KR101199020B1 - 지열을 이용한 히트펌프 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하공기를 이용하여 시설하우스, 축사, 건축물의 실내를 냉,난방할 수 있도록 된 지열을 이용한 히트펌프 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치는 제1 열교환매체가 저장되는 제1 축열탱크와, 상기 제1 축열탱크와 연결되어 난방 또는 냉방 대상 공간에 상기 제1 열교환 매체를 순환시켜 난방 또는 냉방하기 위한 냉,난방유닛과, 상기 제1 축열탱크 및 냉,난방유닛과 연결되며 제1, 제2 열교환기, 제1, 제2 냉매순호나관, 팽창밸브, 압축기 및 사방밸브를 구비하는 히트펌프유닛과, 지하공기를 이용해 제2 열교환매체와 열교환되게 하는 보조열원 공급유닛과, 제1 축열탱크의 내부에 설치되어 지하공기에 의해 제1 열교환매체와 열교환시키고 제1 열교환매체를 유동시키는 교반유닛을 구비한다.

Description

지열을 이용한 히트펌프 장치 {Ground Source Heat Pumps Apparatus}

본 발명은 지열을 이용한 히트펌프 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하공기를 이용하여 시설하우스, 축사, 건축물의 실내를 냉,난방할 수 있도록 된 지열을 이용한 히트펌프 장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원, 특히 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된 전력을 주로 사용하고 있다.

그러나 화석연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 환경을 오염시키는 단점이 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉,난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.

특히 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위장치당 에너지 생산 용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.

대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃ 의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40 ~ 70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열 히트펌프 시스템은, 지중 열교환기를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.

대한민국 공개특허공보 제2000-63299호에는 대지 내에 포함된 지열과 지하수 또는 개방된 수역에 존재하는 일정한 온도의 지열을 순환시키는 지열교환기와, 상기 지열교환기에 의해 지상으로 끌어올려진 지열을 순환시키는 냉방 및 난방 사이클과, 상기 난방 사이클과 연설되어 실내의 온수를 가열하는 장치가 게시되어 있다. 그리고 대한민국 등록특허공보 제10-0628466호에는 지하 공기층을 이용한 냉난방장치가 게시되어 있다. 냉난방장치는 화산회토 지형을 천공, 매설하여 지하공간까지 연장 형성하여 다공상의 암석층으로부터 지하공기를 흡입하기 위한 흡입관과, 이 흡입관을 통해 지하공기를 흡입 송풍할 수 있도록 내측에 송풍기가 내재 된 송풍관과, 이 송풍관에 내재된 송풍기로부터 송풍된 지하공기를 시설물 내로 유도하기 위한 유도관과, 상기 송풍관 내에 히터를 내장한 기술구성이 개시되어 있다. 그러나 이러한 난방장치는 보조열원으로 히터를 이용하고 있으므로 상대적으로 유지에 따른 많은 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 시설하우스와 같이 대용량의 냉난방장치에 적용하기 어렵다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 지열을 이용하여 냉,난방효율을 극대화할 수 있고 에너지 효율을 높일 수 있는 지열을 이용한 히트펌프 장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치는 제1 열교환매체가 저장되는 제1 축열탱크와, 상기 제1 축열탱크와 연결되어 난방 또는 냉방 대상 공간에 상기 제1 열교환 매체를 순환시켜 난방 또는 냉방하기 위한 냉,난방유닛과, 제2 열교환매체가 충진되는 제1 챔버와, 상기 제1 축열탱크 및 상기 냉,난방유닛과 연결되어 상기 제1 열교환매체가 순환할 수 있게 형성된 제2 챔버와, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에 각각 설치되어 제2 열교환매체 및 제1 열교환매체와 열교환이 이루어지는 제1, 제2 열교환기와, 상기 제1, 제2 열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 제1, 제2 냉매순환관과, 상기 제1 냉매순환관에 설치되어 냉매의 흐름을 제어하는 팽창밸브와, 상기 제2 냉매순환관에 설치되는 압축기 및 사방밸브를 구비하는 히트펌프유닛과, 지하로부터 지하공기를 흡입하여 배출하기 위한 흡입관과 상기 흡입관의 출구축에 설치되는 송풍기를 구비하며, 상기 히트펌프유닛의 제1 챔버와 양단부가 연결되며 지하로 연장되어 지하공기 또는 지하층과 히트펌프유닛과의 열교환이 이루어질 수 있도록 제2 열교환매체가 순환하는 복수개의 순환관들과, 상기 순환관에 설치되어 상기 흡입관을 통하여 배출되는 지하공기와 제2 열교환 매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 보조 열교환기를 구비하는 보조열원 공급유닛과, 상기 흡입관을 통해 배출되는 지하공기가 상기 제1 축열탱크를 통과해 배출되도록 상기 제1 축열탱크와 상기 송풍기를 연결하는 덕트와, 상기 덕트와 연결되며 상기 제1 축열탱크의 내부를 관통해 연장되는 열교환관과, 상기 열교환관에 회전 가능하게 설치되는 회전체와, 상기 회전체의 내부에 설치되어 상기 열교환관을 통해 상기 회전체의 내부로 유입된 후 이동하는 지하공기를 통해 상기 회전체가 회전하도록 회전력을 발생시키는 내부날개와, 상기 회전체의 외부에 설치되어 상기 회전체의 회전시 상기 제1 축열탱크 내의 제1 열교환매체들을 유동시키는 외부날개를 포함하는 교반부가 구비된 교반유닛으로 구성된다.

상기 회전체는 상호 결합되어 원통형으로 형성되도록 반원통체인 제1, 제2 회전부재를 포함하며, 상기 내부날개와 외부날개는 상기 제1, 제2 회전부재의 내주면과 외주면에 각각 형성되어 있고, 상기 열교환관과 상기 회전체의 결합부에는 상기 열교환관에 대하여 상기 회전체를 회전가능하게 지지할 수 있게 내륜이 상기 열교환관에 지지되고 외륜이 상기 회전체의 내주면에 지지되는 베어링이 마련되되, 상기 베어링의 외주면에는 내측으로 인입된 체결홈이 형성되어 있고, 상기 회전체의 내주면에는 상기 체결홈으로 삽입되도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치는 지하수 또는 지하공기를 보조열원으로 이용하고 상기 지하공기로부터 배출되는 공기 또는 시설하우스 내의 공기로부터 열을 회수하여 냉,난방에 이용할 수 있으므로 냉,난방에 따른 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치의 구성을 도시한 구성도,
도 2는 도 1의 히트펌프유닛을 도시한 구성도,
도 3은 지하공기를 이용하여 축열탱크를 가열하는 교반유닛을 도시한 부분발췌 사시도,
도 4는 도 3의 교반유닛의 분리사시도,
도 5는 도 3의 교반유닛의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치을 더욱 상세하게 설명한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치(10)는 제1 열교환매체(210)가 저장되는 제1 축열탱크(11)와, 상기 제1 축열탱크(11)와 연결되어 시설하우스(300) 내부에 상기 제1 열교환매체(210)를 순환시켜 난방 또는 냉방하기 위한 냉,난방유닛(20)을 구비한다.

상기 냉,난방유닛(20)은 제1 축열탱크(11)의 상부측과 연통되도록 설치되는 제1 메인관(21)과, 상기 제1 축열탱크(11)의 하부측과 연결되도록 설치되는 제2 메인관(22)과, 상기 제1, 제2 메인관(21,22)과 각각 연결되는 공급관(23) 및 리턴관(24)과, 상기 공급관(23) 및 리턴관(24)과 연결되며 시설하우스 또는 건물의 냉,난방을 위해 설치되는 열교환기들을 구비한다. 상기 열교환기들은 팬코일 유니트(25)로 이루어지는데, 이에 한정되지는 않는다. 그리고 상기 공급관(23) 또는 리턴관(24)에는 제1 축열탱크(11) 내의 제1 열교환매체(210)를 순환시키기 위한 펌프(26)가 설치된다. 상기 제1 메인관(21)과 연결되는 리턴관(24)은 상기 제2 메인관(22)과 제1 바이패스관(27)에 의해 연결되고, 상기 제2 메인관(22)과 연결되는 공급관(23)은 제2 바이패스관(28)에 의해 제1 메인관(21)과 연결된다. 그리고 상기 공급관(23), 리턴관(24) 및 제1, 제2 바이패스관(27,28)에는 제1 열교환매체(210)의 흐름을 단속하기 위한 밸브(V1~V4)들이 설치된다. 그리고 상기 제1 축열탱크(11)에는 제1 축열탱크(11) 내부의 온도를 감지하기 위한 온도센서가 설치될 수 있으며, 시설하우스(300)에도 내기의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 설치될 수 있다.

본 발명의 지열을 이용한 히트펌프 장치(10)는 지하의 공기와 지하층으로부터 열을 회수하기 위한 보조열원 공급유닛(30)을 구비한다. 이 보조열원 공급유닛(30)은 지하로부터 지하공기를 흡입하여 배출하기 위해 설치되는 흡입관(31)과, 상기 흡입관(31)의 출구측과 연결되는 메인덕트(32)에 설치되는 송풍기(33)를 구비한다. 그리고 후술하는 히트펌프유닛(40)과 양단부가 연결되며 지하로 연장되어 지하공기 또는 지하층과 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 제2 열교환매체(220)가 순환하는 복수개의 순환관(34)들을 구비한다.

상기 순환관(34)에는 상기 흡입관(31)을 통하여 배출되는 지하공기와 제2 열교환매체(220)와 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 보조 열교환기(35)가 설치된다. 상기 순환관(34)에는 제2 열교환매체(220)를 순환시키기 위한 펌프(36)가 설치된다.

상기 히트펌프유닛(40)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 순환관(34)의 양단부가 연결되어 순환관(34)을 통하여 제2 열교환매체(220)가 유입되는 제1 챔버(41)와, 상기 제1, 제2 메인관(21,22)과 연결되어 제1 열교환매체(210)가 순환하는 제2 챔버(42)가 마련된다. 그리고 상기 제1, 제2 챔버(41,42)에는 냉동사이클을 이루는

제1, 제2 열교환기(43,44)가 각각 설치되고, 제1, 제2 열교환기(43,44)는 제1, 제2 냉매 순환관(45,46)에 의해 냉매가 순환하는 폐회로를 구성할 수 있도록 연결되고, 상기 제1 순환관(45)에는 냉매의 흐름을 제어하는 팽창밸브(47)가 설치되고, 상기 제2 순환관(46)에는 압축기(48) 및 사방밸브(49)가 설치된다. 상기 제1, 제2 열교환매체(210,220)와 히트펌프유닛(40)의 제1, 제2 열교환기(42,44)와의 열교환은 상술한 실시예에 한정되지는 않는다.

아울러 제1 축열탱크(11)에는 흡입관(31)을 통해 토출된 지하공기를 통해 제1 축열탱크(11)에 저장된 제1 열교환매체(210)를 직접 가열하거나 냉각하는 열원으로 사용됨과 동시에 제1 축열탱크(11) 내에서 제1 열교환매체(210)들을 상하로 교반시켜 제1 축열탱크(11)에 저장된 전체 제1 열교환매체(210)의 온도분포가 균일하게 유지될 수 있도록 하는 교반유닛(50)이 더 구비되어 있다.

상기 교반유닛(50)은 제1 축열탱크(11)에 지그재그 형태를 따라 하방으로부터 상방으로 연장되어 있는 열교환관(51)과, 상기 열교환관(51)의 직선구간에 각각 설치되는 교반부재(52)를 포함한다.

상기 열교환관(51)의 하단은 상기 송풍팬(33)으로부터 공급되는 지하공기가 이동하는 덕트(60)와 연결되어 있으며, 열교환관(51)은 열교환이 가능하도록 금속재로 형성되어 있다.

상기 교반부재(52)는 상기 열교환관(51)을 따라 이동하는 지하공기를 통해 제1 열교환매체(210)를 교반하는 것으로, 양단이 상기 열교환관(51)에 각각 베어링(53)을 통해 회전가능하게 결합되는 회전체(54)와, 상기 회전체(54)의 외주면에 형성된 외부날개(57)와, 회전체(54)의 내주면에 형성된 내부날개(58)를 포함한다.

상기 회전체(54)는 상호 결합 및 분리가 가능하도록 된 반 원통체인 제1, 제2 회전부재(55a,55b)를 포함하며, 이 회전체(54)의 양단이 결합되는 열교환관(51)에는 각각 베어링(53)이 설치되어 있다. 상기 제1, 제2 회전부재(55a,55b)의 단부에는 베어링(53)의 외주면에 형성되어 있는 체결홈(53a)으로 삽입되는 체결돌기(56)들이 내주면으로부터 돌출성형되어 있으며, 제1, 제2 회전부재(55a,55b)가 결합될 때 상기 체결돌기(56)가 상기 체결홈(53a)에 삽입되어 상기 회전체(54)가 베어링(53)의 외륜과 함께 회전할 수 있게 되어 있다.

상기 내부날개(58)는 상술한 것처럼 회전체(54)의 내주면에 형성되어 있으며 열교환관(51)을 거쳐 회전체(54)의 내부를 통과하는 지하공기를 통해 회전체(54)에 회전력을 공급하기 위해 형성된 것이다. 상기 지하공기는 내부날개(58)의 표면에 충돌하면서 진행하게 됨에 따라 회전체(54)가 회전하는 회전력을 제공하게 된다.

상기 외부날개(57)는 상기 회전체(54)의 회전시 함께 회전하면서 제1 축열탱크(11) 내의 제1 열교환매체(210)를 유동시켜 제1 축열탱크(11)에서 제1 열교환매체(210)의 온도분포를 균일하게 하는 역할을 한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프 장치(10)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 시설하우스(300)의 내부를 냉방하기 위해서는 히트펌프유닛(40)의 사방밸브를 이용하여 제2 열교환기(44)가 증발기로 이용되고, 상기 제1 열교환기(43)가 응축기로 이용되도록 한다. 이 상태에서 히트펌프유닛(40)을 구동시킴과 아울러 펌프(26,36)를 구동시킨다. 이와 같이 하면 상기 제1 열교환매체가 제1, 제2 메인관(21,22)을 통하여 제2 챔버(42)를 순환하면서 제2 열교환기(44)와 열교환이 이루어져 냉각된다.

그리고 상기 순환관(34)을 순환하는 제2 열교환매체는 지열 또는 흡입관(31)을 통하여 배출되는 공기와 보조 열교환기(35)에 의해 열교환 이루어진 후 제1 챔버(41)로 유입되는 제1 열교환기(42)와 열교환이 이루어짐으로써 상기 제1 열교환기(41)를 통과하는 냉매를 냉각시키게 된다.

상기와 같이 작동되는 히트펌프유닛의 냉매순환은 냉매는 압축기→사방밸브→제1열교환기(응축기)→팽창밸브→제2열교환기(증발기)→사방밸브→압축기로 순환되는 사이클을 이룬다.

상술한 바와 같은 작용으로 상기 제1 축열탱크(11) 내의 제1 열교환매체(210)는 축냉된다. 그리고 이와 같이 축냉된 제1 열교환매체(210)는 공급관(23)을 통하여 시설하우스(300)의 내부에 설치되는 팬코일 유니트(25)들에 공급된 후 리턴관(24)을 통하여 리턴 됨으로써 시설하우스(300)의 내부를 냉방하게 된다.

그리고 상기 시설하우스(300)의 내부를 난방하기 위해서는 히트 펌프유닛(40)의 사방밸브를 이용하여 제2 열교환기(44)가 응축기로 이용되고, 상기 제1 열교환기(43)가 증발기로 이용되도록 하여 순환관(34)을 순환하는 제2 열교환매체(220)로부터 열을 회수함과 아울러 압축기의 일량에 해당하는 열을 제1 열교환매체(210)에 공급함으로써 제1 열교환매체(210)를 축열하게 된다.

즉, 시설하우스(300)에 설치되는 온도센서에 의해 시설하우스 내부의 온도와 제1 축열탱크(11) 내의 온도를 감지하여 이들의 온도가 설정온도 이하로 떨어지게 되면, 히트펌프유닛(40)이 구동된다. 이와 같이 구동되는 히트펌프유닛의 냉매 순환은 압축기→사방밸브→제2열교환기(응축기)→팽창밸브→제1열교환기(증발기)→사방밸브→압축기로 순환되는 사이클을 이룬다.

히트펌프유닛(40)을 구동시킴과 아울러 펌프(29,36)를 구동시킨다. 이와 같이 하면 상기 제1 열교환매체(210)가 제1, 제2 메인관(21,22)을 통하여 제2 챔버(42)를 순환하면서 응축기로 이용되는 제2 열교환기(44)와 열교환이 이루어져 가열된다. 그리고 상기 순환관(34)을 순환하는 제2 열교환매체는 지열 또는 흡입관(31)을 통하여 배출되는 공기와 보조 열교환기(35)에 의해 열교환 이루어진 후 제1 챔버(41)로 유입되는 제1 열교환기(42)와 열교환이 이루어진다.

이러한 과정에서 상기 순환관(34)을 순환하는 제2 열교환매체(220)는 지열과 지하공기와 열교환이 이루어져 1차 가열되고, 토출되는 지하공기와 열교환이 이루어져 2차 가열됨으로써 제1 열교환기(43)와의 열교환부하를 증가시켜 열펌핑 효율을 높일 수 있다. 특히, 순환관(34)을 순환하는 열교환매체의 온도가 급격히 낮아지는 것을 방지할 수 있다.

그리고 흡입관(31)을 통하여 토출되는 지하공기를 제1 축열탱크(11)에 저장된 제1 열교환매체(210)를 직접 가열 또는 냉각하는 열원으로 사용함과 동시에 제1 열교환매체(210)를 상하로 유동시켜 온도분포가 균일하게 유지되게 함으로써 축열효율을 높일 수 있다.

10; 공조장치
11; 제1 축열탱크
20; 냉, 난방유닛
30; 보조열원 공급유닛
40; 히트펌프유닛
50; 교반유닛
51; 열교환관 52; 교반부재

Claims (2)

1. 제1 열교환매체가 저장되는 제1 축열탱크와;
   상기 제1 축열탱크와 연결되어 난방 또는 냉방 대상 공간에 상기 제1 열교환 매체를 순환시켜 난방 또는 냉방하기 위한 냉,난방유닛과;
   제2 열교환매체가 충진되는 제1 챔버와, 상기 제1 축열탱크 및 상기 냉,난방유닛과 연결되어 상기 제1 열교환매체가 순환할 수 있게 형성된 제2 챔버와, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에 각각 설치되어 제2 열교환매체 및 제1 열교환매체와 열교환이 이루어지는 제1, 제2 열교환기와, 상기 제1, 제2 열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 제1, 제2 냉매순환관과, 상기 제1 냉매순환관에 설치되어 냉매의 흐름을 제어하는 팽창밸브와, 상기 제2 냉매순환관에 설치되는 압축기 및 사방밸브를 구비하는 히트펌프유닛과;
   지하로부터 지하공기를 흡입하여 배출하기 위한 흡입관과 상기 흡입관의 출구축에 설치되는 송풍기를 구비하며, 상기 히트펌프유닛의 제1 챔버와 양단부가 연결되며 지하로 연장되어 지하공기 또는 지하층과 히트펌프유닛과의 열교환이 이루어질 수 있도록 제2 열교환매체가 순환하는 복수개의 순환관들과, 상기 순환관에 설치되어 상기 흡입관을 통하여 배출되는 지하공기와 제2 열교환 매체와 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 보조 열교환기를 구비하는 보조열원 공급유닛과;
   상기 흡입관을 통해 배출되는 지하공기가 상기 제1 축열탱크를 통과해 배출되도록 상기 제1 축열탱크와 상기 송풍기를 연결하는 덕트와, 상기 덕트와 연결되며 상기 제1 축열탱크의 내부를 관통해 연장되는 열교환관과, 상기 열교환관에 회전 가능하게 설치되는 회전체와, 상기 회전체의 내부에 설치되어 상기 열교환관을 통해 상기 회전체의 내부로 유입된 후 이동하는 지하공기를 통해 상기 회전체가 회전하도록 회전력을 발생시키는 내부날개와, 상기 회전체의 외부에 설치되어 상기 회전체의 회전시 상기 제1 축열탱크 내의 제1 열교환매체들을 유동시키는 외부날개를 포함하는 교반부가 구비된 교반유닛;으로 구성된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 장치.
2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제 1항에 있어서,
   상기 회전체는 상호 결합되어 원통형으로 형성되도록 반원통체인 제1, 제2 회전부재를 포함하며,
   상기 내부날개와 외부날개는 상기 제1, 제2 회전부재의 내주면과 외주면에 각각 형성되어 있고,
   상기 열교환관과 상기 회전체의 결합부에는 상기 열교환관에 대하여 상기 회전체를 회전가능하게 지지할 수 있게 내륜이 상기 열교환관에 지지되고 외륜이 상기 회전체의 내주면에 지지되는 베어링이 마련되되,
   상기 베어링의 외주면에는 내측으로 인입된 체결홈이 형성되어 있고, 상기 회전체의 내주면에는 상기 체결홈으로 삽입되는 체결돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프 장치.

Images