KR101168590B1

KR101168590B1 - 지열 냉난방 장치

Info

Publication number: KR101168590B1
Application number: KR1020100117769A
Authority: KR
Inventors: 이상훈; 안근묵; 박찬호
Original assignee: 주식회사 지지케이; (주) 앤씨티
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-07-30
Also published as: KR20120056180A

Abstract

지열 냉난방 장치가 개시된다.
개시되는 지열 냉난방 장치는 지열을 이용하여 수요처에 대해 냉난방을 수행할 수 있는 것으로서, 지열 교환 유체가 유동되면서 지중과 열교환하는 지열 교환 부재; 상기 수요처에 대해 순환 유체를 공급할 수 있고, 내부에 온도에 따라 순환 유체가 성층화되는 온도 성층화가 이루어지는 축열조; 상기 지열 교환 부재와 상기 축열조와 각각 연결되어, 상기 지열 교환 부재에서 상기 축열조로 열을 전달하거나, 상기 축열조에서 상기 지열 교환 부재로 열을 전달할 수 있는 히트 펌프; 상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 상측 유동관; 상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 하측 유동관; 상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관 중 어느 하나에 설치되는 제 1 삼방 밸브(triple valve); 상기 축열조 상부의 상대적 고온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 상부 사이를 연결하는 온수 보충관; 및 상기 축열조 하부의 상대적 저온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 하부 사이를 연결하는 냉수 보충관;을 포함하여, 상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 상기 온수 보충관과 상기 냉수 보충관 중 적어도 하나를 통해 상기 축열조 내의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충되는 것을 특징으로 한다.
개시되는 지열 냉난방 장치에 의하면, 히트 펌프와 축열조 사이를 연결하는 축열조측 하측 유동관 상에 제 1 삼방 밸브가 설치되고, 축열조 내의 상측 디퓨저와 하측 디퓨저와 각각 연결되는 온수 보충관과 냉수 보충관이 제 1 삼방 밸브에 연결됨에 따라, 축열조측 상측 유동관과 축열조측 하측 유동관을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 온수 보충관과 냉수 보충관 중 적어도 하나를 통해 축열조 내의 순환 유체가 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있다. 그러면, 지열 냉난방 장치의 작동 중에 축열조측 상측 유동관과 축열조측 하측 유동관을 따라 히트 펌프와 축열조 사이를 순환하는 순환 유체의 부족 현상이 방지될 수 있는 장점이 있다.

Description

지열 냉난방 장치{Geothermal cooling and heating apparatus}

본 발명은 지열 냉난방 장치에 관한 것이다.

환경 보호를 위하여 신재생 에너지의 사용을 촉진하고자 하는 연구가 다양한 분야에서 진행되고 있는데, 이러한 분야 중 하나가 지열을 이용하는 지열 냉난방 장치이다.

지열 냉난방 장치는 지열을 이용하여 냉방 또는 난방을 수행함으로써, 친환경적이고, 경제적이며, 편리한 장점이 있다.

그러나, 종래의 지열 냉난방 장치에서는, 히트 펌프와 축열조 사이에서 순환 유체가 순환될 때, 히트 펌프와 축열조 사이에서 순환 유체가 순환되는 배관 상에서 그러한 순환 유체의 실제 순환량이 요구되는 순환량에 비해 부족한 현상이 발생될 수 있는데, 이러한 순환수 부족 현상이 발생되면, 지열 냉난방 장치의 정상 작동이 곤란해질 수 있다.

한편, 종래의 지열 냉난방 장치에서는, 축열조와 연결되는 수요처가 복수 개인 경우, 그러한 복수 개의 수요처를 모두 경유하면서 냉방 또는 난방을 수행하고 그 과정에서 온도 승강이 이루어진 후 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도가 되도록, 축열조에서 유출되는 순환 유체의 축열조 유출 온도를 조절하여 순환 유체를 수요처 쪽으로 유출시킨다. 이 때, 복수 개의 수요처 중 일부의 수요처에 대한 냉난방이 정지되고 다른 일부의 수요처에 대한 냉난방만 이루어지는 경우, 순환 유체가 경유하는 수요처가 감소되어 요구되는 만큼의 충분한 온도 승강이 이루어지지 못하고, 그에 따라 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도와 차이를 가지게 되어, 축열조 내에서 유체의 온도에 따라 성층화되는 온도 성층화가 제대로 이루어질 수 없게 된다.

본 발명은 작동 중 히트 펌프와 축열조 사이의 배관 상에서 순환수 부족 현상이 방지될 수 있는 구조를 가진 지열 냉난방 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 복수 개의 수요처를 경유한 후 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있는 구조를 가진 지열 냉난방 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 지열 냉난방 장치는 지열을 이용하여 수요처에 대해 냉난방을 수행할 수 있는 것으로서,

지열 교환 유체가 유동되면서 지중과 열교환하는 지열 교환 부재; 상기 수요처에 대해 순환 유체를 공급할 수 있고, 내부에 온도에 따라 순환 유체가 성층화되는 온도 성층화가 이루어지는 축열조; 상기 지열 교환 부재와 상기 축열조와 각각 연결되어, 상기 지열 교환 부재에서 상기 축열조로 열을 전달하거나, 상기 축열조에서 상기 지열 교환 부재로 열을 전달할 수 있는 히트 펌프; 상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 상측 유동관; 상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 하측 유동관; 상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관 중 어느 하나에 설치되는 제 1 삼방 밸브(triple valve); 상기 축열조 상부의 상대적 고온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 상부 사이를 연결하는 온수 보충관; 및 상기 축열조 하부의 상대적 저온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 하부 사이를 연결하는 냉수 보충관;을 포함하여,

상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 상기 온수 보충관과 상기 냉수 보충관 중 적어도 하나를 통해 상기 축열조 내의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 지열 냉난방 장치에 의하면, 히트 펌프와 축열조 사이를 연결하는 축열조측 하측 유동관 상에 제 1 삼방 밸브가 설치되고, 축열조 내의 상측 디퓨저와 하측 디퓨저와 각각 연결되는 온수 보충관과 냉수 보충관이 제 1 삼방 밸브에 연결됨에 따라, 축열조측 상측 유동관과 축열조측 하측 유동관을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 온수 보충관과 냉수 보충관 중 적어도 하나를 통해 축열조 내의 순환 유체가 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있다. 그러면, 지열 냉난방 장치의 작동 중에 축열조측 상측 유동관과 축열조측 하측 유동관을 따라 히트 펌프와 축열조 사이를 순환하는 순환 유체의 부족 현상이 방지될 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 지열 냉난방 장치에 의하면, 수요처측 상측 유동관과 수요처측 하측 유동관 중 제 3 삼방 밸브가 설치되지 아니한 유동관과 제 3 삼방 밸브가 제 3 삼방 밸브 연결관에 의해 연결됨에 따라, 수요처측 상측 유동관을 통해 축열조로 재유입되는 순환 유체 중 일부가 제 3 삼방 밸브 연결관을 통해 제 3 삼방 밸브로 유입되어, 수요처측 하측 유동관을 통해 축열조에서 수요처를 향해 유출되는 순환 유체와 혼합된 후, 수요처를 경유한 다음 수요처측 상측 유동관을 통해 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있도록, 제 3 삼방 밸브가 수요처측 하측 유동관과 제 3 삼방 밸브 연결관을 통해 유입되는 각 유체가 혼합되도록 작동될 수 있다. 그러면, 복수 개의 수요처 중 일부의 수요처에 대한 냉난방이 정지되고 다른 일부의 수요처에 대한 냉난방만 이루어지는 경우 등에도, 복수 개의 수요처를 경유한 후 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 지열 냉난방 장치에 의하면, 지열 보조 열교환기가 지열 교환 부재와 히트 펌프 사이에 설치되고, 제 2 삼방 밸브가 지열 보조 열교환기, 히트 펌프 및 수요처의 일부를 연결함에 따라, 수요처의 주된 부분에 대해 냉방을 수행하면서 수요처의 일부에 대해 난방을 함께 수행할 수 있으면서도, 지열 보조 열교환기 등에 관련된 소음, 진동 등이 수요처 또는 수요처의 일부로 전달되지 아니할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 지열 냉난방 장치에 의하면, 바이패스관이 설치됨에 따라, 부하 공급 펌프가 작동을 시작하면, 바이패스관 개폐 밸브가 이를 감지하여 바이패스관을 열어서, 축열조로 재유입되는 순환 유체의 순환 속도가 순환 유체가 바이패스관을 비경유하는 경우보다 상대적으로 커지게 함으로써, 수요처측 상측 유동관과 수요처측 하측 유동관 내에 존재하는 지난 운전 사이클에서의 잔존 순환 유체가 신속히 제거될 수 있고, 그에 따라 수요처에서 요구되는 온도로 신속하게 냉난방이 이루어질 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지열 냉난방 장치의 구성을 보이는 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지열 냉난방 장치의 일부 구성을 보이는 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 지열 냉난방 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지열 냉난방 장치의 구성을 보이는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시에에 따른 지열 냉난방 장치(100)는 제 1 삼방 밸브(triple valve)(141)와, 제 2 삼방 밸브(140)와, 제 3 삼방 밸브(143)와, 지열 교환 부재(150)와, 지열 보조 열교환기(151)와, 히트 펌프(152)와, 축열조(153)를 포함하여, 지열을 이용하여 수요처(156)에 대해 냉난방을 수행할 수 있는 것이다.

상기 지열 냉난방 장치(100)의 구성은 예시적인 것으로, 일부 구성은 생략될 수도 있다.

도면 번호 101과 102는 상기 지열 교환 부재(150)와 상기 지열 보조 열교환기(151) 사이를 연결하는 지열 교환 유체 공급관과 지열 교환 유체 환수관이고, 도면 번호 120은 상기 지열 교환 부재(150) 내에 설치되는 지열 교환 유체 펌프이다. 상기 지열 교환 유체 펌프(120)가 작동되면, 상기 지열 교환 부재(150) 내에서 지중과 열교환된 지열 교환 유체가 상기 지열 교환 유체 공급관(101)을 통해 상기 지열 보조 열교환기(151)로 공급되고, 상기 지열 보조 열교환기(151)를 경유한 상기 지열 교환 유체는 상기 지열 교환 유체 환수관(102)을 통해 상기 지열 교환 부재(150)로 환수된다.

상기 지열 교환 부재(150)는 지중에 매설된 것으로, 지열 교환 유체, 예를 들어 부동액을 포함한 물이 유동되면서 지중과 열교환되는 것이다.

본 실시예에서는, 상기 지열 교환 부재(150)가 상기 지열 교환 유체가 유입되어 지열을 교환받을 수 있는 우물이 내부에 형성된 우물형으로 제시되나, 이는 예시적인 것이고, 상기 지열 교환 유체 공급관(101)과 상기 지열 교환 유체 환수관(102)이 지중에서 서로 연결된 형태의 밀폐형 등 다양한 형태가 제시될 수 있다.

상기 지열 보조 열교환기(151)는 상기 지열 교환 부재(150)와 상기 히트 펌프(152) 사이에 설치되어, 상기 지열 교환 부재(150)를 경유하는 상기 지열 교환 유체와, 상기 히트 펌프(152)를 경유하는 히트 펌프 순환 유체가 서로 열교환되는 것이다.

상기 지열 보조 열교환기(151)의 적용에 따라, 부동액 등이 혼합되는 상기 지열 교환 유체가 상기 히트 펌프(152) 등 상기 지열 냉난방 장치(100)의 지중에 있는 다른 구성 요소로 직접 유입되지 아니할 수 있다.

도면 번호 103과 104는 상기 지열 보조 열교환기(151)와 상기 히트 펌프(152)를 연결하는 히트 펌프 공급관과 히트 펌프 회수관이고, 도면 번호 121은 보조 지열 펌프이다. 상기 보조 지열 펌프(121)가 작동되면, 상기 지열 보조 열교환기(151)와 상기 히트 펌프(152) 사이의 순환 유체가 상기 히트 펌프 공급관(103)과 상기 히트 펌프 회수관(104)을 따라 유동될 수 있다.

상기 히트 펌프(152)는 상기 지열 교환 부재(150)와 상기 축열조(153)와 각각 연결되어, 상기 지열 교환 부재(150)에서 상기 축열조(153)로 열을 전달하거나, 상기 축열조(153)에서 상기 지열 교환 부재(150)로 열을 전달할 수 있는 것이다.

본 실시예에서는, 예시적으로 상기 히트 펌프(152)가 상기 지열 보조 열교환기(151)를 매개로 하여 상기 지열 교환 부재(150)에 간접적으로 연결된다.

상기 히트 펌프(152)는 지열을 이용하여 상기 수요처(156)에 대한 냉난방용 냉온열을 생산하는 구성 요소이다. 이러한 히트 펌프(152)는 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기와 4방향 전환 밸브(4-way valve) 등으로 구성될 수 있다.

상기 제 2 삼방 밸브(140)는 상기 지열 보조 열교환기(151), 상기 히트 펌프(152) 및 상기 수요처(156)의 일부(157)를 연결하는 것이다.

도면 번호 115는 상기 히트 펌프 환수관(104)과 제 1 공급 헤더(129)를 연결하는 일부 수요처 공급관이고, 도면 번호 116은 제 1 환수 헤더(130)와 상기 제 2 삼방 밸브(140)를 연결하는 일부 수요처 환수관이고, 상기 제 1 공급 헤더(129)는 상기 수요처(156) 중 일부(157)가 복수 개로 구성되는 경우 상기 복수 개의 수요처의 일부(157)에 순환 유체를 분배하는 것이고, 상기 제 1 환수 헤더(130)는 상기 복수 개의 수요처의 일부(157)를 경유한 순환 유체가 모여지는 것이다. 도면 번호 128은 상기 일부 수요처 공급관(115)을 개폐시키는 일부 수요처 공급관 개폐 밸브이다.

여기서, 상기 수요처(156)가 공기조화기 등인 경우, 상기 수요처의 일부(157)는 상기 공기조화기가 설치된 공간의 바닥에 설치되는 바닥 코일 등으로 제시될 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 제 2 삼방 밸브(140)는 상기 히트 펌프 공급관(103) 상에 설치되고, 상기 일부 수요처 환수관(116)과 연결된다. 그러면, 상기 제 2 삼방 밸브(140)의 작동에 따라, 상기 지열 보조 열교환기(151)와 상기 히트 펌프(152) 사이의 순환 유체가 상기 지열 보조 열교환기(151)와 상기 히트 펌프(152) 사이만을 순환하거나, 그 중 일부가 상기 일부 수요처 공급관(115)과 상기 일부 수요처 환수관(116)을 통해 상기 수요처의 일부(157)로 유동될 수 있다. 상기 수요처(156)에 대해 냉방이 이루어지는 경우, 상기 수요처의 일부(157)로는 상기 히트 펌프(152)에서 상기 지열 교환 부재(150) 쪽으로 버려지는 열 중의 일부가 전달되어, 난방이 이루어질 수 있다.

상기 수요처(156)의 주된 부분에 대해 냉방이 요구되고, 상기 수요처(156)의 일부(157)에 대해 난방이 요구되는 경우, 상기 히트 펌프(152)에서 상기 지열 보조 열교환기(151)로 전달되는 열 중의 적어도 일부가 상기 수요처(156)의 일부(157)로 전달되도록, 상기 제 2 삼방 밸브가 상기 히트 펌프 공급관(103)을 통해 유동하는 순환 유체와 상기 일부 수요처 환수고나(116)을 통해 유동하는 순환 유체가 혼합되도록 작동될 수 있다.

상기와 같이, 상기 지열 보조 열교환기(151)가 상기 지열 교환 부재(150)와 상기 히트 펌프(152) 사이에 설치되고, 상기 제 2 삼방 밸브(140)가 상기 지열 보조 열교환기(151), 상기 히트 펌프(152) 및 상기 수요처의 일부(157)를 연결함에 따라, 상기 수요처(156)의 주된 부분에 대해 냉방을 수행하면서 상기 수요처의 일부(157)에 대해 난방을 함께 수행할 수 있으면서도, 상기 지열 보조 열교환기(151) 등에 관련된 소음, 진동 등이 상기 수요처(156) 또는 상기 수요처의 일부(157)로 전달되지 아니할 수 있다.

도면 번호 105는 상기 축열조(153) 하부와 상기 히트 펌프(152) 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 히트 펌프(152)와 상기 축열조(153)의 하부를 연결하는 축열조측 하측 유동관이고, 도면 번호 110은 상기 축열조(153) 상부와 상기 히트 펌프(152) 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 히트 펌프(152)와 상기 축열조(153)의 상부를 연결하는 축열조측 상측 유동관이고, 도면 번호 122는 상기 축열조측 하측 유동관(105)과 상기 축열조측 상측 유동관(110)에서 상기 히트 펌프(152)와 상기 축열조(153) 사이의 순환 유체가 유동되도록 하는 축열 펌프이다.

상기 축열조(153)는 상기 수요처(156)에 대해 그 내부에 수용된 상기 순환 유체를 공급할 수 있고, 내부에 온도에 따라 상기 순환 유체가 성층화되는 온도 성층화가 이루어지는 것이다.

여기서, 온도 성층화란, 상기 축열조(153) 내부에서 온도가 균일한 층이 형성되고, 각 층의 온도의 차이에 따라 상대적 저온의 층은 상기 축열조(153)의 하측에 형성되고, 상대적 고온의 층은 상기 축열조(153)의 상측에 형성되는 것을 말한다.

이러한 온도 성층화가 원활하게 이루어질 수 있도록, 상기 축열조(153) 내부에는 하측 디퓨저(154)와 상측 디퓨저(155)가 설치된다.

상기 하측 디퓨저(154)는 상기 축열조측 하측 유동관(105)과 연결되는 것이고, 복수 개의 원판이 높이차를 가지면서 배치되어, 유출입되는 순환 유체가 그 원주방향으로 분출되어, 상기 축열조(153) 내부에서 층을 이루도록 할 수 있다.

상기 상측 디퓨저(155)는 상기 축열조측 상측 유동관(110)과 연결되는 것이고, 복수 개의 원판이 높이차를 가지면서 배치되어, 유출입되는 순환 유체가 그 원주방향으로 분출되어, 상기 축열조(153) 내부에서 층을 이루도록 할 수 있다.

상기 축열조(153)는 상부가 개방되어, 그 내부가 대기압 분위기를 이룰 수 있다.

상기 제 1 삼방 밸브(141)는 상기 축열조측 상측 유동관(110)과 상기 축열조측 하측 유동관(105) 중 어느 하나에 설치되는 것으로, 본 실시예에서는 상기 축열조측 하측 유동관(105)에 설치되는 것으로 한다.

도면 번호 107은 상기 축열조(153) 하부, 본 실시예에서는 상기 하측 디퓨저(154)의 상대적 저온의 순환 유체, 즉 냉수가 상기 제 1 삼방 밸브(141)로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브(141)와 상기 축열조(153) 하부의 상기 하측 디퓨저(154) 사이를 연결하는 것이다.

도면 번호 109는 상기 축열조(153) 상부, 본 실시예에서는 상기 상측 디퓨저(155)의 상대적 고온의 순환 유체, 즉 온수가 상기 제 1 삼방 밸브(141)로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브(141)와 상기 축열조(153) 상부의 상기 상측 디퓨저(155) 사이를 연결하는 것이다.

도면 번호 126은 상기 냉수 보충관(107)을 개폐시키는 냉수 보충관 개폐 밸브이고, 도면 번호 127은 상기 온수 보충관(109)을 개폐시키는 온수 보충관 개폐 밸브이다.

상기와 같이, 상기 히트 펌프(152)와 상기 축열조(153) 사이를 연결하는 상기 축열조측 하측 유동관(105) 상에 상기 제 1 삼방 밸브(141)가 설치되고, 상기 축열조(153) 내의 상기 상측 디퓨저(155)와 상기 하측 디퓨저(154)와 각각 연결되는 상기 온수 보충관(109)과 상기 냉수 보충관(107)이 상기 제 1 삼방 밸브(141)에 연결됨에 따라, 상기 축열조측 상측 유동관(110)과 상기 축열조측 하측 유동관(105)을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 상기 온수 보충관(109)과 상기 냉수 보충관(107) 중 적어도 하나를 통해 상기 축열조(153) 내의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브(141)로 보충될 수 있다. 그러면, 상기 지열 냉난방 장치(100)의 작동 중에 상기 축열조측 상측 유동관(110)과 상기 축열조측 하측 유동관(105)을 따라 상기 히트 펌프(152)와 상기 축열조(153) 사이를 순환하는 순환 유체의 부족 현상이 방지될 수 있다.

도면 번호 142는 상기 축열조측 하측 유동관(105) 상에 설치되는 제 2 전환 밸브이고, 도면 번호 108은 상기 축열조측 상측 유동관(110)과 상기 제 2 전환 밸브(142)를 연결하는 제 2 전환 밸브 연결관이다.

도면 번호 145는 상기 축열조측 상측 유동관(110) 상에 설치되는 제 1 전환 밸브이고, 도면 번호 106은 상기 축열조측 하측 유동관(105)과 상기 제 1 전환 밸브(145)를 연결하는 제 1 전환 밸브 연결관이다.

여기서, 상기 제 1 삼방 밸브(141), 상기 제 2 삼방 밸브(140) 및 후술되는 제 3 삼방 밸브(143)는 두 방향에서 유입되는 각 순환 유체를 요구되는 비율대로 혼합하여 다른 하나의 방향으로 유출시킬 수 있는 것이고, 상기 제 1 전환 밸브(145), 상기 제 2 전환 밸브(142) 및 후술되는 제 3 전환 밸브(144)는 두 방향 중 어느 한 방향은 닫고 그 두 방향 중 다른 한 방향에서 유입되는 순환 유체를 나머지 또 다른 하나의 방향으로 유출시킬 수 있는 것이다.

도면 번호 111은 상기 축열조(153) 하부의 상기 하측 디퓨저(154)와 상기 수요처(156) 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 하측 디퓨저(154)와 제 2 공급 헤더(124)를 연결하는 수요처측 하측 유동관이고, 도면 번호 112는 상기 축열조(153) 상부의 상기 상측 디퓨저(155)와 상기 수요처(156) 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 제 2 환수 헤더(125)와 상기 상측 디퓨저(155)를 연결하는 수요처측 상측 유동관이고, 상기 제 2 공급 헤더(124)는 상기 수요처(156)가 복수 개로 구성되는 경우 상기 복수 개의 수요처(156)에 순환 유체를 분배하는 것이고, 상기 제 2 환수 헤더(125)는 상기 복수 개의 수요처(156)를 경유한 순환 유체가 모여지는 것이다. 도면 번호 123은 상기 수요처측 하측 유동관(111)과 상기 수요처측 상측 유동관(112) 상에서 순환 유체가 유동되도록 하는 부하 공급 펌프이다.

상기 제 3 삼방 밸브(143)는 상기 수요처측 하측 유동관(111)과 상기 수요처측 상측 유동관(112) 중 어느 하나에 설치되는 것으로, 본 실시예에서는 상기 수요처측 하측 유동관(111)에 설치되는 것으로 한다.

도면 번호 114는 상기 수요처측 상측 유동관(112)과 상기 수요처측 하측 유동관(111) 중 상기 제 3 삼방 밸브(143)가 설치되지 아니한 유동관, 본 실시예에서는 상기 수요처측 상측 유동관(112)과 상기 제 3 삼방 밸브(143)를 연결하는 제 3 삼방 밸브 연결관이다.

상기와 같이, 상기 수요처측 상측 유동관(112)과 상기 수요처측 하측 유동관(111) 중 상기 제 3 삼방 밸브(143)가 설치되지 아니한 유동관, 본 실시예에서는 상기 수요처측 상측 유동관(112)과 상기 제 3 삼방 밸브(143)가 상기 제 3 삼방 밸브 연결관(114)에 의해 연결됨에 따라, 상기 수요처측 상측 유동관(112)을 통해 상기 축열조(153)로 재유입되는 순환 유체 중 일부가 상기 제 3 삼방 밸브 연결관(114)을 통해 상기 제 3 삼방 밸브(143)로 유입되어, 상기 수요처측 하측 유동관(111)을 통해 상기 축열조(153)에서 상기 수요처(156)를 향해 유출되는 순환 유체와 혼합된 후, 상기 수요처(156)를 경유한 다음 상기 수요처측 상측 유동관(112)을 통해 상기 축열조(153)로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있도록, 상기 제 3 삼방 밸브(143)가 상기 수요처측 하측 유동관(111)과 상기 제 3 삼방 밸브 연결관(114)을 통해 유입되는 각 유체가 혼합되도록 작동될 수 있다. 그러면, 복수 개의 상기 수요처(156) 중 일부의 수요처(156)에 대한 냉난방이 정지되고 다른 일부의 수요처(156)에 대한 냉난방만 이루어지는 경우 등에도, 복수 개의 수요처(156)를 경유한 후 축열조(153)로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있다.

예를 들어, 복수 개의 상기 수요처(156) 중 일부 수요처(156)에 대한 냉방 시에, 상기 수요처측 상측 유동관(112)을 통해 유동되던 상대적 고온의 순환 유체 중 일부가 상기 제 3 삼방 밸브 연결관(114)을 통해 상기 제 3 삼방 밸브(143)로 유입되어, 상기 수요처측 하측 유동관(111)을 통해 유동되는 상대적 저온의 순환 유체와 혼합되어, 상기 수요처(156)로 유입되는 순환 유체의 온도가 상승되고, 그에 따라 상기 일부 수요처(156)를 경유한 후 상기 수요처측 상측 유동관(112)을 통해 상기 축열조(153)로 유입되는 순환 유체는 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있게 된다.

도면 번호 144는 상기 수요처측 상측 유동관(112)에 설치되는 제 3 전환 밸브이고, 도면 번호 113은 상기 제 3 전환 밸브(144)와 상기 수요처측 하측 유동관(111)을 연결하는 제 3 전환 밸브 연결관이다.

이하에서는 상기 지열 냉난방 장치(100)의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 상기 수요처(156)에 대한 난방 운전 시에, 상기 제 2 삼방 밸브(140)에서 상기 일부 수요처 환수관(116) 쪽, 상기 일부 수요처 공급관 개폐 밸브(128), 상기 냉수 보충관 개폐 밸브(126), 상기 제 2 전환 밸브(142)에서 상기 제 2 전환 밸브 연결관(108) 쪽, 상기 제 1 전환 밸브(145)에서 상기 제 1 전환 밸브 연결관(106) 쪽, 상기 제 3 전환 밸브(144)에서 상기 제 2 환수 헤더(125) 쪽은 닫힌다.

상기와 같은 상태에서, 각 펌프(120, 121, 122, 123)가 작동되면, 상기 지열 교환 부재(150)에서 열교환되면서 열을 얻은 지열 교환 유체가 상기 지열 보조 열교환기(151)에서 순환 유체와 열교환되고, 그러한 열교환된 순환 유체가 상기 히트 펌프(152)로 유입된다.

그런 다음, 상기 히트 펌프(152)에서 상기 축열조측 상측 유동관(110)을 통해 열을 포함한 상대적 고온의 순환 유체가 상기 상측 디퓨저(155)를 통해 상기 축열조(153)의 상부로 유입되어 성층된다.

그 후, 상기 상측 디퓨저(155)의 다른 단을 통해 상대적 고온의 순환 유체가 상기 축열조(153)에서 유출된 후, 상기 제 3 전환 밸브(144), 상기 제 3 전환 밸브 연결관(113), 상기 제 2 공급 헤더(124), 상기 수요처(156), 상기 제 2 환수 헤더(125), 상기 제 3 삼방 밸브 연결관(114) 및 상기 제 3 삼방 밸브(143)를 순차적으로 거치면서 상기 수요처(156)에 난방을 수행한 후, 상기 하측 디퓨저(154)를 통해 상기 축열조(153)의 하부로 재유입되어 성층된다.

그런 다음, 상기 하측 디퓨저(154)의 다른 단을 통해 상대적 저온의 순환 유체가 상기 축열조(153)에서 유출된 후, 상기 제 2 전환 밸브(142) 및 상기 제 1 삼방 밸브(141)를 경유하여 상기 히트 펌프(152)로 재유입된다.

상기 히트 펌프(152)에서는 상대적 저온의 순환 유체가 상기 히트 펌프 환수관(104)을 통해 상기 지열 보조 열교환기(151)로 유입되어, 상기 지열 교환 유체와 다시 열교환되어 열을 얻는다.

상기와 같은 사이클을 이루면서 상기 수요처(156)에 대한 난방 운전이 수행될 수 있다.

상기와 같은 난방 운전 과정에서, 상기 제 1 삼방 밸브(141)를 경유하는 순환 유체가 부족한 경우, 상기 온수 보충관(109)을 통해 상기 축열조(153) 상부의 온수가 보충될 수 있다.

한편, 상기 수요처(156)에 대한 냉방 운전 시에, 상기 제 2 삼방 밸브(140)에서 상기 일부 수요처 환수관(116) 쪽, 상기 일부 수요처 공급관 개폐 밸브(128), 상기 온수 보충관 개폐 밸브(127), 상기 제 2 전환 밸브(142)에서 상기 제 1 삼방 밸브(141) 쪽, 상기 제 1 전환 밸브(145)에서 상기 히트 펌프(152) 쪽, 상기 제 3 전환 밸브(144)에서 상기 제 3 전환 밸브 연결관(113) 쪽은 닫힌다.

상기와 같은 상태에서, 각 펌프(120, 121, 122, 123)가 작동되면, 상기 지열 교환 부재(150)에서 열교환되면서 열을 잃은 지열 교환 유체가 상기 지열 보조 열교환기(151)에서 순환 유체와 열교환되고, 그러한 열교환된 순환 유체가 상기 히트 펌프(152)로 유입된다.

그런 다음, 상대적 저온의 순환 유체가 상기 히트 펌프(152)에서 상기 축열조측 상측 유동관(110), 상기 제 2 전환 밸브 연결관(108), 상기 제 2 전환 밸브(142) 및 상기 하측 디퓨저(154)를 통해 상기 축열조(153)의 하부로 유입되어 성층된다.

그 후, 상기 하측 디퓨저(154)의 다른 단을 통해 상대적 저온의 순환 유체가 상기 축열조(153)에서 유출된 후, 상기 제 3 삼방 밸브(143), 상기 제 2 공급 헤더(124), 상기 수요처(156), 상기 제 2 환수 헤더(125) 및 상기 제 3 전환 밸브(144)를 순차적으로 거치면서 상기 수요처(156)에 냉방을 수행한 후, 상기 상측 디퓨저(155)를 통해 상기 축열조(153)의 상부로 재유입되어 성층된다.

그런 다음, 상기 상측 디퓨저(155)의 다른 단을 통해 상대적 고온의 순환 유체가 상기 축열조(153)에서 유출된 후, 상기 제 1 전환 밸브(145), 상기 제 1 전환 밸브 연결관(106) 및 상기 제 1 삼방 밸브(141)를 경유하여 상기 히트 펌프(152)로 재유입된다.

상기 히트 펌프(152)에서는 상대적 고온의 순환 유체가 상기 히트 펌프 환수관(104)을 통해 상기 지열 보조 열교환기(151)로 유입되어, 상기 지열 교환 유체와 다시 열교환되어 열을 잃는다.

상기와 같은 사이클을 이루면서 상기 수요처(156)에 대한 냉방 운전이 수행될 수 있다.

상기와 같은 냉방 운전 과정에서, 상기 제 1 삼방 밸브(141)를 경유하는 순환 유체가 부족한 경우, 상기 냉수 보충관(107)을 통해 상기 축열조(153) 하부의 냉수가 보충될 수 있다.

한편, 상기 수요처(156)에 대해 냉방을 수행하면서, 상기 수요처의 일부(157)에 대해 난방을 공급하는 운전 시에, 상기 제 2 삼방 밸브(140)에서 상기 일부 수요처 환수관(116) 쪽과 상기 일부 수요처 공급관 개폐 밸브(128)도 열리는 점을 제외하고 상기 냉방 운전 시의 조건과 동일하게 각 구성 요소들의 개폐가 이루어진다.

상기와 같은 상태에서, 상기 히트 펌프(152)와 상기 수요처(156)까지에서의 냉방 수행 과정은 상기에서 설명된 냉방 운전 때와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

상기 히트 펌프(152)에서 상대적 고온의 순환 유체가 상기 히트 펌프 환수관(104)을 통해 상기 지열 보조 열교환기(151)로 유입되어, 상기 지열 교환 유체와 다시 열교환되어 열을 잃는다.

이 때, 상기 히트 펌프 환수관(104)을 경유하는 상대적 고온의 순환 유체 중 일부가 상기 일부 수요처 공급관(115), 상기 제 1 공급 헤더(129), 상기 수요처의 일부(157), 상기 제 2 환수 헤더(130), 상기 일부 수요처 환수관(116)을 경유하면서 상기 수요처의 일부(157)에 대해 부분 난방을 수행한 후, 상기 제 2 삼방 밸브(140)를 통해 상기 히트 펌프(152)로 유입된다.

상기와 같은 사이클을 이루면서 상기 수요처(156)에 대한 냉방 운전과 함께 상기 수요처의 일부(157)에 대한 난방 운전이 수행될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지열 냉난방 장치에 대하여 설명한다. 이러한 설명을 수행함에 있어서 상기된 본 발명의 제 1 실시예에서 이미 기재된 내용과 중복되는 설명은 그에 갈음하고 여기서는 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지열 냉난방 장치의 일부 구성을 보이는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에서는, 복수 개의 수요처(256)가 수요처측 하측 유동관(211)과 수요처측 상측 유동관(212)에 연결되고, 상기 수요처측 하측 유동관(211) 상에 상기 수요처측 상측 유동관(212)과 상기 수요처측 하측 유동관(211)을 따라 축열조(253)에서 상기 복수 개의 수요처(256)로 순환 유체를 유동시키는 부하 공급 펌프(223)가 설치된다.

본 실시예에서는, 바이패스 유닛(260)이 설치된다. 상기 바이패스 유닛(260)은 바이패스관(261), 바이패스관 개폐 밸브(262) 및 온도 감지 센서(263)로 구성된다.

상기 바이패스관(261)은 상기 수요처측 상측 유동관(212)과 상기 수요처측 하측 유동관(211)보다 상대적으로 큰 직경을 가져서, 상기 수요처측 상측 유동관(212)과 상기 수요처측 하측 유동관(211)에서보다 상대적으로 순환 유체의 흐름이 더욱 원활해질 수 있고, 단위 시간당 유체 순환량이 증대될 수 있다. 그리고, 상기 바이패스관(261)은 순환 유체의 유동 방향을 기준으로 상기 복수 개의 수요처(256) 중 최말단의 수요처(256)에서 상기 수요처측 상측 유동관(212) 및 상기 수요처측 하측 유동관(211)과 각각 양단이 연결되어, 상기 순환 유체가 상기 최말단의 수요처(256)를 바이패스하여 상기 바이패스관(261)을 경유할 수 있다.

상기 바이패스관 개페 밸브(262)는 상기 바이패스관(261)을 개폐시키는 것으로, 상기 온도 감지 센서(263) 및 상기 부하 공급 펌프(223)와 전기적으로 연결된다.

상기 부하 공급 펌프(223)의 작동 초기에, 상기 수요처측 상측 유동관(212)과 상기 수요처측 하측 유동관(211) 내에는 지난 운전 사이클에서 잔존된 순환 유체가 존재하고, 이러한 잔존된 순환 유체가 제거될 때까지 상기 수요처(256)에서는 요구되는 온도로 냉난방이 어렵게 된다.

본 실시예에서는, 상기 바이패스관(262)이 설치됨에 따라, 상기 부하 공급 펌프(223)가 작동을 시작하면, 상기 바이패스관 개폐 밸브(262)가 이를 감지하여 상기 바이패스관(262)을 열어서, 상기 축열조(253)로 재유입되는 순환 유체의 순환 속도가 상기 순환 유체가 상기 바이패스관(262)를 비경유하는 경우보다 상대적으로 커지게 함으로써, 상기 수요처측 상측 유동관(212)과 상기 수요처측 하측 유동관(211) 내에 존재하는 지난 운전 사이클에서의 잔존 순환 유체가 신속히 제거될 수 있고, 그에 따라 상기 수요처(256)에서 요구되는 온도로 신속하게 냉난방이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기 온도 감지 센서(263)는 상기 바이패스관(261) 내를 유동하는 상기 순환 유체의 온도를 감지한다.

상기 온도 감지 센서(263)에서 감지되는 상기 바이패스관(261) 내의 순환 유체의 온도가 요구되는 온도에 도달된 경우, 상기 바이패스관 개폐 밸브(262)가 상기 바이패스관(261)을 닫는다. 그러면, 상기 순환 유체가 상기 바이패스관(261)을 경유하지 아니하고, 상기 말단의 수요처(256)를 경유한 다음 상기 축열조(253)로 재유입되면서 정상적인 냉난방 운전이 수행될 수 있다.

상기에서 본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 지열 냉난방 장치에 의하면, 작동 중 히트 펌프와 축열조 사이의 배관 상에서 순환수 부족 현상이 방지될 수 있고, 복수 개의 수요처를 경유한 후 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있으므로, 그 산업상 이용 가능성이 높다고 하겠다.

Claims

지열을 이용하여 수요처에 대해 냉난방을 수행할 수 있는 지열 냉난방 장치에 있어서,
지열 교환 유체가 유동되면서 지중과 열교환하는 지열 교환 부재;
상기 수요처에 대해 순환 유체를 공급할 수 있고, 내부에 온도에 따라 순환 유체가 성층화되는 온도 성층화가 이루어지는 축열조;
상기 지열 교환 부재와 상기 축열조와 각각 연결되어, 상기 지열 교환 부재에서 상기 축열조로 열을 전달하거나, 상기 축열조에서 상기 지열 교환 부재로 열을 전달할 수 있는 히트 펌프;
상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 상부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 상측 유동관;
상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 하부와 상기 히트 펌프를 연결하는 축열조측 하측 유동관;
상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관 중 어느 하나에 설치되는 제 1 삼방 밸브(triple valve);
상기 축열조 상부의 상대적 고온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 상부 사이를 연결하는 온수 보충관; 및
상기 축열조 하부의 상대적 저온의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충될 수 있도록, 상기 제 1 삼방 밸브와 상기 축열조 하부 사이를 연결하는 냉수 보충관;을 포함하여,
상기 축열조측 상측 유동관과 상기 축열조측 하측 유동관을 따라 유동되는 순환 유체의 순환량이 요구되는 순환량보다 부족한 경우, 상기 온수 보충관과 상기 냉수 보충관 중 적어도 하나를 통해 상기 축열조 내의 순환 유체가 상기 제 1 삼방 밸브로 보충되는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 지열 교환 부재는 지열 교환 유체가 유입되어 지열을 교환받을 수 있는 우물이 내부에 형성된 우물형으로 이루어지고,
상기 지열 냉난방 장치는
상기 지열 교환 부재와 상기 히트 펌프 사이에 설치되어, 상기 지열 교환 부재를 경유하는 상기 지열 교환 유체와, 상기 히트 펌프를 경유하는 히트 펌프 순환 유체가 서로 열교환되는 지열 보조 열교환기; 및
상기 지열 보조 열교환기, 상기 히트 펌프 및 상기 수요처의 일부를 연결하는 제 2 삼방 밸브;를 포함하여,
상기 수요처의 주된 부분에 대해 냉방이 요구되고, 상기 수요처의 일부에 대해 난방이 요구되는 경우, 상기 히트 펌프에서 상기 지열 보조 열교환기로 전달되는 열 중의 적어도 일부가 상기 수요처의 일부로 전달되도록 상기 제 2 삼방 밸브가 작동되는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 축열조 상부와 상기 수요처 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 상부와 상기 수요처를 연결하는 수요처측 상측 유동관;
상기 축열조 하부와 상기 수요처 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 하부와 상기 수요처를 연결하는 수요처측 하측 유동관;
상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관 중 어느 하나에 설치되는 제 3 삼방 밸브; 및
상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관 중 상기 제 3 삼방 밸브가 설치되지 아니한 유동관과 상기 제 3 삼방 밸브를 연결하는 제 3 삼방 밸브 연결관;을 포함하여,
상기 축열조로 재유입되는 순환 유체 중 일부가 상기 제 3 삼방 밸브 연결관을 통해 상기 축열조에서 상기 수요처를 향해 유출되는 순환 유체와 혼합되어, 상기 수요처를 경유한 후 상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관 중 어느 하나를 통해 상기 축열조로 재유입되는 순환 유체의 온도가 요구되는 축열조 유입 온도로 맞추어질 수 있도록, 상기 제 3 삼방 밸브가 작동되는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수요처는 복수 개로 구성되고,
상기 지열 냉난방 장치는
상기 축열조 상부와 상기 수요처 사이를 상대적 고온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 상부와 상기 수요처를 연결하는 수요처측 상측 유동관;
상기 축열조 하부와 상기 수요처 사이를 상대적 저온의 순환 유체가 유동하도록, 상기 축열조 하부와 상기 수요처를 연결하는 수요처측 하측 유동관;
상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관을 따라 상기 축열조에서 상기 수요처로 순환 유체를 유동시키는 부하 공급 펌프;
상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관보다 상대적으로 큰 직경을 가지고, 상기 순환 유체의 유동 방향을 기준으로 상기 복수 개의 수요처 중 최말단의 수요처에서 상기 수요처측 상측 유동관 및 상기 수요처측 하측 유동관과 각각 양단이 연결되어, 상기 순환 유체가 상기 최말단의 수요처를 바이패스할 수 있도록 하는 바이패스관; 및
상기 바이패스관을 개폐시키는 바이패스관 개폐 밸브;를 포함하여,
상기 부하 공급 펌프의 작동 초기에 상기 수요처측 상측 유동관과 상기 수요처측 하측 유동관 내에 잔존하는 순환 유체가 상기 축열조로 재유입되는 속도가 상기 순환 유체가 상기 바이패스관를 비경유하는 경우보다 상대적으로 커질 수 있도록, 상기 부하 공급 펌프가 작동되면, 상기 바이패스관 개폐 밸브가 상기 바이패스관을 여는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 지열 냉난방 장치는 상기 바이패스관 내를 유동하는 상기 순환 유체의 온도를 감지하는 온도 감지 센서;를 포함하여,
상기 온도 감지 센서에서 감지되는 상기 순환 유체의 온도가 요구 온도에 도달된 경우, 상기 바이패스관 개폐 밸브가 상기 바이패스관을 닫는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방 장치.