지상의 순환펌프로 운전되는 개방형 지열설비

申请号 KR20150039842 申请日 2015-03-23 公开(公告)号 KR101566654B1 公开(公告)日 2015-11-05
申请人 YEOUN KYU MOON; 发明人 YEOUN KYU MOON;
摘要 본발명은개방형지열설비에관한것으로, 더욱상세하게는지하수를순환시키기위한순환펌프가심정내부가아닌지상에설치되어있어유지관리가용이하고, 순환배관에는여과장치와자동공기배출장치가설치되어있어지하수속의이물질과배관내의공기를제거해주며, 지하수순환펌프의흡입측배관에는체크밸브와유량계, 급수공급배관이설치되어있어필요시 지하수순환펌프의흡입배관을물로충만시킬수 있는기능을갖는개방형지열설비에관한것이다.
权利要求
  • 심정 내부에는 지하수 흡입배관(13)과 환수배관(14)이 설치되고,
    상기 흡입배관에 설치되어 지하수의 역류를 방지하는 체크밸브(25)와,
    지상에서 형성된 지하수 순환배관 관로 중에 설치되어 심정의 지하수를 흡입해 순환시켜주는 지하수 순환펌프(12)와,
    상기 지하수 순환펌프의 흡입측에 설치되어 지하수의 흡입량을 실시간으로 원격검침해서 제어반에 미리 설정된 수치 이하의 유량이 검침될 경우 상기 지하수 순환펌프의 가동을 중지시키는 기능을 하는 유량계(15)와,
    상기 지하수 순환펌프의 흡입측에 연결되어 상기 흡입배관 내의 지하수가 소진되었을 때 급수를 공급하여 흡입배관의 내부를 물로 충만시켜 주는 급수공급배관(19)과,
    상기 급수공급배관에 설치되어 급수의 최대 공급 유량을 제어하는 자동정유량밸브(19)와,
    상기 급수공급배관에 설치되어 상기 지하수 순환펌프의 재가동 시 흡입배관의 지하수 유입량과 반비례하면서 급수의 공급량을 조절하는 자동제어밸브(17)와,
    상기 지하수 순환펌프의 토출측에 연결되어 지하수의 이물질을 걸러주는 여과장치(20)와,
    상기 여과장치를 통과한 지하수가 히트펌프(22)를 거친 브라인과 열교환할 수 있도록 일단에는 지하수 순환배관(6)이 연결되고 타단에는 브라인 순환배관(23)이 연결되는 열교환기(2)와,
    상기 열교환기와 지하수 순환배관을 통과한 지하수가 심정으로 다시 환수되기 위한 환수배관(14)과,
    상기 흡입배관과 순환배관, 또는 환수배관의 내부에 정체된 공기를 외부로 배출하기 위한 다수의 자동공기배출장치(16)가 구비되어 있어 지상에 설치된 상기 지하수 순환펌프가 심정의 지하수를 흡입하여 순환시키는 것을 특징으로 하는 개방형 지열설비.
  • 심정 내부에는 지하수 흡입배관(13)과 환수배관(14)이 설치되고,
    상기 흡입배관에 설치되어 지하수의 역류를 방지하는 체크밸브(25)와,
    지상에서 형성된 지하수 순환배관 관로 중에 설치되어 심정의 지하수를 흡입해 순환시켜주는 지하수 순환펌프(12)와,
    상기 지하수 순환펌프의 흡입측에 설치되어 지하수의 흡입량을 실시간으로 원격검침해서 제어반에 미리 설정된 수치 이하의 유량이 검침될 경우 상기 지하수 순환펌프의 가동을 중지시키는 기능을 하는 유량계(15)와,
    상기 지하수 순환펌프의 흡입측에 연결되어 상기 흡입배관 내의 지하수가 소진되었을 때 급수를 공급하여 흡입배관의 내부를 물로 충만시켜 주는 급수공급배관(19)과,
    상기 급수공급배관에 설치되어 급수의 최대 공급 유량을 제어하는 자동정유량밸브(19)와,
    상기 급수공급배관에 설치되어 상기 지하수 순환펌프의 재가동 시 흡입배관의 지하수 유입량과 반비례하면서 급수의 공급량을 조절하는 자동제어밸브(17)와,
    상기 지하수 순환펌프의 토출측에 연결되어 지하수의 이물질을 걸러주는 여과장치(20)와,
    상기 여과장치를 통과한 지하수를 공급받아 운전 시 발생하는 응축열이나 증발열을 열교환하며 운전되는 히트펌프(22)와,
    상기 히트펌프와 지하수 순환배관을 통과한 지하수가 심정으로 다시 환수되기 위한 환수배관(14)과,
    상기 흡입배관과 순환배관, 또는 환수배관의 내부에 정체된 공기를 외부로 배출하기 위한 다수의 자동공기배출장치(16)가 구비되어 있어 지상에 설치된 상기 지하수 순환펌프가 심정의 지하수를 흡입하여 순환시키는 것을 특징으로 하는 개방형 지열설비.
  • 说明书全文

    지상의 순환펌프로 운전되는 개방형 지열설비 {THE STANDING COLUMN WELL TYPE GEOTHERMAL SYSTEM WITH GROUND CIRCULATING PUMP}

    본 발명은 개방형 지열설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수를 순환시키기 위한 순환펌프가 심정 내부가 아닌 지상에 설치되어 있어 유지관리가 용이하고, 순환배관에는 여과장치와 자동공기배출장치가 설치되어 있어 지하수 속의 이물질과 배관 내의 공기를 제거해 주며, 지하수 순환펌프의 흡입측 배관에는 체크밸브와 유량계, 급수공급배관이 설치되어 있어 필요 시 지하수 순환펌프의 흡입배관을 물로 충만시킬 수 있는 기능을 갖는 개방형 지열설비에 관한 것이다.

    개방형 지열설비는 지중에 설치된 심정펌프를 이용해 지하수를 지상으로 양수하여 히트펌프의 운전 중 발생하는 응축열이나 증발열을 흡수한 뒤 다시 지중으로 환수시키고, 지하 심정으로 되돌아온 지하수는 주위의 땅과 열교환하면서 본연의 온도를 회복한 뒤 다시 심정펌프에 의해 지상의 히트펌프로 재순환되면서 히트펌프의 연속적인 운전이 가능하도록 구성된 설비이다.

    지열설비에는 몇 가지 방식이 있지만 현재 개방형 방식과 수직밀폐형 방식이 가장 널리 사용되고 있다. 개방형 방식은 우물공형 또는 SCW 방식이라고도 부르는데, 도 2에서와 같이 땅 속의 지하수를 심정펌프(1)를 이용하여 지상으로 퍼올려 열교환기(2)에 순환되도록 함으로서 직접 지중열을 활용하는 지열설비이다. 수직밀폐형 지열설비는 도 3에서와 같이 지상에는 열매체 순환펌프(3)와 히트펌프(4)가 설치되고, 지중으로 수직 200~250m 정도의 깊이로 천공된 지중홀 내부에 U자 형태로 구부려진 밀폐순환배관(5)을 삽입하여 배관 내부에 흐르고 있는 열매체가 주위의 땅과 간접 열교환하면서 히트펌프로부터 흡수한 증발열이나 응축열을 방출하도록 구성된 설비이다.

    수직밀폐형 지열설비에서는 지상과 땅 속에 설치된 전체의 배관 계통이 밀폐된 구조여서 지상의 배관에 열매체 순환펌프(3)를 설치하여 배관 내에 열매체를 순환시킨다. 그러나 개방형 지열설비는 심정 속의 지하수를 지상으로 퍼올려야 하기 때문에 현재 거의 모든 개방형 지열설비는 심정 내부의 40~60m 정도의 깊이에 심정펌프를 설치하고 있다.

    개방형 지열설비의 심정 내부에 설치된 심정펌프는 정상적으로 운전되어도 일정한 수명이 다하면 새로운 펌프로 교체하여야 하지만, 운전 중 여러 가지 이유로 인하여 고장나거나 소손되면 수시로 심정 내부의 심정펌프와 연결된 배관까지 전체를 지상으로 들어 올려 수리해야 하는 번거로움이 있다. 그래서 최근에는 심정 내의 배관과 심정펌프를 쉽게 탈부착하기 위하여 지표면에 설치되는 상부 우물보호공이 다양한 형태로 개발되고 있기도 하다.

    그러나 근본적으로 개방형 지열설비에서는 지하수를 순환시키는 펌프와 전동모터가 깊은 수중에 설치되어 있고, 지하수의 수질 상태에 따라서는 운전 여건이 매우 열악해 질 수 있기 때문에 심정펌프의 고장의 빈도가 높은 편이다. 또한 지하수의 수위가 변화되어 심정펌프의 설치 높이보다 낮아지게 되면 심정펌프의 소손은 불가피한데, 만일 심정펌프가 고장나거나 정상적인 유량만큼의 지하수가 지상으로 공급되지 않으면 히트펌프의 운전이나 성능과도 직결되기 때문에 개방형 지열설비에서는 심정펌프의 관리가 매우 중요한 문제가 아닐 수 없다.

    그러나 심정 속의 지하수를 지상으로 퍼올려야 한다고 해서 펌프가 반드시 깊은 심정 속에 있어야만 하는 것은 아니다. 종래의 개방형 지열설비에서 지하수가 순환되는 과정을 살펴보면 도 4에서와 같이, 지열설비가 설치된 맨처음에는 배관 속에 지하수가 없기 때문에 심정펌프(1)을 가동시키면 지하수가 순환배관(6)의 내부를 채우면서 흐르게 되고, 도중에 열교환기(2)를 거쳐 다시 심정(7)으로 지하수가 환수되는 과정을 거친다. 만일 지열설비의 운전 후 가동이 정지된 상태에서 순환배관(6)에 부착된 각종 장치나 이음부에서 공기가 배관 내부로 유입되거나, 또는 어떠한 이유로든 순환배관 내부의 지하수가 심정 쪽으로 내려와 빠져버리면, 도 4과 같은 과정을 다시 거쳐서 지하수가 순환하게 된다. 배관 내부로의 공기 유입이 전혀 없어 순환배관(6)의 내부가 지하수로 충만되어 있는 상태라면 심정펌프(1)의 가동 시 지하수는 바로 순환배관 내에서 유동을 시작할 것이다.

    상기와 같은 이유로 종래의 개방형 지열설비에서는 심정펌프(1)의 사양 선정 시 심정의 지하수 수면으로부터 순환배관의 최상부까지의 양수해야 하는 높이, 즉 실양정(8)이 반드시 심정펌프(1)의 양정에 반영되어야 했다. 심정에서 지하수의 수면은 일반적으로 10~20m의 깊이에서 형성되는 경우가 많고, 지상의 순환배관의 설치 높이, 그리고 지하수가 순환배관을 흐르면서 받게 되는 각종 마찰손실을 합산하면 대부분 심정펌프의 운전 양정은 40~60m 정도에서 선정되고 있다.

    그러나 만일 개방형 지열설비에서 순환배관 내부가 지하수로 충만되어 있다면 상기와 같이 심정펌프의 운전 시 실양정을 고려할 필요가 없고, 펌프의 설치 위치도 굳이 지하수 속에 잠겨 있을 필요도 없다. 도 5와 도 6을 통하여 이유를 설명하자면, 도 5에서와 같이 물이 가득 찬 사이펀 배관(9)의 양쪽 끝부분이 물 속에 잠긴 상태에서 두 수면의 높이가 차이가 날 경우 사이펀의 원리에 의하여 물은 수면이 높은 수조(10)에서 낮은 수조(11) 쪽으로 배관을 통하여 흐르게 되는데, 두 수조의 높이가 같아지게 되면 물의 흐름은 중지되지만 두 수조를 연결했던 배관 속의 물은 수조로 떨어지지 않는다. 두 수조가 하나로 합쳐져도 마찬가지인데, 도 5에서와 같은 사이펀 현상은 물이 비압축성이라서 사이펀 배관(9) 속으로 공기가 들어가지 않으면 배관 속의 물도 하부의 수조로 떨어지지 못하기 때문에 가능하다.

    도 6은 도 5의 원리를 바탕으로 개방형 지열설비에서 지상에 순환펌프가 설치되어 있어도 지하수의 순환이 가능함을 설명해 주는 그림이다. 도 5의 사이펀 배관의 형상을 조금 변형시켜 도 6에서와 같은 형상으로 지상에 순환배관(6)을 설치하고 지하수 순환펌프(12)와 열교환기(2)를 상기 순환배관(6)에 연결한 상태에서 지하수 순환펌프(12)를 가동하게 되면, 지하수는 흡입배관(13)에서 유입되어 지상의 지열설비들을 순환한 뒤 심정 내의 환수배관(14)을 통하여 땅 속으로 되돌아 가게 된다. 사이펀의 원리에서 배관의 양 끝이 담궈진 수면의 높이 차이로 인해 발생된 배관 내 압력의 차이를 도 6에서는 지하수 순환펌프(12)를 가동시킴으로서 흡입배관(13)과 환수배관(14) 간에 인위적으로 압력의 차이가 발생하도록 만듦으로서 지하수가 순환할 수 있게 한 것이다.

    물론 상기의 지하수 순환 과정은 지하수 순환펌프(12)의 가동 시 지열설비의 모든 배관 계통에 지하수가 충만해 있을 때에만 가능하다. 지상에 설치되는 거의 모든 펌프들은 물을 빨아올리는 흡입 양정에 한계가 있기 때문에 만일 흡입배관(13)과 지하수 순환펌프(12)의 임펠러 내에 물이 충만되어 있지 않다면 지하수를 빨아 올려 순환시키는 것은 불가능하게 될 것이다. 또한 흡입배관(13)과 순환배관(6), 그리고 환수배관(14)까지 이르는 전체 배관 계통 중 일부분에 많은 양의 공기가 정체되어 있을 경우에도 지하수의 순환이 제대로 되지 않을 수 있다. 배관 속의 공기는 물보다 매우 가볍기 때문에 순환하면서 배관의 높은 부분에 모이게 되는데, 이 정체된 공기의 양이 많아서 배관 단면적의 상당한 부분 이상을 차지하게 되면 배관이 막힌 것과 같은 효과를 발휘하여 순환펌프를 가동하더라도 지하수가 정상적으로 순환되기 어렵다.

    이에 본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 개방형 지열설비에서 심정 내부의 지하수 속에 심정펌프가 설치되어서 발생하는 열악한 운전 환경과 잦은 고장 현상 등을 개선하기 위하여, 지상에 지하수 순환펌프를 설치하여 운용되는 개방형 지열설비를 제공하는데 그 목적이 있다.

    상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지하수 순환펌프를 지상에 설치해 운용하기 위하여 순환펌프 흡입측의 배관에 지하수의 역류에 의한 퇴수를 방지하기 위한 체크밸브와, 상기 순환펌프로 흡입되는 지하수의 유량을 실시간으로 원격검침할 수 있는 유량계와, 상기 순환펌프의 흡입측에 연결되어 흡입배관의 지하수가 모두 소진되었을 경우 다시 물을 채워줄 수 있는 급수공급배관과, 상기 급수공급배관에 설치되어 순환펌프로 공급되는 급수량을 제어해 주는 자동정유량밸브 및 자동제어밸브와, 지하수의 이물질을 제거하기 위한 여과장치와, 지하수 순환배관 내에 정체된 공기를 배출하기 위한 자동공기배출장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

    본 발명에 따라 지상에 설치된 순환펌프로 운전되는 개방형 지열설비는, 지하수 순환펌프의 수명 연장과 유지관리의 편리함을 향상시킬 수 있고, 지하수 순환펌프의 운전 양정과 소비 동력을 줄일 수 있어 설치비와 운전비가 절감되고, 고성능의 여과장치를 설치하여 지하수의 수질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

    도 1은 본 발명에 따라 지상에 지하수 순환펌프가 설치된 개방형 지열설비의 계통도
    도 2는 종래의 개방형 지열설비를 간략하게 표현한 계통도
    도 3은 수직밀폐형 지열설비를 간략하게 표현한 계통도
    도 4는 종래의 개방형 지열설비에서 지하수가 양수되는 과정을 보여주는 지하수 흐름도
    도 5는 사이펀 현상의 원리와 배관 구성을 보여주는 참고도
    도 6은 본 발명에 따른 개방형 지열설비의 배관 계통을 간략하게 표현한 참고도
    도 7은 본 발명에 따른 개방형 지열설비의 다른 실시 예를 보여주는 계통도

    이하 본 발명에 따라 지상에 순환펌프가 설치된 개방형 지열설비에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

    도 1에서 보는 바와 같이 심정(7)에는 지하수 흡입배관(13)과 환수배관(14)이 설치되고 지상에 설치된 지하수 순환펌프(12)까지 연결되는 흡입배관(13)의 관로에는 체크밸브(25)와 유량계(15), 자동공기배출장치(16)가 설치되어 있다. 지하수 순환펌프(12)가 작동되면 심정(7)에서 흡입된 지하수는 불순물을 걸러주기 위한 여과장치(20)를 통과하여 열교환기(2)로 공급되고, 열교환기(2)를 지나면서 히트펌프(22)의 응축열이나 증발열을 흡수한 지하수는 순환배관(6)과 환수배관(14)을 통해 다시 심정(7)으로 되돌아 간다. 순환배관(6)과 환수배관(14)에도 지하수의 흐름상 공기가 정체될 우려가 있는 부위에는 다수의 자동공기배출장치(16)가 설치되어 배관 내부에 정체된 공기를 배관 외부로 배출시켜 준다.

    심정(7) 내에 설치된 흡입배관(13)의 최하부에는 체크밸브(25)가 설치되는데, 체크밸브(25)는 유체가 한쪽 방향으로만 흐르고 반대 방향으로는 흐르지 않도록 역류를 방지하는 기능을 가진 밸브이다. 상기 체크밸브(25)로 인하여 지하수 순환펌프(12)의 가동이 정지된 상태에서도 순환펌프(12)와 흡입측 배관 내의 지하수가 심정 쪽으로 빠지지 않고 항상 충만해 있게 된다. 또한 흡입배관(13)에 설치된 유량계(15)에는 원격검침선이 연결되어 있어서 지하수 순환펌프(12)가 가동될 때 심정(7)으로부터 흡입되어 순환펌프(12)로 공급되는 지하수의 유량을 실시간으로 검침하여 지열설비의 제어반으로 전송하게 된다. 만일 지하수 순환펌프(12)가 작동하고 있는 상태인데 유량계(15)에서 검침되는 유량값이 당초에 제어반에 설정되어 있던 수치보다 적어지게 되면, 제어반에서는 심정(7)의 지하수 수위가 흡입배관(13)의 최하부보다 낮아진 저수위 상황이거나 흡입배관(13)에서부터 지하수 순환펌프(12)까지의 배관에 공기가 흡입되어 물이 빠져 지하수 순환펌프(12)가 공회전하는 상황인 것으로 판단하여 지하수 순환펌프(12)의 작동을 즉각 중지시키고 경보 메시지를 발생시킨다.

    한편, 열교환기(2)의 한쪽에는 지하수 순환배관(6)이 연결되고, 다른 한쪽에는 브라인 순환배관(23)이 연결되어 있다. 브라인 순환배관(23)의 내부에는 히트펌프(22)가 운전하면서 발생시킨 응축열이나 증발열을 열교환기(2)로 전달하기 위한 열매체가 들어 있는데, 히트펌프(22)의 가동과 함께 브라인 순환펌프(21)가 작동하면 열매체는 히트펌프(22)와 열교환기(2) 사이를 지속적으로 순환하면서 열을 전달하게 된다. 열교환기(2) 내에서 지하수와 브라인은 열교환 판이나 튜브를 사이에 두고 서로 교차해 흐르면서 간접 열교환을 하게 되고, 브라인으로부터 히트펌프(22)의 응축열이나 증발열을 흡수한 지하수는 순환배관(6)과 환수배관(14)을 통해 심정(7)으로 환수되어 주위의 땅과 열교환하면서 다시 본연의 온도를 회복하게 된다.

    히트펌프(22)의 한쪽에는 브라인 순환배관(23)이 연결되고, 다른 한쪽에는 부하측의 냉수나 온수가 순환하는 부하측 순환배관(24)이 연결된다.

    또한, 상기 지하수 순환펌프(12)의 흡입측 배관에는 급수공급배관(19)이 연결되어 있다. 급수공급배관(19)에는 자동정유량밸브(18)와 자동제어밸브(17)가 설치되어 있어 급수의 공급량을 제어하게 된다. 자동정유량밸브(18)는 내부에 스프링과 유량조절디스크가 구비되어 있어 통과하는 유체의 최대 유량을 제한하여 주는 밸브인데, 최대 유량의 설정값은 지하수 순환펌프(12)의 정격 운전 유량의 70~80% 수준에서 설정하면 된다.

    자동제어밸브(17)는 지하수 순환펌프(12)의 흡입측 배관 내부의 지하수가 빠져버려서 공회전하는 상황이 되면 제어반의 신호에 의해 원격으로 개방되어서 흡입배관(13)과 지하수 순환펌프(12)의 임펠러에 급수를 공급하는 기능을 한다. 지하수 순환펌프(12)의 가동 시 흡입측 배관에 설치된 유량계(15)가 제어반에 미리 설정된 수치 이하의 유량을 검침하면 제어반은 지하수 순환펌프(12)의 가동을 중지하고 자동제어밸브(17)를 원격으로 개방하게 된다. 자동제어밸브(17)가 개방되어 흡입배관(13)에서부터 지하수 순환펌프(12)까지 급수가 충만될 때까지 일정한 시간이 지나고 나면 제어반은 지하수 순환펌프(12)를 재가동한다.

    흡입측 배관이 급수의 공급으로 다시 충만된 지하수 순환펌프(12)는 정상적으로 작동하게 되는데, 이때 자동제어밸브(17)가 완전 개방되어 있어도 급수되는 유량은 자동정유량밸브(18) 때문에 지하수 순환펌프(12)의 정격 운전 유량의 70~80%만 공급되므로 나머지 20~30%의 유량은 심정의 흡입배관(13)을 통해서 지하수 순환펌프(12)로 유입되어야 한다. 그래서 지하수 순환펌프(12)가 재가동된 후 유량계(15)에서 실시간 검침되는 유량이 순환펌프(12)의 정격 유량의 20~30% 정도로 정상 검침되면 자동제어밸브(17)의 개도율을 점차 낮춰 나가는데, 이렇게 되면 급수공급배관(19)을 통해 급수되는 유량은 점차 줄어들고 심정(7)의 흡입배관(13)을 통해 흡입되는 지하수의 유량은 반비례하며 늘어나게 된다. 유량계(15)의 실시간 검침량이 지하수 순환펌프(12)의 정격 운전 유량에 근접하게 되면 자동제어밸브(17)를 완전히 닫아 급수의 공급을 차단하고, 지하수 순환펌프(12)는 심정(7)으로부터 필요한 지하수 전량을 흡입하면서 계속해서 정상적인 운전을 이어나가게 된다.

    물론 자동제어밸브(17)의 개방과 급수의 공급은 지열설비의 순환배관 계통에 공기가 유입되어 배관 내부의 지하수가 빠졌을 때에만 이루어지는 것이므로, 지열설비의 배관 계통이 지하수로 충만된 정상적인 상태에서는 자동제어밸브(17)를 개방시켜 급수를 보충할 필요가 없다. 정상적인 상태에서는 히트펌프(22)의 가동과 동시에 지하수 순환펌프(12)가 작동하여 심정(7)으로부터 지하수를 흡입해 지열설비의 배관 계통으로 순환시키게 된다.

    상기와 같이 개방형 지열설비에서 종래의 심정펌프를 대체하여 지하수 순환펌프(12)를 지상에 설치하게 되면 여러 가지 장점이 있는데, 먼저 펌프의 설치 환경이 양호해지므로 펌프의 수명이 연장되고 잦은 고장이나 소손을 줄일 수 있다. 전동모터나 전원케이블이 물 속에 잠기지 않게 되어 절연 파괴에 의한 소손 사고가 적어지고, 펌프의 고장 시에도 지상에 펌프가 설치되어 있으므로 보수나 교체가 종래에 비하여 훨씬 수월해진다.

    또한, 본 발명에 의한 지열설비의 배관 내부는 항상 지하수로 충만해 있는 상태이므로 지상에 설치된 지하수 순환펌프(12)의 운전 양정을 선정할 때 실양정을 고려할 필요가 없어 펌프의 양정을 작게 선정할 수 있고, 이로 인하여 운전 시 펌프의 소비 전력도 한 단계 정도 줄어들게 된다. 만일 지열설비의 배관 내부의 지하수가 빠져버려 다시 지하수를 심정으로부터 양수해야 하는 상황이 발생하더라도 본 발명에서는 별도로 연결된 급수배관(19)을 통하여 급수가 보충됨으로서 다시 실양정이 필요없는 상황을 만들 수 있기 때문에 펌프의 양정 선정 시 실양정을 고려할 필요가 없다. 따라서, 지하수 순환배관의 길이나 설치된 장치들, 심정의 깊이 등 개방형 지열설비에 있어서 동일한 조건이라고 할 때 종래의 심정펌프의 양정은 40~60m 정도이어야 했지만, 본 발명에 따른 지하수 순환펌프의 양정은 실양정이 삭제되기 때문에 20~30m 정도면 충분하다.

    아울러, 본 발명에 의한 지열설비는 지하수의 수질을 개선하는 효과도 기대할 수 있다. 종래의 개방형 지열설비에서는 심정펌프에 가해지는 운전 양정의 부담이 크기 때문에 지상의 지하수 순환배관 관로에 효과적으로 이물질을 제거하기 위한 성능 좋은 여과장치를 설치하기가 어려웠다. 일반적으로 성능이 좋은 여과장치는 마찰저항을 많이 받게 되기 때문에 펌프의 양정이 그만큼 높아져야 하는데, 본 발명에 따라 지상에 순환펌프(12)를 설치하게 되면 순환펌프(12)의 양정이 종래에 비하여 여유가 있기 때문에 성능 좋은 여과장치(20)를 적극적으로 설치할 수 있고, 이로 인하여 지하수에 포함된 이물질들의 대부분을 제거하고 수질이 대폭 개선된 지하수를 환수배관(14)을 통하여 다시 심정(7)으로 돌려보내기 때문에 장기간 운전할 경우 지하수의 수질이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 종래에는 성능 좋은 여과장치를 설치해 심정펌프의 양정이 높아지면 전동모터의 동력도 커져야 했기 때문에 대부분 스트레이너와 같이 최소한의 여과장치만을 설치하는 사례가 많았고, 제대로 걸러지지 않은 지하수 속의 이물질들은 순환배관 내부에 달라붙거나 열교환기의 전열면에 부착되어 스케일을 발생시키거나 열교환 효율을 저하시키는 원인이 되어 왔다. 그리고 이물질의 나머지 상당한 양은 다시 심정으로 되돌아가 심정 내부의 바닥에 가라앉으면서 환수배관이나 펌프의 흡입구를 막아 지열설비의 정상적인 작동을 방해하게 만들었다. 이 때문에 종래의 개방형 지열설비에서는 주기적으로 심정 바닥에 가라앉은 이물질들을 제거해 주는 플러싱(flushing)이나 퍼징(purging) 작업을 해주어야 했는데, 본 발명에 따라 지상에 성능이 좋은 여과장치를 설치하게 되면 평상 시 지열설비의 운전 과정에서 여과장치를 이용해 이물질의 대부분을 제거하기 때문에 플러싱 작업을 좀 더 간헐적으로 실시하여도 된다.

    또한 여과 성능이 좋은 여과장치를 설치하게 되면 개방형 지열설비에서 지하수를 열교환기(2)를 거치지 않고 직접 히트펌프(22)로 순환시켜 열교환하는 것도 가능하다. 당초 개방형 지열설비가 개발되어 현업에 적용되던 개발 초기에는 지하수와 브라인이 간접 열교환하는 열교환기가 없이 지하수를 직접 히트펌프로 순환시켜 운용하는 사례가 많았다. 그러나 지하수의 수질과 수량은 계절에 따라 급격하게 변화하는 경우가 많았고, 이 때문에 수질이 악화된 지하수로 인하여 히트펌프에 내장된 증발기나 응축기까지 망가지는 사례가 많아서 소비자들의 많은 피해와 불만을 발생시켰다. 그로 인하여 개방형 지열설비는 몇 년 동안은 소비자들과 에너지관리공단의 외면을 받아오다가 현재와 같이 히트펌프와 지하수 사이에 별도의 열교환기(2)를 설치하여 두 계통을 완전히 분리하고 나서야 다시 현업에서 적용이 검토될 수 있었다. 그래서 근래에 설치되는 개방형 지열설비는 거의 대부분 지하수와 히트펌프의 브라인이 간접 열교환하도록 열교환기(2)를 구비하고 있는데, 본 발명에 따라 성능 좋은 여과장치를 부착할 경우 도 7에서와 같이 브라인 순환배관(23)과 열교환기(2), 브라인 순환펌프(21)를 삭제하고 직접 지하수를 히트펌프(22)로 순환시키는 것도 가능하다. 브라인 순환 계통이 삭제되면 지하수의 열교환 효율이 좋아져 히트펌프(22)의 운전 성능이 향상되는 것은 물론 브라인 순환펌프(21)가 필요 없으므로 상당한 전력 비용도 절감할 수 있다.

    1 : 심정펌프 2 : 열교환기
    3 : 열매체 순환펌프 4 : 수직밀폐형 히트펌프
    5 : 밀폐순환배관 6 : 순환배관
    7 : 심정 8 : 실양정
    9 : 사이펀 배관 10 : 수면이 높은 수조
    11 : 수면이 낮은 수조 12 : 지하수 순환펌프
    13 : 흡입배관 14 : 환수배관
    15 : 유량계 16 : 자동공기배출장치
    17 : 자동제어밸브 18 : 자동정유량밸브
    19 : 급수공급배관 20 : 여과장치
    21 : 브라인 순환펌프 22 : 히트펌프
    23 : 브라인 순환배관 24 : 부하측 순환배관
    25 : 체크밸브

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