KR102151268B1 - 지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법 - Google Patents

지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법 Download PDF

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Abstract

지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법에 관한 발명이다. 본 발명의 지하수정호 결합 복합 지열시스템은, 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정, U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정, 그리고 대구경 관정을 포함하며, 상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정, 상기 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정, 그리고 상기 대구경 관정을 적용함에 있어서 내부에 그라우팅을 하지 않고 양수를 수행하여 지속적으로 유입되는 지하수로부터 열교환이 이루어지도록 함으로써 지열과 지하수열을 동시에 활용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법{Combined wells geothermal system and performance estimation method therefor}
본 발명은, 지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 장점을 취합하여 설계함으로써 지열 및 지하수열을 효과적으로 이용할 수 있고, 나아가 시스템 구축의 편의성을 도모하면서도 유지 관리가 종래보다 수월해질 수 있는 지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법에 관한 것이다.
최근에 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경적인 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
대체 에너지 중에서도 친환경적이고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양광, 지열 등의 대체 에너지 개발 사업이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체 에너지를 이용한 냉난방장치가 적극 개발되어 사용되고 있다.
이들 에너지원은 공기오염과 기후조건에 거의 제약을 받지 않고 연중 운전이 가능하며, 열저장이나 수송을 필요로 하지 않는 안전한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 대단히 낮다는 단점도 갖는다.
특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치 장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 날씨 및 풍량에 영향을 많이 받으므로 설치 지역이 한정되어 있으며, 이들 장치는 단위 장치 당 에너지 생산용량이 적고, 초기 투자비용 및 유지 관리 비용이 많이 소요되는 것으로 알려져 있다.
따라서 설치 및 유지관리에 상대적으로 저렴한 비용이 소요되는 지열에너지를 이용한 냉난방장치들이 많이 개발되어 이용되고 있다.
도 1 내지 도 5는 종래기술에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 과정을 단계적으로 도시한 도면들이다. 이들 도면을 참조해서 종래의 지열시스템에 적용되는 관정 구조에 대해 알아본다.
우선, 도 1처럼 보링이나 오거와 같은 굴착 장비를 이용하여 약 30m의 깊이로 지반을 굴착한 후, 구멍 내부에 CIP(Cast Inplace Pile) 케이싱(1)을 삽입한다. CIP 케이싱(1)은 30m 이상의 길이를 가지고, 400~600㎜의 지름을 가질 수 있다.
CIP 케이싱(1)의 삽입이 완료되면 도 2처럼 CIP 케이싱(1)의 내부를 통해 굴착 비트와 같은 천공 장비를 삽입하여 CIP 케이싱(1) 내부 저면 중앙부를 이의 지름보다 작게 암반층을 약 5m 정도를 천공한 후 관정용 케이싱(3)을 삽입하여 고정한다. 이때, 관정용 케이싱(3)은 CIP 케이싱(1)에서 더 돌출되도록 35m를 초과하는 길이로 형성된다.
관정용 케이싱(3)을 삽입하여 고정이 완료되면 도 3처럼 이 관정용 케이싱(3) 내부를 통해 굴착비트와 같은 천공 장비(B)를 삽입하여 암반층을 설계 깊이까지 천공하여 관정(T)을 형성한다.
그런 다음, 도 4처럼 내부 구조물(10) 즉 물 유입 파이프(11), 물 배출 파이프(13), 심정 펌프(15)를 설치한다. 또한, 내부에 여과 사리(17)를 선택적으로 충전할 수 있다.
내부 구조물(10)의 설치가 완료되면 도 5처럼 CIP 케이싱(1)과 관정용 케이싱(3) 사이에 모르타르(M)를 충진해서 양생시킨다.
한편, 최근의 시설 농업은 작물의 생육 온도를 유지하기 위해 연료를 사용하여 난방을 하고, 부가적으로 동해를 방지하시 위하여 수막 보온시설을 사용하는 것이 일반적이다. 지하수는 연중 온도가 일정하기 때문에 시설 농업의 난방열원으로 이용하기에 유리하기 때문이다.
하지만, 수막 보온시설은 지하수의 열에너지 중에서 극히 일부분만 사용하고 대부분의 에너지는 사용하지 못하는 상황이다.
이에, 시설 농업에 사용되는 수막보온 시설의 지하수에 포함되어 있는 열에너지를 보다 효율적으로 이용하는 방안이 필요한 실정이다.
국내에서 사용되는 지열시스템은 크게, 밀폐형과 개방형 SCW(Standing Column Well)로 구분되는데, 각기 장단점이 있는 것으로 알려져 있다. 즉 밀폐형 지열시스템은 열교환 효율이 낮고, 다수의 지열공이 필요하여 효율성과 경제성이 낮으며, 개방형 지열시스템은 장심도의 천공이 필요하여 시공과 유지 관리가 어렵다.
특히, 도 1 내지 도 5와 같은 방법으로 지열시스템에 대한 관정을 진행하는 경우, 도 5처럼 모르타르(M)를 충진해서 양생시키는 이른 바 그라우팅 공정이 수반되어야 하는데, 이 경우, 유지 관리에 어려움이 많다.
따라서 밀폐형 지열시스템과 개방형 지열시스템의 단점을 보완하여 지열 및 지하수열을 동시에 이용할 수 있는 복합 지열시스템의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국특허청 출원번호 제10-2008-0030532호 대한민국특허청 출원번호 제10-2013-0107126호 대한민국특허청 출원번호 제10-2016-0142200호 대한민국특허청 출원번호 제10-2017-0012593호
본 발명의 목적은, 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 장점을 취합하여 설계함으로써 지열 및 지하수열을 효과적으로 이용할 수 있고, 나아가 시스템 구축의 편의성을 도모하면서도 유지 관리가 종래보다 수월해질 수 있는 지하수정호 결합 복합 지열시스템 및 그 성능 평가방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정, U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정, 그리고 대구경 관정을 포함하며, 상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정, 상기 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정, 그리고 상기 대구경 관정을 적용함에 있어서 내부에 그라우팅을 하지 않고 양수를 수행하여 지속적으로 유입되는 지하수로부터 열교환이 이루어지도록 함으로써 지열과 지하수열을 동시에 활용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 지하수정호 결합 복합 지열시스템에 의해 달성된다.
상기 코액셜 타입 소구경 관정은, 외관을 형성하는 제1 관정 케이싱; 상기 제1 관정 케이싱 내의 일측에 마련되는 제1 스테인리스관; 상기 제1 스테인리스관의 일측에 연결되는 제1 물 유입부; 상기 제1 스테인리스관 내에 배치되는 제1 물 배출용 PE관; 상기 제1 관정 케이싱 내의 타측에 마련되는 제1 취수관; 및 상기 제1 취수관에 연결되는 제1 수중펌프를 포함하며, 상기 제1 관정 케이싱의 길이는 150m이고, 상기 제1 스테인리스관의 직경은 76.3mm, 상기 제1 물 배출용 PE관의 직경은 40mm, 상기 제1 취수관의 직경은 50mm, 상기 제1 수중펌프의 직경은 100mm일 수 있다.
상기 U-튜브 타입 소구경 관정은, 외관을 형성하는 제2 관정 케이싱; 상기 제2 관정 케이싱 내에 마련되는 한 쌍의 제2 스테인리스관; 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관의 일측에 연결되는 제2 물 유입부; 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관을 연결하는 연결부; 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관 사이에 배치되는 제2 취수관; 및 상기 제2 취수관에 연결되는 제2 수중펌프를 포함하며, 상기 제2 관정 케이싱의 길이는 150m이고, 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관의 직경은 42.7mm, 상기 제2 취수관의 직경은 50mm, 상기 제2 수중펌프의 직경은 100mm일 수 있다.
상기 대구경 관정은, 외관을 형성하는 제3 관정 케이싱; 상기 제3 관정 케이싱 내의 둘레 방향을 따라 방사상으로 배치되는 다수의 제3 스테인리스관; 상기 제3 스테인리스관들의 일측에 각각 연결되는 다수의 제3 물 유입부; 상기 제3 스테인리스관들 내에 각각 배치되는 다수의 제3 물 배출용 PE관; 상기 제3 관정 케이싱의 중심부에 형성되는 취수정; 상기 취수정 내의 중심부에 배치되는 제3 취수관; 및 상기 제3 취수관에 연결되는 제3 수중펌프를 포함하며, 상기 제3 관정 케이싱의 길이는 40m이고, 상기 제3 스테인리스관의 직경은 139.8mm, 상기 제3 물 배출용 PE관의 직경은 40mm, 상기 취수정의 직경은 400mm, 상기 제3 취수관의 직경은 50mm, 상기 제3 수중펌프의 직경은 100mm일 수 있다.
상기 관정들의 경우, 열교환기를 관정에 설치하는 경우에 발생할 수 있는 꼬임 현상을 방지할 수 있도록 코액셜 타입(Coaxial type)의 파이프(pipe)를 설치하며, 입지 여건에 따라 지하수를 많이 확보할 수 있는 충적 대수층 지역에서는 상기 대구경 관정을 적용한 지열시스템이 적용되며, 지하수를 많이 확보하기 어려운 암반 대수층 지역에서는 상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정 또는 상기 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정을 적용한 지열시스템이 적용될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정, U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정, 그리고 대구경 관정을 포함하는 지하수정호 결합 복합 지열시스템의 성능 평가방법으로서, 3차원 대수층에서 지하수 유동은 질량보전의 법칙과 Darcy의 법칙을 사용하여 다음의 [수학식 1]처럼 미분방정식으로 표현되며,
[수학식 1]
Figure 112018083999562-pat00001
(여기서
Figure 112018083999562-pat00002
는 각각 3차원 직교좌표의 변위이고,
Figure 112018083999562-pat00003
는 대수층의 수리전도도이고, h는 지하수위이고,
Figure 112018083999562-pat00004
는 지하수의 유입 및 유출을 의미하고,
Figure 112018083999562-pat00005
는 대수층의 비저유계수이고,
Figure 112018083999562-pat00006
는 시간임)
3차원 대수층에서 지열의 유동은 에너지 보존법칙에 따라서 다음의 [수학식 2]처럼 미분방정식으로 표현되며,
[수학식 2]
Figure 112018083999562-pat00007
(여기서
Figure 112018083999562-pat00008
는 온도이고,
Figure 112018083999562-pat00009
는 매질의 열전도율이다.
Figure 112018083999562-pat00010
와
Figure 112018083999562-pat00011
는 각각 대수층과 지하수의 열용량이고,
Figure 112018083999562-pat00012
는 열에너지의 유입 및 배출을 의미함)
대수층의 공극률, 수리전도도 및 비저유계수, 대수층의 열전도도 및 열용량, 지하수의 열전도도 및 열용량, 밀폐형 순환수 파이프의 매질의 열전도도 및 열용량, 지하수 유동에 대한 경계조건(일정수두 경계 및 일정유량 경계), 지열전달에 대한 경계조건(일정온도 경계 및 일정열류량 경계), 순환수의 유량 및 주입온도, 양수된 지하수의 유량 및 온도를 포함하는 입력자료를 선택적으로 사용하여 상기 수학식을 통해 유한요소법으로 복합 지열시스템에서 발생하는 지하수 유동 및 지열전달을 수치해석하여 수치해석의 결과로서 순환수의 배출온도를 계산한 후, 계산된 순환수의 주입온도와 배출온도 차이 및 순환수의 유량 자료를 사용하여, 복합 지열시스템의 열효율을 평가하는 것을 특징으로 하는 지하수정호 결합 복합 지열시스템의 성능 평가방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 장점을 취합하여 설계함으로써 지열 및 지하수열을 효과적으로 이용할 수 있고, 나아가 시스템 구축의 편의성을 도모하면서도 유지 관리가 종래보다 수월해질 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 5는 종래기술에 따른 개방형 지중 열교환기용 관정 설치 과정을 단계적으로 도시한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정 구조도이다.
도 7은 도 6의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정 구조도이다.
도 9는 도 8의 B-B선에 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 관정 구조도이다.
도 11은 도 10의 C-C선에 따른 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
예컨대, 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니기 때문에 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 사전적 의미에 제한되지 않으며, 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 실시예의 설명 중 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하며, 경우에 따라 동일한 참조부호에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정 구조도, 도 7은 도 6의 A-A선에 따른 단면도, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정 구조도, 도 9는 도 8의 B-B선에 따른 단면도, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대구경 관정 구조도, 그리고 도 11은 도 10의 C-C선에 따른 단면도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명은 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 장점을 취합하여 설계함으로써 지열 및 지하수열을 효과적으로 이용할 수 있고, 나아가 시스템 구축의 편의성을 도모하면서도 유지 관리가 종래보다 수월해질 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 효과를 제공하기 위한 본 발명은 도 6 및 도 7의 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100), 도 8 및 도 9의 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200), 그리고 도 10 및 도 11의 대구경 관정(300)이 요구된다.
코액셜 타입 소구경 관정(100)은 외관을 형성하는 제1 관정 케이싱(110)과, 제1 관정 케이싱(110) 내의 일측에 마련되는 제1 스테인리스관(120)과, 제1 스테인리스관(120)의 일측에 연결되는 제1 물 유입부(130)와, 제1 스테인리스관(120) 내에 배치되는 제1 물 배출용 PE관(140)과, 제1 관정 케이싱(110) 내의 타측에 마련되는 제1 취수관(150)과, 제1 취수관(150)에 연결되는 제1 수중펌프(160)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 관정 케이싱(110)의 길이는 150m이고, 제1 스테인리스관(120)의 직경은 76.3mm, 제1 물 배출용 PE관(140)의 직경은 40mm, 제1 취수관(150)의 직경은 50mm, 제1 수중펌프(160)의 직경은 100mm이다.
U-튜브 타입 소구경 관정(200)은 외관을 형성하는 제2 관정 케이싱(210)과, 제2 관정 케이싱(210) 내에 마련되는 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)과, 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)의 일측에 연결되는 제2 물 유입부(230)와, 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)을 연결하는 연결부(240)와, 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222) 사이에 배치되는 제2 취수관(250)과, 제2 취수관(250)에 연결되는 제2 수중펌프(260)를 포함할 수 있다.
이때, 제2 관정 케이싱(210)의 길이는 150m이고, 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)의 직경은 42.7mm, 제2 취수관(250)의 직경은 50mm, 제2 수중펌프(260)의 직경은 100mm이다.
대구경 관정(300)은 외관을 형성하는 제3 관정 케이싱(310)과, 제3 관정 케이싱(310) 내의 둘레 방향을 따라 방사상으로 배치되는 다수의 제3 스테인리스관(320)과, 제3 스테인리스관(320)들의 일측에 각각 연결되는 다수의 제3 물 유입부(330)와, 제3 스테인리스관(320)들 내에 각각 배치되는 다수의 제3 물 배출용 PE관(340)과, 제3 관정 케이싱(310)의 중심부에 형성되는 취수정(345)과, 취수정(345) 내의 중심부에 배치되는 제3 취수관(350)과, 제3 취수관(350)에 연결되는 제3 수중펌프(360)를 포함할 수 있다.
이때, 제3 관정 케이싱(310)의 길이는 40m이고, 제3 스테인리스관(320)의 직경은 139.8mm, 제3 물 배출용 PE관(340)의 직경은 40mm, 취수정(345)의 직경은 400mm, 제3 취수관(350)의 직경은 50mm, 제3 수중펌프(360)의 직경은 100mm이다.
한편, 도 6 및 도 7의 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100), 도 8 및 도 9의 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200), 그리고 도 10 및 도 11의 대구경 관정(300)을 적용함에 있어서, 본 실시예에 따른 복합 지열시스템은 종래의 도 5처럼 관정(100,200,300) 내부에 그라우팅을 하지 않고 양수를 수행하여 지속적으로 유입되는 지하수로부터 열교환이 이루어지도록 함으로써 지열과 지하수열을 동시에 활용할 수 있도록 한다. 따라서 효율이 매우 높아질 있다.
특히, 설치 심도를 밀폐형 지열시스템 수준으로 최소화하고, 그라우팅을 하지 않기 때문에 유지 관리가 용이하다.
본 실시예에 적용되는 관정(100,200,300)들의 경우, 열교환기를 관정에 설치하는 경우에 발생할 수 있는 꼬임 현상을 방지할 수 있도록 코액셜 타입(Coaxial type, 동축 방식)의 파이프(pipe, 관)가 설치될 수 있다.
입지 여건에 따라 지하수를 많이 확보할 수 있는 충적 대수층 지역에서는 대구경 관정(300)을 적용한 지열시스템이 적용될 수 있고, 지하수를 많이 확보하기 어려운 암반 대수층 지역에서는 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100) 또는 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200)을 적용한 지열시스템이 적용될 수 있게끔 융통성을 확보한다.
기존 밀폐형 지열시스템이나 개방형 지열시스템에 비하여 효율이 개선된 복합 지열시스템은 설치 관정(100,200,300)의 개수를 현저히 줄여서 시공비용과 기간을 줄일 수 있다.
한편, 상기 시스템의 성능이 다음의 방법으로 평가될 수 있다.
3차원 대수층에서 지하수 유동은 질량보전의 법칙과 Darcy의 법칙을 사용하여 다음의 [수학식 1]처럼 미분방정식으로 표현된다.
[수학식 1]
Figure 112018083999562-pat00013
여기서
Figure 112018083999562-pat00014
는 각각 3차원 직교좌표의 변위이고,
Figure 112018083999562-pat00015
는 대수층의 수리전도도이고, h는 지하수위이고,
Figure 112018083999562-pat00016
는 지하수의 유입 및 유출을 의미하고,
Figure 112018083999562-pat00017
는 대수층의 비저유계수이고,
Figure 112018083999562-pat00018
는 시간이다.
3차원 대수층에서 지열의 유동은 에너지 보존법칙에 따라서 다음의 [수학식 2]처럼 미분방정식으로 표현된다.
[수학식 2]
Figure 112018083999562-pat00019
여기서
Figure 112018083999562-pat00020
는 온도이고,
Figure 112018083999562-pat00021
는 매질의 열전도율이다.
Figure 112018083999562-pat00022
와
Figure 112018083999562-pat00023
는 각각 대수층과 지하수의 열용량이고,
Figure 112018083999562-pat00024
는 열에너지의 유입 및 배출을 의미한다.
지하수 유동 수치해석에 사용되는 대수층의 수리지질학적 특성은 수리전도도, 비저유계수이며, 지하수 유동 경계로 일정수두 경계 및 불투수 경계를 이용한다.
지열전달 수치해석에 사용되는 열전달 특성은 지하수의 열전도율과 열용량, 대수층의 열전도율과 열용량이 있으며, 밀폐형 지열교환 파이프 매질의 열전도율 및 열용량이 있다.
본 발명은 대수층에 설치된 복합 지열시스템의 밀폐형 순환수 파이프에서 지중 열교환이 이루어지는 동안, 지하수를 양수하여 지하수열을 밀폐형 순환수 파이프에 지속적으로 공급하여 효율적인 지열활용이 가능하도록 한다.
복합 지열시스템의 열교환량을 계산하기 위하여 다음의 입력자료를 사용할 수 있다. 즉 대수층의 공극률, 수리전도도 및 비저유계수, 대수층의 열전도도 및 열용량, 지하수의 열전도도 및 열용량, 밀폐형 순환수 파이프의 매질의 열전도도 및 열용량, 지하수 유동에 대한 경계조건(일정수두 경계 및 일정유량 경계), 지열전달에 대한 경계조건(일정온도 경계 및 일정열류량 경계), 순환수의 유량 및 주입온도, 양수된 지하수의 유량 및 온도의 입력자료를 사용할 수 있다.
위의 입력자료를 사용하여 지하수 유동 방정식과 지열전달 방정식을 결합하여, 유한요소법으로 복합 지열시스템에서 발생하는 지하수 유동 및 지열전달을 수치해석한다.
수치해석의 결과는 순환수의 배출온도이며, 계산된 순환수의 주입온도와 배출온도 차이 및 순환수의 유량 자료를 사용하여, 복합 지열시스템의 열효율을 평가할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 구조와 작용을 갖는 본 실시예에 따르면, 개방형 지열시스템과 밀폐형 지열시스템을 장점을 취합하여 설계함으로써 지열 및 지하수열을 효과적으로 이용할 수 있고, 나아가 시스템 구축의 편의성을 도모하면서도 유지 관리가 종래보다 수월해질 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정
200 : U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정
300 : 대구경 관정

Claims (6)

  1. 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100), U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200), 그리고 대구경 관정(300)을 포함하며,
    상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100), 상기 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200), 그리고 상기 대구경 관정(300)을 적용함에 있어서 내부에 그라우팅을 하지 않고 양수를 수행하여 지속적으로 유입되는 지하수로부터 열교환이 이루어지도록 함으로써 지열과 지하수열을 동시에 활용가능하고,
    상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100)은, 외관을 형성하는 제1 관정 케이싱(110); 상기 제1 관정 케이싱(110) 내의 일측에 마련되는 제1 스테인리스관(120); 상기 제1 스테인리스관(120)의 일측에 연결되는 제1 물 유입부(130); 상기 제1 스테인리스관(120) 내에 배치되는 제1 물 배출용 PE관(140); 상기 제1 관정 케이싱(110) 내의 타측에 마련되는 제1 취수관(150); 및 상기 제1 취수관(150)에 연결되는 제1 수중펌프(160)를 포함하며,
    상기 제1 관정 케이싱(110)의 길이는 150m이고, 상기 제1 스테인리스관(120)의 직경은 76.3mm, 상기 제1 물 배출용 PE관(140)의 직경은 40mm, 상기 제1 취수관(150)의 직경은 50mm, 상기 제1 수중펌프(160)의 직경은 100mm이고,
    상기 U-튜브 타입 소구경 관정(200)은, 외관을 형성하는 제2 관정 케이싱(210); 상기 제2 관정 케이싱(210) 내에 마련되는 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222); 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)의 일측에 연결되는 제2 물 유입부(230); 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)을 연결하는 연결부(240); 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222) 사이에 배치되는 제2 취수관(250); 및 상기 제2 취수관(250)에 연결되는 제2 수중펌프(260)를 포함하며,
    상기 제2 관정 케이싱(210)의 길이는 150m이고, 상기 한 쌍의 제2 스테인리스관(221,222)의 직경은 42.7mm, 상기 제2 취수관(250)의 직경은 50mm, 상기 제2 수중펌프(260)의 직경은 100mm이고,
    상기 대구경 관정(300)은, 외관을 형성하는 제3 관정 케이싱(310); 상기 제3 관정 케이싱(310) 내의 둘레 방향을 따라 방사상으로 배치되는 다수의 제3 스테인리스관(320); 상기 제3 스테인리스관(320)들의 일측에 각각 연결되는 다수의 제3 물 유입부(330); 상기 제3 스테인리스관(320)들 내에 각각 배치되는 다수의 제3 물 배출용 PE관(340); 상기 제3 관정 케이싱(310)의 중심부에 형성되는 취수정(345); 상기 취수정(345) 내의 중심부에 배치되는 제3 취수관(350); 및 상기 제3 취수관(350)에 연결되는 제3 수중펌프(360)를 포함하며,
    상기 제3 관정 케이싱(310)의 길이는 40m이고, 상기 제3 스테인리스관(320)의 직경은 139.8mm, 상기 제3 물 배출용 PE관(340)의 직경은 40mm, 상기 취수정(345)의 직경은 400mm, 상기 제3 취수관(350)의 직경은 50mm, 상기 제3 수중펌프(360)의 직경은 100mm인 것을 특징으로 하는 지하수정호 결합 복합 지열시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 관정들의 경우, 열교환기를 관정에 설치하는 경우에 발생할 수 있는 꼬임 현상을 방지할 수 있도록 코액셜 타입(Coaxial type)의 파이프(pipe)를 설치하며,
    입지 여건에 따라 지하수를 많이 확보할 수 있는 충적 대수층 지역에서는 상기 대구경 관정(300)을 적용한 지열시스템이 적용되며,
    지하수를 많이 확보하기 어려운 암반 대수층 지역에서는 상기 코액셜 타입(Coaxial type) 소구경 관정(100) 또는 상기 U-튜브 타입(U-Tube type) 소구경 관정(200)을 적용한 지열시스템이 적용되는 것을 특징으로 하는 지하수정호 결합 복합 지열시스템.

  6. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100795336B1 (ko) * 2006-09-07 2008-01-17 (주)이앤이 시스템 지열을 이용한 열교환시스템
KR101403041B1 (ko) * 2013-01-29 2014-06-27 주식회사 지앤지테크놀러지 개방형 지열 지중 열교환기 장치

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080092188A1 (en) 2006-09-28 2008-04-17 Ahmadreza Rofougaran Method And System For Integrated Cable Modem And DVB-H Receiver And/Or Transmitter
FR2944971B1 (fr) 2009-04-30 2012-09-07 Roquette Freres Coagglomerats de mannitol et d'amidon granulaire comprimables et a ecoulement libre
KR20130107126A (ko) 2012-03-21 2013-10-01 유완석 선택적 결합사용이 가능한 트윈형 수용용기
KR101632724B1 (ko) * 2014-09-30 2016-06-23 한국생산기술연구원 지열정의 온도 산출 방법, 프로그램 및 기록 매체
KR102432804B1 (ko) 2015-06-02 2022-08-16 한화테크윈 주식회사 Mjpeg 압축방식을 이용하는 영상촬영장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100795336B1 (ko) * 2006-09-07 2008-01-17 (주)이앤이 시스템 지열을 이용한 열교환시스템
KR101403041B1 (ko) * 2013-01-29 2014-06-27 주식회사 지앤지테크놀러지 개방형 지열 지중 열교환기 장치

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