KR101402837B1 - Air conditioner using the geothermal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 냉매를 지열과 열교환 하여 실내 냉난방을 가동시킬 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooling / heating system using geothermal heat, and more particularly, to a cooling / heating system using geothermal heat that can heat indoor /
일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석연료 또는 핵연료 등이 주류를 이루고 있다. 이러한 에너지원은 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 토양을 포함하는 환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.Domestic and industrial energy sources commonly used are fossil fuels such as petroleum and natural gas or nuclear fuel. These energy sources not only pollute the environment including water quality and soil due to various pollutants generated in the combustion process, but also have a limited amount of reserves, so alternative energy development is actively proceeding.
이러한 대체 에너지 중에서도 녹색 에너지로 각광받고 있고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구가 지속되고 있으며, 이러한 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.Among these alternatives, research on wind power, solar heat, geothermal energy, and the like, which are under the spotlight as green energy and have an infinite energy source, are continuing. These energy sources can obtain energy without affecting air pollution and climate change While the energy density is very low.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위 장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되고 있다.In particular, in order to obtain energy using wind power and solar heat, it is necessary to secure a large area together with the limit of the installation site, and these devices have a low energy production capacity per unit device, and are also expensive to install and maintain.
또한 대체 에너지의 일원인 지열은 지중의 일정한 범위에 분포되는 지열을 이용하여 냉난방을 제공하는 공기 조화장치에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 가정을 비롯한 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.In addition, geothermal heat, which is a part of alternative energy, can be applied to air conditioners that provide cooling and heating by using geothermal heat distributed in a certain range of the ground. When applied to heating and heating technologies such as buildings and the like using geothermal heat, It can save up to 40% more energy than the device and save 40 ~ 70% energy cost.
이러한 지열을 이용한 공기 조화장치는 지하에 일정 깊이로 매설된 지중 열교환기 통하여 하절기에는 지중으로 냉매의 열을 방출하고, 동절기에는 지중으로부터 냉매가 열을 흡수하여 연중 약 10~20℃로 유지되는 지열을 통하여 연내 안정적인 냉난방 운전이 가능하다.This type of geothermal air conditioner discharges the heat of refrigerant to the ground during the summer through an underground heat exchanger buried at a certain depth in the ground. In the winter season, the refrigerant absorbs heat from the ground, It is possible to perform stable cooling and heating operation within the year.
그러나 종래 사용되고 있는 지열을 이용한 공기 조화장치는 장시간 연속 운전 시 필요한 열량을 지열로부터 지속적으로 공급받지 못하는 경우가 발생하고 있다.However, in the conventional air conditioner using geothermal heat, the amount of heat required for continuous operation for a long time is not continuously supplied from the geothermal heat.
또한 냉매의 열교환 방향 또는 유속이 일정하여 지중 열교환기가 쉽게 스크레스를 받게 되는 문제가 있다.In addition, there is a problem that the heat exchanging direction or flow rate of the refrigerant is constant and the underground heat exchanger is easily scratched.
게다가, 히트펌프로 유입되는 냉매의 온도가 높아지는 경우, 히트펌프의 수명이 단축되는 문제점이 지적되고 있다.In addition, when the temperature of the refrigerant flowing into the heat pump increases, the life of the heat pump is shortened.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 지중 열교환기 내부의 냉매가 유동하는 방향을 제어하고, 잉여전력을 통하여 축열할 수 있는 지열을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a cooling / heating system using geothermal heat that can control the flow direction of a refrigerant in a geothermal heat exchanger and store heat through surplus electric power .
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은 지중에 매설되어 냉매를 지열과 열 교환시킬 수 있도록 일 측에 냉매가 유입되는 입구가 형성되고, 타 측에 냉매가 배출되는 출구가 형성되어 내부에 냉매가 유동하는 복수개의 단위 포트를 구비하는 지중 열교환기; 상기 지중 열교환기들을 통하여 열 교환된 냉매를 직렬 또는 병렬 또는 직병렬 중 선택된 하나의 모드로 제어하는 제어유닛; 상기 제어유닛과 연결되어 상기 지중 열교환기로부터 지열에 의해 열 교환된 냉매를 상기 제어유닛으로부터 공급받아 실내공간에 마련된 실내기에 고온 또는 저온의 공기를 공급시킬 수 있도록 복수개의 압축기를 구비하는 히트펌프 및 상기 지중 열교환기로부터 열교환 된 냉매를 공급받아 상기 히트펌프에 일정한 온도로 보상된 냉매를 공급하는 축열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention is characterized in that an inlet through which refrigerant is introduced into one side so as to allow heat exchange between refrigerant and geothermal heat buried in the ground and an outlet through which refrigerant is discharged to the other side is formed, An underground heat exchanger having a plurality of unit ports that flow; A control unit for controlling the refrigerant heat exchanged through the underground heat exchangers in one mode selected from serial, parallel, or serial / parallel; A heat pump connected to the control unit and having a plurality of compressors for supplying high-temperature or low-temperature air to the indoor unit, which is supplied from the control unit with refrigerant heat-exchanged by geothermal heat from the underground heat exchanger, And a heat storage unit that receives the refrigerant heat-exchanged from the underground heat exchanger and supplies the refrigerant compensated to a predetermined temperature to the heat pump.
상기 축열부는 상기 히트펌프와 연결되어 고온의 냉매를 저장하는 축열챔버와, 상기 축열챔버와 선택적으로 연통하도록 격벽을 두고 측방향에 배치되고, 상기 지중 열교환기로부터 열 교환된 냉매를 일부 저장하는 수조챔버 및 상기 축열챔버와 수조챔버 사이에서 상기 격벽 상에 마련되어 상기 축열챔버 내부의 고온의 냉매와 상기 수조챔버 내부의 저온의 냉매가 대류 현상에 의해 선택적으로 혼합시키는 열 교환 밸브를 포함할 수 있다.The heat storage unit includes a heat storage chamber connected to the heat pump to store high temperature refrigerant, a water storage tank disposed laterally with a partition wall for selectively communicating with the heat storage chamber, and a part of a refrigerant heat exchanged from the underground heat exchanger And a heat exchange valve provided on the partition wall between the heat storage chamber and the water tank chamber for selectively mixing the high temperature refrigerant inside the heat storage chamber and the low temperature refrigerant inside the water tank chamber by convection.
상기 열교환 밸브는 상기 격벽의 상측 및 하측에 복수개 배치되어 대류 발생 시 냉매의 온도 차이에 의해 냉매가 이동하는 방향으로 선택적으로 연동하여 개방될 수 있다.A plurality of the heat exchange valves are disposed on the upper and lower sides of the partition wall, and can be selectively opened and closed in the direction in which the refrigerant moves due to the temperature difference of the refrigerant when convection occurs.
상기 제어유닛은 지중에 매설되어 외부로부터 유입된 물로부터 냉매를 열교환 시키는 잠열부를 포함할 수 있다.The control unit may include a latent heat unit buried in the ground to heat-exchange the refrigerant from the water introduced from the outside.
상기 히트펌프는 상기 실내기가 휴지 시, 또는 야간 경부하 시에 상기 축열챔버를 선택적으로 가열할 수 있다.The heat pump may selectively heat the heat storage chamber when the indoor unit is at rest or at night.
상기 지열을 이용한 냉난방 시스템은 상기 축열부 내부에 마련되어 상기 축열챔버 또는 수조챔버에 저장된 냉매의 온도를 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다.The geothermal cooling and heating system may further include a sensor unit provided inside the heat storage unit and measuring the temperature of the refrigerant stored in the heat storage chamber or the water tank chamber.
상기 센서부로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버의 온도가 설정온도 범위에 도달하는 경우, 상기 열 교환 밸브를 개방하여 상기 수조챔버와 축열챔버의 냉매가 대류 현상을 통해 강제 혼합되며, 혼합된 냉매를 상기 제어유닛으로 공급할 수 있다.When the temperature of the heat storage chamber reaches the set temperature range based on the data supplied from the sensor unit, the heat exchange valve is opened to forcibly mix the refrigerant in the water storage chamber and the heat storage chamber through the convection phenomenon, And the refrigerant can be supplied to the control unit.
상기 축열부는 상기 센서부로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버의 온도가 설정온도 범위 이상인 경우, 상기 실내기에 직접 냉매를 공급하도록 제어할 수 있다.The heat storage unit may control the supply of the refrigerant directly to the indoor unit when the temperature of the heat storage chamber is higher than the set temperature range based on the data supplied from the sensor unit.
본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템에 따르면,According to the geothermal heating / cooling system of the present invention,
첫째, 실내외 온도차가 큰 여름이나 겨울철에 지열을 이용하여 냉난방을 실시할 수 있어 전기료를 대폭 절감시킬 수 있고,First, since the heating and cooling can be performed using the geothermal heat in the summer or winter when the outdoor temperature difference is large, the electricity cost can be drastically reduced,
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둘째, 냉동기의 능률에 따른 성적계수(COP)를 증가시켜 냉난방의 효율을 극대화할 수 있으며,Secondly, it is possible to maximize the cooling and heating efficiency by increasing the coefficient of performance (COP) according to the efficiency of the refrigerator,
셋째, 지중 열교환기가 지중 열원의 소모량에 따른 스트레스를 분석하여 최적의 지중 열교환을 실현할 수 있고,Third, the underground heat exchanger can analyze the stress caused by the consumption of the underground heat source to realize the optimum underground heat exchange,
넷째, 복수개의 단위 포트들을 선택적으로 사용할 수 있도록 제어할 수 있어 비상 시에도 원활하게 지중 열교환기를 운영할 수 있는 효과가 있다.Fourth, it is possible to selectively use a plurality of unit ports, so that it is possible to smoothly operate an underground heat exchanger even in an emergency.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타내는 참고도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템을 도시하는 정면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 직렬모드에서 정방향으로 작동되는 상태를 도시하는 참고도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 직렬모드에서 역방향으로 작동되는 상태를 도시하는 참고도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 병렬모드에서 작동상태를 도시하는 참고도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템이 제어유닛을 일부 바이패스 시키는 상태를 도시하는 참고도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 1에 나타낸 축열부를 부분적으로 확대하여 도시하는 부분 확대도이다.
도 8은 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 강제순환 모드를 도시하는 참고도이다.
도 9는 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 축열부 가열모드를 도시하는 참고도이다.
도 10은 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템의 저전력 에코운전모드를 도시하는 참고도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a geothermal heating / cooling system according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2 is a front view showing the cooling / heating system using the geothermal heat shown in Fig. 1. Fig.
FIG. 3 is a reference view showing a state in which the cooling / heating system using the geothermal heat shown in FIG. 2 is operated in the forward direction in the serial mode.
FIG. 4 is a reference view showing a state in which the cooling / heating system using the geothermal heat shown in FIG. 2 is operated in the reverse direction in the serial mode.
Fig. 5 is a reference view showing an operating state in the parallel mode of the cooling / heating system using the geothermal heat shown in Fig. 2. Fig.
6A and 6B are reference views showing a state in which the cooling / heating system using the geothermal heat shown in FIG. 2 partially bypasses the control unit.
7A and 7B are partially enlarged views of the heat storage portion shown in Fig.
8 is a reference view showing a forced circulation mode of the cooling / heating system using the geothermal heat shown in FIG.
9 is a reference view showing a heat storage unit heating mode of the cooling / heating system using the geothermal heat shown in FIG.
10 is a reference view showing a low-power-eco operation mode of the cooling / heating system using the geothermal heat shown in Fig.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms and words used in the specification and claims should not be construed to be limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor should appropriately define the concept of the term to describe its invention in the best way possible It should be construed in the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타내는 참고도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)을 도시하는 정면도이며, 도 3은 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 직렬모드에서 정방향으로 작동되는 상태를 도시하는 참고도이고, 도 4는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 직렬모드에서 역방향으로 작동되는 상태를 도시하는 참고도이다.FIG. 1 is a reference view schematically showing a cooling / heating system using a geothermal heating /
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)은 지중에 매설되어 내부에서 유동하는 냉매를 지열과 열교환 시키는 복수개의 단위 포트(U)가 구비된 지중 열교환기(110)와, 상기 복수개의 단위 포트(U)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 냉매의 흐름을 제어하는 제어유닛(120)과, 상기 제어유닛(120)과 실내기(10) 사이에 마련되어 상기 실내기(10)에 고온 또는 저온의 공기를 공급시키는 히트펌프(130) 및 상기 제어유닛과 실내기 사이에 마련되어 상기 실내기에 고온 또는 저온의 공기를 공급시키는 히트펌프 및 상기 히트펌프에 일정한 온도로 보상된 냉매를 공급하는 축열부를 포함한다.1 to 4, a geothermal cooling /
상기 단위 포트(U)들은 지중에 설정 간격으로 이격되어 시추된 천공부분(미도시)에 삽입되고, 각각 일 측에 냉매가 유입되는 입구(117)가 형성되고, 타 측에 냉매가 배출되는 출구(118)가 형성된다. 이때 상기 입구(117)와 출구(118)는 각각 상기 제어유닛(120)과 연결되며, 상기 제어유닛(120)에 의해 상기 입구(117)와 출구(118)의 개폐가 제어된다. 따라서 상기 입구9117)와 출구(118)의 제어방향이 변경됨에 따른 상기 입구와 출구의 기능은 각각 변경될 수도 있다.The unit ports U are inserted into perforated portions (not shown) spaced apart from each other at a predetermined interval in the ground, each having an
상기 제어유닛(120)은 일 단부가 상기 히트펌프(130)와 연결되고, 상기 단위 포트(U)들의 각 입구(117)들을 연결하는 제1유로(121)와, 일 단부가 상기 제1유로(121)의 타 단부와 연결되고, 상기 단위 포트(U)들의 각 출구(118)들과 타 단부가 상기 히트펌프(130)와 연결되는 제2유로(122)와, 상기 제1유로(121)의 타 단부와 상기 제2유로(122)의 일 단부 사이에서 연장되어 상기 히트펌프(130)와 연결되는 제3유로(123)를 포함한다.The
그리고 상기 제1유로(121) 상에 마련되어 상기 단위 포트(U)들의 각 입구(117)들을 개폐하거나 또는 상기 제1유로(121)의 일부분을 개폐하는 제1밸브(121a)들과, 상기 제2유로(122) 상에 마련되어 상기 단위 포트(U)들의 각 출구(118)들을 개폐하거나 또는 상기 제2유로(122)의 일부분을 개폐하는 제2밸브(122a)들과, 상기 제1유로(121)의 타 단부와 상기 제2유로(122)의 일 단부 사이에서 상기 제3유로(123)와 만나는 부분에 마련되어 상기 제3유로(123)의 개폐하는 제3밸브(123a)를 포함한다.
그러면 상기 제1유로(121) 내지 제3유로(123) 내에서 유동하는 냉매가 상기 제1밸브(121a)들과 제2밸브(122a)들 및 제3밸브(123a)의 개폐작동에 따라서 복수개의 상기 단위 포트(U)를 직렬모드 또는 병렬모드로 거치면서 지열과 열 교환하게 된다.The refrigerant flowing in the first to
이때 상기 제어유닛(120)은 상기 단위 포트(U)들의 각 입구(117)들로 유입된 냉매가 각 출구(118)들로 배출되면서 발생되는 온도차를 감지하는 온도센서(124)를 포함한다. 상기 온도센서(124)는 상기 단위 포트(U)들의 각 입구(117) 측과 출구(118) 측에 인접하여 각각 마련되고, 또한 출구(118) 측과 지열의 온도를 측정할 수 있도록 지중에 마련될 수도 있다. 또한 상기 단위 포트(U)들의 내부를 유동하는 냉매의 온도변화를 감지할 수 있는 어느 위치에도 상기 온도센서가 구비될 수 있다.The
또한 지중의 열 교환 스트레스 정도에 대응하여 냉매가 상기 제1유로(121) 내지 제3유로(123) 사이에서 정방향 또는 역방향으로 유동할 수 있도록 제어할 수 있다.Also, it is possible to control the refrigerant to flow in the forward direction or the reverse direction between the
도 3을 참조하면, 상기 제어유닛(120)은 직렬모드 작동상태로 운전되고 있다. 이하에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 단위 포트(U)들이 제1포트(111) 내지 제6포트(116)로 구성된 것을 일 예로써 설명한다. 상기 제1포트(111) 내지 제6포트(116)는 냉매의 흐름을 나타내기 위한 구성으로 상기 단위 포트(U)들의 개수는 열 교환 규모에 따라서 변경될 수 있음은 물론이다.Referring to FIG. 3, the
상기 제1유로(121)는 상기 히트펌프(130)로부터 배출되는 냉매를 공급받아 상기 제1포트(111)의 입구(117) 측에 공급하고, 다시 상기 제1포트(111)의 출구(118) 측으로 배출된 냉매는 상기 제2유로(122)를 통하여 상기 제2포트(112)의 출구(118) 측으로 유입되며, 또한 상기 제2포트(112)의 입구(117) 측으로 배출된 냉매는 상기 제1유로(121)를 통하여 상기 제3포트(113)의 입구(117) 측으로 유입된다. 이와 같은 방식으로 각 포트들의 입구(117) 측과 출구(118) 측을 각각 유동하며 순차적으로 모든 포트들을 순환한 후 상기 제3유로(123)를 통하여 상기 히트펌프(130)로 열 교환된 냉매를 공급하게 된다.The
그러면 상기 히트펌프(130)는 열 교환된 냉매를 통하여 냉난방에 필요한 보조 열원을 공급받게 된다.Then, the
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 히트펌프(130)로부터 배출된 냉매를 상기 제3유로(123)를 통하여 상기 제6포트의 입구(117) 측으로 먼저 공급하여, 도 3에 도시된 냉매의 흐름 방향과 역방향으로 순차적으로 냉매를 공급하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.4, the refrigerant discharged from the
예컨대 상기 제1포트(111)로부터 제6포트(116) 방향으로 냉매를 순환시키게 되면, 초기 열 교환이 많이 일어나는 상기 제1포트(111)는 상대적으로 상기 제6포트(116)에 비하여 많은 스트레스를 받게 된다. 반대로 상기 제1포트(111) 주변의 지열의 온도차가 감소하게 되면, 상기 제6포트(116)로부터 제1포트(111) 방향으로 냉매를 순환시켜 상기 제1포트(111)의 스트레스를 감소시키고, 또한 보다 빠른 열 교환을 하는데 효율적으로 운전할 수 있다.For example, when the refrigerant is circulated in the direction from the
도 5는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 병렬모드에서 작동상태를 도시하는 참고도이다.FIG. 5 is a reference view showing an operating state in the parallel mode of the cooling /
도 5를 참조하면, 상기 제어유닛(120)은 병렬모드 작동상태로 운전되고 있다. 상기 제1유로(121)는 상기 히트펌프(130)로부터 배출되는 냉매를 공급받아 상기 제1포트(111) 내지 제5포트(115)의 입구(117) 측으로 공급하고, 각각 상기 단위 포트(U)의 입구(117) 측으로 유입된 냉매는 출구(118) 측으로 이동하면서 지중에서 열 교환이 이루어진다. 열 교환된 냉매는 각각 상기 출구(118) 측으로 배출되면서 상기 제2유로(122) 상에 포집되고, 상기 제2유로(122)는 다시 상기 히트펌프(130)로 열 교환된 냉매를 공급하게 된다.Referring to FIG. 5, the
그러면 상기 히트펌프(130)는 열 교환된 냉매를 통하여 냉난방에 필요한 보조 열원을 공급받게 된다.Then, the
또한 도면에 도시하지는 않았지만, 병렬모드로 작동되는 상태에서도 냉매의 정방향 또는 역방향으로 선택적으로 제어할 수 있음은 물론이다. 이는 상기 히트펌프(130)로부터 배출되는 냉매를 상기 제2유로(122)를 통하여 각 포트들의 출구 측으로 냉매를 먼저 유입시키면 용이하게 구현할 수 있어 중복 설명은 생략한다.Although not shown in the drawing, it is needless to say that the refrigerant can be selectively controlled in the forward or reverse direction even in a state of being operated in the parallel mode. The refrigerant discharged from the
도 6a 및 도 6b는 도 2에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)이 제어유닛(120)을 일부 바이패스 시키는 상태를 도시하는 참고도이다.6A and 6B are reference views showing a state in which the cooling /
도 6a를 참조하면, 도 6a는 직렬모드에서 작동상태를 도시하고 있지만 중간 부분에 상기 제3포트(113)에서는 열 교환이 이루어지지 않고, 상기 제2포트(112)에서 제4포트(114)로 냉매가 유동하고 있다.Referring to FIG. 6A, although FIG. 6A illustrates an operating state in the serial mode, heat exchange is not performed in the
이는 예컨대 상기 제3포트(113)의 운전 상태에 문제가 생겼거나, 또는 상기 제3포트(113)가 열 교환에 따른 스트레스가 극심한 경우, 또는 지열과 열 교환양이 충분한 상태이기 때문에 일부 포트로만 열 교환이 이루어지는 경우에 상기 단위 포트(U) 중 일부를 선택적으로 운전할 수 있다.This is because, for example, when there is a problem in the operation state of the
그리고 도 6b를 참조하면, 도 6b는 병렬모드에서 작동상태를 도시하고 있지만 중간 부분에 상기 제3포트(113)에서는 열 교환이 이루어지지 않고, 상기 제2포트(112)에서 제4포트(114)로 냉매를 바이패스 시키고 있다.6B shows an operation state in the parallel mode, but the heat exchange is not performed in the
이 또한 전기한 직렬모드 작동상태와 마찬가지로 기 제3포트(113)의 운전 상태에 문제가 생겼거나, 또는 상기 제3포트(113)가 열 교환에 따른 스트레스가 극심한 경우, 또는 지열과 열 교환양이 충분한 상태이기 때문에 일부 포트로만 열 교환이 이루어지도록 하는 경우에 상기 단위 포트(U) 중 일부를 선택적으로 운전할 수 있다.This is also the case when the operation state of the
따라서 상기 단위 포트(U)들 중 일부를 선택적으로 운영할 수 있어 각각의 상기 단위 포트(U)들의 스트레스를 고려하여 최적의 열 교환 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다.Therefore, it is possible to selectively operate some of the unit ports U, thereby providing an optimum heat exchange performance in consideration of the stresses of the unit ports U.
또한 상기 단위 포트(U)들을 선택적으로 사용하거나, 냉매의 유동 방향을 제어하는 기능 이외에도 상기 제어유닛(120)은 상기 온도센서(124)로부터 제공되는 냉매의 온도정보를 이용하여 상기 제1유로(121) 내지 제3유로(123) 상에서 냉매의 유동속도를 변경할 수 있도록 제어한다.In addition to the function of selectively using the unit ports U or controlling the flow direction of the refrigerant, the
이는 상기 단위 포트(U)들 내부에서 유동하는 냉매의 유속을 증가시켜 각각의 상기 단위 포트(U)들이 받는 스트레스는 증가하지만 열 교환율이 증가하는 효과를 기대할 수 있다. 따라서 단기간에 빠른 열 교환을 요구하는 경우, 냉매의 유속을 증가시켜 열 교환율을 증가시킬 수도 있다.This increases the flow rate of the refrigerant flowing in the unit ports U so that the stresses received by the unit ports U increase, but the heat exchange rate increases. Therefore, when rapid heat exchange is required in a short period of time, the flow rate of the refrigerant may be increased to increase the heat exchange rate.
도 7a 및 도 7b는 도 1에 나타낸 축열부(140)를 부분적으로 확대하여 도시하는 부분 확대도이며, 도 8은 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 강제순환 모드를 도시하는 참고도이다.7A and 7B are partially enlarged views of the
도 7a 내지 도 8을 참조하면, 상기 히트펌프(130)는 내부에 병렬로 배치되는 복수개의 압축기(131)를 포함한다. 물론 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 히트펌프(130)는 병렬로 배치된 상기 압축기들과 각각 연동하는 응축기와, 팽창밸브와, 증발기를 포함한다. 상기 압축기는 상기 실내기에서 사용되는 부하량에 따라서 하나 또는 복수개가 선택적으로 가동된다.Referring to FIGS. 7A to 8, the
상기 축열부(140)는 고온의 냉매를 저장하는 축열챔버(141)와, 상기 축열챔버(141)와 선택적으로 연통하도록 측방향에 배치되고 상기 지중 열교환기(110)로부터 열 교환된 냉매를 일부 저장하는 수조챔버(142) 및 상기 축열챔버(141)와 수조챔버(142) 사이에 형성된 격벽(144) 상에 마련되어 상기 축열챔버(141) 내부의 고온의 냉매와 상기 수조챔버(142) 내부의 저온의 냉매가 대류 현상에 의해 선택적으로 혼합시키는 열 교환 밸브(143)를 포함한다.The
상기 축열챔버(141)는 일 측이 상기 히트펌프(130)와 연결되어 축열되고, 타 측이 상기 수조챔버(142)와 선택적으로 연통하도록 배치된다. 상기 축열챔버(141)와 수조챔버(142) 사이에는 상기 격벽(144)을 두고 수평방향으로 이격되어 배치되며, 상기 격벽(144)을 포함한 상기 축열챔버(141)와 수조챔버(142)의 외측면은 단열재로 형성되는 것이 바람직하다.The
상기 수조챔버(142)는 상기 지중 열교환기(110)로부터 열 교환된 냉매를 일부 저장하는 저장고로 상기 축열챔버(141) 내부에 저장된 냉매에 비하여 냉매의 온도가 비교적 낮기 때문에 상기 열 교환 밸브(143)가 개방되는 경우 고온과 저온의 냉매 사이에 압력차로 인해 대류현상이 발생하여 상기 수조챔버(142)와 축열챔버(141) 내부의 냉매는 혼합되어 설정온도 범위에서 열평형이 이루어진다.The
상기 열 교환 밸브(143)는 예컨대 버터플라이 밸브(Butterfly Valve)로 구성되며, 원판을 회전시켜 관로(管路)를 열고 닫음으로써 유량의 조절이 용이한 밸브를 적용한다.The
상기 열 교환 밸브(143)는 상기 격벽(144)의 상측 및 하측에 복수개 배치되어 대류 발생 시 냉매의 온도 차이에 의해 냉매가 이동하는 방향으로 선택적으로 연동하여 개방되도록 설치된다.A plurality of the
또한 상기 축열부(140) 내부에는 상기 축열챔버(141) 또는 수조챔버(142)에 저장된 냉매의 온도를 감지하는 센서부(145)를 포함한다.And a
그러면 상기 센서부(145)로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버(141)의 온도가 설정온도 범위에 도달하는 경우, 상기 열 교환 밸브(143)를 개방하여 상기 수조챔버(142)와 축열챔버(141)의 냉매가 대류 현상을 통해 혼합되며, 혼합된 냉매를 상기 제어유닛(120)으로 공급할 수 있다.When the temperature of the
그리고 상기 제어유닛(120)은 지중에 매설되어 외부로부터 유입된 냉매를 지열과 열교환 시키는 잠열부(126)를 포함한다.The
상기 잠열부(126)는 우수나 건천수를 저장하고, 이로부터 폐열 또는 공기열을 회수하여 잠열을 공급하게 된다. 이때 상기 잠열부(126)는 내부에 열교환기(127)가 설치되는데 상기 열교환기(127)는 우수나 건천수로부터 발생된 폐열 또는 공기열로부터 회수한 잠열을 상기 제어유닛(120)으로 공급하는 기능을 제공한다.The
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 축열챔버(141)의 냉매는 상기 수조챔버(142) 내부의 냉매와 혼합되어 열 교환이 이루어진 후 상기 제어유닛(120)으로 공급되어 상기 지중 열교환기(110)로부터 지열과 열 교환된 냉매와 혼합되어 상기 히트펌프(130)로 공급된다.8, the refrigerant in the
이는 상기 히트펌프(130) 내부에 고온의 냉매가 유입되는 경우 캐비테이션(Cavitation)이 발생하여 상기 히트펌프(130)의 효율을 감소시키거나 파손시킬 우려가 있기 때문에 상기 축열챔버(141) 내부의 냉매를 감온시켜 공급해야 하기 때문이다.This is because cavitation occurs when high-temperature refrigerant flows into the
따라서 상기 수조챔버(142) 내부에 저장되는 냉매인 지열수는 상기 축열챔버(141) 내부에 저장되어 가열된 냉매와 강제로 혼합되면서 온도를 보상시켜 상기 제어유닛(120)을 통해 상기 히트펌프(130)로 안전하게 공급된다.Therefore, the geothermal water, which is a refrigerant stored in the
도 9는 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 축열부(140) 가열모드를 도시하는 참고도이다.FIG. 9 is a reference view showing a heating mode of the
도 9를 참조하면, 상기 축열부(140) 가열모드는 상기 히트펌프(130)가 상기 축열챔버(141) 내부의 냉매를 가열한다. 상기 히트펌프(141)는 상기 실내기(10)가 휴지(休止) 시, 또는 야간 경부하 시에 상기 축열부(140)에 마련된 축열챔버(141)를 선택적으로 가열하여 축열한다. 그리고 상기 실내기(10)가 경부하 시에 하나의 압축기(131)를 선택적으로 이용하여 축열하도록 제어할 수 있다.Referring to FIG. 9, in the heating mode of the
이는 상기 히트펌프(130)에 걸리는 부하가 미약한 경우, 잉여전력을 이용하여 상기 축열챔버(141)의 냉매를 가열함으로써 상기 히트펌프(130)로 유입되는 냉매의 온도차이가 적어지도록 보상하는 기능을 제공한다.This makes it possible to compensate the temperature difference of the refrigerant flowing into the
도 10은 도 1에 나타낸 지열을 이용한 냉난방 시스템(100)의 저전력 에코운전모드를 도시하는 참고도이다.10 is a reference diagram showing a low-power eco operation mode of the cooling /
도 10을 참조하면, 상기 축열챔버(141) 내부에는 상기 히트펌프(130)에 의해 가열된 냉매가 저장되어 있다. 겨울철 난방 시, 상기 히트펌프(130)에 의해 가열된 냉매는 상기 센서부(145)로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버(141) 내부의 냉매 온도가 설정온도 범위 이상인 경우, 상기 축열챔버(141)로부터 상기 실내기(10)로 직접 공급되어 난방운전을 수행할 수 있다. 이는 상기 히트펌프(130) 또는 제어유닛(120)을 사용하지 않기 때문에 잉여전력을 이용하여 저전력 에코운전을 할 수 있고, 또한 계통피크 발생 또는 과부하 시 상기 히트펌프(130)를 정지시키고 상기 축열챔버(141)로부터 고온의 냉매를 상기 실내기(10)로 공급할 수 있는 효과가 있다.Referring to FIG. 10, a refrigerant heated by the
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.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100 : 지열을 이용한 냉난방 시스템
110 : 지중 열교환기 120 : 제어유닛
121 : 제1유로 121a : 제1밸브
122 : 제2유로 122a : 제2밸브
123 : 제3유로 123a : 제3밸브
124 : 온도센서 126 : 잠열부
127 : 열교환기 130 : 히트펌프
131 : 압축기 140 : 축열부
141 : 축열챔버 142 : 수조챔버
143 : 열 교환 밸브 144 : 격벽
145 : 센서부 U : 단위 포트
10 : 실내기100: Heating and cooling system using geothermal
110: underground heat exchanger 120: control unit
121:
122:
123:
124: temperature sensor 126: latent heat part
127: heat exchanger 130: heat pump
131: compressor 140:
141: heat storage chamber 142: water tank chamber
143: heat exchange valve 144: partition wall
145: Sensor unit U: Unit port
10: indoor unit
Claims (8)
상기 단위 포트를 직렬 또는 병렬 중 선택된 하나의 모드로 연결되도록 냉매의 흐름을 제어하는 제어유닛;
상기 제어유닛과 연결되어 상기 지중 열교환기로부터 지열에 의해 열 교환된 냉매를 상기 제어유닛으로부터 공급받아 실내공간에 마련된 실내기에 고온 또는 저온의 공기를 공급시킬 수 있도록 복수개의 압축기를 구비하는 히트펌프 및
상기 지중 열교환기로부터 열교환 된 냉매를 공급받아 상기 히트펌프에 설정범위의 온도로 보상된 냉매를 공급하도록 상기 히트펌프와 연결되어 고온의 냉매를 저장하는 축열챔버와, 상기 축열챔버와 선택적으로 연통하도록 격벽을 두고 측방향에 배치되고, 상기 지중 열교환기로부터 열 교환된 냉매를 일부 저장하는 수조챔버 및 상기 축열챔버와 수조챔버 사이에서 상기 격벽 상에 마련되어 상기 축열챔버 내부의 고온의 냉매와 상기 수조챔버 내부의 저온의 냉매가 대류 현상에 의해 선택적으로 혼합시키는 열 교환 밸브를 구비하는 축열부를 포함하고,
상기 열교환 밸브는 상기 격벽의 상측 및 하측에 복수개 배치되어 대류 발생 시 냉매의 온도 차이에 의해 냉매가 이동하는 방향으로 선택적으로 연동하여 개방되며,
상기 축열부 내부에 마련되어 상기 축열챔버 또는 수조챔버에 저장된 냉매의 온도를 측정하는 센서부를 더 포함하고,
상기 센서부로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버의 온도가 설정온도 범위에 도달하는 경우, 상기 열 교환 밸브를 개방하여 상기 수조챔버와 축열챔버의 냉매가 대류 현상을 통해 강제 혼합되며, 혼합된 냉매를 상기 제어유닛으로 공급하는 것을 특징을 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.A plurality of unit ports each having an inlet through which coolant flows into the one side and a coolant outlet through which the coolant flows in the other side so that the coolant can be exchanged with the geothermal heat, heat transmitter;
A control unit for controlling the flow of the refrigerant such that the unit ports are connected in a selected one of a serial mode and a parallel mode;
A heat pump connected to the control unit and having a plurality of compressors for supplying high-temperature or low-temperature air to the indoor unit, which is supplied from the control unit with refrigerant heat-exchanged by geothermal heat from the underground heat exchanger,
A regenerative chamber connected to the heat pump to store the high-temperature refrigerant to supply the refrigerant compensated at a predetermined temperature range to the heat pump by receiving the refrigerant heat-exchanged from the underground heat exchanger; A water tank chamber for storing a part of the refrigerant heat exchanged from the underground heat exchanger and disposed on a side of the partition wall and a partition wall provided on the partition wall between the heat storage chamber and the water tank chamber so as to cool the hot refrigerant inside the heat storage chamber, And a heat storage portion having a heat exchange valve for selectively mixing the low-temperature refrigerant inside by convection,
The plurality of heat exchange valves are disposed on the upper and lower sides of the partition, and selectively open and open in a direction in which the refrigerant moves due to the temperature difference of the refrigerant when convection occurs,
And a sensor unit provided inside the heat storage unit and measuring the temperature of the refrigerant stored in the heat storage chamber or the water tank chamber,
When the temperature of the heat storage chamber reaches the set temperature range based on the data supplied from the sensor unit, the heat exchange valve is opened to forcibly mix the refrigerant in the water storage chamber and the heat storage chamber through the convection phenomenon, And the refrigerant is supplied to the control unit.
상기 제어유닛은,
지중에 매설되어 외부로부터 유입된 물로부터 냉매를 열교환 시키는 잠열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.The method according to claim 1,
The control unit includes:
And a latent heat unit buried in the ground to heat-exchange the refrigerant from the water introduced from the outside.
상기 히트펌프는,
상기 실내기가 휴지 시, 또는 야간 경부하 시에 상기 축열챔버를 선택적으로 가열하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.The method according to claim 1,
The heat pump includes:
Wherein the heat storage chamber is selectively heated when the indoor unit is at rest or at a light load at night.
상기 축열부는,
상기 센서부로부터 공급받은 데이터를 근거로 상기 축열챔버의 온도가 설정온도 범위 이상인 경우, 상기 실내기에 직접 냉매를 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 시스템.The method according to claim 1,
The heat storage unit
And controls to supply the refrigerant directly to the indoor unit when the temperature of the heat storage chamber is higher than the set temperature range based on data supplied from the sensor unit.
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KR1020130167714A KR101402837B1 (en) | 2013-12-30 | 2013-12-30 | Air conditioner using the geothermal |
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