KR102015302B1 - 냉난방 시스템 - Google Patents

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박기주
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Abstract

본 발명은 열원측에서 공급된 지하수와 냉매가 내부에 공급되어 서로 간접적으로 접촉시키는 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템에 있어서, 열원측 열교환 유닛은, 상기 열원측 열교환 유닛의 내부 일 측에서 지하수가 공급되는 지하수 공급챔버; 상기 열원측 열교환 유닛 내부에서 상기 지하수 공급챔버와 분리된 공간에 냉매가 공급되는 제1냉매 공급챔버; 상기 지하수 공급챔버에서 배출된 지하수와 상기 제1냉매 공급챔버에서 배출된 냉매가 간접적으로 열교환하는 열교환 챔버; 상기 열원측 열교환 유닛의 내부 타 측에서 상기 지하수 공급챔버로부터 복수개의 제1파이프를 통하여 제1방향으로 지하수를 공급받는 지하수 포집챔버; 상기 지하수 포집챔버로부터 배출된 지하수를 다시 상기 열원측 열교환 유닛의 내부로 공급하는 지하수 재순환 유로; 상기 지하수 재순환 유로로부터 지하수를 공급받아 상기 열원측 열교환 유닛 내부에서 복수개의 제2파이프를 통하여 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 재분배하는 제1리버스 챔버; 상기 지하수 포집챔버와 제1리버스 챔버 사이에 개재되어 상기 제1냉매 공급챔버로부터 제3파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출되는 제1냉매 배출챔버; 상기 제1리버스 챔버에서 공급된 지하수가 상기 제2파이프와 제3파이프 사이 공간 통하여 상기 제2방향으로 공급되는 제2리버스 챔버; 상기 제2리버스 챔버와 열교환 챔버 사이에 개재되고 냉매가 공급되는 제2냉매 공급챔버 및 상기 제2냉매 공급챔버로부터 제4파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출하는 제2냉매 배출챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템을 제공한다.

Description

냉난방 시스템{Air conditioning and heating system}
본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 지중의 지하수와 히트펌프의 열매체를 열교환 유닛에서 열교환시키는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 가정 및 산업용 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석연료 또는 핵연료 등이 주류를 이루고 있다. 이러한 에너지원은 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 수질 및 토양을 포함하는 환경을 오염시킬 뿐만 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지 중에서도 녹색 에너지로 각광받고 있고, 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구가 지속되고 있으며, 이러한 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야 하며, 이 장치들은 단위 장치당 에너지 생산용량이 적고 또한 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되고 있다.
그런데 대체 에너지의 일원인 지열은 지중의 일정한 범위에 분포되는 지열을 이용하여 냉난방을 제공하는 공기 조화장치에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 가정을 비롯한 건물 등의 냉난방 기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용한 열교환 장치는 지하에 일정 깊이로 매설된 지중 열교환기를 통하여 연중 약 10~20℃로 유지되는 지열을 이용하여 하절기에는 지중으로 냉매의 열을 방출하고, 동절기에는 지중으로부터 냉매가 열을 흡수하여 연내 안정적인 냉난방 운전이 가능하다. 이러한 지열을 이용한 냉난방 시스템에 관한 기술은 등록특허 제10-1830675호(2018.02.21. 공고)에 상세하게 기재되어 있다.
그러나 종래 사용되고 있는 지열을 이용한 열교환 장치는 장시간 연속 운전 시 필요한 열량을 지열로부터 지속적으로 공급받지 못하는 문제가 발생하고 있고, 또한 이러한 열교환 장치는 지열의 스트레스로 인해 열교환 성능이 저하되는 것을 보완하기 위해 버퍼탱크를 별도로 구비해야만 하는 한계를 가지고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 열원측 또는 부하측 열교환 유닛에 각각 공급되는 지하수를 통하여 열매체와 열교환에 따른 열원 에너지를 지속적으로 공급받을 수 있고, 열교환 성능을 최대한 증대시킬 수 있는 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 수행하기 위한 본 발명은 열원측에서 공급된 지하수와 냉매가 내부에 공급되어 서로 간접적으로 접촉시키는 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템에 있어서, 열원측 열교환 유닛은, 상기 열원측 열교환 유닛의 내부 일 측에서 지하수가 공급되는 지하수 공급챔버; 상기 열원측 열교환 유닛 내부에서 상기 지하수 공급챔버와 분리된 공간에 냉매가 공급되는 제1냉매 공급챔버; 상기 지하수 공급챔버에서 배출된 지하수와 상기 제1냉매 공급챔버에서 배출된 냉매가 간접적으로 열교환하는 열교환 챔버; 상기 열원측 열교환 유닛의 내부 타 측에서 상기 지하수 공급챔버로부터 복수개의 제1파이프를 통하여 제1방향으로 지하수를 공급받는 지하수 포집챔버; 상기 지하수 포집챔버로부터 배출된 지하수를 다시 상기 열원측 열교환 유닛의 내부로 공급하는 지하수 재순환 유로; 상기 지하수 재순환 유로로부터 지하수를 공급받아 상기 열원측 열교환 유닛 내부에서 복수개의 제2파이프를 통하여 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 재분배하는 제1리버스 챔버; 상기 지하수 포집챔버와 제1리버스 챔버 사이에 개재되어 상기 제1냉매 공급챔버로부터 제3파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출되는 제1냉매 배출챔버; 상기 제1리버스 챔버에서 공급된 지하수가 상기 제2파이프와 제3파이프 사이 공간 통하여 상기 제2방향으로 공급되는 제2리버스 챔버; 상기 제2리버스 챔버와 열교환 챔버 사이에 개재되고 냉매가 공급되는 제2냉매 공급챔버 및 상기 제2냉매 공급챔버로부터 제4파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출하는 제2냉매 배출챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템을 제공한다.
상기 제1파이프는 상기 지하수 공급챔버와 지하수 포집챔버를 연결하고, 상기 제2파이프는 상기 제1리버스 챔버와 제2리버스 챔버를 연결하며, 상기 제3파이프는 상기 제1냉매 공급챔버와 제1냉매 배출챔버를 연결하고, 상기 제4파이프는 상기 제2냉매 공급챔버와 제2냉매 배출챔버를 연결 할 수 있다.
상기 열원측 열교환 유닛은 상기 제1파이프 외측에 상기 제3파이프가 배치되고, 상기 제3파이프 외측에 상기 제2파이프가 배치되며, 상기 제2파이프 외측에 상기 제4파이프가 배치될 수 있다.
상기 제1파이프 및 제2파이프는 내주면 및 외주면에 전열면적을 증대할 수 있도록 형성된 제1나선 패턴을 포함할 수 있다.
상기 제1파이프 및 제2파이프는 상기 제1나선 패턴 상에서 전열면적을 증대할 수 있도록 상기 제1나선 패턴 보다 피치가 작게 돌출된 제2나선 패턴을 포함할 수 있다.
상기 제1나선 패턴은 냉매의 상변화(액체-기체)에 따라 패턴의 밀도 또는 피치가 서로 다르게 이중 패턴으로 변형되도록 형성될 수 있다.
상기 제1나선 패턴은 냉매의 상변화(액체-기체)에 따라 패턴의 산과 골 사이의 간격이 서로 다르게 이중 패턴으로 변형되도록 형성될 수 있다.
상기 제1파이프와 제2파이프는 냉매가 액체인 구간과 기체인 구간에 대응하여 상기 제1나선 패턴의 이중 패턴이 각각 2:1~5:1의 비율로 단계적으로 또는 부분적으로 이중 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 제3파이프 및 제4파이프는 상기 제1파이프 및 제2파이프와 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다.
상기 냉난방 시스템은 지중에서 지하수를 상기 열교환 유닛으로 공급하는 순환수 공급수단; 상기 열원측 열교환 유닛과 동일 구성으로 부하측에 배치되는 부하측 열교환 유닛; 상기 열원측 열교환 유닛과 부하측 열교환 유닛에 선택적으로 냉매를 공급하는 4방밸브 및 상기 열원측 열교환 유닛과 부하측 열교환 유닛에 연결된 냉매 공급라인에 냉매의 공급압력을 제공하는 압축기 및 팽창밸브를 더 포함 할 수 있다.
본 발명에 따른 냉난방 시스템에 따르면,
첫째, 냉매와 지하수가 복수번에 걸쳐 간접적으로 열교환을 할 수 있어 열교환 성능이 현저히 증대되고,
둘째, 지하수의 공급 경로를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하며, 다시 제1방향으로 공급하면서 열교환이 이루어져 열교환 유닛을 소형화할 수 있으며,
셋째, 지열수의 공급 방향에 따라서 지열수의 공급 속도를 다르게 공급하여 열교환 성능을 증대시킬 수 있고,
넷째, 제1파이프 및 제2파이프에 제1나선 패턴과 제2나선 패턴을 구비하여 전열면적을 증대시킬 수 있으며,
다섯째, 제1파이프 및 제2파이프 상에서 적어도 제1나선 패턴이 냉매의 상 변화에 대응하도록 이중 패턴으로 형성되면서 열교환 성능을 증대시킴과 동시에 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉난방 시스템을 개략적으로 도시하는 참고도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방 시스템의 히트펌프를 개략적으로 확대하여 도시하는 참고도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 히트펌프의 열교환 유닛을 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 부분적으로 확대하여 도시하는 참고도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 열교환 유닛 내부의 제1파이프 내지 제4파이프가 복수개 구비된 상태를 도시하는 참고도이다.
도 6은 도 4에 나타낸 열교환 유닛의 제1파이프 또는 제2파이프에 형성된 제1나선 패턴을 도시하는 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉난방 시스템을 개략적으로 도시하는 참고도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉난방 시스템의 히트펌프를 개략적으로 확대하여 도시하는 참고도이다.
도 1을 참조하면, 냉난방 시스템(10)은 지열을 열원으로 하여 지중에서 열교환되어 공급된 지하수 또는 지하수 공급을 위해 마련된 홀을 통하여 지하수가 직접 열원으로 공급되는 제1열교환 유닛(110)과, 상기 제1열교환 유닛(110) 내부에서 지열수와 열교환된 냉매를 공급하도록 냉매(R-22, R-134a 또는 R-410)의 순환을 허용하는 제1냉매 순환라인(121)과, 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에 결합되는 압축기(120) 및 팽창밸브(130)와, 상기 압축기(120)로부터 공급되는 냉매가 상기 제1냉매 순환라인(121) 상에서 공급되는 경로를 설정하는 4방밸브(140)와, 상기 제1열교환 유닛(110)과 동일한 구성으로 부하측에 배치되는 제2열교환 유닛(150)을 포함하는 제1히트펌프(100)와, 도면에 도시하지는 않았지만, 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템(10)을 제어하는 제어부(미도시) 및 지하수를 히트펌프로 공급하는 순환수 공급수단(11)을 포함한다.
그리고 상기 제1냉매 순환라인(121)은 상기 히트펌프(100) 내부에서 폐쇄루프를 이루도록 연결된다.
따라서, 냉난방 시스템(10)은 냉방 운전시에 냉매를 연속적으로 압축, 응축, 팽창시켜 실내기(14)로 하여금 실내에서 냉매의 증발을 통해 실내를 냉방시키는 냉동사이클의 가동을 가능케 한다. 또한 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템(10)은 난방시에 상기 냉방사이클의 역사이클로 냉매를 흐르게 하여 실내기(14)로 하여금 냉매의 응축을 통해 실내를 난방시킨다.
또한, 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템(10)은 공기 열원식 히트펌프 냉난방시스템과 달리, 지하수를 열원으로 하여 제1열교환 유닛(110)에서 열교환을 행하는 직수 공급식 히트펌프 시스템이다.
따라서, 상기 히트펌프(100)는 제1열교환 유닛(110) 및 제2열교환 유닛(150)이 냉난방 기능에 따라 각각 응축기 또는 증발기 기능을 위한 하나의 열교환 순환회로를 구성한다.
그리고 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템(10)은 지중의 열원을 이용하기 위해 지중에 매설된 별도의 지중 열교환기 또는 순환수 공급수단(11)이 구비된다. 지중 열교환기(13)는 지중에 설정된 깊이로 복수개의 'U'자 형상의 관이 매설되며, 지중 열교환기(13)를 통하여 지열의 열원을 흡수한 지열수를 상기 제1열교환 유닛(110)으로 공급한다. 또한 순환수 공급수단(11)은 가정에서 지하수를 사용하기 위해 수리시설의 일종인 관정(管井)을 굴착하게 되는데, 이때 관정을 이용하여 지하수를 직접 히트펌프로 공급할 수 있고, 지중 열교환기와 같이 별도의 관정을 굴착하여 지하수를 공급할 수도 있다. 이렇게 지중 열교환기(13)나 순환수 공급수단(11)을 통해 공급되는 지하수는 그 지역의 연간 평균기온을 항시 유지하며, 대략 13~18℃의 온도가 유지된다.
따라서 상기 히트펌프(100)는 지중 열원 또는 직접 지하수를 이용하여 상기 제2열교환 유닛(150) 내부의 열매체와 열교환이 이루어지면서 실내 열매체를 냉난방수로 공급하거나 순환하도록 구성할 수 있다. 이때 상기 히트펌프(100)는 지중 열교환기(11)와 열교환을 통하여 열원을 공급받고, 또한 실내기(14)를 통하여 실내에 열원 에너지를 공급한다. 즉 상기 히트펌프(100)는 지중의 지열수로부터 열원을 공급받아 제1열교환 유닛(110)으로 공급하여 열교환이 이루어지고, 여기서 열교환된 냉매를 다시 응축 또는 증발시켜 고온 또는 저온의 냉매를 냉매 순환유로(12)를 통해 제2열교환 유닛(150)으로 공급하여 열매체와 열교환 하면서 실내 난방 또는 냉방이 이루어질 수 있다.
상기 제1히트펌프(100)의 냉동사이클을 보다 상세하게 설명하면, 난방 시 상기 압축기, 사방밸브, 제2열교환 유닛(150), 팽창밸브, 제1열교환 유닛, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제1열교환 유닛(110)에서 지열수 또는 지하수의 열원을 흡수하여 제2열교환 유닛(150)의 열매체로 전달하여 난방이 이루어진다.
또한 냉방 시 상기 압축기(120), 사방밸브(140), 제1열교환 유닛(110), 팽창밸브(130), 제2열교환 유닛(150), 사방밸브(140), 압축기(120)의 순서로 냉매가 순환하고, 상기 제2열교환 유닛(150)에서 열매체의 열을 흡수한 냉매를 통하여 제1열교환 유닛(110)의 지열수 또는 지하수로 전달하면서 냉방이 이루어진다.
따라서 난방 시에는 상기 제1열교환 유닛(110)이 증발기 역할을 하고, 제2열교환 유닛(150)이 응축기 역할을 한다. 또한 상기 압축기에서 냉매를 고온 고압으로 압축하여 기화시켜 제2열교환 유닛(150)으로 공급한다. 그러면 상기 제2열교환 유닛(150)은 기화된 냉매를 액화시켜 열에너지를 방출하면서 온수를 공급하거나 난방이 이루어진다.
그리고 냉방 시에는 상기 제2열교환 유닛(150)이 증발기 역할을 하고, 제1열교환 유닛(110)이 응축기 열학을 한다. 또한 상기 제2열교환 유닛(150)에서 응축된 냉매가 팽창밸브를 통해 제1열교환 유닛(110)으로 공급된다. 그러면 상기 제2열교환 유닛(150)에서 냉매가 기화되면서 열에너지를 흡수하여 제1열교환 유닛(110)에 유입된 열매체의 온도를 낮추게 되고, 이렇게 냉각된 열매체는 실내기(14)로 공급되어 냉방이 이루어진다. 여기서 열매체는 물, 공기 또는 냉매를 모두 포함하고, 이중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있다.
이하에서는 상기 제1열교환 유닛(110)과 제2열교환 유닛(150)의 상세한 내부 구성에 대하여 설명한다. 상기 제1열교환 유닛(110)과 제2열교환 유닛(150)은 열원측 또는 부하측에 따른 위치에 대해 차이점을 가질 뿐, 이를 제외하고는 동일한 구성을 가지며 냉난방에 따라서 서로 역할 또는 기능을 바꿔서 수행할 수 있기 때문에 제1열교환 유닛(110)에 대해서만 설명한다. 또한 지중에서 열교환된 지열수를 공급하거나 지중의 지하수를 직접 공급하는 구조는 선택적으로 적용할 수 있기 때문에, 이하에서는 순환수 공급수단(11)을 통해 지하에서 지하수를 직접 히트펌프로 공급하는 구조를 일 예로 설명한다.
도 3은 도 2에 나타낸 히트펌프의 열교환 유닛을 확대하여 도시하는 단면도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 열교환 유닛을 부분적으로 확대하여 도시하는 참고도이며, 도 5는 도 3에 나타낸 열교환 유닛 내부의 제1파이프 내지 제4파이프가 복수개 구비된 상태를 도시하는 참고도이고, 도 6은 도 4에 나타낸 열교환 유닛의 제1파이프 또는 제2파이프에 형성된 제1나선 패턴을 도시하는 참고도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛(110)은 축열탱크(111)와, 지하수 공급챔버(111a), 제1냉매 공급챔버(111b), 열교환 챔버(111c), 지하수 포집챔버(111d), 제1방향전환 유로(112b), 제1리버스 챔버(111e), 제1냉매 배출챔버(111f), 제2리버스 챔버(111g), 제2냉매 공급챔버(111h) 및 제2냉매 배출챔버(111j)를 포함한다.
먼저, 축열탱크(111)는 길이방향을 따라서 길게 형성되고, 일 단면이 원형의 원통 형상으로 형성된다. 물론 일 단면이 타원이나 다각형의 형상을 갖도록 구현될 수 있다.
축열탱크(111)는 열교환 유닛의 외형을 형성하는 구조물로써 복수개의 축열탱크(111)를 이용하여 하나의 열교환 유닛을 구성할 수도 있다.
축열탱크(111) 내부는 복수의 챔버로 구획되도록 구성되고, 각각의 챔버들은 축열탱크(111)의 길이방향을 따라서 마련된 제1파이프(113a) 내지 제4파이프(113d)가 열교환 챔버(111c)를 중심으로 양 측에 마주하는 챔버를 연결하도록 구비된다. 제1파이프(113a) 내지 제4파이프(113d) 사이의 위치 관계는 가장 내측에 제1파이프(113a)가 배치되고, 제1파이프(113a) 외측에 제3파이프(113c)가 배치되며, 제3파이프(113c) 외측에 제2파이프(113b)가 배치되고, 제2파이프(113b) 외측에 제4파이프(113d)가 배치된다. 이때 제1파이프(113a) 내지 제4파이프(113d) 각각의 사이에는 지하수나 냉매들이 유동할 수 있도록 설정된 크기의 간격을 유지하도록 배치된다.
먼저, 지하수의 유동 경로를 살펴보면, 지하수 공급챔버(111a)는 순환수 공급수단(11)으로부터 지하수를 공급받아 지하수가 가지는 가장 큰 열원 에너지를 가지며, 제1파이프(113a)를 통하여 지하수를 배출한다. 이때 지하수 공급챔버(111a)는 순환수 공급수단(11)으로부터 공급되는 지하수가 복수개의 제1파이프(113a) 일 측에 형성된 입구로 균일하게 유입되도록 공급하는 기능을 수반한다.
지하수 공급챔버(111a)로부터 공급된 지하수는 제1파이프(113a)를 통해 지하수 포집챔버(111d)로 배출된다. 즉, 제1파이프(113a)는 지하수 공급챔버(111a)와 지하수 포집챔버(111d)를 연통시킨다. 여기서 제1파이프(113a) 내부에서 지하수가 공급되는 방향을 제1방향(D1)으로 정의한다. 물론 축열탱크는 제1방향을 따라서 길게 배치되고, 제1파이프(113a) 내지 제4파이프(113d)도 제1방향과 나란히 배치된다. 또한 축열탱크 내부에서 각각의 챔버들은 제1방향과 수직한 방향으로 구획되도록 배치된다. 각각의 파이프 형상이나 구조에 대해서는 후기한다.
지하수 포집챔버(111d)로 공급된 지하수는 제1방향전환 유로(112b)를 통해서 제1리버스 챔버(111e)로 공급된다.
제1방향전환 유로(112b)는 다양한 경로를 통하여 지하수 포집챔버(111d)와 제1리버스 챔버(111e)를 연결할 수 있다.
제1리버스 챔버(111e)는 내부에 제3파이프(113c) 일부가 노출되어 있고, 제3파이프(113c) 외부에 배치된 제2파이프(113b) 내부로 지하수를 공급한다. 제2파이프(113b) 내부에서 지하수는 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급되며, 제2리버스 챔버로 지하수를 배출한다. 따라서 제2파이프(113b) 내부에 공급된 지하수는 제3파이프(113c)의 외주면과 열교환이 이루어지고, 또한 제4파이프(113d)의 내주면과 열교환이 이루질 수 있다. 제1리버스 챔버(111e)와 제2리버스 챔버는 서로 대향하는 방향으로 동일 구조를 가질 수 있다.
제2리버스 챔버에서 지하수는 제2방향전환 유로(112c)를 통해 열교환 챔버(111c)로 공급된다. 제2방향전환 유로(112c)는 다양한 경로를 통하여 제2리버스 챔버와 열교환 챔버(111c)를 연결할 수 있다.
열교환 챔버(111c)는 내부에서 제4파이프(113d)가 일부 노출되어 있어 제4파이프(113d)의 외주면에서 지하수가 접촉하여 열교환이 이루어지며, 열교환 챔버(111c)에서 다시 제1방향으로 유동한 뒤 배출된 지하수는 다시 순환수 공급유닛을 통해 지중으로 배출된다. 또한 열교환 챔버(111c) 내부에는 제1방향으로 유동하는 지하수가 지그재그 방향으로 방향이 변화하면서 유동하도록 열교환 챔버(111c) 내부를 일부 차폐하는 격판이 복수개 구비된다. 즉, 격판은 열교환 챔버(111c) 내부 모든 영역에서 지하수가 균일하게 공급시키는 기능을 제공한다.
그리고 냉매의 유동경로를 살펴보면, 냉매는 히트펌프의 냉매 순환라인을 통해 냉매 공급유로를 거쳐 제1냉매 공급챔버(111b)와 제2냉매 공급챔버(111h)로 유입된다. 이때 냉매 공급유로는 제1냉매 공급유로(112d)와 제2냉매 공급유로 (112e)로 분기되면서 각각 제1냉매 공급챔버(111b)와 제2냉매 공급챔버(111h)로 공급된다.
제1냉매 공급챔버(111b)는 제1파이프(113a)가 일부 노출되어 있고, 제3파이프(113c) 일 측 내부로 냉매가 배출된다. 제3파이프(113c) 내부에서 냉매는 제1파이프(113a) 내부에서 제1방향으로 공급되는 지하수와 간접 열교환이 이루어지고, 또한 제2파이프(113b) 내부에서 제2방향으로 공급되는 지하수와 간접 열교환이 이루어진다.
제1냉매 공급챔버(111b)는 제3파이프(113c)를 통하여 제1냉매 배출챔버(111f)와 연통한다. 제1냉매 배출챔버(111f)에 포집된 냉매는 제1냉매 배출유로(112f)를 통해서 다시 냉매 순환라인으로 배출된다.
제2냉매 공급챔버(111h)는 제2파이프(113b)가 일부 노출되어 있고, 제4파이프(113d) 일 측 내부로 냉매가 배출된다. 제4파이프(113d) 내부에서 냉매는 제2파이프(113b) 내부에서 제2방향으로 공급되는 지하수와 간접 열교환이 이루어지고, 또한 제4파이프(113d) 외부에서 제1방향으로 공급되는 지하수와 간접 열교환이 이루어진다.
제2냉매 공급챔버(111h)는 제4파이프(113d)를 통하여 제2냉매 배출챔버(111j)와 연통한다. 제2냉매 배출챔버(111j)에 포집된 냉매는 제2냉매 배출유로(112g)를 통해서 다시 냉매 순환라인으로 배출된다.
제1냉매 배출유로(112f)와 제2냉매 배출유로(112g)는 다시 하나의 유로로 합쳐져서 냉매 순환라인(도 2 참조, 121)으로 배출될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 냉매 공급유로와 냉매 배출유로는 각각 한 쌍으로 마련되어 각각의 유로를 통해서 냉매를 공급 및 배출할 수 있고, 제1냉매 배출유로(112f)를 제2냉매 배출유로(112g)와 연결하여 제1냉매 배출유로(112f)에서 배출된 냉매가 제2냉매 배출유로(112g)로 공급되어 다시 제4파이프(113d) 내부를 거쳐 제2냉매 공급유로(112e) 방향으로 배출되면서 냉매 유동경로가 하나로 이어진 유로를 형성하도록 구성할 수도 있다.
축열탱크(111)는 제1열교환 유닛(110)으로 사용되는 경우(열원측) 지하수가 공급 및 배출되면서 냉매가 열원측과 열교환하게 되고, 제2열교환 유닛(150)으로 사용되는 경우(부하측) 열매체가 공급 및 배출되면서 냉매가 부하측과 열교환하게 된다. 또한 축열탱크(111)는 버퍼탱크로서의 기능을 수반하기 때문에 별도의 버퍼탱크와 펌프가 추가적으로 구비될 필요가 없는 이점이 있다.
축열탱크(111)는 지하수 공급챔버(111a)에 지하수의 공급량 또는 속도를 조절할 수 있는 밸브가 구비될 수 있고, 지하수 포집챔버(111d)에서 지열수에 포함된 기포를 외부로 배출할 수 있도록 에어벤트가 구비될 수 있다.
또한 축열탱크(111)는 내부의 지하수 온도를 감지하는 온도센서가 구비될 수 있다. 온도센서는 축열탱크(111) 내부에 공급된 지하수가 설정된 온도 범위를 유지할 수 있도록 온도 데이터를 제어부로 공급한다. 이때 축열탱크(111)의 지하수 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나는 경우 축열탱크(111)에 공급되는 또는 배출되는 지하수의 양이나 속도를 조절하여 열교환이 이루어질 수 있는 설정 온도범위를 유지하도록 제어할 수 있다.
또한 축열탱크(111)는 지열수 공급챔버(111a) 상에서 지하수가 공급되는 라인과 별도로 내부에 축적된 이물질을 외부로 배출하거나, 또는 축열탱크(111) 내부를 세척할 때 세척수를 고압으로 공급할 수 있는 청소라인(미도시)이 구비될 수 있다.
축열탱크 내부에서 제1냉매 공급챔버(111b)에 유입된 냉매는 제1파이프(113a)와 제3파이프(113c) 사이에서 제1방향(D1)으로 공급되면서 제1파이프(113a)의 외주면과 접촉하여 제1파이프(113a) 내부의 지하수와 1차 열교환이 이루어지고, 동시에 제2파이프(113b)의 내주면과 접촉하여 제2파이프(113b) 내부의 지하수와 2차 열교환이 이루어진다. 또한 제2냉매 공급챔버(111h)에 유입된 냉매는 제2파이프(113b)와 제4파이프(113d) 사이에서 제1방향(D1)으로 공급되면서 제2파이프(113b)의 외주면과 접촉하여 제2파이프(113b) 내부의 지하수와 1차 열교환이 이루어지고, 동시에 제4파이프(113d)의 내주면과 접촉하여 제4파이프(113d) 내부의 지하수와 2차 열교환이 이루어진다. 이때 제2파이프(113b) 내부에서 제2방향(D2)으로 공급되는 지하수는 제3파이프(113c) 내부의 냉매와 제4파이프(113d) 내부의 냉매와 동시 접촉하여 열교환이 이루어진다. 따라서 제2파이프(113b) 내부에서 이동하는 지하수의 이동 속도를 더 빠르게 또는 이송량을 더 많이 공급하도록 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)는 도 6(a)와 같이 서로 다른 패턴의 나선이 형성된다.
제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)는 상대적으로 피치가 크거나 산과 골 사이의 깊이가 깊은 제1나선 패턴(h1)과, 제1나선 패턴(h1)에 비하여 피치가 작거나 산과 골 사이의 깊이가 낮은 제2나선 패턴(h2)이 마련된다.
제1나선 패턴(h1)은 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)의 내주면과 외주면에 같이 형성되기 때문에 지하수나 냉매와의 전열면적을 증대시킴과 동시에, 유체의 이송방향을 따라서 회전이 이루어지도록 하는 효과를 제공할 수 있다. 따라서 이송하는 유체는 회전하면서 와류(渦流)가 형성되기 때문에 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b) 내부에서 지하수의 열원 에너지가 균일하게 섞일 수 있고, 이를 통해서 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)와 접촉하는 냉매와의 열교환 성능이 영역별로 균일해지는 효과를 기대할 수 있다.
또한 제2나선 패턴(h2)은 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)의 외주면에 같이 형성되어 전열면적을 증대시키는 기능을 제공한다. 제2나선 패턴(h2)은 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)의 두께 범위에서 홈이 파인 형상으로 제1나선 패턴(h1)에 비하여 피치가 현저히 작기 때문에 열 전달에 따른 접촉면적을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 제2나선 패턴(h2) 역시 제1파이프(113a)와 제2파이프(113b)의 내주면에 같이 형성될 수도 있다.
제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)는 도 6(b)와 같이 산과 골의 깊이가 점차 감소하도록 변형되는 이중 패턴의 나선이 형성될 수 있고, 도 6(c)와 같이 피치가 점차 증대하도록 변형되는 이중 패턴의 나선이 형성될 수 있다.
도 6(b)와 같이, 산과 골의 깊이가 점차 감소하는 이중 패턴(d1~d2)은 외부에서 접촉하는 냉매가 열교환을 통해 상 변화가 이루어지는 시점 또는 영역에 대응하도록 배치될 수 있다. 예컨대, 냉매가 액체 상태에서는 열교환에 따른 전열면적이 증대되도록 도 6(a)와 같이 제1나선 패턴(h1)이 균일하게 형성되고, 냉매가 열교환을 거쳐 점차 기체 상태로 상 변화가 이루어지는 시점에서 제1나선 패턴(h1)의 산과 골의 깊이가 점차 감소하며, 기체 상태로 상 변화가 완료된 시점에 대응하는 영역에서는 제1나선 패턴(h1)의 산과 골의 깊이가 최소화되거나 또는 제1나선 패턴(h1)이 없이 매끄러운 일반 파이프 형상으로 이루어질 수 있다.
또한 도 6(c)와 같이, 피치가 점차 증가하는 이중 패턴(p1~p2)은 외부에서 접촉하는 냉매가 열교환을 통해 상 변화가 이루어지는 시점 또는 영역에 대응하도록 배치될 수 있다. 예컨대, 냉매가 액체 상태에서는 열교환에 따른 전열면적이 증대되도록 도 6(a)와 같이 제1나선 패턴(h1)이 균일하게 형성되고, 냉매가 열교환을 거쳐 점차 기체 상태로 상 변화가 이루어지는 시점에서 제1나선 패턴(h1)의 피치가 점차 증가하며, 기체 상태로 상 변화가 완료된 시점에 대응하는 영역에서는 제1나선 패턴(h1)의 피치가 최대화되거나 또는 제1나선 패턴(h1)이 없이 매끄러운 일반 파이프 형상으로 이루어질 수 있다.
이때 제1파이프(113a)와 제2파이프(113b)는 냉매가 액체 상태인 영역과 기체 상태인 영역에 대응하여 각각 제1나선 패턴의 이중 패턴(d1~d2, p1~p2)이 각각 2:1~5:1의 비율로 단계적으로 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 즉, 이중 패턴(d1~d2, p1~p2)이 도 6(a)에서와 같이 균일하게 형성되는 영역과 도 6(b) 또는 도 6(c)에서와 같이 산과 골 사이의 깊이가 감소하거나 피치가 증가하는 영역이 2:1~5:1의 비율로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 3:1의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 냉매가 액체 상태에서 기체 상태로 변화하는 영역이 3:1의 비율에 대응하기 때문이다.
그리고 제3파이프(113c) 및 제4파이프(113d)는 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)와 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1파이프(113a) 및 제2파이프(113b)는 동 재질로 이루어지고, 제3파이프(113c) 및 제4파이프(113d)는 스테인리스 스틸 재질로 이루어질 수 있다. 물론 파이프의 재질은 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, 제1파이프(113a)와 제2파이프(113b)는 이중 패턴(d1~d2, p1~p2)을 적용하여 냉매의 상 변화에 대응하여 열교환 성능을 증대시킬 수 있는 효과가 있고, 또한 상대적으로 비싼 제1나선 패턴(h1)이나 제2나선 패턴(h2)이 형성된 파이프의 사용을 부분적으로 감소시킴으로써 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과도 있다.
도 6(b)와 도 6(c)에서는 제1나선 패턴(h1)이 변형된 이중 패턴에 따른 시각적 효과를 극대화 하기 위해서 제2나선 패턴(h2)에 대한 언급이 없었지만, 제2나선 패턴(h2)의 골과 산 사이 깊이를 감소시키거나, 피치를 증대시켜 전기한 효과를 수반하도록 할 수 있음은 물론이다.
따라서 본 발명의 냉난방 시스템에 따르면, 첫째, 냉매와 지하수가 복수번에 걸쳐 간접적으로 열교환을 할 수 있어 열교환 성능이 현저히 증대되고,
둘째, 지하수의 공급 경로를 제1방향으로 공급하고, 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 공급하며, 다시 제1방향으로 공급하면서 열교환이 이루어져 열교환 유닛을 소형화할 수 있으며, 셋째, 지열수의 공급 방향에 따라서 지열수의 공급 속도를 다르게 공급하여 열교환 성능을 증대시킬 수 있고, 넷째, 제1파이프 및 제2파이프에 제1나선 패턴과 제2나선 패턴을 구비하여 전열면적을 증대시킬 수 있으며, 다섯째, 제1파이프 및 제2파이프 상에서 적어도 제1나선 패턴이 냉매의 상 변화에 대응하도록 이중 패턴으로 형성되면서 열교환 성능을 증대시킴과 동시에 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10 : 냉난방 시스템
100 : 히트펌프 110 : 제1열교환 유닛
120 : 압축기 130 : 팽창밸브
140 : 사방밸브 150 : 제2열교환 유닛

Claims (10)

  1. 열원측에서 공급된 지하수와 냉매가 내부에 공급되어 서로 간접적으로 접촉시키는 열교환 유닛을 구비한 냉난방 시스템에 있어서,
    제1열교환 유닛은,
    상기 제1열교환 유닛의 내부 일 측에서 지하수가 공급되는 지하수 공급챔버;
    상기 제1열교환 유닛 내부에서 상기 지하수 공급챔버와 분리된 공간에 냉매가 공급되는 제1냉매 공급챔버;
    상기 지하수 공급챔버에서 배출된 지하수와 상기 제1냉매 공급챔버에서 배출된 냉매가 간접적으로 열교환하는 열교환 챔버;
    상기 제1열교환 유닛의 내부 타 측에서 상기 지하수 공급챔버로부터 복수개의 제1파이프를 통하여 제1방향으로 지하수를 공급받는 지하수 포집챔버;
    상기 지하수 포집챔버로부터 배출된 지하수를 다시 상기 제1열교환 유닛의 내부로 공급하는 제1방향전환 유로;
    상기 제1방향전환 유로로부터 지하수를 공급받아 상기 제1열교환 유닛 내부에서 복수개의 제2파이프를 통하여 상기 제1방향과 반대방향인 제2방향으로 재분배하는 제1리버스 챔버;
    상기 지하수 포집챔버와 제1리버스 챔버 사이에 개재되어 상기 제1냉매 공급챔버로부터 제3파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출되는 제1냉매 배출챔버;
    상기 제1리버스 챔버에서 공급된 지하수가 상기 제2파이프와 제3파이프 사이 공간 통하여 상기 제2방향으로 공급되는 제2리버스 챔버;
    상기 제2리버스 챔버와 열교환 챔버 사이에 개재되고 냉매가 공급되는 제2냉매 공급챔버;
    상기 제2냉매 공급챔버로부터 제4파이프를 통하여 상기 제1방향으로 공급된 냉매를 외부로 배출하는 제2냉매 배출챔버 및
    상기 제2리버스 챔버에서 상기 열교환 챔버로 공급하는 제2방향전환 유로;를 포함하고,
    상기 제1파이프는 상기 지하수 공급챔버와 지하수 포집챔버를 연결하고, 상기 제2파이프는 상기 제1리버스 챔버와 제2리버스 챔버를 연결하며, 상기 제3파이프는 상기 제1냉매 공급챔버와 제1냉매 배출챔버를 연결하고, 상기 제4파이프는 상기 제2냉매 공급챔버와 제2냉매 배출챔버를 연결하며,
    상기 제1파이프 및 제2파이프는 내주면 및 외주면에 전열면적을 증대할 수 있도록 형성된 제1나선 패턴과, 상기 제1나선 패턴 상에서 전열면적을 증대할 수 있도록 상기 제1파이프 및 제2파이프의 두께 범위에서 홈이 파인 형상으로 상기 제1나선 패턴 보다 피치가 작게 형성된 제2나선 패턴을 포함하고,
    상기 제1나선 패턴은 상기 제1파이프 및 제2파이프 상에서 냉매의 상변화(액체-기체) 영역에 따라 상기 제1나선 패턴의 밀도 또는 피치가 변형되거나, 또는 상기 제1파이프 및 제2파이프의 직경 방향으로 산이나 골의 깊이가 변형되도록 이중 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환 유닛은,
    상기 제1파이프 외측에 상기 제3파이프가 배치되고, 상기 제3파이프 외측에 상기 제2파이프가 배치되며, 상기 제2파이프 외측에 상기 제4파이프가 배치되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1파이프와 제2파이프는,
    냉매가 액체인 구간과 기체인 구간에 대응하여 상기 제1나선 패턴의 이중 패턴이 각각 2:1~5:1의 비율로 단계적으로 또는 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3파이프 및 제4파이프는 상기 제1파이프 및 제2파이프와 서로 다른 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    지중에서 지하수를 상기 열교환 유닛으로 공급하는 순환수 공급수단;
    상기 제1열교환 유닛과 동일 구성으로 부하측에 배치되는 제2열교환 유닛;
    상기 제1열교환 유닛과 제2열교환 유닛에 선택적으로 냉매를 공급하는 4방밸브;
    상기 제1열교환 유닛과 제2열교환 유닛에 연결된 냉매 공급라인에 냉매의 공급압력을 제공하는 압축기 및 팽창밸브;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템.
KR1020190043695A 2019-04-15 2019-04-15 냉난방 시스템 KR102015302B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007085595A (ja) * 2005-09-20 2007-04-05 Hitachi Cable Ltd 給湯機用の液−液熱交換器
KR20110082922A (ko) * 2010-01-12 2011-07-20 엘지전자 주식회사 열교환기
KR101830675B1 (ko) * 2016-12-28 2018-02-21 주식회사 에너솔라 지열을 이용한 냉난방 시스템

Patent Citations (3)

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