KR102672819B1

KR102672819B1 - 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법

Info

Publication number: KR102672819B1
Application number: KR1020230104384A
Authority: KR
Inventors: 조희남; 최성욱; 장현호; 이현정
Original assignee: 주식회사 지앤지테크놀러지
Priority date: 2023-08-09
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2024-06-05

Abstract

본 발명은 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법에 관한 것으로, 개방형의 지열 시스템에서 상부 보호공을 지지기반으로 하여 수중펌프를 설치함으로써 대형 장비를 이용하지 않고 1인 또는 소수의 작업자가 수중펌프를 설치와 유지 보수하고, 상부 보호공을 수중펌프의 설치 공간으로 이용하여 기계실 공간을 효율적으로 이용하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템은, 지중에 시공되는 지열공(1)과; 지중에 형성되는 지열공의 상부에 설치되는 상부보호공(10)과; 상기 지열공 안에 설치되어 지하수를 양수하는 수중펌프(20)와; 상기 수중펌프로부터 양수되는 지하수를 열교환기에 공급하는 공급관(40)과; 상기 수중펌프의 토출구를 별도의 양수관을 사용하지 않고 상기 상부보호공에 직접 결합하여 상기 공급관과 연결하는 직결수단을 포함하고, 상기 직결수단은 상기 수중펌프의 토출구에 결합되는 소켓(30), 상기 상부보호공의 벽을 관통하여 상기 상부 보호공의 외부에 형성된 공급관 연결부와 통하도록 형성되며 상기 상부보호공의 내부에서 상기 소켓과 연결되어 상기 소켓과 상기 공급관을 유체 연통 가능하게 연결하는 요크(13)를 포함한다.

Description

지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법{Geothermal system using direct coupling of underwater pumps and outlets in geothermal holes and closed circulation structure of groundwater, and its construction method}

본 발명은 지열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부 보호공을 수중펌프의 공간으로 하여 작업성과 공간 활용성을 향상하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

지열이란 지하수를 굴착하여 형성된 지열 굴착공 내부에서 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유 열과 지중의 열을 통칭하는 것이며, 지열 시스템은 지중에 지열공을 굴착하고 상기 지열공에 열매체를 순환시키거나 지하수를 순환시켜 지열을 지상에 설치한 히트펌프에 전달하여 상기 히트펌프를 통해 부하열(냉방, 난방, 급탕)을 생산하여 공급하는 것이며, 열매체와 지하수는 지열을 히트펌프에 공급하고 지열공으로 복귀한 후 다시 히트펌프에 공급되는 과정에서 지열을 통해 온도가 회복되어 지속적으로 사용 가능한 상태를 유지할 수 있는 것이다.

지열 시스템은 지열공의 형태와 열매체의 순환 등에 따라 개방형과 밀폐형으로 구분된다.

개방형은 지하수를 수중펌프로 직접 순환시켜 열교환기(히트펌프)에 공급하는 방식으로 밀폐형 대비 단일 지열공에서 최대 10배 이상의 큰 열용량 획득이 가능하다.

그러나, 지열공 깊은 곳에 수중펌프를 설치하여 운용하는데 따른 어려움이 있다.

구체적으로 설명하면, 종래의 개방형의 경우 수중펌프의 유지관리를 위해서는 트럭탑재 크레인이나 인양장비를 작업 시 설치 가능한 개활지나 도로 주변에 지열공을 배치할 수밖에 없다.

그리고, 개방형은 초기 가동시 지하수가 히트펌프 측 또는 열교환기를 순환해 돌아오는 지하수의 순환시간동안 지열공 내부의 지하수 수위가 낮아질 수밖에 없기 때문에 대체적으로 70m 이상 깊이로 수중펌프를 설치하여야 하고 이를 위하여 양수관을 그 깊이까지 배관하여야 하는 어려움이 있고 지상에서 수중펌프의 심도에 이르는 양수관에서 손상위험이 있다(등록특허 제10-1238454호).

따라서, 건물 지하층에 70m 이상 깊이로 수중펌프를 설치하여 운용하는 중에 보수 등이 필요한 경우 크레인이나 다른 인양장비를 건물 지하층으로 운반하여 사용하는 것이 어렵기 때문에 종래에는 건물 지하층에 개방형 지열 시스템을 구성하지 못하였다.

또한, 이러한 설치깊이는 운전 중에도 그대로 유지되면서 실질적인 운전 양정으로 운영되어 동력비를 크게 상승시키게 됨으로써 결과적으로 지열시스템의 성능효율(COP)을 저하시키는 요인이 될 수밖에 없다.

한편, 지열공과 별도로 집수조를 구성하여 지열공의 지하수를 집수하고 상기 집수조에 집수된 지하수를 순환펌프로 순환시키는 방식이 있으며, 이러한 방식은 다수의 지열공을 건물 지하층에 배치하면서 넓은 기계실이나 지하 주차장 면적을 활용하여 운영하는 경우에는 효과적일 수 있으나 도심지 중소형 건축물에서 소수의 지열공을 운용하는 경우에는 효과적이라 할 수 없는 현실적인 문제가 있다. 특히, 집수조를 설치하거나 순환펌프를 배치하는 과정에서 도심지의 좁은 건축면적에서 기계실이 차지하는 면적 또한 좁아질 수밖에 없는 한계에서 지열시스템의 배치는 현실적인 어려움이 된다(등록특허 제10-2093411호).

등록특허 제10-1238454호 등록특허 제10-2093411호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개방형의 지열 시스템에서 수밀성 있는 밀폐형태의 상부 보호공을 지지기반으로 하여 수중펌프를 그 내부에 직결구조로 설치함으로써 대형 장비를 이용하지 않고 1인 또는 소수의 작업자가 수중펌프를 설치와 유지 보수하고, 상부 보호공을 수중펌프의 설치 공간으로 이용하여 기계실 공간을 효율적으로 이용하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템은, 지중에 형성되는 지열공의 상부에 설치되는 밀폐형태의 상부보호공과; 상기 지열공 안에 설치되어 지하수를 순환시키는 수중펌프와; 상기 수중펌프로부터 순환되는 지하수를 열교환기에 공급하는 공급관과; 상기 수중펌프의 토출구를 별도의 길이가 긴 양수관을 사용하지 않고 상기 상부보호공에 직접 결합하여 상기 공급관과 연결하는 직결수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지열공의 내부와 상기 상부 보호공의 내부를 물로 채우는 보충수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템 및 이의 시공 방법에 의하면, 수중펌프를 상부 보호공에 직접 고정 설치하여 종래 개방형에서 수십 미터 심도로 수중펌프를 설치하기 위하여 대형 장비를 사용하는 것과 달리 1인 또는 소수의 작업자가 대형 장비를 사용하지 않고 소형의 장비(삼발이나 체인블록 등)만을 이용하여 수중펌프를 설치할 수 있고 유지보수도 할 수 있으므로 시공성과 유지보수성이 매우 우수하며, 또한, 건축물 지하층(지하 주차장 등)에 개방형 지열 시스템의 시공과 운용이 가능하여 지열 시스템의 활성화를 기대할 수 있다.

그리고, 순환펌프를 지열공의 내부에 설치하여 집수조와 순환펌프(수중펌프)를 이용하는 방식에서 기계실 밖의 지열공 안에 순환펌프를 설치하여 도심지 건축부지가 좁아 지하 기계실 또는 주차장 면적이 좁은 가운데 기계실 내 순환펌프를 설치할 공간 확보가 어려운 환경에서도 순환지하수를 밀폐식으로 운영하게 됨으로써 기계실 내 순환펌프를 설치할 필요가 없어 기계실 공간 활용성을 높이는 효과가 있다.

그리고, 좁은 도심지 건축부지 내에서 신재생에너지비율과 녹색건축기준을 충족시키는데 단위 지열공당 획득 가능한 열용량이 가장 큰 개방형 지열공을 선행기술의 단일순환펌프를 구성한 지열시스템과 동일한 효과를 구현할 수 있다.

또한, 지열공 내 수중펌프의 운전수두 양정을 없애고 순환수두만을 형성되도록 하여 순환펌프의 운전동력을 크게 낮추게 됨은 물론 종래 개방형 수중펌프가 높은 운전수두 양정으로 인해 다단 펌프형태를 설치한데 반해 본 발명에서는 단단 펌프형태를 취할 수도 있게 되어 결과적으로 운전동력비용을 크게 절감시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템의 구성도로서, 2개의 지열공이 적용되는 예시도.
도 3은 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 적용된 수중펌프와 소켓 및 공급관의 연결 상태를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 적용된 상부 보호공의 분해도.
도 5는 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 적용된 수중펌프와 소켓의 도면.
도 6과 도 7은 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 적용된 소켓의 다른 예를 보인 설치 상태도와 사시도.
도 8은 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 2개의 수중펌프가 적용되는 예시도.
도 9는 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템에 적용된 단단 형태의 수중펌프의 설치 예시도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템은, 1개 이상의 지열공(도 1은 1개의 지열공, 도 2는 2개의 지열공을 예로 들어 도시함), 지열공(1)의 상부를 밀폐하는 상부 보호공(10), 지열공(1) 안에 각각 지하수에 잠기도록 설치되며 지하수를 순환시키는 수중펌프(20), 수중펌프(20)의 토출구와 연결되는 한편 상부 보호공(10)과 연결되는 것으로 수중펌프(20)와 상부 보호공(10)을 직접 연결하는 소켓(30), 수중펌프(10)에 의해 양수되는 물을 공급하는 공급관(40), 공급관(40)을 통해 공급되는 지하수의 열을 회수하는 열교환기(50), 열교환기(50)를 통과한 지하수를 지열공(1)에 환수하는 환수관(60), 열교환기(50)에 의해 회수된 열을 열원으로 하여 냉난방(급탕 포함) 열을 생산하는 히트펌프(70), 지열공(1) 내부에 운전 중 항시 지하수가 충만된 상태로 유지하기 위한 보충수단(80)을 포함한다. 여기서, 열교환기(50)와 히트펌프(70)를 함께 설치하지 않고 단일의 히트펌프만 사용하는 것도 가능하다.

지열공(1)은 표층 지표로부터 유입되는 오염된 지하수의 유입을 방지하고 붕괴를 막기 위하여 보호 케이싱(2)과 차수벽(3)이 구성될 수 있다. 보호 케이싱(2)은 상부 보호공(10)의 하부에 설치되면서 상부가 상부 보호공(10)의 저부와 플랜지 이음 등으로 연결된다. 차수벽(3)은 지하수가 지열공(1) 내부에서 다량으로 유실되는 문제를 해결하기 위해 투수율이 높은 풍화암대층을 넘어 암반층 깊은 곳까지 시공되고 통상의 시멘트 그라우팅으로 시공된다.

양수시험 등 수리전도도 시험과정에서 일부 암반 대수층에서도 다량의 지하수 유실이 발견되는 경우 해당 암반 대수층 구간에 대하여는 시멘트 압밀주입과 재 천공 등을 통해 지하수 유실을 방지하도록 하는 추가 조치를 할 수 있다.

지열공(1)의 사용 중 공무너짐이 발생될 경우 기능상실이 우려됨으로 지열공(1)의 내부에 유공 케이싱(4)을 삽입 설치할 수 있다. 유공 케이싱(4)은 지열공(1)의 외부로부터 지하수가 지열공(1) 안에 유입된 후 수중펌프(20)를 통해 순환될 수 있도록 다수의 구멍(지하수가 통과하는 구멍)을 포함한다.

유공 케이싱(4)은 다양한 재질(철, 합성수지 등)이 가능하며, 합성수지 재질로 이루어지는 경우 비중이 낮아 삽입이 어려울 수 있으며 이를 해결하기 위하여 강관을 하단 또는 중간 등에 삽입하여 하중을 부가하는 것도 가능하다.

도 3과 도 4에서 보이는 것처럼, 상부 보호공(10)은 상하부가 외부와 통하도록 개방되는 상부보호공 몸체(11), 상부 보호공 몸체(11)의 상부에 결합되어 상부 보호공 몸체(11)의 내부를 폐쇄하고 상부 보호공 몸체(11)에서 분리되어 상부 보호공 몸체(11)의 내부를 개방하는 상부보호공 덮개(12)를 포함한다.

상부보호공 몸체(11)는 상단부가 지표면에 근접(동일선상)되도록 설치되면서 저부가 보호 케이싱(2)의 상부에 연결되어 지열공(1)의 상부를 보호한다. 상부보호공(10)은 직경의 크기를 보호케이싱(2)의 직경보다 크게 설치하여 외형이 큰 수중펌프(20)라 할지라도 여유 있는 공간이 확보될 수 있도록 할 수 있으며 도 8에서 보이는 것처럼, 상부보호공(10) 내부에 냉난방 히트펌프 공급용 수중펌프(20-1)와 급탕용 히트펌프 공급용 수중펌프(20-2)를 함께 설치하여 운용할 수도 있다. 이 경우 지열공(1)의 천공 깊이를 600~1000m로 형성할 경우 냉방 운전시 지하수 온도가 높아 히트펌프의 운전효율이 낮아지는 것에 대해 급탕용 히트펌프를 운전하여 지하수 온도 상승을 억제할 수 있도록 하여 냉방 히트펌프의 운전효율을 향상시키도록 하는 효과 구현이 가능하게 할 수도 있다. 도 8에서 미설명 부호 40-1,40-2는 냉난방 히트펌프용 공급관과 급탕 히트펌프용 공급관이고, 60-1,60-2는 냉난방 히트펌프용 환수관과 급탕 히트펌프용 환수관이다.

상부보호공 덮개(12)는 상부보호공 몸체(11)의 상측 개방부에 분리 가능하게 조립되어 지열공(1) 내부에 이물질이 유입되지 않도록 한다.

종래 상부 보호공(10)에 양수관이나 환수관이 배관되는 경우와 달리, 본 발명은 상부보호공 몸체(11)의 내부에서 소켓(30)이 직접 또는 결합장치(커플러)(30a)를 통해 연결되고 외부에서 공급관(40)이 직접 연결되도록 요크(13)가 포함된다.

요크(13)는 상부보호공 몸체(11)의 내부로 돌출 형성되어 수중펌프(20)(소켓(30))가 직결(직접 연결)되는 것이며, 상부보호공 몸체(11)의 외부로 돌출 형성되어 공급관(30)이 연결되는 공급관 연결부(14)와 내부가 통하는 구조이다.

이와 같은 요크(13)는 소켓(30)과 수중펌프(20)의 설치 시 간섭을 일으키지 않도록 짧은 길이, 소켓(30)과 연결을 위한 최소의 길이로 이루어진다.

요크(13)는 수중펌프(20)와 소켓(30)의 조립체를 상부 보호공(10) 안에 삽입할 때 소켓(30)의 제2 소켓부(32)가 자연스럽게 거치되도록 제2 소켓부(32)를 저부에서 받쳐 지지하는 지지턱이 더 포함될 수 있다.

상기 지지턱은 제2 소켓부(32)를 요크(13)를 향해 이동하도록 안내하는 경사부가 포함될 수 있고 또한 제2 소켓부(32)를 감싸는 포켓 형태가 바람직하다.

본 발명은 지열공(1)의 내부와 상부 보호공(10)의 내부 모두 지하수가 충만한 상태에서 운용하는 것이며, 상부보호공 몸체(11)와 상부보호공 덮개(12) 사이에는 지하수가 누출되지 않도록 수밀성 패킹이 적용된다.

이와 같은 밀폐식의 상부 보호공(10) 내부에 에어가 잔류될 경우 지하수 순환에 장애가 발생될 수도 있으며, 이러한 지하수 순환장애를 해결하기 위하여 즉, 상부 보호공(10) 내부의 에어를 배출하여 상부 보호공(10) 내부에 지하수가 충만된 상태를 유지하도록 하는 에어벤트(15)를 구성한다. 에어벤트(15)는 상부보호공 덮개(12)에 직접 형성되거나 상부보호공 덮개(12)에 배관을 연결하고 상기 배관의 말단부에 에어벤트를 형성하는 방법이 있다.

수중펌프(20)의 특성 상 지열공(1) 내부에는 수중펌프(20)가 온전히 잠길 수 있도록 지하수가 항상 충만한 상태로 있어야 한다. 즉, 히트펌프가 가동되는 경우 항시적으로 수중펌프(20)는 가동상태가 유지되어야 한데 수중펌프(20)가 수중에 잠기지 못하는 경우 과열소손을 일으켜 가동이 중지될 수 있음으로 이와 같은 수중펌프(20)가 빈 공간에서 과열소손을 일으키지 않도록 일정 수압의 형성여부를 확인할 수 있는 압력센서가 적용될 수 있다. 압력센서는 일정 시간을 주기로 하여 상부보호공 내부의 압력을 측정하고 컨트롤러는 압력센서의 측정 압력 값과 기준 압력 값의 비교를 통해 측정 압력 값이 기준 압력 값을 만족하지 못하는 경우 수중펌프를 정지 제어하거나 보충수단을 제어하여 보충수를 보충한다. 즉, 상부 보호공(10) 내부가 지하수로 온전히 충만되지 않은 상태에서 수중펌프(20) 가동될 경우에도 지하수의 순환압력은 유지될지라도 지열공(1) 내부 또는 상부 보호공(10) 내부는 지하수 수위가 내려가게 되고 당연히 그 내부 압력은 0kg/cm2 까지 떨어지게 됨은 물론 지하수 수위가 더 내려가게 되면 수중펌프(20)의 모터부의 냉각이 순환되는 지하수에 의해 냉각이 되어지지 않게 됨으로써 결국 모터부의 소손이 발생할 수 있게 된다. 이러한 사고를 방지하기 위해 상부보호공(10) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력센서를 상부보호공(10) 내부 또는 인출된 배관에 설치하여 지열공(1) 내부 또는 상부보호공(10) 내부의 압력을 실시간으로 측정하여 지열시스템 운전에 관여될 수 있도록 한다.

압력센서는 감지수단의 일 예로서, 동일한 해결이 가능한 다른 센서로도 대체 가능하고, 예를 들어, 수위센서가 있다. 본 발명은 수중펌프(20)가 지하수에 잠기는 것을 전제로 하는 것이므로 플롯센서나 전극봉 등 수위센서가 적용되는 경우 수위센서를 이용한 수위 감지는 수중펌프(20)가 지하수에 잠기는지를 확인하고 상부보호공(10) 내부의 지하수 수위가 떨어질 경우 수중펌프(20)의 소손을 방지하기 위해 컨트롤러와 연결하여 수중펌프(20)를 정지시키는 안전기능이라 할 수 있다.

즉, 수중펌프(20)의 운전을 위하여 지열공(1)과 상부 보호공(10) 내부에 있는 지하수를 감지하는 센서로 압력센서와 수위센서가 가능한 것이다.

수중펌프(20)는 종래 개방형의 경우 운전 중 형성되는 70m 내외의 낮은 지하수 수위로 인해 지하수의 양수와 순환을 위해 높은 양정수두가 필요하게 되어 수중펌프(20)가 다단심정펌프 형태가 설치될 수밖에 없었다. 그러나 본 발명에서는 상부보호공(10) 내부가 항시 지하수로 충만된 상태에서 운전됨으로써 지하수 양수를 위한 양정수두가 없어지게 된다. 따라서, 수중펌프(20)는 단단형태의 수중펌프를 설치하여 운용할 수도 있으며 이 경우 낮은 순환양정에서 많은 순환 지하수량을 확보가능하게 하고 특히 운전동력비를 크게 절감할 수 있다. 더욱이 지하수용 수중펌프의 경우에는 다단펌프의 특성상 높은 회전수를 유지할 수 밖에 없어 유량제어가 어려웠던 반면 단단 수중펌프 형태의 수중펌프(20)는 인버터제어를 이용한해 회전수의 조정을 통해 히트펌프의 부하변동에 따른 지하수 순환유량의 증감을 조정시킬 수 있도록 하여 지열시스템의 운전효율을 향상되도록 한다.

단단 수중펌프 형태의 수중펌프(20)는 그 형태가 하부에 흡입구(22)가 형성되고 측면에 토출구(21)가 설치됨으로 상부보호공(10)내에 설치하게 될 때는 상부보호공(10) 내측면에 받침대(18)를 구성하여 단단 수중펌프 형태의 수중펌프(20)를 설치하게 될 경우 흡입구(22)가 방해되지 않도록 한다.

받침대(18)는 상부보호공 몸체(11)의 바닥부로부터 일정 높이 위에 설치되어 상기 바닥부와의 사이에 물이 유입되는 공간을 형성하고, 보호 케이싱(2) 내부의 지하수가 받침대(18)를 경유한 후 수중펌프(20)의 흡입구(22)로 흐르도록 통수구(18a)가 포함되어야 하며, 예를 들어 받침대(18)는 상부보호공 몸체(11)의 바닥부 위에 공간을 만들기 위한 턱부(예를 들어 통수구를 갖는 관형), 상기 턱부의 상단부에 원판형으로 형성되어 수중펌프(20)를 지지하면서 통수구를 갖는 받침부로 구성된다.

수중펌프(20)는 상부 보호공(10)의 내부에서 소켓(30)을 통해 상부 보호공(10)의 요크(13)에 연결되고, 지열공(1) 내부의 지하수를 양수하여 소켓(30)과 요크(13)를 경유한 후 공급관(40)에 공급한다. 특히, 수중펌프(20)로부터 상부보호공(10)의 요크(13)에 결합하는 과정에서 직결하는 형태이거나 건물 지하층의 천정고에서 수중펌프(20)의 높이 이상을 감한 길이 이내의 연장관을 결합시켜 인양과 설치에 장애가 없는 단관형태로 결합되는 것을 직결 결합에 포함한 것으로 간주한다.

수중펌프(20)는 동력을 전달받기 위하여 지열공(1) 외부에 설치되는 동력판넬(22) 및 동력케이블(23)이 함께 사용되며, 동력케이블이 지중과 지열공(1) 내부에 걸쳐 배선되는 부분에서 동력판넬(22)과 동력케이블(23)의 침수로 인한 쇼트가 발생하지 않도록 방수 처리가 필요하고, 예를 들어, 동력판넬(22)을 지상에 설치하고 동력케이블(23)을 수중펌프(20)에서부터 지중에서 지상으로 배선하면서 지상에서 상부를 향하도록 배선하는 배선구간을 포함하고 동력케이블(23)을 동력케이블 보호박스(24) 안에 배선하여 보호한다.

동력케이블 보호박스(24)는 내부에 동력케이블(23)이 연결되는 단자대(23a)가 수용되어 단자대(23a)에 동력케이블(23)이 접속되도록 하며 내부의 에어를 외부로 배출하기 위한 에어관(24a)이 포함될 수 있다.

본 발명은 소켓(30)을 사용하기 때문에 기성품의 수중펌프(20)를 구조 변경없이 사용할 수 있으며, 상부에는 관형의 토출구(21)가 형성된다.

도 3과 도 5에서 보이는 것처럼, 소켓(30)은 내부에 지하수가 흐르는 유로가 포함되고 수중펌프(20)의 토출구(21)에 연결되는 제1 소켓부(31), 상부 보호공(10)의 요크(13)에 연결되는 제2 소켓부(32)가 포함된다.

제1 소켓부(31)는 토출구(21)가 수중펌프(20)의 상부에 상부를 향하도록 세워지는 구조에 맞춰 저부를 향해 개방되도록 형성되고, 제2 소켓부(32)는 요크(13)가 옆을 향해 개방되도록 형성되는 것에 맞춰 옆을 향해 개방되도록 형성되며, 제1,2 소켓부(31,32)는 내주면에 각각 나사선이 형성되어 수중펌프(20)의 토출구(21) 및 상부 보호공(10)의 요크(13)와 나사 체결된다. 물론, 단단 수중펌프 형태의 수중펌프(20)를 설치하여 운용하게 될 경우에는 수중펌프(20) 토출구(21)와 상부보호공(10) 제1,2 소켓부(31,32)간에 호스 커플링 등 다른 형태의 결합구성요소를 활용할 수도 있음은 당연하다.

소켓(30)은 지열공(1)의 외부에서 수중 펌프(20)과 연결되어 단일 작업을 통해 상부 보호공(10)의 내부에 삽입되며, 인양장비를 이용하는 경우를 위하여 인양고리(33)가 포함된다.

인양 고리(33)는 기성품인 수중펌프(20)의 구조를 그대로 이용할 수 있도록 본 발명에서 추가되는 소켓(30)에 형성되고, 예를 들어, 소켓(30)의 상부에 돌출되도록 형성된다.

이와 같이 수중펌프(20)가 소켓(30)과 직접 결합되어 양수 거리가 매우 짧아지게 되므로 지하수의 누수 방지에 큰 도움을 주고, 수중펌프(20)와 공급관의 연결부에서 발생하는 파손의 방지가 가능할 뿐 아니라 천정고가 낮은 건축물 지하층 실내에서도 수중펌프의 인양 설치가 용이하게 된다.

상부 보호공(10)에 형성된 요크(13)와 소켓(30)은 수중펌프(20)를 상부 보호공(10)에 직접 결합하는 직결수단이거나 단관형태의 연결관이다.

공급관(40)은 상부 보호공(10)의 공급관 연결부(14)에 연결되어 수중펌프(20)에 의해 양수된 지하수를 열교환기(50)에 공급한다.

열교환기(50)는 지하수와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 공간을 제공하는 것으로, 판형 열교환기 등 다양한 열교환기의 사용이 가능하다.

환수관(60)은 일측이 열교환기(50)에 연결되어 열교환기(50)를 통과하면서 히트펌프(70)의 열매체와 열교환된 지하수를 열교환기(50)로부터 환수하고 타측이 상부보호공 몸체(11)를 관통한 후 상부보호공 몸체(11)와 지열공(1)을 따라 지열공(1)의 바닥으로 배관되어 저부에 형성되는 토출홀이 지열공(1)의 바닥부에 배치됨으로써 지하수를 지열공(1)의 바닥에 환수하여 지하수가 원상태의 온도로 회복된 후 수중펌프(20)에 의해 양수되도록 한다.

히트펌프(70)는 열매체가 열교환기(50)를 순환하면서 지하수의 열을 회수하도록 한 후 복귀시켜 이 열을 열원으로 하여 냉난방열을 공급한다.

본 발명에 따르면, 지하수 순환계통이 밀폐식으로 운용되며 수중펌프(20)에 의해 형성되는 순환수압이 약 2kg/cm2 내외로 유지되는 상태이며, 이 때, 지열공(1) 내부는 파쇄대나 수맥층이 연결되어 있어 지하수의 일부가 유실될 수 있고, 지하수의 유실로 인하여 수중펌프(20)의 손상을 유발할 수 있으므로 보충수단(80)이 적용된 것이다.

보충수단(80)은 예를 들어 보충수가 저장되는 보충수 탱크(81), 보충수 탱크(81)의 보충수를 지열공(1)에 보충하도록 배관되는 보충관(82)을 포함하고, 여기에 보충관(82)을 개폐하는 밸브나 빠른 수압 형성과 유지를 위해 가압펌프가 더 적용될 수 있다.

보충수 탱크(81)에 저장되는 보충수는 냉난방 지열시스템이 가동되지 않는 시간에 지하수를 양수하여 보충하는 형태이거나 상수도 배관을 연결하는 형태이거나 건물의 유출지하수를 활용하는 형태, 빗물 저수조의 저수된 빗물 등이 될 수 있다. 보충수 탱크(81)는 수압유지를 위하여 지열공(1)보다 위쪽인 지상에 설치되는 것이 바람직하고, 상수도관에 직결하여 설치하게 될 경우에는 역류방지를 위한 알려진 통상의 체크밸브와 수압조정 유지를 위한 통상의 알려진 수압조정밸브를 구성하여 연결하도록 한다.

전술한 보충 형태에 맞는 공급수단(수중펌프나 지하수 공급관, 상수도관, 유출지하수 배수펌프 등)이 연결되며, 펌프를 통해 일정한 순환수두압이 유지되도록 한다. 도 1은 공급관(40)과 보충수 탱크(81) 사이에 밸브에 의해 개폐되는 공급관(83)을 적용한 예이다.

보충수 탱크(81)는 플롯트센서 또는 전극봉 등으로 구성된 수위센서가 적용되어 저수위일 때 보충수를 공급받고 만수위일 때 보충수의 공급을 차단한다.

2개 이상의 지열공이 배치되어 구성되는 경우 각 지열공마다 독립적으로 보충관(82)이 연결되거나 각 지열공(1)간 연결된 순환계통 배관에 연결하여 구성되도록 함으로써 운전 중에는 항시적으로 공급되어 지열시스템에 항시적으로 지하수가 충만된 상태를 유지할 수 있게 한다.

지열 시스템 휴지 시에는 지열공(1) 내부의 지하수위가 하강하면서 지열공(1) 내부와 순환계통 내부가 부압이 형성될 수 있으므로 이때는 순환계통 내부는 부식방지를 위해 지하수가 충수된 상태로 유지되도록 하되 지열공(1) 내부는 공기가 용이하게 유입될 수 있도록 하는 공기 유입관을 구성할 수 있다. 상기 공기 유입관은 예를 들어 상부보호공 덮개(12)에 형성되면서 밸브에 의해 개폐되고, 지열 시스템의 운용 중에는 폐쇄되어 공기의 유입을 차단하며 지열 시스템의 휴지 시에는 개방되어 공기가 유입되도록 한다.

공기유입관은 전동밸브가 설치되어 지열시스템 장기 휴지 시에는 개방되도록 자동제어회로를 구성한다.

본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템의 시공 방법은 다음과 같다.

1. 지열공 굴착.

굴착장비를 이용하여 지중을 굴착하여 지열공(1)을 굴착한다.

2. 지열공 보호 및 상부 보호공 설치.

지표측에 보호케이싱(2)과 상부보호공 몸체(11)를 설치 및 연결하고 그라우팅으로 차수벽(3)을 시공한 후 되메우기한다.

이 때, 상부 보호공(10)에 있는 요크(13))가 지장물 등과 충돌하지 않도록 보호한다.

아울러, 지열공(1) 안에 유공 케이싱(4)을 설치한다.

3. 수중펌프 설치 및 상부 보호공에 연결.

수중펌프(20)와 소켓(30)을 미리 연결하여 조립체를 구성하고, 이 조립체의 인양고리(33)에 인양장비를 연결하며, 인양장비를 이용하여 수중펌프(20)와 소켓(30) 조립체를 상부보호공 몸체(11) 안에 삽입한다.

상부보호공 몸체(11) 안에서 소켓(30)의 제2 소켓부(32)를 상부보호공 몸체(11)의 요크(13)에 연결한다.

4. 공급관과 환수관 배관.

공급관(40)의 일측을 공급관 연결부(14)에 연결하고 지중과 지상을 따라 배관하면서 타측을 열교환기(50)에 배관한다.

환수관(60)의 일측을 열교환기(50)에 배관하고 지상과 지중을 따라 배관하면서 타측을 상부보호공 몸체(11)에 고정하며 지열공(1)의 바닥을 향해 배관하여 타측 단부의 유공부가 바닥에 배치되도록 한다.

열교환기(50)와 히트펌프(70)를 열매체 순환관으로 연결한다.

본 발명에 따르면, 수중펌프(20)는 지열공(1) 내부의 지하수를 펌핑하여 양수하고 요크(13)를 통과한 후 공급관(40)에 공급한다.

지하수는 공급관(40)을 따라 흐르다가 열교환기(50)를 통과하고, 이 과정에서 히트펌프(70)를 순환하는 열매체와 열교환하여 열을 공급한다.

열을 빼앗긴 지하수는 환수관(60)을 따라 지열공(1) 안에 환수된다.

지열공(1) 안에 환수된 지하수는 열복원된 후 다시 수중펌프(20)에 의해 양수되어 순환한다.

5. 보충수단

보충수단(80)은 예를 들어 보충수가 저장되는 보충수 탱크(81), 보충수 탱크(81)의 보충수를 지열공(1)에 보충하도록 배관되는 보충관(82)을 포함하고, 여기에 보충관(82)을 개폐하는 밸브가 더 적용될 수 있다.

한편, 이 과정에서 압력센서는 압력을 감지하고 컨트롤러는 측정 압력 값과 기준 압력 값의 비교를 통해 수중펌프(20)의 운전 환경을 분석하고, 수중 펌프(20)의 정상 운전이 어려운 조건으로 판단하면 보충수단(80)의 펌프를 제어하여 물을 지열공(1) 안에 보충하거나 수중펌프(20)를 정지 제어한다.

아울러, 본 발명에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템을 적용하여 기존의 개방형 지열시스템을 개선할 수 있으며 그 시공 방법은 다음과 같다.

1. 밀폐형태의 상부 보호공 설치.

지표측에 보호케이싱(2)과 상부보호공 몸체(11)를 설치 및 연결한다.

2. 수중펌프 설치 및 상부 보호공에 연결.

3. 공급관과 환수관 배관.

4. 보충수단 설치.

보충수단(80)은 예를 들어 보충수가 저장되는 보충수 탱크(81), 보충수 탱크(81)의 보충수를 지열공(1)에 보충하도록 배관되는 보충관(82)을 포함하여 시설한다.

도 2는 2개의 지열공(1-1,1-2)을 운용하는 예시도이며, 이 때, 제1,2 수중펌프(20-1,20-2), 제1,2 공급관(40-1,40-2), 공급헤더(41), 제1,2 환수관(60-1,60-2), 환수헤더(61)가 적용되고, 나머지의 구성은 1개의 지열공(1)을 운용할 때와 동일하다.

제1,2 지열공(1,2) 안에는 제1,2 수중펌프(20-1,20-2)가 각각 설치되고, 제1,2 수중펌프(20-1,20-2)와 연결된 제1,2 공급관(40-1,40)은 공급헤더(41)에 모아지며, 공급헤더(41)는 열교환기(50)와 연결되어 지하수를 열교환기(50)에 공급한다.

환수헤더(61)는 열교환기(50)를 통과한 지하수를 환수하고 제1,2 환수관(60-1,60-2)에 분배하여 제1,2 지열공(1-1,1-2)에 분배 환수한다.

수중펌프(20)와 소켓(30) 및 요크(13)의 결합관계와 각 구성의 다른 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 6과 도 7에서 보이는 것처럼, 요크(13)는 소켓(30)에 형성되며 상부보호공 몸체(11)에 형성된 구멍(공급관 연결부(14)의 구멍)과 연통하는 제2 소켓부(32)가 안착되도록 상부가 개방되고 저부에 받침턱이 있는 구조이다.

또한, 요크(13)에 안착된 제2 소켓부(32)가 흔들리지 않고 탈락되지 않도록 제2 소켓부(32)를 요크(13)쪽으로 눌러 지지하는 클램프(16)가 포함된다.

클램프(16)는 요크(13)에 고정되는 부분과 제2 소켓부(32)를 눌러 지지하는 부분을 포함하며, 예를 들어, 요크(13)의 좌우 양측에는 걸림턱(13a)이 형성되고, 클램프(16)는 요크(13)의 상부와 좌우 양측을 감싸는 구조이면서 좌우 양측에 걸림터(13a)의 저부에 걸리는 한 쌍의 다리를 갖는 클램프 몸체(16a), 클램프 몸체(16a)에 나사 체결되어 승강하는 조임 볼트(16b), 조임 볼트(16b)에 의해 승강하며 제2 소켓부(32)를 요크(13)쪽으로 가압하는 가압구(16c)를 포함한다.

조임 볼트(16b)는 상부보호공 덮개(12)를 열은 상태에서 작업자가 조작할 수 있도록 두부에 공구 연결부가 포함되는 것이 바람직하고, 클램프 몸체(16a)의 천정부에 나사 체결되어 승강하고 하단부가 가압구(16c)에 연결된다.

가압부(16c)는 클램프 몸체(16a)에 승강 가능하게 지지되어 조임 볼트(16b)에 의해 승강한다.

이와 같은 구조에 따르면, 소켓(30)의 요크(13) 반대쪽에 지지기반이 없어 소켓(30)과 수중펌프(20)의 흔들림이 심하고 요크(13)와 결합되는 부분에서 심한 진동이 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위하여 상부보호공 몸체(11)의 요크(13) 반대면에는 포켓(17)이 형성되며, 소켓(30)에는 포켓(17)에 지지되는 지지대(34)가 포함된다.

포켓(17)은 지지대(34)가 상부에서 삽입되도록 상부가 개방되는 구조이다.

지지대(34)는 제2 소켓부(32)의 반대쪽에서 소켓(30)을 지지하여 수중펌프(20)의 하부가 상부보호공 몸체(11)의 내벽면을 향해 기울어지는 것을 막고 수중펌프(20)를 상부 보호공(10)의 센터에 배치하는 기능도 한다.

1 : 지열공, 2 : 보호 케이싱
3 : 차수벽, 4 : 유공 케이싱
10 : 상부 보호공, 11 : 상부보호공 몸체
12 : 상부보호공 덮개, 13 : 요크
14 : 공급관 연결부, 15 : 에어벤트
16 : 클램프, 17 : 포켓
18 : 받침대, 18a : 통수구
20 : 수중펌프, 21 : 토출구
22 : 동력판넬, 23 : 동력케이블
24 : 동력케이블 보호박스,
30 : 소켓, 31,32 : 제1,2 소켓부
33 : 인양고리, 34 : 지지대
40 : 공급관, 41 : 공급헤더
50 : 열교환기, 60 : 환수관
61 : 환수헤더, 70 : 히트펌프
80 : 보충수단,

Claims

지중에 형성되는 지열공과;
상하부가 외부와 통하도록 개방되며 지중에 형성되는 지열공의 상부에 설치되는 상부보호공 몸체, 상기 상부 보호공 몸체의 상부에 결합되어 상기 상부 보호공 몸체의 내부를 개폐하는 상부보호공 덮개로 구성되는 밀폐형태의 상부 보호공과;
지중에 형성되는 지열공의 상부에 설치되는 밀폐형태의 상부 보호공과;
상기 지열공 안에 설치되어 지하수를 순환시키는 수중펌프와;
상기 수중펌프로부터 순환되는 지하수를 열교환기에 공급하는 공급관과;
상기 수중펌프의 토출구를 상기 상부보호공에 직접 결합하여 상기 공급관과 연결하는 직결수단과;
상기 상부 보호공의 내부까지 지하수가 충만되어 상기 수중펌프가 지하수에 잠긴 상태를 유지하도록 하는 보충수단을 포함하고,
상기 직결수단은 상기 수중펌프의 토출구에 결합되는 제1 소켓부 및 상기 상부 보호공에 관통되어 상기 공급관과 통하는 구멍과 연결되는 제2 소켓부를 갖는 소켓, 상기 상부보호공 몸체의 벽을 관통하여 상기 상부 보호공의 외부에 형성된 공급관 연결부와 통하도록 형성되며 상기 상부보호공 몸체의 내부에서 상기 소켓과 연결되어 상기 소켓과 상기 공급관을 유체 연통 가능하게 연결하는 요크. 상기 요크에 승강 가능하게 장착되며 상기 제2 소켓부를 상기 요크 쪽으로 눌러 가압하는 클램프를 포함하여, 상기 직결수단이 상기 요크에 지지되면서 제1 소켓부에 토출구가 결합된 수중펌프를 상기 공급관에 연결한 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
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청구항 1에 있어서, 상기 보충수단은 상기 지열공 안에 보충수를 보충하여 상기 지열공 내부를 상기 수중펌프의 운전을 위한 조건으로 항시 충만된 상태로 유지하는 것으로 상기 보충수는 건물유출지하수 또는 상수도 또는 지하수 또는 저수빗물인 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 보충수단은 빠른 수압 형성과 유지를 위해 가압펌프가 더 적용된 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 수중펌프가 설치된 위치에서 상기 상부 보호공에 가해지는 압력을 감지하거나 상기 수중펌프가 지하수에 잠긴 상태를 확인하기 위하여 수위를 감지하는 센서, 상기 센서의 측정 압력 값과 기준 값의 비교를 통해 상기 수중펌프를 정지 제어하거나, 운전 중 항시적으로 상기 보충수단으로 물이 보충되도록 하는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 수중펌프는 상기 상부보호공 내에 설치되는 단단 수중펌프인 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 단단 수중펌프의 수중펌프는 인버터제어를 통해 회전수를 조정하여 히트펌프의 부하변동에 따른 지하수 순환유량의 증감을 조정하는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 단단 수중펌프의 수중펌프는 저부에 흡입구가 포함되고, 상기 상부 보호공의 바닥부에 일정 간격을 두고 설치되어 상기 수중펌프를 지지하면서 지하수를 상기 수중펌프로 유도하는 받침대가 포함되는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 수중펌프는 냉난방용 수중펌프와 급탕용 수중펌프로 구분되어 상기 상부 보호공 안에 함께 설치되어 운용되는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 직결수단은 건축물 지하층 천정고에서 수중펌프 높이를 감하는 길이 이내의 단관으로 구성된 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 상부 보호공의 내부와 외부가 통하도록 설치되면서 밸브에 의해 개폐되는 공기 유입관을 포함하여, 지열 시스템의 운용 중에는 폐쇄되어 공기의 유입을 차단하는 한편 지열 시스템의 휴지 시에는 개방되어 공기를 유입하는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템.
청구항 1에 의한 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템의 시공 방법으로서,
지중에 지열공을 굴착하는 제1 단계와;
내부에 요크가 설치된 상부 보호공 몸체를 상기 지열공의 상부에 설치하되, 상기 요크를 상부보호공 몸체의 외부로 돌출 형성되는 공급관 연결부와 내부가 통하도록 설치하는 제2 단계와;
지상에서 수중펌프의 토출구에 직결수단의 제1 소켓부를 연결하여 수중펌프 조립체를 준비하고, 상기 수중펌프 조립체를 상기 상부 보호공 몸체 안에 삽입하면서 상기 직결수단의 제2 소켓부를 상기 상부 보호공 몸체의 요크에 연결하는 제 3단계와;
공급관의 일측을 상부보호공 몸체의 외부로 돌출 형성되는 공급관 연결부에 연결 및 지중과 지상을 따라 배관하고, 환수관의 일측을 열교환기에 배관하고 지상과 지중을 따라 배관하면서 타측을 상부보호공 몸체에 고정하는 제4 단계와;
보충수가 저장되는 보충수 탱크, 상기 보충수 탱크의 보충수를 상기 지열공에 보충하도록 배관되는 보충관을 포함하는 보충수단을 설치하고 센서회로를 연결하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열공 내 수중펌프와 토출구 직접 결합과 지하수의 밀폐 순환구조를 이용한 지열 시스템의 시공 방법.
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