KR20170007017A - 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템에 관한 것으로, 지하수의 경로(급수부, 환수부, 지열공 전체)를 차폐하여 환수부의 지하수가 급수부로 넘치는 것과 지하수가 지열공 외부로 넘치는 것을 차단함으로써 열교환 효율을 높이고 전기 사고를 방지하지 함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템은, 지중에 천공 형성되는 지열공(1)과; 상기 지열공의 상부에 설치되어 상기 지열공을 보호하는 상부 보호공(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 지열공의 내부에 설치되어 지하수를 양수하여 급수하는 급수수단과; 상기 양수수단에 의해 양수되는 지하수의 열을 회수하는 열교환기(50)와; 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부에 환수하는 환수수단과; 상기 지열공에 설치되며 상기 급수수단의 급수관(41)과 상기 환수수단의 환수관이 상하로 관통되어 상기 지열공을 차폐하는 차폐부재를 포함하고, 상기 차폐부재는 급수관 관통홀(71)이 구비된 입체형 구조이며 상기 내부 케이싱의 안에 둘레부가 밀착되어 상기 급수부를 차폐하며 상기 급수관 관통홀에 상기 급수수단의 급수관이 수밀하게 상하로 관통하는 제1차폐부재(70), 하나 이상의 환수관 관통홀(82)이 구비된 링 형상으로 이루어져 상기 내부 케이싱과 상기 지열공의 사이에 설치되어 상기 환수부를 차폐하며 상기 환수관 관통홀에 상기 환수수단의 환수관이 수밀하도록 상하로 관통되는 제2차폐부재(80)이다.

Description

물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템{Geohill open type geothermal system for preventing overflow of underground water}

본 발명은 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수의 열을 이용하기 위하여 지하수가 순환하는 모든 경로를 전자적 제어 없이 차폐하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템에 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.

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 내부케이싱의 설치없이 단순히 환수관을 지열공 바닥근처에 까지 내려 설치하게 하거나 환수관은 상부에 위치하게 하고 양수펌프에 연결된 지하수 흡입관을 지열공 바닥근처에 까지 내려 설치하는 방법 등 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 직경 4~5mm 내외의 콩자갈로 이루어진 충진재가 채워지게 되고 그 안쪽에는 환수관이 묻힌 상태로 설치되는 구성으로 이루어진다.

이러한 공법은 개방형 지열 지중열교환기가 운전 중 굴착공이 함몰되는 사고를 예방할 수 있는 장점이 있는 반면 종래 환수 분배관을 통해 환수되는 순환지하수의 유동저항이나 환수 분배관 하부가 모래 등으로 막힘으로 인해 환수측 순환지하수가 지상으로 흘러넘치는 사례가 빈번하게 발견되는 문제점이 있다. 물론 일반 개방형 지열 지중열교환기 역시 내부케이싱과 지열공 공벽사이가 함몰되거나 토사슬러리가 쌓여 지열공 바닥에 집중 설치된 내부케이싱의 유공관 부분을 폐색시킬 경우 환수되는 지하수가 내부케이싱 안쪽으로 이동하여 양수되지 못하게 됨으로써 내부케이싱 바깥쪽으로부터 물넘침이 발생되고 물넘침된 지하수는 내부케이싱 상부를 통해 내부케이싱 안쪽으로 이동하게 되어진다.

즉, 환수관측으로 물넘침이 발생될 경우 열교환되지 않은 순환지하수가 토출측으로 넘어와 지중에서 열교환되지 않은 순환지하수가 수중순환펌프로 흡입 양수되어 지상부 열교환부로 이동하게 되므로 열교환효율 저하의 원인이 되고 있다.

또한, 수중순환펌프가 모터소손이나 고장등으로 정지된 상태에서 지속적으로 환수관을 통해 지하수가 유입되는 경우 상부보호공을 통해 외부로 물넘침이 발생되기도 한다.

또한, 밀폐식 상부보호공 내부에 각종 센서 및 전지전자 장치부가 설치된 경우 물넘침이 발생하게 되면 침수에 의해 전자장치의 고장과 전기 감전사고의 위험성이 있다.

한편, 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.

또한, 일부 지열공이 지하수 유량을 충분히 갖는 대수층을 갖게 되고 환수되는 지하수의 양이 일부 지열공 쪽으로 편중됨이 클 경우 수중순환펌프와 양수관을 설치하는 내부케이싱 안쪽을 통해서도 지하수가 넘쳐 나오게 되어 결과적으로 지열공 물넘침이 발생하게 되는 현상을 막을 수 없었다.

특허문헌(공개특허 제10-2014-0135601호)은 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 설치

되어 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 컨트롤러로 구성되며, 개방형 지열공의 물넘침현상을 방지하고 지열공마다 열부하량 분배를 효과적으로 수행할 수 있어 전체 지열 지중열교환기의 열전달 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있지만, 내부 케이싱의 상부가 개방되어 있는 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2014-0135601호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일 및 다수의 지열공 조건 등 다양한 조건에 상관없이 지하수의 경로(급수부, 환수부, 지열공 전체)를 차폐하여 지하수의 넘침(환수부에서 급수부, 급수부에서 환수부, 지열공 외부) 현상을 막을 수 있는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템은, 지중에 천공 형성되는 지열공과; 상기 지열공의 상부에 설치되어 상기 지열공을 보호하는 상부 보호공과; 상기 지열공의 내부에 설치되어 지하수를 양수하여 급수하는 급수수단과; 상기 양수수단에 의해 양수되는 지하수의 열을 회수하는 열교환기와; 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부에 환수하는 환수수단과; 상기 지열공에 설치되며 상기 급수수단의 급수관과 상기 환수수단의 환수관이 상하로 관통되어 상기 지열공을 차폐하는 차폐부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 차폐부재는 내부 케이싱에 의해 구획되는 지열공의 급수부와 환수부에 각각 설치되면서 급수관과 환수관이 배관되어 급수부와 환수부를 차폐하는 제1,2차폐부재로 이루어지거나, 지열공 전체를 차폐하면서 급수관과 환수관이 배관되는 단일형의 차폐부재로 이루어진다.

본 발명에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템에 의하면, 실시예 1의 경우 제1차폐부재가 급수부를 차폐하는 한편 제2차폐부재가 환수부를 차폐하여 지하수가 순환하는 모든 부분을 차폐하고, 실시예 2의 경우 단일형의 차폐부재가 지열공 전체를 차폐하며, 아울러 차폐부재와 급수관 및 환수관의 사이도 차폐하여 원천적으로 지하수가 넘치는 것을 차단하고, 즉, 환수부의 지하수가 급수부로 넘치지 않아 열교환 효율의 저하를 방지하는 한편 각종 전자장치의 침수로 인한 고장과 전기 감전사고를 미연에 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템에 적용된 제1,2차폐부재의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템의 구성도.

<실시예 1>

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템은, 지중에 굴착 시공되는 지열공(1)과; 지열공(1)의 상부에 설치되며 지표 오염물질이 지열공(1) 안에 유입되는 것을 막아 지열공(1) 및 지하수를 보호하는 상부보호공(10)과; 지열공(1)의 내부에 예를 들어 지표면에서부터 암반선까지 설치되는 케이싱(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[양수펌프(40), 양수펌프(40)에 의해 펌핑되는 지하수를 급수하는 급수관(41)]과; 급수관(41)을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하여 부하에 공급하는 열교환기(50)와; 지열 교환기(50)를 통과하면서 열을 빼앗긴 환수측 지하수를 내부 케이싱(30)에 의해 구획된 환수부에 환수하는 환수수단[환수관(60), 분배 헤더(61), 2개 이상의 분배 환수관(62), 상기 환수부에 채워지는 콩자갈 등의 채움재(63)] 과; 지열공(1)의 급수부와 환수부를 각각 차폐하는 제1,2차폐부재(70,80)로 구성된다.

지열공(1)은 지면에서부터 일정 심도로 굴착에 의해 형성되는데, 케이싱(20)의 시공 구간(차폐공)은 구경이 더 크게(법정 그라우팅 두께 5cm를 확보하기 위함) 천공되며, 즉 케이싱(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.

밀폐식의 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.

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.

케이싱(20)은 지면에서부터 암반선에 걸쳐 지열공(1)의 내부에 설치되며, 예를 들어 상부가 상부 보호공(10)의 보호공 본체(11)의 저부에 플랜지 이음되고, 물론 이에 한정되지 아니하고, 그라우팅 케이싱, 상기 그라우팅 케이싱과 지열공(1) 사이에 몰탈 등의 충진 경화로 형성되는 그라우팅벽(22), 지반의 붕괴를 막기 위하여 지열공(1)의 내벽에 설치되는 흙막이 케이싱으로 구성될 수도 있다.

내부 케이싱(30)은 지열공(1) 내부를 급수부[내부 케이싱(30)의 내부]와 환수부[내부 케이싱(30)과 지열공(1)의 사이이며, 충진재(63)가 충진됨]로 구획하며, 환수부를 흐르면서 열교환된 지하수를 상기 급수부로 안내하기 위한 하나 이상의 환수공(31)이 구비된 것으로 하부에서부터 일정 구간의 유공관[환수공(31)이 구성되는 구간] 및 상기 유공관 상부의 무공관의 조합에 의해 구성되거나 무공관의 저부에 환수공(31)이 형성되는 것으로 이루어질 수 있다.

내부 케이싱(30)은 예를 들어 2개 이상의 단위 관(PE, PVC 등)이 연결소켓이나 열융착소켓, 또는 맞대기 열융착 등을 매개로 하여 연쇄적으로 연결되어 지열공(1)의 심도에 맞도록 구성될 수 있다.

내부 케이싱(30)은 온도에 의해 신축되는 재질로 이루어지는 경우 신축 거동이 가능하다.

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

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

급수관(41)은 양수펌프(40)에 의해 양수되는 지하수를 열교환기(50)에 공급하며, 지열공(1)의 심도와 양수펌프(40)의 위치 등에 따라 2개 이상의 관이 관이음되어 구성될 수 있고, 또한, 열교환기(50)의 위치에 따라 2개 이상의 관이 관이음되어 구성될 수 있다.

급수관(41) 또는 환수관(60)에는 상기 급수부 내의 지하수의 수위의 변화가 있다 할지라도 항시 일정한 유량을 급수하도록 정유량밸브가 적용될 수 있다. 정유량밸브는 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 급수관(41)에는 별도 유량확보를 위해 일반 동일구경의 유지보수대비용 바이패스밸브와는 관계없이 개도 조절을 통해 유량조절이 가능한 소구경의 바이패스밸브가 구성될 수도 있다.

열교환기(50)는 히트펌프 등 급수관(41)을 통해 급수되는 지하수의 열을 회수하는 다양한 열교환기가 가능하다.

상기 환수수단은 열교환기(50)를 통과한 지하수(열을 빼앗긴 상태)를 공급받는 환수관(60), 환수관(60)을 통해 환수되는 지하수를 지열공(1)에 균일하게 분배하기 위한 분배 헤더(61), 분배 헤더(61)에 연결되며 상기 환수부에 상하로 배관되면서 분배 헤더(61)에 의해 분배되는 지하수를 지열공(1)에 환수하는 분배 환수관(62), 상기 환수부에 분배 환수관(62)을 감싸도록 충진되는 충진재(63)로 구성된다. 물론, 상기 환수수단은 전술한 구성으로 한정되지 아니하고 열교환기(50)에 연결되면서 상기 환수부에 배관되는 단일의 환수관도 가능하다.

분배 헤더(61)는 내부가 중공인 통 구조이면서 예컨대 상부에는 환수관(60)이 관이음되는 제1포트(구멍, 관형 등 다양하게 형성 가능), 저부에는 분배 환수관(62)이 관이음되는 제2포트가 각각 구성되며 내부 케이싱(30)의 둘레부에 설치되도록 링 형상으로 이루어지며 즉, 내주면은 내부 케이싱(30)의 둘레부에 지지된다. 이때 분배 헤더(61)의 외주면은 지열공(1)의 내벽에 지지되어 수밀성을 확보하는 것과 지열공(1)의 내벽에 붙지 않는 것도 모두가 가능하다.

분배 환수관(62)은 바람직하게 2개 이상으로 구성되고 상부가 분배 헤더(61)에 지하수가 서로 통하도록 이음되며 내부를 따라 흐르는 지하수를 상기 환수부에 분사하는 분사부(64)가 구성될 수 있다. 분사부(64)는 분배 환수관(62)의 저부에만 형성되거나 상부에서부터 하부로 가면서 일정 간격을 두고 다수개가 형성될 수 있다.

분사구(64)는 구멍인 형태, 노즐인 형태 등이 가능하다.

분배 환수관(62)은 내부 케이싱(30) 상단부에서부터 하부[지열공(1)의 바닥으로부터 일정 높이 이격된 곳]까지 설치되며 PE, PVC, 합성수지제재 등을 재질로 하고 하나 이상의 고정밴드를 통해 내부 케이싱(30)의 둘레부에 고정되는 것도 가능하다.

본 발명에서 차폐부재는 지열공(1)에서 물넘침이 발생될 수 있는 모든 곳을 차폐하며, 즉 지열공(1)의 급수부와 환수부는 지하수의 물넘침이 발생될 수 있으므로 제1차폐부재(70)를 통해 상기 급수부를 차폐하고 제2차폐부재(80)를 통해 상기 환수부를 차폐한다.

도 1과 도 2에서 보이는 바와 같이, 제1차폐부재(70)는 급수관 관통홀(71)이 구비된 입체형 구조[내부 케이싱(30)의 형상과 동일]이며 내부 케이싱(30)의 안에 둘레부가 밀착되어 상기 급수부를 차폐한다.

제1차폐부재(70)의 급수관 관통홀(71)에는 급수수단의 급수관(41)이 상하로 관통 설치된다.

제1차폐부재(70)는 지하수가 통하지 않는 불투수 재질에 의한 3차원의 입체형 블록이며, 급수관 관통홀(71)과 둘레부에서 물넘침이 일어날 수 있고, 이 부분에서도 물넘침을 막기 위하여 다음과 같이 구성된다.

급수관 관통홀(71)은 급수관(41)의 외경보다 작은 내경으로 형성되어 급수관(41)의 관통시 탄성 변형(탄성재질)됨으로써 급수관(41)의 외주면과의 사이에 물넘침이 일어나지 않도록 수밀하게 밀착된다. 급수관 관통홀(71)은 내경이 저부로 가면서 작아지는 테이퍼 단면으로 이루어지는 것도 동일한 효과를 나타낸다.

또한, 제1차폐부재(70)는 저부로 가면서 둘레부의 단면적이 점진적으로 작아지는 테이퍼 단면으로 형성되어 내부 케이싱(30)에 쐐기식으로 설치됨으로써 내부 케이싱(30)과의 사이에서 물넘침을 막는다.

이와 같은 구조와 재질에 따르면 제1차폐부재(30)에 가해지는 양수펌프(40)와 급수관(41)의 하중에 의해 제1차폐부재(30)가 하강하면서 내부 케이싱(30)에 쐐기식으로 압입되어 수밀성을 더욱 증대하고 아울러 급수관 관통홀(71)에서도 더욱 큰 수밀성을 확보한다.

물론, 제1차폐부재(30)를 상부에서 압박하여 높은 수밀성 있는 결합력을 얻기 위하여 통상의 나사조임 또는 카플링 조임 등이 가능한 결합부 구조를 덧붙여 구성할 수도 있음은 당연하다.

상기 결합부는 제1차폐부재(30)의 상부에 올려지면서 일측 이상(도면에는 양측으로 도시됨)이 분배 헤더(61)에 고정되는 결합브래킷(73)일 수 있다.

결합브래킷(73)은 급수관(41)이 관통하는 홀이 구비되면서 제1차폐부재(70)의 상면에 고정되는 차폐부재 결합부(73-1) 및 차폐부재 결합부(73-1)에서 연장 형성되며 분배 헤더(61)에 고정 예컨대 나사 체결되는 걸이부(73-2)로 구성될 수 있다. 걸이부(73-2)는 볼트공이 구비되며 분배 헤더(61)에 고정되어 있는 볼트(74)에 끼워지면서 조임너트(75)로 고정될 수 있다. 걸이부(73-2)는 절곡된 형태로 한정되는 것은 아니다.

즉 제1차폐부재(70)는 내부 케이싱(30)의 상부와 내부에 지지되면서 상부에서 결합브래킷(73)에 의해 눌림을 받게 되어 급수부의 수밀성을 더욱 극대화한다.

또한, 내부 케이싱(30) 내부의 급수부에서 원활한 급수가 이루어지도록 제1차폐부재(70)에는 급수부의 수위 강하시 공기 흡입이 원활히 이루어지도록 흡기용 에어벤트(72)가 적용된다.

에어벤트(72)는 제1차폐부재(70)를 관통하여 제1차폐부재(70) 저부의 급수부와 통하는 관형이며 내부 케이싱(30) 외부의 공기를 급수부에 흡입한다.

제2차폐부재(80)는 내부 케이싱(30)과 지열공(1) 사이의 개방부를 통한 물넘침을 막는 것이며, 중앙에 내부케이싱 결합부(81)가 형성된 링 구조의 3차원 블록이고 상하로 관통하는 하나 이상의 환수관 관통홀(82)이 구비된다.

제2차폐부재(80)는 내부케이싱 결합부(81)가 내부 케이싱(30)의 외주면에 밀착되고 둘레부가 케이싱(20)[또는 케이싱이 없는 경우 지열공(1)]의 내주면에 밀착됨으로써 환수부에서 물넘침을 막는다.

제2차폐부재(80)의 내부케이싱 결합부(81)와 환수관 관통홀(82)도 제1차폐부재(70)와 동일한 목적으로 내부 케이싱(30)의 외경과 케이싱(20)의 내경보다 작으면서 저부로 가면서 점진적으로 단면적이 변하는 구조로 이루어진다.

물론, 에폭시, 우레탄, 시멘트류 등 그라우팅제재를 이용하여 영구 고정적으로 구성될 수도 있음은 당연하다.

제1,2차폐부재(70,80)는 분리형인 것도 가능하지만, 일체형인 것도 가능하고 즉, 내부 케이싱(30) 안에 수밀하게 결합되며 급수관(41)이 관통되어 급수부를 차폐하는 제1차폐부, 상기 제1차폐부의 둘레부에 형성되며 내부 케이싱(30)과 케이싱(20) 안에 수밀하게 결합되며 하나 이상의 환수관(41)이 결합되어 환수부를 차폐하는 제2차폐부로 구성된다.

<실시예 2>

도 3에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템은, 지열공(1)이 실시예 1처럼 급수부와 환수부로 구분되지 아니하고 즉 내부 케이싱(30)이 사용되지 아니하며, 따라서, 동일 공간인 지열공(1) 안에 급수수단의 양수펌프(40)와 급수관(41) 및 환수수단의 환수관(60)이 설치되고, 차폐부재로 급수관(41)과 환수관(60)이 함께 설치되는 단일형의 차폐부재(90)가 적용된다.

상부 보호공(10), 케이싱(20), 급수수단, 열교환기(50) 및 환수수단은 실시예 1과 동일하다.

단일형의 차폐부재(90)는 입체형의 블록으로서 급수관(41)이 관통되는 급수관 관통홀(91)과 환수관(60)이 관통되는 환수관 관통홀(92)이 구비된다.

단일형의 차폐부재(90)는 급수관 관통홀(91)과 환수관 관통홀(92)의 직경이 급수관(41)과 환수관(60)의 외경보다 작게 형성되거나 씰링이 가능하도록 고무 0링이 삽입되도록 하여 급수관(41)과 환수관(60)과의 사이를 통해 물넘침이 일어나지 못하도록 하며, 또한, 둘레부가 테이퍼 단면으로 형성되어 케이싱(20)[또는 상부 보호공(10) 또는 지열공(10)]에 밀착됨으로써 케이싱(20)과의 사이를 통한 물넘침을 방지한다.

단일형의 차폐부재(90)는 예컨대 상부보호공(10)의 보호공 케이싱(11)의 내주면에 중심을 향해 돌출 형성(하나의 링형, 원주방향을 따라 상호 간에 일정 간격을 형성되는 점형 등)되는 지지턱(13)의 상부에 지지되면서 결합브래킷(93)을 통해 상부 보호공(10)에 고정된다.

결합브래킷(93)은 일측이 상부 보호공(10)의 보호공 케이스(11)의 내면에 단일형의 차폐부재(90)보다 높은 곳에 고정(볼팅, 용접 등)되며, 조임구(94)는 결합브래킷(93)에 종방향으로 나사 체결되어 하부에 있는 단일형의 차폐부재(90)를 눌러 단일형의 차폐부재(90)가 하부의 지지턱(13)과 상부의 조임구(94)에 의해 견고하게 지지되어 수밀성을 극대화하도록 한다.

단일형의 차폐부재(90)는 실시예 1의 제1,2차폐부재(70,80)와 동일한 탄성재질로 이루어진다.

도면에서 하나의 환수관(60)만 사용된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 아니하고 실시예 1의 환수수단과 동일한 환수관, 환수 헤더, 분배 환수관으로도 구성 가능하다.

1 : 지열공, 10 : 상부 보호공
20 : 케이싱, 30 : 내부 케이싱
40 : 양수펌프, 41 : 급수관
50 : 열교환기, 60 : 환수관
61 : 분배 헤더, 62 : 분배 환수관
63 : 채움재, 70,80,90 : 차폐부재
71,91 : 급수관 관통홀, 72 : 에어 벤트
73,93 : 결합브래킷, 74 : 조임너트
81 : 내부케이싱 결합부, 82,92 : 환수관 관통홀
94 : 조임볼트,

Claims (10)

1. 지중에 천공 형성되는 지열공(1)과;
   상기 지열공의 상부에 설치되어 상기 지열공을 보호하는 상부 보호공(10)과;
   상기 지열공의 내부에 설치되어 지하수를 양수하여 급수하는 급수수단과;
   상기 양수수단에 의해 양수되는 지하수의 열을 회수하는 열교환기(50)와;
   상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 지열공 내부에 환수하는 환수수단과;
   상기 지열공에 설치되며 상기 급수수단의 급수관(41)과 상기 환수수단의 환수관이 상하로 관통되어 상기 지열공을 차폐하는 차폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 하부에 다수의 환수공이 구성되며 상기 지열공 안에 상기 지열공과 일정 간격을 두고 상기 지열공의 바닥까지 설치되어 내부에는 급수부를, 외부에는 환수부를 형성하는 내부 케이싱(30)을 포함하고,
   상기 차폐부재는 급수관 관통홀(71)이 구비된 입체형 구조이며 상기 내부 케이싱의 안에 둘레부가 밀착되어 상기 급수부를 차폐하며 상기 급수관 관통홀에 상기 급수수단의 급수관이 수밀하게 상하로 관통하는 제1차폐부재(70), 하나 이상의 환수관 관통홀(82)이 구비되고 상기 내부 케이싱과 상기 지열공의 사이에 설치되어 상기 환수부를 차폐하며 상기 환수관 관통홀에 상기 환수수단의 환수관이 수밀하도록 상하로 관통되는 제2차폐부재(80)인 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 환수수단은 열교환기를 통과한 지하수를 공급받는 환수관, 환수관을 통해 환수되는 지하수를 지열공에 균일하게 분배하기 위한 분배 헤더, 분배 헤더에 연결되며 상기 환수부에 상하로 배관되면서 분배 헤더에 의해 분배되는 지하수를 지열공에 환수하는 분배 환수관으로 구성되되,
   상기 분배환수관은 2개 이상으로 구성되고 상부는 분배 헤더에 지하수가 서로 통하도록 이음되며 하부는 지열공의 바닥으로부터 일정 높이 이격된 곳까지 설치되고 분배 환수관 내부를 따라 흐르는 지하수가 상기 환수부에서 분사되도록 하는 분사부가 구성된 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 환수부는 분배 환수관을 감싸도록 충진되는 충진재를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
5. 청구항 2에 있어서, 상기 제2차폐부재는 환수관 관통홀(82)이 구비된 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 급수수단의 양수펌프와 급수관은 상기 지열공 안에 설치되며, 상기 환수수단의 환수관은 상기 지열공의 상기 급수펌프와 같은 공간에 상기 급수펌프로부터 일정 거리 이격되도록 배치되고,
   상기 차폐부재는 급수관 관통홀(91)과 하나 이상의 환수관 관통홀(92)이 구비된 입체형 구조이며 둘레부가 상기 지열공의 내면 또는 상기 지열공의 지표면쪽에 설치되는 케이싱의 내면에 밀착되어 수밀성을 확보하고 상기 급수관 관통홀과 상기 환수관 관통홀에 각각 상기 급수수단의 급수관과 상기 환수수단의 환수관이 수밀하도록 상하로 관통되는 일체형의 차폐부재(90)인 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서, 상기 차폐부재는 저부로 가면서 점진적으로 단면적이 좁아지는 테이퍼 단면으로 형성되어 쐐기식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 차폐부재는 탄성재질이면서 상기 차폐부재의 급수관 관통홀과 환수관 관통홀은 각각 직경이 상기 급수관과 환수관의 외경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 차폐부재의 급수부와 대응하는 곳에 형성되며 상기 급수부 외부의 공기가 상기 급수부에 유입되도록 하는 에어벤트(72)를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 차폐부재를 상부에서 압박하여 높은 수밀성 있는 결합력을 얻기 위하여 조임이 가능한 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 넘침 방지가 가능한 게오힐 개방형 지열 지중열교환기 시스템.

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