개방형 지열 상부 보호공

개방형 지열 상부 보호공{The upper safe guard for standing column well type geothermal}

본 발명은 개방형 지열 상부 보호공에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 개방형 지열 상부 보호공 내부에 설치되는 환수관의 유지와 보수가 용이하여 경제성 있고 시설편의성이 높으며 운전의 안정성을 향상시킬 수 있는 개방형 지열 상부 보호공에 관한 것이다.

일반적으로 지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 지표 하부를 100미터 이상 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 열교환 된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 17℃ 내지 18℃의 온도를 연중 유지하므로 이 온도를 유지하는 지하수를 양수하여 히트펌프에 의해 열을 이용하는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 10000리터에 이르고, 온도차가 4℃인 경우 시간당 40000 킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하므로 이렇게 열 교환되어 상승되거나 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열 교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 다시금 높아진 상태를 유지하게 되므로 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

이러한 지열 냉난방 시스템에서 필수적인 시설은 바로 굴착 된 지하수 심정 시설이며 특히 지하수를 양수하여 열교환을 위한 시설인 경우에는 지하수 심정펌프와 양수파이프 및 환수관을 다시금 굴착 된 지하수 심정 내부에 연결되도록 하는 것은 반드시 갖춰져야 하는 시스템이라 할 것이다.

지열을 이용하기 위한 굴착 된 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 지하수 환수관 시설만이 다를 뿐이어서 지하수 오염방지를 위한 지표하부보호벽 시설 또한 당연히 일반 지하수 심정과 동일하게 시설되어야 하고 또 고려되어야 할 부문이라 할 수 있다.

그러나 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(대략 5~10m 부근) 토출 된 환수지하수는 지하수 심정 내부에서 낙수되면서 다량의 기포를 함유하게 되며 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 환수관에 부딪히게 되어 환수관이 상부보호공 본체와 용접으로 결합 된 부위에서 크랙이 발생하게 되어 환수관을 교체해야 하는 상황이 발생하게 된다.

또한, 사계절에 따라 지중 수량의 변화가 발생하게 되고 이에 따라 급수관에 비해 상부에 위치한 환수관은 좌우로 유동하게 되므로 위와 마찬가지로 환수관과 상부보호공 본체와의 결합부분에서 크랙이 발생하거나 심하게는 깨지는 경우가 발생하여 보수를 해야하는 문제점이 발생하게 되었다.

도면을 참고하여 종래의 개방형 지열 지중 열교환 시스템에 대해 좀더 구체적으로 설명한다. 도 1에 의하면, 종래의 기술에 의한 개방형 지열 지중 열교환기는 지열공(11)과, 상기 지열공(11)의 내부에 삽입되며 다수의 구멍이 형성된 내부 케이싱(20)과, 상기 내부 케이싱(20) 내부에 설치되어 지하수를 급수하는 급수수단으로서 급수펌프(30)와 급수관(40) 및 상기 급수관(40)에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수하는 히트펌프(미도시)와, 상기 히트펌프를 통과한 지하수를 지열공(11)에 환수하는 환수관(50)으로 구성되며, 지표 상부층에는 밀폐식 상부 보호공(10)을 설치하여 지표수 유입에 따른 지하수 수질 오염을 예방하고 있다.

특히, 상기 환수관(50)은 내부 케이싱(20)의 외주면과 상부 보호공 본체(10)의 내주면 사이에 배치되고 토출단(51)이 상기 상부 보호공 본체(10)의 측면에서 용접으로 결합 고정된다.

이러한 종래 기술에 의한 개방형 지열 지중 열교환 시스템에 의하면, 급수펌프(30)는 내부 케이싱(20) 내부에 있는 지하수를 펌핑하여 급수관(40)에 급수하며, 급수관(40)은 지하수를 히트펌프(미도시)에 공급하고, 히트펌프는 열교환매체를 이용하여 지하수의 열을 회수하고, 히트펌프를 통과하여 열을 빼앗긴 지하수는 환수관(50)을 통해 지열공 내부에 환수되며, 환수관(50)의 위치상 지열공(11)에 환수된 지하수는 지열공의 바닥부로 내려가면서 지열을 회수하고 내부 케이싱(20) 내부에 유입되어 급수 펌프(30)로 공급된다. 이와 같이 지하수가 순환하면서 히트펌프에 지열을 공급하게 된다.

그러나 상기한 바와 같이 지중 수량의 변화와 더불어 환수된 지하수에 포함된 고속의 기포에 의해 환수관(50)의 토출단(51)과 상부 보호공(10)과의 결합 부위에서 크랙이 발생하게 되어 자주 보수해야 하는 문제점이 발생하게 된다.

더욱이, 종래의 개방형 지열 상부 보호공(10)은 내부 직경이 약 200~250mm로서 외형 크기가 작고, 도 1에서 보이는 바와 같이 급수관(40)과 환수관(50) 간의 간격이 작아 상부 보호공 내부로 연장이나 도구가 들어가 보수할 수 없고 급수관(40)이 상부 보호공(10)의 중심에 고정되어 있어 이동이 불가능할 뿐만 아니라 환수관(50)을 외부로 끌어올릴 수 없는 구조로 제작되어 있으며, 환수관(50)의 토출단(51)과 상부 보호공(10)과는 용접으로 접합되어 있어 보수가 필요한 경우 상부 보호공(10)에서 환수관(50)을 분리한 후 끌어올려 보수하기나 교체하기가 매우 어려운 구조이다.

따라서 이와 같은 종래의 개방형 지열 상부 보호공이 장착된 지열 시스템의 환수관의 보수나 교체시에는 주변 터파기 후 상부 보호공의 몸체 일부를 절단하여 보수한 후 다시 절단 부위를 실리콘이나 용접으로 마감 처리해야 하는 번거로움과 더불어 막대한 경제적 손실이 발생하게 된다.

따라서 지하수 순환을 원활히 하면서도 유지관리가 용이한 개방형 지열 상부 보호공에 대한 기술개발이 절실히 필요하게 되었다.

따라서 상기한 문제점을 개선하고 해결하기 위한 본 발명의 첫 번째 목적은 상부 보호공 내부에서 보수가 가능하며, 유사시 환수관을 분리하여 인양할 수 있으므로 유지 보수가 용이한 개방형 지열 상부 보호공을 제공하는 데 있으며, 두 번째 목적은 구조가 간단하여 제작이 용이하고 고장이 적으며, 보수 비용이 절감되어 경제성 있고 시설편의성이 높은 지열 상부 보호공을 제공하는 데 있으며, 세 번째는 환수관이 지중의 수량변화나 외부 충격에도 흔들리지 않고 고정되므로 고장이 자주 발생하지 않아 잦은 보수가 불필요하여 운전의 안정성을 향상시킬 수 있는 개방형 지열 상부 보호공을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지표면에서부터 지중으로 천공되고 내부에 내부 케이싱이 삽입 설치된 지열공 상측면에 결합 되어 지표 상부층에 설치되고, 상기 내부 케이싱의 내부로 연결되며 지하수를 급수하는 급수펌프가 장착된 급수관이 내부를 관통하고, 상기 급수관에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수한 후 지하수를 다시 지열공에 환수하는 환수관이 내부를 관통하며, 측면에 전선주입구가 형성되고 상측면에 고정부재에 의해 개폐 가능한 밀폐덮개가 결합 된 개방형 지열 상부 보호공에 있어서, 원통 형상으로서 상기 상부 보호공의 일부 개방된 저면에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지가 형성되어 상기 지열공 상측 단면에 형성된 플랜지와 결합 되는 연결통과, 상기 급수관 및 환수관의 일측단에 플랜지가 각각 장착되고, 상기 플랜지가 장착된 급수관 및 환수관에 각각 결합 되도록 일측단에 플랜지가 각각 형성되고 타측단에 연결소켓이 각각 장착되며 상기 상부 보호공의 일부 막힌 저면을 관통하도록 굴곡 형성된 부급수관 및 부환수관과, 상기 상부 보호공의 내부를 관통하는 환수관에 원통 형상의 파이프와, 상기 파이프의 일측단에 결합 된 연결소켓과, 상기 연결소켓에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지가 형성된 엘보우와, 타측단의 외주면에 구비된 다수의 오링(O-RING)과, 상기 연결소켓과 상기 오링 사이의 외주면에 장착되는 유패킹(U-PACKING) 및 유패킹 캡으로 구성되는 충격흡수구의 구성에 의해 달성된다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 상부 보호공 내부에서 보수가 가능하며, 유사시 환수관을 분리하여 인양할 수 있으므로 유지 보수가 용이한 장점이 있다.

또한, 구조가 간단하여 제작이 용이하고 고장이 적으며, 보수 비용이 절감되어 경제성 있고 시설편의성이 높은 장점이 있다.

나아가, 환수관이 지중의 수량변화나 외부 충격에도 흔들리지 않고 고정되므로 고장이 자주 발생하지 않아 잦은 보수가 불필요하여 운전의 안정성을 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1은 종래 기술에 의한 개방형 지열 상부 보호공을 보여주는 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 외관을 보여주는 외관사시도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공과 이와 결합 된 지열공의 결합상태 및 내부를 보여주는 내부사시도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 저면을 보여주는 저면사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 분리사시도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 결합사시도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 결합단면도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 설치 상태를 보여주는 설치상태도

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지표면에서부터 지중으로 천공되고 내부에 내부 케이싱이 삽입 설치된 지열공 상측면에 결합 되어 지표 상부층에 설치되고, 상기 내부 케이싱의 내부로 연결되며 지하수를 급수하는 급수펌프가 장착된 급수관이 내부를 관통하고, 상기 급수관에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수한 후 지하수를 다시 지열공에 환수하는 환수관이 내부를 관통하며, 측면에 전선주입구가 형성되고 상측면에 고정부재에 의해 개폐 가능한 밀폐덮개가 결합 된 개방형 지열 상부 보호공에 있어서, 원통 형상으로서 상기 상부 보호공의 일부 개방된 저면에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지가 형성되어 상기 지열공 상측 단면에 형성된 플랜지와 결합 되는 연결통과, 상기 급수관 및 환수관의 일측단에 플랜지가 각각 장착되고, 상기 플랜지가 장착된 급수관 및 환수관에 각각 결합 되도록 일측단에 플랜지가 각각 형성되고 타측단에 연결소켓이 각각 장착되며 상기 상부 보호공의 일부 막힌 저면을 관통하도록 굴곡 형성된 부급수관 및 부환수관과, 상기 상부 보호공의 내부를 관통하는 환수관에 원통 형상의 파이프와, 상기 파이프의 일측단에 결합 된 연결소켓과, 상기 연결소켓에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지가 형성된 엘보우와, 타측단의 외주면에 구비된 다수의 오링(O-RING)과, 상기 연결소켓과 상기 오링 사이의 외주면에 장착되는 유패킹(U-PACKING) 및 유패킹 캡으로 구성되는 충격흡수구가 더 구비되는 구성이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 외관을 보여주는 외관사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공과 이와 결합 된 지열공의 결합상태 및 내부를 보여주는 내부사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 저면을 보여주는 저면사시도이다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공은 지표면에서부터 지중으로 천공되고 내부에 내부 케이싱(110)이 삽입 설치된 지열공(120) 상측면에 결합 되어 지표 상부층에 설치되고, 상기 내부 케이싱(110)의 내부로 연결되며 지하수를 급수하는 급수펌프(132)가 장착된 급수관(130)이 내부를 관통하며, 상기 급수관(130)에 의해 급수되는 지하수의 열을 회수한 후 지하수를 다시 지열공에 환수하는 환수관(140)이 내부를 관통하게 되며, 측면에는 전선주입구(150)가 형성되고 상측면에는 고정부재(60)에 의해 개폐 가능한 밀폐덮개(160)가 결합 된다.

또한, 원통 형상으로서 상기 상부 보호공(100)의 일부 개방된 저면에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지(210)가 형성되어 상기 지열공(120) 상측 단면에 형성된 플랜지(121)와 결합 되는 연결통(200)이 일체로 더 구비된다.

상기 급수관(130) 및 환수관(140)의 일측단에 플랜지(131, 141)가 각각 장착되고, 상기 플랜지(131, 141)가 장착된 급수관(130) 및 환수관(140)에 각각 결합 되도록 일측단에 플랜지(310, 410)가 각각 형성되고 타측단에 연결소켓(320, 420)이 각각 장착되며 상기 상부 보호공(100)의 일부 막힌 저면을 관통하도록 굴곡 형성된 부급수관(300) 및 부환수관(400)이 더 구비된다.

특히, 상기 부급수관(300) 및 부환수관(400)이 굴곡되어 형성된 이유는 연결통(200)에 형성된 플랜지(210)를 피해 상부 보호공(100)의 저면으로 관통하기 위함이다.

위와 같은 구조로 인해 종래에는 환수관이 상부 보호공과 용접된 토출단 부분을 절단하여 환수관을 보수하거나 인양한 반면, 본 발명은 고정부재(60)에 의해 고정된 밀폐덮개(160)를 열고, 부환수관(400)의 플랜지(410)로부터 환수관(140)의 플랜지(141)를 해체하여 보수할 수 있음으로 인해 상부 보호공 내부에서 환수관의 보수가 가능할 뿐만 아니라 교체가 필요할 시 환수관을 분리하여 인양할 수 있으므로 유지 보수가 용이한 장점이 있다.

특히, 이러한 장점은 종래의 개방형 지열 상부 보호공의 내부 직경이 약 200~250mm로서 외형 크기가 작고, 급수관과 환수관 간의 간격이 작아 상부 보호공 내부로 연장이나 도구가 들어가 보수할 수 없는 구조인데 반해 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공(100)의 외경은 400~500mm로서, 상부 보호공의 내부로 연장이나 도구가 용이하게 들어갈 수 있는 크기로서 보수가 가능한 장점이 더 극대화된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 분리사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 결합사시도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 충격흡수관을 보여주는 결합단면도이다.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공에는 환수관에 가해지는 미세 기포의 충격과 사계절에 따른 지중 수위의 변화에 의한 크랙의 발생을 최소화하기 위해 충격흡수구(500)가 더 구비된다.

상기 충격흡수구(500)는 원통 형상의 파이프(510)와, 상기 파이프(510)의 일측단에 결합 된 연결소켓(520)과, 상기 연결소켓(520)에 일측이 결합 되고 타측에 플랜지(561)가 형성된 엘보우(560)와, 타측단의 외주면에 구비된 다수의 오링(O-RING, 530)과, 상기 연결소켓(520)과 상기 오링(530) 사이의 외주면에 장착되는 유패킹(U-PACKING, 540) 및 유패킹 캡(550)으로 구성되며, 상부 보호공(100)의 내부를 관통하는 환수관(140)에 결합 된다.

즉 상기 파이프(510)의 일측에 형성된 연결소켓(520)은 일측에 플랜지(561)가 형성되고 타측단 내측으로 나사산(10)이 형성된 엘보우(560)에 나사 결합 되고, 상기 파이프 타측단으로 유패킹 캡(550)이 삽입되어 전진 된 후 유패킹(540)이 끼워지며, 다시 다수의 오링(530)이 타측 외주면에 삽입된 후 오링(530)이 삽입된 파이프 방향으로 환수관(140)이 끼워지게 된다. 이때 상기 오링(530)은 환수관(140)의 내측에 위치하고, 상기 유패킹(540)은 유패킹 캡(550)과 환수관(140) 사이에 위치하게 된다.

이러한 구성으로 인해 환수관(140)과 부환수관(400) 사이에 충격흡수구(500)가 위치하게 되므로 환수관(140)이 지중의 수량변화나 외부 충격이 발생하여도 환수관의 유동성이 직접 부환수관에 전달되지 않으므로 종전처럼 환수관과의 결합부분이 깨지 우려가 적어지며, 충격흡수구(500)의 유패킹(540)과 오링(530)으로 인해 충격흡수는 물론 밀폐가 완벽히 이루어지는 장점이 있다.

이로 인해 환수관과 상부 보호공 간의 결합부가 깨지는 등의 크랙이 발생하지 않게 되므로 잦은 보수 또한 불필요하여 지열 시스템 운전의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 설치 상태를 보여주는 설치상태도로서, 도 8을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 개방형 지열 상부 보호공의 전선주입구(150)에는 전선(600)이 인입되며, 상부 보호공(100)의 부급수관(300)에는 일측에 나사산이 형성되어 상기 부급수관(300)의 연결소켓(320)에 결합되고 타측에 플랜지가 형성된 급수관 연결구(330)가 결합 되며, 상기 급수관 연결구(330)에는 히트펌프(미도시)로 연결된 급수관 연결관(610)이 결합 된다.

또한, 상부 보호공(100)의 부환수관(400)에는 일측에 나사산이 형성되어 상기 부환수관(400)의 연결소켓(420)에 결합 되고 타측에 플랜지가 형성된 환수관 연결구(430)가 결합 되며, 상기 환수관 연결구(430)에는 히트펌프(미도시)로 연결되는 환수관 연결관(620)이 결합 된다.

10, 100 : 상부 보호공 11, 120 : 지열공
20, 110 : 내부 케이싱 30, 132 : 급수펌프
40, 130 : 급수관 50, 140 : 환수관
51 : 토출단 60 : 고정부재
121, 131, 141, 210, 310, 410, 561 : 플랜지
150 : 전선주입구 160 : 밀폐덮개
200 : 연결통 300 : 부급수관
320, 420, 520 : 연결소켓 330 : 급수관 연결구
400 : 부환수관 430 : 환수관 연결구
500 : 충격흡수구 510 : 파이프
530 : 오링 540 : 유패킹
550 : 유패킹 캡 560 : 엘보우
600 : 전선 610 : 급수관 연결관
620 : 환수관 연결관