KR101722231B1

KR101722231B1 - 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치

Info

Publication number: KR101722231B1
Application number: KR1020140155594A
Authority: KR
Inventors: 조희남; 조은섭
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2017-03-31
Also published as: KR20150101912A

Abstract

본 발명은 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치에 관한 것으로, 지하수의 수온과 수량을 실시간으로 정확하게 측정 및 연산하여 다수의 지열공을 함께 운용하는 경우 각 지열공 마다의 운용 열부하 용량을 산출하여 산출된 각 열부하 용량에 맞는 운전이 가능하도록 함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치는, 지열공 내부에 설치되어 상기 지열공 내부의 급수측의 수위를 감지하는 수위센서(30S)와; 상기 지열공 내부의 급수측 지하수를 열교환수단에 급수하는 급수계통에 설치되어 상기 급수계통을 따라 급수방향으로 흐르는 급수측 지하수의 온도 및 급수량을 각각 감지하는 급수측 온도센서(40S) 및 급수측 수량계(50S)와; 상기 열교환수단을 통과한 환수측 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수계통에 설치되어 상기 환수계통을 따라 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 온도 및 환수량을 각각 감지하는 환수측 온도센서(40R) 및 환수측 수량계(50R)와; 상기 급수측 수량계와 환수측 수량계 그리고 급수측 온도센서와 환수측 온도센서의 감지값을 근거로 하여 하기의 식에 의해 순환열량을 산출하는 컨트롤러(60)와;
Q = WCΔt
[Q : 순환열량, W : 지하수 양(급수측 또는 환수측 양), C : 지하수 비열, Δt : t1(급수측 지하수 온도) - t2(환수측 지하수 온도)]
상기 컨트롤러에 의해 산출된 순환열량을 포함하는 지하수 정보를 유/무선 통신에 의해 중앙 통제실에 전송하는 통신모듈을 포함하여 구성된다.

Description

지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치{APPARATUS FOR SENSING UNDER GROUND WATER DATA OF GEOTHERMAL SYSTEM}

본 발명은 지열시스템에서 운용되는 수자원인 지하수의 데이터 취득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수의 수온과 수량을 실시간으로 정확하게 측정 및 연산하여 다수의 지열공을 함께 운용하는 경우 각 지열공 마다의 운용 열부하 용량을 산출할 수 있도록 한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 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 지하수 심정펌프와 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.

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 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. 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 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.

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.

일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이 대체적으로 300~500m깊이로 굴착된 지열공 안쪽에 125~125mm 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.

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 자갈로 이루어진 충진재가 채워지게 되며 그 안쪽에는 환수 분배관이 묻힌 상태로 설치되어지게 된다.

도면을 참고하여 종래 지중 열교환 시스템에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 1과 도 2에서 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 급수펌프(3)와 급수관(4)[양수관(3a)을 통해 급수펌프(3)와 연결될 수도 있음], 급수관(4)에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(5), 히트펌프(5)를 통과한 지하수를 지열공(1)에 환수하는 환수관(6)으로 구성된다.

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

개방형 지열 지중열교환기의 지표 상부층에는 밀폐식 상부보호공(7)을 설치하여 지표수 유입에 따른 지하수수질오염을 예방하고 있다. 상부보호공(7)은 환수관(6)의 설치를 위하여 내부케이싱(2)의 외부에 설치되는 외부 케이싱의 상부에 관이음(플랜지 이음)될 수 있다.

한편 지열공(1)의 지표면에서부터 토사구간까지는 그라우팅에 의한 차수벽(8)이 형성될 수 있다. 차수벽(8)은 그라우팅 케이싱(8a)과 흙막이 케이싱(8b)의 사이에 그라우팅제재가 충진됨으로써 구성될 수 있고, 이 경우 그라우팅 케이싱(8a)은 상단부가 밀폐식 상부보호공(7)과 관이음될 수 있다.

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.

종래 지열 밀폐식 상부보호공(7)은 밀폐형의 통구조로서 단순히 개방형 지열공(1) 내부에 오염물질의 유입을 방지하기 위한 목적으로 사용되어 왔다.

한편, 지중 지열 열교환 장치는 다수의 지열공(1)을 함께 운용하고 있으며, 다수의 지열공을 운용하는 과정에서 지열공을 순환하는 지하수의 분배가 적정하게 이루어지지 않게 됨으로써 일부 지열공은 지하수가 급격히 줄어들어 운전수위가 현저히 낮아지게 되어 순환용 수중모터펌프가 과열로 소손되거나 내부에 삽입 설치된 PVC 파이프가 열화되어 지열공 내부에서 굴신되거나 찌그러져 지열공을 함몰시키는 사고가 발생되기도 하였다.

반대로 일부 지열공의 경우 지하수의 양이 일시에 너무 많이 유입되어 지열공 외부로 넘쳐 나오는 사태가 발생되기도 하였다.

또한, 개방형 지열공의 경우 대수층 지하수의 양에 따라 열부하 용량에 큰 차이가 발생되어지게 되는데 각 지열공 마다의 열 특성을 정확히 파악하기 어려워 균등한 지중 열부하 활용에 한계를 가지고 있을 수밖에 없었다.

등록실용신안 제20-0388000호 등록특허 제10-1063950호 등록특허 제10-1187863호 등록특허 제10-0868099호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지하수의 수온과 수량을 실시간으로 정확하게 측정 및 연산하여 다수의 지열공을 함께 운용하는 경우 각 지열공 마다의 운용 열부하 용량을 산출하여 산출된 각 열부하 용량에 맞는 운전이 가능한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 각 지열공 마다의 순환 지하수량을 최적으로 배분하여 조정할 수 있도록 하려는데 있다.

본 발명에 의한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치는, 지열공 내부의 급수측 지하수를 열교환수단에 급수하는 급수계통에 설치되어 상기 급수계통을 따라 급수방향으로 흐르는 급수측 지하수의 온도 및 급수량을 각각 감지하는 급수측 온도센서 및 급수측 수량계와; 상기 열교환수단을 통과한 환수측 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수계통에 설치되어 상기 환수계통을 따라 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 온도 및 환수량을 각각 감지하는 환수측 온도센서 및 환수측 수량계와; 상기 급수측 수량계와 환수측 수량계 그리고 급수측 온도센서와 환수측 온도센서의 감지값을 근거로 하여 순환열량을 산출하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러에 의해 산출된 순환열량을 포함하는 지하수 정보를 유/무선 통신에 의해 중앙 통제실에 전송하는 통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치에 의하면, 순환지하수의 수온과 수량을 실시간으로 정확하게 측정 및 연산하여 다수의 지열공을 함께 운용하는 경우 각 지열공 마다의 운용 열부하 용량을 산출함으로써 다수의 지열공을 함께 운영하는 경우에도 각 지열공의 열 특성에 맞는 운영이 가능함으로써 지열 열교환기의 운전효율을 향상하고 다수의 지열공을 각 지열공에 맞는 최적의 상태로 운용이 가능하다.

그리고, 자동유량조절밸브를 통해 각 지열공을 적정 운용을 위한 수위로 조절함으로써 다수의 지열공을 효율적으로 운용할 수 있다.

또한, 지열공 내의 지하수 수위를 측정하여 저수위 운전에서 발생되는 사고를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 휴지 중이거나 운전 중인 각 지열공 내부의 지중 온도를 측정하여 지열공이 분포되어 있는 각 구역별로 지열 운용의 가능 용량을 산출하여 균등한 지열 이용을 통해 히트펌프의 운전효율을 높일 수 있도록 함으로써 결과적으로 냉난방 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과를 구현할 수 있다.

도 1은 종래 지열 지중열교환기가 설치된 지열시스템 개요도.
도 2는 종래 지열 지중열교환기의 다른 설치 상태도.
도 3은 본 발명에 의한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치에 의해 지열공을 구분하여 사용하는 예를 보인 도면.

도 3에서 본 발명에 따른 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치는, 지중(또는 지상)에 설치되며 내부에 지열을 회수하기 위한 배관 계통[급수관(4), 환수관(6) 등]과 데이터 취득을 위한 자재가 설치되며 지중의 지열공을 보호하는 상부보호공 본체(10)와, 상부보호공 본체(10)의 상부를 개폐하는 상부보호공 덮개(20)와, 상부보호공 본체(10)와 상부보호공 덮개(20) 중 어느 하나에 직접 또는 간접적으로 설치되거나 상부보호공 본체(10) 내부에 보호되며 효율적인 지열의 사용을 위한(효율적인 지열 열교환기 등의 운전과 구동을 위한) 지하수 데이터(수위, 급수측 온도와 수량, 환수측 온도와 수량 등)를 취득하는 데이터 취득수단으로 구성된다. 물론, 본 발명의 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치는 상부보호공[상부보호공 본체(10), 상부보호공 덮개(20)]에 설치되는 것으로 한정되는 것은 아니며 지중 또는 지상에 구축되는 별도의 케이싱을 통해 설치 운용되는 것도 포함되는 것이고, 상부보호공에 설치되는 것을 예로 들어 설명할 뿐이다.

상부보호공 본체(10)는 개방형인 지열공의 오염을 막기 위한 것이며, 상부와 하부가 각각 개방되며 내부에 공간이 있는 박스 형태이다.

상부보호공 본체(10)는 예를 들어 배관부(11)와 박스부(12)로 구분될 수 있다.

배관부(11)는 지열공과 동일한 수직방향의 관형이며 내부에 급수관(4)과 환수관(6)이 배관되면서 하단부가 외부 케이싱(9)에 관이음된다.

박스부(12)는 배관부(11)의 상부에 배관부보다 큰 내부용적으로 예컨대 원통형이며 내부에 지열공과 동일한 방향인 수직방향과 지열 열교환기를 향하는 수평방향의 배관들이 연결되고 상부에는 상부보호공 덮개(20)가 결합된다.

박스부(12)는 급수관(4)과 환수관(6)이 지열공과 지열 열교환기를 순환하도록 관통 설치되도록 구성된다.

배관부(11)와 박스부(12)는 데이터 취득수단의 지지를 위한 구성(예컨대 케이블 홀더, 관 서포트 등)이 갖추어질 수 있다.

배관부(11)는 박스부(12)의 일측에 편심 설치될 수 있고 물론 중앙에 설치될 수도 있으며 특히 환수관의 경우 단일관으로는 외부케이싱(9)과 굴착공 사이에 삽입이 어려울 수 있으므로 분배관 튜브형태로 구성할 수 있다.

이와 같은 구성의 상부보호공 본체(10)는 일부분 또는 전체가 지중에 묻히도록 설치되며 지반의 붕괴로 인해 파손되지 않는 재질(스틸, 합성수지 등)로 이루어진다.

상부보호공 덮개(20)는 상부보호공 본체(10)의 상측 개방부를 개폐하는 것이며, 힌지식, 분리식, 슬라이드식 등 다양한 개폐 구조로 적용 가능하다.

상부보호공 덮개(20)는 상부보호공 본체(10)를 개방하지 않은 상태에서 상기 데이터 취득수단에 의해 취득된 데이터를 확인할 수 있도록 적용되는 디스플레이가 설치되도록 하며, 예를 들어 상면에는 상부 개방형 홈이 형성되어 상기 디스플레이가 삽입 장착되도록 하고 상기 디스플레이를 보호하기 위한 보호 덮개가 적용될 수 있다. 상기 보호 덮개는 투명, 불투명 모두가 가능하고 투명의 경우 별도의 개폐 동작없이 상기 디스플레이를 확인할 수 있도록 한다.

상기 데이터 취득수단은 지중 온도, 지하수의 수위, 온도, 유량을 감지하는 센서부, 상기 센서부에 의해 감지된 정보를 근거로 하여 열량을 산출하는 컨트롤러, 컨트롤러에 의해 산출된 열량 그리고 상기 센서부에 의해 감지된 정보의 지하수 데이터를 화면 출력하는 디스플레이와 중앙 통제실에 전송하는 통신모듈로 구성된다.

상기 센서부는, 지열공 내부[급수측과 환수측, 내부 케이싱(2)에 의해 지열공 내부는 급수측과 환수측으로 구분됨]에 설치되어 지하수의 수위(지하수 수중모터펌프가 설치되어 있는 내부케이싱 안쪽수위를 말함)를 감지하는 급수측 수위센서(30S), 상부보호공 본체(10)의 내부에 배관되는 급수관(4)에 설치되어 급수관(4)을 따라 흐르는 급수측 지하수의 온도와 유량을 감지하는 급수측 온도센서(40S)와 급수측 수량계(50S), 지열 열교환기를 통과한 환수측 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수계통인 환수관(6)에 설치되어 환수관(6)을 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 온도 및 환수량을 각각 감지하는 환수측 온도센서(40R) 및 환수측 수량계(50R)로 구성된다.

급수측 수위센서(30S)는 각각 급수측과 환수측에 있는 지하수의 수위(지표면에서부터 수면까지의 깊이)를 실시간(일정시간을 주기) 측정하는 압력센서이거나 일반적으로 지하수 관정에 사용되는 접점식센서이기도 하며, 일반적으로 지하수 관정에 사용되는 접점식센서인 경우 각각 다수개가 일정 간격을 설치되어 운용될 수 있다.

이처럼 급수측 수위센서(30S)만 설치되어 저수위 운전에서 발생될 수 있는 사고를 미연에 방지할 수도 있다. 즉 급수측 수위센서(30S)를 상기 양수펌프로부터 일정 높이 이격된 곳에 설치하여 급수측 수위센서(30S)가 지하수를 감지하면 상기 양수펌프의 가동이 정지되도록 하는 것이다. 물론, 환수측 수위를 감지하기 위하여 환수측 수위센서를 설치하는 것도 가능하다.

급수측 온도센서(40S)와 급수측 수량계(50S)는 급수관(4)의 어느 곳에든 설치되어 운용될 수 있으며 급수관(4)을 따라 흐르는 지하수의 온도와 지하수의 양을 감지한다.

환수측 온도센서(40R)와 환수측 수량계(50R)는 환수관(6)의 어느 곳에든 설치되어 운용될 수 있으며 급수관(4)을 따라 흐르는 지하수의 온도와 지하수의 양을 감지한다.

급수측 지하수의 온도와 수량, 환수측 지하수의 온도와 수량은 열량을 산출하기 위한 자료로 사용되며 일정 시간(사용자의 조작에 의해 자유롭게 설정되며 구체적인 수치로 한정하지 않는다)을 주기로 하여 실시간 측정된다.

컨트롤러(60)는 급수측 수량계(50S) 그리고 급수측 온도센서(40S)와 환수측 온도센서(40R)의 감지 값을 근거로 하여 하기의 식에 의해 순환열량을 산출한다.

Q = WCΔt

[Q : 열량(kcal/h), W : 급수측 또는 환수측에서 순환되는 지하수 양(L/h), C : 지하수 비열, Δt : t1(급수측 지하수 온도) - t2(환수측 지하수 온도)]

이와 같이 컨트롤러에 의해 산출된 열량은 지열 열교환기의 구동을 위한 자료로 사용되며, 산출된 열량을 근거로 하는 지열 열교환기를 구동하게 되면, 어느 한쪽의 지열공에 방열이나 흡열이 집중되지 않고 전체 지열공에 골고루 분산하여 지열 시스템을 운전할 수 있게 됨으로써 히트펌프의 운전효율(COP)을 향상시킬 수 있게 되어 결과적으로 운전 동력비를 절감하게 되는 효과가 있다. 개방형 지열공의 경우에는 지하수가 흐르는 대수층이 있는 경우와 없거나 작은 경우 열 이용량이 크게 다르게 나타나게 된다. 즉 대수층이 커서 지하수 흐르는 양이 많을 경우에는 지중에서의 열이동이 활발하게 되어 많은 열용량의 부담이 가능하게 된다. 다시 말해서 많은 열을 히트펌프로부터 열교환하여 방열하는 냉방운전시에도 지중 온도상승이 더디어질 수밖에 없고 이렇게 비교적 낮은 온도의 지하수를 이용하여 히트펌프의 응축사이클을 이행하게 됨으로써 운전효율(COP)은 상대적으로 크게 높아질 수밖에 없다. 반대로 대수층의 지하수가 작은 경우 이와 반대 현상이 나타나게 되는 것이다. 이러한 지열공 운전결과는 히트펌프 운전이 부하량에 따라 일정시간 휴지되어 있을 때 지중에 일정 간격으로 다층으로 설치된 지중온도센서(90)의 측정 온도에 의해 각 지열공이 위치한 지중 온도분포를 위치별, 깊이별로 확인할 수 있게 된다. 따라서, 각 지열공마다 이러한 특성을 파악하는데는 본 발명이 유효하게 활용될 수 있게 되며 대수층이 크게 발달되어 있는 지열공에는 많은 순환지하수량을 보내게 되고 대수층이 작은 경우에는 순환지하수량을 작게 조정하여 지열시스템의 전체 운전효율을 상승시켜 나갈 수 있는 것이다. 도 4에서와 같이 이러한 지열공을 A,B,C,D의 구역으로 구분하여 관리하게 되면 전체적인 지중 열 이용을 효과적으로 분배하면서 효율 높은 운전이 가능하게 되는 것이다.

디스플레이(70)는 상부보호공 덮개(20)의 외부면에 장착되며 컨트롤러(60)에 의해 산출된 열량, 각종 센서들에 의해 센싱된 지하수 데이터(수위, 급수측 온도, 급수량 수량, 환수측 온도, 환수측 수량 등)를 수치 등의 형태로 화면 출력한다.

물론 디스플레이(70)는 상부보호공 덮개(20)에 반드시 설치되는 것은 아니며 별도로 주변에 설치되는 콘트롤판넬에 구성시키거나 기계실 종합콘트롤 룸에 구성시킬 수도 있다.

통신모듈은 컨트롤러(60)에 의해 산출된 열량, 각종 센서들에 의해 센싱된 지하수 데이터(수위, 급수측 온도, 급수량 수량, 환수측 온도, 환수측 수량 등)를 유선 또는 무선방식에 의해 중앙 통제실에 전송한다. 다만, 통신모듈은 전송을 위한 제반장치를 모두 포함한 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한 본 발명은 다수의 지열공이 함께 운영되고 각각의 지열공에서 급수되는 지하수의 양과 환수되는 지하수의 양이 다르더라도 자동 유량조절밸브(정유량조절밸브)를 통해 지하수 양을 배분하여 조정함으로써 운영효율을 높일 수 있도록 한다.

급수측 자동유량조절밸브(80S)는 급수계통[급수관(4) 등]에 설치되어 상기 급수계통을 따라 급수방향으로 흐르는 급수측 지하수의 급수량을 조절한다.

환수측 자동유량조절밸브(80R)는 환수계통[환수관(6) 등]에 설치되어 상기 환수계통을 따라 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 환수량을 조절한다.

물론, 급수측 자동유량조절밸브(80S)는 역류방지기능(체크밸브)이나 자동차단기능(자동밸브)을 포함하고, 환수측 자동유량조절밸브(80R)는 자동 차단기능(자동밸브)을 포함하여 다수개의 지열공이 운전되고 있는 중에 어느 하나 또는 수개의 지열공이 운전 중단된 경우 지하수가 역류하지 않도록 한다.

10 : 상부보호공 본체, 20 : 상부보호공 덮개
30S : 급수측 수위센서, 30R : 환수측 수위센서
40S : 급수측 온도센서, 40R : 환수측 온도센서
50S : 급수측 수량계, 50R : 환수측 수량계
60 : 컨트롤러, 70 : 디스플레이
80S : 급수측 자동유량조절밸브, 80R : 환수측 자동유량조절밸브

Claims

다수의 지열공 내부의 순환 지하수의 온도 및 순환량을 각각 감지하는 온도센서(40S,40R) 및 수량계(50S,50R)와;
상기 온도센서와 수량계의 감지값을 근거로 하여 순환열량을 산출하는 컨트롤러(60)와;
상기 컨트롤러에 의해 산출된 순환열량을 포함하는 지하수 정보를 유/무선 통신에 의해 중앙 통제실에 전송하는 통신모듈을 포함하고,
상기 지열공 내부의 순환 지하수의 온도 및 순환량을 각각 감지하는 급수측/환수측 온도센서(40S,40R) 및 급수측/환수측 수량계(50S,50R)는,
급수계통을 따라 급수방향으로 흐르는 급수측 지하수의 온도 및 급수량을 각각 감지하는 급수측 온도센서(40S) 및 급수측 수량계(50S)와;
열교환수단을 통과한 환수측 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수계통에 설치되어 상기 환수계통을 따라 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 온도 및 환수량을 각각 감지하는 환수측 온도센서(40R) 및 환수측 수량계(50R)로 구성되며,
급수계통에 설치되어 상기 급수계통을 따라 급수방향으로 흐르는 급수측 지하수의 급수량을 조절하는 급수측 자동유량조절밸브(80S), 또는 상기 환수계통에 설치되어 상기 환수계통을 따라 환수방향으로 흐르는 환수측 지하수의 환수량을 조절하는 환수측 자동유량조절밸브(80R), 또는 급수측 자동유량조절밸브(80S)와 환수측 자동유량조절밸브(80R)를 포함하여 지하수의 배분을 통해 다수의 지열공에서 급수되는 지하수의 급수량과 지열공으로 환수되는 지하수의 환수량을 정량 조절하는 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는 지중에 일정 간격으로 다층으로 설치되는 지중온도센서(90)에 의해 측정된 지중온도를 근거로 하여 각 지열공이 위치한 지중 온도분포를 위치별, 깊이별로 확인하도록 하는 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 지열공 내부에 설치되어 상기 지열공 내부의 급수측의 수위를 감지하는 수위센서(30S)를 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치는 내부에 상부가 개방된 공간이 구비된 박스 형태이며, 지열공 내부의 케이싱 상부에 연결되는 상부보호공 본체(10) 및 상기 상부보호공 본체의 상부에 분리 가능하게 결합되는 상부보호공 덮개(20)로 이루어진 상부보호공의 내부에 설치되어 운용되거나 지중 또는 지상에 설치되는 별도의 케이싱을 통해 운용되는 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러에 의해 산출된 순환열량을 포함하는 지하수 정보를 화면 출력하는 디스플레이(70)를 설치한 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 급수측 자동유량조절밸브(80S)는 역류방지 또는 자동차단의 기능을 포함하고, 상기 환수측 자동유량조절밸브(80R)는 자동 차단기능을 포함하여 다수개의 지열공이 운전되고 있는 중에 하나 이상의 지열공이 운전 중단된 경우 지하수의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 지열시스템의 수자원 데이터 취득 장치.