KR101297764B1 - 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템 - Google Patents

직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 히트펌프와, 상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되고, 지중으로부터 상기 냉매에 지열을 흡수한 상태에서 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키며, 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매가 분기되어 유동하는 복수 개의 분기관들을 구비하되, 상기 분기관들은 복수 개의 번들관으로 합류되어 연통된 상태에서 상기 제1냉매관 또는 상기 제2냉매관에 연결되는 지중 열교환기와, 상기 번들관들에 각각 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들과, 정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템을 제공한다.
따라서, 상기 지중 열교환기 내의 냉매 오일의 정체가 경감될 수 있기 때문에, 히트펌프의 손상 가능성이 감소된다. 또한, 별도의 오일트랩이 불필요하여, 상기 지중 열교환기 중에서 지중에 삽입되는 부분의 폭이 감소되기 때문에, 지중 열교환기의 설치비용이 절감된다.

Description

직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템 {Direct exchange geothermal heat pump system}
본 발명은 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매 오일의 정체가 경감되고 지중 열교환기의 설치 비용이 절감되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
지열원 히트펌프 시스템은 지열을 이용하여 냉난방을 수행하는 장치이다. 도 1에 일반적인 지열원 히트펌프 시스템(10)이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 히트펌프(11)의 냉매는 지중 열교환기(14)에서 지열을 흡수한 브라인과 지열 열교환기(13)에서 열교환하여 지열을 전달 받는다. 상기 히트펌프(11)는 상기 지열을 이용하여 열저장 탱크(12)에 열을 저장한다. 하지만, 상기 지열 열교환기(13)에서 상기 냉매와 상기 브라인 사이에는 5℃ 이상의 온도차가 발생하게 되어, 상기 온도차에 의하여 상기 히트펌프 시스템(10)의 성능 저하 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 직접 순환식 히트펌프 시스템이 활발하게 연구되고 있다. 미국특허등록 제5,946,928호에는 직접 순환식 히트펌프 시스템이 개시되어 있다. 도 2를 참조하여, 직접 순환식 히트펌프 시스템(20)의 구성에 대하여 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 직접 순환식 히트펌프 시스템(20)에서는, 히트펌프(21)의 냉매가 직접 지중 열교환기(24)에 유입되어 지열을 흡수하고, 상기 히트펌프(21)가 상기 지열을 이용하여 열저장 탱크(22)에 열을 저장한다. 따라서, 기존의 지열 열교환기가 설치되지 않기 때문에, 상기 직접 순환식 히트펌프 시스템(20)의 성능이 향상된다.
하지만, 상기 직접 순환식 히트펌프 시스템(20)에서는 상기 히트펌프(11)의 냉매가 상기 지중 열교환기(24)로 직접 순환되기 때문에, 상기 냉매 중의 냉매 오일이 상기 지중 열교환기(특히, 도 2의 A 부분)에 정체되어 상기 히트펌프(21)에 회수되지 않는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 지중 열교환기(24)에는 도 3에 도시된 오일 트랩(25)이 설치된다, 그러나, 상기 오일 트랩으(25)로 인하여 상기 지중 열교환기(24)의 폭이 커질 수밖에 없으므로, 상기 지중 열교환기(24)를 삽입하기 위한 천공 구멍의 직경이 커지게 되어, 상기 지중 열교환기(24)의 시공비용이 증가하는 단점이 있다.
본 발명은 냉매 오일의 정체가 경감되고 지중 열교환기의 설치 비용이 절감되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 히트펌프와, 상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되고, 지중으로부터 상기 냉매에 지열을 흡수한 상태에서 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키며, 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매가 분기되어 유동하는 복수 개의 분기관들을 구비하되, 상기 분기관들은 복수 개의 번들관으로 합류되어 연통된 상태에서 상기 제1냉매관 또는 상기 제2냉매관에 연결되는 지중 열교환기와, 상기 번들관들에 각각 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들과, 정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 히트펌프와, 상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되는 제1메인관, 상기 제1메인관으로부터 복수 개로 분기되는 제1번들관들, 상기 각 제1번들관으로부터 복수 개로 분기되며 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매에 지열을 공급하는 분기관들, 및 상기 각 제1번들관마다 분기된 상기 분기관들이 합류되는 복수 개의 제2번들관들, 및 상기 제2번들관들이 합류되며 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키는 제2메인관을 구비하는 지중 열교환기와, 상기 제1번들관들 또는 상기 제2번들관들에 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들과, 정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 히트펌프와, 상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되는 제1메인관, 상기 제1메인관으로부터 복수 개로 분기되는 제1번들관들, 상기 각 제1번들관으로부터 복수 개로 분기되며 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매에 지열을 공급하는 분기관들, 및 상기 분기관들이 합류되며 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키는 제2메인관을 구비하는 지중 열교환기와, 상기 제1번들관들에 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들와, 정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템에서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 지중 열교환기 내의 냉매 오일의 정체가 경감될 수 있기 때문에, 히트펌프의 손상 가능성이 감소된다.
둘째, 냉매 오일의 회수 구조가 간단하다.
셋째, 별도의 오일트랩이 불필요하여, 지중 열교환기 중에서 지중에 삽입되는 부분의 폭이 감소되기 때문에, 지중 열교환기의 설치비용이 절감된다.
도 1은 일반적인 지열원 히트펌프 시스템의 개략도이다.
도 2는 일반적인 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템의 개략도이다.
도 3은 일반적인 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템의 지중 열교환기에 설치되는 오일트랩의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템의 개략적도인 구성도이다.
도 5는 도 4의 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템에서 유입된 냉매가 분기되어 지중으로 분배되는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 4의 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템에서 지중에서 지열을 흡수한 냉매가 합류되어 히트펌프로 순환되는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 지중 열교환기의 다른 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 4 내지 도 6에 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템(이하, "히트펌프 시스템"이라고 함)(100)이 개시되어 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 히트펌프 시스템(100)은 히트펌프(110), 열 저장 탱크(120), 지중 열교환기(160), 개도조절밸브(170)들 및 제어부(미도시)를 포함한다. 상기 히트펌프 시스템(100)은 건물(K) 내에 설치되며, 냉방 또는 난방 전용 구조를 가질 수도 있으며, 냉난방 겸용 구조를 가질 수도 있다. 상기 열 저장 탱크(120)는 상기 히트펌프(110)를 이용하여 열/냉열을 저장하는 장치로서, 수축열 저장 방식, 빙축열 저장 방식 등 다양한 방식으로 열 에너지를 저장한다. 상기 히트펌프(110) 및 상기 열 저장 탱크(120)의 구조는 당업계에서 널리 알려진 바, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서는, 상기 히트펌프 시스템(100)이 난방 전용 구조를 가지는 것으로 설명한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 지중 열교환기(160)는 제1메인관(131), 제2메인관(132), 제1번들관(141)들, 제2번들관(142)들 및 분기관(150)들을 포함한다. 상기 히트펌프(100)의 팽창밸브(미도시)를 통과한 냉매는 상기 제1메인관(131)으로 유입된다. 상기 제1메인관(131)은 지중(G)의 관리공간(R) 내에 위치한다. 상기 제1메인관(131)은 2개의 제1번들관(141)들로 분기되며, 상기 제1번들관(141)들은 상기 관리공간(R) 내에 위치한다.
상기 제1번들관(141)에는 상기 개도조절밸브(170)들이 설치되어 있다. 상기 개도조절밸브(170)들은 상기 제1번들관(141)들의 개도를 조절한다. 상기 개도조절밸브(170)들은 다양한 밸브가 설치될 수 있으나, 솔레노이드 밸브일 경우 제어 성능이 우수하다.
상기 제1번들관(141)들은 각각 3개의 상기 분기관(150)들로 분기된다. 상기 분기관(150)들은 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 냉매에 지열을 공급하여, 냉매가 증발하게 한다. 상기 분기관(150)들은 방사상으로 배열되되, 지면에 하방 경사 방향으로 삽입된다. 따라서, 상기 분기관(150)들을 설치하기 위한 삽입구의 깊이가 깊지 않아도 되기 때문에, 시공비용이 경감된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 분기관(150)들이 수직 방향으로 삽입될 수도 있다.
6개의 상기 분기관(150)들이 2개로 분류되어, 2개의 상기 제2번들관(142)으로 합류된다. 상기 제2번들관(142)들은 상기 제2메인관(132)으로 합류된 후, 상기 히트펌프(110)의 제2냉매관(112)에 연결된다. 상기 제2메인관(132) 및 상기 제2번들관(142)들은 상기 관리공간(R) 내에 설치된다. 상기 제2번들관(142)들에도 상기 개도조절밸브들이 설치될 수도 있다.
상기에서, 상기 제1번들관(141)들 및 상기 제2번들관(142)들의 개수가 각각 2개이고, 분기관(150)들의 개수가 6개이다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다만, 상기 제1번들관(141)들 및 상기 제2번들관(142)들의 개수가 2개 또는 3개이고, 상기 분기관(150)들이 2개 내지 8개일 경우 배치가 용이해지고 지열 흡수 특성이 향상되는 효과가 있다.
상기 관리공간(R) 내에서 상기 제1번들관(141)들과 상기 제2번들관(142)들은 서로 상하 방향으로 배치되어 있다. 따라서, 상기 관리공간(R)의 평면적이 감소되기 때문에, 불필요한 공간의 낭비가 감소될 수도 있다.
이하, 상기 히트펌프 시스템의 작동에 대하여 상세하게 살펴본다.
먼저, 정상운전 시 상기 제어부(미도시)는 상기 개도조절밸브(170)들을 개방한다. 따라서, 상기 히트펌프(110)의 제1냉매관(111)을 통하여 상기 제1메인관으(131)로 유입된 냉매는, 상기 제1번들관(141)들을 거쳐 상기 분기관(150)들로 분기된다. 상기 분기관(150)들에서 지열을 흡수하여 증발된 냉매는 상기 제2번들관(142)들 및 상기 제2메인관(132)을 거쳐 상기 제2냉매관(112)을 통하여 상기 히트펌프(110)에 순환된다.
상기 냉매의 유동 시, 상기 냉매와 함께 유동하는 냉매 오일이 상기 분기관(150)들에 정체되어 모이게 된다. 상기 제어부(미도시)는, 상기 정상운전 중 설정된 시간마다 오일 회수 운전을 개시한다. 먼저, 상기 제어부(미도시)는 상기 개도조절밸브(170)들 중 하나를 선택하여 폐쇄한다. 상기 하나의 개도조절밸브(170)의 폐쇄에 의하여 해당되는 상기 제1번들관(141)으로 냉매가 유입되지 않기 때문에, 다른 상기 제1번들관(141)으로 냉매가 유입된다. 따라서, 상기 냉매가 유입된 제1번들관(141), 상기 분기관(150)들 및 상기 제2번들관(142)의 내부 압력 및 유속이 급격하게 증가하여, 내부에 정체된 냉매 오일이 냉매와 함께 상기 제2메인관(131) 및 상기 제2냉매관(112)을 통하여 상기 히트펌프(110)로 회수된다.
상기와 같이, 상기 정상 운전의 중간 중간에 상기 오일 회수 운전을 수행하여 상기 지중 열교환기(160) 내의 정체된 냉매 오일이 회수될 수 있다. 상기 오일 회수 운전은 상기 개도조절밸브(170)들마다 순차적으로 수행된다. 이 때, 상기 냉매 회수 운전 시, 냉매 오일이 회수되는 성능을 향상시키기 위하여 2개 이상의 상기 개도조절밸브(170)들이 동시에 폐쇄될 수도 있다.
도 7에는 도 6에 도시된 지중 열교환기(160)의 다른 실시예에 따른 지중 열교환기(260)가 도시되어 있다. 도 7에서 전술한 실시예와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며, 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
상기 지중 열교환기(260)는 도 6의 지중 열교환기(160)와는 달리, 제2번들관들을 구비하지 않는다. 따라서, 분기관(250)들로부터 유입되는 냉매가 제2메인관(232)으로 합류되어, 제2냉매관(112)을 통하여 히트펌프(미도시)에 유입된다. 만일, 전술한 실시예에서, 상기 개도조절밸브(170)들은 상기 제1번들관(141)들에만 설치되어 있기 때문에, 구조적 단순화를 위하여 상기 지중 열교환기(260)에서 제2번들관들을 설치하지 않은 것이다.
전술한 바와 같이, 상기 히트펌프 시스템에서 상기 지중 열교환기의 구조는 다양하게 선정될 수 있다. 즉, 도 4 및 도 5의 지중 열교환기(160)에서, 상기 제1번들관(141)들 또는 제2번들관(142)들이 생략될 수도 있다. 또한, 상기 개도조절밸브(170)가 상기 제1번들관(141)들이 아니라, 상기 제2번들관(142)들에 설치될 수도 있고, 양쪽 모두에 설치될 수도 있다.
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.
100: 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템
110: 히트펌프 120: 열 저장 탱크
131: 제1메인관 132: 제2메인관
141: 제1번들관 142: 제2번들관
150: 분기관 160: 지중 열교환기
170: 개도조절밸브

Claims (10)

  1. 히트펌프;
    상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되고, 지중으로부터 상기 냉매에 지열을 흡수한 상태에서 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키며, 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매가 분기되어 유동하는 복수 개의 분기관들을 구비하되, 상기 분기관들은 복수 개의 번들관으로 합류되어 연통된 상태에서 상기 제1냉매관 또는 상기 제2냉매관에 연결되는 지중 열교환기;
    상기 번들관들에 각각 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들; 및
    정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 모두 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하고,
    상기 분기관들은 방사상으로 배열되되, 지면에 하방 경사 방향으로 삽입되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  2. 히트펌프;
    상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되는 제1메인관, 상기 제1메인관으로부터 복수 개로 분기되는 제1번들관들, 상기 각 제1번들관으로부터 복수 개로 분기되며 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매에 지열을 공급하는 분기관들, 및 상기 각 제1번들관마다 분기된 상기 분기관들이 합류되는 복수 개의 제2번들관들, 및 상기 제2번들관들이 합류되며 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키는 제2메인관을 구비하는 지중 열교환기;
    상기 제1번들관들 또는 상기 제2번들관들에 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들; 및
    정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 모두 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하고,
    상기 분기관들은 방사상으로 배열되되, 지면에 하방 경사 방향으로 삽입되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 오일 회수 운전 시, 상기 개도조절밸브들을 하나씩 또는 복수개씩 순차적으로 선택하여 폐쇄한 후 개방함으로써 냉매 오일을 회수시키는 과정을 반복하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    설정된 시간 간격마다 상기 오일 회수 운전을 수행하는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1번들관들과 상기 제2번들관들은 서로 상하 방향으로 배치되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1번들관들 및 상기 제2번들관들은 각각 2개 또는 3개이며,
    상기 분기관들은 2개 내지 8개인 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  8. 삭제
  9. 히트펌프;
    상기 히트펌프로의 제1냉매관에 연통되어 상기 히트펌프의 냉매가 직접 유입되는 제1메인관, 상기 제1메인관으로부터 복수 개로 분기되는 제1번들관들, 상기 각 제1번들관으로부터 복수 개로 분기되며 지중에 천공된 삽입구에 삽입되어 매립되고 상기 냉매에 지열을 공급하는 분기관들, 및 상기 분기관들이 합류되며 상기 냉매를 상기 히트펌프의 제2냉매관으로 회수시키는 제2메인관을 구비하는 지중 열교환기;
    상기 제1번들관들에 설치되어 개도를 조절하는 개도조절밸브들; 및
    정상 운전 시에는 상기 개도조절밸브들을 모두 개방하고, 오일 회수 운전 시에는 상기 개도조절밸브들 중 일부를 폐쇄하고 나머지는 개방함으로써 개방된 상기 개도조절밸브가 설치된 상기 번들관을 통한 냉매의 유속을 급격하게 증가시킴으로써 상기 분기관들에 정체된 냉매 오일을 회수시키는 제어부를 포함하고,
    상기 분기관들은 방사상으로 배열되되, 지면에 하방 경사 방향으로 삽입되는 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
  10. 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개도조절밸브들은 솔레노이드밸브들인 직접 순환식 지열원 히트펌프 시스템.
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