KR20180135823A - 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 관한 것이다. 본 발명은, 지반 굴착 후 형성한 천공홀 내부에 금속관과 PVC파이프 중 선택된 어느 하나로 형성되어 설치된 케이싱과, 상기 케이싱 외면과 접합 또는 일정간격으로 이격 설치되어 지열 또는 지하수 열 활용이 가능하도록 히트펌프와 연결된 U자 형태의 열교환기와, 상기 지반에 설치된 지하수저장탱크와, 수중펌프에 연결되어 지하수를 상기 지하수저장탱크로 이동시키는 취수관과, 상기 천공홀 내의 지하수 일부를 상기 지하수저장탱크로 이동시키는 재주입관으로 이루어진 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 있어서, 상기 케이싱의 하부영역에 형성되어 지하수를 유입시키는 스트레나와; 상기 케이싱과 상기 천공홀 사이에 형성된 공간과; 상기 열교환기를 연결하는 연결소켓과; 상기 케이싱 내부에 마련되어 상기 스트레나를 통해 유입된 지하수를 상기 취수관을 통해 상기 지하수저장탱크로 양수하는 수중펌프와; 상기 천공홀 내의 지하수위를 측정할 수 있도록 상기 공간 내측 상부 영역에 설치한 수위측정관과; 상단부는 상기 지반으로 노출되고 하단부는 상기 공간 내부에 위치하도록 상기 케이싱과 천공홀 사이에 설치된 에어써징관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 의해 달성된다. 이에 의해, 수원이 다소 부족하더라도 최소의 지하수 사용만으로 지열 효율을 높일 수 있도록 밀폐형 열교환기를 양수정과 결합하고 열교환기 재질을 열전달효율이 높은 금속재질을 적용함으로써 단일 보어홀 만으로도 높은 열효율을 발휘할 수 있도록 하여 공사비용 및 공사기간을 감소시키고 설치부지도 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치{Complex underground thermal exchanger using ground water tube well}

본 발명은 지하천공 후 지하수를 활용하면서 지열을 이용할 수 있도록 한 지중 열교환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지열효율을 극대화시킬 수 있도록 한 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 관한 것이다.

일반적으로 개방형 지열장치는 열전달 효과가 높아 에너지 효율이 높은 것이 특징이나 풍부한 수원지가 있는 곳에 적용 가능하다는 단점이 있으며, 밀폐형의 수원지가 없어도 적용 가능하나 개방형에 비해 효율이 낮고 밀폐형 중 수직형의 경우 필요한 열원을 뽑아내기 위해 많은 보어홀을 굴착해야하고 그에 따라 공사비용과 공사기간이 증가하고, 넓은 설치장소를 필요로 한다.

현재 실용화되어 상용중인 종래 지열시스템 중 가장 많은 비율을 차지하는 것은 수직밀폐형으로 전체 설치 개소의 약 65%를 점하고 있으며, SCW(Standing column well), 수평밀폐형, Doublet system(Two well(GWHP))이 그 뒤를 잇고 있다(Lee, 2009). 수직 밀폐형의 경우 지속적으로 그 사용 비율이 증가되어 현재 신설 설치되는 시설물에서는 대부분 수직밀폐형을 적용하고 있는 추세이다.

이들 중 가장 많이 설치되는 종래 수직밀폐형 지열시스템은 PE 재질의 열교환기를 천공된 시추공에 매설하고 지중과의 열전달을 용이하게 할 수 있도록 시추공과 지반의 열교환을 위한 순환파이프 사이에 그라우트로 뒤채움을 한다. 그라우트 재료는 일반적으로 벤토나이트와 시멘트를 주로 사용하는데 현재 국내에서는 대부분 벤토나이트 그라우트를 사용하고 있다.

그러나 수직밀폐형으로 시공할 경우, 벤토나이트와 PE관 자체의 낮은 열전도도로 인하여 지중의 열을 교환하기 위해서는 지중열교환기 설치를 위한 천공심도(일반적으로 수직밀폐형의 천공심도는 약 150~200m 내외임)가 길어져야 하고 낮은 열전도도로 인하여 다수의 지열공을 설치해야만 일정 효율을 얻을 수 있으며, 장시간 운전할 경우 그 효율이 점진적으로 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 창안한 것으로서, 수원이 다소 부족하더라도 최소의 지하수 사용만으로 지열 효율을 높일 수 있도록 밀폐형 열교환기를 양수정과 결합하고 열교환기 재질을 열전달효율이 높은 금속재질을 적용함으로써 단일 보어홀 만으로도 높은 열효율을 발휘할 수 있도록 하여 공사비용 및 공사기간을 감소시키고 설치부지도 최소화할 수 있는 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 지반 굴착 후 형성한 천공홀 내부에 금속관과 PVC파이프 중 선택된 어느 하나로 형성되어 설치된 케이싱과, 상기 케이싱 외면과 접합 또는 일정간격으로 이격 설치되어 지열 또는 지하수 열 활용이 가능하도록 히트펌프와 연결된 U자 형태의 열교환기와, 상기 지반에 설치된 지하수저장탱크와, 수중펌프에 연결되어 지하수를 상기 지하수저장탱크로 이동시키는 취수관과, 상기 천공홀 내의 지하수 일부를 상기 지하수저장탱크로 이동시키는 재주입관으로 이루어진 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 있어서, 상기 케이싱의 하부영역에 형성되어 지하수를 유입시키는 스트레나와; 상기 케이싱과 상기 천공홀 사이에 형성된 공간과; 상기 열교환기를 연결하는 연결소켓과; 상기 케이싱 내부에 마련되어 상기 스트레나를 통해 유입된 지하수를 상기 취수관을 통해 상기 지하수저장탱크로 양수하는 수중펌프와; 상기 천공홀 내의 지하수위를 측정할 수 있도록 상기 공간 내측 상부 영역에 설치한 수위측정관과; 상단부는 상기 지반으로 노출되고 하단부는 상기 공간 내부에 위치하도록 상기 케이싱과 천공홀 사이에 설치된 에어써징관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 의해 달성된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 수원이 다소 부족하더라도 최소의 지하수 사용만으로 지열 효율을 높일 수 있도록 밀폐형 열교환기를 양수정과 결합하고 열교환기 재질을 열전달효율이 높은 금속재질을 적용함으로써 단일 보어홀 만으로도 높은 열효율을 발휘할 수 있도록 하여 공사비용 및 공사기간을 감소시키고 설치부지도 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 정면에서 바라본 상태의 정 단면도,
도 2는 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 측면에서 바라본 상태의 측 단면도,
도 3은 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 정면과 측면의 중간에서 바라본 측 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 정면에서 바라본 상태의 정 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 측면에서 바라본 상태의 측 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따라 설치된 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치를 정면과 측면의 중간에서 바라본 측 단면도이다.

이들 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치는, 지반(1)을 일정한 깊이로 굴착하여 천공홀(2)을 형성하며, 이때 천공홀(2)의 깊이 및 지름은 본 발명에 적합할 수 있도록 일정한 깊이 및 지름으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 천공홀(2)에는 금속관과 PVC파이프 중 선택된 어느 하나로 형성된 케이싱(3)이 설치되고, 케이싱(3)의 하부 영역에는 스트레나(4)를 설치하여 케이싱(3) 하단부 영역으로부터의 지하수를 유입시킨다.

본 발명에 따른 케이싱(3) 외부에는 케이싱(3)의 외면과 접합 또는 일정간격으로 이격시켜 적어도 하나 이상 설치된 U자 형태의 금속재질로 형성된 열교환기(5)는 히트펌프(15)와 연결되어 에너지로 사용되는 지열 또는 지하수 열 활용이 가능하도록 되어 있다.

한편 본 발명에서 U자 형태의 금속재질로 형성된 열교환기(5)는 연결소켓(6)에 의해 연결되어 있으며, 케이싱(3) 내에 설치된 수중펌프(7)는 스트레나(4)를 통해 유입된 지하수를 지하수저장탱크(8)로 양수하는 역할을 하며, 지반(1)에 설치된 지하수저장탱크(8)는 수중펌프(7)에 의해 양수된 지하수를 저장하는 역할을 한다.

또한 본 발명에 따른 수중펌프(7)에 연결된 취수관(9)은 수중펌프(7)에 유입된 지하수를 지하수 저장탱크(8)까지 운반시키는 역할을 하며, 지하수 저장탱크(8) 내에는 지하수(10)가 수용되어 일정기간 체류한다.

본 발명에 따른 케이싱(3)과 천공홀(2) 사이에는 공간(11)이 형성되며, 하단부가 천공홀(8) 내측 상부 영역에 위치하는 재주입관(12)을 통해서는 천공홀(2) 내의 공간(11)으로 양수된 지하수(10) 일부를 지하수저장탱크(8) 내부로 재주입시킨다. 그리고 천공홀(2) 내에 설치된 수위측정관(13)은 지하수위를 측정하는 역할을 하며, 케이싱(3)과 천공홀(2) 사이에 설치된 에어써징관(14)은 양수효율 저하시 유지 및 관리하는 역할을 한다.

이와 같은 본 발명은 지하수 천공홀(2)을 설치하고, 천공홀(2) 내에 U자 형태의 금속재질로 형성된 열교환기(5)를 함께 설치하여 대상 지반의 열전도율뿐만 아니라 양수를 통하여 지속적으로 지하수를 U자 형태의 금속재질로 형성된 열교환기(5)와 접촉시켜 열전도율을 유지시킨다.

결과적으로 본 발명은 수원이 다소 부족하더라도 최소의 지하수 사용만으로 지열 효율을 높일 수 있도록 밀폐형 열교환기를 양수정과 결합하고 열교환기 재질을 열전달효율이 높은 금속재질을 적용함으로써 단일 보어홀 만으로도 높은 열효율을 발휘할 수 있어서 공사비용 및 공사기간을 감소시키고 설치부지도 최소화할 수 있다.

이상에서와 같이 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 1 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1 : 지반
2 : 천공홀
3 : 케이싱
4 : 스트레나
5 : 열교환기
6 : 연결소켓
7 : 수중펌프
8 : 지하수저장탱크
9 : 취수관
10 : 지하수
11 : 공간
12 : 재주입관
13 : 수위측정관
14 : 에어써징관

Claims (1)

1. 지반(1) 굴착 후 형성한 천공홀(2) 내부에 금속관과 PVC파이프 중 선택된 어느 하나로 형성되어 설치된 케이싱(3)과, 상기 케이싱(3) 외면과 접합 또는 일정간격으로 이격 설치되어 지열 또는 지하수 열 활용이 가능하도록 히트펌프(15)와 연결된 U자 형태의 열교환기(5)와, 상기 지반(1)에 설치된 지하수저장탱크(8)와, 수중펌프(7)에 연결되어 지하수를 상기 지하수저장탱크(8)로 이동시키는 취수관(9)과, 상기 천공홀(2) 내의 지하수 일부를 상기 지하수저장탱크(8)로 이동시키는 재주입관(12)으로 이루어진 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치에 있어서,
   상기 케이싱(3)의 하부영역에 형성되어 지하수를 유입시키는 스트레나(4)와;
   상기 케이싱(3)과 상기 천공홀(2) 사이에 형성된 공간(11)과;
   상기 열교환기(5)를 연결하는 연결소켓(6)과;
   상기 케이싱(3) 내부에 마련되어 상기 스트레나(4)를 통해 유입된 지하수를 상기 취수관(9)을 통해 상기 지하수저장탱크(8)로 양수하는 수중펌프(7)와;
   상기 천공홀(2) 내의 지하수위를 측정할 수 있도록 상기 공간(11) 내측 상부 영역에 설치한 수위측정관(13)과;
   상단부는 상기 지반(1)으로 노출되고 하단부는 상기 공간(11) 내부에 위치하도록 상기 케이싱(3)과 천공홀(2) 사이에 설치된 에어써징관(14)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 관정을 활용한 복합 지중 열교환장치.

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