심정펌프의 소손 보호장치가 구비된 개방형 지열설비

심정펌프의 소손 보호장치가 구비된 개방형 지열설비 {The standing column well type geothermal system with breakdown protection device for deep well pump}

본 발명은 개방형 지열설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수가 순환하는 환수배관에는 자동정유량밸브와 자동제어밸브를 부착하고 공급배관에는 유량계를 설치하여 지하수의 실시간 공급 유량이 제어반에 미리 설정된 수치의 일정 비율 이하로 저하될 경우 심정펌프를 정지시켜 소손에 이르지 않도록 하고, 지하수와 지열히트펌프가 열교환하는 브라인 순환배관에는 일반 냉동기의 밀폐형 냉각탑 기능을 대체할 수 있는 냉각수 열교환기를 추가로 설치하여 냉각탑 시설비와 운전 에너지를 절감할 수 있는 개방형 지열설비에 관한 것이다.

개방형 지열설비는 지중에 설치된 심정펌프를 이용해 지하수를 지상으로 양수하여 지열히트펌프가 운전될 때 발생하는 응축열이나 증발열을 흡수한 뒤 다시 지중의 심정으로 환수시키는 설비로서, 지하수를 직접 순환시켜 지중열을 활용하기 때문에 다른 방식의 지열설비보다 운전 효율이 좋은 것으로 평가받고 있다.

근래에는 개방형 지열설비에 대한 신뢰도가 예전보다 좋아져서 그 용량도 점차 대용량화되고 있는데, 그로 인하여 1대의 지열히트펌프와 다수의 지열 심정펌프들을 하나의 시스템으로 연결하여 사용하는 사례가 많다. 이럴 경우 하나의 메인배관이나 분배헤더에 연결된 각 심정들의 지하수 순환배관들 사이에 유량 불균형 문제가 발생하기도 하는데, 그로 인하여 일부 심정에서는 물 넘침이나 수위가 저하되는 현상이 종종 발생한다.

심정의 지하수 수위가 심정펌프의 설치 심도보다도 낮게 저하될 때에는 심정펌프가 공회전하게 되어 소손을 피할 수 없는데, 이를 예방하기 위하여 심정 내부에 수위센서를 설치하거나, 공급배관 또는 환수배관에 밸브를 설치하여 유량을 조절하는 방안, 또는 각 심정들의 상부를 지중에서 하나의 오버플로 통수관으로 연결하는 방법 등이 적용되고 있다.

그러나 심정 내부에 수위센서를 설치할 경우 좁은 설치 공간 여건 때문에 거의 대부분 전극봉 방식이나 전선의 외부 피복 일부를 벗겨내 전기 접지극으로 활용하여 물의 접촉 여부에 따라서 수위를 감지하는 방식을 이용하고 있다. 이러한 전기접지식 수위센서는 심정 내부의 높은 습기와 지하수에 녹아있는 각종 성분들로 인하여 접지극의 표면이 쉽게 오염되거나 부식이 발생해 센싱 기능을 상실하여 심정펌프를 소손시키는 사례가 많았다.

또한 각 심정들이 설치된 위치에 따라서 지하수 순환배관의 길이가 다르기 때문에 지하수가 배관을 순환할 때 발생하는 마찰손실도 각각 다르게 되는데, 각 심정들의 공급 도는 환수배관에 개폐밸브를 설치하여 유량을 조절하는 방식은 이와 같은 순환배관에서의 마찰손실의 차이를 개폐밸브의 개도율을 조정해 인위적으로 마찰손실을 가감해 줌으로써 전체적으로 균일해지도록 셋팅하는 방법이다. 그러나 이 방식은 여러 대의 심정펌프들 중 일부만 가동되거나 또는 심정펌프들의 가동 순서가 이전과 바뀌게 되면 배관 내의 압력이 다른 상황으로 변하게 되고, 배관 내의 압력이 변화되면 유량도 비례하여 변하게 되므로 근본적으로 유량을 제어하는데 어려움이 있다.

마지막으로 각 심정들의 상부를 지중에서 하나의 연결배관으로 통하게 하여 물 넘침이 발생할 경우 지하수가 지면으로 올라오지 않고 지중에서 다른 심정으로 넘어가도록 유도하는 방법은 함께 연결된 심정의 숫자가 많을 때에는 심정들간의 수위를 균일하게 조정하는데 한계가 있다. 즉, 특정한 심정에서 발생된 물 넘침량이 주위의 여러 심정들을 모두 채우고 나면 정작 지하수의 환수량이 부족한 심정까지 도달하지 못하는 사례가 생길 수 있는데, 예를 들면 5개의 심정이 하나의 연결배관으로 묶여있는 상황에서 지하수 수위가 20m 이고 심정펌프가 40m 깊이에 설치되어 있다면 어떤 심정에서 물 넘침이 발생하여 주위의 다른 1~2개 심정을 오버플로 통수관 높이까지 지하수로 채우는 동안에 정작 환수량이 부족했던 특정 심정에서는 여분의 지하수가 전달되지 못해 이미 수위가 심정펌프의 설치 높이 이하로 저하되어 펌프가 소손되는 경우가 발생할 수 있다.

심정펌프는 높은 양정을 발생시키기 위하여 외부 케이싱과 기밀성이 있는 다수의 임펠러가 적층되어 있는 복잡한 구조로 되어 있다. 그래서 비교적 짧은 시간동안의 물이 없는 공회전이나 작은 이물질이라도 임펠러 사이에 끼일 경우에는 임펠러나 베어링이 쉽게 손상될 수 있고, 심할 때에는 전동기가 소손되는 사례가 많다. 또한 개방형 지열설비는 지하수를 직접 이용하기 때문에 지하수의 수질이 악화되거나 이물질의 부유량이 많을 때에는 심정펌프의 작동에도 지장을 초래해 토출 유량을 변화시키고 심정들 사이의 유량 불균형을 심화시킬 수 있다.

이에 본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위하여 다수의 심정들이 하나의 시스템으로 구성된 개방형 지열설비에 있어서 각 심정들의 지하수 순환 유량을 균등하게 조절하고, 만일 심정의 수위가 변동되어 저수위에 이르거나 심정펌프에 이물질 등이 끼어 작동에 장애가 발생하였을 때에는 심정펌프의 가동을 조기에 정지시켜 소손을 방지하는 장치가 구비된 지열설비를 제공하는데 목적이 있다.

아울러 동절기에 일반 냉동기를 가동해 냉방운전을 해야 하는 경우에는 대부분 냉각수의 동파 문제 때문에 밀폐형 냉각탑을 사용하고 있는데, 지중열을 활용하는 지열설비를 이용하여 일반 냉동기의 밀폐형 냉각탑 기능을 대체하게 하고 지열히트펌프의 난방 운전효율도 높힐 수 있는 개방형 지열설비를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지열 심정펌프의 토출측 각 공급배관에 유량계를 설치하여 심정펌프 작동 시 실시간으로 계측되는 유량이 제어반에 미리 설정된 수치보다 일정 비율 이하로 저하될 경우 제어반에서는 심정펌프의 일펠러에 이물질이 끼었거나 심정 내의 지하수 수위가 심정펌프의 설치 높이보다 낮아진 저수위 상황이 된 것으로 판단하여 심정펌프의 가동을 정지시켜 소손을 방지한다.

또한 각 심정의 환수배관에는 원격 자동제어밸브를 설치하여 심정펌프가 작동되는 심정의 순환배관에 설치된 자동제어밸브만 개방되도록 하고, 아울러 각 환수배관에 자동정유량밸브를 함께 설치해 항상 설정된 일정한 유량만이 각 심정으로 환수되도록 하여 심정들간의 수위가 크게 불균일해지지 않도록 제어해 줌으로서 저수위로 인한 심정펌프의 소손을 방지한다.

또한 지열히트펌프가 지하수와 열교환하는 브라인 순환배관에는 일반 냉동기의 밀폐형 냉각탑 역할을 할 수 있는 냉각수 열교환기를 설치하여, 일반 냉동기가 동절기에 가동될 때 한쪽에는 일반 냉동기의 냉각수를 순환시키고 다른 한쪽에서는 지열설비의 브라인이 순환되면서 서로 열교환하도록 하여 일반 냉동기의 냉각수가 냉각될 수 있도록 한다.

이상에서와 같이 본 발명은 심정펌프가 작동하면서 공급하는 유량을 실시간 감시함으로서 심정의 지하수 수위가 저수위에 이르렀을 때 뿐만 아니라 이물질로 인하여 심정펌프의 작동에 이상이 발생하였을 때에도 조기에 심정펌프의 작동을 정지시켜 소손에 이르지 않게 할 수 있는 장점이 있다. 또한 종래와 같이 전극봉이나 전기접지 방식이 아니어서 지하수의 수질에 영향을 받지 않고 확실한 심정펌프의 제어가 가능하다.

또한 여러 개의 심정들이 하나의 메인배관에 연결되어 있더라도 각 환수배관을 통하여 심정으로 되돌아가는 유량이 자동정유량밸브로 인하여 균일하게 제한되기 때문에 심정에서의 물 넘침이나 저수위 현상을 예방할 수 있다.

아울러 일반 냉동기의 밀폐형 냉각탑 기능을 대체하고자 브라인 순환배관에 설치된 열교환기는 일반 냉동기의 고온의 냉각수로부터 열을 공급받아 지열설비의 지열히트펌프에 전달하기 때문에 지열 심정펌프의 가동을 최소화할 수 있고 지열히트펌프의 난방시 운전 효율을 향상시켜 소비 전력을 줄일 수 있다. 또한 일반 냉동기도 고가의 밀폐형 냉각탑 설치 비용을 절감하게 되고 동절기에 밀폐형 냉각탑을 운전하기 위하여 소요되었던 전력 비용도 전부 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 개방형 지열설비의 구성도.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 개방형 지열설비의 구성도인데, 지중으로 약 300~600미터 깊이로 굴착되어 형성된 각 심정(19)에는 지하수를 퍼올려 지상의 지열설비로 공급하는 심정펌프(1)가 각각 설치된다. 각 심정펌프(1)가 양수한 지하수는 각 공급배관(5)과 공급헤더(7)를 통하여 메인배관(8)으로 흐르게 되고, 지하수 열교환기(2) 통과하면서 지열히트펌프(3)의 작동 시 발생된 응축열이나 증발열을 흡수한 뒤 환수헤더(9)와 환수배관(6)을 거쳐 다시 각 심정(19)으로 되돌아 가게 된다. 심정으로 되돌아간 지하수는 지하수 열교환기(2)에서 흡수하였던 응축열이나 증발열을 주위의 땅과 열교환을 하면서 본연의 온도를 회복한 뒤 다시 심정펌프(1)를 통하여 지상의 지열설비로 공급되면서 순환되는 구조이다.

지상의 지열히트펌프(3)에는 냉수나 온수가 공급되는 부하측 순환배관(18)이 연결되고 다른 한편에는 지하수와 열교환하기 위한 브라인 순환배관(10)이 연결된다. 이 브라인 순환배관(10)에는 부동액과 증류수를 혼합하여 만든 브라인이 들어있는데, 브라인 순환펌프(4)가 브라인을 순환시켜 지열히트펌프(3)에서 발생된 응축열이나 증발열을 흡수한 뒤 지하수 열교환기(2)에서 지하수와 열교환하면서 냉각 또는 가열되도록 한다.

또한 상기 브라인 순환배관(10)에는 원격으로 제어되는 방향전환밸브(12)가 설치되어 있어 바이패스배관(13)을 통하여 냉각수 열교환기(11)로도 브라인이 순환될 수 있다. 냉각수 열교환기(11)에는 한쪽은 브라인 바이패스배관(13)이 연결되고 다른 한쪽에는 냉각수 순환배관(22)도 연결되어 있는데, 동절기에 일반 냉동기(20)의 운전 중에 발생하는 응축열을 흡수한 냉각수가 냉각수 순환펌프(21)를 통하여 냉각수 열교환기(11)로 공급됨으로서 브라인과 열교환하면서 냉각될 수 있도록 구성된다.

일반 냉동기(20)는 터보냉동기나 흡수식냉동기, 스크류냉동기 등의 냉방장비 뿐만 아니라 냉동,냉장고와 같이 응축열을 발생시키는 다양한 냉각장치들로도 구성될 수 있다. 일반적으로 동절기에 냉동기가 운전되어야 하는 경우에는 냉각수가 대기와 직접 접촉하는 개방형 냉각탑은 냉각수의 동결 문제로 인하여 적용하지 못하기 때문에, 냉각수가 대기와 차단되어 간접 열교환하는 방식의 밀폐형 냉각탑을 사용하게 된다. 그러나 밀폐형 냉각탑은 냉각수가 순환되는 냉각코일이 냉각탑 내부에 설치되어야 하고 간접 열교환하기 때문에 냉각 효율이 좋지 않아서 장비의 크기가 매우 커지게 되며 장비의 가격도 매우 비싼 편이다.

이러한 점에 착안하여 동절기에도 항상 일정한 온도로 순환되는 지열설비의 브라인 배관 계통에 냉각수 열교환기(11)를 설치하여 밀폐형 냉각탑의 기능을 대체하도록 하였다. 일반 냉동기(20)가 동절기에 가동되면서 발생시키는 응축열로 인하여 보통 온도 37도 정도의 냉각수가 냉각수 열교환기(11)로 공급되고, 이 냉각수의 응축열이 냉각수 열교환기(11)를 통하여 지열설비의 브라인으로 전달될 경우 지열히트펌프(3)의 열원으로 작용하기 때문에 심정펌프(1)들의 가동 대수를 적게 할 수 있는 장점이 있다. 또한 일반 냉동기(20)도 동절기 냉방 운전을 위한 밀폐형 냉각탑 설치 비용을 대폭 절감할 수 있고, 별도의 밀폐형 냉각탑 운전 시 소요되었던 전력비용도 전량 절감할 수 있다.

한편, 심정펌프(1)의 공급배관(5)에는 유량계(14)가 설치되어 있는데, 유량계(14)에는 원격검침선이 연결되어 중앙의 제어반에서도 실시간으로 지하수의 급수량을 계측할 수 있다. 만일 이 유량계(14)의 검침량이 당초에 제어반에 설정되어 있던 심정펌프(1)의 정격 토출 유량보다 일정한 비율, 예를 들면 70~80% 이하로 낮아지게 되면 제어반은 해당 심정펌프(1)의 임펠러에 이물질이 끼었거나 지하수의 수위가 심정펌프(1)의 설치 높이 이하로 떨어진 저수위 상황으로 된 것으로 판단하여 즉시 심정펌프(1)의 작동을 중지시키고 경보음을 발생하도록 한다.

그리고, 환수헤더(9)의 차단밸브(17) 후단에는 자동정유량밸브(15)와 자동제어밸브(16)가 설치되는데, 자동정유량밸브(15)는 내부에 설치된 스프링의 장력을 이용하여 유량조절용 디스크의 개도율이 자동으로 증감되면서 항상 설정된 유량만이 통과하도록 제작된 밸브이다. 자동정유량밸브(15)의 유량 설정은 심정펌프(1)의 현장 설치 후 시운전을 통하여 확인된 정격 토출 유량으로 설정하면 된다. 자동제어밸브(16)는 개폐밸브의 축에 구동장치가 부착되어 있어 제어반의 원격 신호에 따라 개폐 조절이 가능한 밸브이다. 자동제어밸브(16)는 환수배관(6)이 연결된 해당 심정의 심정펌프(1)가 가동되면 개방되고, 해당 심정의 심정펌프(1)가 정지하면 닫히도록 원격으로 제어된다.

제어반에서는 지열히트펌프(3)를 가동하기 위하여 먼저 브라인 순환펌프(4)를 가동하게 되는데, 이와 동시에 지하수 환수배관(6)의 자동제어밸브(16)에도 필요한 수량만큼 밀폐 상태에서 개방되도록 원격 제어신호를 각각 전송한다. 원격 신호에 의해 자동제어밸브(16)가 개방되었다는 상태 확인 신호가 제어반에 입력되면 제어반은 해당 심정의 심정펌프(1)가 가동되도록 운전 신호를 전송한다. 이렇게 하면 각 지열 심정 중 심정펌프(1)가 가동되고 있는 심정의 자동제어밸브(16)만 개방되고 자동정유량밸브(15)에 의하여 심정펌프(1)의 정격 토출 유량만큼의 지하수가 다시 해당 심정으로 되돌아 가게 되므로, 각 심정간의 지하수 유량 바란싱이 맞지 않는다던지, 또는 심정펌프(1)가 공급한 지하수 유량보다 적거나 많은 양의 지하수가 환수됨으로서 발생하였던 물 넘침이나 저수위 현상을 근본적으로 예방할 수 있다.

1: 심정펌프 2 : 지하수 열교환기
3 : 지열히트펌프 4 : 브라인 순환펌프
5 : 공급배관 6 : 환수배관
7 : 공급헤더 8 : 메인배관
9 : 환수헤더 10 : 브라인 순환배관
11 : 냉각수 열교환기 12 : 방향전환밸브
13 : 바이패스배관 14 : 유량계
15 : 자동정유량밸브 16 : 자동제어밸브
17 : 차단밸브 18 : 부하측 순환배관
19 : 심정 20 : 일반 냉동기
21 : 냉각수 순환펌프 22 : 냉각수 순환배관