KR101631503B1 - 지열을 이용한 고온수 냉난방 및 급탕 히트펌프 - Google Patents

지열을 이용한 고온수 냉난방 및 급탕 히트펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정공간의 냉방이나 난방을 수행하기 위해 지열공급유닛, 히트펌프유닛, 축냉탱크, 축열탱크, 냉방유닛, 난방유닛 사이에 열전달 유체의 유동을 위해 설치되는 배관유닛을 최소화하여 제조비용과 설치비용을 절감하고, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치를 소형화하여 실내 주거공간이나 비닐하우스에 설치가 용이하며, 축열탱크를 상부와 하부의 이단구조로 형성하고 축열탱크의 상부에 설치되는 방사선배관과 축열탱크의 내부에 설치되는 열교환코일 및 축열탱크의 상부와 하부를 연결하는 연결배관을 통해 축열탱크 내부의 상부와 하부 온도차를 최대로 유지하고, 이에 따라 소비자가 급탕공급을 원하는 경우 최대한 신속하게 소비자에 급탕을 공급할 수 있는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 관한 것이다.

Description

지열을 이용한 고온수 냉난방 및 급탕 히트펌프{Heating and cooling and hot water supplying apparatus using geothermy}
본 발명은 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정공간의 냉방이나 난방을 수행하기 위해 지열공급유닛, 히트펌프유닛, 축냉탱크, 축열탱크, 냉방유닛, 난방유닛 사이에 열전달 유체의 유동을 위해 설치되는 배관유닛을 최소화하고, 축열탱크를 상부와 하부의 이단구조로 형성하여 축열탱크 내부의 상부와 하부 온도차를 최대로 유지하여 소비자의 급탕공급 요구에 따라 신속하게 급탕을 공급할 수 있는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 관한 것이다.
최근 화석에너지의 고갈과 환경 오염 문제가 대두되면서 청정에너지 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 청정에너지로 신재생에너지라 불리우는 풍력, 태양열, 및 지열에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
풍력과 태양열을 이용한 냉난방장치의 경우 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야고, 설치와 유지관리에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
지열이란 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량을 의미하는데, 지중온도는 지형에 따라 다르지만 지표면에 가까운 땅속의 온도는 대략 섭씨 10~20℃ 정도로 연중 큰 변화가 없이 일정하게 유지된다. 또한, 지열은 풍력이나 태양열과 달리 기후 등에 관계없이 안정적으로 에너지원을 공급받을 수 있는 이점이 있다. 즉, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우, 설치비용이 상대적으로 풍력과 태양열에 비해 저렴하고, 설치장소의 한계와 기후 등의 영향이 풍력과 태양열보다 적어서 현재 신재생에너지 중 가장 많이 개발되고 이용되고 있다.
오늘날에는 환경오염 등에 따라 급탕을 요구하는 경우에 냉난방 뿐만아니라 필요한 용량의 급탕을 최대한 빠른 시간내에 공급할 수 있는 급탕공급 장치에 대한 수요가 증가되고 있다.
그러나 종래 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우, 냉방운전과 난방운전을 모두 수행하면서 수요자의 필요에 따라 급탕이나 냉탕을 최대한 빨리 공급해야 함에 따라 냉난방 장치 및 급탕공급 장치에서 열전달 유체의 이동을 위해 설치되는 배관의 갯수가 많아져서 생산성이 저감되고, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치 내부에 설치되는 배관의 갯수 증가에 따라 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치가 대형화되어 설치장소의 제약이 추가로 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 종래 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치 내부에 설치되는 배관의 갯수 증가에 따라 설치비용과 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치 자체의 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
더욱이, 종래 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우, 냉방운전이나 난방운전과 동시에 소비자의 요구에 따라 냉탕이나 급탕을 신속하게 공급해야 함에 따라 단시간에 급탕을 공급하는 경우 순간연비가 증가하고 유지비용이 증가되는 문제점이 있었다.
대한민국 특허등록번호 제10-0923962호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 일정공간의 냉방이나 난방을 수행하기 위해 지열공급유닛, 히트펌프유닛, 축냉탱크, 축열탱크, 냉방유닛, 난방유닛 사이에 열전달 유체의 유동을 위해 설치되는 배관유닛을 최소화하여 제조비용과 설치비용을 절감하고, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치를 소형화하여 실내 주거공간이나 비닐하우스에 설치가 용이하며, 축열탱크를 상부와 하부의 이단구조로 형성하고 축열탱크의 상부에 설치되는 방사선배관과 축열탱크의 내부에 설치되는 열교환코일 및 축열탱크의 상부와 하부를 연결하는 연결배관을 통해 축열탱크 내부의 상부와 하부 온도차를 최대로 유지하고, 이에 따라 소비자가 급탕공급을 원하는 경우 최대한 신속하게 소비자에 급탕을 공급할 수 있는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 지면의 하부에 매립 설치되어 지중의 열기 또는 냉기를 열전달 유체에 집열하는 지중루프를 구비하고 지열을 공급하는 지열공급유닛과, 상기 지열공급유닛과 배관을 통해 서로 연결되어 상기 열전달 유체를 가열 또는 냉각하는 히트펌프유닛과, 상기 히트펌프유닛과 배관으로 연결되고 내부에 냉각된 열전달 유체를 저장하는 축냉탱크와, 상기 히트펌프유닛과 배관으로 연결되고, 내부에 가열된 열전달 유체를 저장하는 축열탱크와, 상기 축냉탱크와 배관으로 연결되어 상기 축냉탱크에 저장된 열전달 유체의 냉기를 냉방이 필요한 공간으로 공급하는 냉방유닛과, 상기 축열탱크와 배관으로 연결되어 상기 축열탱크에 저장된 열전달 유체의 온기를 난방이 필요한 공간으로 공급하는 난방유닛, 및 상기 히트펌프유닛, 상기 냉방유닛, 및 상기 난방유닛을 제어하는 제어유닛을 포함하는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 있어서, 상기 축열탱크는 상부와 하부의 이단구조로 형성되되, 상기 축열탱크는 상기 축열탱크의 상부에 상기 축열탱크의 하부와 연통되도록 복수개로 설치되는 방사선배관; 상기 축열탱크의 하부에 설치되는 열교환코일; 및 일측이 상기 열교환코일에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크의 상부에 연결되어 가열된 열전달 유체를 상기 축열탱크의 상부로 이동시키기 위한 연결배관;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 축냉탱크는 일단구조로 형성되되, 상기 축냉탱크는 상기 축냉탱크의 내부에 설치되는 열교환코일;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 축열탱크는 일측이 상기 난방유닛에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크의 하부 상측에 연결되어, 상기 축열탱크에 저장된 가열된 열전달 유체가 유출되는 난방유출관; 상기 난방유출관 상에 설치되어 상기 축열탱크에 저장된 가열된 열전달 유체를 상기 난방유닛에 전달하기 위한 난방순환펌프; 일측이 상기 난방유닛에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크의 하부 하측에 연결되어, 상기 난방유닛에서 순환된 열절단 유체가 상기 축열탱크의 하부로 유입되는 난방유입관; 상기 축열탱크의 상부에 연결되어 급탕이 유출되는 급탕유출관; 및 상기 열교환코일에 연결되어 급탕이 유입되는 급탕유입관;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 축냉탱크는 일측이 상기 냉방유닛에 연결되고, 타측이 상기 축냉탱크의 하부에 연결되어, 상기 축냉탱크에 저장된 냉각된 열전달 유체가 유출되는 냉수유출관; 상기 냉수유출관 상에 설치되어 상기 축냉탱크에 저장된 냉각된 열전달 유체를 상기 냉방유닛에 전달하기 위한 냉방순환펌프; 일측이 상기 냉방유닛에 연결되고, 타측이 상기 축냉탱크의 상부에 연결되어, 상기 냉방유닛에서 순환된 열절단 유체가 상기 축냉탱크로 유입되는 냉수유입관; 상기 열교환코일의 하부에 연결되어 냉탕이 유출되는 냉탕유출관; 및 상기 열교환코일의 상부에 연결되어 냉탕이 유입되는 냉탕유입관;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 히트펌프유닛은 증발된 열전달 유체를 압축하는 압축기; 응축된 열전달 유체를 팽창시키는 팽창부; 냉방운전시에 상기 지열공급유닛 및 상기 축냉탱크의 열전달 유체와 열을 교환하는 제1 열교환기; 난방운전시에 상기 지열공급유닛 및 상기 축열탱크의 열전달 유체와 열을 교환하는 제2 열교환기; 상기 압축기, 상기 팽창부, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 지열공급유닛, 상기 축냉탱크 및 상기 축열탱크 사이에 열전달 유체의 유동을 위해 설치되는 배관유닛; 상기 지열공급유닛에서 집열된 지중의 냉기를 상기 제1 열교환기로 전달하기 위한 제1 지열순환펌프; 상기 지열공급유닛에서 집열된 지중의 온기를 상기 제2 열교환기로 전달하기 위한 제2 지열순환펌프; 및 상기 제어유닛에 의해 열전달 유체의 유동을 조절하기 위해 상기 배관유닛 사이에 설치되는 밸브유닛;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 바람직한 다른 실시예에서, 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 히트펌프유닛의 밸브유닛은 상기 제1 열교환기, 상기 축냉탱크, 및 상기 지열공급유닛을 연결하는 상기 배관유닛 상에 설치되는 제1 삼방밸브; 상기 축냉탱크, 상기 제1 지열순환펌프 및 상기 지열공급유닛을 연결하는 상기 배관유닛 상에 설치되는 제2 삼방밸브; 상기 제2 열교환기, 상기 축열탱크의 상부, 및 상기 지열공급유닛을 연결하는 상기 배관유닛 상에 설치되는 제3 삼방밸브; 상기 축열탱크의 하부, 상기 제2 지열순환펌프 및 상기 지열공급유닛을 연결하는 상기 배관유닛 상에 설치되는 제4 삼방밸브; 및상기 압축기, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 및 조정부를 서로 연결하는 상기 배관유닛 상에 설치되는 사방밸브;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 일정공간의 냉방이나 난방을 수행하기 위해 지열공급유닛, 히트펌프유닛, 축냉탱크, 축열탱크, 냉방유닛, 난방유닛 사이에 열절달 유체의 유동을 위해 설치되는 배관유닛을 다양한 밸브유닛, 특히 사방밸브에 의해 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 내부에 설치되는 배관유닛을 최소화하여 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 배관유닛을 최소화함에 따라 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치를 소형화하여 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 설치공간 상의 제약을 감소시켜 실내 주거공간, 비닐하우스, 양계장, 양식장과 같은 일정공간에 용이하게 설치하고, 공간활용도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 축열탱크를 상부와 하부의 이단구조로 형성하고 상부에 복수개로 설치되는 방사선배관, 하부에 설치되는 열교환코일과 축열탱크의 상부와 하부를 연결하는 연결배관에 의해 축열탱크의 내부인 상부와 하부에 저장된 열전달 유체의 온도를 일정하게 유지함에 따라 냉방운전이나 난방운전시에 수요자에 요구에 따른 급탕을 신속하게 공급하여 소비자의 요구를 충족시킬 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 축냉탱크와 축열탱크의 내부인 상부와 하부에 저장된 열전달 유체의 온도를 상부는 고온으로 하부는 상부에 비해 상대적으로 저온으로 유지함에 따라, 최대한 빠른 시간내에 급탕을 공급하기 위해 소모되는 에너지를 최소화하여 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 효율을 극대화하고, 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 개념도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에서 이중 유공관 형태로 형성되는 지중루프의 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 지중루프의 단면도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 개념도를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에서 이중 유공관 형태로 형성되는 지중루프의 사시도를 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 지중루프의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)를 설명한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)는 지열공급유닛(100), 히트펌프유닛(200), 축냉탱크(300), 축열탱크(400), 냉방유닛(500), 난방유닛(600), 및 제어유닛(700)을 포함하고, 축열탱크(400)는 상부(401)와 하부(402)에 각각 열전달 유체를 저장할 수 있는 이단구조로 형성된다.
지열공급유닛(100)은 지면(10)의 하부에 매립 설치되어 지중의 열기 또는 냉기를 열전달 유체에 집열하는 지중루프(110)를 구비하고, 히트펌프유닛(200)에 지열을 공급한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 지열공급유닛(100)은 냉방이나 난방을 필요한 공간인 실내가 아닌 실외 공간에 설치된다.
지중루프(110)는 지면(10)의 하부에 매립 설치되어 지중의 열 또는 냉기를 집열한다. 이때 지중의 열 또는 냉기는 열전달 유체에 집열되고, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 열전달 유체는 물이 사용된다. 또한, 지중루프(110)는 지면의 온도가 대략 15℃ 정도를 유지하는 깊이에 매설된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 50m에서 200m 깊이 사이에 매설된다.
도 2 내지 도 3에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면 지열공급유닛(100)의 지중루프(110)는 외부 유공관(111)과 내부 유공관(113)의 이중 유공관으로 형성된다.
즉, 내부 유공관(113)이 외부 유공관(111)에 내삽되어 지중루프(110)가 이중 유공관으로 형성된다.
외부 유공관(111)은 외부 유공관(111)의 원주면에 형성된 다수의 관통공(112)을 구비하고, 내부 유공관(1113)은 내부 유공관(113)의 원주면에 형성된 다수의 관통공(114)을 구비한다.
외부 유공관(111)에 형성된 다수의 관통공(112)의 개수는 외부 유공관(111)의 세로 길이 1m당 10개 이상 500개 이하로 형성되고, 외부 유공관(111)에 형성된 다수의 관통공(112)의 지름은 0.5㎝ 이상 5㎝ 이하로 형성된다.
내부 유공관(113)에 형성된 다수의 관통공(114)의 개수는 내부 유공관(111)의 세로 길이 1m당 10개 이상 500개 이하로 형성되고, 내부 유공관(1130)에 형성된 다수의 관통공(114)의 지름은 0.1㎝ 이상 2.0㎝ 이하로 형성된다. 내부 유공관에 형성된 다수의 관통공(114)의 지름이 외부 유공관(111)에 형성된 다수의 관통공(113)의 지름보다 큰 경우에는 이물질 유입으로부터 내부 유공관을 보호할 수 없기 때문이다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 외부 유공관(111)은 콘크리트로 형성되고, 내부 유공관(113)은 폴리에틸렌(PE)으로 형성된다.
종래 지열공급유닛(100)의 지중루프(110)가 단일 유공관으로 형성되는 경우에는, 이러한 지중루프(110)가 땅속에 매설됨에 따라 하중 등에 의해 빈번하게 파손되고, 파손에 따라 열전달 유체인 물의 흡수능력이 감소되며, 이에 따라 지중루프를 교체하기 위해 많은 비용과 시간이 소모되는 문제점이 있었다. 또한, 지중루프를 형성하는 단일 유공관에 형성된 다수의 관통공이 이물질에 의해 막히게 되고, 이에 따라 물이 지중루프 내부에 수집되지 않아 효율이 감소되는 문제점이 있었다.
상술한 바와 같이, 본원발명은 외부 유공관(111)을 콘크리트로 형성하고 내부 유공관(113)을 폴리에틸렌으로 형성하고, 내부 유공관(113)을 외부 유공관(111)에 내삽하여 이중으로 형성함에 따라 토양의 압력에 의해 지중루프(110)가 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 콘크리트로 형성된 외부 유공관(111)의 원주면에 형성된 다수의 관통공(112)을 통해 이물질이 어느 정도 정수된 물이 유입되고, 이러한 물을 다시 폴리에틸렌으로 형성된 내부 유공관(113)의 원주면에 형성된 다수의 관통공(114)을 통해 수집할 수 있어 종래와 같이 지중루프의 관통공이 이물질에 막혀 효율이 감소되는 문제점을 최소화할 수 있다.
히트펌프유닛(200)은 지열공급유닛(100)과 배관유닛(250)을 통해 서로 연결되어 열전달 유체인 물을 가열 또는 냉각한다. 즉, 히트펌프유닛(200)은 열전달 유체를 가열 또는 냉각하여 가열된 열전달 유체는 배관유닛(250)과 밸브유닛(280)에 의해 축열탱크(400)로 유동시키고, 냉각된 열전달 유체는 배관유닛(250)과 밸브유닛(280)에 의해 축냉탱크(300)로 배관유닛(250)을 통해 유동시킨다. 도면에 도시되지는 않았지만, 공지된 내용과 같이 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우 펌프나 압축기 등을 구동하기 위한 모든 에너지 원이 지열공급유닛(100)에서 전달되는 것은 아니다. 즉, 지열과 별도의 에너지 원인 전기 또는 가스와 같은 동력원으로 펌프나 압축기를 구동할 때, 지열공급유닛(100)에 축적되는 열전달 유체의 온도가 대체로 15℃를 유지하므로, 냉방이나 난방을 위한 온도를 유지할 때 기존 냉난방 장치보다 적은 에너지 소모로 구동되는 냉난방 및 급탕공급 장치이다. 통상 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 경우 유류비 대비 75%의 유지 비용 절감효과가 있다.
축냉탱크(300)는 히트펌프유닛(200)과 배관유닛(250)으로 연결되고, 축냉탱크(300)의 내부에 냉각된 열전달 유체인 물을 저장한다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 축냉탱크(300)는 일단구조로 형성될 수 있다. 즉, 후술하는 축열탱크(400)와 달리 축냉탱크(300)의 내부가 상부와 하부로 별도로 구획되지 않게 형성된다. 열교환코일(360)이 축냉탱크(300)의 내부에 설치된다.
축열탱크(400)는 히트펌프유닛(200)과 배관유닛(250)으로 연결되고, 축열탱크(400)의 내부에 가열된 열전달 유체인 물을 저장한다. 상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 축열탱크(400)는 상부(401)와 하부(402)의 이중구조로 형성되어 축열탱크(400)의 상부에는 약 65℃의 물이 저장되고, 축열탱크(400)의 하부(402)에는 약 55℃의 물이 저장된다. 즉, 축열탱크(400)의 상부(401)와 하부(402)에 저장되는 열전달 유체인 물의 온도가 대략 10℃ 이상의 차이가 나게 된다.
방사선배관(460)이 축열탱크(400)의 상부(401)에 축열탱크(400)의 하부(402)와 연통되도록 방사선 형태로 복수개 설치된다. 열교환코일(470)이 축열탱크(400)의 하부(402)에 설치된다. 연결배관(480)의 일측은 열교환코일(470)에 연결되고, 연결배관(480)의 타측은 축열탱크(400)의 상부(401)에 연결되어, 연결배관(480)에 의해 가열된 열전달 유체가 축열탱크(400)의 상부(401)로 이동된다.
냉방유닛(500)은 후술하는 제어유닛(700)의 냉방/난방 선택부에서 냉방을 선택하고 온도 조절부의 조작에 의해 선택된 온도까지 냉방이 되도록, 축냉탱크(300)와 배관으로 연결되어 축냉탱크(300)에 저장된 열전달 유체의 냉기를 냉방이 필요한 공간으로 공급한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 냉방유닛(500)은 팬코일(fan coil)으로 형성될 수 있고, 냉방유닛(500)의 내부에 증발기와 응축기를 구비할 수 있다. 증발기는 열전달 유체인 물을 증발시키고, 응축기는 열전달 유체인 물을 응축하여 저온고압으로 토출시키는 기능을 수행한다.
난방유닛(600)은 후술하는 제어유닛(700)의 냉방/난방 선택부에서 난방을 선택하고 온도 조절부의 조작에 의해 선택된 온도까지 난방이 되도록, 축열탱크(400)와 배관으로 연결되어 축열탱크(400)에 저장된 열전달 유체의 온기를 난방이 필요한 공간으로 공급한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 바명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 난방유닛(600)은 난방이 필요한 공간의 바닥면에 설치되는 튜브레일 형태로 형성되어 축열탱크(400)에서 가열된 열전달 유체가 튜브레일을 유동하면서 난방이 필요한 공간과의 열교환을 통해 난방을 수행하게 된다.
제어유닛(700)은 히트펌프유닛(200), 냉방유닛(500), 및 난방유닛(600)을 제어한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 제어유닛(700) 사용자가 제어유닛(700)의 각종 조절 버튼의 조절에 따라 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)를 쉽게 조절할 수 있게 된다. 즉, 제어유닛(700)은 냉방운전 또는 난방운전을 결정하는 냉/난방 선택부, 냉방운전이나 난방운전의 온도나 급탕이나 냉탕의 온도를 조절하는 온도 조절부, 급탕이나 냉탕을 선택할 수 있는 급탕/냉탕 선택부 등의 버튼 형태로 형성될 수 있다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 제어유닛(700)에는 LED 디스플레이가 설치되어 현재 냉방운전 또는 난방운전 상태나 급탕/냉탕 선택여부, 현재 온도와 희망온도 등을 표시할 수도 있다.
본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)는 축냉탱크(300)와 축열탱크(400)에 의해 냉방운전이나 난방운전시에도 일정량의 급탕이나 냉탕을 동시에 신속하게 공급할 수 있어 급탕이나 냉탕을 필요로 하는 거주공간, 온천, 비닐하우스, 대규모 산업단지, 양계장, 양식장에 설치될 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 축열탱크를 상부와 하부의 이단구조로 형성하고 상부에 복수개로 설치되는 방사선배관, 하부에 설치되는 열교환코일과 축열탱크의 상부와 하부를 연결하는 연결배관에 의해 축열탱크의 내부인 상부와 하부에 저장된 열전달 유체의 온도를 일정하게 유지함에 따라 냉방운전이나 난방운전시에 수요자에 요구에 따른 급탕을 신속하게 공급하여 소비자의 요구를 충족시킬 수 있다. 또한, 축열탱크의 내부인 상부와 하부에 저장된 열전달 유체의 온도를 상부는 고온으로 하부는 상부에 비해 상대적으로 저온으로 유지함에 따라, 최대한 빠른 시간내에 급탕을 공급하기 위해 소모되는 에너지를 최소화하여 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치의 효율을 극대화하고, 유지비용을 절감할 수 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 축열탱크(400)는 난방유출관(410), 난방순환펌프(420), 난방유입관(430), 급탕유출관(440), 및 급탕유입관(450)을 추가로 구비한다.
난방유출관(410)의 일측은 난방유닛(600)에 연결되고, 난방유출관(410)의 타측은 축열탱크(400)의 하부(402) 상측에 연결된다. 난방유출관(410)을 통해 축열탱크(400)에 저장된 가열된 열전달 유체가 난방유닛(600)으로 유출된다.
난방순환펌프(420)는 난방유출관(410) 상에 설치되어 축열탱크(400)에 저장된 가열된 열전달 유체를 난방유닛(600)에 전달한다. 즉, 난방유출관(410)을 통해 유출된 가열된 열전달 유체는 난방순환펌프(420)에 의해 난방유닛(600)으로 유동된다.
난방유입관(430)의 일측은 난방유닛(600)에 연결되고, 난방유입관(430)의 타측은 축열탱크(400)의 하부(402) 하측에 연결된다. 난방유입관(430)을 통해 난방유닛(600)에서 필요한 공간에 난방을 위해 열교한하면서 순환된 열절단 유체가 축열탱크(400)의 하부(402)로 유입된다.
급탕유출관(440)은 축열탱크(400)의 상부(401)에 연결되어 급탕이 유출된다.
급탕유입관(450)은 축열탱크(400)의 하부(402)에 설치된 열교환코일(470)에 연결되어 급탕이 유입된다. 급탕유입관(450)은 축열탱크(400)를 기준으로 난방유입관(430) 보다 높은 곳에 설치된다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 축냉탱크(300)는 냉수유출관(310), 냉방순환펌프(320), 냉수유입관(330), 냉탕유출관(340), 냉탕유입관(350)을 추가로 구비한다.
냉수유출관(310)의 일측은 냉방유닛(500)에 연결되고, 냉수유출관(310)의 타측은 축냉탱크(300)의 하부에 연결된다. 냉수유출관(310)을 통해 축냉탱크(300)에 저장된 냉각된 열전달 유체가 냉방유닛(500)으로 유출된다.
냉방순환펌프(320)는 냉수유출관(310) 상에 설치되어 축냉탱크(300)에 저장된 냉각된 열전달 유체를 냉방유닛(500)에 전달한다. 즉, 냉수유출관(310)을 통해 유출된 냉각된 열전달 유체는 냉방순환펌프(320)에 의해 냉방유닛(500)으로 유동된다.
냉수유입관(330)의 일측은 냉방유닛(500)에 연결되고, 냉수유입관(330)의 타측은 축냉탱크(300)의 상부에 연결된다. 냉수유입관(330)을 통해 냉방유닛(500)에서 필요한 공간에 냉방을 위해 열교환된 열전달 유체가 축냉탱크(300)로 유입된다.
냉탕유출관(340)은 축냉탱크(300)의 내부에 설치된 열교환코일(360)의 하부에 연결되어 냉탕이 유출된다. 냉탕유출관(340)은 축냉탱크(300)를 기준으로 냉수유출관(310) 보다 높은 곳에 설치된다.
냉탕유입관(350)은 축냉탱크(300)의 내부에 설치된 열교환코일(360)의 상부에 연결되어 냉탕이 유입된다. 냉탕유입관(350)은 축냉탱크(300)를 기준으로 냉수유입관(330) 보다 낮은 곳에 설치된다. 즉, 냉탕유출관(340)과 냉탕유입관(350)은 각각 축냉탱크(300)의 하부와 상부에 서로 마주하도록 설치되고, 이들의 바깥쪽으로 냉수유입관(310)과 냉수유출관(320)이 마주하도록 설치된다.
이처럼 축열탱크가 이단구조로 형성되고 내부에 방사선배관, 열교환코일을 구비하고, 축냉탱크 또한 내부에 열교환코일을 구비하여 신속하게 축열탱크와 축냉탱크에서 열전달 유체가 열교환을 하면서 저장됨에 따라 냉방운전이나 난방운전시에 수요자의 요구에 따른 급탕이나 냉탕을 신속하고 원활하게 공급할 수 있다. 또한, 냉난방 운전과 동시에 수요자의 요구에 따른 다량의 급탕이나 냉탕을 원활하게 공급함에 따라 이러한 다량의 급탕이나 냉탕을 요구하는 대규모 주택단지, 대규모 산업단지, 대형빌딩, 비닐하우스, 양식장 등 다양한 시설물에 설치할 수 있는 효과가 있다.
이하 도 1을 참조하여 열전달 유체의 축열탱크(400)의 상부(401)와 하부(402)에서 유동상태를 설명한다. 제2 열교환기(240)를 통해 가열된 열전달 유체인 물이 제3 삼방밸브(283)를 통해 축열탱크(400)의 상부(401)로 유입된다. 축열탱크(400)의 상부(401)로 유입된 물은 방사선배관(460)을 통해 축열탱크(400)의 하부(402)로 유동된다. 축열탱크(400)의 하부(402)로 유동된 가열된 물이 축열탱크(400)의 하부(402)의 상측에 연결된 난방유출관(410)을 통해 난방순환펌프(420)에 의해 난방유닛(600)으로 공급된다. 난방유닛(600)을 순환한 물은 최초 가열된 상태의 물보다 난방 공간에서의 열교환을 통해 온도가 낮아지게 된다. 난방유닛(600)을 순환한 물이 난방유입관(430)을 통해 축열탱크(400)의 하부(402)로 유입된다. 이러한 물은 제4 삼방밸브(284)를 통해 지열공급유닛(100)으로 유동되어 다시 가열되게 된다. 급탕유입관(450)을 통해 축열탱크(400)의 하부로 유입된 물은 급탕유입관(450)과 연결된 열교환코일(470)을 통과하게 된다. 열교환코일(470)을 통과한 물은 다시 연결배관(480)을 통해 축열탱크(400)의 상부(401)로 이동하게 된다. 사용자가 급탕을 사용할 경우 축열탱크(400)의 상부(401)에 가열된 상태의 물이 급탕유출관(440)을 통해 신속하게 공급할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치(1)의 히트펌프유닛(200)은 압축기(210), 팽창부(220), 제1 열교환기(230), 제2 열교환기(240), 배관유닛(250), 제1 지열순환펌프(260), 제2 지열순환펌프(270), 및 밸브유닛(280)으로 이루어진다.
압축기(310)는 히트펌프유닛(200)의 하부에 설치되어 증발된 열전달 유체인 물을 고온고압으로 압축한다.
팽창부(220)는 응축된 열전달 유체를 저온저압으로 팽창시킨다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 냉난방의 용량에 따라 팽창부(220)는 복수개로 형성될 수 있다.
제1 열교환기(230)는 냉방운전시에 지열공급유닛(100) 및 축냉탱크(300)의 열전달 유체와 열을 교환한다.
제2 열교환기(240)는 난방운전시에 지열공급유닛(100) 및 축열탱크(400)의 열전달 유체와 열을 교환한다.
배관유닛(250)이 압축기(210), 팽창부(220), 제1 열교환기(230), 제2 열교환기(240), 지열공급유닛(100), 축냉탱크(300), 및 축열탱크(400) 사이에 서 열전달 유체인 물의 유동을 위해 설치된다.
제1 지열순환펌프(260)가 지열공급유닛(100)에서 집열된 지중의 냉기를 보유한 열전달 유체를 제1 열교환기(230)로 전달한다.
제2 지열순환펌프(270)가 지열공급유닛(100)에서 집열된 지중의 온기를 보유한 열전달 유체를 제2 열교환기(240)로 전달한다.
밸브유닛(280)이 제어유닛(700)에 의해 열전달 유체의 유동을 조절하기 위해 배관유닛(250) 사이에 설치된다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 히트펌프유닛(200)의 밸브유닛(280)은 제1, 2, 3, 4 삼방밸브(281, 282, 283, 284) 및 사방밸브(285)를 구비한다.
제1 삼방밸브(281)가 제1 열교환기(230), 축냉탱크(300), 및 지열공급유닛(100)을 연결하는 배관유닛(250) 상에 설치된다.
제2 삼방밸브(282)가 축냉탱크(300), 제1 지열순환펌프(260), 및 지열공급유닛(100)을 연결하는 배관유닛(250) 상에 설치된다.
제3 삼방밸브(283)가 제2 열교환기(240), 축열탱크(400)의 상부(401), 및 지열공급유닛(100)을 연결하는 배관유닛(250) 상에 설치된다.
제4 삼방밸브(284)가 축열탱크(400)의 하부(402), 제2 지열순환펌프(270) 및 지열공급유닛(100)을 연결하는 배관유닛(250) 상에 설치된다.
사방밸브(285)가 압축기(210), 제1 열교환기(230), 제2 열교환기(240), 및 조정부를 서로 연결하는 배관유닛(250) 상에 설치된다.
이러한 4개의 삼방밸브와 1개의 사방밸브에 의해 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 설치되는 배관유닛(250)을 최소함에 따라 지열을 이용한 냉난방 장치 및 급탕공급 장치를 소형화하여 제조비용을 절감하고 설치 편의성에 따라 공간 활용도를 극대화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
1 : 지열 냉난방 장치, 10 : 지면,
100 : 지열공급유닛, 110 : 지중루프,
111 : 외부 유공관, 112 : 관통공,
113 : 내부 유공관, 114 : 관통공,
200 : 히트펌프유닛, 210 : 압축기,
220 : 팽창부, 230 : 제1 열교환기,
240 : 제2 열교환기, 250 : 배관유닛,
260 : 제1 지열순환펌프, 270 : 제2 지열순환펌프,
280 : 밸브유닛,
281, 282, 283, 284 : 제1, 2, 3, 4 삼방밸브,
285 : 사방밸브,
300 ; 축냉탱크, 310 : 냉수유출관,
320 : 냉방순환펌프, 330 : 냉수유입관,
340 : 냉탕유출관, 350 : 냉탕유입관,
360 : 열교환코일, 400 : 축열탱크, 401 : 상부, 402 : 하부,
410 : 난방유출관, 420 : 난방순환펌프,
430 : 난방유입관, 440 : 급탕유출관,
450 : 급탕유입관, 460 : 방사선배관,
470 : 열교환코일, 480 : 연결배관,
500 : 냉방유닛, 600 : 난방유닛,
700 : 제어유닛.

Claims (6)

  1. 축열탱크(400)의 상부(401)와 하부(402)의 이단구조로 형성되되,
    상기 축열탱크(400)는,
    상기 축열탱크(400)의 상부(401)에 상기 축열탱크(400)의 하부(402)와 연통되도록 복수개로 설치되는 방사선배관(460);
    상기 축열탱크(400)의 하부(402)에 설치되는 열교환코일(470); 및
    일측이 상기 열교환코일(470)에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크(400)의 상부(401)에 연결되어 가열된 열전달 유체를 상기 축열탱크(400)의 상부(401)로 이동시키기 위한 연결배관(480);을 포함하고,
    상기 축열탱크(400)의 하부(402)에 설치되는 열교환코일(470)을 통해 열교환 한 열전달 유체는 상기 연결배관(480)을 통해 상기 축열탱크(400)의 상부(401)로 이동하여 상기 방사선배관(460)과 접촉하는
    지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치용 축열탱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치는 지면(10)의 하부에 매립 설치되어 지중의 열기 또는 냉기를 열전달 유체에 집열하는 지중루프(110)를 구비하고 지열을 공급하는 지열공급유닛(100)과, 상기 지열공급유닛(100)과 배관을 통해 서로 연결되어 상기 열전달 유체를 가열 또는 냉각하는 히트펌프유닛(200)과, 상기 히트펌프유닛(200)과 배관으로 연결되고 내부에 냉각된 열전달 유체를 저장하는 축냉탱크(300)와, 상기 히트펌프유닛(200)과 배관으로 연결되고, 내부에 가열된 열전달 유체를 저장하는 축열탱크(400)와, 상기 축냉탱크(300)와 배관으로 연결되어 상기 축냉탱크(300)에 저장된 열전달 유체의 냉기를 냉방이 필요한 공간으로 공급하는 냉방유닛(500)과, 상기 축열탱크(400)와 배관으로 연결되어 상기 축열탱크(400)에 저장된 열전달 유체의 온기를 난방이 필요한 공간으로 공급하는 난방유닛(600), 및 상기 히트펌프유닛(200), 상기 냉방유닛(500), 및 상기 난방유닛(600)을 제어하는 제어유닛(700)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 및 급탕공급 장치용 축열탱크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 축열탱크(400)는,
    일측이 상기 난방유닛(600)에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크(400)의 하부(402) 상측에 연결되어, 상기 축열탱크(400)에 저장된 가열된 열전달 유체가 유출되는 난방유출관(410);
    상기 난방유출관(410) 상에 설치되어 상기 축열탱크(400)에 저장된 가열된 열전달 유체를 상기 난방유닛(600)에 전달하기 위한 난방순환펌프(420);
    일측이 상기 난방유닛(600)에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크(400)의 하부(402) 하측에 연결되어, 상기 난방유닛(600)에서 순환된 열절단 유체가 상기 축열탱크(400)의 하부(402)로 유입되는 난방유입관(430);
    상기 축열탱크(400)의 상부(401)에 연결되어 급탕이 유출되는 급탕유출관(440); 및
    상기 열교환코일(470)에 연결되어 급탕이 유입되는 급탕유입관(450);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 및 급탕공급 장치용 축열탱크.
  4. 지면(10)의 하부에 매립 설치되어 지중의 열기 또는 냉기를 열전달 유체에 집열하는 지중루프(110)를 구비하고 지열을 공급하는 지열공급유닛(100)과, 상기 지열공급유닛(100)과 배관을 통해 서로 연결되어 상기 열전달 유체를 가열 또는 냉각하는 히트펌프유닛(200)과, 상기 히트펌프유닛(200)과 배관으로 연결되고 내부에 냉각된 열전달 유체를 저장하는 축냉탱크(300)와, 상기 히트펌프유닛(200)과 배관으로 연결되고, 내부에 가열된 열전달 유체를 저장하는 축열탱크(400)와, 상기 축냉탱크(300)와 배관으로 연결되어 상기 축냉탱크(300)에 저장된 열전달 유체의 냉기를 냉방이 필요한 공간으로 공급하는 냉방유닛(500)과, 상기 축열탱크(400)와 배관으로 연결되어 상기 축열탱크(400)에 저장된 열전달 유체의 온기를 난방이 필요한 공간으로 공급하는 난방유닛(600), 및 상기 히트펌프유닛(200), 상기 냉방유닛(500), 및 상기 난방유닛(600)을 제어하는 제어유닛(700)을 포함하는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치에 있어서,
    상기 축열탱크(400)는 상부(401)와 하부(402)의 이단구조로 형성되되,
    상기 축열탱크(400)는,
    상기 축열탱크(400)의 상부(401)에 상기 축열탱크(400)의 하부(402)와 연통되도록 복수개로 설치되는 방사선배관(460);
    상기 축열탱크(400)의 하부(402)에 설치되는 열교환코일(470); 및
    일측이 상기 열교환코일(470)에 연결되고, 타측이 상기 축열탱크(400)의 상부(401)에 연결되어 가열된 열전달 유체를 상기 축열탱크(400)의 상부(401)로 이동시키기 위한 연결배관(480);을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉난방 및 급탕공급 장치.

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