KR102299013B1 - 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템 - Google Patents

냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템은 상부공간에 제1 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제1 고온수보다 낮은 온도의 제1 저온수가 충진되는 형태의 온수 축열조; 상부공간에 제2 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제2 고온수보다 낮은 온도의 제2 저온수가 충진되는 형태의 냉온수 축열조; 고온의 냉매를 배출하는 압축기; 상기 압축기의 출구와 연결되고, 상기 온수 축열조와 연결되는 과열 열교환기; 상기 과열 열교환기의 출구에 연결되고, 냉매가 흐르는 방향을 전환시키는 사방밸브; 상기 과열 열교환기를 통과한 냉매와 지중열원 간의 열교환이 이루어지도록 하는 지중열원 열교환기; 상기 지중열원 열교환기를 통과한 냉매와 상기 냉온수 축열조의 제2 저온수 간의 열교환이 이루어지도록 하는 브라인 열교환기; 상기 지중열원 열교환기 및 상기 브라인 열교환기 사이에 구비되는 과냉각 열교환기; 냉각수를 저장하는 냉각탑; 및 히트펌프의 주간 냉방운전 및 야간 축열운전을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템{UNDERGROUND HEAT SOURCE HEAT PUMP COOLING SYSTEM USING COOLING TOWER}
본 발명은 히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각탑을 이용하여 과냉각 수열원을 얻는 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 과열 열교환기는 압축기의 후단에 위치되어 고온의 열매체와의 열교환을 통해 물을 가열하도록 된 급탕용 열교환기로, 이러한 과열 열교환기를 포함한 히트펌프시스템의 일례를 설명하면 다음과 같다.
통상의 히트펌프시스템은 압축기, 응축기나 증발기로 작동되는 제1 및 제2 열교환기 및 팽창밸브를 포함하여 이루어져 열매체를 순환시킴에 따라 열을 흡수 또는 방출하여 냉난방을 기본적으로 공급하고, 상기 압축기의 후단에 과열 열교환기를 설치하여 고온 고압의 핫가스와의 열교환을 통해 순간적으로 물을 가열하여 급탕을 공급할 수 있도록 된 것이다.
이러한 히트펌프시스템에서 상기 제1 및 제2 열교환기 중 어느 하나가 과열 열교환기와 열교환된 고온의 냉매와 열교환하는 열원으로서 지중열원을 사용하는 경우 고온의 냉매의 열이 지중열원에 최초 방열되므로 히트펌프 시스템의 반복적인 사용시 지중열원의 부하가 증대되는 문제가 있었다.
등록특허 10-0507921호
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 히트펌프의 싸이클 과정에서 냉매를 용이하게 과냉각시켜 장치의 전체적인 효율이 증대될 수 있도록 한 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템은 상부공간에 제1 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제1 고온수보다 낮은 온도의 제1 저온수가 충진되는 형태의 온수 축열조; 상부공간에 제2 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제2 고온수보다 낮은 온도의 제2 저온수가 충진되는 형태의 냉온수 축열조; 고온의 냉매를 배출하는 압축기; 상기 압축기의 출구와 연결되고, 상기 온수 축열조와 연결되는 과열 열교환기; 상기 과열 열교환기의 출구에 연결되고, 냉매가 흐르는 방향을 전환시키는 사방밸브; 상기 과열 열교환기를 통과한 냉매와 지중열원 간의 열교환이 이루어지도록 하는 지중열원 열교환기; 상기 지중열원 열교환기를 통과한 냉매와 상기 냉온수 축열조의 제2 저온수 간의 열교환이 이루어지도록 하는 브라인 열교환기; 상기 지중열원 열교환기 및 상기 브라인 열교환기 사이에 구비되는 과냉각 열교환기; 냉각수를 저장하는 냉각탑; 및 히트펌프의 주간 냉방운전 및 야간 축열운전을 제어하는 제어부를 포함하고, 주간 냉방운전시, 상기 압축기로부터 배출되는 고온 냉매는 상기 압축기로부터 상기 과열 열교환기로 연결되는 제1 냉매이송경로를 따라 상기 과열 열교환기로 공급되고, 상기 냉각탑 및 상기 과열 열교환기를 경유하는 제1 냉각수이송경로를 따라 냉각수가 순환되고, 상기 과열 열교환기로부터 상기 사방변의 제1 포트로 연결되는 제2 냉매이송경로를 따라 고온의 냉매가 상기 사방변으로 유입되고, 이어서 상기 사방변의 제2 포트로부터 상기 지중열원 열교환기로 연결되는 제3 냉매이송경로를 따라 고온의 냉매가 공급되고, 이어서 지중열원과 열교환된 냉매가 상기 지중열원 열교환기로부터 상기 과냉각 열교환기로 연결되는 제4 냉매이송경로를 따라 상기 과냉각 열교환기 방향으로 공급되고, 이어서 상기 과냉각 열교환기를 바이패스하는 바이패스경로 및 상기 과냉각 열교환기로부터 상기 브라인 열교환기로 연결되는 제5 냉매이송경로를 따라 상기 브라인 열교환기로 냉매가 공급되고, 이어서 상기 브라인 열교환기에서 열교환된 냉매가 상기 브라인 열교환기로부터 상기 사방변의 제3 포트로 연결되는 제6 냉매이송경로를 따라 상기 사방변으로 유입되고, 이어서 상기 사방변의 제4 포트로부터 상기 압축기로 연결되는 냉매회수경로를 따라 상기 압축기로 회수되게 운전되며; 야간 축열운전시, 상기 압축기로부터 배출되는 고온의 냉매는 상기 제1 냉매이송경로를 따라 상기 과열 열교환기로 공급되고, 이어서 상기 제2 냉매이송경로를 따라 고온의 냉매가 상기 지중열원 열교환기 방향으로 이송되고, 이어서 고온의 냉매는 상기 지중열원 열교환기에서 열교환 없이 통과 후 상기 제4 냉매이송경로를 따라 상기 과냉각 열교환기로 공급되고, 상기 냉각탑 및 상기 과냉각 열교환기를 경유하는 제2 냉각수이송경로를 따라 냉각수가 순환되고, 상기 제6 냉매이송경로를 따라 상기 브라인 열교환기에서 열교환된 냉매가 상기 사방변으로 유입되고, 이어서 상기 냉매회수경로를 따라 냉매가 상기 압축기로 회수되게 운전되며, 상기 주간 냉방운전시 상기 온수 축열조로부터 상기 과열 열교환기로의 저온수 공급이 정지되고, 상기 야간 축열운전시 상기 온수 축열조의 제1 저온수는 상기 과열 열교환기에서 고온의 냉매와 열교환하여 상기 온수 축열조로 고온수로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템에 의하면 야간에 지중열원 대신 냉각탑 내의 냉각수를 과냉각 열원으로 활용하므로 지중열 부하를 경감할 수 있다.
또한, 지중열원 및 냉각탑의 냉각수를 통해 냉매를 다단에 걸쳐 냉매를 냉각시킴에 따라 히트펌프의 싸이클 과정에서 냉매를 용이하게 과냉각시켜 장치의 전체적인 효율이 증대될 수 있는 이점이 있다.
또한, 야간에 온수 축열조 내의 저온수를 과열 열교환기를 순환시키면서 지속 가열되므로 부하에서 이용되는 열원, 예를 들어, 데시칸트 공조기의 재생 열원의 충분한 확보가 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 구성 및 주간 냉방운전의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 야간 축열운전의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 온수 축열조 및 냉온수 축열조의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템은 온수 축열조(110), 냉온수 축열조(120), 압축기(130), 과열 열교환기(140), 사방밸브(150), 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170), 과냉각 열교환기(180), 냉각탑(190) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
온수 축열조(110)는 하나의 내부공간을 갖지만, 하부공간에 제1 저온수가 충진된 상태에서 제1 저온수 위쪽의 상부공간에 제1 고온수가 충진되는 형태로서, 제1 고온수와 제1 저온수가 서로 경계를 이루면서 상존하는 탱크를 말한다. 온수 축열조(110)에 충진되는 제1 고온수는 데시칸트 공조기(미도시)의 제습을 위한 열원으로 이용될 수 있다.
냉온수 축열조(120)는 상기 온수 축열조(110)와 동일 구조를 갖는 것으로서, 상부공간에 제2 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제2 고온수보다 낮은 온도의 제2 저온수가 충진되는 형태이다. 냉온수 축열조(120)에 충진되는 제2 저온수는 데시칸트 공조기(미도시)의 냉각기 열원 및 브라인 열교환기(170)에서의 열교환을 위한 수열원으로 이용될 수 있다.
압축기(130)는 냉매를 압축해서 고온 고압의 상태로 만들어 고온의 냉매를 일방향으로 배출할 수 있다.
과열 열교환기(140)는 상기 온수 축열조(110)의 상부측 및 하부측과 연결되어 상기 고온의 냉매 및 상기 제1 저온수 간의 열교환을 통해 상기 제1 고온수를 상기 온수 축열조(110)의 상부공간으로 공급한다. 제1 과열 열교환기(140)는 압축기(130)의 출구와 연결되어 압축기(130)로부터 고온의 냉매가 공급될 수 있다.
사방밸브(150)는 는 밸브의 포트를 4개 가진 것을 의미하며, 과열 열교환기(140)의 출구에 연결되고, 유입되는 냉매가 흐르는 방향을 전환시킬 수 있다.
지중열원 열교환기(160)는 지중열원(161)과 연결되고, 제어부의 제어에 따라 과열 열교환기(140)로부터 공급되는 고온의 냉매와 지중열원(161) 간의 열교환이 이루어지도록 한다.
브라인 열교환기(170)는 지중열원 열교환기(160)를 통과한 냉매와 상기 냉온수 축열조(120)의 제2 고온수 간의 열교환이 이루어지도록 한다. 또한 브라인 열교환기(170)는 상기 냉온수 축열조(120)의 상부측 및 하부측과 연결되어 냉매 및 상기 제2 고온수 간의 열교환을 통해 상기 제2 저온수를 상기 냉온수 축열조(120)의 상부공간으로 공급한다.
과냉각 열교환기(180)는 상기 지중열원 열교환기(160) 및 상기 브라인 열교환기(170) 사이에 구비되고, 상기 지중열원 열교환기(160)로부터 이송되는 냉매 및 상기 냉각탑(190)으로부터 공급되는 냉각수 간의 열교환이 이루어지도록 한다.
과냉각 열교환기(180)의 토출측에는 팽창밸브(210)가 연결되어 있는 바, 이 팽창밸브(210)는 응축된 냉매를 저온, 저압의 상태로 팽창시킨다.
냉각탑(190)은 냉각수를 저장하며, 제어부의 제어에 따라 냉각수가 과열 열교환기(140)로 공급되거나 과냉각 열교환기(180)로 공급된다.
제어부는 히트펌프의 주간 냉방운전 및 야간 축열운전을 제어하며, 주간 냉방운전시 상기 냉각탑(190)의 냉각수를 과열 열교환기(140)로 공급하고 야간 축열운전시 상기 냉각탑(190)의 냉각수를 과냉각 열교환기(180)로 공급하도록 히트펌프를 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 주간 냉방운전시 상기 온수 축열조(110)로부터 상기 과열 열교환기(140)로의 저온수 공급이 정지되고, 상기 야간 축열운전시 상기 온수 축열조(110)의 제1 저온수는 상기 과열 열교환기(140)에서 고온의 냉매와 열교환하여 상기 온수 축열조(110)로 고온수로 공급하도록 하고 지중열원 열교환기(160)의 열교환이 정지되도록 히트펌프를 제어할 수 있다.
상기 제어부에 의한 주간 냉방운전 및 야간 축열운전의 전환은 상기 냉각탑(190) 내의 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서의 측정값을 제어부에 미리 설정되는 기준값과 비교 및 판단하여 수행될 수 있다. 이를 위해 냉각탑(190)에는 온도센서(미도시)가 구비될 수 있다.
이하에서는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템에서 냉매 및 냉각수가 순환되는 과정을 설명한다.
주간 냉방운전
먼저, 압축기(130)로부터 배출되는 고온 냉매는 압축기(130)로부터 과열 열교환기(140)로 연결되는 제1 냉매이송경로(①)를 따라 과열 열교환기(140)로 공급된다. 이때, 냉각탑(190) 및 과열 열교환기(140)를 경유하는 제1 냉각수이송경로(⑪)를 따라 냉각수가 순환되어 냉각수가 과열 열교환기(140)로 공급되며, 과열 열교환기(140)에서 냉각수 및 고온의 냉매 간의 열교환이 이루어지며, 냉각수는 냉각탑(190)으로 회수되므로 온수 축열조(110)로는 고온수가 축열되지 않는다.
이어서, 과열 열교환기(140)로부터 사방밸브(150)의 제1 포트(151)로 연결되는 제2 냉매이송경로(⑫)를 따라 고온의 냉매가 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 사방밸브(150)의 제2 포트(152)로부터 상기 지중열원 열교환기(160)로 연결되는 제3 냉매이송경로(③)를 따라 고온의 냉매가 공급된다. 이때, 지중열원 열교환기(160)에서 고온의 냉매 및 지중열원(161) 간의 열교환이 이루어진다.
이어서, 지중열원(161)과 열교환된 냉매가 지중열원 열교환기(160)로부터 과냉각 열교환기(180)로 연결되는 제4 냉매이송경로(④)를 따라 과냉각 열교환기(180) 방향으로 공급되고, 이어서 과냉각 열교환기(180)를 바이패스하는 바이패스경로(B) 및 과냉각 열교환기(180)로부터 브라인 열교환기(170)로 연결되는 제5 냉매이송경로(⑤)를 따라 고온의 냉매가 공급된다. 이때, 냉매는 과냉각 열교환기(180)를 바이패스 하므로 과냉각 열교환기(180)에서 열교환이 이루어지지 않고 브라인 열교환기(170)에서 냉온수 축열조(120)로부터 공급되는 제2 고온수와 냉매가 열교환된다.
이어서, 브라인 열교환기(170)에서 열교환된 냉매가 브라인 열교환기(170)로부터 사방밸브(150)의 제3 포트(153)로 연결되는 제6 냉매이송경로(⑥)를 따라 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 사방밸브(150)의 제4 포트(154)로부터 상기 압축기(130)로 연결되는 냉매회수경로(⑦)를 따라 상기 압축기(130)로 회수되게 운전된다.
야간 축열운전
먼저, 압축기(130)로부터 배출되는 고온의 냉매는 상기 제1 냉매이송경로(①)를 따라 과열 열교환기(140)로 공급된다. 이때, 온수 축열조(110)의 하부공간 내의 제1 저온수가 과열 열교환기(140)로 공급되며 그 공급된 제1 저온수는 고온의 냉매와 열교환하여 가열되어 온수 축열조(110)로 공급될 수 있다.
이어서, 상기 제2 냉매이송경로(②)를 따라 이송되는 고온의 냉매가 제2 냉매이송경로(②)와 지중열원 교환기(160) 사이의 사방밸브(150)와 제3 냉매이송경로(③)를 거쳐서 지중열원 열교환기(160) 방향으로 이송되고 이어서 고온의 냉매는 지중열원 열교환기(160)에서 열교환 없이 통과 후 상기 제4 냉매이송경로(④)를 따라 과냉각 열교환기(180)로 공급된다. 이때, 냉각탑(190) 및 과냉각 열교환기(180)를 경유하는 제2 냉각수이송경로(⑫)를 따라 냉각수가 순환되어 냉각수가 과냉각 열교환기(180)로 공급되며, 과냉각 열교환기(180)에서 냉매 및 냉각수 간의 열교환이 이루어진다.
이어서, 상기 과냉각 열교환기(180)로부터 상기 브라인 열교환기(170)로 연결되는 제5 냉매이송경로(⑤)를 따라 상기 브라인 열교환기(170)로 냉매가 공급되고, 이어서 상기 제6 냉매이송경로(⑥)를 따라 브라인 열교환기(170)에서 열교환된 냉매가 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 냉매회수경로(⑦)를 따라 냉매가 압축기(130)로 회수되게 운전된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템은 야간에 지중열원(161) 대신 냉각탑(190) 내의 냉각수를 과냉각 열원으로 활용하므로 지중열 부하를 경감할 수 있다.
또한, 지중열원(161) 및 냉각탑(190)의 냉각수를 통해 냉매를 다단에 걸쳐 냉매를 냉각시킴에 따라 히트펌프의 싸이클 과정에서 냉매를 용이하게 과냉각시켜 장치의 전체적인 효율이 증대될 수 있는 이점이 있다.
또한, 야간에 온수 축열조(110) 내의 저온수를 과열 열교환기(140)를 순환시키면서 지속 가열되므로 부하에서 이용되는 열원, 예를 들어, 데시칸트 공조기의 재생 열원의 충분한 확보가 가능해질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템은 과냉각 열교환기(180)에 연결되는 수열원 연결라인(200)을 더 포함할 수 있다.
상기 수열원 연결라인(200)은 수열원, 예를 들어, 상수도와 같은 수열원으로부터 물이 과냉각 열교환기(180)를 순환하도록 할 수 있다.
상기 수열원 연결라인(200)을 더 포함하는 경우 상기 냉각탑(190) 대신 수열원을 상기 과냉각 열교환기(180)로 공급하도록 구성될 수 있고, 이러한 경우, 수열원이 과냉각 열교환기(180)로 공급되면 과냉각 열교환기(180)는 냉매 응축기로 운전되는 냉매 사이클을 형성할 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 온수 축열조 및 냉온수 축열조의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 온수 축열조(110) 및 냉온수 축열조(120) 각각은 급수관(111, 121), 디퓨저(112, 122), 층분리패널(113, 123), 패널회전축(114, 124), 패널회전용 동력장치(115, 125)를 포함할 수 있다.
급수관(111, 121)은 탱크의 내부의 하단측에 배치되며, 소정의 간격으로 형성된 분사공(111a, 121a)을 통해 저온의 공급수를 탱크 내에 균일하게 충전하도록 구성된다.
디퓨저(112, 122)는 과열 열교환기(140) 또는 브라인 열교환기(170)에서 가열된 고온수 또는 냉각된 저온수를 탱크 내에 저장하거나 저장된 고온수 또는 저온수를 탱크의 외부로 공급하도록 구비될 수 있다. 이를 위해, 디퓨저(112, 122)는 제1 플로팅패널(1121, 1221) 및 제2 플로팅패널(1122, 1222)을 포함할 수 있다.
상기 제1 플로팅패널(1121, 1221)은 가열된 고온수를 탱크 내에 투입시키는 투입공(1121a, 1221a)을 포함하고 가열된 고온수가 탱크 내로 수용되도록 탱크의 일측에 구비되는 유입구(11)와 투입관(12)을 통해 연결되며, 상기 제2 플로팅패널(1122, 1222)은 가열된 고온수를 탱크 외부로 배출시키는 배출공(1122a, 1222a)을 포함하고 가열된 고온수를 탱크 외부로 배출되도록 탱크의 일측에 구비되는 배출구(13)와 배출관(14)을 통해 연결될 수 있다.
이러한 제1 플로팅패널(1121, 1221) 및 제2 플로팅패널(1122, 1222)은 탱크 내의 수위에 따라 수중에 플로팅된 상태로 승강되게 구비될 수 있다. 이를 위해, 탱크 내의 일측에는 탱크의 길이방향을 따라 설치되는 수위센서(15)가 구비되고, 이 수위센서(15)에 따라 디퓨저(112, 122)의 승강 위치를 조절할 수 있게 연결된 모터(16a)와 로프(16b)를 포함하는 윈치수단(16)과 이 윈치수단(16)에 의해 승강되는 제1 플로팅패널(1121, 1221) 및 제2 플로팅패널(1122, 1222)의 승강작동을 안정적으로 안내하도록 각 플로팅패널(1121, 1221, 1122, 1222)을 관통하여 수직 설치되는 가이드봉(17)이 구비될 수 있고, 상기 투입관(12) 및 배출관(14)은 플렉시블한 수지재질의 관체로 구비되어 상기 각 플로팅패널(1121, 1221, 1122, 1222)의 승강과정에서 용이하게 가변될 수 있다. 상기 가이드봉(17)은 복수이고 각각의 가이드봉(17)은 각각의 플로팅패널(1121, 1221, 1122, 1222)의 좌측 및 우측을 관통하여 설치될 수 있다.
층분리패널(113, 123)은 탱크 내에서 디퓨저(112, 122)의 아래에 배치되어 저온수 및 고온수 사이를 층분리할 수 있다. 층분리패널(113, 123)은 상면 및 하면을 관통하는 다수의 유체통과구멍(113a, 123a)을 포함하고, 상기 유체통과구멍(113a, 123a)은 층분리패널(113, 123) 상에 랜덤하게 배열될 수 있다.
패널회전축(114, 124)은 탱크의 중심에 배치되어 층분리패널(113, 123)의 중심을 관통하여 설치될 수 있다.
패널회전용 동력장치(115, 125)는 탱크의 외부에서 패널회전축(114, 124)의 하단에 연결되어 패널회전축(114, 124)을 회전시킬 수 있다. 일 예로, 패널회전용 동력장치(115, 125)는 모터(115a, 125a) 및 감속기(115b, 125b)를 포함할 수 있고, 감속기(115b, 125b)에 의해 패널회전축(114, 124)은 저속으로 회전될 수 있고 수중에서 수압을 견뎌 회전할 수 있다.
한편, 상기 층분리패널(113, 123)은 상기 패널회전축(114, 124) 상에서 회전하면서 승강될 수 있다. 즉, 층분리패널(113, 123)을 기준으로 디퓨저(112, 122)를 통해 탱크 내로 공급되는 고온수의 양이 급수관(111, 121)을 통해 탱크 내로 공급되는 저온수의 양보다 증가하거나 이와 반대로 저온수의 양이 고온수의 양보다 증가하는 경우에 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동될 수 있게 구비되며, 층분리패널(113, 123)의 회전 속도는 이러한 압력 변화에 따라 승강 가능하도록 하는 속도일 수 있다.
이러한 각각의 온수 축열조(110) 및 냉온수 축열조(120)는 고온수 및 저온수가 공급될 때 층분리패널(113, 123)에 의해 고온수 및 저온수가 쉽게 섞이지 않고 고온수 및 저온수 간의 층분리가 이루어질 수 있다. 즉, 층분리패널(113, 123)은 다수의 유체통과구멍(113a, 123a)이 랜덤 배열되므로 고온수 및 저온수가 층분리패널(113, 123)을 통과하는 속도가 제한되고 수중에서 회전하므로 고온수 및 저온수가 층분리패널(113, 123)을 통과하는 속도는 더욱 감소되어서 고온수 및 저온수가 쉽게 섞이지 않을 수 있다.
따라서, 각각의 온수 축열조(110) 및 냉온수 축열조(120) 내로 공급되는 고온수 및 저온수 또는 서로 다른 온도의 물 간에 쉽게 섞이지 않으므로 고온수가 저온수와 섞여서 고온수의 온도가 쉽게 낮아지거나 저온수가 고온수와 섞여서 저온수의 온도가 쉽게 높아지는 현상이 방지되며, 나아가 저온수 및 고온수가 열교환의 열원으로 이용될 때 열교환 효율이 저하되는 것이 방지되어 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 압축기(130) 및 과열 열교환기(140)의 하면에 고무재질의 진동흡수부가 구비될 수 있다.
상기 진동흡수부는 고무 재질로 이루어질 수 있으며, 이러한 진동흡수부의 원료 함량비는 고무 55중량%, 유기산 코발트염 6중량%, 나프탈릭 안하이드라이드 8중량%, 제3옥틸페놀 20중량%, 3C(N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 6중량%, 유황 5중량%를 혼합한다.
제3옥틸페놀은 내마모성, 열전도성 등을 증대하거나, 향상시키기 위해 첨가되며, 유기산 코발트염과 나프탈릭 안하이드라이드는 접착력 등을 향상시키기 위해 첨가된다.
3C (N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 는 산화방지제로 첨가되며, 유항은 촉진제 등의 역할을 위해 첨가된다.
따라서 본 발명은 진동흡수부의 탄성, 인성 및 강성이 증대되므로 내구성이 향상되며, 이에 따라 압축기(130) 및 과열 열교환기(140)가 진동을 용이하게 견뎌서 수명이 증대될 수 있다.
고무재질 구성 물질 및 구성 성분을 한정하고 혼합 비율의 수치를 한정한 이유는, 본 발명자가 수차례 실패를 거듭하면서 시험 결과를 통해 분석한 결과, 상기 구성 성분 및 수치 한정 비율에서 최적의 효과를 나타내었다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 냉각탑(190) 및 과열 열교환기(140)에 제1 냉각수이송경로(⑪)가 연결될 때 냉각탑(190), 과열 열교환기(140) 및 제2 냉각수이송경로(⑫) 간의 누수 또는 열원 누출을 방지하기 위해 결합부착력을 향상시키기 위한 결합부착향상제가 도포될 수 있다.
상기 결합부착향상제는 물 60중량부, 이타콘산 10중량부, N-부톡시-메틸아크릴 아미드 16중량부, N-아실사르코시네이트 10중량부, 과산화암모늄 2중량부, 완충제 2중량부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이타콘산과 N-부톡시-메틸아크릴 아미드는 접착성, 유연성, 내수성 등을 향상하기 위해 첨가되며, N-아실사르코시네이트는 계면활성제의 역할을 한다.
상기와 같이 구성 물질 및 구성 성분을 한정하고 혼합 비율의 수치를 한정한 이유는, 본 발명자가 수차례 실패를 거듭하면서 시험 결과를 통해 분석한 결과, 상기 구성 성분 및 수치 한정 비율에서 최적의 효과를 나타내었다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템의 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있도록 오염 방지 도포용 조성물로 이루어진 오염방지도포층이 도포될 수 있다.
상기 오염 방지 도포용 조성물은 폴리쿼터늄-10 및 알킬 글리콜에테르가 1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 폴리쿼터늄-10과 알킬 글리콜에테르의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~10 중량%이다.
상기 폴리쿼터늄-10과 알킬 글리콜에테르는 몰비로서 1:0.01 ~ 1:2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면 상의 도포성이 저하되거나 도포 후에 표면의 수분흡착이 증가하여 도포막이 제거되는 문제점이 있다.
상기 폴리쿼터늄-10 및 알킬 글리콜에테르는 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면 상의 도포성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 도포막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기 쉽다.
한편, 본 오염 방지 도포용 조성물을 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면 상에 도포하는 방법으로는 스프레이법에 의해 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면 상의 최종 도포막 두께는 550 ~ 2000Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1100 ~ 1900Å이다. 상기 도포막의 두께가 550 Å미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000 Å을 초과하면 도포 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다.
또한, 본 오염 방지 도포용 조성물은 폴리쿼터늄-10 0.1 몰 및 알킬 글리콜에테르 0.05몰을 증류수 1000 ㎖에 첨가한 다음 교반하여 제조될 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
110 : 온수 축열조 120 : 냉온수 축열조
130 : 압축기 140 : 과열 열교환기
150 : 사방밸브 160 : 지중열원 열교환기
170 : 브라인 열교환기 180 : 과냉각 열교환기
190 : 냉각탑

Claims (3)

  1. 상부공간에 제1 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제1 고온수보다 낮은 온도의 제1 저온수가 충진되는 형태의 온수 축열조(110);
    상부공간에 제2 고온수가 충진되고 하부공간에 상기 제2 고온수보다 낮은 온도의 제2 저온수가 충진되는 형태의 냉온수 축열조(120);
    고온의 냉매를 배출하는 압축기(130);
    상기 압축기(130)의 출구와 연결되고, 상기 온수 축열조(110)와 연결되는 과열 열교환기(140);
    상기 과열 열교환기(140)의 출구에 연결되고, 냉매가 흐르는 방향을 전환시키는 사방밸브(150);
    상기 과열 열교환기(140)를 통과한 냉매와 지중열원 간의 열교환이 이루어지도록 하는 지중열원 열교환기(160);
    상기 지중열원 열교환기(160)를 통과한 냉매와 상기 냉온수 축열조(120)의 제2 고온수 간의 열교환이 이루어지도록 하는 브라인 열교환기(170);
    상기 지중열원 열교환기(160) 및 상기 브라인 열교환기(170) 사이에 구비되는 과냉각 열교환기(180);
    냉각수를 저장하는 냉각탑(190); 및
    히트펌프의 주간 냉방운전 및 야간 축열운전을 제어하는 제어부를 포함하고,
    주간 냉방운전시, 상기 압축기(130)로부터 배출되는 고온 냉매는 상기 압축기(130)로부터 상기 과열 열교환기(140)로 연결되는 제1 냉매이송경로(①)를 따라 상기 과열 열교환기(140)로 공급되고, 상기 냉각탑(190) 및 상기 과열 열교환기(140)를 경유하는 제1 냉각수이송경로(⑪)를 따라 냉각수가 순환되고, 상기 과열 열교환기(140)로부터 상기 사방밸브(150)의 제1 포트(151)로 연결되는 제2 냉매이송경로(②)를 따라 고온의 냉매가 상기 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 사방밸브(150)의 제2 포트(152)로부터 상기 지중열원 열교환기(160)로 연결되는 제3 냉매이송경로(③)를 따라 고온의 냉매가 공급되고, 이어서 지중열원(161)과 열교환된 냉매가 상기 지중열원 열교환기(160)로부터 상기 과냉각 열교환기(180)로 연결되는 제4 냉매이송경로(④)를 따라 상기 과냉각 열교환기(180) 방향으로 공급되고, 이어서 상기 과냉각 열교환기(180)를 바이패스하는 바이패스경로(B) 및 상기 과냉각 열교환기(180)로부터 팽창밸브(210)를 통해 상기 브라인 열교환기(170)로 연결되는 제5 냉매이송경로(⑤)를 따라 상기 브라인 열교환기(170)로 냉매가 공급되고, 이어서 상기 브라인 열교환기(170)에서 열교환된 냉매가 상기 브라인 열교환기(170)로부터 상기 사방밸브(150)의 제3 포트(153)로 연결되는 제6 냉매이송경로(⑥)를 따라 상기 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 사방밸브(150)의 제4 포트(154)로부터 상기 압축기(130)로 연결되는 냉매회수경로(⑦)를 따라 상기 압축기(130)로 회수되게 운전되며;
    야간 축열운전시, 상기 압축기(130)로부터 배출되는 고온의 냉매는 상기 제1 냉매이송경로(①)를 따라 상기 과열 열교환기(140)로 공급되고, 이어서 상기 제2 냉매이송경로(②)를 따라 이송되는 고온의 냉매가 제2 냉매이송경로(②)와 지중열원 교환기(160) 사이의 사방밸브(150)와 제3 냉매이송경로(③)를 거쳐서 상기 지중열원 열교환기(160) 방향으로 이송되고, 이어서 고온의 냉매는 상기 지중열원 열교환기(160)에서 열교환 없이 통과 후 상기 제4 냉매이송경로(④)를 따라 상기 과냉각 열교환기(180)로 공급되고, 상기 냉각탑(190) 및 상기 과냉각 열교환기(180)를 경유하는 제2 냉각수이송경로(⑫)를 따라 냉각수가 순환되고, 이어서 상기 과냉각 열교환기(180)로부터 팽창밸브(210)를 통해 상기 브라인 열교환기(170)로 연결되는 제5 냉매이송경로(⑤)를 따라 상기 브라인 열교환기(170)로 냉매가 공급되고, 이어서 상기 제6 냉매이송경로(⑥)를 따라 상기 브라인 열교환기(170)에서 열교환된 냉매가 상기 사방밸브(150)으로 유입되고, 이어서 상기 냉매회수경로(⑦)를 따라 냉매가 상기 압축기(130)로 회수되게 운전되며;
    압축기(130) 및 과열 열교환기(140)의 하면에 고무재질의 진동흡수부가 구비되되, 상기 진동흡수부의 원료 함량비는 고무 55중량%, 유기산 코발트염 6중량%, 나프탈릭 안하이드라이드 8중량%, 제3옥틸페놀 20중량%, 3C(N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 6중량%, 유황 5중량%를 혼합하여서 이루어지고;
    냉각탑(190) 및 과열 열교환기(140)에 제1 냉각수이송경로(⑪)가 연결될 때 냉각탑(190), 과열 열교환기(140) 및 제2 냉각수이송경로(⑫) 간의 누수 또는 열원 누출을 방지하기 위해 결합부착력을 향상시키기 위한 결합부착향상제가 도포되되, 상기 결합부착향상제는 물 60중량부, 이타콘산 10중량부, N-부톡시-메틸아크릴 아미드 16중량부, N-아실사르코시네이트 10중량부, 과산화암모늄 2중량부, 완충제 2중량부를 포함하여 이루어지며;
    지중열원 열교환기(160), 브라인 열교환기(170) 및 과냉각 열교환기(180)의 외부 표면에는 오염 방지 도포용 조성물로 이루어진 오염방지도포층이 도포되되, 상기 오염 방지 도포용 조성물은 폴리쿼터늄-10 및 알킬 글리콜에테르가 1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는,
    냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 과냉각 열교환기(180)에 연결되는 수열원 연결라인(200)을 더 포함하고,
    상기 수열원 연결라인(200)은 수열원으로부터 물이 과냉각 열교환기(180)를 순환하도록 하고,
    상기 수열원 연결라인(200)은 상기 냉각탑(190) 대신 수열원을 상기 과냉각 열교환기(180)로 공급할 수 있고, 수열원이 과냉각 열교환기(180)로 공급되면 과냉각 열교환기(180)는 냉매 응축기로 운전되는 냉매 사이클을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    냉각탑을 이용한 지중열원 히트펌프 냉방 응축열 과열 및 과냉각 제어 시스템.
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