KR20140135601A - 물넘침 방지 기능을 갖는 개방형 게오일 지열 지중 열교환 장치 및 이를 이용한 지하수 유량 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 관한 것으로, 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 증대함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 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 양수펌프(40)와; 상기 양수펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과; 상기 급수관을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 지열 교환부와; 상기 지열 교환부와 연결되어 상기 지열 교환부를 통과하여 열교환한 환수측 지하수를 환수하는 메인 환수관(50)과; 상기 지열공의 환수부에 삽입되며 분배 헤더(60)를 통해 상기 메인 환수관과 연결되어 상기 메인 환수관을 따라 환수되는 환수측 지하수를 상기 지열공의 환수부에 환수하는 2개 이상의 분배 환수관(70)과; 상기 메인 환수관 또는 분배 환수관에 설치되며 상기 메인 환수관의 개도 조절을 통해 환수량을 조절하는 유량조절밸브(71)와; 상기 지열공의 급수부 또는 환수부에 서로 다른 높이로 설치되어 상기 급수부 또는 환수부의 수위를 각각 검출하는 레벨컨트롤 센서(80,81)와; 상기 레벨컨트롤 센서에 의해 검출되는 급수부 또는 환수부의 수위를 근거로 하여 상기 유량조절밸브를 조절하여 환수량을 제어하는 레벨 컨트롤러(90)로 구성된다.

Description

물넘침 방지 기능을 갖는 개방형 게오일 지열 지중 열교환 장치 및 이를 이용한 지하수 유량 제어 방법{Underground water circulator of Geohill open type geothermal system}

본 발명은 게오힐 지열 지중열교환 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 증대할 수 있는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이를 이용한 지하수 유량 제어 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 연구 과제라 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 수직밀폐형과 개방형으로 구분된다.

수직밀폐형은 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 깊이가 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 양수펌프가 설치되어 지하수를 양수관을 통해 지상 히트펌프까지 올려 순환시키게 된다.

이러한 개방형 지중 열교환기 형태는 여러 가지가 개발되어 적용되어지고 있다.

지하수 지열공에서 자연수위라 함은 지하수 관정에서와 같이 수중모터펌프를 가동하여 지상으로 지하수를 양수하지 않은 상태에서 유지되는 지하수 수위를 말한다. 물론 운전수위라 함은 지열 공에 수중모터펌프를 설치하여 지중 열교환기로 운영하는 과정에서 형성시키는 지하수 수위를 말한다.

지열시스템이 다수 개의 지열 공으로 구성시 각 지열 공의 자연수위는 약간의 차이가 있을 수 있어 어느 한쪽은 높거나 어느 한쪽은 낮게 형성되어 있게 된다. 대체적으로 대수층이 모두 연결되어 있을 경우에는 동일하거나 유사한 자연수위를 형성하게 될 수도 있는 것은 당연하다.

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.

지하수의 급수량과 환수량을 동일하게 한다면 물넘침 현상이 발생되지 않으며, 이러한 이유로 물넘침 현상을 방지하기 위해 각 지열공마다 독립적으로 순환배관을 설치하여 히트펌프까지 연결하여 구성하기도 하는데 지열공 수량이 적을 경우에는 효과적이나 지열공 수량이 많아질 경우에는 적용에 한계를 갖게 된다.

다른 방법으로 정유량밸브를 사용하여 물넘침을 개선하고자 하나 이 역시 공급수량과 환수량을 정확히 일치시켜야만 가능하게 되며 정유량밸브의 유량정도에 따라 변수가 발생하게 되는 문제점이 있다.

또는 환수관측에 수동유량조절밸브를 설치할 수 있으나 이 또한 수시로 변하는 유량변화에 대응하기에는 어려움이 있다.

한편 펌프의 운전특성곡선을 살펴보면 공급수측 수위, 즉 운전 중 지열 공 내부의 수위가 오르면 양수량이 크게 증가하면서 변화되는 것을 알 수 있는데 특히 공급수의 경우 양수펌프가 설치되어 운용되는 운전 수위에 따라 펌프의 운전특성곡선에 의해 순환유량은 달라지게 되며 물넘침이 나타나면서 형성되는 높은 운전수위는 당연히 순환유량을 증가시키게 되며 주변 지열공과의 순환형평이 깨뜨려지게 되어 상황을 더욱 악화시키게 된다.

또한 포설된 배관망에 연결된 주변 양수펌프 운전조건과 배관 유동저항, 유속에 따라서도 공급 유량의 변화가 발생됨에 따라 물넘침이 발생된다.

또한 양수펌프의 임펠라 마모나 이물질 끼임 등에 따른 양정변화, 각 지열공별로 양수펌프마다 다른 양정으로 혼합 설치에 따른 양정변화, 양수펌프 제조사별로 다른 운전특성곡선에 따른 양정변화에 의해 각 지열공 마다 순환량이 달라지고 각 지열공은 순환량의 과부족에 의해 어떤 지열공은 저수위에 의해 수중모터가 과열되어 소손되기도 하고 어떤 지열공은 상부보호공으로 물넘침이 발생되어 주변을 오염시키거나 운전장애를 발생시키게 된다.

또한, 부존 지하수가 많은 지열공과 부존지하수 량이 적은 지열공이 혼재되어 운용되어질 때 부존 지하수 양이 많은 지열공의 경우 지속적으로 지하수를 양수하여 공급하여지게 되고 부존 지하수 양이 적은 지열공의 경우에는 환수되는 지하수를 감당하기 어려워지게 되어 결국 순환지하수의 분배와 순환량 언밸런스로 인해 한쪽 지열공은 물넘침 현상 발생한다.

지열 공을 운영하는 과정에서 레벨 유지를 정상적으로 하지 못해 물넘침 현상을 유발하게 되는 경우 물넘침을 하는 지열 공은 지상으로 물넘침을 하여 소모시키는 지하수 외에 지표하부 대수층으로도 지하수를 역류시켜 소모시키는 현상을 갖게 된다. 즉, 지열공마다 지하수 취수량이 존재하게 되는데 이 취수량은 지하수를 지속적으로 지상으로 양수하여 소모시킬 수 있는 양인 만큼 역으로 그만한 양의 다른 지열공의 지하수 또는 외부에서 보충되는 상수도 등 보급수를 대수층으로 흡수할 수도 있다는 것을 의미하고 있다. 이러한 현상은 한편으로는 지하수 취수량이 특히 많은 지열공으로부터 열교환된 다량의 지하수를 상대적으로 취수량이 적은 지열공으로 흡수시켜 흐르게 함으로써 결과적으로 지열공의 열교환 효율을 증대시키는 것으로도 활용될 수 있다. 즉, 취수량이 많은 지열공의 경우에는 열교환된 순환지하수를 받아들이는 것보다 새롭게 취수되는 지하수를 순환시켜 상대적으로 취수량이 적은 지열공의 수위를 상승시켜 순환지하수를 흡수시키도록 함으로써 하절기에는 운전 수온보다 낮은 새로운 대수층의 지하수를 공급할 수 있고 동절기 난방시에는 온도가 운전수온보다 훨씬 높은 새로운 대수층의 지하수를 지열 시스템에 공급할 수 있게 되어 전체적인 지열 시스템의 운전효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있다.

반면에, 일부 지열공에서 물넘침 현상이 발생되면서도 적정 수위를 전반적으로 유지하지 못할 경우 다량의 보급수가 물넘침 현상으로 인해 지상으로 소모되어짐은 물론 수위차이로 인해 다량의 순환지하수가 지열공의 대수층으로 유입하게 되어 상수도를 보급수로 사용하게 되는 경우 상수도 사용량을 증대시켜 비 경제적인 지열시스템을 운용하게 되는 결과를 낳게 될 수 있다. 또한 지열공의 경우 운영되는 지하수 수질이 생활용수 수질이상을 유지하여야 하는 규정이 있긴 하나 운영되는 지하수 수질이 그 이하가 되는 경우 나쁜 수질의 순환지하수가 지열공의 지하수 대수층으로 흡수하게 되어 결과적으로 주변 지하수를 크게 오염시켜 향후 지하수 수질기준 초과로 인한 시설운영 중단은 물론 주변 지하수 정화에 막대한 비용이 투입될 수 있는 위험성이 있다.

등록특허 제10-0803351호 등록특허 제10-0845973호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 증대할 수 있는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이를 이용한 지하수 유량 제어 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 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 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 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치 및 이를 이용한 지하수 유량 제어 방법에 의하면, 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치의 요부 발췌 확대도.
도 3은 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 분배 환수관과 유량조절밸브의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 분배 환수관과 유량조절밸브의 다른 구성도.
도 5는 본 발명에 물넘침 방지 기능을 갖는 의한 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 유량 조절 구성이 컨트롤 보호공에 설치된 예시도.
도 6은 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치에 적용된 역류방지 차폐부의 구성도.
도 7은 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 유량 제어 흐름도.

도 1과 도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치는, 지중에 형성되는 지열공(1)과; 지열공(1)의 상부를 지표 오염물질의 유입을 방지하여 보호하는 상부보호공(10)과; 지열공(1)의 내부에 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 차폐벽(20)과; 지열공(1) 안에 설치되며 지열공(1)을 급수부(1a)와 환수부(1b)로 구획함과 더불어 지하수의 급수를 위한 순환이 가능하도록 하는 내부 케이싱(30)과; 내부 케이싱(30)의 내부에 설치되어 지하수를 양수하여 급수하는 급수수단[양수펌프(40), 양수펌프(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 환수수단[메인 환수관(50), 분배 헤더(60), 2개 이상의 분배 환수관(70), 지열공(1) 내부의 급수부(1a) 또는 환수부(1b)(급수부에 설치되는 것을 예로 들어 도시하고 설명함)에 설치되는 수위센서(서로 다른 높이로 설치되는 2개 이상의 레벨컨트롤 센서[수위 측정이 가능한 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81) 또는 양수펌프(40) 상단에 설치되는 압력센서 등이 가능하며 이하에서는 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)를 예로 들어 설명함], 급수관(41)과 메인 환수관(50) 및 분배 헤더(60)로 구성된 환수수단[메인 환수관(50)과 분배 헤더(60) 및 2개 이상의 분배 환수관(70) 또는 하나의 환수관을 말함]에 설치되어 공급수량과 환수량을 조절하거나 또는 상기 환수수단에 설치되어 환수량을 조절하는 유량조절밸브(71), 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)에 의해 감지되는 수위를 근거로 하여 유량조절밸브(71)를 제어하는 레벨 컨트롤러(90)로 구성된다. 본 발명은 개방형이므로 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 환수부(1b)에 콩자갈 등의 채움재가 충진될 수 있다.

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 직경 차에 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.

밀폐식 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.

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, 환수측 유량계, 압력계), 밸브, 컨트롤러(전송장치 포함) 등이 설치되도록 한다.

밀폐식 상부 보호공(10)은 내부에서 운전 중 발생되는 높은 수압에서도 지면을 향하는 순환 지하수의 물넘침이 발생되지 않도록 수밀성을 유지하며 이러한 높은 수밀성을 통해 확보된 수압은 해당 지열공(1)의 운전수위를 높게 형성하는 효과로 나타나게 되어 대수층으로의 지하수 재주입에 의한 흡수를 증가시킬 수 있게 된다. 이러한 전제 조건은 당연히 지열공(1) 내부에서 내부 케이싱(30)과 상기 환수수단이 수밀성 있게 결합되어 있어야 하며 내부 케이싱(30) 등의 결합 역시 수밀성 있게 연결되어 있어야 한다. 물론 양수펌프(40)의 토출측에는 운전 정지시에 양수된 지하수의 역류방지를 위해 첵크밸브가 당연 설치되어 있게 되나 양수펌프(40)측으로 밀폐식 상부보호공(10) 내부의 수압이 걸린 상태의 지하수가 다시금 양수펌프(40)측으로 역류하지 않도록 밀폐식 상부보호공(10) 내부에 통상의 첵크밸브(미도시)를 구성하도록 한다.

결국 밀폐식 상부 보호공(10)에 통상의 운전수압보다 높은 수압이 형성되어 있다는 것은 상기 환수수단으로 유입되는 순환 지하수의 양이 양수펌프(40)로부터 양수되어 공급되는 순환 지하수의 양보다 많다는 것을 의미하며 그렇다고 해서 상기 환수수단으로 유입된 순환 지하수가 내부 케이싱(10)과 지열공(1) 굴착공벽 사이를 유동하여 열교환 한 후 지열공(1) 하부에 설치된 유공부를 통해 상승하여 양수펌프(40)를 통해 양수되어 지열 시스템을 순환하게 하는 순환구조에 장애가 발생되는 것은 아니며 이러한 운전 형태는 압력센서를 통해 적정하게 콘트롤장치가 계획된 범위 내에서 제어할 수 있도록 할 수 있다.

차폐벽(20)은 지면에서부터 암반선에 걸쳐 상기 지열공보다 단차가 지도록 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 팽창하는 차폐재(24)가 구성될 수 있다.

차폐재(24)는 내부에 주입되는 유체에 의해 팽창하는 팽창튜브, 지하수에 의해 팽창하는 수팽창 고무튜브 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(1a)와 환수부(1b)[외부, 지열공(1)과 사이 공간]로 구획하며, 환수부(1b)를 흐르면서 열교환된 지하수를 급수부(1a)로 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 연결소켓이나 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 구성될 수도 있다.

내부 케이싱(30)은 직선관, 대경부와 소경부에 의해 직경이 단차진 이형관 등 모두가 사용 가능하다. 즉, 양수펌프(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.

양수펌프(40)는 내부 케이싱(30)의 내부인 급수부에 설치되어 급수부(1a) 내의 지하수를 펌핑함으로써 급수관(41)에 지하수를 급수한다. 급수관(41)은 양수펌프(40)에 의해 양수되는 지하수를 상기 지열 교환부에 공급하도록 연결되며 2개 이상의 관이 관이음되어 구성된다.

급수관(41)에는 정유량밸브(42)가 적용되어 급수부(1a) 내의 지하수의 수위의 변화가 있다 할지라도 항시 일정한 유량을 급수하도록 한다. 또한 각 지열공 마다 양수펌프(40)의 규격이 일치하지 않거나 양수펌프(40)의 양수량이 일치하지 않는 다 할지라도 항시 일정한 유량을 급수하게 된다. 다만 급수량을 임의로 상향 조절하기 위해 상기 급수관에는 별도 유량확보를 위해 일반 동일구경의 유지보수대비용 바이패스밸브와는 관계없이 개도 조절을 통해 유량조절이 가능한 소구경의 바이패스밸브를 구성하도록 하였다.

상기 환수수단을 구성하는 메인 환수관(50)은 지열공(1) 내부의 환수부(1b)[내부케이싱(30)의 외부와 지열공(1)과 사이 공간]로 환수관을 삽입하여 구성하게 된다. 또는 환수관의 직경이 커서 환수부(1b)에 삽입이 어려운 경우 분배햇더(60)를 구성하여 2개 이상의 분배 환수관(70)을 설치하게 할 수 있다. 이 경우 메인 환수관(50)은 양측이 상기 지열 교환부와 분배 헤더(60)에 각각 유체 연통 가능하게 연결되어 상기 지열 교환부를 통과하면서 열교환된 지하수를 분배 헤더(60)에 공급한다.

메인 환수관(50)에는 정유량밸브(51)가 적용되어 일정한 양의 지하수가 환수되도록 하며, 급수관(41)의 정유량밸브(42)와 함께 동일한 양의 급수와 환수가 이루어지도록 함으로써 상부보호공에서의 물넘침을 막을 수 있다.

정유량밸브(42,51)는 순환 지하수의 양을 전반적으로 일정하게 유지하도록 하고, 운전수위에 따른 미세한 조절은 분배 환수관(70)에 구성한 유량조절밸브(71)를 통해 구현되도록 할 수 있도록 한다. 정유량밸브(42,451)는 급수관(41)과 상기 환수수단의 분배 환수관(70)에 각각 설치하거나 분배 환수관(70)에만 설치하여 운용될 수 도 있다. 특히, 운전수위의 변화가 크거나 각 지열공(1)마다 취수량 차이가 큰 경우에는 운전수위에 따라 양수펌프가 순환시키는 지하수의 양이 펌프특성곡선에 의한 양정에 따라 현저하게 달라지는 만큼 급수관(41)에도 정유량밸브(42)가 설치되어 공급량을 일정하게 유지시켜 줄 필요는 있다.

분배 헤더(60)는 내부가 중공인 통 구조이면서 예컨대 상부에는 메인 환수관(50)이 관이음되는 제1포트(구멍, 관형 등 다양하게 형성 가능), 저부에는 분배 환수관(70)이 관이음되는 제2포트가 각각 구성되며 내부 케이싱(30)의 둘레부에 설치되도록 링 형상으로 이루어지며 즉, 내주면은 내부 케이싱(30)의 둘레부에 지지되고 외주면은 지열공(1)의 내벽에 지지되고 따라서 수밀성을 확보하여 물넘침 방지의 기능도 겸한다.

물론, 분배 헤더(60)는 반드시 밀폐식 상부보호공이나 내부케이싱(30) 상단부에만 설치되어지는 것은 아니며 공간이 충분하도록 제작된 상부보호공 내부 공간이나 별도의 컨트롤 보호공(91) 내부에 구성시킬 수도 있음은 당연하다.

분배 환수관(70)은 환수부(1b) 내부에 배치되면서 상단부가 분배 헤더(60)의 제2포트에 관이음되며 하단의 배출단을 통해 지하수를 환수부(1b)에 환수한다.

분배 환수관(70)은 내부 케이싱(30) 상단부에서부터 하부[지열공(1)의 바닥으로부터 일정 높이 이격된 곳]까지 설치되며 PE, PVC, 합성수지제재 등을 재질로 하고 하나 이상의 고정밴드(72)를 통해 내부 케이싱(30)의 둘레부에 고정됨으로써 흔들림 등을 일으키지 않는다. 고정밴드(72)는 분배 환수관(70)을 단순히 고정만 하는 구조 또는 내부가 중공인 통구조이면서 분배 환수관(70)과 내부 케이싱(30)의 내부를 연통하는 구조 등이 가능하다.

제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)는 신호선(보호관 적용 가능)을 통해 급수부(1a)에 서로 다른 높이로 설치되어 수위를 각각 검출한다. 제1레벨컨트롤 센서(80)는 수중 펌프(40)의 위에 제2레벨컨트롤 센서(81)는 제1레벨컨트롤 센서(81)의 상부에 일정 거리[제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)의 위치 그리고 간격에 의해 운전이 달라지므로 현장 여건 등에 따라 설정]를 두고 설치된다. 물론 양수펌프(40) 상단에 압력센서를 설치하고 운전수위에 따라 변하는 압력신호를 받아 수위로 변환하여 동일한 효과를 얻을 수도 있다.

수위센서(제1,2레벨컨트롤 센서(80,81) 또는 압력센서)에 의해 검출된 신호값은 유무선 통신모듈을 통해 송신된다.

도 1 내지 도 3에서 보이는 것처럼, 유량조절밸브(71)(자동유량조절밸브)는 분배 환수관(70)에 설치되어 분배 환수관(70)의 개도 조절(개폐도 가능할 수 있음)을 통해 환수량을 제어하며, 수위센서(제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)또는 압력센서)의 검출 값을 근거로 하는 레벨컨트롤러(90)의 제어를 통해 작동한다. 예를 들어 상대적으로 하부에 위치한 제1레벨컨트롤 센서(80)에 의한 지하수의 검출시 지하수의 환수량이 많아지도록 분배 환수관(70)의 개도를 크게 하고 제2레벨컨트롤 센서(81)에 의한 지하수의 검출시 지하수의 환수량이 적어지도록 분배 환수관(70)의 개도를 작게 한다.

유량조절밸브(71)는 운전수위의 변화에 따라 미세하게 각 지열공(1)의 운전수위를 조절할 수 있도록 설치되는 조절밸브로서 운전수위를 측정하는 수위센서[제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)또는 압력센서]로부터 취득한 신호값을 레벨컨트롤러(90)가 연산하여 유량조절밸브(71)의 개도치를 조절할 수 있도록 한 것이다. 장치의 구성은 메인 환수관(50)에 설치되는 단일 밸브형태이거나 다수개의 환수관으로 분배한 분배헤더(60)를 구성한 후 소형의 조절밸브를 구성하여 유량조절의 목표를 달성시키면서도 경제적인 장치구성이 가능하도록 할 수도 있다. 도 4에서 보이는 것처럼, 분배 환수관(70)은 항상 개방되도록 하고 유량조절밸브(73)에 의해 개도가 조절(개폐도 가능)되는 환수 조절관(72)을 적용한다. 즉, 환수 조절관(72)은 개방시 분배 헤더(60)와 연결되어 분배 헤더(60)에 유입되는 지하수를 환수부(1a)에 환수하며 유량조절밸브(73)의 폐쇄시 지하수의 흐름을 차단하여 지하수가 분배 환수관(70)만을 통해 환수되도록 함으로써 환수부(1a)에 환수되는 지하수의 양을 조절한다.

이와 같은 구성의 유량 조절 구성[급수관(41)측의 정유량밸브(42), 분배 환수관(70)의 유량조절밸브(71)]은 용이한 유지보수를 감안하여 별도의 밀폐식 컨트롤 보호공(91)(맨홀)을 통해 설치될 수 있다.

컨트롤 보호공(91)은 내부에 공간이 형성되며 내부에 급수관(41)측의 정유량밸브(42), 분배 환수관(70)의 유량조절밸브(71), 컨트롤판넬, 축전지, 유무선 통신모듈, 분배 헤더(60) 등이 설치되는 보호공 본체(91a), 보호공 본체(91a)의 상측 개방부에 분리 가능하게 결합되는 보호공 덮개(91b)로 구성된다.

컨트롤 보호공(91)은 지중과 지상 모두에 설치 가능하다.

본 발명은 전술한 지하수의 흐름 제어를 통해 물넘침을 방지할 수 있지만, 환수부(1b) 측에서 지하수의 유동저항 등에 의한 물넘침을 더욱 효과적으로 방지하기 위하여 역류방지 차폐부(32)가 적용될 수 있다.

역류방지 차폐부(32)는 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이에 일정 두께(예를 들어 200mm ~ 300mm)로 형성되어 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 환수부(1b)를 흐르는 환수측 지하수가 유동저항에 의해 지상이나 상부 보호공(10)으로 역류하지 못하도록 함과 아울러 오염을 방지하는 것이며, 도 1과 도 6에서처럼, 중앙에는 내부 케이싱(30)이 배관되는 케이싱공이 그리고 상기 케이싱공의 둘레부에는 분배 환수관(70)이 관통되는 배관공이 구비되는 링형상이며 내주면은 내부 케이싱(30)의 외주면에 밀착되고 외주면은 지열공(1)의 내벽에 밀착되는 하부판(32a), 하부판(32a) 위에 충진되어 환수부(1b)를 차폐하는 충진재(32b)로 구성되고, 또한, 충진재(32b) 위에 덮히는 상부판(32c)이 추가로 구성될 수도 있다.

역류방지 차폐부(32)는 전술한 구성으로 한정되지 아니하고 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(32)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 분배 환수관(70)의 설치 후 그라우팅에 의해 시공되는 경화체인 차폐 슬래브 중 하나이다.

또는 역류방지 차폐부(32)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(32)에 의해 내부 케이싱(30)의 분배 환수관(70) 설치공간에서 수위저하에 따른 부압형성을 방지하기 위해 자유로운 공기흡입이 가능하면서도 지하수 배출은 방지되도록 에어벤트(미도시)를 연결하여 구성할 수도 있다.

채움재는 예를 들어 3~5mm 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.

본 발명에 사용되는 전원은 양수펌프(40) 가동 전원을 이용하고 별도의 컨트롤판넬을 구성할 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 과정을 통해서 개방형 지열 지중 열교환장치의 물넘침을 해결할 수도 있다.

각 지열공의 자연수위를 조사하여 평균적으로 유지하여야 할 운전수위를 자연수위에 근접한 수위로 결정한다.

양수펌프를 가동하여 양수시험을 시행하고 각 지열공의 최대 취수량을 조사한다. 이때 각 지열공의 대수층이 연결되어 있을 경우 각 지열공마다의 양수시험은 무의미할 수도 있는 만큼 각 지열공 양수시험시 주변 지열공의 수위를 조사하여 양수시험을 시행하고 있는 지열공과 수위가 연계하여 변동이 있는 지의 여부를 조사하여 대수층이 일치되어 있는지의 여부를 판단한다. 대수층이 연결되어 있는 지열공들에 대해서는 해당되는 전체 지열공의 양수펌프를 일제히 가동시켜 전체적인 양수량을 조사한다.

취수량이 많은 지열공의 취수량을 많게 하여 취수량이 적은 지열공에 분배하여 지하수 대수층으로 지하수의 역 주입에 의한 흡수가 이루어지도록 한다. 이때 취수량이 적은 지열공의 운전수위를 높게 유지하게 함으로써 지하수 대수층보다 높게 유지하는 수위차이에 의해 흡수효과를 갖게 할 수 있다. 역으로 취수량이 작은 다수개의 지열공의 운전수위는 낮게 하고 취수량이 많은 지열공의 운전수위를 아주 높게 하여 대수층과의 수위차이를 이용하여 대수층으로의 지하수 흡수가 이루어지도록 할 수도 있다.

또한, 지열공이 설치된 구역의 지하수 흐름방향을 조사하여 이를 활용할 수도 있다.

지하수 흐름방향에서 상부 구역의 지열공 운전수위는 낮게 유지하면서 취수량을 높게 하고 하부구역은 운전수위를 높게 유지하면서 취수량을 낮게 운전한다. 이렇게 함으로써 상부구역은 지하수 대수층에서 양수펌프의 지속적인 양수를 통해 새로운 지하수를 취수하게 되고 하부구역은 높은 수위차이를 이용하여 순환지하수를 지하수 대수층에 주입하여 흐르게 하는 효과를 갖게 되어 하절기에는 운전 수온보다 낮은 새로운 대수층의 지하수를 공급할 수 있고 동절기 난방시에는 온도가 운전수온보다 훨씬 높은 새로운 대수층의 지하수를 지열 시스템에 공급할 수 있게 되어 히트펌프의 성적계수(COP)를 높일 수 있게 되어 전체적인 지열 시스템의 운전효율을 높혀 결과적으로 경제적인 지열 운영이 가능하게 된다.

도 7에서 보이는 바와 같이 본 발명에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 유량 제어 방법은 다음과 같다.

[레벨센서 등 물넘침방지 및 유량제어가 설치되어 있지 않은 기존 지열공이 경우]

1. 전원 공급.

메인 컨트롤 패널 등에 구성되는 전원 스위치의 조작을 통해 지열 열교환부(히트펌프 등)와 양수펌프의 전원을 공급한다.

2. 서비스 패널 전원 공급

서비스 판넬은 대체적으로 콘트롤보호공(91) 내부에 설치되어지며 메인 컨트롤 패널에서 나온 동력케이블을 연결하여 양수펌프(40)와의 사이에 설치 구성하게 된다. 서비스패널 내부에서 동력케이블은 바로 연결단자를 통해 바이패스되어 양수펌프(40)연결되는 구조이며 점핑된 연결단자를 통해 축전설비로 전원이 공급되어지도록 되어있다.

서비스패널 내부에는 수위제어콘트롤을 위한 연산제어장치가 구성되어지게 된다.

서비스패널의 위치는 지열공이 설치되어 있는 위치의 근접거리에 별도 설치하거나 무선 송수신 제아가 가능한 장치가 구성될 경우에는 기계실 메인콘트롤패널에 별도 구성하여 설치될 수 있다.

3. 양수펌프 가동.

메인 컨트롤 패널에서의 조작을 통해 양수펌프(40)의 가동 스위치가 작동되어 양수펌프(40)가 가동되며 급수부(1a)에 있는 지하수를 양수한 후 지열 교환부(히트펌프)에 급수한다.

4. 유량제어 데이터 연산.

서비스패널 내부에 설치된 연산제어장치에서는 수위레벨[제1,2레벨컨트롤 센서(80,81) 또는 압력센서에 의해 검출]와 온도, 순환유량, 압력 신호값을 전송받아 이를 연산하여 유량조절밸브(71)의 개도를 조정하거나 개폐하는 등 자동유량조정을 시행하게 된다.

5. 수위 감지 및 유량 제어.

제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)는 수위를 감지하고, 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)를 통해 감지된 데이터를 근거로 하여 유량조절밸브(71)의 개도를 조절하여 공급수량 및 환수유량을 제어하여 운전수위를 조정한다.

[레벨센서 등 물넘침방지 및 유량제어가 신규 지열공 설치시 적용되는 경우]

1. 전원 공급.

메인 컨트롤 패널 등에 구성되는 전원 스위치의 조작을 통해 지열 열교환부(히트펌프 등)와 양수펌프의 전원을 공급한다.

2. 서비스 패널 전원 공급

서비스 판넬은 대체적으로 콘트롤보호공(91) 내부에 설치되어지며 별도의 전원이 공급되어지도록 되어있다.

서비스패널 내부에는 수위제어콘트롤을 위한 연산제어장치(레벨컨트롤러)가 구성되어지게 된다.

서비스패널의 위치는 지열공이 설치되어 있는 위치의 근접거리에 별도 설치하거나 무선 송수신 제어가 가능한 장치가 구성될 경우에는 기계실 메인콘트롤패널에 별도 구성하여 설치될 수 있다.

3. 양수펌프 가동.

메인 컨트롤 패널에서의 조작을 통해 양수펌프(40)의 가동 스위치가 작동되어 양수펌프(40)가 가동되며 급수부(1a)에 있는 지하수를 양수한 후 지열 교환부(히트펌프)에 급수한다.

4. 유량제어 데이터 연산.

서비스패널 내부에 설치된 연산제어장치에서는 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81) 또는 압력센서로부터 유선 또는 무선으로 전송받은 수위측정 신호에 따라 레벨을 조절할 수 있도록 한 레벨콘롤러(90)와 각각의 센서에 의해 검출되는 온도(온도계), 유속(속도계), 순환유량(유량계), 압력(압력계) 신호값을 전송받아 이를 연산하여 각 지열공 별 순환열량을 산출하거나 각 지열공의 자동조절밸브의 개도를 조정하거나 개폐하는 등 자동유량조정을 시행하게 되는 연산장치가 구성되어 유량제어 및 데이터연산이 시행된다.

5. 수위 감지 및 유량 제어.

제1,2레벨컨트롤 센서(80,81) 또는 압력센서는 수위를 감지하고, 제1,2레벨컨트롤 센서(80,81)또는 압력센서를 통해 감지된 데이터는 레벨 컨트롤러(90)의 조정에 의해 유량조절밸브(71)의 개도를 조절하여 공급수량 및 환수유량을 제어한다.

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 : 메인 환수관, 60 : 분배 헤더
70 : 분배 환수관, 71 : 유량조절밸브
80,81 : 제1,2레벨컨트롤 센서, 90 : 레벨 컨트롤러
91 : 컨트롤 보호공,

Claims (12)

1. 지중에 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부를 보호하는 상부보호공(10)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 양수펌프(40)와;
   상기 양수펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과;
   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 환수관의 개도 조절을 통해 환수량을 조절하는 유량조절밸브(71)와;
   상기 지열공의 급수부 또는 환수부에 설치되어 상기 급수부 또는 환수부의 수위를 검출하는 수위센서와;
   상기 수위센서에 의해 검출되는 급수부 또는 환수부의 수위를 근거로 하여 상기 유량조절밸브를 조절하여 운전수위를 제어하는 레벨 컨트롤러(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
2. 지중에 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부를 보호하는 상부보호공(10)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 양수펌프(40)와;
   상기 양수펌프에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)과;
   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 지열공의 환수부에 삽입되며 분배 헤더(71)를 통해 상기 메인 환수관과 연결되어 상기 메인 환수관을 따라 환수되는 환수측 지하수를 상기 지열공의 환수부에 환수하는 2개 이상의 분배 환수관(70)과;
   상기 지열공의 환수부에 삽입되며 일측은 상기 분배 헤더에 연결되어 상기 분배 헤더에 유입되는 지하수를 상기 환수부에 환수하되 유량조절밸브(73)에 의해 개도가 조절되어 환수량을 달리하는 환수 조절관(72)과;
   상기 지열공의 급수부 또는 환수부에 설치되어 상기 급수부 또는 환수부의 수위를 검출하는 수위센서와;
   상기 수위센서에 의해 검출되는 급수부 또는 환수부의 수위를 근거로 하여 상기 유량조절밸브(93)를 조절하여 운전수위를 제어하는 레벨 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 급수관에 설치되어 유량을 일정하게 조절하는 급수측 정유량밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 급수관에 설치되는 정유량밸브에는 유량조절이 가능한 소구경의 바이패스밸브를 구성한 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 내부에 상기 유량조절밸브(71,73)와 분배 헤더(60)가 설치되는 보호공 본체(91a), 상기 보호공 본체(91a)의 개방부를 개폐하는 보호공 덮개(91b)로 이루어진 컨트롤 보호공(91)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
6. 청구항 1, 또는 청구항 2, 또는 청구항 5에 있어서, 상부보호공 또는 컨트롤 보호공(91)에 내부에는 서비스패널을 구성한 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 환수부의 환수측 지하수가 상기 상부보호공쪽으로 역류하는 것을 막는 역류방지 차폐부(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 역류방지 차폐부는, 중앙에는 상기 내부 케이싱이 배관되는 케이싱공이 그리고 상기 케이싱공의 둘레부에는 상기 분배 환수관이 관통되는 배관공이 구비되며 내주면은 상기 내부 케이싱에 밀착되고 외주면은 상기 지열공의 내벽에 밀착되는 하부판(32a), 상기 하부판 위에 충진되어 상기 환수부를 차폐하는 충진재(32b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 환수수단은 상기 지열 교환부와 연결되는 메인 환수관(50), 상기 메인 환수관(50)과 연결되는 분배 헤더(60), 상기 분배 헤더에 연결되는 분배 환수관(70)을 포함하며,
   상기 메인 환수관과 분배 환수관을 연결하는 분배 헤더는 상부보호공 또는 컨트롤 보호공 내부에 구성한 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 메인 환수관과 분배 환수관을 연결하는 분배 헤더는 내부에 공간이 형성된 링 형상으로 이루어져 상기 내부 케이싱과 상기 지열공의 내벽 사이이면서 상기 충진재의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치.
11. 청구항 1에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 지하수 운용 방법으로서,
    다수의 지열공의 자연수위를 검출하는 1단계와;
    이 자연수위를 근거로 하여 운전수위를 설정하는 제2단계와;
    상기 지열공에 상기 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 설치하여 가동하되 수위센서에 의해 감지되는 수위를 근거로 하여 환수관과 급수관 중 일측 이상의 개도를 조절하여 유량을 제어하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 지하수 유량 제어 방법.
12. 청구항 1에 의한 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 지하수 운용 방법으로서,
    다수의 지열공의 자연수위를 검출하는 1단계와;
    이 자연수위를 근거로 하여 운전수위를 설정하는 제2단계와;
    상기 지열공이 설치된 지역의 지하수 흐름 방향을 확인하는 제3단계와;
    상기 지열공에 상기 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 설치하여 가동하되 수위센서에 의해 감지되는 수위를 근거로 하여 환수관과 급수관 중 일측 이상의 개도를 조절하여 유량을 제어하는 제4단계와;
    지하수의 흐름을 기준으로 하여 상류측에 배치되는 지열공보다 하류측에 배치되는 지열공의 운전수위를 높게 하여 지하수 대수층에 주입 흡수되도록 하여 열효율 향상이 되도록 운전하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물넘침 방지 기능을 갖는 게오힐 개방형 지열 지중열교환 장치를 이용한 지하수 유량 제어 방법.

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