KR20170057548A

KR20170057548A - 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템

Info

Publication number: KR20170057548A
Application number: KR1020150160809A
Authority: KR
Inventors: 조희남
Original assignee: 조희남
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-25

Abstract

본 발명은 자분형 개방형 지열공의 지하수 순환시스템으로서,
지하수 수위가 지열공보다 높아 외부로 흘러 넘치는 자분형 개방형 지열공에 있어서 지열시스템에 장애를 일으키지 않고 주변 지열공과 균형있는 지하수의 순환이 이루어 질 수 있는 자분형 개방형 지열공의 지하수 순환시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과, 지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과, 지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과, 공급관에 결합된 순환펌프와, 지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과, 지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 지하수가 수위차에 의해 흘러 넘치는 특성을 이용하기 위해 지열공 운전 수위를 임의적으로 추가로 상승시켜 유지시키도록 함으로써 지상에 순환펌프를 구성하도록 함을 특징으로 하고 있어 지하수 수위가 높은 지역이나 장소에서 지열공 물넘침을 근원적으로 차단하면서 주변 지열공과 균형있는 지하수의 순환이 이루어질 수 있도록 하여 지열 시스템의 장애없이 지열공의 열교환 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템 {Groundwater Circulation System Of The Overflowing Geothermal Standing Column Well}

본 발명은 자분형 개방형 지열공 지열공 지하수 순환시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수 수위가 높거나 건축물의 지하층에 설치되어 지하수가 지열공을 흘러넘치는 자분형 개방형 지열공에 대하여 열교환을 위해 순환되는 지하수가 지열공에 흘러넘치지 않고 주변 다른 지열공과 순환압력을 균형있게 유지하면서 순환될 수 있도록 한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템에 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 피이(PE)파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 열교환기나 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17도씨 내지 18도씨의 온도를 년중 유지하고 있게 되어 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 열교환기를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4도씨인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 굴착공 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.

지열 열교환 시스템은, 지중에 천공된 지열공에 설치되어 지하수를 양수하는 양수수단, 상기 양수수단에 의해 양수된 지하수의 열을 회수하는 열교환기, 상기 열교환기를 통과하면서 열을 빼앗긴 지하수를 상기 지열공에 환수하는 환수수단, 상기 지열공의 지면측에 결합되어 상기 구성들을 보호하는 상부보호공을 포함하여 구성되며, 특히 지열공에는 양수수단이 설치된 급수측과 환수된 지하수가 지열공 바닥부까지 흘러 내려가며 지중 열을 교환할 수 있도록 한 환수측을 구분하기 위해 내부케이싱이 삽입 설치된다. 내부케이싱은 다시 양수수단인 수중펌프가 설치되는 무공관 구간과 지열공 하부에서 급수측으로 환수측 지하수가 유통할 수 있도록 유공관부가 구성된다. 물론 이러한 내부케이싱을 설치하지 않고 환수관을 지열공 바닥 근처까지 내려 설치하고 수중순환펌프를 상부에 설치하여 공급관을 연결하는 형태를 취하여 운용하는 형태를 취하고도 있다. 이러한 지열공을 구성하는 과정에서 주변 지하수 수위가 높아 지열공 내의 지하수가 외부로 흘러 넘치는 경우가 발생하거나 건축 부지가 좁아 지표면보다 낮은 지하 주차장 내에 지열공을 설치하게 되는 경우, 또는, 지상에 설치되는 지열공과 지하 주차장에 설치되는 지열공을 혼합하여 설치하여 운용하는 경우 지하 주차장에 설치된 지열공은 지하수가 외부로 흘러 넘치는 자분형태로 나타나게 되어 순환지하수의 균형있는 순환이 어려워짐은 물론 지열공의 유지관리에 불편한 문제를 발생하게 되었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

지하수 수위가 지열공보다 높아 외부로 흘러 넘치는 자분형 개방형 지열공에 있어서 지열시스템에 장애를 일으키지 않고 주변 지열공과 균형있는 지하수의 순환이 이루어 질 수 있는 자분형 개방형 지열공의 지하수 순환시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은,

지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과; 지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과; 지열공 내부에 무공관과 유공관으로 이루어져 급수측과 환수측을 구분하는 내부케이싱과; 지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과; 공급관에 결합된 지열공 내부에 설치되는 수중순환펌프와; 지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과; 상부보호공 내부 또는 케이싱 내부에서 급수측과 환수측을 구분하여 차폐한 구분 차폐체와; 지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은 지하수 수위가 높은 지역이나 장소에서 개방형 지열공에서 흔히 발생되어 지열시스템에 장애를 일으킬 수 있는 지열공 물넘침을 근원적으로 차단하면서 주변 지열공과 균형있는 지하수의 순환이 이루어질 수 있도록 하여 지열 시스템의 장애없이 지열공의 열교환 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템을 구성한 단면도.
도2는 본 발명에 의한 지하 주차장에 구성한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템을 구성한 단면도.
도 3은 도 2의 A - A' 단면으로 본 발명에 의한 지하 주차장에 구성한 바닥 배관 트렌치 단면도.
도 4은 본 발명에 의한 환수관이 지열공 바닥부분에 위치하도록 한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템
도 5는 본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공중 환수관을 지열공 바닥에 위치하도록 하고 순환펌프를 지상에 설치한 형태를 표현한 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 내부케이싱을 설치하고 수중순환펌프를 설치한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템 단면도.

도 1에서와 같이 지열공(1) 내부에 무공관(9)과 유공관(10)으로 이루어진 내부케이싱(8)을 삽입 설치하여 급수측과 환수측을 구분하여 구성한 후 급수측에는 공급관(5)을 설치하고 환수측에는 환수관(7)을 설치하게 된다. 내부케이싱(8)과 지열공(1) 공벽 사이에는 다수개로 구성된 유통구를 구성한 환수관(7)을 지열공(1) 바닥까지 설치하고 남은 공간에 입경 3~5mm 전후의 콩자갈을 채워 열전달 효율을 증가시키는 형태인 일명 게오힐공법이나 지오썸 공법도 있다. 지열공(1)은 천층 지하수로 인한 오염을 예방하기 위해 케이싱(2)을 설치하고 케이싱(2) 바깥으로 그라우팅(3) 공간을 형성하여 차수벽이 구성되도록 하고 있다. 케이싱(2) 상단 지상부에는 수밀성 있게 상부보호공(4)을 설치하게 된다. 상부보호공(4)은 케이싱(2)에 결합된 통상의 후렌지 이음을 통해 볼트너트 결합으로 이루어진다. 이러한 상부보호공(4)은 단순한 덮개 형태에서부터 환경부에서 인증한 다양한 형태가 설치되고 있는 중에 있음은 알려진 내용이다. 지하수(17)를 순환시키기 위한 펌프는 도 6에서와 같이 통상의 수중순환펌프(6)를 설치하여 운용할 수도 있겠으나 도 2에서와 같이 별도의 지열공 맨홀(30)을 설치하여 그 안에 순환펌프(20)를 설치할 수 있다. 지열공(1) 내부에 만수되어 자분되는 상황에서 수위가 상부보호공(4)보다 상부에 있게 되어 지상으로 설치되는 공급관(5)에 순환펌프(20)를 설치하여도 지하수(17)의 순환에는 큰 장애가 없으며 운전 중 지하수(17)의 수위가 상부보호공(4) 아래 쪽에 일시적으로 내려간다 할지라도 자흡능력을 갖는 순환펌프(20)를 설치하게 되면 순환장애 없이 운용이 가능하다 하겠다.

물론, 도 4, 도 5와 같이 환수관(7)을 지열공(1) 바닥근처까지 내려 설치하고 지열공(1) 내부에 수중순환펌프(6)를 설치하거나 지상부에 순환펌프(20)를 설치하여 운용할 수도 있음은 당연하다. 즉, 유지관리의 편의성을 고려하여 지하수(17)가 수위차에 의해 자체적으로 흘러넘치는 자분정의 형태로 운용되거나 다수개의 지열공(1)이 운용되어지게 될 경우 지정된 지열공(1)들에 대해서는 임의적으로 압력센서(27)를 설치하여 세팅된 압력까지 환수관(7)을 통해 다량의 지하수(17)를 환수시켜 순환되도록 함으로써 순환펌프(20)를 지상에 설치하고 운용할 수 있도록 할 수 있다.

이러한 경우 순환되는 지하수(17)의 수질 향상과 지열공(1)의 열 효율 상승을 위해 시스템 외부로 지하수(17)를 배수시키는 블리딩 작업을 지열공(1) 내부의 높은 운전 수압으로 인해 지열공(1) 내부의 대수층을 통해 외부로 지하수(17)가 유출되도록 하여 브리딩이 시행되도록 하는 효과 또한 부가적으로 가져올 수 있게 된다.

상부보호공(4) 또는 케이싱(2) 측면부에는 벤트연결배관(14)을 설치하고 지열공(1) 내부에서 지하수(17)의 수위변화에 따른 공기의 공급과 배출을 통해 지열공(1) 내부가 지나친 부압이 형성되지 않도록 하기 위해 에어벤트(12)를 상부보호공(4) 상부에 결합하거나 적정한 장소까지 벤트연결배관(14)을 이용하여 이격한 후 말단에 설치하도록 하였다.

지열공(1)이 내부케이싱(8)에 의해 급수측과 환수측이 구분되어지는 경우에는 케이싱(2) 또는 상부보호공(4)에 구간차폐체(11)를 형성하도록 하였다.

구간차폐체(11)는 상부보호공(4) 내부에 형성시키거나 케이싱(2) 내부에서 내부케이싱(8)과 케이싱(2) 사이를 차폐하여 급수측과 환수측을 구분하여 차폐하도록 하여 형성시킬 수도 있다. 순환펌프(20) 또는 수중순환펌프(6) 토출측 공급관(5)에는 수량계(21)와 지상측 열교환기(26)에 항시 일정 유량을 공급하기 위해 설치되는 정유량밸브(22) 또는 유량조절밸브(미도시)를 설치하도록 하였다. 환수측 환수관(7)에는 운전 휴지된 지열공(1)으로 환수유입을 차단할 수 있도록 자동차단밸브(25)를 설치하도록 하였다. 자동차단밸브(25)는 해당 지열공(1)의 급수측 압력이 올라갈 때만 개방되도록 작동하게 되며 동력원은 급수측압력을 직접 받아 작동되는 다이아후램밸브나 전기신호를 받아 작동되는 전기구동 차단밸브를 이용할 수 있다. 자동차단밸브(25)는 환수량을 조절할 수 있는 조절기능이 있도록 하였다.

한편, 지하주차장에 지열공(10을 설치게 되는 경우에는 지하 주차장 바닥(61)에 지열공맨홀(30)을 설치하고 공급관(5)과 환수관(7), 그리고 벤트연결배관(14) 및 동력 및 자동제어 케이블관(미도시)을 계획된 위치까지 연결할 수 있도록 주차장 바닥(61)에 요(凹) 홈 형태의 배관트렌치(35)를 설치하고 상부에 트렌치커버(36)를 덮어 주차장바닥(61)과 레벨을 같이 하도록 하였다. 지열공(1)에서 새어나온 지하수(17)나 응결수, 또는 배수를 위해 건물 디워터링용 배수를 위해 구성한 디워터링맨홀(31)에 배수연결이 될 수 있도록 하였다. 이곳에 배수가 물이 차오르게 되면 배수펌프(33)에 의해 배수배관(34)을 통해 옥외로 배출되도록 한다. 배관트렌치(35)에 설치된 공급관(5)과 환수관(7)은 보온재(15)로 보온된 상태에서 U밴드(16)로 고정하여 구성되도록 하였다.

또한, 급수측 공급관(5)에 설치되는 순환펌프(20)의 동력판넬에는 인버터 기능을 부가하여 수량계(21)를 통해 순환수량을 조사하여 인버터에 의해 순환펌프(20) 모터의 주파수 변환을 통해 회전수를 조정하게 함으로써 적정 순환수량이 공급되도록 하였다.

이렇게 구성된 본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템을 정리하면,

지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공(1)과, 지열공(1) 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공(4)과, 지열공(1) 내부에 무공관(9)과 유공관(10)으로 이루어져 급수측과 환수측을 구분하는 내부케이싱(8)과, 지열공(1) 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관(5)과, 공급관(5)에 결합된 지열공(1) 내부에 설치되는 수중순환펌프(6)와, 지상 열교환기(26)로부터 열교환 후 지열공(1)에 환수될 수 있도록 한 환수관(7)과, 상부보호공(4) 내부 또는 케이싱(2) 내부에서 급수측과 환수측을 구분하여 차폐한 구분 차폐체(11)와, 지열공(1) 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트(12)로 구성된 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 지하수(17)가 수위차에 의해 흘러 넘치는 특성을 이용하기 위해 지열공(1) 운전 수위를 임의적으로 추가로 상승시켜 유지시키도록 함으로써 지상에 순환펌프(20)를 구성하도록 함을 특징으로 하고 있다.

1 : 지열공 2 : 케이싱
3 : 그라우팅 4 : 상부보호공
5 : 공급관 6 : 수중순환펌프
7 : 환수관 8 : 내부케이싱
11 : 구분차폐체 12 : 에어벤트
20 : 순환펌프 21 : 수량계
22 : 정유랑밸브 25 : 차단밸브
30 : 지열공맨홀 35 : 배관트렌치

Claims

본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은,
지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과;
지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과;
지열공 내부에 무공관과 유공관으로 이루어져 급수측과 환수측을 구분하는 내부케이싱과;
지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과;
공급관에 결합된 지열공 내부에 설치되는 수중순환펌프와;
지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과;
상부보호공 내부 또는 케이싱 내부에서 급수측과 환수측을 구분하여 차폐한 구분 차폐체와;
지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은,
지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과;
지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과;
지열공 내부에 무공관과 유공관으로 이루어져 급수측과 환수측을 구분하는 내부케이싱과;
지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과;
공급관에 결합된 지상에 설치되는 순환펌프와;
지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과;
지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은,
지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과;
지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과;
지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과;
공급관에 결합된 지상에 설치되는 순환펌프와;
지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과;
지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
본 발명에 의한 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템은,
지중 열교환을 위해 굴착 형성된 지열공과;
지열공 상부에 설치되어 외부와 수밀성 있게 차폐하는 지열 상부보호공과;
지열공 내부에 삽입 설치되어 급수측에 지하수를 공급하는 공급관과;
지상 열교환기로부터 열교환 후 지열공에 환수될 수 있도록 한 환수관과;
공급관에 결합된 지상에 설치되는 순환펌프와;
순환펌프와 부속밸브를 설치하는 지열공맨홀과;
배관을 나열하여 구성한 배관트렌치와;
지열공 내부 수위 변화에 따른 공기 공급과 배출이 되도록 설치되는 에어벤트로 구성된 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 1내지 청구항 4에 있어서,
공급관에는 수량계와 정유량밸브를 구성한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 1내지 청구항 4에 있어서,
환수관에는 자동차단밸브를 구성한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 1내지 청구항 4에 있어서,
에어벤트에는 벤트연결배관을 설치한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 1내지 청구항 4에 있어서,
수중순환펌프 또는 순환펌프의 동력판넬에는 인버터 기능을 부가하여 순환펌프 모터의 주파수 변환을 통해 회전수를 조정하게 함으로써 적정 순환수량이 조정되어 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 1내지 청구항 4에 있어서,
지열공에 압력센서를 설치하여 지열공 내부의 압력이 세팅되는 일정압력 이상 유지되도록 하여 지열공 대수층을 통해 배수되는 블리딩이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.
청구항 3, 청구항 4에 있어서,
지열공에 압력센서를 설치하여 지열공 내부의 압력이 세팅되는 일정압력 이상 유지되도록 하여 지상에 순환펌프를 운용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자분형 개방형 지열공 지하수 순환시스템.