KR101096615B1 - 하이브리드형 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ; 액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ; 브라인이 저장되는 브라인탱크(130) ; 지열에 의하여 항온성을 가지도록 지중에 마련되는 지중 수조(140) ; 상기 지중 수조에 마련되는 지중 수조용 열교환부(141) ; 부하측에 냉수 또는 온수를 공급하기 위하여 마련되는 냉온수 수조(150) ; 상기 냉온수 수조(150)에 마련되는 냉온수 수조용 열교환부(151) ; 제1-1냉매유동로와 제1-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 응축용 열교환기(210) ; 제2-1냉매유동로와 제2-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 증발용 열교환기(220) ; 제3-1냉매유동로와 제3-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 과냉용 열교환기(230) ; 일단부가 상기 압축기(110)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제1냉매배관(310) ; 일단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ; 일단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 수액기(120)의 입구와 연결되는 제3냉매배관(330) ; 일단부가 상기 수액기(120)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제4냉매배관(340) ; 상기 제4냉매배관(340)에 마련되는 팽창밸브(341) ; 일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 압축기(110)의 입구와 연결되는 제5냉매배관(350) ; 일단부가 브라인탱크(130)에 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제1브라인배관(410) ; 상기 제1브라인배관(410)에 마련되는 브라인 순환용 제1순환 펌프(411) ; 일단부가 상기 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2브라인배관(420) ; 일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 브라인탱크(130)에 연결되는 제3브라인배관(430) ; 상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 지중 수조용 열교환부(141)를 순환하도록 마련되는 제4브라인배관(440) ; 상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 냉온수 수조용 열교환부(151)를 순환하도록 마련되는 제5브라인배관(450) ; 상기 냉온수 수조(150)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 냉온수 순환용 배관(510) ; 상기 냉온수 순환용 배관(510)에 마련되는 냉온수 순환용 펌프(511) ; 상기 지중 수조(140)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 지중 수조수 순환용 배관(520) ; 상기 지중 수조수 순환용 배관(520)에 마련되는 지중 수조수 순환용 펌프(521) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드형 히트펌프 시스템{HYBRID TYPE HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 다양한 열원을 이용하여 냉온수를 생성하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

종래의 지열원을 이용한 히트펌프 시스템은 실내를 냉방 또는 난방하기 위하여 실외측 열교환기를 대기열이 아닌 지열원과 냉매 사이에 열교환이 이루어지도록 구성된다.

도 1은 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치의 계통 구성도이다. 도 1에 도시된 종래의 일반적인 지열원 히트펌프 냉난방장치는, 저온저압의 냉매가스를 압축하여 고온고압으로 변환하는 압축기(21)와, 실내측에 설치되고 냉매에 의해 실내를 냉방 또는 난방하도록 구성되는 실내 열교환기(23)와, 실외측에 설치되고 냉매의 열을 지중에서 얻은 열로 교환하도록 구성되는 실외 열교환기(25)와, 실내 열교환기(23)와 실외 열교환기(25) 사이에 설치되어 응축된 냉매를 저압으로 교축하는 팽창밸브(24)와, 냉매의 순환경로를 변경하는 4방밸브(22)와, 각 구성들을 제어하여 냉방운전 또는 난방운전을 하도록 하는 제어부(10) 를 포함하여 구성된다.

이때, 실외 열교환기(25)는 지중에 매설된 지중열교환관(40)과 배관연결되어 수냉매의 순환경로를 형성하며, 순환펌프(41)에 의해 순환되는 수냉매에 의해 냉매와 열교환시킬 수 있는 것이다. 즉, 실외 열교환기(25)에 의해 냉매와 열교환된 수냉매는 지중열교환관(40)으로 이송되어 지중의 열에 의해 열교환되어 다시 실외 열교환기(25)로 이송되는 것이다. 최근에 지중열교환관(40)은 해수 또는 호수로부터 열교환이 이루어지게 구성되기도 하며, 지하수를 직접 순환시키게 구성되기도 한다.

먼저, 냉방운전시에 냉매의 순환경로를 살펴보면, 4방밸브(22)를 도 1에 파선으로 도시된 경로로 제어하여 압축기(21)에 의해 압축된 냉매가스를 실외 열교환기(25)로 이송시킨다. 그리고, 압축된 냉매가스는 실외 열교환기(25)에서 지열로 열교환시켜 응축시키고, 응축된 냉매를 팽창밸브(24)로 팽창(교축)시켜 저온의 냉매로 변환한 후에 실내 열교환기(23)로 이송시킨다. 그러면, 실내 열교환기(23)는 저온의 냉매를 증발시켜 증발과정에서 실내를 냉방할 수 있는 것이며, 이때 냉방과정에서 얻게 되는 실내의 열에 의해 중온의 냉매가스로 변환되어 4방밸브를 경유하여 압축기(21)로 이송되는 것이다.

다음으로, 난방운전시에 냉매의 순환경로는, 4방밸브(22)가 도 1에 실선으로 도시된 경로로 제어되어, 냉방운전시의 순환경로와 역순으로 이루어지므로, 냉매는 압축기(21), 실내 열교환기(23), 팽창밸브(24) 및 실외열교환기(25)의 순서로 순환된다. 이때에는, 실내 열교환기(23)가 응축기의 역할을 하여 응축과정에서의 열로 실내를 난방하고, 실외 열교환기(25)가 증발기의 역할을 하여 증발과정에서 지열로부터 열을 흡수할 수 있는 것이다.

또한, 도 1의 종래기술을 살펴보면, 압축기(21)에 의해 압축된 고온고압의 냉매가스가 난방 열교환기(30)를 거쳐 4방밸브(22)로 이송되게 구성됨을 알 수 있다. 즉, 난방 열교환기(30)는 난방 또는 급수 용도로 사용되는 축열조에 연설되어 고온고압의 냉매가스로부터 얻는 열로써 축열조에 열을 축적시킨다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방장치는 대기열이 아닌 지중열로써 실외 열교환기(25)에서 냉매를 열교환시키므로, 히트펌프 시스템을 가동하는 데에 필요한 전력을 대기열을 사용할 때보다는 절약할 수 있으며, 난방은 물론이고 냉방도 하나의 히트펌프 시스템으로 할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기에서 실외 열교환기(25)와 지중열교환관(40)은 통합하여 지중 열교환부라 칭할 수 있을 것이며, 실내 열교환기(23)는 부하측 열교환부라 칭할 수 있다.

이와 같이 히트펌프 장치는 지중 열교환부와 부하측 열교환부를 포함하여 이루어지는 것이 일반적이다.

그러나 상기와 같은 종래 기술은 4방밸브(22)를 이용함으로써 전체적인 장치의 구성이 복잡하게 된다는 문제점이 있으며, 4방밸브(22)는 전체 시스템에서 가장 고장이 일어나기 쉬운 구성요소이다.

아울러 4방밸브(22)는 압축기에서 유출되는 고온의 냉매와 압축기로 유입되는 저온의 냉매가 서로 교차하여 지나면서, 전체적인 냉동 효율을 저하시키는 요인이 된다.

한편 본 출원인의 종래의 기술로서 국내 특허등록 제10-0999400호 (2010년12월2일 등록) "지열을 이용한 히트펌프 시스템"이 제안된 바 있다.

국내 특허등록 제10-0999400호 (2010년12월2일 등록) "지열을 이용한 히트펌프 시스템"

본 발명은 4방밸브를 사용하지 않으면서도 지열을 효율적으로 이용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제안하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ; 액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ; 브라인이 저장되는 브라인탱크(130) ; 지열에 의하여 항온성을 가지도록 지중에 마련되는 지중 수조(140) ; 상기 지중 수조에 마련되는 지중 수조용 열교환부(141) ; 부하측에 냉수 또는 온수를 공급하기 위하여 마련되는 냉온수 수조(150) ; 상기 냉온수 수조(150)에 마련되는 냉온수 수조용 열교환부(151) ; 제1-1냉매유동로와 제1-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 응축용 열교환기(210) ; 제2-1냉매유동로와 제2-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 증발용 열교환기(220) ; 제3-1냉매유동로와 제3-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 과냉용 열교환기(230) ; 일단부가 상기 압축기(110)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제1냉매배관(310) ; 일단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ; 일단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 수액기(120)의 입구와 연결되는 제3냉매배관(330) ; 일단부가 상기 수액기(120)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제4냉매배관(340) ; 상기 제4냉매배관(340)에 마련되는 팽창밸브(341) ; 일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 압축기(110)의 입구와 연결되는 제5냉매배관(350) ; 일단부가 브라인탱크(130)에 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제1브라인배관(410) ; 상기 제1브라인배관(410)에 마련되는 브라인 순환용 제1순환 펌프(411) ; 일단부가 상기 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2브라인배관(420) ; 일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 브라인탱크(130)에 연결되는 제3브라인배관(430) ; 상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 지중 수조용 열교환부(141)를 순환하도록 마련되는 제4브라인배관(440) ; 상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 냉온수 수조용 열교환부(151)를 순환하도록 마련되는 제5브라인배관(450) ; 상기 냉온수 수조(150)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 냉온수 순환용 배관(510) ; 상기 냉온수 순환용 배관(510)에 마련되는 냉온수 순환용 펌프(511) ; 상기 지중 수조(140)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 지중 수조수 순환용 배관(520) ; 상기 지중 수조수 순환용 배관(520)에 마련되는 지중 수조수 순환용 펌프(521) ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 제5브라인배관(450)은 상기 제4브라인배관(440)으로부터 분기되며, 상기 제4브라인배관(440)에 브라인 순환용 제2순환 펌프(441)가 마련되며, 상기 제4브라인배관(440) 및 상기 제5브라인배관(450)에 마련되어 상기 제4브라인배관(440) 및 상기 제5브라인배관(450) 중 어느 하나를 개통시키며 다른 하나를 폐쇄시키는 온오프 밸브들(442, 452)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 4방밸브를 사용하지 않으면서도 지열을 효율적으로 이용할 수 있는 히트펌프 시스템을 제공하게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 계통 구성도,
도 2는 본 발명에 의한 일실시예가 적용된 히트펌프 시스템의 계통도,
도 3은 본 발명에 의한 일실시예의 여름철 작동도,
도 4는 본 발명에 의한 일실시예의 겨울철 작동도,
도 5는 본 발명에 의한 일실시예가 변형된 형태의 히트펌프 시스템의 계통도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 실시예의 주요 구성을 도 2를 참조하여 먼저 설명한 후 그 작동을 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저 본 실시예의 주요 기기들을 설명한다.

압축기(110)는 기체 상태의 냉매를 압축하게 되며, 입구(112)로 유입된 냉매를 압축하여 출구(111)로 배출한다.

수액기(120)에는 액화된 냉매가 저장된다.

브라인이 저장되는 브라인탱크(130)가 마련된다.

지열에 의하여 항온성을 가지는 지중 수조(140)가 마련된다.

지중 수조(140)는 지하에 마련되어 항상 지열을 받는 상태이므로 지열의 항온성에 영향을 받아 항온성을 가지게 된다.

아울러 지중 수조(140)의 항온성을 높이고 지중 수조(140)의 물의 활용도를 높이기 위하여, 일반시수, 공업용수, 지하수 등을 지중 수조(140)에 투입하고 이를 생활용수, 청소수, 화장실수, 온수 등으로 사용할 수 있다.

지중 수조(140)에 지중 수조용 열교환부(141)가 마련된다. 지중 수조용 열교환부(141)는 내부를 지나는 브라인과 지중 수조(140)에 저장된 물이 서로 열교환할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 통상 코일 형태를 이룬다.

부하측에 냉수 또는 온수를 공급하기 위하여 냉온수 수조(150)가 마련된다.

냉온수 수조(150)에는 냉온수 수조용 열교환부(151)가 마련된다.

냉온수 수조용 열교환부(151)는 내부를 지나는 브라인과 냉온수 수조(150)에 저장된 물이 서로 열교환할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 통상 코일 형태를 이룬다.

응축용 열교환기(210), 증발용 열교환기(220), 과냉용 열교환기(230)가 마련된다.

응축용 열교환기(210)는 제1-1냉매유동로(211)와 제1-2냉매유동로(212)가 서로 열교환되도록 마련되며, 증발용 열교환기(220)는 제2-1냉매유동로(221)와 제2-2냉매유동로(222)가 서로 열교환되도록 마련되며, 과냉용 열교환기(230)는 제3-1냉매유동로(231)와 제3-2냉매유동로(232)가 서로 열교환되도록 마련된다.

본 실시예에서 응축용 열교환기(210), 증발용 열교환기(220), 과냉용 열교환기(230)는 모두 판형 열교환기의 형태이다.

제1냉매배관(310)은 그 일단부가 압축기(110)의 출구(111)와 연결되며 그 타단부가 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로(211)의 제1단부와 연결된다.

제2냉매배관(320)은 그 일단부가 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로(211)의 제2단부와 연결되며 그 타단부가 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로(231)의 제1단부와 연결된다.

제3냉매배관(330)은 그 일단부가 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로(231)의 제2단부와 연결되며 그 타단부가 수액기(120)의 입구와 연결된다.

제2냉매배관(320)과 제3냉매배관(330)이 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로(231)를 거치지 않고 직접 연결될 수 있도록 제6냉매배관(360)이 제2냉매배관(320)과 제3냉매배관(330)을 서로 연결시키며, 아울러 제6냉매배관(360) 및 제2냉매배관(320) 각각에는 온오프 밸브(361, 321)이 마련된다.

제4냉매배관(340)은 그 일단부가 수액기(120)의 출구와 연결되며 그 타단부가 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)의 제2단부와 연결되며, 제4냉매배관(340)에는 팽창밸브(341)가 마련되어 있다.

제5냉매배관(350)은 그 일단부가 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)의 제1단부와 연결되며 그 타단부가 압축기(110)의 입구와 연결된다.

브라인탱크(130)에 저장된 브라인이 과냉용 열교환기(230) 및 증발용 열교환기(220)를 순환하도록 제1,2,3브라인배관(410, 420, 430)이 마련된다.

제1브라인배관(410)은 그 일단부가 브라인탱크(130)에 연결되며 그 타단부가 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)의 제2단부와 연결되며, 제1브라인배관(410)에는 브라인 순환용 제1순환 펌프(411)가 마련되어 있다.

제2브라인배관(420)은 그 일단부가 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)의 제1단부와 연결되며 그 타단부가 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로(222)의 제1단부와 연결된다.

제3브라인배관(430)은 그 일단부가 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로(222)의 제2단부와 연결되며 그 타단부가 브라인탱크(130)에 연결된다.

제1브라인배관(410)과 제2브라인배관(420)은 보조 개폐밸브(413)가 마련된 보조배관(412)에 의하여 연결되어 있다.

보조 개폐밸브(413)가 열리면, 제1브라인배관(410)을 지나는 브라인의 일부가 과냉용 열교환기(230)를 거치지 않고 직접 제2브라인배관(420)로 유입될 수 있다.

브라인탱크(130)에 저장된 브라인은 과냉용 열교환기(230) 및 증발용 열교환기(220)와 열교환하는 한편, 지중 수조용 열교환부(141)를 통하여 지중 수조(140)에 저장된 물과 열교환(겨울의 경우)하거나 혹은 냉온수 수조용 열교환부(151)를 통하여 냉온수 수조(150)에 저장된 물과 열교환한다.

이를 위하여 제4,5브라인배관(440, 450)이 마련된다.

제4브라인배관(440)은 브라인탱크(130)의 브라인이 지중 수조용 열교환부(141)를 순환하도록 마련되며, 제4브라인배관(440)에 브라인 순환용 제2순환펌프(441)이 마련된다.

제5브라인배관(450)은 브라인탱크(130)의 브라인이 냉온수 수조용 열교환부(151)를 순환하도록 마련된다.

제5브라인배관(450)이 브라인 순환용 제2순환펌프(441)를 이송 펌프로서 이용하기 위하여 제5브라인배관(450)은 제4브라인배관(440)으로부터 분기되며, 제4브라인배관(440) 및 제5브라인배관(450)에는 제4브라인배관(440) 및 제5브라인배관(450) 중 어느 하나를 개통시키며 다른 하나를 폐쇄시키는 다수의 온오프 밸브들(442, 452)이 마련된다.

냉온수 수조(150)의 물은 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로(212)를 순환하도록 마련되며, 이를 위하여 냉온수 순환용 배관(510)이 마련된다.

아울러 냉온수 순환용 배관(510)에는 냉온수 순환용 펌프(511)가 마련된다.

또한 지중 수조(140)의 물은 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로(212)를 순환하도록 마련되며, 이를 위하여 지중 수조수 순환용 배관(520)이 마련된다.

아울러 지중 수조수 순환용 배관(520)에는 지중 수조수 순환용 펌프(521)가 마련된다.

아울러 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로(212)가 지중 수조수 순환용 배관(520)과 냉온수 순환용 배관(510) 중 어느 하나와 연통되도록 지중 수조수 순환용 배관(520)과 냉온수 순환용 배관(510) 각각에는 온오프 밸브(512, 522)가 마련되어 있다.

상기와 같은 본 히트펌프 시스템의 동작을 설명한다.

도 3 및 도 4에서 각각의 개폐밸브에 대하여 열린 상태는 백색으로 도시하였으며, 닫힌 상태는 흑색으로 도시하였다.

여름철에 본 히트펌프 시스템은 부하측에 냉수를 공급하게 되며, 특히 본 실시예의 경우 냉온수 수조(150)에 냉수가 저장되며 이를 별도의 배관을 통하여 부하에 공급하게 된다.

이때 본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 도 3에 도시된 바와 같이 압축 -> 응축 -> 과냉 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.

압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제1냉매배관(310)을 지나 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로(211)로 응축된다. 이때 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로(212)에는 지중 수조(140)의 물이 지중 수조수 순환용 배관(520)을 통하여 유입되어 제1-1냉매유동로(211)를 지나는 냉매의 열을 흡수한다.

응축용 열교환기(210)를 지난 냉매는 제2냉매배관(320)을 지나 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로(231)에서 과냉된다. 이때 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)에는 브라인 탱크(130)의 브라인이 제1브라인배관(410)을 통하여 유입되어 제3-1냉매유동로(231)를 지나는 냉매의 열을 흡수하게 된다.

즉 냉매는 제3-1냉매유동로(231)에서 더욱 냉각되어 그 응축온도가 낮아지게 되며, 따라서 성적계수(C.O.P = 냉동효과 / 압축일)가 매우 높아 매우 경제적인 운전이 가능하게 된다.

제3-1냉매유동로(231)에서 과냉된 냉매는 제3냉매배관(330)을 지나 수액기(120)에 저장된다.

수액기(120)에 저장된 냉매는 제4냉매배관(340)을 지나면서 제1팽창밸브(341)에 의하여 팽창된 후 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)에서 증발된다.

이때 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로(222)에는 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)를 지난 브라인이 제2브라인배관(420)을 경유하여 유입되어 냉각된 후 제3브라인배관(430)을 통하여 브라인탱크(130)로 복귀된다. 이러한 과정에 의하여 브라인탱크(130)의 브라인은 매우 낮은 온도 상태를 유지하게 된다.

증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)를 지난 냉매는 제5냉매배관(350)을 지난 후 압축기(110)의 입구(111)로 유입된다.

이후 과정은 앞서 설명한 싸이클을 반복하게 된다.

한편 브라인탱크(130)에 저장된 브라인은 제4브라인배관(440) 및 제5브라인배관(450)을 통하여 냉온수 수조용 열교환부(151)를 순환하게 되며 이에 의하여 냉온수 수조(150)의 물은 냉수 상태로 유지될 수 있으며, 냉수 상태의 물은 별도의 배관을 통하여 각종 부하에 공급된다. 또한 이러한 열교환 과정에 의하여 브라인탱크(130)의 브라인은 적정 온도를 유지할 수 있게 된다.

겨울철에 본 히트펌프 시스템은 부하측에 온수를 공급하게 되며, 특히 본 실시예의 경우 냉온수 수조(150)에 온수가 저장되며 이를 별도의 배관을 통하여 부하에 공급하게 된다.

이때 본 히트펌프 시스템의 냉매의 변화는 도 4에 도시된 바와 같이 압축 -> 응축 -> 과냉 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 되며, 이는 도 3과 동일하다.

압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제1냉매배관(310)을 지나 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로(211)로 응축된다. 이때 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로(212)에는 냉온수 수조(150)의 물이 냉온수 순환용 배관(510)을 통하여 유입되어 제1-1냉매유동로(211)를 지나는 냉매의 열을 흡수한다. 즉 이에 의하여 냉온수 수조(150)의 물이 온수 상태로 유지되며, 이 온수 상태의 물이 별도의 배관을 통하여 각종 부하에 공급되는 것이다.

응축용 열교환기(210)를 지난 냉매는 제2냉매배관(320)을 지나 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로(231)에서 과냉된다. 이때 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)에는 브라인 탱크(130)의 브라인이 제1브라인배관(410)을 통하여 유입되어 제3-1냉매유동로(231)를 지나는 냉매의 열을 흡수하게 된다.

즉 냉매는 제3-1냉매유동로(231)에서 더욱 냉각되어 그 응축온도가 낮아지게 되며, 따라서 성적계수(C.O.P = 냉동효과 / 압축일)가 매우 높아 매우 경제적인 운전이 가능하게 된다.

제3-1냉매유동로(231)에서 과냉된 냉매는 제3냉매배관(330)을 지나 수액기(120)에 저장된다.

수액기(120)에 저장된 냉매는 제4냉매배관(340)을 지나면서 제1팽창밸브(341)에 의하여 팽창된 후 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)에서 증발된다.

이때 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로(222)에는 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로(232)를 지난 브라인이 제2브라인배관(420)을 경유하여 유입되어 냉각된 후 제3브라인배관(430)을 통하여 브라인탱크(130)로 복귀된다. 이러한 과정에 의하여 브라인탱크(130)의 브라인은 매우 낮은 온도 상태를 유지하게 된다.

증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로(221)를 지난 냉매는 제5냉매배관(350)을 지난 후 압축기(110)의 입구(111)로 유입된다.

이후 과정은 앞서 설명한 싸이클을 반복하게 된다.

한편 브라인탱크(130)에 저장된 브라인은 제4브라인배관(440)을 통하여 지중 수조용 열교환부(151)를 순환하게 되며 이에 의하여 브라인탱크(130)의 브라인은 적정 온도를 유지할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 의한 일실시예가 변형된 형태의 히트펌프 시스템의 계통도이다.

도 5의 기본적인 계통은 도 2와 동일하다.

다만 지중 수조(140)의 물이 지나치게 냉각되는 것을 방지하기 위하여 태양열 집열판(144)과 지중 수조(140) 사이에 지중 수조수 가열용 순환 배관(142)이 마련되며, 지중 수조수 가열용 순환 배관(142)에 지중 수조수 가열용 순환 펌프(143)가 마련되어, 지중 수조(140)의 물의 온도가 지나치게 낮아지는 경우 지중 수조수 가열용 순환 펌프(143)가 구동되어 지중 수조(140)의 물이 태양열 집열판(144)을 거쳐 복귀됨으로써 지중 수조(140)의 물이 태양열 집열판(144)을 지나면서 태양열에 의하여 가열될 수 있도록 하였다.

아울러 지중 수조수 순환용 배관(520)에는 응축용 열교환기(210)로부터 지중 수조(140)로 복귀하는 라인에 소수력 발전기(522)가 마련된다. 이는 응축용 열교환기(210)가 통상 지중 수조(140)보다 4~5m 이상 높게 설치되는 것을 감안하여, 응축용 열교환기(210)로부터 지중 수조(140)로 낙하되는 물의 위치에너지를 이용하여 소수력 발전기(522)가 발전을 수행하도록 하였으며, 여기에서 생성된 전기는 각종 펌프들을 구동하는데 이용될 수 있다.

아울러 지중 수조(140)에는 지열 흡수용 배관(145)이 추가적으로 마련된다. 지열 흡수용 배관(145)은 지중 수조(140)의 물이 지중열을 보다 많이 확보될 수 있도록, 즉 지중 수조(140)의 물이 지중열과 보다 많은 열접촉을 가지도록 마련되는 것이다. 이에 의하여 지중 수조(140)의 항온성은 더욱 높아질 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 압축기 120 : 수액기
130 : 브라인탱크 140 : 지중 수조
150 : 냉온수 수조

Claims (2)

1. 입구로 유입된 냉매를 압축하여 출구로 배출하는 압축기(110) ;
   액화된 냉매가 저장되는 수액기(120) ;
   브라인이 저장되는 브라인탱크(130) ;
   지열에 의하여 항온성을 가지도록 지중에 마련되는 지중 수조(140) ;
   상기 지중 수조에 마련되는 지중 수조용 열교환부(141) ;
   부하측에 냉수 또는 온수를 공급하기 위하여 마련되는 냉온수 수조(150) ;
   상기 냉온수 수조(150)에 마련되는 냉온수 수조용 열교환부(151) ;
   제1-1냉매유동로와 제1-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 응축용 열교환기(210) ;
   제2-1냉매유동로와 제2-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 증발용 열교환기(220) ;
   제3-1냉매유동로와 제3-2냉매유동로가 서로 열교환되도록 마련되는 과냉용 열교환기(230) ;
   일단부가 상기 압축기(110)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제1냉매배관(310) ;
   일단부가 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2냉매배관(320) ;
   일단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-1냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 수액기(120)의 입구와 연결되는 제3냉매배관(330) ;
   일단부가 상기 수액기(120)의 출구와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제4냉매배관(340) ;
   상기 제4냉매배관(340)에 마련되는 팽창밸브(341) ;
   일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-1냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 압축기(110)의 입구와 연결되는 제5냉매배관(350) ;
   일단부가 브라인탱크(130)에 연결되며 타단부가 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제2단부와 연결되는 제1브라인배관(410) ;
   상기 제1브라인배관(410)에 마련되는 브라인 순환용 제1순환 펌프(411) ;
   일단부가 상기 상기 과냉용 열교환기(230)의 제3-2냉매유동로의 제1단부와 연결되며 타단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제1단부와 연결되는 제2브라인배관(420) ;
   일단부가 상기 증발용 열교환기(220)의 제2-2냉매유동로의 제2단부와 연결되며 타단부가 상기 브라인탱크(130)에 연결되는 제3브라인배관(430) ;
   상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 지중 수조용 열교환부(141)를 순환하도록 마련되는 제4브라인배관(440) ;
   상기 브라인탱크(130)의 브라인이 상기 냉온수 수조용 열교환부(151)를 순환하도록 마련되는 제5브라인배관(450) ;
   상기 냉온수 수조(150)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 냉온수 순환용 배관(510) ;
   상기 냉온수 순환용 배관(510)에 마련되는 냉온수 순환용 펌프(511) ;
   상기 지중 수조(140)의 물이 상기 응축용 열교환기(210)의 제1-2냉매유동로를 순환하도록 마련되는 지중 수조수 순환용 배관(520) ;
   상기 지중 수조수 순환용 배관(520)에 마련되는 지중 수조수 순환용 펌프(521) ;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 히트펌프 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제5브라인배관(450)은 상기 제4브라인배관(440)으로부터 분기되며,
   상기 제4브라인배관(440)에 브라인 순환용 제2순환 펌프(441)가 마련되며,
   상기 제4브라인배관(440) 및 상기 제5브라인배관(450)에 마련되어 상기 제4브라인배관(440) 및 상기 제5브라인배관(450) 중 어느 하나를 개통시키며 다른 하나를 폐쇄시키는 온오프 밸브들(442, 452)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 히트펌프 시스템.
   

Images