KR101635377B1 - 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템 - Google Patents

지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템에 관한 것으로서, 그 구성은, 공기를 열원으로 하는 공기열 히트펌프; 및 지중에 설치되어 지중의 열을 열원으로 하며, 상기 공기열 히트펌프의 제상 및 보상열원으로 이용되는 지열 히트펌프(200);를 포함하며, 상기의 구성에 따르면, 공기열 히트펌프의 단점을 보완하고, 지열원의 이용을 저비용으로 가능하게 함으로써, 시스템의 안정과 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 가장 보편적으로 얻을 수 있는 공기열원을 지열원이 서포터해줌으로써, 안정된 공기열 히트펌프시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.

Description

지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템{Air source heat pump system using geothermy as defrosting source and compensation source}
본 발명은 공기열 히트펌프의 단점을 보완하고, 지열원의 이용을 저비용으로 가능하게 함으로써, 시스템의 안정과 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 가장 보편적으로 얻을 수 있는 공기열원을 지열원이 서포터해줌으로써, 안정된 공기열 히트펌프시스템을 구축하기 위한 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 특히 공기열 히트펌프는 공기를 열원으로 하여 대기 중에서 열을 얻거나 배출하는 히트펌프로서, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며, 저온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 히트펌프가 되는 것이다.
이러한 공기열 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브로 구성되는 일반적인 사이클을 가지고 있으며, 이를 순환하는 열전달매체가 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다. 이러한 과정에서 열을 흡수 또는 방출함으로써 냉방 또는 난방이 가능하게 되는 것이다.
그러나 종래 공기열 히트펌프는 다음과 같은 문제점이 있다.
공기열 히트펌프의 특성상 동절기 증발기에서 발생하는 착상으로 인하여 공기열 히트펌프는 제 효율을 발휘하지 못한다.
이러한 이유로 제상을 하기 위하여 공기열 히트펌프는 가동을 중지하고, 핫가스 등의 장비를 이용하여 별도의 열원으로 제상을 하게 되고, 이로 인하여 히트펌프는 영하 5℃일 때 1시간에 10분 정도, 영하 10℃ 이하일 때 1시간에 20분 이상의 시간을 제상 해야하므로 효율이 극히 감소한다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제0793260호('공기열 히트펌프를 이용한 경제적 냉난방 시스템', 2008. 1. 3) 한국등록특허 제110139호('공기열 히트펌프를 이용한 냉난방장치', 2012. 1. 19) 한국등록특허 제1105160호('공기열 및 태양열을 이용한 히트펌프', 2012. 1. 5)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 지열 히트펌프의 열원이 증발기의 제상에 이용되는 열원으로 사용할 뿐만 아니라, 보상열원으로 사용 가능하므로 증발기의 제상을 해결함은 물론 효율을 증대시킬 수 있으며, 공기열 히트펌프의 단점을 보완하고, 지열원의 이용을 저비용으로 가능하게 함으로써, 시스템의 안정과 에너지 효율을 높일 수 있는 공기열 히트펌프시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 지열 열교환기와 압축기를 제상 및 보상열원의 형태로 직접 증발기에 삽입함으로써, 시공이 간단하여 시공이 안정적이고, 편의성을 높일 수 있으며, 설치비용을 줄여 시공효율을 높일 수 있는 공기열 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은, 공기를 열원으로 하는 공기열 히트펌프; 및 지중에 설치되어 지중의 열을 열원으로 하며, 상기 공기열 히트펌프의 제상 및 보상열원으로 이용되는 지열 히트펌프(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 지열 히트펌프(200)는, 지중에 매립되어 그 내부를 순환하는 지열교환매체에 의해 지열을 회수하는 지열 열교환부(210)와, 상기 지열 열교환부(210)를 순환하는 상기 지열교환매체와 열교환하여 그 내부를 순환하는 열교환매체를 증발시키는 지열 열교환기(230)와, 상기 지열 열교환기(230)를 통과한 상기 열교환매체를 고온, 고압으로 압축하는 압축기(250)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 지열 열교환기(230)와 상기 압축기(250)는, 상기 공기열 히트펌프의 증발기(110)에 내장되는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 지열 열교환부(210)는 지중에 매설되는 모세관 튜브식 지중열교환기인 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 모세관 튜브식 지중열교환기(210)는 복수의 모세 유관(211)이 지중에 수평으로 매설되는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 동절기에는 상기 지열 히트펌프(200)의 지열을 상기 증발기(110)의 제상열원으로 이용하고, 하절기에는 상기 지열 히트펌프(200)의 지열을 상기 증발기(110)의 보상열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 증발기(110)의 착상열원을 산출하여 상기 지열 열교환부(210)의 용량을 결정하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 제공한다.
본 발명의 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
지열 히트펌프(200)의 열원이 증발기(110)의 제상에 이용되는 열원으로 사용할 뿐만 아니라, 보상열원으로 사용 가능하므로 증발기(110)의 제상을 해결함은 물론 효율을 증대시킬 수 있다.
나아가, 동절기 증발기(11)의 제상열원으로 필요한 열원 정도만 지열 히트펌프(200)를 내장함으로써, 더욱 안정된 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 지열 열교환기(230)와 압축기(250)를 제상 및 보상열원의 형태로 직접 증발기에 삽입함으로써, 시공이 간단하여 시공이 안정적이고, 편의성을 높일 수 있으며, 설치비용을 줄여 시공효율을 높일 수 있다.
한편, 증발기(110)의 착상 이전에도 보상열원으로 지열 히트펌프(200)를 가동하며, 보상이 되지 않는다 하더라도 증발기(110)의 착상이 되지 않도록 함으로써, 효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 공기열 히트펌프의 단점을 보완하고, 지열원의 이용을 저비용으로 가능하게 함으로써, 시스템의 안정과 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 가장 보편적으로 얻을 수 있는 공기열원을 지열원이 서포터해줌으로써, 안정된 공기열 히트펌프시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템을 도시한 개념도.
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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템은 공기를 열원으로 하는 공기열 히트펌프(미도시)와, 지중의 열을 열원으로 하는 지열 히트펌프(200)를 포함한다.
공기열 히트펌프는 통상 알려진 바와 같이 공기를 열원으로 하여 대기 중에서 열을 얻거나 배출하는 히트펌프로서, 공기 중에서 열을 흡수하여 압축기에서 압축과정을 거쳐 축동력을 포함한 높은 온도의 압축가스를 생성하여 물의 온도를 높이거나 냉방시 실내에서 열교환된 응축열을 대기로 방열하면서 냉방을 하는 열원 장비로, 사이클의 구성은 냉방시는 증발열을 이용하는 냉동사이클과 동일하며, 난방시는 반대로 응축열을 이용하는 냉방 역사이클로 구성된다.
예컨대, 냉방전용의 에어컨의 경우 실내에 설치된 실내측 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외측 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며, 히트펌프는 반대로 실외측 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내측 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 것으로 그 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기(110), 압축기, 고온부 열교환기인 응축기, 팽창밸브의 4개로 구분되며, 작동유체인 열매체는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환라인을 따라 순환한다.
한편, 지열을 열원으로 하는 지열 히트펌프(200)에서, 지열이란 토양(Ground), 지하수(Ground Water), 지표수(Surface Water) 등을 통칭하며, 지중온도는 깊이 들어갈수록 외기 온도변화에 영향을 적게 받으며, 약 5m 이하부터는 연중 일정한 값을 가진 지중, 지하수 및 지표수에 의한 일정한 온도대를 유지한다
이러한 지열을 이용하는 지열 히트펌프(200)는 지중에 설치되며, 본 발명에서는 지열 히트펌프(200)가 공기열 히트펌프의 제상 및 보상열원으로 이용되며, 지열 열교환부(210)와 지열 열교환기(230)와 압축기(250)를 포함하는 것이 바람직하다.
지열 열교환부(210)는 지중에 매립되어 그 내부를 순환하는 지열교환매체에 의해 지열을 회수한다. 이러한 지열 열교환부(210)는 지중에 매설되는 모세관 튜브식 지중열교환기인 것이 바람직하며, 모세관 튜브식 지중열교환기(210)는 복수의 모세 유관(211)이 지중에 수평으로 매설되는 것이 더욱 바람직하다.
모세관 튜브는 모관 현상에 의한 자체순환이 가능하다. 즉, 모세 유관(211)의 좁은 직경과 표면장력에 의한 자체순환이 어느 정도 가능한데, 이는 모관 현상으로 설명되며, 모관 현상은, 자연현상의 하나로서, 액체의 응집력 및 관과 액체 사이의 부착력 차이에 의해 일어난다.
지열 열교환기(230)는 지열 열교환부(210)를 순환하는 지열교환매체와 열교환하여 그 내부를 순환하는 열교환매체를 증발시킨다
압축기(250)는 지열 열교환기(230)를 통과한 열교환매체를 고온, 고압으로 압축한다.
상기와 같이 구성된 지열 열교환기(230)와 압축기(250)는, 공기열 히트펌프의 증발기(110)에 내장된다. 즉, 지열 열교환기(230)와 압축기(250)는 제상 및 보상열원의 형태로 직접 증발기에 삽입된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템의 계절별 작동은 다음과 같이 이루어진다.
공기열 히트펌프와 지열 히트펌프는 계절별 반대로 운전을 하며, 동절기에는 지열 히트펌프(200)의 지열을 공기열 히트펌프의 증발기(110)의 제상열원으로 이용한다. 하절기에는 지열 히트펌프(200)의 지열을 공기열 히트펌프의 증발기(110)의 보상열원으로 이용한다.
이러한 이유로 증발기(110)의 착상열원을 산출하여 지열 히트펌프(200)의 지열 열교환부(210)의 용량을 결정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템은 지열 히트펌프(200)의 열원이 증발기(110)의 제상에 이용되는 열원으로 사용할 뿐만 아니라, 보상열원으로 사용 가능하므로 증발기(110)의 제상을 해결함은 물론 효율을 증대시킬 수 있다.
나아가, 동절기 증발기(11)의 제상열원으로 필요한 열원 정도만 지열 히트펌프(200)를 내장함으로써, 더욱 안정된 시스템을 구축할 수 있다.
또한, 지열 열교환기(230)와 압축기(250)를 제상 및 보상열원의 형태로 직접 증발기에 삽입함으로써, 시공이 간단하여 시공이 안정적이고, 편의성을 높일 수 있으며, 설치비용을 줄여 시공효율을 높일 수 있다.
한편, 증발기(110)의 착상 이전에도 보상열원으로 지열 히트펌프(200)를 가동하며, 보상이 되지 않는다 하더라도 증발기(110)의 착상이 되지 않도록 함으로써, 효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 공기열 히트펌프의 단점을 보완하고, 지열원의 이용을 저비용으로 가능하게 함으로써, 시스템의 안정과 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 가장 보편적으로 얻을 수 있는 공기열원을 지열원이 서포터해줌으로써, 안정된 공기열 히트펌프시스템을 구축할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
110 : 증발기 200 : 지열 히트펌프
210 : 지열 열교환부 230 : 지열 열교환기
250 : 압축기

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 공기를 열원으로 하는 공기열 히트펌프; 및
    지중에 설치되어 지중의 열을 열원으로 하며, 상기 공기열 히트펌프의 제상 및 보상열원으로 이용되는 지열 히트펌프(200);를 포함하여 구성되며,
    상기 지열 히트펌프(200)는,
    지중에 매립되어 그 내부를 순환하는 지열교환매체에 의해 지열을 회수하는 지열 열교환부(210)와,
    상기 지열 열교환부(210)를 순환하는 상기 지열교환매체와 열교환하여 그 내부를 순환하는 열교환매체를 증발시키는 지열 열교환기(230)와,
    상기 지열 열교환기(230)를 통과한 상기 열교환매체를 고온, 고압으로 압축하는 압축기(250)를 포함하되,
    상기 지열 열교환기(230)와 상기 압축기(250)는, 상기 공기열 히트펌프의 증발기(110)에 내장되는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 지열 열교환부(210)는 지중에 매설되는 모세관 튜브식 지중열교환기인 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모세관 튜브식 지중열교환기(210)는 복수의 모세 유관(211)이 지중에 수평으로 매설되는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    동절기에는 상기 지열 히트펌프(200)의 지열을 상기 증발기(110)의 제상열원으로 이용하고,
    하절기에는 상기 지열 히트펌프(200)의 지열을 상기 증발기(110)의 보상열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 증발기(110)의 착상열원을 산출하여 상기 지열 열교환부(210)의 용량을 결정하는 것을 특징으로 하는 지열을 제상 및 보상열원으로 이용하는 공기열 히트펌프시스템.
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