KR100296699B1 - 두 헤더를 가진 히트파이프를 이용한 지중열원냉난방열펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중의 열원을 이용하여 냉난방을 위한 열펌프시스템으로서 공기-공기 열펌프시스템은 동절기에 공기의 온도가 매우 낮은 한냉지에서는 공기를 열원으로 한 열펌프의 난방용으로 사용이 불가능하며, 하절기에 공기의 온도가 매우 높으면 열펌프로서의 냉방용으로 사용하는데 매우 낮은 효율을 가지므로 이러한 단점을 보완하고져 년중 온도가 거의 일정한 지중의 열을 전열소자인 두 헤더를 가진 히트파이프를 이용하여 열펌프로 난방과 냉방을 겸할 수 있도록 하여 열펌프의 효용성을 배가시키고져 한 장치이다.

지중의 열원을 열펌프의 냉방과 난방에 사용할 수 있도록 하기 위해서 히트파이프의 상단에 두개의 헤더를 부착하여 히트파이프의 작동유체가 증발과 응축의 역할을 서로 독립적으로 작용하도록 하는 것을 특징으로 하고, 이를 열펌프와 조합하여 하나의 실내코일로 냉방과 난방을 할 수 있도록 회로를 구성한 것을 특징으로 하는 두 헤더를 가진 히트파이프를 이용한 지중열원 냉난방 열펌프시스템이다.

Description

두 헤더를 가진 히트파이프를 이용한 지중열원 냉난방 열펌프시스템

본 발명은 지중의 열원을 이용하여 냉난방을 위한 열펌프시스템으로서 공기-공기 열펌프시스템은 동절기에 공기의 온도가 매우 낮은 한냉지에서는 공기를 열원으로 한 열펌프의 난방용으로 사용이 불가능하며, 하절기에 공기의 온도가 매우 높으면 열펌프로서의 냉방용으로 사용하는데 매우 낮은 효율을 가지므로 이러한 단점을 보완하고져 년중 온도가 거의 일정한 지중의 열을 전열소자인 두 헤더를 가진 히트파이프를 이용하여 열펌프로 난방과 냉방을 겸할 수 있도록 하여 열펌프의 효용성을 배가시키고져 한 장치이다.

히트파이프는 진공용기내에 적당량의 작동유체를 봉입하여 용기를 가열하면 작동유체가 증발하여 응축부로 이동하고 열을 방출한 후 응축되어 증발부로 순환하면서 열을 지속적으로 수송하게 된다. 따라서 응축부에서 응축된 작동유체가 증발부로 귀환하기 위해서는 용기내에 윅이 없으면 중력에 의해 유동하여야 하므로 응축부가 증발부보다 상단에 위치하여야 한다.

지중열을 이용하는 히트파이프는 용량이 크므로 내부에 윅을 삽입하여 모세관력으로 액체를 유동시키기 위해서는 한계가 있기 때문에 윅을 삽입하지 않고 중력에 의해서 액체를 귀환시키고 있다. 이러한 이유로 종래에는 히트파이프를 이용하여 지중열원을 열펌프에 활용하는데에는 난방용으로만 사용되어 왔으나 히트파이프의 크기가 커지므로 인해서 지중에 매설하는 비용이 과다해짐에 비해 열펌프의 효용성이 떨어져 보급에 장애를 가져왔다. 그러나 본 발명에서는 이를 열펌프의 냉난방용으로 사용할 수 있도록 하기 위해 냉방운전시에는 지중에 열을 방열시켜야 하므로 히트파이프 상단에 두개의 헤더를 부착시킨 히트파이프를 이용한 것이다.

히트파이프 상단의 두 헤더는 서로 독립적으로 열펌프의 냉난방운전시에 각각 역할을 하며, 난방운전시에는 히트파이프의 헤더가 응축부로 작동하므로서 지중의 열을 회수하여 열펌프의 열원으로 활용하고, 냉방운전시에는 히트파이프의 헤더가 증발부로 작동하여 열펌프에서 방열시키는 열을 지중으로 전달시키는 역할을 한다. 이러한 역할을 하기 위해서 열펌프의 냉매유동이 히트파이프 두 헤더에는 3-way밸브를 사용하여 조절하고, 실내코일에 들어가는 냉매는 4-way밸브를 사용하여 조절함으로써 냉난방을 겸할 수 있는 열펌프시스템이다.

본 발명은 지중열원 열펌프시스템을 구성함에 있어서 지중에 있는 열을 흡수하여 난방운전시 열원으로 사용하고, 냉방운전시에는 지중에 열을 방출하는 역할을 할 수 있도록 히트파이프가 고안되었으며, 이의 활용효과를 극대화시키기 위해서 히트파이프 상단에 두 개의 헤더를 장착하였다. 따라서 열펌프의 난방운전시에는 열펌프의 증발기를 히트파이프 상단의 헤더에 내장시켜 히트파이프의 증발부를 통하여 지중에서 열을 흡수하여 작동유체가 증기로 상승하여서 상단의 헤더에 설치되어 있는 열펌프의 증발기에 잠열을 전달하고 작동유체는 응축하여 유동분리관을 통해서 중력에 의해 히트파이프의 증발부로 유동하게 된다.

또한, 열펌프의 냉방운전시에는 열펌프의 응축기를 또다른 상단의 헤더에 내장시켜 히트파이프의 작동유체가 열펌프의 응축기로부터 열을 흡수하여 증기로 변하고, 이의 증기는 내부압력차에 의해서 지중에 매설되어 있는 히트파이프의 응축부로 이동하게 된다. 여기서 작동유체는 지중에 열을 방출하고 작동유체는 액체로 변하므로 이를 다시 히트파이프 상단으로 보내기 위해서는 액체수송관에 펌프를 부착하여 강제수송을 할 수 있도록 하였다. 이때 펌프의 작동이 멈추었을 때 액체가 빠져나가 펌핑능력을 저하시키는 것을 방지하기 위해 액체수송관 하단에 첵밸브를 부착하고 펌프 출구에는 솔레노이드 밸브를 부착하였다. 그리고 히트파이프 상단의 헤더에서 히트파이프의 작동유체가 증발 및 응축의 역할이 바뀌므로 이의 효과를 상승시키기 위해서 두 개의 헤더를 부착하여 각각 다른 역할을 할 수 있도록 하였으며, 작동유체가 응축되는 헤더에서는 증기와 액체의 분리판을 설치하여 응축된 액체가 히트파이프의 하부인 증발부로 중력에 의해 이동할 수 있도록 하였다. 그리고 작동유체가 증발되는 헤더에서는 열교환기의 일부가 작동유체에 잠겨있도록 하기 위해서 저장조를 설치하여 비등의 효과를 상승시켰다.

이와 같은 각각의 역할을 위해서 열펌프의 냉매유동을 제어하기 위해 3-way밸브를 설치하였고, 열펌프의 샐내코일이 냉방과 난방을 겸하여 사용하여야 하므로 4-way밸브 부착하여 냉매의 유동방향을 역으로 조절할 수 있도록 하였으며, 이에 따른 팽창밸브의 역할을 달리 하기 위해서 냉방용과 난방용의 팽창밸브를 각각 부착하고 첵밸브를 통하여 유동방향을 다르게 하였다.

따라서 지중열원을 이용해서 열펌프를 냉난방에 활용하기 위해서는 히트파이프와 열펌프의 복합시스템을 이루는데에 기술적인 핵심이 있다.

도 1은 두 헤더를 가진 열펌프의 작동원리도

도 2는 본 발명의 두 헤더를 가진 히트파이프와 열펌프시스템의 조립도

도 3은 본 발명의 열펌프에 있어서 난방운전 회로도

도 4는 본 발명의 열펌프에 있어서 냉방운전 회로도

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 압축기

(2) : 실내코일(난방운전시 열펌프의 응축기, 냉방운전시 열펌프의 증발기)

(3) : Liquid Accumulator (4) : 4-way밸브(reversing valve)

(5) : 팽창밸브(난방용) (6) : 팽창밸브(냉방용)

(7) : 첵밸브(냉방운전시 닫힘) (8) : 첵밸브(난방운전시 닫힘)

(9) : 3-way밸브 (10) : 열펌프의 증발기(난방운전시)

(11) : 열펌프의 응축기(냉방운전시)

(12) : 히트파이프의 용기

(13) : 히트파이프 작동유체의 증기와 액체의 유동분리관

(14) : 히트파이프 작동유체의 액체수송관

(15) : 지중 토양 및 지하수 (16) : 첵밸브

(17) : 펌프 (18) : 솔레노이드밸브

(19) : 분리판 (20) : 작동유체 저장조

지중열원을 이용해서 열펌프로 냉난방을 하기 위해서는 지중에 열교환을 시킬 수 있는 히트파이프와 실내에 냉난방을 할 수 있는 열펌프로 크게 분류할 수 있다.

두 헤더를 가진 히트파이프는 제1도에서와 같이 A헤더와 B헤더로 되어 있으며, 열펌프가 난방운전시에 냉매는 3-way밸브(9)에 의해서 A헤더의 열교환기인 증발기(10)로 흐르게 된다. 증발기(10) 관내에 흐르는 냉매는 열을 흡수하여 증기상태로 열펌프의 압축기로 유동된다. 따라서 증발기(10) 관외에서 열을 흡수하기 위해서는 지중(15)에 매설되어 있는 히트파이프의 작동유체가 지중(15)으로부터 열을 흡수하여 작동유체는 증기로 변하고 이 증기는 압력차에 의해서 히트파이프 상단의 A헤더로 모이게 된다. 이때 증발기(10) 관외에서 히트파이프의 작동유체는 잠열을 빼앗기고 응축되어 액체로 변하여 분리판(19)으로 떨어지며, 유동분리관(13)을 통하여 히트파이프의 하단에 이동하며, 반복작용에 의해서 지중의 열을 열펌프의 증발기로 전달하여 열원으로 사용된다.

이와 반대로 열펌프로 냉방운전시에는 냉매는 3-way밸브(9)에 의해서 B헤더의 열교환기인 응축기(11)로 흐르며, 응축기(11) 관내의 냉매는 증기상태에서 외부로 열을 방출하고 응축되어 액체상태로 팽창밸브쪽으로 흐르게 된다. 이때 응축기(11) 관외측에서는 히트파이프의 작동유체가 열을 흡수하여 증기상태로 변하고 압력차에 의해 지중(15)에 매설되어 있는 공간으로 이동하여 지중으로 열을 방출하고 응축되어 액체상태로 변하게 된다. 응축된 액체는 자연대류에 의해서 상단 B헤더의 열교환기쪽으로 이동시킬 수가 없어서 펌프(17)에 의해서 강제적으로 이동시켜야 한다. 이때 펌프가 정지되었을 때 액체가 채워지지 않으면 펌핑능력이 감소되는 것을 방지하기 위해 액체수송관(14) 하단에 첵밸브(16)와 펌프(17) 출구에 솔레노이드 밸브(18)을 부착하였다. 그리고 열펌프 응축기(11)의 관외에서 히트파이프의 작동유체가 증발이 잘 이루어지도록 저장조(20)를 설치하여 증발효과를 극대화시켜서 히트파이프의 성능을 향상시킬 수가 있다.

이와 같이 히트파이프의 상단에 헤더를 두 개 부착한 것은 히트파이프의 작동유체가 증발 및 응축효과를 향상시키기 위한 것이다.

제2도는 히트파이프와 열펌프를 조합한 시스템을 나타낸 것으로서 실내코일(2)을 하나만 설치하고 냉방과 난방을 겸하여 사용할 수 있도록 하기 위해서 냉매의 유동을 역으로 하기 위한 4-way밸브(4)를 부착하였고, 팽창밸브는 냉방용(6)과 난방용(5)으로 분리하여 설치하고 첵밸브(7, 8)에 의해서 유동방향을 조절할 수 있도록 구성하였다.

제3도는 열펌프가 난방운전시 냉매의 회로도를 나타낸 것이고, 제4도는 냉방운전시의 냉매의 회로도를 나타낸 것이다.

두 헤더를 가진 히트파이프를 이용한 지중열원 냉난방 열펌프시스템은 종래방식의 히트파이프를 이용하여 지중열원으로 한 열펌프에서는 히트파이프 상단에 1개의 헤더만 부착하여 난방용으로 사용되어 왔으나 이를 응축과 증발의 역할을 달리 하는 헤더를 2개를 부착하여 지중열원을 이용하는 열펌프로 실내를 난방과 냉방을 겸할 수 있어서 효용성을 배가시킬 수 있으며, 하절기에는 지중에 축열을 하고 동절기에는 그 열원을 이용할 수가 있어서 열펌프의 소비동력을 절약시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.

Claims (1)

1. 지중의 열원을 열펌프의 냉방과 난방에 사용할 수 있도록 하기 위해서 히트파이프의 상단에 두개의 헤더를 부착하여 히트파이프의 작동유체가 증발과 응축의 역할을 서로 독립적으로 작용하도록 하는 것을 특징으로 하고, 이를 열펌프와 조합하여 하나의 실내코일로 냉방과 난방을 할 수 있도록 회로를 구성한 것을 특징으로 하는 두 헤더를 가진 히트파이프를 이용한 지중열원 냉난방 열펌프시스템 .