KR101714021B1 - 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지하수의 순환장애를 감지하고 지열 시스템의 장애가 발생되기 이전에 순환장애(폐색을 원인)를 경보하여 신속한 청소가 가능하도록 함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지열공의 내부에 설치되어 내부의 급수측 경로와 외부의 환수측 유로를 구획하며 저부에 하나 이상의 순환공이 구비된 내부 케이싱(1)의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 환수측 지하수의 온도를 감지하는 제1온도센서(10)와 급수측 지하수의 온도를 감지하는 제2온도센서(20)와; 상기 제1,2온도센서에 의해 감지된 환수측 온도와 급수측 온도를 근거로 하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이를 산출하고 이 산출 값과 기준 값을 비교하여 지하수의 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30)와; 상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지열공의 내부에 설치되어 내부의 급수측 경로와 외부의 환수측 유로를 구획하며 저부에 하나 이상의 순환공이 구비된 내부 케이싱(1)의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 환수측 지하수의 온도를 감지하는 제1온도센서(10)와 급수측 지하수의 온도를 감지하는 제2온도센서(20)와; 지열공의 내부에 설치되어 내부의 급수측 경로와 외부의 환수측 유로를 구획하며 저부에 하나 이상의 순환공이 구비된 내부 케이싱(1)의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 환수측 지하수의 수위를 감지하는 제1수위센서(60)와 급수측 지하수의 수위를 감지하는 제2수위센서(70)와; 상기 제1,2온도센서에 의해 감지된 환수측 온도와 급수측 온도를 근거로 하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이를 산출하고 산출된 온도 차이값을 기준 값을 비교하여 지하수의 순환장애를 판단하거나, 상기 제1,2수위센서에 의해 감지된 환수측 지하수의 수위 변화와 급수측 지하수의 수위 변화를 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하거나 산출된 온도 차이값과 환수측 지하수의 수위 변화와 급수측 지하수의 수위 변화가 동시에 만족하는 경우 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30)와; 상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치{APPARATUS FOR SENSE AND ALARM BLOCKING OF OPEN TYPE WELL}

본 발명은 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수의 순환경로(내부 케이싱의 순환공)의 폐색을 감지 및 경보하여 신속한 사후관리가 가능하고 특히 다수의 지열공을 함께 운용하는 경우 각각의 지열공의 폐색의 감지 및 경보가 가능하여 지열 시스템의 운용성을 향상할 수 있는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 예를 들어 지표하부를 100미터이상 500미터 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 PE 파이프를 설치하거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 순환지하수 순환용 수중펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수하고 지하수가 갖고 있는 열을 열교환기나 히트펌프를 사용하여 지하수의 열을 회수한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15도씨 내지 18도씨의 온도를 연중 유지하고 있게 되어 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 열교환기를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4도씨인 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.

지하수 지열공을 이용한 지열 지중 열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 고밀도폴리에칠렌관을 U튜브를 이용하여 수직으로 2개관 이상을 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.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 특히 개방형의 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 수밖에 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. 더구나 토사층과 풍화암층에 정상적인 오염방지시설인 차수벽이 구성되지 않을 경우 토사류의 혼입에 의해 지열 지중열교환기 바닥에 토사슬라임이 퇴적되어 쌓여지는 문제가 있었다. 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 지열공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 순환용 수중펌프와 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 순환용 수중펌프로 흡입되어 양수파이프를 통해 열교환시스템 내부를 순환하게 된다. 순환되는 열교환용 지하수 내부에 혼입된 기포는 일차적으로 고속으로 회전하면서 지하수를 양수하는 순환지하수 순환용 수중펌프의 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 환수된 지하수가 내부케이싱 안쪽으로 이동할 수 있도록 지열공 하단에 배치한 내부 케이싱의 개공부를 폐색시키거나 순환지하수 순환용 수중펌프의 임펠라 침식과 순환배관과 히트펌프에 모래가 침적되어 지하수의 소통을 저해하게 되어 정상적인 시스템 운용에 장애가 되는 문제가 있었다.

한편, 일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이 대체적으로 300~500m깊이로 굴착된 지열공 안쪽에 125~150mm 직경의 PVC 파이프로 제작된 내부케이싱이 연결소켓에 의해 연장되어지면서 바닥까지 설치되어 진다.

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

종래 개방형 지열 지중열교환기의 경우 지열 굴착공 바닥에 쌓이는 토사슬러리(지열공 벽면에서 떨어지는 토사슬러리, 함몰 등에 의한 토사슬러리 등)로 인해 저부에 집중적으로 배치된 순환공(스트레이너 등도 포함)이 폐색되어 순환지하수의 순환량이 급감됨에 따라 지열 시스템에 장애가 발생되는 문제점이 있다.

한편, 지열 지중열교환 장치는 다수의 지열공을 함께 운용하고 있으며, 다수의 지열공을 운용하는 과정에서 전체 지열공에서 동일하게 폐색이 발생되지 않고 일부 지열공에서만 폐색이 발생될 수 있으며, 이와 같이 일부 지열공에서만 폐색이 발생되어도 지열 시스템 전체에 영향을 주기 때문에 커다란 장애가 발생되는 문제점이 있다.

예를 들어 순환지하수가 순환되는 구간이 폐색되는 경우 순환용 수중펌프에 의해 공급되는 순환지하수가 일정하고 환수되어 순환용 수중펌프가 설치된 내부케이싱 안쪽으로 유입되는 순환지하수가 급감됨으로 순환용 수중펌프가 가동되면 급격히 지하수의 수위가 낮아지게 되어 결국 순환용 수중펌프가 노출 지하수면 상부로 노출된 상태에서 운전되어지게 되며 모터의 과열로 인해 PVC재질로 된 내부케이싱의 과열 열화가 발생되어 지열공 차체를 함몰시키는 사고로 이어지게 된다.

한편, 환수관을 매몰하지 않고 지표면 근처에서 내부케이싱 안쪽과 바깥쪽이 개방된 시설인 경우 순환지하수의 순환구간이 폐색된 상태에서 운전이 지속되면 환수관으로 유입된 순환지하수가 환수구간에서 내부케이싱을 넘쳐흘러 내부케이싱 안쪽으로 상부에서 유입되어져 지열공 내부에서 지하수위는 정상적으로 유지되어진다 할지라도 결과적으로 지열 지중열교환기에서 열교환이 이루어지지 않은 상태에서 순환되어져 해당 지열공의 급수측 온도와 환수측온도의 차이는 다른 지열공에 비해 현저히 온도차가 없는 상태로 운전이 이루어져 지열 시스템 전체의 운전효율에 나쁜 영향을 미치게 된다.

물론, 개방형 지중 열교환기의 운용 중에 토사슬러리에 의한 폐색을 이미 알고 있기 때문에 토사슬러리를 지열공에서 제거하고 폐색된 순환공을 초기화하는 청소작업을 수행하고 있으나 청소작업이 일정한 주기로 이루어지기 때문에 폐색으로부터 오랜 시간이 경과한 후에 청소작업을 할 수 있으며 즉 지열 시스템의 장애가 발생된 이후에 청소작업을 하는 것이므로 현실적이지 못하다. 또한, 단순히 정기적인 바닥청소를 진행하게 되는 경우 다수의 지열공이 존재할 때 토사슬라임이 과도히 쌓여 있는 지열공이 있는 반면 청소가 필요없는 지열공도 있을 수 있어서 단순히 청소 주기에 맞춰 일괄 청소를 진행하게 될 경우 지나친 비용지출이 발생되어지는 문제가 있다.

특허문헌 1(등록특허 제10-1004130호)는 관정 내부의 수위를 감지하고 이를 근거로 펌프의 작동을 제어하는 것으로서 지하수 순환을 제어하는 것일 뿐이며 폐색으로 인한 순환장애의 확인이 불가능하며 즉 지하수 순환장애의 원인을 해결하지 못하여 근본적인 대책을 필요로 한다.

등록특허 제10-1004130호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하수의 순환장애를 감지하고 지열 시스템의 장애가 발생되기 이전에 순환장애(폐색을 원인)를 경보하여 신속한 유지보수가 가능하도록 한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지열공의 급수측 경로와 환수측 경로에 설치되어 급수측과 환수측 지하수의 온도를 감지하는 제1온도센서와 급수측 지하수의 온도를 감지하는 제2온도센서와; 상기 제1,2온도센서에 의해 감지된 환수측 온도와 급수측 온도를 근거로 하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이를 산출하고 이 산출 값과 기준 값을 비교하여 지하수의 순환장애를 판단하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지열공의 환수측 경로와 급수측 경로 중 일측 이상에 설치되어 지하수의 수위를 감지하는 수위센서와; 상기 수위센서에 의해 감지되는 급수측 지하수의 수위 변화와 환수측 지하수의 수위 변화 중 하나 이상을 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 제1,2온도센서와 수위센서가 함께 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 지열공의 급수측 경로와 환수측 경로는 하나 이상의 순환공이 구비된 내부 케이싱에 의해 구획되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치에 의하면, 토사슬러리에 의해 내부 케이싱이 막혀가는 지열공에 대한 적정한 사후관리써징을 하여야 하는 시기를 지열공마다 적정하게 확인하여 운영할 수 있으며 함몰 등으로 인한 폐색이 발생된 지열공을 정확히 확인하여 폐색구간 시설보수나 모래 등 토사슬라임을 제거하는 등을 시행할 수 있으므로 지열 시스템의 안정적이고 경제적인 운용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치가 다수의 지열공을 운용하는 지열 시스템에 적용되는 경우 경보기를 표시하는 디스플레이패널의 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치의 작용을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치의 구성도.
도 6은 본 발명에 의한 환수관이 저부까지 설치된 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치의 구성도.

<실시예 1>

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 지하수의 환수측 경로에 설치되는 제1온도센서(10), 지하수의 급수측 경로에 설치되는 제2온도센서(20), 제1,2온도센서(10,20)에 의해 각각 감지된 온도를 근거로 하여 내부 케이싱(1)의 폐색을 판단하는 컨트롤러(30), 컨트롤러(30)에 의해 경보를 작동하는 경보기(40)로 구성된다.

제1온도센서(10)는 환수관(2)을 통해 지열공(3)의 환수측 경로에 설치되어 환수관(2)을 통해 환수측 경로에 환수된 환수측 지하수의 온도를 감지한다.

제2온도센서(20)는 내부 케이싱(1)의 순환공을 통해 상기 환수측 경로로부터 유입된 후 순환용 수중펌프(4)를 통해 펌핑되는 급수측 지하수의 온도를 감지한다.

제1온도센서(10)와 제2온도센서(20)는 환수측 경로와 급수측 경로의 어디에든 설치 가능하며, 예를 들어 급수관(5) 내부, 또는 환수관(2) 내부에 제1온도센서(10)와 제2온도센서(20)를 각각 설치하여 운용할 수 있음은 물론이며 이 경우에는 상부보호공 내부 또는 인접한 맨홀에 콘트롤러 설치가 용이한 편리성이 있다 하겠다. 또한 내부 케이싱(1)의 외부와 내부에 서로 다른 높이로 설치되면 시공이 용이한 이점이 있고 또한 지열공(3)의 함몰로 인한 이탈과 파손을 방지하는 이점도 있다.

제1,2온도센서(10,20)는 일정 시간을 주기로 하여 주기적으로 환수측 지하수와 급수측 지하수의 온도를 감지한다.

지하수는 환수관(2)을 통해 환수측 경로에 유입된 후 지열공(3)의 공저쪽[내부 케이싱(1)의 순환공쪽]으로 내려가면서 열교환을 하여 온도가 변화되며 이어서 상기 순환공을 통해 내부 케이싱(1) 내부에 유입된 후 순환용 수중펌프(4)에 의해 펌핑된 후 급수관(5)을 통해 급수되는 것이다. 따라서 지하수가 정상적인 순환을 한다면 환수측 온도와 급수측 온도에는 온도차가 발생되며 본 실시예는 이 온도차를 이용하여 폐색 등으로 인한 순환장애를 감지하는 것이다.

물론 도 6에서와 같이 일부 설치형태가 변형된 개방형 지열 지중열교환기처럼 내부케이싱(1)의 설치를 생략하고 환수관(2)을 지열공(3) 공저부까지 내려 설치하고 순환용 수중펌프(4)와 급수관(5)을 연결하도록 하는 구성에서도 제1온도센서(10)와 제2온도센서(20)를 설치하여 동일한 효과를 구현할 수 있는 것은 당연하다 하겠다.

즉, 토사 슬러리가 지열공(3) 바닥에 쌓일 경우 지열공(3) 저부에 까지 내려 설치한 환수관(2)의 하단이 토사슬러리에 묻히게 되어 결과적으로 순환 지하수의 수량이 감소하게 된다. 환수관(2)이 묻히는 깊이의 정도가 작은 경우에는 순환에 큰 지장이 발생되지 않으나 묻히는 정도가 깊어질수록 순환장애가 발생되어지게 되며 이때 순환용 수중펌프(4)의 용량은 변화가 없으므로 지하수 유입량이 큰 지하수 대수층이 존재하지 않는 한 지하수의 수위는 하강하게 되며 자연히 수온변화도 뒤따르게 된다. 이러한 수온변화 또는 지하수 수위변화 또는 이들의 병합된 데이터의 변화를 측정 연산하여 토사슬러리에 의한 환수관 폐색을 사전에 예방할 수 있게 된다.

컨트롤러(30)는 제1,2온도센서(10,20)에서 각각 감지한 온도를 산술하여 온도차이를 구하고 이 결과값을 근거로 하여 경보기의 작동을 제어한다.

예를 들어 온도차이가 4℃ 초과이면 정상, 2~3℃이면 예보, 2℃이하이면 위험으로 구분하고 이에 따라 경보기를 작동한다.

즉, 환수관(2)측의 내부케이싱(1)과 지열공(3) 공벽사이가 토사슬러리에 의해 폐색되는 경우 환수관(2)을 통해 유입되는 순환 지하수는 내부케이싱(1) 상단을 통해 일류되어 내부케이싱(1) 안쪽으로 흘러들어오게 된다. 이렇게 되면 순환용 수중펌프(4)가 가동되는 동안 지하수 수위는 크게 변화하지 않는다 할지라도 열순환이 이루어지지 않는 순환지하수의 온도는 환수측 온도와 점점 근접하게 변화하게 되어 온도차이가 점차 작아지게 되는 것이며 이러한 과정에서 상기의 설정 온도차에 의한 경보시스템의 구축이 가능한 것이다.

온도 측정에 의한 폐색여부를 판단하는 또 다른 운전사례의 경우를 들면,

환수관(2)측의 내부케이싱(1)과 지열공(3) 공벽사이가 토사슬러리에 의해 폐색되는 경우 환수관(2)을 통해 유입되는 순환 지하수의 순환량이 급감하게 되면 환수관(2)을 통해 유입되는 순환 지하수의 온도는 크게 변화가 없거나 시스템을 구성한 지열공(3)의 숫자가 적을 경우 동일 부하에서 환수되는 지하수의 온도는 지속적으로 하절기 운전시에는 상승, 동절기 운전에서는 하강하게 될 것이며 순환용 수중펌프(4) 에 의해 공급되는 순환지하수의 온도는 지하수 순환량은 감소하는 반면 지열 지중열교환기의 용량은 변화가 없음으로 인해 하절기 운전시에는 점차 하강, 동절기 운전에서는 점차 상승하는 방향으로 움직여지게 된다. 따라서 이러한 온도변화를 측정하고 적정한 온도범위를 설정하여 운용함으로써 경보시스템의 구축이 가능한 것이다.

컨트롤러(30)는 제1,2온도센서(10,20)와 유선, 무선 통신을 통해 연결되고, 지열 열교환기 또는 원거리의 통제실 등에 설치 가능하다.

경보기(40)는 컨트롤러(30)의 제어를 받아 구동하며 경보음을 출력하는 방식, 경보등(점멸등)을 점등하는 방식, 경보음과 경보등의 혼합방식, 경보내용을 상황실근무자의 휴대폰으로 문자로 송신하는 등 다양한 방식이 가능하고, 전술한 것처럼, 컨트롤러(30)에 의해 3단계로 구분되는 경우 정상은 파란색 경보등, 예보는 노란색 경보등, 위험은 붉은색 경보등을 표시할 수 있고, 경보음의 경우 예보 단계 또는 위험 단계에서 경보음을 출력할 수 있다.

경보기(40)에서 경보등은 디스플레이패널을 통해 관리실 등에 설치될 수 있고, 스피커는 관리실, 지열공 현장 등 다양한 곳에 1개 이상이 설치 가능하다.

본 실시예는 지하수의 유입 등을 통해 지하수의 양에는 문제가 없지만 순환장애로 인하여 열교환이 이루어지지 못한 경우 효과적으로 사용된다.

본 실시예에 따르면, 순환용 수중펌프(4)의 가동에 의해 내부 케이싱(1) 내부의 지하수가 순환용 수중펌프(4)에 흡입되어 급수관(5)에 급수된다. 급수측 지하수는 지열 열교환기를 순환하면서 열매체와 열교환 된 후 환수관(2)을 통해 지열공(3)의 환수측 경로에 복귀된다. 환수관(2)에서 토출된 환수측 지하수는 내부 케이싱(1)의 순환공을 향해 내려가면서 지반과 열교환하고 이어서 내부 케이싱(1)의 순환공을 통해 내부 케이싱(1) 내부에 유입된 후 순환용 수중펌프(4)에 의해 흡입 펌핑되며 이러한 과정을 통해 지하수가 순환한다.

제1온도센서(10)는 환수관(2)에서 토출된 환수측 지하수의 온도를 감지하고, 제2온도센서(20)는 내부 케이싱(1) 내부에 유입되어 순환용 수중펌프(4)에 펌핑되는 급수측 지하수의 온도를 감지한다.

컨트롤러(30)는 제1,2온도센서(10,20)에서 각각 감지한 온도 값을 근거로 하여 순환장애를 판단 및 경보기(40)의 작동을 제어하며 감산 - 비교 판단 - 제어의 공정으로 이루어진다.

1. 감산.

컨트롤러(30)는 제1,2온도센서(10,20)에서 각각 감지한 온도를 입력받아 온도차이를 구하기 위해 감산하며 제1온도 값[제1온도센서(10)에서 감지한 온도 값]에서 제2온도 값[제2온도센서(10)에서 감지한 온도 값]을 감산하여 온도 차이값을 구한다.

2. 비교 판단.

현재 입력된 온도 차이값과 기준값(사용자의 설정에 따라 달라지며 전술한 3단계를 예로 들어 설명함)을 비교한다. 예를 들어 현재 입력된 온도 차이값이 2℃이면 위험단계에 포함되므로 위험단계로 판단한다.

3. 제어.

컨트롤러(30)는 위험단계에 맞도록 경보기(40)의 작동을 제어하며, 예를 들어 붉은색 경보등이 점등(또는 점멸)되도록 한다.

관리자는 경보기(40)의 작동을 통해 지하수의 순환장애를 확인하며 위험단계이므로 신속한 보수 작업 등을 실시한다.

한편, 다수의 지열공이 함께 사용되는 경우 각각의 지열공 마다 순환장애가 다르게 일어나므로 각각의 지열공을 구분하여 관리하여야 하며 각각의 지열공과 이에 설치되는 제1,2온도센서(10,20) 및 경보기(40)에 고유 어드레스를 부여하여 관리한다.

도 2는 디스플레이패널(50)의 예를 도시한 것으로, 3개의 지열공(3-1,3-2,3-3)을 함께 운용하는 경우 3개의 경보기(40-1,40-2,40-3)가 갖추어지며, 관리자는 3개의 지열공으로 이동하지 않고 관리실에서 디스플레이패널(50)의 3개의 경보기(40-1,40-2,40-3)만을 육안 확인하여도 각 지열공의 순환상태를 확인할 수 있다.

<실시예 2>

도 3에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치, 순환장애로 인한 수위의 저하를 원인으로 하는 폐색을 감지 및 경보하는 것이며, 급수측 지하수의 수위를 감지하는 제1수위센서(60), 환수측 지하수의 수위를 감지하는 제2수위센서(70), 제1,2수위센서(60,70)에 의해 각각 감지된 제1,2수위를 근거로 하여 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30), 컨트롤러(30)의 제어를 받아 작동하는 경보기(40)로 구성된다.

제1수위센서(60)(압력센서 등)는 내부 케이싱(1)의 안쪽 면(급수측)에 설치되며 설치된 곳에서 지하수의 유무만을 감지하는 것도 가능하지만 급수측 지하수의 수위변화를 감지하도록 2개 이상이 일정 높이차를 두고 설치되는 구성이다.

또한 제2수위센서(70)만 설치되어 수위의 증가를 통해 순환장애를 확인할 수도 있지만 좀 더 정확하고 신뢰성 있는 판단을 위하여 제1,2수위센서(60,70)가 함께 사용되는 것이다.

제2수위센서(70)는 내부 케이싱(1)의 바깥쪽 면(환수측)에 설치되며 제1수위센서(60)와 마찬가지로 환수측 지하수의 수위변화를 감지하도록 2개 이상이 일정 높이차를 두고 설치되는 구성이다.

순환용 수중펌프(4)의 가동 제어만을 고려한다면 제1수위센서(60)만 설치되어도 지하수의 감소를 감지하여 순환용 수중펌프(4)의 가동을 정지할 수 있지만, 폐색으로 인한 순환장애를 함께 확인할 수 있도록 제2수위센서(70)가 적용되는 것이다.

지중 공동의 발생으로 인하여 급수측과 환수측 지하수가 지열공(3)에서 밖으로 손실되면 지하수가 감소되며, 한편 지중 공동이 발생되지 않은 상태에서 내부 케이싱(1)이 폐색되는 경우 환수측 지하수의 수위는 높아지지만 급수측 지하수의 수위는 낮아지게 되고 이를 측정할 수 있도록 하기 위해 본 실시예는 폐색으로 인한 순환장애도 확인 가능하도록 제2수위센서(70)가 함께 사용된다.

물론, 제1,2수위센서(60,70)를 함께 사용함으로써 지중 공동 또는 지하수의 고갈의 진행으로 인한 지하수의 감소도 확인 가능하다.

수위차 측정에 의한 폐색여부를 판단하는 운전사례의 경우를 들면,

환수관(2)측의 내부케이싱(1)과 지열공(3) 공벽사이가 토사슬러리에 의해 폐색되는 경우 환수관(2)을 통해 유입되는 순환 지하수의 수량이 급감하게 되면 환수측 지하수 수위는 상승하게 되고 순환용 수중펌프(4)가 설치된 내부케이싱(1) 안쪽의 지하수 수위는 하강되어지게 되며 시간이 경과할수록 양 구간의 수위차이는 크게 벌어져 가게 된다. 따라서 이러한 수위차이의 변화를 측정 운용함으로써 경보시스템의 구축이 가능한 것이다.

컨트롤러(30)는 제1수위센서(60)에 의해 감지되는 수위변화와 제2수위센서(70)에 의해 감지되는 수위변화를 근거로 하여 폐색으로 인한 순환장애를 판단하며 제1수위 값[제1수위센서(60)에 의해 감지되는 수위변화 값]은 낮아지는 한편 제2수위 값[제2수위센서(70)에 의해 감지되는 수위변화 값]은 높아지는 경우 폐색으로 인한 순환장애로 판단한다.

도 4에서 보이는 것처럼, 제1,2수위센서(60,70) 모두 3개씩의 단위 수위센서(61,62,63)(71,72,73)로 구성된 경우 제1수위센서(60)에서 위쪽의 제1-1수위센서(61)에서 감지하다가 아래쪽의 제1-2 또는 제1-3수위센서(62,63)가 감지하는 경우 급수측 지하수의 수위가 낮아진 것으로 판단하고, 제2수위센서(70)에서 아래쪽의 제2-1수위센서(71)에서 감지하다가 위쪽의 제2-2 또는 제2-3수위센서(72,73)에서 감지하면 환수측 지하수의 수위가 높아진 것으로 판단한다.

컨트롤러(30)에 의해 내부 케이싱(1)의 폐색으로 인한 순환장애가 판단되면 경보기(40)를 작동한다.

본 실시예는 제1,2수위센서(60,70)를 구성하는 단위 수위센서의 수량을 다수개로 하여 지하수의 수위 변화를 다수의 단계로 구분하여 관리할 수 있다.

제1,2수위세서(60,70)에 의해 급수측과 환수측 지하수 모두가 감소한 것으로 판단되면 지중 공동 등의 발생으로 인한 지하수 고갈에 의한 것으로 판단한다.

경보기(40)는 전술한 실시예 1의 경보기(40)와 동일하게 구성된다. 단 본 실시예는 폐색으로 인한 순환장애와 함께 지하수 고갈로 인한 지하수의 감소도 확인 가능하므로 경보기는 순환장애로 인한 경보기와 지하수 고갈로로 인한 경보기로 구분되는 것이 바람직하다.

내부 케이싱(1)이 적용되지 않는 경우 환수관(2)을 공저에 배치하고 순환용 수중펌프(4)를 환수관(2)의 토출단보다 높게 배치함으로써 환수된 지하수가 순환용 수중펌프(4)로 상승하면서 열교환이 이루어지며, 이 경우 지열공(3)이 환수측 경로와 급수측 경로로 구분되지 않아 하위 레벨센서(61)와 상위 레벨센서(71)가 높이차를 두고 적용된다. 전술한 것처럼 환수관(2)이 지열공(3)의 공저에 배치됨에 따라 함몰 등으로 인하여 환수관(2)이 막힘으로 인하여 환수량이 감소하고 순환용 수중펌프(4)의 가동율이 변화가 없는 상태에서 지하수의 양이 감소됨으로써 폐색으로 인한 지하수의 감소를 확인할 수 있다. 물론 하나의 레벨센서만으로도 가능하다.

<실시예 3>

도 5에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치는, 실시예 1과 실시예 2을 병합한 것이며, 제1,2온도센서(10,20)와 제1,2수위센서(60,70)가 설치되며, 컨트롤러(30)는 제1,2온도센서(10,20)에 의한 감지 값을 근거로 하는 온도 차이와 제1,2수위센서(60,70)의 감지에 의한 수위변화를 근거로 하여 경보기(40)를 작동한다.

컨트롤러(30)는 실시예 1과 실시예 2를 상호 보완할 수 있으며, 온도 차이와 수위 변화 중에서 어느 하나만이라도 폐색으로 인한 순환장애로 판단되면 경보기(40)를 가동하도록 제어한다.

물론, 온도 차이와 수위 변화의 2가지 값이 동시에 만족하는 경우에도 폐색으로 인한 순환장애로 판단하여 경보기(40)를 제어한다.

1 : 내부 케이싱, 2 : 환수관
3 : 지열공, 4 : 순환용 수중 펌프
5 : 급수관, 10,20 : 제1,2온도센서,
30 : 컨트롤러, 40 : 경보기
50 : 디스플레이패널, 60,70 : 제1,2수위센서

Claims (9)

1. 지하수의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 환수측 지하수의 온도를 감지하는 제1온도센서(10)와 급수측 지하수의 온도를 감지하는 제2온도센서(20)와;
   상기 제1,2온도센서에 의해 감지된 환수측 온도와 급수측 온도를 근거로 하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이를 산출하고 산출된 온도 차이값을 기준 값을 비교하여 지하수의 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30)와;
   상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
2. 지열공에 설치되어 지하수의 수위를 감지하는 수위센서와;
   상기 수위센서에 의해 감지되는 지하수의 수위를 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30)와;
   상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기(40)를 포함하고,
   상기 수위센서는 상기 지열공의 환수측 경로에 설치되어 환수측 지하수의 수위를 감지하는 제1수위센서(60)와 상기 지열공의 급수측 경로에 설치되어 급수측 지하수의 수위를 감지하는 제2수위센서(70)로 이루어지고,
   상기 컨트롤러는 상기 제1,2수위센서에 의해 감지된 환수측 지하수의 수위 변화와 급수측 지하수의 수위 변화를 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하여 상기 경보기를 제어하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
3. 지하수의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 환수측의 온도를 감지하는 제1온도센서(10)와 급수측 지하수의 온도를 감지하는 제2온도센서(20)와;
   지열공의 환수측 경로와 급수측 경로에 각각 설치되어 지하수의 수위를 감지하는 수위센서와;
   상기 제1,2온도센서에 의해 감지된 환수측 온도와 급수측 온도를 근거로 하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이를 산출하고 산출된 온도 차이값을 기준 값을 비교하여 지하수의 순환장애를 판단하거나, 상기 수위센서에 의해 감지된 지하수의 수위 변화를 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하거나 산출된 온도 차이값과 지하수의 수위 변화가 동시에 만족하는 경우 순환장애를 판단하는 컨트롤러(30)와;
   상기 컨트롤러의 제어를 통해 순환장애시 경보를 출력하는 경보기(40)를 포함하고,
   상기 수위센서는 환수측 경로에 설치되어 환수측 지하수의 수위를 감지하는 제1수위센서(60)와 급수측 경로의 급수측 지하수의 수위를 감지하는 제2수위센서(70)로 이루어지고,
   상기 컨트롤러는 상기 제1,2수위센서에 의해 감지된 환수측 지하수의 수위 변화와 급수측 지하수의 수위 변화를 근거로 하여 지하수의 순환장애를 판단하여 상기 경보기를 제어하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는 기준값을 다단계로 분할하여 환수측 지하수의 온도와 급수측 지하수의 온도 차이로 산출한 산출 값을 근거로 하여 상기 경보기를 단계별로 작동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
5. 삭제
6. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 제1,2수위센서에 의해 감지된 값을 근거로 하여 급수측 지하수와 환수측 지하수의 양이 함께 낮아지면 지하수 고갈로 판단하고, 상기 급수측 지하수의 수위는 낮아지는 한편 환수측 지하수의 수위가 높아지면 순환장애로 판단하여 상기 경보기의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지열공의 환수측 경로와 급수측 경로는 하나 이상의 순환공을 갖는 내부 케이싱에 의해 형성되거나 환수관을 상기 지열공의 공저에 배치하는 한편 순환용 수중펌프를 상기 환수관보다 높게 배치함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
8. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 제1,2수위센서는 압력센서인 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지열공은 다수개가 하나의 지열 열교환기에 연결되어 사용되고, 상기 경보기는 상기 지열공에 맞춰 다수개가 구성되어 상기 다수의 지열공의 순환장애를 독립적으로 경보하는 것을 특징으로 하는 개방형 지열공의 순환 폐색 감지 및 경보 장치.

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