KR100599854B1

KR100599854B1 - 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛

Info

Publication number: KR100599854B1
Application number: KR1020060025350A
Authority: KR
Inventors: 김태원
Original assignee: (주)티이엔
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-07-12

Abstract

본 발명은 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지열을 이용한 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 축열조 내에 축냉 또는 축열시켜 저장하여 냉난방에 사용할 수 있고, 열교환수 순환관의 배관구조를 극히 단순화시킴과 동시에, 삼방밸브, 디퓨저 등 부수장치를 간소화시킬 수 있어 비용을 절감할 수 있으며, 열교환수를 선택적으로 재순환시켜 열교환수의 열량을 효과적으로 이용할 수 있는 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛은, 지중열교환기와 제1열교환기로 연결된 냉동사이클장치와, 상기 냉동사이클장치의 제2열교환기와 열교환되게 설치되며 축열조와 실내의 냉난방기 사이에 연결된 열교환수 순환관으로 구성된 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛에 있어서, 상기 열교환수 순환관은 상기 제2교환기와 열교환되게 설치되고 일측이 상기 축열조에 연결되며 제1인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제1순환관과; 상기 제1순환관에 양측이 연결되되, 일측이 상기 냉난방기에 연결되게 설치되며 제2인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제2순환관과; 상기 제1순환관 사이에 각각 연결된 제1, 2분기관과; 상기 제1분기관에 구비되어 선택적으로 개폐되는 개폐밸브와; 상기 제2분기관의 유로 분기점에 설치되되, 열교환수의 흐름 방향과 밸브의 동작에 의해 열교환수를 일방향으로 유동되게 하거나, 열교환수를 일정 비율로 혼합 또는 분배하여 공급시키도록 제어하는 삼방밸브가 포함된 것을 특징으로 한다.

히트펌프, 지열, 지중열교환기, 냉동사이클, 축열조, 열교환수

Description

지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛{REGENERATIVE HEAT PUMP UNIT USING GEOTHERMICS}

도 1은 종래의 지열을 이용한 축열식 히트펌프 시스템을 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프유닛의 구조를 도시한 개략도,

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프유닛의 축냉, 냉방, 냉방 및 축냉, 축열, 난방, 난방 및 축열 운전시의 순환과정을 도시한 개략도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 지중열교환기 110 : 지하수 순환관

120 : 펌프 200 : 냉동사이클장치

210 : 압축기 220 : 제1열교환기

230 : 팽창밸브 240 : 제2열교환기

250 : 냉매순환관 300 : 축열조

310 : 상부 디퓨저 320 : 하부 디퓨저

400 : 제1순환관 410 : 제1분기관

420 : 제2분기관 500 : 제2순환관

530 : 제3분기관 600 : 냉난방기

MV1 : 개폐밸브 MV2 : 제Ⅰ삼방밸브

MV3 : 제Ⅱ삼방밸브 P1 : 제1인버터펌프

P2 : 제2인버터펌프 T1, T2 : 온도감지센서

일반적으로 히트펌프 유닛은 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브들로 이루어진 냉동사이클장치를 통해 냉매를 액화와 기화를 반복되게 하고, 이와 연결된 기타 주변기기를 통해 냉난방을 수행하게 한다.

상기 히트펌프 유닛은 생활배수의 폐열을 열원으로 사용한 폐열 이용 시스템 또는 지중에 매설된 다수개의 지하수 순환관을 사용하여 냉난방을 수행하게 한 지열 이용 시스템의 주요 구성요소로 사용되고 있다.

예컨대, 상기 폐열 이용 시스템은 폐열을 갖는 대중 목욕탕 등으로부터 배수 되는 생활배수의 폐열을 히트펌프 유닛의 증발기 열원으로 사용하고 응축기를 통해 온열을 생산하게 하여 급탕 등을 공급하도록 되어 있다.

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

상기 지열 이용 시스템의 일 실시예로서 국내 등록실용신안 제339349호(등록일 : 2004. 01. 08)의 "지열을 이용한 축열식 히트펌프 시스템"이 제안되었는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 지열을 열원으로 냉난방을 수행하게 하는 열교환 회로부(10)는 지중에 매설된 다수의 지열교환 파이프(11)들을 통해 냉난방을 수행하도록 되어 있고, 이러한 냉난방은 이 지열교환 파이프(11)들과 순환 사이클을 형성하며 연결된 증발기와 응축기 등을 구비하여 냉난방용 히트펌프(12)로부터 냉온열을 얻은 냉온수는 이 냉난방용 히트펌프(12)와 순환 사이클을 형성하며 연결된 열교환기(미도시)가 설치된 냉난방 장소(13)로 이동되어 외기와의 열교환으로 냉난방을 수행하게 하거나 급탕 등을 공급하게 한다.

참조부호(M1,M2)는 순환모터를 나타낸 것이고, 참조부호(V)는 필요에 따라 상기 냉난방용 히트펌프(12)와 냉난방장소(13)를 순환하는 냉온수의 순환 경로를 변경하기 위한 삼방밸브를 나타낸 것이다.

따라서, 이 구조의 열교환 회로부(10)가 겨울철 등의 시기에 난방시, 순환모터(M1)의 구동으로 차가운 순환매체 즉, 브라인이 상기 지열교환 파이프(11)들을 통과하게 되면, 그 통과하는 동안에 지중 지열과의 열교환으로 순환매체가 지열을 얻게 된다.

이와 같이 지열을 얻은 순환매체는 상기 냉난방용 히트펌프(12)의 증발기를 통과하면서 얻은 지열을 빼앗기게 되고, 이와 같이 빼앗긴 지열은 상기 냉난방용 히트펌프(12)의 응축기로 다시 방출되어 순환모터(M2)의 구동으로 이 응축기를 통과하며 순환하는 순환매체 즉, 물을 고온으로 데우게 된다.

이러한 과정으로 고온으로 데워진 순환매체는 냉난방 장소(13)로 이동되어 그 냉난방 장소(13)를 난방하거나 급탕 등으로 공급되며, 이러한 과정의 반복으로 상기 열교환 회로부(10)는 지중으로부터 회수한 지열을 난방 등으로 사용하게 한다.

또한 여름철 등의 시기에 냉방시, 상기 냉난방용 히트펌프(12)가 압축, 응축, 팽창, 기화로 이어지는 냉방 사이클을 수행함에 따라, 이 냉난방용 히트펌프 (12)를 순환하는 순환매체 즉, 물이 저온으로 차가워진다. 이와 같이 차가워진 순환매체는 상기 냉난방 장소(13)를 통과하면서 외기와의 열교환으로 냉방을 수행한다.

이때, 상기 냉난방용 히트펌프(12)의 응축기에서 발생되는 고온의 배열(排熱)은 상기 지열교환 파이프(11)들을 순환하는 상기 순환매체 즉, 브라인으로 전열 (傳熱)되어 그 지열교환 파이프(11)들을 통해 지중으로 방출되기 때문에, 기존의 실외기의 사용은 배제된다.

한편, 상기 실용신안등록 제339349호는 냉온수 축열조(20)를 구비하고 있으 며 이 냉온수 축열조(20)는 상기 열교환 회로부(10)에서 냉난방용 히트펌프(12)와 냉난방 장소(13)와의 사이에 설치되며, 이러한 냉온수 축열조(20)는 상기 냉난방용 히트펌프(12)로부터의 냉온수를 저장한 후 상기 냉난방 장소(13)로 공급하는 매체의 역할을 한다.

이와 같은 상기 냉온수 축열조(20)는 값싼 심야전력을 사용하여 소정의 냉온열로 상기 냉난방용 히트펌프(12)로부터 냉온수를 가온 또는 냉각하며 저장하도록 되어 있고, 이 가온 또는 냉각하는 냉온열의 온도는 상기 냉난방용 히트펌프(12)로부터의 냉온수의 온도를 유지할 수 있게 하는 정도이면 충분하다.

그러나 종래의 지열을 열원으로 사용하는 냉난방장치는 냉난방을 동시에 사용할 수가 없어 아이스링크와 같이 냉난방부하가 동시에 존재하는 용도에서는 냉난방 별도의 이중 장비 투자가 이루어질 수밖에 없다.

그리고 상기 냉난방용 히트펌프(12)와 상기 냉온수 축열조(20) 사이에 연결된 제1순환관(30)과, 상기 냉온수 축열조(20)와 상기 냉난방 장소(13) 사이에 연결된 제2순환관(40)이 별도로 연결되어 배관의 전체길이가 상당하여 설치비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 이에 흐르는 냉온수(열교환수)의 열량 손실이 매우 컸다.

또한 제1, 2순환관(30, 40)이 각각 상기 냉온수 축열조(20)의 상, 하부에 연결되는바, 상기 냉온수 축열조(20)의 유효에너지 이용의 극대화를 위한 온도 성층화를 위해 열교환수를 공급하기 위해 설치되는 상부 디퓨저(21)가 상판 3개로 구성되고, 하부 디퓨저(22) 또한 3개의 하판으로 구성되어 구조가 복잡한 문제점이 있었다.

아울러, 상기 제1,2순환관(30, 40)에는 각각 한 쌍의 분기관(31, 42) 및 부수장치로서 다수의 개폐밸브(32, 42)와 순환모터(M2) 2대가 반드시 필요하여 배관시공시 작업시간과 비용이 많이 소요되었으며, 그에 따른 제어장치의 구조도 매우 복잡할 수밖에 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 고안의 목적은 지열을 이용하여 냉난방 운전비를 절감할 수 있도록 개별 또는 냉난방 동시운전을 가능케 하는 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛을 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 축열조와 냉난방기 사이에 열교환수를 이동시키도록 설치되는 열교환수 순환관의 구조를 극히 단순화시킴과 동시에, 삼방밸브, 디퓨저 등 부수장치의 설치대수를 줄여줌으로써 경제적인 히트펌프 유닛을 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 열교환수 순환관을 따라 흐르는 열교환수의 열량이 쉽게 소실되는 것을 최소화시킴과 동시에, 냉난방기에서 축열조로 회수되는 열교환수 중 일부를 냉난방기로 재차 순환되게 함으로써, 열교환수의 열량을 효과적으로 이용하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 지중열교환기와 제1열교환기로 연결된 냉동사이클장치와, 상기 냉동사이클장치의 제2열교환기와 열교환되게 설치되며 축열조와 실내의 냉난방기 사이에 연결된 열교환수 순환관으로 구성된 지 열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛에 있어서, 상기 열교환수 순환관은 상기 제2교환기와 열교환되게 설치되고 일측이 상기 축열조에 연결되며 제1인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제1순환관과; 상기 제1순환관에 양측이 연결되되, 일측이 상기 냉난방기에 연결되게 설치되며 제2인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제2순환관과; 상기 제1순환관 사이에 각각 연결된 제1, 2분기관과; 상기 제1분기관에 구비되어 선택적으로 개폐되는 개폐밸브와; 상기 제2분기관의 유로 분기점에 설치되되, 열교환수의 흐름 방향과 밸브의 동작에 의해 열교환수를 일방향으로 유동되게 하거나, 열교환수를 일정 비율로 혼합 또는 분배하여 공급시키도록 제어하는 삼방밸브가 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2순환관 사이에 연결되며 유로 분기점으로 유입되는 열교환수를 일정 비율로 혼합하여 공급하는 삼방밸브가 구비된 제3분기관이 더 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 삼방밸브를 동작시키는 제어수단은, 상기 열교환수 순환관에 구비되어 열교환수의 온도를 감지하는 온도감지센서와; 상기 온도감지센서에 의해 검출된 온도값과 입력된 온도값을 비교하여 소정의 제어신호를 송출하는 컨트롤러와; 상기 컨트롤러의 제어신호를 상기 삼방밸브를 동작시키는 모터에 인가하는 모터구동부가 포함된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프유닛의 구조를 도시한 개략도이고, 도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프유닛의 축냉, 냉방, 냉방 및 축냉, 축열, 난방, 난방 및 축열 운전시의 순환과정을 도시한 개략도이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛은, 지중 열교환수를 순환시키는 지중열교환기(100)와, 상기 지중열교환와 제1열교환기(220)로 연결된 냉동사이클장치(200)와, 상기 냉동사이클장치(200)의 제1열교환기(240)와 열교환되게 설치되며 축열조(300)와 냉난방기(600) 사이에 연결되어 열교환수가 순환되는 열교환수 순환관으로 구성되어, 상기 지중열교환기(100)로부터 공급된 열을 상기 축열조(300)에 축냉 또는 축열시키거나 냉난방기(600)를 통해 실내에 냉, 온열을 공급하게 선택적으로 공급하게 된다.

상기 지중열교환기(100)는 상기 제1열교환기(220)와 연결되어 펌프(120)에 의해 지중열교환수를 지하수 순환관(110)을 따라 선택적으로 정, 역방향으로 순환시키면서 지중의 열을 상기 냉동사이클장치(200)에 대하여 열교환시켜주는 장치이다.

상기 냉동사이클장치(200)는 냉매의 응축 또는 증발을 위한 상기 제1, 2열교환기(220, 240)와, 상기 제1, 2열교환기(220, 240) 사이에 상호 대응되게 설치된 압축기(210) 및 팽창밸브(230)로 구성된 것으로, 냉매순환관(250)으로 연결되어 냉매가 정, 역방향으로 유동되면서 응축, 팽창 및 증발 과정을 반복 수행하는 통상의 냉동사이클장치이다.

여기서, 상기 제1열교환기(220)는 상기 지중열교환기(100)의 지하수 순환관과 열교환되도록 설치되고, 상기 제1열교환기(240)는 상기 열교환수 순환관과 열교환되도록 설치된다.

상기 제1, 2열교환기(220, 240)는 냉매와 지중열교환수(또는 열교환수)간의 열교환을 위한 기기로서, 상기 압축기(210)의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체 냉매를 액체상태로 응축시키고, 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체 냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행한다.

즉, 냉방시에는 상기 제1열교환기(220)에서 냉매의 응축과정이, 상기 제1열교환기(240)에서 냉매의 증발과정이 각각 일어나고, 난방시에는 상기 제1열교환기(220)에서 냉매의 증발과정이, 상기 제1열교환기(240)에서 냉매의 응축과정이 각각 일어난다. 이와 같이 냉방 또는 난방의 경우에 따라 각각 냉매의 순환방향은 역전된다.

본 발명의 주요 구성인 상기 열교환수 순환관은, 상기 축열조(300)에 축냉 또는 축열된 열교환수가 정, 역방향으로 순환되며 실내쪽으로 냉기 또는 온기를 공급하는 냉난방기(600)에 연결된다.

더욱 구체적으로 상기 열교환수 순환관은, 상기 제2교환기(240)와 열교환되게 설치되고 일측이 상기 축열조(300)에 연결되며 제1인버터펌프(P1)에 의해 열교 환수가 정, 역방향으로 순환되는 제1순환관(400)과, 상기 제1순환관(400)에 양측이 연결되되, 일측이 상기 냉난방기(600)를 경유하도록 설치되며 제1인버터펌프(P2)에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제2순환관(500)과, 상기 제1순환관(400) 사이에 각각 연결된 제1, 2분기관(410, 420)과, 상기 제1분기관(410)에 구비되어 선택적으로 개폐되는 개폐밸브(MV1)와, 상기 제2분기관(420)의 유로 분기점에 각각 구비되며 상기 제1순환관(400)에 설치되어 열교환수를 차단하거나 유량을 제어하는 삼방밸브로 구성된다.

상기 제1순환관(400)은 상기 축열조(300)에 열교환수를 축냉 또는 축열시키기 위해 상기 제1열교환기(240)와 열교환되게 설치되고, 상기 제2순환관(500)은 상기 제1순환관(400)으로부터 분기된 열교환수를 상기 냉난방기(600)에 공급하기 위해 설치된다.

또한 상기 히트펌프 유닛을 축냉(축열)운전, 냉방(난방)운전, 축냉 및 냉방(축열 및 난방)운전에 따라 상기 제1, 2인버터펌프(P1, P2)를 선택적으로 가동함으로써 열교환수를 일정 방향으로 유동시키게 되는데, 상기 제1인버터펌프(P1)는 상기 제1순환관(400)을 따라 유동되는 열교환수의 흐름을 제어하고, 상기 제2인버터펌프(P2)는 상기 제2순환관(500)을 따라 유동되는 열교환수의 흐름을 제어하게 된다.

상기 개폐밸브(MV1)는 상기 제1분기관(410)의 유로 분기점을 개폐하여 상기 제1순환관(400)을 따라 유동되는 열교환수의 유동 방향을 선택적으로 변경하게 되며, 상기 제2분기관(420)의 유로 분기점에 구비된 삼방밸브는, 축냉(축열)운전의 경우 상기 축열조(300)를 경유하여 제1순환관(400)으로 유동되는 열교환수의 유량과 상기 제1열교환기(240)와 열교환되어 상기 제2분기관(420)으로 유동되는 열교환수의 유량을 일정 비율로 혼합 또는 분할되게 하는 비례제어식 유량제어밸브 역활을 하게 되거나, 냉방(난방)운전, 축냉 및 냉방(축열 및 난방)운전시 상기 개폐밸브(MV1)와 동일하게 상기 제2분기관(420)의 유로 분기점을 개폐하는 역활을 수행하게 된다.

또한, 상기 제2순환관(500) 사이에 연결되며 유로 분기점에 열교환수의 유량을 제어하는 상기 삼방밸브가 구비된 제3분기관(530)이 더 포함됨으로써, 냉방(난방)운전, 축냉 및 냉방(축열 및 난방)운전시 상기 축열조(300)를 경유하여 상기 제2순환관(500)으로 유동되는 열교환수의 유량과 상기 냉난방기(600)를 경유하여 상기 제3분기관(530)으로 유동되는 열교환수의 유량을 일정 비율로 혼합되게 하는 비례제어식 유량제어밸브 역활을 하게 된다

여기서, 축냉(축열)운전시에는 상기 제1인버터펌프(P1)만 구동되는데, 이에 따라 상기 제2순환관(500)과 상기 제3분기관(530)의 유로 분기점에 구비된 상기 삼방밸브는 작동되지 아니하며, 상기 냉방(난방)운전, 축냉 및 냉방(축열 및 난방)운전시에는 상기 제1, 2인버터펌프(P1, P2)가 동시에 구동됨으로써, 상기 제2, 3분기관(420, 530)의 유로 분기점에 구비된 삼방밸브 2대가 동시에 작동된다.

상기 삼방밸브를 동작시키는 제어수단은, 상기 열교환수 순환관에 구비되어 열교환수의 온도를 감지하는 온도감지센서(T1, T2)와, 상기 온도감지센서(T1, T2)에 의해 검출된 온도값과 입력된 온도값을 비교하여 소정의 제어신호를 송출하는 컨트롤러(미도시)와, 상기 컨트롤러의 제어신호를 상기 삼방밸브를 동작시키는 모터(미도시)에 인가하는 모터구동부(미도시)로 구성된다.

상기 온도감지센서(T1, T2) 중 일측 온도감지센서(T1)는 열교환수의 온도를 측정하여 상기 냉동사이클장치(200)의 구동 여부를 선택할 수 있도록 상기 제1인버터펌프(P1)와 상기 제1열교환기(220) 사이에 위치된 상기 제1순환관(400)에 설치되고, 타측 온도감지센서(T2)는 상기 냉난방기(600)의 출구측에 위치된 상기 제2순환관(500)에 각각 설치된다.

또한 상기 컨트롤러에 소정의 온도값을 입력하는 키스위치와 상기 지중열교환기(100)의 펌프(120), 상기 냉동사이클장치(200), 상기 제1, 2인버터펌프(P1. P2)의 구동을 제어하는 다수의 ON/OFF스위치가 마련된 조작판넬이 더 구비되는 것은 당연하다.

여기서, 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 상기 삼방밸브 중 상기 제2분기관(420)의 유로분기점에 구비된 것은 제Ⅰ삼방밸브(MV2)로, 상기 제3분기관(530)의 유로 분기점에 구비된 것은 제Ⅱ삼방밸브(MV3)로 각각 명칭하기로 한다.

한편, 상기 축열조(300)에 상기 제1순환관(400)만 설치되므로, 상기 축열조(300)의 유효에너지 이용의 극대화를 위한 온도 성층화를 위해 열교환수를 공급하기 위해 디퓨저(diffuser)가 설치되는데, 상기 축열조(300) 내측의 상부에 설치된 상부디퓨저(310)는 한 쌍의 상판으로 구비하고, 하부에 설치된 하부디퓨저(320)는 하나의 하판으로 구비하여도 그 기능을 수행할 수 있는바, 기존의 디퓨저의 구조를 극히 단순화시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 상기 축열조(300)와 상기 냉난방기(600) 사이에 열교환수를 유동시키기 위해 상기 제1, 2순환관(400, 500) 및 상기 제1, 2분기관(410, 420)만을 사용하고, 운전방식에 따라 열교환수의 흐름을 정, 역방향으로 전환시키는 부수장치로서, 상기 제1, 2인버터펌프(P1, P2), 상기 개폐밸브(MV1) 및 제Ⅰ, Ⅱ삼방밸브(MV2, MV3) 2대를 이용하여 간단히 제어될 수 있는 구조로, 종래의 복잡한 배관구조를 단순화할 수 있음은 물론, 개폐밸브 또는 삼방향밸브의 설치대수를 효과적으로 줄일 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛을 각 운전모드별 열교환수의 순환과정을 통하여 본 발명의 작용을 상세하게 설명한다.

(1) 축냉운전

(운전조건 - 제1인버터펌프 : ON, 제2인버터펌프 : OFF, 개폐밸브 : ON/OFF동작, 제Ⅰ삼방밸브 : 비례제어식 유량제어)

축냉운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 3에 도시되어 있다(도 2참조).

먼저, 냉동사이클장치(200)가 가동되어 상기 압축기(210)에서 압축된 고온, 고압의 냉매는 지중열교환기(100)의 지하수 순환관(110)이 연결된 제1열교환기(220)를 지나면서 응축되고, 다시 그 냉매는 상기 팽창밸브(230)를 지나면서 저온, 저압 상태로 상기 제2열교환기(240)를 통과하게 되며, 상기 제2열교환기(240) 내에 서 증발과정을 거치면서 상대적으로 제1순환관(400)을 따라 반시계 방향으로 유동되는 열교환수를 냉각시킨다.

상기 지중열교환기(100)에서는 펌프(120)가 가동되면서 상기 지하수 순환관(110)을 따라 계속 순환하여 냉동사이클장치(200)의 냉매와 열교환되면서 고온의 열을 흡수하게 된다.

또한 제1인버터펌프(P1)의 가동에 의해 상기 축열조(300)의 상부에서 강제 배출되는 열교환수는, 개폐밸브(MV1)의 ON/OFF 제어 및 제Ⅰ삼방밸브(MV2)의 비례제어에 의해 제2분기관(420)을 경유하여 제Ⅰ삼방밸브(MV2)를 통해 좌, 우측으로 분배되어 상기 축열조(300)의 하부와 상기 제1열교환기(240)측으로 각각 이동되며, 상기 제1열교환기(240)를 통과하는 열교환수는 냉각된 후, 제1분기관(410)을 통해 상기 축열조(300)의 하부로 유입되는 순환과정이 이루어지면서 축열조(300) 내에 축냉 저장된다.

상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)는 상기 제2열교환기(240)의 입구측인 상기 제1순환관(400)에 설치된 온도감지센서(T1)의 감지신호에 의해 동작시킴으로써, 비례제어식으로 유량을 조절할 수 있으며, 컨트롤러에 설정된 값에 도달할 때까지 축냉과정을 지속하게 된다.

여기서, 축냉운전의 초기에는 상기 축열조(300) 내의 열교환수 온도가 높은바, 상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)로부터 상기 축열조(300) 하부로 이동되는 열교환수 보다 상기 제1열교환기(240)측으로 이동되는 열교환수의 양이 많도록 상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)를 제어함으로써, 상기 축열조(300) 내의 열교환수를 효율적으로 냉각시 킬 수 있게 된다.

특히, 초기상태보다 점차 냉각되고 있는 상기 축열조(300) 내의 열교환수가 상기 축열조(300) 상부로부터 제Ⅰ삼방밸브(MV2)를 통해 다시 상기 축열조(300) 하부로 유입되게 함으로써, 상기 축열조(300) 내의 열교환수와 상기 제1열교환기(240)를 경유하며 냉각된 열교환수와의 온도편차를 줄여줌으로써, 냉각속도의 향상과 상기 축열조(300) 내의 균일한 온도장 형성을 도모할 수 있어 축열조(300) 상부까지 낮은 온도로 축냉할 수 있는 이점이 있다.

(2) 냉방운전

(운전조건 - 제1인버터펌프 : OFF, 제2인버터펌프 : ON, 개폐밸브(MV1) : ON/OFF동작, 제Ⅰ삼방밸브 : 일방향 개로조작, 제Ⅱ삼방밸브 : 비례제어식 유량제어)

냉방운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 4에 도시된 바와 같이(도 2참조), 상기 축냉운전 과정을 거쳐서 상기 축열조(300) 내에 축냉 저장된 열교환수를 주간에 냉난방기(600)쪽으로 순환시켜 활용함으로써, 냉방운전을 수행하게 된다.

이때, 건물의 층고가 낮을 경우에는 냉동사이클장치(200)의 가동 없이 상기 축열조(300)에 축냉 저장된 열교환수를 직접 냉난방기(600)로 순환시키는 과정만으로 상기 냉난방기(600)쪽에 냉기를 전달하게 된다.

상기의 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 앞서 설명한 축냉운전시의 열교환수 순환방향과 반대방향인 시계 방향으로 순환하며 상기 냉난방기(600)쪽 으로 냉기를 공급하는 것이다.

즉, 축열조(300)의 하부에 축냉 저장된 열교환수가 제1인버터펌프(P2)의 가동에 의해 강제 배출되어 상기 제1분기관(410)과 상기 개폐밸브(MV1)를 통해 제1순환관(400)으로 이동되다가 제2순환관(500)을 따라 시계방향으로 유동되어 상기 냉난방기(600)를 경유하면서 실내 공간쪽으로 냉기를 공급한 다음, 제Ⅰ삼방밸브(MV2)의 일방향 개로 조작에 의해 상기 제2분기관(420)을 통해 상기 축열조(300)의 상부로 유입된다.

이때, 상기 제2순환관(500)을 상호 연결하는 제3분기관(530), 그 유로 분기점에 제Ⅱ삼방밸브(MV3)가 구비되어 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 일부는 상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)와 상기 제2분기관(420)을 통해 상기 축열조(300)의 상부로 유입되는 한편, 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 나머지 일부는 상기 제3분기관(530)과 상기 제Ⅱ삼방밸브(MV3)를 통해 상기 축열조(300) 하부로부터 이동되는 열교환수와 혼합되어 다시 상기 냉난방기(600)로 이동된다.

상기와 같이 상기 축열조(300)로부터 직접적으로 상기 냉난방기(600)로 공급되는 열교환수의 양을 줄이는 한편, 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 나머지 일부를 상기 축열조(300)로부터 공급되는 열교환수와 혼합하여 다시 상기 냉난방기(600)에 공급함에 따라 열교환수의 냉각 열량을 충분하게 소진시킬 수 있으며, 상기 축열조(300) 내의 축냉 저장된 열교환수의 냉열량이 빠르게 소실되는 것이 방지할 수 있게 된다.

또한 상기 냉난방기(600)의 출구측에 위치된 상기 제2순환관(500)에 설치된 온도감지센서에 감지된 온도값에 의해 상기 제Ⅱ삼방밸브(MV3)를 동작시켜 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 나머지 일부와 상기 축열조(300)로부터 공급되는 열교환수의 혼합비율을 조절함으로써, 냉방 초기에는 상기 축열조(300)로부터 공급되는 열교환수의 비율을 높여줌으로써 실내 공간을 신속하게 냉각시킬 수 있게 된다.

(3) 냉방 및 축냉운전

(운전조건 - 제1인버터펌프 : ON, 제2인버터펌프 : ON, 개폐밸브 : ON/OFF동작, 제Ⅰ삼방밸브 : 일방향 개로조작, 제Ⅱ삼방밸브 : 비례제어식 유량제어)

냉방 및 축냉운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 5에 도시된 바와 같이(도 2참조), 상기 냉방운전시 실내의 냉방부하가 상기 축열조(300)의 축열량을 초과하거나 순간적으로 급격히 냉방부하가 증가하게 될 경우 운전하게 된다.

즉, ㅍ즉, 상기 냉난방기(600)의 출구측인 상기 제2순환관(500)에 설치된 온도감지센서(T2)에서 감지된 온도값이 컨트롤러에 설정된 온도값 이상으로 검출될 경우에, 상기 냉방운전을 가동시킨 상태에서 상기 축냉운전과 같이 상기 냉동사이클장치(200)를 재가동시키고, 상기 제1인버터펌프(P1)를 구동시켜 상기 제1순환관(400)으로 상기 축열조(300) 내의 열교환수를 반시계방향으로 순환시켜 상기 제1열교환기(220)를 통해 냉각시키게 된다.

즉, 상기 축냉운전과 같이 상기 냉동사이클장치(200)를 재가동함으로써, 상기 축열조(300) 내에 열교환수를 축냉시키는 것이다.

한편, 상기 제1인버터펌프(P1)의 구동에 따라 상기 제1, 2순환관의 교차지점에서는 상기 축열조(300)로부터 공급되는 열교환수와 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수가 혼합되어 상기 제1열교환기(220)를 경유한 후, 반대측 교차지점에서 상기 제2순환관(500)과 상기 축열조(300)로 각각 분할되어 공급된다.

이로 인하여, 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 일부를 상기 축열조(300)로 회수하지 않고 직접 상기 열교환기로 경유되게 하여 신속하게 냉각시키면서 상기 냉난방기(600)에 공급시킬 수 있게 된다.

(4) 축열운전

축열운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 6에 도시되어 있다(도 2참조).

먼저, 상기 냉동사이클장치(200)는 상기 축냉운전과 반대 방향으로 냉매가 순환되는데, 상기 압축기(210)에서 압축된 고온고압의 냉매는 상기 제1열교환기(240)를 지나면서 상기 축열조(300)의 하부로부터 공급되는 저온의 열교환수를 가열시키는 열교환 과정을 통해 응축되고, 다시 상기 팽창밸브(230)를 경유하면서 저온 저압상태가 되어 상기 지중열교환기0)측 제1열교환기(220)를 통과하게 되면서 완전 증발된 후, 상기 압축기(210)로 다시 순환된다.

아울러, 제1인버터펌프(P1)의 가동에 의해 상기 축열조(300)의 하부에서 강제 배출되는 열교환수는, 제Ⅰ삼방밸브(MV2)를 통해 상기 제1열교환기(240)를 경유 하면서 열교환된 후, 반시계 방향으로 순환되며, 상기 축열조(300)와 상기 제2분기관(420)으로 분할되어 공급된다.

이때, 상기 제2분기관(420)으로 분할된 열교환수는 상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)를 통과하면서 상기 축열조(300) 하부로부터 공급되는 열교환수와 혼합되어 상기 제1열교환기(220)측으로 이동됨으로써, 열교환수를 재차 가열시키는 한편, 상기 축열조(300)로 회수되는 과정에서 열손실이 발생되는 것을 방지할 수 있어 상기 축열조(300)에 축열시키는 시간을 단축시킴과 동시에 열손실을 최소화시킬 수 있게 된다.

상기 제Ⅰ삼방밸브(MV2)는 상기 제2열교환기(240)의 입구측인 상기 제1순환관(400)에 설치된 온도감지센서(T1)의 감지신호에 의해 동작시킴으로써, 비례제어식으로 유량을 조절할 수 있으며, 컨트롤러에 설정된 값에 도달할 때까지 축열과정을 지속하게 된다.

(5) 난방운전

(운전조건 - 제1인버터펌프 : OFF, 제2인버터펌프 : ON, 개폐밸브 : ON/OFF동작, 제Ⅰ삼방밸브 : 일방향 개로조작, 제Ⅱ삼방밸브 : 비례제어식 유량제어)

난방운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 7에 도시된 바와 같이(도 2참조), 상기의 야간 축열운전 과정을 거쳐서 축열조(300) 내에 저장된 고온수를 주간에 해열시켜 활용함으로써, 난방운전을 수행하게 된다. 이때, 건물의 층고가 낮을 경우에는 냉동사이클장치(200)의 가동 없이 상기 축열조(300)에 저장된 고온수를 직 접 냉난방기(600)로 순환시키는 과정만으로 상기 냉난방기(600)쪽에 온기를 전달하게 된다.

상기의 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 축열조(300)의 상부에 축냉 저장된 고온의 열교환수는, 제1인버터펌프(P2)의 가동에 의해 강제 배출되어 상기 개폐밸브(MV1)를 통과하여 상기 제1순환관(400)과 상기 제2순환관(500)을 따라 시계 방향으로 이동된 다음, 상기 냉난방기(600)를 통과하면서 실내 공간쪽으로 온기를 공급한 후, 다시 상기 축열조(300) 하부로 회수된다.

이때, 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 일부는 상기 제3분기관(530)을 따라 이동되어 상기 제Ⅱ삼방밸브(MV3)를 통과하면서 상기 축열조(300) 상부로부터 이동되는 고온의 열교환수와 혼합되어 상기 냉난방기(600)로 이동됨으로써, 고온의 열교환수 열량을 충분하게 소진시킬 수 있게 된다.

(6) 난방 및 축열운전

난방 및 축열운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 8에 도시된 바와 같이(도 2참조), 상기 난방운전시 난방부하가 상기 축열조(300)의 축열량을 초과하거나, 순간적으로 급격히 난방부하가 증가하게 될 경우에 운전하게 된다.

즉, 상기 냉난방기(600)의 출구측인 상기 제2순환관(500)에 설치된 온도감지센서(T2)에서 감지된 온도값이 컨트롤러에 설정된 온도값 이하로 검출될 경우에, 상기 축열운전과 같이 상기 냉동사이클장치(200)를 재가동시키고, 상기 제1인버터펌프(P1)를 구동시켜 상기 제1순환관(400)으로 상기 축열조(300) 내의 열교환수를 반시계방향으로 순환시켜 상기 제1열교환기(220)를 통해 가열시키게 된다.

즉, 상기 축열운전과 같이 상기 냉동사이클장치(200)를 재가동함으로써, 상기 축열조(300) 내에 열교환수를 축열시키는 것이다.

이로 인하여, 상기 냉난방기(600)를 경유한 열교환수 중 일부를 상기 축열조(300)로 회수하지 않고 직접 상기 열교환기로 경유되게 하여 신속하게 가열시키면서 상기 냉난방기(600)로 공급시킬 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛은 상기 제1, 2순환관(400, 500)과 상기 제1, 2분기관(410, 420)을 통해 열교환수를 순환시킬 수 있어 기존의 복잡한 배관 구조를 극히 단순화시킬 수 있으며, 특히 제2순환관(500)을 외부에 설치된 상기 축열조(300)에 연결하지 않고 상기 냉난방기(600)와 근접된 위치에서 상기 제1순환관(400)에 연결되게 설치할 수 있어 순환관의 전체 길이를 줄임과 동시에, 순환관을 따라 유동되면서 열교환수의 열량이 소실되는 것을 최소화시킬 수 있어 경제성과 열효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 상기 제1, 2순환관(400, 500)에 설치되는 부수장치로서 상기 제1, 2인버터펌프(P1, P2), 상기 개폐밸브(MV1) 및 상기 제Ⅰ, Ⅱ삼방밸브(MV2, MV3)로 구성하여 열교환수의 흐름을 정, 역방향으로 전환시킬수 있어 종래의 히트펌프유닛에 비하여 개폐밸브 또는 삼방향밸브의 설치대수를 줄일 수 있다.

또한 상기 축열조(300)에는 상기 제1순환관(400)만 설치되므로, 상기 축열조(300) 내측 상, 하부에 설치되는 상, 하부디퓨저(310, 320)의 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

아울러, 냉, 난방시 상기 축열조(300)로부터 냉난방기(600)로 순환되는 열교환수 중 일부를 상기 축열조(300)로 바로 유입시키지 않고 상기 냉난방기(600)로 재차 순환되게 함으로써, 열교환수의 열량을 효과적으로 이용할 수 있는 장점이 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에 관해 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않고, 후술하는 특허등록청구범위 뿐만 아니라, 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 연중 균일하고 안정적인 지열을 이용하여 냉난방 운전을 함으로써 에너지 절감 및 운전 비용 절감할 수 있고, 축열조와 냉난방기 사이에 흐르는 열교환수를 제1, 2순환관과 제1, 2분기관을 통해 순환시킬 수 있어 기존의 복잡한 배관구조를 극히 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고 제2순환관이 실외측에 설치된 축열조에 연결하지 않고 냉난방기와 근접된 위치에 설치할 수 있어 순환관의 전체 길이를 줄임과 동시에, 순환관을 따라 유동되면서 열교환수의 열량이 소실되는 것을 최소화시킬 수 있으며, 특히 축열조에 제1순환관만 설치되므로 상, 하부디퓨저의 구조를 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 부수장치로 인버터펌프 2대, 개패밸브, 삼방밸브 2대로 구성하여도 열교환수의 흐름을 정, 역방향으로 전환시킬수 있어 종래의 히트펌프유닛에 비하여 개폐밸브 및 삼방향밸브의 설치대수를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 냉, 난방시 축열조로부터 냉난방기로 순환되는 열교환수 중 일부를 상기 축열조로 바로 유입시키지 않고 냉난방기로 재차 순환되게 함으로써, 열교환수의 열량을 효과적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

지중열교환기와 제1열교환기로 연결된 냉동사이클장치와, 상기 냉동사이클장치의 제2열교환기와 열교환되게 설치되며 축열조와 실내의 냉난방기 사이에 연결된 열교환수 순환관으로 구성된 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛에 있어서,

상기 열교환수 순환관은,

상기 제2교환기와 열교환되게 설치되고 일측이 상기 축열조에 연결되며 제1인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제1순환관과;

상기 제1순환관에 양측이 연결되되, 일측이 상기 냉난방기에 연결되게 설치되며 제2인버터펌프에 의해 열교환수가 정, 역방향으로 순환되는 제2순환관과;

상기 제1순환관 사이에 각각 연결된 제1, 2분기관과;

상기 제1분기관에 구비되어 선택적으로 개폐되는 개폐밸브와;

상기 제2분기관의 유로 분기점에 설치되되, 열교환수의 흐름 방향과 밸브의 동작에 의해 열교환수를 일방향으로 유동되게 하거나, 열교환수를 일정 비율로 혼합 또는 분배하여 공급시키도록 제어하는 삼방밸브가 포함된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛.
제 1항에 있어서,

상기 제2순환관 사이에 연결되며 유로 분기점으로 유입되는 열교환수를 일정 비율로 혼합하여 공급하는 삼방밸브가 구비된 제3분기관이 더 포함된 것을 특징으 로 하는 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 삼방밸브를 동작시키는 제어수단은,

상기 열교환수 순환관에 구비되어 열교환수의 온도를 감지하는 온도감지센서와;

상기 온도감지센서에 의해 검출된 온도값과 입력된 온도값을 비교하여 소정의 제어신호를 송출하는 컨트롤러와;

상기 컨트롤러의 제어신호를 상기 삼방밸브를 동작시키는 모터에 인가하는 모터구동부가 포함된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 축열식 히트펌프 유닛.