KR100845607B1 - 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과냉각용 열교환기를 설치하여 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열원 히트펌프장치에서 지열수를 이용한 지열 열교환기에서 사용된 지열수를 재활용한 과냉각용 열교환기를 설치하여 난방시 냉난방 열교환기에서 응축된 냉매가스를 응축시켜 과냉각시킴으로써 난방성능을 향상시키고, 압축기에서 고온고압의 상태로 압축된 냉매를 이용하여 온수를 생성할 수 있도록 온수탱크용 열교환기와 온수탱크를 설치하여 냉난방시 언제나 온수를 사용할 수 있는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 지열을 이용한 지열원 히트펌프장치는 저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와;

상기 압축기로부터 압축된 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과;

상기 4방변(2)의 방향전환에 의하여

냉방시에는 외부로부터 공급되는 물에 의하여 열교환되는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되는 냉난방 열교환기(3)와;

냉방시에는 지열수 펌프로부터 공급된 지열수와 상호 열교환되도록 응축기로 전환되고, 난방시에는 증발기로 전환되는 지열수를 이용한 지열 열교환기(4)와;

냉매가스를 저압으로 교축시키는 팽창밸브(5)와;

난방시 상기 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 냉각시키도록 설치된 과냉각용 열교환기(6)와;

상기 압축기(1)로부터 고온고압의 상태로 압축된 냉매가스를 이용하여 온수를 저장하도록 압축기(1)와 4방변(2) 사이에 설치되는 온수탱크용 열교환기(7)와 온수탱크(8)로 이루어진다.

냉난방장치, 열교환기, 지열

Description

난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치{Heat pump using geothermy improved heatingcapacity}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치의 냉방시 개략도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치의 난방시 개략도.

도 3은 본 발명의 지열원 히트펌프장치의 난방시 P-h선도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 난방성능을 향상시킨 지열을 이용한 냉난방 장치의 난방시 개략도.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 압축기 2 : 4방변

3 : 냉난방 열교환기 4 : 지열 열교환기

5 : 팽창밸브 6 : 과냉각용 열교환기

7 : 온수탱크용 열교환기 8 : 온수탱크

9 : 냉매가스용 바이패스관 10, 11 : 체크밸브

12 : 전자밸브 13 : 지열수용 바이패스관

14 : 압력센서

본 발명은 과냉각용 열교환기를 설치하여 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열원 히트펌프장치에서 지열수를 이용한 지열 열교환기에서 사용된 지열수를 재활용한 과냉각용 열교환기를 설치하여 난방시 냉난방 열교환기에서 응축된 냉매가스를 응축시켜 과냉각시킴으로써 난방성능을 향상시키고, 압축기에서 고온고압의 상태로 압축된 냉매를 이용하여 온수를 생성할 수 있도록 온수탱크용 열교환기와 온수탱크를 설치하여 냉난방시 언제나 온수를 사용할 수 있는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치에 관한 것이다.

상기 지열원 히트펌프장치는 실내공기의 온도를 사용목적에 적합한 온도로 유지하기 위하여 냉방과 난방을 할 수 있도록 이루어진 장치이다.

일반적인 냉난방장치는 냉매가스를 고온고압 상태로 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 압축된 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변과, 실내측 열교환기와, 실외측 열교환기와, 냉매가스를 저압으로 교축시키는 팽창밸브로 이루어진다.

상기와 같은 냉난방장치는 사용의 편리성으로 많이 사용되고 있으나, 에너지의 효율이 떨어져 많은 에너지가 사용되는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하고자 에너지절약을 위한 지열원 히트펌프장치가 제시되어 있으며, 보다 구동의 안정성과 효율을 높인 지열원 히트펌프장치들이 많이 개발되고 있는 실정이다.

본 발명은 최근에 냉난방장치의 효율을 높이고자 개발되고 있는 지열원 히트펌프장치의 난방성능과 구동의 안정성을 높이고자 안출된 것으로, 본 발명은 난방시 응축기의 역할을 하는 냉난방 열교환기에서 응축된 냉매가스를 팽창밸브에서 교축시키기 전에 지열수를 이용하여 과냉각을 시킴으로써 지열원 히트펌프장치의 난방성능과 구동의 안정성을 높이고자 하는데 목적이 있다.

또한, 난방시 과냉각을 위하여 설치되는 열교환기에 냉매가스용 바이패스관을 설치하고, 상기 열교환기와 바이패스관에 2개의 체크밸브를 설치하여 특별한 조작없이 난방시에만 과냉각을 위한 열교환기가 사용될 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 냉난방시 항시 압축기에서 고온고압의 상태로 전환된 냉매가스를 이용하여 냉방시나 난방시에 언제나 온수를 공급할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 과냉각을 위한 과냉각 열교환기에 지열수용 바이패스관을 설치하고, 지열수의 방향을 제어하는 밸브를 설치하며, 과냉각 열교환기와 팽창밸브 사이에 센서를 설치하여 난방시 보다 안정된 난방장치의 구동을 실현하고자 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고 본 발명의 지열원 히트펌프장치는,

저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와;

상기 압축기로부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관에 설치되어 상기 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과;

상기 4방변(2)의 방향전환에 의하여,

외부로부터 연결된 관을 따라 공급되는 물과 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 열교환되어 냉방시에는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되는 냉난방 열교환기(3)와;

지열수 펌프로부터 공급된 지열수와 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 상호 열교환되어 냉방시에는 응축기로 전환되고, 난방시에는 증발기로 전환되는 지열수를 이용한 지열 열교환기(4)와;

상기 지열 열교환기(4)의 출구 측에 설치되어 냉매가스를 저압으로 교축시키는 팽창밸브(5)와;

난방시 상기 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 냉각시키도록 냉난방 열교환기(3)와 팽창밸브(5) 사이에 연결된 관에 설치된 과냉각용 열교환기(6)와;

상기 압축기(1)와 4방변(2) 사이에 설치된 온수탱크용 열교환기(7)와;

상기 온수탱크용 열교환기(7)와 연설된 온수탱크(8)와;

상기 구성요소를 전기신호에 의해 제어하도록 외부에 설치되는 제어부(20);로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 과냉각용 열교환기(6)는 냉난방 열교환기(3)와 팽창밸브(5) 사이에 설치되고, 지열 열교환기(4)로부터 열교환한 지열수를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과냉각용 열교환기(6)에 냉매가스용 바이패스관(9)을 설치하고, 냉매가스가 냉방시에는 팽창밸브(5)에서 교축된 냉매가스가 과냉각용 열교환기(6)으로 유동하지 않고 바이패스관(9)으로만 유동하고, 난방시에는 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스가 바이패스관(9)으로 유동하지 않고 과냉각용 열교환 기(6)으로만 유동하도록 상기 과냉각용 열교환기(6)와, 상기 바이패스관(9)에 체크밸브를 설치한다.

또는, 상기 과냉각용 열교환기(6)에 지열수용 바이패스관(13)을 설치하고, 상기 지열수의 방향을 제어할 수 있도록 전자밸브(12)를 설치되며, 난방시 과냉각용 열교환기(6)에서 토출되는 냉매가스를 측정하는 센서(14)가 설치됨을 특징으로 한다.

또한, 난방시, 상기 센서(14)에서 측정된 냉매가스의 측정값과 제어부(20)에 입력된 냉매가스의 입력값을 비교하고, 상기 제어부(20)는 비교된 정보에 의하여 전자밸브(12)를 조절하여 측정값과 입력값이 일치되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 지열원 히트펌프장치의 개략도를 참조하여 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치의 냉방시 개략도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치의 난방시 개략도이고, 도 3은 본 발명의 지열원 히트펌프장치의 난방시 P-h선도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타 낸 난방성능을 향상시킨 지열을 이용한 지열원 히트펌프장치의 난방시 개략도이다.

첨부된 도 1과 도 2에서와 같이 본 발명의 지열원 히트펌프장치는,

저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와; 상기 압축기로부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관에 설치되어 상기 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과; 상기 4방변(2)의 방향전환에 의하여, 외부로부터 연결된 관을 따라 공급되는 물과 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 열교환되어 냉방시에는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되는 냉난방 열교환기(3)와; 지열수 펌프로부터 공급된 지열수와 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 상호 열교환되어 냉방시에는 응축기로 전환되고, 난방시에는 증발기로 전환되는 지열수를 이용한 지열 열교환기(4)와; 상기 지열 열교환기(4)의 출구 측에 설치되어 냉매가스를 저압으로 교축시키는 팽창밸브(5)와; 난방시 상기 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 냉각시키도록 냉난방 열교환기(3)와 팽창밸브(5) 사이에 연결된 관에 설치된 과냉각용 열교환기(6)와; 상기 압축기(1)와 4방변(2) 사이에 설치된 온수탱크용 열교환기(7)와; 상기 온수탱크용 열교환기(7)와 연설된 온수탱크(8)와; 상기 구성요소를 전기신호에 의해 제어하도록 외부에 설치되는 제어부(20)로 구성된다.

상기 과냉각용 열교환기(6)는 난방시 응축기 역할을 하는 냉난방 열교환기(3)와 응축된 냉매가스를 교축시키는 팽창밸브(5) 사이에 설치되어, 도 4와 같이 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 과냉각용 열교환기(6)에서 다시 응축시킴으로써 난방시 난방성능을 높이고자 한다.

상기 과냉각용 열교환기(6)는 지열 열교환기(4)에서 교축된 냉매가스와 열교환한 지열수를 이용할 수 있도록 설치된다.

상기 지열 열교환기(4)에서 교축된 냉매가스와 열교환한 지열수를 이용한 과냉각용 열교환기(6)의 사용을 예를 들어 설명하면, 일반적으로 지중의 지열수의 온도는 항시 약 10℃를 유지함으로써, 지열 열교환기(4)에 공급되는 지열수의 온도는 항시 약 10℃의 지열수가 공급되고, 난방시, 약 10℃로 지열 열교환기(4)에 공급된 지열수는 교축된 냉매가스(6)와 열교환을 하여 약 5℃의 지열수로 배출된다. 상기 약 5℃의 지열수는 과냉각용 열교환기(6)에 공급되어 약 50℃의 냉매가스를 약 35℃로 냉각시키게 된다(일반적으로 난방시 냉난방 열교환기에서 응축된 냉매가스의 온도는 약 50℃이다).

이와 같이 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 지열 열교환기(4)에서 사용된 지열수를 이용하여 과냉각을 시키게 되면, 다른 특별한 에너지의 공급 없이 응축된 냉매가스를 약 15℃ 만큼 과냉각을 시킴으로써 난방성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

상기 과냉각용 열교환기(6)에 냉매가스용 바이패스관(9)을 설치하고, 상기 과냉각용 열교환기(6)의 입,출구 어느 한 쪽에 체크밸브(10)를 설치하고, 상기 바이패스관(9) 상에 체크밸브(11)를 설치하여 냉매가스가 냉방시에는 팽창밸브(5)에서 교축된 냉매가스가 과냉각용 열교환기(6)으로 유동하지 않고 바이패스관(9)으로만 유동하며, 난방시에는 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스가 바이패스관(9)으로 유동하지 않고 과냉각용 열교환기(6)으로만 유동하도록 한다.

즉, 과냉각용 열교환기(6)의 입,출구 어느 한 쪽에 체크밸브(10)와 상기 바 이패스관(9) 상에 체크밸브(11)를 서로 반대 방향으로 설치하되, 냉방시에는 과냉각용 열교환기(6)의 체크밸브는 닫히고, 바이패스관(9)의 체크밸브(11)는 열리며, 난방시에는 과냉각용 열교환기(6)의 체크밸브(10)는 열리고, 바이패스관(9)의 체크밸브(11)는 닫히도록 설치한다.

이는 특별한 제어장치의 필요없이 2개의 체크밸브를 설치함으로써 냉방시와 난방시 냉매가스의 방향을 유도할 수 있는 특징을 가진다.

상기 과냉각용 열교환기(6)의 체크밸브(10)는 도면상 상측(냉방시 냉매의 입구측)에 설치되는 것이 바람직하다. 또는, 과냉각용 열교환기(6)의 입,출구 양측에 동일한 방향으로 2개의 체크밸브를 설치하는 것도 가능하다.

냉방시와 난방시의 개략도를 나타낸 도 1과 도 2와 같이 냉난방시 항상 고온고압의 상태로 압축된 냉매가스가 토출되는 상기 압축기(1)의 냉매가스 공급관에 온수탱크용 열교환기(7)를 설치하고, 상기 온수탱크용 열교환기(7)에서 고온고압의 냉매가스와 열교환하여 고온의 상태의 온수를 저장할 수 있도록 온수탱크(8)를 설치하고, 상기 온수탱크(8)의 물이 온수탱크용 열교환기(7)에 순환할 수 있도록 배관라인과 순환펌프를 설치한다.

이와 같이 온수탱크용 열교환기(7)와 온수탱크(8)가 설치됨으로써 냉방시나 난방시 항상 온수를 사용할 수 있는 특징이 있다.

도 1과 도 2에서 제시한 실시예에서는 과냉각용 열교환기(6)에 냉매가스용 바이패스관(9)을 설치하고 2개의 체크밸브(10, 11)를 이용하여 냉매가스의 유동방향을 제어함으로써 냉방시와 난방시 과냉각용 열교환기(6)의 사용을 제어하도록 한 것이며,

도 4에서 제시한 본 발명의 다른 실시예에서는 과냉각용 열교환기(6)에 지열수용 바이패스관(13)을 설치하고, 제어부(20)의 신호에 따라 조작되는 전자밸브(12)를 설치하여 냉방시와 난방시 과냉각용 열교환기(6)의 사용을 제어하도록 한 것이다.

좀더 상세하게 설명하면,

과냉각용 열교환기(6)에 지열수용 바이패스관(13)을 설치하고, 지열 열교환기(4)로부터 토출되는 지열수의 방향을 제어부(20)의 신호에 따라 제어할 수 있도록 전자밸브(12)를 설치하며, 난방시 과냉각용 열교환기(6)에서 토출되는 냉매상태를 측정할 수 있도록 센서(14)가 설치된다. 그 외의 구성요소는 상기 도 1과 도 2에서 제시한 실시예와 동일하다.

상기 센서(14)는 과냉각용 열교환기(6)와 팽창밸브(5) 사이에 설치되는 것이 바람직하며, 보통 압력센서가 사용된다.

이와 같이 이루어진 본 발명은 제어부(20)의 신호에 따라 전자밸브(12)는

냉방시, 지열수가 지열수용 바이패스관(13)을 통하여 지중으로 환수되도록 함으로써 과냉각용 열교환기(6)로 공급되지 않도록 하고,

난방시, 지열수가 과냉각용 열교환기(6)로 공급되도록 하여 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 응축시켜 과냉각시키도록 한다.

또한, 상기 발명은 제어부(20)에 난방시 가장 최적상태일 경우 과냉각용 열교환기(6)에서 토출되는 냉매가스 상태의 값(입력값)을 입력하여, 상기 제어부(20)는 센서(14)에서 측정된 냉매가스 상태의 측정값과 입력된 입력값을 비교판단하고, 측정값과 입력값이 일치하도록 전자밸브(12) 조절하여 과냉각용 열교환기(6)로 유입되는 지열수를 조절한다.

즉, 제어부(20)는 센서(14)로부터 전해지는 정보로 전자밸브(12)를 조절하여 일부 지열수를 과냉각용 열교환기(6)에 공급하고, 나머지는 지열수용 바이패스관(13)을 통해 지중으로 환수되도록 하여 과냉각용 열교환기(6)에서 냉매가스의 과냉각을 조절함으로써 난방시보다 안정된 지열원 히트펌프장치의 구동 실시할 수 있도록 하여 난방성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 특별한 에너지의 공급없이 지열 열교환기에서 사용된 지열수를 이용하여 난방시 응축된 냉매가스를 과냉각시킴으로써 지열원 히트펌프장치을 향상시킬 수 있는 것이다.

또한, 과냉각을 위한 과냉각 열교환기에 냉매가스용 바이패스관을 설치하고, 냉매가스의 방향을 체크밸브를 사용하여 간단하게 냉방시와 난방시 과냉각 열교환기의 사용을 제어할 수 있는 것이다.

또한, 압축기에서 고온고압 상태의 냉매가스가 토출되는 토출관에 열교환기를 설치함으로써 항시 온수를 사용할 수 있는 것이다.

또한, 과냉각을 위한 과냉각 열교환기에 지열수용 바이패스관을 설치하며, 지열수의 방향을 제어하는 전자밸브를 설치하고, 과냉각 열교환기와 팽창밸브 사이에 센서를 설치하여 난방시보다 안정된 지열원 히트펌프장치의 구동을 실현할 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 지열원 히트펌프장치에 있어서,

   저온저압의 냉매가스를 고온고압의 냉매가스로 압축시키는 압축기(1)와;

   상기 압축기로부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관에 설치되어 상기 냉매가스의 방향을 전환시키는 4방변(2)과;

   상기 4방변(2)의 방향전환에 의하여,

   외부로부터 연결된 관을 따라 공급되는 물과 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 열교환되어 냉방시에는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되는 냉난방 열교환기(3)와;

   지열수 펌프로부터 공급된 지열수와 상기 4방변(2)에 연결된 관을 따라 이송된 냉매가 상호 열교환되어 냉방시에는 응축기로 전환되고, 난방시에는 증발기로 전환되는 지열수를 이용한 지열 열교환기(4)와;

   상기 지열 열교환기(4)의 출구 측에 설치되어 냉매가스를 저압으로 교축시키는 팽창밸브(5)와;

   난방시 상기 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스를 냉각시키도록 냉난방 열교환기(3)와 팽창밸브(5) 사이에 연결된 관에 설치된 과냉각용 열교환기(6)와;

   상기 압축기(1)와 4방변(2) 사이에 설치된 온수탱크용 열교환기(7)와;

   상기 온수탱크용 열교환기(7)와 연설된 온수탱크(8)와;

   상기 구성요소를 전기신호에 의해 제어하도록 외부에 설치되는 제어부(20);로 구성됨을 특징으로 하는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 과냉각용 열교환기(6)는 지열 열교환기(4)로부터 열교환한 지열수를 이용하여 열교환하는 것을 특징으로 하는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 과냉각용 열교환기(6)에 냉매가스용 바이패스관(9)을 설치하고,

   냉매가스가 냉방시에는 팽창밸브(5)에서 교축된 냉매가스가 과냉각용 열교환기(6)으로 유동되지 않고 바이패스관(9)으로만 유동되고, 난방시에는 냉난방 열교환기(3)에서 응축된 냉매가스가 바이패스관(9)으로 유동되지 않고 과냉각용 열교환기(6)으로만 유동되도록 상기 과냉각용 열교환기(6)와, 상기 바이패스관(9)에 체크밸브가 설치됨을 특징으로 하는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 과냉각용 열교환기(6)에 지열수용 바이패스관(13)을 설치하고,

   상기 지열수의 방향을 제어할 수 있도록 바이패스관(13)에 전자밸브(12)가 설치되며,

   난방시 과냉각용 열교환기(6)에서 토출되는 냉매가스를 측정하는 센서(14)가 상기 과냉각용 열교환기(6)의 출구 측에 설치됨을 특징으로 하는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치.
5. 제 4항에 있어서,

   제어부(20)는 난방시 센서(14)에서 측정된 냉매가스의 측정값과 제어부(20)에 입력된 냉매가스의 입력값을 비교하고, 비교된 정보에 의하여 전자밸브(12)를 조절하여 측정값과 입력값이 일치되도록 하는 것을 특징으로 하는 난방성능을 향상시킨 지열원 히트펌프장치.

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