KR101151006B1 - 지열 열펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에 관한 것으로, 압축기, 열원측 열교환기, 팽창장치 및 부하측 열교환기를 냉매가 순환하도록 형성된 냉매배관을 구비하는 열펌프 유니트, 열원측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 열원측 열교환기와, 지중의 열원과 열교환하는 지중 열교환기를 순환하도록 형성된 열원배관을 구비하는 열원 유니트, 부하측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 부하측 열교환기와, 부하를 순환하도록 형성된 부하배관을 구비하는 부하 유니트, 그리고 상기 열펌프 유니트에서 압축기로부터 토출되는 냉매와 상기 열원 유니트에서 열원측 열교환기로 유입되는 열원측 2차유체가 열교환하는 보조 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 별도의 장치를 구비하지 않고 지열 열펌프 시스템의 용량을 그대로 사용하면서 고온수를 얻을 수 있다.

Description

지열 열펌프 시스템{Heat pump system using ground heat source}
본 발명은 지중의 열을 이용하여 건물 등의 부하에 대해서 냉방 및 난방을 제공하는 지열 열펌프 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 냉방과 난방을 수행하면서, 필요한 경우 고온의 난방수 또는 고온의 급탕수 등의 고온수를 높은 효율을 유지하면서 얻을 수 있는 지열 열펌프 시스템에 관한 것이다.
지열 열펌프 시스템은 지중의 열원과 열교환하는 지중 열교환기와 냉매가 순환하는 열펌프 유니트를 이용하여 건물에 대해서 냉방 및 난방을 행하는 공기조화기기이다. 지열 열펌프 시스템은 냉방 시에는 건물 내의 열을 지중으로 방출하고, 난방 시에는 지중의 열을 흡수하여 건물 내로 공급함으로써 냉방 및 난방 운전을 선택적으로 행하게 된다.
도 1은 종래의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 것과 같이 지열 열펌프 시스템은 압축기(1a), 열원측 열교환기(1b), 팽창장치(1c), 부하측 열교환기(1d) 및 냉매의 흐름 방향을 전환시키는 사방밸브(1e)를 포함하는 열펌프 유니트(1)를 구비하고 있다. 열원측 열교환기(1b)에서는 열펌프 유니트(1)를 순환하는 냉매와 지중열교환기(2)를 순환하는 열원측 2차유체가 열교환한다. 또한 부하측 열교환기(1d)에서는 열펌프 유니트(1)를 순환하는 냉매와 건물 등에 설치된 축열탱크(3)를 순환하는 부하측 2차유체가 열교환한다.
열펌프 유니트(1)의 압축기(1a), 열원측 열교환기(1b), 팽창장치(1c) 및 부하측 열교환기(1d)를 순환하는 냉매가, 도 1에서 화살표 A가 나타내는 방향을 따라서 순환하는 경우 부하측 열교환기(1d)에서는 열이 방출되어 난방이 행하여지게 되며, 도 1에서 화살표 B가 나타내는 방향으로 냉매가 순환하는 경우 부하측 열교환기(1d)에서 열을 흡수하여 냉방이 이루어지게 된다.
축열탱크(3)에는 부하측 2차유체(예를 들면, 물)가 저장되며, 이를 부하에 공급하게 된다. 부하는 건물 내의 냉, 난방을 행하기 위해서 설치되며 부하측 2차유체가 순환되는 팬코일 유닛이나 건물 바닥배관과 같은 순환부하(R), 그리고 건물에 구비된 욕실 또는 주방에 냉수 및 온수로서 부하측 2차유체를 배출부하(W)를 포함한다. 난방시를 예로 들어 설명하면, 축열탱크(3)에 저장된 온도가 높은 부하측 2차유체는 순환부하(R)로 공급되어 건물을 난방시키고 다시 축열탱크(3)로 되돌아오며, 아울러 배출부하(W)에 공급되어 사용자가 온수를 사용할 수 있도록 한다.
이러한 종래의 지열 열펌프 시스템을 사용하게 되면 일반적으로 난방수 및 급탕수를 공급하기 위한 40℃ 내지 45℃의 물(이하, '온수'라고 함)을 얻을 수 있지만, 그 이상의 온도의 물(고온의 난방수, 고온의 급탕수 등, 이하 '고온수'라고 함)을 얻기에는 충분하지 못하였다. 따라서 종래의 지열 열펌프 시스템에서 온수 이외에 고온수를 얻기 위해서는 도 1에 도시된 것과 같이 축열탱크(3) 내에 보조 가열장치(3a)를 구비하여 필요시 짧은 시간 안에 부하측 2차 유체의 온도를 올리도록 하였다. 보조 가열장치(3a)로는 전기 히터 등이 사용되었다. 하지만 보조 가열장치(3a)를 사용하게 되면 축열탱크(3)의 구조가 복잡하게 되고, 또한 에너지 효율측면에서도 경제적이지 못한 문제점이 있다.
아울러 지열 열펌프 시스템에서 고온수를 얻기 위한 방법으로는 열펌프 사이클로서 이단 압축사이클을 사용하거나 가변속 압축기를 사용하였다. 하지만 이단 압축사이클을 사용하는 지열 열펌프 시스템의 경우 복수 개의 압축기로 인하여 제조원가가 현저하게 증가하는 문제가 있으며, 이단 압축 사이클의 특성상 사이클에 기액 분리기와 중간 열교환기 등이 추가적으로 배치되어 사이클의 설계가 복잡하고 이로 인한 공간상의 문제 내지 제조상의 문제가 있다. 또한 이단 압축 사이클을 사용하는 지열 열펌프 시스템의 경우 다양한 운전 변수가 발생하여 시스템의 안정적인 구동을 위한 시스템 최적화 및 안정성 확보 과정이 상당히 복잡할 뿐만 아니라 신뢰성 확보가 상당히 어려웠다.
또한 가변속 압축기를 사용하는 지열 열펌프 시스템의 경우 가변속 압축기가 평상시 정격 회전수에 따른 운전을 하되, 고온수에 대한 수요가 있으면 고속회전을 하게 된다. 이때 압축기의 부하를 증대시키는 과정을 수반하는데, 이러한 압축기의 가변 작동으로 인해서 열교환기의 비매칭 및 시스템 최적화를 위한 열펌프 전체 시스템의 운전 조건이 상대적으로 변화하여 작동조건에 따른 시스템 효율이 저하되어 열펌프의 성능이 저하되는 결과를 초래한다. 또한 압축기 회전수 증가에 따라 시스템 매칭 등의 측면에서 기존에 널리 사용되어 온 기계적으로 간편한 구조를 가지는 온도감응 팽창밸브 등이 아닌 별도의 제어 드라이브가 구비된 전자팽창밸브 등을 채용해야 하는 어려움이 있다. 또한 압축기 회전수 변화를 위한 인버터 등의 채용에 따르는 압축기 구동 드라이버 제작 및 노이즈 제거를 위한 별도의 장비 등이 요구되는 등 제조 원가 내지 설비의 복잡화가 수반된다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열을 열원으로 하여 부하에 대해서 냉/난방 운전을 행하는 지열 열펌프 시스템에서, 별도의 장치를 구비하지 않아 구조적으로 단순하고 지열 열펌프 시스템의 용량을 그대로 사용함으로써 높은 효율로 고온수를 얻을 수 있는 지열 열펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은, 압축기, 열원측 열교환기, 팽창장치 및 부하측 열교환기를 냉매가 순환하도록 형성된 냉매배관을 구비하는 열펌프 유니트, 열원측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 열원측 열교환기와, 지중의 열원과 열교환하는 지중 열교환기를 순환하도록 형성된 열원배관을 구비하는 열원 유니트, 부하측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 부하측 열교환기와, 상기 부하측 2차 유체를 저장하는 축열탱크를 순환하도록 형성된 부하배관을 구비하는 부하 유니트, 그리고 상기 열펌프 유니트에서 압축기로부터 토출되는 냉매와 상기 열원 유니트에서 열원측 열교환기로 유입되는 열원측 2차유체가 열교환하는 보조 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해서 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 보조 열교환기에서 열원측 2차유체가 압축기에서 압축되어 토출된 고온, 고압의 냉매와 열교환하여 온도가 상승한 열원측 2차유체가, 열원측 열교환기에서 열원측 열교환기로 유입되는 냉매의 온도를 상승시키고, 온도가 상승된 냉매는 다시 부하측 열교환기에서 부하측 2차유체와 열교환하여 부하측 2차유체의 온도를 상승시킴으로써 고온수를 얻을 수 있게 된다. 따라서 별도의 장치를 구비하지 않고 지열 열펌프 시스템의 용량을 그대로 사용하면서 고온수를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에서, 상기 열원 유니트는, 상기 열원배관 중 상기 지중 열교환기 출구의 일지점인 분기점(P1)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기를 거쳐 상기 보조 열교환기 출구의 일지점인 합류점(S1)에서 다시 상기 열원배관과 합류되는 열원분기배관을 구비하며, 상기 열원분기배관에서 분기점(P1)과 상기 보조 열교환기 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 열원배관에서 분기점(P1)과 합류점(S1) 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 보조 열교환기로 유입되는 열원측 2차유체의 흐름 및 양을 조절함으로써 고온수가 요구되는 시기에 용이하게 고온수를 생성할 수 있으며, 아울러 생성되는 고온수의 온도를 조절할 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에서, 상기 열펌프 유니트는, 상기 냉매배관 중 상기 압축기 출구의 일지점인 분기점(P2)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기를 거쳐 상기 보조 열교환기 출구의 일지점인 합류점(S2)에서 다시 상기 냉매배관과 연결되는 냉매분기배관을 구비하며, 상기 냉매분기배관에서 분기점(P2)과 상기 보조 열교환기 입구 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 냉매배관에서 분기점(P2)과 합류점(S2) 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 보조 열교환기로 유입되는 냉매의 흐름 및 양을 조절함으로써 고온수가 요구되는 시기에 용이하게 고온수를 생성할 수 있으며, 아울러 생성되는 고온수의 온도를 조절할 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에서, 상기 부하 유니트는, 상기 축열탱크에 저장된 부하측 2차유체가 순환부하(R)를 순환하도록 형성된 축열배관과, 상기 부하배관 중 상기 부하측 열교환기로부터 상기 축열탱크로 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관의 일지점인 분기점(P3)으로부터 분기되며, 부하측 2차유체를 배출부하(W)로 배출시키는 배출배관, 그리고 상기 부하배관 중 상기 축열탱크로부터 상기 부하측 열교환기로 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관과 연통하며, 상기 부하배관에 부하측 2차유체를 보충하기 위해서 공급하는 보충배관을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 생성된 고온수를 축열탱크에 저장함과 동시에 축열배관으로 순환시켜 순환부하에 대해서 고온수를 공급하여 보다 높은 온도의 난방을 행할 수 있으며, 또한 배출배관을 통해서 고온수를 배출부하인 주방 또는 욕실로 배출하여 사용자가 고온수를 사용할 수 있도록 한다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에서, 상기 부하배관 중 상기 부하측 열교환기와 분기점(P3) 사이에 보조히터가 설치되거나, 상기 부하배관 중 상기 축열탱크와 분기점(P3) 사이 및 상기 배출배관에 보조히터가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해서 열펌프 유니트의 보조 열교환기를 통해서 요구되는 온도의 고온수를 공급할 수 없는 경우 보조히터를 사용하여 요구되는 부족한 만큼의 온도를 상승시킬 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 별도의 장치를 구비하지 않고 지열 열펌프 시스템의 용량을 그대로 사용하면서 고온수를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시형태 1을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 압력-엔탈피 선도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 또 다른 실시형태 2의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에 대해서 구체적으로 설명한다.
<실시형태 1>
도 2는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시형태 1을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시형태 1에 따르는 지열 열펌프 시스템은 크게 열펌프 유니트(100), 열원 유니트(200) 및 부하 유니트(300)를 구비한다.
먼저, 열펌프 유니트(100)는 냉매를 압축하는 압축기(110), 냉매의 순환방향을 전환시키는 사방밸브(120), 부하 유니트(300)를 흐르는 부하측 2차유체와 열교환하는 부하측 열교환기(130), 냉매를 팽창시키는 팽창장치(140) 및 열원 유니트(200)를 흐르는 열원측 2차유체와 열교환하는 열원측 열교환기(150)를 포함하고 있다. 이들 압축기(110), 사방밸브(120), 부하측 열교환기(130), 팽창장치(140) 및 열원측 열교환기(150)는 냉매가 흐르는 냉매배관(L100)에 의해서 연결되어 있다.
사방밸브(120)에 의해서 냉매 방향이 전환됨으로 인해서 부하측 열교환기(130)에서의 열교환의 방향이 달라지며, 그 결과 부하에 대해서 냉, 난방이 행하여지게 된다. 예를 들면, 도 2에 도시된 화살표 방향과 같이 냉매가 압축기(110)를 지나, 부하측 열교환기(130), 팽창장치(140) 및 열원측 열교환기(150)를 거쳐 다시 압축기(110)로 되돌아오는 순환방향을 가지는 경우, 부하측 열교환기(130)에서는 압축기(110)에서 압축된 고온, 고압 상태의 냉매가 냉매배관(L100)을 흐르면서 후술하는 부하배관(L300)과 열교환하기 때문에, 부하배관(L300)을 흐르는 부하측 2차유체는 열을 받게 되어 부하에 대해서 난방을 행하게 된다. 반대로 사방밸브(120)에 의해서 순환방향이 전환되어 도 2에 도시된 화살표 방향과 반대로 되는 경우, 즉, 압축기(110)에서 압축된 냉매가 열원측 열교환기(150), 팽창장치(140) 및 부하측 열교환기(130)를 거쳐 다시 압축기(110)로 되돌아오는 경우에는 부하측 열교환기(130)에서의 냉매는 저온, 저압상태이므로 부하배관(L300)을 흐르는 부하측 2차유체로부터 열을 빼앗게 된다. 이로 인해서 부하에 대해서 냉방이 행하여지게 된다.
본 실시형태 1은 난방용 또는 급탕용으로 사용되는 고온수(예를 들면 40℃ 내지 45℃의 온수 보다 높은 온도의 물)를 공급하기 위한 것이므로 주로 난방을 행하는 경우에 해당하며, 따라서 이하에서는 열펌프 유니트(100)에서 주로 난방을 행하는 경우를 중심으로 설명한다.
열원 유니트(200)는 지중의 열원과 열교환하는 지중열교환기(210)를 포함하며, 열원 유니트(200)를 순환하는 열원측 2차유체는 지중열교환기(210)와 열펌프 유니트(100)의 열원측 열교환기(150)를 연결하는 열원배관(L200) 내를 흐르게 된다. 열원배관(L200)에는 열원측 2차유체를 흐르게 하기 위한 펌프(220)가 설치되어 있다.
한편, 본 실시형태 1의 열펌프 유니트(100)는 열원측 열교환기(150)외에 열펌프 유니트(100)의 냉매와 열원 유니트(200)의 열원측 2차유체가 열교환하는 보조 열교환기(160)를 더 구비하고 있다. 구체적으로, 보조 열교환기(160)는 열펌프 유니트(100)에서 압축기(110) 출구(보다 상세하게는 난방시 냉매의 순환방향을 따를 경우 압축기(100) 출구)와 부하측 열교환기(130)의 사이, 열원 유니트(200)에서 지중 열교환기(210)와 열원측 열교환기(150)의 사이에 설치된다.
또한 열원 유니트(200)는 열원측 2차유체가 보조 열교환기(160)를 흐르도록 하기 위해서 열원배관(L200)으로부터 분기되어 보조 열교환기(160)를 통과하는 열원분기배관(L210)을 구비한다. 열원분기배관(L210)은 열원배관(L200)에서 지중 열교환기(210) 출구(도 2에서는 펌프(220)의 출구)의 일지점인 분기점(P1)으로부터 분기되어 보조 열교환기(160)를 통과한 후, 다시 합류점(S1)에서 열원배관(L200)과 합류된다.
그리고 열원분기배관(L210)에서 분기점(P1)과 보조 열교환기(160)와의 사이에 제어밸브(221)가 설치되며, 열원배관(L200)에서 분기점(P1)과 합류점(S1)과의 사이에 제어밸브(222)가 설치된다. 제어밸브(221, 222) 각각은 도시하지 않은 제어부의 제어신호에 의해서 선택적으로 개폐됨과 동시에 개방정도가 조절되는 개폐밸브이다. 일반적으로 온수를 생성하는 경우, 제어밸브(222)는 개방된 상태를 유지하며, 제어밸브(221)는 폐쇄된 상태를 유지하여 열원측 2차유체가 보조 열교환기(160)를 거치지 않도록 한다. 한편 온수보다 온도가 높은 고온수가 필요한 경우에는 제어밸브(222)가 개방된 상태에서 제어밸브(221)를 함께 개방하여 열원배관(L200)을 흐르는 열원측 2차유체의 일부가 보조 열교환기(160)를 거친 후 다시 합류점(S1)에서 열원배관(L200)을 흐르는 열원측 2차유체와 합쳐져 열원측 열교환기(150)로 유입되도록 한다. 보조 열교환기(160)로 유입되는 열원측 2차 유체의 양은, 제어밸브(221)의 개폐 정도로써 조절함으로써 조절할 수 있다.
본 실시형태 1에서는 열원측 2차유체가 보조 열교환기(160)를 향해 흐르는 것을 제어하기 위해서 2개의 제어밸브(221, 222)를 설치하였지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 분기점(P1)의 위치에 삼방밸브(미도시)를 설치할 수 있다.
한편, 부하 유니트(300)는 도 2에 도시된 것과 같이 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관(L300)을 구비하고 있으며, 부하배관(L300)은 부하측 2차유체가 부하측 열교환기(130), 부하측 2차유체를 저장하는 축열탱크(310) 그리고 부하측 2차유체를 순환시키기 위한 펌프(320)를 통과하도록 연결되어 있다.
축열탱크(310)는 부하측 2차유체를 저장하기 위한 저장공간으로, 펌프(320)에 의해서 순환되는 부하측 2차유체(구체적으로는 물)가 열펌프 유니트(100)의 부하측 열교환기(130)에서 고온의 냉매로부터 열을 공급받아 온수 또는 고온수가 되어 저장되는 공간이다.
축열탱크(310)는 건물 내에 설치된 팬코일 유닛이나 건물 바닥배관과 같이 부하측 2차 유체가 순환하는 순환부하(R)와 축열배관(L310)을 통해서 연결되어 있다. 축열배관(L310)에는 축열탱크(310)에 저장된 부하측 2차유체를 순환시키기 위한 펌프(350)가 설치되어 있다. 축열배관(L310)은 건물 등의 순환부하(R)에 대해서 난방을 행하기 위해서 온수인 부하측 2차유체를 공급하게 되는데, 구체적으로 펌프(350)가 작동하여 축열탱크(310)에 저장되어 있는 부하측 2차유체가 축열배관(L310)을 따라서 순환하게 되면, 부하측 2차유체로부터 순환부하(R)로 열이 방출되어 건물 등에 대해서 난방을 행한다.
한편, 축열탱크(310)의 내부에는 도시하지 않는 수위감지센서가 설치되어 있어, 항상 일정한 수위를 유지하도록 한다. 그리고 부하배관(L300) 중 부하측 열교환기(130)로 향하는 축열탱크(310) 출구에는 외부로부터 부하측 2차유체(물)를 공급하기 위한 보충배관(L320)이 연통되어 있다. 따라서, 일정한 수위가 유지되지 않는 경우에는 보충배관(L320)을 통해서 외부로부터 부하측 2차유체(물)를 공급받게 된다. 또한 보충배관(L320)과 축열탱크(310) 사이의 부하배관(L300)에는 부하배관(L300)을 개폐하는 제어밸브(330)가 설치되어 있다.
또한 부하 유니트(300)는 순환 구조를 가지는 부하배관(L300) 중, 부하측 열교환기(130)로부터 축열탱크(310)로 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관(L300)의 일지점인 분기점(P3)으로부터 분기되며, 부하측 2차유체를 배출부하(W)로 배출시키는 배출배관(L330)을 구비한다. 즉, 부하배관(L300)을 순환하는 부하측 2차유체를 배출배관(L330)으로 흐르도록 하는 경우 부하측 2차유체가 주방이나 욕실 등의 배출부하(W)로 배출되어 사용자가 사용할 수 있게 된다. 부하측 2차유체가 부하배관(L300) 또는 배출배관(L330) 중 하나로 흐르도록 하기 위해서 부하측 2차유체의 흐름방향을 전환시키는 제어밸브(340)가 분기점(P3)에 설치된다. 구체적으로 제어밸브(340)는 삼방밸브로서 도시하지 않은 제어부에 의해서 부하측 2차유체가 흐르는 방향을 전환시키게 된다. 즉, 순환부하(R)에 온수 또는 고온수를 공급하는 경우에는 부하측 2차유체가 부하배관(L300)을 통해서 흐르도록 하며, 배출부하(W)에 온수 또는 고온수를 공급하는 경우에는 부하측 2차유체가 배출배관(L330)을 통해서 흐르도록 제어된다.
본 실시형태 1에서는 제어밸브(340)로서 삼방밸브를 사용하여 부하측 2차유체의 흐름을 제어하는 것을 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 배출배관(L330)이 분기되는 부하배관(L300)의 분기점(P3)을 사이에 두고 배출배관(L330) 및 부하배관(L300)에 개폐동작을 행하는 개폐밸브를 설치하고, 이들 개폐밸브의 개폐를 조절함으로써 부하측 2차유체의 흐름을 제어할 수 있다.
또한 부하배관(L300) 중 부하측 열교환기(130)와 분기점(P3) 사이에 보조히터(360)가 설치된다. 보조히터(360)는 전기에 의해서 가열됨으로써 부하배관(L300)을 통과하는 부하측 2차유체를 가열하는 기능을 한다. 구체적으로 부하배관(L300)을 통과하여 순환부하(R) 또는 배출부하(W)로 흐르는 부하측 2차유체가, 순환부하(R) 또는 배출부하(W)에서 요구되는 온도보다 작은 온도를 가지는 경우 보조히터(360)를 사용하여 열을 가함으로써 요구되는 온도로 맞추어 순환부하(R) 또는 배출부하(W)로 부하측 2차유체를 공급한다.
또한 위 본 실시형태 1에서는 보조히터(360)를 하나 설치하였으나, 보조히터(360)는 부하배관(L300) 중 축열탱크(310)와 분기점(P3) 사이, 그리고 배출배관(L330)에 2개 설치하여도 된다. 이 경우 순환부하(R) 및 배출부하(W)로 공급되는 부하측 2차유체의 온도를 개별적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
한편, 부하측 2차유체가 배출배관(L330)을 통해서 배출부하(W)로 배출되는 경우 부하배관(L300)을 흐르는 부하측 2차유체의 양이 줄어들게 되는데, 이로 인해서 축열탱크(310)에 저장된 부하측 2차유체의 수위가 낮아지게 된다. 이 때, 감소된 부하측 2차유체를 보충하기 위해서 보충배관(L320)을 통해서 외부로부터 부하측 2차유체(물)가 공급된다.
이하, 이러한 구성을 가지는 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템의 작동에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 압력-엔탈피 선도이다.
먼저, 순환부하(R) 또는 배출부하(W)에 온수를 공급하는 경우에 대해서 설명한다. 이 경우 도 2의 열펌프 유니트(100)에서 도시된 화살표 방향으로 냉매가 순환되며, 열원 유니트(200)에서는 제어밸브(222)가 개방되고 제어밸브(221)가 폐쇄되도록 제어된다. 이로 인해서 열원측 2차유체는 보조 열교환기(160)를 거치지 않고 열원배관(L210)만을 통하여 순환된다.
이때, 열펌프 유니트(100)의 냉매는 도 3의 a1-b1-c1-d1의 사이클을 따라 상태가 변화하게 된다. 구체적으로 압축기(110)에 고온 고압 상태로 압축되는 경우 냉매는 a1의 상태에서 b1의 상태가 되며, 이후 냉매는 보조 열교환기(160)를 거치지만 열원측 2차유체가 보조 열교환기(160)를 통과하지 않기 때문에 열원측 2차유체와의 열전달이 없이 부하측 열교환기(130)로 유입되게 된다. 부하측 열교환기(130)에서 부하배관(L300)을 흐르는 부하측 2차유체와 열교환하여 열전달이 일어나게 되며 냉매는 b1 상태에서 c1 상태로 엔탈피가 감소하게 된다. 이때 열전달로 열을 흡수한 부하측 2차유체의 온도를 TH1이라고 한다.
이후 팽창장치(140)를 거치면서 압력이 감소한 냉매는 c1 상태에서 d1 상태로 변화되며, 또한 팽창장치(140)를 거친 냉매는 열원측 열교환기(150)로 유입되어 열원측 열교환기(150)에서 지중열교환기(210)를 거친 열원측 2차유체와 열교환하여 열을 흡수하게 된다. 이때 열원측 2차유체의 온도는 TL1이라고 한다.
부하 유니트(200)에서 열원측 열교환기(130)를 통과하면서 냉매로부터 열을 흡수한 부하측 2차유체는 TH1의 온도 상태의 온수로서, 제어밸브(340)의 전환에 의해서 축열탱크(310) 또는 배출배관(L330)으로 선택적으로 흐르게 된다. 즉, 순환부하(R)에 온수를 공급하여 난방을 행하는 경우, 제어밸브(340)는 부하측 2차유체(온수)가 축열탱크(310)로 흐르도록 제어되며, 축열탱크(310)에 저장된 부하측 2차유체(온수)는 펌프(350)에 의해서 축열배관(L310)을 순환하면서 순환부하(R)를 통과하면서 난방을 행하게 된다. 이때, 축열탱크(310)의 출구에 위치하는 제어밸브(330)는 개방된 상태를 유지하여 부하측 2차유체가 부하배관(L300)을 순환하도록 한다.
또한 주방 또는 욕실 등의 배출부하(W)에 온수를 공급하는 경우, 제어밸브(340)는 부하측 2차유체(온수)가 배출배관(L330)으로 흐르도록 제어된다. 이때 부하측 2차유체는 배출배관(L330)을 통해서 외부로 배출되기 때문에 이를 보충하기 위해서 보충배관(L320)을 통해서 외부로부터 부하측 2차유체(물)가 공급된다. 공급된 부하측 2차유체는 부하측 열교환기(130)를 통과하면서 TH1의 온도 상태의 온수가 되어 배출배관(L330)으로 흐르게 된다. 또한 축열탱크(310)의 출구에 위치하는 제어밸브(330)는 폐쇄된 상태를 유지하여 축열탱크(310)로부터 부하측 2차유체가 빠져나가는 것을 방지한다.
이상 살펴본 바와 같이 본 실시형태 1에 따르는 지열 열펌프 시스템은 온수를 공급하는 경우, 온도 TL1의 열원측 2차유체와 열교환한 냉매에 대해서 압축기(110)에서 소정의 일(Work)을 가해서 고온, 고압상태를 유지하도록 하고 이를 부하측 2차유체와 열교환하여 온도 TH1의 부하측 2차유체(온수)를 생성한다. 생성된 부하측 2차유체(온수)는 난방을 위해서 순환부하(R)로 공급되거나, 급탕 등을 위해서 배출부하(W)로 공급될 수 있다.
한편, 순환부하(R) 또는 배출부하(W)에 대해서 앞서 설명한 온수보다 높은 온도의 고온수를 공급하는 경우에는, 보조 열교환기(160)를 통해서 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도를 상승시키도록 제어된다. 구체적으로 설명하면, 도 2의 열펌프 유니트(100)에서는 냉매가 난방시와 마찬가지로 화살표 방향으로 순환하며, 열원 유니트(200)에서는 제어밸브(222)가 개방되어 있는 상태에서 제어밸브(221)가 개방된다. 이로 인해서 열원배관(L200)을 흐르는 열원측 2차유체 중 일부가 열원분기배관(L210)을 따라 흐르게 되고, 보조 열교환기(160)를 거쳐 합류점(S1)에서 다시 열원배관(L200)과 합쳐서 열원측 열교환기(150)로 유입된다.
이러한 제어를 통해서 보조 열교환기(160)에서 냉매와 열원측 2차유체가 열교환을 행하게 된다. 즉, 압축기(110)에 의해서 고온 고압으로 압축된 냉매는 보조 열교환기(160)를 통과하면서 열원분기배관(L210)을 흐르는 일부의 열원측 2차유체와 열교환을 행함으로써 열원측 2차유체에 열을 공급하게 된다. 이로 인해서 보조 열교환기(160)를 거치는 열원측 2차유체는 온도가 상승된 상태에서 보조 열교환기(160)를 거치지 않은 열원측 2차유체와 합류점(S1)에서 합류하게 된다. 그 결과, 합류점(S1)에서 합류된 열원측 2차유체는 앞서 설명한 온수를 공급하는 경우보다 높은 온도 상태에서 열원배관(L200)을 따라 열원측 열교환기(150)로 유입되고, 열원측 열교환기(150)에서 냉매배관(L100)을 흐르는 냉매와 열교환을 하여 냉매에 열을 공급한다.
이를 도 3에 도시된 압력-엔탈피 그래프를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 보조 열교환기(160)를 통해서 일부 열교환을 행함으로써 온도가 상승된 열원측 2차유체는, 온수를 공급하는 경우의 온도 TL1 보다 높은 온도 TL2가 된다. 이후 열원측 열교환기(150)에서 온도 TL2의 열원측 2차유체와 열교환되는 냉매배관(L100) 내의 냉매는 d2에서 a2의 상태로 변화하게 되어 압축기로 유입되는데 이때 a2의 상태는 온수를 공급하는 경우의 상태 a1의 온도 보다 높은 온도가 된다. 압축기(110)에서 온수를 공급하는 경우와 동일한 양의 일(Work)을 행하여 냉매를 압축하게 되면 냉매는 상태 b2가 되며, 이 상태 b2는 온수를 공급하는 경우의 상태 b1 보다 높은 온도가 된다. 이러한 상태 b2의 냉매가 부하측 열교환기(130)로 유입되면, 냉매가 부하배관(L200)을 흐르는 부하측 2차유체와 열교환하여 c2 상태가 되고, 반면에 부하측 2차 유체는 열교환에 의해서 열을 흡수하여 TH2의 온도가 된다. 부하측 2차유체는 온수를 공급하는 경우의 부하측 2차유체의 온도 TH1보다 높은 온도 TH2의 고온수가 된다.
생성된 고온수는 온수를 공급하는 경우와 마찬가지로 제어밸브(340)의 전환에 의해서 축열탱크(310) 또는 배출배관(L330)으로 선택적으로 흐르게 된다. 구체적으로 설명하면, 순환부하(R)에 고온수를 공급하는 경우, 제어밸브(340)는 부하측 2차유체가 축열탱크(310)로 흐르도록 제어되며, 축열탱크(310)에 저장된 부하측 2차유체는 펌프(350)에 의해서 축열배관(L310)을 순환하면서 순환부하(R)를 통과하면서 고온수를 이용한 난방을 행하게 된다. 이때, 축열탱크(310)의 출구에 위치하는 제어밸브(330)는 개방된 상태를 유지하여 부하측 2차유체가 부하배관(L300)을 순환하도록 한다.
또한 주방 또는 욕실 등의 배출부하(W)에 고온수를 공급하는 경우, 제어밸브(340)는 부하측 2차유체가 배출배관(L330)으로 흐르도록 제어된다. 이때 부하측 2차유체는 배출배관(L330)을 통해서 외부로 배출되기 때문에 이를 보충하기 위해서 보충배관(L320)을 통해서 외부로부터 부하측 2차유체(물)가 공급된다. 공급된 부하측 2차유체는 부하측 열교환기(130)를 통과하면서 TH2의 온도 상태의 고온수가 되어 배출배관(L330)으로 흐르게 된다. 또한 축열탱크(310)의 출구에 위치하는 제어밸브(330)는 폐쇄된 상태를 유지하여 축열탱크(310)로부터 부하측 2차유체가 빠져나가는 것을 방지한다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템은 동일한 압축기(110)의 용량을 사용하더라도, 보조 열교환기(160)를 통해서 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도를 상승시킴으로써 열원측 열교환기(150)를 통과하는 냉매의 온도를 높이고, 이로 인해서 압축기(110)에 의해서 고압으로 압축되는 냉매의 온도가 높아져 부하측 열교환기(130)에서 열교환되는 부하측 2차유체의 온도를 상승시킴으로써 고온수를 공급할 수 있다. 다시 말하면 도 3에서 보조 열교환기(160)를 통해서 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도를 온수를 공급하는 경우의 온도 TL1보다 높은 TL2로 ΔTL 만큼 상승시킴으로써 부하측 2차유체의 온도를 온수를 공급하는 경우의 온도 TH1 보다 높은 온도 TH2로 ΔTH 만큼 상승시켜 온도 TH2의 고온수를 생성할 수 있게 된다.
이러한 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템은 별도의 가열장치를 구비하지 않고서도, 압축기(110)에서 압축된 고온의 냉매와 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체 중 일부가 열교환하는 보조 열교환기(160)를 마련함으로써 온수 보다 높은 온도의 고온수를 얻을 수 있다. 따라서 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템은 외부의 에너지원을 사용하지 않기 때문에 높은 에너지 효율을 가지게 된다.
한편, 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템에 의해서 공급되는 고온수의 온도 TH2가 실제로 사용자가 요구하는 온도 보다 낮은 경우에는, 부하배관(L300)에 설치된 보조히터(360)에 의해서 전기적으로 가열하여 요구되는 온도로 맞출 수 있다. 이 경우 보조히터(360)를 사용하게 되나, 이는 본 실시형태 1의 지열 열펌프 시스템에 의해서 온수를 공급하는 경우의 온수 보다 온도가 상승된 상태의 고온수를 요구되는 온도까지 가열하는 것이기 때문에, 종래 축열탱크(310)에 저장된 온수를 가열장치를 통해 사용자가 요구하는 온도까지 가열하는 것에 비해 전기히터의 용량이 감소하며, 또한 에너지 효율면에서 유리하다.
또한, 본 실시형태 1에 따르는 지열 열펌프 시스템은, 순환부하(R)에 대해서 냉방을 행하는 경우에도 고온수를 생성하여 배출배관(L300)을 통해서 배출부하(W)에 고온수를 공급할 수 있다. 구체적으로 도 2에 도시된 열펌프 유니트(100)에서 보조열교환기(160)를 사용하지 않은 상태에서 화살표 방향과 반대방향으로 냉매가 순환하게 되면, 축열탱크(310)에는 저온의 부하측 2차유체(냉수)가 저장된다. 저장된 부하측 2차유체(냉수)는 축열배관(L310)을 순환하면서 순환부하(R)에 대해서 냉방을 행하게 된다. 이러한 운전 중에 배출부하(W)에서 고온수가 요구되는 경우, 열펌프 유니트(100)는 도 2에 도시된 화살표 방향으로 순환하면서 부하측 2차유체가 온도 TH2의 고온수가 되도록 한다. 이 때, 제어밸브(340)를 제어하여 생성된 고온수가 배출배관(L330)은 통해서 배출부하(R)로 흐르게 한다. 또한 제어밸브(330)를 폐쇄시켜 축열탱크(310)에 저장된 냉수가 축열탱크(310)로부터 부하배관(L300)으로 유출되지 않도록 하며, 아울러 보충배관(L320)으로부터 부하측 2차유체(물)를 공급할 수 있도록 한다.
또한, 본 실시형태 1에 따르는 지열 열펌프 시스템은 고온수를 얻기 위해서 뿐만 아니라 겨울철 열원측 2차유체의 온도가 낮아 열원측 열교환기(150)에서 결빙이 발생할 경우 지열 열펌프 시스템의 초기 기동을 원활하게 할 수 있도록 한다. 구체적으로 설명하면, 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도가 저온, 예를 들면 3℃ 정도일 경우 열원측 열교환기(150)를 통과하는 냉매는 보통 열원측 2차유체의 온도보다 5℃정도 낮게 된다. 따라서 냉매의 온도가 -2℃가 되는데 이 경우 열원측 2차유체가 물인 경우 열원측 열교환기(150)를 통과하면서 동결이 될 수 있다. 동결로 인해서 열원측 2차유체는 순환이 어렵게 되고 펌프(220)의 소요동력이 증가하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
하지만 본 실시형태 1에 따르는 지열 열펌프 시스템은, 동절기 열원측 2차유체의 온도가 미리 결정한 기준값(예를 들면, 3℃)이하인 경우, 초기 시동시 제어밸브(221)를 개방시켜 일부의 열원측 2차유체가 보조 열교환기(160)를 통과하게 함으로써, 보조 열교환기(160)에서 고온의 냉매로부터 열을 받아 온도가 상승된 상태에서 합류점(S1)에서 합류되어 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도를 상승시킬 수 있다. 따라서 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체가 온도가 상승된 상태이기 때문에 열원측 2차유체의 온도가 낮더라도 열원측 열교환기(150) 내에서의 결빙되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 지열 열펌프 시스템의 초기시동을 원활하게 할 수 있다.
<실시형태 2>
도 4는 본 발명에 따르는 또 다른 실시형태 2의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면이다. 본 실시형태 2는 도 2의 실시형태 1과 대비하면, 실시형태 1에서는 열원측 2차유체의 일부가 보조 열교환기(160)로 거치도록 열원배관(L200)으로부터 분기된 열원분기배관(L210)을 구성한 것에 대해서, 실시형태 2에서는 열펌프 유니트(100)의 냉매의 일부가 보조 열교환기(160)를 통과하도록 냉매배관(L100)으로부터 분기된 냉매분기배관(L110)을 구성하였다는 점에서 차이를 가지며 나머지 구성들은 동일하다. 따라서 실시형태 2와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하고 구체적인 설명은 생략한다.
구체적으로 본 실시형태 2의 열펌프 유니트(100)는 냉매배관(L100)에서 압축기(110) 출구의 일지점인 분기점(P2)에서 분기되고, 다시 보조 열교환기(160)의 출구측에 일지점인 합류점(S2)에서 합류되는 냉매분기라인(L110)을 구비하고 있다. 즉, 압축기(110)에서 부하측 열교환기(130)로 유입되는 고온, 고압의 냉매 중 일부가 보조 열교환기(160)를 거치도록 하거나, 또는 압축기(110)로부터의 고온, 고압의 냉매 모두가 보조 열교환기(160)를 거치지 않고 직접 부하측 열교환기(130)로 유입되도록 제어될 수 있다. 이를 위해서, 냉매분기라인(L110)에서 분기점(P2)과 보조 열교환기(160)와의 사이에 제어밸브(171)가 설치되며, 또한 냉매라인(L100)에서 분기점(P2)과 합류점(S2) 사이에 제어밸브(172)가 설치된다. 즉, 냉매의 일부를 보조 열교환기(160)로 공급하기 위해서는 제어밸브(172)가 개방된 상태에서 제어밸브(171)를 개방하는 제어를 할 수 있으며, 또한 반대로 냉매를 보조 열교환기(160)로 공급할 필요가 없는 경우에는 제어밸브(171)가 폐쇄하는 제어를 할 수 있다. 또한 실시형태 1과 마찬가지로 제어밸브(171)의 개방정도를 제어하여 보조 열교환기(160)로 공급되는 냉매의 양을 제어할 수 있다.
한편, 본 실시형태 2에서는 제어밸브(171) 및 제어밸브(172)로서 개폐밸브를 사용하여 보조 열교환기(160)로의 냉매의 흐름을 개폐하거나 개방정도를 제어하였으나, 분기점(P2)에 제어밸브로서 하나의 삼방밸브를 설치할 수 있다.
또한 본 실시형태 2에서 열원배관(L200)은 열원측 2차유체가 지중열교환기(210), 보조 열교환기(160) 및 열원측 열교환기(150)를 순환하도록 구성되어 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 실시형태 2는, 실시형태 1과 마찬가지로 고온수 공급이 필요한 경우에, 제어밸브(171)를 개방시킴으로써 고온의 냉매 일부가 보조 열교환기(160)로 유입되도록 함으로써, 보조 열교환기(160)에서 냉매분기배관(L110)을 흐르는 냉매와 열원배관(L200)을 흐르는 열원측 2차유체가 열교환하게 된다. 이로 인해서 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도가 상승하게 되고, 결과적으로 실시형태 1에서와 같이 부하측 2차유체의 온도를 상승시키게 된다. 그 결과 부하측 2차유체를 고온수로 사용할 수 있게 된다.
아울러 동절기에 열원측 2차유체의 온도가 기준값 이하로 떨어진 경우 보조 열교환기(160)에서의 열교환을 통해서 열원측 열교환기(150)에서의 열원측 2차유체의 동결을 방지함으로써 초기시동을 원활하게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템에 대해서 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시형태들에 한정된 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
예를 들면, 실시형태 1에서 보조 열교환기(160)로 열원측 2차유체의 일부 유입시키기 위해서, 제어밸브(222)를 개방한 상태에서 제어밸브(221)의 개폐를 조절한 것을 예로써 설명하였으나, 제어밸브(222)의 개방정도를 조절하거나 제어밸브(221)의 개폐정도를 함께 조절하여 열원분기배관(L210)을 따라 보조 열교환기(160)로 유입되는 열원측 2차유체의 양을 조절할 수 있다. 그 결과, 보조 열원측 열교환기(150)로 흐르는 열원측 2차유체의 온도가 조절되기 때문에 고온수의 온도를 제어할 수 있게 된다.
또한, 실시형태 1에서 제어밸브(221) 만을 설치하고 제어밸브(222)는 설치하지 않아도 된다. 즉, 열원측 2차유체가 열원측 열교환기(150)로 항상 흐르도록 하고 단지 제어밸브(221)의 개방정도만을 조절하여 보조 열교환기(160)로 흐르는 열원측 2차유체의 양만을 조절하여도 실시형태 1과 동일한 작용효과를 달성할 수 있다.
아울러, 실시형태 2에서도 마찬가지로 보조 열교환기(160)로 냉매를 유입시키기 위해서 사용되는 제어밸브(171, 172)의 개방정도를 조절함으로써, 보조 열교환기(160)로 유입되는 냉매의 양을 조절함으로써, 보조 열교환기(160)에서 열원측 2차유체로 전달되는 열을 양을 조절할 수 있다. 그 결과 열원측 열교환기(150)로 흐르는 열원측 2차유체의 온도를 조절할 수 있으며, 이를 통해서 고온수의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 실시형태 2에서 제어밸브(171)만을 설치하고 제어밸브(172)를 설치하지 않아도 된다. 즉, 냉매가 부하측 열교환기(130)로 항상 흐르도록 하고 단지 제어밸브(171)의 개방정도만을 조절하여 보조 열교환기(160)로 흐르는 냉매의 양만을 조절하여도 실시형태 2와 동일한 작용효과를 달성할 수 있다.
또한, 도 2의 실시형태 1 및 도 4의 실시형태 2를 결합하여도 된다. 구체적으로 실시형태 1과 같이 보조 열교환기(160)로 유입되는 열원측 2차유체를 제어하기 위해서 열원배관(L200)을 분기시키는 구성과, 실시형태 2와 같이 보조 열교환기(160)로 유입되는 냉매를 제어하기 위해서 냉매배관(L100)을 분기시키는 구성을 함께 설치하여도 된다.
본 발명은 지열을 열원으로 사용하여 건물 등에 냉방 및 난방을 행하면서, 온수의 경우 보다 온도가 높은 고온수를 고효율로 얻을 수 있는 지열 열펌프 시스템으로 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 지열을 열원으로 하는 지열 열폄프 시스템에 대해서 설명하였지만, 열원으로서 해수열 등 다른 열원을 이용하는 열펌프 시스템에도 이용될 수 있다.
100 : 열펌프 유니트 110 : 압축기
120 : 사방밸브 130 : 부하측 열교환기
140 : 팽창장치 150 : 열원측 열교환기
160 : 보조 열교환기 171, 172 : 제어밸브
200 : 열원 유니트 210 : 지중 열교환기
220 : 펌프 221, 222 : 제어밸브
300 : 부하 유니트 310 : 축열탱크
320 : 펌프 330 : 제어밸브
340 : 제어밸브 350 : 펌프
360 : 보조히터 L100 : 냉매배관
L110 : 냉매분기배관 L200 : 열원배관
L210 : 열원분기배관 L300 : 부하배관
L310 : 축열배관 L320 : 보충배관
L330 : 배출배관

Claims (8)

  1. 압축기, 열원측 열교환기, 팽창장치 및 부하측 열교환기를 냉매가 순환하도록 형성된 냉매배관을 구비하는 열펌프 유니트,
    열원측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 열원측 열교환기와, 지중의 열원과 열교환하는 지중 열교환기를 순환하도록 형성된 열원배관을 구비하는 열원 유니트,
    부하측 2차유체가 상기 열펌프 유니트의 부하측 열교환기와, 상기 부하측 2차 유체를 저장하는 축열탱크를 순환하도록 형성된 부하배관을 구비하는 부하 유니트, 그리고
    상기 열펌프 유니트에서 압축기로부터 토출되는 냉매와 상기 열원 유니트에서 열원측 열교환기로 유입되는 열원측 2차유체가 열교환하는 보조 열교환기를 포함하며,
    상기 열펌프 유니트는, 상기 냉매배관 중 상기 압축기 출구의 일지점인 분기점(P2)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기를 거쳐 상기 보조 열교환기 출구의 일지점인 합류점(S2)에서 다시 상기 냉매배관과 연결되는 냉매분기배관을 구비하며,
    상기 냉매분기배관에서 분기점(P2)과 상기 보조 열교환기 입구 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서
    상기 열원 유니트는, 상기 열원배관 중 상기 지중 열교환기 출구의 일지점인 분기점(P1)으로부터 분기되어 상기 보조 열교환기를 거쳐 상기 보조 열교환기 출구의 일지점인 합류점(S1)에서 다시 상기 열원배관과 합류되는 열원분기배관을 구비하며,
    상기 열원분기배관에서 분기점(P1)과 상기 보조 열교환기 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열원배관에서 분기점(P1)과 합류점(S1) 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉매배관에서 분기점(P2)과 합류점(S2) 사이에 제어밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 부하 유니트는,
    상기 축열탱크에 저장된 부하측 2차유체가 순환부하(R)를 순환하도록 형성된 축열배관과,
    상기 부하배관 중 상기 부하측 열교환기로부터 상기 축열탱크로 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관의 일지점인 분기점(P3)으로부터 분기되며, 부하측 2차유체를 배출부하(W)로 배출시키는 배출배관, 그리고
    상기 부하배관 중 상기 축열탱크로부터 상기 부하측 열교환기로 부하측 2차유체가 흐르는 부하배관과 연통하며, 상기 부하배관에 부하측 2차유체를 공급하여 보충하는 보충배관을 구비하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부하배관 중 상기 부하측 열교환기와 분기점(P3) 사이에 보조히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 부하배관 중 상기 축열탱크와 분기점(P3) 사이 및 상기 배출배관에 보조히터가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101425989B1 (ko) 2013-02-27 2014-08-01 한밭대학교 산학협력단 히트펌프 성능평가 시스템
KR101446768B1 (ko) 2014-05-27 2014-10-02 주식회사 선이앤씨 고효율 지열 히트펌프 시스템
KR101456877B1 (ko) * 2013-02-27 2014-10-31 한밭대학교 산학협력단 항온조 온도유지 시스템
KR101456878B1 (ko) * 2013-02-27 2014-10-31 한밭대학교 산학협력단 히트펌프 성능평가 시스템의 제어방법
KR20180107935A (ko) 2017-03-23 2018-10-04 신두국 2단 열교환기로 구성되는 공기열 히트펌프시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900178B (zh) * 2014-03-24 2016-07-06 深圳达实智能股份有限公司 一种地源热泵蓄能中央空调系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001183030A (ja) * 1999-10-12 2001-07-06 Kubota Corp 地熱採熱試験装置
JP2002061980A (ja) * 2000-08-22 2002-02-28 Tokyo Gas Co Ltd 圧縮式ヒートポンプ空調装置及びその運転方法
JP2006145059A (ja) 2004-11-16 2006-06-08 Mitsubishi Materials Natural Resources Development Corp ハイブリッド式地中熱利用ヒートポンプ装置及びその運転方法
KR100904363B1 (ko) * 2008-02-11 2009-06-23 한국플랜트서비스주식회사 히트 펌프식 급탕 공급장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001183030A (ja) * 1999-10-12 2001-07-06 Kubota Corp 地熱採熱試験装置
JP2002061980A (ja) * 2000-08-22 2002-02-28 Tokyo Gas Co Ltd 圧縮式ヒートポンプ空調装置及びその運転方法
JP2006145059A (ja) 2004-11-16 2006-06-08 Mitsubishi Materials Natural Resources Development Corp ハイブリッド式地中熱利用ヒートポンプ装置及びその運転方法
KR100904363B1 (ko) * 2008-02-11 2009-06-23 한국플랜트서비스주식회사 히트 펌프식 급탕 공급장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101425989B1 (ko) 2013-02-27 2014-08-01 한밭대학교 산학협력단 히트펌프 성능평가 시스템
KR101456877B1 (ko) * 2013-02-27 2014-10-31 한밭대학교 산학협력단 항온조 온도유지 시스템
KR101456878B1 (ko) * 2013-02-27 2014-10-31 한밭대학교 산학협력단 히트펌프 성능평가 시스템의 제어방법
KR101446768B1 (ko) 2014-05-27 2014-10-02 주식회사 선이앤씨 고효율 지열 히트펌프 시스템
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