KR101351826B1 - 지하수를 이용한 온실용 히트펌프 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매를 압축시키는 압축기(A)로 압축된 냉매와 축열 축냉을 위해 공급된 물을 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 열교환된 냉매는 공기 열교환기(C) 및 증발기를 통해 공기로 열교환 시킨 후 다시 압축기(A)로 순환시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시킨 후, 축열냉 열교환기(F)에서 축열냉 탱크(E)에서 공급된 열에너지를 지닌 물과 온실에 부하하는 축열 축냉용 물을 열교환 시켜, 온실에서 부하측 열교환기(G)를 통해 냉난방 시키는 온실용 히트 펌프 냉난방 장치에 있어서, 상기 수냉매 열교환기(B)의 보조열원으로 지하수 및 축열냉 탱크(E) 내의 축열을 사용함을 특징으로 하는 지하수를 이용한 온실용 히트 펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.

Description

지하수를 이용한 온실용 히트펌프 냉난방 장치 {Heat pump apparatus for heating and cooling using ground water for green house}

본 발명은 지하수를 이용한 온실 재배용 히트펌프 냉난방 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트펌프의 계절 및 외기온도의 영향을 최소화하기 위해 자체 응출 된 고온의 냉매액의 열교환에 따른 보조열원 및 지하수를 이용한 온실 재배용 히트펌프 냉난방 장치이다.

일반적으로 히트 펌프식 냉난방 장치는 압축기, 사방변 밸브, 실외교환기, 팽창 밸브 및 실내기를 연속되게 구비한 채사방변 밸브에 의해 냉난방을 선택적으로 전환하고 이에 따라 실외 열교환기 및 실내기에서 냉매를 선택적으로 응축 또는 증발시키는 과정을 통해 실내기에서의 증발열 또는 응축열로 실내를 냉방 또는 난방시키는 구조를 지닌다.

이와 같은 통상적인 히트 펌프식 냉난방 장치는 도 1에 개시되어 있으며 첨부된 도 1에 나타난 바와 같은 구성을 지닌다.

그러나 이와 같은 히트 펌프식 냉난방 장치는 실외 열교환기의 열교환으로 외기를 이용하는데 이 공기 열교환식 히트 펌프 냉난방 장치의 경우 외기의 온도가 난방중에 너무 낮고 반대로 냉방 중에 너무 높은 경우 냉매의 열 흡수 및 배출에 많은 에너지가 소비되어 혹한기와 같은 외기의 온도가 영하 이하로 떨어지는 경우 난방에 필요한 열원이 부족하여 보조열원이 필요한 문제를 지닌 것이었다.

이에 대해 최근 지열을 열원으로 사용하는 히트 펌프를 이용하여 실외 열교환을 행하는 히트 펌프 냉난방 시스템이 개발되었다.

그러나 최근 개발된 지열 열교환식 히트 펌프 냉난방 장치는 냉방 운전시 실내에서 열교환된 후 실외의 수 열교환기로 응축하는 과정에서 흡수열을 지중으로 충분히 방출하지 못하거나 난방 운전시 실내의 난방 공급에 필요한 열을 지중에서 충분하게 흡수하지 못하는 경우 냉난방 효율이 떨어지는 문제가 있으며 지중 열교환기 매설에 필요한 고비용으로 인해 운전의 경제성과 신뢰성이 떨어지는 문제를 지닌 것이다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 히트 펌프 실외기 열교환용 보조 열원으로 외기 온도에 영향을 받지 않는 지하수 열을 사용하고 자체 응출된 고온의 냉매액의 열 교환에 따른 보조 열원을 사용한 온실 재배용 히트 펌프 냉난방 장치를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 된 것이다.

즉 본 발명에 사용되는 자체 응출된 고온의 냉매액의 열 교환에 따른 보조 열원은 공기열을 이용하되 축열조를 이용하여 부하측이 열을 사용하지 않을 시 축열 하여 두었다가 정상적인 부하운전 시 축열냉 열교환기를 통과시키면서 설정온도에 도달하지 않을 때 축열조의 축열된 에너지를 보충시켜 설정온도에 충족시켜 부하측에 공급될 수 있도록 개량한 것이다.

또한 부하측이 운전이 정지되었을 때, 즉 난방 시에는 낮에, 냉방 시에는 야간에 축열조의 온도가 50℃∼90℃로 상승되는 경우 수냉 열교환기에서 열교환 된 냉매액의 온도 역시 상승되어 고온의 응축냉매가 팽창변을 통과함으로써 냉동효과가 저하되는 경우, 수냉매 열교환기에서 전달된 고온의 냉매액을 증발된 저온의 냉매액과 열교환 시켜 응축 온도를 냉각시키며 이에 따른 에너지 효율을 보조 열원으로 이용하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 히트 펌프 실외기 열교환용 보조 열원으로 외기 온도에 영향을 받지 않는 지하수 열을 사용하고 자체 응출된 고온의 냉매액의 열 교환에 따른 보조 열원을 사용한 온실 재배용 히트 펌프 냉난방 장치를 개발코자 한 것이다.

본 발명은 냉매를 압축시키는 압축기(A)로 압축된 냉매와 축열 축냉을 위해 공급된 물을 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 열교환된 냉매는 공기 열교환기(C) 및 증발기를 통해 공기로 열교환 시킨 후 다시 압축기(A)로 순환시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시킨 후, 축열냉 열교환기(F)에서 축열냉 탱크(E)에서 공급된 열에너지를 지닌 물과 온실에 부하하는 축열 축냉용 물을 열교환 시켜, 온실에서 부하측 열교환기(G)를 통해 냉난방 시키는 온실용 히트 펌프 냉난방 장치에 있어서, 상기 수냉매 열교환기(B)의 보조열원으로 지하수 및 축열냉 탱크(E) 내의 축열을 사용함을 특징으로 하는 지하수를 이용한 온실용 히트 펌프 냉난방 장치를 제공하는 것이다.

이때 상기 축열냉 탱크(E)의 온도는 난방시 60∼90℃이고 냉방시 8∼13℃ 임을 특징으로 한다.

또한 상기 축열냉 탱크(E)의 온도를 13℃ 이하로 유지하기 위해 지하수를 공급함을 특징으로 한다.

본 발명의 효과는 히트 펌프 실외기 열교환용 보조 열원으로 외기 온도에 영향을 받지 않는 지하수 열을 사용하고 자체 응출된 고온의 냉매액의 열 교환에 따른 보조 열원을 사용한 온실 재배용 히트 펌프 냉난방 장치를 제공하는 것이다.

또한 온실 재배용 히트 펌프 냉난방 장치에 설치되는 압축기의 용량을 최소화하여 온실의 단위면적당 에너지 효율을 극대화하고 설치 용량 및 비용 운영비를 최소화할 수 있게 된 것이다.

도 1은 통상적인 히트 펌프식 냉난방 장치의 대략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 지하수를 이용한 온실용 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.

통상적인 히트펌프장치는 공기열을 이용하는 방법, 지열을 이용하는 방법 및 기타 히터에 의한 보조열원에 의한 방법이 있다.

본 발명에 있어서 히트 펌프 장치는 공기열을 이용한 축냉열조를 사용하여 작동한다. 그러나 부하측에서 냉열을 사용하지 않을 때는 축열냉 탱크(E) 내에 축열 축냉시켜 두었다가 정상적인 부하운전 시 축열냉 교환기(F)를 통과시켜 축열 축냉을 사용한다.

즉 부하측의 냉난방에 사용되는 물이 설정온도에 도달하지 않을 경우 축열냉 탱크내의 축적된 에너지를 보충시켜 설정온도에 충족시켜 부하측에 공급될 수 있도록 한다. 이때 부하측은 통상 재배용 온실이다.

한편 부하측이 운전이 정지되었을 경우 즉, 난방 시에는 주로 낮에 냉방 시에는 주로 야간에 축열냉 탱크(E)의 온도가 50℃~90℃로 상승되어지며 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 된 냉매액의 온도도 따라서 상승하게 된다.

이때 고온의 응축냉매가 팽창변을 통과함으로써 냉동효과가 떨어지게 되나 본 발명의 경우 수냉매 열교환기(B)의 효율을 높이기 위해 수냉매 열교환기(B)를 통과한 고온의 냉매액을 증발된 저온의 냉매액과 열교환 시켜 응축온도를 냉각시키고 팽창밸브를 통과시켜 냉동효과를 얻을 수 있다.

한편 본 발명의 경우 증발된 냉매의 과열도를 높여 성적계수를 향상시킴으로써 에너지 효율을 높이게 되었으며 특히 겨울철 난방 시 야간에 공기열을 이용한 본 발명의 히트펌프는 외부온도가 영하로 내려갈 경우 증발온도가 낮아져 효율적인 운전을 위해 보조열원을 제공한다.

상기 보조열원으로는 증발온도 온도조절기에 의해 증발온도가 일정온도 이하가 되면 지하수가 공기열 교환기에 공급되어 냉매가 충분히 증발하여 압축이 효율적으로 이루어지도록 한다. 따라서 본 발명의 히트 펌프는 증발온도와 증발압력에 대응하여 압축기의 회전속도를 조절하는 기능을 지닌다.

따라서 축열냉조의 온도를 지하수를 이용하여 1차 열교환 시킴으로써 압축기의 활용을 저감시켜 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 통상적인 히트 펌프식 냉난방 장치의 대략적인 구성을 나타낸 것이다.

상기 도면에 나타난 바와 같이 통상적인 히트 펌프식 냉난방 장치는 외부와 열을 교환하는 열교환기(20), 냉매의 순환을 위한 압축기(40) 등을 지니고 있으며 압축기가 작동하여 저압의 냉매를 고온 고압으로 만든 후 구동 펌프(30)의 작동으로 열교환기에서 외부와 열을 교환하여 냉매가 열을 방출하여 응축하게 된다. 또한 이때 상기 열교환기는 외부에 열을 방출하는 응축기 역할을 수행한다.

도 2는 본 발명의 지하수를 이용한 온실용 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.

난방 시 회로의 작동을 설명하면 다음과 같다.

고온의 냉매를 사용하는 압축기(A)에서는 냉매가 압축되고 고온으로 된 냉매와 축열을 위해서 공급된 물이 수냉매 열교환기(B)를 통과한 후, 냉매의 온도를 공기 열교환기(C)에서 교환하기 위해 전자밸브를 통과하며 공기 열교환기(C)를 통과시킨다.

상기 공기 열교환기(C)를 통과한 냉매를 감압하기 위해 팽창밸브를 사용하고 상기 팽창밸브를 나온 저온 저압의 냉매를 증발시키는 증발기(D)의 냉매 배관을 통과하게 된다.

또한 압축기(A)는 인버터 제어에 의해 용량제어가 가능하게 되어 있고 증발된 냉매 압력 및 온도에 의해 저속, 예를 들면 1000 rpm부터 고속, 예를 들면 6000 rpm까지 회전속도를 가변할 수 있다.

증발기(D)는 공기 냉매 열교환기 및 응축 냉매와 지하수를 보조 열원으로 사용하는 열교환기로서 실외 팬(G)에 의해 실외의 대량의 공기와 감압된 냉매를 열교환 시킨다. 이때 지하수가 공급되는 시점은 증발온도 온도 조절기에 의해 물용 전자변의 작동을 통해 시작된다.

수냉매 열교환기(B)는 냉매측 전열관(a1)의 냉매의 흐름과 수측 전열관(b1)의 물의 흐름은 대향류로 되어 있으며 고온 고압의 냉매와 저온의 물을 상호 열 교환시킨다. 즉 수냉매 열교환기(B)의 입구에서 저온이었던 물이 수측 전열관(b1)을 통과할 때 서서히 가열되고 수냉매 열교환기(B)의 출구에서 소정의 설정된 온도로 승온된다.

수측 전열관(b1)에서 가열된 축열수는 저장하는 축열냉 탱크(E)에 저장된다. 축열냉 탱크(E)에 저장된 약 60℃ 내지 90℃의 고온의 축열수를 축열냉 교환기(F)의 축열수 전열관(c1)으로 공급하여 부하수 전열관(d1)에 흐르는 부하수와 대향류로 열교환 시킨다. 이때 축열수의 유량은 부하수 온도 조절장치에 의하여 축열수 유량 조절 밸브에 의해 조절된다.

온실 내에 해당하는 부하측 공기열교환기(G)는 수냉매 열교환기(B) 1차로 열교환 된 부하수가 축열냉 교환기(F)를 통과되며, 이에 따라 2차 열교환으로 설정된 온도에 도달하게 된다. 만약 2차 열교환으로 설정된 온도에 도달하지 못할 경우 보조히터(K)가 축열냉 교환기(F) 온도조절장치에 의해 보조열원이 공급되어 설정 온도에 도달하기도 하고 온실 내에 해당하는 부하측 온도 조절장치에 의해 펌프를 가동시킨다.

냉방 시 회로의 작동을 설명하면 다음과 같다.

냉매를 압축하는 압축기(A)에서 고온 고압의 형태로 냉매가 압축되고, 공기 열교환기(C)를 통과하여 응축되어 나온 냉매를 팽창밸브에서 감압하고, 이 팽창밸브를 통과한 저온 저압의 냉매를 증발시키는 증발기(D)로부터의 냉매와 축냉을 위해서 공급된 축열냉 탱크(E) 내의 물이 수냉매 열교환기(B)에서 열교환되고 수냉매 열교환기(B)를 나온 증발된 저온 저압의 냉매가 다시 압축기(A)에서 고온 고압의 냉매로 순환되는 냉매 배관으로 구성되어 있다.

압축기(A)는 인버터 제어에 의해 용량제어가 가능하게 되어 있고 저속, 예를들면 1000rpm 부터 고속, 예를들면 6000rpm 까지 회전속도를 가변할 수 있다. 증발기의 냉매측 전열관(a1)의 냉매와 수측 전열관(b1)의 물이 수냉매 열교환기(B)에서 서로 대항류로 순환되어 수냉매 증발 열교환기 기능을 지닌다.

수냉매 열교환기(B)는 냉매측 전열관(a1)과 수측 전열관(b1)을 지니고 있고 냉매측 전열관(a1)의 냉매의 흐름과 수측 전열관(b1)의 물의 흐름은 대항류로 되어있어 저온 저압의 냉매와 고온의 물이 열교환된다. 즉, 수냉매 열교환기(B)의 입구에서 고온이었던 물이 수측 전열관(b1)을 통과할 때 서서히 냉각되고 수냉매 열교환기(B)의 출구에서 소정의 설정된 온도로 냉각된다. 이때 수냉매 열교환기 내부의 안전은 온도 조절기에 의해 냉매량 및 물의 유량이 조절된다.

수측전열관(b1)에서 냉각된 축냉수는 저장하는 축열냉 탱크(E)에 저장된다. 축열냉 탱크(E)에 저장된 약 8℃∼13℃의 저온 축냉수를 축열냉 교환기(F)의 축냉수 전열관(c1)으로 공급하여 부하수 전열관(d1)에 흐르는 부하수와 대항류로 열교환 시킨다. 이때 축냉수의 유량은 부하수 온도 조절장치에 의하여 축냉수 유량조절 밸브에 의해 조절된다.

온실 내에 해당하는 부하 측 공기열교환기(G)는 수냉매 열교환기(B)에서 1차로 열교환된 부하수가 축열냉 교환기(F)를 통과하며 2차로 설정된 온도에 도달하게 된다. 2차 열교환에 의해서도 설정온도에 도달치 못할 시는 축열냉 교환기(F)내의 온도에 의해 물전용 밸브가 열려 지하수 및 부하수 열교환기에 지하수가 공급되어 축열냉 교환기(F) 내부의 온도는 13℃이하로 유지시켜준다. 지하수의 유량은 축열냉 교환기(F) 내부온도 조절장치에 의해 유랑조절밸브에 의해 조절된다.

부하운전이 끝나고 축냉시 에는 전자밸브가 차단되고 반대측 전자밸브가 열려서 축냉이 이루어지고 부하운전 시에는 전자밸브가 차단되고 반대측 전자밸브가 열려서 정상 운전된다.

10 : 체크 밸브, 11 ; 전자변
12 : 펌프, 13 : 팽창변
14 : 유량 조절 밸브, 15 : 물용 전자변
16 : 유량 조절 밸브, 17 : 온도 조절기
20 : 열교환기, 30 : 펌프
40 : 압축기, 50 : 사방 밸브
60 : 팽창 밸브

Claims (3)

1. 압축기(A)에서 압축된 냉매를 공기 열교환기(C) 및 증발기를 통해 공기로 열교환시키면서 냉매의 온도를 조절시킨 후, 냉매와 축열냉 탱크(E)의 축열 축냉을 위해 순환하는 물을 수냉매 열교환기(B)에서 열교환시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 열교환된 냉매는 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치;
   상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치;
   축열냉 탱크(E)에서 공급된 열에너지를 지닌 물과 온실에 부하하는 축열 축냉용 냉매를 축열냉 열교환기(F)에서 열교환시키는 장치; 및
   온실내의 부하측 열교환기(G)를 통해 온실을 냉난방시키는 장치;
   로 이루어진 온실용 히트 펌프 냉난방 장치에 있어서,
   상기 수냉매 열교환기(B)의 보조열원으로 공기 열교환기(C) 내의 증발기(D)의 온도를 제어하기 위해 공급되는 지하수를 사용하여 축열냉 탱크(E) 내의 온도를 온실 난방시에는 60∼90℃로 냉방시에는 8∼13℃로 조절함을 특징으로 하는 지하수를 이용한 온실용 히트 펌프 냉난방 장치
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