KR100979152B1

KR100979152B1 - 지중열교환을 이용한 냉,난방장치

Info

Publication number: KR100979152B1
Application number: KR1020100025156A
Authority: KR
Inventors: 이미정
Original assignee: 주식회사 신성냉동공조
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2010-09-02

Abstract

본 발명은 상용 전원을 활용할 수 있도록 하면서 지중열을 이용하여 싸이클의 과냉도를 제어하도록 함으로써 냉,난방 장치의 성능을 향상 시키면서 안정적 운전이 가능토록 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치에 관한 것이다.

Description

지중열교환을 이용한 냉,난방장치{an air conditioner using heatexchange in underground}

본 발명은 일반 상용 전원을 활용할 수 있도록 하면서 지중열을 이용하여 냉,난방 싸이클의 과냉도를 제어하도록 함으로써 냉,난방 장치의 효율적 활용과 안정적 운전이 가능토록 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치에 관한 것이다.

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.

이와같은 기술과 관련되어 등록특허 제845607호에 히트펌프장치가 개시되어 있으며 그 구성은 도1에서지열원 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 구성되는 것이다.

그러나, 지열수가 지열 열교환기(4)와 과냉각용 열교환기(6)를 통과하는 회로를 순환하는 구성으로 지열수의 열원이 지열 열교환기(4)에 전달된 후 과냉되어 오히려 압축기의 소요동력 만 증가되는 문제점이 있는 것이다.

또한, 압축기가 하나로서 이루어져 이를 동작시키기 위해서는 높은 가동전류를 필요로하는 한계때문에 압축기를 가동을 위하여는 삼상의 전원공급부를 별도로 필요로 하게 되어 설치비가 상승되는 단점이 있는 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 지중열과 응축열 등을 동시에 열원으로 활용하여 팽창 후의 냉매가스에 열전달을 이루도록 함으로써 냉,난방효율을 상승시킬 수 있도록 하며, 냉,난방에 따른 과냉도를 용이하게 제어할 수 있도록 하고, 별도의 부대설비 없이도 일반 상용전원에서 활용할 수 있도록 하면서도 부분 운전이 가능하여 에너지를 절감할 수 있도록 하며, 지중열원을 이용하여 냉난방 싸이클의 흐름을 원활하게 하여 성능계수를 높일 수 있도록 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 일반 상용 전원에서 활용토록 분할설치되는 복수의 압축기

상기 압축기로부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관에 설치되어 하기의 제1열교환기로 유출되거나 제2열교환기에서 유입되는 냉매가스를 압축기에 재공급하는 방향을 각각 전환시키도록 설치되는 메인4방변

상기 4방변을 통과하는 냉매가스에 의해 열교환되어 냉방시에는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되는 제1열교환기;
상기 제1열교환기에 제2팽창변을 개재하여 연결되면서 메인4방변에 열교환이 완료된 냉매가스를 공급토록 하면서 냉방시에는 응축기로 사용되고 난방시에는 증발기로 사용되도록 설치되는 제2열교환기를 포함하며,
상기 제2팽창밸브과 제2열교환기 사이에는

지중열교환기가 연결되는 과냉각제어수단이 설치되어 제2열교환기에서 제2팽창밸브로 전달되는 냉매가스에 지중열교환기를 통한 열전달이 이루어져 과냉각을 제어하도록 설치되는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

그리고, 본 발명의 과냉각제어수단은, 상기 제1팽창밸브의 전단에 설치되면서 지중열교환기의 라인이 3방변을 통하여 연결되는 보조열교환기로서 이루어지는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

더하여, 본 발명의 과냉각제어수단은, 냉매가 제2열교환기를 한번 이상 통과한 후 제1첵밸브를 갖는 제1팽창밸브를 공급하거나, 제1열교환기에서 제1팽창밸브에 냉매가 직접전달되도록 하는 보조사방변으로 이루어지고,
상기 보조사방변의 일측에 제1첵밸브를 갖는 제1팽창밸브가 연결되는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 과냉각제어수단은, 냉매가 제2열교환기를 한번 이상 통과한 후 제1팽창밸브에 공급되거나, 제1열교환기에서 제1팽창밸브에 냉매가 직접전달되도록 하는 전자밸브로 이루어진 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

계속하여, 본 발명의 제2팽창밸브는, 제2열교환기와 제1열교환기 사이에 설치되면서 일측에 제2첵밸브가 연결되어 제2열교환기에서 제1열교환기로 향하는 유로를 형성하도록 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

그리고, 본 발명의 과냉각제어수단을 통하여 연결되는 제2열교환기의 일측에 압축기를 통과하는 열전달코일을 통하여 열전달이 이루어 지도록 설치되는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

한편, 본 발명의 지중열교환기에 용량차를 갖는 바이패스관로가 더 연결되며, 상기 압축기는 과열도를 조절토록 제1압축기전자밸브가 과냉도를 조절토록 제2압축기전자밸브가 구비되는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치를 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 지중열과 응축열을 동시에 활용하여 팽창 후의 냉매가스에 열전달을 이루도록 함으로써 냉,난방효율을 상승시키며, 냉,난방에 따른 과냉도를 용이하게 제어하고, 별도의 부대설비 없이도 상용전원에서 활용할 수 있도록 하면서도 에너지를 절감하며, 지중열원을 이용하여 냉난방 싸이클의 흐름을 원활하게 하여 성능계수를 높이는 효과가 있는 것이다.

도1은 종래의 히트펌프장치를 도시한 회로도이다.
도2는 본 발명에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이다.
도3 및 도4는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이다.
도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이고, 도3 및 도4는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이며, 도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉,난방장치를 도시한 회로도이다.

본 발명의 냉,난방장치(H)는, 상용전원을 활용토록 동일하거나 상이한 용량으로 분할되는 복수의 압축기(100)를 구비한다.

그리고, 상기 압축기로(100)부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관에 설치되어 하기의 제1열교환기(200)로 유출되거나 제2열교환기(300)에서 유입되는 냉매가스를 압축기에 재공급하는 방향을 각각 전환시키도록 하나 이상의 메인4방변(110)이 구비된다.

더하여, 상기 메인4방변(110)을 통과하는 냉매가스에 의해 열교환되어 냉방시에는 증발기로 전환되고, 난방시에는 응축기로 전환되도록 제1열교환기(200)가 구비된다.

이때, 상기 제1열교환기(200)에는 응축되는 열에 의해 열전달이 이루어지는 축열조(210)가 연결된다.

상기 제1열교환기(200)로 향하는 냉매가스의 흐름을 갖도록 설치되면서 제2팽창밸브(350)에 의해 제1열교환기로 향하는 냉매가스가 팽창되도록 하면서 냉방시에는 응축기로 난방시에는 증발기로 전환되도록 설치되며 지중열교환기(400)로부터 과냉각제어수단(500)을 통하여 열전달이 이루어 지도록 연결되는 제2열교환기(300)가 구비된다.

또한, 상기 제1열교환기(200)에서 제2열교환기(300)로 향하는 냉매가스의 흐름시 제2열교환기(300) 전단에 제1팽창밸브(250)가 구비된다.

그리고, 상기 과냉각제어수단(500)은, 상기 제1팽창밸브(250)의 전단에 설치되면서 지중열교환기(400)의 라인이 3방변(410)을 통하여 보조열교환기(450)에 전달된 후 제2열교환기(300)로 전달되도록 설치되는 회로로서 이루어 진다.

더하여, 상기 과냉각제어수단(500)은, 제2열교환기(300)를 한번 이상 통과한 후 제1첵밸브(255)를 갖는 제1팽창밸브(250)를 개재하거나 제1첵밸브(255)를 갖는 제1팽창밸브(250)에 직접전달되는 복수의 회로가 보조사방변(510)에 의해 구분설치되는 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 과냉각제어수단(500)은, 제2열교환기(300)를 한번 이상 통과한 후 제1팽창밸브(250)를 개재하거나 제1팽창밸브(250)에 직접전달되도록 복수의 회로가 전자밸브(550)에 의해 구분설치되는 구성으로 이루어 진다.

계속하여, 상기 제2팽창밸브(350)는, 제2열교환기와 제1열교환기 사이에 설치되면서 일측에 제2첵밸브(355)가 연결되어 제2열교환기에서 제1열교환기로 향하는 유로를 형성하도록 설치된다.

한편, 상기와 같은 전자밸브(550), 보조사방변(510), 보조열교환기(450)등으로서 이루어진 냉각제어수단(500)은 적어도 하나 이상이 구비된다.

그리고, 상기 과냉각제어수단(500)을 통하여 연결되는 제2열교환기(300)의 일측에 압축기(100)를 통과하는 열전달코일(150)을 통하여 열전달이 이루어 지도록 설치되는 구성으로 이루어 진다.

다른 한편, 상기 지중열교환기(400)에 연결되는 제2열교환기(300)의 일측에 용량차를 갖는 전자밸브에 의해 개폐되는 바이패스관로(610)가 더 연결된다.

그리고, 상기 압축기(100)는, 열원수의 온도이상시나 시스템의 안정화를 위해 하나 이상의 제1압축기전자밸브(635)가 구비되고, 과열도를 조절토록 제2압축기전자밸브(655)가 구비되는 구성으로 이루어 진다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 동작을 설명한다.

도2 내지 도5에서 도시한 바와같이 본 발명의 냉,난방장치(H)는, 난방시 압축기(100)의 동작에 의해 냉매가스는 고온고압으로 변환된 후 메인4방변(110)을 통하여 제1열교환기(200)에 공급된다.

이때, 상기 제1열교환기(200)에는 축열조(210)가 연결되어 난방시 응축기의 역활을 수행하는 제1열교환기(200)로 부터 열을 흡수하여 축열조(210)에 열전달을 함으로써 온수로서 사용토록 된다.

그리고, 상기 제1열교환기(200)에 의해 열교환이 이루어진 냉매가스는 제1팽창밸브(250)를 통과하면서 저온으로 교축되어 제2열교환기(300)로 전달될 때 상기 제2열교환기(300)에 연결되는 지중열교환기(400)를 통하여 열전달이 이루어져 팽창되는 냉매가스에 열량을 전달하여 상기 제2열교환기(300)를 통하여 연결되는 압축기(100)의 압축효율을 높이도록 한다.

한편, 본 발명의 냉,난방장치(H)는, 냉방시 압축기(100)의 동작에 의해 냉매가스는 고온고압으로 변환된 후 메인4방변(110)을 통하여 제2열교환기(300)에 공급된다.

이때, 상기 제2열교환기(300)는 지중열교환기(400)에 연결되어 지열에 의한 열교환으로 냉각되면서 열전달이 이루어진다.

그리고, 상기 제2열교환기(300)를 통과한 냉매가스는 제2팽창밸브(350)를 통과하면서 저온으로 교축되어 증발기의 역활을 수행하는 제1열교환기(200)로 전달될 때 저온 저압의 상태를 유지하여 축열수에서 공급되는 물과 열교환이 이루어진 후 압축기(100)에 전달된다.

더하여, 본 발명의 압축기(100)는 동일하거나 상이한 용량으로 분할되는 복수개의 구성으로 이루어져 민수용인 단상의 일반 상용전원을 활용토록 함으로써 하나의 압축기(100)를 가동할 때 가동전류가 일반전류보다 5배이상 높은 전류를 필요로 하나 본 발명은 압축기가 분할되는 구성으로 일반 상용전원의 사용이 가능토록 되어 이 문제점을 해소한다.

그리고, 일반적인 압축기는 기동시 큰 전류를, 기동 완료 후 일반 가동시에는 일반적인 전류를 사용토록 하나 이에 공급되는 전류는 가동상태와 상관없이 항상 일정하게 되어 에너지 소모가 발생되나, 본 발명은 압축기가 분할되는 구성으로 그 가동상태에 따라 압축기 전체 또는 하나만의 압축기를 사용토록 함으로써 장비의 수명연장과 에너지를 절감할 수 있게 된다.

상기 제1열교환기(200)와 지중열교환기(400)로부터 과냉각제어수단(500)을 통하여 열전달이 이루어 지도록 연결되는 제2열교환기(300)는 상기 과냉각제어수단(500)을 통하여 팽창되는 냉매가스가 충분한 열량을 지중열 이나 응축수열 및 압축기열로 부터 획득토록 되어 압축기(100)에 전달되는 냉매가스의 기화가 용이하게 이루어져 과냉으로 인한 습증기 상태의 냉매가스 유입으로 인한 압축기 손상을 방지하게 된다.

그리고, 상기 과냉각제어수단(500)은, 상기 제1팽창밸브(250)의 전단에 설치되면서 지중열교환기(400)의 라인이 3방변(410)을 통하여 보조열교환기(450)에 전달된 후 제2열교환기(300)로 전달되도록 설치되어 지중열과 응축열을 동시에 활용하여 기체상태의 냉매가스만을 압축기에 공급토록 함으로써 압축효율을 상승시킨다.

더하여, 상기 과냉각제어수단(500)은, 제2열교환기(300)에 보조사방변(510) 또는 전자밸브(550)를 통하여 냉매가스가 구분되어 공급됨으로써 난방시 제1열교환기(200)에서 배출되는 응축 냉매가스의 상태에 따라 보조4방변(510)을 선택적으로 개방하여 제1팽창밸브(250)를 통과하는 냉매가스에 열전달을 이루도록 한다.

그리고, 상기 과냉각제어수단(500)을 통하여 연결되는 제2열교환기(300)의 일측에 압축기(100)를 통과하는 열전달코일(150)을 통하여 열전달이 이루어져 지중열원을 이용하여 압축기의 온도를 일정하게 유지함으로써 압축기의 상태에 따른 과냉 및 과열시 제2열교환기(300)와 열전달이 이루어져 압축기 수명을 증가시키도록 한다.

한편, 상기 제2열교환기(300)에 연결되는 지중열교환기(400)의 일측에는 용량차를 갖는 전자밸브에 의해 개폐되는 바이패스관로(610)가 더 연결되어 지열수의 일부를 바이패스 시킴으로써 지중열을 통한 온도의 과다 상승으로 인한 에러를 방지하게 된다.

그리고, 상기 압축기(100)는, 과열도를 조절토록 하나 이상의 제2압축기전자밸브(655)가 연결되어 냉매부족이나 지열수의 과열등으로 장치를 구동하기 위한 규정온도이상으로 압축기(100)가 과열되면 제2압축기전자밸브가 개방되므로써 저온의 냉매가스가 압축기(100)측에 공급되어 그 온도를 일정하게 유지시켜 압축기의 손상을 방지한다.

이때, 상기 제1압축기전자밸브는 그 일측에 모세관이 연결되어 직접 팽창함으로써 저온으로 변화된다.

또한, 상기 압축기(100)는, 지열수의 열량부족이나 펌프의 토출량 이상시 발생되는 시스템의 저온현상 문제점을 해소토록 제1압축기전자밸브(635)가 구비되어 규정온도 이하로 과냉시 제1압축기전자밸브(635)가 개방되어 압축기에 순환시킴으로써 압축기를 시스템의 안정운전 조건에 만족시키도록 하는 것이다.

100...압축기 110...메인4방변
200...제1열교환기 210...축열조
400...지중열교환기 450...보조열교환기
500...과냉각제어수단 510...보조4방변
550...전자밸브

Claims

동일하거나 상이한 용량으로 분할 설치되는 복수의 압축기(100);
상기 압축기로(100)부터 압축된 냉매가스가 이송되는 관로에 설치되어 하기의 제1열교환기(200)로 유출되거나 제2열교환기(300)에서 유입되는 냉매가스를 압축기에 재공급하는 방향을 각각 전환시키도록 설치되는 하나 이상의 메인4방변(110);
상기 메인4방변(110)을 통과하는 냉매가스에 의해 열교환되어 냉방시에는 증발기로 사용되고 난방시에는 응축기로 사용되도록 설치되면서 제2열교환기에서 제1팽창변(250)를 개재하여 연결되는 제1열교환기(200);
상기 제1열교환기(200)에 제2팽창변(350)을 개재하여 연결되면서 메인4방변(110)에 열교환이 완료된 냉매가스를 공급토록 하면서 냉방시에는 응축기로 사용되고 난방시에는 증발기로 사용되도록 설치되는 제2열교환기(300)를 포함하며,
상기 제2팽창밸브(350)과 제2열교환기(300) 사이에는
지중열교환기(400)가 연결되는 과냉각제어수단(500)이 설치되어 제2열교환기(300)에서 제2팽창밸브로 전달되는 냉매가스에 지중열교환기(400)를 통한 열전달이 이루어져 과냉각을 제어하도록 설치되는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 제1열교환기(200)에는 응축되는 열에 의해 열전달이 이루어지는 축열조(210)가 연결되는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 과냉각제어수단(500)은, 상기 제2열교환기(300)와 제2팽창밸브(350) 사이에 설치되면서 지중열교환기(400)의 라인이 3방변(410)을 통하여 연결되는 보조열교환기(450)인 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 과냉각제어수단(500)은, 제1열교환기(200)에서 제2열교환기(300)에 공급되는 냉매가 제2열교환기(300)를 한번 이상 통과한 후 제1팽창밸브(250)에 공급되거나, 제1열교환기에서 제1팽창밸브(250)에 직접공급되도록 제1열교환기(200)와 제2열교환기(300) 사이에 설치되는 보조사방변(510)이며,
상기 보조사방변(510)의 일측에 제1첵밸브(255)를 갖는 제1팽창밸브(250)가 설치되는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 과냉각제어수단(500)은, 제1열교환기(200)에서 제2열교환기(300)에 공급되는 냉매가 제2열교환기(300)를 한번 이상 통과한 후 제1팽창밸브(250)에 공급되거나, 제1열교환기에서 제1팽창밸브(250)에 직접공급되도록 제1열교환기(200)와 제2열교환기(300) 사이에 설치되는 전자밸브(550)이며,
상기 보조사방변(510)의 일측에 제1첵밸브(255)를 갖는 제1팽창밸브(250)가 설치되는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 과냉각제어수단(500)을 통하여 연결되는 제2열교환기(300)의 일측에 압축기(100)의 외측에 접촉되는 열전달코일(150)을 연결되어 압축기의 외측에 열전달이 이루어 지도록 하는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 지중열교환기(400)는, 제2열교환기(300)에 연결될 때 용량차를 갖는 바이패스관로(610)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치
제1항에 있어서, 상기 , 상기 압축기(100)는, 열원수의 온도이상시나 시스템의 안정화를 위해 하나 이상의 제1압축기전자밸브(635)가 구비되고, 과열도를 조절토록 제2압축기전자밸브(655)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열교환을 이용한 냉,난방장치