KR101832459B1 - 지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 지열 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 지열 시스템에 관한 것으로, 기계실의 밸브조작없이 지열공의 역류와 물넘침을 방지하고 또한 지하수의 토출압력을 근거로 하여 별도의 전원과 전자장비를 사용하지 않고 제어가 가능함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 다수의 지열공에 각각 설치되어 각각의 지열공으로부터 양수되는 지하수를 토출하는 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)과; 상기 다수의 지열 토출관이 취합되어 다수의 지열 토출관을 통해 토출되는 지하수를 통합하는 토출관 햇더(20)와; 상기 토출관 햇더와 히트펌프(30)에 연결되어 상기 토출관 햇더에서 통합된 지하수를 상기 히트펌프에 공급하여 지열의 열교환이 이루어지도록 하는 지하수 급수관(40)과; 상기 히트펌프 또는 열교환기와 연결되어 상기 히트펌프 또는 열교환기를 통과하면서 열교환된 지하수를 회수하는 지하수 회수관(50)과; 상기 지하수 회수관과 연결되어 지하수를 환수하는 환수관 햇더(60)와; 상기 다수의 지열공에 각각 설치되면서 상기 환수관 햇더에 연결되어 상기 환수관 햇더에 환수된 지하수를 분배받아 각각의 지열공에 환수하는 다수의 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)과; 상기 다수의 지열 환수관에 각각 설치되어 상기 지열 환수관을 통해 각각의 지열공에 환수되는 지하수의 역류를 방지하는 역류방지밸브(70-1,70-2,70-3,70-4)와; 상기 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)으로부터 인출된 압력값을 인출하여 상기 역류방지밸브(70-1,70-2,70-3,70-4)를 차단하도록 한다.
본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 지열공으로부터 양수되는 지하수를 히트펌프 또는 열교환기에 공급하는 지열 토출관과; 상기 열교환기 또는 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관과; 상기 지열 환수관에 설치되며 상기 지열 토출관과 상기 지열 환수관을 통해 전달받은 급수측 압력과 환수측 압력을 근거로 하여 상기 지열 환수관의 개도를 작동시키는 밸브수단과; 상기 지열 환수관과 상기 밸브수단에 연결되어 상기 지열 환수관 내부의 환수측 압력을 상기 밸브수단에 전달하는 환수측 압력연결관과; 상기 지열 토출관과 상기 밸브수단에 연결되어 상기 지열 토출관 내부의 급수측 압력을 상기 밸브수단에 전달하는 급수측 압력연결관을 포함한다.

Description

지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 지열 시스템{SYSTEM FOR PREVENTING FLOW BACKWARD OF GEOTHERMAL RETURN LINE, AND GEOTHERMAL SYSTEM}

본 발명은 지열 환수관 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계실의 밸브조작없이 지열공의 물넘침을 방지하고 또한 지하수의 토출압력을 근거로 하여 별도의 전원과 전자장비를 사용하지 않고 제어가 가능한 지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 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 PE 관을 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 열교환기나 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17도씨 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 사용 가능한 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 암석 사이의 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 모래등으로 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 수 밖에 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 상층지하수로부터 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 개방형 지열용 지하수 심정은 다량의 지하수를 양수하여 사용함으로써 없어지는 것이 아니라 단지 지하수가 보유한 열량만을 열교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 다시금 지하수 굴착공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 심정 수중모터펌프와 양수파이프가 설치되는 최소한의 공간을 확보할 수 있는 직경으로 굴착이 이루어지게 되는데 반해 열교환 후 되돌아 오는 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 심정 수중모터펌프의 임펠라를 부식시키게 되며 또 한편으로는 순환배관 중에 에어포켓을 형성하여 지하수의 순환장애를 일으킴은 물론 열교환기 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 심정 수중모터펌프의 임펠라 침식과 순환배관과 열교환기에 모래가 침적되어 지하수의 소통을 저해하게 되어 정상적인 시스템 운용에 장애가 되는 문제가 있었다. 또한, 좁은 굴착 직경을 갖는 지열용 지하수 심정 내부에 이미 설치된 심정 수중모터펌프와 연결된 양수파이프와 심정 수중모터펌프를 가동시키기 위한 동력케이블과 수위선이 설치되어 있어 활용 가능한 공간이 없음에도 불구하고 이곳에 다시금 환수배관을 수위 깊숙한 곳까지 함께 설치하여 구성한다는 것은 현실적으로 큰 어려움이 있었던 것이 사실이다.

이러한 결과 열교환 된 지하수가 환수되어 지하수 심정 내부로 유입되는 경우 상부에 떨어지는 지하수는 지중 열교환이 충분히 이루어지지 않은 상태에서 지하수 심정 수중모터펌프로 즉시 유입되어 지상의 열교환기로 이동됨으로써 결과적으로 지열의 핵심기능 장치인 히트펌프의 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용되는 문제점을 가지고 있었으며 단순히 배열된 유공관의 설치깊이는 미쳐 열교환이 마쳐지지 않은 지하수를 지하수 심정 수중모터펌프로 흡입되도록 함으로써 결과적으로 지열용 히트펌프의 열교환 효율을 떨어뜨리는 동일한 요인으로 작용하게 하였다.

한편, 대체적으로 지열공은 해당 건물의 열부하를 감당할 수 있도록 하기 위해 다수개의 지열공으로 이루어지게 된다.

이와 같이 함께 운용되는 다수개의 지열공 중에서 부하 용량에 맞춰 지정된 수량 외에 지열공 운용을 중지하게 되는 경우 기계실 분배햇더에서 밸브를 차단하지 않게 되면 지열공 급수측 배관과 환수측 배관을 통해 지열공으로 순환 지하수가 다량 넘치게 되어 운용되지 않은 지열공의 경우 지하수를 양수하게 되는 수중순환펌프가 가동되어지지 않음으로 지열공으로 역류된 지하수로 인해 결과적으로 지열공에 물넘침 현상이 발생하게 된다.

급수측의 경우 수중순환펌프로부터 양수된 지하수의 역류가 발생될 경우 지하수의 유동방향이 상호 반대로 되어 있어 첵크밸브를 설치하여 역류를 근원적으로 방지할 수 있으며 더욱이 수중순환펌프 자체에 설치된 체크밸브가 이를 막아 주거나 이 첵크밸브의 기능이 확실하지 않을 경우가 많은데 이럴 때는 배관상에 추가로 설치되는 첵크밸브가 확실하게 지하수의 역류를 방지하게 된다.

그러나 지열공 환수측 배관의 경우 정상적으로 지열공을 운용할때의 순환지하수의 흐름방향과 지열공을 운용하지 않을 경우의 역류되는 순환 지하수의 유동방향이 동일하여 환수측 순환 배관에 책크밸브의 설치를 통해 순환지하수의 역류를 근원적으로 방지할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

그리고, 전동밸브를 설치하여 지열공 운용을 중지할 때 순환배관을 전동밸브에 전원을 투입하여 배관을 차단할 수 있으나 이 경우 전동밸브를 작동시킬 수 있는 전원을 공급해 주고 자동제어 측면에서 제어가 이루어져야 함으로 시설비와 운용비의 증가가 필요한 문제점이 있었다.

특허문헌 1(공개특허 제10-2014-0135601호)은 지중에 형성되는 지열공과; 상기 지열공의 상부를 밀폐하는 상부보호공과; 상기 지열공의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽과; 하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱과; 상기 내부 케이싱의 내부에 설치되어 지하수를 양수하는 양수펌프와; 상기 양수펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관과; 상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와; 상기 지열 교환부와 연결되어 상기 지열 교환부를 통과하여 열교환한 환수측 지하수를 환수하는 환수수단과; 상기 환수수단에 설치되며 상기 환수수단의 개도 조절을 통해 환수량을 조절하는 유량조절밸브와; 상기 지열공의 급수부 또는 환수부에 서로 다른 높이로 설치되어 상기 급수부 또는 환수부의 수위를 각각 검출하는 레벨컨트롤 센서와; 상기 레벨컨트롤 센서에 의해 검출되는 급수부 또는 환수부의 수위를 근거로 하여 상기 유량조절밸브를 조절하여 급수량 또는 환수량을 제어하는 레벨 컨트롤러로 구성되며, 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 향상할 수 있지만, 전자장비인 센서와 컨트롤러를 사용하는 점에서 본 발명과 차이점이 있다.

공개특허공보 제10-2014-0135601호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기계실의 밸브조작없이 지열공의 물넘침을 방지하고 또한 지하수의 토출압력을 근거로 하여 별도의 전원과 전자장비를 사용하지 않고 제어가 가능한 지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 지열 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 침수 가능한 상부보호공 내부에 전원공급에 의한 밸브 조작이 이루어지지 않도록 함으로써 시설 안전성을 높이고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 다수의 지열공에 각각 설치되어 각각의 지열공으로부터 양수되는 지하수를 토출하는 다수의 지열 토출관과; 상기 다수의 지열 토출관이 취합되어 다수의 지열 토출관을 통해 토출되는 지하수를 통합하는 토출관 햇더와; 상기 토출관 햇더와 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 연결되어 상기 토출관 햇더에서 통합된 지하수를 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프 에 공급하여 지열의 열교환이 이루어지도록 하는 지하수 급수관과; 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프와 연결되어 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프 를 통과하면서 열교환된 지하수를 회수하는 지하수 회수관과; 상기 지하수 회수관과 연결되어 지하수를 환수하는 환수관 햇더와; 상기 다수의 지열공에 각각 설치되면서 상기 환수관 햇더에 연결되어 상기 수관 햇더에 환수된 지하수를 분배받아 각각의 지열공에 환수하는 다수의 지열 환수관과; 상기 다수의 지열 환수관에 각각 설치되어 상기 지열 환수관을 통해 각각의 지열공에 환수되는 지하수의 역류를 방지하는 역류방지밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 지열공으로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관과; 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관과; 상기 지열 환수관에 설치되며 상기 지열 토출관과 상기 지열 환수관을 통해 전달받은 급수측 압력과 환수측 압력 또는 급수측 펌프 가동에 따른 전기신호나 수류센서신호 등을 근거로 하여 상기 지열 환수관의 개폐를 작동하게 하는 밸브수단과; 상기 지열 환수관과 상기 밸브수단에 연결되어 상기 지열 환수관 내부의 환수측 압력을 상기 밸브수단에 전달하는 환수측 압력연결관과; 상기 지열 토출관과 상기 밸브수단에 연결되어 상기 지열 토출관 내부의 급수측 압력을 상기 밸브수단에 전달하는 급수측 압력연결관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템 및 이를 포함하는 지열 시스템에 의하면, 기계실 밸브 개폐 없이도 구역별 지열공에 대해 역류와 지열공 물넘침을 방지하면서도 지열공 운용이 가능하다.

그리고, 밀폐식 상부보호공에 적용시 다수의 지열공에 대하여 각 지열공별 역류가 방지되어 물넘침이 예방되고 지열공 내 열교환이 잘 이루어져 효율 높은 지열시스템 운용이 가능하다.

이러한 모든 작동과 기저가 침수가 예상되는 상부보호공 내부 공간에 별도의 전원공급없이 급수측 수중순환펌프의 토출압력이나 수류신호의 유무에 의해 작동될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 지열 환수관 제어 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 의한 지열 환수관 제어 시스템의 전체 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 지열 환수관 제어 시스템에 적용된 밸브수단의 구성도.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시예 3에 의한 지열 환수관 제어 시스템에 적용된 급수측 체크밸브와 환수측 조절밸브의 구성도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예 2에 의한 지열 환수관 제어 시스템에 적용된 밸브수단의 다른 예를 보인 것으로,
도 6은 지하수의 환수가 차단되는 상태의 단면도이고,
도 7은 밸브수단의 분해 사시도이며,
도 8은 지하수의 환수가 이루어지는 상태의 단면도이다.
도 9와 도 10은 각각 본 발명에 적용된 밸브수단의 다른 예를 보인 작동 상태도.

<실시예 1>

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 다수개로 운용되는 다수의 지열공에 각각 설치되며 양수펌프를 통해 각각의 지열공에서 양수되는 지하수를 지열공 외부로 토출하는 다수(도면에는 4개를 예로 들어 도시함)의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4), 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)의 토출단이 연결되어 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)에서 토출되는 지하수를 취합하는 토출관 햇더(20), 토출관 햇더(20)에서 통합된 지하수를 히트펌프(30)(열교환기가 내장된 히트펌프 또는 독립적으로 설치된 지하수의 열교환기도 가능하며, 히트펌프를 예로 들어 설명함)에 급수하는 지하수 급수관(40), 히트펌프(30)를 통과하여 히트펌프(30)의 열매체와 열교환된 지하수를 회수하는 지하수 회수관(50), 지하수 회수관(50)과 연결되어 지하수 회수관(50)을 통해 회수되는 지하수를 분배하는 환수관 햇더(60), 환수관 햇더(60)에 연결되어 지하수를 분배받으며 각각의 지열공에 환수하는 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4), 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)에 각각 설치되어 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)을 통해 각각의 지열공에 환수되는 지하수의 역류를 방지하는 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)로 구성된다.

지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)은 각각의 지열공에 설치되어 운용되는 양수펌프와 연결 설치되고 반대쪽이 토출관 햇더(30)에 연결되어 상기 양수펌프에 의해 양수되는 지하수를 지열공의 외부로 토출하여 토출관 햇더(30)에 공급한다.

지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)은 각각의 전자밸브 또는 일방향 첵크밸브가 구성될 수 있으며, 지열 토출관 밸브(12-1,12-2,12-3,12-4)를 통해 개폐 내지 개도가 조절된다. 지열 토출관 밸브(12-1,12-2,12-3,12-4)는 각 지열공의 지하수 수위 등에 따라 조작되어 지하수의 원활한 토출이 이루어지도록 한다.

참고로, 토출관 햇더(20)에는 각 지열공으로부터 토출된 지하수의 양을 조절하거나 차단하기 위해 지열 토출밸브(11-1,11-2,11-3,11-4)를 설치하여 운용하게 된다.

지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4) 각각은 토출관 햇더(30)에 형성되는 니플(nipple)에 분리 가능하게 연결된다.

토출관 햇더(20)는 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)에서 토출되는 모든 지하수를 취합하는 것으로 이에 해당하는 내부 용적을 갖는 탱크 구조이고, 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)과 하나의 지하수 급수관(40)이 각각 연결되는 예컨대 니플이 구성된다.

토출관 햇더(20)는 지열공과 히트펌프(30)의 사이로서 지상에 설치되어 운용되며, 내부의 청소 등을 위하여 덮개를 통해 폐쇄되는 탱크 구조가 바람직하다.

지하수 급수관(40)은 토출관 햇더(20)에 모인 지하수를 히트펌프(30)에 급수하는 관으로서 급수 밸브(41)에 의해 개도가 조절 또는 개폐되는 것이 바람직하다.

지하수 회수관(50)은 지하수 급수관(40)을 통해 히트펌프(30)에 공급되어 히트펌프(30)의 열매체와 열교환된 지하수를 환수관 햇더(60)에 회수하는 관로이며, 회수 밸브(51)를 통해 개도가 조절되거나 개폐된다.

환수관 햇더(60)는 지하수 회수관(50)을 통해 회수되는 지하수를 다수의 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)으로 분배하는 매니폴드이며, 예를 들어 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)들과 지하수 회수관(50)이 각각 관이음되는 니플이 구성될 수 있다.

지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)은 유입단이 환수관 햇더(60)에 각각 연결되는 한편 토출단이 각각의 지열공에 바람직하게 지열 토출관과 열교환이 이루어지지 않도록 설치되어 지하수를 지열공에 환수한다.

역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)는 각각의 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)에 설치되어 각각의 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)을 통해 환수되는 지하수가 환수관 햇더(60)로 역류하지 못하도록 지하수를 차단하는 것이다.

역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)는 전자밸브로 구성될 수 있고 그 작동은 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)에서 각각 인출된 토출압력을 컨트롤러(C)를 통해 신호값을 감지하여 작동하거나, 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)를 도 3내지 도 5의 실시예에서와 같이 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)에서 인출한 압력의 세기와 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)에서 인출한 압력의 세기를 이용하여 토출압력이 없을 때 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)가 작동하여 폐쇄되도록 함으로써 운전되지 않거나 고장된 지열공에 대하여는 환수되는 지하수가 역류가 발생되지 않도록 한 것이다.

본 실시예는 토출관 햇더(20)와 환수관 햇더(60) 간에 지하수의 흐름이 가능하도록 통상의 일정한 차압이 형성될 수 있도록 이들(20,60)을 연결하는 차압연결관(80), 차압연결관(80)의 개도를 조절하거나 개폐하는 차압조정밸브(81)를 포함한다.

<실시예 2>

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 지열공의 내부에 설치되어 상기 지열공 내부의 지하수를 양수하는 양수펌프와 연결됨으로써 지하수를 히트펌프(열교환기가 내장된 히트펌프 또는 독립적으로 설치된 지하수의 열교환기도 가능하며, 히트펌프를 예로 들어 설명함)에 공급하는 지열 급수관(1), 상기 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관(2), 지열 환수관(2)에 설치되며 지열 급수측 압력과 지열 환수측 압력에 의해 지열 환수관(2)의 개도를 조절(개폐)하는 밸브수단(100), 지열 환수관(2)과 밸브수단에 연결되어 지열 환수관(2) 내부의 환수측 압력을 상기 밸브수단에 전달하는 환수측 압력연결관(3), 지열 급수관(1)과 밸브수단(100)에 연결되어 급수측 압력을 상기 밸브수단(100)에 전달하는 급수측 압력연결관(4)으로 구성된다.

도 3에서 보이는 바와 같이, 밸브수단(100)은, 내부에 공간이 형성된 다이아프램 하우징(110), 다이아프램 하우징(110) 내부를 환수측 압력부와 급수측 압력부의 2개의 공간으로 양분하는 밸브거동판(111), 지열 환수관(3)에 관이음되어 지하수의 환수를 유도함과 아울러 지하수의 환수량의 제어를 위한 공간을 제공하는 밸브 몸체(112), 밸브 몸체(112) 내부에 장착되면서 밸브거동판(111)에 연결되어 밸브거동판(111)의 거동에 의해 밸브 몸체(112)의 개도를 조절하는 다이아프램(113)으로 구성된다.

다이아프램 하우징(110)은 중앙부가 볼록한 2개의 판재가 상하 대칭으로 배치되면서 둘레부가 분리 가능한 플랜지 결합을 통해 결합되어 내부에 하나의 공간을 제공하고, 도면 기준 상부에는 환수관 압력연결관(3)이 연결되는 연결포트가 형성되는 한편 하부에는 급수측 압력연결관(4)이 연결되는 연결포트가 형성되어 각각 환수측 압력연결관(3)과 급수측 압력연결관(4)이 연결된다.

밸브거동판(111)은 다이아프램 하우징(110) 내부에 횡방향으로 배열되어 다이아프램 하우징(110) 내부 공간을 환수측 압력부와 급수측 압력부의 2개의 공간으로 구획하며 환수측 압력과 급수측 압력에 의해 상하로 거동한다.

밸브 몸체(112)는 지열 환수관(2)의 사이에 관이음되며 내부의 유로를 통해 지하수의 환수를 유도한다.

밸브 몸체(112)는 길이방향의 양측이 개방된 관형이면서 도면 기준 상부인 다이아프램(113)이 장착되는 부분이 개방되며 이 개방부와 대응하는 바닥부에는 상부를 향하는 볼록부(115)가 형성되고, 볼록부(115) 주변의 상부는 볼록부(115)와 동일 내지 유사한 곡률로 형성되어 전체적으로 유로의 단면적이 균일하도록 구성된다.

다이아프램(113)은 밸브 몸체(112) 내부의 유로에 장착되며 밸브거동판(111)과 연결되어 밸브거동판(111)의 상하 거동에 의해 상하로 이동하면서 밸브 몸체(112)의 내부 유로의 개폐를 작동하게 한다.

다이아프램(113)은 밸브스핀들(114)을 통해 밸브거동판(111)과 연결되며 도면 기준 하부를 향해 볼록한 형태로 설치되면서 둘레부가 밸브 몸체(112)에 고정되어 밸브거동판(111)에 의한 상승시 중앙부가 상부를 향해 볼록해지면서 개도를 증가하고 밸브 몸체(112)의 볼록부(115)에 밀착됨으로써 유로를 폐쇄한다.

밸브 거동판(112)은 위치조정수단을 통해 초기 위치가 설정된다.

상기 위치조정수단은, 다이아프램 하우징(110)에 나사 체결되며 밸브거동판(111)과 연결되며 양방향 회전에 의해 밸브거동판(111)의 위치를 조정하는 조정볼트(116)를 포함한다.

조정볼트(116)는 일방향의 회전에 의해 하강하면서 밸브 거동판(111)의 위치를 낮추고, 반대방향의 회전에 의해 상승하면서 밸브 거동판(111)의 위치를 높인다.

이때, 밸브 거동판(111)의 원활한 복귀 등을 위하여 탄성부재로서 코일스프링(117)이 적용된다. 코일스프링(117)은 다이아프램 하우징(110)의 내부에서 조정볼트(116)의 둘레부에 결합되면서 상하 양측이 다이아프램 하우징(110)과 밸브 거동판(111)에 지지되어 밸브 거동판(111)을 압축력 또는 인장력으로 지지한다.

본 실시예에 따르면, 지열 급수관(1)측의 급수압력은 다이아프램 하우징(110)의 급수측 압력부로 전달되며 또한 지열 환수관(2)측의 환수압력은 다이아프램 하우징(110)의 환수측 압력부로 전달된다. 이 과정에서 토출 압력이 환수 압력보다 높으면 밸브거동판(111)이 상승하고 따라서 다이아프램(113)이 상승하여 밸브 몸체(112) 내부의 유로가 개방되어 지하수가 정상적으로 환수된다.

반대로, 다수의 지열공 중 해당 지열공의 운전이 종료되거나 수중모터펌프의 소손 등으로 인해 해당 지열공의 운전이 정지되어 토출압력이 낮아지게 되고

환수 압력이 급수 압력보다 높아지게 되면 밸브거동판(111)이 하강함에 따라 다이아프램이 하강하여 밸브 몸체(112) 내부 유로가 폐쇄됨으로써 지하수의 급수가 이루어지더라도 해당 지열공에는 환수는 이루어지지 않게 된다.

도면 중 미설명부호 5는 개방형 지열공을 밀폐하는 상부 보호공, 6은 지열공의 붕괴 방지를 위한 케이싱이다.

<실시예 3>

도 4와 도 5에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 지열공으로부터 양수되는 지하수를 히트펌프(열교환기가 내장된 히트펌프 또는 독립적으로 설치된 지하수의 열교환기도 가능하며, 히트펌프를 예로 들어 설명함)에 공급하는 지열 토출관에 장착되며 지하수의 토출압력을 지열 환수관에 제공하는 토출압력전달수단, 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관에 장착되며 상기 토출압력전달수단을 통해 전달되는 지하수의 토출압력을 근거로 하여 지열 환수관을 개폐하는 환수측 차단밸브로 구성된다.

상기 토출압력전달수단(200)은, 지열 토출관을 따라 토출되는 지하수의 압력을 환수측 차단밸브에 전달할 수 있는 모든 방식이 가능하며, 예를 들어, 일측이 지열 토출관 내부와 연결되어 지하수를 직접 받거나 벨로우즈 등을 통해 지하수의 토출압력을 받는 압력전달튜브(210), 압력전달튜브(210)의 타측 단부에 토출 압력에 의해 팽창가능하면서 자체 탄성력에 의해 수축되는 팽창튜브(220)로 구성되며, 지하수 토출압력이 높으면 팽창튜브(220)가 팽창되어 상기 환수측 차단밸브를 개방 동작시키고 반대로 지하수 토출압력이 낮거나 없으면 상기 환수측 차단밸브를 폐쇄 동작시킨다.

도 4에서 보이는 것처럼, 상기 환수측 조절밸브(300)는 내부에 유로가 형성되어 지열 환수관에 관이음됨으로써 지하수의 환수를 유도하는 차단밸브 하우징(310), 차단밸브 하우징(310) 내부에 전후진 가능하게 장착되어 차단밸브 하우징(310) 내부의 유로를 개폐하되, 별도의 동력없이 탄성부재(330)의 탄성력과 지하수의 토출 압력을 이용하여 유로를 개폐하는 환수 밸브판(320)로 구성된다.

차단밸브 하우징(310)은 관형으로 지열 환수관에 관이음되며, 내주면에 환수 밸브판(320)을 멈춤 지지하는 예컨대 환형의 밸브시트(311)가 형성되고 중앙부에 팽창튜브(220)를 환수 밸브판(320)으로 안내하는 가이드(312)가 갖추어진다.

환수 밸브판(320)은 차단밸브 하우징(310)의 내부에 도면 기준 승강 가능하게 장착되며, 지하수가 상부에서 하부로 흐를 때 팽창튜브(220)의 저부에 승강 가능하게 장착되고, 지하수가 원활하게 환수되도록 둘레부가 중앙부보다 낮은 캡 형태가 바람직하다.

탄성부재(330)는 환수 밸브판(320)의 봉에 결합되면서 양측이 밸브판(320)과 차단밸브 하우징(310)에 지지되어 환수 밸브판(320)을 도면 기준 상승방향(유로의 폐쇄 방향)으로 지지한다.

이와 같은 구성의 환수측 밸브에 따르면, 지하수의 토출압력이 기준 압력보다 높으면 환수 밸브판(320)이 팽창튜브(220)의 팽창 압력에 의해 하강하여 유로를 개방하며 따라서 지하수는 정상적으로 환수되며, 반대로, 지하수 토출압력이 기준 압력보다 낮으면 탄성부재(330)의 탄성력에 의해 환수 밸브판(320)이 팽창튜브(220)의 팽창 압력을 이기면서 상승하여 유로를 폐쇄함으로써 지하수의 환수가 이루어지지 않도록 한다.

도 5는 환수측 차단밸브(400)의 다른 예로서, 내부에 유로가 형성되어 지열 환수관에 관이음됨으로써 지하수의 환수를 유도하는 차단밸브 하우징(410), 길이방향의 양측이 개방된 관형으로서 차단밸브 하우징(410) 내부에 장착되며 기준 토출압력 이상이면 상기 토출압력전달수단을 통해 압축되어 내부의 유로를 폐쇄하는 한편, 기준 토출압력 이하이면 자체 탄성력에 의해 내부의 유로를 개방하는 환수 밸브관(420)으로 구성된다.

차단밸브 하우징(410)은 길이방향의 양측이 지중 환수관에 관이음되며 둘레부에는 토출압력전달수단의 팽창튜브(220)가 수용되는 관형의 튜브수용부(411)가 구성된다.

차단밸브 하우징(410)은 튜브수용부(411)와 반대쪽이 오목하게 성형되어 환수 밸브관(420)에 의한 폐쇄가 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다.

튜브수용부(411)는 팽창튜브(220)의 팽창력이 환수 밸브관(420)에 전달되도록 차단밸브 하우징(410)의 내부와 외부가 통하도록 형성되며 내부에 팽창튜브(220)가 수용된다.

환수 밸브관(420)은 길이방향의 양측이 개방된 관형이면서 팽창튜브(220)의 팽창에 의해 오므라들면서 내부의 유로를 폐쇄하고 팽창튜브(220)의 팽창력이 없어지면 탄성력에 의해 원상태로 복원하여 유로를 개방한다.

따라서, 환수 밸브관(420)은 팽창튜브(220)의 탄성력이 없을 때 원상태로 복원되도록 자체 탄성력이 있는 고무 등을 재질로 하고, 또는 자체 탄성력을 갖는 스프링강의 띠를 갖는 것도 가능하다.

본 실시예에 따르면, 지하수의 급수측이 정상 압력이면 이 토출 압력에 의해 환수측 차단밸브가 지열 환수관을 폐쇄하지 못하여 정상적인 환수가 이루어지며, 지하수의 급수측이 비정상 압력이면 환수측 차단밸브가 지열 환수관을 폐쇄하여 지열 환수관을 통해 환수가 이루어지지 않도록 하며, 즉 다수의 지열공이 함께 운용되는 경우 급수측이 정상 가동하지 않아 지하수가 토출되지 않는 상황에서 다른 지열공에서 토출되는 지하수가 환수되어 물넘침이 발생되는 것을 막을 수 있다.

물론 이러한 환수측 차단밸브의 실시예는 환수측을 차단하는 형태를 예시하는 것으로서 다양한 형태로 변경하여 적용할 수 있음은 당연하며 이러한 경우에도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주되어져야 할 것이다.

<실시예 4>

본 실시예에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 수중에 설치되어 지하수를 양수하는 양수펌프의 운전 상태(운전 전류나 운전 전압, 마그네트스위치나 릴레이 접점, 펌프가동시 형성되는 급수측의 수류센서 등)를 감지하는 펌프 센서, 히트펌프(열교환기가 내장된 히트펌프 또는 독립적으로 설치된 지하수의 열교환기도 가능하며, 히트펌프를 예로 들어 설명함)를 통과한 지하수를 지중의 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되어 상기 지열 환수관을 개폐하는 환수관 밸브, 상기 펌프 센서의 감지 값을 근거로 하여 양수펌프의 가동시 상기 환수관 밸브를 통해 상기 환수관을 개방하는 한편 양수펌프의 정지시 상기 환수관 밸브를 통해 상기 환수관을 폐쇄 제어하는 컨트롤러로 구성된다. 특히, 양수펌프가 가동할 수 있도록 전원을 펌프측에 공급하는 기능을 갖는 마그네트스위치나 릴레이 접점을 이용하고자 하는 경우에는 양수펌프의 모터가 소손된 상태에서도 접점이 가동될 수도 있음으로 급수측 배관에 설치하는 수류센서, 또는 압력센서와 연동되도록 컨트롤러를 구성하도록 한다. 이때 환수관 밸브는 전동밸브이거나 다이아프램밸브, 뉴메틱밸브 등 다양하게 구성할 수 있음은 당연하다.

<실시예 5>

본 실시예에 의한 지열 환수관 제어 시스템은, 지중 지열공에 설치된 양수펌프로부터 양수되는 지하수를 히트펌프(열교환기가 내장된 히트펌프 또는 독립적으로 설치된 지하수의 열교환기도 가능하며, 히트펌프를 예로 들어 설명함)에 공급하는 지열 토출관에 설치되어 상기 지열 토출관을 따라 흐르는 지하수의 상태를 검출하는 지하수 센서(지하수의 흐름을 감지하는 플로우 센서 또는 압력을 검출하는 압력센서 등), 상기 히트펌프를 통과한 지하수를 지중의 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되어 상기 지열 환수관을 개폐하는 환수관 밸브, 상기 지하수 센서의 감지 값을 근거로 하여 지열 토출관을 따라 흐르는 지하수의 양 또는 압력이 기준치(설치 지역 등의 여건에 따라 자유롭게 설정됨)를 만족하면 상기 환수관 밸브를 통해 상기 지열 환수관을 개방하는 한편 지하수의 양 또는 압력이 기준치를 만족하지 못하면 상기 환수관 밸브를 통해 상기 지열 환수관을 폐쇄 제어하는 컨트롤러로 구성된다.

<실시예 6>

도 6 내지 도 8에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 밸브수단(500)은, 지열 환수관(2)에 연결되는 관형의 밸브 몸체(510), 밸브 몸체(510) 내부를 환수측 압력부와 급수측 압력부로 구획하는 격판(520), 격판(520)에 의해 구획되는 환수측 압력부에 설치되어 밸브 몸체(510) 내부의 유로를 개폐하는 제1밸브막(530), 격판(520)에 의해 구획되는 급수측 압력부에 설치되어 급수측 압력을 통해 제1밸브막(530)에 의한 개방 동작을 유도하는 제2밸브막(540), 제1,2밸브막(530,540)을 탄력 지지하는 제1,2탄성부재(550,560), 밸브 몸체(510)의 밸브 장착부를 덮는 덮개(570)로 구성된다.

밸브 몸체(510)는 바람직하게 양측이 개방된 관형으로 이루어져 지열 환수관(2)의 사이에 연결됨으로써 열교환기를 통과한 지하수를 지열공에 환수되도록 하며 아울러 양측 개방부 사이의 내부에는 밸브 몸체(510)를 중심으로 하여 양측을 제1밸브막(530)에 의해 연결하거나 차단하기 위한 환수가이드(511)가 세워진다. 또한 양측 개방부의 사이에는 전술한 제1밸브막(530) 등의 설치를 위하여 상부를 향해 개방 형성되는 밸브 장착부가 구비되고 즉 밸브 몸체(510)는 T 형으로 형성될 수 있다.

환수가이드(511)는 기계실측(도면 기준 좌측)에서 지열공측(도면 기준 우측)으로 흐르는 지하수의 환수 또는 지하수의 차단을 위하여 형성되는 것으로, 밸브 몸체(510)의 도면 기준 바닥면에서 세워지되, 밸브 몸체(510)의 일측과 연결되어 지하수가 유입되도록 하며 밸브 몸체(510)의 타측과는 오버플로우부를 두고 형성되는 것이며, 상부를 향해 개방되는 상하 종방향의 원통형일 수 있다.

밸브 몸체(510)는 길이방향의 양측에 각각 지열 환수관(2)과 연결을 위한 플랜지가 형성된다.

격판(520)은 둘레부가 밸브 몸체(510)의 밸브 장착부에 결합되며 하부에는 환수측 압력부를 상부에는 급수측 압력부를 구획 형성하고, 아울러 환수측 압력부는 환수가이드(511)의 좌측에 환수측 압력연결관(521)으로 연결되는 한편 급수측 압력부는 지열 급수관(2)과 급수측 압력연결관(522)으로 연결된다.

환수측 압력연결관(521)은 설치를 생략하거나 개방 및 차단을 위한 소구경 밸브를 설치하여 운용할 수도 있다.

격판(520)은 환수측 압력연결관(521) 및 급수측 압력연결관(522)이 각각 서로 통하지 않도록 하부와 상부에 연결되며, 따라서, 격판(520)의 둘레부에는 환수측 압력연결관(521) 및 급수측 압력연결관(522)이 각각 관이음되는 홀(523,524)이 구성된다.

제1밸브막(530)은 환수가이드(511)의 상측 개방부에 승강 가능하게 장착되면서 둘레부가 밸브 몸체(510)와 격판(520)의 사이에 고정되는 탄성판이다.

평상시 즉 지하수의 양수를 위한 펌프의 미가동시 제1밸브막(530)은 제1,2탄성부재(550,560)의 탄성력 단독으로나 환수측 압력연결관(521)을 통해 가해지는 환수측 압력과 합쳐진 힘에 의해 환수가이드(511)를 폐쇄하고, 제1,2탄성부재(550,560)의 탄성력 또는 이와 합쳐진 환수압력보다 큰 급수측 압력이 가해지면 환수가이드(511)를 개방한다.

따라서, 제1밸브막(530)은 환수측 압력연결관(521)이 연결되는 홀(523)보다 아래에 배치된다.

제2밸브막(540)은 격판(520)과 제1탄성부재(550)의 사이에 배치되면서 둘레부가 밸브 몸체(510)와 덮개(570)에 고정되고, 급수측 압력연결관(522)이 연결되는 홀(524)보다 위쪽에 배치되는 탄성판이다.

제1탄성부재(550)는 예를 들어 저부로 가면서 직경이 작아지는 코일스프링으로서 제2밸브막(540)과 덮개(570) 사이에 설치되어 제2밸브막(540)을 환수가이드(511)의 폐쇄 방향으로 탄력 지지한다.

제2탄성부재(560)는 예를 들어 저부로 가면서 직경이 작아지는 코일스프링으로서 격판(520)과 제1밸브막(530)을 환수가이드(511)의 폐쇄 방향으로 탄력 지지한다.

제1밸브막(530)과 제2밸브막(540)은 연결봉(580)을 통해 서로 연결되어 함께 상승 또는 하강하도록 구성될 수 있다.

연결봉(580)은 격판(520)의 중앙에 형성된 홀에 오링을 통해 승강 가능하게 장착되며 격판(520)을 중심으로 하여 하부에는 제1밸브막(530)이 결합되고 상부에는 제2밸브막(540)이 결합된다.

덮개(570)는 밸브 몸체(510)의 밸브 장착부를 폐쇄하는 것이며, 내부에 제2밸브막(540)의 상승과 제1탄성부재(550)의 설치를 위한 공간이 갖추어지도록 도면 기준 저부를 향해 개방되는 구조이며, 둘레부가 제2밸브(540) - 격판(520) - 제1밸브(30) - 밸브 몸체(510)와 함께 체결구를 통해 조립된다.

물론 제2밸브막(540)의 상승, 하강시 체적변화에 따른 내부 저항을 상쇄시킬 수 있도록 덮개(570)에 별도의 천공홀(미도시)를 가공하여 구성할 수 있으며 도피관을 외부로 설치할 수 있다.

본 실시예에 의한 밸브수단(500)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 지하수의 급수가 진행되지 않는 평상시이고 도 7은 지하수의 급수시이다.

도 6에서 보이는 바와 같이, 수중펌프가 가동하지 않거나 수중펌프가 가동하여도 급수압이 낮은 경우(급수량이 적은 경우)에는 열교환기(히트펌프)를 통과한 환수측 지하수가 밸브 몸체(510)의 내부에 유입되더라도 제1밸브막(530)이 환수가이드(511)의 출구를 폐쇄하여 지하수의 환수가 이루어지지 않는다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1,2탄성부재(550,560)의 탄성력에 의해 제1밸브막(530)은 환수가이드(511)의 출구를 폐쇄하고 또한 환수측 압력부에는 밸브 몸체(510)에 유입되는 지하수 중 일부 지하수가 환수측 압력연결관(521)을 통해 유입되어 제1밸브막(530)을 저부로 누르게 됨으로써 제1밸브막(530)은 환수가이드(511)의 출구를 폐쇄하게 된다.

한편, 수중펌프의 가동에 의해 지하수의 급수가 이루어지는 경우 열교환기를 통과한 환수측 지하수는 밸브 몸체(510) 내부에 유입됨과 아울러 일부 환수측 지하수는 환수측 압력연결관(521)을 통해 격판(520) 저부의 환수측 압력부에 유입되고, 또한 지열 급수관(1)을 통해 열교환기에 급수되는 지하수 중 일부 지하수는 급수측 압력연결관(522)을 통해 격판(520) 상부의 급수측 압력부에 유입된다.

이때 환수측 지하수는 스프링의 강도와 기능을 활용, 조정함으로써 환수측 압력연결관(521)을 통해 격판(520) 저부의 환수측 압력부에 유입되지 않도록 차단시켜 운용할 수도 있음은 당연하다.

급수측 압력부의 압력이 환수측 압력부의 압력보다 높으면 급수측 압력이 제1밸브막(540)을 상승시키게 되고, 따라서 제1밸브막(530)이 상승하여 환수가이드(511)의 출구가 개방되며, 결과적으로 밸브 몸체(510)에 유입된 환수측 지하수가 환수가이드(511)를 오버플로우한 후 지열공으로 환수된다.

급수측 압력연결관(522)을 통해 격판(520) 상부의 급수측 압력부에 지하수가 유입될 수 있도록 하기 위해 급수측 압력연결관(522)에 별도의 개폐용 전자변(미도시)을 설치할 수도 있으며 이 경우에는 전기 전자적인 신호에 의해 작동시키는 경우에 적용되는 사례로 이해하면 될 것이다.

한편, 본 실시예의 밸브수단(500)은 제1,2밸브막(530,540)의 상승 정도를 구속함으로써 지하수가 환수되는 개도를 조절할 수 있으며, 덮개(580)에는 개도조절봉(590)이 적용된다.

개도조절봉(590)은 덮개(570)에 높이 조절 가능하게 조립 바람직하게 나사 조립되고 저부가 연결봉(580)의 상승 높이를 구속하여 제1밸브막(530)의 상승 높이를 제어함으로써 지하수가 흐르는 개도를 조절한다. 개도조절봉(590)은 핸들이 함께 갖추어진다.

<실시예 7>

실시예 2나 실시예 6은 기본적으로 다이아프램을 활용한 차단밸브 형태를 갖추고 있으며 밸브거동판을 작동시키기 위해 샤프트를 구성하여야 하는 구조를 갖추고 있음은 물론 환수측 압력과 급수측 압력을 각각 인출 포트를 이용하여 인가하여 밸브 작동에 활용하였다.

반면에 도 9와 도 10에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에서는 구조의 단순화를 통한 빠른 산업화를 위해 응용된 것으로서 통상의 다이아프램밸브를 작동시키기 위해 설치되는 전자밸브 대신에 급수측 압력에 의해 작동되는 퍼지밸브(600) 설치하도록 한 것이다. 물론 전자밸브도 퍼지밸브(600)의 범주에 포함됨음 물론이다.

통상 다이아프램밸브가 닫혀진 상태에서는 환수측 압력이 다이아프램밸브의 밸브거동판 상부에서 스프링압력과 합해져 닫혀진 형태로 있게 되며 전자밸브가 개방되어 다이아프램밸브의 밸브거동판 상부의 압력이 새어나가게되면 밸브거동판이 들어 올려져 다이아후램밸브가 개방되는 것이다. 이 공학적 원리를 이용하여 전자밸브 대신에 급수측 압력이 유입되면 퍼지밸브(600)가 개방되도록 하여 다이아프램밸브의 밸브거동판 상부의 압력이 지열공 쪽으로 흘러 나가게 하여 압력을 해지시켜 줌으로써 다이아프램밸브가 개방될 수 있도록 한 것이다.

퍼지밸브의 작동 원리는 축소된 형태의 [도3],[도4],[도5]의 형태이거나 벨로우즈를 이용하여 급수측 압력이 유입되면 벨로우즈판이나 벨로우즈판에 고정한 샤프트가 들어 올려져 밸브가 열리는 형태이면 가능할 것이며 급수측압력을 이용한 소구경 밸브의 개폐구조가 필요조건임으로 다양한 형태나 구조로 제작이 될 수 있다.

예를 들어 퍼지밸브(600)는 퍼지밸브 하우징(610), 밸브 몸체(111)와 퍼지밸브 하우징(610) 내부를 연결하는 퍼지관(620), 퍼지밸브 하우징(610)과 다이아프램(113) 상부의 압력실과 연결되는 압력전달관(630), 퍼지밸브 하우징(610) 내부의 통공(611)을 개폐하는 게이트(640), 급수관(1)으로부터 작용하는 급수측 압력에 의해 게이트(640)를 개폐 가동하는 압력전달부재로서 예를 들어 벨로우즈(650)로 구성된다.

퍼지밸브 하우징(610)은 내부가 격벽에 의해 급수측과 다이아프램측으로 구획되고 이 격벽에 통공(611)이 형성된다.

퍼지관(620)은 퍼지밸브 하우징(610) 내부의 물을 밸브 몸체(111) 또는 지열공 내부 등 외부로 유도한다.

압력전달관(630)은 퍼지밸브 하우징(610)의 다이아프램측과 다이아프램(113) 상부의 압력실에 연결되어 퍼지밸브(600)의 압력을 전달한다.

게이트(640)는 퍼지밸브 하우징(610) 내부에 벨로우즈(650)와 연결되어 벨로우즈(650)에 의해 왕복 이동하도록 구성되어 통공(611)을 개방 또는 폐쇄한다.

벨로우즈(650)는 퍼지밸브 하우징(610) 내부의 급수측 공간에 설치되며 급수관(1)으로부터 가해지는 압력에 의해 게이트(640)를 왕복 이동시킨다.

압력전달부재는 벨로우즈(650)로 한정되지 아니하고 튜브 등 동등한 기능을 하는 모든 것이 가능하다.

이와 같은 구성의 퍼지밸브(600)는 급수측 압력이 가해지면 벨로우즈(650)가 팽창하여 게이트(640)를 이동시켜 통공(611)이 개방되도록 하며(도 10), 따라서, 다이아프램(113) 상부의 압력이 지열공 쪽으로 흘러 나가게 하여 압력을 해지시켜 줌으로써 밸브거동판(111)이 상승하여 밸브 몸체(112)가 개방되고, 결과적으로 환수가 이루어진다.

반대로 급수측 압력이 없으면 벨로우즈(650)가 수축 상태를 유지하여 밸브 거동판(111)이 하강함으로써 밸브 몸체(112)가 폐쇄를 유지한다(도 9).

또한, 전자밸브를 퍼지밸브(600)로 적용하게 되는 경우 침수에 의한 전기적인 장해를 방지할 수 있도록 별도의 맨홀이나 박스를 설치하고 압력전달관(630)을 상부보호공으로부터 맨홀이나 박스까지 인출하여 설치할 수도 있다.

한편, 본 발명은 히트펌프가 설치된 기계실 내 배관이나 피트 내 배관트렌치에 구성하거나 지열공 자체의 맨홀이나 지열공과 별도로 구성한 독립된 맨홀 내부에 구성하여 동일한 효과를 구현할 수 있음은 당연하다 하겠다.

지금까지는 지열 환수관 제어 시스템에 대해 설명하였으며, 본 발명은 지열 환수관 제어 시스템을 포함하는 지열 시스템도 가능하다.

본 발명에 의한 지열 환수관 제어 시스템을 포함하는 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공과; 상기 지열공 내부의 지하수를 급수하는 급수수단과; 상기 급수수단을 통해 급수되는 지하수와 열교환하는 열교환수단과; 일측이 상기 열교환수단과 연결되는 한편 타측이 상기 지열공에 연결되어 상기 열교환수단을 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관을 포함하는 환수수단과; 상기 환수수단의 지열 환수관의 개폐를 제어하는 전술한 실시예들의 지열 환수관 제어 시스템으로 구성되며, 여기에 상부보호공, 맨홀 등의 추가 구성도 가능하다.

지열공은 본 발명에 맞춰 지중에 천공되며 하나 또는 하나 이상의 동시 운용이 가능하다.

상기 급수수단은 예를 들어 상기 지열공 내부에 장착되어 지하수를 펌핑하는 급수펌프, 상기 급수펌프와 열교환수단(열교환기, 열교환기에 내장되는 히트펌프 등)의 입구에 연결되어 상기 급수펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 상기 열교환수단에 급수하는 급수관으로 구성된다.

상기 환수수단은 상기 열교환수단의 출구측과 상기 지열공 내부에 걸쳐 배관되며 상기 열교환수단으로부터 토출되는 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수관을 포함한다.

상기 지열 환수관 제어 시스템은 전술한 실시예 중 어느 하나가 적용되며 급수측 토출압력 또는 펌프 센서 또는 지하수 센서 신호를 받아 지열 환수관을 개폐한다.

1,10-1,10-2,10-3,10-4 : 지열 토출관,
2,70-1,70-2,70-3,70-4 : 지열 환수관,
3 : 환수측 압력연결관, 4 : 급수측 압력연결관
20 : 토출관 햇더, 30 : 히트펌프
40 : 지하수 급수관, 50 : 지하수 환수관
60 : 환수관 햇더, 80 : 연결관
100 : 밸브수단, 110 : 다이아프램 하우징
111 : 밸브거동판, 112 : 밸브 몸체
113 : 다이아프램,
510 : 밸브 몸체, 520 : 격판
530,540 : 제1,2밸브막, 550,560 : 탄성부재
570 : 덮개, 580 : 연결봉
590 : 개도조절봉,

Claims (16)

1. 다수의 지열 환수관에 각각 설치되어 상기 지열 환수관을 통해 각각의 지열공에 환수되는 지하수의 역류를 방지하는 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)를 포함하며, 다수의 지열공에 각각 설치되어 각각의 지열공으로부터 양수되는 지하수를 토출하는 다수의 지열 토출관으로부터 인출된 압력값을 인출하여 상기 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)를 차단하도록 구성되며,
   상기 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)는 전자밸브로서 상기 지열 토출관에서 각각 인출된 토출압력의 신호값을 컨트롤러(C)를 통해 감지하여 상기 컨트롤러의 제어를 통해 작동하거나,
   상기 지열 환수관에서 인출한 압력의 세기와 상기 지열 토출관에서 인출한 압력의 세기를 이용하여 토출압력이 없을 때 작동하여 폐쇄되도록 함으로써 운전되지 않거나 고장된 지열공에 대하여는 환수되는 지하수의 역류가 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
2. 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되며 지열공으로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관으로부터 전달받은 급수측 압력을 근거로 하여 상기 지열 환수관의 개폐를 작동시키는 밸브수단을 포함하고,
   상기 밸브수단은, 내부에 공간이 형성된 다이아프램 하우징(110), 상기 다이아프램 하우징 내부를 환수측 압력부와 급수측 압력부의 2개의 공간으로 양분하여 환수관 압력연결관과 급수측 압력연결관이 서로 반대 공간에 연결되도록 하며 환수측과 급수측 압력에 의해 양방향으로 이동하는 밸브거동판(111), 상기 지열 환수관에 관이음되어 지하수의 환수를 유도하는 밸브 몸체(112), 상기 밸브 몸체에 장착되는 한편 밸브거동판에 연결되며 급수측의 압력에 의해 상기 밸브거동판을 개폐 구동하여 지열 환수관(2)에 의한 환수량을 제어하는 다이아프램(113)을 포함하되,
   토출 압력이 환수 압력보다 높으면 상기 다이아프램이 상기 밸브거동판(111)에 의해 상승하여 상기 밸브 몸체(112) 내부의 유로를 개방함으로써 지하수가 정상적으로 환수되도록 하고, 환수 압력이 급수 압력보다 높아지게 되면 상기 다이아프램이 상기 밸브거동판(111)에 의해 하강하여 상기 밸브 몸체(112) 내부 유로를 폐쇄함으로써 지하수가 지열공에 환수되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
3. 삭제
4. 청구항 2에 있어서, 상기 밸브거동판의 초기 위치를 조정하는 위치조정수단을 포함하며, 상기 위치조정수단은, 상기 다이아프램 하우징에 나사 체결되며 상기 밸브거동판과 연결되어 양방향 회전에 의해 상기 밸브거동판의 위치를 조정하는 조정볼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
5. 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되며 지열공으로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관으로부터 전달받은 급수측 압력을 근거로 하여 상기 지열 환수관의 개폐를 작동시키는 밸브수단을 포함하고,
   상기 밸브수단은, 양측이 개방되는 관형으로서 지열 환수관에 관이음되어 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 일측에서 유입받은 후 타측의 지열공으로 환수시키는 한편 양측의 개방부 사이에 밸브 장착부가 구비된 밸브 몸체, 상기 밸브 몸체의 내부에 배치되면서 일측이 상기 밸브 몸체의 일측과 연결되는 한편 타측의 출구가 상기 밸브 몸체의 타측과 연결되도록 형성되는 환수가이드, 상기 밸브 몸체의 밸브 장착부에 결합되며 하부의 환수측 압력부와 상부의 급수측 압력부로 구획하는 격판, 상기 격판 저부의 환수측 압력부에 승강 가능하게 장착되며 상기 환수가이드의 출구를 폐쇄함으로써 지하수의 환수를 차단하는 제1밸브막(530), 상기 격판 상부의 급수측 압력부에 승강 가능하게 장착되며 급수측 압력에 의해 상기 제1밸브막을 상승시켜 상기 환수가이드의 출구를 개방함으로써 지하수의 환수를 유도하는 제2밸브막(540)을 포함하되,
   수중펌프가 가동하지 않거나 수중펌프가 가동하여도 급수압이 낮은 경우에는 환수측 지하수가 밸브 몸체(510)의 내부에 유입되더라도 상기 제1밸브막(530)이 상기 환수가이드의 출구를 폐쇄하여 지하수의 환수가 이루어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 또는 제2밸브막을 통해 상기 환수가이드의 출구를 폐쇄하는 방향으로 작동하는 것은 환수측 압력 또는 탄력 지지하는 탄성부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 제2밸브막을 덮는 덮개, 상기 덮개에 상기 제2밸브막을 향해 전진 또는 반대로 후진하도록 구성되며 상기 제2밸브막의 이동을 구속하여 상기 환수가이드의 출구의 개도를 조절하는 개도조절봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
8. 청구항 2에 있어서, 급수관으로부터 급수측 압력을 전달받는 한편 이 급수측 압력을 상기 다이아프램 하우징의 다이아프램 상부의 압력실에 전달하여 상기 다이아프램의 개폐를 구동하는 퍼지밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
9. 지열공으로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관에 장착되며 지하수의 토출압력을 공급하는 토출압력전달수단과;
   상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관에 장착되며 상기 토출압력전달수단으로부터 전달되는 지하수의 토출압력을 근거로 하여 상기 지열 환수관을 개폐하는 환수측 차단밸브를 포함하되,
   상기 환수측 차단밸브는, 상기 지열 환수관에 연결되며 내부의 유로를 통해 지하수의 환수를 유도하는 차단밸브 하우징, 상기 차단밸브 하우징 내부에 상기 차단밸브 하우징 내부의 유로를 개폐하도록 장착되며 상기 토출압력전달수단으로부터 전가되는 토출 압력을 근거로 하여 기준 토출 압력이상이면 상기 차단밸브 하우징의 유로를 개방하는 한편 기준 토출 압력이하이면 탄성력에 의해 상기 차단밸브 하우징의 유로를 폐쇄하는 환수 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
   
10. 삭제
11. 지열공으로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관에 장착되며 지하수의 토출압력을 공급하는 토출압력전달수단과;
    상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관에 장착되며 상기 토출압력전달수단으로부터 전달되는 지하수의 토출압력을 근거로 하여 상기 지열 환수관을 개폐하는 환수측 차단밸브를 포함하되,
    상기 환수측 차단밸브는 차단밸브 하우징의 내부에 지하수의 환수방향을 따라 전후진 가능하게 장착되며 기준 토출압력 이하이면 탄성부재의 탄성력에 의해 이동하여 둘레부가 차단밸브 하우징의 내벽에 돌출 형성된 밸브시트에 지지됨으로써 차단밸브 하우징 내부의 유로를 폐쇄하고 기준 토출 압력이상이면 상기 밸브시트로부터 이격되어 지하수의 환수가 이루어지도록 하는 환수 밸브판인 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
12. 청구항 9에 있어서, 상기 환수 밸브는 길이방향의 양측이 개방된 관형으로 기준 토출압력 이상이면 상기 토출압력전달수단을 통해 압축되어 내부의 유로를 폐쇄하는 한편, 기준 토출압력 이하이면 자체 탄성력에 의해 내부의 유로를 개방하는 환수 밸브관인 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
13. 수중에 설치되어 지하수를 양수하는 양수펌프의 운전 상태를 감지하는 펌프 센서와;
    열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 지중의 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되어 상기 지열 환수관을 개폐하는 환수관 밸브와;
    급수측 배관에 설치되어 지하수의 급수를 감지하는 수류센서 또는 압력센서와;
    상기 펌프 센서의 감지 값 및 상기 수류센서 또는 압력센서의 감지 값을 근거로 하여 양수펌프의 가동시 상기 환수관 밸브를 통해 상기 환수관을 개방하는 한편 양수펌프의 정지시 상기 환수관 밸브를 통해 상기 지열 환수관을 폐쇄 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
14. 지중 지열공에 설치된 양수펌프로부터 양수되는 지하수를 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하는 지열 토출관에 설치되어 상기 지열 토출관을 따라 흐르는 지하수의 양 또는 압력을 검출하는 지하수 센서와;
    상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과한 지하수를 지중의 지열공에 환수하는 지열 환수관에 설치되어 상기 지열 환수관을 개폐하는 것으로 전동밸브와 다이아프램밸브 및 뉴메틱밸브 중 어느 하나의 환수관 밸브와;
    상기 지하수 센서의 감지 값을 근거로 하여 지열 토출관을 따라 흐르는 지하수의 양 또는 압력이 기준치를 만족하면 상기 환수관 밸브를 통해 상기 지열 환수관을 개방하는 한편 지하수의 양 또는 압력이 기준치를 만족하지 못하면 상기 환수관 밸브를 통해 상기 지열 환수관을 폐쇄 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.
15. 지중에 형성되는 지열공과;
    상기 지열공 내부의 지하수를 급수하는 급수수단과;
    상기 급수수단을 통해 급수되는 지하수와 열교환하는 열교환수단과;
    일측이 상기 열교환수단과 연결되는 한편 타측이 상기 지열공에 연결되어 상기 열교환수단을 통과한 지하수를 상기 지열공에 환수하는 지열 환수관을 포함하는 환수수단과;
    상기 환수수단의 지열 환수관의 개폐를 제어하되, 급수측 토출압력 또는 펌프 센서 또는 지하수 센서 신호를 받아 지열 환수관을 개폐하는 청구항 1, 청구항 2, 청구항 5, 청구항 9, 청구항 11, 청구항 13, 청구항 14 중 어느 한 항의 지열 환수관 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템을 포함하는 지열 시스템.
16. 다수의 지열공에 각각 설치되어 각각의 지열공으로부터 양수되는 지하수를 토출하는 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)과;
    상기 다수의 지열 토출관이 취합되어 다수의 지열 토출관을 통해 토출되는 지하수를 통합하는 토출관 햇더(20)와;
    상기 토출관 햇더와 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프(30)에 연결되어 상기 토출관 햇더에서 통합된 지하수를 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프에 공급하여 지열의 열교환이 이루어지도록 하는 지하수 급수관(40)과;
    상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프와 연결되어 상기 열교환기 또는 열교환기가 내장된 히트펌프를 통과하면서 열교환된 지하수를 회수하는 지하수 회수관(50)과;
    상기 지하수 회수관과 연결되어 지하수를 환수하는 환수관 햇더(60)와;
    상기 다수의 지열공에 각각 설치되면서 상기 환수관 햇더에 연결되어 상기 환수관 햇더에 환수된 지하수를 분배받아 각각의 지열공에 환수하는 다수의 지열 환수관(70-1,70-2,70-3,70-4)과;
    상기 다수의 지열 환수관에 각각 설치되어 상기 지열 환수관을 통해 각각의 지열공에 환수되는 지하수의 역류를 방지하는 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)를 포함하며, 상기 다수의 지열 토출관(10-1,10-2,10-3,10-4)으로부터 인출된 압력값을 인출하여 상기 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)를 차단하되,
    상기 역류방지밸브(71-1,71-2,71-3,71-4)는 전자밸브로서 상기 지열 토출관에서 각각 인출된 토출압력의 신호값을 컨트롤러(C)를 통해 감지하여 상기 컨트롤러의 제어를 통해 작동하거나, 상기 지열 환수관에서 인출한 압력의 세기와 상기 지열 토출관에서 인출한 압력의 세기를 이용하여 토출압력이 없을 때 작동하여 폐쇄되도록 함으로써 운전되지 않거나 고장된 지열공에 대하여는 환수되는 지하수의 역류가 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 지열 환수관 제어 시스템.

Images