KR101992308B1 - 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법에 관한 것으로, 다수개의 지열공과 단일의 급수시설(급수정 또는 급수 지열공)을 구성하고 지열공과 급수시설을 연결하여 지하수를 급수시설에 집수한 후 히트펌프에 공급함으로써 대규모 지열 용량에서도 한 대의 펌프를 운용함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템은, 지중에 형성되는 2개 이상의 지열공(1)과; 상기 지열공의 지하수를 환수하는 환수 유통관(10)과; 상기 환수 유통관에 의해 환수되는 지하수를 집수한 후 급수하는 집수 급수정(20)과; 상기 집수 급수정에서 급수되는 지하수의 열을 열원으로 하여 냉난방열을 생산하는 하나 이상의 히트펌프(30)와; 상기 히트펌프에 열을 공급한 지하수를 상기 지열공에 공급하는 지하수 공급수단으로 공급관(40)을 포함한다.

Description

스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법{Geothermal System Using a Single Water Supply System for Smart Farm and Building Cooling and Method for constructing this same}

본 발명은 지열시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하수를 스마트팜의 농작물 재배와 실내의 냉난방을 위한 용수로 사용하고 다수의 지열공에서 지하수를 획득한 후 단일 급수계통을 통해 급수하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 100미터이상 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 열교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열교환시스템을 이용하여 사용하고 있다.

지중 온도는 사계절 변함없이 15℃ 내지 17℃의 온도를 연중 유지하여 이 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하고 이렇게 열교환되어 상승되거나 혹 낮아진 지하수의 온도는 환수관을 통해 지하수 지열공 내부로 유입되어 지중의 열에 의해 다시금 열교환되어 지하수의 온도는 낮아지거나 혹 다시금 높아진 상태를 유지하게 되면서 이러한 사이클이 지속적으로 사용가능한 상태를 유지할 수 있게 된다. 이러한 원리를 이용한 시설이 지열을 이용한 냉난방시스템이다.

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

특허문헌(제10-1187863호)은 환수관이 지열공 저부에 있는 개방형 지열 시스템에서는 지열공과 급수정을 별도 구성하고 유통관을 구성하여 지열공에서 열교환된 순환지하수과 급수정으로 유입하여 수중모터펌프를 통해 기계실 내 히트펌프로 순환될 수 있도록 하였으나 다수개의 지열공이 구성과 집수 급수정에서의 단일 순환펌프 운용에 대하여는 구체적인 기술이 없다.

등록특허공보 제10-1187863호 등록특허공보 제10-1025296호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수개의 지열공과 단일의 급수시설(급수정 또는 급수 지열공)을 구성하고 지열공과 급수시설을 연결하여 지하수를 급수시설에 집수한 후 히트펌프에 공급함으로써 대규모 지열 용량에서도 한 대의 펌프를 운용할 수 있는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템은, 지중에 형성되는 2개 이상의 지열공과; 상기 지열공의 지하수를 환수하는 환수수단과; 상기 환수수단에 의해 환수되는 지하수를 집수한 후 급수하는 급수수단과; 상기 급수수단에서 급수되는 지하수의 열을 열원으로 하여 냉난방열을 생산하는 하나 이상의 히트펌프와; 상기 히트펌프에 열을 공급한 지하수를 상기 지열공에 공급하는 지하수 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템 및 이의 시공 방법에 의하면, 급수시설(집수 급수정, 급수 지열공)로 다수(모든) 지열공의 지하수를 모아서 단일 급수시스템을 통해 히트펌프 열교환기에 공급하고 열교환된 지하수를 지열공에 복귀 분배함으로써 개방형이면서도 지하수의 펌프를 단일화 할 수 있어 유지관리가 편리하고 동력비 소모를 크게 줄일 있다.

그리고, 개방형의 경우 유출지하수로 인해 운전 수위가 낮아지게 될 때는 운전 불가능할 수 있으나 별도의 보충수 공급수단을 통해 지하수 수위변화에 따른 운영 불안정성을 해소하는 효과가 있다.

그리고, 모든 지하수가 집수되는 급수시설을 통해 운전수위 제어와 함께 지하수의 수질관리도 가능하게 되어 친환경적인 지열시스템의 유지관리가 가능한 효과가 있다.

수직밀폐형이 단위지열공당 열용량이 작아 단위현장당 지열공 굴착공수가 많아 여러 어려운 문제가 많은 반면 기계실내 설치되어 운용되는 순환펌프 단일화로 인한 유지관리의 장점이 있는 측면을 그대로 살리면서 개방형이 가진 단위지열공당 열교환 용량이 큰 것을 활용하여 단위현장당 지열공 굴착공수를 크게 줄이면서도 집수 급수정을 이용한 순환펌프의 단일화 구성을 통해 수직밀폐형이 가지고 있는 유지관리의 편리성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 천층 지하수가 풍부한 동남아 등 열대지방 습지 등에 시설되는 스마트 팜에 적정 냉방온도 유지를 위한 지열시설 시 개방형으로서 30~50m 깊이의 지열 순환정을 다수 개 굴착하여 집수 급수정으로 모아 단일 순환펌프시스템으로 운영할 때 경제적이고 효율적인 시설관리가 가능한 장점 및 효과가 있다.

특히 동남아 국가처럼 심도가 얕은 천층 지하수가 다량으로 존재 시 풍부한 지하수의 수열을 활용하기 위해서는 종래의 경우 지열공을 굴착한 후 각 지열공마다 심정용 수중모터펌프를 설치하여 운영하여야 하였으나 본 발명에 따르면 단일 급수시설을 구성하고 단일 순환펌프 시스템을 구축하는 등 구조를 단순화함으로써 시공비의 절감과 함께 운영 유지관리비의 절감을 통해 스마트 팜의 경영환경을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템의 전체 구성을 보인 정면도.
도 2a 내지 도 3c는 각각 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템의 집수 급수정이 지열공들 사이에 있는 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 내부케이싱이 적용되고 공급관의 다른 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 연결 소켓이 적용된 예를 보인 도면.
도 6과 도 7은 각각본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 보충수용 지하수공이 적용된 예를 보인 정면도와 평면도.
도 8은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 정수장치가 적용된 예를 보인 도면.
도 9는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 디워터링 배수 기술을 적용한 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 다수의 환수 유통관이 확관 형태인 예를 보인 도면.
도 11은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 집수 급수정의 예시도.
도 12는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 환수 유통관의 설치 예시도.
도 13은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 지열공과 집수 급수정이 건물 벽체를 사이에 두고 설치되는 예를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 연결 소켓의 사시도.
도 15는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템의 청소 예를 보인 도면.
도 16은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 스케일 방지 장치를 보인 도면.
도 17은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 하나의 집수 급수정에 복수의 히트펌프가 연결되는 예를 보인 도면.
도 18은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 복수의 집수 급수정을 하나의 메인 헤더로 연결하는 예를 보인 도면.
도 19는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 집수 급수정 단일 공급수 시스템의 집수 급수정을 구역별로 구분한 후 메인 집수 급수정으로 모은 예를 보인 도면.
도 20은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 집수 급수정 단일 공급수 시스템이 건물 지하에 적용된 예를 보인 도면.
도 21은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 적용된 지열공을 토목 공사 전에 굴차하는 예를 보인 도면.
도 22는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 집수 급수정을 대신하여 급수 지열공을 적용한 예를 보인 도면.
도 23은 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템이 집수 급수정을 사용하지 않고 지하수를 직접 급수하는 예를 보인 도면.
도 24는 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템에 생활용수 급수를 위한 기술을 보인 도면.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1과 도 2a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템은, 지중에 형성되는 지열공(1), 지열공(1) 내부의 지하수를 환수하는 환수 유통관(10), 환수 유통관(10)에 의해 환수되는 지하수를 집수하여 저장하는 집수 급수정(20), 집수 급수정(20)에 집수된 지하수의 열을 열원으로 하여 냉난방 열을 생산하는 히트펌프(30), 집수 급수정(10)에서 배출된 후 히트펌프(30)와 열교환된 지하수를 지열공(1)에 공급하는 공급관(40)으로 구성된다.

도 1은 집수 급수정(20)을 기준으로 하여 일측에 지열공(1)들이 있는 것이고, 도 2는 집수 급수정(20)을 기준으로 하여 양쪽에 지열공(1)들이 있는 것을 도시한 것이다.

또한, 도 3a와 도 3b는 집수 급수정(20)을 중심으로 하여 둘레부에 지열공(1)들이 구성되는 예를 도시한 것이다.

즉, 본 발명은 2개 이상의 지열공(1)이지만 단일의 집수 급수정(20)만을 구성하여 1 대의 순환펌프만을 운용한다. 물론, 단일의 지열공(1)과 단일의 집수 급수정(20)을 사용하는 것도 포함된다.

한편, 집수 급수정(20)의 위치는 지하수의 흐름 확인을 통해 지열공(1)보다 상류측도 가능하고, 따라서, 지중열과 열교환되지 않은 지하수가 집수 급수정(20) 내 보충수로 이용될 수 있도록 함으로써 전체 지열시스템의 효율을 높일 수 있다.

또한, 후술하는 보충수 공급수단에 적용되는 지하수공(50)의 위치도 도 3c에서 보이는 것처럼, 지하수의 자연스러운 흐름을 이용하여 공급하도록 지열공(1) 또는 집수 급수정(20)보다 상류에 배치될 수 있다.

본 발명은 지열공 시공 - 급수수단 시공 - 환수수단에 의한 급수수단과 지열공 연결 -히트펌프 설치 및 히트펌프와 급수수단 연결 - 히트펌프와 지열공의 공급관 연결의 공정으로 이루어진다.

상기 지열공 시공 공정은 지중에 2개 이상의 지열공(1)을 시공하는 공정이며, 통상의 굴착기를 이용하여 지중을 굴착함으로써 지열공(1)을 시공한다.

상기 급수수단 시공 공정은 지열공(1) 주변에 급수수단으로 급수 집수정(20) 또는 급수 지열공(1-1)을 시공하는 것이다.

상기 환수수단 연결 공정은 지열공(1)의 지하수를 상기 급수수단에 집수하기 위하여 환수 유통관(10)을 설치하는 공정이다.

상기 히트펌프 설치 및 연결 공정은 상기 급수수단에 집수된 지하수의 열을 히트펌프(30)에 공급하기 위하여 상기 급수수단과 히트펌프(30) 사이에 배관과 펌프 등을 설치하는 공정이다.

상기 공급관 연결 공정은 히트펌프(30)를 통과하여 열을 빼앗긴 지하수를 지열공(1)에 공급하기 위하여 공급관(40)을 설치하는 공정이다.

이상의 시공 공정은 후술하는 구체적인 구성 설명을 통해 명확해진다.

<지열공>

지열공(1)은 지중 굴착을 통해 지표면으로부터 통상 200~500m 깊이로 형성된다.

지열공(1) 내부에는 지열공(1)을 함몰로부터 보호하기 위해 내부케이싱(2)(도 4 참고)을 설치할 수 있다.

내부케이싱(2)은 지하수의 순환을 위하여 유공부(일부 또는 전체)가 구성되어야 하며, 유공부와 무공부의 2중 관도 가능하다. 내부케이싱(2)이 적용된 경우 환수 유통관(10)과 공급관(40)은 내부케이싱(2)의 구조에 맞춰 자유롭게 적용된다.

내부 케이싱(2)과 공급관(40)은 경제적인 시공을 위해 PE 재질을 사용하되 부력감쇄를 위해 하중부가체를 결합하여 설치한다.

지열공(1)은 지하수법에 따라 오염된 상층 지하수의 유입에 의한 순환지하수의 수질오염을 방지하기 위해 지표하부 보호벽을 구성할 수 있도록 도 4에서 보이는 것처럼, 그라우팅 케이싱(3)을 삽입하고 공벽과 그라우팅 케이싱(3) 사이를 시멘트 그라우팅한다.

이때 주변에 지하 터널, 고층건물의 지하층이 있을 경우, 또는 주변에 하천이 있게 되면 지하수가 이들과 같이 낮은 쪽으로 유출되어 순환지하수의 운전 수위가 낮아지게 될 수가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 그라우팅 케이싱(3) 하단에 지하수법에 명시된 차폐장치(3a)를 설치하되 고심도 기능이 있는 제품을 선정하여 주변 환경에 따라 지하수가 유출되지 않을 깊이까지 충분한 깊이로 차수벽을 구성하기 위한 지표하부 보호벽용 시멘트 그라우팅을 시행한다.

지열공(1)은 경제적인 굴착 시공을 위해 법정두께를 확보해야 하는 오염방지 구간은 직경을 250mm로 하고 그 이하 구간은 150mm로 굴착한다. 다만 지하수 유출을 방지하기 위해 굴착하는 구간에 대하여는 200mm로 시공할 수도 있다.

또한, 도 4에서 보이는 것처럼, 지열공(1) 상부에는 상부보호공(4)이 적용될 수 있다.

상부보호공(4)은 점검용 덮개를 통해 개폐되고 공급관(40)과 환수 유통관(10)이 결합된다. 상기 점검용 덮개는 볼트너트 결합 등을 통해 상부보호공(4)에 분리 가능하게 결합된다.

지열공(1)은 하나 이상이 사용되고, 내부에서의 열전달면적을 크게 하기 위해 직경을 200mm 이상으로 할 수도 있다.

또한, 지열공(1)의 함몰방지를 위하여 지열공(1)를 콩자갈 등의 충전재(5)(도 5 참고)로 충전하는 것도 가능하다.

도 2b에서 보이는 것처럼, 지열공(1)과 집수 급수정(20)에는 각각 수위센서(7,24)가 설치되고 컨트롤러의 제어를 통해 펌프(21)와 밸브가 제어될 수 있다.

지열공(1) 상부보호공에는 각 지열공의 수위가 환수유통관(10) 상부레벨에서 적정하게 운용될 수 있도록 수위레벨센서와 콘트롤제어 회로를 구성하여 각 지열공 내 급수량을 제어하여 적정 레벨에서 지열공이 운전이 가능하도록 하였다.

한편, 집수 급수정(20) 또는 보충수용 지하수공(50)을 구성하여 운용하게 될 경우 지열공(1) 내부에 수중순환펌프를 설치하여 운용하는 집수 급수정(20) 형태보다 지열공(1) 내부 수위레벨을 최대한 높여 운전할 수 있는 제어가 용이할 수 있다. 이렇게 운전 수위레벨을 높이게 될 경우 각 지열공(1)의 열교환 길이를 늘리는 효과가 있게 되고 각 지열공(1)당 열교환 용량 또한 증대시키는 효과 구현이 가능하게 된다.

<운전 중 지하수유출 대비 기술>

상층부로부터 지하수가 외부로 유출되어 수위저하가 발생되는 것을 방지하기 위해 그라우팅 차수벽의 깊이를 지하수 유출이 발행되지 않을 깊이까지 삽입하여 차수벽을 구성하도로 한다.

한편, 지하층에 지열공이 위치하고 있고 집수 급수정(20)이 상부에 부득이하게 위치될 경우 상부보호공(4) 내부를 포함한 지열공 내부가 모두 대기압 이상의 운전수압이 존재된 상태로 운영하게 될 수 있으며 이때 지열공(1) 내 파쇄대나 대수층으로 지하수 유출이 발생될 수 있으며 결국 운전수압의 저하와 지열공 내 운전수위 저하, 순환지하수 환수가 작아지게 되고 집수 급수정 내의 운전수위까지 낮아질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지하수를 보충하기 위한 보충수 공급수단이 포함된다.

상기 보충수 공급수단은 보충수용 지하수공(50)을 기본 구성으로 한다.

보충수용 지하수공(50)은 지열공(1) 주변에 굴착하고 펌프를 설치한 후 집수 급수정(20) 내의 운전수위에 따라 지하수를 보충할 수 있도록 할 수 있다. 물론 보충수용 지하수공 내부에도 환수관을 설치하는 것도 가능하다.

보충수용 지하수공은 유출 지하수의 수량에 따라 다수 개를 설치하여 운용할 수도 있다. 지열공(1)으로부터 유출되는 지하수는 대다수가 지열공(1) 주변에 설치되는 보충수 지하수공으로 유입되어지게 되어 보충수 펌프를 통해 집수 급수정(20)으로 유입될 수 있어 지열공(1) 주변의 전체적인 지하수 유출입 수지는 평형이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

예를 들어, 지하수의 유출 등으로 인한 지열공(1)의 수위저하를 방지하기 위해 보충수용 지하수공(50)(도 6, 도 8)을 별도 굴착하고 보충용 펌프(51)(수중펌프 등)를 설치하여 취수된 지하수를 보충관(52)을 통해 집수 급수정(20)에 보충하도록 구성된다.

보충용 펌프(51)는 집수 급수정(20)의 수위를 근거로 하여 온오프가 자동으로 제어될 수 있고, 또는 관리자의 수동 조작에 의해 제어될 수 있다.

도 7에서 보이는 것처럼, 다수의 지열공(1)과 함께 2개의 보충수용 지하수공(50)이 사용될 수 있고 물론 도 8에서처럼 1개의 보충수용 지하수공(50)이 적용될 수도 있다.

물론, 투수율이 높아 지하수 유실이 높은 지역에서는 도4에서와 같이 지열공(1) 내부에 하부가 막힌 내부케이싱(2)을 설치하고 순환되는 지하수를 공급관과 내부케이싱 안쪽으로 순환되도록 하여 열교환이 이루어질 수 있도록 한 후 환수유통관(10)을 통해 집수급수정(20)으로 유입되도록 할 수도 있다.

물론, 그라우팅 케이싱(3)을 지하수가 유출될 수 있는 깊이까지 충분히 삽입 설치하고 차수벽을 위한 시멘트그라우팅을 시행하도록 함으로써 높아진 운전수위로부터 주변으로 지하수가 유출되는 것을 방지할 수도 있다 하겠다.

한편, 집수 급수정(20)의 물 보충은 건축물에 적용되는 디워터링(de-watering) 배수 시스템을 이용하는 방식도 가능하다. 즉, 디워터링 배수시스템에 적용되는 디워터링수조(6a)에 설치되는 배수펌프(6)의 토출측을 집수 급수정(20)과 연계하도록 구성하여 건축물에 고이는 물을 배수펌프(6)로 양수하여 집수 급수정(20)에 공급하는 것이다. 도면 중 미설명 부호 6b는 물을 디워터링 수조(6a)로 유도하는 유공다발관이다.

<환수 유통관(10)>

환수 유통관(10)은 지열공(1) 내부의 지하수를 집수 급수정(20)으로 유도하며, 일측의 유입단은 지열공(1) 내부에 대응하도록 구성되고 타측의 배출단은 집수 급수정(20)에 연결된다.

환수 유통관(10)은 밸브(11)를 통해 개폐 및 개도가 조절된다. 밸브(11)는 지열공(1) 내부의 압력 조절 등을 위하여 사용된다.

환수 유통관(10)은 지열공(1)의 공저까지 배관되지 않고 유입단이 지열공(1) 의 상부쪽에서 안으로 삽입되는 형태일 수 있으며, 이 때 배출단은 상기 유입단보다 높지 않도록 구성되어 지하수가 자연스럽게 집수 급수정(20)에 집수되도록 한다.

또는 환수 유통관(10)은 공급관(40)과 연결{지열공(1)의 저부에서 U 밴드를 통해 연결}되어 지열공(1)에 전체적으로 배관될 수 있으며, 이때 지하수의 환수를 위하여 바람직하게 지하수가 유입되는 다수의 구멍이 다단으로 형성된다.

물론, 환수 유통관(10)은 이에 한정되지 아니하고 지열공(1) 내부의 지하수를 집수 급수정(20)에 공급할 수 있는 모든 구조와 방식이 가능하다.

환수 유통관(10)은 통상 직경 100mm내외의 관으로서 지열공(1)의 수량이 적을 경우에는 집수 급수정(20)과 지열공(1) 간에 독립적으로 연결 구성하며, 다수개의 지열공(1)이 구성되거나 불규칙한 위치에 다수개의 지열공(1)이 구성될 경우에는 집수 급수정(20)에 가까울수록 단계적으로 확장 설치하여 연결될 수 있도록 하여 지하수가 지열공(1)에서 집수 급수정(20)으로 장애없이 흐르도록 한다(도 10 참고). 즉 후자의 경우 서로 다른 직경의 환수 유통관(10)으로 이루어지고 집수 급수정(20)에서 먼 쪽에서부터 가까운 쪽으로 가면서 환수 유통관(10)의 직경이 커진다.

환수 유통관(10)은 집수 급수정(20) 안에 유입될 때 장애를 일으키지 않도록 집수 급수정(20) 안에서 충분한 낙차가 유지되도록 한다.

환수 유통관(10)은 수압이 안쪽으로부터 크게 발생되지 않은 반면 외부로부터는 토압이나 외부하중이 발생되어 압착 등이 발생될 수 있음으로 이를 견딜 수 있는 구조의 이중 관이나 pvc관이 사용될 수 있고 또는 콘크리트관 등도 활용 가능하다.

한편, 깊은 심도에서 환수 유통관(10)을 형성할 필요가 있을 경우에는 지반의 개착없이 도 12에서 보이는 것처럼, 집수 급수정(20)을 통해서 지열공(1)을 향하는 굴착기(100)로 지중을 수평 굴착하여 환수정을 형성하고 이 환수정에 환수 유통관(10)을 설치하는 것도 가능하다.

<집수 급수정(20)(급수 집수 급수정)>

집수 급수정(20)은 히트펌프(30)에 지하수의 열을 열원으로 제공하기 위하여 지하수를 집수하는 것이며, 지하수의 집수 공간을 갖는 모든 구조(원형, 사각형 등)와 재질(콘크리트, FRP 등)이 가능하다.

집수 급수정(20)은 지열공(1) 내 지하수가 환수 유통관(10)을 통해 유입되도록 환수 유통관(10)의 입구단보다 낮은 높이(지상과 지중 모두 가능)로 배치되는 것이 바람직하고, 물론 별도의 양수펌프를 사용하는 경우 그렇지 아니하다.

집수 급수정(20)과 함께 집수 급수정(20)에 집수된 지하수의 순환을 위하여 순환펌프(21)와 공급을 위한 배관(22)이 함께 구성된다.

순환펌프(21)는 집수 급수정(20)의 내부 또는 외부에 설치된다.

내장형의 순환펌프(21)는 집수 급수정(20) 내부에 순환펌프가 설치되는 경우에는 일반 수중순환펌프를 설치하도록 하고 스페어용 한 대를 포함하여 복수로 구성할 수 있다.

외장형의 순환펌프(21)는 집수 급수정(20)의 외부에 형성되는 배관(22)에 설치된다. 이때는 순환 지하수의 유량에 따라 펌프대수 제어가 가능하도록 통칭 부스터 펌프를 설치하고 유량제어가 가능하도록 인버터 기능을 부가할 수 있다.

집수 급수정(20) 상부에는 보호용 덮개가 설치되도록 하고 수중모터펌프가 설치되는 경우에는 유지관리 편의성을 고려하여 자동탈착장치와 인양용 레일을 구성하도록 한다.

또한, 집수 급수정(20)에서 배출되는 지하수로부터 이물질을 제거하기 위하여 순환펌프(21)의 유입단에는 여과탱크(23)가 구성될 수 있다. 여과탱크(23)는 탱크 구조 등 다양한 방식이 가능하다.

또한, 집수 급수정(20)에 집수된 지하수에 수질을 오염시키는 오염원이나 이물질이 포함될 수 있고, 오염원이나 이물질로 인한 수질오염이나 순환계통의 막힘 방지를 위하여 정수장치(60)(도 8 참고)가 구성될 수 있다. 정수장치(60)는 집수 급수정(20)과 배관으로 연결되어 집수 급수정(20)에 집수된 지하수를 공급받아 이물질을 제거하고 정수를 다시 펌프(61)를 통해 집수 급수정(20)에 공급한다.

정수장치(60)는 이에 한정되지 아니하고 환수 유통관(10)과 집수 급수정(20) 사이에 직렬로 연결될 수 있고, 또는, 집수 급수정(20)의 토출측에 설치될 수도 있다.

집수 급수정(20)은 단일 지열공(1)이 설치되어 지하수용 수중모터 펌프를 설치하게 되는 경우에는 직경을 200mm 내외로 할 수 있으나 다수개의 지열공(1)이 구성될 경우에는 직경을 1,000mm 이상으로 대형으로 구성하거나 대형의 방수처리된 콘크리트 구조물로 구성하게 됨으로써 지열공(1)으로부터 환수 유통관(10)을 통해 유입되는 다량의 순환 지하수가 집수되고 펌핑되는 과정에서 시간차로 인한 저수위나 물넘침이 발생되지 않도록 버퍼기능 또는 서비스탱크의 기능을 감당할 수 있도록 한다.

예를 들어, 도 11에서 보이는 것처럼, 집수 급수정(20)에 집수된 지하수의 수위를 감지하는 수위센서(24), 집수 급수정(20) 내부의 지하수를 외부로 배수하기 위한 배수수단이 적용된다.

상기 배수수단은 배수펌프(25) 및 배수관으로 구성된다.

수위센서(24)의 감지 값은 컨트롤러에서 관리하고 상기 컨트롤러는 수위센서(24)의 현재 감지 값과 기준 값의 비교를 통해 일정 수위 이상의 지하수가 저장된 것으로 판단되면 배수펌프(25)를 가동하여 집수 급수정(20) 내부의 지하수를 배수하도록 한다. 배수펌프(25)는 집수 급수정(20) 내부의 지하수를 지열공, 별도의 저장탱크 등으로 배출한다.

또한, 집수 급수정(20)에 집수된 지하수의 수질 측정을 위한 수질센서가 구성되는 것도 가능하다. 상기 수질센서에 의해 감지되는 수질 값은 모니터를 통해 출력되고 또한 컨트롤러의 프로그램을 통해 기준치 이상의 오염으로 판단되는 경우 알람을 출력할 수도 있다.

집수 급수정(20) 내부는 월류판을 설치하여 일차 연결된 환수 유통관(10)에 의해 유입되는 지하수는 월류판 안쪽으로 모아진 후 상승된 수위에 따라 중력에 의해 가라앉은 모래나 슬라임이 걸러진 후 깨끗한 지하수만 급수측으로 넘어오도록 한다.

또한, 집수 급수정(20)에는 보일러, 열선 등 보조열원을 설치하여 혹한기에 지열 열용량 부족분을 보충할 수 있도록 한다.

또한, 집수 급수정(20)에는 농화훼 재배장에 재배용 급수를 위한 급수펌프를 연결하여 구성할 수 있다. 이와 더불어, 비닐화훼 하우스에는 분무노즐을 설치하여 수막을 통해 하우스 내부 온도가 낮아지지 않도록 구성한다. 히트펌프(30)를 가동하지 않은 상태에서 지하수만을 이용하여 기온보다 높은 온도로 집수 급수정(20)에 모이는 지하수를 이용하여 수막재배에 활용할 수 있도록 한 것이다.

도 13에서처럼, 건물외부로부터 환수 유통관(10)을 인입시키게 될 경우 별도의 환수매니폴드(47)와 급수매니폴드(46)를 건물 외부에 구성한 후 건물의 벽체에 슬리브(48)를 설치하여 단일배관으로 인입시켜 집수 급수정(20) 및 공급관(40)에 연결되도록 할 수 있다.

<히트펌프(30)>

히트펌프(30)는 통상의 제품으로 집수 급수정(20)에서 공급되는 지하수의 열을 열원으로 하여 부하에 냉난방열을 공급하며, 예를 들어 부하측 열교환기(31)를 이용하여 비닐하우스 등을 냉난방한다.

집수 급수정(20)에서 히트펌프(30) 측으로 넘어오는 지하수에는 모래 등 이물질이 극히 없어 판형열교환기의 설치를 생략할 수 있으므로 경제적인 시설이 가능하다. 히트펌프(30)는 지하수의 열을 교환하기 위한 열교환기를 포함한 것이며 독립된 별도의 열교환기(32)가 구성될 경우 이들 구성까지를 포함한 것으로 이해되어야 한다.

판형열교환기 생략으로 지하수의 수질에 칼슘, 마그네슘 등에 의해 도 16에서 보이는 것처럼, 히트펌프(30)의 열교환기(32) 및 배관에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 배관 중에 스케일 방지장치(33)(일명 스케일 부스타 등)를 설치할 수 있다.

<공급관(40)>

공급관(40)은 히트펌프(30)의 열매체와 열교환된 지하수를 지열공(1)에 공급하도록 히트펌프(30)에서부터 지열공(1)에 걸쳐 배관된다.

공급관(40)은 히트펌프(30)의 토출측과 연결되는 지상측 공급부(41), 지상측 공급부(41)와 연결되며 지열공(1)의 지표측에서부터 공저 방향의 흐름을 유도하는 지열공측 공급부(42) 및 반대로 공저에서 지표측 방향의 흐름을 유도하는 환수부(43)의 U형태일 수 있다. 지상측 공급부(41)와 지열공측 공급부(42)는 무공관이고 환수부(43)는 다단의 환수구멍을 통해 지열공측 공급부(42)를 통과한 지하수를 지열공(1)에 환수한다. 물론, 지열공(1)내에서 환수부(43) 구성을 생락하고 공급부(42)만으로 형성하여 운용할 수도 있다.

지상측 공급부(41)와 지열측 공급부(42) 및 환수부(43)는 전체적으로 관형으로 이루어지며, 지열측 공급부(42) 및 환수부(43)는 공저에서 관형의 U 밴드로 연결될 수 있고 또는 도 5에서 보이는 것처럼, 통 구조의 환수헤더(44)로 연결되는 것도 가능하다.

환수헤더(44)는 내부 용적이 지열측 공급부(42) 및 환수부(43)보다 큰 크기의 통 형태이거나 U자형 구조이고 지열공측 공급부(42)와 환수부(43)가 각각 관이음되는 구조로서, 지하수의 환수 과정에서 포함되는 모래나 슬라임을 수용(퇴적)하여 지하수의 흐름계통이 막히지 않도록 한다.

공급관(40)은 개폐 및 개도 조절을 위한 밸브(45)가 갖추어진다. 밸브(45)는 바람직하게 지상측 공급부(41)에 설치된다.

공급관(40)이 2개 이상 사용되는 경우 히트펌프(30)를 통과한 하나의 배관이 2개 이상의 공급관(40)과 연결되도록 급수 매니폴드(46)가 적용된다.

또는 공급관(40)은 도 4에서 보이는 것처럼, 지표측에서부터 공저 방향의 흐름을 유도하는 단일 구조(이 때, 배출단은 공저에 배치)도 가능하다.

<소켓식 연결 구조>

환수 유통관(10)의 구조와 공급관(40)의 구조에 따라 다음과 같은 연결 구조가 구성되는 것이 바람직하다.

도 5와 도 14에서 보이는 것처럼, 연결 소켓(70)은 상하 양측이 개방되는 하우징(71), 하우징(71)의 둘레부에 돌출 형성되며 환수 유통관(10)이 관이음되는 관형의 연결부(72), 하우징(71)의 내부에 설치되며 지상측 공급부(41)와 지열공측 공급부(42)가 각각 관이음되는 연결관(73)으로 구성된다.

연결소켓(70)은 예를 들어 하부는 그라우팅 케이싱(3)에, 상부는 상부보호공(4)에 연결되며 이를 위하여 하우징(71)의 하부와 상부에는 플랜지가 구성된다.

연결부(72)는 하우징(71)의 둘레부에 옆으로 돌출되고 환수 유통관(10)이 직접 또는 간접적으로 연결된다.

연결관(73)은 지상측 공급부(41)와 지열공측 공급부(42)가 각각 연결되는 제1,2연결부(73a,73b)가 구비된다.

지상측 공급부(41)와 지열공측 공급부(42)의 배열에 맞춰 제1연결부(73a)는 횡방향, 제2연결부(73b)는 제1연결부(73a)에서 하부를 향해 연장되는 종방향이다.

연결관(73)은 제1연결부(73a)가 하우징(71)을 관통하면서 용접으로 고정됨으로써 적용 가능하고 부가적으로 지지대가 구성될 수 있다.

<지열공 등 청소>

지열공(1) 내부에 쌓인 모래나 슬라임을 지상으로 배출하여 청소하도록 구성되며, 예를 들어 공급관(40)에 압축공기를 주입하여 압축공기가 지상으로 배출되도록 하고 이 과정에서 지열공(1){공급관(40)에 있는 모래나 슬라임도 포함}에 있는 모래나 슬라임이 지상으로 배출되도록 한다.

도 15에서 보이는 것처럼, 연결부(73)에 연결포트(74)를 상부를 향해 연장 형성하여 청소 시 연결포트(74)를 개방한 후 지상의 에어컴프레서 장비(200)와 호스로 연결하고, 지상측 공급부(41)와 환수 유통관(10)을 밸브로 폐쇄(또는 체크밸브 적용)한 후 고압의 압축공기를 주입하도록 한다.

예를 들어 연결포트(74)는 도 14에서 도시된 연결소켓(70)의 연결부(73)의 상부에 관형으로 형성되고 개방부가 캡(75)을 통해 폐쇄된다.

도 17은 하나의 집수 급수정(20)에 2개 이상(도면에는 2개로 예를 들어 도시함)의 히트펌프(30)가 연결되는 예를 도시한 것이며, 하나의 펌프(21)에 분배 헤더(26)가 연결되고 이 분배 헤더(26)에 2개의 히트펌프(30)가 열교환 가능하도록 연결된다.

도 18는 도 17과 반대로 2곳 이상의 집수 급수정(20)에 집수된 지하수를 하나로 취합하여 히트펌프(30)에 공급하는 것을 도시한 것이다[존(ZONE)별 집수 급수정 설치].

구체적으로 설명하면, 필요로 하는 지열 열용량이 큰 경우 집수 급수정(20)을 구역(존)별로 구분하여 설치 운용할 수도 있으며, 다수개의 지열공별 집수 급수정(20)을 구분하여 설치하고 집수 급수정(20)에서 기계실까지 펌프(21)의 흡입 배관을 구성하여 운용하거나 집수 급수정(20)들을 배관을 통해 하나의 메인 헤더(27)로 취합한 후 펌프(21)와 연결하여 사용하며, 이 때, 집수 급수정(20)에서 구배를 준 배관의 낙차를 이용하여 메인 헤더(27)에 연결관을 구성하고 메인 헤더(27)와 펌프(21)간에 흡입배관을 구성할 수도 있고, 또한, 환수관은 대체적으로 마찰손실저항을 감소시키기 위해 대형화 할 필요가 있다.

또한, 도 19에서 보이는 것처럼, 복수의 구역별의 집수 급수정(20)을 하나의 메인 집수 급수정(20-1)으로 연결하는 것도 가능하다. 이 때 구역별의 집수 급수정(20)과 메인 집수 급수정(20-1) 사이에는 지하수의 이동을 위한 별도의 공급 펌프가 구성될 수 있으며, 물론, 구역별 집수 급수정(20)과 메인 집수 급수정(20-1) 사이에 지하수의 흐름을 위한 구배가 있다면 상기 공급 펌프는 생략된다.

<지열공이 건축물 지하에 구성되고 자연수위가 낮아 자분정일 경우>

도 20에서 보이는 것처럼, 건축물의 지하층에 지열공(1)을 굴착하여 구성하고 집수 급수정(20)을 동일하게 건축물 지하층에 설치하게 되는 경우 자연수위가 낮은 장소에서는 지열공(1)들은 피압되는 지하수로 인해 자분정 형태로 지하수가 넘쳐흐르게 되고 이들 지하수가 환수 유통관(10)을 통해 집수 급수정(20)으로 유입되어지게 되면 집수 급수정 역시 지하수가 넘쳐 올라 결국 건축물의 침수를 방지하기 위해서는 계속 지하수를 외부로 펌핑하여 배수하여야 하는 문제점이 발생하게 된다.

이를 방지하기 위해서 집수 급수정(20) 역시 내부 수압으로부터 누출이 발생되지 않는 밀폐식 구조(예를 들어 밀폐식 상부보호공 설치)로 구성한다. 이러한 경우에는 집수 급수정(20)은 펌프(21)에 의해 지하수가 돌아오는 시간동안 내부 수위를 맞추기 위한 보충수가 필요없게 되고 집수 급수정 공간도 작아도 됨으로써 수밀성 있는 밀폐식 형태로 제작 설치하기도 용이하다 할 것이다. 이때는 배관{공급관(40), 배관(22)}에 에어벤트(40a,22a)를 설치하여 모든 순환배관 내부에는 지하수가 충만해 있도록 할 필요가 있다.

또한, 건축물 지하에 지열공(1)이 구성되어 암반층이 바로 시작됨으로써 오염방지용 그라우팅케이싱이 없는 상태에서 지열공(1) 상부에 밀폐식 상부보호공(4)이 설치되는 경우 상부보호공(4)은 그 하부가 지열공(1) 내 바로 삽입되는 구조로 하되 공급관(40)의 결합을 위한 구조로 구성된다.

<건축물 지하에 터파기 전 지열공 굴착 및 시설방법>

도 21에서 보이는 것처럼, 건축부지에 터파기 전 지열공(1)을 굴착하고 공급관(40)의 지열공측 공급관(42)와 환수브(43)를 지열공(1)에 설치한다. 이때는 지열공(1)을 건축물 최종 지하층 깊이를 확인하고 지하층 마감깊이보다 0.5~1m 상부에 차폐장치(49a)를 설치한 직관(49)을 지열공측 공급부(42) 상부에 설치한 후 차폐장치(49a) 상부를 벤토나이트와 시멘트 등 그라우트제재로 차폐한다. 직관(49)에는 길이측정을 위한 스케일을 표시하도록 하여 차폐장치(49a)의 설치깊이를 정확이 계측이 가능하도록 한다. 그라우팅제재는 양생 후 강도가 강하지 않는 재료를 사용하도록 한다. 또한 터파기 등 토목공사 과정에서 차폐장치(49a)의 위치를 그라우팅제재의 색깔을 보고 터파기 작업자가 지열공(1)의 위치를 확인하고 조심할 수 있도록 그라우팅제재 주입시 색상을 혼합하여 초기 공급되도록 한다. 물론 차폐장치(49a) 주변에 색상을 갖는 원통체(80)를 삽입시켜 놓는 방법도 사용될 수 있다.

차폐장치(49a)는 하부에 지열공측 공급부(42)에 삽입되는 봉이 형성되고 스펀지 등으로 지열공(1) 상부를 막도록 하고 중앙 몸체부 외주연에 구성된 차폐제가 팽창하여 지열공(1)의 벽과 중앙 몸체부 사이를 차폐할 수 있는 구조로 설치한다.

<급수 지열공을 이용한 지하수 순환>

지금까지 설명한 지열공(1)은 환수 유통관(10)을 통해 지하수를 집수 급수정(20)에 공급하는 것이며, 본 발명은 집수 급수정(20)을 사용하지 않고 급수 지열공을 이용하는 방식도 가능하다.

도 22에서 보이는 것처럼, 지열공(1)들 주변에 급수 지열공(1-1)이 시공되어 지하수의 공급 목적으로 사용되고, 급수 지열공(1-1)은 지하수를 히트펌프(30)에 공급(열교환)하도록 수중 펌프(P)가 설치되고 환수 유통관(10)들을 통해 주변의 지열공(1)과 연결되어 지열공(1)들의 지하수를 공급받는다.

한편, 급수 지열공(1-1)에 펌프(P)의 작동을 위한 충분한 양의 지하수를 만족시키기 위하여 보충수용 지하수공(50)이 함께 사용되고, 급수 지열공(1-1) 내 지하수의 수위{수위센서(24)에 의한 수위 값}를 근거로 하여 보충수용 지하수공(50)의 펌프를 가동 제어하여 보충수용 지하수를 급수 지열공(1-1)에 공급한다.

지열공(1)과 급수 지열공(1-1)에는 함몰 방지와 열전도율 상승을 위하여 콩자갈 등의 충전재가 충전되며, 여기서, 급수 지열공(1-1)은 펌프(P) 높이 이하로만 충전재가 충전된다.

경제적인 시공을 위해 지열공(1)과 보충수용 지하수공(50)은 직경을 150mm로 하고 급수 지열공(1-1)은 펌프(P)와 공급관(40)을 함께 설치하게 됨으로써 직경을 200mm로 구성한다.

히트펌프(30)를 통과한 지하수는 공급관(40)을 통해 지열공(1)과 급수 지열공(1-1)에 공급된다. 한편, 지열공(1)과 급수 지열공(1-1)에 공히 지하수 대수층이 발달되어있지 않아 급수 지열공(1-1)을 통한 지하수 보급이 어려워질 경우 지하수가 히트펌프(30)를 순환하여 지열겅(1)과 급수 지열공(1-1)으로 되돌아 공급되어질 때까지 급수 지열공(1-1)의 수위가 급격히 떨어질 수 있게 되고 이로 인해 지열공(1)으로의 지하수 공급량도 저하되어져 정상적인 지열시스템의 운전이 불가능해 질 수 있다. 이러한 상황전개를 방지할 수 있도록 보충용 지하수공(50)에서 지하수를 양수하여 집수 급수정(20)에 보충하지 않고 지열공(1)에 직접 보충하는 예를 도 23에 도시하였다.

이 때, 보충용 지하수는 지열공(1)에 복귀되는 지하수와 합류{예를 들어 지열공측 공급부(41)에 Y 형으로 합류}를 통해 보충될 수 있다. 이때 보충수용 지하수공(50)은 급수되는 지하수를 재배용수나 생활용수로 사용될 수 있도록 분기배관을 구성하고 전자구동이 가능한 전동밸브를 설치하여 선택적으로 생활용수와 지열 보충수로 겸용 구동 사용이 가능하게 하였다. 밸브는 3방밸브설치로도 기능을 가질수 있다. 물론, 도 24에서와 같이 지열공(10) 내부에 지하수 심정펌프(80)를 설치하여 재배용수나 생활용수로 사용할 수 있도록 구성할 수도 있다.

도 24는 지열공(1)과 급수 지열공(1-1)을 운용하면서 생활용수 공급을 위한 급수시설을 적용한 것으로, 소형 스마트팜, 또는 단독주택이나 빌라단지 등 소규모 지열 시스템에 유용하고, 지열공(1) 내의 지하수를 식물 재배용수나 생활용수로 공급하기 위한 급수 펌프(80), 급수 펌프(80)와 연결되는 급수관(81) 및 수전(82)을 포함한다.

급수지열공(1-1) 내부에 설치되는 펌프(P)나 지열공(1) 내부에 설치되는 급수 펌프(80)의 운전 중 발생되는 진동 등으로 인해 공급관(40)이나 환수 유통관(10)이 손상되는 현상을 방지하기 위해 지열공(1)에 별도의 내부케이싱(83)을 삽입 설치하여 펌프(P)나 급수 펌프(80)가 공급관(40)이나 환수 유통관(10)과 직접 접촉하지 않도록 시설한다.

내부케이싱(83)은 하단이 유공관으로 처리되어 지하수가 원활히 양수되도록 한다.

물론, 재배용수나 생활용수 급수를 위한 상기 급수시설은 급수 지열공(1-1)으로 한정되지 아니하고 집수 급수정(20)이 적용될 때에도 동일하게 적용 가능하다.

1 : 지열공, 1-1 : 급수 지열공
2 : 내부케이싱, 3 : 그라우팅 케이싱
4 : 상부보호공, 5 : 충전재
6 : 배수펌프,
10 : 환수 유통관, 11 : 밸브
20 : 집수 급수정, 21 : 순환펌프
22 : 배관, 23 : 여과탱크
24 : 수위센서, 25 : 배수펌프,
26 : 분배 헤더, 27 : 메인 헤더
30 : 히트펌프, 31 : 부하측 열교환기
32 : 열교환기, 33 : 스케일 방지장치
40 : 공급관, 41 : 지상측 공급부
42 : 지열공측 공급부, 43 : 환수부
50 : 보충수용 지하수공, 51 : 보충용 펌프
52 : 보충관, 60 : 정수장치
70 : 연결소켓, 80 : 원통체

Claims (15)

1. 지중에 형성되는 2개 이상의 지열공과;
   상기 지열공의 지하수를 환수하는 환수수단과;
   상기 환수수단에 의해 환수되는 지하수를 집수한 후 급수하는 급수수단과;
   상기 급수수단에서 급수되는 지하수의 열을 열원으로 하여 냉난방열을 생산하는 하나 이상의 히트펌프와;
   상기 히트펌프에 열을 공급한 지하수를 상기 지열공에 공급하는 지하수 공급수단을 포함하고,
   상기 환수수단은 상기 지열공 내부의 지하수를 상기 급수수단에 공급하는 환수 유통관으로 이루어지되, 상기 환수 유통관은 일측의 유입단이 상기 지열공의 내부와 대응하여 상기 지열공 내부의 지하수가 유입되는 한편 배출단이 상기 유입단보다 낮게 배치되어 수위차를 이용하여 지하수를 상기 급수수단에 공급하며,
   상기 지하수 공급수단은 상기 히트펌프의 토출측과 연결되는 지상측 공급부 및 상기 지상측 공급부에 연결되면서 상기 지열공에 걸쳐 배관되어 지하수를 상기 지열공에 공급하는 지열공측 공급부로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 급수수단은 상기 환수수단에 의해 환수되는 지하수를 집수하는 집수 급수정 또는 지중에 형성되며 지하수를 양수하여 상기 환수수단을 통해 환수되는 지하수와 함께 급수하는 급수 지열공인 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 물을 상기 집수 급수정 또는 급수 지열공에 보충하는 보충수 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 보충수 공급수단은, 지중에 형성되며 지하수를 양수하여 공급하는 보충수용 지하수공 또는 건물의 지하에 설치되는 디워터링 배수시스템의 배수펌프인 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
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6. 청구항 1에 있어서, 상기 지하수 공급수단은 상기 지열공측 공급부와 연결되며 지하수를 상부로 유도하면서 상기 지열공 안에 배출하는 환수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 집수 급수정 내부의 수위를 감지하는 수위센서, 상기 수위센서의 감지 값을 근거로 하여 상기 집수 급수정 내부의 지하수를 배출하는 배수수단과 지하수를 보충하는 보충수 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 환수 유통관은 상기 급수수단을 향해 가면서 통수면적이 커지는 형태로서 상기 지열공들을 따라 배관되는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 환수수단 및 상기 지하수 공급수단은 연결 소켓을 통해 배관되며, 상기 연결 소켓은 상하 양측이 개방되는 하우징, 상기 하우징의 둘레부에 돌출 형성되며 상기 환수수단이 연결되는 연결부, 상기 하우징의 내부에 설치되며 상기 지상측 공급부와 지열공측 공급부가 각각 관이음되는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 연결관은 상기 지열공측 공급부의 상부에 연장되는 연결포트 및 상기 연결포트에 분리 가능하게 결합되는 캡을 포함하며, 상기 캡을 분리한 후 상기 연결포트를 통해 고압 청소유체를 주입한 후 청소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 지열공 안에 설치되는 내부케이싱을 포함하고, 상기 공급수단은 상기 내부케이싱 내부에 배관되면서 공저에서 지하수를 공급하며 상기 환수수단은 공저의 위쪽에서 지하수를 환수하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 지열공의 상부에 설치되는 밀폐식의 상부보호공을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
13. 청구항 6에 있어서, 상기 지열공측 공급부와 환수부는 공저에 배치되는 환수헤더를 통해 연결되며, 상기 환수헤더는 상기 지열공측 공급부 및 환수부보다 큰 용적의 통 또는 U자형 구조인 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 지열공 내의 지하수를 양수하여 재배용수나 생활용수로 급수하는 급수시설을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템.
15. 청구항 1에 의한 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템의 시공 방법으로서,
    지중에 2개 이상의 지열공을 시공하는 제1단계와;
    상기 지열공의 주변으로서 지상 또는 지중에 급수수단을 시공하는 제2단계와;
    상기 지열공의 지하수를 상기 급수수단에 집수하기 위하여 상기 지열공과 상기 급수수단을 환수수단으로 연결하는 제3단계와;
    히트펌프를 설치하고 상기 급수수단에 집수된 지하수를 상기 히트펌프에 순환시키기 위하여 상기 히트펌프와 급수수단 사이를 배관하는 제4단계와;
    상기 히트펌프를 통과한 지하수를 상기 지열공에 공급하도록 공급수단을 설치하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트팜과 건축물 냉난방을 위한 단일 급수방식을 이용한 지열시스템의 시공 방법.
    
    

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