KR102109398B1 - 냉온동시 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 온열 및 냉열수요가 동시에 충족될 수 있도록 온열부하와 냉열부하 간의 균형유지가 가능한 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 압축기와, 압축기에서 압축된 기체 냉매를 공급받아 응축시키는 병렬로 연결된 복수개의 응축기와, 응축기로 응축된 액체 냉매를 공급받아 팽창시키는 병렬로 연결된 복수개의 팽창밸브와, 각 팽창밸브 마다 하나씩 연결되어 팽창된 액체냉매를 기화시킨 후 다시 상기 압축기로 냉매를 이송시키는 복수개의 증발기 및, 상기 복수개의 증발기와 압축기 사이에 설치되는 코어 필터 건조기로 구성되는 냉온동시 히트펌프와, 상기 복수개의 응축기로부터 열에너지를 회수하여 이용하는 복수개의 열 수요처로 구성되는 온열 수요부 및, 상기 복수개의 증발기에 열에너지를 전달하여 냉온을 유지시키는 냉열 수요부로 이루어지되, 상기 코어 필터 건조기와 압축기 사이에 어큐뮬레이터가 설치되고, 상기 복수개의 응축기와 복수개의 팽창밸브 사이에 수액기가 설치되며, 수액기의 출구 측과 어큐뮬레이터의 입구 측을 직접 연결시키는 바이패스 관과, 바이패스 관에 설치되는 팽창밸브 및 개폐밸브로 이루어지는 바이패스 모듈이 설치되어, 온열부하와 냉열부하 간의 균형이 유지되어 하절기와 동절기의 구분 없이 온열수요와 냉열수요를 모두 충족시키는 냉온동시 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

Description

냉온동시 히트펌프 시스템{Heat pump system which can supply heat and chill}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 특히 온열 및 냉열수요가 동시에 충족될 수 있도록 온열부하와 냉열부하 간의 균형유지가 가능한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트펌프는 동력으로 구동되는 압축기가 기체 냉매를 압축시킴으로써 저온 열원의 열에너지를 고온열원으로 보내어 저온열원의 폐열을 회수하는 장치이다. 따라서 히트펌프는 폐열을 회수하는 작용도 하면서 또한 열 회수 작용을 통해서 저온이 필요한 공간이나 물질에서 열을 제거시키는 작용을 한다.

그런데 열을 공급받아 가열되어야 하는 고온 수요와 저온이 유지되어야 하는 저온 수요는 열 수급이 서로 일치되기 힘들므로 일반적으로 히트펌프는 가열작용 또는 냉각작용 중 어느 하나만 수행한다.

또한 고온 수요와 저온 수요는 계절에 따라 차이가 크므로, 어느 하나의 히트펌프가 가열과 냉각 작용을 모두 수행하더라도 통상적으로 동절기에는 가열작용 만을 수행하고 하절기에는 냉각작용 만을 수행한다. 따라서 고온 수요와 저온 수요를 동시에 충족시킬 수 있게 설계된 히트펌프라 하더라도 계절에 따라 열 수급이 달라지므로 가열작용과 냉각작용이 동절기와 하절기 구분 없이 동시에 수행되긴 힘든 것이다.

이러한 이유로 히트펌프를 하절기에는 냉각 작용만을 수행하도록 가동하고 동절기에는 가열 작용만을 수행하도록 가동한다면, 동절기에도 냉각 작용이 필요한 냉장 또는 냉동고나 또는 하절기에도 가열 작용이 필요한 건조실이나 건조로를 운영하기 위해서는 결국 두 대 이상의 히트펌프가 필요하게 되어 설비비가 증대 될 뿐만 아니라 두 대 이상의 히트펌프 가동을 위한 전력 소모량도 히트펌프의 수만큼 증가하게 된다.

관련 종래기술을 살펴보면 도 1에 도시된 종래기술인 등록특허공보 제10-0686189호(등록일자: 2007. 02. 15)에 공개된 '온수의 폐열 회수 장치'를 들 수 있다.

상기 종래기술은 사용된 온수가 인입되는 폐수 인입 관(102)이 연결되는 폐수 수집 조(100)와, 폐수 수집 조(100)와 별체로 구비되어 폐수공급관(202)에 의해 접속되며 열교환기(210)가 설치된 폐수 열 교환 조(200)와, 폐수 열교환조(200)에 연결되는 폐수배출관(204)을 포함하는 온수의 폐열회수장치로서, 열교환기(210)를 통해 얻은 열의 회수가 가능하게 되는 효과가 있다.

그러나 상기 종래기술에서 제시된 폐열회수장치는 폐수에서 회수된 열에너지가 제공될 수 있는 효과와 폐수가 어느 정도 냉각되는 효과는 있지만, 적극적으로 냉열과 온열이 요구되는 서로 다른 수요처를 동시에 만족시킬 수 있는 열 부하 수급 구성이 제시되지 못하는 한계가 있다.

등록특허공보 제10-0686189호(등록일자: 2007. 02. 15)

이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 서로 분리된 온열 수요와 냉열 수요가 하나의 사이클로 동시에 충족될 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 동시 충족 작용이 기온 차이가 큰 동절기와 하절기에 모두 이루어질 수 있는 냉온동시 히트펌프 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉온동시 히트펌프 시스템은, 기체 냉매를 압축시키는 압축기와, 압축기에서 압축된 기체 냉매를 공급받아 응축시키는 병렬로 연결된 복수개의 응축기와, 응축기로 응축된 액체 냉매를 공급받아 팽창시키는 병렬로 연결된 복수개의 팽창밸브와, 각 팽창밸브 마다 하나씩 연결되어 팽창된 액체냉매를 기화시킨 후 다시 상기 압축기로 냉매를 이송시키는 복수개의 증발기 및, 상기 복수개의 증발기와 압축기 사이에 설치되는 코어 필터 건조기로 구성되는 냉온동시 히트펌프와, 상기 복수개의 응축기로부터 열에너지를 회수하여 이용하는 복수개의 열 수요처로 구성되는 온열 수요부 및, 상기 복수개의 증발기에 열에너지를 전달하여 냉온을 유지시키는 냉열 수요부로 이루어지되, 상기 코어 필터 건조기와 압축기 사이에 어큐뮬레이터가 설치되고, 상기 복수개의 응축기와 복수개의 팽창밸브 사이에 수액기가 설치되며, 수액기의 출구 측과 어큐뮬레이터의 입구 측을 직접 연결시키는 바이패스 관과, 바이패스 관에 설치되는 팽창밸브 및 개폐밸브로 이루어지는 바이패스 모듈이 설치되어, 동절기에 온열부하가 냉열부하보다 증가될 경우, 냉매 중의 일부가 증발기를 통과하지 않고 순환됨으로써, 온열부하와 냉열부하 간의 균형이 유지되어 하절기와 동절기의 구분 없이 온열수요와 냉열수요를 모두 충족시키는 것을 특징으로 한다.

이 경우 바람직하게는 상기 어큐뮬레이터로부터 응축기로 흐르는 냉매 압력과 복수개의 응축기로부터 복수개의 팽창밸브로 흐르는 냉매의 압력이 동시에 측정되는 듀얼 압력 센서와, 압축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 측정되는 온도 센서가 설치되어, 듀얼 압력 센서의 압력 수치와 온도 센서의 온도 수치에 따라 수액기에 저장된 냉매를 추가적으로 추출하거나 또는 상기 히트펌프에서 순환중인 냉매 중의 일부가 수액기에 저장될 수 있다.

이때 바람직하게는 상기 온도 센서와 개폐밸브를 연동시켜서, 온도 센서에서 측정된 온도 수치가 일정한 값 보다 작은 경우에 개폐밸브가 개방되면서 어큐뮬레이터로 진입되는 냉매 양이 증가됨으로써, 압축기에서 배출되는 냉매의 압력과 온도가 증가된다.

또한 본 발명에 따른 냉온동시 히트펌프 시스템은 기체 냉매를 압축시키는 압축기와, 압축기에서 압축된 기체 냉매를 공급받아 응축시키는 병렬로 연결된 복수개의 응축기와, 응축기로 응축된 액체 냉매를 공급받아 팽창시키는 병렬로 연결된 복수개의 팽창밸브와, 각 팽창밸브 마다 하나씩 연결되어 팽창된 액체냉매를 기화시킨 후 다시 상기 압축기로 냉매를 이송시키는 복수개의 증발기 및, 상기 복수개의 증발기와 압축기 사이에 설치되는 코어 필터 건조기로 구성되는 냉온동시 히트펌프와, 지하에 매립되게 설치되는 지하수조와, 지하수조에 잠기게 설치되는 고온수조 및, 지하수조에 잠기게 설치되는 저온수조로 이루어지며, 고온수조는 상기 응축기 중 하나로부터 열에너지를 공급받아 가열되고, 저온수조는 지하수조에서 유출되는 지하수가 상기 증발기 중 하나를 통과하면서 증발기에 폐열을 전달하여 냉각된 후 회수되는 지하수를 공급받음으로써, 고온수조 내부의 고온수와 저온수조 내부의 저온수 온도가 장시간 유지되어 온수 및 냉기 생산용 냉수를 제공하는 것을 특징으로 하는 삼중수조와, 상기 응축기 중 하나로부터 열에너지를 공급받는 건조실과, 상기 증발기 중 하나로부터 냉열을 공급받는 냉장창고 및, 상기 증발기 중 하나로부터 냉열을 공급받는 냉동고 로 이루어지되, 상기 코어 필터 건조기와 압축기 사이에 어큐뮬레이터가 설치되고, 상기 복수개의 응축기와 복수개의 팽창밸브 사이에 수액기가 설치되며, 수액기의 출구 측과 어큐뮬레이터의 입구 측을 직접 연결시키는 바이패스 관과, 바이패스 관에 설치되는 팽창밸브 및 개폐밸브로 이루어지는 바이패스 모듈이 설치되어, 동절기에 온열부하가 냉열부하보다 증가될 경우, 냉매 중의 일부가 증발기를 통과하지 않고 순환됨으로써, 온열 부하와 냉방 부하 간의 균형이 유지되어 하절기와 동절기의 구분 없이 온열 수요와 냉열 수요를 모두 충족시키게 구성된다.

여기서 바람직하게는 상기 어큐뮬레이터로부터 응축기로 흐르는 냉매 압력과 복수개의 응축기로부터 복수개의 팽창밸브로 흐르는 냉매의 압력이 동시에 측정되는 듀얼 압력 센서와, 압축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 측정되는 온도 센서가 설치되어, 듀얼 압력 센서의 압력 수치와 온도 센서의 온도 수치에 따라 수액기에 저장된 냉매를 추가적으로 추출하거나 또는 상기 히트펌프에서 순환중인 냉매 중의 일부가 수액기에 저장된다.

이 경우 바람직하게는 상기 온도 센서와 개폐밸브를 연동시켜서, 온도 센서에서 측정된 온도 수치가 일정한 값 보다 작은 경우에 개폐밸브가 개방되면서 어큐뮬레이터로 진입되는 냉매 양이 증가됨으로써, 압축기에서 배출되는 냉매의 압력과 온도가 증가된다.

한편 바람직하게는 상기 고온수조와 연결되어 고온수조 내부의 온수를 전달받아 저장시키거나 또는 저장된 고온수를 고온수조로 전달시키는 고온수탱크와, 태양열로 고온수탱크 내부의 고온수를 가열시키는 태양열집열기로 이루어지는 태양열회수부가 설치되며, 상기 증발기 중 어느 하나는 하절기에 고온수탱크 내부의 고온수를 전달받아 냉각시킨 후 냉각된 고온수가 상기 삼중수조를 구성하는 지하수조 내부로 이송됨으로써, 하절기에 온열부하와 냉열부하의 수급이 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 냉온동시 히트펌프 시스템에 따르면, 하나의 히트펌프로 온열 수요와 냉열 수요가 동시에 충족 가능함과 아울러 계절 변화에 관계없이 하나의 히트펌프를 그대로 활용하면서도 항상적인 온열 및 냉열 수요와 계절적인 온열 및 냉열 수요가 모두 충족됨으로써, 두 개의 히트펌프를 사용할 필요가 없어 효율이 극대화 되고 설비비의 대폭 감소 및 소요 동력의 대폭 절감이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래기술을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 개념도,
도 3은 도 2를 구체적으로 나타낸 구성도,
도 4는 추가 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 개념도,
도 5는 히트펌프의 냉매 순환을 나타내는 온도-엔트로피 그래프,
도 6은 히트펌프의 냉매 순환을 나타내는 압력-엔탈피 그래프,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 하나의 히트펌프로 온열 수요와 냉열 수요를 계절 변화에 상관없이 충족시켜줄 수 있는 부하 조절 수단이 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 아래에서 제시되는 제1실시예와 제2실시예로 구현될 수 있다. 이하에서는 도 2와 도 3을 참조하여 제1실시예를 설명하고, 도 4를 참조하여 제2실시예를 설명하기로 한다.

<제1실시예>

제1실시예에서 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 냉온동시 히트펌프(10)와, 온열 수요부(20) 및, 냉열 수요부(40)로 이루어진다.

냉온동시 히트펌프(10)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 기체 냉매를 압축시키는 압축기(11)와, 압축기(11)에서 압축된 기체 냉매를 공급받아 응축시키는 병렬로 연결된 복수개의 응축기(21)와, 복수개의 응축기(21)로 응축된 액체 냉매를 공급받아 팽창시키는 병렬로 연결된 복수개의 팽창밸브(13)와, 각 팽창밸브 마다 하나씩 연결되어 팽창된 액체냉매를 기화시킨 후 다시 압축기(11)로 냉매를 이송시키는 복수개의 증발기(14) 및, 복수개의 증발기(14)와 압축기(11) 사이에 설치되는 코어 필터 건조기(16)로 구성된다.

온열 수요부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 복수개의 응축기(12) 중 각각의 응축기로부터 열에너지를 공급받는 건조실(21)과 온수탱크(22)를 말한다. 이때 건조실에 연결되는 응축기를 제1응축기(121)라 하고 온수탱크(22)에 연결되는 응축기를 제2응축기(122)라 한다. 나머지 응축기를 제3응축기(123)라 하며, 제3응축기로(123)부터 열에너지를 공급받는 온열 수요부는 도시되진 않았지만 건조로 또는 발전기의 증발기와 같이 열에너지를 필요로 하는 시설물일 수 있다.

냉열 수요부(40)는 상기 복수개의 증발기(14)로 열에너지를 뺏기면서 낮은 온도가 유지되는 시설이다. 구체적으로는 냉장창고(41), 냉동고(42), 냉수탱크(43)이다. 이때 냉장창고(41)에 연결되는 증발기를 제1증발기(141)라 하고, 냉동고(42)에 연결되는 증발기를 제2증발기(142)라 하며, 냉수탱크(43)에 연결되는 증발기를 제3증발기(143)라 한다. 냉수탱크(43)에 공급되는 물은 지하수탱크(45)로부터 공급되며 지하수탱크(45)로부터 공급되는 물이 제3증발기(143)를 통과하면서 냉각되어 냉수탱크(43)로 이동된다. 나머지 하나의 증발기를 제4증발기(144)라 하며, 제4증발기(144)와 연결되는 냉열 수요부는 추가적인 냉동고 또는 냉장창고(미도시)일 수 있으며 또는 기타 낮은 온도가 유지되어야 하는 시설물일 수 있다.

그리고 냉온동시 히트펌프에는 어큐뮬레이터(17)와 수액기(18) 및 바이패스 모듈(15)이 설치된다. 어큐뮬레이터(17)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 코어 필터 건조기(16)와 압축기(11) 사이에 설치된다. 어큐뮬레이터(17)는 압축기(11)로 진입되는 냉매 중에 미처 증발되지 않은 액상의 냉매가 함유될 경우 냉매를 액체와 기체로 분리시켜서 기체 냉매만 압축기(11)로 통과시키고 액체 상태의 냉매는 일시적으로 저장하는 탱크 형태의 용기이다.

수액기(18)는 상기 복수개의 응축기(12)와 복수개의 팽창밸브(13) 사이에 설치되어 복수개의 응축기(12)에서 액화된 고온 고압의 냉매액을 일시적으로 저장하는 용기로서 복수개의 증발기(14) 내의 부하 변동에 따른 냉매 량의 변화를 흡수하는 작용을 한다.

그리고 바이패스 모듈(15)은 수액기(18)의 출구 측과 어큐뮬레이터(17)의 입구 측을 직접 연결시키는 바이패스 관(151)과, 바이패스 관(151)에 설치되는 팽창밸브(제5팽창밸브(152)) 및 개폐밸브(154)로 이루어진다. 여기서 개폐밸브(154)가 개방되는 경우 복수개의 응축기(12)에서 배출되어 복수개의 팽창밸브(13)로 이송되는 냉매 중의 일부가 개폐밸브(154)의 개방 정도에 따라 유량이 조절되면서 복수개의 팽창밸브(13)를 거치지 않고 바이패스 관(151)을 따라 이동되어 곧바로 어큐뮬레이터(17)로 진입된다.

바이패스 모듈(15)이 설치됨으로써, 첫째로 특히 동절기에 난방이나 온수 소비가 늘어나면서 복수개의 응축기(12)의 부하가 커질 때, 만일 복수개의 증발기(14) 중 일부가 동절기에 가동되지 않는다면 냉매가 복수개의 증발기(14)를 거치지 않고 바로 바이패스 관(151)을 따라 이동됨으로써 곧바로 어큐뮬레이터(17)를 통과하여 압축기(11)로 이송되어 온열 부하와 냉열 부하의 수급이 조절될 수 있다. 이때 바이패스 관(151)에 팽창밸브(제5팽창밸브(152))가 있으므로 냉매는 일정정도 증발하여 일부는 기체 상태가 되지만 여전히 액체 상태의 냉매가 섞여 있으므로 어큐뮬레이터(17)는 액체 상태의 냉매를 분리시켜 기체 상태의 냉매만 압축기(11)로 보내고 액체 상태의 냉매는 액상냉매 바이패스 관(19)을 따라 곧바로 복수개의 응축기(12)로 진입된다. 따라서 바이패스 모듈(15)과 어큐뮬레이터(17)만으로 일차적인 부하 수급 조절이 이루어진다.

둘째로 바이패스 모듈(15)은 수액기(18)와의 상호작용을 통하여 부하조절 작용이 더욱 대량으로 이루어질 수 있다. 바이패스 모듈(15)만으로는 동절기 온열 수호 급증 상황에서 부하 조절에 한계가 있을 때 수액기(18)에 저장된 냉매를 배출시키면서 그중 일부 냉매를 바이패스 관(151)을 통하여 압축기(11)로 이송시킨다면, 온열 수요가 증가된 만큼 냉매 량을 증가시킬 수 있고, 그러는 와중에도 냉열 부하는 동절기에 요구되는 적은 수요량만큼을 충족시키는 것이 가능하게 된다. 즉 동절기에 온열 수요의 증대가 냉열 부하량에 영향을 미치지 않으면서 충족 가능하게 되는 것이다.

한편, 도 2에서 각각 A, B, C, D1,D2,D3,D4라고 표시된 지점은 도 5 및 도 6의 그래프에 표시된 A, B, C, D에 대응된다. 참고로 도 5 및 도 6의 그래프에서는 증발기는 복수개가 아니라 하나인 것으로 가정하여 도 2 및 도 3에서 D1,D2,D3,D4 지점은 도 5 및 도 6에서는 D인 것으로 표시하기로 한다.

이 경우 동절기와 같이 온열 부하가 증가되면서도 복수개의 증발기(14)는 주위 온도 저하로 인하여 압축기(11)에 진입하는 냉매가 도 5에서 압력 P2 보다 낮아지거나 또는 복수개의 응축기(12)에서 배출되는 냉매 압력이 P1보다 낮을 경우 압축기(11)의 출력을 증가시켜 냉매를 더욱 고압으로 압축시킴으로써 압축기(11)에서 배출되는 냉매 압력이 P1이 되도록 조절시킬 수 있다.

이처럼 압축기(11)를 이용하여 냉매 압력을 원활하게 조절시키기 위하여 냉매 압력이 실시간으로 측정될 필요가 있다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 A 지점과 C 지점의 압력을 동시에 측정하는 듀얼 압력 센서(31)가 설치된다. 참고로 도 5 및 도 6에 도시된 압력 P2는 A 지점의 압력이고 P1은 C 지점의 압력이다.

또한 복수개의 증발기(14)를 거치지 않고 바이패스 관(151)을 통하여 곧바로 압축기(11)를 통과한 후 복수개의 응축기(12)로 진입되는 냉매 량을 제어시키기 위하여 압축기(11)에서 배출되는 냉매 온도를 측정하는 온도 센서(32)와, 온도 센서(32)의 측정값에 따라 바이패스 관(151)에 설치된 개폐밸브(154)의 개폐 정도를 자동으로 제어시키는 연동 제어기(153)가 설치될 수 있다.

압축기(11)에서 배출되는 기체 냉매의 온도는 도 5 및 도 6에서 B 로 표시된 지점의 온도이다. 특히 동절기의 경우 주위의 낮은 온도로 인하여 냉매 열 부하가 낮아지면 온도와 압력이 함께 낮아지게 된다. 이러한 현상이 누적되면 순환되는 냉매의 압력은 계속 낮아지게 되어 결국 도 5의 그래프에서 배출열량이 낮아지면서 효율이 저하된다. 이때 냉매의 압력을 높여줌으로써 냉매의 온도를 올리려면 추가적인 냉매의 공급이 필요하게 된다. 따라서 수액기(18)로부터 냉매를 추가적으로 배출시키면서 또한 냉매의 열 부하를 유지시키기 위해서 추가되는 냉매를 복수개의 증발기(14)를 거치지 않고 곧바로 압축기(11)로 보낼 필요가 있다.

따라서 B 지점에서의 온도가 낮아지면 자동적으로 수액기(18)에서 추가 냉매가 배출되면서 온도가 낮아질수록 개폐밸브(154)가 더 많이 개방되게 연동시키면 동절기에 열효율이 저하되는 것이 방지될 수 있는 것이다.

<제2실시예>

제2실시예는 냉온동시 히트펌프(10)와, 냉온동시 히트펌프(10)에 설치되는 바이패스 모듈(15)과 듀얼 압력 센서(31) 및 온도센서(32)의 구성은 모두 제1실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

제2실시예는 제1실시예에서 온수탱크(22)와 냉수탱크(43)가 별도의 구성으로 설치되는 것과 달리 도 4에 도시된 바와 같이 온수탱크와 냉수탱크가 하나의 지하수조(51) 내부에 배치되는 구조로 설치된다. 이때 제2실시예에서는 제1실시예에서의 온수탱크와 냉수탱크를 각각 고온수조(52)와 저온수조(53)로 칭하기로 한다.

고온수조(52)와 저온수조(53)는 각각 제2응축기(122)와 제3증발기(143)로 가열 또는 냉각되긴 하지만, 고온수조(52)와 저온수조(53)가 외부 대기와 접촉되게 설치되면 동절기에는 고온수조(52)가 차가운 공기의 영향으로 식어버리게 되고, 하절기에는 저온수조(53)가 더운 외부 공기의 영향으로 온도가 상승하게 된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 현상을 방지시키기 위해서 지면 하부에 지하수조(51)를 매립시키고 고온수조(52)와 저온수조(53)가 지하수조(51) 내부에 잠기게 설치된다. 이 경우 지하에 매립되는 점에서 계절 변화에 따른 온도 영향이 대폭 감소될 뿐만 아니라, 수중에 배치되는 점에서 주위 온도 변화가 느리고 온도 변화 폭이 작아 고온수조(52)와 저온수조(53)의 온도가 오랜시간 일정하게 유지될 수 있다. 이때 지하수조(51) 내부의 지하수는 도 4에 도시된 바와 같이 지하수원(S)에서 인양되는 지하수일 수도 있고 또는 우수 탱크(R)에 수집된 빗물일 수도 있다.

특히 본 발명에서는 고온수조(52)가 상부에 배치되고 저온수조(53)는 하부에 배치됨으로써 지하수조(51) 내부의 열대류로 인하여 상대적으로 높은 온도의 지하수가 고온수조(52) 주위에 모이고 낮은 온도의 지하수가 저온수조(53) 주위에 모이게 되어 고온수조(52)와 저온수조(53)의 온도가 더욱 장시간 유지될 수 있다.

이때 고온수조(52)의 저면과 저온수조(53)의 상면은 도 4에 도시된 바와 같이 상승관(54)이 서로 연결시킨다. 상승관(54)은 고온수조(52) 하부에 가라앉는 낮은 온도의 물과 저온수조(53) 상부에 모이는 높은 온도의 물중에서 저온수조(53) 상부의 물 온도가 고온수조(52) 하부의 물 온도보다 더 높을 경우 저온수조(53) 상부의 물이 고온수조(52)로 상승하게 되어 고온수조(52)와 저온수조(53)의 상대적 온도 차이가 더 장시간 유지될 수 있는 작용을 한다. 이러한 현상은 하절기에 냉방수요 충족을 위해서 저온수조(53) 내부의 물이 근린생활시설 또는 기타 냉방이 필요한 공간에 설치된 직팽식 공기조화기(미도시)를 통과한 후 다시 저온수조(53)로 복귀되는 과정이 반복되면서 발생될 수 있다.

그리고 고온수조(52)와 저온수조(53)는 각각 온수와 냉수의 수원으로도 사용될 수 있어 보충이 필요할 수 있다. 이때 고온수조(52)와 저온수조(53)에는 각각 온수조 보충밸브(55)와 냉수조 보충밸브(56)가 설치되어 주위의 지하수로부터 물을 보충받을 수 있다. 이 경우 지하수의 이물질이 걸러질 수 있게 온수조 보충밸브(55)와 냉수조 보충밸브(56)에는 이물질 제거 필터가 설치될 수 있다.

제2응축기(122)는 도 4에 도시된 바와 같이 고온수조(52) 내부의 물을 높은 온도로 유지시켜 주며, 제3증발기(143)는 저온수조(53) 내부의 물을 낮은 온도로 유지시켜 준다. 이때 고온수조(152)는 특히 동절기에 온수를 제공하거나 또는 공기조화기(미도시)에 난방을 제공하며, 저온수조(53)는 특히 하절기에 냉수를 제공하거나 또는 공기조화기(미도시)에 냉방을 제공한다.

그런데, 동절기에는 온수 및 난방이 대량으로 요구될 수 있으므로 추가적인 온수 제공 수단이 필요하게 된다. 이러한 경우 온수 대량 소비를 위해서 지하수가 온수조 보충밸브(55)를 통하여 유입되면 동절기의 지하수 온도는 낮으므로 제2응축기(122)만 가동시켜 데우려면 상당히 많은 시간이 소요될 수 있다. 따라서 온수조 보충밸브(55)로 지하수가 보충되는 것이 아니라 제3응축기(123)가 지하수를 데운 다음 데워진 지하수를 곧바로 고온수조(52) 내부로 유입시킴으로써, 온수 소비로 감소되는 고온수조(52)의 유량을 보충시킴과 동시에 고온수조(52)의 수온이 온수로 사용될 수 있을 정도로 높게 유지될 수 있다.

한편, 제2실시예에서는 특히 동절기 온수 및 난방을 위한 열원으로서 고온수조(52)만 활용하였을 때 고온수조(52)의 용량 한계로 인하여 온수 및 난방 수요를 충족시키지 못하는 경우를 대비하여 고온수탱크(61)와 태양열집열기(62)로 이루어지는 태양열 회수부(60)가 마련될 수 있다.

고온수탱크(61)는 기본적으로 태양열집열기(62)로 가열된 물이 내부에 저장되고, 저장된 물로 온수와 난방을 각 수요처에 공급하게 된다. 그런데 고온수탱크(61)에 저장된 고온수가 온수와 난방 수요를 충족시킨 후 남을 경우에는 고온수조(52) 내부로 남은 고온수를 이송시킬 수 있게 도 4에 도시된 바와 같이 고온수탱크(61)와 고온수조(52)는 고온수 공급관(63)과 고온수 회수관(64)으로 연결된다.

또한, 동절기에 난방 및 온수 수요를 고온수조(52) 내부의 온수로만 충족시킬 경우, 앞서 설명된 바와 같이 제2응축기(122)와 제3응축기(123)가 풀가동되므로 증발기도 이에 대응될 수 있게 응축기와 같은 양의 냉매를 증발시켜서 전체 히트펌프 시스템이 완전히 가동될 수 있게 되어야 한다.

그러나 동절기에는 냉방 수요가 없고, 다만 동절기와 하절기에 모두 가동이 필요한 냉장창고(41)와 냉동고(42)를 위해서 제1증발기(141)와 제2증발기(142)만 가동될 뿐이어서 제3증발기(143) 및 제4증발기(144)는 가동이 필요 없게 된다. 하지만 이런 상황에서도 제1 내지 제3응축기(121,122,123)의 용량에 대응될 수 있게 증발기도 가동되어야 한다.

이 경우 태양열로 가열된 고온수탱크(61) 내의 고온수를 제4증발기(144)로 상온까지 식혀서 지하수조(51) 내부로 고온수를 이동시킨다면, 지하수조(51) 내부의 지하수는 동절기의 기온 영향을 받지 않고 상온 상태가 유지될 수 있으며, 또한 제4증발기(144)의 가동으로 인하여 제1 내지 제3응축기(121,122,123)의 가동이 제1, 2, 4증발기(141,142,144)의 가동과 균형을 이루게 되어 결국 온수와 난방 수요도 충족시키면서 4계절 모두 사용되는 건조실(21)의 운영도 정상적으로 이루어질 수 있게 된다. 참고로 이때 고온수조(52)가 제4증발기(144)에 열에너지를 전달하여 식혀져서 상온까지 온도가 낮아질 때의 '상온'은 사계절을 거쳐서 평균적인 수준의 상온이므로 대략 섭씨 15도 내지 섭씨 20도 전후를 지칭하며 동절기의 상온인 영하의 온도는 아니다.

본 발명에 따른 냉온동시 히트펌프 시스템의 제2실시예는 이와 같이 구성됨으로써 하나의 히트펌프로도 냉열과 온열 수요가 모두 충족될 수 있고 이러한 냉열과 온열 수요의 동시 충족은 동절기와 하절기에 모두 다 이루어질 수 있다.

다만 본 발명이 구현되는 구체적인 형태는 제1 및 제2실시예로 한정되는 것은 아니며, 공지의 기술이 제1 및 제2실시예의 공통적인 기술적 특징에 부가되는 형태의 실시예라면 구현되는 실시예의 종류와 형태에 제한은 없다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

R : 우수 탱크 S : 지하수원
10 : 냉온동시 히트펌프 11 : 압축기
12 : 복수개의 응축기 13 : 복수개의 팽창밸브
14 : 복수개의 증발기 15 : 바이패스 모듈
16 : 코어 필터 건조기 17 : 어큐뮬레이터
18 : 수액기 19 : 액상냉매 바이패스 관
20 : 온열 수요부 21 : 건조실
22 : 온수탱크 30 : 센서부
31 : 듀얼 압력 센서 32 : 온도 센서
40 : 냉열 수요부 41 : 냉장창고
42 : 냉동고 43 : 냉수탱크
45 : 지하수 탱크 50 : 삼중수조
51 : 지하수조 52 : 고온수조
53 : 저온수조 54 : 상승관
55 : 온수조 보충밸브 56 : 냉수조 보충밸브
60 : 태양열 회수부 61 : 고온수탱크
62 : 태양열 집열기 63 : 고온수 공급관
64 : 고온수 회수관 121 : 제1응축기
122 : 제2응축기 123 : 제3응축기
131 : 제1팽창밸브 132 : 제2팽창밸브
133 : 제3팽창밸브 134 : 제4팽창밸브
141 : 제1증발기 142 : 제2증발기
143 : 제3증발기 144 : 제4증발기
151 : 바이패스관 152 : 제5팽창밸브
153 : 연동제어기 154 : 개폐밸브

Claims (8)

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4. 기체 냉매를 압축시키는 압축기와, 압축기에서 압축된 기체 냉매를 공급받아 응축시키는 병렬로 연결된 복수개의 응축기와, 응축기로 응축된 액체 냉매를 공급 받아 팽창시키는 병렬로 연결된 복수개의 팽창밸브와, 각 팽창밸브 마다 하나씩 연결되어 팽창된 액체냉매를 기화시킨 후 다시 상기 압축기로 냉매를 이송시키는 복수개의 증발기 및, 상기 복수개의 증발기와 압축기 사이에 설치되는 코어 필터 건조기로 구성되는 냉온동시 히트펌프와;
   지하에 매립되게 설치되는 지하수조와, 지하수조에 잠기게 설치되는 고온수조 및, 지하수조에 잠기게 설치되는 저온수조로 이루어지며, 고온수조는 상기 응축기 중 하나로부터 열에너지를 공급받아 가열되고, 저온수조는 상기 증발기 중 하나에 열에너지를 전달하면서 냉각되며, 고온수조 내부의 고온수와 저온수조 내부의 저온수 온도가 장시간 유지되어 온수 및 냉기 생산용 냉수를 제공하는 것을 특징으로 하는 삼중수조와;
   상기 응축기 중 하나로부터 열에너지를 공급받는 건조실과;
   상기 증발기 중 하나로부터 냉열을 공급받는 냉장창고; 및,
   상기 증발기 중 하나로부터 냉열을 공급받는 냉동고; 로 이루어지되,
   상기 코어 필터 건조기와 압축기 사이에 어큐뮬레이터가 설치되고, 상기 복수개의 응축기와 복수개의 팽창밸브 사이에 수액기가 설치되며, 수액기의 출구 측과 어큐뮬레이터의 입구 측을 직접 연결시키는 바이패스 관과, 바이패스 관에 설치되는 팽창밸브 및 개폐밸브로 이루어지는 바이패스 모듈이 설치되어,
   동절기에 온열부하가 냉열부하보다 증가될 경우, 냉매 중의 일부가 증발기를 통과하지 않고 순환됨으로써, 온열 부하와 냉방 부하 간의 균형이 유지되어 하절기와 동절기의 구분 없이 온열 수요와 냉열 수요를 모두 충족시키고,
   상기 응축기 중 하나는 지하수조 내부의 물을 가열시켜 고온수조 내부로 직접 이송시킴으로써 동절기에 온수 사용 증가로 인하여 고온수조의 유량이 저하될때 고온수조에 가열된 온수를 공급하여 열과 유량을 모두 보충시키며,
   상기 어큐뮬레이터로부터 압축기로 흐르는 냉매 압력과 수액기로부터 복수개의 팽창밸브로 흐르는 냉매의 압력이 동시에 측정되는 듀얼 압력 센서가 설치되어, 압축기로 흐르는 냉매 압력이 포화수증기압에 미달되거나 또는 팽창밸브로 흐르는 냉매 압력이 포화액체압력보다 미달되는 경우 압축기 출력이 더 증가되고,
   압축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 측정되는 온도 센서가 상기 바이패스 모듈에 설치된 개폐밸브와 연동되게 설치되어, 온도 센서에서 측정되는 온도 값이 포화수증기 온도에 미달될 경우 자동으로 개폐밸브가 개방되며,
   상기 고온수조와 연결되어 고온수조 내부의 온수를 전달받아 저장시키거나 또는 저장된 고온수를 고온수조로 전달시키는 고온수탱크와, 태양열로 고온수탱크 내부의 고온수를 가열시키는 태양열집열기로 이루어지는 태양열회수부가 설치되며, 상기 증발기 중 어느 하나는 동절기에 고온수탱크 내부의 물을 전달받아 상온으로 냉각시킨 후 상기 삼중수조를 구성하는 지하수조 내부로 이송시킴으로써, 동절기에 응축기 가동률이 최대로 될 때 응축기 가동률에 대응되게 증발기를 가동시킴과 동시에 지하수조의 지하수 온도가 동절기 환경의 영향을 받지 않게 상온으로 유지시킴으로써 겨울철 온열 공급 효율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 냉온동시 히트펌프 시스템.
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