KR20140135598A - 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법에 관한 것으로, 지열 굴착공의 무너짐 현상을 예방하면서도 지중 열교환 효율을 극대화하기 위해 환수 튜브관을 지열공의 전체 깊이에 안정적으로 설치 및 내부 케이싱의 폐색이 발생되어도 지하수의 순환이 가능하도록 하고 또한 지하수의 역류와 지열공의 오염을 방지함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치는, 지중에 형성되는 지열공(1)과; 상기 지열공의 상부를 밀폐하는 상부보호공(10)과; 상기 지열공의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과; 하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱(30)과; 상기 내부 케이싱의 내부에 설치되어 지하수를 양수하는 수중펌프(40)와; 상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과; 상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와; 상하 종방향을 따라 다단의 토출공이 구비된 관형이면서 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 상기 내부 케이싱을 따라 설치되며 상기 지열 교환부를 통과하여 열을 빼앗긴 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 환수시키는 하나 이상의 환수 튜브관(50)과; 상기 환수 튜브관의 하단부를 상기 내부 케이싱에 고정 및 환수측 지하수가 상기 환수부에 토출되도록 하는 결합유공헤더(60)와; 상기 내부 케이싱의 둘레부에 결합되어 내경측은 상기 내부 케이싱의 둘레면에 수밀하게 밀착되고 외경측은 상기 차폐벽의 내주면에 수밀하게 밀착됨과 더불어 상기 환수 튜브관이 수밀하게 배관되어 상기 환수부의 환수측 지하수의 역류를 방지하는 역류방지 차폐부(70)와; 상기 내부 케이싱과 지열공 사이의 환수부에 충진되는 충진재 또는 대류방지판으로 구성된다.

Description

게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법{Underground water circulator of Geohill open type geothermal system and method for constructing the same}

본 발명은 게오힐 지열 지중열교환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열 굴착공의 함몰을 예방하면서도 지중 열교환 효율을 극대화하고, 환수 튜브관의 휨과 폐색 등에 의한 순환 장애를 방지하며, 내부케이싱과 지열 굴착공 사이를 수밀성 있게 차폐하여 지하수의 순환장애를 방지하고 오염을 방지하고, 지열공의 내부에 충진되는 충진재를 강제 및 가압식으로 충진하여 공극없이 고밀도의 충진이 가능하도록 한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법에 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 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15℃ 내지 17℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 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 암석사이의 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 모래 등으로 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 수밖에 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 상층 지하수로부터 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 지열용 지하수 심정은 다량의 지하수를 양수하여 사용함으로써 없어지는 것이 아니라 단지 지하수가 보유한 열량만을 열교환하여 사용한 후 양수했던 지하수량은 그대로 다시금 지하수 지열공 내부로 환수되도록 시설이 이루어져 있다는 것이고 이러한 이유로 인해 지하수량을 사용하는 지하수 심정과는 달리 시설비를 낮추기 위해 가능한 지하수 심정펌프와 양수파이프가 설치되는 최소한의 공간을 확보할 수 있는 직경으로 굴착이 이루어지게 되는데 반해 열교환 후 되돌아오는 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 심정펌프의 임펠라를 부식시키게 되며 또 한편으로는 순환배관 중에 에어포켓을 형성하여 지하수의 순환장애를 일으킴은 물론 히트펌프 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 심정펌프의 임펠라 침식과 순환배관과 히트펌프에 모래가 침적되어 지하수의 소통을 저해하게 되어 정상적인 시스템 운용에 장애가 되는 문제가 있었다.

또한, 좁은 굴착 직경을 갖는 지열용 지하수 심정 내부에 이미 설치된 심정펌프와 연결된 양수파이프와 심정펌프를 가동시키기 위한 동력케이블과 수위선이 설치되어 있어 활용가능한 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 펌프로 즉시 유입되어 지상의 히트펌프로 이동됨으로써 결과적으로 지열의 핵심기능 장치인 히트펌프의 효율을 떨어뜨리는 중요한 요인으로 작용되는 문제점을 가지고 있었으며 단순히 배열된 유공관의 설치깊이는 미쳐 열교환이 마쳐지지 않은 지하수를 지하수 심정펌프로 흡입되도록 함으로써 결과적으로 지열용 히트펌프의 열교환 효율을 떨어뜨리는 동일한 요인으로 작용하게 하였다.

지하수 지열공을 이용한 지열 지중 열교환기는 크게 밀폐형과 개방형으로 구분된다.

밀폐형은 지열공 내부에 열교환용 고밀도폴리에칠렌관(HDPE)을 U튜브에 의해 수직으로 연결하여 내려 설치하고 그 내부에 열교환용 브라인을 순환시켜 지중 열을 교환할 수 있도록 구성한 것이다.

개방형은 일반 지하수 관정과 유사하나 수중모터펌프에 의해 양수된 지하수를 지상에 설치된 히트펌프의 열교환기를 거쳐 열교환시킨 다음 순환되어 돌아온 지하수를 다시금 지열공 내부로 환수시켜 지중 열을 교환시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적인 개방형 지중 열교환기는 계획된 깊이 대체적으로 300~500m깊이로 굴착된 지열공 안쪽에 100~125mm 직경의 PVC 파이프로 제작된 내부케이싱이 연결소켓에 의해 연장되어지면서 바닥까지 설치되어 진다.

하부구간에는 스트레이너가 구성된 유공관이 연결되어 설치되며 내부케이싱 안쪽 상부에는 수중펌프가 설치되어 지하수를 양수관을 통해 지상 히트펌프까지 올려 순환시키게 된다.

이러한 개방형 지중 열교환기 형태는 여러 가지가 개발되어 적용되어지고 있다.

일명 게오힐 공법은 지열공 안쪽에 내부케이싱이 설치되고 하부에는 유공관이 구성되어 있게 되며 내부케이싱과 지열공벽 사이에는 예컨대 콩자갈로 이루어진 충진재가 채워지게 되며 그 안쪽에는 환수 분배관이 묻힌 상태로 설치되어지게 된다. 이러한 공법의 장점은 개방형 지열 지중열교환기가 운전 중 굴착공이 함몰되는 사고를 예방할 수 있는 장점이 있는 반면 환수 분배관을 통해 환수되는 순환지하수의 유동저항으로 인해 환수측 순환지하수가 지상으로 흘러넘쳐 배출되는 사례가 빈번하게 발견되는 문제점이 있다. 더욱이 개방형 지열공의 순환을 위해 설치되는 내부케이싱 중 유공관 설치분포가 지열공 바닥에 가까운 하부에 집중적으로 배치되어 있어 시설 운용 중 지하수와 함께 유입된 토사슬러리가 쌓여 가는 경우 내부케이싱의 유공관을 폐색시킴은 물론 환수분배관의 끝부분을 막게 되어 결과적으로 순환장애를 일으키는 큰 문제점으로 나타나고 있다.

또한, 환수 분배관을 내부케이싱 하단에서 별도 장치 없이 고정하여 삽입 설치하는 과정에서 환수 분배관이 굴착공벽과 내부케이싱 사이에 끼이게 되어 중간에 멈춰진 채 구부러지게 됨으로써 일부 환수 분배관의 경우 순환량이 확보되지 못하는 문제가 있었다.

또한, 종래 충진재의 충진은 충진재를 내부 케이싱과 지열공 사이의 환수부에 중력식으로 투입하기 것이기 때문에 충진재들 간에 많은 공극이 존재하여 지열공을 안전하게 보호하지 못하고 내부 케이싱의 휨이 발생된 곳의 아래쪽에서 충진율이 매우 낮은 문제점이 있고 지하수의 흐름에 의해 충진재들이 움직이면서 붕괴 위험이 커지는 문제점이 있다.

등록특허 제10-0803351호 등록특허 제10-0845973호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열 굴착공의 무너짐 현상을 예방하면서도 지중 열교환 효율을 극대화하기 위해 환수 튜브관을 지열공의 전체 깊이에 안정적으로 설치 및 내부 케이싱의 폐색이 발생되어도 지하수의 순환이 가능하도록 한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 지하수의 역류와 지열공의 오염을 방지하려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 충진재를 고밀도로 충진하려는데 있다.

본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치는, 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 수중펌프와; 상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관과; 상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와; 상하 종방향을 따라 다단의 토출공이 구비된 관형이면서 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 상기 내부 케이싱을 따라 설치되며 상기 지열 교환부를 통과하여 열을 빼앗긴 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 환수시키는 하나 이상의 환수 튜브관과; 상기 환수 튜브관의 하단부를 상기 내부 케이싱에 고정 및 환수측 지하수가 상기 환수부에 토출되도록 하는 결합유공헤더와; 상기 내부 케이싱의 둘레부에 결합되어 내경측은 상기 내부 케이싱의 둘레면에 수밀하게 밀착되고 외경측은 상기 차폐벽의 내주면에 수밀하게 밀착됨과 더불어 상기 환수 튜브관이 수밀하게 배관되어 상기 환수부의 환수측 지하수의 역류를 방지하는 역류방지 차폐부와; 상기 내부 케이싱과 지열공 사이의 환수부에 충진되는 충진재 또는 대류방지판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이 시공 방법에 의하면, 지열 굴착공의 무너짐 현상을 예방하면서도 지중 열교환 효율을 극대화하기 위해 환수 튜브관을 지열공의 전체 깊이에 안정적으로 설치 및 내부 케이싱의 폐색이 발생되어도 지하수의 순환이 가능하도록 함으로써 지열 지중열교환 장치로서의 신뢰성과 효율성을 향상하는 효과가 있다.

그리괴, 지하수의 역류와 지열공의 오염을 방지하여 지하수의 순환 장애를 방지함과 아울러 지하수 순환계통의 막힘을 방지할 수 있다.

또한, 충진재를 지하수의 수류에 의해 강제 및 가압식으로 충진하여 공극률을 낮추는 반면 충진율을 높여 지열공 등의 안정성을 확보하는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 상부 보호공의 내부 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 내부 케이싱의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 결합유공헤더와 환수 튜브관을 도시한 확대도.
도 5는 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 투명 케이싱의 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 환수 튜브관의 설치 상태 평면도.
도 7은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 충진재의 충진 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 대류방지판이 적용된 구성도.
도 9는 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 대류방지판의 설치 상태 사시도.
도 10은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 대류방지판의 단면도.
도 11은 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 대류방지판의 벌림부를 도시한 평면도.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치는, 지중에 형성되는 지열공(1)과; 지열공(1)의 상부를 밀폐하는 상부보호공(10)과; 지열공(1)의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과; 지열공(1) 안에 설치되며 지열공(1)을 급수부와 환수부로 구획함과 더불어 지하수의 급수를 위한 순환이 가능하도록 하는 내부 케이싱(30)과; 내부 케이싱(30)의 내부에 설치되어 지하수를 양수하여 급수하는 급수수단[수중펌프(40),수중펌프(40)에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)]과; 급수관(41)을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부(공지된 것을 사용하므로 구체적인 설명을 생략함)와; 상기 지열 교환부를 통과하면서 열을 빼앗긴 환수측 지하수를 내부 케이싱(30)에 의해 구획된 환수부에 환수하는 환수 튜브관(50)과; 환수 튜브관(50)의 하단부를 내부 케이싱(30)에 고정함과 더불어 환수 튜브관(50)에 의해 환수되는 환수측 지하수를 내부 케이싱(30) 내부로 유도하는 결합유공헤더(60)와; 내부 케이싱(30) 외부의 환수부에 있는 환수측 지하수가 지상을 향해 역류하는 것을 막는 역류방지 차폐부(70)와; 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 환수부에 충진되는 충진재(80)로 구성된다.

지열공(1)은 지면에서부터 일정 심도로 굴착에 의해 형성되는데, 차폐벽(20)의 시공 구간(차폐공)은 구경이 더 크게(법정 그라우팅 두께 5cm를 확보하기 위함) 천공되며, 즉 차폐벽(20)의 시공 구간과 그 하부의 구간이 직경차에 의해 단차지게 형성된다. 대체적으로 30m 내외 깊이로 단부를 형성하여 굴착을 진행하게 된다. 즉 지열공(1)의 직경이 150mm 인 경우 암반선 1m 이상 구간은 250mm로 하고 지열공(1)의 직경이 200mm 인 경우에는 300mm로 직경을 확보한다.

상부 보호공(10)은 지열공(1)의 오염방지 등을 목적으로 하며 내부에 공간이 구비된 박스형의 보호공 본체(11), 보호공 본체(11)의 상측 개방부에 분리 가능하게 결합되어 보호공 본체(11) 내부를 개폐하는 보호공 덮개(12)로 구성된다.

도 2에서 보이는 바와 같이, 상부 보호공(10)은 지열공(1)의 오염 방지와 함께 지열공(1)측의 관로와 지열 교환부측의 관로 등이 연결되는 공간을 제공하고 각종 계측기[예를 들어, 급수측 유량계(13), 환수측 유량계(14), 압력계(15), 컨트롤러(전송장치 포함)(16)]가 설치되도록 한다.

차폐벽(20)은 지면에서부터 암반선에 걸쳐 상기 지열공보다 단차지도록 큰 직경으로 천공되는 차폐공의 내부에 상기 차폐공의 내벽과 공간이 형성되도록 설치되는 그라우팅 케이싱(21), 그라우팅 케이싱(21)과 상기 차폐공의 사이에 충진 경화되는 그라우팅벽(22)(그라우트재, 몰탈 등), 지반의 붕괴를 막기 위하여 상기 차폐공의 내벽에 설치되는 흙막이 케이싱(23)으로 구성될 수 있다.

또한, 차폐벽(20)은 저부에 자체 탄성력 또는 내부에 주입되는 유체 또는 지하수에 의해 팽창창하는 차폐재(24)가 구성될 수 있다.

차폐재(24)는 내부에 주입되는 유체에 의해 팽창하는 팽창튜브, 지하수에 의해 팽창하는 수팽창고무튜브 등이 사용 가능하다.

차폐재(24)는 도 1에 도시된 위치로 한정되지 아니하고 차폐벽(20)의 아래쪽에 시공될 수도 있다.

내부 케이싱(30)은 지열공(1) 내부를 급수부(내부)와 환수부[외부, 지열공(1)과 사이 공간]로 구획하며, 상기 환수부를 흐르면서 열교환된 지하수를 상기 급수부로 안내하기 위한 환수공(31)이 구비된 것으로 하부에서부터 일정 구간의 유공관[환수공(31)이 구성되는 구간] 및 상기 유공관 상부의 무공관의 조합에 의해 구성된다.

내부 케이싱(30)은 2개 이상의 단위 관(PE, PVC 등)이 연결소켓(32)이나 열융착소켓, 또는 맞대기 열융착 등을 매개로 하여 연쇄적으로 연결되어 지열공(1)의 심도에 맞도록 구성된다.

내부 케이싱(30)은 온도에 의해 신축되는 재질로 이루어지는 경우 신축 거동이 가능하도록 구성되며, 도 3에서 보이는 것처럼, 단위 관(30-1)들은 신축 소켓(33)을 통해 관이음된다. 신축 소켓(33)은 신축이 가능한 벨로우즈관일 수 있다. 또한, 신축 소켓(33)의 지지를 위하여 지지바(33a)가 구성될 수 있다. 지지바(33a)는 바람직하게 하부에 장공이 구비된 막대 형태이며 상하 종방향을 따라 배열되면서 상부는 신축 소켓(33)에 고정되고 하부의 장공은 신축 소켓(33)에 돌출된 가이드핀이 신축 거동이 가능하도록 슬라이딩 결합된다.

또는 내부 케이싱(30)은 단위 관(30-1)의 일측 단부를 스웨이징 확관된 편수칼라관(34)으로 가공하여 이웃하는 단위 관(30-1)의 타측이 삽입 및 접착제로 접착되는 구조로 이루어질 수도 있다. 단위 관(30-1)들의 관이음부는 나사못 등의 체결구에 의해 체결력이 보강될 수도 있다.

도 4에 도시된 것처럼, 내부 케이싱(30)은 지열공(1) 내부에서 직진성을 유지한 상태로 설치되도록 하며 특히 비중이 물보다 가벼운 PE재질의 관을 사용하는 경우 지하수 중 침강이 용이하도록 예컨대 하단부에 웨이트(35)가 결합된다. 웨이트(35)는 접착 등 다양한 방법에 의해 내부 케이싱(30)의 하단부에 고정되며, 부가적으로 로프(36)[본 발명에서 로프(36)는 웨이트(35)와 내부 케이싱(30)을 지지하는 모든 자재를 말함]에 의해 고정될 수도 있다.

로프(36)는 하단부가 웨이트(35)에 결속고리 등을 통해 고정되고 상단부는 상부 보호공(10) 등에 고정될 수 있다.

로프(36)는 웨이트(35)만을 고정하는 것으로 한정되지 아니하고 내부 케이싱(30)을 고정하면서 내부케이싱(30)의 비중을 더하여 주는 기능도 겸할 수 있다. 도 3에서 보이는 것처럼, 로프(36)는 내부 케이싱(30)의 단위 관(30-1)들을 따라 배선되며 단위 관(30-1)의 둘레부에 끼워지는 와이어 고리(37)와 연결됨으로써 단위 관(30-1)들을 고정한다.

내부 케이싱(30)은 통상 수도용으로 사용되는 PVC 파이프나 PE 파이트 등 투명성이 확보되지 않은 재질 또는 색상으로 제작되어 설치되며, 따라서 깊은 심도로 구성되는 지열공(1)의 내부에 설치되는 내부 케이싱(10)과 지열공(1) 사이에 형성되는 환수 튜브관(50)의 설치가 정상적으로 이루어져 있는지의 여부에 대해 확인이 불가능하였을 뿐 아니라 콩자갈이나 규사 등으로 채워지는 충진재(80)가 균일하게 채워져 있는지의 여부에 대해서도 확인이 불가능하였다. 더욱이 지열공(1)의 경우 굴착과정에서 직진성이 확보되지 않은 경우가 많아 내부 케이싱(30)을 설치하게 되면 휘어진 구간부분에서 충진재(80)가 쌓이게 되고 이러한 현상이 반복되어지게 될 경우 불완전한 충진이 이루어져 결국 지열 지중열교환기의 효율을 떨어뜨리는 결과가 나타나게 된다 .

이를 해결하기 위하여 본 발명은 수중 카메라에 의해 내부 케이싱(30) 외부의 환수부를 촬영 및 영상의 확인이 가능하도록 내부 케이싱(30)에 투명부를 구성한다.

투명부는 예컨대 도 5에서 보이는 것처럼, 단위 관(30-1)들 사이에 아크릴 등의 투명 케이싱(30-2)을 설치하는 방법이 가능치하다. 투명 케이싱(30-2)을 하나 또는 일정 간격으로 다수개 설치하여 수중 카메라(2)를 투명 케이싱(30-2) 안쪽에 투입 촬영함으로써 상기 환수부의 촬영 및 영상 확인이 가능하다.

투명부는 다른 예로서, 내부 케이싱(30)에 투명창을 설하는 것으로도 가능하다.

내부 케이싱(30)은 직선관, 대경부와 소경부에 의해 직경이 단차진 이형관 등 모두가 사용 가능하다. 즉, 수중펌프(40)가 설치되는 깊이까지는 125mm 직경의 내부케이싱(30)을 사용하고 지하수의 순환과 열교환이 이루어지는 구간은 그보다 작은 80~100mm 직경의 내부케이싱(30)을 적용하도록 함으로써 경제적인 시공이 되도록 할 수 있다.

수중펌프(40)는 내부 케이싱(30)의 내부인 급수부에 설치되어 상기 급수부 내의 지하수를 펌핑함으로써 급수관(41)에 지하수를 급수한다.

환수 튜브관(50)은 일측이 지열 교환부의 환수측과 연결되어 환수측 지하수를 공급받으며 환수측 지하수를 상기 환수부에 환수하는 것으로서 상기 환수부의 바닥부가 폐색되어도 환수측 지하수를 내부 케이싱(30) 내부의 급수부에 공급할 수 있도록 내부와 외부가 연통하는 다수의 토출공(51)이 상하 종방향을 따라 구비된다.

환수 튜브관(50)은 내부 케이싱(30) 상단부에서부터 하부[지열공(1)의 바닥으로부터 일정 높이 이격된 곳]까지 설치되며 PE, PVC, 합성수지제재 등을 재지로 한다.

환수 튜브관(50)은 내부 케이싱(30)을 따라 설치되어 깊은 심도로 설치될 것이며, 결합유공헤더(60)에 의해 내부 케이싱(30)에 고정되는 하단부 이외의 구간에서 흔들림 등을 일으키지 않도록 고정클립 등에 의해 내부 케이싱(30)에 고정될 수 있다.

환수 튜브관(50)은 지열공(1) 안에 하나만 사용될 수도 있고 2개 이상이 사용될 수도 있으며, 후자의 경우 지열 교환부와 연결되는 하나의 메인 환수관에 분배 매니폴드를 형성하고 이 분배 매니폴드에 2개 이상의 환수 튜브관(50)을 설치할 수 있다(도 6 참고).

도 4에서 보이는 바와 같이, 결합유공헤더(60)는 내부 케이싱(30)의 둘레부(유공관 부분)에 공간(환수측 지하수의 원활한 흐름을 위한 공간)이 형성되도록 하는 통 구조이거나 판형 구조로 제작될 수 있다.

결합유공헤더(60)의 예컨대 상부에는 환수 튜브관(50)의 하단부가 유체 연통 가능하게 연결되어 환수 튜브관(50)의 하단부를 내부 케이싱(30)에 고정함으로써 삽입 설치과정에서나 운용과정에서 환수 튜브관(50)의 배관 상태를 고정하여 유지(구부러짐이나 이탈을 방지)할 수 있고 토사 슬러지에 의해 지열공(1)의 바닥측에 있는 내부 케이싱(30)의 환수공(31)이 막히더라도 환수 튜브관(50)과 내부 케이싱(30)을 유체 연통 가능하게 연결함으로써 환수측 지하수를 내부 케이싱(30)에 환수할 수 있다.

나아가서 결합유공헤더(60)는 상기 환수부와 연통하는 하나 이상의 환수공(61)이 구비되어 상기 환수부의 환수측 지하수가 환수공(61)을 통해 내부 케이싱(30)의 내부에 급수되도록 할 수 있다.

즉, 결합유공헤더(60)는 환수 튜브관(50)을 통해 환수측 지하수가 내부 케이싱(30)의 바닥부까지 흐르도록 함으로써 환수측 지하수의 원활한 순환을 가능하게 한다.

결합유공헤더(60)는 내부 케이싱(30)에 일체로 구성되는 것도 가능하지만, 지열공(1)의 다양한 심도에 맞는 높이로 설치될 수 있도록 단품으로 제작된 후 현장 여건에 맞는 위치에 결합되는 것도 가능하다. 물론, 환수 튜브관(50)의 구부러짐이나 이탈을 방지하기 위해 밴드형태의 고정링을 만들고 환수튜브관(50)을 압착시켜 고정하고 나사못이나 리벳 등을 이용하여 추가 고정하는 방법을 통해 동일한 효과를 구현할 수도 있다. 이때 다수의 토출공(51)을 환수 튜브관(50) 하부에 집중시킴으로써 환수측 지하수의 원활한 순환을 가능하게 할 수도 있다.

역류방지 차폐부(70)는 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이에 일정 두께(예를 들어 200mm ~ 300mm)로 형성되어 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 환수부를 흐르는 환수측 지하수가 유동저항에 의해 지상이나 상부 보호공(10)으로 역류하지 못하도록 함과 아울러 오염을 방지하는 것이며, 내부에 주입되는 유체에 의해 팽창하는 팽창튜브(패커), 지하수에 의해 팽창하는 수팽창고무 튜브 등이 사용 가능하고, 뿐만 아니라 그라우팅에 의한 차폐 슬래브도 가능하다. 물론, 상부보호공(10)과 흙막이케이싱(23), 또는 그라우팅케이싱(21)과 결합하기 위해 구성되는 상부보호공(10) 자체의 연장 케이싱 구간에 덮개형태나 금속판재, 그라우팅재제 등으로 동일한 기능을 갖게 할 수도 있다. 즉 역류방지 차폐부(70)는 종류나 위치에 상관없이 내경측은 내부 케이싱(30)의 둘레면에 수밀하게 밀착되고 외경측은 차폐벽(20)의 내주면에 수밀하게 밀착됨과 더불어 환수 튜브관(50)이 수밀하게 배관되는 구성으로 이루어지며, 즉, 중앙에는 내부 케이싱(30)이 배관되는 케이싱공이 그리고 상기 케이싱공의 둘레부에는 환수 튜브관(50)이 수밀하게 관통되는 배관공이 구비되며 외력(유체, 지하수 등)에 의해 변형되는 링 형상의 차폐막(수팽창고무 튜브 등), 내부에 주입되는 유체에 의해 역류를 방지하는 링 형상의 패커, 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50)의 설치 후 그라우팅에 의해 시공되는 경화체인 차폐 슬래브 중 하나이다.

또는 역류방지 차폐부(70)는 상하 2중 구조로서 고무나 플라스틱의 하부 받침판, 상기 하부 받침판 상부에 콘크리트 타설되는 슬래브나 수팽창고무 튜브 등의 상부 차폐부로 구성될 수 있다. 역류방지 차폐부(70)에 의해 내부 케이싱(30)의 환수 튜브관(50) 설치공간에서 수위저하에 따른 부압형성을 방지하기 위해 자유로운 공기흡입이 가능하면서도 지하수 배출은 방지되도록 에어벤트(미도시)를 연결하여 구성할 수도 있다.

충진재(70)는 예를 들어 3~5mm[내부 케이싱(30)의 환수공(31)과 환수 튜브관(50)의 토출공(51) 및 결합유공헤더(60)의 환수공(61)보다는 큰 크기] 내외의 콩자갈이나 모래 또는 규사 또는 이들의 혼합물을 사용하며 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50)의 설치 후 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이에 저부에서부터 상부로 균일하게 채워짐으로써 지열공(1)이 함몰되지 않도록 함으로써 지열공(1)의 함몰에 의한 지하수의 순환장애를 방지한다.

충진재(80)는 자체 보유한 비열과 열전도율에 따라 지열을 보유하거나 열전달 효율을 증대함으로써 지열 지중열교환 장치의 효율성을 향상한다.

충진재(80)의 충진 방법은 다음과 같다.

종래 충진재의 충전 방법은 지열공의 흙막이 케이싱과 내부 케이싱 사이 공간에 3~7mm 내외 크기의 콩자갈 또는 규사 알갱이 등으로 이루어진 충진재를 넣어 채우는 것이며, 그러나 굴착과정에서 구부러진 지열공의 특성과 내부 케이싱이 구부러진 구간에서 밀착되어 형성되는 폐쇄구간이 반복되어 내부 케이싱과 지열공 사이를 완벽하게 충진재로 충진하는데 한계가 있었다. 더욱이 환수 튜브관이 설치되는 경우에는 내부 케이싱과 지열공 사이 공간은 더욱 협소하기 때문에 지열공의 직경을 과대히 크게 하기 전에는 완전한 충진 자체가 어려움이 있었다.

본 발명은 이를 해결하기 위하여 도 7에서 보이는 것처럼, 내부 케이싱(30)의 지상측 단부에 캡(38)을 씌우고, 지열공(1)의 지상측 입구에 호퍼(100)를 설치하며, 내부 케이싱(30) 안쪽에는 수중모터펌프(110)와 양수관(120)을 연결하여 설치하여 지하수를 양수하는 한편 양수된 지하수를 급수수단(펌프, 급수관, 급수 노즐 등)에 의해 일정 압력으로 호퍼(100) 내부에 급수하여 호퍼(100) 내부를 통해 지하수가 지열공(1)으로 순환하도록 하고, 이러한 과정에서 콩자갈 등 충진재(80)를 호퍼(100) 내부에 투입하여 순환되는 지하수에 의해 충진재(80)를 강제로 흐르게 하여 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 공벽 사이에 채워지게 한다. 따라서, 지하수는 캐리어의 기능을 하는 것이고 충진재(80)는 지하수의 흐름에 의해 지열공(1) 바닥에서부터 상층으로 계속해서 충진되므로 충진재(80)에 의한 충진층에는 공극이 없게 된다. 물론 충진재(80)는 채걸름(스크린)을 하여 일정 크기 이상이나 이하는 제거하여 지하수와 혼합하여 충진하는 과정에서 장애가 없도록 하는 것은 당연하다 하겠다. 여기서 지하수는 충진재(80)를 채우기 위한 캐리어이므로 반드시 수조에 의해 저장하여 순환하는 것으로 한정되지 아니한다.

본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치의 시공 방법은 지열공(1) 천공 - 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50)의 조립체[내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50) 및 결합유공헤더(60)가 조립된 것]및 급수수단 설치 - 충진재(80) 충진 - 역류방지 차폐부(70) 시공 - 상부 보호공(10) 설치 공정으로 이루어지며, 지열 교환부와 급수관(41) 및 환수 튜브관(50)의 시공 및 연결 공정은 종래와 동일하다.

지열공(1) 천공은 차폐벽(20)의 시공을 위하여 암반선까지 굴착하는 1차 굴착 - 1차 굴착된 굴착공에 차폐벽(20) 시공 - 차폐벽(20) 내부에서부터 설계 심도까지 굴착하여 지열공(1)을 형성하는 2차 굴착 공정으로 이루어질 수 있다.

도 8에서처럼, 본 발명에 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치는 충진재를 부득이 채우지 못할 경우 지하수의 대류현상에 의한 열효율 저감현상을 방지하기 위해 대류방지판(90)에 의해 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 환수부를 부분 차폐하여 지하수의 대류현상을 억제하도록 구성될 수도 있다. 즉, 온도 차이에 의해 온도가 높은 지하수는 상부로 이동하고자 하고 온도가 낮은 지하수는 하부로 이동하는 특성으로 인해 정상적인 열이동이 어려운 현상이 발생될 수도 있게 되어 이러한 대류현상이 발생되지 않도록 방해되는 기능을 하는 것이다.

대류방지판(90)은 내부 케이싱(30)을 따라 일정 심도에 다단으로 설치되어 지하수의 대류현상에 의한 열이동의 왜곡현상을 방지하며 합성수지나 고무판재 등의 재질로 할 수 있다.

도 8과 도 9에서 보이는 것처럼, 대류방지판(90)은 판형이며 중앙에 상하로 관통 형성되며 내부 케이싱(30)이 배관되는 케이싱공(91), 케이싱공(91)의 둘레부에 상하로 관통 형성되며 환수 튜브관(50)이 관통되는 배관공(92) 그리고 환수 튜브관(50)에서 토출되는 환수측 지하수가 흐르는 하나 이상의 순환공(93)으로 구성된다.

케이싱공(91)과 배관공(92)은 각각 내부 케이싱(30) 및 환수 튜브관(50)과의 견고한 결합을 위하여 상하 종방향의 허브가 각각 구성된다.

대류방지판(90)의 고정은 내부 케이싱(30)을 케이싱공(91)에 삽입한 후 상기 허브에 나사못을 이용하여 고정하거나 고정밴드를 이용하여 고정한다.

도 11에서 보이는 것처럼 배관공(92)은 환수 튜브관(50)의 삽입이 용이하도록 외부를 향하는 절개선에 의한 벌림부(94)가 형성될 수 있다.

이러한 구성의 대류방지판(90)은 한 위치에서 2겹 이상을 설치하여 대류현상의 억제효과를 높일 수도 있다.

대류방지판(90)은 충진재(80) 대용으로 사용되는 것이므로 본 발명의 시공 방법시 충진재 충진 공정 대신 대류방지판(90) 설치 공정이 적용된다.

1 : 지열공,
10 : 상부 보호공, 20 : 차폐벽
30 : 내부 케이싱 31 : 환수공
32 : 소켓, 33 : 신축 소켓
34 : 편수칼라 소켓, 35 : 웨이트
36 : 로프, 37 : 와이어 고리
40 : 수중 펌프, 41 : 급수관
50 : 환수 튜브관, 51 : 토출공
60 : 결합유공헤더, 70 : 역류방지 차폐부
80 : 충진재, 90 : 대류방지판

Claims (20)

1. 지중에 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부를 밀폐하는 상부보호공(10)과;
   상기 지열공의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과;
   하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱(30)과;
   상기 내부 케이싱의 내부에 설치되어 지하수를 양수하는 수중펌프(40)와;
   상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과;
   상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와;
   하나 이상의 토출공이 구비된 관형이면서 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 상기 내부 케이싱을 따라 설치되며 상기 지열 교환부를 통과하여 열을 열교환한 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 환수시키거나 상기 내부 케이싱 내부에 환수시키거나 또는 상기 환수부와 상기 내부 케이싱 안에 함께 환수시키는 하나 이상의 환수 튜브관(50)과;
   상기 환수 튜브관의 하단부를 상기 내부 케이싱에 고정하는 결합유공헤더(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
   
2. 지중에 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부를 밀폐하는 상부보호공(10)과;
   상기 지열공의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과;
   하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱(30)과;
   상기 내부 케이싱의 내부에 설치되어 지하수를 양수하는 수중펌프(40)와;
   상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과;
   상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와;
   하나 이상의 토출공이 구비된 관형이면서 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 상기 내부 케이싱을 따라 설치되며 상기 지열 교환부를 통과하여 열을 열교환한 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 환수시키거나 상기 내부 케이싱 내부에 환수시키거나 또는 상기 환수부와 상기 내부 케이싱 안에 함께 환수시키는 하나 이상의 환수 튜브관(50)과;
   상기 환수부를 흐르는 환수측 지하수가 상기 상부보호공쪽으로 역류하는 것을 막는 역류방지 차폐부(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
3. 지중에 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부를 밀폐하는 상부보호공(10)과;
   상기 지열공의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과;
   하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱(30)과;
   상기 내부 케이싱의 내부에 설치되어 지하수를 양수하는 수중펌프(40)와;
   상기 수중펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과;
   상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와;
   하나 이상의 토출공이 구비된 관형이면서 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 상기 내부 케이싱을 따라 설치되며 상기 지열 교환부를 통과하여 열을 열교환한 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 환수시키거나 상기 내부 케이싱 내부에 환수시키거나 또는 상기 환수부와 상기 내부 케이싱 안에 함께 환수시키는 하나 이상의 환수 튜브관(50)과;
   상기 환수 튜브관의 하단부를 상기 내부 케이싱에 고정하는 결합유공헤더(60)와;
   상기 환수부를 흐르는 환수측 지하수가 상기 상부보호공쪽으로 역류하는 것을 막는 역류방지 차폐부(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 결합유공헤더는, 상기 내부 케이싱의 둘레부에 상기 내부 케이싱의 환수공과 연통하는 공간을 갖도록 결합되는 통 구조이며 상기 환수 튜브관의 하단부가 유체 연통 가능하게 연결되어 상기 환수 튜브관을 고정함과 아울러 상기 환수 튜브관을 통해 흐르는 환수측 지하수를 상기 내부 케이싱에 급수하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 결합유공헤더는 상기 환수부와 연통하는 하나 이상의 환수공(61)이 구비되어 상기 환수부의 환수측 지하수가 상기 환수공을 통해 상기 내부 케이싱의 내부에 급수되도록 하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 결합유공헤더는 상기 환수 튜브관의 하단부를 상기 내부 케이싱의 내부와 연통하도록 직접 고정하는 구조인 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
7. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 역류방지 차폐부는, 중앙에는 상기 내부 케이싱이 배관되는 케이싱공이 그리고 상기 케이싱공의 둘레부에는 상기 환수 튜브관이 관통되는 배관공이 구비되며 외력에 의해 탄성 변형되는 링 형상의 탄성판, 내부에 주입되는 유체에 의해 역류를 방지하는 링 형상의 패커, 그라우팅에 의한 경화체인 차폐 슬래브 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
8. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 역류방지 차폐부는 상기 상부보호공에 설치되어 상기 내부 케이싱과 지열공 사이의 환수부를 차폐하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 충진되는 충진재(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이에 설치되어 상기 지하수의 열전달을 막는 하나 이상의 대류방지판(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
11. 청구항 3에 있어서, 상기 대류방지판은 상기 내부 케이싱이 배관되는 케이싱공(91), 상기 케이싱공의 둘레부에 형성되며 상기 환수 튜브관이 관통되는 배관공(92) 그리고 상기 환수 튜브관에서 토출되는 환수측 지하수가 흐르는 하나 이상의 순환공(93)이 구비되는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱의 하단부에 결합되며 로프(36)를 매개로 하여 지지되는 웨이트(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
13. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱은 상기 환수부를 관찰하기 위한 투명부가 포함되는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
14. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱은 2개 이상의 PE관을 열융착으로 결합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
15. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 케이싱은 온도 변화에 따른 신축 거동이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
16. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차폐벽은, 지면에서부터 암반선에 걸쳐 상기 지열공보다 단차지도록 큰 직경으로 천공되는 차폐공, 상기 차폐공의 내부에 상기 차폐공의 내벽과 공간이 형성되도록 설치되는 그라우팅 케이싱(21), 상기 그라우팅 케이싱과 상기 차폐공의 사이에 충진 경화되는 그라우팅벽(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 차폐벽은 상기 지열공의 상부와 대응하는 바닥부에 설치되어 자체 탄성력 또는 내부에 주입되는 유체 또는 지하수에 의해 팽창창하는 차폐재가 포함되는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
18. 지중에 지열공(1)을 천공하는 제1단계와;
    상기 제1단계를 통해 천공된 지열공에 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50) 및 결합유공헤더(60)의 조립체, 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50) 및 역류방지 차폐부의 조립체, 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50)과 결합유공헤더 및 역류방지 차폐부의 조립체 중 어느 하나와 급수수단을 설치하는 제2단계와;
    지상에 지열 교환부를 설치하고 상기 지열 교환부와 상기 급수수단 및 환수 튜브관을 관이음하는 제3단계와;
    상기 제3단계 이후 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 충진재를 충진하는 제4단계와;
    상기 지열공의 지상측 개방부에 상부 보호공(10)을 설치하는 제5단계를 포함하고,
    상기 제4단계는 상기 내부 케이싱의 지상측 개방부를 통해 충진재가 침투하지 못하도록 마감하는 한편 상기 지열공 내부의 지하수가 외부로 배출되도록 하고 상기 지열공의 지상측 개방부에 호퍼를 통해 캐리어용 지하수를 투입하는 중에 상기 호퍼에 상기 충진재를 공급하여 상기 캐리어용 지하수의 흐름에 의해 상기 충진재가 충진되도록 하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 시공 방법.
19. 지중에 지열공(1)을 천공하는 제1단계와;
    상기 제1단계를 통해 천공된 지열공에 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50) 및 결합유공헤더(60)의 조립체, 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50) 및 역류방지 차폐부의 조립체, 내부 케이싱(30)과 환수 튜브관(50)과 결합유공헤더 및 역류방지 차폐부의 조립체 중 어느 하나와 급수수단을 설치하는 제2단계와;;
    지상에 지열 교환부를 설치하고 상기 지열 교환부와 상기 급수수단 및 환수 튜브관을 관이음하는 제3단계와;
    상기 지열공의 지상측 개방부에 상부 보호공(10)을 설치하는 제4단계를 포함하고,
    상기 제2단계는 상기 내부 케이싱의 둘레부에 1단 이상으로 대류방지판을 설치하여 지열공을 지지하면서 지하수의 대류를 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 시공 방법.
20. 지중에 굴착된 지열공 내부에 유공부를 갖는 내부 케이싱을 삽입하고 상기 내부 케이싱의 지상측 개방부를 통해 충진재가 침투하지 못하도록 마감하는 제1단계와;
    상기 내부 케이싱 내부에 수중모터펌프와 양수관을 포함하는 양수수단을 설치하는 제2단계와;
    상기 제2단계를 통해 설치된 양수수단을 가동하여 상기 지열공 내부의 지하수를 상기 내부 케이싱의 내부를 거쳐 외부로 양수되도록 하는 한편 양수된 지하수를 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 주입하는 제3단계와;
    상기 제3단계를 통해 상기 내부 케이싱과 상기 지열공 사이의 환수부에 지하수를 주입하는 중에 상기 환수부에 충진재를 투입하여 상기 지하수의 수류에 의해 충진되도록 하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 시공 방법.

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