KR101155641B1

KR101155641B1 - 주택용 지열 히트펌프

Info

Publication number: KR101155641B1
Application number: KR1020100081671A
Authority: KR
Inventors: 김진상; 노진덕
Original assignee: 노진덕; 김진상
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-06-14
Also published as: KR20120018682A

Abstract

본 발명의 주택용 지열 히트펌프에 관한 것이다. 본 발명은 지열 열교환기에서 얻은 에너지를 저장하는 저장탱크에 순간온수관이 관통되도록 설치됨으로써, 장기간 정지시켰다가 재기동하더라도 신속하게 온수를 공급할 수 있어 신뢰성과 사용자의 편의성을 높일 수 있다. 또, 온수를 신속하게 공급할 수 있으면서도 온수를 저장하는 저장탱크의 크기를 줄여 투자비용을 줄이는 동시에 저장탱크에 대한 설치공간을 줄일 수 있다. 또, 급탕용 보일러나 전기히터에 대한 수요를 줄여 에너지 효율은 높이고 에너지 소모량은 줄일 수 있다. 또, 저장탱크에 저장되는 물을 직접 온수로 사용하지 않도록 하여 위생상태를 양호하게 할 수 있다.

Description

주택용 지열 히트펌프{ground heat pump for house}

본 발명은 지열 히트펌프에 관한 것으로, 특히 주택에 적용될 수 있는 주택용 지열 히트펌프에 관한 것이다.

지열 히트펌프는 연중 온도가 일정한 지하수(Ground Water), 지표수(Surface Water) 및 지중열(약 300m 이내)을 냉방시에는 히트싱크로, 난방시에는 히트소스로 이용하여 건축물의 냉ㆍ난방을 동시에 가능하도록 하는 복합형 시스템으로 지열원 열펌프 시스템이라고도 한다. 일반적인 지열 히트펌프는 지중 300m 이내로 천공된 보어홀에 고밀도 폴리에틸렌 재질의 U자형파이프를 설치하고, 그 파이프에 유체를 순환시켜 지중과의 열교환을 통하여 냉ㆍ난방에 필요한 에너지를 수급하는 것이다.

지열 히트펌프는 가장 효율이 높은 냉난방 방식 중의 하나로 알려져 있으며, 특히 급탕에서 가장 높은 효율을 보인다. 따라서, 주택에서 에너지 소비를 절감하고 화석에너지 소비로 인한 이산화탄소 배출절감을 위해서 가장 효과적인 방안은 지열 히트펌프(Geothermal Heat Pump)라고 할 수 있다.

주택용 지열 히트펌프는 지중열을 이용하는 지중열교환기, 히트펌프 유니트, 그리고 온수 탱크로 구성되며, 실내에 설치된 냉방용 열교환기 그리고 난방용 바닥코일과 온수사용설비 등과 연결되어 구성된다.

히트펌프 유니트의 주요 구성요소는 압축기, 응축기, 증발기, 팽창기구, 사방변으로 이루어진다. 사방변은 냉방시와 난방시에 히트펌프 유니트 내부에 설치된 열교환기의 기능을 바꿔주는 역할을 수행한다. 물-물 히트펌프 유니트에서는 열교환기인 응축기와 증발기가 냉매와 물 사이에서 열교환을 수행하는 열교환기이며, 주로 이중관형이나 판형 열교환기가 사용된다.

경우에 따라서는 압축기의 출구측에 과열저감기가 설치되기도 한다. 과열저감기는 압축기의 출구에서 나오는 고압의 과열된 냉매 기체를 통과시켜 높은 온도의 온수를 생산하는데 활용된다.

상기와 같은 지열 히트펌프가 난방사이클을 형성하는 경우는 다음과 같다.

상기 히트펌프 유니트 내부의 열교환기(증발기)를 지나는 차가운 액냉매는 부동액(지중열교환기내의 순환유체)으로부터 열을 흡수하고 증기냉매로 상변화를 하게 된다. 그러면, 상기 히트펌프 유니트의 응축기와 열교환되는 순환수는 가열되어 가정에서의 난방수 또는 온수로 활용된다. 이때, 증발과정 후 온도가 강하된 부동액은 지중열교환기를 순환하면서 다시 온도를 회복하게 된다. 이러한 원리로 지중은 열원인 히트소스(Heat Source)의 역할을 수행하며 난방사이클을 구성하게 된다.

반면, 상기 지열 히트펌프가 냉방사이클을 형성하는 경우에는 전술한 난방사이클과는 반대로 히트펌프 내부의 열교환기(응축기)를 지나는 뜨거운 기체냉매는 부동액(지중열교환기 내의 순환유체)으로 열을 방출하고 액체냉매로 상변화를 하게 된다. 그러면, 상기 히트펌프 유니트의 증발기와 열교환되는 순환수는 냉각되어 가정에서의 냉방수로 활용된다. 이때, 응축과정 후 온도가 상승된 부동액은 지중열교환기를 순환하면서 온도가 하강하게 된다. 이러한 원리로 지중은 열을 방출하는 히트싱크(Heat Sink)의 역할을 수행하며, 냉방사이클을 구성하게 된다.

그러나, 종래의 지열 히트펌프는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 일반적으로 주택에서 널리 사용되는 온수보일러 시스템은 난방과 급탕에 실제 필요한 부하를 충분히 감당할 수 있도록 대용량으로 설계되어 설치된다. 하지만, 지열 히트펌프는 온수보일러 시스템에 비하여 초기 투자비용이 높기 때문에 실제 필요한 부하만큼만 감당할 수 있을 정도로 설계되어 설치된다. 이로 인하여 동절기에 주택을 장시간 비워 둔 후에 지열 히트펌프를 가동하는 경우에는 실내온도가 쾌적한 수준까지 도달하는 시간이 기존의 온수보일러 시스템에 비하여 대략 2배 정도로 오래 걸리는 문제점이 있었다.

둘째, 이를 감안하여, 히트펌프의 용량을 크게 설치할 수 있다. 가정의 냉난방에 작합한 용량의 히트펌프는 겨울철 낮은 온도로 유입되는 시수를 수도꼭지 하나에서 나오는 유량을 공급하는 데 턱없이 부족하다. 소형 주택에서 급탕 등을 위하여 사용하는 샤워기 하나에 필요한 온수를 생산하기 위한 열량은 냉난방에 필요한 열량에 비하여 3~5배의 열량이 필요하다. 따라서 주택용 지열히트펌프에서 급탕을 위해서는 온수를 저장하는 축열이 필수적이다. 또한 일반적인 냉매 히트펌프 유니트는 50℃이상의 온수를 안정적으로 공급할 수 없다. 그러므로 일반적인 축열 탱크에 저장된 온수를 사용하면서 새로 탱크로 유입되는 낮은 온도의 시수가 탱크 내부에서 온수와 혼합되게 된다. 주택용으로 사용되는 일반적인 소용량의 온수 저장 탱크로 겨울철 차가운 시수가 유입되어 온수와 혼합되게 되면 탱크 내부에 약50℃내외인 온수의 온도가 급격히 낮아지게 되어 전체 저장 온수의 20%정도만을 소비하더라도 탱크의 저장온도가 40℃정도로 낮아지게 되면서 샤워에 이용하기에 너무 낮아진다. 이를 해결하기 위해서 온수저장탱크의 용량을 크게 제작할 수 있다. 하지만, 이 경우 온수저장탱크가 높은 단열성을 유지하기 위해 고가의 단열재질을 사용하여야 하므로 그만큼 투자비용이 상승하게 되는 것은 물론, 저장된 온수가 새로 급수되는 냉수와 섞이게 되므로 저장된 온수의 온도가 급격하게 낮아져 급탕수를 제공하지 못하는 문제점도 있었다. 예를 들어, 샤워 주방 및 세탁 등에서 50℃정도의 온수가 200리터가 필요한 경우에는 필요한 온수량의 5배 정도인 약 1톤 정도를 저장하고 있어야 하므로 그만큼 온수저장탱크의 크기가 커지고 이로 인해 투자비용이 증가하는 것은 물론 장비 설치공간이 부족한 주택에서는 적용 자체가 어려워질 수도 있다.

셋째, 종래의 지열 히트펌프 시스템은, 온수저장탱크에 많은 양의 온수를 저장하지 못할 경우 또는 저장된 온수의 온도가 기대온도보다 낮은 경우를 대비하여 급탕용 보일러나 전기히터가 별도로 구비하는 경우가 있다. 하지만, 상기 급탕용 보일러나 전기히터를 자주 사용하게 되어 지열 히트펌프의 에너지 효율이 저하될 뿐만 아니라 에너지 소모량이 증가하는 문제점도 있었다.

넷째, 종래의 지열 히트펌프 시스템은, 온수저장탱크에 적어도 상온보다 높은 온도의 온수를 항상 저장하였다가 필요한 곳에 공급함에 따라 상기 온수저장탱크에는 레지오넬라균과 같은 세균이 용이하게 번식하여 주방이나 샤워 또는 세탁수로 사용하기에 위생상 부적합하게 될 수 있다.

본 발명의 목적은, 난방용으로 사용하는 경우 장기간 정지후 재기동하더라도 신속하게 난방이나 온수 사용이 가능한 주택용 지열 히트펌프를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 탱크내에 저장된 온수와 새로 유입되는 시수가 섞이는 것을 방지하는 성층화 개념을 도입하여 온수저장탱크의 크기를 줄여 투자비용을 줄이는 동시에 설치공간을 줄일 수 있는 주택용 지열 히트펌프를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 급탕용 보일러나 전기히터의 추가 설치를 미연에 방지하거나 설사 설치하더라도 사용욕구를 줄여 에너지 효율은 높이고 에너지 소모량은 줄일 수 있는 주택용 지열 히트펌프를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 온수저장탱크에 저장되는 물을 직접 온수 등으로 사용하지 않도록 하여 위생상태를 양호하게 할 수 있는 주택용 지열 히트펌프를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적어도 한 개 이상의 지중 열교환기와 열교환될 수 있도록 연결되는 히트펌프 유니트; 상기 히트펌프 유니트와 열교환될 수 있도록 연결되는 냉난방 유니트; 및 상기 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트의 사이에 연결되어 상기 히트펌프 유니트에서 발생되는 에너지를 성층화시켜서 저장하는 지열저장 유니트;를 포함하고, 상기 지열저장 유니트는, 상기 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트 사이에서 순환되는 순환수가 통과하면서 에너지를 저장하는 저장탱크; 및 상기 저장탱크에 담긴 순환수와 열교환되어 주택의 급수기구로 공급되도록 상기 저장탱크의 내부를 관통하여 결합되는 순간온수관;으로 이루어지는 주택용 지열 히트펌프가 제공된다.

본 발명의 주택용 지열 히트펌프는, 에너지를 저장하는 저장탱크에 순간온수관이 관통되도록 설치됨으로써, 장기간 외출 등으로 지열 히트펌프를 정지시켰다가 재기동하더라도 신속하게 온수를 공급할 수 있어 지열 히트펌프에 대한 신뢰성과 사용자의 편의성을 높일 수 있다. 또, 온수를 신속하게 공급할 수 있으면서도 온수를 저장하는 저장탱크의 크기를 줄여 투자비용을 줄이는 동시에 저장탱크에 대한 설치공간을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 급탕용 보일러나 전기히터를 추가로 설치하지 않거나 설치를 하더라도 사용욕구를 줄여 에너지 효율은 높이고 에너지 소모량은 줄일 수 있다. 또, 저장탱크에 저장되는 물을 직접 온수로 사용하지 않도록 하여 위생상태를 양호하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명 주택용 지열 히트펌프를 보인 계통도,
도 2는 도 1에 따른 주택용 지열 히트펌프에 대한 다른 실시예를 보인 계통도,
도 3은 도 2에 따른 주택용 지열 히트펌프에서 전기히터가 구비된 실시예를 보인 계통도,
도 4는 도 1에 따른 주택용 지열 히트펌프가 공동주택에 적용된 예를 보인 계통도,
도 5는 도 4에 따른 공동 주택용 지열 히트펌프에서 제어부와 펌프 그리고 온도센서의 전기적 연결구조를 보인 개략도.

이하, 본 발명에 의한 주택용 지열 히트펌프를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 주택용 지열 히트펌프를 보인 계통도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 주택용 지열 히트펌프(이하, 지열 히트펌프로 약칭함)는, 적어도 한 개 이상의 지중 열교환기(1)에 히트펌프 유니트(10)가 연결되고, 상기 히트펌프 유니트(10)에는 바닥코일이나 팬코일과 같은 냉난방 유니트(20)가 연결되며, 상기 히트펌프 유니트(10)와 냉난방 유니트(20)의 사이에는 지열저장 유니트(30)가 연결된다.

상기 히트펌프 유니트(10)는 상기 지중 열교환기와 열교환을 하는 제1 열교환부(11) 및 상기 냉난방 유니트(20)와 열교환을 하는 제2 열교환부(12)가 구비된다. 상기 제1 열교환부(11)와 제2 열교환부(12)는 히트펌프 유니트(10)의 냉동사이클 내에서 서로 열교환될 수 있도록 연결된다. 즉, 상기 제1 열교환부(11)가 지중 열교환기(1)와 열교환하여 얻은 에너지를 상기 제2 열교환부(12)를 통해 냉난방 유니트(20)에 전달하게 된다.

상기 제2 열교환부(12)와 냉난방 유니트(20) 사이에는 순환수의 이동방향을 절환하여 냉방운전과 난방운전이 교번되도록 4방밸브로 된 순환수 절환밸브(미도시)를 구비하여 연결되도록 할 수 있다.

상기 냉난방 유니트(20)는 일반적인 주택에서 사용되는 바닥코일(21)이나 팬코일(22)로 이루어질 수 있다. 상기 바닥코일(21)과 팬코일(22)은 상기 히트펌프 유니트(10)의 제2 열교환부(12)에 연결되는 냉난방측 순환관(41)으로 연결되고, 상기 냉난방측 순환관(41)의 중간에는 상기 지열저장 유니트(30)과 연결되도록 온수측 순환관(42)이 분지되어 연결될 수 있다. 그리고 상기 팬코일(22)은 상기 온수측 순환관(42)의 분지점을 기준으로 그 분지점보다 하류측에서 분지될 수도 있고 상류측에서 분지될 수도 있다. 상기 팬코일(22)이 분지되는 분지점 중에서 출구측 분지점에는 3방밸브로 된 제1 밸브(51)가 설치된다.

상기 온수측 순환관(42)은 도입용 냉난방측 순환관(이하, 제1 냉난방측 순환관)(411)에 연결되어 후술할 에너지 저장탱크(이하, 저장탱크로 약칭함)(31)의 상반부에 연결되는 제1 온수측 순환관(421)과 도출용 냉난방측 순환관(이하, 제2 냉난방측 순환관)(412)에 연결되어 상기 저장탱크(31)의 하반부에 연결되는 제2 온수측 순환관(422)으로 이루어진다. 그리고 상기 제2 온수측 순환관(422)이 제2 냉난방측 순환관(412)에 연결되는 연결점에는 3방밸브로 된 제2 밸브(52)가 설치된다.

상기 제1 밸브(51)는 제2 열교환부(12)에서 에너지를 얻은 순환수의 유로를 바닥코일 방향이나 또는 팬코일 방향으로 전환할 것인지를 결정하는 역할을 하는 것으로, 실내 제어판(미도시)에 설치된 난방/냉방 전환스위치의 신호나 팬코일 가동선택에 따라 유로를 전환하도록 제어될 수 있다.

상기 제2 밸브(52)는 상기 히트펌프 유니트(10)에서 냉난방 유니트(20)으로 전달되는 순환수의 열에너지를 상기 저장탱크(31)로 안내하여 저장할 것인지를 결정하는 역할을 하는 것으로, 상기 저장탱크(31)의 하반부에서 측정한 순환수의 온도와 상기 제1 밸브(51)로 유입되는 순환수의 온도차를 비교하여 상기 제2 밸브(52)로 유입되는 순환수의 온도가 상기 저장탱크(31)에 저장되는 순환수의 온도보다 낮으면 상기 제2 밸브(52)가 제2 온수측 순환관(422)을 차단하여 순환수가 저장탱크(31)로 유입되지 않도록 한다.

상기 지열저장 유니트(30)는 상기 제1 온수측 순환관(421)과 제2 온수측 순환관(422)이 연결되는 저장탱크(31)와, 상기 저장탱크(31)에 담긴 물과 열교환되도록 상기 저장탱크(31)의 내부를 관통하여 주택의 수도꼭지나 샤워기에 연결되는 순간온수관(32)으로 이루어진다.

상기 저장탱크(31)는 소정의 높이를 가지도록 형성되고, 저장된 온수가 단열될 수 있도록 단열재로 형성되거나 또는 단열부재로 감싸지도록 형성될 수 있다. 그리고 상기 저장탱크(31)는 그 내부에 다량의 온수가 저장되지 않아도 되므로 상기 순간온수관(32)에 비해 너무 크게 형성할 필요는 없다.

상기 순간온수관(32)은 그 입구가 주택용 급수원에 연결되는 반면 그 출구는 전술한 바와 같이 주방이나 화장실 등에 수도꼭지나 샤워기 등에 연결된다. 그리고 상기 순간온수관(32)은 그 순간온수관(32)을 통과하는 온수가 상기 저장탱크(31)의 내부에 담수된 물과 가능한 한 오랫동안 넓게 접촉될 수 있도록 나선형으로 감긴 파이프형으로 형성되거나 또는 지그재그 모양의 유로를 갖는 판형으로 형성될 수 있다.

상기 순간온수관(32)은 상기 저장탱크(31)에 담긴 물과 주택에서 사용되는 물을 분리시키는, 즉 저장탱크에 저장되는 물과 사용되는 물을 성층화(stratification)시켜 벽면을 통하여 열교환만을 수행하게 된다. 이를 통해, 주택에서 이용하는 사용수를 위생적으로 유지할 수 있고, 장시간 탱크 내에 장시간 저장되지 않고 순간온수관(32) 내부에 단시간 저장되므로 수질이 악화되는 것을 방지할 수 있다.

또, 동절기에 상수도를 통하여 공급되는 물의 온도는 5℃내외까지 떨어질 수 있는데, 저장탱크로(31)로 유입되는 저온의 사용수가 주택에서 사용되는 소용량의 저장탱크(31)내에 상기 순관온수관(32)을 거치지 않고 저장된 온수와 직접 혼합되면 상기 저장탱크(31)내에 저장된 온수가 급격하게 떨어지게 된다. 저장된 온수 온도가 샤워 등의 목적으로 사용하기 위해서는 40℃ 보다 훨씬 높은 유지해야 하는데, 이는 저장탱크(31)에 저장된 온수를 20%밖에 사용할 수 없게 된다. 반면, 상기 순간온수관(32)를 상기 저장탱크(31)내에 설치하여 상기 순관온수관(32)의 내부로 사용수가 통과하는 경우에는 그 저온의 사용수가 저장탱크(31)에 저장된 온수와 혼합되는 것을 방지하는 소위 성층화를 유도하여 상기 저장탱크 내에 저장된 온수의 온도가 급격하게 떨어지는 것을 막을 수 있으며, 이로 인하여 저장탱크(31)내에 저장된 온수를 대부분 사용할 수 있게 한다.

도면중 미설명 부호인 61 및 62는 펌프이고, 71~73은 온도센서이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 주택용 지열 히트펌프는 다음과 같은 작용효과가 있다.

먼저, 사용자가 실내에 설치된 제어기(미도시)를 이용하여 난방모드를 선택하게 되면, 상기 히트펌프 유니트(10)가 작동하여 지중열교환기(1)와 연결되는 제1 열교환부(11)와 냉난방 유니트(20)과 연결되는 제2 열교환부(12)가 서로 열교환되면서 순환수를 일정 온도 이상으로 상승시키게 된다.

그러면 상기 순환수가 제1 냉난방측 순환관(411)을 통해 바닥코일(21)로 공급되어 그 바닥코일(21)을 순환하면서 실내를 난방하게 된다. 그리고 상기 바닥코일(21)을 순환한 순환수는 제2 냉난방측 순환관(412)을 통해 히트펌프 유니트(10)의 제2 열교환부(12)로 환수된다.

그러면 상기 제2 열교환부(12)는 상기 제1 열교환부(11)와 다시 열교환을 하면서 지열 에너지를 이용하여 순환수를 다시 일정온도 이상으로 상승시키게 된다.

여기서, 상기 제1 밸브(51)와 제2 밸브(52)는 모두 순환수가 상기 제2 냉난방측 순환관(412)을 따라 흐를 수 있도록 그 제2 냉난방측 순환관 방향으로 열린다.

한편, 사용자가 상기 제어기를 이용하여 급탕모드를 선택하거나 또는 주방이나 화장실 등에서 온수를 선택하게 되면, 상기 제2 밸브(52)가 작동되어 상기 제2 냉난방측 순환관(412)과 저장탱크(31) 사이를 개방하게 된다.

그러면 상기 히트펌프 유니트(10)의 제2 열교환부(12)에서 일정 온도까지 상승한 고온의 순환수는 제1 냉난방측 순환관(411)에서 분지된 제1 온수측 순환관(421)을 통해 상기 저장탱크(31)의 상반부로 유입된다. 반면, 상기 저장탱크(31)에서 열교환을 마친 저온의 순환수는 하반부에서 상기 제2 온수측 순환관(422)과 제2 밸브(52)를 통해 제2 냉난방측 순환관(412)으로 유입되어 상기 히트펌프 유니트(10)의 제2 열교환부(12)로 환수된다.

그러면, 이 과정에서 상기 순간온수관(32)을 통해 사용자에게 공급되는 사용수는 상기 저장탱크(31)로 유입되는 고온의 순환수와 열교환되어 빠르게 가열되면서 짧은 시간에 사용자가 원하는 적정온도까지 상승하게 되는 것이다.

반면, 사용자가 상기 제어기를 이용하여 냉방모드를 선택하는 경우에는 상기 제2 열교환부(12)와 냉난방 유니트(20) 사이의 순환수 절환밸브(미도시)에 의해 제1 냉난방측 순환관(411)으로 찬 순환수가 공급되도록 하고, 상기 제1 밸브(51)에 의해 찬 순환수가 팬코일(22)로 공급되도록 하여 실내를 냉방시킨다. 이때, 상기 제2 밸브(52)는 닫아 찬 순환수가 저장탱크(31)로 유입되는 것을 차단한다.

이렇게 하여, 장기간 외출 등으로 지열 히트펌프를 정지시켰다가 재기동하더라도 신속하게 온수를 공급할 수 있어 지열 히트펌프에 대한 신뢰성과 사용자의 편의성을 높일 수 있다.

또, 온수를 신속하게 공급할 수 있으면서도 온수를 저장하는 저장탱크의 크기를 줄여 투자비용을 줄이는 동시에 저장탱크에 대한 설치공간을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 급탕용 보일러나 전기히터를 추가로 설치하지 않거나 설치를 하더라도 사용욕구를 줄여 에너지 효율은 높이고 에너지 소모량은 줄일 수 있다.

또, 저장탱크에 저장되는 물을 직접 온수로 사용하지 않도록 하여 위생상태를 양호하게 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 주택용 지열 히트펌프에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 저장탱크가 히트펌프 유니트에서 발생되는 열 에너지를 저장하여 온수를 신속하게 공급하는 역할을 하는 것이었으나, 본 실시예는 전술한 실시예 외에 상기 저장탱크에 저장된 열 에너지를 이용하여 순환수의 온도를 높이는 역할을 하는 것이다.

이 경우에도, 상기 히트펌프 유니트과 냉난방 유니트 그리고 저장탱크의 기본적인 구성은 전술한 실시예와 유사하다. 따라서 이에 대한 상세한 설명은 전술한 실시예를 참조하기로 한다. 다만, 본 실시예에서는 상기 온수측 순환관의 배관은 전술한 실시예와 상이하므로 이에 대해 상세하게 살펴본다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 의한 온수측 순환관(42)은, 제1 냉난방측 순환관(411)에서 분지되어 상기 저장탱크(31)의 상반부에 연결되는 제1 온수측 순환관(421)과, 상기 제2 냉난방측 순환관(412)에서 분지되어 상기 저장탱크(31)의 하반부에 연결되는 제2 온수측 순환관(422)과, 상기 제1 온수측 순환관(421)에서 제2 온수측 순환관(422)으로 각각 분지되는 제1 바이패스관(423) 및 제2 바이패스관(424)으로 이루어진다.

그리고 상기 제1 바이패스관(423)과 제2 바이패스관(424)이 상기 제2 온수측 순환관(422)에 연결되는 연결점에는 각각 3방밸브로 된 제3 밸브(53) 및 제4 밸브(54)가 더 설치된다.

도면중 전술한 실시예와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 주택용 지열 히트펌프는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 본 실시예에서는 전술한 실시예에 더하여 상기 저장탱크에 축열을 하여 에너지를 저장하는 경우와 상기 저장탱크에 저장된 에너지를 이용하는 경우가 모두 가능하게 된다.

예를 들어, 축열을 하는 경우에는 상기 제2 밸브(52)를 히트펌프 유니트 방향으로 여는 동시에, 상기 제3 밸브(53)와 제4 밸브(54)는 모두 제2 온수측 순환관(422)을 개통하는 방향으로 연다. 그러면 상기 제1 냉난방측 순환관(411)으로 흐르는 고온의 순환수가 제1 온수측 순환관(421)을 통해 저장탱크(31)의 상측으로 유입되었다가 저장탱크(31)의 하측으로 유출되어 상기 제2 온수측 순환관(422)과 제2 냉난방측 순환관(412)을 통해 상기 히트펌프 유니트(10)으로 환수되는 일련의 순환과정을 반복하게 된다.

반면, 상기 저장탱크(31)에 저장된 에너지를 이용하는 경우에는 상기 제2 밸브(52)를 히트펌프 유니트 방향으로 여는 동시에, 상기 제3 밸브(53)는 제2 온수측 순환관(422)과 제1 바이패스관(423)이 연통되는 방향으로, 상기 제4 밸브(54)는 제2 온수측 순관관(422)과 제2 바이패스관(424)이 연통되는 방향으로 각각 연다.

그러면 상기 제1 냉난방측 순환관(411)으로 흐르는 저온의 순환수가 제1 온수측 순환관(421)과 제1 바이패스관(423) 그리고 제2 온수측 순환관(422)을 통해 저장탱크(31)의 하반부로 유입되었다가 저장탱크(31)의 상반부로 유출되어 상기 제1 온수측 순환관(421)과 제2 바이패스관(424) 그리고 제2 냉난방측 순환관(422)을 통해 상기 히트펌프 유니트(10)으로 환수되는 일련의 순환과정을 반복하게 된다.

여기서, 상기 저장탱크(31)의 내부, 즉 상기 순간온수관(32)의 주변에는 난방을 하지 않는 환절기나 또는 상기 저장통에 저장된 물의 온도가 낮거나 양이 적은 경우에는 도 3에서와 같이 상기 저장탱크(31)의 물을 가열할 수 있도록 전기히터(33)가 설치될 수 있다. 물론 전기히터 외에 태양에너지나 기타 보조에너지를 사용하여 상기 저장탱크에 열에너지를 저장할 수도 있다.

그리고 상기 히트펌프 유니트(10)에는 도 3에서와 같이 냉매와 물 사이에 열교환을 하는 과열저감기(13)를 설치하여 고온의 온수를 생산하고 이를 상기 저장탱크(31)에 저장할 수 있다. 도면중 미설명 부호인 63은 펌프이다.

상기와 같이 과열저감기가 설치되는 경우에는, 압축기에서 나온 고온 고압의 가스상태의 냉매가 가장 먼저 과열저감기(13)를 통과하여 물과 열교환되면서 온수를 생산하게 된다. 그러면 상기 과열저감기(13)에서 부수적으로 얻은 에너지를 순환관(43)을 이용하여 저장탱크(31)에 저장함으로써 지중 열교환기의 에너지 효율을 높일 수 있다. 즉, 난방 모드에서는 난방 에너지 중의 일부를 사용하는 반면 냉방 모드에서는 지중으로 보내지는 열의 일부를 사용하게 되므로 일을 하지 않고도 에너지를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 주택형 지열 히트펌프에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예들은 단독 주택에 적용되는 지열 히트펌프를 살펴본 것이나, 본 실시예는 공동 주택에 적용되는 지열 히트펌프에 대한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 이 경우에는 복수 개의 보어홀로 이루어진 지중열교환기(1)가 한 개의 메인 순환관(45)의 일측에 각각 병렬로 연결되고, 상기 한 개의 메인 순환관(45)의 타측에는 공동건물의 각각의 가구(家口)마다에 개별적으로 설치된 전술한 실시예들의 지열 히트펌프(100), 즉 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트 그리고 지열저장 유니트로 이어진 지열 히트펌프 시스템들이 병렬로 연결된다.

여기서, 상기 메인 순환관(45)의 급수측(451)과 환수측(452)에는 각각 온도센서(74)(75)가 설치되고, 상기 급수측 메인 순환관(451)에는 순환수를 펌핑하는 펌프(64)가 설치되며, 상기 온도센서(74)(75)들과 펌프(64)는 제어부(80)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 공용 주택용 지열 히트펌프에서 기본적인 지열 히트펌프의 구성과 작용 효과는 전술한 실시예들과 대동소이하다. 다만, 본 실시예에서는 상기 펌프(64)가 인버터로 구동하도록 설치하여 그 펌프(64)가 상기 온도센서(74)(75)들에 의해 감지되는 급수와 환수의 온도차를 받아 상기 펌프(64)의 펌핑량을 제어하게 된다. 즉, 급수와 환수의 온도차가 큰 경우에는 지열 히트펌프를 사용하는 가구가 많다고 판단하여 펌프(64)의 펌핑량을 늘리는 반면 상기 온도차가 작은 경우에는 지열 히트펌프를 사용하는 가구가 적다고 판단하여 펌프(64)의 펌핑량을 줄임으로써, 저부하에서의 불필요한 에너지 낭비를 절감할 수 있다.

1 : 지중 열교환기 10 : 히트펌프 유니트
11 : 제1 열교환부 12 : 제2 열교환부
13 : 과열저감기 20 : 냉난방 유니트
30 : 에너지 저장유니트 31 : 저장탱크
32 : 순간온수관 33 : 전기히터
41 : 냉난방측 순환관 42 : 온수측 순환관
51~54 : 밸브 61~64 : 펌프
71~75 : 온도센서 80 : 제어부

Claims

적어도 한 개 이상의 지중 열교환기와 열교환될 수 있도록 연결되는 히트펌프 유니트;
상기 히트펌프 유니트와 열교환될 수 있도록 연결되는 냉난방 유니트; 및
상기 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트의 사이에 연결되어 상기 히트펌프 유니트에서 발생되는 에너지를 성층화시켜 저장하는 지열저장 유니트;를 포함하고,
상기 지열저장 유니트는,
상기 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트 사이에서 순환되는 순환수가 통과하면서 에너지를 저장하는 저장탱크; 및
상기 저장탱크에 담긴 순환수와 열교환되어 주택의 급수기구로 공급되도록 상기 저장탱크의 내부를 관통하여 결합되는 순간온수관;으로 이루어지며,
상기 히트펌프 유니트에는 상기 히트펌프 유니트에서 발생되는 에너지를 저장하는 과열저감기가 더 설치되고, 상기 과열저감기는 저장탱크와 열교환되도록 연결되는 주택용 지열 히트펌프.
제1항에 있어서,
상기 저장탱크에는 보조 발열체가 더 구비되는 주택용 지열 히트펌프.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 히트펌프 유니트와 냉난방 유니트 사이에는 순환수가 순환하도록 냉난방측 순환관이 폐회로 형태로 연결되고,
상기 냉난방측 순환관의 중간에는 그 냉난방측 순환관을 흐르는 순환수가 상기 지열저장 유니트와의 사이에서 순환하도록 온수측 순환관이 폐회로 형태로 연결되며,
상기 냉난방측 순환관과 온수측 순환관이 연결되는 연결점에는 순환수가 상기 냉난방 유니트와 지열저장 유니트를 선택적으로 순환하도록 밸브가 설치되는 주택용 지열 히트펌프.
제4항에 있어서,
상기 온수측 순환관의 사이에는 그 온수측 순환관을 흐르는 순환수의 유동방향이 전환되도록 복수 개의 바이패스관이 연결되고, 상기 바이패스관과 온수측 순환관이 연결되는 연결점에는 순환수을 유동을 제어하는 밸브가 설치되는 주택용 지열 히트펌프.
제5항에 있어서,
상기 지중열교환기는 메인 순환관의 일측에 연결되고, 상기 메인 순환관의 타측에는 공동건물의 각 가구(家口)마다에 개별적으로 설치된 냉난방 시스템이 병렬로 연결되는 주택용 지열 히트펌프.
제6항에 있어서,
상기 지중열교환기는 복수 개의 보아홀로 이루어지고, 상기 복수 개의 보아홀은 상기 메인 순환관의 일측에 병렬 연결되는 주택용 지열 히트펌프.
제6항에 있어서,
상기 메인 순환관의 급수측과 환수측에는 각각 온도센서가 설치되고, 상기 급수측 메인 순환관에는 순환수를 펌핑하는 펌프가 설치되며, 상기 온도센서들과 펌프는 제어부에 전기적으로 연결되어 상기 급수되는 순환수와 환수되는 순환수의 온도차에 따라 펌핑량이 조절되도록 하는 주택용 지열 히트펌프.