KR200436894Y1 - 지열 및 지하수 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 지열 및 지하수 공급장치에 관한 것으로, 지하수를 공급하기 위한 자재의 원가를 절감함과 아울러 시공작업이 용이하도록 하고, 열교환기에 공급되는 지하수와 상기 열교환기로부터 복귀되는 지하수간의 열교환을 차단함을 목적으로 한다.

본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치는, 상하 단부에 각각 관이음부가 형성된 중공의 통구조로 이루어져 내부에 수중펌프가 장착되며 상기 관이음부를 통해 상기 공급관의 도중에 설치되는 모터보호관(100)과, 상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 관정 내에 복귀시키는 복귀관(140)과, 플랜지 또는 소켓을 통해 서로 관이음되는 다수의 단위 관으로 이루어져 상기 열교환기와 상기 모터 보호관을 연결하는 열교환기측 공급관(110)과, 내열성과 유연성이 있고 열전도율이 낮은 수지를 재질로 하며 상기 모터보호관의 하부 관이음부에 관이음되는 유도관(120)과, 다수의 유통공이 구비되며 상기 유도관의 하단부에 연결되어 관정의 바닥에 근접되는 유공관(130)으로 구성된다.

지열, 지하수, 공급관, 모터 보호관

Description

지열 및 지하수 공급장치{SUPPLY UNIT FOR GEOTHERMY AND GROUND WATER}

도 1은 종래 기술에 의한 지열 및 지하수 공급장치의 설치 상태 구성도.

도 2는 본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치의 구성도.

도 3a와 도 3b는 각각 본 고안에 따른 지열 및 지하수 공급장치에 적용된 모터 보호관의 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 모터 보호관, 110 : 열교환기측 공급관

120 : 유도관, 121 : 와이어

130 : 유공관,

본 고안은 지열 및 지하수 공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지하수를 공급하기 위한 자재의 원가를 절감함과 아울러 시공작업이 용이하도록 하고, 열교환기에 공급되는 지하수와 상기 열교환기로부터 복귀되는 지하수간의 열교환을 차단할 수 있는 지열 및 지하수 공급장치에 관한 것이다.

일정한 온도의 지하수 및 지열을 보다 효과적으로 지상으로 끌어올릴 수 있 도록 한 파이프 장치를 제공하는 것으로, 특히 다수의 파이프를 연결수단을 통해 연이어 반복 연결하여 사용할 수 있도록 하고 지하수공 내부를 주기적으로 청소가 가능토록 함은 물론 공내 시설물의 유지관리가 용이하도록 한 것이고, 또한 파이프가 내식성과 내수성이 우수하고 녹 발생 및 스케일(물때)의 부착이 없도록 한 것이며, 더하여 이물질투입방지수단에 의해 지하수 내부로 각종 이물질의 투입을 방지하도록 한 것이고, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 것이다.

주지하다시피 지하수[地下水; ground water]는 지표수에 대하여 지하에 있는 물이고, 지열[地熱; geothermy]은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량(熱量)을 말하는 것으로, 특히 지열은 지구의 전 표면에서 외부로 방출되는데, 양은 지역적으로 크게 다르지만 평균 10-6 cal/㎡·sec이며, 화산지대에서는 높은 값을 보인다. 유출방법은 열전도에 의한 것과, 가스·온수 및 화산분출물 등에 의한 것이 있다. 뉴질랜드·이탈리아·일본 등 지각열류량(地殼熱流量)이 많은 곳에서는 지열에너지를 발전(發電)에 이용하기도 한다. 또한 지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연붕괴할 때 발생되는 열에너지를 근원으로 한다. 한편, 철·니켈이 녹아 있는 고온의 지구 중심부에서는 맨틀이 열절연작용(熱絶緣作用)을 하기 때문에 열이 거의 지표로 방출되지 못한다. 상기 지열을 적절하게 이용하는 것은 환경적인 측면에서도 꽤 유리하다. 이산화탄소 배출도 없고 오염물질도 나오지 않는다. 그리고 지열은 직접적인 난방, 전력생산, 열펌프를 통한 난방과 냉방, 제조용 열 등 여러 가지 형태로 이용될 수 있다.

상기와 같은 지하수 및 지열을 이용한 열교환 구조는 종래에도 도 1에 도시된 바와 같이 사용되고 있다.

즉, 연중 온도변화가 거의 없는 지하수와 지열을 이용하기 위해 암반 내부의 관정에 외부 케이싱(3)과 내부 케이싱(1)을 삽입한 후 그 관정 내부로 고여지는 지하수를 수중펌프(4)로 펌핑시켜 열교환기(6)로 열교환 후, 재차 관정 내부로 투여하여 반복 순환되도록 하여 상기 지하수와 암반과의 열교환 효율을 극대화할 수 있도록 한 것이고, 겨울철에는 암반내 지하수와의 열교환에 의해 얻어진 지열에너지를 이용하여 사용자에게 공급하고, 여름철에는 사용자의 실내에서 발생한 열을 순환되는 지하수를 통하여 땅속에 방열토록 한 것이다.(도면상 미 설명부호 2는 파이프에 형성된 구멍이고, 5는 수중펌프와 열교환기에 연결되는 순환관이다)

그러나 상기한 종래의 기술은 지하의 깊이가 깊을수록 내부 케이싱(1)의 길이를 길게 제작하여야 하는 문제점이 발생 되었고, 또한 길이가 길게 제작된 내부 케이싱을 지하에 설치하는 작업도 매우 까다롭고 어렵다는 문제점이 발생 되었다.

또한 종래의 기술은 내부 케이싱(1)이 단순히 PVC의 재질로만 이루어지기 때문에 내식성과 내수성은 우수하나 내력에 너무 약하다는 문제점과 아울러 지하수공 내부에 자연 발생되는 이물질(암분 및 암편, 모래알갱이 등)을 제거하기 위하여 2~3년 주기로 관정청소(Air surging)를 실시하여야 하나 공내 시설물(모타펌프, 파이프, 모타전선 등)을 인양하였다가 재설치하여야 하는데 PVC파이프를 인양 및 제거를 할 수 없으므로 유지보수를 할 수 없다는 중대한 문제점이 발생되었다.

더하여 종래의 기술은 지하 관정 입구에 아무런 이물질 투입 방지장치가 없 기 때문에 각종 이물질이 투입되어 지하수가 오염되는 문제점이 발생 되었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 실용신안등록 제0404278호 지하수 및 지열 이송용 파이프 장치가 있다.

본 출원인에 의해 출원된 지하수 및 지열 이송용 파이프 장치는, 수중펌프가 내장 설치되게 직경이 넓게 형성된 모터보호관; 상기 모터보호관의 상하단에 연이어 다수개가 설치되며, 지하수공의 유지관리를 위해 인양 및 제거할 수 있도록 한 파이프; 및 상기 모터보호관과 각각의 파이프의 사이에 설치되어 상호 연결 및 기밀을 유지시키는 연결수단;으로 구성된다.

상기 연결수단은, 일정 간격으로 다수의 통공이 형성되고, 양단에는 돌기가 돌출 형성된 패킹; 상기 패킹의 양측에 파이프가 맞대어 설치되되, 이 맞닿은 파이프에는 돌기가 삽입되게 요홈이 형성되고, 외측에 일정 간격으로 다수개 형성된 체결공에는 볼트가 체결 설치되는 구성으로 이루어진다.

이와 같은 구성의 지하수 및 지열 이송용 파이프 장치는, 다수의 파이프를 상기 연결수단을 통해 연이어 반복 연결하여 사용하므로 일정한 온도의 지하수 및 지열을 보다 효과적으로 지상으로 끌어올려 사용할 수 있도록 한 것으로, 이는 결과적으로 다수의 파이프를 상기 연결수단을 통해 연이어 반복 연결하여 사용할 수 있도록 하여 지하수공 내부를 주기적으로 청소가 가능토록 함은 물론 공내 시설물의 유지관리가 용이한 이점이 있다.

그러나, 상기 지하수 및 지열 이송용 파이프 장치에 따르면, 상기 파이프의 수량을 달리함으로써 관정의 깊이에 대응할 수 있는 것인데, 파이프의 구조상 양측 에 플랜지를 가공하여야 하고, 파이프의 연결부에 반드시 상기 연결수단을 사용하여야 하므로 제작원가가 비싸지는 단점이 있으며, 특히, 관정의 깊이가 깊어질수록 상기 파이프의 수량이 많아짐에 따라 제조원가가 더욱 비싸다. 또한, 상기 파이프의 재질의 특성상 가격이 비싸고 유연성이 없기 때문에 제조원가가 비싸짐과 아울러 시공이 부자연스러울 수 있다.

그리고, 상기 파이프들의 연결을 위한 상기 연결수단은 상기 파이프들간의 누수 방지를 위한 기능을 수행하기 때문에 상기 파이프들의 이음부가 구조적으로 취약할 수밖에 없으며, 이에 따라 관정이 깊어지면 사용이 어렵다.

또한, 상기 모터보호관이 단일 구조이기 때문에 상기 열교환기를 거친 물이 관정 내부에 유입되어 하부로 내려갈 때 상기 모터보호관 내부를 통과해 상기 열교환기를 향하는 물과 상기 열교환기를 빠져나와 다시 상기 관정에 유입되는 물(상기 열교환기를 향하는 물보다 상대적으로 온도가 높거나 낮은 상태) 간에 열교환이 이루어져 상기 열교환기를 향하는 물의 온도가 높거나 낮아짐으로써 열교환효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 고안은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지중 내 지하수를 열교환매체로 사용하기 위하여 지하수를 공급하기 위한 관체의 비용을 절감하고 설치와 인출 등이 용이하도록 한 지열 및 지하수 공급장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 고안의 다른 목적은 열교환기를 향해 공급되는 지하수와 상기 열교환기를 통과하여 관정에 복귀되는 지하수(상기 공급되는 지하수와 온도가 다른 지하수) 간에 열교환이 이루어지지 않도록 하려는데 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치는, 플랜지 또는 소켓을 매개로 하여 서로 관이음되는 다수의 단위 관으로 이루어져 상기 열교환기와 상기 모터 보호관을 연결하는 열교환기측 공급관, 내열성과 유연성이 있고 열전도율이 낮은 수지를 재질로 하며 상기 모터보호관의 하부 관이음부에 관이음되는 유도관, 다수의 유통공이 구비되며 상기 유도관의 하단부에 연결되어 관정의 바닥에 근접되는 유공관 및 상기 유도관과 유공관의 사이에 개재되며 내부에 수중펌프가 장착된 모터 보호관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 고안은, 상기 모터 보호관이 외통과 내통의 이중 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

하기에서 본 고안을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치는, 상하 단부에 각각 관이음부가 구비된 중공의 통 구조이며 내부에 수중펌프(4)가 내장된 모터 보호관(100)과, 모터 보호관(100)과 열교환기(6)를 유체 연통 가능하게 연결하는 열교환기측 공급관(110)과, 모터 보호관(100)의 하부에 관이음되는 유도관(120)과, 유도관(120)의 하부에 관이음되는 유공관(130)과, 열교환기(6)를 통과한 지하수를 관정 내에 복귀시키는 복귀관(140)으로 구성된다.

모터 보호관(100)은 상하부에 각각 관이음부(101,102)가 각각 구비된 통 구조이며, 내부에 수중펌프(4)가 내장된다.

열교환기측 공급관(110)은 도면 기준 상하 단부에 각각 플랜지가 형성되어, 이 플랜지를 매개로 하여 서로 관이음되는 다수의 단위 관(111,112,113)(도면에는 3개로만 도시됨)으로 이루어진다. 이러한 구조의 열교환기측 공급관(110)은 스텐인레스관 또는 강관의 표면에 폴리에틸렌과 에폭시프라이머 그리고 개질폴리에틸렌을 코팅 처리하여 내식성과 내수성이 우수하고 녹 발생 및 스케일(물때)의 부착이 없도록 한 것일 수 있다. 열교환기측 공급관(110)은 플랜지 결합에 한정되지 않고 소켓을 통해 결합될 수도 있다.

유도관(120)은 내열성이 있고 열전도율이 낮은 수지 예를 들어 PE를 재질로 하고 있으며, 모터보호관(100)의 하부 관이음부(102)에 관이음된다.

유도관(120)은 그 재질의 특성상 두루마리 형태로 말려 보관 및 운반되고 시공 현장에서 관정의 깊이에 맞도록 적합한 길이로 절단되어 사용된다.

유도관(120)은 원가가 저렴하고 취급이 용이하여 관정의 깊이에 상관없이 용이하고 저비용으로 시공할 수 있는 이점이 있지만, 임의대로 말릴 수 있는 단점이 있으므로 와이어(121)를 통해 유도관(120)이 모터 보호관(100)과 유공관(130) 사이에서 직진성을 유지할 수 있도록 구성된다. 와이어(121)는 상하 양단부가 각각 모터 보호관(100)과 유공관(130)에 형성된 고리 등에 걸려 고정될 수 있다.

유도관(120)은 전술한 재질이면서 주름관 형태일 수도 있다.

유공관(130)은 유도관(120)이 직진성을 유지할 수 있도록 중량이 무거운(유도관(120)이 직진 상태로 펼쳐질 수 있도록 할 수 있는 중량인 것으로 구체적인 수치로 한정하지는 않는다) 재질 예컨대, 스틸 또는 스테인레스 등으로 이루어지고, 관정 내의 지하수가 유입될 수 있도록 다수의 유입공(131)을 갖는다.

모터 보호관(100)은 모터 보호관(100) 내부를 통과하여 열교환기(6)에 공급되는 지하수와 열교환기(6)를 거쳐 열교환되어 관정에 복귀되는 물 사이에 열교환이 이루어지지 않도록 이중 구조로 구성된다.

즉, 모터 보호관(100)은 도 3a와 같이, 외통(103) 및 내통(104)에 의한 이중 구조일 수 있다. 여기서, 외통(103)은 스테인리스이고 내통(104)은 PVC일 수 있으며, 다르게는 도 3b에서 보이는 것처럼, 외통(103)과 내통(104) 사이에 단열재(105)가 개재된 구조일 수도 있다.

모터 보호관(100), 열교환기측 공급관(110), 유도관(120) 및 유공관(130)의 관이음은 누수 방지를 위한 기존의 방식이 가능한 것이므로 이에 대해서는 구체적으로 설명하지 않는다.

이와 같이 구성된 본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치의 작용은 다음과 같다.

지열의 회수를 위하여 지열 및 지하수 공급장치를 시공하는 경우 지중 내에 관정을 천공하고, 관정의 깊이를 계측한 후 유도관(120)의 길이를 결정한다.

유도관(120)은 두루마리 형태로 말아 그 부피를 최소화한 상태로 시공 현장으로 운반되고, 결정된 길이에 맞춰 절단된다.

절단된 유도관(120)의 상단부를 모터 보호관(100)의 하부 관이음부(102)에 관이음하고, 유도관(120)의 하단부에 유공관(130)을 관이음한 후, 와이어(121)의 양단부를 각각 모터 보호관(100)과 유공관(130)에 연결하여 조립을 완성한다.

이 조립체를 관정 내에 삽입하기 위하여 유공관(130)을 먼저 관정 입구에 넣어 삽입하면 유공관(130) - 유도관(120) - 모터 보호관(100) - 열교환기측 공급관(110) 순으로 관정에 삽입된다. 이와 같은 작업시 유도관(120)이 유연성 있기 때문에 구부러질 수 있지만, 유공관(130)의 자중과 와이어(121)에 의해 직진성을 유지하면서 원활하게 삽입될 수 있다.

이상의 방법을 통해 시공을 완료한 후, 수중 펌프(4)를 가동하면 관정 내의 지하수가 유공관(130)의 유입공(131)을 통해 유입되어 유도관(120) - 모터 보호관(100) - 열교환기측 공급관(110)을 경유하여 열교환기(6)에 유입되어 열교환된다. 열교환기(6)를 통해 열교환된 지하수는 복귀관(140)을 통해 관정 내부에 복귀되어 관정의 바닥측으로 내려가게 되며, 이 과정 중에 열교환되어 다시 유공관(130)을 통해 유입되어 연속적으로 순환한다.

지하수가 연속적으로 순환할 때 모터 보호관(100)의 내부와 외부에는 온도가 서로 다른 지하수가 서로 반대 방향으로 통과하게 되는데, 모터 보호관(100)은 외통(103)과 내통(104)의 이중 구조 또는 단열재(105)를 갖는 이중 구조이기 때문에 모터 보호관(100) 내부의 지하수와 외부의 지하수 간에 열교환이 이루어지지 않는다. 즉, 모터 보호관(100)을 경유하여 공급되는 지하수는 설계 상태의 온도를 그대로 유지할 수 있으므로 열교환 효율을 높일 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 의한 지열 및 지하수 공급장치에 의하면, 관정의 바닥에 배치되는 최하단의 유공관과 PE 등을 재질로 하는 유도관의 조합에 의해 관체가 형성되고, 유도관의 원가가 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 시공 원가를 절감하고 공기를 단축할 수 있다.

그리고, 관정 내에서 공급 - 복귀되는 지하수간에 열교환이 차단되어 열교환기에 공급되는 지하수의 온도를 유지할 수 있으므로 열교환 효율을 높일 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 지중의 관정 내에 삽입되며 지상의 열교환기에 유체 연통 가능하게 연결되어 상기 관정 내의 지하수를 상기 열교환기에 공급하는 공급관과;

   상하 단부에 각각 관이음부가 형성된 중공의 통구조로 이루어져 내부에 수중펌프가 장착되며 상기 관이음부를 통해 상기 공급관의 도중에 설치되는 모터보호관과;

   상기 열교환기를 통과한 지하수를 상기 관정 내에 복귀시키는 복귀관을 포함하는 지열 이송장치에 있어서,

   상기 공급관은 서로 관이음되는 다수의 단위 관으로 이루어져 상기 열교환기와 상기 모터 보호관을 연결하는 열교환기측 공급관, 내열성과 유연성이 있고 열전도율이 낮은 수지를 재질로 하며 상기 모터보호관의 하부 관이음부에 관이음되는 유도관, 다수의 유통공이 구비되며 상기 유도관의 하단부에 연결되어 관정의 바닥에 근접되는 유공관을 포함하고,

   상기 모터보호관은 외통과 내통의 이중구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 지열 및 지하수 공급장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 모터보호관의 외통과 내통의 사이에는 단열재가 개재된 것을 특징으로 하는 지열 및 지하수 공급장치.

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