KR100597705B1 - 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 - Google Patents

지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 Download PDF

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KR100597705B1 KR1020050050293A KR20050050293A KR100597705B1 KR 100597705 B1 KR100597705 B1 KR 100597705B1 KR 1020050050293 A KR1020050050293 A KR 1020050050293A KR 20050050293 A KR20050050293 A KR 20050050293A KR 100597705 B1 KR100597705 B1 KR 100597705B1
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Abstract

본 발명은 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 냉매의 양방향 흐름을 냉매 유로내에서 허용하며 압축기, 사방변 밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛과, 그 히트펌프 유닛에 접속되어 실내를 선택적으로 냉 난방하는 순환식 실내기로 구성된 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서: 지하수를 열교환수로 이용하여 냉 난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 수 열교환기를 포함하는 히트펌프 유닛; 지하에 매설된 집수정과 이 집수정을 통해 집수된 지하수를 저장하는 지하수저장탱크를 포함하며, 상기 수 열교환기에 연결되어 열교환수가 상기 지하수저장탱크와 수 열교환기 사이에서 순환하도록 구성된 열교환수 순환회로; 상기 열교환수 순환회로상에 설치되어 열교환수의 진행방향을 제어하는 삼방변 밸브와 상기 삼방변 밸브들과 연결된 제 1 및 제 2분기유로를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2분기유로에 냉난방에 따라 열교환수의 열원을 저장하는 재활용 저장탱크로 구성된 열원공급수단; 상기 삼방변 밸브들을 제어하여, 실외 열교환기로 흐르는 열교환수가 지하수저장탱크와 재활용저장탱크를 거쳐 선택적으로 순환되게 하는 제어부; 를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 한다.
냉난방, 히트펌프, 지하수열.

Description

지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템{HEAT PUMP COOLING AND HEATING SYSTEM USING HEAT SOURCE OF UNDERGROUND WATER}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2,3,4,5는 도 1에서 지하수 열원이 냉 난방 되는 과정과 열원이 이동되는 경로를 보인 예시도.
<도면 각 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10a,10b,10c..10n: 실내기, 20: 히트펌프 유닛,
22: 압축기, 24: 사방변,
26: 수열교환기, 28: 전자팽창밸브,
30: 열교환수 순환회로, 32: 순환펌프,
34a,34b: 삼방변밸브, 36a,36b,36c,36d: 수온감지센서
37,38: 제 1 및 제 2분기유로, 40: 지하수저장탱크,
50: 재활용탱크, 60: 집수정,
70: 연수장치, 80: 제어부
본 발명은 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로, 실외 열교환용 열원으로 외기온도에 영향을 받지 않는 지하수열원을 이용하여 항상 안정된 냉 난방이 이루어질 수 있도록 한 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 '지하수열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템' 은 히트펌프식 냉난방 시스템의 일종으로서, 실외 열교환기의 열원으로 외기를 이용하는 공기 열교환식 히트펌프(EHP, GHP) 냉난방 시스템과 달리, 실외 열교환기의 열원으로 지하수열을 이용하고 그 지하수열에 의해 소정의 온도가 된 물 즉, 열교환수를 이용하여 실외 열교환을 수행하는 히트펌프식 냉난방 시스템을 의미한다.
일반적으로, 히트펌프식 냉난방 시스템은 압축기, 사방변 밸브, 실외교환기, 팽창밸브 및 실내기를 연속되게 구비한 채 사방변 밸브에 의해 냉난방을 선택적으로 전환하고, 이에 따라 실외 열교환기 및 실내기에서 냉매를 선택적으로 응축 또는 증발시키는 과정을 통해, 실내기에서의 증발열 또는 응축열로 실내를 냉방 또는 난방시키는 구조를 이룬다.
종래에는 실외 열교환기의 열교환으로 외기를 이용하는 공기열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이 널리 이용되어 왔는데, 이 공기열교환식 히트펌프 냉난방 시스템은 외기의 온도가 난방중에 너무 낮고 반대로 냉방중에 너무 높을 경우 냉매의 열 흡수 및 배출에 많은 에너지가 소비되었으며, 또한 혹한기에는 외기의 온도가 영하 이하로 떨어지는 등 외기의 온도가 일정치 않을 경우 난방에 필요한 열원의 부족으로 인하여, 안정된 난방 운전이 어렵다는 문제점이 있다.
이에 대해 최근에는 지열을 열원으로 하는 GSHPs를 이용하여 실외 열교환을 행하는 지열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이 종래에 제안된 바 있다. 이 지열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템은, 외기 온도에 의해 영향을 받지 않는 지중의 열을 열교환용 열원으로 이용함으로, 공기열교환식 히트펌프보다 높은 열효율(COP,EER)을 나타내는 것으로 알려져 왔다.
이러한 종래의 지열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템은, 상기한 장점에도 불구하고, 냉방 운전시 실내에서 열교환 된 후 실외의 수 열교환기로 흐른 냉매를 응축하는 과정에서 흡수열을 지중으로 충분히 방출하지 못하거나, 난방 운전 시 실내의 난방 공급에 필요한 열을 지중에서 충분하게 흡수하지 못하는 경우, 냉 난방 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 또한 지중 열교환기 매설에 고비용에 의한 운전의 경제성과 신뢰성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 히트펌프의 실외기 열교환용 열원으로 외기 온도에 영향을 받지 않는 지하수열을 이용하되, 지하수열을 지하수탱크와 열교환 후 지하수를 재활용하는 재활용탱크를 구비하고 실외기의 열교환이 불충분할 경우, 재활용탱크의 열원을 보조열원으로 사용하여 신뢰성 있고 안정된 실내 냉 난방을 가능하게 하는 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 효과적으로 달성하기 위해 본 발명은, 냉매의 양방향 흐름 을 냉매 유로내에서 허용하며 압축기, 사방변 밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛과, 그 히트펌프 유닛에 접속되어 실내를 선택적으로 냉 난방하는 순환식 실내기로 구성된 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서: 지하수를 열교환수로 이용하여 냉 난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 수 열교환기를 포함하는 히트펌프 유닛; 지하에 매설된 집수정과 이 집수정을 통해 집수된 지하수를 저장하는 지하수저장탱크를 포함하며, 상기 수 열교환기에 연결되어 열교환수가 상기 지하수저장탱크와 수 열교환기 사이에서 순환하도록 구성된 열교환수 순환회로; 상기 열교환수 순환회로상에 설치되어 열교환수의 진행방향을 제어하는 삼방변 밸브와 상기 삼방변 밸브들과 연결된 제 1 및 제 2분기유로를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2분기유로에 냉난방에 따라 열교환수의 열원을 저장하는 재활용 저장탱크로 구성된 열원공급수단; 상기 삼방변 밸브들을 제어하여, 실외 열교환기로 흐르는 열교환수가 지하수저장탱크와 재활용저장탱크를 거쳐 선택적으로 순환되게 하는 제어부; 를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는 열교환수 순환회로에 지하수저장탱크 및 수 열교환기와 지하수저장탱크 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 1 및 제 2수온센서와; 상기 재활용저장탱크 및 수 열교환기와 재활용저장탱크 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 3 및 제 4수온센서를 통해 감지된 수온을 기초로 삼방밸브를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열교환수 순환회로는 지하수저장탱크로 이동되는 지하수의 수질을 정수하는 연수기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2,3,4,5는 도 1에서 지하수 열원이 냉 난방 되는 과정과 열원이 이동되는 경로를 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 히트펌프 냉난방 시스템은 히트펌프 유닛(20)과 그 히트펌프 유닛(20)에 연결된 다수의 가스 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n)를 포함한다.
본 명세서에서 용어 '히트펌프 유닛'은 히트펌프 방식의 냉난방을 위해 가스 냉매가 순환되는 회로를 의미하되, 실내측에 배치된 가스 순환식 실내기를 제외한 나머지 부분을 의미하는 것이다. 또한 본 명세서에서 용어 '가스 순환식 실내기'는 가스 냉매의 응축 또는 증발이 가스 냉매의 순환과정에서 일어나는 것에 의거하여 명명된 것이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에서 히트펌프 유닛(20)은 냉매(R-22 또는 R-407)의 순환을 허용하는 냉매유로상에 압축기(22), 사방변밸브(24), 수 열교환기(26), 전자 팽창밸브(28)를 연속적으로 구비함과 동시에 그 냉매유로가 가스 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n)에 폐쇄 루프를 이루도록 연결되어 이루어진 것이다.
따라서 본 실시예의 히트펌프 유닛(20)은 냉방 운전시에 가스 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 가스 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n)로 하여금 실내 에서 가스 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉방사이클의 가동을 가능케 한다.
또한 상기의 히트펌프 유닛(20)은 난방시에 상기 냉방사이클의 역사이클로 가스냉매를 흐르게 하여 가스 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n)로 하여금 가스 냉매의 응축을 통해 실내를 난방시키게 한다. 이때, 다수의 가스 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n) 각각에는 이에 상응하는 다수의 팽창밸브(28)가 상응하는 개수로 마련되어 있다.
또한 본 실시예의 히트펌프 냉난방 시스템은 공기열교환식 히트펌프 냉난방 시스템과 달리, 지하수열을 열교환 열원으로 하는 열교환수를 이용하여 실외의 수 열교환기(26)에서 상기 열교환수로 열교환을 행하는 지하수열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이다.
그러므로, 본 실시예의 히트펌프 냉난방 시스템은 수 열교환기(26)를 통과하면서 수 열교환기(26)를 흐르는 가스냉매를 냉난방 여하에 따라 응축 또는 증발시키기 위한 하나의 열교환수 순환회로(30)를 구비한다.
이 열교환수 순환회로(30)는 지하 표면에서 지하수 저장탱크(40)에 관로로 이어지며, 지하수 공급관로는 집수정(60)에서 연수장치(70)를 거쳐 지하수저장탱크(40)를 일체로 구비하게 된다. 이 집수정(60)은 항상 지하수집수에 적당한 깊이로 설정되는 것이 바람직하겠다.
또한 상기 열교환수 순환회로(30)는 열교환수 순환펌프(32)를 포함함과 동시에 지하수저장탱크(40)로부터 수 열교환기(26)로 향하는 공급유로와 환수유로로 구 성되어, 상기 열교환수 순환펌프(32)의 구동을 통해 열교환수를 지하수 저장탱크(40)에서 공급유로를 따라 수 열교환기(26)로 흐르게 하고, 수 열교환기(26)를 흐른 열교환수가 환수유로를 통해 다시 재활용탱크(50)를 향해 흐르게 함으로써, 연속적인 열교환수의 열교환을 가능하게 한다.
이와 같은 구성에 따라, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 히트펌프 냉난방 시스템이 난방 중일때에는 열교환수가 지하수 집수정(60)에서 채열되어 지하수저장탱크(40)에 저장된 채 상기 열교환수 순환회로(30)를 순환하여 수 열교환기(26)에서 히트펌프 유닛(20)을 흐르는 가스냉매를 증발시키게 되며, 상기 히트펌프 냉난방 시스템이 냉방중일때는 열교환수가 지하수 집수정(60)에서 채열되어 지하수 저장탱크에서 열교환수 순환회로(30)를 순환하여 열교환 된 후 고온의 열을 지하수재활용탱크(50)로 방출하는 과정을 통해 상기 수 열교환기(26)에서 히트펌프 유닛(20)을 흐르는 가스 냉매를 응축시키게 된다.
한편, 본 실시예의 히트펌프 냉난방 시스템은 지하수열의 열원이 실외 열교환에 불충분 할 경우, 지하수열을 흡수하거나 지하수열을 방출하여 발열 또는 냉각된 열교환수의 온도가 수 열교환기(26)에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 미치지 못할 경우, 지하수 저장탱크(40)의 열원대신에 재활용탱크(50)의 열원을 공급하여 안정되고 신뢰적인 냉난방 운전을 열원공급수단을 통해 가능하게 한다.
이때, 제 1임계온도는 냉방 운전시에 수 열교환기(26)에서 가스 냉매 응축에 필요한 온도의 상한치로 설정된 것이고, 제 2임계온도는 난방 운전시에 수 열교환기(26)에서의 가스 냉매 증발에 필요한 온도의 하한치로 설정된 것이다.
본 실시예에서의 상기 열원공급수단은 앞서 언급된 열교환수 순환회로(30)의 공급유로(30a) 및 환수유로(30b) 각각에 삼방변 밸브(34b)들에 의해 접속되는 제 1 및 제 2분기유로(37)(38)를 구비하며, 그 제 1 및 제 2분기유로들(37)(38)은 각각 옥내에 마련된 지하수저장탱크(40) 및 재활용저장탱크(50)에 순환회로의 유로상에 삼방밸브(34a)(34b)를 구비하는 구조를 이룬다.
이 열원공급수단은 열교환수 순환회로(30) 상에 마련된 수온감지센서(36a)(36b)(36c)(36d)로부터 감지된 온도신호를 기초로 하여 상기 열교환수 순환회로(30)의 열교환수가 지하수저장탱크(40)를 통과하고 다시 재활용저장탱크(50)를 선택적으로 통하하여 순환하도록 해준다.
이를 위해, 상기 열교환수 순환회로(30)와 제 1 및 제 2분기(37)(38)유로에는 열교환수 순환회로(30) 내의 수온과 제 1 및 제 2분기유로(37)(38) 내의 수온을 감지하기 위한 제 1내지 제 4수온감지센서(36a)(36b)(36c)(36d)들이 마련되며, 이 수온감지센서(36a)(36b)(36c)(36d)들에서 감지된 온도신호를 기초로 상기 지하수저장탱크(40)에서 수 열교환기(26)로 공급하는 열교환수의 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 미치지 못할 경우, 지하수열원에 재활용탱크(50)의 열원을 공급하도록 하여 지하수 저장탱크(40)에서 수 열교환기(26)로 공급하는 열교환수의 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 도달하게 한다.
또한 상기 히트펌프의 운전 시 지하수저장탱크(40)에 지하수수온을 감지하는 제 1수온감지센서(36a)의 임계온도와 상기 수 열교환기(26)와 지하수저장탱크(40) 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 2수온감지센서(36b)의 열교환수 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 미치지 못할 경우, 상기 실외 열교환기와 재활용저장탱크 사이의 유로상에 구비된 삼방밸브의 유로를 재활용탱크(50)에서 지하수저장탱크(40)로 전환하여 지하수저장탱크(40)에서 수 열교환기(26)로 공급하는 열교환수의 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 도달하게 한다.
임계 온도의 도달시에는 다시 재활용탱크(50)로 공급하게 한다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 상기의 히트펌프 운전이 정지시에는 지하수저장탱크(40)에 지하수수온을 감지하는 제 1수온감지센서(36a)의 임계온도 및 상기 수 열교환기(26)와 상기 지하수저장탱크(40) 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 1수온감지센서(36a)의 열교환수 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 미치지 못할 경우 상기 지하수저장탱크(40)와 재활용저장탱크(50) 사이 유로상에 구비된 삼방밸브(34b)의 유로를 재활용탱크(50)에서 지하수저장탱크(40)로 전환하여 재활용저장탱크(50)의 지하수를 지하수저장탱크(40)로 공급하고, 열교환수의 온도가 실외 열교환에 최소한으로 필요한 제 1 및 제 2임계온도에 도달하도록 한다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 지하수 집수정(60)에서 집수된 지하수를 지하수저장탱크(40)에 저장할 수 없는 경우 집수정(60)과 상기 지하수저장탱크(40)와 재활용저장탱크(50) 사이 유로상에 구비된 삼방밸브(34b)의 유로를 지하수 저장탱크(40)에서 재활용저장탱크(50)로 전환하여 재활용저장탱크(50)의 지하수를 저장하 는 상기 삼방변 밸브(34b)들을 제어하도록 제어부(80)가 상기 보조열원공급수단의 가동여부를 판단하게 해준다.
이상에서와 같이 본 발명은 공기에 비해 비열이 높은 물을 열교환수로 이용하고 외기의 온도에 영향을 받지 않는 지하수열을 열교환수의 열원으로 이용함으로, 공기열원식 히트펌프보다 높은 열효율을 나타내며, 또한 지하수열이 실외 열교환에 불충분한 경우 선택적으로 재활용탱크의 열원을 공급수단으로 이용함으로 항상 신뢰성 있고 안정된 실내 냉난방을 가능케 하는 효과를 제공한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 아니하며 당업자라면 그 응용과 변형이 가능함은 물론이겠다.

Claims (3)

  1. 냉매의 양방향 흐름을 냉매 유로내에서 허용하며 압축기(22), 사방변 밸브 (24)및 팽창밸브(28)가 구비된 히트펌프 유닛(20)과, 그 히트펌프 유닛(20)에 접속되어 실내를 선택적으로 냉 난방하는 순환식 실내기(10a,10b,10c..10n)로 구성된 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서:
    지하수를 열교환수로 이용하여 냉 난방에 따라 냉매를 응축 또는 증발시키는 수 열교환기(26)를 포함하는 히트펌프 유닛(20);
    지하에 매설된 집수정(60)과 이 집수정(60)을 통해 집수된 지하수를 저장하는 지하수저장탱크(40)를 포함하며, 상기 수 열교환기(26)에 연결되어 열교환수가 상기 지하수저장탱크(40)와 수 열교환기(26) 사이에서 순환하도록 구성된 열교환수 순환회로(30);
    상기 열교환수 순환회로(30)상에 설치되어 열교환수의 진행방향을 제어하는 삼방변 밸브(34a,34b,34c34d)와 상기 삼방변 밸브(34a,34b,34c34d)들과 연결된 제 1 및 제 2분기유로(35)(36)를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2분기유로(35)(36)에 냉난방에 따라 열교환수의 열원을 저장하는 재활용 저장탱크(50)로 구성된 열원공급수단;
    상기 삼방변 밸브(34a,34b,34c34d)들을 제어하여, 수 열교환기(26)로 흐르는 열교환수가 지하수저장탱크(40)와 재활용저장탱크(50)를 거쳐 선택적으로 순환되게 하는 제어부(80); 를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 하는 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(80)는 열교환수 순환회로(30)에 지하수저장탱크(40) 및 수 열교환기(26)와 지하수저장탱크(40) 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 1 및 제 2수온센서(36a)(36b)와;
    상기 재활용저장탱크(50) 및 수 열교환기(26)와 재활용저장탱크(50) 사이에서 순환하는 열교환수의 수온을 감지하는 제 3 및 제 4수온센서(36c)(36d)를 통해 감지된 수온을 기초로 삼방밸브(34a,34b,34c34d)를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환수 순환회로(30)는 지하수저장탱크(40)로 이동되는 지하수의 수질을 정수하는 연수기(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템.
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