KR101721888B1 - 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템 - Google Patents

듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어 시스템에 관한 것으로서, 이는 지열수에 포함된 지중열을 지열히트펌프에 의한 난방열 또는 냉방열로 회수한 후에, 별도의 공기열원 히트펌프를 이용하여 지중열의 하강 또는 상승을 방지하여, 초기 지열수 온도로 보상하는 제어시스템에 있어서, 겨울철에 난방열을 공급하는 상기 보상제어 시스템의 공기열원 히트펌프의 제상제어에 관한 것이다.
또한 지열히트펌프 작동이 중단되더라고, 상기 공기열원 히트펌프를 이용하여 지열수의 역순환 운전을 제어하여 지중열의 하강 또는 상승을 방지하도록 하여, 초기 지열수 온도로 보상하여, 지열히트펌프의 효율을 높히는 지열에너지 열적평형 보상제어 시스템에 있어서도 겨울철에 난방열을 공급하는 상기 보상제어 시스템의 공기열원 히트펌프의 제상제어에 관한 것이다.

Description

듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템{Defrosting controlling system of thermal compensation control system for seasonal balance with geothermal energy by using air thermal heat pump}
본 발명은 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어 시스템에 관한 것으로서, 이는 지열수에 포함된 지중열을 지열히트펌프에 의한 난방열 또는 냉방열로 회수한 후에, 별도의 공기열원 히트펌프를 이용하여 지중열의 하강 또는 상승을 방지하여, 초기 지열수 온도로 보상하는 제어시스템에 있어서, 겨울철에 난방열을 공급하는 상기 보상제어 시스템의 공기열원 히트펌프의 제상제어에 관한 것이다.
또한 지열히트펌프 작동이 중단되더라고, 상기 공기열원 히트펌프를 이용하여 지열수의 역순환 운전을 제어하여 지중열의 하강 또는 상승을 방지하도록 하여, 초기 지열수 온도로 보상하여, 지열히트펌프의 효율 을 높히는 지열에너지 열적평형 보상제어 시스템에 있어서도 겨울철에 난방열을 공급하는 상기 보상제어 시스템의 공기열원 히트펌프의 제상제어에 관한 것이다.
일반적으로 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등을 사용하게 되는데, 이러한 에너지원은 환경오염의 원인이 될 뿐 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체 에너지로써 풍력, 태양열, 지열 등을 활용한 냉난방장치를 사용하고 있다.
대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10℃~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템은 지하에서 일정한 온도를 유지하는 지열수를 뽑아낸 후 상기 지열수에 포함된 지열을 흡수하여 냉난방을 행하는 지열히트펌프를 구비하게 되고, 상기 지열히트펌프에서 열이 흡수된 지열수는 다시 지하로 회수되어 지중 열교환기 등을 이용하여 지열을 흡수하여 온도가 높아지도록 하고 있다.
즉, 지하에 묻힌 지중열교환기를 통하여 지열을 흡수한 지열수는 지열히트펌프에서 난방열로 회수된 후 다시 지중열교환기로 회수되도록 하고 있는 것으로, 이
와 같은 하이브리드 시스템은 겨울철 난방을 행할 때 초기에는 지중온도가 일정한 온도를 유지하게 되나, 열교환이 진행될수록 지열수의 온도가 낮아지게 되므로, 지중온도도 낮아질 수밖에 없다.
따라서, 지열을 이용한 난방이 장시간 이루어지는 경우 지중온도가 떨어직 되고, 이러한 지중온도의 하락은 지열히트펌프로 인입되는 지열수의 온도를 낮추게 되므로, 지열히트펌프의 효율이 떨어지는 문제점이 있는 것이다.
또한, 지열에너지를 이용하여 겨울철에 지열히트펌프에 의한 공급처의 난방부하에 대응하거나, 여름철에 냉방부하에 대응하는 하거나, 또는 온수 및 급탕부하에 대응하는 다양한 열원모드운전시에, 지열에너지의 과도한 상승 및 하강현상이 발생하게 되는 상태에 신속하고 효율적인 열적평형 보상제어 시스템의 개발이 필요한 문제점이 있는 것이다.
또한, 공기열원을 이용한 지열수 온도보상제어 시스템은 다른 보상장치에 비하여, 지열수를 혼합시키고, 분지시키며, 다양한 제어방식으로 인한 필요한 지열수의 온도조절이 매우 용이하고, 또한, 지열수 역순환방식을 제공할 수 있으므로, 지열히트펌프의 효율이 높은 장점이 있으나, 겨울철에 난방열을 공급하는 경우에, 공기열원 열교환기에 서리가 발생될 수 있으므로, 이에 대한 제상제어 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 10-2004-0045780 대한민국 공개특허공보 10-2011-0002380
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지열을 이용하여 냉난방을 행하는 하이브리드 시스템에 있어서, 지중열교환기와 지열히트펌프 중간에 공기열원 히트펌프를 이용하여, 지열히트펌프에 의한 각각의 다양한 부하운전에 신속하게 대응하는 지중열교환기내의 지열수 순환계통의 정상 순환운전 및 역순환 운전을 제어하는 시스템에 있어서, 공기열원 시스템에 정상운전 및 역순환시의 온도 보상용 압축기 사이클과 이와 별도로 제상용 압축기 사이클을 별도로 형성하여, 지열수 온도 보상운전이 작동되면서도, 제상운전이 필요한 조건에 도달되며, 별도로 제상용 압축기 사이클을 동시에 작동시켜서, 지열수 온도보상사이클이 중단되지 않고도 동시에 제상 작동이 가능한 제어시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 지중열교환기이 형성된 지열에너지시스템의 지열수 순환에 의하여 작동되는 지열히트펌프가 형성되며, 지열수 온도보상을 위하여, 지열에너지시스템과 지열히트펌프사이의 지열수 순환계통에 공기열원 열교환기는 냉매와 외기공기와 상호 열교환되고, 수열원 열교환기는 냉매와 지열수와 상호 열교환되도록 이루어진 공기열원 히트펌프가 형성된 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템에 있어서, 상기 공기열원 히트펌프는 온도보상용 압축기의 토출측에 연결된 수열원 열교환기, 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원용 열교환기를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기로 냉매순환되는 온도 보상용 냉매사이클과; 설정된 제상조건에만 작동되는 제상용 압축기의 토출측에 연결된 제상용 열교환기, 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기로 냉매순환되는 제상용 냉매사이클로 이루어지며;상기 공기열원 열교환기를 형성하는 냉매관의 내측부에 위치한 공기열원열교환기는 상기 온도 보상용 냉매사이클에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기는 상기 제상용 냉매사이클에 연결되도록 형성되며, 공기유동은 외측에서 내측으로 유입되도록 형성시키도록; 이루어진 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템을 제공하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 지중열교환기와 지열히트펌프 중간에 공기열원 히트펌프를 설치한 공기열원을 이용한 지열수 온도보상제어 시스템에 있어서, 겨울철에 공기열원 히트펌프의 공기열원 열교환기에 서리가 발생되는 조건에서, 별도의 압축기 제상용 사이클을 구동시켜서, 지열수 온도보상 운전에 의한 지지열히트펌프를 중단시키지 않고, 계속적으로 작동시키면서도, 제상운전을 작동시켜서, 지열히트펌프의 효율이 유지되는 효과가 있는 것이다.
또한, 지열히트펌프가 필요공급처의 대응되는 부하에 도달되거나, 작동이 중단되는 기간이라도, 역 순환운전모드를 제공하여, 지속적으로 지중의 열적평형을 보상운전을 작동시키는 작동중에, 제상조건이 발생되더라도, 열적 평형 보상운전을 중단시키지 않고, 별도로 제상운전이 가능하여, 지열히트펌프의 효율이 유지되는 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 정상운전모드시에 제상운전에 따른 지열수 순환흐름을 나타낸 계통도.
도 2는 본 발명의 역 순환운전모드시에 제상운전에 따른 지열수 순환흐름을 나타낸 계통도.
도 3은 본 발명의 공기열원 히트펌프의 듀얼 압축기 시스템을 나타낸 계통도.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템의 일실시예를 살펴보면,
본 발명은
지중열교환기(15)이 형성된 지열에너지시스템(10)의 지열수 순환에 의하여 작동되는 지열히트펌프(30)가 형성되며, 지열수 온도보상을 위하여, 지열에너지시스템(10)과 지열히트펌프(30)사이의 지열수 순환계통에 공기열원 열교환기(25)는 냉매와 외기공기와 상호 열교환되고, 수열원 열교환기(26)는 냉매와 지열수와 상호 열교환되도록 이루어진 공기열원 히트펌프(20)가 형성된 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템에 있어서,
상기 공기열원 히트펌프(20)은
온도보상용 압축기(21)의 토출측에 연결된 수열원 열교환기(26), 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원용 열교환기(25a)를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기(21)로 냉매순환되는 온도 보상용 냉매사이클(60)과,
설정된 제상조건에만 작동되는 제상용 압축기(51)의 토출측에 연결된 제상용 열교환기(25b), 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기(56)를 거쳐, 다시 상기 제상용 압축기(51)로 냉매순환되는 제상용 냉매사이클(50)로 이루어지며;
상기 공기열원 열교환기(25)를 형성하는 냉매관의 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 상기 제상용 냉매사이클(50)에 연결되도록 형성되며, 공기유동은 외측에서 내측으로 유입되도록 형성시키도록; 이루어진 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 지중열교환기(15)에 연결된 지열수 유출관(11)의 지열수는 순환계통에서 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)의 수열원 열교환기(26)와 제상용 압축기(51)의 제상용 수열원 열교환기(56)로 각각 설정값으로 분배되어, 열교환되고, 다시 혼합되어, 상기 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)로 공급되도록; 이루어진 것이다.
또한, 본 발명은
제상제어작동시에,
지중열교환기(15)이 형성된 지열에너지시스템(10)의 지열수 순환에 의하여 작동되는 지열히트펌프(30)가 형성되며, 지열수 온도보상을 위하여, 지열에너지시스템(10)과 지열히트펌프(30)사이의 지열수 순환계통에 공기열원 열교환기(25)가 장착되되; 상기 공기열원 열교환기(25)를 형성하는 냉매관의 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 온도 보상용 냉매사이클(60)에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 제상용 냉매사이클(50)에 연결되도록 형성되며, 공기유동은 외측에서 내측으로 유입되도록 형성되는 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템에 있어서,
온도보상용 압축기(21)의 토출측에 연결된 수열원 열교환기(26), 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원 열교환기(25)를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기(21)로 냉매순환되는 온도 보상용 냉매사이클(60)로 이루어진 공기열원 히트펌프(20)를 작동시키는 단계(S100)와;
외기온도에 의하여 설정된 제상조건이 형성되면, 제상용 압축기(51)의 토출측에 연결된 공기열원 열교환기(25), 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기(56)를 거쳐, 다시 상기 제상용 압축기(51)로 냉매순환되는 제상용 냉매사이클(50)이 작동되는 단계(S200);로 이루어진 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템에 관한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템을 상세히 설명하도록 한다.
어느 지역의 냉방부하와 난방부하는 계절에 따라서, 필요공급처의 냉방부하와 난방부하간의 차이(열적평형)가 발생되고 있으며, 이는 북쪽지역과 남쪽지역의 지역적 특성에 의하여, 난방부하가 냉방부하보다 클수 있으며, 적을수 있는 것이다.
지열수에 의한 지열히트펌프를 설치하고, 1년 내지 2년내에는 열적평형에 의하여 지중의 온도가 낮아지거나, 높아지더라고 지열히트펌프에 의한 냉난방 시스템에 문제가 발생되지 않으나, 2년이후에는 지중온도가 설치당시의 초기 설계값을 회복하지 못하고, 난방부하가 큰 지역에서는 지중온도가 설치시점보다도 저온상태를 계속 유지하거나, 냉방부하가 큰 지역에서는 지중온도가 고온상태를 계속 유지하는 문제가 발생되고 있는 것이다.
이로 인하여 지열을 이용한 냉난방시스템의 효율이 급격히 저하되는 문제점이 있으므로, 본 발명은 공기열원 히트펌프를 이용하여, 지중의 열적평형을 보상하고, 지열히트펌프가 필요공급처의 대응되는 부하에 도달되거나, 작동이 중단되는 시기에는 역 순환운전모드를 제공하여, 계속적으로 지중의 열적평형을 보상하여주는 시스템에 있어서, 겨울철에 공기열원 히프펌프의 공기열원 열교환기에 서리가 발생되고, 발전되어, 결빙으로 전파되는 경우에, 이를 방지하기 위한 제상제어시스템에 관한 것이다.
본 발명의 제상제어시스템이 채택되는 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템을 설명하면 다음과 같다.
도 1에 나타난 바와 같이,
필요공급처의 냉난방부하에 대응되는 지열히트펌프(30)의 정상적인 작동되고 있으며, 상기 지열히트펌프(30)는 압축기, 응축기 및 증발기용 열교환기, 팽창밸브 및 난방시와 냉방시에 따른 냉매사이클의 전환제어장치등을 포함하고 있는 것이며, 열교환기는 지중의 지열수와 상호 열교환되는 지열용 열교환기(35)와 필요공급처의 냉난방부하 및 온수 또는 급탕운전에 필요한 열원을 공급하는 열교환기로 크게 이루어진다.
공급처에 난방부하에 대응하기 위하여, 지열용 열교환기(35)는 증발기 기능을 담당하게 되고, 지열에너지시스템(10)의 지열수로부터 열을 획득하여, 증발되는 것이며, 냉방부하에 대응하기 위하여, 응축기 기능을 담당하게 되고, 지열에너지시스템(10)의 지열수로 열을 방출하여, 응축되는 것이다.
이를 위하여, 지중열교환기(15)에 연결된 지열수 유출관(11) 및 유입관(12)으로부터 지열수가 유출되거나 유입되며, 순환되는 지열에너지시스템(10)이 지하에 매설되는 것이다.
본 발명의 열적평형을 보상하기 위하여, 외기온도의 공기열원을 이용한 히트펌프를 이용하는 것을 특징으로 하는 것이며, 이를 위하여 공기열원 열교환기(25)는 냉매와 외기공기와 상호 열교환되고, 수열원 열교환기(26)의 냉매와 지열수와 상호 열교환되도록 이루어진 공기열원 히트펌프(20)를 설치하는 것이다.
상기 공급처에 난방열을 공급하는 지열히트펌프(30)가 작동하는 운전조건에서는, 상기 공기열원 히트펌프(20)의 수열원 열교환기(26)는 응축기 기능을 담당하게 되고, 공기열원 열교환기(25)는 증발기 기능을 담당하게 되는 것이다.
상기 지중열교환기(15)와 연결된 지열수 유출관(11)으로부터 지열히트펌프 (30)로 지열수를 공급하는 지열수 순환계통의 중간지점에서 상기 수열원 열교환기 (26)에서 냉매와 열교환되고 유출되는 지열수와, 상기 지중열교환기(15)로부터 유출되는 지열수가 지열수 순환계통의 혼합점(41)에서 혼합되는 것을 특징으로 하는 것이다.
난방시에 지중온도가 점점 낮아지게 되며, 이로 인한 지열수 온도가 점점 낮게 형성되어, 초기의 설계값보다 낮아진 지열수 온도가 지열히트펌프(30)로 공급되어, 지열히트펌프의 효율이 점점 저하되므로, 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명은 공기열원 히트펌프(20)로부터 지열수의 온도를 상승시켜서, 지중의 낮아진 지열수와 상호 혼합시켜서, 지열히트펌프(30)로 공급되는 지열수의 온도를 초기 설계값으로 상승하여 보상시키는 시스템을 특징으로 하는 것이다.
상기 혼합점(41)에서 상호 혼합되어, 온도가 상승 보상된 지열수는 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)내의 냉매와 상호 열교환되며 유출되는 것이다.
이외 반대로, 냉방시에 지중온도가 점점 높아지게 되며, 이로 인한 지열수 온도가 점점 높게 형성되어, 초기의 설계값보다 높아진 지열수 온도가 지열히트펌프(30)로 공급되어, 지열히트펌프의 효율이 점점 저하되므로, 공기열원 히트펌프 (20)의 수열원 열교환기(26)는 증발기 기능을 담당하게 전환시켜서, 지열수 온도를 낮게 형성시켜서, 지중으로부터 높아진 지열수와 상호 혼합시켜서, 하강보상시키는 것을 특징으로 하는 것이다. 이때에 공기열원 열교환기(25)는 응축기 기능을 담당하게 되는 것이다.
상기 지열용 열교환기(35)의 냉매와 상호 열교환되고, 유출된 지열수는 지열수 순환계통의 분기점(42)에서 사전설정된 분배량으로 일부는 다시 상기 수열원 열교환기(26)로 유입되어, 냉매와 상호 열교환되도록 분지되며, 나머지는 다시 지열수 유입관(12)걸쳐 지중열교환기(15)로 유입되도록 형성되는 것이다.
상기 분지되는 지열수의 분배량은 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)의 초기 설계값이 필요로 하는 지열수의 온도가 되도록 사전에 설정되는 것이다.
이를 위하여, 상기 혼합점(41)에서는 분지점(42)으로부터 분지되어 수열원 열교환기(26)의 냉매와 열교환된 지열수와 지중열교환기(15)로부터 유출된 지열수 유출관(11)의 지열수가 상호 혼합되어 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)로 공급되는 것이다.
상기 도 1에 나타낸 정상운전모드에 의하여, 지열히트펌프(30)는 필요공급처의 필요한 냉방 또는 난방열을 형성하게 되며, 부하에 대응하는 열원이 형성된 후에 지열히트펌프(30)가 계속적으로 작동하게 되면, 이는 에너지 손실을 초래하게 되는 것이다.
이러한 에너지 효율이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 나타낸 다른 실시예에 있어서, 본 발명은
필요공급처의 냉난방부하에 대응되는 지열히트펌프(30)의 정상적인 냉난방 운전모드로부터 냉난방부하가 완료되는 완료운전모드에서 작동되는 역순환 운전모드를 특징으로 하는 것이다.
이를 위하여, 상기 지중열교환기(15)내의 지열수 유출관(11) 및 유입관(12)이 역으로 전환되는 역순환되는 지열에너지시스템(10)으로 전환되는 것이다.
즉, 정상운전시의 지열수 유출관(11)으로부터 지열수가 지중열교환기(15)로 유입되며, 유입관(12)은 지열수가 지중으로부터 유출되는 기능을 담당하는 것이다.
또한, 지열히트펌프(30)는 작동되지 않으므로, 상기 유출된 지열수는 지열히트펌프(30)로 순환되지 않는 것을 특징으로 하는 것이다.
그러므로, 지중열교환기(15)로부터 유출된 지열수는 공기열원 히트펌프(20)의 수열원 열교환기(26)의 냉매와 상호 열교환되고, 다시 지중열교환기(15)로 유입되는 역순환 운전모드;로 이루어진 것이다.
난방시에는 공기열원 열교환기(25)는 증발기 기능을 담당하게 되고, 수열원 열교환기(26)는 응축기 기능을 담당하게 되어, 지열히트펌프(30)의 작동이 중단되더라도, 겨울철에 낮아진 지중의 온도를 공기열원 히트펌프(20)로부터 지속적으로 상승보상시키며, 냉방시에는 높아진 지중의 온도를 하강보상시키는 열적평형 보상시스템을 특징으로 하는 것이다.
또한, 도 2에 나타낸 다른 실시예에 있어서, 본 발명은
상기 지열히트펌프(30)로부터 제공되는 온수 또는 급탕부하가 완료되는 완료운전모드에 있어서,
상기 지중열교환기(15)내의 지열수 유출관(11) 및 유입관(12)이 역으로 전환되는 역순환되는 지열에너지시스템(10)으로 전환되며,
상기 유출된 지열수는 지열히트펌프(30)로 순환되지 않고, 공기열원 히트펌프(20)의 수열원 열교환기(26)의 냉매와 상호 열교환되고, 다시 지중열교환기(15)로 유입되는 역순환 운전모드가; 이루어진 것이다.
상기 역순환 운전모드는 지열히트펌프의 작동유무와 관계없이 지속적으로 지열수의 온도를 보상시키는 기능을 담당하게 되며, 다시 정상운전모드로 복귀되는 경우에라도, 필요로 하는 지열수의 온도로 신속하게 도달되도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 공기열원을 이용한 지열 열적평형 보상을 위한 지열히트펌프를 작동하고 있으며, 겨울철에 공기열원 열교환기(25)에는 서리가 발생될 수 있으며, 이를 방지하고자 듀얼 압축기 시스템을 공기열원 히트펌프에 적용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이를 위하여, 도 1 및 도 2에 나타낸 공기열원 히트펌프(20)를 도 3에 듀얼압축기 시스템으로 나타낸 것이다.
도 3의 공기열원 히트펌프(20)은 온도 보상용 냉매사이클(60)과 제상용 냉매사이클(50)가 각각 독립적으로 별도로 작동되고, 1개의 케이스 내부에 장착되고 있는 것이다.
온도 보상용 냉매사이클(60)은 온도보상용 압축기(21)의 토출측에 연결된 수열원 열교환기(26), 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원용 열교환기(25a)를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기(21)로 냉매순환되고 있으며, 이는 도 1 및 도 2에 나타낸 정상운전 및 역순환운전 모드시 작동되고 있는 것이다.
제상용 냉매사이클(50)은 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)과는 완전히 별도로 작동되고 있으며, 주어진 설정된 제상조건에만 작동되는 제상용 압축기(51)의 토출측에 연결된 제상용 열교환기(25b), 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기(56)를 거쳐, 다시 상기 제상용 압축기(51)로 냉매순환되는 것이다.
상기 설정된 제상조건은 외기온도를 측정하여, 설정된 외기온도이하로 측정되는 경우나, 또는 제상하고자 하는 공기열원 열교환기(25)의 공기핀의 온도를 측정하는 경우나, 통상의 다양한 방법으로 제상조건을 설정하여 선택할 수 있는 것이다.
상기 공기열원 열교환기(25)는 일반적인 공기핀-냉매관으로 이루어져 있을수 있으며, 공기핀-냉매관이 일체로 이루어진 브레이징 타입의 공기열원용 열교환기등에서 선택적으로 형성되고 있는 것이다.
상기 공기열원 열교환기(25)는 냉매가 내부에 유동되는 다수개의 냉매관의 조립체로 이루어져 있으며, 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기 (25b)는 상기 제상용 냉매사이클(50)에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)와 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 각각 상호 독립적으로 형성되고 있으므로, 온도 보상용 냉매사이클 (60)이 작동되는 경우에는, 냉매가 제상용 열교환기(25b)로는 유동되지 않으며, 제상용 냉매사이클(50)이 작동되는 경우에는, 냉매가 공기열원용 열교환기(25a)로는 유동되지 않는 것이다.
공기열원 히트펌프(20)내의 공기유동은 공기열원용 열교환기의 최외측에서 내측을 거쳐서 통과되는 것이다.
이는 제상작동시에, 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 제상용 냉매사이클(50)로부터 응축기 기능을 담당하고 있으며, 내측에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 온도 보상용 냉매사이클(60)로부터 증발기 기능을 담당하고 있으며, 제상조건이 형성되어, 서리가 발생될 수 있는 현상이 시작될 수 있는 것이다.
상기 제상용 열교환기(25b)를 통과하는 외기 공기는 열을 흡수하여, 공기열원용 열교환기(25a)의 외측에 발생되는 서리 또는 결빙을 녹이는 제상작동이 시작되며, 동시에 온도보상용 냉매사이클(60)는 지속적으로 지열수에 온도를 보상하는 작동을 중단하지 않으므로, 지열히트펌프(30)는 필요한 공급처에 지속적으로 난방열을 공급시키는 것이다.
도 3을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
공기열원 히트펌프(20)은 제상제어작동시에, 상기 지중열교환기(15)에 연결된 지열수 유출관(11)의 지열수는 순환계통에서 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)의 수열원 열교환기(26)와 제상용 압축기(51)의 제상용 수열원 열교환기(56)로 각각 설정값으로 분배되어, 온도 보상용 냉매사이클(60)과 제상용 냉매사이클(50)가 각각 독립적으로 동시에 별도로 작동되는 것을 특징으로 하는 것이다.
제상제어가 작동하지 않는 정상운전이나, 역순환운전인 경우에는 지열수는 분배되지 않고, 모두 온도 보상용 냉매사이클(60)로 순환되는 것이다.
상기 분배된 지열수는 각각 온도 보상용 냉매사이클(60)의 수열원 열교환기(26)는 응축기기능을 담당하므로, 지열수 온도가 상승되며, 제상용 냉매사이클(50)의 제상용 수열원 열교환기(56)는 증발기 기능을 담당하므로, 지열수 온도가 감소되며, 다시 일정지점에서 혼합되는 것이다.
이때에, 수열원 열교환기(26)의 용량은 제상용 수열원 열교환기(56)에 비하며, 상대적으로 몇배이상이므로, 혼합된 지열수는 결과적으로 상승된 온도로 공기열원 히트펌프(20)로부터 유출되며, 혼합점(41)에서 초기의 지열수와 혼합되어, 지열수 온도가 상승하게 되며, 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)로 공급되도록; 이루어진 것이다.
본 발명의 시스템에 의한 제어방법은 다음과 같다.
지중열교환기(15)이 형성된 지열에너지시스템(10)의 지열수 순환에 의하여 작동되는 지열히트펌프(30)가 형성되며, 지열수 온도보상을 위하여, 지열에너지시스템(10)과 지열히트펌프(30)사이의 지열수 순환계통에 공기열원 열교환기(25)가 장착되되; 상기 공기열원 열교환기(25)를 형성하는 냉매관의 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 온도 보상용 냉매사이클(60)에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 제상용 냉매사이클(50)에 연결되도록 형성되며, 공기유동은 외측에서 내측으로 유입되도록 형성되는 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템에 있어서,
온도보상용 압축기(21)의 토출측에 연결된 수열원 열교환기(26), 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원용 열교환기(25a)를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기(21)로 냉매순환되는 온도 보상용 냉매사이클(60)로 이루어진 공기열원 히트펌프(20)를 작동시키는 단계(S100)와;
설정된 제상조건이 형성되면, 제상용 압축기(51)의 토출측에 연결된 제상용열교환기(25b), 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기(56)를 거쳐, 다시 상기 제상용 압축기(51)로 냉매순환되는 제상용 냉매사이클(50)이 작동되는 단계(S200);로 이루어진 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템의 제어방법에 관한 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 지열에너지시스템 11:지열수 유출관
15: 지중열교환기
20: 공기열원 히트펌프 21: 온도보상용 압축기
25: 공기열원 열교환기
25a: 공기열원용 열교환기 25b: 제상용 열교환기
26: 수열원 열교환기
30: 지열히트펌프 35: 지열용 열교환기
50: 제상용 냉매사이클 51: 제상용 압축기
56: 제상용 수열원 열교환기
60:온도 보상용 냉매사이클

Claims (3)

  1. 지중열교환기(15)에 연결된 지열수 유출관(11) 및 유입관(12)으로부터 지열수가 유출되거나 유입되며, 순환되는 지열에너지시스템(10)이 지하에 매설되고;
    공기열원 열교환기(25)는 냉매와 외기공기와 상호 열교환되고, 수열원 열교환기(26)는 냉매와 지열수와 상호 열교환되도록 이루어진 공기열원 히트펌프(20)를 설치하고;
    상기 수열원 열교환기(26)로부터 유출되는 지열수와 상기 지중열교환기(15)로부터 유출되는 지열수는 지열수 순환계통의 혼합점(41)에서 혼합되어 순환되어, 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)내의 냉매와 상호 열교환되며 유출되며,
    상기 유출된 지열수는 지열수 순환계통의 분기점(42)에서 사전설정된 분배량으로 일부는 다시 상기 수열원 열교환기(26)로 유입되어, 냉매와 상호 열교환되도록 분지되며, 나머지는 다시 지열수 유입관(12)걸쳐 지중열교환기(15)로 유입되도록 형성되며,
    상기 혼합점(41)에서는 분지되어 열교환된 지열수와 지열수 유출관(11)의 지열수가 상호 혼합되어 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)내로 공급되도록 정상적인 냉난방 운전을 형성하되;
    필요공급처의 냉난방부하에 대응되는 지열히트펌프(30)의 정상적인 냉난방 운전모드로부터 냉난방부하가 완료되는 완료운전모드는;
    상기 지중열교환기(15)내의 지열수 유출관(11) 및 유입관(12)이 역으로 전환되는 역순환되는 지열에너지시스템(10)으로 전환되며,
    상기 유출된 지열수는 지열히트펌프(30)로 순환되지 않고, 공기열원 히트펌프(20)의 수열원 열교환기(26)의 냉매와 상호 열교환되고, 다시 지중열교환기(15)로 유입되는 역순환 운전모드로 이루어진, 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템에 있어서,
    상기 공기열원 히트펌프(20)은
    온도보상용 압축기(21)의 토출측에 연결된 수열원 열교환기(26), 및 팽창밸브를 거쳐, 공기열원용 열교환기(25a)를 거쳐, 다시 상기 온도보상용 압축기(21)로 냉매순환되는 온도 보상용 냉매사이클(60)과,
    설정된 제상조건에만 작동되는 제상용 압축기(51)의 토출측에 연결된 제상용 열교환기(25b), 및 팽창밸브를 거쳐, 제상용 수열원 열교환기(56)를 거쳐, 다시 상기 제상용 압축기(51)로 냉매순환되는 제상용 냉매사이클(50)로 이루어지며;
    상기 공기열원 열교환기(25)를 형성하는 냉매관의 내측부에 위치한 공기열원용 열교환기(25a)는 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)에 연결되도록 형성되며, 최외측에 위치한 제상용 열교환기(25b)는 상기 제상용 냉매사이클(50)에 연결되도록 형성되며, 공기유동은 외측에서 내측으로 유입되도록 형성시키도록 이루어지며,
    제상제어작동시에,
    상기 지중열교환기(15)에 연결된 지열수 유출관(11)의 지열수는 순환계통에서 상기 온도 보상용 냉매사이클(60)의 수열원 열교환기(26)와 제상용 압축기(51)의 제상용 수열원 열교환기(56)로 각각 설정값으로 분배되어, 열교환되고, 다시 혼합되어, 상기 지열히트펌프(30)의 지열용 열교환기(35)로 공급되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 듀얼 압축기 공기열원 히트펌프에 의한 계절간 지열에너지 열적평형 보상제어시스템의 제상제어시스템.
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