KR100506764B1 - 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 지열을 열원으로 사용한 지열 교환부와 생활배수의 폐열을 열원으로 사용한 폐열 회수부와의 사이에 이 열원들이 상호 교류할 수 있도록 제1 및 제2 삼방밸브들을 설치함으로써 경제성을 크게 향상시키게 함과 아울러 냉난방 또는 급탕 공급의 성능을 크게 향상시키게 한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 지열 교환부에 심야전력으로 작동하는 냉온수 축열조를 더 설치하고, 지열 교환부와 폐열 회수부와의 사이에 냉수 열교환기를 더 설치하여 그 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프로부터 배출되는 냉열을 지열 교환부의 냉방용으로 더 사용하게 함으로써 에너지 사용비용을 크게 절감하게 한 효과가 있다.

Description

지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템{Heat pump system for using heat of daily waste water and geothermy}

본 발명은 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열 및 생활배수의 폐열을 열원으로 이 열원들이 상호 교류하게 하여 냉난방 또는 급탕 공급의 성능을 향상시키도록 한 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브들로 이루어져 그 순환매체가 액화와 기화를 반복하게 하여 이와 연결된 기타 주변기기들을 통해 냉난방을 수행하게 한다.

이러한 히트펌프는 생활배수의 폐열을 열원으로 사용한 폐열 이용 시스템 또는 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프를 사용하여 냉난방을 수행하게 한 지열 이용 시스템의 주요 구성요소로 사용되고 있음이 주지된 사실이다.

예컨대, 상기 폐열 이용 시스템은 이 히트펌프를 사용하여 폐열을 갖는 대중 목욕탕 등으로부터 배수되는 생활배수의 그 폐열을 그 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 응축기를 통해 온열을 생산하게 하여 급탕 등을 공급하도록 되어 있다.

상기 지열 이용 시스템은 난방시 지열교환 파이프로부터의 지열을 이 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 응축기를 통해 온열을 생산하게 하여 온수를 공급하게 하거나, 냉방시 이 히트펌프에서 발생되는 응축기의 배열(排熱)을 지열교환 파이프를 통해 배출하도록 되어 있다.

그러나 상기 폐열 이용 시스템에서, 열원인 생활배수의 온도가 낮아 히트펌프로 급탕 등을 공급할 수 없는 경우에는 별도의 보조 보일러를 더 설치하여 급탕 등을 공급해야만 하므로 비용이 추가적으로 소요되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 지열 이용 시스템에서, 냉방시 히트펌프에서 발생되는 응축기 배열의 과다로 지중에 매설된 지열교환 파이프들이 이를 수용할 수 없는 경우에는 이 지열교환 파이프들의 수를 늘려 이를 수용하게 하거나, 냉각탑을 더 설치해야만 했던 비경제적인 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지열 및 생활배수의 폐열을 열원으로 이 열원들이 상호 교류하게 하여 상기된 종래의 문제점들을 해소하게 함과 아울러 냉난방 또는 급탕 공급의 성능을 향상시키도록 한 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 에너지 사용비용을 크게 절감시키도록 한 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서, 폐열을 갖는 생활배수를 저장하는 폐수조로부터 폐열회수 열교환기를 통하여 회수한 폐열을 급탕용 히트펌프의 증발기에서 열원으로 사용하고 히트펌프의 응축기에서 온열을 생산하여 급탕을 공급하게 한 폐열 회수부와; 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프를 구비하여 난방시 이 지열교환 파이프로부터의 지열을 냉난방용 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 히트펌프의 응축기에서 생산한 온수를 공급하게 하며, 냉방시 냉난방용 히트펌프에서 발생되는 응축기의 배열을 이 지열교환 파이프를 통하여 지중으로 배출하게 한 지열 교환부와; 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 입구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방용 히트펌프 증발기의 입구측에 연결된 제1삼방밸브와; 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 출구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방 히트펌프 증발기의 출구측에 연결된 제2삼방밸브;를 구비하여 상기 지열 교환부의 지열교환 파이프로부터의 지열 또는 냉난방 히트펌프 응축기로부터의 배열을 상기 제1 및 제2 삼방밸브들을 통해 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 열원으로 더 사용하게 하여 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이 구조에서, 상기 지열 교환부는 상기 냉난방용 히트펌프로부터의 냉온수를 심야전력으로 저장한 후 냉난방 장소의 냉난방 열교환기에 냉온열을 지속적으로 공급하게 한 냉온수 축열조를 더 포함함이 바람직하다.

또, 상기 급탕용 히트펌프와 상기 냉온수 축열조와의 사이에 냉수 열교환기를 더 설치하여, 이 냉수 열교환기를 통해 상기 냉난방 열교환기로부터 배출되는 순환매체가 상기 급탕용 히트펌프의 증발기에서 발생되는 냉열과 열교환된 후 상기 냉온수 축열조에 저장되게 함으로써 그 냉열로 상기 냉난방 열교환기의 냉방 수행을 가능하게 함이 바람직하다.

상기 목적 및 장점 그리고 다른 특징은 첨부 도면을 참조한 아래의 설명으로 부터 명백할 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 따른 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 계통도 및 도2는 도1에 냉수 열교환기를 더 설치한 상태를 나타낸 계통도이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 폐열을 갖는 생활배수를 사용하여 급탕 등을 공급할 수 있게 한 구조부인 폐열 회수부(10)를 구비한다.

상기 폐열 회수부(10)는 대중 목욕탕 또는 호텔 등의 급탕장소(11)로부터 배수되는 폐열을 갖는 생활배수를 저장하는 폐수조(12)를 구비하며. 이 폐수조(12)에 저장된 생활배수는 펌핑에 의해서 순환되며, 폐열회수 열교환기(13)를 거치도록 되어 있다.

상기 폐열회수 열교환기(13)는 순환하는 생활배수로부터 폐열을 회수하는 역할을 하며, 이 폐열회수 열교환기(13)에 의해서 폐열이 회수된 생활배수는 저온으로 하수구 등의 배수라인을 통해서 방류된다.

예컨대, 도면에 도시한 바와 같이 25℃의 온도로 순환하는 생활배수는 이 폐열회수 열교환기(13)를 거치면서 12℃의 온도로 낮추어져서 방류된다.

이와 같이 상기 폐열회수 열교환기(13)에 의해서 회수된 폐열은 급탕용 히트펌프(15)의 열원으로 사용된다.

상기 급탕용 히트펌프(15)는 증발기와 응축기 등을 구비한 구조부로, 상기 폐열회수 열교환기(13)는 이 급탕용 히트펌프(15)의 증발기와 연결되며, 상기 폐열회수 열교환기(13)에 의해서 회수된 폐열은 이 급탕용 히트펌프(15)의 증발기와 열교환된다.

예컨대, 도면에 도시한 바와 같이 회수된 폐열을 가지며 상기 폐열회수 열교환기(13)에서 배출되는 20℃의 순환매체는 상기 급탕용 히트펌프(15)의 증발기와의 열교환으로 7℃의 온도로 저하되어 다시 상기 폐열회수 열교환기(13)로 순환하며, 상기 폐열회수 열환기(13)는 이러한 순환 과정으로 생활배수로부터 회수한 폐열을 상기 급탕용 히트펌프(15)의 증발기에 열원으로 공급한다.

이와 같이, 상기 급탕용 히트펌프(15)의 증발기에서 열교환으로 회수된 폐열은 그 급탕용 히트펌프(15)의 응축기에서 응축 잠열로 방출되며, 이 방출로 인해 도면에 도시한 바와 같이 그 응축기와 연결된 급탕회로의 순환매체(물)가 고온으로 데워져 급탕 탱크(17)로 저장된 후 급탕을 위해 급탕장소(11)로 공급된다. 이 급탕장소(11)에서 사용된 급탕물은 고온의 생활배수로 다시 상기 폐수조(12)로 저장된다.

한편, 급탕용 히트펌프(15)와 급탕탱크(17)와의 사이에 심야전력으로 작동하는 급탕축열조(18)를 더 설치하면 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있다(도2 참조).

상기 폐열 회수부(10)는 이러한 방식으로 폐열을 갖는 생활배수로부터 그 폐열을 회수하여 급탕을 공급하게 한다.

또한, 본 발명의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 지열을 사용하여 냉난방을 수행하게 한 구조부인 지열 교환부(20)를 구비한다.

상기 지열 교환부(20)는 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프(21)들을 통해 냉난방을 수행하도록 되어 있고, 이 냉난방은 증발기와 응축기 등을 구비한 냉난방용 히트펌프(22)에 의해서 가능하도록 되어 있다.

즉 겨울철 등의 시기에 난방시, 상기 지열교환 파이프(21)들을 통과하며 순환하는 순환매체(브라인)는 이 지열교환 파이프(21)들을 통과하는 동안에 지열을 얻게 되며, 이 지열은 그 순환매체가 통과하는 상기 냉난방용 히트펌프(22)의 열원으로 사용된다.

상기 냉난방용 히트펌프(22)는 그 증발기와의 열교환으로 상기 순환매체(브라인)로부터 지열을 회수한 후 그 응축기로 방출하여, 도면에 도시한 바와 같이 그 응축기를 통과하는 냉온수회로의 순환매체를 고온으로 데운다. 고온으로 데워진 순환매체는 냉난방 장소의 냉난방 열교환기(23)를 통해 난방, 온수 또는 급탕 등으로 공급된다.

또한 여름철 등의 시기에 냉방시, 상기 냉난방용 히트펌프(22)가 압축, 응축, 팽창, 기화로 이어지는 냉방 사이클을 수행함으로 인해 상기 냉온수회로의 순환매체의 온도는 저온으로 강하되고, 이 저온으로 강하된 순환매체는 상기 냉난방 열교환기(23)를 통해 냉방을 수행하게 한다.

이때, 상기 냉난방용 히트펌프(22)의 응축기에서 발생되는 고온의 배열(排熱)은 상기 지열교환 파이프(21)들을 순환하는 상기 순환매체(브라인)로 전열(傳熱)되어 그 지열교환 파이프(21)들을 통해 지중으로 방출된다.

또한, 본 발명의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 제1 및 제2 삼방밸브(40,50)를 구비한다.

상기 제1삼방밸브(40)는 상기 폐열 회수부(10)의 급탕용 히트펌프(15)의 입구측 및 상기 지열 교환부(20)의 냉난방용 히트펌프(22)의 입구측에 연결되도록 설치되고, 상기 제2삼방밸브(50)는 상기 폐열 회수부(10)의 급탕용 히트펌프(15)의 출구측 및 상기 지열 교환부(20)의 냉난방용 히트펌프(22)의 출구측에 연결되도록 설치된다.

따라서 이 제1 및 제2 삼방밸브(40,50)들의 조작으로, 상기 지열 교환부(20)의 지열교환 파이프(21)들로부터 배출되는 순환매체의 일부분은 상기 제1삼방밸브 (40)를 통해 상기 폐열 회수부(10)의 폐열회수 열교환기(13)를 순환하는 순환매체와 함께 급탕용 히트펌프(15)로 유입되고, 이 급탕용 히트펌프(15)로부터 배출되는 순환매체의 일부분은 상기 제2삼방밸브(50)를 통해 상기 지열교환 파이프(21)들을 순환하는 순환매체와 함께 그 지열교환 파이프(21)들로 유입되게 하는 순환 사이클을 형성하게 한다.

이에 따라, 상기 폐열 회수부(10)가 급탕장소(11)로부터 배수되는 생활배수가 갖는 폐열의 온도가 낮음으로 인해 폐열회수 열교환기(13)에서 회수되는 폐열의 온도가 낮아 충분한 온도의 급탕을 공급할 수 없게 된 때에, 상기 제1 및 제2 삼방밸브(40,50)들을 통해 상기 지열 교환부(20)의 지열교환 파이프(21)들을 통과한 순환매체의 일부분을 이 폐열 회수부(10)에 공급할 수 있기 때문에, 상기 폐열 회수부(10)는 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있다.

즉 상기 제1삼방밸브(40)를 통해, 상기 지열 교환부(20)의 지열교환 파이프 (21)들을 통과한 지열을 갖는 순환매체의 일부분이 상기 폐열 회수부(10)의 급탕용 히트펌프(15)에 상기 폐열회수 열교환기(13)를 순환하는 순환매체와 아울러 공급되기 때문에, 상기 급탕용 히트펌프(15)는 이 지열을 열원으로 더 얻어 안정된 온도의 급탕을 공급한다.

또한, 상기 제2삼방밸브(50)는 상기 급탕용 히트펌프(15)로부터 배출되는 순환매체를 분배하여 상기 폐열회수 열교환기(13) 및 지열교환 파이프(21)들을 순환하게 함으로써 그 순환매체가 지열 및 폐열을 얻게 하는 역할을 한다.

이와 같이, 상기 폐열 회수부(10)는 회수되는 폐열의 온도가 낮아 충분한 온도의 급탕을 공급할 수 없게 된 때에 상기 제1 및 제2 삼방밸브(40,50)들을 통해 상기 지열 교환부(20)의 지열을 더 얻을 수 있기 때문에 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있다.

특히 상기 지열 교환부(20)의 냉방시, 상기 지열교환 파이프(21)들이 상기 냉난방용 히트펌프(22)로부터 발생되는 배열의 일부분을 수용하고 남은 다른 일부분의 배열을 상기 제1삼방밸브(40)를 통해 상기 폐열 회수부(10)의 급탕용 히트펌프(15)로 공급할 수 있기 때문에, 그 남은 다른 일부분의 배열을 수용하여 방출하기 위해 상기 지열교환 파이프(21)들의 수를 증가시키거나 별도의 냉각탑을 더 설치해야만 했던 종래의 경제성 관련 문제점을 효과적으로 해소할 수 있다.

이때, 상기 폐열 회수부(10)는 회수되는 폐열의 온도가 낮아 충분한 온도의 급탕을 공급할 수 없게 된 때에 이 배열을 열원으로 더 얻어 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있다.

한편, 상기 지열 교환부(20)는 냉온수 축열조(24)를 더 구비하고 있다. 이 냉온수 축열조(24)는 도면에 도시한 바와 같이 상기 냉난방용 히트펌프(22)와 상기 냉난방 장소의 냉난방 열교환기(23)와의 사이의 냉온수회로에 설치되며, 심야전력으로 작동된다.

따라서, 냉난방을 위해 상기 냉난방용 히트펌프(22)에서 데워진 또는 차가워진 냉온수회로의 순환매체는 이 냉온수 축열조(24)에서 그 상태를 유지하며 저장되고, 상기 냉난방 장소의 냉난방 열교환기(23)는 이 냉온수 축열조(24)에서 그 데워진 또는 차가워진 상태의 순환매체를 안정되게 공급받아 단속없이 지속적으로 냉난방을 수행할 수 있다.

이러한 냉온수 축열조(24)는 심야전력을 사용하고 있기 때문에 에너지 사용비용을 크게 절감하게 한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 냉수 열교환기 (60)를 더 구비하고 있다.

이 냉수 열교환기(60)는 상기 폐열 회수부(10)의 급탕용 히트펌프(15)와 상기 지열 교환부(20)의 냉온수 축열조(24)와의 사이에 설치되며, 상기 냉난방 장소의 냉난방 열교환기(23)로부터 배출되는 순환매체와 상기 급탕용 히트펌프(15)로부터 배출되는 순환매체의 일부분이 각각 통과하도록 설치되어 있다.

이는 상기 냉난방 열교환기(23)로부터 배출되는 순환매체가 상기 냉수 열교환기(60)를 거쳐 상기 냉온수 축열조(24)에 저장된 후 다시 냉난방 열교환기(23)로 순환하게 하는 순환 사이클을 형성하게 한다.

또한, 이는 상기 제2삼방밸브(50)로 인한 상기 급탕용 히트펌프(15)로부터 배출되는 순환매체의 일부분이 상기 냉수 열교환기(60)를 거쳐 상기 제1삼방밸브 (40)를 통과한 후 다시 급탕용 히트펌프(15)로 순환하게 하는 순환 사이클을 형성하게 한다.

참조부호(70a∼70d)는 상기 급탕용 히트펌프(15)로부터 배출되는 순환매체의 일부분이 이러한 순환을 가능하도록 하는 일방향 밸브들을 나타낸 것이다.

즉, 밸브(70a,70b)들을 닫고 밸브(70c,70d)들을 열면 상기 급탕용 히트펌프 (15)로부터 배출되는 순환매체의 일부분은 상기된 바와 같이 순환하며, 밸브(70a, 70b)들을 열고 밸브(70c,70d)들을 닫으면 상기 지열 교환부(20)의 지열교환 파이프 (21)들을 순환하는 순환매체의 일부분이 상기 급탕용 히트펌프(15)로 공급된다.

따라서 상기 지열 교환부(20)의 냉방시, 외기와의 열교환으로 온도가 올라간 상기 냉난방 열교환기(23)로부터 배출되는 순환매체는 상기 냉수 열교환기(60)를 통해, 열을 빼앗긴 채 상기 급탕용 히트펌프(15)의 증발기로부터 배출되는 순환매체의 일부분과의 열교환으로 차가워진 후 상기 냉온수 축열조(24)로 저장되고, 상기 냉난방 열교환기(23)를 통해 냉방 수행을 가능하게 한다.

이와 같이, 상기 냉수 열교환기(60)는 열을 빼앗긴 채 상기 급탕용 히트펌프 (15)로부터 배출되는 냉열을 상기 냉난방 열교환기(23)로부터 배출되는 순환매체에 공급하고, 그 냉열로 상기 냉난방 열교환기(23)의 냉방 수행을 가능하게 함으로써 에너지 사용비용을 크게 절감하게 한 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 지열을 열원으로 사용한 지열 교환부와 생활배수의 폐열을 열원으로 사용한 폐열 회수부와의 사이에 이 열원들이 상호 교류할 수 있도록 제1 및 제2 삼방밸브들을 설치함으로써 상기된 종래의 문제점들을 크게 해소하여 경제성을 향상시키게 함과 아울러 냉난방 또는 급탕 공급의 성능을 크게 향상시키게 한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 지열 교환부에 심야전력으로 작동하는 냉온수 축열조를 더 설치하고, 지열 교환부와 폐열 회수부와의 사이에 냉수 열교환기를 더 설치하여 그 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프로부터 배출되는 냉열을 지열 교환부의 냉방용으로 더 사용하게 함으로써 에너지 사용비용을 크게 절감시키는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 계통도,

도2는 도1에 냉수 열교환기를 더 설치한 상태를 나타낸 계통도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 폐열 회수부 11: 급탕장소

12: 폐수조 13: 폐열회수 열교환기

15: 급탕용 히트펌프 17: 급탕탱크

18: 급탕축열조 20: 지열 교환부

21: 지열교환 파이프 22: 냉난방용 히트펌프

23: 냉난방 열교환기 24: 냉온수 축열조

40: 제1삼방밸브 50: 제2삼방밸브

60: 냉수 열교환기 70a∼70d: 밸브

Claims (3)

1. 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서,

   폐열을 갖는 생활배수를 저장하는 폐수조로부터 폐열회수 열교환기를 통하여 회수한 폐열을 급탕용 히트펌프의 증발기에서 열원으로 사용하고 히트펌프의 응축기에서 온열을 생산하여 급탕을 공급하게 한 폐열 회수부와;

   지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프를 구비하여 난방시 이 지열교환 파이프로부터의 지열을 냉난방용 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 히트펌프의 응축기에서 생산한 온수를 공급하게 하며, 냉방시 냉난방용 히트펌프에서 발생되는 응축기의 배열을 이 지열교환 파이프를 통하여 지중으로 배출하게 한 지열 교환부와;

   상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 입구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방용 히트펌프 증발기의 입구측에 연결된 제1삼방밸브와;

   상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 출구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방 히트펌프 증발기의 출구측에 연결된 제2삼방밸브;를 구비하여

   상기 지열 교환부의 지열교환 파이프로부터의 지열 또는 냉난방 히트펌프 응축기로부터의 배열을 상기 제1 및 제2 삼방밸브들을 통해 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 열원으로 더 사용하게 하여 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 지열 교환부는 상기 냉난방용 히트펌프로부터의 냉온수를 심야전력으로 저장한 후 냉난방 장소의 냉난방 열교환기에 냉온열을 지속적으로 공급하게 한 냉온수 축열조를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 급탕용 히트펌프와 상기 냉온수 축열조와의 사이에 냉수 열교환기를 더 설치하여, 이 냉수 열교환기를 통해 상기 냉난방 열교환기로부터 배출되는 순환매체가 상기 급탕용 히트펌프의 증발기에서 발생되는 냉열과 열교환된 후 상기 냉온수 축열조에 저장되게 함으로써 그 냉열로 상기 냉난방 열교환기의 냉방 수행을 가능하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템.