KR101463122B1 - 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치 - Google Patents

밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치에 관한 것으로, 냉방과 난방을 겸용으로 사용할 수 있고 냉방시 축열조 내의 물을 영하로 떨어뜨려 얼릴 수 있으며, 축열조 내에 배열된 냉매관에 용접부를 배제시킬 목적으로, 물이 충진되고 밀폐된 내부 공간이 제1공간(S1) 및 제2공간(S2)으로 구획되고, 상기 제2공간에는 잠열재가 충전된 잠열기(110)가 하나 또는 복수 개 설치된 축열조(10)와; 상기 제1공간 내에서 지지프레임(26)에 의해 고정된 나선형 냉매관(232)으로 상기 물을 가열 또는 얼리기 위한 냉매를 공급하고 회수하도록 상기 나선형 냉매관과 연결된 히트펌프(20)와; 상기 축열조 내부 공간을 경유하도록 설치된 냉온수관으로 물을 공급하고 회수하도록 상기 냉온수관과 연결되어 상기 냉온수관을 통과한 고온 또는 저온의 물을 통해 온기 또는 냉기를 공급하는 실내기(30)와; 상기 축열조의 내부 공간과 연통하는 내부 공간이 형성되어 축열조 내의 물이 팽창하는 것에 대응하도록 상기 축열조와 연결배관을 매개로 연결된 팽창탱크(40); 를 포함하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치가 제공된다.

Description

밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치{COOLING AND HEATING DEVICE USING ICE THERMAL STORAGE WITH SEALED TYPE ICE STORAGE TANK}
본 발명은 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 심야 전기를 이용한 빙축열 냉방장치의 구성을 개선하여 난방장치를 겸용하여 사용할 수 있도록 한 것으로서, 특히 축열조 내에 배치된 냉매관에 용접부가 형성되지 않으면서도 축열조 내부 일측에 잠열기가 더 내재된 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치에 관한 것이다.
일반적으로 빙축열을 이용한 냉방장치는 특허문헌 1에서와 같이 냉동사이클부, 빙축조, 브라인 순환펌프, 실내 순환펌프 및 이들을 제어하는 콘솔로 이루어지고, 하절기의 심야전기 시간에 냉동사이클부의 콤프레샤를 가동함과 동시에 브라인 순환펌프를 온(ON)시키고 실내 순환펌프는 브라인 순환펌프 방향으로 오픈(OPEN) 시켜 냉방용 축열재의 온도를 원하는 온도까지 냉각시켜 소망하는 빙축열을 얻게 된다. 그 후 낮 시간대에 냉동사이클부의 콤프레샤 작동이 중지되고 브라인 순환펌프는 오프(OFF)되며 이때, 실내 순환펌프를 온(ON)시켜 냉방하고자 하는 실내에 설치된 라디에이터에 냉각되어진 브라인을 순환시켜 실내를 냉방하는 구조이다.
그 외 빙축열을 이용한 냉방장치로서, 특허문헌 2에서는 내부에 축냉공간이 형성되고 상기 축냉공간의 일측에 축냉공간의 냉기를 송풍구로 토출하기 위한 송풍팬 및 축냉공간으로 외기를 흡입하기 위한 유입구를 갖춘 실내기; 상기 축냉공간에 설치되고 내부에 빙축재(R)가 저장된 빙축관; 상기 빙축관을 관통하고 냉매가 순환되도록 하여 상기 빙축재룰 결빙시키기 위한 냉매관; 상기 냉매관과 연결되어 냉매와 외기 상호간에 열교환을 이루는 실외기;로 이루어진 빙축열 에어컨장치가 제안된 바 있다.
또한 특허문헌 3에서는 하나의 하우징내부에 냉동기와 복수개의 축열도넛을 포함하는 축열조 및 열교환기를 일체로 구성하며, 상기 냉동기와 축열조 간에는 저온냉매를 순환시키기 위한 냉동밸브; 상기 열교환기와 축열조 간에는 냉수를 순환시키며 냉수배관을 통해 연결되어 냉수를 순환시키기 위한 냉수순환펌프; 상기 하우징의 일측에는 공기를 공급하는 공기송풍구; 및 상기 열교환기로부터 교환된 냉풍을 배출하기 위한 공기냉풍구를 포함하는 빙축열 냉방시스템 및 방법이 제안되었다.
이러한 빙축열 이용 냉방장치는 일반 에어컨에 비해 에너지 소비량을 대폭 절감할 수 있는 큰 특징이 있으나, 무더운 여름철에 실내를 냉방하기 위해서 약 3개월 내외의 기간동안만 사용될 뿐, 기타 냉방이 필요하지 않은 대부분의 계절에는 사용하지 않게 되어 사용상의 한계가 있다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 특허문헌 4와 같이 수축열식 히트 펌프(heat pump)를 이용한 냉난방 겸용 장치가 제안된 바 있으나, 이러한 종류의 수축열식 히트 펌프를 사용하는 경우 관형 열교환기를 매개로 하여 수축열조의 물을 냉각시키기 때문에 수축열조의 물 온도를 영점(0℃) 이하로 내리기 어려워서 냉방 가동시 차가운 냉기가 제대로 발생하지 않게 되는 단점이 있을 뿐 아니라 구조가 복잡하기 때문에 장치의 소형화에 한계가 있으므로 일반 가정용으로 사용하기에는 적합하지 않다는 단점이 있다.
더욱이, 종래 기술들은 통상적으로 냉매를 순환시키는 냉매관이 지그재그형으로 굴곡된 것을 축냉조 내에 수평 또는 수직으로 배치한 구조인데, 이러한 냉매관은 'U'자형 배관의 각 단부에 '1'자형 배관의 각 단부를 상호 용접하여 연결하거나 길이가 긴 '1'자형 배관의 일부분을 'U"자형으로 밴딩 처리한 구조이기 때문에 생산성이 나쁘고 용접부위에서 냉매가 누설될 수 있는 등, 내구성이 취약하다는 문제점이 있다.
1. 대한민국 특허공개 제 2002-0074554호(2002.10.04 공개) 2. 대한민국 특허등록 제 1188909호(2012.10.08. 공고) 3. 대한민국 특허등록 제 0964360호(2010.06.17. 공고) 4. 대한민국 특허등록 제 0923206호(2009.10.22. 공고)
본 발명은 상기의 종래 기술이 가지는 빙축열 이용 냉방 또는 냉난방 장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 전기 보일러와 같이 밀폐형 축열조 및 히트 펌프를 갖추어 냉방과 난방을 겸용으로 사용할 수 있도록 하여 필요시 사계절 내내 사용할 수 있도록 하면서도 냉방시 축열조 내의 물을 영하로 떨어뜨려 얼릴 수 있도록 하여 냉방성능이 저해되지 않고 축열밀도가 높아지므로 소형화가 가능하며, 또한 축열조 내에 배열된 냉매관에 용접부를 배제시킨 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 물이 충진되고 밀폐된 내부 공간이 제1공간 및 제2공간으로 구획되고, 상기 제2공간에는 잠열재가 충전된 잠열기가 하나 또는 복수 개 설치된 축열조와; 상기 제1공간 내에서 지지프레임에 의해 고정된 나선형 냉매관으로 상기 물을 가열 또는 얼리기 위한 냉매를 공급하고 회수하도록 상기 나선형 냉매관과 연결된 히트펌프와; 상기 축열조 내부 공간을 경유하도록 설치된 냉온수관으로 물을 공급하고 회수하도록 상기 냉온수관과 연결되어 상기 냉온수관을 통과한 고온 또는 저온의 물을 통해 온기 또는 냉기를 공급하는 실내기와; 상기 축열조의 내부 공간과 연통하는 내부 공간이 형성되어 축열조 내의 물이 팽창하는 것에 대응하도록 상기 축열조와 연결배관을 매개로 연결된 팽창탱크; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 냉방과 난방을 선택적으로 사용할 수 있으므로 사계절 내내 필요에 따라 실내 온도를 적절하게 유지할 수 있으면서도 빙축열과 잠열재의 잠열을 이용하기 때문에 에너지 소모량을 대폭 절감할 수 있게 되어 기존의 냉난방 시스템 에어컨을 대체할 수 있다.
또한, 수축열식 히트 펌프를 이용하는 냉난방 장치에 비해 냉방성능이 우수할 뿐 아니라 구조의 간이성으로 인해 소형화가 가능하며 축열조 내의 물을 영하로 떨어뜨릴 수 있으므로 냉방 성능을 향상시킬 수 있어서 공장이나 빌딩은 물론 일반 가정에서도 사용할 수 있게 되어 그 보급력이 클 것으로 기대된다.
더욱이 축열조 내에 배치된 냉매관에 용접부분이 형성되어 있지 않으므로 급격한 온도변화에 의한 용접부 파손 우려가 없어서 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치에서 냉매관 배열 형태를 보인 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 보인 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 첨부된 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예이므로 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 기술이거나 용이하게 도출되는 정도의 기술 또는 특허문헌 1에 기재된 사항과 중복되는 내용에 대해서는 그에 관한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치에서 냉매관 배열 형태를 보인 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하는 바와 같이 빙축열을 이용한 냉난방장치는 밀폐형의 축열조(10), 히트펌프(heat pump)(20), 실내기(30) 및 팽창탱크(40)로 구성된다.
상기 축열조(10)는 종래의 빙축열을 이용한 냉방장치에 사용되는 것과 같이 개방향이 아닌 밀폐형으로서 내부 공간에 물(W)이 충진되어 있고, 물이 충진된 내부 공간은 나선형 냉매관(232)이 내재된 제1공간(S1)과 잠열기(110)가 내재된 제2공간(S2)으로 구획되어 있다.
상기 제1공간(S1)과 제2공간(S2) 사이에는 다수의 통공이 형성된 격벽(101)이 수평하게 설치됨으로써 상기 제1공간(S1)과 제2공간(S2)이 상하 측으로 구획되고, 상기 격벽(101)의 상측 공간에 잠열기(110)가 구비된 제2공간(S2)이 마련된다.
상기 잠열기(110)는 열전도도가 높은 재질로 된 밀폐 케이스로서 그 내부에 잠열재(111)가 충전되어 있는 것으로, 예를 들어 내부에 망초, 초산나트륨, 탄산칼슘, 파라핀 등을 보호 케이스에 넣은 것일 수 있으며, 이러한 잠열재는 시판되고 있는 것들 중 적절하게 선택하여 축열조(10)의 용량과 잠열기(110)의 크기 등을 고려하여 하나 또는 복수 개 적용할 수 있다.
한편, 상기 축열조(10) 내부에는 열선(12)이 내입되어 있을 수 있고, 상기 열선(12)은 히터(11)와 전기적으로 연결되어 있어서 필요에 따라 상기 히터(11)를 가동시켜서 상기 열선(12)이 전기저항으로 가열되도록 하여 물의 온도를 높일 수 있다.
상기 히트 펌프(20)는, 상기 제1공간(S1) 내에서 지지프레임(26)에 의해 고정된 나선형 냉매관(232)으로 냉매를 공급하고 회수함으로써 축열조(10) 내의 물을 얼리거나 가열시킬 수 있도록 하는 것으로, 냉난방 시스템에 일반적으로 적용되고 있는 장치이다.
일반적인 히트 펌프는 과거에 냉장고나 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었다가, 현재는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치를 비롯하여 그 반대로 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치 및 냉난방 겸용 장치에 범용적으로 사용되며, 압축기, 증발기, 응축기 및 팽창밸브(미도시) 등으로 구성된다.
바람직한 실시 예로서 본 발명은 상기 제1공간(S1) 내의 나선형 냉매관(232)을 다수 개 설치할 수 있고, 또한 각 나선형 냉매관(232)의 일측 단부에 형성된 제1냉매관(231)들은 상기 히트 펌프(20)와 연결되어 냉매를 공급하는 냉매공급관(21)과 분배기(22)를 매개로 연결되는 한편, 각 나선형 냉매관(232)의 타측 단부에 형성된 제2냉매관(233)들은 상기 히트 펌프(20)와 연결되어 냉매를 회수하는 냉매회수관(25)과 포집기(24)를 매개로 연결되도록 설치한다.
이때 분배기(22)와 포집기(24) 사이의 냉매관(23), 즉 제1냉매관(231), 나선형 냉매관(232) 및 제2냉매관(232)은 각각 하나의 관체를 구부리거나 말아서 된 일체형의 관체로서, 이 경우 냉매관(23)에서 용접 부분이 배제될 수 있으므로 크랙 등에 의해 냉매가 누설되는 것을 방지할 수 있으므로 내구성을 향상시킬 수 있다.
더욱 바람직한 실시 예로서, 본 발명은 상기 제1냉매관(231) 및 제2냉매관(233)은 상기 축열조(10)의 제2공간(S2)을 관통하도록 설치할 수 있고, 이때 제2공간(S2) 내에 위치하는 제1냉매관(231) 및 제2냉매관(233)은 각각 축열조(10)의 벽에서 내측으로 연장된 유도관(102)에 의해 감싸지도록 설치하며, 상기 분배기(22) 및 포집기(24)는 상기 축열조(10) 외측에 배치한다.
이와 같이 구성하면, 밀폐된 축열조(10)의 내부 공간에 용접부분이 배제된 냉매관을 설치할 수 있으므로, 축열조(10) 내에서의 냉매 누설 가능성이 거의 없으므로 반영구적으로 사용할 수 있고, 또한 냉매의 누설 가능성이 있는 분배기(22)와 포집기(24) 부분은 축열조(10) 외부에 있으므로 보수가 용이하다.
히트펌프(20)의 작동은 난방용 사용시 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있으며, 냉방용 사용시 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환되게 함으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들 수 있다.
따라서 상기 축열조(10) 내에 배열된 냉매관(23)은, 난방시 히트펌프(20)의 응축기 기능을 가지게 하여 물을 가열할 수 있고, 냉방시에는 히트펌프(20)의 증발기 기능을 가지도록 하여 물을 결빙시킬 수 있다.
한편, 상기 냉매관(23)을 지지하는 지지프레임(26)은, 상측 프레임(261), 하측 프레임(262), 연결대(263) 및 클립(264)로 구성된다.
상기 상측 프레임(261)과 하측 프레임(262)은 각각 링 형태로 되고 내측에 다수 개의 보조프레임이 간격을 이루며 형성된 것으로 상측 프레임(261)은 상기 축열조(10) 내부 상측에 배치되고 하측 프레임(262)은 상기 축열조(10) 내부 하측에 배치된다.
상기 연결대(263)는 상기 상측 프레임(261) 및 하측 프레임(262) 사이를 연결하여 지지하는 것으로, 복수 개 설치될 수 있다.
상기 클립(264)은 상기 상측 프레임(261) 및 하측 프레임(262)에 설치되는 것으로서, 상기 나선형 냉매관(232)의 상단 및 하단을 각각 고정하여 냉매관(23)이 움직이지 않고 지지프레임(26)에 의해 안정적으로 배열될 수 있다.
상기 실내기(30)는 상기 축열조(10)의 내부 공간을 경유하도록 마련된 냉온수관과 연결되어 실내의 온도를 높이거나 낮출 수 있게 한 것으로, 상기 냉온수관은 상기 실내기(30) 일측에 연결된 제1냉온수관(31)과, 상기 제1냉온수관(31)과 연결되고 상기 축열조(10) 내부 공간을 경유하도록 마련된 제2냉온수관(32)과, 상기 제2냉온수관(32)과 상기 실내기(30) 사이를 연결하는 동시에 순환펌프(34)가 구비된 제3냉온수관(33)을 포함하여 구성된다.
이 경우 순환펌프(34)가 작동하면 축열조(10) 내부 공간의 제2냉온수관(32)의 물이 제3냉온수관(33)을 경유하여 실내기(30)로 유입되고, 실내기(30)를 통과하여 열교환이 이루어진 물은 제1냉온수관(31)을 통해 다시 제2냉온수관(32)으로 이동하는 형태로 순환된다.
이때 축열조(10) 내부의 물이 빙결되어 있으면 실내기(30)로 유입되는 물 역시 차가우므로 실내기(30)에서 냉기를 발산하여 실내 온도를 낮추고, 반대로 축열조(10) 내의 물 온도가 높은 경우 실내기(30)에서는 온기를 발산하여 실내 온도를 높이게 된다.
상기 팽창탱크(40)는 상기 축열조(10)와 연결배관(41)을 매개로 연결되어 축열조(10) 내부 공간과 연통하는 내부공간이 형성된 것으로, 이는 축열조(10) 내부의 물(W)이 가열 또는 빙결에 의해 부피가 팽창할 때 밀폐형 축열조(10)의 파손을 방지하기 위해 완충 공간을 형성한 것이다. 즉, 축열조(10)의 물이 가열 또는 빙결시 팽창된 부피만큼의 물이 팽창탱크(40) 내부로 유입되게 하여 축열조(10) 내의 압력을 일정한 수준으로 유지하도록 하는 것이다.
상기 팽창밸브(40)에는 필요시 팽창탱크(40) 내부로 물을 급수하는 급수관(42)이 연결되는 한편, 물의 팽창시 지나치게 팽창하여 일정 수위 이상 팽창하면 물이 배수되도록 하는 오버플로우(overflow)관(43)이 구비되어 있다.
이와 같은 구성의 냉방 또는 난방 작동 상태를 설명한다.
먼저, 여름철에는 심야전기를 이용하여 히트펌프(20)로 축열조(10) 내의 물을 결빙시킨 후, 기온이 높은 주간에 축열조(10) 내의 결빙된 얼음을 이용하여 실내기(30)에서 냉기를 공급하게 한다.
반대로 겨울철에는 히트펌프(20)와 히터(11)를 이용하여 축열조(10) 내의 물을 가열한 후, 축열조(10) 내의 뜨거운 물을 이용하여 실내기(30)로 온기를 공급하게 한다.
이상의 설명은 비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.
10: 축열조 11: 히터 12: 열선
101: 격판 102: 유도관
110: 잠열기 111: 잠열재
20: 히트펌프 21: 냉매공급관 22: 분배기
23: 냉매관 24: 포집기 25: 냉매회수관
231: 제1냉매관 232: 나선형 냉매관 233: 제2냉매관
26: 지지프레임 261: 상측프레임 262: 하측프레임
263: 연결대 264: 클립
30: 실내기 31: 제1냉온수관 32: 제2냉온수관
33: 제3냉온수관 34: 순환펌프
40: 팽창탱크 41: 연결배관 42: 급수관
43: 오버플로우관 S1: 제1공간 S2: 제2공간

Claims (6)

  1. 물이 충진되고 밀폐된 내부 공간이 제1공간 및 제2공간으로 구획되고, 상기 제2공간에는 잠열재가 충전된 잠열기가 하나 또는 복수 개 설치된 축열조와;
    상기 제1공간 내에서 지지프레임에 의해 고정된 나선형 냉매관으로 상기 물을 가열 또는 얼리기 위한 냉매를 공급하고 회수하도록 상기 나선형 냉매관과 연결된 히트펌프와;
    상기 축열조 내부 공간을 경유하도록 설치된 냉온수관으로 물을 공급하고 회수하도록 상기 냉온수관과 연결되어 상기 냉온수관을 통과한 고온 또는 저온의 물을 통해 온기 또는 냉기를 공급하는 실내기와;
    상기 축열조의 내부 공간과 연통하는 내부 공간이 형성되어 축열조 내의 물이 팽창하는 것에 대응하도록 상기 축열조와 연결배관을 매개로 연결된 팽창탱크;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1공간 및 제2공간은 다수의 통공이 형성된 격벽에 의해 상하로 구획되고, 상기 격벽의 상측 공간에 잠열기가 설치된 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1공간 내의 나선형 냉매관을 다수 개이고, 각 나선형 냉매관 일측 단부의 제1냉매관들은 상기 히트펌프와 연결된 냉매공급관과 분배기를 매개로 연결되며, 타측 단부의 제2냉매관들은 상기 히트 펌프와 연결된 냉매회수관과 포집기를 매개로 연결되되,
    상기 제1냉매관, 나선형 냉매관 및 제2냉매관은 각각 하나의 관체로 형성되어 용접 부분이 배제된 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1냉매관 및 제2냉매관은 상기 제2공간을 관통하도록 설치되고, 제2공간 내의 제1냉매관 및 제2냉매관은 각각 축열조의 벽에서 내측으로 연장된 유도관에 의해 감싸지도록 설치되며, 상기 분배기 및 포집기는 상기 축열조 외측에 배치된 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지프레임은, 링 형태로 되고 내측에 다수 개의 보조프레임이 간격을 이루며 형성되어 상기 축열조 내부 상측에 배치되는 상측 프레임과, 링 형태로 되고 내측에 다수 개의 보조프레임이 간격을 이루며 형성되어 상기 축열조 내부 하측에 배치되는 하측 프레임(220)과, 상기 상측 프레임 및 하측 프레임 사이를 연결하여 지지하는 연결대를 포함하되, 상기 상측 프레임 및 하측 프레임에는 상기 나선형 냉매관의 상단 및 하단 고정하는 클립이 구비된 된 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 축열조 내부에 전기적으로 가열되도록 히터와 연결된 열선이 내입된 것을 특징으로 하는 밀폐형 축열조가 구비된 빙축열 이용 냉난방장치.
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