서 계속 수중펌프(8)가 가동하게 될 경우 결국 수중펌프(8)의 모터(9)는 소손되어질 수밖에 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도 6에서 보이는 것처럼, 펌프하우징(20) 상부에 수위센서(50)를 설치하고 신호선(51)을 외부로 인출하여 콘트롤러에 연결하여 수중펌프(8)의 동작을 제어할 수 있도록 하였다. 환수관(6)을 통해 유입되는 순환지하수의 수량이 줄거나 지열공(1)의 함몰로 인해 흡입되는 지하수의 수량이 급감하게 되어 펌프하우징(20)의 수위가 떨어져 수위센서(50)에 도달하게 되면 즉시적으로 수중펌프(8)는 가동을 중지하고 원인조사를 한 이후 수동으로 복귀하여야만 정상가동이 될 수 있도록 한 것이다. 수위센서(50)는 펌프하우징(20) 덮개(23)에 설치하거나 도 7에서와 같이 별도의 신호 수위관(52)을 인출하고 신호 수위관(52) 내부나 외부에 수위 센서(50)를 설치하도록 할 수도 있다.

물론, 신호수위관(52)에는 첵크밸브(미도시)를 설치하여 펌프하우징(20) 상부에 체류되는 공기는 외부로 배출되도록 하여 에어포켓이 형성되지 않도록 하면서도 펌프하우징(20) 상부의 외부 지하수는 펌프하우징(20) 내부로 유입되지 않도록 하여 수중펌프(8)의 흡인력이 저하되지 않도록 할 필요도 있다.

또한, 비록 굴착직경이 작아 지반 구조적으로 함몰에 대한 안정성이 비교적 높게 확보되었다 할지라도 수중펌프(8) 설치 깊이까지는 일부 지열공(1) 내벽의 함몰이 발생할 경우 수중펌프(8)의 인양자체가 어려워 질수 있음으로 이를 예방하기 위해 수중펌프(8) 설치깊이까지는 지열공(1) 공벽과 근접될 수 있도록 외부케이싱(70)을 삽입 설치하도록 한다. 외부케이싱(70)은 오염방지를 위한 그라우팅용 케이싱을 연장하여 적용할 수도 있으며 별도의 케이싱을 삽입하여 구성할 수 있다. 물론 지질특성 상 함몰구간이 전 구간에 발생하는 등 지반구조가 취약한 경우에는 지열공(1) 전체 깊이에까지 외부케이싱(70)을 삽입하여 구성할 수도 있다. 이럴 경우에는 지하수 대수층이 발견되는 구간에는 통상의 유공관을 구성하여 열전달 및 열치환이 용이하게 할 필요가 있다.

한편, 흡입관(40)의 하부에는 흡입관(40) 하부가 쌓이는 토사슬라임(16)에 의해 폐색되는 것을 방지하기 위해 스트레이너관(43)을 결합 설치하며 흡입관(40) 재질이 비중이 낮은 PE관으로 구성되는 경우 하중을 증가시키기 위해 스텐레스 강관 등 금속관을 적용하게 할 수 있으며 비중을 증가시켜 지열공(1)내 흡입관(40) 설치를 용이하게 하기 위해 단위 길이당 비중계산을 통해 적정한 굵기의 철선과 이 철선을 고정하기 위한 밴드를 이용하여 PE관 외주면에 철선을 위치하게 한 후 고정밴드(60)로 고정하여 설치 운용할 수 있다.

참고로 당김줄(44)은 밀폐식 상부보호공(2) 내부에 고리(45)를 설치하여 고정하도록 한다. 물론 브라켓(41)에도 고리(45)를 구성함은 당연하다.

[실시예 2]

도 8 내지 도 10에서 보이는 것처럼, 본 실시예는, 펌프하우징(20) 외부에 외부하우징(80)을 추가로 설치한 것이며, 펌프 하우징(20) 내부와 외부에 흡입구역(22)과 환수구역(21)이 각각 형성되는 것은 실시예 1과 동일하지만, 외부측의 환수구역(21)이 외부하우징(80)에 의해 지열공(1)과 차단되도록 구성되는 점에서 차이가 있다.

또한, 본 실시예는 환수관(6)을 외부하우징(80)의 상하부에 결합하면서 토출부가 지열공(1)의 공저에 배치되도록 구성[저부에 토출부를 갖는 공저측 환수관(6-1)이 펌프하우징(20)의 저부에 연결되는 구성]하고 펌프하우징(20) 하부에 흡입관(40)을 짧게, 즉, 흡입관(40)의 흡입단이 지열공(1)의 공저와 환수관(6)의 토출부보다 높게 구성되는 점에서 실시예 1과 차이가 있다.

지열 열교환기(3)와 연결되는 환수관(6)은 펌프하우징(20)의 상부에 연결되고, 공저측 환수관(6-1)은 펌프하우징(20)의 저부에 연결되며, 이를 위하여 펌프하우징(20)의 상부와 하부에 상부 햇더(81)와 하부 햇더(82)를 구성하고, 지열 열교환기측의 환수관(6)을 상부 햇더(81), 공저측 환수관(6-1)을 하부 햇더(82)에 연결한다.

상부 햇더(81)와 하부 햇더(82)는 외부하우징(80) 내부의 환수구역(21)과 서로 통하는 통구조이다. 따라서, 지열 열교환기(3)측의 환수관(6)을 통해 환수되는 환수측 지하수는 상부 햇더(81)를 거쳐 다수의 환수구역(21)으로 나뉜 후 환수구역(21)을 따라 하강하고 하부햇더(82)에서 모아진 후 공저측 환수관(6-1)을 따라 하강하다가 지열공(1)의 공저에서 지열공(1)으로 토출된다.

본 실시예에서 상부햇더(81)와 하부햇더(82)는 필요에 따라 선택되어 적용될 수 있는 것이며, 외부하우징(80)의 상부와 하부를 덮개로 폐쇄하고 각각의 환수구역(21)과 연결되는 환수관(6,6-1)을 적용하는 것도 가능하다.

외부하우징(80)은 펌프하우징(20)과 일체형인 것과 조립형인 것 모두 가능하다. 조립형의 경우 판재로 구성되어 환수구역(21)을 덮는 형태, 원통형으로 구성되어 펌프하우징(20)의 둘레부에 결합되는 형태 등이 가능하다.

공저측 환수관(6-1)은 통상 작업 편의성과 경제적인 시공을 위해 고밀도폴리에칠렌(HDPE) 재질의 성형관을 사용하게 되며 재질의 특성상 비중이 물보다 낮아 부력이 존재하게 되어 지열공(1) 내 삽입이 곤란할 수 있으며 이를 해결하기 위하여 와이어(6-2)에 고정된 하중밴드(6-3)가 적정 간격으로 고정 설치될 수 있다.

또한, 도 12에서 보이는 것처럼, 지열공(1) 내부에 삽입되는 환수관(6),(6-1)은 경제적이고 빠른 작업성을 위해 롤형태로 감겨진 필름튜브관을 지열공(1)내에 투입하여 활용될 수도 있다. 필름튜브관은 폴리에칠렌 재질이거나 기계적 강도가 강한 다양한 재질을 이용하여 제조와 공급이 가능하다 하겠다. 물론, 투입과정에서의 설치편의성을 위해 하단에는 무게를 갖는 중량추나 강관재질로된 유공관을 연결하여 구성할 수도 있다. 운전과정에서 환수관(6) 내부에는 순환압력이 작용하게 되어 초기 접착된 필림튜브관은 확장되어 지하수의 순환이 정상적으로 이루어지게 된다.

흡입관(40)은 상부가 펌프 하우징(20)의 흡입구역(22)과 연통하면서 저부가 하부햇더(82)를 관통하여 하부햇더(82) 아래쪽에 배치되어 하부햇더(82) 아래쪽에서부터 지하수를 흡입한다.

펌프 하우징(20)의 하부햇더(82) 아래쪽에 구성되는 흡입관(40)의 하부에는 모래 등 이물질이 수중펌프(8)에 유입되는 것을 방지할 수 있도록 스트레이너(43)를 연결 구성하도록 하였다.

본 실시예에서 구체적으로 설명하지 않는 구성은 실시예 1과 동일하며 펌프하우징(20) 내부에 설치되는 수중펌프(8)를 가동시키기 위해 공급되는 전원동력케이블(미도시)과 기타 필요한 제어선(미도시)은 펌프하우징(20)에 수밀성있게 구성된 삽입구를 통해 설치되어 펌프하우징(20)의 통상적인 구성요소로 보며 이에 따라 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명을 생락하였다.

도 13과 도 14는 지열공(1) 내부에 지지케이싱(90)이 적용되는 예를 도시한 것이며, 지지케이싱(90)은 펌프하우징(20)의 저부{또는 펌프하우징(20)의 상부, 지열공(1)의 입구 등}에서부터 공저까지 설치되어 지열공(1)의 붕괴가 발생되어도 지열공(1)이 막히는 것을 막으며, 이러한 목적을 달성하면서도 지하수의 흐름을 간섭하지 않도록 지하수가 순환하도록 유통공(91)이 형성된다.

지지케이싱(90)은 지열공보다 작은 외경의 관이며, 상단부가 펌프하우징(20)의 저부 둘레부에 결합되어 단일 공정으로 설치되는 것, 펌프 하우징(20)과 별개의 단품으로 단독 시공되는 것 모두가 가능하다.

유통공(91)은 대수층과 대응하는 곳에만 형성되거나 전구역에 걸쳐 다단으로 형성될 수 있다.

1 : 지열공, 2 : 상부보호공
3 : 열교환기 4 : 그라우팅
5 : 급수관 6 : 환수관
8 : 수중펌프 10 : 스트레이너
20 : 펌프하우징 21 : 환수구역
22 : 흡입구역 30 : 결합아답터
40 : 흡입관 41 : 브라켓
43 : 스트레이너 44 : 당김줄
50 : 수위센서, 60 : 고정밴드
70 : 외부케이싱, 80 : 외부하우징
81 : 상부햇더, 82 : 하부햇더

Claims (21)

1. 지중에 굴착되는 지열공과;
   지하수와 열교환하는 열교환기와;
   상기 열교환기의 급수측과 연결되며 상기 지열공의 지하수를 상기 열교환기에 급수하는 급수관과;
   상기 열교환기의 환수측과 연결되어 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부로 환수하는 환수관과;
   상기 지열공 내부에 설치되면서 상기 급수관과 연결되어 지하수를 상기 급수관에 급수하는 수중펌프와;
   내부에 순환유로가 구비된 통구조로서, 내부에 상기 수중펌프가 설치되며 상기 환수관과 연통하는 환수구역 및 상기 급수관과 연통하는 흡입구역을 격리 형성하는 펌프하우징과;
   상기 펌프하우징에 연결되며 상기 지열공 내부의 지하수를 상기 펌프하우징의 흡입구역으로 흡입 급수하는 흡입관을 포함하고,
   상기 펌프 하우징은 상기 수중펌프가 설치되며 상기 급수관과 흡입관에 연결되는 흡입구역이 내부에 형성되는 한편 둘레부와 상기 지열공 사이에 상기 환수관과 연결되는 환수구역을 형성하되, 상기 흡입구역은 상기 지열공을 향해 돌출되는 하나 이상의 돌출부를 포함하되,
   상기 돌출부가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 2개 이상으로 형성되어 상기 돌출부들 사이에 환수구역이 형성되고, 상기 환수관이 상기 돌출부들 사이에 형성되는 상기 환수구역에 배치되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
2. 지중에 굴착되는 지열공과;
   지하수와 열교환하는 열교환기와;
   상기 열교환기의 급수측과 연결되며 상기 지열공의 지하수를 상기 열교환기에 급수하는 급수관과;
   상기 열교환기의 환수측과 연결되어 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부로 환수하는 환수관과;
   상기 지열공 내부에 설치되면서 상기 급수관과 연결되어 지하수를 상기 급수관에 급수하는 수중펌프와;
   내부에 순환유로가 구비된 통구조로서, 내부에 상기 수중펌프가 설치되며 상기 환수관과 연통하는 환수구역 및 상기 급수관과 연통하는 흡입구역을 격리 형성하는 펌프하우징과;
   상기 펌프하우징에 연결되며 상기 지열공 내부의 지하수를 상기 펌프하우징의 흡입구역으로 흡입 급수하는 흡입관을 포함하고,
   상기 펌프 하우징은 상기 수중펌프가 설치되며 상기 급수관과 흡입관에 연결되는 흡입구역이 내부에 형성되는 한편 둘레부와 상기 지열공 사이에 상기 환수관과 연결되는 환수구역을 형성하되, 상기 흡입구역은 상기 지열공을 향해 돌출 형성되어 상기 흡입구역을 확장하는 하나 이상의 돌출부, 상기 환수구역을 상기 지열공과 차단하며 상기 환수관과 연결되는 외부하우징을 포함하되,
   상기 돌출부가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 2개 이상으로 형성되어 상기 돌출부들 사이에 환수구역이 형성되고, 상기 환수관이 상기 돌출부들 사이에 형성되는 상기 환수구역에 배치되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지열공의 굴착직경은 100~200mm 이내인 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
4. 삭제
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펌프하우징은 상기 환수구역과 연통하는 환수관을 삽입할 수 있는 요홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
6. 청구항 1 또는 청구항2에 있어서,
   상기 펌프하우징(20)은 알루미늄 압출이나 합성수지 사출로 제작되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
7. 청구항 1 또는 청구항2에 있어서, 상기 흡입관하부에 형성되는 스트레이너를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펌프하우징은 상부에 덮개를 구성하여 수중펌프의 설치와 분리를 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
9. 청구항 2에 있어서, 상기 펌프하우징과 상기 외부하우징 상부 및 하부에 형성되는 상부햇더와 하부햇더를 포함하고, 상기 상부햇더와 하부햇더는 각각 상기 열교환기와 연결되는 환수관과 상기 지열공의 내부와 통하는 공저측 환수관이 연결되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
10. 청구항 2에 있어서, 상기 환수관은 롤형태로 감겨진 필름튜브관인 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펌프하우징 하부에는 형성되는 상부결합구, 상기 흡입관 상부에 형성되며 상기 상부 결합구와 결합되는 하부결합구로 이루어지는 결합아답터를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 펌프하우징 내부의 수위를 감지하는 수위센서, 상기 수위센서의 감지 값을 근거로 하여 상기 수중펌프의 가동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
13. 청구항 12에 있어서 상기 수위센서는 상기 펌프하우징의 내부와 통하도록 상부로 연장되는 신호 수위관의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
14. 청구항 11에 있어서, 상기 결합아답터는 결합후렌지 또는 연결소켓 또는 열융착으로 된 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 흡입관 또는 상기 환수관은 당김줄을 설치하여 당김줄에 의해 견인되어 조립 및 지지되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 흡입관 또는 환수관은 철선과 고정밴드를 흡입관 외주면에 고정하여 부력을 감쇄하도록 한 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지열공 내부에 설치되어 상기 지열공의 함몰을 예방하는 외부케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 외부케이싱은 수중펌프 설치깊이까지 지열공 공벽과 근접되도록 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
19. 청구항 17에 있어서,
    상기 외부케이싱은 지열공 전체 깊이까지 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
20. 청구항 19에 있어서,
    상기 외부케이싱은 지하수대수층 구간에는 유공관이 형성되는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.
21. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지열공의 내부에 설치되는 지지케이싱(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템.

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