KR20160017919A

KR20160017919A - 지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR20160017919A
Application number: KR1020140101560A
Authority: KR
Inventors: 진병문; 이민재; 문현정
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-17
Also published as: KR101640523B1

Abstract

본 발명은 하우스의 지붕면에 뿌려진 후 회수되는 지하수의 온도 저하를 최소화하면서 순환할 수 있도록 함으로써 설치 비용과 시설 유지비를 대폭 절감할 수 있는 지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템은, 지하의 암반층 내부에서부터 상측으로 연장된 관정의 내부에 설치되어 지하수를 펌핑하는 모터펌프와; 상기 모터펌프와 연결되고, 상기 관정의 내부를 통해 상측으로 연장된 후 하우스의 지붕면 쪽으로 연장되게 설치되어, 상기 모터펌프에 의해 펌핑된 지하수를 하우스의 지붕면으로 안내하는 송수라인과; 일단이 상기 하우스의 바닥면에 배치되고 타단이 상기 관정 내에 배치되어 하우스의 바닥면으로 낙하한 지하수를 회수하여 관정으로 안내하여 배출하는 회수라인과; 상기 관정 내에서 상기 암반층의 상부에 설치되며, 상기 회수라인에 의해 회수된 후 관정 내에서 하측으로 낙하하는 지하수를 암반층의 내표면으로 유도하는 분산 플랩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법{Water Curtain Cultivation System of Underground Water Circulation and Method for Working the System}

본 발명은 수막 재배 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복겹으로 된 비닐하우스 지붕면에 뿌린 지하수를 회수하고, 회수된 지하수를 송수라인을 따라 흐르게 하여 1차적으로 열교환시킨 다음, 암반층 관정 입구에서 암반층의 관정 내표면으로 유도하여 암반층에 의해 2차적으로 열교환한 후, 열교환된 지하수를 다시 송수라인을 통해 비닐하우스로 공급될 수 있도록 한 지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 비닐하우스, 유리온실 등의 시설(이하, '하우스'로 칭함) 안에서 채소, 과수, 화훼 등의 작물을 재배하는 것을 시설재배라고 하며, 시설재배는 작물 생장에 가장 적합한 환경을 인위적으로 만들어 주어 노지보다 훨씬 우수한 작물을 단시일 내에 생산 출하하여 판매하도록 함으로써, 최대한의 이익을 얻을 수 있게 하고, 연중재배를 가능하게 함으로써 농촌에서 광범위하게 실시되고 있음이 주지된 사실이다.

그러나, 겨울철 시설재배에서는 작물에 필요한 온도 유지가 가장 중요한데, 유가가 상승하면 난방비 부담이 가중되기 때문에, 시설재배 전반에 걸쳐 악영향을 주는 문제가 있다. 이러한 난방비 부담에 대한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 연중 15℃ 내외의 온도를 유지하는 지하수를 겨울철에 하우스의 외부에 뿌려 하우스 내의 온도를 상승시키는 지하수를 이용한 수막재배법이 활용되고 있다.

그런데, 종래에 사용되는 지하수를 이용하는 수막재배법은 사용된 지하수가 수로 등을 통하여 버려짐으로써, 장시간의 사용 시 지하수의 과다양수로 인해 전반적인 지하수의 수위가 낮아지거나 고갈로 이어지면서 지반 침하 등의 문제를 발생시키게 되고, 이에 따라 다른 장소에 지하수공을 형성하거나 지하수공의 깊이를 깊게 형성하여야 하는 문제점 등을 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 등록특허 제10-0888039호에 하우스로부터 배수되는 지하수를 지하수공으로 다시 환원하기 위한 환원수로와, 상기 환원수로로 향하는 지하수를 정화하기 위한 정화수단 등을 구성하여 지하수를 순환시키면서 수막재배를 할 수 있는 수막 재배 시스템이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 수막 재배 시스템은 그 구성이 복잡하여 많은 설치 비용과 유지 관리 비용이 요구되는 문제가 있으며, 환원되는 지하수의 온도가 낮기 때문에 차가워진 만큼 원수와 섞거나 보일러 등의 가열장치를 이용하여 가열한 다음 재활용하게 되므로 시설 유지비가 더욱 증가하게 되는 문제가 있다.

등록특허 제10-0888039호 등록특허 제10-0937441호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 하우스의 지붕면에 뿌려진 후 회수되는 지하수의 온도 저하를 최소화하면서 순환할 수 있도록 함으로써 설치비용과 시설 유지비를 대폭 절감할 수 있는 지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템은, 지하의 암반층 내부에서부터 상측으로 연장된 관정의 내부에 설치되어 지하수를 펌핑하는 모터펌프와; 상기 모터펌프와 연결되고, 상기 관정의 내부를 통해 상측으로 연장된 후 하우스의 지붕면 쪽으로 연장되게 설치되어, 상기 모터펌프에 의해 펌핑된 지하수를 하우스의 지붕면으로 안내하는 송수라인과; 일단이 상기 하우스의 바닥면에 배치되고 타단이 상기 관정 내에 배치되어 하우스의 바닥면으로 낙하한 지하수를 회수하여 관정으로 안내하여 배출하는 회수라인과; 상기 관정 내에서 상기 암반층의 상부에 설치되며, 상기 회수라인에 의해 회수된 후 관정 내에서 하측으로 낙하하는 지하수를 암반층의 내표면으로 유도하는 분산 플랩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기와 같은 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 작동방법으로서, (a) 모터펌프가 지하수를 펌핑하여 송수라인을 통해 하우스의 지붕면으로 공급하는 단계; (b) 상기 하우스에서 낙하한 지하수를 회수라인을 통해 회수하여 관정 내부로 안내하는 단계; (c) 상기 관정 내부에서 낙하하는 지하수를 암반층의 상부에서 외측으로 분산시켜 암반층의 내표면으로 유도하여 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 작동 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 하우스로 공급되어 사용된 지하수를 다시 회수하고, 회수된 지하수가 송수라인의 외측면과 암반층의 내측면을 차례로 경유하면서 열교환하도록 하여 회수되는 지하수의 온도를 공급되는 지하수의 온도와 유사한 온도로 유지할 수 있다. 따라서, 보일러나 전열히터 등의 별도 가열장치를 이용하지 않고도 지하수의 온도를 일정하게 유지하면서 순환시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 별도의 가열장치를 필요로 하지 않으므로 시설유지비를 대폭 절감할 수 있으며, 설치 및 유지관리가 용이하고 시스템의 수명을 연장시킬 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 유도부재의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 B 부분의 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 유도부재의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 유도부재의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 5의 유도부재의 또 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템 및 그 작동 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템은 지하의 암반층(R) 내부에서부터 상측으로 연장된 관정(W)의 내부에 설치되어 지하수를 펌핑하는 모터펌프(10)와, 상기 모터펌프(10)에 의해 펌핑된 지하수를 하우스(H)의 지붕면으로 안내하는 송수라인(21, 22)과, 하우스(H)의 바닥면으로 낙하한 지하수를 회수하여 관정(W)으로 안내하여 배출하는 회수라인(30)과, 상기 회수라인(30)을 통해 배출되는 지하수를 송수라인(21, 22)의 외면으로 유도하는 유도부재(40)와, 상기 회수라인(30)에 의해 회수된 후 관정(W) 내에서 하측으로 낙하하는 지하수를 암반층(R)의 내표면으로 유도하는 분산 플랩(50)을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 관정(W)은 암반층(R) 내측에서부터 상측으로 수직하게 시공되며, 암반층(R)의 바로 상측에는 관정케이싱(C)이 설치된다. 상기 관정(W)의 상단부에는 덮개가 설치된다. 관정(W)의 암반층(R)은 상시 온도가 대략 15℃ 내지 17℃ 로서 암반층(R) 내부의 지하수 온도 역시 15℃ 내지 17℃ 정도의 상시 온도를 유지한다.

상기 모터펌프(10)는 관정(W)의 암반층(R)의 하부에 설치되어 지하수를 송수라인(21, 22)을 통해 펌핑한다.

상기 송수라인(21, 22)은 하단부가 상기 모터펌프(10)와 연결되며 상기 관정(W)의 내부에서 상측으로 연장되게 설치되는 양수관(21)과, 일단이 상기 양수관(21)의 상단부와 연결되고 타단이 하우스(H)의 지붕면과 인접하게 설치되어 양수관(21)을 통해 펌핑된 지하수를 하우스(H)의 지붕면으로 안내하는 공급관(22)으로 구성된다.

상기 회수라인(30)은 일단부(입구부)가 하우스(H)의 바닥면 양측부에 설치되어 하우스(H)의 외면을 타고 낙하한 지하수를 집수하는 집수통(70)에 연결되고, 타단부(배출부)가 관정(W) 내부에서 상기 양수관(21)의 상단부 외측에 연결되어 집수통(70)에 집수된 지하수를 상기 양수관(21)의 외측면으로 안내하여 배출한다.

상기 회수라인(30)에는 회수된 지하수를 정수하기 위한 필터(60)가 설치되는 것이 바람직하다.

도 2에 도시한 것과 같이 상기 양수관(21)의 상단부에 외측에 연결되는 회수라인(30)의 배출부 하측에는 회수라인(30)을 통해 배출되는 지하수를 양수관(21)의 외면으로 유도하기 위한 유도부재(40)가 설치된다. 상기 유도부재(40)는 상단이 관정(W)의 내표면에 부착되고, 하부의 직경이 상부의 직경보다 작은 깔때기 형태로 이루어질 수 있다. 상기 유도부재(40)를 통과하는 지하수가 양수관(21)에 더 넓은 접촉 면적으로 접촉하면서 열교환될 수 있도록 하기 위하여 도 3에 도시한 것과 같이 상기 유도부재(40)의 내주면에 나선형의 가이드리브(42)가 돌출되게 형성될 수 있다.

도 4에 도시한 것과 같이, 상기 분산 플랩(50)은 상기 관정(W) 내에서 상기 암반층(R)의 상부에 설치되어 상기 양수관(21)의 외면을 타고 흘러내리는 지하수를 외측으로 분산시켜 암반층(R)의 내표면으로 유도하는 작용을 한다.

상기 분산 플랩(50)은 도 5에 도시한 것과 같이, 상기 암반층(R)의 상단 입구부분에서 상기 양수관(21)의 외면에 끼워져 고정되게 설치되며, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 증가하는 콘(cone) 형태로 형성될 수 있다. 이러한 분산 플랩(50)의 외면에는 분산을 유도하기 위한 돌기나 요철 등이 형성될 수 있다. 상기 분산 플랩(50)의 하단부는 암반층(R)의 내표면에 인접하게 배치되어, 분산 플랩(50)의 외면을 따라 흘러내리는 물이 분산 플랩(50)의 하단부를 통해 배출되면서 암반층(R)의 내표면으로 유도되어 암반층(R) 내표면을 따라 흘러내리게 하는 작용을 한다.

이와 같은 작용을 하는 분산 플랩(50)은 양수관(21)에 고정되게 설치될 수 있지만, 이와 다르게 분산 플랩(50)이 회전하면서 물을 반경방향 외측으로 분산시킬 수도 있을 것이다. 이 경우 도 6에 도시한 것과 같이 분산 플랩(50)은 상기 양수관(21)에 대해 회전 가능하게 설치되며, 분산 플랩(50)의 외면에는 낙하하는 수류에 의해 회전하면서 지하수를 분산하기 위한 복수개의 블레이드(52)가 돌출되게 형성된 구조로 이루어질 수 있다.

또는 도 7에 도시한 것과 같이 통상의 축류팬이나 프로펠러와 같은 형태로 된 복수개의 블레이드(53)를 갖는 분산 플랩(50)을 제작하고, 분산 플랩(50)을 상기 암반층(R)의 상단 입구부분에서 상기 양수관(21)의 외면에 자유롭게 회전하도록 설치하여, 분산 플랩(50)이 낙하하는 수류에 의해 회전하면서 지하수를 외측으로 분산하게 할 수도 있다.

한편, 본 발명의 순환식 수막 재배 시스템은 전술한 구성요소 외에도 지하수 공급량의 순간적 대소를 판별하기 위하여 송수라인(21, 22)의 압력을 측정하는 압력센서(25)와, 송수되는 지하수의 수온을 측정하기 위한 온도센서(26), 온도 저하시 암반층(R) 이하의 수온이 적정 온도로 유지될 때까지 관정(W)이 아닌 외부로 폐수되는 지하수를 일부 저장 및 재사용하는 저장탱크(미도시) 등을 추가로 구비할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 순환식 수막 재배 시스템은 다음과 같이 작동한다.

상기 모터펌프(10)에 전원이 인가되어 지하수를 펌핑하면, 송수라인(21, 22)의 양수관(21) 및 공급관(22)을 차례로 통과하여 하우스(H)의 지붕면에 지하수가 공급된다.

상기 하우스(H)의 지붕면을 타고 낙하한 지하수는 집수통(70)에 집수된 후, 회수라인(30)로 회수된다. 상기 회수라인(30)을 통해 회수된 물은 필터(60)를 통과하면서 정화된 후 회수라인(30)의 배출구를 통해 양수관(21)의 상단부 외측면으로 배출된다.

이 때, 회수라인(30)에서 배출된 물은 유도부재(40)를 통과하면서 양수관(21)의 외면을 따라 흘러내리게 되고, 양수관(21) 내부를 통과하는 지하수와 열교환하게 된다.

상기 양수관(21)을 따라 낙하하면서 1차 열교환된 물은 암반층(R) 상단부에 설치된 분산 플랩(50)에 의해 외측으로 분산되면서 암반층(R)의 내표면으로 유도된다. 상기 암반층(R)의 내표면으로 유도된 물은 암반층(R) 내표면을 따라 흘러내리면서 암반층(R)과 열교환한다. 암반층(R)에서 2차적으로 열교환된 물은 암반층(R) 내부의 지하수와 섞인 다음 다시 모터펌프(10)에 의해 펌핑되면서 순환하게 된다.

이와 같이 하우스(H)의 지붕면으로 공급된 후 집수통(70) → 회수라인(30) → 유도부재(40) → 분산 플랩(50)을 차례로 거치면서 회수된 물이 암반층(R) 내의 지하수와 섞이면서 암반층(R) 내의 지하수의 온도는 대략 13℃ 내지 16℃ 정도를 유지하게 된다. 따라서, 보일러나 전열히터 등의 별도 가열장치를 이용하지 않고도 지하수의 온도를 일정하게 유지하면서 순환시킬 수 있게 되는 것이다.

전술한 것과 같은 본 발명에 따르면, 하우스(H)로 공급되어 사용된 지하수를 다시 회수하고, 회수된 지하수가 송수라인(21, 22)의 외측면과 암반층(R)의 내측면을 차례로 경유하면서 열교환되도록 하여 회수되는 지하수의 온도를 공급되는 지하수의 온도와 유사한 온도로 유지할 수 있다. 따라서, 보일러나 전열히터 등의 별도 가열장치를 이용하지 않고도 지하수의 온도를 일정하게 유지하면서 순환시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 별도의 가열장치를 필요로 하지 않으므로 시설유지비를 대폭 절감할 수 있으며, 설치 및 유지관리가 용이한 효과도 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

C : 관정케이싱 H : 하우스
R : 암반층 W : 관정
10 : 모터펌프 21, 22 : 송수라인(21 : 양수관, 22 : 공급관 )
30 : 회수라인 40 : 유도부재
42 : 가이드리브 50 : 분산 플랩
52 : 블레이드 53 : 블레이드

Claims

지하의 암반층(R) 내부에서부터 상측으로 연장된 관정(W)의 내부에 설치되어 지하수를 펌핑하는 모터펌프(10)와;
상기 모터펌프(10)와 연결되고, 상기 관정(W)의 내부를 통해 상측으로 연장된 후 하우스(H)의 지붕면 쪽으로 연장되게 설치되어, 상기 모터펌프(10)에 의해 펌핑된 지하수를 하우스(H)의 지붕면으로 안내하는 송수라인(21, 22)과;
일단이 상기 하우스(H)의 바닥면에 배치되고 타단이 상기 관정(W) 내에 배치되어 하우스(H)의 바닥면으로 낙하한 지하수를 회수하여 관정(W)으로 안내하여 배출하는 회수라인(30)과;
상기 관정(W) 내에서 상기 암반층(R)의 상부에 설치되며, 상기 회수라인(30)에 의해 회수된 후 관정(W) 내에서 하측으로 낙하하는 지하수를 암반층(R)의 내표면으로 유도하는 분산 플랩(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회수라인(30)은 관정(W) 내에 위치한 송수라인(21, 22)의 외측부에 연결되어, 회수된 지하수를 송수라인(21, 22)의 외측면으로 배출하도록 된 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제2항에 있어서, 상기 송수라인(21, 22)과 회수라인(30)이 연결되는 지점에 설치되어 회수라인(30)을 통해 배출되는 지하수를 송수라인(21, 22)의 외면으로 유도하는 유도부재(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제3항에 있어서, 상기 유도부재(40)는 상단이 관정(W)의 내표면에 부착되고, 하부의 직경이 상부의 직경보다 작은 깔때기 형태로 된 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제4항에 있어서, 상기 유도부재(40)의 내주면에 나선형의 가이드리브(42)가 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분산 플랩(50)은 상기 암반층(R)의 상단 입구부분에서 상기 송수라인(21, 22)의 외면에 끼워지게 설치되며, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 증가하는 콘(cone) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제6항에 있어서, 상기 분산 플랩(50)은 상기 송수라인(21, 22)에 대해 회전 가능하게 설치되며, 낙하하는 수류에 의해 회전하면서 지하수를 분산하는 복수개의 블레이드(52)를 구비한 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분산 플랩(50)은 상기 암반층(R)의 상단 입구부분에서 상기 송수라인(21, 22)의 외면에 끼워져 송수라인(21, 22)에 대해 회전 가능하게 설치되며, 낙하하는 수류에 의해 회전하면서 지하수를 분산하는 복수개의 블레이드(53)를 구비한 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회수라인(30)에는 회수된 지하수를 정수하기 위한 필터(60)가 설치된 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항에 있어서, 하우스(H)의 바닥 부분에 하우스(H)를 타고 낙하한 지하수를 집수하는 집수통(70)이 설치되고, 상기 집수통(70)에 상기 회수라인(30)의 일단부가 연결된 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 작동방법으로서,
(a) 모터펌프(10)가 지하수를 펌핑하여 송수라인(21, 22)을 통해 하우스(H)의 지붕면으로 공급하는 단계와;
(b) 상기 하우스(H)에서 낙하한 지하수를 회수라인(30)을 통해 회수하여 관정(W) 내부로 안내하는 단계와;
(c) 상기 관정(W) 내부에서 낙하하는 지하수를 암반층(R)의 상부에서 외측으로 분산시켜 암반층(R)의 내표면으로 유도하여 열교환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 작동 방법.
제11항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 회수라인(30)을 통해 회수되는 지하수를 송수라인(21, 22)의 외측면으로 배출하여, 송수라인(21, 22)의 외측면을 따라 지하수가 낙하하면서 송수라인(21, 22) 내측을 통해 하우스(H)로 공급되는 지하수와 1차적으로 열교환하도록 한 것을 특징으로 하는 지하수 순환식 수막 재배 시스템의 작동 방법.