KR100391804B1

KR100391804B1 - 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR100391804B1
Application number: KR10-2001-0000730A
Authority: KR
Inventors: 차재현
Original assignee: 차재현
Priority date: 2001-01-06
Filing date: 2001-01-06
Publication date: 2003-07-16
Also published as: KR20020057734A

Abstract

본 발명은 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 히트펌프의 냉,온수시스템에 사용되는 콘덴서 코일과 증발기를 온수탱크와 냉수탱크의 내부에 각각 설치하고, 대기와 지중에 무수히 산재하는 대기열과 지열 및 값싼 심야전력이나 농어촌 산업용 전력을 히트펌프의 저온부(증발기) 열원으로 사용하게 함으로서, 냉,온수를 형성하는 증발기와 콘덴서 코일의 전열면적을 최대화하여 히트펌프의 성능향상에 기여함과 동시에 보다 저렴하고 공해없는 에너지를 지속적으로 공급할 수 있는 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템은 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기(10)로부터 솔레노이드 밸브(41)와 4방교체밸브(11)를 통하여 대기열교환기(12) 또는 실내기(13)로 공급된 냉매를 팽창변(14)을 거쳐 응축기(16)로 회수하는 냉,난방시스템에 있어서, 상기 냉,난방시스템의 압축기(10)와 연결된 솔레노이드 밸브(42)를 통하여 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(31)로 유입된 냉매가 팽창변(15)과 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)를 거쳐 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)로 순환되는 냉,온수시스템이 설치되고, 상기 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 상기 냉,온수시스템의 증발기(33)를 냉매의 유동에 따라 혼용하여 사용할 수 있도록 일방향 밸브(61,62,63)를 구비하는 배관(105,115,116)이 제 2 내지 제 5분기점(72,73,74,75)에서 교차되도록 설치되며, 상기 냉,온수시스템의 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)는 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)에 의하여 전열기(24)를 내부에 구비하는 지열교환기(22)와 각각 연결되어 설치되고, 상기의 지열교환기(22)는 순환펌프(51)와 배관(205,206)에 의하여 지하에 매설된 주름관(25)과 연결되어 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템{A heat pump system using heat in the air and earth and electric power of late night}

일반적으로 주택과 같은 주거공간 또는 사무실이나 공장과 같은 작업공간에서는 여름철의 냉방과 겨울철의 난방이 주된 생활환경의 요인으로 떠오르고 있으며, 최근에는 인구의 증가에 따른 주거공간의 확산과 산업개발에 따른 공장부지 및 사무실의 증가로 인하여 냉,난방에 소요되는 에너지의 수요가 급격히 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 에너지 수요의 증가에 비하여 에너지의 공급은 기름이나 천연가스와 같은 화석연료의 가격상승과, 화석연료의 연소과정에서 발생하는 매연 등에 의한 환경오염으로 인하여 그 수요를 충분히 따라가지 못하고 있으며, 특히 농,축산업 및 수산업의 분야에서는 시설농가와 양식업의 경영자들이 화석연료의 가격상승에 따른 냉,난방비의 상승으로 경영압박을 받고 있는 실정이고, 제조업의 분야에서도 마찬가지로 에너지의 조달에 소요되는 비용의 상승으로 제품의 생산원가가 상승되어 많은 어려움을 겪고 있다.

이러한 요인을 극복하기 위하여 최근에 와서는 공해를 발생시키지 않으면서도 화석연료의 연소에 의한 냉,난방 효과와 거의 동등한 수준의 에너지를 얻을 수 있도록 냉매의 압축, 증발, 응축의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉,난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화 되어 있으며, 그 중에서도 냉,난방과 냉,온수 시스템을 혼용하여 사용할 수 있게 한 히트펌프가 대표적으로 보급되고 있다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프의 사용에 있어서도 겨울철과 같이 외부의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우에는 히트펌프의 저온부(증발부)를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게 되므로서, 화석연료에 의한 별도의 가열을 통하여 히트펌프의 저온부 열원을 보충하지 않게 되면, 냉,난방시스템과 냉,온수 시스템으로 구성되는 히트펌프의 원활한 작동을 이루어 낼 수 없게 되며, 이로 인하여 화석연료의 사용에 따른 에너지 조달비용의 상승 및 환경오염과 같은 문제점을 완전히 해소하지는 못하였다.

상기와 같이 겨울철에 발생하는 히트펌프의 저온부 열원부족을 화석연료를 사용하지 않고 자연적인 태양열에 의하여 보충하도록 한 것으로서, 평판집열기를 사용하여 흡수한 태양열을 물과 같은 잠열축열재(상변화물질)에 저장하여 히트펌프의 저온부 열원으로 사용하도록 한 것이 있으나, 우리나라와 같이 사계절의 기온변화가 뚜렸하고, 겨울철에는 영하의 날씨를 보이는 지역에는 그 효율성이 떨어질 뿐만 아니라, 야간이나 지형물에 의하여 태양열을 얻을 수 없는 여러 가지의 장애요인으로 인하여 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 태양열의 약 47 ~ 50%가 지표를 통하여 지하에 저장된 지열을 냉난방 열교환 시스템에 사용하도록 한 것이 국내공개특허공보 2000-0063299호에 기재되어 알려져 있으나, 이는 실내열교환기와 냉각코일을 거친 냉매가 압축기로 투입되기 전에 단순히 지열만을 이용하여 냉매의 증발에 필요한 열원을 보충하였기 때문에, 충분한 지열을 확보하지 못한 경우에는 냉난방 열교환 시스템의 원활한 작동에 지장을 초래할 뿐만 아니라, 실내열교환기와 냉각코일에서의 열교환 작용은 지열과는 무관하게 일어나게 되어, 실내열교환기와 같은 고온열원의 온도를 낮추고 냉각코일과 같은 저온열원의 온도를 높임으로서 전체적인 열효율을 상승시키는 관점에서는 냉난방 열교환 시스템의 전체적인 열효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기의 냉난방 열교환 시스템 뿐만 아니라, 다른 일반적인 히트펌프의 냉,온수시스템에서 있어서도 냉매가 유동하는 파이프가 대부분 온수탱크나 냉수탱크의 외부에 나관식으로 감겨져 있는 상태에서 탱크 내부에 저장된 물을 가열 및 냉각시키도록 한 구조이기 때문에, 냉매가 유동하는 파이프와 탱크 내부에 저장되는 물과의 전열면적이 매우 적게 되어, 냉매에 의한 물의 가열 및 냉각효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템은 히트펌프의 냉,온수시스템에 사용되는 콘덴서 코일과 증발기를 온수탱크와 냉수탱크의 내부에 각각 설치함으로서, 냉,온수를 형성하는 증발기와 콘덴서 코일의 전열면적을 최대화하여 히트펌프의 성능향상에 기여할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 겨울철과 같이 히트펌프의 열원이 부족할 경우에는 대기와 지중에 무수히 산재하는 대기열과 지열을 히트펌프의 저온부(증발기) 열원으로 사용할 수 있도록 하고, 대기열과 지열만으로는 저온부 열원부족을 해소할 수 없는 경우에는 값싼 심야전력이나 농어촌 산업용 전력을 히트펌프의 저온부 열원으로 사용함으로서, 고온열원의 온도를 낮추고 저온열원의 온도를 높여 히트펌프의 전체적인 열효율을 상승시킴과 동시에 보다 저렴하고 공해없는 에너지를 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 것을 본 발명의 또 다른 기술적 과제로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템의 전체적인 구조를 나타내는 배관도.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템에 설치되는 증발기 구조를 나타내는 배관도.

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉,난방 사이클에 적용한 계통도.

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉,온수 사이클에 적용한 계통도.

도 5는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉방 및 온수사이클에 적용한 계통도.

도 6은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 난방 및 냉수사이클에 적용한 계통도.

도 7은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 난방 및 냉,온수사이클에 적용한 계통도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 지면 10 : 압축기 11 : 4방교체밸브

12 : 대기열교환기 13 : 실내기 14,15 : 팽창변

16 : 응축기 21 : 온수탱크 22 : 지열교환기

23 : 냉수탱크 24 : 전열기 25 : 주름관

31 : 콘덴서 코일 33 : 증발기 33a : 냉매파이프

33b : 부동액 파이프 33c : 순환펌프 41,42 : 솔레노이드 밸브

51~53 : 순환펌프 61~63 : 일방향 밸브 71 : 제 1분기점

72 : 제 2분기점 73 : 제 3분기점 74 : 제 4분기점

75 : 제 5분기점 101~116 : 배관(냉매) 201~206 : 배관(물)

331 : 1차 열교환실 332 : 2차 열교환실

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기(10)로부터 솔레노이드 밸브(41)와 4방교체밸브(11)를 통하여 대기열교환기(12) 또는 실내기(13)로 공급된 냉매를 팽창변(14)을 거쳐 응축기(16)로 회수하는 냉,난방시스템에 있어서, 상기 냉,난방시스템의 압축기(10)와 연결된 솔레노이드 밸브(42)를 통하여 온수탱크(21) 내부의 콘텐서 코일(31)로 유입된 냉매가 팽창변(15)과 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)를 거쳐 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)로 순환된는 냉,온수시스템이 설치되며, 상기 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 냉,온수시스템의 증발기(33)를 혼용하여 사용할 수 있도록 상기 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)로부터 연장되어 팽창변(15)을 구비하는 배관(114)이 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 2개의 배관(115,116)과 교차되고, 상기 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 각각의 배관(115,116)은 냉,난방시스템의 팽창변(14)을 사이에 두고 형성된 제 3 , 제 4분기점(73,74)에 의하여 상기 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)과 교차되고, 상기 제 3분기점(73)에서 연장된 배관(107)은 대기열교환기(12)의 유입측 배관(104)과, 일방향 밸브(61)를 구비하는 배관(105)과 함께 제 5분기점(75)에서 교차되어, 일방향 밸브(61)를 구비하는 상기 배관(105)이 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33) 유입측에 연결되도록 설치되며, 상기 냉,온수시스템의 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)는 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)에 의하여 전열기(24)를 내부에 구비하는 지열교환기(22)와 각각 연결되어 설치되고, 상기의 지열교환기(22)는 순환펌프(51)와 배관(205,206)에 의하여 지하에 매설된 주름관(25)과 연결되어 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템의 전체적인 구조를 나타내는 배관도로서, 본 발명의 구성은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 압축기(10), 4방교체밸브(11), 대기열교환기(12), 실내기(13), 팽창변(14) 및 응축기(16)로 이루어지는 냉,난방시스템과, 콘덴서 코일(31)을 내부에 구비하는 온수탱크(21), 팽창변(14), 증발기(33)를 내부에 구비하는 냉수탱크(23)로 이루어지는 냉,온수시스템과, 전열기(24)를 구비하는 지열교환기(22) 및 지하에 매설된 주름관(25)으로 이루어진다.

상기의 냉,난방시스템은 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기(10)가 배관(101)과 제 1분기점(71) 및 솔레노이드 밸브(41)를 구비하는 배관(102)을 통하여 4방교체밸브(11)와 연결되어 설치되고, 전기한 4방교체밸브(11)를 통하여 압축기(10)로부터 토출된 냉매가 유입되는 대기열교환기(12)와 실내기(13)가 배관(103,110)에 의하여 4방교체밸브(11)와 각각 연결되어 설치된다.

그리고, 상기의 대기열교환기(12)와 실내기(13)는 제 3 내지 제 5분기점(73,74,75)을 통하여 연통되는 4개의 배관(104,107,108,109)에 의하여 서로 연결되어 설치되고, 그 중 하나의 배관(108)에는 팽창변(14)이 구비되어 있으며, 상기의 4방교체밸브(11)는 배관(111)에 의하여 응축기(16)와 연결되어 설치되고, 응축기(16)는 배관(112)에 의하여 압축기(10)와 연결되어 설치된다.

또한, 상기의 냉,온수시스템은 솔레노이드 밸브(42)를 구비하는 배관(113)이 상기 냉,난방시스템의 압축기(10)와 연결된 배관(101)과 제 1분기점(71)에서 교차되어 온수탱크(21)의 내부의 콘덴서 코일(31) 입구측과 연결 설치되고, 팽창변(15)을 구비하는 배관(114)이 전기한 콘덴서 코일(31)의 출구측으로부터 온수탱크(21)의 외부로 연장되어 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33) 입구측과 연결 설치되며, 증발기(33)의 출구측은 배관(106)에 의하여 상기 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 연결 설치된다.

그리고, 상기 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 상기 냉,온수시스템의 증발기(33)를 필요에 따라 혼용하여 사용할 수 있도록 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)로부터 연장된 상기한 배관(114)이 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 2개의 배관(115,116)과 교차되고, 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 전기한 각각의 배관(115,116)은 팽창변(14)을 사이에 두고 형성된 제 3 , 제 4분기점(73,74)에 의하여 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)과 교차되며, 전기한 제 3분기점(73)에서 연장된 배관(107)이 일방향 밸브(61)를 구비하는 배관(105)과 제 5분기점(75)에서 교차되고, 전기한 배관(105)이 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33) 입력축에 연결되어 설치된다.

따라서, 냉,난방시스템의 실내기(13)를 난방에 적용할 경우, 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)만을 1개의 증발기로 사용하여도 되고, 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 냉,온수시스템의 증발기(33)를 혼용하여 2개의 증발기로 사용할 수 있으며, 냉,온수시스템의 콘덴서 코일(31)을 온수에 적용할 경우에도 마찬가지로 냉,온수시스템의 증발기(33)와 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)를 혼용하여 2개의 증발기로 사용할 수 있게 되며, 다른 여러 가지의 경우에도 대기열교환기(12)와 증발기(33)를 필요에 따라 혼용하여 사용할 수 있게 된다.

그리고, 상기 냉,온수시스템의 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)는 순환펌프(52,53)를 구비하는 배관(201,202,203,204)에 의하여 지열교환기(22)와 각각 연결되어 설치되고, 전기한 지열교환기(22)는 순환펌프(51)를 구비하는배관(205,206)에 의하여 3 ~ 5m 깊이의 지하에 매설된 주름관(25)과 연결되어 설치되고, 전기한 지열교환기(22)에는 심야전력을 이용하는 전열기(24)가 지열교환기(22)의 내부로 장입되어 설치되며, 전기한 냉,온수탱크(21.23)와 지열교환기(22) 내부를 통하여 물이 순환되도록 한 구성으로 이루어진다.

그리고, 도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템에 설치되는 냉수탱크의 증발기 구조를 도시한 배관도로서, 전기한 증발기(33)의 구성은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 냉매가 유동하는 냉매파이프(33a)가 부동액속에 구비된 1차 열교환실(331)과, 순환펌프(33c)에 의하여 전기한 1차 열교환실(331) 내부의 부동액이 유동하는 부동액파이프(33b)가 물속에 구비된 2차 열교환실(332)로 구성되며, 전기한 냉매파이프(33a)의 입,출구측이 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(21a)과 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 각각 연결되어 설치되고, 전기한 2차 열교환실(332)이 순환펌프(53)를 구비하는 배관(203,204)에 의하여 상기의 지열교환기(22)와 연결되어 설치된 구성으로 이루어진다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템의 작용관계를 도 3 내지 도 7의 도면을 참조하여 상세하게 설명하며, 도면중 점선으로 도시한 부분은 냉매의 흐름이 폐쇄된 부분을 나타내는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉,난방 사이클에 적용한 계통도로서, 솔레노이드 밸브(42)와 일방향 밸브(61)가 폐쇄된 상태에서 난방의 경우에는 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 분기점(71)과 솔레노이드밸브(41) 및 4방교체밸브(11)를 통하여 실내기(13)로 공급되어 난방을 하고, 난방을 수행한 냉매가스는 팽창변(14)과 대기열교환기(12: 이 경우에는 증발기로 사용된다)를 통하여 응축기(16)로 회수되어 압축기(10)로 재공급되는 순환과정으로 이루어지며, 냉방의 경우에는 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 대기열교환기(12: 이 경우에는 방열기로 사용된다)로 공급되어 대기로 열을 방출하고, 열을 방출한 냉매가스는 팽창변(14)을 통하여 실내기(13)로 공급되어 냉방을 한 후, 응축기(16)로 회수되어 압축기(10)로 재공급되는 순환과정으로 이루어지며, 이는 일반적인 냉,난방시스템의 작동과정과 동일하게 이루어진다.

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉,온수 사이클에 적용한 계통도로서, 솔레노이드 밸브(41)와 일방향 밸브(63)가 폐쇄된 상태에서 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 배관(101)과 제 1분기점(71) 및 솔레노이드 밸브(42)를 구비하는 배관(113)를 통하여 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(31)로 유입되어 온수탱크(21) 내부의 물을 가열시키게 된다.

상기와 같이 온수탱크(21) 내부의 물을 가열시킨 냉매는 팽창변(15)을 구비하는 배관(114)을 통하여 제 2분기점(72)으로 유입되고, 전기한 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(62)를 구비하는 배관(115)을 통하여 제 3분기점(73)으로 유입되며, 전기한 제 3분기점(73)과 제 5분기점(75)에 의하여 연통되는 배관(107,105)과 일방향 밸브(61)를 통하여 냉수탱크(23)의 내부의 증발기(33)로 유입된다.

상기와 같이 증발기(33)의 내부로 유입된 냉매는 1차적으로 증발기(33) 내부의 냉매파이프(33a)를 통하여 1차 열교환실(331) 내부의 부동액을 냉각시킨 다음,순환펌프(33c)에 의하여 냉각된 부동액이 유동하는 부동액파이프(33b)를 통하여 2차 열교환실(332) 내부의 물을 냉각시키게 된다.

상기와 같이 냉수탱크(23) 내부의 물을 냉각시킨 냉매는 배관(106)을 통하여 냉,난방시스템의 대기열교환기(12: 이 경우에는 2차 증발기로 사용된다)로 회수되며, 대기열교환기(12)로 회수된 냉매는 4방교체밸브(11)와 배관(111)을 통하여 응축기(16)로 재회수된 다음, 배관(112)을 통하여 압축기(10)로 공급되는 과정으로 이루어지며, 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)에 도시되지 않은 배관을 연결하여 고온수와 저온수를 필요한 용도에 따라 사용하고, 지열교환기(22)에는 도시되지 않은 배관에 의하여 물의 지속적인 공급이 이루어질 수 있도록 하면 된다.

상기와 같은 냉,온수사이클의 작동과정에서 겨울철과 같이 저온부(증발기)를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시키기가 힘든 경우에는, 냉,온수사이클이 작동하는 과정에서 외부의 온도가 비교적 높게 되는 낮 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)을 통하여 냉,온수탱크(21,23)로 순환시킴과 동시에 대기열교환기(12)를 통하여 회수된 대기열을 냉매의 2차 증발에 사용하고, 밤 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)을 통하여 냉,온수탱크(21,23)로 순환시킴으로서 냉,온수시스템의 저온부 열원을 보충할 수 있게 된다.

또한, 대기열과 지열만으로는 충분한 열원 확보가 어려운 경우에는 심야전력이나 농어촌 산업전력을 이용하여 지열교환기(22)에 설치된 전열관(24)을 가열시킴으로서 냉,온수사이클의 저온부 열원을 보충하고, 필요에 따라서는 온수탱크(21) 내부의 고온수를 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)에 의하여 냉수탱크(23)의 내부의 증발기(33)로 직접공급하여 냉,온수사이클의 저온부 열원을 보충할 수 있게 된다.

상기와 같이 대기열과 지열 및 심야전력을 이용하여 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)와 같은 저온부 열원을 보충하고, 순환펌프(52)와 배관(201,202)에 의하여 물을 순환시켜 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)과 접촉하게 되는 물의 온도는 상대적으로 낮추어 콘텐서 코일(31)에 의한 온수의 가열효율을 향상시킬 수 있게 됨으로서 히트펌프 시스템의 전체적인 열효율을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라, 물과 열교환을 하는 콘덴서 코일(31)과 증발기(33)가 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)의 내부에 설치되어 그 전열면적이 최대화 되기 때문에 히트펌프의 성능향상에 기여할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 냉방 및 온수사이클에 적용한 계통도로서, 솔레노이드 밸브(41)와 일방향 밸브(61,62)가 폐쇄된 상태에서 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 배관(101)과 제 1분기점(71) 및 솔레노이드 밸브(42)를 구비하는 배관(113)를 통하여 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(31)로 유입되어 온수탱크(21) 내부의 물을 가열시키게 된다.

상기와 같이 온수탱크(21) 내부의 물을 가열시킨 냉매는 팽창변(15)을 구비하는 배관(114)을 통하여 제 2분기점(72)으로 유입되고, 전기한 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(63)를 구비하는 배관(116)에 의하여 제 4분기점(74)으로 유입되며,전기한 제 4분기점(74)에 의하여 연통되는 배관(109)을 통하여 냉,난방시스템의 실내기(13)로 유입되어 냉방을 행하게 된다.

상기와 같이 냉방을 수행한 냉매는 배관(110)을 통하여 4방교체밸브(11)로 유입되며, 4방교체밸브(11)로 유입된 냉매는 배관(111)을 통하여 응축기(16)로 회수되고, 응축기(10)로 회수된 냉매는 배관(112)을 통하여 압축기(10)로 재공급되는 과정으로 이루어지며, 온수탱크(21)에 연결된 도시되지 않은 배관을 통하여 고온수를 필요한 용도에 따라 사용하게 된다.

상기와 같은 냉방 및 온수사이클은 주로 여름철에 적용되는 것으로서, 여름철에는 지하의 온도가 지상의 온도보다 낮게 유지되기 때문에 순환펌프(51)와 배관(205,206)을 통하여 주름관(25)을 유동하는 물의 온도가 지중으로 일부 방열되어 냉각되고, 냉각된 물은 지열교환기(22) 내부로 회수되며, 지열교환기(22)로 회수된 물속으로 순환펌프(52)와 배관(201,202)에 의하여 온수탱크(211) 내부의 온수가 지열교환기(22)의 내부로 공급됨으로서, 온수탱크(21) 속의 물의 온도를 상대적으로 낮추어 주게 되어 콘덴서 코일(31)에 의한 온수의 가열효율을 향상시키게 되며, 콘덴서 코일(31)에서 냉매가 충분히 응축되어 실내기(13)에 의한 냉방효율 또한, 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 난방 및 냉수사이클에 적용한 계통도로서 솔레노이드 밸브(42)가 폐쇄된 상태에서 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 배관(101)과 제 1분기점(71) 및 솔레노이드 밸브(41)를 구비하는 배관(102)를 통하여 4방교체밸브(11)로 공급되고, 4방교체밸브(11)로 공급된 고온고압의 냉매가스는 배관(110)을 통하여 실내기(13)로 공급되어 난방을 한 후, 제 4분기점(74)과 연결된 배관(109)을 통하여 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)으로 공급된다.

상기와 같이 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)으로 유입된 냉매는 제 3분기점(73)과 제 5분기점(75)에 의하여 연통되는 배관(107,105)과 일방향 밸브(61)를 통하여 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)로 유입되며, 1차적으로는 증발기(33) 내부의 냉매파이프(33a)를 통하여 냉수탱크 내부의 물을 냉각시키게 된다.

상기와 같이 냉수탱크(23) 내부의 물을 냉각시킨 냉매는 배관(106)을 통하여 냉,난방시스템의 대기열교환기(12: 이 경우에는 2차 증발기로 사용된다)로 회수되며, 대기열교환기(12)로 회수된 냉매는 4방교체밸브(11)와 배관(111)을 통하여 응축기(16)로 재회수된 다음, 배관(112)을 통하여 압축기(10)로 공급되는 과정으로 이루어지며, 냉수탱크(23)에 연결된 도시되지 않은 배관을 통하여 저온수를 필요한 용도에 따라 사용하고, 순환펌프(51,53)와 배관(203,204,205,206)에 의하여 냉수탱크(23)와 지열교환기(22) 및 주름관(25)을 통하여 물을 순환시키게 된다.

상기와 같은 난방 및 냉수사이클의 작동과정에서 겨울철과 같이 저온부(증발기)를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시키기가 힘든 경우에는, 난방 및 냉수사이클이 작동하는 과정에서 외부의 온도가 비교적 높게 되는 낮 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(53)와 배관(203,204)을 통하여 냉수탱크(23)로 순환시킴과 동시에 대기열교환기(12)를 통하여 회수된 대기열을 냉매의 2차 증발에 사용하고, 밤 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(53)와 배관(203,204)을 통하여 냉수탱크(23)로 순환시킴으로서 난방 및 냉수사이클의 저온부 열원을 보충할 수 있게 된다.

또한, 대기열과 지열만으로는 충분한 열원 확보가 어려운 경우에는 심야전력이나 농어촌 산업전력을 이용하여 지열교환기(22)에 설치된 전열관(24)을 가열시킴으로서, 난방 및 냉수사이클의 저온부 열원을 보충하여 증발기(33)에 의한 물의 냉각효율을 향상시킬 수 있게 되고, 증발기(33)에서 냉매의 1차적인 증발을 유도하고, 대기열교환기(12)에서 냉매의 2차적인 증발을 유도함으로서 실내기(13)에 의한 난방효율과 히트펌프 시스템의 전체적인 성능 또한, 향상시킬 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 난방 및 냉,온수사이클에 적용한 계통도로서, 일방향 밸브(63)가 폐쇄된 상태에서 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매가스는 배관(101)과 제 1분기점(71) 및 솔레노이드 밸브(41,42)를 구비하는 각각의 배관(102,113)을 통하여 4방교체밸브(11)와 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)로 공급된다.

상기와 같이 4방교체밸브(11)로 공급된 고온고압의 냉매가스는 실내기(13)를 거치면서 난방을 행한 후, 제 4분기점(74)과 연결된 배관(109)을 통하여 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)으로 유입되며, 전기한 배관(108)으로 유입된 냉매는 제 3분기점(73)과 제 5분기점(75)에 의하여 연통되는 배관(107,105)과 일방향 밸브(61)를 통하여 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)로 유입된다.

또한, 상기 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(31)로 유입된 고온고압의 냉매가스는 온수탱크(21) 내부의 물을 가열한 후, 팽창밸브(15)를 구비하는 배관(114)을 통하여 제 2분기점(72)을 유입되고, 전기한 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(62)를 구비하는 배관(115)를 통하여 제 3분기점(73)으로 유입되며, 전기한 제 3분기점(73)과 제 5분기점(75)에 의하여 연통되는 배관(107,105)과 일방향 밸브(61)를 통하여 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)로 유입된다.

상기와 같이 실내기(13)와 콘덴서 코일(31)을 거쳐 증발기(33)로 유입된 냉매는, 1차적으로 증발기(33) 내부의 냉매파이프(33a)를 통하여 1차 열교환실(331) 내부의 부동액을 냉각시킨 다음, 순환펌프(33c)에 의하여 냉각된 부동액이 유동하는 부동액파이프(33b)를 통하여 2차 열교환실(332) 내부의 물을 냉각시키게 된다.

상기와 같이 냉수탱크(23) 내부의 물을 냉각시킨 냉매는 배관(106)을 통하여 냉,난방시스템의 대기열교환기(12: 이 경우에는 2차 증발기로 사용된다)로 회수되며, 대기열교환기(12)로 회수된 냉매는 4방교체밸브(11)와 배관(111)을 통하여 응축기(16)로 재회수된 다음, 배관(112)을 통하여 압축기(10)로 공급되는 과정으로 이루어지며, 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)에 도시되지 않은 배관을 연결하여 고온수와 저온수를 필요한 용도에 따라 사용하게 된다.

상기와 같은 난방 및 냉,온수사이클의 작동과정에서 겨울철과 같이 저온부(증발기)를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시키기가 힘든 경우에는, 난방 및 냉,온수사이클이 작동하는 과정에서 외부의 온도가 비교적 높게 되는 낮 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)을 통하여 냉,온수탱크(21,23)로 순환시켜 열교환시킴과 동시에 대기열교환기(12)를 통하여 회수된 대기열을 냉매의 2차 증발에 사용하고, 밤시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지열교환기(22)로 회수된 지열을 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)을 통하여 냉,온수탱크(21,23)로 순환시킴으로서 난방 및 냉,온수사이클의 저온부 열원을 보충하게 된다.

또한, 대기열과 지열만으로는 충분한 열원 확보가 어려운 경우에는 심야전력이나 농어촌 산업전력을 이용하여 지열교환기(22)에 설치된 전열관(24)을 가열시킴으로서 난방 및 냉,온수사이클의 저온부 열원을 보충하고, 필요에 따라서는 온수탱크(21) 내부의 고온수를 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)을 통하여 냉수탱크(23)의 증발기(33)로 직접공급함으로서 난방 및 냉,온수 사이클의 저온부 열원을 보충할 수 있게 된다.

상기와 같이 대기열과 지열 및 심야전력을 이용하여 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)와 같은 저온부 열원을 보충하고, 순환펌프(52)와 배관(201,202)에 의하여 물을 순환시켜 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)과 접촉하게 되는 물의 온도는 상대적으로 낮추어 콘텐서 코일(31)에 의한 온수의 가열효율을 향상시킬 수 있게 됨으로서 히트펌프 시스템의 전체적인 열효율을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라, 물과 열교환을 하는 콘덴서 코일(31)과 증발기(33)가 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)의 내부에 설치되어 그 전열면적이 최대화 되기 때문에 히트펌프의 성능향상에 기여할 수 있게 되는 작용관계로 이루어진다.

상기와 같이 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 겨울철의 난방사이클(다시 말해서, 난방 및 냉수사이클, 난방 및 냉,온수사이클)에 적용할 경우에는, 상기의 히트펌프 시스템이 작동하는 과정에서 외부의 온도가 비교적 높게 되는 낮 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지하에 축적된 지열(겨울철 영하의 날씨에도 지하 3m 이하에서는 약 12℃의 온도가 유지된다)을 지열교환기(22)로 회수함과 동시에 대기열교환기(12)를 통하여 대기에 산재하는 열을 회수하고, 대기로부터 열을 회수하기 어려운 밤 시간 동안에는 주름관(25)을 통하여 지하에 축적된 지열을 지열교환기(22)로 회수하여 히트펌프 시스템의 저온부(증발기) 열원부족을 충담할 수 있게 된다.

또한, 대기열과 지열만으로는 충분한 열원 확보가 어려운 경우에는 값싼 심야전력이나 농어촌 산업전력을 이용하여 지열교환기(22)에 설치된 전열관(24)을 가열시켜 발생한 열원을 히트펌프 시스템의 저온부 열원으로 사용하고, 난방 및 냉,온수사이클에서는 필요에 따라 온수탱크(21) 내부의 고온수를 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)로 직접 공급함으로서, 겨울철에 발생하는 히트펌프 시스템의 저온부 열원부족 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 되고, 이로 인하여 히트펌프 시스템의 전체적인 열효율 및 성능향상에 기여할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 여름철의 냉방사이클(다시 말해서, 냉방 및 온수사이클)에 적용할 경우에도, 순환펌프(51)와 배관(205,206)을 통하여 주름관(25)을 유동하는 물의 온도가 지중으로 일부 방열되어 냉각되고, 냉각된 물은 지열교환기(22) 내부로 회수되며, 지열교환기(22)로 회수된 물속으로 순환펌프(52)와 배관(201,202)에 의하여 온수탱크(21)의 내부의 온수를 공급함으로서, 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)과 접촉하는 물의 온도를 상대적으로 낮추어 주게 되어 콘덴서 코일(31)에 의한 온수의 가열효율을 향상시키게 되며, 이로 인하여 온수탱크(21)에서 충분히 열교환 된 냉매가 실내기(13)에서 원활하게 증발되어 실내기(13)에 의한 냉방효율 또한, 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

뿐만 아니라, 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 냉,온수 사이클에 적용할 경우에는 물과 열교환을 하는 콘덴서 코일(31)과 증발기(33) 자체가 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)의 내부에 설치됨으로서, 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)의 외부에 나관식으로 설치된 것에 비하여 콘덴서 코일(31)과 증발기(33)의 전열면적이 최대화 되기 때문에 히트펌프 시스템의 성능향상에 더욱 기여할 수 있게 되는 것이며, 상기한 바와 같이 물탱크 형태의 지열교환기(22) 대신에 파이프 형태의 지열교환기(22)를 사용하여도 무방하다.

상기와 같이 본 발명에 의한 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템은 히트펌프의 냉,온수시스템에 사용되는 콘덴서 코일과 증발기를 온수탱크와 냉수탱크의 내부에 설치함으로서, 냉,온수를 형성하는 증발기와 콘덴서 코일의 전열면적을 최대화하여 히트펌프의 성능향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.

또한, 겨울철과 같이 히트펌프의 열원이 부족할 경우에는 대기와 지중에 무수히 산재하는 대기열과 지열을 히트펌프의 저온부(증발기) 열원으로 사용할 수 있도록 함과 동시에, 대기열과 지열만으로는 저온부 열원부족을 해소할 수 없는 경우에는 값싼 심야전력이나 농어촌 산업용 전력을 히트펌프의 저온부 열원으로 사용할 수 있도록 함으로서, 고온열원의 온도를 낮추고 저온열원의 온도를 높여 히트펌프의 전체적인 열효율을 상승시킴과 동시에 보다 저렴하고 공해없는 에너지를 계절에관계없이 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

(정 정) 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기(10)로부터 솔레노이드 밸브(41)와 4방교체밸브(11)를 통하여 대기열교환기(12) 또는 실내기(13)로 공급된 냉매를 팽창변(14)을 거쳐 응축기(16)로 회수하는 냉,난방시스템에 있어서,

상기 냉,난방시스템의 압축기(10)와 연결된 솔레노이드 밸브(42)를 통하여 온수탱크(21) 내부의 콘텐서 코일(31)로 유입된 냉매가 팽창변(15)과 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33)를 거쳐 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)로 순환된는 냉,온수시스템이 설치되며,

상기 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 냉,온수시스템의 증발기(33)를 혼용하여 사용할 수 있도록 상기 온수탱크(21)의 콘덴서 코일(31)로부터 연장되어 팽창변(15)을 구비하는 배관(114)이 제 2분기점(72)에서 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 2개의 배관(115,116)과 교차되고,

상기 일방향 밸브(62,63)를 구비하는 각각의 배관(115,116)은 냉,난방시스템의 팽창변(14)을 사이에 두고 형성된 제 3 , 제 4분기점(73,74)에 의하여 상기 팽창변(14)을 구비하는 배관(108)과 교차되고,

상기 제 3분기점(73)에서 연장된 배관(107)은 대기열교환기(12)의 유입측 배관(104)과, 일방향 밸브(61)를 구비하는 배관(105)과 함께 제 5분기점(75)에서 교차되어, 일방향 밸브(61)를 구비하는 상기 배관(105)이 냉수탱크(23) 내부의 증발기(33) 유입측에 연결되도록 설치되며,

상기 냉,온수시스템의 온수탱크(21)와 냉수탱크(23)는 순환펌프(52,53)와 배관(201,202,203,204)에 의하여 전열기(24)를 내부에 구비하는 지열교환기(22)와 각각 연결되어 설치되고,

상기의 지열교환기(22)는 순환펌프(51)와 배관(205,206)에 의하여 지하에 매설된 주름관(25)과 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 냉,온수 시스템의 냉수탱크(23) 내부에 설치되는 증발기(33)는 냉매가 유동하는 냉매파이프(33a)가 부동액속에 구비된 1차 열교환실(331)과, 순환펌프(33c)에 의하여 상기 1차 열교환실(331) 내부의 부동액이 유동하는 부동액파이프(33b)가 물속에 구비된 2차 열교환실(332)로 이루어지며,

상기 냉매파이프(33a)의 입,출구측이 온수탱크(21) 내부의 콘덴서 코일(21a)과 냉,난방시스템의 대기열교환기(12)와 각각 연결되어 설치되고, 상기 2차 열교환실(332)이 순환펌프(53)를 구비하는 배관(203,204)에 의하여 상기의 지열교환기(22)와 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 대기열과 지열 및 심야전력을 이용한 히트펌프 시스템.