KR100743364B1 - 상하수도관을 활용한 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상하수도관에 흐르는 원수를 히트펌프 시스템의 열원으로 사용할 수 있도록 한 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로,

상수도관에 구성되는 열원 공급부와, 상기 열원 공급부에서 일측으로 유입관을 통하여 히트펌프 시스템의 열교환기에 유입수를 인가시키는 유입관과, 상기 유입관에서 공급되는 공급수가 히트펌프 시스템내의 열교환기를 통과하여 열원 공급부로 배출되는 배출관으로 구성시키고 있다.

따라서 상수도관에 히트펌프의 열원 공급부를 형성하여 항상 일정한 온도 및 수량 확보가 용이한 동시에 스케일의 생성을 억제할 수 있으며,

상수도관을 활용한 히트 펌프 시스템에 공급되는 열원 공급부를 형성하여 용수공급만으로 사용하는 관로시스템과 동시에 히트펌프시스템의 공급 열원수를 선택할 수 있도록 한 특징이 있다.

상수도관, 히트펌프 시스템, 열교환기, 헷더, 냉난방 싸이클, 열원공급원, 가동밸브, 수도 공급

Description

상하수도관을 활용한 히트펌프 시스템 {Heat Pump System using Water Supply Pipe Line}

도 1는 본 발명의 상수도관에 연결되는 본 발명의 히트펌프 시스템을 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명의 상수도관에 연결되는 본 발명의 열교환 장치와, 취수장에서 정수장, 정수장에서 가정집으로 흐르는 공급수의 순환과정을 나타낸 개략도,

도 3는 본 발명의 열교환 장치를 상세히 나타낸 요부 단면도,

도 4는 본 발명에서 사용되고 있는 히트펌프 시스템에 사용되는 냉난방용 히트펌프의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

u1 : 유입관 u2 : 유출관

t1 : 열원 공급부(상수도관) t2 : 열원 배출부(상수도관)

f1,f2 : 플랜지 v1,v2 : 가동밸브

v3 : 공급밸브 b1,b2 : 튜브

s1 : 열원 공급 32 : 히트펌프

33 : 축열조 34 : 헷더

310 : 제 1열교환기 320 : 제 2 열교환기

330 : 제 3열교환기 340 : 컴프레셔

350 : 사방변 360 ;팽창밸브

본 발명은 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 지하 매설 상수도관에 흐르는 원수를 히트펌프 시스템의 열원으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

화석에너지 고갈과 지구온난화로 인해 냉난방에 소요되는 에너지 비용은 급상승하고 있다. 지구의 총에너지의 1/6과 천연 가스의 1/4 을 냉난방을 위한 에너지로 사용되고 있다. 히트펌프는 냉난방이 가능한 시스템으로써 높은 효율성과 시스템의 안정성으로 소요가 급상승하고 있다. 일반적으로 히트펌프 시스템은 열원에 따라 구분하며 열원특성에 따라 성능과 내구성 등을 결정하는 인자가 된다. 이러한 측면에서 세계 각국은 미활용 열원을 이용한 히트펌프 시스템을 적극적으로 개발하고 보급하는 추세이다.

본 발명에서 이용하고자 하는 히트펌프 열원은 인간생활에 필수적으로 공급받고 있는 상수도관을 이용함으로써 기존의 상수공급 뿐만 아니라 히트펌프 냉난방 열원으로의 이용이 가능한 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

국내에 도수 송수를 통해 사용가로 공급되는 수량은 2004년 기준 연간 5십8억톤 이상으로 이를 열원으로 활용할 경우 3백5십만Gcal/hr에 달하는 엄청난 에너지원이다. 이는 지역난방공사 1개소에서 공급하는 열에너지를 500Gcal/hr라 가정할 경우 7,000개소에서 공급하는 에너지와 같은 양이다.

상기와 같이 에너지의 절감이 가능한 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브들로 이루어진 냉동싸이클을 통해 냉매를 액화와 기화를 반복하게 하고, 이와 연결된 주변기기를 통해 냉난방을 수행하게 된다.

즉, 히트펌프 시스템은 냉방시스템의 경우 증발기에서 냉매가 흡열작용시 이를 이용하여 냉방시스템에 사용하면서, 이 저온 저압의 가스로 증발하면서 열원(공기열원, 폐열원, 지열원 등)으로부터 흡열하여 열교환을 하고 있다.

또한 난방시스템의 경우에는 압축기에서 고온, 고압의 상태로 압축된 냉매를 응축기에서 방열하면서 액화되고, 이때 응축기의 방열을 이용하여 난방 및 급탕에 이용하고 있으며, 다시 팽창밸브에서 저온 저압의 액화 상태로 감압하여 증발기로 유입되게 하고 있다.

그러나 공기를 열원으로 사용하는 히트펌프는 무한으로 이용할 수 있는 시스템이나 동절기와 하절기의 열원온도가 클 경우 급격한 성능저하가 있으며, 내구성을 감소시키는 문제가 있다.

폐열을 이용하는 폐열이용 시스템의 경우에는 항상 일정한 열원을 공급할 수 있는 발전소 등의 있는 지역에서는 유리하나, 보통의 경우 열원확보가 어려워 널리 보급되기 어려운 것이었다.

지열을 이용하는 지열히트펌프 시스템은 높은 효율과 긴 내구성이 가능한 시스템이나 지열을 이용하기 위한 비용이 높아 초기 투자비용이 높은 단점이 있다.

상수도관의 열원을 이용하는 히트펌프시스템은 열원의 연중 계절별 온도가 일정하여 시스템의 효율이 높고 건물 주변에 어디든 라인이 공급되어 있어 그 이용이 용이하며 히트펌프 시스템 설치 초기비용이 저렴한 장점이 있다.

따라서 본 발명은 식생활 용수를 사용하고자 여과되고, 정수처리를 위해 공급되거나 정수처리된 공급수를 사용하여 안정된 수량을 확보하고 별도의 여과처리를 기하지 아니하고도 소정의 효과를 얻고자 노력을 기하였다.

본 발명의 목적은 상수도관을 활용한 히트펌프의 열원 공급부를 형성하여 항상 일정한 온도 및 수량 확보가 용이한 동시에 스케일의 생성을 억제 할 수 있는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 상수도관을 활용하여 히트 펌프 시스템에 공급되는 열원 공급부를 형성하여 생활용수만으로 사용하는 정수시스템에 전혀 영향을 주지 않으면서 정수와 동시에 히트펌프시스템의 열원을 취득할 수 있는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

또 다른 목적은 상수도관의 공급수를 열교환기의 열원으로 사용하므로서 유속이 감소되어 생기는 문제점을 해결할 수 있는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이때 건물 냉난방 부하에 따라 배관관경은 일정해도 열교환기 길이를 조정함 으로써 건물 부하에 필요한 만큼 열량취득이 가능하게 된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상수도관에 구성되는 열원 공급부와, 상기 열원 공급부에서 일측으로 유입관을 통하여 히트펌프 시스템의 열교환기에 유입수를 인가시키는 유입관과, 상기 유입관에서 공급되는 공급수가 히트펌프 시스템내의 열교환기를 통과하여 열원 공급부로 배출되는 배출관으로 구성시켜 달성할 수가 있다.

본 발명의 다른 특징은 상수도관에 형성된 통로로 정수를 위하여 직접적인 공급수를 선택하도록 구성한 공급밸브와, 상기 상수도관은 병렬로 형성되고, 히트펌프 시스템내 열교환기에 공급수를 인입시키기 위하여 일측으로 유입관이 형성되며, 타측으로 배출관이 형성된 열원 공급부와,

상기 상수도관에 각각 형성되고, 정수와 동시에 히트펌프 가동시 구동되는 가동밸브가 구성시키도록 한 것이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1는 본 발명의 상수도관에 연결되는 본 발명의 열교환 장치를 나타낸 개략도로서 여가서 사용하는 용어인 도수는 취수장에서 정수장까지 공급되는 물이며, 송수는 정수장에서 사용처(배수지 또는 가정)까지 공급되는 물이다.

본 발명은 상수(도수,송수)도관(t1,t2) 등에 구성되는 열원 공급부(s1)을 형성한 것을 특징으로 하고 있다.

상기 열원 공급부(s1)를 통하여 일측으로 유입관(u1)를 통하여 히트펌프 시스템의 열교환기(310)에 유입수를 인가시키고, 상기 열교환기(310)를 통과한 배출수는 배출관(u2)를 통하여 다시 열원 공급부(s1)로 환원하도록 구성되어 있다.
여기서 히트펌프 시스템은 히트펌프(31), 축열조(33), 실내공급 gpt더를 포함하고 있다.

상기한 히트펌프 시스템는 열원으로 공급되는 공급수에 의하여 열교환하는 열교환기(310)와, 상기 열교환기와 연결되어 냉매의 흐름을 제어하는 냉난방용 히트펌프(32)와, 상기 냉난방용 히트펌프(32)에 연결되어 축열조(33)를 통하여 냉난방된 기류를 각각의 층으로 공급하는 헷더(34)로 구성되며, 상기한 냉난방용 히트펌프(32)는 도 4와 같이 구성된다.

상기 본 발명은 상수도관(t1,t2)에 구성되는 열원 공급부(s1)는 상기 상수도관(t1,t2)과 플랜지(f1),(f1)를 통하여 나사결합하여 고정된다.

여기서 상수도관(t1,t2)에 구성되는 열원 공급부(s1)를 상수도 관 또는 하수도관과 같이 지하에 흐르는 유체관 등의 사이에 연결되게 구성하여도 동일한 효과를 얻을 수가 있다.

상기 플랜지 및 열원공급부의 세부 구성은 도 2와 같다.

도 2는 본 발명의 상수도관에 연결되는 본 발명의 열교환 장치와, 취수장에서 정수장으로 흐르는 공급수의 순환과정을 나타낸 개략도이다.

먼저 취수장에서 정수장으로 흐르는 공급수는 상수도관(t1,t2)에 별도의 공급밸브(v3)를 구성시켜 평상시 히트펌프 시스템이 가동되지 아니하는 경우에는 취수장의 물이 정수장으로 직접 흐르도록 구성되어 있다.

그리고 히트펌프 시스템이 가동되는 경우에는 공급밸브(v3)를 차단하여 직접적으로 흐르는 통로를 차단하고, 상기 상수도관(t1,t2) 등에 병렬로 형성된 열원공 급부(s1)를 통하여 흐르도록 구성되어 있다.

이때 가동밸브(v1),(v2)를 개방된 상태를 유지하게 되므로 열원 공급부(s1)를 통하여 흐르는 공급수는 일측으로 유입관(u1)를 통하여 상술한 히트펌프 시스템의 열교환기에 유입수를 인가시키고, 상기 열교환기를 통과한 배출수는 배출관(u2)를 통하여 다시 열원 공급부(s1)로 환원하도록 구성되어 있다(도 1참조).

상기한 가동밸브(v1),(v2) 및 공급밸브(v3)는 수동이나 전자식 개폐장치를 사용하여 원격으로 조정할 수도 있다.

상기한 양쪽의 플랜지(f1),(f2)를 통하여 고정되어 있는 열원공급부(s1)는 유속의 흐름에 방해되지 않도록 다수개의 튜브(b1),(b2) 및 차단판(l1)을 형성하고 있다.

즉, 일정한 굵기를 가진 열원공급부(s1)에서 유입관(u1)을 통하여 열교환기로 공급수의 일부가 유입되게 되면, 후단에 상수도관(t2)으로 흐르는 유속이 떨어지게 된다.

이와 같은 유속의 속도에 지장을 주지 않기 위하여 도 3과 같이 열원 공급부(s1)를 구성하여 해결하고 있는 것으로 열원 공급부(s1)내에 다수개의 튜브(b1),(b2)를 구성하여 튜브(b1),(b2)를 통하여 공급되는 공급수가 상기한 상수도관(t2)쪽으로 흐르도록 구성하여 관 굵기 적은 튜브(b1),(b2)로 흐르도록 하여 유속이 증가하게 되므로 유속이 감소되어 생기는 문제점을 해결할 수가 있다.

그리고 상기 튜브(b1),(b2)외에 열원공급부(s1)로 흐르는 공급수는 상술한 바와같이 열교환기(310)로 흐르도록 하여 공급수를 열원으로 사용할 수가 있다.

또한 상기와 같이 튜브(b1),(b2)에 의하여 유속을 조절하기 어려운 경우에는 차단판(l1)를 다수개 설치하여 공급수의 유속의 제어가 가능한 효과가 있다.

상기에서는 다수개의 튜브(b1),(b2)를 통하여 공급되는 공급수가 상수도관(t2)쪽으로 흐르도록 구성되고, 그 외의 열원 공급부(s1)의 내부에 흐르는 공급수가 열교환기 쪽으로 흐르도록 하고 있으나, 역으로 튜브(b1),(b2)를 통한 공급수가 열교환기 쪽으로 흐르도록 구성하고, 그 외의 열원 공급부(s1)의 내부에 흐르는 공급수가 상수도관(t2)쪽으로 흐르도록 구성할 수도 있다.

도 4는 히트펌프 시스템내의 냉난방용 히트펌프(도 1의 32)를 상세히 나타낸 배관도로서 각각 구동을 위한 구동펌프(311),(321),(331)를 구비하는 3개의 열교환기(310),(320)(330), 사방밸브(350) 및 팽창밸브(360)로 구비하는 구조로 이루어져 있다.

즉, 제 1구동 펌프(311)의 작동을 통하여 외부의 열을 교환하는 제 1열 교환기(310)와, 제 2 구동펌프(321)의 작동을 통하여 실내의 열을 교환하는 제 2 열교환기(320)와, 열교환을 위한 냉매의 순환을 위한 컴프레셔(340)를 구비하고 있다.

이와같은 구성된 히트펌프 시스템의 냉난방 싸이클에서 냉방 모드시에는 먼저 상기 컴프레셔(340)가 작동하여 저온 저압의 냉매를 고온 고압으로 만든후 제 1구동펌프(311)의 작동으로 상기 제 1 열교환기(310)에서 외부와 열을 교환하여 냉매가 열을 방출하여 응축하게 하는 것으로 상기 제 1열교환기(310)는 외부에 열을 방출하는 응축기의 역할을 수행한다.

그리고, 상기 제 1열교환기(310)에서 열을 방출한 냉매는 컴프레셔(340)의 작동으로 상기 팽창밸브(360)에서 저온 저압으로 팽창한 후, 제 2열교환기(320)로 이동한다.

상기 제 2열교환기(310)의 제 2구동펌프(321)가 작동하면, 상기 냉매는 실내의 열을 흡수하여 실내 냉방이 실시하는 것으로 상기 제 2열교환기(320)는 실내의 열을 흡수하는 증발기의 역할을 수행한다.

급탕 및 난방 시에는 히트펌프에 제 3열교환기(330) 및 제 3 구동펌프(331)가 구동되며, 이 열교환기는 컴프레셔와 사방변 사이에 위치하여 냉난방 모드에 관계없이 항상 고온 고압의 냉매가 흐를 수 있도록 하고 있다.

이때에는 컴프레셔(340)의 작동으로 고온 고압의 냉매는 제 3열 교환기(330)로 이동하고, 상기 제 3열교환기(330)에서는 제 3 구동펌프(331)가 작동하면, 상기 냉매는 제 2열교환가(320)에서 흡수한 열을 방출하여 온수를 형성하며, 제 3 구동펌프가 작동하지 않으면, 제 1열교환기로 이동하여 제 1구동 펌프의 작동으로 외부로 열을 방출하게 된다. 즉, 상기 제 1 열교환기(310) 및 제 3 열교환기(330) 응축기의 역할을 하여 제 2 열교환기(320)는 증발기의 역할을 수행한다.

이와 같은 동작하는 열교환기(310)에서 도관을 통하여 공급되는 열원과 열교환을 수행하여 열효율을 높이도록 하고 있다. 또한 상기 제 2열교환기(310)의 제 2구동펌프(321)의 후단에는 축열조가 형성되어 야간에 물 소비가 없는 경우 그 부하로서 구동되는 것으로 열을 저장하여 냉난방에 이용할 수가 있다.

상기한 히트 펌프 시스템의 냉난방 싸이클부는 산업설비, 아파트, 회사 등의 사용목적에 따라 변경될 수 있는 구조이다.

이상에서와 같이 본 발명은 식생활 용수를 공급하기 위하여 상수도관 사이에 흐르는 취수를 히트펌프 시스템내 열교환장치의 공급수로 사용하여 별도의 여과처리가 불필요하고 안정된 수량의 공급수를 얻을 수가 있어 열효율이 우수한 히트펌프 시스템의 적용시 경제적인 이점을 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 취수용수로서 공급되는 상수도관과 같이 히트펌프의 열원 공급부를 형성하여 항상 일정한 온도 및 수량 확보가 용이한 동시에 스케일의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있으며,

또한 히트펌프 시스템의 구동 여부에 따라 정수시스템만으로 흐르는 취수가 공급되게 하거나, 정수시스템과 동시에 히트펌프 시스템의 공급수로 공급되게 할 수가 있으므로 계절에 따라 사용자가 원하는 선택을 할 수가 있는 동시에 고장수리 및 정비시에도 정수시스템을 그대로 사용할 수가 있으므로 생활용수의 공급이 차단되는 것을 방지할 수가 있다.

그리고 본 발명은 상수도의 공급수를 열교환기의 열원으로 사용할 때 열원공급부 내에 다수개의 튜브 및 차단막을 설치하여 유속이 감소되는 현상을 해결하고 있는 효과가 있으므로 기존의 정수시스템에 문제를 주지 아니하는 히트펌프 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 상수도관(t1,t2)에 구성되는 열원 공급부(s1)와,

   상기 열원 공급부(s1)에서 일측으로 유입관(u1)을 통하여 히트펌프 시스템의 열교환기(31)에 유입수를 인가시키는 유입관(u1)과,

   상기 유입관(u1)에서 공급되는 공급수가 히트펌프 시스템내의 열교환기(31)를 통과하여 열원 공급부(s1)로 배출되는 배출관(u2)으로 구성한 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상수도관(t1,t2)에 구성되는 열원 공급부(s1)는 양측의 플랜지를 통하여 연결되고,

   열원 공급부(s1)의 내부에 다수개의 튜브(b1),(b2)를 고정 설치하여 정수를 위하여 상기 상수도관(t2)쪽으로 흐르도록 구성되며,

   상기 열원 공급부(s1)의 내부의 공급수가 히트펌프 시스템의 열교환기(31)로 유입되게 구성 한 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상수도관(t1.t2)사이에 구성되는 열원 공급부(s1)는 양측의 플랜지를 통하여 연결되고,

   열원 공급부(s1)의 내부에 다수개의 튜브(b1),(b2)를 고정 설치하여 히트펌프 시스템의 열교환기(31)로 유입되게 구성하고, 상기 열원 공급부(s1)의 내부의 공급수는 정수를 위하여 상기 상수도관(t2)쪽으로 흐르도록 구성한 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템
4. 삭제
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   열원 공급부(s1)의 내부에 다수개의 튜브(b1),(b2)가 고정된 열원공급부(s1)의 내부에 별도의 차단판(l1)을 고정 설치하여 유속을 조정하도록 구성시킨 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템
6. 상수도관(t1,t2)에 형성된 통로로 정수를 위하여 직접적인 공급수를 선택하도록 구성한 공급밸브(v3)와,

   상기 상수도관(t1,t2)에 병렬로 형성되고, 히트펌프 시스템내 열교환기에 공급수를 인입시키기 위하여 일측으로 유입관(u1)이 형성되며, 타측으로 배출관이 형성된 열원 공급부(s1)와,

   상기 상수도관에 각각 형성되고, 정수와 동시에 히트펌프 가동시 구동되는 가동밸브(v1),(v3)가 구성된 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템.
7. 제 6에 있어서,

   상기한 가동밸브(v1),(v2) 및 공급밸브(v3)는 수동이나 전자식 개폐장치를 사용하여 원격으로 조정할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 상수도관을 활용한 히트펌프 시스템.

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