KR102160191B1 - Geothermal Cooling and Heating System using Multi stage heat pump - Google Patents

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KR102160191B1 KR1020200017171A KR20200017171A KR102160191B1 KR 102160191 B1 KR102160191 B1 KR 102160191B1 KR 1020200017171 A KR1020200017171 A KR 1020200017171A KR 20200017171 A KR20200017171 A KR 20200017171A KR 102160191 B1 KR102160191 B1 KR 102160191B1
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KR1020200017171A
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조희남
김영화
최성욱
장현호
이진
안조범
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주식회사 지앤지테크놀러지
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Abstract

The present invention relates to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method, which maintains the condition (flow rate, temperature) of the groundwater circulating along the heat pumps at an appropriate level, thereby increasing the cooling and heating efficiency without using a large-capacity facility, while improving the operation rate of the heat pump and preventing damage even if a large amount of the groundwater is supplied in a single geothermal hole. The geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention includes: a geothermal hole constructed under the ground surface; a geothermal heat supply device that supplies groundwater in the geothermal hole including a pumping pump (20), a supply pipe (21), and a return pipe (22); a plurality of heat pumps connected to the geothermal heat supply device and producing cooling and heating heat by using geothermal heat as a heat source to supply the cooling and heating heat to the cooling and heating loads, wherein the geothermal heat supply device includes a storage tank (23) that stores groundwater and then supplies the same to the heat pump, and the heat pump is configured to sequentially pass groundwater, and when the temperature of the groundwater discharged from the heat pump is outside the temperature at which the heat pump can be operated, the groundwater is re-injected into or discharged from the ground.

Description

다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템{Geothermal Cooling and Heating System using Multi stage heat pump}Geothermal Cooling and Heating System using Multi stage heat pump}

본 발명은 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제주도 여건(지리적 여건, 경제적 여건 등)에 적합한 시공과 효율적인 운용이 가능한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method, and more particularly, to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method capable of efficient operation and construction suitable for Jeju Island conditions (geographic conditions, economic conditions, etc.) .

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.This part provides background information related to the content of the present application, and is not necessarily prior art.

제주도와 같은 지반과 지형의 지역은 지하수 또는 지열공을 개발하게 되는 경우 거의 모든 지하수공 또는 지열공에서 지하수 부존량이 많고 적음의 차이가 있을 뿐 지하수가 존재하는 대수층을 발견하게 된다. In areas with ground and topography such as Jeju Island, when groundwater or geothermal wells are developed, there is a difference in the amount of groundwater remaining in almost all groundwater or geothermal wells, but an aquifer with groundwater is found.

또한, 제주도 지하수의 경우 지하수 대수층에서의 지하수 흐름에 의한 유속은 육지부보다 거의 10,000배 이상 빠르게 형성되어 있어 지열공으로 이용 시에 열복원력이 월등히 뛰어나 단일 지열공을 통해 획득할 수 있는 열용량은 육지부 보다 3~13배 이상 확보할 수 있는 것으로 판단되고 있다.In addition, in the case of groundwater in Jeju Island, the flow rate of groundwater flow in the groundwater aquifer is formed almost 10,000 times faster than that of the land part, so when used as a geothermal hole, heat resilience is excellent, and the heat capacity that can be obtained through a single geothermal hole is It is believed that it can secure 3 to 13 times more than wealth.

또한, 단일 지하수공 또는 지열공을 통해 양수할 수 있는 지하수의 수량 역시 육지부가 100톤/일을 구하기가 힘든 반면 제주도의 경우에는 500톤/일~1,000톤/일의 수량을 확보할 수 있는 상황이기도 하다.In addition, the amount of groundwater that can be pumped through a single groundwater drilling or geothermal drilling is difficult for the land part to obtain 100 tons/day, whereas in Jeju Island, it is possible to secure a quantity of 500 tons/day to 1,000 tons/day. It is also.

또한, 제주도는 여러 번의 화산활동에 의해 형성된 화산섬으로서 화산활동이 있을 때 마다 형성된 여러 층의 지하수 대수층이 발달되어 있고 이러한 깊이 별로 다르게 형성된 지하수 대수층은 각각 다른 지하수 양수량과 수온 및 수질형태를 가지고 있다. 일부 깊이가 깊지 않은 지하수 대수층은 장마철 우기에만 지하수가 흐르고 동절기 등 건기에는 말라 있으면서 공기만 유통되는 형태를 취하고 있기도 하여 이러한 지중 공기를 이용하여 농업용 재배 하우스에 난방을 활용하기도 하다.In addition, Jeju Island is a volcanic island formed by several volcanic activities, and there are several layers of groundwater aquifers formed each time there is volcanic activity, and the groundwater aquifers formed differently by these depths have different amounts of groundwater pumping, water temperature, and water quality. Some of the groundwater aquifers, which are not deep, flow only during the rainy season during the rainy season and dry during dry seasons such as winter, while only air is circulated.Therefore, such underground air is used to heat the agricultural cultivation house.

또한, 제주도의 지하수 수온은 대체적으로 연중 15℃ 내외로 측정되고 있어 지하수가 가지고 보유하고 있는 열량은 막대할 것으로 예상되고 있다.In addition, since the groundwater temperature in Jeju Island is generally measured around 15℃ throughout the year, the amount of heat that the groundwater holds is expected to be enormous.

한편, 제주도의 경우 화산섬으로서 현무암 지질특성 상 지하수의 투수 투과율이 높아서 지하에 형성되는 지하수 수위는 해수면 수위와 근접해서 형성되어 있는 특징을 가지고 있다. 즉, 제주도에서 중점적으로 개발행위가 이루어지고 있는 중산간 지역들은 해발 200m 내외에 위치하게 되는데 이러한 지역에서 지하수를 개발하게 되는 경우 이들 위치에서의 지하수 수위는 해수면 높이와 근접한 200m 깊이에서 자연 수위가 형성되어 있게 된다. 이러한 문제로 인해 육지부와 동일한 개방형 지중열교환기를 구성하게 될 경우에는 육지부가 100m 이내에 수중 양수펌프를 설치하여 운용하고 있는 반면 제주도는 200m 아래 쪽에 설치할 수밖에 없고 육지부는 운전 중 형성되는 지하수위가 지표면으로부터 약 30m 이내에서 운용되는데 비해 제주도는 투수율이 높고 지하수 대수층이 일정한 간격으로 발달되어있어 실질적인 운전수위는 자연수위에 가까운 200m 내외로 운용되어지게 된다. 이렇게 되면 지하수를 순환시키기 위해 구동시키는 양수펌프의 운전동력은 높은 양수 양정으로 인해 크게 증가할 수밖에 없게 되고 지열시스템의 운전 운용과정에서도 경제성 확보가 불가능한 형편이 될 수밖에 없었다. On the other hand, Jeju Island is a volcanic island and has a high permeability of groundwater due to the geological characteristics of basalt, so the groundwater level formed underground is formed close to the sea level. In other words, the middle-mountainous areas where development activities are mainly conducted in Jeju Island are located around 200m above sea level.If groundwater is developed in these areas, the groundwater level at these locations is formed at a depth of 200m close to the sea level. There will be. Due to this problem, when the same open underground heat exchanger as the land part is constructed, the land part installs and operates an underwater pumping pump within 100m, whereas the land part has no choice but to install it 200m below the ground level, and the land part has no choice but to install the groundwater level formed during operation from the surface. Compared to the operation within about 30m, Jeju Island has a high permeability and the groundwater aquifer is developed at regular intervals, so the actual operating water level is around 200m close to the natural water level. In this case, the driving power of the pumping pump that is driven to circulate the groundwater is inevitably increased due to the high pumping head, and it is inevitable that it is impossible to secure economical efficiency even in the operation of the geothermal system.

또한, 제주도의 경우 지열공 굴착시 전체 계획 깊이까지 코아드릴 공법을 통해 시추코아를 회수할 수 있도록 조례에 규정하고 있으며 또한, 자연 수위가 발견된 후 추가 굴착 깊이를 30m까지로 한정을 두고 있기도 하다. 이러한 제주도의 행정적 규제는 지열공을 구성하는 과정에서 천문학적인 굴착비용의 소요를 발생시켜 지열공 구성단계에서부터 경제성 검토 시 부적합 요인의 문제점을 안고 있었다. 더욱이 육지부와는 다르게 지열시스템에 사용되는 개방형 지열시스템에서의 지하수 사용량에 대하여는 전체 수량에 대한 지하수세를 육지부는 100% 면제를 시행하고 있는 반면 제주도는 50%만을 감면하는 행정적 제약이 존재하고 있다.In addition, in the case of Jeju Island, the ordinance stipulates that drilling cores can be recovered through the core drilling method up to the total planned depth when drilling a geothermal hole, and additional drilling depths are limited to 30 m after the natural water level is discovered. . These administrative regulations in Jeju Island generated an astronomical excavation cost in the process of constructing a geothermal well, so there was a problem of inadequate factors when examining economic feasibility from the construction stage of a geothermal well. Moreover, unlike the land part, for the use of groundwater in the open geothermal system used in the geothermal system, the land part is exempting 100% of the groundwater tax for the total water quantity, while Jeju Island has administrative restrictions that only reduce 50%. .

따라서, 제주도에서의 지열시스템을 운용하게 위해서는 위에 기술한 문제점과 현황을 고려하여 가장 적은 지열공 수량을 통해서 최대한 큰 열용량을 확보할 수 있는 기술적인 해결방안 마련이 필요하다 하겠다.Therefore, in order to operate a geothermal system in Jeju Island, it is necessary to prepare a technical solution that can secure the largest heat capacity through the smallest number of geothermal holes in consideration of the above-described problems and current conditions.

즉, 히트펌프의 용량이 작을 경우 이렇게 단시간 동안 다량의 지하수를 양수하여 동시에 히트펌프와 병행운전이 불가능할 수밖에 없는 문제점이 있거나 동시 운전 시에는 많은 동력비와 지하수세로 인해 비경제적인 운영이 될 밖에 없는 문제점이 있다.In other words, when the capacity of the heat pump is small, there is a problem that it is impossible to operate in parallel with the heat pump at the same time by pumping a large amount of groundwater for a short period of time, or in case of simultaneous operation, there is a problem that it becomes uneconomical operation due to high power costs and groundwater tax. have.

또한, 히트펌프의 용량이 지하수 양수량과 적합하게 일치할 수 있는 대용량이 시설되어 있다 할지라도 이처럼 대용량의 히트펌프를 가동하기 위해서는 다량의 지하수를 양수하여 순환시킨 후 지열공 내부로 재주입시켜야 함으로써 이에 따른 높은 지하수세의 부담으로 인해 경제성을 충족시키기에는 부족함이 따를 수밖에 없는 문제점이 있다.In addition, even if the capacity of the heat pump is equipped with a large capacity that can suitably match the amount of groundwater pumped, in order to operate such a large-capacity heat pump, a large amount of groundwater must be pumped and circulated, and then re-injected into the geothermal hole. There is a problem that it is insufficient to meet the economic feasibility due to the high burden of underground water tax.

한편, 제주도는 지열공을 굴착 한 후 자연수위로부터 30m 깊이로 추가 굴착된 지하수 수면 아래로 밀폐식 열교환기를 침지시켜 유속이 빠른 지하수 수중에서 열교환이 되도록 한 지열시스템을 구축하여 운영하는 사례가 있다. 이 경우에는 대체적으로 지표면으로부터 자연 수위가 80m 내외로 형성되어 밀폐식 열교환기 내부 운전 압력이 10kg/cm2 내외로 가동될 수 있을 경우에 가능한 것으로서 지표면으로부터 자연 수위가 그 이상 깊어질 경우 밀폐식 열교환기 내부와 연결배관 내부에 형성되는 수압이 과도하게 높아져 운전 안정성이 낮아지게 됨은 물론 기재재의 높은 수압유지로 인해 이를 충족시키기 위한 내압성 확보를 위해 높은 제작비용의 부담이 이루어져 시설의 경제성을 확보하기 어려운 문제점을 가지고 있다.On the other hand, Jeju Island has a case of constructing and operating a geothermal system that allows heat exchange in groundwater with a high flow rate by immersing a sealed heat exchanger under the surface of groundwater additionally excavated 30m from the natural water level after excavating a geothermal hole. In this case, it is possible when the natural water level is approximately 80m from the surface and the operating pressure inside the closed type heat exchanger can be operated within 10kg/cm2.If the natural water level is deeper than that from the surface, the closed type heat exchanger It is difficult to secure the economic feasibility of the facility due to the high manufacturing cost to secure the pressure resistance to meet the pressure resistance due to the high water pressure maintenance of the base material as well as the lowering of operational stability due to excessively high water pressure formed inside and in the connecting pipe. Have.

따라서, 중산간 지역에서 개발되는 지열 시스템이라 할지라도 높은 수압을 극복하고 대용량 지열시스템의 구성이 가능한 기술해결이 필요하다 하겠다.Therefore, even for a geothermal system developed in a middle-mountainous region, a technical solution that can overcome high water pressure and construct a large-capacity geothermal system is required.

즉, 제주도 지질 특성 상 개발밀도가 높은 중산간 지역의 경우 해수면 높이와 근접한 깊이에 자연수위가 형성되어 있어 자연스럽게 형성되는 높은 수압으로 인해 밀폐식 지중열교환기 설치 운용이 불가능하였고, 개방형의 경우 역시 깊은 자연수위로 인해 형성된 높은 양정으로 인해 지하수를 순환시키기 위해 양수하는데 소요되는 동력이 커서 이에 따른 동력상승으로 인해 운전효율이 크게 떨어질 수밖에 없었으며 이로 인한 운전 동력비 상승이 큰 문제점이 있다. In other words, due to the geological characteristics of Jeju Island, in the case of the middle-mountainous region with high development density, the natural water level was formed at a depth close to the sea level, so it was not possible to install and operate a closed underground heat exchanger due to the high water pressure that was naturally formed. Due to the high head formed by the upward, the power required to pump water to circulate groundwater is large, and the driving efficiency is inevitably lowered due to the increase in power accordingly, and there is a problem that the driving power cost increases due to this.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 우선 제주도 지질, 지하수 대수층 특성을 십분 활용할 수 있도록 한 것이다. 즉, 지열공 한 개소 당 양수되는 지하수 수량을 극대화 할 경우 수중 양수펌프 모터의 운전 동력비는 크게 상승하게 되나 양수된 지하수가 육지부와 비교했을 때 보다 최대 10배 이상 풍부할 뿐 아니라 재 주입 지열공을 지하수 대수층을 달리하거나 원거리에 이격하여 구성하도록 함으로써 히트펌프에 공급되는 지하수와 열교환 후 환수되는 지하수간에 열교환 또는 열간섭이 없도록 한 것이다. 이러한 구성은 첫째 양수된 지하수의 수온이 15℃ 내외임으로 지열히트펌프의 설계상 지하수 입구와 출구온도차를 5℃로 하는 것을 전제로 산정할 경우 냉방시에는 최대 3단 이상 히트펌프 설치 운용이 가능하며 난방시에는 2단이상 히트펌프의 운용이 가능하게 된다. 물론 양수되는 지하수의 수량이 육지부와 비교할 때 풍부하게 많음으로 단 한 개의 지열공을 운용하면서도 육지부가 단일 지열공을 통해 약 75,600Kcal/h 내외를 획득할 수 있는 반면 제주도의 경우 1일 1,000m3의 지하수를 양수하여 활용하게 된다면 냉방의 경우 설정시,1,000 ㅧ1,000 / 24 ㅧ(40-15) = 1,041,666Kcal/h가 산출되어지게 된다.In order to solve this problem, the present invention is to take full advantage of the characteristics of Jeju Island's geology and groundwater aquifer. In other words, if the amount of groundwater pumped per geothermal well is maximized, the operating power cost of the submersible pumping motor increases significantly, but the pumped groundwater is not only 10 times more abundant than that of the land part, but also re-injected geothermal holes. The groundwater aquifer is configured differently or separated from a distance so that there is no heat exchange or thermal interference between the groundwater supplied to the heat pump and the groundwater returned after heat exchange. This configuration is based on the assumption that the groundwater inlet and outlet temperature difference is 5℃ due to the design of the geothermal heat pump, as the water temperature of the first pumped groundwater is around 15℃. During heating, it is possible to operate two or more heat pumps. Of course, the amount of groundwater pumped out is abundant compared to the land part, so the land part can acquire about 75,600Kcal/h through a single geothermal hole while operating only one geothermal hole, whereas in the case of Jeju Island, 1,000 m3 per day. If the groundwater of is pumped and utilized, 1,000 ㅧ1,000 / 24 ㅧ(40-15) = 1,041,666Kcal/h is calculated when cooling is set.

결과적으로 동일한 지열공 1개소를 통해 제주도의 경우 최대 13배 이상의 열용량 확보가 기술적으로 가능하다는 결론을 얻게 됨으로써 지열공 시설비 측면에서 경제성을 확보할 수 있게 되며 운전 동력비 또한 다량의 지하수 양수 후 열교환이 이루어지게 됨으로써 단위 열용량 당 운전동력비용은 육지부와 큰 차이없이 운용이 가능하게 되어 경제성을 확보할 수 있게 되는 것이다.As a result, it was concluded that it is technically possible to secure a heat capacity of up to 13 times higher in the case of Jeju Island through one geothermal hole, so that economical efficiency can be secured in terms of facility cost, and the operating power cost is also heat exchanged after pumping a large amount of groundwater. As a result, the operating power cost per unit heat capacity can be operated without much difference from that of the land part, thereby securing economic feasibility.

등록특허 제10-1220531호Registered Patent No. 10-1220531 등록특허 제10-1992308호Registered Patent No. 10-1992308

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단일의 지열공 안에서 많은 양의 지하수가 공급되더라도 히트펌프들을 따라 순환하는 지하수의 상태(유량, 온도)를 적정 수준으로 유지하도록 함으로써 대용량의 시설을 사용하지 않고 냉난방효율을 높이면서도 히트펌프의 가동율 향상 및 손상을 방지하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the above-described problems, and even if a large amount of groundwater is supplied in a single geothermal hole, the state of the groundwater circulating along the heat pumps (flow rate, temperature) is maintained at an appropriate level. The purpose of this is to provide a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method that improves the operation rate of the heat pump and prevents damage while increasing the cooling and heating efficiency without using the system.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 히트펌프를 다단으로 연결하여 연쇄적으로 열교환된 열을 이용함으로써 많은 양의 지하수를 이용하고 다단의 히트펌프를 통과하는 지하수의 온도를 근거로 하여 후속 히트펌프의 가동과 정지를 제어함과 아울러, 지하수의 보충을 통해 적정 유량의 지하수가 순환하도록 함으로써 히트펌프의 효율성을 높이는 것을 해결원리로 한다. 즉, 히트펌프를 통과하는 순환 지하수의 수량이 항시 적정한 유량으로 유지될 수 있도록 하기 위해 재주입공으로 주입되는 지하수의 수량만큼을 보충해 주도록 함으로써 차기 단의 히트펌프가 유량부족 장애없이 운전하는 것을 해결원리로 한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a large amount of groundwater by connecting heat pumps in multiple stages to use heat exchanged in series, and a subsequent heat pump based on the temperature of groundwater passing through the multistage heat pumps. The solution principle is to increase the efficiency of the heat pump by controlling the operation and stopping of the system and circulating groundwater with an appropriate flow rate through supplementation of groundwater. In other words, in order to ensure that the quantity of circulating groundwater passing through the heat pump is always maintained at an appropriate flow rate, it is solved that the next stage heat pump operates without flow shortage obstacles by replenishing the quantity of groundwater injected through the reinjection hole. It is done in principle.

본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템은, 지표면 아래에 시공되는 지열공과; 상기 지열공 안에 있는 지하수를 공급하는 지열공급장치와; 상기 지열공급장치의 지열을 열원으로 냉난방 열을 생산하여 냉난방 부하에 공급하는 히트펌프를 포함하고, 상기 히트펌프는 2대 이상이 연쇄적으로 연결되어 지하수가 순차적으로 통과하도록 구성되며, 상기 2대 이상의 히트펌프는 선행하는 히트펌프에서 배출되는 지하수의 온도가 히트펌프의 운전이 가능한 온도를 벗어난 온도인 경우 지하수를 지중에 재주입하거나 배출하는 것을 특징으로 한다.A geothermal heating and cooling system using a multi-stage heat pump method according to the present invention comprises: a geothermal ball installed under the ground surface; A geothermal heat supply device for supplying groundwater in the geothermal hole; And a heat pump that produces cooling and heating heat from the geothermal heat supply device as a heat source and supplies it to a cooling/heating load, wherein two or more heat pumps are connected in series so that groundwater passes sequentially, and the two The above heat pump is characterized in that the groundwater is reinjected or discharged into the ground when the temperature of groundwater discharged from the preceding heat pump is outside the temperature at which the heat pump can be operated.

또한, 상기 지열공급장치는 지하수를 저장한 후 상기 히트펌프에 공급하는 저수탱크를 포함하고, 상기 히트펌프는 2대 이상이 연쇄적으로 연결되어 지하수가 순차적으로 통과하도록 구성되며, 상기 2대 이상의 히트펌프는 선행하는 히트펌프에서 배출되는 지하수의 온도가 히트펌프의 운전이 가능한 온도를 벗어난 온도인 경우 지하수를 지중에 재주입하는 것을 특징으로 한다.In addition, the geothermal heat supply device includes a storage tank that stores groundwater and then supplies it to the heat pump, wherein two or more heat pumps are connected in series so that the groundwater passes sequentially, and the two or more The heat pump is characterized in that groundwater is re-injected into the ground when the temperature of groundwater discharged from a preceding heat pump is outside the temperature at which the heat pump can be operated.

본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 의하면, 다단의 열교환(히트펌프 등)을 통해 지하수의 효용성을 향상하고 대용량의 열교환시설을 사용하지 않아 그에 따른 운영효율도 향상하며 또한 지하수 사용량을 최소화할 수 있어 지하수세의 부과에 따른 운영비용 증가를 억제하는 효과도 있다.According to the geothermal cooling and heating system using the multi-stage heat pump method according to the present invention, the utility of groundwater is improved through multi-stage heat exchange (heat pump, etc.), and the operation efficiency is improved accordingly because a large-capacity heat exchange facility is not used. It also has the effect of suppressing the increase in operating costs due to the imposition of the groundwater tax, as it can be minimized.

또한, 제주도 내에서 개발되는 지열공의 경우 다량의 양수량 확보가 가능한 특성을 고려하고 히트펌프의 적정 운전 온도차를 감안하여 저수탱크를 설치하여 재순환시키거나 히트펌프를 다단으로 구성하여 지하수를 순환시킨 후 대수층 깊이를 달리하여 재주입하도록 함으로써 지열공 굴착과 운용 공수를 제주도 내에서 육지부와 비교하여 극히 최소화 할 수 있어 지열시스템의 경제적인 설치가 가능하도록 한 효과가 있다.In addition, in the case of a geothermal well developed in Jeju Island, a storage tank is installed and recirculated in consideration of the characteristics of securing a large amount of pumping water and taking into account the appropriate operating temperature difference of the heat pump, or the groundwater is circulated by configuring the heat pump in multiple stages. By allowing the aquifer to be re-injected at a different depth, the excavation and operation man-hours of geothermal holes can be minimized in comparison with the land part in Jeju Island, thereby enabling economic installation of the geothermal system.

또한, 다수의 지열공 굴착과정에서 오는 지중 환경 훼손을 예방할 수 있으며, 또한, 다단의 히트펌프 간에 연쇄적으로 공급되는 온도 또는 온도와 유량을 근거로 하여 후속 히트펌프의 가동과 정지를 제어하여 히트펌프의 운전율을 향상하고 손상도 방지하며 결국 냉난방 효율성을 향상하는 효과가 있다. 더욱이 육지부와 비교할 때 지열공 굴착비용은 단위 열용량당 지열공 수량을 극감시킬 수 있어 경제성을 충족시킬 수 있으며 수중에 설치되는 양수펌프가 고심도 구간에 설치된다 할지라도 지열공을 통해 획득되는 열용량이 육지부보다 최대 10배 이상 커지게 됨으로써 운전동력비와 유지관리비의 경제성 또한 확보할 수 있게 되어 제주도 내에서 지열 시스템 확산에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to prevent damage to the underground environment that comes from the excavation process of a number of geothermal holes. In addition, it is possible to control the operation and stop of subsequent heat pumps based on the temperature or temperature and flow rate sequentially supplied between multistage heat pumps. It has the effect of improving the operating rate of the pump, preventing damage, and eventually improving the cooling and heating efficiency. Moreover, compared to the onshore part, the cost of drilling a geothermal hole can drastically reduce the number of geothermal holes per unit heat capacity, thus satisfying economic feasibility, and even if a pumping pump installed underwater is installed in a high-depth section, the heat capacity obtained through the geothermal hole By becoming more than 10 times larger than the land area, it is possible to secure economical efficiency in driving power costs and maintenance costs, which has an effect that can greatly contribute to the spread of geothermal systems in Jeju Island.

도 1은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용된 겸용 지열공을 보인 도면.
도 3은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용된 저수탱크가 지하수를 환수하는 예를 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 저수탱크를 운용하지 않는 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용된 히트펌프를 공기열시스템과 지열시스템이 공유조합으로 사용하는 예를 보인 도면.
도 6은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용된 히트펌프를 직렬과 병렬 조합으로 사용하면서 별도의 열교환기를 함께 이용하는 예를 보인 도면.
도 7은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 의한 병렬과 직렬로 계통을 구성한 예를 보인 도면.
도 8은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 전후단 히트펌프를 이용하는 예를 보인 도면.
도 9는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용한 판형 열교환기 후단에 축열용 버퍼저수탱크를 구성한 예를 보인 도면
도 10은 도 9의 "A" 부분의 변형 구성형태로서 판형 열교환기를 저수탱크 후단에 구성한 예를 보인 도면.
도 11은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템에 적용된 저수탱크를 다단으로 하여 운용하는 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템을 통해 지하수가 2단의 저수부와 열교환수단을 직렬로 하여 순환하는 예를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 주저수탱크와 환수저수탱크를 함께 운용하는 예를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 히트펌프와 축열조를 별도의 열매체에 의해 열교환되는 예를 보인 도면.
도 15는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 주저수탱크와 환수저수탱크를 함께 운용하면서 음용 또는 생활용수로 급수하고 급탕수로 급수하는 예를 보인 도면.
1 is a system diagram of a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention.
2 is a view showing a combined geothermal hole applied to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention.
3 is a view showing an example in which a storage tank applied to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention returns groundwater.
4 is a view showing an example in which the geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention does not operate a storage tank.
5 is a view showing an example in which a heat pump applied to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention is used in a shared combination between an air heat system and a geothermal system.
6 is a view showing an example of using a heat pump applied to a geothermal cooling and heating system using a multi-stage heat pump method according to the present invention in series and parallel combinations and using a separate heat exchanger together.
7 is a view showing an example of configuring a system in parallel and in series by a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention.
8 is a view showing an example in which a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention uses a front and rear heat pump.
9 is a view showing an example of configuring a buffer storage tank for heat storage at a rear end of a plate heat exchanger applied to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention
FIG. 10 is a view showing an example in which a plate-type heat exchanger is configured at a rear end of a storage tank as a modified configuration form of part "A" of FIG. 9;
11 is a view showing an example of operating a storage tank applied to a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention in multiple stages.
12 is a view showing an example in which groundwater is circulated in series with a storage unit of two stages and a heat exchange means through a geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method according to the present invention.
13 is a view showing an example in which a geothermal cooling and heating system using a multi-stage heat pump method according to the present invention operates a main storage tank and a return storage tank together.
14 is a view showing an example in which the geothermal cooling and heating system using the multi-stage heat pump method according to the present invention heat-exchanges the heat pump and the heat storage tank by a separate heat medium.
15 is a view showing an example in which a geothermal cooling and heating system using a multi-stage heat pump method according to the present invention operates a main storage tank and a return storage tank together, while supplying water with drinking or living water and water supply with hot water.

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.In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템은, 지열공, 지열공급장치(양수장치, 저수탱크), 2대 이상(3대를 예로 들어 도시하고 설명함)의 히트펌프, 축열조, 부하측 냉난방기로 구성되며, 상기 지열공급장치의 저수탱크, 축열조는 필요에 따라 선택되어 사용된다. The geothermal cooling and heating system using the multi-stage heat pump method according to the present invention includes a geothermal hole, a geothermal heat supply device (a pumping device, a storage tank), a heat pump of two or more (three are shown and described as an example), a heat storage tank, and a load side. It is composed of a cooling and heating unit, and the storage tank and heat storage tank of the geothermal heat supply device are selected and used as necessary.

1. 지열공1. Geothermal work

도 1에서 보이는 것처럼, 공급측 지열공(1) 및 환수측 지열공(2)으로 구분되는 방식, 도 2에서 보이는 바와 같이, 단일의 겸용측 지열공(3)을 공급부와 회수부로 분할하는 방식이 있다.As shown in Fig. 1, the method is divided into a supply side geothermal hole (1) and a return side geothermal hole (2), and as shown in Fig. 2, a method of dividing a single combined use side geothermal hole (3) into a supply unit and a recovery unit have.

공급측 지열공(1)과 환수측 지열공(2)은 서로 다른 위치에 각각 굴착 시공되어 공급되는 지하수와 회수되는 지하수 간의 열적 간섭을 막아 이들의 열교환에 의한 효율 저하를 방지하는 것이다. 즉, 공급측 지열공(1)과 환수측 지열공(2)이 같은 대수층에 있더라도 상호 간의 이격 거리를 통해 환수측 지열공(2)에 회수된 지하수가 공급측 지열공(1)에 직접 유입되지 않도록 함으로써 그 과정에서 여유롭고 정상적인 열효율을 기대할 수 있다.The supply-side geothermal hole 1 and the return-side geothermal hole 2 are excavated at different locations to prevent thermal interference between the supplied groundwater and the recovered groundwater, thereby preventing efficiency degradation due to their heat exchange. In other words, even if the supply-side geothermal hole (1) and the return-side geothermal hole (2) are in the same aquifer, the groundwater recovered to the return-side geothermal hole (2) through the distance between each other does not flow directly into the supply-side geothermal hole (1). By doing so, you can expect a relaxed and normal thermal efficiency in the process.

겸용측 지열공(3)은 서로 다른 높이의 대수층(대수층 A, 대수층 B)이 있는 지반에 형성되고, 양수장치의 양수펌프(20)에 의한 양수 위치와 환수관(22)의 환수 위치가 겸용측 지열공(3)에 서로 다른 대수층 A,B에 위치하면서 차폐장치(4)에 의해 서로 차단된다. 차폐장치(4)는 대수층 A,B 사이를 차단하는 위치이기 때문에 양수펌프(20)에 의해 양수되는 지하수는 대수층 A에서 유입되고 환수관(22)에 의해 환수되는 지하수는 대수층 B로 흘러나가게 되는 것이므로 공급측 지하수와 환수측 지하수 간의 열간섭이 없다.The combined use-side geothermal hole (3) is formed on the ground with different heights of the aquifer (aquifer A, aquifer B), and the pumping position by the pumping pump 20 of the pumping device and the returning position of the return pipe 22 are used. They are located in different aquifers A and B in the side geothermal hole 3 and are blocked from each other by the shielding device 4. Since the shielding device 4 is a location that blocks between the aquifers A and B, the groundwater pumped by the pumping pump 20 flows in from the aquifer A, and the groundwater returned by the return pipe 22 flows out to the aquifer B. Therefore, there is no hot interference between the supply side groundwater and the return side groundwater.

이들의 지열공(1,2,3)은 전술한 특징을 포함하는 모든 것을 의미하는 것이므로 이외의 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.Since these geothermal holes 1, 2, and 3 mean everything including the above-described features, detailed descriptions of other configurations are omitted.

공급측 지열공(1)은 종방향의 단일 구멍도 가능하고, 또는 종방향의 수직 집수공 및 상기 수직 집수공의 둘레부에 방사상으로 시공되어 지하수를 상기 수직 집수공으로 유도하는 다수의 수평 또는 수직 공급공으로 이루어지는 방사상 집수정의 형태도 가능하다.The supply side geothermal hole (1) may be a single hole in the longitudinal direction, or a vertical water collecting hole in the longitudinal direction and a plurality of horizontal or vertical water collecting holes that are radially constructed at the periphery of the vertical water collecting hole to guide groundwater to the vertical water collecting hole. The form of a radial catchment well made of a supply hole is also possible.

또한, 지하수를 재주입하기 위한 환수측 지열공(2)의 개발과 배치가 어려울 경우에는 순환된 환수측 지하수를 외부로 배출하여 소모시킬 수도 있음은 당연하다.In addition, when it is difficult to develop and dispose of the geothermal hole 2 on the return side for reinjecting groundwater, it is natural that the circulated groundwater on the return side may be discharged and consumed.

2. 지열공급장치(양수장치, 저수탱크)2. Geothermal heat supply device (pumping device, storage tank)

가. 양수장치.end. Pumping device.

지하수를 통해 지중의 열을 공급하기 위한 양수장치는 지하수를 양수하는 양수펌프(20), 양수펌프(20)에 의해 양수되는 지하수를 공급하는 공급관(21), 3차측 히트펌프(30-3)를 통과한 지하수를 환수측 지열공(2)이나 겸용측 지열공(3)의 환수부에 환수하는 환수관(22)으로 구성된다.A pumping device for supplying heat from the ground through groundwater includes a pumping pump 20 for pumping groundwater, a supply pipe 21 for supplying groundwater pumped by the pumping pump 20, and a tertiary heat pump 30-3. It is composed of a water return pipe 22 that returns the groundwater that has passed through the water exchange-side geothermal hole (2) or the water exchange part of the combined use-side geothermal hole (3).

양수펌프(20)는 공급측 지열공(1) 또는 겸용 지열공(3)의 공급부에 설치되어 지하수를 양수한다.The pumping pump 20 is installed in the supply side of the supply-side geothermal hole 1 or the combined geothermal hole 3 to pump groundwater.

공급관(21)은 양수펌프(20)에 의해 양수되는 지하수를 저수탱크(23)에 공급한다.The supply pipe 21 supplies groundwater pumped by the pumping pump 20 to the storage tank 23.

환수관(22)은 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)에 연결되어 지하수를 환수측 지열공(2) 또는 겸용 지열공(3)의 환수부에 환수한다.The water return pipe 22 is connected to the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, 30-3 to return groundwater to the water return part of the water return-side geothermal hole (2) or the combined geothermal hole (3). do.

나. 저수탱크.I. Storage tank.

제주도의 특성상 지열공에서 지하수 양수펌프의 양수능력은 500톤/일이며, 특히 대규모 지하수 대수층을 만나게 되는 경우 많게는 3,000톤/일 이상까지도 양수가 가능하게 된다. 이와 같이 많은 유량의 지하수 전량을 히트펌프의 가동을 위한 열원으로 사용하기 위하여 저수탱크(23)에 지하수를 저장하여 필요 시 사용함으로써 불필요한 양수와 지하수의 폐기(재주입)를 줄인다.Due to the characteristics of Jeju Island, the pumping capacity of the groundwater pumping pump in the geothermal field is 500 tons/day, especially when it encounters a large-scale groundwater aquifer, pumping up to 3,000 tons/day or more is possible. In order to use the entire amount of groundwater with a large flow rate as a heat source for the operation of the heat pump, groundwater is stored in the storage tank 23 and used when necessary, thereby reducing unnecessary pumping and disposal (re-injection) of groundwater.

저수탱크(23)는 양수장치의 공급관(21)과 연결되어 양수된 지하수를 1차 저수하고 저수 중인 지하수를 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)에 공급하도록 구성되며, 예를 들어, 부스타 펌프 형태의 순환펌프를 설치하여 히트펌프에 공급되는 지하수의 수량을 순환펌프 대수제어나 인버터 등을 이용한 순환펌프의 회전수 제어를 통해 부하용량에 맞춰 지하수 순환량이 제어될 수 있도록 한다.The storage tank 23 is connected to the supply pipe 21 of the pumping device to first store the pumped groundwater and supply the groundwater under storage to the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, 30-3. For example, by installing a booster pump type circulating pump, the amount of groundwater supplied to the heat pump can be adjusted according to the load capacity by controlling the number of circulation pumps or controlling the rotational speed of the circulation pump using an inverter. To be controlled.

하나의 순환펌프를 통해 지하수를 펌핑한 후 공급헤더를 통해 다수의 히트펌프에 공급하여 순환되도록 하거나, 히트펌프 별 각각 독립된 순환펌프를 구성하여 운영할 수도 있다. 즉, 1차측 히트펌프(30-1)에는 1차측 순환펌프를 배치하여 운영하는 것이며, 또한, 공급헤더를 통해 고장난 순환펌프를 대체할 수 있도록 스페어 순환펌프를 구성하는 것도 가능하다. After pumping groundwater through one circulation pump, it is supplied to a plurality of heat pumps through a supply header to circulate, or an independent circulation pump for each heat pump may be configured and operated. That is, the primary-side circulation pump is arranged and operated in the primary-side heat pump 30-1, and it is also possible to configure a spare circulation pump to replace the failed circulation pump through the supply header.

저수탱크(23)는 2개 이상의 히트펌프(30-1,30-2,30-3)에 지하수를 적절하게 공급하기 위한 것으로, 1차측 히트펌프(30-1)에 공급하는 것을 기본으로 하고, 2차측과 3차측 히트펌프(30-2,30-3)에서 순환 지하수 중 일부가 바로 재주입을 위한 환수측 지열공(2)으로 유출될 경우 2차측과 3차측 히트펌프(30-2,30-3)에 적정 지하수의 유량을 확보시키기 위해 지하수의 보충이 필요한 경우 2차측 또는 3차측 히트펌프(30-2,30-3)에 별도로 지하수를 공급하여 보충하도록 구성되며, 이를 위하여 저수탱크(23)와 1차측 히트펌프(30-1)를 1차측 공급관(31-1)으로 연결하는 한편, 저수탱크(23)를 2차측 히트펌프(30-2) 및 3차측 히트펌프(30-3)와 각각 연결하는 2차측 보충관(31-2) 및 3차측 보충관(31-3)이 갖추어진다.The storage tank 23 is for properly supplying groundwater to two or more heat pumps 30-1, 30-2, 30-3, and is based on supplying it to the primary heat pump 30-1. , If some of the circulating groundwater from the secondary and tertiary heat pumps (30-2, 30-3) flows out to the water return-side geothermal hole (2) for reinjection, the secondary and tertiary heat pumps (30-2, 30-2, When replenishment of groundwater is necessary to secure an appropriate groundwater flow rate in 30-3), it is configured to supply groundwater separately to the secondary or tertiary heat pumps (30-2, 30-3) to replenish it. (23) and the primary side heat pump (30-1) are connected to the primary side supply pipe (31-1), while the storage tank (23) is connected to the secondary side heat pump (30-2) and the third side heat pump (30-). The secondary side supplementary pipe 31-2 and the third supplementary pipe 31-3 connected to 3) are provided.

도 1은 저수탱크(23)가 지하수를 공급만 하고 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 통과한 지하수가 지중에 재주입되는 것으로 도시하였으나, 도 3에서 보이는 것처럼, 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 통과한 지하수가 저수탱크(23)에 다시 저수되도록 구성되는 것도 가능하다.FIG. 1 shows that the reservoir tank 23 only supplies groundwater and the groundwater that has passed through the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, and 30-3 is re-injected into the ground. As shown in, it is also possible to be configured to store groundwater that has passed through the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, and 30-3 in the storage tank 23 again.

즉, 1차측 내지 3차측 환수관(33-1,33-2,33-3)은 토출측이 저수탱크(23)에 연결되며, 저수탱크(23)에는 저수된 지하수를 환수측 지열공(2) 또는 겸용 지열공(3)의 환수부에 환수하기 위하여 환수관(22)의 입구측이 연결된다.That is, the primary to tertiary return pipes (33-1, 33-2, 33-3) are connected to the storage tank 23 on the discharge side, and the groundwater stored in the storage tank 23 is transferred to the groundwater on the return side. ) Or the inlet side of the water return pipe 22 is connected to the water return part of the combined geothermal hole 3.

이 때, 저수탱크(23)는 온도센서(TS1)를 설치하여 저수되는 지하수의 온도를 감지하고, 컨트롤러는 온도센서(TS1)의 감지 온도와 기준 온도(동절기 영상 5℃ 이하, 하절기 영상 35℃이상)이 될 때 저수 중인 지하수를 환수관(22)을 통해 환수측 지열공(2) 또는 겸용 지열공(3)의 환수부에 환수한다.At this time, the storage tank 23 installs a temperature sensor TS1 to detect the temperature of the groundwater to be stored, and the controller detects the temperature and the reference temperature of the temperature sensor TS1 (below 5°C in winter, 35°C in summer). Above), the groundwater that is being stored is returned through the return pipe (22) to the return part of the return side geothermal hole (2) or the combined use geothermal hole (3).

또한, 저수탱크(23)는 저수 중인 지하수를 생활용수로 공급하도록 구성되는 것도 가능하다. In addition, the storage tank 23 may be configured to supply groundwater that is being stored as living water.

이처럼 저수탱크(23)를 운용하는 가장 큰 이유는 제주도의 경우 개발이 활발하게 이루어지고 건축물의 냉난방을 위한 지열 시스템 수요가 많을 수밖에 없는 중산간 지역에 지열공을 굴착하게 될 때 대형 수중 양수펌프(20)를 설치하게 되고 양수펌프(20)는 짧은 시간에 다량의 지하수를 양수하게 되는 반면 히트펌프(30-1,30-2,30-3)는 냉난방 부하에 따라 운전 대수가 수시로 줄어들거나 늘어나는 형태로 운영되어짐으로써 지하수 사용량의 변화의 폭이 넓어서 양수펌프(20)에 직접 순환배관을 연결하여 사용하게 될 경우 불필요한 지하수 양수와 순환이 이루어질 수 있어 이러한 문제를 극복하여 안정된 순환수량을 유지하도록 하기 위해 구성하게 되는 것이다. 다만, 저수탱크(23)에는 도면에는 생략되어 있으나 익히 일반적으로 알려져 있는 수위레벨 센서가 설치되며 본 수위레벨센서에 의해 양수펌프(20)의 가동과 정지가 이루어질 수 있도록 함으로써 저수탱크(23)는 항시 일정한 수위와 수량이 확보될 수 있도록 한 것이다.The main reason for the operation of the storage tank 23 is that in the case of Jeju Island, when the development is active and geothermal systems are inevitably demanded for cooling and heating of buildings, a large underwater pumping pump (20) ) Is installed, and the pumping pump 20 pumps a large amount of groundwater in a short time, whereas the heat pumps 30-1, 30-2, 30-3 have a type in which the number of operating units is frequently reduced or increased depending on the cooling and heating load. In order to overcome this problem and maintain a stable amount of circulating water, unnecessary groundwater pumping and circulation can be achieved when the circulation pipe is directly connected to the pumping pump 20 because the range of change in groundwater consumption is wide. It is made up. However, although omitted in the drawing, the water level sensor, which is well known, is installed in the storage tank 23, and the pumping pump 20 can be operated and stopped by the water level sensor, so that the storage tank 23 is It is designed to ensure a constant water level and quantity at all times.

3. 히트펌프.3. Heat pump.

단일의 양수펌프(20)를 사용하여 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 운용함으로써 복잡한 배관과 다수의 양수 펌프를 사용하기 위한 시공의 어려움을 해결하고 열 생산성도 향상하는 특징이 있으며, 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)는 저수탱크(23)에서부터 1차측 히트펌프(30-1) - 2차측 히트펌프(30-2) - 3차측 히트펌프(30-3)의 순서로 하여 직렬로 연결되어 지하수가 1차측 히트펌프(30-1)에서부터 열교환하면서 3차측 히트펌프(30-3)까지 흐르도록 하고, 이를 위하여 1차측과 2차측 히트펌프(30-1,30-2)를 연결하는 2차측 연결관(32-1), 2차측과 3차측 히트펌프(30-2,30-3)를 연결하는 3차측 연결관(32-2)을 포함한다.By operating the primary to tertiary heat pumps (30-1, 30-2, 30-3) using a single pumping pump (20), it is possible to solve the difficulty of construction for using complex piping and multiple pumping pumps. Heat productivity is also improved, and the primary to tertiary heat pumps (30-1, 30-2, 30-3) are from the storage tank 23 to the primary heat pump (30-1)-the secondary heat pump (30-2)-It is connected in series in the order of the tertiary heat pump (30-3) so that groundwater flows from the primary heat pump (30-1) to the tertiary heat pump (30-3) while heat exchange. , For this purpose, the secondary side connection pipe (32-1) connecting the primary side and the secondary side heat pumps (30-1, 30-2), and the secondary side and the third side heat pump (30-2,30-3) are connected. It includes a tertiary-side connector (32-2).

3차측 히트펌프(30-3)는 마지막 히트펌프이므로 당연히 지하수를 지열공(2 또는 3)에 환수하도록 3차측 환수관(33-3)이 배관된다.Since the tertiary heat pump 30-3 is the last heat pump, the tertiary-side water return pipe 33-3 is piped so as to return groundwater to the geothermal hole 2 or 3, of course.

한편, 1차측 또는 2차측 히트펌프(30-1,30-2)를 통과한 지하수는 배출온도를 근거로 하여 지열공(2 또는 3)에 환수하며, 따라서, 2차측 연결관(32-1)과 3차측 연결관(32-2)에는 지하수의 온도를 검출하는 1차측 온도계와 2차측 온도계가 갖추어진다.Meanwhile, the groundwater that has passed through the primary or secondary heat pumps 30-1 and 30-2 is returned to the geothermal hole 2 or 3 based on the discharge temperature, and thus, the secondary connection pipe 32-1 ) And the tertiary side connection pipe 32-2 are equipped with a primary side thermometer and a secondary side thermometer for detecting the temperature of groundwater.

즉, 지하수는 히트 펌프를 통과하면서 온도가 변화될 것이며, 각각의 히트 펌프에서 배출되는 지하수의 온도를 1차측과 2차측 온도계를 통해 검출하고 컨트롤러를 통해 현재 검출온도와 기준 온도(히트 펌프의 운전이 가능한 온도)를 비교하여 검출온도가 기준 온도를 만족하지 못한 경우 지하수가 그 다음 히트펌프에 공급되지 않고 지열공(2 또는 3)에 환수되도록 하고, 이 환수는 각각 밸브에 의해 개폐되는 1차측 환수관(33-1)과 2차측 환수관(33-2)에 의해 가능하다.In other words, the temperature of the groundwater will change as it passes through the heat pump, and the temperature of the groundwater discharged from each heat pump is detected through the primary and secondary thermometers, and the current detection temperature and reference temperature (heat pump operation When the detection temperature does not meet the reference temperature, groundwater is not supplied to the next heat pump and is returned to the geothermal hole (2 or 3). It is possible by the water return pipe (33-1) and the secondary water return pipe (33-2).

예를 들어 최초 양수되는 지하수의 수온이 15℃이면 난방 운전시 히트 펌프의 운전 온도가 입구온도와 출구온도의 차이가 5℃인 경우 1차측 히트펌프(30-1)를 통과하는 지하수 수온은 10℃가 되고 2차측 히트펌프(30-2)를 통과하는 지하수 수온은 5℃까지 낮아지게 된다. 이처럼, 2차측 히트펌프(30-2)로 유입되는 지하수 온도가 5℃이하이면 운전 중 2차측과 3차측 히트펌프(30-2,30-3)의 열교환기 등 내부가 동결 파손될 우려가 발생되므로 2차측 연결관(32-1)을 1차측 환수관(33-1)과 연결하여 1차측 히트펌프(30-1)를 통과한 지하수가 2차측 히트펌프(30-2)에 공급되지 않고 지열공(2 또는 3)에 주입되도록 한다.For example, if the water temperature of the first pumped groundwater is 15℃, the difference between the inlet temperature and the outlet temperature is 5℃ when the operating temperature of the heat pump during heating operation is 5℃, and the groundwater temperature passing through the primary heat pump 30-1 is 10. The temperature of the groundwater passing through the secondary heat pump 30-2 is lowered to 5°C. As such, if the temperature of the groundwater flowing into the secondary heat pump 30-2 is 5°C or less, there is a possibility that the inside of the heat exchanger of the secondary and tertiary heat pumps 30-2 and 30-3 may be frozen and damaged during operation. Therefore, groundwater passing through the primary heat pump 30-1 by connecting the secondary connection pipe 32-1 with the primary return pipe 33-1 is not supplied to the secondary heat pump 30-2. It should be injected into the geothermal hole (2 or 3).

또한, 본 발명은 2차측 히트펌프(30-2)와 3차측 히트펌프(30-3)에 공급되는 지하수의 수량을 검출하여 지하수의 부족 시 지하수를 보충하도록 다음과 같이 구성된다.In addition, the present invention is configured as follows to detect the quantity of groundwater supplied to the secondary heat pump 30-2 and the tertiary heat pump 30-3 to supplement groundwater when the groundwater is insufficient.

지하수의 보충은 각각 밸브에 의해 개폐되는 2차측 보충관(31-2) 및 3차측 보충관(31-3)을 통해 이루어지며, 2차측 연결관(32-1)과 3차측 연결관(32-2)에 각각 설치되는 2차측 유량계(F1) 및 3차측 유량계(F2)의 검출 유량과 기준 유량을 비교(컨트롤러에 의한 비교)를 근거로 한다.Replenishment of groundwater is made through the secondary side supplementary pipe 31-2 and the third supplementary pipe 31-3 opened and closed by valves, respectively, and the secondary side connection pipe 32-1 and the third side connection pipe 32 The detection flow rate and the reference flow rate of the secondary side flow meter (F1) and the third side flow meter (F2) respectively installed in -2) are compared (compared by the controller).

즉, 히트펌프가 운용되기 위해서는 최소한의 순환유량이 필요하다. 순환유량이 작게 되면 열교환기에서의 과냉현상으로 동결폐색이 일어나거나 순환유량이 너무 많은 경우 마찰손실 수두가 높아져 순환펌프의 운전동력이 상승하여 전체적인 지열시스템의 운전효율을 낮추게 되어진다. 따라서 모든 히트펌프는 조정된 순환유량이 통과되도록 제어가 필요하며 냉방싸이클로 운전시 히트펌프를 통과한 순환 지하수가 온도가 높아져 재주입공 측으로 지하수가 흘러나가게 될 경우 그 부족한 유량을 보층할 수 있도록 한 것이다.That is, in order to operate the heat pump, a minimum circulation flow is required. When the circulating flow rate is small, freezing occlusion occurs due to the subcooling phenomenon in the heat exchanger, or when the circulating flow rate is too large, the head of friction loss increases and the driving power of the circulation pump increases, thereby lowering the overall operation efficiency of the geothermal system. Therefore, all heat pumps need to be controlled so that the adjusted circulation flow is passed, and when the circulating groundwater passing through the heat pump increases when operating in the cooling cycle, and the groundwater flows out to the reinjection hole, the insufficient flow rate can be compensated. .

즉, 3차측 유량계(F2)의 검출 유량이 기준 유량을 만족하지 못한 경우 2차측 보충관(31-3)을 개방하여 저수탱크(23)의 지하수를 2차측 보충관(31-3)을 통해 2차측 연결관(32-1)에 공급함으로써 2차측 히트펌프(30-2)에 적정 유량의 지하수를 공급한다. 또는 재주입공측으로 배출되는 지하수의 유량을 검출하여 그 유량 만큼을 보충하는 것도 가능하다.That is, when the detected flow rate of the third flow meter F2 does not satisfy the reference flow rate, the secondary supplement pipe 31-3 is opened to transfer the groundwater of the storage tank 23 through the secondary supplement pipe 31-3. Groundwater with an appropriate flow rate is supplied to the secondary heat pump 30-2 by supplying it to the secondary side connection pipe 32-1. Alternatively, it is possible to compensate for the flow rate by detecting the flow rate of groundwater discharged to the re-injection hole.

이와 같이 저수탱크(23)와 다단의 히트펌프를 운영하게 되면 다음과 같이 육지부에 비해 큰 열용량의 확보가 가능하다.When the storage tank 23 and the multi-stage heat pump are operated in this way, it is possible to secure a large heat capacity compared to the land part as follows.

제주도의 경우 지열공 1개 굴착 개발 시 1일 500m3 규모의 지하수 양수가 대체적으로 용이한 지질 지하수 대수층 환경을 지니고 있다. 15℃의 지하수를 1일 500m3 규모로 양수하는 한편 40℃로 변화한 지하수를 열간섭이 없는 다른 대수층 에 재주입하게 되면 1일 획득 가능한 가용열용량은,Jeju Island has a geological groundwater aquifer environment in which 500m3 of groundwater per day is generally easily pumped when one geothermal hole is excavated. If the groundwater at 15℃ is pumped in a scale of 500m3 per day, and the groundwater changed to 40℃ is re-injected into another aquifer without thermal interference, the available heat capacity that can be obtained per day is:

Q = WC△tQ = WC△t

여기서 Q는 총 열용량 Kcal/h, W 는 순환수량, LC 는 물의 비열 Kcal/kg.KWhere Q is the total heat capacity Kcal/h, W is the circulating water, and LC is the specific heat of water Kcal/kg.K

△t 는 순환 지하수의 입구와 출구 온도차이다.Δt is the temperature difference between the inlet and outlet of circulating groundwater.

1,000m3ㅧ1,000ㅧ1Kcal/kg.Kㅧ(40℃-15℃) / 24h = 1,041,666Kcal/h1,000m3ㅧ1,000ㅧ1Kcal/kg.Kㅧ(40℃-15℃) / 24h = 1,041,666Kcal/h

이 열용량을 냉동톤으로 환산하면, 1,041,666Kcal/h/3,024Kcal/h = 344.47 USRT 에 이른다.When this heat capacity is converted to freezing tons, it reaches 1,041,666 Kcal/h/3,024 Kcal/h = 344.47 USRT.

이러한 열용량은 육지부에서는 지열공 500m 깊이 1개소에서 최대 25 USRT 규모만을 기대할 수 있는데 반해 지열공의 굴착 심도를 1/2로 줄이면서도 다량의 지하수의 양수와 열교환 후 상호 열간섭없는 재주입을 통해 최대 13.7배이상의 열용량 확보가 가능하다는 산출결과를 얻게 된다.This heat capacity can only be expected to have a maximum scale of 25 USRT at a site with a depth of 500 m in a geothermal hole in the land area, while reducing the depth of excavation in a geothermal hole by 1/2, while pumping up a large amount of groundwater and re-injecting without heat interference after heat exchange. The calculation result is obtained that it is possible to secure more than 13.7 times the heat capacity.

즉, 제주도에서 지열공 굴착비가 과도하게 소요되어 지열시스템이 경제성이 없는 것으로 현재까지 알려지고 분석되어지고 있으나 대용량의 지하수 양수가 가능하고 재주입 지하수의 넘침없는 재주입이 가능한 제주도 지질 및 지하수 특성을 활용한 본 발명을 적용하게 되면 300 USRT 급 이상의 대용량 냉난방을 위한 지열 시스템이라 할지라도 단 한 개의 지열공으로 해당 부하를 충족시킬 수 있음으로써 지열공 굴착에 따른 비용 절감이 커지기 때문에 육지부와 비교할 때 충분한 경제성을 확보할 수 있는 효과를 갖게 되었다 할 것이다. In other words, it is known and analyzed that the geothermal system is not economical due to excessive excavation cost of geothermal drilling in Jeju Island, but the characteristics of Jeju Island's geological and groundwater that can pump large amounts of groundwater and re-inject without overflowing groundwater. When the present invention is applied, even if it is a geothermal system for large-capacity cooling and heating of 300 USRT or higher, the load can be satisfied with only one geothermal hole, so that the cost reduction due to the excavation of the geothermal hole increases. It will be said that it has the effect of securing sufficient economic feasibility.

히트펌프는 지열과 공기열에 의해 운전되는 공용 히트펌프 또는 지열과 공기열 전용에 의해 운전되는 전용 히트펌프가 사용된다. 전자의 경우 지열은 히트펌프의 1차 열교환기와 열교환되도록 구성되는 한편 공기열은 히트펌프의 2차 열교환기와 열교환되도록 구성된다.As the heat pump, a common heat pump operated by geothermal and air heat, or a dedicated heat pump operated exclusively by geothermal and air heat is used. In the former case, geothermal heat is configured to exchange heat with the primary heat exchanger of the heat pump, while air heat is configured to heat exchange with the secondary heat exchanger of the heat pump.

4. 축열조.4. Heat storage tank.

축열조(40)는 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)의 열을 회수하여 축열한 후 부하측 냉난방기(50)에 공급하며, 순환펌프(P)를 통해 펌핑되는 열매체(물 또는 에칠알코올등 부동액) 또는 히트펌프(30-1,30-2,30-3)에 설치되는 컴프레서에 의해 순환되는 열매체(가스 등)를 하나의 공급헤더(51)를 통해 각각의 공급관에 분할하여 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)의 열을 회수한 후 각각의 환수관을 통해 환수되는 열매체를 하나의 환수헤더(52)를 통해 모은 후 축열한다.The heat storage tank 40 recovers heat from the primary to the third heat pumps 30-1, 30-2, 30-3, stores heat, and supplies it to the load-side air conditioner 50, and pumps it through the circulation pump P. Heat medium (antifreeze such as water or ethyl alcohol) or heat medium (gas, etc.) circulated by the compressor installed in the heat pumps (30-1, 30-2, 30-3) through one supply header 51, respectively. After dividing into the supply pipe of the primary to the tertiary heat pump (30-1, 30-2, 30-3), the heat medium returned through each of the return pipes is transferred through one return header 52. After collecting, heat storage.

물론, 축열의 형태는 수축열 또는 빙축열, 잠열재 축열등 다양한 형태로 구성할 수 있음은 당연하다 Of course, it is natural that the form of heat storage can be configured in various forms such as shrinkage heat, ice heat storage, and latent heat storage.

5. 부하측 냉난방기5. Load side air conditioner

부하측 냉난방기(50)는 열매체의 순환에 의해 열교환이 되도록 구성되며 열매체가 직접 순환되도록 하거나 축열조(40)에 축열을 시킨 후 열매체의 순환이 가능한 구조로 연결되며, 축열조(40)에 축열된 열을 공급받아 냉방 또는 난방하며, 거주지 실내, 재배 온실 등을 대상으로 한다.The load-side air conditioner (50) is configured to perform heat exchange by circulating the heat medium, and is connected in a structure that allows the heat medium to be circulated directly or to the heat storage tank (40) and then circulates the heat medium, and the heat stored in the heat storage tank (40) is It is supplied and cooled or heated, and is intended for indoors and greenhouses for cultivation.

도 4는 본 발명에 의한 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템이 저수탱크를 사용하지 않는 예를 도시한 것이며, 공급관(21)은 1차측 공급관(31-1)에 연결되어 지하수를 공급하고 2차측 공급관(31-2)과 3차측 공급관(31-3)은 공급관(21)에서 분기되는 형태이다. 그 이외의 구성은 도 1과 동일하다.4 shows an example in which the geothermal cooling and heating system using the multi-stage heat pump method according to the present invention does not use a storage tank, and the supply pipe 21 is connected to the primary supply pipe 31-1 to supply groundwater and 2 The secondary supply pipe 31-2 and the third supply pipe 31-3 are branched from the supply pipe 21. Other configurations are the same as in FIG. 1.

즉, 저수탱크를 사용하지 않는 경우 지하수를 저수하지 못할 뿐 지하수가 3단의 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 통과하여 냉난방 열을 공급하는 것이 가능하고, 지하수의 온도와 유량을 근거로 하는 순환제어가 가능하기 때문에 히트펌프의 고장을 방지하고 효율성도 높일 수 있다. That is, if the storage tank is not used, it is not possible to store groundwater, but it is possible to supply heating and cooling heat by passing the groundwater through the three-stage heat pumps (30-1, 30-2, 30-3), and the temperature of the groundwater. Because circulation control based on and flow rate is possible, failure of the heat pump can be prevented and efficiency can be improved.

이하, 본 발명에 의해 실시될 수 있는 다른 예에 대해 설명한다.Hereinafter, another example that can be implemented by the present invention will be described.

1. 히트펌프의 직렬과 병렬 조합 연결.1. Heat pump series and parallel combination connection.

도 5에서 보이는 것처럼, 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)의 직렬과 병렬 조합을 위해서는 다음과 같이 구성된다. 특히 대용량의 냉난방 부하를 충족시키기 위해서는 지열공 굴착수량을 다수개로 설치하여야 하며 이때 다량으로 양수되어 순환되는 지하수를 활용하기 위해서는 히트펌프를 병렬로 다수 세트를 구성하고 병렬로 설치된 히트펌프에 다시금 직렬로 히트펌프를 배치하도록 함으로써 다량의 지하수를 양수하여 순환시키는 대용량 지열시스템의 구성이 가능하도록 계통을 구성한 것이다. 물론 이러한 구성이 이루어질 경우 부하의 크기에 따라 병렬로 연결된 각 단을 우선으로 선정하여 직렬가동이 되도록 하고 이를 순차적으로 하부 단으로 연결하여 교번가동이 될 수 있도록 한 것이다.As shown in FIG. 5, for serial and parallel combination of the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, and 30-3, it is configured as follows. In particular, in order to meet the large-capacity cooling and heating load, it is necessary to install a number of geothermal excavation water. In this case, in order to utilize the groundwater that is pumped and circulated in a large amount, a plurality of sets of heat pumps are formed in parallel. By arranging a heat pump, the system is configured so that it is possible to construct a large-capacity geothermal system that pumps and circulates a large amount of groundwater. Of course, when such a configuration is made, each stage connected in parallel is first selected according to the size of the load so that serial operation is performed, and these are sequentially connected to the lower stage so that alternate operation can be performed.

공급측 지열공(1)에서 양수하는 지하수를 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)의 병렬 연결 시 양수된 지하수를 각 공급 및 환수하여야 하며, 이를 위하여 저수탱크(23)과 연결되는 공급헤더(10) 및 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)의 환수측과 연결되어 지하수를 저수탱크(23){또는 환수측 지열공(2) 또는 겸용 지열공(3)}의 환수하는 환수헤더(11)를 포함한다. 또한, 저수 탱크(23)와 공급헤더(10) 및 환수헤더(11) 사이에 열교환기(예를 들어 판형 열교환기)(12)를 사용하여 지하수와 부동액이 서로 섞이지 않으면서 열교환이 이루어지도록 한다. 즉, 저수탱크(23)의 지하수와 부동액이 열교환기(12)에서 열교환이 이루어지고, 공급헤더(10)와 환수헤더(11)는 1차측 내지 3차 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 순환하도록 구성된다.When the groundwater pumped from the supply side geothermal hole (1) is connected in parallel between the primary to the tertiary heat pumps (30-1, 30-2, 30-3), each pumped groundwater must be supplied and returned. For this purpose, a storage tank (23) is connected to the supply header 10 and the return side of the primary to tertiary heat pumps 30-1,30-2,30-3 to store groundwater in the storage tank 23 (or It includes a water exchange header 11 to change the heat hole (2) or the combined use geothermal hole (3)}. In addition, a heat exchanger (for example, a plate heat exchanger) 12 is used between the storage tank 23 and the supply header 10 and the return header 11 so that heat exchange is performed without mixing the groundwater and the antifreeze. . That is, the groundwater and the antifreeze in the storage tank 23 are heat-exchanged in the heat exchanger 12, and the supply header 10 and the return header 11 are the primary to the tertiary heat pumps 30-1 and 30-2. ,30-3).

공급헤더(10)와 환수헤더(11)는 각각의 공급측 병렬관(10-1,10-2,10-3)과 환수측 병렬관(11-1,11-2,11-3)을 통해 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)와 연결된다.The supply header (10) and the return header (11) are connected through the supply-side parallel pipes (10-1, 10-2, 10-3) and the return-side parallel pipes (11-1, 11-2, 11-3). It is connected to the primary to tertiary heat pumps 30-1, 30-2, 30-3.

이들의 공급측 병렬관(10-1,10-2,10-3)과 환수측 병렬관(11-1,11-2,11-3)은 각각 밸브를 통해 개폐 제어된다.The supply-side parallel pipes 10-1, 10-2, and 10-3 and the return-side parallel pipes 11-1, 11-2, and 11-3 are opened and closed through valves, respectively.

이상은 병렬 연결에 대한 설명이며, 직렬과 병렬이 가능하도록 다음과 같이 구성된다.The above is a description of the parallel connection, and is configured as follows to enable serial and parallel connections.

이웃하는 히트펌프들 중에서 선행(상류)하는 히트펌프의 토출측과 후행(하류)하는 히트펌프의 유입측을 연결 즉, 1차측 히트펌프(30-1)의 토출측과 2차측 히트펌프(30-2)의 유입측을 연결하는 2차측 직렬 연결관(34), 2차측 히트펌프(30-2)의 토출측과 3차측 히트펌프(30-3)의 유입측을 연결하는 3차측 직렬 연결관(35)을 포함한다. 2차측과 3차측 직렬 연결관(34,35)은 각각 밸브에 의해 개폐된다.Among neighboring heat pumps, the discharge side of the preceding (upstream) heat pump and the inflow side of the following (downstream) heat pump are connected, that is, the discharge side of the primary heat pump 30-1 and the secondary heat pump 30-2 ) A secondary side series connection pipe 34 connecting the inlet side of the secondary side, and a third side series connection pipe 35 connecting the discharge side of the secondary side heat pump 30-2 and the inlet side of the third heat pump 30-3 ). The secondary side and the tertiary side series connection pipes 34 and 35 are opened and closed by valves, respectively.

도면에서 저수탱크(23)에 지하수가 집수된 후 지중에 환수되는 것으로 도시되었으나, 도 1에서처럼 저수탱크(23)를 회피하여 지중에 직접 환수되는 것도 가능하다.In the drawing, it is shown that the groundwater is collected in the storage tank 23 and then returned to the ground, but it is also possible to directly return the water to the ground by avoiding the storage tank 23 as in FIG. 1.

가. 직렬 운용.end. Serial operation.

저수탱크(23) - 공급헤더(10) - 1차측 공급측 병렬관(10-1) - 1차측 히트펌프(30-1) - 2차측 직렬 연결관(34) - 2차측 히트펌프(30-2) - 3차측 직렬 연결관(34) - 3차측 히트펌프(30-3) - 3차측 환수측 병렬관(11-3) - 환수헤더(11) - 저수탱크(23)의 경로를 통해 지하수가 순환된다. 모든 배관은 상기의 순환경로를 위하여 개폐 제어된다.Storage tank (23)-Supply header (10)-Primary side supply side parallel pipe (10-1)-Primary side heat pump (30-1)-Secondary side series connection pipe (34)-Secondary side heat pump (30-2) )-Tertiary side series connection pipe (34)-Tertiary heat pump (30-3)-Tertiary side parallel pipe (11-3)-Return header (11)-Groundwater through the path of the reservoir tank (23) It is cycled. All piping is controlled to open and close for the circulation path.

나. 병렬 운용.I. Parallel operation.

저수탱크(23) - 공급헤더(10) - 각각의 공급측 병렬관(10-1,10-2,10-3) - 각각의 히트펌프(30-1,30-2,30-3) - 각각의 환수측 병렬관(11-1,11-2,11-3) - 환수헤더(11) - 저수탱크(23)의 순환경로로 운용된다.Storage tank (23)-Supply header (10)-Each supply side parallel pipe (10-1, 10-2, 10-3)-Each heat pump (30-1, 30-2, 30-3)-Each It is operated as a circulation path of the return side parallel pipe (11-1, 11-2, 11-3)-return header (11)-reservoir tank (23).

도 6은 지하수의 열을 별도의 1차측 내지 3차측 열교환기(60-1,60-2,60-3)를 거쳐 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)에 공급하는 예를 도시한 것이다. 이 때는 가스의 순환을 위한 것이다.6 shows the heat of the groundwater through separate primary to tertiary heat exchangers 60-1,60-2,60-3, and the primary to tertiary heat pumps 30-1,30-2,30-3. ). This is for gas circulation.

예를 들어, 각각의 공급측 병렬관(10-1,10-2,10-3)을 통해서 공급되는 지하수는 1차측 내지 3차측 열교환기(60-1,60-2,60-3)에 공급된 후 지중에 환수되고, 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)는 열매체가 1차측 내지 3차측 열교환기(60-1,60-2,60-3)를 순환하며 이 과정에서 지하수의 열을 회수하도록 구성된다.For example, groundwater supplied through each supply-side parallel pipe (10-1, 10-2, 10-3) is supplied to the primary to tertiary heat exchangers (60-1, 60-2, 60-3). After being returned to the ground, the primary to tertiary heat pumps (30-1,30-2,30-3) have a heat medium in the primary to tertiary heat exchangers (60-1,60-2,60-3) It is configured to circulate and recover heat from groundwater in this process.

도 7은 공급헤더(10)와 환수헤더(11)를 이용하여 복수 그룹을 직병렬로 운용하는 예를 도시한 것이며, 하나의 병렬헤더(70-1)를 통해 1차측 내지 3차측 히트펌프(30-1,30-2,30-3)를 1그룹으로 연결하고, 다른 병렬헤더(70-2)를 통해 4차측 내지 6차측 히트펌프(30-4,30-5,30-6)를 2그룹으로 연결한다.7 shows an example of operating a plurality of groups in series and parallel by using the supply header 10 and the return header 11, and through one parallel header 70-1, the primary to the tertiary heat pump ( 30-1,30-2,30-3) are connected in one group, and the fourth to sixth heat pumps (30-4,30-5,30-6) are connected through another parallel header (70-2). Connect in 2 groups.

각각의 그룹은 도 5처럼 직렬과 병렬 운용이 가능하도록 구성되어 있으면서 병렬헤더(70-1,70-2)들은 공급헤더(10)와 병렬 연결된다.Each group is configured to enable serial and parallel operation as shown in FIG. 5, while the parallel headers 70-1 and 70-2 are connected in parallel with the supply header 10.

2개 그룹의 히트펌프(30-1,30-2,30-3,30-4,30-5,30-6)들은 하나의 환수헤더(11)에 연결된다.The two groups of heat pumps 30-1,30-2,30-3,30-4,30-5,30-6 are connected to one return header 11.

2. 버퍼형 저수탱크와 2단 히트펌프 운용.2. Buffer type water storage tank and two-stage heat pump operation.

도 8은 버퍼형 저수탱크(23) 및 전후단에 각각 히트펌프를 즉 2단 히트펌프(30F, 30R)를 구성하여 운용하는 예를 보인 것이다.8 shows an example in which a buffer-type water storage tank 23 and a heat pump at the front and rear ends, that is, two-stage heat pumps 30F and 30R, are configured and operated.

공급헤더(10)는 전단의 히트펌프(30F)의 각각의 히트펌프와 연결되면서 저수탱크(23)와 배관을 통해 연결되어 전단의 히트펌프(30F)와 저수탱크(23)에 지하수를 공급한다.The supply header 10 is connected to each of the heat pumps of the heat pump 30F at the front end and is connected to the storage tank 23 through a pipe to supply groundwater to the heat pump 30F and the storage tank 23 at the front end. .

전단의 히트펌프(30F)는 지하수와 축열조(40)에 저장되는 열매체 간의 열교환을 유도하도록 구성되며, 지하수를 저수탱크(23)에 공급한다.The heat pump 30F of the front end is configured to induce heat exchange between the groundwater and the heat medium stored in the heat storage tank 40, and supplies the groundwater to the storage tank 23.

저수탱크(23)는 공급헤더(10) 및 전단의 히트펌프(30F)에서 공급되는 지하수를 저수하고 후단의 히트펌프(30R)에 공급하도록 구성된다. 또한, 저수탱크(23)는 저수 중인 지하수가 적정 온도를 만족하지 못한 경우 지중(환수측 지열공 또는 겸용 지열공의 환수부)에 환수되도록 구성된다.The storage tank 23 is configured to store groundwater supplied from the supply header 10 and the heat pump 30F at the front end and supply it to the heat pump 30R at the rear stage. In addition, the storage tank 23 is configured to be returned to the underground (return-side geothermal hole or a return unit of a combined geothermal hole) when the groundwater in storage does not meet an appropriate temperature.

후단의 히트펌프(30R)는 저수탱크(23)에서 공급되는 지하수와 축열조(40)에 저장되는 열매체의 열교환을 유도하도록 구성되고, 또한, 지하수를 지중에 환수하도록 구성된다.The rear heat pump 30R is configured to induce heat exchange between the groundwater supplied from the storage tank 23 and the heat medium stored in the heat storage tank 40, and is configured to return the groundwater to the ground.

축열조(40)는 내부의 열매체가 전단 히트펌프(30F)와 후단 히트펌프(30R)를 각각 순환하도록 구성되어 전단 히트펌프(30F)와 후단 히트펌프(30R)의 열을 회수한 후 축열한다.The heat storage tank 40 is configured such that the internal heat medium circulates each of the front heat pump 30F and the rear heat pump 30R, and collects heat from the front heat pump 30F and the rear heat pump 30R, and then stores heat.

3. 열교환기와 부동액 버퍼탱크 운용.3. Heat exchanger and antifreeze buffer tank operation.

도 9에서 보이는 것처럼, 저수탱크(23)를 사용하지 않고 지하수와 부동액의 열교환을 위한 열교환기(12)(판형 열교환기) 및 부동액 버퍼탱크(13)를 사용하는 예를 도시한 것이며, 열교환기(12)와 부동액 버퍼탱크(13)는 부동액의 순환을 통해 지하수와 부동액 간의 열교환이 이루어지도록 구성되고, 부동액 버퍼탱크(13)는 공급헤더(10) 및 환수헤더(11)와 부동액의 순환을 통해 지열을 회수한 부동액을 히트펌프(30-1,30-2,30-3)들에 공급하도록 구성된다. As shown in FIG. 9, an example of using a heat exchanger 12 (plate heat exchanger) and an antifreeze buffer tank 13 for heat exchange between groundwater and antifreeze without using the storage tank 23 is shown. The antifreeze buffer tank 12 and the antifreeze buffer tank 13 are configured to heat exchange between groundwater and antifreeze through the circulation of the antifreeze, and the antifreeze buffer tank 13 allows circulation of the supply header 10 and the return header 11 and the antifreeze. It is configured to supply the antifreeze obtained by recovering the geothermal heat to the heat pumps 30-1, 30-2, and 30-3.

도 10은 열교환기(12)와 부동액 버퍼탱크(13)의 다른 예를 도시한 것이며, 지하수가 공급관(21) - 저수탱크(23) - 열교환기(12) - 환수관(22)을 통해 순환하고, 부동액을 열교환기(12)에 순환시켜 지하수와 열교환이 이루어지도록 하는 것이다.10 shows another example of the heat exchanger 12 and the antifreeze buffer tank 13, and circulates through the groundwater supply pipe 21-the storage tank 23-the heat exchanger 12-the return pipe 22 And, by circulating the antifreeze through the heat exchanger 12, heat exchange with groundwater is performed.

4. 다단의 저수탱크.4. Multi-stage storage tank.

도 11에서 보이는 것처럼, 저수탱크(23)를 다단(도면은 3단을 예로 들어 도시함)으로 구성하는 예를 도시한 것이며, 저수탱크(23)는 격벽을 통해 1단 내지 3단의 저수부(23-1,23-2,23-3)로 구획되어 이루어지거나 서로 독립된 3개의 탱크로 이루어진다.As shown in FIG. 11, it shows an example of configuring the storage tank 23 in multiple stages (the drawing shows a three-stage example), and the storage tank 23 is a storage unit of the first to third stages through the bulkhead. It is divided into (23-1, 23-2, 23-3) or consists of three separate tanks.

1단 내지 3단 저수부(23-1,23-2,23-3)와 1단 내지 3단 열교환기는 지하수가 열교환 후 다음 단으로 저수되도록 연쇄적으로 연결되며, 지열공(1) → 1단 저수부(23-1) → 1단 열교환기 → 2단 저수부(23-2) → 2단 열교환기 → 3단 저수부(23-3) → 3단 열교환기에 의한 지하수의 흐름이 이루어지도록 배관과 펌프 등이 구성된다{상기 3단 열교환기를 통과한 지하수는 재주입공(2)에 주입된다}. 따라서, 1단 저수부(23-1)에서 3단 저수부(23-3)로 가면서 지하수의 온도가 변할 것이고, 예를 들어 1단 저수부(23-1)가 15℃인 경우 2단 저수부(23-2)는 20℃, 3단 저수부(23-3)는 25℃로 변하게 된다.The 1st to 3rd stage water reservoir (23-1, 23-2, 23-3) and the 1st to 3rd stage heat exchanger are connected in series so that groundwater is stored in the next stage after heat exchange, and geothermal hole (1) → 1 However, the reservoir (23-1) → 1st stage heat exchanger → 2nd stage water storage unit (23-2) → 2nd stage heat exchanger → 3rd stage water storage unit (23-3) → 3rd stage heat exchanger to allow the flow of groundwater A pipe and a pump are configured (the groundwater that has passed through the three-stage heat exchanger is injected into the reinjection hole 2). Therefore, the temperature of the groundwater will change as it goes from the first-stage reservoir (23-1) to the third-stage reservoir (23-3). For example, if the first-stage reservoir (23-1) is 15℃, the second-stage reservoir The water part 23-2 is changed to 20°C, and the third-stage water storage part 23-3 is changed to 25°C.

물론 하절기 냉방의 경우는 많은 온도차를 활용할 수 있어 저수부의 단수를 증설하여 운용할 수 있으며 동절기에는 동결방지를 위해 저수조를 2단정도로 축소하여 운용할 수 있는 등 시설용량과 냉난방 용도 등에 따라 저수조의 단수는 임의로 조정하여 운용할 수 있다.Of course, in the case of cooling in summer, a large temperature difference can be utilized, so the number of stages in the reservoir can be expanded and operated, and in winter, the water tank can be reduced to two stages to prevent freezing. The number of stages can be arbitrarily adjusted and operated.

또한, 저수탱크(23)에 공급되는 지하수는 공급지하수를 1단 내지 3단의 저수부(23-1,23-2,23-3)에 각각 연결하도록 하고 선택적으로 개폐할 수 있는 밸브를 설치하여 저수부(23-1,23-2,23-3)와 각 열교환기를 교번 운전이 가능하도록 할 수 있다.In addition, groundwater supplied to the storage tank 23 connects the supply groundwater to the reservoirs 23-1, 23-2, and 23-3 in stages 1 to 3, respectively, and a valve that can be selectively opened and closed is installed. Accordingly, it is possible to alternately operate the water storage units 23-1, 23-2, and 23-3 and each heat exchanger.

상기 1단 내지 3단 열교환기는 판형 열교환기 또는 히트펌프의 열교환기이다. The first to third stage heat exchangers are plate heat exchangers or heat exchangers of heat pumps.

도 12는 공급측 지열공(1) - 1단 저수부(23-1) - 1차측 열교환수단{1차측 열교환기(12-1) 또는 1차측 히트펌프(30-1)} - 2단 저수부(23-2) - 2차측 열교환수단{2차측 열교환기(12-2) 또는 2차측 히트펌프(30-2)} - 환수측 지열공(2)을 경로로 하여 순환하는 예를 도시한 것이다. 이 때, 1단 저수부(23-1)와 2단 저수부(23-2)에 저수되는 지하수를 1차측 열교환수단과 2차측 열교환수단에 순환시키기 위하여 순환펌프가 각각 구성된다.12 shows a supply side geothermal hole (1)-a first-stage water reservoir (23-1)-a primary heat exchange means (a primary heat exchanger (12-1) or a primary heat pump (30-1))-a second-stage water reservoir (23-2)-Secondary side heat exchange means {secondary side heat exchanger (12-2) or secondary side heat pump (30-2)}-It shows an example of circulation through the return side geothermal hole (2) as a path . At this time, a circulation pump is configured to circulate groundwater stored in the first-stage water storage unit 23-1 and the second-stage water storage unit 23-2 to the primary heat exchange means and the secondary heat exchange means.

<주저수탱크와 환수저수탱크><Reservation water tank and return water storage tank>

도 13에서 보이는 것처럼, 공급측 지열공(1)에서 공급되는 지하수를 저장하는 주저수탱크(23S), 다수의 히트펌프(30-1,30-2,30-3,30-4)(또는 열교환기), 공급측 지열공(1)에서 공급되는 지하수를 저장하는 한편 보충관을 통해 주저수탱크(23S)에 저장된 지하수를 보충받으며 지하수를 3차측 히트펌프(30-3)에 공급 또는 환수측 지열공(2)에 환수하는 환수저수탱크(23R)로 이루어진다.As shown in Figure 13, the main storage tank (23S) for storing the groundwater supplied from the supply side geothermal hole (1), a plurality of heat pumps (30-1, 30-2, 30-3, 30-4) (or heat exchange C), the groundwater supplied from the supply side geothermal hole (1) is stored, while the groundwater stored in the main reservoir tank (23S) is supplemented through the supplementary pipe, and the groundwater is supplied to the tertiary heat pump (30-3) or It consists of a water exchange storage tank (23R) that is returned to the hot hole (2).

환수저수탱크(23R)는 급수밸브에 의해 개폐되는 급수관을 통해 공급측 지열공(1)에서 공급되는 지하수를 저장하며, 상기 급수밸브는 환수저수탱크(23R)에 저수되는 지하수의 수위를 근거로 하여 개폐된다.The return water storage tank 23R stores groundwater supplied from the supply side geothermal hole 1 through a water supply pipe opened and closed by a water supply valve, and the water supply valve is based on the level of groundwater stored in the water return storage tank 23R. It is opened and closed.

다수의 히트펌프를 직렬그룹과 병렬그룹으로 구분하여 1차측과 2차측 히트펌프(30-1,30-2)를 제1직렬그룹으로, 3차측과 4차측 히트펌프(30-3,30-4)를 제2직렬그룹으로 하며, 즉, 1차측 히트펌프(30-1)는 지하수의 토출측이 2차측 히트펌프(30-2)의 유입측과 연결되고, 3차측 히트펌프(30-3)는 지하수의 토출측이 4차측 히트펌프(30-4)의 유입측과 연결되며, 또한, 제1직렬그룹은 주순환펌프(P1)를 통해 주저수탱크(23S)에 저수된 지하수를 공급받고 제2직렬그룹은 환수순환펌프(P2)를 통해 환수저수탱크(23R)에 저수된 지하수를 공급받도록 배관되고 각 배관에는 지하수의 직렬/병렬 공급을 위한 밸브(V1,V2,V3,V4)가 갖추어진다.A number of heat pumps are divided into series and parallel groups, and the primary and secondary heat pumps (30-1 and 30-2) are divided into the first series and the tertiary and fourth heat pumps (30-3 and 30-). 4) as the second series group, that is, in the primary heat pump 30-1, the discharge side of the groundwater is connected to the inlet side of the secondary heat pump 30-2, and the third heat pump 30-3 ), the discharge side of the groundwater is connected to the inlet side of the fourth heat pump (30-4), and the first series group receives the groundwater stored in the main storage tank (23S) through the main circulation pump (P1). 2Serial group is piped to receive the groundwater stored in the return water storage tank (23R) through the water return circulation pump (P2), and each pipe is equipped with valves (V1, V2, V3, V4) for supplying groundwater in series/parallel. Lose.

V1는 2차 히트펌프(30-2)에서 환수저수탱크(23R)에 환수되는 환수관을 개폐하며, V2는 2차 히트펌프(30-2)와 환수측 지열공(2) 사이의 환수관을 개폐하며, V3는 1차측 히트펌프(30-1)의 공급측과 3차측 히트펌프(30-3)의 공급측 사이의 배관을 개폐하며, V4는 주저수탱크(23S)와 환수저수탱크(23R) 사이의 보충관을 개폐한다.V1 opens and closes the water return pipe that is returned to the water return storage tank 23R from the secondary heat pump 30-2, and V2 is the water return pipe between the secondary heat pump 30-2 and the water return side geothermal hole 2 V3 opens and closes the pipe between the supply side of the primary heat pump 30-1 and the supply side of the tertiary heat pump 30-3, and V4 is the main storage tank (23S) and the return storage tank (23R). Open and close the supplementary pipe between ).

하절기 : 지하수는 공급측 지열공(1) - 주저수탱크 - 주순환펌프 - 1차측 히트펌프 - 2차측 히트펌프 - 환수저수탱크 - 환수순환펌프 - 1차측 히트펌프 - 2차측 히트펌프 - 환수측 지열공(2)을 경로로 하여 흐르게 되며, 환수측 저수탱크의 저수량은 2차측 히트펌프를 통과하는 환수량과 주저수탱크에서 공급되는 공급량으로 유지된다. 밸브(V1,V3)는 폐쇄, 밸브(V2)는 개방이다. Summer season: groundwater supply side geothermal hole (1)-main reservoir tank-main circulation pump-primary side heat pump-secondary side heat pump-return reservoir tank-return circulation pump-primary side heat pump-secondary side heat pump-return side geothermal hole It flows through the path of (2), and the amount of water stored in the water return side storage tank is maintained by the amount of water returned through the secondary side heat pump and the amount supplied from the main storage tank. Valves V1 and V3 are closed, and valve V2 is open.

즉, 지하수는 히트펌프를 통과하면서 15℃ → 20℃, 20℃ → 25℃, 25℃ → 30℃, 30℃ → 35℃의 온도가 변하지만 히트펌프를 가동할 수 있어 적은 지하수 열량으로 열용량을 크게 활용 가능한 효과가 있다.In other words, while the groundwater passes through the heat pump, the temperature of 15℃ → 20℃, 20℃ → 25℃, 25℃ → 30℃, 30℃ → 35℃ changes, but the heat pump can be operated so that the heat capacity can be reduced with less groundwater heat. There is an effect that can be used greatly.

동절기 : 동절기는 지하수의 순환 중 동결로 인한 동파를 예방하기 위해 15℃ → 10℃, 10℃ → 5℃로 2단 히트펌프의 가동으로 운영되며, 이를 위하여 1차측과 2차측 히트펌프는 직렬그룹, 3차측과 4차측 히트펌프는 직렬그룹이면서 상기 직렬그룹과 병렬이다. 이 때, 지하수는 주순환펌프를 통해 1차 히트펌프에 공급되는 것과 별도로 3차측 히트펌프에 공급되어 병렬 운전되며, 또는 주저수탱크 - 주순환펌프 - 1차측 히트펌프의 경로, 환수저수탱크 - 환수순환펌프 - 3차측 히트펌프의 경로를 통해 병렬 운전된다. 밸브(V1)는 폐쇄, 밸브(V2,V3)는 개방이다. Winter season: In winter, two-stage heat pumps are operated at 15℃ → 10℃, 10℃ → 5℃ to prevent freeze caused by freezing during circulation of groundwater. To this end, the primary and secondary heat pumps are in series. In addition, the third and fourth heat pumps are a series group and parallel to the series group. At this time, groundwater is supplied to the third heat pump and operated in parallel, separately from being supplied to the primary heat pump through the main circulation pump, or the main storage tank-the main circulation pump-the path of the primary heat pump, the return water storage tank-the return circulation Pump-Operates in parallel through the path of the third heat pump. The valve V1 is closed, and the valves V2 and V3 are open.

도 14는 히트펌프(30-1,30-2)(또는 열교환기)와 축열조(40)를 열매체 순환관으로 연결하여 상기 열매체 순환관을 통해 열을 축열하고, 한편 축열조(40)의 축열을 부하측 열교환기(50)에 공급하도록 배관되는 예를 도시한 것이다.14 shows heat storage through the heat medium circulation pipe by connecting the heat pumps 30-1 and 30-2 (or heat exchanger) and the heat storage tank 40 with a heat medium circulation pipe, while heat storage of the heat storage tank 40 An example of piping to be supplied to the load-side heat exchanger 50 is shown.

이 때, 히트펌프(30-1,30-2)는 열교환기 분리형 히트펌프, 열교환기 내장형 히트펌프 모두가 가능하다.In this case, the heat pumps 30-1 and 30-2 may be both a heat exchanger-separated heat pump and a heat exchanger built-in heat pump.

도 15는 도 13을 이용한 실시예로서 각각 하나의 주저수탱크(23S)와 환수저수탱크(23R)에 공급헤더(10a-1,10a-2)와 환수헤더(11a-1,11a-2)를 통해 다수의 히트펌프를 연결하며, 주저수탱크(20S)에 연결된 히트펌프(또는 열교환기)들을 통과한 지하수를 환수저수탱크(23R)에 환수하여 이 환수된 지하수 및/또는 공급측 지열공(1)에서 공급되는 지하수를 환수저수탱크(23R)측의 공급헤더(10a-2)에 공급하고, 환수헤더(11a-2)에 집수된 지하수를 환수측 지열공(2)에 환수한다.FIG. 15 is an embodiment using FIG. 13, and supply headers 10a-1 and 10a-2 and return headers 11a-1 and 11a-2 to each of the main storage tank 23S and the return storage tank 23R. The groundwater that has passed through the heat pumps (or heat exchangers) connected to the main storage tank 20S is returned to the return storage tank 23R, and the recovered groundwater and/or the supply-side geothermal hole ( The groundwater supplied from 1) is supplied to the supply header (10a-2) of the return storage tank (23R), and the groundwater collected in the return header (11a-2) is returned to the geothermal hole (2) on the return side.

이와 별도로, 주저수탱크(23S)의 지하수를 음용수 또는 생활용수로 급수하기 위한 생활용수 급수수단(23S-1)(급수관, 급수펌프)이 포함되고, 또한, 환수저수탱크(23R)의 지하수를 급탕수로 급수하는 급탕수 급수수단(23R-1)이 포함된다.Separately, a household water supply means (23S-1) (water supply pipe, water pump) for supplying the groundwater of the main storage tank 23S to drinking water or household water is included, and also, the groundwater of the return storage tank 23R is hot water. It includes a water supply means (23R-1) for water supply.

주저수탱크(23S)는 공급측 지열공(1)에서 양수한 약 15℃의 지하수를 저장하기 때문에 음용수 또는 생활용수를 급수하는 것이 가능하며 즉, 지열 공급의 겸용이 가능한 것이며, 공급 전용으로 환수는 없는 계통이다.Since the main storage tank (23S) stores the groundwater of about 15℃ pumped from the supply side geothermal hole (1), it is possible to supply drinking water or household water. That is, it is possible to use both geothermal heat supply. There is no system.

반면, 환수저수탱크(23R)는 선행하는 히트펌프들을 통과하여 온도가 상승한 지하수를 저장하기 때문에 급탕수 급수용으로 사용이 가능한 것이다.On the other hand, since the return water storage tank 23R stores groundwater whose temperature has risen through the preceding heat pumps, it can be used for hot water supply.

도면에서 밸브(V1)은 공급헤더(10a-1,10a-2)들을 연결하는 연결관을 개폐하는 것이며, 밸브(V2)는 환수저수탱크(23R)의 지하수를 환수측 지열공(2)에 환수하는 환수관을 개폐하는 것이고, 밸브(V3)은 환수저수탱크(23R)측의 환수헤더(11-2)와 환수측 지열공(2)을 연결하는 환수관을 개폐하는 밸브이며, 밸브(V4)는 환수헤더(11-2)에 집수된 지하수를 환수측 지열공에 환수하는 배관을 개폐하는 것이다.In the drawing, the valve (V1) is to open and close the connection pipe connecting the supply headers (10a-1, 10a-2), and the valve (V2) is to transfer the groundwater of the return water storage tank (23R) to the return side geothermal hole (2). The valve (V3) is a valve that opens and closes the return pipe connecting the return header 11-2 on the return water storage tank 23R side and the geothermal hole 2 on the return side, and the valve ( V4) is to open and close the pipe for returning the groundwater collected in the return header 11-2 to the geothermal hole on the return side.

1 : 공급측 지열공, 2 : 환수측 지열공
3 : 겸용 지열공,
10,10a-1,10a-2,11a-1,11a-2 : 공급헤더,
10-1,10-2,10-3 : 공급측 병렬관
11 : 환수헤더, 11-1,11-2,11-3 : 환수측 병렬관
20 : 양수펌프, 21 : 공급관
22 : 환수관, 23 : 저수탱크
30-1,30-2,30-3 : 1차측 내지 3차측 히트펌프
40 : 축열조, 50 : 부하측 냉난방기
60-1,60-2,60-3 : 1차측 내지 3차측 열교환기,
1: supply side geothermal hole, 2: return side geothermal hole
3: Combined geothermal work,
10,10a-1,10a-2,11a-1,11a-2: supply header,
10-1,10-2,10-3: parallel pipe on the supply side
11: return header, 11-1,11-2,11-3: parallel pipe on the return side
20: pump, 21: supply pipe
22: water return pipe, 23: storage tank
30-1,30-2,30-3: primary to tertiary heat pump
40: heat storage tank, 50: load side air conditioner
60-1,60-2,60-3: primary to tertiary heat exchanger,

Claims (8)

지표면 아래에 시공되는 지열공과;
상기 지열공 안에 있는 지하수를 공급하는 지열공급장치와;
상기 지열공급장치의 지열을 열원으로 냉난방 열을 생산하여 냉난방 부하에 공급하는 히트펌프와;
상기 지열공급장치를 통해 지하수를 공급받아 저장한 후 상기 히트펌프에 공급하는 저수탱크를 포함하고,
상기 히트펌프는 2대 이상이 연쇄적으로 연결되어 지하수가 순차적으로 통과하도록 구성되며, 상기 2대 이상의 히트펌프는 선행하는 히트펌프에서 배출되는 지하수의 온도가 히트펌프의 운전이 가능한 온도를 벗어난 온도인 경우 지하수를 지중에 재주입하거나 배출하는 것으로,
상기 저수탱크는 상기 지열공에서 양수되는 지하수를 저장하는 주저수탱크 및 상기 지열공에서 양수되는 지하수 또는 상기 주저수탱크에 저장된 지하수를 보충받는 환수저수탱크로 구분되는 한편, 상기 히트펌프는 각각 2단 이상의 직렬로 연결되며 상기 주저수탱크와 환수저수탱크에 병렬로 연결되는 2개의 그룹으로 구분되어 직렬 경로 또는 병렬 경로에 의해 운전하는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 시스템.
Geothermal engineering installed under the ground surface;
A geothermal heat supply device for supplying groundwater in the geothermal hole;
A heat pump for producing cooling and heating heat from the geothermal heat of the geothermal supply device as a heat source and supplying it to a cooling and heating load;
And a storage tank for receiving and storing groundwater through the geothermal supply device and supplying it to the heat pump,
The two or more heat pumps are connected in series so that groundwater passes sequentially, and in the two or more heat pumps, the temperature of groundwater discharged from the preceding heat pump exceeds the temperature at which the heat pump can be operated. In the case of, it means reinjecting or discharging groundwater into the ground,
The storage tank is divided into a main storage tank that stores groundwater pumped from the geothermal hole and a return storage tank that is supplemented with groundwater pumped from the geothermal hole or groundwater stored in the main storage tank, while the heat pump includes 2 A geothermal cooling and heating system, characterized in that it is connected in series at least one stage and is divided into two groups connected in parallel to the main storage tank and the return storage tank, and is operated by a serial path or a parallel path.
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 2대 이상의 히트펌프에서 배출되는 지하수의 유량을 검출하여 현재 검출 유량이 기준 유량을 만족하지 못하면 상기 저수탱크에 저수 중인 지하수를 보충하는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.The method according to claim 1, wherein if the flow rate of groundwater discharged from the two or more heat pumps is detected and the current detection flow rate does not satisfy the reference flow rate, the reservoir tank is supplemented with groundwater in storage. Geothermal heating and cooling system. 청구항 1에 있어서, 상기 지열공급장치를 기준으로 하여 상기 2개 이상의 히트펌프를 병렬로 연결하기 위하여 상기 히트펌프의 공급측 및 환수측에 각각 연결되며 밸브에 의해 개폐되는 공급측 병렬관 및 환수측 병렬관과;
상기 히트펌프 중에서 선행하는 히트펌프의 토출측과 후행하는 히트펌프의 유입측을 연결하며 밸브에 의해 개폐되는 직렬 연결관을 포함하여, 상기 히트펌프를 직렬 또는 병렬 운전하는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.
The supply-side parallel pipe and the return-side parallel pipe respectively connected to the supply side and the return side of the heat pump in order to connect the two or more heat pumps in parallel based on the geothermal heat supply device. and;
A multistage heat pump method characterized in that the heat pump is operated in series or in parallel, including a series connection pipe that connects the discharge side of the preceding heat pump and the inlet side of the following heat pump among the heat pumps and opens and closes by a valve. Geothermal heating and cooling system using
청구항 1에 있어서,
하절기에 냉방 운전 시 상기 주저수탱크에 저장된 지하수가 첫 번째 병렬 그룹을 순차적으로 통과한 후 상기 환수저수탱크에 저장되고 상기 환수저수탱크에 저장된 지하수가 두 번째 병렬 그룹을 순차적으로 통과한 후 지중에 환수되는 직렬 경로를 구성하는 한편, 동절기에 난방 운전 시 상기 주저수탱크에 연결된 첫 번째 병렬 그룹의 히트펌프들 가동하거나, 상기 주저수탱크와 환수저수탱크에 각각 연결되는 2개의 병렬 그룹을 병렬 운전하는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.
The method according to claim 1,
During cooling operation in the summer season, groundwater stored in the main reservoir tank sequentially passes through the first parallel group, and then stored in the return reservoir tank, and the groundwater stored in the return reservoir tank sequentially passes through the second parallel group. While configuring a serial path to be returned, heat pumps of the first parallel group connected to the main reservoir tank are operated during heating operation in winter, or two parallel groups connected to the main reservoir tank and the return reservoir tank are operated in parallel. Geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method, characterized in that.
청구항 5에 있어서, 상기 주저수탱크에 저장된 지하수를 음용수 또는 생활용수로 급수하는 생활용수 급수수단 및 상기 환수저수탱크에 저장된 지하수를 급탕수로 급수하는 급탕수 급수수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.The method according to claim 5, characterized in that it comprises at least one of a household water supply means for supplying the groundwater stored in the main storage tank as drinking water or a household water, and a hot water supply means for supplying the groundwater stored in the exchange water storage tank with hot water. Geothermal cooling and heating system using multi-stage heat pump method. 청구항 1에 있어서, 상기 저수탱크는 지하수가 서로 통하지 않도록 2단 이상으로 구성되면서 열교환기를 사이에 두고 서로 연결되는 저수부를 갖는 형태이며, 지하수는 상기 저수부와 상기 열교환기를 통해 연쇄적으로 순환하는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.The method according to claim 1, wherein the storage tank is composed of two or more stages so that groundwater does not communicate with each other, and has a storage unit connected to each other through a heat exchanger, and the groundwater is circulated in chain through the storage unit and the heat exchanger Geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method, characterized in that. 청구항 1에 있어서, 상기 지열공은 서로 다른 곳에 형성되는 공급측 지열공 및 환수측 지열공으로 이루어지거나, 서로 다른 대수층과 연결되도록 형성되면서 서로 다른 대수층들을 차단하는 차폐장치를 통해 공급부와 환수부로 구획되는 겸용 지열공으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다단 히트펌프 방식을 이용한 지열 냉난방 시스템.



The method according to claim 1, wherein the geothermal hole is formed of a supply side geothermal hole and a water exchange side geothermal hole formed in different places, or is formed to be connected to different aquifers and is divided into a supply unit and a water return unit through a shielding device that blocks different aquifers. Geothermal cooling and heating system using a multistage heat pump method, characterized in that consisting of a combined geothermal hole.



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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102335735B1 (en) * 2021-05-27 2021-12-06 주식회사 디에이치이엔지 Jeju type heatpump geothermal heat system
CN114484935A (en) * 2021-12-31 2022-05-13 青岛海尔空调电子有限公司 Heat pump unit and control method and control device thereof
CN114608219A (en) * 2022-01-24 2022-06-10 中国矿业大学 Cold and hot conversion cyclic utilization system of high temperature mine water resource
CN115900134A (en) * 2022-11-16 2023-04-04 珠海格力电器股份有限公司 Multi-heat-pump module unit and anti-freezing control method thereof
CN116007087A (en) * 2022-12-12 2023-04-25 广州市中南机电工程有限公司 High-efficiency energy-saving cold accumulation air conditioning system
CZ309830B6 (en) * 2022-11-22 2023-11-15 Electrotechnics s.r.o. Kovalík Connection of heat pumps and the method of controlling the heat pumps of this connection
KR20230167654A (en) * 2022-06-02 2023-12-11 조희남 Geothermal system constituting mixed return water collect and method for constructing this same
KR102662170B1 (en) * 2023-10-24 2024-04-30 주식회사 에너지컨설팅 Regenerative heat pump system comprising geothermal exchanger

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100628986B1 (en) * 2006-03-20 2006-09-27 (주)티이엔 Air conditioning system using subsurface water and control method thereof
KR100670082B1 (en) * 2006-01-09 2007-01-17 한국과학기술연구원 Heat pump system using ground water
KR101220531B1 (en) 2012-07-05 2013-01-10 한국지질자원연구원 Geothermal system using circulation underground water
JP2013190202A (en) * 2013-05-22 2013-09-26 Kajima Corp Geothermal heat utilizing device
KR20140016471A (en) * 2012-07-30 2014-02-10 주식회사 지지케이 Real time automatic control system of open ground heat exchanger
KR101992308B1 (en) 2018-12-07 2019-06-25 주식회사 지앤지테크놀러지 Geothermal System Using a Single Water Supply System for Smart Farm and Building Cooling and Method for constructing this same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100670082B1 (en) * 2006-01-09 2007-01-17 한국과학기술연구원 Heat pump system using ground water
KR100628986B1 (en) * 2006-03-20 2006-09-27 (주)티이엔 Air conditioning system using subsurface water and control method thereof
KR101220531B1 (en) 2012-07-05 2013-01-10 한국지질자원연구원 Geothermal system using circulation underground water
KR20140016471A (en) * 2012-07-30 2014-02-10 주식회사 지지케이 Real time automatic control system of open ground heat exchanger
JP2013190202A (en) * 2013-05-22 2013-09-26 Kajima Corp Geothermal heat utilizing device
KR101992308B1 (en) 2018-12-07 2019-06-25 주식회사 지앤지테크놀러지 Geothermal System Using a Single Water Supply System for Smart Farm and Building Cooling and Method for constructing this same

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102335735B1 (en) * 2021-05-27 2021-12-06 주식회사 디에이치이엔지 Jeju type heatpump geothermal heat system
CN114484935A (en) * 2021-12-31 2022-05-13 青岛海尔空调电子有限公司 Heat pump unit and control method and control device thereof
CN114484935B (en) * 2021-12-31 2023-09-26 青岛海尔空调电子有限公司 Heat pump unit and control method and control device thereof
CN114608219A (en) * 2022-01-24 2022-06-10 中国矿业大学 Cold and hot conversion cyclic utilization system of high temperature mine water resource
CN114608219B (en) * 2022-01-24 2022-11-04 中国矿业大学 Cold and hot conversion cyclic utilization system of high temperature mine water resource
KR20230167654A (en) * 2022-06-02 2023-12-11 조희남 Geothermal system constituting mixed return water collect and method for constructing this same
KR102672817B1 (en) 2022-06-02 2024-06-04 조희남 Geothermal system constituting mixed return water collect and method for constructing this same
CN115900134A (en) * 2022-11-16 2023-04-04 珠海格力电器股份有限公司 Multi-heat-pump module unit and anti-freezing control method thereof
CN115900134B (en) * 2022-11-16 2024-06-04 珠海格力电器股份有限公司 Multi-heat pump module unit and anti-freezing control method thereof
CZ309830B6 (en) * 2022-11-22 2023-11-15 Electrotechnics s.r.o. Kovalík Connection of heat pumps and the method of controlling the heat pumps of this connection
CN116007087A (en) * 2022-12-12 2023-04-25 广州市中南机电工程有限公司 High-efficiency energy-saving cold accumulation air conditioning system
KR102662170B1 (en) * 2023-10-24 2024-04-30 주식회사 에너지컨설팅 Regenerative heat pump system comprising geothermal exchanger

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