KR101265937B1 - 건물용 냉난방 시스템 - Google Patents

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KR101265937B1 KR1020110101789A KR20110101789A KR101265937B1 KR 101265937 B1 KR101265937 B1 KR 101265937B1 KR 1020110101789 A KR1020110101789 A KR 1020110101789A KR 20110101789 A KR20110101789 A KR 20110101789A KR 101265937 B1 KR101265937 B1 KR 101265937B1
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Abstract

본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템은, 물 주변의 지상에 설치되어 실외 공기와 열교환하는 지상 열교환기와, 건물이 설치된 지하에 설치되어 상기 지상 열교환기에서 흡수한 냉기 또는 열기를 지중에 저장하는 지중 열교환기를 포함한다. 지중의 열기 또는 냉기를 이용하여, 건물 내부를 냉난방시킬 수 있기 때문에, 냉난방 비용이 절감되고, 냉난방 성능 및 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다. 또한, 지상 열교환기와 지중 열교환기를 연결하여, 평상시에는 지상 열교환기에서 실외 공기로부터 흡수한 냉기 또는 열기를 지중에 저장시켜두고, 필요시에 지중으로부터 냉기 또는 열기를 꺼내어 사용할 수 있기 때문에, 활용도가 높아질 수 있고 효율도 향상될 수 있다.

Description

건물용 냉난방 시스템{Cooling and heating system for building}
본 발명은 건물용 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중 열교환기를 이용하여 건물 내부를 냉난방 시킬 수 있는 건물용 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 건물용 냉난방 시스템은, 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발시키는 과정을 수행하여 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 히트 펌프를 포함한다.
상기 히트 펌프는 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기를 포함하여 냉매를 순환하는 사이클을 갖는 장치이다. 상기 히트 펌프는 사방밸브를 더 포함하고, 사방밸브의 개폐방향에 따라 냉매의 흐름이 바뀌면서 냉방 및 난방이 선택적으로 이루어진다.
상기와 같은 종래의 히트 펌프는 상기 압축기를 작동시키기 위한 전력 소모가 크고, 냉난방 요구 부하의 변동시 대응하기 어려운 문제점이 있다. 냉난방 용량을 늘리기 위해 압축기의 용량을 늘릴 경우, 설치 비용 뿐만 아니라 운영 비용도 증가하는 문제점이 있다.
최근에는, 지중 속의 열기나 냉기를 활용하는 냉난방 시스템에 대한 개발이 지속되고 있다.
선출원된 등록특허공보 10-0496895호에는 지열을 이용한 히트펌프식 냉난방 장치는 열교환기를 지중에 매립하여 지열을 이용하는 구성을 개시하고 있으나, 이는 단지 지중 속의 열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하도록 구성된다. 지중은 소정의 온도 범위를 유지하고 있기 때문에, 열전달 유체와 충분한 온도차가 나지 않을 경우 난방시 열을 지중에서 충분하게 흡수하지 못하거나 냉방시 열을 지중으로 충분히 방출하지 못하는 문제점이 있다. 열교환율을 향상시키기 위해 상기 열교환기의 매립 깊이를 증가시켜 온도 차이를 확보하고자 할 경우에는, 공사비가 증가되므로 매립 깊이를 증가시키는 데 한계가 있다.
선출원된 등록특허공보 10-0563306에는 보조열원공급수단을 갖는 지열 열교환식 히트펌프 냉난방 시스템이 개시되고, 지열이 열교환에 불충분할 경우 지중 열교환기를 통과한 열교환수를 보조열원공급수단인 냉각탑과 보일러 중 어느 하나를 한번 더 통과시켜 열교환한 후 냉난방장치에 공급하는 구성입니다. 지열만으로 부족한 열교환을 상기 보조열원공급수단을 이용해 보완할 수 있으나, 보조열원공급수단에서 냉기 또는 열기를 확보하는 데 소정의 시간이 필요하므로 신속한 대응에 한계가 있으며, 열교환수가 순환하는 유로가 길어지므로 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 냉난방 성능 및 효율을 향상되고, 비용은 절감될 수 있는 건물용 냉난방 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템은, 건물 주변의 지상에 설치되고, 실외 공기와 열교환하는 지상 열교환기와, 지중에 설치되고, 상기 지상 열교환기에서 흡수한 냉기 또는 열기를 지중에 저장하는 지중 열교환기와, 상기 건물 내부에 구비되고, 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 공급받는 열 수요처와, 상기 지상 열교환기와 상기 지중 열교환기를 연결하여, 상기 지상 열교환기에서 열교환된 열전달 유체의 열기 또는 냉기를 상기 지중 열교환기로 전달하는 지중 열저장 유로와, 상기 지중 열교환기와 상기 건물 내부의 열 수요처를 연결하고, 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 상기 열 수요처로 전달하는 열전달 유로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템의 효과는 다음과 같다.
첫째, 지중 열교환기는 지상 열교환기와 연결되어, 지상 열교환기에서 실외공기로부터 흡수한 냉기 또는 열기를 전달받아 저장하는 저장소 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 지상 열교환기로부터 전달받은 냉기를 저장하고 있는 지중은 기존의 지중보다 낮은 온도를 유지할 수 있기 때문에, 보다 낮은 온도의 냉기를 냉방이 필요한 열 수요처에 공급할 수 있으므로 냉방 성능 및 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 지상 열교환기로부터 전달받은 열기를 저장하고 있는 지중은 기존의 지중보다 높은 온도를 유지할 수 있기 때문에, 보다 높은 온도의 열기를 난방이 필요한 열 수요처에 공급할 수 있으므로 난방 성능 및 효율이 향상될 수 있다.
둘째, 냉난방 능력의 확보를 위해 지중 열교환기의 매립 깊이를 늘리지 않아도 되므로, 구축 비용도 절감될 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 지중 열교환기는, 냉기를 저장하기 위한 축냉용 지중 열교환기와, 열기를 지중하기 위한 축열용 지중 열교환기가 소정 거리 이격된 위치에 별도로 설치되기 때문에, 냉기와 열기가 서로 다른 위치의 지중에 저장될 수 있다. 따라서, 동일한 지중 속에 열을 흡수하기도 하고 방출하기도 하는 기존의 지중 열교환기에 비해, 지중의 온도변화가 작기 때문에, 열교환 성능이 향상될 수 있다.
넷째, 건물의 옥상에 축냉열기를 설치하고, 심야 시간대에는 지중 열교환기에서 흡수한 냉기 또는 열기를 상기 축냉열기에 저장할 수 있고, 열 수요처의 요구부하가 작을 때는, 상기 축냉열기에 미리 저장해두었던 열기 또는 냉기를 사용할 수 있으므로, 요구 부하의 변동에 대응이 용이하고, 시스템의 효율도 향상될 수 있다.
다섯째, 지중 열교환기, 지상 열교환기, 축냉열기는 모두 건물을 세울 때 함께 설치할 수 있으므로 시스템의 구축 및 관리가 용이하고, 건물의 냉난방을 위한 전력 에너지 소비를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템이고, 여름철 냉방 운전일 때 축냉용 지중 열교환기로부터 열 수요처로 열전달 유체의 냉기가 전달되는 상태가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템에서, 여름철이고 심야시간대이거나 여름철이고 냉방운전하지 않는 경우 또는 환절기의 경우에, 축냉용 지중열교환기에서 나온 열전달 유체의 냉기가 축냉열기로 전달되어 저장되는 상태가 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템에서, 여름철이고 냉방부하가 작을 때, 축냉열기에 저장된 열전달 유체의 냉기가 열 수요처로 전달되는 상태가 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템에서, 겨울철이고 난방운전일 때 축열용 지중 열교환기로부터 열 수요처로 열전달 유체의 열기가 전달되는 상태가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템에서, 겨울철이고 심야시간대에, 축열용 지중 열교환기에서 나온 열전달 유체의 열기가 축냉열기로 전달되어 저장되는 상태가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템에서, 겨울철이고 난방 부하가 작을 때 축냉열기에 저장된 열전달 유체의 열기가 열 수요처로 전달되는 상태가 도시된 도면이다.
도 1 내지 도 6에 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템이 도시되어 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 상기 건물용 냉난방 시스템은, 건물(1) 주변의 지상에 설치되고 실외 공기와 열교환하는 지상 열교환기(30)와, 상기 건물(1) 주변의 지중에 설치되고, 상기 지상 열교환기(30)에서 흡수한 냉기 또는 열기를 지중에 저장하는 지중 열교환기(20)와, 상기 건물(1)내부에 구비되고 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 공급받는 열 수요처(100)와, 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체를 상기 지중 열교환기(20)로 전달하는 지중 열저장 유로(50)와, 상기 지중 열교환기(20)에 저장된 열기 또는 냉기를 상기 열 수요처(100)로 전달하는 열전달 유로(60)(70)(80)를 포함한다.
상기 건물(1)은 집합건물이나 복수층으로 이루어진 고층 빌딩 등을 포함할 수 있다.
상기 지중 열교환기(20)는 지중에 설치되어, 지중과 열교환하도록 형성된 열교환기이다. 상기 지중 열교환기(20)는 지중에 존재하는 열기 또는 냉기를 이용하는 것 외에도 지중으로 열기 또는 냉기를 저장할 수 있도록 구비된다.
상기 지중 열교환기(20)는 상기 지상 열교환기(30)와 상기 지중 열저장 유로(50)에 의해 연결된다. 상기 지중 열교환기(20)는 평상시에는 상기 지상 열교환기(30)에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받아 지중에 저장하고, 필요시에 저장된 열기와 냉기를 열 수요처로 공급할 수 있다.
상기 지중 열교환기(20)는 지상의 온도에 영향을 받지 않을 정도의 깊이로 매설되는 것이 바람직하다. 소정의 깊이 이상의 지하에서는 온도 변화가 거의 없으므로, 지상의 온도에 영향을 받지 않고 열기 또는 냉기를 저장할 수 있다. 상기 지중 열교환기(20)는 파이프 형태로 이루어질 수 있다.
상기 지중 열교환기(20)는 상기 지상 열교환기(30)에서 열전달 유체가 흡수한 열기를 지중에 저장하기 위한 축열용 지중 열교환기(21)와, 상기 지상 열교환기(30)에서 열전달 유체가 흡수한 냉기를 지중에 저장하기 위한 축냉용 지중 열교환기(22)를 포함한다. 상기 축열용 지중 열교환기(21)와 상기 축냉용 지중 열교환기(22)는 서로 소정의 거리 이상 이격된 위치의 지중에 별도로 설치된다.
상기 지상 열교환기(30)는 지상에 설치되어, 실외 공기와 열전달 유체를 접촉시켜 열교환시키는 냉각탑을 포함할 수 있다.
상기 지중 열저장 유로(50)는, 상기 지상 열교환기(30)와 상기 지중 열교환기(20)를 연결하도록 형성된다. 상기 지중 열저장 유로(50)는 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체의 열기 또는 냉기를 상기 지중에 저장시키도록 안내한다.
상기 지중 열저장 유로(50)는 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체를 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 전달하는 제 1지중 열저장 유로(51)와, 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체를 상기 축냉용 지중 열교환기(22)로 전달하는 제 2지중 열저장 유로(52)를 포함한다. 상기 제 2지중 열저장 유로(52)는 상기 제 1지중 열저장 유로(51)에서 분기되어 형성될 수 있다.
상기 제 1지중 열저장 유로(51)와 상기 제 2지중 열저장 유로(52)가 연결된 부분에는 유로를 전환하는 제 1유로전환밸브(53)(54)가 설치된다. 상기 제 1유로전환밸브(53)(54)는 삼방밸브가 사용될 수 있다. 상기 제 1유로전환밸브(53)(54)는, 여름철이고 실외 온도가 미리 설정된 제 1설정온도 이상일 때, 상기 제 1지중 열저장 유로(51)를 개방하고, 상기 제 2지중 열저장 유로(52)를 차폐하여, 상기 지상 열교환기(30)에서 열기를 흡수한 열전달 유체가 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 전달되도록 한다. 편, 겨울철이고 실외 온도가 미리 설정된 제 2설정온도 미만일 때, 상기 제 1유로전환밸브(53)(54)는 상기 제 1지중 열저장 유로(51)를 차폐하고 상기 제 1지중 열저장 유로(52)를 개방하여, 상기 지상 열교환기(30)에서 차가워진 열전달 유체가 상기 축냉용 지중 열교환기(22)로 전달되도록 한다.
상기 지중 열저장 유로(50)에서 상기 지상 열교환기(30)측에는 상기 지상 열교환기(30)를 출입하는 열전달 유체를 펌핑하는 지상 열교환기 펌프(32)가 구비된다.
상기 열 수요처(100)는 상기 건물(1)의 각 층 내부에 설치되어 각 층 내부를 냉방 또는 난방시키는 복수의 냉난방장치들을 포함한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 열 수요처는 상기 건물(1)의 내부에서 열기 또는 냉기를 필요로 하는 유닛, 예를 들어 급탕 유닛(미도시) 등과 같은 장치도 포함할 수 있다.
상기 열전달 유로(60)(70)(80)는, 상기 열 수요처(100)의 부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 지중 열교환기(20)를 순환하는 열전달 유체의 열기 또는 냉기를 상기 열 수요처(100)로 전달하도록 형성된다. 상기 열전달 유로(60)(70)(80)는 상기 열 수요처(100)의 출입구측에 연결되는 열 수요처 유로(61)(62)와, 상기 열 수요처 유로(61)(62)와 연결되고 상기 지중 열교환기(20)에 연결되는 열교환기 유로(70)(80)를 포함한다.
상기 열 수요처 유로(61)(62)는 후술하는 중간 열교환기(104)의 입구측에 연결되는 제 1열수요처 유로(61)와, 상기 중간 열교환기(104)의 출구측에 연결되는 제 2열수요처 유로(62)를 포함한다.
상기 열 수요처 유로(62)에는 상기 열 수요처 유로(52)를 선택적으로 개폐하는 열수요처용 개폐밸브(101)가 설치된다. 상기 열수요처용 개폐밸브(101)는 상기 열 수요처(100)의 요구 부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 개폐된다.
상기 열 수요처 유로(61)(62)와 상기 열 수요처(100)사이에는 중간 열교환기(104)가 설치된다. 상기 중간 열교환기(104)는 상기 열전달 유로(60)(70)(80)를 순환하는 열전달 유체와 상기 열 수요처(51)를 순환하는 열전달 유체를 열교환시킨다. 상기와 같이 본 실시예에서는, 상기 열전달 유로(50)와 상기 열 수요처(100)사이에 상기 중간 열교환기(104)가 설치된 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 중간 열교환기(104) 대신 히트 펌프가 설치되거나 상기 중간 열교환기(104) 없이 상기 열전달 유로(50)에서 상기 열 수요처(100)로 직접 열전달 하여 냉/난방시키는 것도 물론 가능하다.
상기 중간 열교환기(104)의 출구측에는 상기 중간 열교환기(104)를 통과한 열전달 유체의 온도를 측정하는 온도 센서(102)가 설치된다. 상기 온도 센서(102)의 온도값에 따라 상기 열 수요처(100)의 요구 부하를 판단할 수 있다.
상기 열교환기 유로(70)(80)상에는 상기 열 수요처(100)의 요구 부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 선택적으로 상기 열교환기 유로(70)(80)를 개폐하는 제 1개폐 밸브(63)가 설치된다. 즉, 상기 열 수요처(100)의 요구 부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 지중 열교환기(20)의 사용여부가 선택될 수 있다. 예를 들어, 여름철 또는 겨울철이고, 상기 열 수요처(100)의 냉방 또는 난방 운전시에는 상기 지중 열교환기(20)를 사용하기 위해, 상기 제 1개폐 밸브(63)는 개방된다. 한편, 심야시간대이거나 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 설정 부하 미만일 경우, 상기 지중 열교환기(20)를 사용하지 않아도 되면, 상기 제 1개폐 밸브(63)는 차폐될 수 있다.
상기 열교환기 유로(70)(80)는 상기 축냉용 지중 열교환기(22)를 출입하는 열전달 유체를 안내하는 축냉용 지중열교환기 유로(80)와, 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 출입하는 열전달 유체를 안내하는 축열용 지중열교환기 유로(70)를 포함한다.
상기 축냉용 지중열교환기 유로(80)는, 여름철이고 냉방운전시 열전달 유체를 상기 축냉용 지중 열교환기(22)로 안내하는 제 1축냉용 지중열교환기 유로(82)와, 상기 축냉용 지중 열교환기(22)에서 나온 열전달 유체를 상기 열 수요처(100)측으로 안내하는 제 2축냉용 지중 열교환기 유로(81)로 구성된다.
상기 축냉용 지중열교환기 유로(80)에는 상기 제 2지중 열저장유로(52)가 연결된다. 상기 축냉용 지중열교환기 유로(80)와 상기 제 2지중 열저장유로(52)가 연결된 부분에는 제 2유로전환밸브(56)(57)가 설치된다. 상기 제 2유로전환밸브(56)(57)는 상기 지상 열교환기(30)에서 흡수한 냉기를 상기 축냉용 지중열교환기(22)에 저장하고자 할 경우에는 상기 제 2지중 열저장유로(52)를 개방하고, 상기 제 1,2축냉용 지중열교환기 유로(81)(82)를 차폐한다. 또한, 상기 제 2유로전환밸브(56)(57)는 상기 축냉용 지중열교환기(22)에 저장된 냉기를 상기 열 수요처(100)에 전달하고자 하는 경우에는 상기 제 2지중 열저장유로(52)를 차폐하고, 상기 제 1,2축냉용 지중열교환기 유로(80)(82)를 개방할 수 있다.
상기 제 2유로전환밸브(56)(57)는 삼방밸브가 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 각각의 유로에 각각 개폐밸브를 설치하는 것도 물론 가능하다.
상기 축열용 지중 열교환기 유로(70)는, 겨울철이고 난방운전시 열전달 유체를 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 안내하는 제2축열용 지중열교환기 유로(71)와, 상기 축열용 지중 열교환기(21)에서 나온 열전달 유체를 상기 열 수요처(100)측으로 안내하는 제 2축열용 지중 열교환기 유로(72)로 구성된다.
상기 축열용 지중열교환기 유로(70)에는 상기 제 1지중 열저장유로(51)가 연결된다. 상기 축냉용 지중열교환기 유로(70)와 상기 제 1지중 열저장유로(51)가 연결된 부분에는 제 2개폐밸브(58)(59)가 설치된다. 상기 제 2개폐밸브(58)(59)는 열전달 유체를 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입시킨 후 상기 축열용 지중 열교환기(21)에 저장된 열기를 상기 열 수요처(100)에 전달하고자 하는 경우에 상기 제 1,2축열용 지중열교환기 유로(71)(72)를 개방할 수 있다.
본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템은, 상기 건물(1)의 옥상에 구비되고, 상기 열 수요처(100)의 요구 부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 저장하는 축냉열기(40)를 더 포함한다.
상기 축냉열기(40)는 상기 건물(1)의 옥상에 설치되고, 저수조 등의 용기에 담긴 물에 열기 또는 냉기를 저장하는 축냉열조를 포함한다. 상기 축냉열기(40)는 상기 지중 열교환기(20)에서 열교환된 열전달 유체의 열기 또는 냉기를 저장하였다가, 필요시에 상기 열 수요처(100)로 공급한다.
상기 축냉열기(40)의 출입구측에는 축냉열기 유로(41)가 연결되고, 상기 축냉열기 유로(41)는 상기 열전달 유로(60)와 연결된다. 상기 축냉열기 유로(41)는 상기 열전달 유로(60)를 순환하는 열전달 유체를 상기 축냉열기(40)로 전달하거나, 상기 축냉열기(40)를 순환하는 열전달 유체를 상기 열전달 유로(60)를 통해 상기 열 수요처(100)로 전달할 수 있다.
상기 축냉열기 유로(41)와 상기 열전달 유로(60)의 연결부분에는 상기 축냉열기 유로(61)를 선택적으로 개폐하기 위한 축냉열기용 개폐 밸브(42)가 구비된다. 상기 축냉열기용 개폐 밸브(42)는 상기 열 수요처의 요구부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 축냉열기 유로(41)를 개폐할 수 있다. 즉, 상기 지중 열교환기(20)를 통과한 열전달 유체의 냉기 또는 열기를 저장하고자 할 경우, 상기 축냉열기용 개폐 밸브(42)는 개방된다. 또한, 상기 축냉열기(40)에 저장된 열기 또는 냉기를 상기 열 수요처(100)로 공급하고자 할 경우, 상기 축냉열기용 개폐 밸브(42)는 개방된다.
상기 열전달 유로(60)(70)(80)는 열전달 유체가 상기 지중 열교환기(20)를 바이패스하도록 안내하는 바이패스 유로(65)를 더 포함할 수 있다. 상기 바이패스 유로(65)는 일단은 상기 제 2축냉용 지중 열교환기유로(81)와 연결되고, 타단은 상기 제 1축냉용 지중 열교환기유로(82)에 연결된다.
상기 바이패스 유로(65)와 상기 제 1축냉용 지중 열교환기유로(82)가 연결된 부분에는 바이패스 밸브가 설치된다. 상기 바이패스 밸브는 상기 열 수요처(100)의 요구부하에 따라 개도량을 조절하여, 상기 지중 열교환기(20)로 유입되는 열전달 유체의 유량을 제어할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 제 1개폐 밸브(63)는 삼방밸브이고, 상기 바이패스 밸브 역할을 하는 것으로 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제 1개폐 밸브(63)와 바이패스 밸브가 각각 별도로 설치되는 것도 물론 가능하다.
도면 부호 64는 상기 열전달 유로(60)상에 설치되어 열전달 유체를 순환 펌핑시키는 펌프(64)를 나타낸다. 상기 펌프(64)는 양방향 펌프가 사용될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 건물용 냉난방 시스템의 작동을 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 여름철 냉방운전의 경우, 상기 펌프(64)가 작동되고, 열전달 유체가 펌핑되어 상기 축냉용 지중 열교환기(22)로 유입된다.
이 때, 상기 제 1개폐밸브(63)는 열전달 유체가 상기 제 1축냉용 지중열교환기 유로(82)측으로 유입되도록 유로를 개방하고, 상기 제 2유로 전환밸브(56)는 상기 제 1축냉용 지중열교환기 유로(82)를 개방한다.
상기 축냉용 지중 열교환기(22)에서는 지중과 열전달 유체의 열교환이 이루어진다. 상기 축냉용 지중 열교환기(22) 주변의 지중은 지상에 비해 온도가 매우 낮고, 겨울철에 냉기를 저장해 놓은 상태이기 때문에, 열전달 유체는 지중으로부터 냉기를 흡수하게 된다.
상기 축냉용 지중 열교환기(22)를 통과한 열전달 유체는 상기 열전달 유로(60)를 통해 상기 중간 열교환기(104)로 전달된다. 상기 중간 열교환기(104)에서는 상기 열 수요처(100)를 순환하는 열전달 유체와의 열교환이 이루어진다. 상기 축냉용 지중 열교환기(22)를 거치면서 냉각된 열전달 유체는 상기 열 수요처(100)를 순환하는 열전달 유체에 냉기를 공급하게 된다. 따라서, 상기 열 수요처(100)의 냉방이 이루어질 수 있다.
또한, 여름철이고 실외 온도가 제 1설정온도, 예를 들어 30도 이상인 경우, 상기 지상 열교환기(30)를 이용해 실외 공기의 열기를 지중에 저장할 수 있다.
상기 지상 열교환기용 펌프(32)를 작동하여, 열전달 유체가 상기 지상 열교환기(30)로 펌핑되어 유입된다. 상기 지상 열교환기(30)에서는 실외 공기와 열전달 유체가 열교환하게 된다. 실외 공기의 온도가 높은 상태이기 때문에, 열전달 유체는 상기 실외 공기로부터 열을 흡수할 수 있다.
이 때, 상기 제 1유로 전환밸브(53)(54)는 상기 제 2지중 열저장 유로(52)는 차폐하고, 상기 제 1지중 열저장 유로(51)를 개방한다. 따라서, 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체는 상기 제 1지중 열저장 유로(51)를 통해 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입된다.
상기 축열용 지중 열교환기(21)에서는 열전달 유체와 지중과의 열교환이 이루어진다. 즉, 열전달 유체는 상기 지상 열교환기(30)에서 흡수한 열기를 상기 지중에 전달하여, 열기가 상기 지중에 저장된다. 저장된 열기는 겨울철에 사용될 수 있으며, 이는 뒤에서 상세히 설명한다.
이 때, 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)는 닫힌 상태이다.
상기와 같이, 여름철 냉방운전을 하는 경우,상기 축냉용 지중 열교환기(22)로부터 흡수한 냉기를 상기 열 수요처(100)에 공급할 수 있다. 즉, 상기 건물(1) 주변의 지중에 저장된 열을 이용하여, 상기 건물(1)내의 난방이 가능해진다. 또한, 여름철 실외 온도가 제 1설정 온도 이상인 경우, 상기 지상 열교환기(30)에서 실외 공기의 열을 흡수한 후, 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 이용해 지중에 축열함으로써, 겨울철과 같이 난방이 필요하거나 온수 공급 등이 필요한 경우 저장된 열을 사용할 수 있게 된다.
또한, 상기 온도센서(102)에서 측정된 열전달 유체의 온도에 따라 상기 지중 열교환기(20)로 유입되는 열전달 유체의 유량을 조절할 수 있다. 즉, 상기 온도센서(102)에서 측정된 열전달 유체의 온도가 소정의 온도 미만인 경우, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 작거나 상기 복수의 냉난방장치들의 운전율이 작다고 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제 1개폐 밸브(63)가 상기 바이패스 유로(65)를 개방하도록 하여, 상기 지중 열교환기(20)로 유입되는 열전달 유체 중 일부를 바이패스시킬 수 있다.
도 2는 여름철이고 심야시간대인 경우 열전달 유체의 흐름이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 여름철이고 심야시간대이거나, 여름철이고 냉방 운전하지 않는 경우나 환절기 등의 경우에는, 상기 지중 열교환기(20)로부터 흡수한 냉기를 상기 열 수요처(100)에서 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 지중 열교환기(20)로부터 흡수한 냉기를 상기 축냉열기(40)에 저장할 수 있다.
상기 펌프(64)가 작동되고, 상기 축냉용 지중 열교환기(22)를 통과한 열전달 유체는 상기 축냉열기(40)측으로 유입된다. 이 때, 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)는 개방되고, 상기 열 수요처 개폐밸브(101)는 차폐된다. 따라서, 상기 축냉용 지중 열교환기(22)에서 나온 열전달 유체는 상기 열 수요처(100)로 공급되지 않고, 상기 축냉열기(60)로 공급되어 상기 축냉열기(60)에 냉기가 저장될 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 건물(1)에서 일부 층이나 일부 공간의 냉방을 위해 상기 복수의 열 수요처 개폐밸브(101) 중 일부가 개방되어, 상기 축냉용 지중 열교환기(22)에서 나온 냉기 중 일부가 냉방이 요구되는 층이나 공간으로 공급되는 것도 물론 가능하다.
또한, 여름철 심야시간대에는 실외 온도가 상기 제 1설정온도 이상으로 올라가지 않기 때문에, 상기 지상 열교환기(30)를 이용한 지중 축열은 하지 않는다. 즉, 상기 지상 열교환기용 펌프(32)의 작동은 정지하고, 상기 제 1유로전환밸브(53)(54)는 상기 제 1지중 열저장유로(51)를 차폐한다.
도 3에는 여름철 냉방운전이고 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 설정 부하 미만인 경우 열전달 유체의 흐름이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 여름철 냉방운전이고, 상기 열수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 설정 부하 미만인 경우에는, 상기 펌프(64)를 작동시키고, 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)를 개방시킨다.
상기 열 수요처(100)의 요구부하는 상기 온도센서(102)에서 감지된 열전달 유체의 온도값에 따라 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 설정 부하 미만인 경우는 상기 복수의 냉난방 장치들 중 작동되는 냉난방장치의 개수가 설정 개수 미만일 때나 냉방시키고자하는 온도가 설정 온도 미만일 경우를 포함할 수 있다.
상기 축냉열기용 개폐밸브(42)가 개방되면, 상기 축냉열기 유로(41)상의 열전달 유체가 상기 축냉열기(40)로 유입된다. 상기 축냉열기(40)에서 저수된 물과 열교환하면서 냉기를 흡수한 열전달 유체는 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)를 통해 상기 열 수요처(100)로 공급된다. 상기 중간 열교환기(104)에서 열교환된 열전달 유체는 상기 제 2열수요처 유로(62)를 통해 상기 축냉열기(40)측으로 다시 순환된다. 상기 열 수요처(100)로 공급되고 남은 열전달 유체는 상기 제 1열수요처 유로(61)와 상기 펌프(64)를 차례로 거친 후, 상기 바이패스 유로(65)를 통과해서 상기 제 2열수요처 유로(62)측으로 순환한다. 이 때, 상기 제 1개폐 밸브(63)는 열전달 유체가 상기 바이패스 유로(65)에서 상기 제 2열수요처 유로(62)측으로 유로를 개방한다.
상기와 같이, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 부하 미만일 경우, 상기 지중 열교환기(20)의 냉기를 이용하지 않고, 상기 축냉열기(40)에 미리 저장된 냉기를 공급받아 사용할 수 있다.
상기 축냉열기(40)의 냉기를 상기 열 수요처(100)에 공급하는 동안, 여름철 실외 온도가 제 1설정 온도 이상인 경우, 상기 지상 열교환기(30)에서 실외 공기의 열을 흡수한 후, 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 이용해 지중에 축열함으로써, 겨울철과 같이 난방이 필요한 경우 저장된 열을 사용할 수 있게 된다.
도 4에는 겨울철 난방운전을 하는 경우 열전달 유체의 흐름이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 겨울철 난방운전을 하는 경우에는, 상기 펌프(64)가 작동되고, 열전달 유체는 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입된다. 이 때, 상기 제 2유로전환밸브(56)(57)는 상기 축냉용 지중열교환기 유로(81)(82)를 차폐하고, 상기 제 2개폐밸브(58)(59)는 상기 축열용 지중열교환기 유로(71)(72)를 개방하게 된다. 따라서, 열전달 유체가 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입될 수 있다.
상기 축열용 지중 열교환기(21)에서 지중과 열전달 유체의 열교환이 이루어진다. 상기 축열용 지중 열교환기(21) 주변의 지중은 여름철에 열기를 저장해 놓은 상태이기 때문에, 열전달 유체는 지중으로부터 열기를 흡수할 수 있다.
상기 축열용 지중 열교환기(21)에서 열기를 흡수한 열전달 유체는 상기 열전달 유로(60)를 통해 상기 중간 열교환기(104)로 공급된다. 상기 중간 열교환기(104)에서는 상기 열 수요처(100)를 순환하는 열전달 유체와의 열교환이 이루어진다. 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 거치면서 열기를 흡수한 열전달 유체는 상기 열 수요처(100)를 순환하는 열전달 유체에 열기를 공급하게 된다. 따라서, 상기 열 수요처(100)의 난방이 이루어질 수 있다.
또한, 겨울철에 실외 온도가 제 2설정온도, 예를 들어 -5도 미만으로 떨어지는 경우, 상기 지상 열교환기(30)를 통해 실외 공기의 냉기를 지중에 저장할 수 있다.
상기 지상 열교환기용 펌프(32)를 작동하면, 열전달 유체가 상기 지상 열교환기(30)로 펌핑되어 유입된다. 상기 지상 열교환기(30)에서는 실외 공기와 열전달 유체가 열교환된다. 실외 공기의 온도가 매우 낮은 상태이기 때문에, 열전달 유체는 상기 실외 공기로부터 냉기를 흡수할 수 있다.
상기 지상 열교환기(30)로부터 흡수한 냉기를 상기 축냉용 지중 열교환기(22)에 저장하기 위해서는, 상기 제 1유로 전환밸브(53)(54)가 상기 제 2지중 열저장 유로(52)를 개방하고, 상기 제 1지중 열저장 유로(51)를 차폐한다. 따라서, 상기 지상 열교환기(30)에서 열교환된 열전달 유체는 상기 제 2지중 열저장 유로(52)를 통해 상기 축냉용 지중 열교환기(22)로 유입된다.
상기 축냉용 지중 열교환기(22)에서는 열전달 유체와 지중과의 열교환이 이루어진다. 상기 열전달 유체는 상기 지상 열교환기(30)에서 흡수한 냉기를 상기 지중에 전달하여, 냉기가 상기 지중에 저장될 수 있다. 저장된 냉기는 여름철에 사용될 수 있다.
이 때, 상기 축냉열기용 펌프(62)는 정지상태이고, 상기 축냉열기용 개폐밸브(63)(64)는 닫힌 상태이다.
한편, 상기 온도센서(102)에서 측정된 열전달 유체의 온도에 따라 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입되는 열전달 유체의 유량을 조절할 수 있다. 즉, 상기 온도센서(102)에서 측정된 열전달 유체의 온도가 소정의 온도 이상인 경우, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 작거나 상기 복수의 냉난방장치들의 운전율이 작다고 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제 1개폐 밸브(63)가 상기 바이패스 유로(65)를 개방하여, 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입되는 열전달 유체 중 일부를 바이패스시킬 수 있다. 따라서, 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 통과하는 열전달 유체의 유량을 조절함으로써, 열전달 유체의 온도가 조절되어 상기 열 수요처(100)의 요구 부하에 적절히 대응할 수 있다.
도 5는 겨울철이고 심야시간대인 경우 열전달 유체의 흐름이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 겨울철이고 심야시간대인 경우에는 상기 지중 열교환기(20)로부터 흡수한 열기를 상기 축냉열기(40)에 저장할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 겨울철인데 난방운전을 하지 않는 경우나 환절기의 경우에도 상기 지중 열교환기(20)로부터 흡수한 열기를 상기 축냉열기(40)에 저장하는 것이 물론 가능하다.
상기 펌프(64)가 작동되고, 열전달 유체가 상기 축열용 지중 열교환기(21)로 유입되어 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 통과하면서 열기를 흡수하게 된다.
상기 축열용 지중 열교환기(21)에서 나온 열전달 유체는 상기 제 1열수요처 유로(61)를 상기 축냉열기(40)측으로 유입된다. 이 때, 상기 축냉열기용 개폐 밸브(42)는 개방되고, 상기 열 수요처 개폐밸브(101)는 차폐된다. 따라서, 상기 축열용 지중 열교환기(21)에서 나온 열전달 유체는 상기 열 수요처(100)로 공급되지 않고, 상기 축냉열기(40)로 공급되어 상기 축냉열기(40)에 열기가 저장될 수 있다.
단, 겨울철 심야시간대인 경우에도 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 설정 부하 이상일 경우, 상기 축냉열기(40)로의 축열운전은 정지되고 상기 열 수요처(100)로 열기를 공급하는 것도 물론 가능하다.
또한, 겨울철 심야시간대에는 실외 온도가 상기 제 2설정온도 미만으로 내려갈 경우, 상기 지상 열교환기(30)에서 냉기를 흡수하고 상기 축냉용 지중 열교환기(22)에 전달하여, 지중 축냉할 수 있다.
도 6은 겨울철이고 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 설정 부하 미만인 경우, 열전달 유체의 흐름이 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 여름철 난방운전이고, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 설정 부하 미만인 경우에는, 상기 펌프(64)가 작동되고, 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)는 개방된다.
상기 열 수요처(100)의 요구부하는 상기 온도센서(102)에서 감지된 열전달 유체의 온도값에 따라 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 설정 부하 미만인 경우는 상기 복수의 냉난방 장치들 중 작동되는 냉난방장치의 개수가 설정 개수 미만일 때나 난방시키고자하는 온도가 설정 온도 이상일 경우를 포함할 수 있다.
상기 펌프(64)가 작동되면, 상기 축냉열기(40)에서 저수된 물과 열교환되어 냉기를 흡수한 열전달 유체는 상기 축냉열기용 개폐밸브(42)를 통해 상기 열 수요처(100)로 공급된다. 상기 열 수요처(100)로 공급되고 남은 열전달 유체는 상기 제 1열수요처 유로(61)와 상기 펌프(64)를 차례로 거친 후, 상기 바이패스 유로(65)를 통과해서 상기 제 2열수요처 유로(62)측으로 순환한다. 이 때, 상기 제 1개폐 밸브(63)는 열전달 유체가 상기 바이패스 유로(65)에서 상기 제 2열수요처 유로(62)측으로 유로를 개방한다.
상기와 같이, 상기 열 수요처(100)의 요구부하가 미리 설정된 부하 미만일 경우, 상기 지중 열교환기(20)의 냉기를 이용하지 않고, 상기 축냉열기(40)에 미리 저장된 냉기를 공급받아 사용할 수 있다. 상기 축냉열기(40)에 냉기가 저장되는 것은 심야시간대에 이루어질 수 있다.
상기 축냉열기(40)의 냉기를 상기 열 수요처(100)에 공급하는 동안, 여름철 실외 온도가 제 1설정 온도 이상인 경우, 상기 지상 열교환기(30)에서 실외 공기의 열을 흡수한 후, 상기 축열용 지중 열교환기(21)를 이용해 지중에 축열함으로써, 겨울철과 같이 난방이 필요한 경우 저장된 열을 사용할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 건물 20: 지중 열교환기
21: 축열용 지중 열교환기 22: 축냉용 지중 열교환기
30: 지상 열교환기 32: 지상열교환기용 펌프
40: 축냉열기 41: 축냉열기 유로
42: 축냉열기용 펌프 50: 열저장 유로
51: 제 1열저장 유로 52: 제 2열저장 유로
53,54: 제 1유로전환밸브 56,57: 제 2유로전환밸브
58,59: 제 2개폐밸브 60: 열수요처 유로
61: 제 1열수요처 유로 62: 제 2열수요처 유로
63: 제 1개폐밸브 64: 펌프
65: 바이패스 유로 70: 축열 지중열교환기 유로
80: 축냉 지중열교환기 유로

Claims (15)

  1. 건물 주변의 지상에 설치되고, 실외 공기와 열교환하는 지상 열교환기와;
    지중에 설치되고, 상기 지상 열교환기에서 흡수한 냉기 또는 열기를 지중에 저장하는 지중 열교환기와;
    상기 건물 내부에 구비되고, 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 공급받는 열 수요처와;
    상기 지상 열교환기와 상기 지중 열교환기를 연결하여, 상기 지상 열교환기에서 열교환된 열전달 유체의 열기 또는 냉기를 상기 지중 열교환기로 전달하는 지중 열저장 유로와;
    상기 지중 열교환기와 상기 건물 내부의 열 수요처를 연결하고, 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 상기 열 수요처로 전달하는 열전달 유로를 포함하고,
    상기 지중 열교환기는, 상기 지상 열교환기에서 열전달 유체가 흡수한 열기를 상기 지중에 저장하거나 상기 지중에 저장된 열기를 흡수하도록 이용되는 축열용 지중 열교환기와, 상기 지상 열교환기에서 열전달 유체가 흡수한 냉기를 상기 지중에 저장하거나 상기 지중에 저장된 열기를 흡수하도록 이용되는 축냉용 지중 열교환기를 포함하고,
    상기 지중 열저장 유로는, 상기 지상 열교환기의 열전달 유체를 상기 축열용 지중 열교환기로 전달하기 위한 제 1지중 열저장 유로와, 상기 지상 열교환기의 열전달 유체를 상기 축냉용 지중 열교환기로 전달하기 위한 제 2지중 열저장 유로를 포함하고,
    상기 지중 열저장 유로에는 상기 제 1지중 열저장 유로와 상기 제 2지중 열저장 유로의 연결부분에 설치되어 유로를 전환하는 유로전환밸브와, 상기 지상 열교환기측으로 열전달 유체를 펌핑하는 지상 열교환기용 펌프가 구비되고,
    여름철, 실외 온도가 제 1설정온도 이상일 경우 상기 유로전환밸브는 상기 제 1지중 열저장 유로를 개방하고 상기 제 2지중 열저장 유로를 차폐하여 상기 상기 축열용 지중 열교환기를 이용하여 상기 지중에 열기를 저장하고, 상기 건물이 냉방운전 중이면 상기 축냉용 지중 열교환기를 이용하여 상기 건물에 냉기가 공급되며,
    겨울철이고, 실외온도가 제 2설정온도 미만일 경우 상기 유로전환밸브는 상기 제 1지중 열저장 유로를 차폐하고 상기 제 2지중 열저장 유로를 개방하여 상기 축냉용 지중 열교환기를 이용하여 상기 지중에 냉기를 저장하고, 상기 건물이 난방운전 중이면 상기 축열용 지중 열교환기를 이용하여 상기 건물에 열기가 공급되 는 건물용 냉난방 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 건물의 옥상에 구비되고, 상기 열 수요처의 요구 부하,계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 지중에 저장된 열기 또는 냉기를 저장하는 축냉열기를 더 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열전달 유로에 연결되고, 상기 지중 열교환기에서 열교환된 열전달 유체를 상기 축냉열기측으로 전달하는 축냉열기 유로와;
    상기 축냉열기 유로상에 배치되어, 상기 열 수요처의 요구부하, 계절 그리고 시간대 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 축냉열기 유로를 선택적으로 개폐하는 축냉열기용 개폐밸브를 더 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전달 유로상에 구비되어, 상기 열전달 유로내의 열전달 유체를 상기 지중 열교환기측으로 펌핑하는 지중 열교환기용 펌프를 더 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전달 유로는 상기 열 수요처의 출입구측에 연결된 열 수요처 유로와, 상기 열 수요처 유로에 구비되어 선택적으로 상기 열 수요처 유로를 개방하는 열 수요처용 개폐밸브를 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    여름철 또는 겨울철의 미리 설정된 심야 시간대이거나, 상기 열 수요처의 요구 부하가 없을 경우,
    상기 열 수요처용 개폐밸브는 닫히고, 상기 축냉열기용 개폐밸브는 개방되어, 상기 지중 열교환기에서 열교환된 열전달 유체의 열기 또는 냉기는 상기 축냉열기로 전달되어 저장되는 건물용 냉난방 시스템.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전달 유로는,
    상기 열 수요처의 요구부하, 계절 그리고 시간대에 따라 상기 열전달 유체 중 적어도 일부가 상기 지중 열교환기를 바이패스하도록 안내하는 바이패스 유로와,
    상기 바이패스 유로에 설치된 바이패스 밸브를 더 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    여름철 또는 겨울철이고, 상기 열 수요처의 요구부하가 설정 부하 미만일 경우,
    상기 바이패스 밸브는 상기 지중 열교환기측 유로를 차단하고, 상기 축냉열기용 개폐밸브는 개방되어, 상기 축냉열기에서 기저장된 열기 또는 냉기만이 상기 열 수요처로 공급되는 건물용 냉난방 시스템.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 지상 열교환기는 지상이나 상기 건물의 옥상 중 어느 하나에 설치된 냉각탑을 포함하고,
    상기 축냉열기는 상기 건물의 옥상에 설치되고 저수된 물에 냉기 또는 열기를 저장하는 축냉열조를 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 수요처는 상기 건물의 각 층 내부에 설치되어, 각 층 내부를 냉방 또는 난방시키는 복수의 냉난방장치들과, 상기 열전달 유로를 순환하는 열전달 유체와 열교환하는 중간 열교환기를 포함하는 건물용 냉난방 시스템.
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