KR101802597B1 - 공급관 결합챔버를 구비한 개방형 지중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기는, 암반대수층까지 천공된 지하수 우물공의 상부 충적층 구간에 설치된 외부 케이싱;과, 상기 외부 케이싱의 안쪽을 관통하여 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제1 내부 케이싱;과, 상기 제1 내부 케이싱의 하단에 결합되고, 상기 제1 내부 케이싱보다 그 외경이 더 큰 환형의 공급관 결합챔버;와, 상기 공급관 결합챔버의 상면에 구비된 구멍에 그 상단이 기밀 결합되어 상기 제1 내부 케이싱과 연통하고, 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되며, 하부의 일정 높이를 따라 다수의 통공이 형성된 제1 공급관;과, 상기 제1 공급관을 감싸면서 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 그 상단이 결합되면서 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되고, 상기 제1 공급관에 형성된 통공에 대응하는 다수의 통공이 형성된 제2 내부 케이싱;과, 상기 지하수 우물공의 상부에 배치된 지하수 토출관과 연결되고, 상기 제1 내부 케이싱의 안쪽을 통해 상기 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제2 공급관;과, 상기 제2 공급관의 하단에 설치되는 심정펌프; 및 상기 지하수 토출관을 통해 공급받은 지하수로부터 지열을 회수한 열교환기의 출구에 연결되고, 상기 지하수 우물공과 상기 제1 내부 케이싱 사이의 환형 공간을 통해 하방으로 연장되어 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 결합되는 환수관을 포함한다.

Description

공급관 결합챔버를 구비한 개방형 지중 열교환기{Open type ground heat exchanger having adapting chamber for ground water supply}

본 발명은 개방형 지중 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지하수 우물공의 무너짐이나 하부 침전물이 발생하여도 지하수를 안정적으로 취수할 수 있는 것은 물론 공 내부 청소를 할 수 있으며, 지하수 수량이 부족할 때에는 외부에서 공급되는 시수를 연결하여 보충하거나 시수 라인을 통해 지하수를 끌어올려 생활용수로 사용하는 것도 가능한 개방형 지중 열교환기에 관한 것이다.

지열이란 지하에서 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서, 지열을 이용하는 방식은 지표 하부로 깊게 굴착한 후 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻는 밀폐형 지중 열교환기와, 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 지상의 히트펌프에서 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 통하여 다시금 지하수 심정 내부에 돌려보내는 개방형 지중 열교환기로 분류할 수 있다.

땅속의 지중열과 직접 접촉하는 지하수를 순환매체로 이용하는 개방형 지중 열교환기는 부동액 등이 유체순환용 파이프를 순환하면서 지중열과 간접적으로 접촉하는 밀폐형 지중 열교환기에 비해서 열효율이 훨씬 좋은 것으로 알려져 있다.

즉, 지표면으로부터 150미터 깊이로 설치해서 부동액 등을 이용하는 밀폐형 지중 열교환기에서는 약 3RT(RT당 약 10평 냉난방 가능)의 열에너지를 취득하는 반면, 500미터 깊이로 설치하고 지하수를 직접 이용하는 개방형 지중 열교환기에서는 약 30RT의 열에너지를 취득함으로써, 천공 깊이는 밀폐형의 약 3배 정도지만 열효율은 약 10배에 이른다.

그러나, 상대적으로 열효율이 높음에도 불구하고 정작 현장에서는 잦은 하자발생과 개선공사의 어려움 등이 장애가 되어 개방형 지중 열교환기 설치를 회피하고 있는 실정이므로, 시설의 안전성을 확보할 수 있는 새로운 개방형 지중 열교환기 설치기술이 시급히 요구되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 개방형 지중 열교환기(1)의 설치구조를 개략적으로 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 종래의 개방형 지중 열교환기(1)를 설치하는 시공순서를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 지층을 굴착하여 충적층(AL) 구간에 외부 케이싱(3)을 설치한 후, 외부 케이싱(3)의 내경(Φ200)과 동일한 공경으로 300미터 내지 500미터 깊이까지 암반층(AQ)을 굴착하여 지하수 우물공(2)을 완성하고, 지하수 우물공(2) 안으로 100mm 내지 125mm 관경의 PVC 파이프와 같은 내부 케이싱(4)을 전구간에 설치하면서, 내부 케이싱(4)의 하단부 8미터로부터 시작하여 20∼24미터까지의 구간에 다수의 통공(4')을 형성하여 암반대수층(AQ)에서 생산되는 지하수가 내부 케이싱(4) 안쪽으로 유입될 수 있도록 한다.

그리고, 내부 케이싱(4) 안으로 지하수 안정수위(H) 아래인 약 50미터 이하의 깊이에 지하수를 퍼올리기 위한 심정펌프(6)와 이에 연결되는 공급관(5)을 설치하고, 외부 케이싱(3) 상단부로 올라오는 공급관(5)의 끝단에는 지하수 토출관(7)을 연결하여 지상에 설치된 히트펌프 등의 열교환기(EX)에 도달하도록 한다.

그리고, 열교환기(EX)를 순환한 지하수를 지중으로 되돌리기 위한 환수관(8)을 외부 케이싱(3)과 내부 케이싱(4) 사이의 환형 공간에 그 끝단이 위치하도록 설치하고, 지하수 우물공(2)의 상부보호 및 오염방지를 위해 콘크리트 맨홀 형태로 제작된 지중 열교환기 상부보호시설(9)을 지하수 우물공(2) 상부 지면에 설치함으로써 설치가 완성된다.

이러한 종래의 개방형 지중 열교환기(1)가 지중열을 취득하는 과정은 다음과 같다.

심정펌프(6)에서 퍼올리는 지하수는 공급관(5)과 지하수 토출관(7)을 거쳐 지상의 열교환기(EX)에 도달하여 지중열을 공급한 후에 다시 환수관(8)을 타고 내려와서 외부 케이싱(3)과 내부 케이싱(4) 사이의 공간으로 들어가 지하수 우물공(2)으로 회수되고, 이후 지하수 우물공(2) 바닥까지 이동하는 과정에서 암반대수층(AQ) 및 지하수 우물공(2)의 지중열과 접촉하면서 열복원된다. 그리고, 열복원된 지하수를 포함하는 지하수는 다시 내부 케이싱(4) 하단부의 통공(4')을 통해 내부 케이싱(4) 안으로 유입되고, 이에 따라 심정펌프(6)로 양수되어 지상의 열교환기(EX)로 공급되는 일련의 지하수 순환과정을 반복하게 된다.

위와 같이, 개방형 지중 열교환기는 그 시공과 운용방법이 상당히 손쉽고 열효율이 높다는 장점이 있음에도, 현실에 있어서는 시공 완료 후 지하수 우물공의 무너짐이 발생하는 경우가 있어 이에 대한 대책이 필요하고, 지하수 우물공의 하부에 침전물이 발생할 경우 지하수 공급량이 감소하는 한편 심정펌프에 손상을 일으킬 우려가 있다는 문제가 제기된다. 또한, 지하수량의 변동과 부족이 발생했을 때이를 해결할 대책도 요구된다.

지하수 우물공의 무너짐 형상과 하부 침전물의 문제를 해결할 수 있는 방안으로는 지하수 우물공 내부에 충진재를 채우는 방식도 생각해볼 수 있지만, 충진재로 인해 지하수 우물공 내부의 유속이 낮아져 시스템 효율이 떨어지고 우물공 내부 청소가 불가능하다는 문제가 있으며, 특히 법규상 지하수 우물공과 내부 케이싱 사이에 지중순환수의 흐름을 방해할 수 있는 충진재 등을 채울 수 없도록 규정하고 있어 국내 실정에는 적합하지 못한다.

따라서, 기존 개방형 지중 열교환기의 장점을 그대로 유지하면서 지하수 우물공의 무너짐과 하부 침전물 문제를 해결하는 한편 국내 법규에도 적합한 새로운 개방형 지중 열교환기의 개발이 요구된다.

한국등록특허 제10-0716763호 (2007.05.14. 공고) 한국등록특허 제10-1058138호 (2011.08.24. 공고)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존 개방형 지중 열교환기의 장점을 그대로 유지하면서 지하수 우물공의 무너짐과 하부 침전물 문제를 해결하는 한편 국내 법규에도 적합한 새로운 구조의 개방형 지중 열교환기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기는, 암반대수층까지 천공된 지하수 우물공의 상부 충적층 구간에 설치된 외부 케이싱;과, 상기 외부 케이싱의 안쪽을 관통하여 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제1 내부 케이싱;과, 상기 제1 내부 케이싱의 하단에 결합되고, 상기 제1 내부 케이싱보다 그 외경이 더 큰 환형의 공급관 결합챔버;와, 상기 공급관 결합챔버의 상면에 구비된 구멍에 그 상단이 기밀 결합되어 상기 제1 내부 케이싱과 연통하고, 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되며, 하부의 일정 높이를 따라 다수의 통공이 형성된 제1 공급관;과, 상기 제1 공급관을 감싸면서 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 그 상단이 결합되면서 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되고, 상기 제1 공급관에 형성된 통공에 대응하는 다수의 통공이 형성된 제2 내부 케이싱;과, 상기 지하수 우물공의 상부에 배치된 지하수 토출관과 연결되고, 상기 제1 내부 케이싱의 안쪽을 통해 상기 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제2 공급관;과, 상기 제2 공급관의 하단에 설치되는 심정펌프; 및 상기 지하수 토출관을 통해 공급받은 지하수로부터 지열을 회수한 열교환기의 출구에 연결되고, 상기 지하수 우물공과 상기 제1 내부 케이싱 사이의 환형 공간을 통해 하방으로 연장되어 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 결합되는 환수관을 포함한다.

여기서, 상기 공급관 결합챔버의 외경은 상기 지하수 우물공의 천공 직경에 대응하는 크기로 만들어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서 상기 환수관은 쌍을 이루는 2개의 환수관으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 환수관에는 외부에서 공급되는 시수 라인이 연결될 수도 있다.

그리고, 상기 공급관 결합챔버에는 상기 제2 내부 케이싱의 외측을 통해 상기 지하수 우물공과 연통시키는 환수 배출구가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 개방형 지중 열교환기는 공급관 결합챔버를 기준으로 하여 상부 구조와 하부 구조로 분리되어 있기 때문에, 충적층 지질로 인해 지하수 우물공 상부에서 무너짐이 발생하여도 지하수를 취수하는 하부 구조는 이에 영향을 받지 않게 된다.

또한, 본 발명은 하부 구조가 이중관 구조로 되어 있기 때문에 지하수 우물공 하부에서 무너짐이나 하부 침전물이 발생하더라도 안정적으로 충분한 수량의 지하수를 취득할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 개방형 지중 열교환기는 공 무너짐에 대응하기 위해 지하수 우물공 내부에 충진재를 채우는 방식이 아니기 때문에 국내의 관련 법규 사항을 충족시키는 방식이라는 점에서도 큰 이점이 있다.

그리고, 본 발명은 지하수 수량이 부족할 때에는 외부에서 공급되는 시수를 환수관에 연결하여 보충할 수 있으며, 지하수량이 충분한 경우에는 역으로 시수 라인을 통해 지하수를 끌어올려 생활용수로 사용하는 것도 가능하다.

도 1은 종래기술에 따른 개방형 지중 열교환기의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기의 전체적인 구조를 도시한 도면.
도 3은 도 2의 "A" 부분을 확대 도시한 부분 절개 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기의 공급관 결합챔버를 통한 환수구조의 일 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기의 공급관 결합챔버를 통한 환수구조의 다른 실시형태를 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기(10)의 전체적인 구조를 도시한 것이다. 이 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명할 것인데, 본 발명이 암반대수층(AQ)까지 천공된 지하수 우물공(20) 안에 설치되는 개방형 지중 열교환기(10)임을 고려하여, 특별한 언급이 없는 한, 지상(지면)측을 위쪽(상측, 상부, 상단 등)으로 지칭하고, 지하수 우물공(20)의 바닥쪽을 아래쪽(하측, 하부, 하단 등)으로 지칭하는 것으로 정의한다.

본 발명의 개방형 지중 열교환기(10)의 상부 구조에 대해 설명하면, 외부 케이싱(100)과 제1 내부 케이싱(200), 그리고 공급관 결합챔버(300)로 이루어진다.

외부 케이싱(100)은 암반대수층(AQ)까지 천공된 지하수 우물공(20)의 상부 충적층(AL) 구간에 설치되는 파이프로서, 이는 흙이나 모래, 자갈 등으로 이루어진 충적층(AL)이 무너져 내리는 것을 방지하기 위해 설치되는 것이다. 여기서, 지하수 우물공(20)의 천공 깊이는 취득하고자 하는 지열 에너지의 양을 고려하여 결정되는데, 예를 들어 30RT의 열에너지를 취득하기 위해서는 대략 500미터 깊이까지 천공할 필요가 있다.

그리고, 제1 내부 케이싱(200)은 외부 케이싱(100)의 안쪽을 관통하여 지하수 안정수위(H) 아래, 예를 들어 지면으로부터 100미터 지점까지 연장되게 설치된다.

여기서, 제1 내부 케이싱(200)의 하단은 환형의 공급관 결합챔버(300) 상면에 결합된다. 여기서 공급관 결합챔버(300)의 외경은 제1 내부 케이싱(200)의 외경보다 더 크며, 실시형태에 따라서는 공급관 결합챔버(300)의 외경이 지하수 우물공(20)의 천공 직경(Φ200)에 대응하는 크기로 만들어질 수 있다.

본 발명의 개방형 지중 열교환기(10)는, 도 3에 상세히 도시된 것과 같이, 공급관 결합챔버(300)를 기준으로 하여 상부 구조와 하부 구조로 나눌 수 있는데, 이는 본 발명이 공급관 결합챔버(300)를 매개로 하여 상·하부 구조가 상호 연결되는 구조를 가지기 때문이다.

본 발명에 따른 개방형 지중 열교환기(10)의 하부 구조도 전체적으로 볼 때 상부 구조와 유사하게 동심관 구조를 가지는데, 하부 구조는 지하수 우물공(20)이 무너지는 문제가 발생하더라도 종래에 비해 안정적인 취수가 가능하도록 한다는 점에 있어서 그 목적과 기능에 차이가 있다.

공급관 결합챔버(300)를 기준으로 할 때, 그 아래쪽으로는 공급관 결합챔버(300)의 상면에 구비된 구멍(310)에 그 상단이 기밀 결합되는 제1 공급관(400)이 배치된다. 이 제1 공급관(400)의 상단은 공급관 결합챔버(300)의 내부공간을 가로질러서 상부에 배치된 제1 내부 케이싱(200)과 연통하며, 하단은 지하수 우물공(20)의 바닥부까지 연장된다.

이러한 제1 공급관(400)의 하부 일정 높이, 예를 들면 제1 공급관(400)의 하단(=우물공의 바닥부) 기준 8미터 높이로부터 시작하여 20∼24미터까지의 구간에는 다수의 통공(410)이 형성되어 있어, 지하수 우물공(20) 안의 지하수가 통공(410)을 통해 제1 공급관(400) 안으로 유입되어 제1 내부 케이싱(200) 안쪽까지 채워질 수 있게 된다.

또한, 제1 공급관(400)의 외측으로는 제2 내부 케이싱(500)이 일정 간격 이격되어 동심 구조로 둘러싸게 배치된다. 예를 들어, 제1 공급관(400)은 외경이 50㎜인 PVC 또는 PE 파이프로 구성되고, 제2 내부 케이싱(500)은 100㎜인 PVC 파이프로 구성될 수 있다. 제2 내부 케이싱(500)의 상단은 공급관 결합챔버(300)의 내부공간과 연통되도록 공급관 결합챔버(300)의 저면에 결합되고, 그 하단은 지하수 우물공(20)의 바닥부까지 연장된다. 아울러 제2 내부 케이싱(500)에도 제1 공급관(400)에 형성된 통공(410)에 대응하는 다수의 통공(510)이 형성되어 있어, 지하수 우물공(20) 안의 지하수가 제1 공급관(400)의 안까지 유입될 수 있는 통로를 형성하고 있다.

위와 같이, 본 발명의 개방형 지중 열교환기(10)는 공급관 결합챔버(300)를 기준으로 하여 상부 구조와 하부 구조로 분리되어 있기 때문에 상부에서 지하수 우물공(20) 무너짐이 발생하여도 지하수를 취수하는 하부 구조는 이에 영향을 받지 않게 된다. 특히 지하수 우물공(20) 무너짐은 상부의 충적층(AL)에서 발생하기 쉽기 때문에 이러한 본 발명의 분리 구조는 안정적인 지하수 취수에 상당히 유리하다.

또한, 하부 구조는 제1 공급관(400)과 제2 내부 케이싱(500)의 이중관 구조이기 때문에 설사 지하수 우물공(20) 하부에서 무너짐이나 하부 침전물이 발생하더라도 1차적으로 제2 내부 케이싱(500)이 이를 막아주게 되며, 또한 이러한 무너짐이 발생하여도 제1 공급관(400)과 제2 내부 케이싱(500) 사이의 환형 공간에 지하수가 충만되기 때문에 제1 공급관(400)을 통해 충분한 수량의 지하수를 취득할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 개방형 지중 열교환기(10)는 공 무너짐에 대응하기 위해 지하수 우물공(20) 내부에 충진재를 채우는 방식이 아니기 때문에 국내의 관련 법규 사항을 충족시키는 방식이라는 점에서도 큰 이점이 있다.

다만, 공급관 결합챔버(300)를 기준으로 지하수 우물공(20)의 상부에 무너짐이 발생하면 토사나 자갈이 지하수 우물공(20) 바닥부까지 내려가지 못하고 지하수 우물공(20)과 제1 내부 케이싱(200) 사이에 채워지게 되고, 이에 따라 종래와 같이 환수되는 지하수를 외부 케이싱(100)과 제1 내부 케이싱(200) 사이의 환형 공간에 자유낙하 방식으로 떨어뜨리는 것이 곤란해진다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 지하수 환수 과정에서 발생할 수 있는 문제를 고려하여, 지상의 열교환기(EX) 출구에 연결되는 환수관(900)을 지하수 우물공(20)과 제1 내부 케이싱(200) 사이의 환형 공간을 통해 하방으로 연장시키고, 공급관 결합챔버(300)의 테두리를 통해 공급관 결합챔버(300)의 내부공간과 연통되도록 결합시키는 구조를 개발하였다.

즉, 지하수 우물공(20)으로 환수되는 지하수가 공급관 결합챔버(300)의 내부공간까지 이어진 환수관(900) 안쪽으로 흐르기 때문에 그 외부에서 공 무너짐이 발생하여도 지하수 환수 흐름에 아무런 영향이 미치지 않게 되는 것이다.

실시형태에 따라서는 환수관(900)이 공급관 결합챔버(300) 테두리의 한정된 면적을 통해 연결되기 때문에 환수관(900)의 직경을 크게 하기 어렵다는 제한을 고려하여, 쌍을 이루는 2개의 환수관(900), 예를 들어 직경이 30㎜인 PE 파이프 2개를 적용할 수도 있다. 물론 환수 유량을 고려하여 3개 이상의 환수관(900)으로 설계하는 것도 당연히 가능하다.

여기서, 환수관(900)을 통해 공급관 결합챔버(300)의 내부공간으로 유입된 환수는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 공급관(400)과 제2 내부 케이싱(500) 사이의 환형 공간을 통해 지하수 우물공(20)으로 되돌아간다. 따라서, 만일에 공급관 결합챔버(300) 아래쪽에서 공 무너짐이 발생하더라도 이에 영향을 받지 않고 안정적으로 지하수가 환수될 수 있게 된다.

또는, 실시형태에 따라서는 도 5에 도시된 것처럼, 공급관 결합챔버(300)에 제2 내부 케이싱(500)의 외측으로 환수 배출구(320)를 추가로 형성할 수도 있다. 이러한 도 5의 환수 구조는 평상시에는 제2 내부 케이싱(500)을 기준으로 그 내부와 외부의 양쪽으로 환수가 이루어짐으로써 충분한 환수 유로를 확보할 수 있고, 만일 공 무너짐이 발생하더라도 제1 공급관(400)과 제2 내부 케이싱(500) 사이의 환형 공간을 여전히 환수 유로로 확보할 수 있다는 특징을 가진 것이다.

그리고, 제1 내부 케이싱(200)의 안쪽으로는 지하수 우물공(20)의 상부에 배치된 지하수 토출관(800)과 연결되어 지하수 안정수위(H) 아래까지 연장되는 제2 공급관(600)이 설치되며, 제2 공급관(600)의 하단에는 지하수를 양정하기 위한 심정펌프(700)가 설치된다. 심정펌프(700)로 끌어올려진 지하수는 제2 공급관(600) 및 지하수 토출관(800)을 통해 지상의 열교환기(EX)로 유입되어 이용된다는 것은 종래기술과 동일하다.

또한, 본 발명에서는 환수관(900)에 외부에서 공급되는 시수 라인(910)이 연결될 수도 있다. 이러한 시수 라인(910)은 지하수의 수량(수위)가 계절에 따라 또는 주변의 지하수 이용현황에 따라 변동되는 것에 대응하여 적절한 양의 물을 보충해주기 위한 급수 라인이다. 특히, 본 발명은 가압된 시수가 공급관 결합챔버(300)까지 연장된 환수관(900)을 통해 주입되는 구조이기 때문에, 종래와 같은 자유낙하식 환수에 비해 빠르게 지하수와 시수를 열 교환시켜 열적으로 안정화시킬 수 있다는 장점이 있으며, 다른 한편으로는 시수 라인(910)을 통해 지하수를 끌어올려 생활용수로 사용하는 것도 가능해진다.

위와 같은 구조를 가진 본 발명의 개방형 지중 열교환기(10)를 설치하는 시공순서를 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 지층을 굴착하여 충적층(AL) 구간에 외부 케이싱(100)을 설치한 후, 외부 케이싱(100)의 내경(Φ200)과 동일한 공경으로 300미터 내지 500미터 깊이까지 암반층(AQ)을 굴착하여 지하수 우물공(20)을 완성한다.

완성된 지하수 우물공(20) 안으로 제2 내부 케이싱(500) 및 그 내부에 배치되는 제1 공급관(400)을 넣는데, 이때 제1 공급관(400)의 상단은 공급관 결합챔버(300)의 상면 중앙에 형성된 구멍(310)에 기밀 결합시키고, 제2 내부 케이싱(500)의 상단 또한 공급관 결합챔버(300)의 저면에 결합시킨다.

그리고, 공급관 결합챔버(300)의 상면에는 제1 내부 케이싱(200)의 하단을 결합시켜 제1 공급관(400)의 상단과 연통시키고, 공급관 결합챔버(300)의 테두리를 통해 그 내부공간과 연통되도록 환수관(900)을 결합시킨다.

이와 같이 공급관 결합챔버(300)의 상하로 제1 공급관(400)과 제1/제2 내부 케이싱(200, 500) 등의 결합이 완성되면 제1 공급관(400)과 제2 내부 케이싱(500)의 하단이 지하수 우물공(20) 바닥부에 이르도록 깊게 삽입하고, 제1 내부 케이싱(200) 안으로 지하수 안정수위(H) 아래인 약 50미터 깊이의 지하수를 퍼올리기 위한 심정펌프(700)와 이에 연결되는 제2 공급관(600)을 설치한다.

그리고, 외부 케이싱(100) 상단부로 올라오는 제2 공급관(600)의 끝단에는 지하수 토출관(800)을 연결하여 지상에 설치된 히트펌프 등의 열교환기(EX)에 도달하도록 하며, 열교환기(EX)의 출구에는 환수관(900)을 연결한다.

마지막으로 지하수 우물공(20)의 상부보호 및 오염방지를 위해 콘크리트 맨홀 형태로 제작된 지중 열교환기(10)의 상부보호시설(950)을 지하수 우물공(20) 상부 지면에 설치함으로써 전체 설치가 완성되며, 실시형태에 따라서는 환수관(900)에 외부에서 공급되는 시수 라인(910)을 연결하는 작업을 수행할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예 및 실시형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

10: 개방형 지중 열교환기 20: 지하수 우물공
100: 외부 케이싱 200: 제1 내부 케이싱
300: 공급관 결합챔버 310: 결합챔버 구멍
320: 환수 배출구 400: 제1 공급관
500: 제2 내부 케이싱 410,510: 통공
600: 제2 공급관 700: 심정펌프
800: 지하수 토출관 900: 환수관
910: 시수 라인 950: 상부보호시설
EX: 지상 열교환기 AL: 충적층
AQ: 암반수대층 H: 지하수 안정수위

Claims (5)

1. 암반대수층까지 천공된 지하수 우물공의 상부 충적층 구간에 설치된 외부 케이싱;
   상기 외부 케이싱의 안쪽을 관통하여 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제1 내부 케이싱;
   상기 제1 내부 케이싱의 하단에 결합되고, 상기 제1 내부 케이싱보다 그 외경이 더 큰 외경을 갖되 상기 외경은 상기 지하수 우물공의 천공 직경에 대응하는 크기로 형성되며, 제2 내부 케이싱의 외측을 통해 상기 지하수 우물공과 연통되는 환수 배출구가 구비되는 환형의 공급관 결합챔버;
   상기 공급관 결합챔버의 상면에 구비된 구멍에 그 상단이 기밀 결합되어 상기 제1 내부 케이싱과 연통하고, 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되며, 하부의 일정 높이를 따라 다수의 통공이 형성된 제1 공급관;
   상기 제1 공급관을 감싸면서 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 그 상단이 결합되면서 하단은 상기 지하수 우물공의 바닥부까지 연장되고, 상기 제1 공급관에 형성된 통공에 대응하는 다수의 통공이 형성된 제2 내부 케이싱;
   상기 지하수 우물공의 상부에 배치된 지하수 토출관과 연결되고, 상기 제1 내부 케이싱의 안쪽을 통해 상기 지하수 안정수위 아래까지 연장되게 설치되는 제2 공급관;
   상기 제2 공급관의 하단에 설치되는 심정펌프; 및
   상기 지하수 토출관을 통해 공급받은 지하수로부터 지열을 회수한 열교환기의 출구에 연결되고, 상기 지하수 우물공과 상기 제1 내부 케이싱 사이의 환형 공간을 통해 하방으로 연장되어 상기 공급관 결합챔버의 내부공간과 연통되도록 결합되는 환수관;
   을 포함하는 개방형 지중 열교환기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 환수관은 쌍을 이루는 2개의 환수관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 개방형 지중 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 환수관에는 외부에서 공급되는 시수 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 개방형 지중 열교환기.
5. 개방형 지중 열교환기의 시공방법에 있어서,
   지층을 굴착하여 충적층(AL) 구간에 외부 케이싱을 설치하는 단계;
   상기 외부 케이싱의 내경과 동일한 공경으로 300미터 내지 500미터 깊이까지 암반층(AQ)을 굴착하여 지하수 우물공을 완성하는 단계;
   상기 완성된 지하수 우물공 안으로 제2 내부 케이싱과 그 내부에 배치되는 제1 공급관과 공급관 결합챔버를 투입하고, 상기 제1 공급관의 상단은 상기 공급관 결합챔버의 상면 중앙에 형성된 구멍에 기밀 결합시키고, 상기 제2 내부 케이싱의 상단은 공급관 결합챔버의 저면에 결합시키는 단계;
   상기 공급관 결합챔버의 상면에는 제1 내부 케이싱의 하단을 결합시켜 상기제1 공급관의 상단과 연통시키고, 상기 공급관 결합챔버의 테두리를 통해 그 내부공간과 연통되도록 환수관을 결합시키는 단계;
   상기 공급관 결합챔버의 상하로 상기 제1 공급관과 상기 제1 내부 케이싱 및상기 제2 내부 케이싱의 결합이 완성되면, 상기 제1 공급관과 상기 제2 내부 케이싱의 하단이 상기 지하수 우물공 바닥부에 이르도록 깊게 삽입하는 단계;
   상기 제1 내부 케이싱 안으로 지하수 안정수위(H) 아래인 50 미터 깊이의 지하수를 퍼올리기 위한 심정펌프와 이에 연결되는 제2 공급관을 설치하는 단계;
   상기 외부 케이싱의 상단부로 올라오는 상기 제2 공급관의 끝단에는 지하수 토출관을 연결하여 지상에 설치된 히트펌프 등의 열교환기(EX)에 도달하도록 하는 단계;
   열교환기(EX)의 출구에 환수관을 연결하는 단계; 및
   상기 지하수 우물공의 상부보호 및 오염방지를 위해 콘크리트 맨홀 형태로 제작된 지중 열교환기의 상부보호시설을 상기 지하수 우물공 상부 지면에 설치하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 지중 열교환기의 시공방법.

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