KR101568847B1 - 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템 - Google Patents

지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 히트 펌프 시스템은, 열교환 유체와 제1부하를 순환하는 열교환 유체와의 열교환 및 제2부하로의 열교환 유체의 공급이 이루어지는 히트 펌프 시스템에 있어서: 상기 제1부하의 열교환 유체가 유입되어 열교환 유체와 열교환된 후 상기 제1부하로 배출되는 열교환부; 상기 열교환부로 공급되는 열교환 유체와 지중 사이의 열교환을 위하여 지중에 매립되는 적어도 1개의 지중 열교환기; 상기 열교환부, 지중 열교환기 및 제2부하 중 적어도 어느 하나로 공급되는 열교환 유체를 가열하는 가열원; 상기 지중 열교환기에서 열교환된 열교환 유체를 상기 열교환부로 압송하는 제1펌프; 상기 가열원에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 지중 열교환기로 압송하는 제2펌프; 상기 가열원에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 제2부하로 압송하는 제3펌프; 및 상기 가열원에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 열교환부로 압송하는 제4펌프; 를 포함하고, 상기 제1펌프는, 상기 제1부하에서 상기 열교환부로 입출되는 열교환 유체 사이의 제1온도차(dT1)에 따라서 선택적으로 동작하고, 상기 제2 내지 제4펌프는, 상기 제1부하에서 상기 열교환부로 입출되는 열교환 유체 사이의 제1온도차(dT1) 및 상기 지중 열교환기로 유입되는 열교환 유체와 지중 사이의 제2온도차(dT2)에 따라서 어느 하나만 선택적으로 동작한다.

Description

지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템{REGENERATIVE HEAT PUMP SYSTEM COMPRISING GEOTHERMAL EXCHANGER}
본 발명은 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
지중 열교환기란, 지중에 매립되어 그 내부를 유동하는 지하수와 같은 열교환 유체와 지중 사이의 열교환이 이루어지는 것이다. 선행기술문헌 1(대한민국 등록특허공보 제0989992호)에는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌트 시스템이 개시되어 있고, 선행기술문헌 2(대한민국 등록특허공보 제1519340호)에는 지중 열교환기를 포함하는 축열식 히트 펌프 시스템이 개시되어 있다.
선행기술문헌 1에서는 다수개의 심정도관(SC), 즉 지중 열교환기와 제2열교환기(10) 사이를 유동하는 지하수와 제2열교환기(10)와 히트 펌프(HP) 사이를 순환하는 열교환 유체 사이의 열교환이 이루어진다. 선행특허문헌 1에서는, 심정도관(SC)의 내부의 지중수의 온도에 따라서 심정펌프(SP)의 동작을 제어한다.
그리고 선행기술문헌 2에서는, 지중 열교환기(300)에서 열교환된 열교환 유체가 축열부(200)에 저장되거나 열교환기(300)로 공급되고, 열교환기(300)에서는 지중 열교환기(300) 또는 축열부(200)로부터 공급받은 열교환 유체와 공조 시스템을 순환하는 열교환 유체 사이의 열교환이 이루어진다. 또한 선행특허문헌 2에서는, 축열부(200)의 내부에 저장된 열교환 유체의 온도와 공조 시스템을 순환하는 열교환 유체의 온도차에 따라서 지중 열교환기(300) 또는 축열부(200)로부터 열교환 유체를 공급받는다.
그러나 선행기술문헌 1 및 2의 경우에는, 지중 열교환기에서 공급되는 지열만이 부하로 공급되므로, 최대 부하를 고려하여 지중 열교환기가 시공되어야 한다. 다시 말하면, 선행기술문헌 1 및 2에서는, 최대 부하를 부담할 수 있는 용량으로 지중 열교환기를 시공한 후 그 운전만 선택 또는 부분적으로 이루어진다. 따라서 선행기술문헌 1 및 2에서는, 상세한 부하 조건을 고려한 보다 경제적인 시스템의 시공 및 운전이 불가능하게 된다.
선행기술문헌 1 : 대한민국 등록특허공보 제0989992호(발명의 명칭: 다수개의 지중 열 교환기를 사용하는 지열원 히트 펌프 시스템의 운전 제어방법 선행기술문헌 2 : 대한민국 등록특허공보 제1519340호(발명의 명칭: 지중 열교환기를 포함하는 축열식 히트 펌프 시스템)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 부하 조건을 고려한 보다 경제적인 운전이 가능하도록 구성되는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 히트 펌프 시스템은, 제1부하를 순환하는 열교환 유체와의 열교환 및 제2부하로의 열교환 유체의 공급이 이루어지는 히트 펌프 시스템에 있어서: 상기 제1부하를 순환하는 열교환 유체와 공급받은 열교환 유체의 열교환이 이루어지는 지열 히트 펌프; 상기 지열 히트 펌프로 공급되는 열교환 유체가 저장되는 축열부; 상기 지열 히트 펌프로 공급되는 열교환 유체 또는 상기 축열부에 저장되는 열교환 유체와 지중 사이의 열교환을 위하여 지중에 매립되는 적어도 1개의 지중 열교환기; 상기 제1 및 제2부하 및 축열부 중 적어도 어느 하나로 공급되는 열교환 유체와 공기와의 열교환이 이루어지는 공기열 히트 펌프; 상기 축열부에 저장된 열교환 유체를 상기 지열 히트 펌프로 압송하는 제1펌프; 상기 지중 열교환기에서 지중과 열교환된 열교환 유체를 상기 지열 히트 펌프로 압송하는 제2펌프; 및 상기 공기열 히트 펌프에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 축열부로 압송하는 제3펌프; 를 포함하고, 상기 제1 및 제2펌프는, 제1온도차에 따라서 택일적으로 동작하고, 상기 제3펌프는, 제2온도차에 따라서 선택적으로 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1온도차는, 상기 지중 열교환기 및 축열부를 기준으로 상기 지열 히트 펌프의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이고, 상기 제2온도차는, 상기 지중 열교환기의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1온도차는, 상기 지중 열교환기 및 축열부를 기준으로 상기 지열 히트 펌프의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이고, 상기 제2온도차는, 상기 지중 열교환기의 입구측 열교환 유체와 지중 사이의 온도차이다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1펌프는, 상기 제1온도차가 기설정된 제1기준 온도차 이상이면 동작하고, 상기 제2펌프는, 상기 제1온도차가 상기 제1기준 온도차 미만이면 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제3펌프는, 상기 제2온도차가 기설정된 제2기준 온도차 이하이면 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 공기열 히트 펌프에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 제1부하로 압송하는 제4펌프; 및 상기 공기열 히트 펌프에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 제2부하로 압송하는 제5펌프; 를 더 포함한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제4펌프는, 상기 제1부하를 기준으로 상기 지열 히트 펌프의 입출구측 열교환 유체 사이의 제3온도차에 따라서 상기 제1 및 제2펌프 중 어느 하나 및 상기 제3펌프와 택일적으로 동작하고, 상기 제5펌프는, 상기 제2부하의 열교환 유체의 온도에 따라서 상기 제3 및 제4펌프와 택일적으로 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제4펌프는, 상기 제3온도차가 기설정된 제3기준 온도차 이하이면 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제5펌프는, 상기 제2부하의 열교환 유체의 온도가 기설정된 제1기준 온도 이하이거나 기설정된 제2기준 온도 이상이면 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 지열 히트 펌프에서 상기 제1부하의 열교환 유체와 열교환된 후 상기 지중 열교환기로 공급되는 열교환 유체와 상기 축열부를 유동한 후 상기 지중 열교환기로 공급되는 열교환 유체의 양을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 히트 펌프 시스템에서는, 부하 조건에 따라서 지중 열교환기 또는/및 공기열 히트 펌프로부터 선택적으로 공급되는 열이 다수개의 부하에 선택적으로 사용된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 부하 조건에 따른 보다 경제적인 히트 펌프 시스템의 운전이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 실시예를 보인 구성도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 부하 조건에 따른 유체의 흐름을 보인 유체 흐름도.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 실시예를 보인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템은, 지열 히트 펌프(100), 축열부(200), 적어도 1개의 지중 열교환기(300), 공기열 히트 펌프(400), 유체관, 제1 내지 제5펌프(P1)(P2)(P3)(P4)(P5) 및 유량 조절 밸브(V)를 포함한다. 본 실시예에 의한 히트 펌프 시스템에서는, 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체 또는 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체 또는/및 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 후 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)에서 제1부하(10)를 순환하는 열교환 유체와 열교환된다. 그리고 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 제2부하(20)로 공급된다.
보다 상세하게는, 상기 지열 히트 펌프(100)에서는, 공급받은 열교환 유체와 상기 제1부하(10)의 열교환 유체 사이의 열교환이 이루어진다. 이를 위하여 상기 제1부하(10)의 열교환 유체가, 상기 지열 히트 펌프(100)로 유입되어 상기 지열 히트 펌프(100)가 공급받은 열교환 유체와 열교환된 후 상기 제1부하(10)로 배출될 것이다. 여기서 상기 제1부하(10)는, 예를 들면, 건축물의 내부 공간에 대한 난방을 위한 팬 코일이나, 냉난방과 같은 공조를 위한 공조 시스템으로 이해될 수 있다. 상기 지열 히트 펌프(100)는, 예를 들면, 기계실과 같은 건축물의 내부에 설치될 수 있다.
그리고 상기 축열부(200)에는, 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체, 상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와 열교환된 열교환 유체, 및 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 유체 중 적어도 하나가 저장된다. 실질적으로 상기 축열부(200)는, 상기 지열 히트 펌프(100) 및 공기열 히트 펌프(400)과 상기 지중 열교환기(300) 사이에 연결되도록, 기계실과 같은 건축물의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다.
다음으로, 상기 지중 열교환기(300)는, 건축물의 외부에 해당하는 지중에 매립되어 열교환 유체와 지중 사이의 열교환이 이루어지는 곳이다. 도 1에는 상기 지중 열교환기(300)가 다수개로 구성되는 것으로 도시되었으나, 상기 지중 열교환기(300)가 1개로 구성되어도 무방하다.
한편 상기 공기열 히트 펌프(400)는, 상기 제1 및 제2부하(10)(20) 및 지중 열교환기(300)로 공급되는 열교환 유체를 가열한다. 실질적으로는, 후술할 바와 같이, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가, 상기 제1 및 제2부하(10)(20) 및 지중 열교환기(300) 중 어느 하나로 선택적으로 공급된다. 여기서 상기 제2부하(20)는, 예를 들면, 냉온수의 공급을 위한 급탕 장치로 이해될 수 있을 것이다. 상기 공기열 히트 펌프(400)도, 상기 지열 히트 펌프(100)와 동일하게, 기계실과 같은 건축물의 내부에 설치될 수 있을 것이다.
상기 유체관은, 열교환을 위하여 상기 제1 및 제2부하(10)(20), 지열 히트 펌프(100), 축열부(200), 지중 열교환기(300) 및 공기열 히트 펌프(400) 사이에서 유체가 유동되는 곳이다. 본 실시예에서는, 상기 유체관이, 제1 내지 제13유체관(501)...(513)을 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 제1유체관(501)은, 상기 축열부(200)에서 상기 지열 히트 펌프(100)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제2유체관(502)은 상기 지중 열교환기(300)에서 상기 지열 히트 펌프(100)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다. 또한 상기 제3유체관(503)은, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 상기 축열부(200)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제4유체관(504)은, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 상기 제1부하(10)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다.
그리고 상기 제5유체관(505)은, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 상기 제2부하(20)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제6유체관(506)은, 상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 제1부하(10)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다. 또한 상기 제7유체관(507)은, 상기 제1부하(10)에서 상기 지열 히트 펌프(100)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제8유체관(508)은, 상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 축열부(200)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다. 그리고 상기 제9유체관(509)은, 상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 지중 열교환기(300)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제10유체관(510)은, 상기 축열부(200)에서 상기 지중 열교환기(300)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다. 그리고 상기 제11유체관(511)은, 상기 제1부하(10)에서 상기 공기열 히트 펌프(400)로 열교환 유체가 유동되는 곳이고, 상기 제12유체관(512)은, 상기 제2부하(20)에서 상기 공기열 히트 펌프(400)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다. 또한 상기 제13유체관(513)은 상기 축열부(200)에서 상기 공기열 히트 펌프(400)로 열교환 유체가 유동하는 곳이다.
예를 들면, 상기 제1 및 제2유체관(501)(502)이 서로 분지되거나, 상기 제3 내지 제5유체관(503)(504)(505)가 서로 분지될 수 있다. 또한 상기 제4 및 제5유체관(504)(505)이 서로 분지되거나, 상기 제7 및 제11유체관(507)(511)이 서로 분지될 수 있다. 그리고 상기 제8 및 제9유체관(508)(509)이 서로 분지되거나 상기 제11 내지 제13유체관(511)(512)(513)이 서로 분지될 수 있다. 물론, 각 유체관이 별개로 형성되어도 무방할 것이다.
또한 본 실시예에서는, 상기 유체관이 보조 유체관(514)을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 유체관(514)은 상기 제2유체관(502)에 병렬로 연결된다. 실질적으로 상기 보조 유체관(514)은, 후술할 제1 및 제2펌프(P1)(P2)의 고장이나 이상 동작시 상기 지중 열교환기(300)에서 상기 지열 히트 펌프(100)로 열교환 유체가 유동되는 곳이다.
한편 상기 제1펌프(P1)는 상기 제1유체관(501) 상에 설치되고, 상기 제1펌프(P1)가 동작하면, 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)로 압송된다. 그리고 상기 제2펌프(P2)는 상기 제2유체관(502) 상에 설치되고, 상기 제2펌프(P2)가 동작하면, 상기 지중 열교환기(300)에서 열교환된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)로 압송된다. 또한 상기 제3펌프(P3)는 상기 제3유체관(503) 상에 설치되고, 상기 제3펌프(P3)가 동작하면, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 축열부(200)로 압송된다. 그리고 상기 제4펌프(P4)는 상기 제4유체관(504) 상에 설치되고, 상기 제4펌프(P4)가 동작하면, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제1부하(10)로 압송된다. 또한 상기 제5펌프(P5)는 상기 제5유체관(505) 상에 설치되고, 상기 제5펌프(P5)가 동작하면, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제2부하(20)로 압송된다.
또한 본 실시예는, 보조 펌프(P6)를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 펌프(P6)는, 보조 유체관(514) 상에 설치된다. 실질적으로 상기 보조 펌프(P6)는, 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2)의 고장이나 이상 동작시 동작한다. 따라서 상기 보조 펌프(P6)가 동작하면, 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2)의 고장이나 이상 동작시에도 상기 보조 유체관(514)을 통하여 상기 지중 열교환기(300)에서 상기 지열 히트 펌프(100)로 열교환 유체가 공급될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2)는, 제1온도차(dt1)에 따라서 택일적으로 동작하고, 상기 제3펌프(P3)는, 제2온도차(dt2)에 따라서 선택적으로 동작한다. 그리고 상기 제4펌프(P4)는, 제3온도차(dt3)에 따라서 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2) 중 어느 하나 및 상기 제3펌프(P3)와 택일적으로 동작하고, 상기 제5펌프(P5)는, 상기 제3 및 제4펌프(P3)(P4)와 택일적으로 동작한다.
여기서 상기 제1온도차(dt1)는, 상기 지중 열교환기(300) 및 축열부(200)를 기준으로 상기 지열 히트 펌프(100)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이다. 그리고 상기 제2온도차(dt2)는, 상기 지중 열교환기(300)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차 또는 상기 지중 열교환기(300)의 입구측 열교환 유체와 지중 사이의 온도차이다. 또한 상기 제3온도차(dt3)는 상기 제1부하(10)를 기준으로 상기 지열 히트 펌프(100)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차를 의미한다.
보다 상세하게는, 상기 제1부하(10)에서 부하가 발생되면, 상기 제1온도차(dt1)에 따라서 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2) 중 어느 하나가 택일적으로 동작한다. 이때 상기 제1펌프(P1)는, 상기 제1온도차(dT1)가 기설정된 제1기준 온도차(TS1) 이상이면 동작하고, 상기 제2펌프(P2)는 상기 제1온도차(dt1)가 상기 제1기준 온도차 미만이면 동작한다. 따라서 상기 제1온도차(dT1)가 상기 제1기준 온도차(TS1) 이상인 경우에는, 상기 제1펌프(P1)의 동작에 의하여 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)로 공급된다. 그리고 상기 제1온도차(dt1)가 상기 제1기준 온도차(dT1) 미만인 경우에는, 상기 제2펌프(P2)의 동작에 의하여 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)로 공급된다.
한편 상기 제3펌프(P3)는, 상기 제2온도차(dt2)가 기설정된 제2기준 온도차(dT2) 이하이면 동작한다. 따라서 상기 제2온도차(dt2)가 상기 제2기준 온도차(dT2) 이하인 경우에는, 상기 제3펌프(P3)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 축열부(200)로 공급된다.
또한 상기 제4펌프(P4)는, 상기 제3온도차(dt3)가 기설정된 제3기준 온도차(dT3) 이하이면 동작한다. 따라서 상기 제3기준 온도차(dT3)가 상기 제3기준 온도차(dT3) 이하인 경우에는, 상기 제4펌프(P4)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제1부하(10)로 공급된다. 다만, 상기 제4펌프(P4)는, 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2) 중 어느 하나 및 상기 제3펌프(P3)가 정지된 경우에만 동작된다.
그리고 상기 제5펌프(P5)는, 상기 제2부하(20)의 열교환 유체의 온도(t)가 기설정된 제1기준 온도(T1) 이하이거나 기설정된 제2기준 온도(T2) 이상이면 동작한다. 여기서 상기 제1기준 온도(T1)는, 온수 공급시 상기 제2부하(20)에 저장되는 열교환 유체의 온도이고, 상기 제2기준 온도(T2)는, 냉수 공급시 상기 제2부하(20)에 저장되는 열교환 유체의 온도로 이해될 수 있을 것이다. 따라서 상기 제2부하(20)의 열교환 유체의 온도(t)가 상기 제1기준 온도(T1) 이하이거나 상기 제2기준 온도(T2) 이상인 경우에는, 상기 제5펌프(P5)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제2부하(20)로 공급된다. 다만, 상기 제5펌프(P5)는, 상기 제3 및 제4펌프(P3)(P4)가 정지된 경우에만 동작된다.
여기서 상기 제1 내지 제2기준 온도차(dT1)(dT2)(dT3)는, 상기 제1 및 제2부하(10)(20)의 최대 부하량, 상기 지중 열교환기(300) 또는/및 상기 공기열 히트 펌프(400)의 열량을 고려하여 결정될 수 있다. 그리고 상기 제1기준 온도차(dT1)는, 추가적으로 상기 축열부(200)에 저장되는 열교환 유체의 저수량 등을 고려하여 결정될 수 있을 것이다.
또한 상기 유량 조절 밸브(V)는, 상기 제10유체관(510) 상에 설치된다. 상기 조절 밸브(V)는, 상기 제10유체관(510)의 개폐 및 개도를 조절함으로써, 실질적으로, 상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와 열교환된 후 상기 지중 열교환기(300)로 공급되는 열교환 유체와 상기 축열부(200)를 유동한 후 상기 지중 열교환기(300)로 공급되는 열교환 유체의 양을 조절하는 역할을 한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템에서 유체의 흐름을 보인 유체 흐름도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 제1부하(10)에서 부하가 발생되고, 제1온도차(dT1)가 기설정된 제1기준 온도차(TS1) 이상이면, 축열부(200)에 저장된 열교환 유체에 의하여 제1부하(10)의 부하량에 대한 충분한 열량을 확보할 수 있는 경우에 해당하므로, 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체만 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와의 열교환에 사용된다. 따라서 제1펌프(P1)의 동작에 의하여 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체가 지열 히트 펌프(100)로 공급되어 상기 제1부하(10)를 순환하는 열교환 유체와 열교환된다.
물론, 도시되지는 않았으나, 상기 제1온도차(dt1)가 상기 제1기준 온도차(dT1) 미만이면, 상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체에 의하여 상기 제1부하(10)의 부하량에 대한 충분한 열량을 확보할 수 없는 경우에 해당하므로, 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체가 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와의 열교환에 사용된다. 따라서 제2펌프(P2)가 동작하여 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체가 상기 지열 히트 펌프(100)로 공급될 것이다.
한편 제2부하(20)의 열교환 유체의 온도(t)가 기설정된 제1기준 온도(T1) 이하이거나 기설정된 제2기준 온도(T2) 이상이면, 상기 제2부하(20)에 저장된 열교환 유체의 온도(t)가 온수 또는 냉수의 공급에 사용되기에 적합하지 않은 경우에 해당하므로, 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 온수 또는 냉수의 공급을 위하여 사용된다. 따라서 제5펌프(P5)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제2부하(20)로 공급된다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 상기 제1온도차(dT1)가 상기 제1기준 온도차(TS1) 미만이고, 추가적으로 제2온도차(dt2)가 기설정된 제2기준 온도차(dT2) 이하이면, 상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체에 의하여 상기 제1부하(10)의 부하량에 대한 충분한 열량을 확보할 수 없는 경우에 해당하므로, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체도 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와의 열교환에 사용된다. 따라서 상기 제2펌프(P2)의 동작에 추가하여 제3펌프(P3)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 축열부(200) 및 지중 열교환기(300)를 경유하여 상기 지열 히트 펌프(100)로 공급된다.
그리고 도 4를 참조하면, 제3온도차(dT3)가 기설정된 제3기준 온도차(TS3) 미만이면, 상기 제1부하(10)의 부하량이 상대적으로 낮은 경우에 해당하므로, 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체만 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와의 열교환에 사용된다. 따라서 상기 제4펌프(P4)의 동작에 의하여 상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체가 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와의 열교환에 사용된다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
100: 지열 히트 펌프 200: 축열부
300: 지중 열교환기 400: 공기열 히트 펌프
501~514: 유체관 P1~P6: 펌프
V: 밸브

Claims (10)

  1. 제1부하(10)를 순환하는 열교환 유체와의 열교환 및 제2부하(20)로의 열교환 유체의 공급이 이루어지는 히트 펌프 시스템에 있어서:
    상기 제1부하(10)를 순환하는 열교환 유체와 공급받은 열교환 유체의 열교환이 이루어지는 지열 히트 펌프(100);
    상기 지열 히트 펌프(100)로 공급되는 열교환 유체가 저장되는 축열부(200);
    상기 지열 히트 펌프(100)로 공급되는 열교환 유체 또는 상기 축열부(200)에 저장되는 열교환 유체와 지중 사이의 열교환을 위하여 지중에 매립되는 적어도 1개의 지중 열교환기(300);
    상기 제1 및 제2부하(10)(20) 및 축열부(200) 중 적어도 어느 하나로 공급되는 열교환 유체와 공기와의 열교환이 이루어지는 공기열 히트 펌프(400);
    상기 축열부(200)에 저장된 열교환 유체를 상기 지열 히트 펌프(100)로 압송하는 제1펌프(P1);
    상기 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체를 상기 지열 히트 펌프(100)로 압송하는 제2펌프(P2); 및
    상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 축열부(200)로 압송하는 제3펌프(P3); 를 포함하고,
    상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2)는, 제1온도차(dt1)에 따라서 택일적으로 동작하고,
    상기 제3펌프(P3)는, 제2온도차(dt2)에 따라서 선택적으로 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1온도차(dt1)는, 상기 지중 열교환기(300) 및 축열부(200)를 기준으로 상기 지열 히트 펌프(100)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이고,
    상기 제2온도차(dt2)는, 상기 지중 열교환기(300)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차인 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1온도차(dt1)는, 상기 지중 열교환기(300) 및 축열부(200)를 기준으로 상기 지열 히트 펌프(100)의 입출구측 열교환 유체 사이의 온도차이고,
    상기 제2온도차(dt2)는, 상기 지중 열교환기(300)의 입구측 열교환 유체와 지중 사이의 온도차인 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1펌프(P1)는, 상기 제1온도차(dt1)가 기설정된 제1기준 온도차(dT1) 이상이면 동작하고,
    상기 제2펌프(P2)는, 상기 제1온도차(dt1)가 상기 제1기준 온도차(dT1) 미만이면 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제3펌프(P3)는, 상기 제2온도차(dt2)가 기설정된 제2기준 온도차(dT2) 이하이면 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 제1부하(10)로 압송하는 제4펌프(P4); 및
    상기 공기열 히트 펌프(400)에서 공기와 열교환된 열교환 유체를 상기 제2부하(20)로 압송하는 제5펌프(P5); 를 더 포함하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제4펌프(P4)는, 상기 제1부하(10)를 기준으로 상기 지열 히트 펌프(100)의 입출구측 열교환 유체 사이의 제3온도차(dt3)에 따라서 상기 제1 및 제2펌프(P1)(P2) 중 어느 하나 및 상기 제3펌프(P3)와 택일적으로 동작하고,
    상기 제5펌프(P5)는, 상기 제2부하(20)의 열교환 유체의 온도에 따라서 상기 제3 및 제4펌프(P3)(P4)와 택일적으로 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제4펌프(P4)는, 상기 제3온도차(dt3)가 기설정된 제3기준 온도차(dT3) 이하이면 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제5펌프(P5)는, 상기 제2부하(20)의 열교환 유체의 온도(t)가 기설정된 제1기준 온도(T1) 이하이거나 기설정된 제2기준 온도(T2) 이상이면 동작하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 지열 히트 펌프(100)에서 상기 제1부하(10)의 열교환 유체와 열교환된 후 상기 지중 열교환기(300)로 공급되는 열교환 유체와 상기 축열부(200)를 유동한 후 상기 지중 열교환기(300)로 공급되는 열교환 유체의 양을 조절하는 유량 조절 밸브(V)를 더 포함하는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템.
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