KR102090954B1 - 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템 - Google Patents

Abstract

지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중열교환기 성능 향샹 시스템이 개시된다. 상기 지중 열교환시스템은 중공 형상의 지중열교환기공, 상기 지중열교환기공의 외부에 구비된 지열히트펌프, 열매체가 상기 지열히트펌프로 공급되는 공급라인, 상기 지열히트펌프에서 열교환된 열매체가 환수되는 환수라인, 열매체를 이동시키는 열매체순환펌프, 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공 외부로 추출하는 지하수추출라인, 상기 지중열교환기공 외부에 구비된 물탱크, 상기 물탱크에 연결된 입출력라인 및 상기 지중열교환기공 내부에 구비되며 일측이 상기 지하수추출라인과 연결되어 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공 외부로 추출시키는 지하수추출펌프를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 교체함으로써 열교환 효율이 뛰어나고 안정적인 운용이 가능하다.

Description

지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템{GEOTHERMAL HEAT EXCHANGING SYSTEM USING AUTOMATIC CONTROL DEVICE FOR UNDERGROUND WATER EXTRACTION}

본 발명은 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중열교환기공 내의 지하수를 추출하여 열교환 효율을 향상시키는 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템에 관한 것이다.

일반적으로 지열교환이란 지하수를 굴착하여 지중에 존재하는 지하수가 갖고 있는 고유열 및 지중의 열을 이용하여 열교환하는 것을 통칭하는 것으로서, 일반적으로 지표 하부를 100m 이상 500m 내외의 깊은 깊이로 굴착한 후, 이곳에 열교환을 위한 파이프를 묻거나 지하수를 양수한 후, 지하수가 갖고 있는 열을 열교환기나 히트펌프를 사용하여 회수하도록 되어 있다.

개방형 지중열교환시스템은 지중에 설치된 심정펌프를 이용해 지하수를 지상으로 양수하여 히트펌프의 운전 중 발생하는 응축열이나 증발열을 흡수한 뒤 다시 지중으로 환수시키고, 지하 심정으로 되돌아온 지하수는 주위의 땅과 열교환 하면서 본연의 온도를 회복한 뒤 다시 심정펌프에 의해 지상의 히트펌프로 재순환되면서 히트펌프의 연속적인 운전이 가능하도록 구성된 설비이다.

밀폐형 지중열교환시스템은 지상에는 열매체 순환펌프와 히트펌프가 설치되고, 지중으로 수직 200~250m 정도의 깊이로 천공된 지중홀 내부에 U자 형태로 구부려진 밀폐순환배관을 삽입하여 배관 내부에 흐르고 있는 열매체가 주위의 땅과 간접 열교환하면서 히트펌프로부터 흡수한 증발열이나 응축열을 방출하도록 구성된 설비이다.

밀폐형 지중열교환시스템에서는 지상과 땅 속에 설치된 전체의 배관이 밀폐된 구조여서 지상의 배관에 열매체 순환펌프를 설치하여 배관 내에 열매체를 순환시킨다. 그러나 개방형 지중열교환시스템은 심정 속의 지하수를 지상으로 퍼올려야 하기 때문에 심정 내부에 심정펌프를 설치하고 있다.

이와 같은 지열교환에서 20m 이하의 지중 온도는 사계절의 변함없이 대부분 일정한 온도를 연중 유지하고 있으므로 친환경적이며 연중 운전이 가능한 안정적인 에너지 공급원이 될 수 있다.

일반적으로 지열교환의 효율은 지하수량이 많을수록 지중열교환기를 통한 전열량이 많아져서 열교환 효율이 향상된다. 그러나 우물공의 물넘침이 발생할 경우 주변 공간 훼손, 인근 주택 민원 발생, 주변 토사 유출 등의 문제점이 있으므로 지하수량은 적정 수위를 유지하는 것이 좋다.

또한, 시간이 경과함에 따라 지하수의 투수성이 저하되며 원활한 지하수의 대류가 어렵고, 장시간의 지중열교환시스템의 운용시 지중의 지하수는 적체된 상태로 열교환이 됨에 따라 점차 온도가 낮아지게 되므로 열교환 효율이 낮아진다.

대한민국 등록특허 제 10-1609382호 대한민국 등록특허 제 10-1359394호

위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 열교환의 효율이 향상되는 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 제공하는 것이다.

또한, 지중의 지하수위를 적절히 조절 가능한 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템은 지표에서 일정 깊이로 관입되어 설치되는 중공 형상의 지중열교환기공, 지중열교환기공의 외부에 구비된 지열히트펌프, 지중열교환기공 내부의 지하수와 열교환된 열매체가 지열히트펌프로 공급되는 공급라인, 지열히트펌프에서 열교환된 열매체가 지중열교환기공의 내부로 환수되는 환수라인, 공급라인 또는 환수라인과 결합되며 내부의 열매체를 이동시키는 열매체순환펌프, 일단이 지중열교환기공 내부에 위치되어 지중열교환기공 내부의 지하수를 지중열교환기공 외부로 추출하는 지하수추출라인, 지중열교환기공 외부에 구비되며 상기 지하수추출라인과 연결되어 상기 지하수추출라인을 통해 추출되는 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 저장 가능한 물탱크, 물탱크와 일측이 연결되며 물탱크에 저장되는 지하수를 외부로 배출하거나 물탱크 외부의 물을 물탱크 내부로 주입하는 입출력라인 및 지중열교환기공 내부에 구비되며 일측이 지하수추출라인과 연결되어 지중열교환기공 내부의 지하수를 지중열교환기공 외부로 추출시키는 지하수추출펌프를 포함한다.

또한, 공급라인과 환수라인은 지중열교환기공 내부에서 서로 연결되어 열매체를 순환시킬 수 있다.

또한, 공급라인에 결합되며 공급라인을 이동하는 열매체의 온도를 측정하는 제1 온도측정센서 및 환수라인에 결합되며 환수라인을 이동하는 열매체의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 제1 온도측정센서 및 제2 온도측정센서의 측정값에 따라 열교환 효율값을 산출하고, 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 지하수추출펌프를 작동시키는 제1 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

또한, 물탱크와 연결되고 물탱크에 저장된 물이 지중열교환기공 내부로 공급되는 외부공급라인, 외부공급라인에 결합되어 외부공급라인의 물 공급을 차단하는 제2 연동밸브를 포함할 수 있다.

또한, 지중열교환기공 내부에 구비되어 지하수의 수위를 측정하는 수위측정센서 및 수위측정센서에서 측정된 지하수의 수위가 기준치 이하인 경우 제2 연동밸브를 개방시키는 제2 컨트롤러를 포함할 수 있다.

또한, 공급라인 또는 환수라인에는 열매체의 순환을 차단하는 제3 연동밸브가 결합되고, 제1 컨트롤러는 상기 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 제3 연동밸브가 열매체의 순환을 차단하도록 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템은 지표에서 일정 깊이로 설치되는 우물공, 우물공으로부터 지중으로 관입되는 중공 형상의 지중열교환기공, 지중열교환기공의 외부에 구비된 지열히트펌프, 지중열교환기공 내부의 지하수가 지열히트펌프로 공급되는 지하수공급라인, 지중열교환기공 내부에 구비되고 지하수공급라인과 연결된 지하수공급펌프, 지열히트펌프에서 열교환된 지하수가 지중열교환기공의 내부로 환수되는 지하수환수라인, 일단이 지중열교환기공 내부에 위치되어 지중열교환기공 내부의 지하수를 지중열교환기공 외부로 추출하는 지하수추출라인, 지중열교환기공 외부에 구비되며 상기 지하수추출라인과 연결되어 상기 지하수추출라인을 통해 추출되는 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 저장 가능한 물탱크, 물탱크와 일측이 연결되며 물탱크에 저장되는 지하수를 외부로 배출하거나 물탱크 외부의 물을 물탱크 내부로 주입하는 입출력라인 및 지중열교환기공 내부에 구비되며 일측이 지하수추출라인과 연결되어 지중열교환기공 내부의 지하수를 지중열교환기공 외부로 추출시키는 지하수추출펌프를 포함할 수 있다.

또한, 지하수공급라인과 지하수환수라인은 지중열교환기공 내부에서 서로 이격되어 지하수를 순환시킬 수 있다.

지하수공급라인에 결합되며 지하수공급라인을 이동하는 지하수의 온도를 측정하는 제1 온도측정센서 및 지하수환수라인에 결합되며 지하수환수라인을 이동하는 지하수의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 제1 온도측정센서 및 제2 온도측정센서의 측정값에 따라 열교환 효율값을 산출하고, 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 지하수추출펌프를 작동시키는 제1 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

또한, 물탱크와 연결되고 물탱크에 저장된 물이 상기 지중열교환기공 내부로 공급되는 외부공급라인 및 외부공급라인에 결합되어 외부공급라인의 물 공급을 차단하는 제2 연동밸브를 포함할 수 있다.

또한, 지중열교환기공 내부에 구비되어 지하수의 수위를 측정하는 수위측정센서 및 수위측정센서에서 측정된 지하수의 수위가 기준치 이하인 경우 상기 제2 연동밸브를 개방시키는 제2 컨트롤러를 포함할 수 있다.

또한, 지하수공급라인 및 지하수환수라인에는 지하수의 이동을 차단하는 제3 연동밸브가 결합되고, 상기 제1 컨트롤러는 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 제3 연동밸브가 상기 지하수의 이동을 차단하도록 제어할 수 있다.

위와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따르면 열교환 효율값을 산출하고 이에 따라 지중열교환기공 내의 지하수가 교체되므로 열교환 효율이 높고, 지중열교환기공 내의 지하수 수위를 적정수위로 관리할 수 있다.

또한, 연동밸브 및 컨트롤러가 구성되어 열교환 효율의 유지관리가 자동으로 제어된다는 장점이 있다.

또한, 지중열교환기공 외부에 물탱크를 구비하고 물탱크와 연결된 입출력라인이 구비됨으로써 지하수 자원을 생활용수 등으로 활용할 수 있어 친환경적이고 경제적이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지중열교환기공 내부의 지하수 수위변화를 나타낸 상태도이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러의 제어를 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

이하 본 발명의 일실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중열교환기 성능 향샹 시스템에 대하여 구체적으로 설명한다.

제1 실시예.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지중열교환기공(100) 내부의 지하수 수위변화를 나타낸 상태도이다.

도1을 참조하면, 본 발명의 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템은 지표에서 일정 깊이로 관입되어 설치되는 중공 형상의 지중열교환기공(100), 상기 지중열교환기공(100)의 외부에 구비된 지열히트펌프(20), 지중의 지하수와 열교환하는 열매체가 상기 지열히트펌프(20)로 공급되는 공급라인(110), 상기 열매체가 상기 지중열교환기공(100)의 내부로 환수되는 환수라인(120), 상기 열매체를 이동시키는 열매체순환펌프(130), 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 지중열교환기공(100) 외부로 추출하는 지하수추출라인(310), 상기 지중열교환기공(100) 외부에 구비되며 상기 지하수추출라인(310)을 통해 추출되는 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 저장 가능한 물탱크(300), 물탱크(300)와 일측이 연결되며 물탱크(300)에 저장되는 지하수를 외부로 배출하거나 물탱크(300) 외부의 물을 물탱크(300) 내부로 주입하는 입출력라인(350) 및 상기 지하수추출라인(310)과 연결되어 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공(100) 외부로 추출시키는 지하수추출펌프(320)를 포함하고, 상기 공급라인(110)과 환수라인(120)은 상기 지중열교환기공(100) 내부에서 서로 연결되어 상기 열매체를 순환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공급라인(110)에는 내부에서 이동하는 열매체의 온도를 측정하는 제1 온도측정센서(111)가 결합될 수 있고, 상기 환수라인(120)에는 제2 온도측정센서(121)가 결합될 수 있다.

상기 지중열교환기공(100)은 지표에서 일정 깊이로 관입되어 설치된다. 중공형상으로 내부에 수용공간을 갖고, 관입 깊이는 지중열교환기의 방식, 지중의 상태, 사용목적에 따라 달라진다.

상기 지중열교환기공(100)은 지중의 지하수가 상기 지중열교환기공(100) 내부로 유입 또는 유출되도록 복수의 개구부가 형성될 수 있다. 상기 개구부의 형성은 상기 지중열교환기공(100)의 높이에 따라 개수, 형상, 위치 등이 달라질 수 있으며, 상기 지중열교환기공(100)의 일부는 그라우팅될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 상기 지중열교환기공(100)의 상부는 지하수의 유입 또는 유출이 차단되도록 그라우팅될 수 있고, 하부는 개구부가 형성되거나 나공상태일 수 있다. 다른 일실시예에서 상기 지중열교환기공(100)은 나공상태로 구성될 수 있다. 상기 지중열교환기공(100)의 그라우팅 및 나공상태의 구성은 지중의 투수성 및 지하수 상태 등을 기준으로 판단되어 구성된다.

상기 그라우팅은 지중열교환기공(100) 주변 또는 지중열교환기공(100) 내부에 각종 시멘트, 모르타르, 약제 등의 그라우트를 주입하는 것으로, 상기 그라우트는 벤토나이트 그라우트 또는 시멘트 그라우트 등이 사용된다.

또한, 상기 나공상태는 지중의 지하수의 투수성이 높아지도록 그라우팅 등의 추가공정을 하지 않은 상태를 말한다.

상부가 그라우팅되고 하부가 나공상태로 구성되는 지중열교환기공(100)을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 지중 열교환시스템은, 상기 지중열교환기공(100)의 상부에서 상기 지중에 존재하는 지하수의 대류가 차단되고, 하부에서만 상기 지하수가 대류되므로 지중의 대수층 상태 및 지하수위에 영향을 거의 받지 않고 지중열교환기공(100) 내부에서 일정 수준의 지하수 수위를 확보할 수 있다.

또한 상기 지하수추출펌프(320)로 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 추출하는데 상기 지중열교환기공(100) 상부에서 지하수의 대류에 따른 간섭없이 목표한 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 적정수위까지 추출할 수 있다. 나아가 상기 지하수추출펌프(320)의 최소운전유량을 확보하기도 용이해진다.

상기 지중열교환기공(100)의 외부에 설치되는 지열히트펌프(20)는 지중의 지열을 이용하여 난방 또는 냉방을 하는 설비를 의미한다.

상기 공급라인(110)은 일측이 상기 지중열교환기공(100)의 내부에 구비되고 타측이 상기 지열히트펌프(20)와 연결된다. 공급라인(110)의 내부는 열매체가 이동한다. 상기 공급라인(110)에는 상기 열매체의 온도를 측정할 수 있는 제1 온도측정센서(111)가 구비될 수 있다.

상기 환수라인(120)은 일측이 상기 지열히트펌프(20)와 연결되고 타측이 상기 지중열교환기공(100) 내부에 구비된다. 상기 공급라인(110)의 열매체는 상기 지열히트펌프(20)에서 열을 흡수 또는 방출한 후 상기 환수라인(120) 내부로 이동하며, 상기 환수라인(120) 내부의 열매체는 다시 지중열교환기공(100) 내부로 이동하여 상기 지하수와 열교환한다.

상기 환수라인(120)에는 상기 열매체의 온도를 측정할 수 있는 제2 온도측정센서(121)가 구비될 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에서 상기 공급라인(110) 및 환수라인(120)은 상기 지중열교환기공(100)의 내부에서 그 말단이 서로 연결되며, 상기 열매체는 상기 공급라인(110)과 환수라인(120)을 순환하게 된다. 상기 공급라인(110) 및 환수라인(120)의 연결은 U자형상의 튜브 등으로 연결될 수 있다.

상기 열매체의 순환은 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(120)과 결합된 열매체순환펌프(130)를 통하여 이루어지며, 상기 열매체순환펌프(130)는 상기 지열히트펌프(20)의 내부에 설치되거나 상기 지중열교환기공(100)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다.

상기 공급라인(110) 및 환수라인(120)에는 유량계, 체크밸브, 공기배출장치 등이 결합될 수 있으며, 다양한 장치가 추가로 결합될 수 있다.

상기 제1 온도측정센서(111)와 상기 제2 온도측정센서(121)는 제1 컨트롤러(30)와 연결될 수 있다. 상기 제1 컨트롤러(30)는 상기 제1 온도측정센서(111) 및 제2 온도측정센서(121)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제1 온도측정센서(111) 및 제2 온도측정센서(121)에서 측정된 열매체의 온도값을 전달받고, 이를 바탕으로 열교환 시스템의 효율을 산출한다.

상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수는 대수층 및 환경요인에 따라 지중열교환기공(100) 내부에서 정체될 수 있으며, 장기간의 지중 열교환시스템 운용에 따라 상기 정체된 지하수는 상기 지중열교환기공(100) 외부의 지하수 온도보다 높거나 낮아질 수 있다. 상기 제1 컨트롤러(30)는 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수 온도 변화에 따른 상기 열매체의 열교환 효율 정도를 산출하는 메커니즘으로서, 기준치 이하의 열교환 효율이 산출된 경우 특정 신호가 발생되도록 설계될 수 있다.

상기 공급라인(110) 또는 환수라인(120)에는 내부에서 순환되는 열매체의 이동을 차단하는 제3 연동밸브(112)가 결합될 수 있다. 상기 제3 연동밸브(112)는 상기 제1 컨트롤러(30)의 효율값에 따라 개폐될 수 있다. 상기 제1 컨트롤러(30)에서 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 상기 제3 연동밸브(112)는 닫히게 되고, 상기 공급라인(110) 및 추출라인의 내부에 존재하는 열매체는 일시적으로 이동이 차단될 수 있다.

상기 물탱크(300)는 상기 지중열교환기공(100)의 외부에 구비되며, 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수가 추출되어 일시적으로 저장된다. 상기 물탱크(300)는 상기 지하수추출라인(310)과 연결되며, 상기 지하수추출라인(310)은 상기 지중열교환기공(100) 내부에 구비되는 상기 지하수추출펌프(320)와 연결된다.

상기 물탱크(300)는 지하수를 저장할 수 있는 저수조 역할을 하며, 상기 물탱크(300)의 용량 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

상기 입출력라인(350)은 상기 물탱크(300)에 연결되며, 상기 물탱크(300)에 저장된 지하수 등은 상기 입출력라인(350)으로 배출되어 생활용수 등으로 사용된다. 또한, 상기 물탱크(300)는 상기 입출력라인(350)을 통하여 외부의 물이 주입되어 채워질 수 있다.

상기 지하수추출펌프(320)는 상기 지중열교환기공(100) 내부의 심정에 구비되어 상기 지하수를 상기 지중열교환기공(100) 외부로 추출한다. 또한, 상기 지하수추출펌프(320)에는 공지의 기술에 따라 유량계, 온도측정센서, 차단밸브 등이 결합될 수 있다.

상기 지하수추출라인(310)은 일측이 상기 물탱크(300)와 연결되고 타측이 상기 지하수추출펌프(320)와 연결되며, 상기 지하수추출펌프(320)로 추출되는 지하수가 상기 지하수추출라인(310)을 따라 이동하여 상기 물탱크(300)에 저장될 수 있다.

상기 지하수추출라인(310)에는 내부의 지하수 이동을 차단하는 제1 연동밸브(311)가 결합될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 상기 제1 연동밸브(311)는 상기 지하수추출펌프(320) 및 상기 제1 컨트롤러(30)와 전기적으로 연결되며, 상기 제1 컨트롤러(30)의 상기 특정 신호에 따라 개폐된다.

도 2를 참조하여 위의 메커니즘을 자세하게 설명하면, 상기 제1 컨트롤러(30)에서 산출된 효율값이 기준치 이하인 경우 상기 제1 컨트롤러(30)는 상기 제1 연동밸브(311)를 열리도록 하고, 상기 지하수추출펌프(320)를 작동시킨다. 상기 지하수추출펌프(320)가 작동되어 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수는 상기 지하수추출라인(310)을 통하여 상기 물탱크(300)에 저장된다. 내부의 지하수가 추출됨에 따라 상기 지중열교환기공(100) 내부의 수위는 일시적으로 낮아지며, 상기 지중에 존재하는 지하수가 상기 지중열교환기공(100) 내부로 유입된다. 지중열교환기공(100) 내부로 유입된 지하수는 지중의 열에 따라 일정한 온도를 갖는다.

장기간의 지중 열교환시스템의 운용에 의해 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수의 온도가 기준치보다 높거나 낮아 효율이 저하된 경우 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 추출하고, 상기 지중에 존재하는 지하수가 다시 유입되므로 일정한 열교환 효율이 유지되는 지중 열교환시스템이 가능하게 된다.

나아가 상기 지중열교환기공(100)의 내부에는 수위측정센서(321)가 구비되며 상기 수위측정센서(321)는 상기 제1 컨트롤러(30)와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 상기 지하수추출펌프(320)로 추출한 경우 상기 수위측정센서(321)에서 측정된 지하수 수위가 기준치 이하가 된다. 상기 제1 컨트롤러(30)는 기준치 이하의 수위가 측정되는 경우 상기 지하수추출펌프(320)의 작동이 중지되도록 특정 신호를 발생하게 된다. 반대로, 우수에 따른 지중열교환기공(100) 내부의 지하수 수위가 기준치 이상인 경우 상기 제1 컨트롤러(30)는 상기 지하수추출펌프(320)를 작동시키는 특정 신호가 발생된다. 상기와 같은 메커니즘은 지중 열교환시스템의 안정성 및 경제성을 보조하기 위함이다.

상기 외부공급라인(330)은 상기 물탱크(300)와 일측이 연결되고 상기 지중열교환기공(100)과 타측이 연결되어, 상기 물탱크(300)의 상기 지하수추출라인(310)을 통해 저장된 지하수 또는 상기 입출력라인(350)을 통해 주입된 물 등을 상기 지중열교환기공(100) 내부로 공급한다. 이 경우 상기 물탱크(300)에 연결된 상기 외부공급라인(330)의 일측과 상기 지중열교환기공(100)과 연결된 타측간의 높이차에 따라 중력에 의해 상기 물탱크(300)에 저장된 지하수 등의 물이 상기 지중열교환기공(100) 내부로 공급될 수 있다.

상기 외부공급라인(330)에는 제2 연동밸브(331)가 결합될 수 있으며, 상기 제2 연동밸브(331)의 개폐를 컨트롤하는 제2 컨트롤러(40)가 구비될 수 있다.

상기 제2 컨트롤러(40)는 상기 수위측정센서(321)와 전기적으로 연결되며, 상기 수위측정센서(321)에서 측정된 지하수 수위가 기준치 이하인 경우 상기 제2 연동밸브(331)가 열리도록 컨트롤한다. 상기 물탱크(300)에 저장된 물이 상기 외부공급라인(330)을 통하여 상기 지중열교환기공(100) 내부를 채우고, 상기 지하수 수위가 기준치를 회복한 경우 상기 제2 컨트롤러(40)는 상기 제2 연동밸브(331)가 닫히도록 컨트롤 한다.

상기 외부공급라인(330)의 일측에는 상기 물탱크(300)에 저장된 물을 상기 지중열교환기공(100) 내부로 공급하도록 외부공급펌프(340)가 결합될 수 있다. 상기 외부공급펌프(340)는 상기 제2 컨트롤러(40)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 컨트롤러(40)의 제어로 상기 제2 연동밸브(331)가 개방되는 경우에만 작동될 수 있다. 또한, 상기 외부공급펌프(340)는 상기 지중열교환기공(100) 외부에 구비되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러의 제어를 나타낸 블록도이다.

도 5를 참조하면, 상기 제1 컨트롤러(30) 및 제2 컨트롤러(40)는 하나의 컨트롤러로 통합될 수 있으며, 상기 제1 컨트롤러(30)와 제2 컨트롤러(40) 상호간에 신호교환될 수 있다. 또한 상기 제1 컨트롤러(30) 및 제2 컨트롤러(40)에 따라 본 발명의 목적범위 내에서 상기 지하수추출펌프(320), 상기 열매체순환펌프(130), 후술하는 지하수공급펌프(230) 및 상기 외부공급펌프(340)가 제어될 수 있을 것이다. 일예로서 상기 제1 컨트롤러(30)에서 산출된 상기 열교환 효율값이 낮은 경우 상기 제1 컨트롤러(30)는 상기 열매체순환펌프(130) 또는 상기 지하수공급펌프(230)의 작동을 중단하도록 제어하고, 상기 제1 컨트롤러(30)와 상기 제2 컨트롤러(40)가 신호교환하여 상기 제2 컨트롤러(40)가 상기 제2 연동밸브(331)를 닫히도록 제어하는 것을 생각할 수 있다.

제2 실시예

도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중열교환기 성능 향샹 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 3을 참조하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템은 지표에서 일정 깊이로 관입되어 설치되는 중공 형상의 지중열교환기공(100), 상기 지중열교환기공(100)의 외부에 구비된 지열히트펌프(20), 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수가 상기 지열히트펌프(20)로 공급되는 지하수공급라인(210), 상기 지중열교환기공(100) 내부에 구비되고 상기 지하수공급라인(210)과 연결된 지하수공급펌프(230), 상기 지열히트펌프(20)에서 열교환된 지하수가 상기 지중열교환기공(100)의 내부로 환수되는 지하수환수라인(220), 일단이 상기 지중열교환기공(100) 내부에 위치되어 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공(100) 외부로 추출하는 지하수추출라인(310), 상기 지중열교환기공(100) 외부에 구비되며 상기 지하수추출라인(310)과 연결되어 상기 지하수추출라인(310)을 통해 추출되는 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 저장 가능한 물탱크(300), 물탱크(300)와 일측이 연결되며 물탱크(300)에 저장되는 지하수를 외부로 배출하거나 물탱크(300) 외부의 물을 물탱크(300) 내부로 주입하는 입출력라인(350) 및 상기 지중열교환기공(100) 내부에 구비되며 일측이 상기 지하수추출라인(310)과 연결되어 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공(100) 외부로 추출시키는 지하수추출펌프(320)를 포함하고, 상기 지하수공급라인(210)과 지하수환수라인(220)은 상기 지중열교환기공(100) 내부에서 서로 이격되어 상기 지하수를 순환시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 지중열교환기공(100), 지열히트펌프(20), 지하수추출라인(310), 물탱크(300), 입출력라인(350) 및 지하수추출펌프(320)는 상기 제1 실시예의 해당 구성과 기능이 동일하다.

상기 지하수공급라인(210)은 상기 지중열교환기공(100) 내부에 유입되는 지하수를 상기 지열히트펌프(20)로 공급하며, 상기 지하수공급라인(210)의 일측은 상기 지중열교환기공(100)의 내부에 구비될 수 있고, 타측은 상기 지열히트펌프(20)와 연결될 수 있다. 상기 지중열교환기공(100)의 내부에는 상기 지하수공급라인(210)과 연결되는 지하수공급펌프(230)가 설치될 수 있다. 상기 지하수공급펌프(230)는 상기 지하수추출펌프(320)와 설치되는 위치가 다를 수 있다.

상기 지하수공급라인(210)에는 내부를 이동하는 지하수의 온도를 측정하는 제1 온도측정센서(111)가 결합될 수 있다.

상기 지하수환수라인(220)은 상기 지열히트펌프(20)에서 열교환된 지하수가 상기 지중열교환기공(100) 내부로 이동하는 통로역할을 하며, 상기 지하수환수라인(220)의 일측은 상기 지열히트펌프(20)와 연결되고, 타측은 상기 지중열교환기공(100)의 내부에 구비되도록 연장형성될 수 있다.

상기 지하수환수라인(220)에는 내부를 이동하는 지하수의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서(121)가 결합될 수 있다.

상기 지중열교환기공(100)의 내부에 구비된 지하수환수라인(220)은 상기 지중열교환기공(100) 내부에 구비된 지하수공급라인(210)의 말단 및 상기 지하수공급펌프(230)와 일정거리 이격된다. 상기 지중열교환기공(100) 내부에서 열교환된 지하수와 상기 지하수공급라인(210)으로 공급되는 지하수가 다른 온도를 갖도록 상기 지하수환수라인(220)의 말단은 상기 지중열교환기공(100)의 상부에 위치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 실시예에서 상기 제1 컨트롤러(30), 제2 컨트롤러(40), 제1 연동밸브(311), 제2 연동밸브(331), 제3 연동밸브(112), 외부공급라인(330), 수위측정센서(321), 외부공급펌프(340)를 더 포함할 수 있으며, 상기와 같은 구성은 본 발명의 제1 실시예의 해당구성과 기능이 동일하다.

제3 실시예

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지하수 추출 자동제어 장치에 의한 지중 열교환시스템을 나타낸 개략도이다.

도 4를 참조하면, 상기 지중열교환기공(100)은 복수개로 이루어지고, 적어도 어느 하나의 지중열교환기공(100)은 상기 제1 실시예에 따른 지중 열교환시스템이 구성되고, 다른 어느 하나 이상은 상기 제2 실시예에 따른 지중 열교환시스템이 구성되며 상기 제1 실시예에 따른 지중 열교환시스템과 상기 제2 실시예에 따른 지중 열교환시스템은 서로 연결될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 하나의 물탱크(300)로 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수 수위를 관리하는 동시에, 열교환 효율에 따라 선택적으로 상기 제1 실시예 또는 제2 실시예의 상기 지중열교환기공(100) 내부의 지하수를 추출하여 효율성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 지중의 지하수 보유상황 및 대수층의 상태에 따라 상기 지중열교환기공(100)들의 내부 수위는 달라질 수 있고, 이에 따라 상기 열교환 효율이 달라질 수 있다. 상기 열교환효율에 따라 상기 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 지중 열교환시스템중 어느 하나만 운용하거나 모두 운용할 수 있도록 함으로써 더욱 유지관리의 경제성이 확보된다.

20 : 지열히트펌프 30 : 제1 컨트롤러
40 : 제2 컨트롤러 100 : 지중열교환기공
110 : 공급라인 111 : 제1 온도측정센서
112 : 제3 연동밸브 120 : 환수라인
121 : 제2 온도측정센서 130 : 열매체순환펌프
210 : 지하수공급라인 220 : 지하수환수라인
230 : 지하수공급펌프 300 : 물탱크
310 : 지하수추출라인 311 : 제1 연동밸브
320 : 지하수추출펌프 321 : 수위측정센서
330 : 외부공급라인 331 : 제2 연동밸브
340 : 외부공급펌프 350 : 입출력라인

Claims (10)

1. 지표에서 일정 깊이로 관입되어 설치되는 중공 형상의 지중열교환기공;
   상기 지중열교환기공의 외부에 구비된 지열히트펌프;
   상기 지중열교환기공 내부의 지하수와 열교환된 열매체가 상기 지열히트펌프로 공급되는 공급라인;
   상기 지열히트펌프에서 열교환된 상기 열매체가 상기 지중열교환기공의 내부로 환수되는 환수라인;
   상기 공급라인 또는 환수라인과 결합되며 상기 열매체를 이동시키는 열매체순환펌프;
   일단이 상기 지중열교환기공 내부에 위치되어 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공 외부로 추출하는 지하수추출라인;
   상기 지중열교환기공 외부에 구비되며 상기 지하수추출라인과 연결되어 상기 지하수추출라인을 통해 추출되는 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 저장할 수 있는 물탱크;
   상기 물탱크와 일측이 연결되며 상기 물탱크에 저장되는 상기 지하수를 외부로 배출하거나 상기 물탱크 외부의 물을 상기 물탱크 내부로 주입하는 입출력라인;
   상기 지중열교환기공 내부에 구비되며 일측이 상기 지하수추출라인과 연결되어 상기 지중열교환기공 내부의 지하수를 상기 지중열교환기공 외부로 추출시키는 지하수추출펌프;
   상기 공급라인에 결합되며 상기 공급라인을 이동하는 상기 열매체의 온도를 측정하는 제1 온도측정센서;
   상기 환수라인에 결합되며 상기 환수라인을 이동하는 상기 열매체의 온도를 측정하는 제2 온도측정센서; 및
   상기 제1 온도측정센서 및 상기 제2 온도측정센서의 측정값에 따라 열교환 효율값을 산출하고, 상기 산출된 열교환 효율값이 기준치 이하인 경우 상기 지하수추출펌프를 작동시키는 제1 컨트롤러;를 포함하고,
   상기 공급라인과 환수라인은 상기 지중열교환기공 내부에서 서로 연결되어 상기 열매체를 순환시키고,
   상기 공급라인 또는 환수라인에는 상기 열매체의 순환을 차단하는 제3 연동밸브가 결합되고,
   상기 제1 컨트롤러는 상기 산출된 상기 열교환 효율값이 기준치 이하인 경우 상기 제3 연동밸브가 닫혀 상기 열매체의 순환을 차단하도록 제어하며,
   상기 지중열교환기공 내부의 지하수 온도가 기준치보다 높거나 낮은 경우 상기 지하수 추출라인에 의하여 상기 지중열교환기공으로부터 지하수를 추출함으로써 지중의 지하수가 상기 지중열교환기공으로 유입되게 하여, 일정한 열교환 효율이 유지되는 것을 특징으로 하는 지중 열교환시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 물탱크와 연결되며, 상기 물탱크로부터 상기 지중열교환기공 내부로 물공급하는 외부공급라인; 및
   상기 외부공급라인에 결합되어 상기 물탱크로부터 상기 지중열교환기공 내부로 물공급을 차단하는 제2 연동밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 열교환시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 지중열교환기공 내부에 구비되어 상기 지하수의 수위를 측정하는 수위측정센서; 및 상기 수위측정센서에서 측정된 상기 지하수의 수위가 기준치 이하인 경우 상기 제2 연동밸브를 개방시키는 제2 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 열교환시스템.
   
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