KR102646385B1 - 양수기를 구비한 지열히트펌프 냉난방장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을; 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1, 제2 지중열교환기(10,20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비되고;
지중수귀환배관(40)에 양수기 및 보충수공급탱크(50WT)가 설치되되;
보충수공급탱크몸통(81) 상부에는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 공급배관(83)이 설치되고;
상기 공급배관(83)은 수돗물의 유동을 제어할 수 있도록 개폐가 가능하며;
상기 공급배관(83)의 공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되고;
보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된 보충수출구배관(99P)이 지중수귀환배관(40)에 연통 연결되는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치에 관한 것이다.

Description

양수기를 구비한 지열히트펌프 냉난방장치{Geothermal heat pump cooling and heating equipment with water pump}
본 발명은 양수기를 구비한 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치에 관한 것이다.
히트펌프는 냉매가 냉매배관에 따라 순차적으로 형성된 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기 등을 순환하면서, 열을 방출하거나 흡수하는 시스템이다.
본 출원인이 선출원한 것으로 선행기술문헌인 아래 종래발명에도, 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치가 개시되어 있다.
종래발명에 의해서도, 지열 히트펌프를 이용하여 건축물을 비교적 효율적으로 냉난방 할 수 있지만, 제1 및 제2 지중열교환기를 통하여 지중과 장기간 열교환하는 과정에서, 상기 제1 및 제2 지중열교환기가 지중에서 파열되는 치명적인 문제점을 내포하고 있는 것을 발견하였다.
상기 제1 및 제2 지중열교환기는 지하 150M 이상의 깊은 곳에 매설되는 관계로 지중에서 지중열교환기에 균열이 발생하면, 수리가 사실상 불가능하게 되어 고가의 시설비가 투자되었던 지중열환기를 폐기해야 하는 근본적인 문제점이 있다.
상기와 같이, 상기 제1 및 제2 지중열교환기가 지중에서 파열되는 원인은 본 발명인의 장기간 연구결과, 지열열교환기에 보충수를 공급하는 보충수배관에 상수도 파이프를 직접 연결하여 수돗물을 공급하는 관계로, 상수도 파이프의 높은 압력이 제1 및 제 2 지중열교환기에 전달되고, 따라서 제1 및 제 2 지중열교환기 배관에 높은 압력이 반복적으로 가해져, 제1 및 제 2 지중열교환기가 파열된다는 것을 알게 되었다.
그리고, 종래발명에서는 지중열교환기의 내부에 충진되는 물을 순환시키는 수단으로 순환펌프(241)를 이용하고 있으나, 상기 순환펌프(241)는, 물을 빨아들이는 기능(揚水力)이 거의 없고, 지중열교환기 배관 내의 물을 이동시키고자하는 방향인 한쪽 방향으로만 이송시키는 압상력만 있어서, 지중열교환기 배관 내부에 발생되어 존재하게 되는 에어 배출이 잘 되지 않게 되고, 상기 지중열교환기 내부에 존재하는 에어는 지중열교환기 내부를 순환하는 물의 순환을 방해하여, 결국 지중열교환기 내부를 순환하는 물의 순환이 원활하지 못한 문제점이 있었다.
상기 원활하지 못한 물의 순환 또한, 지중열교환기 파열의 원인이 되는 것으로 조사되었다.
그리고, 종래발명의 히트펌프(30)는, 계절의 변화나 외기온도의 변화에 관계없이 항상 지중열을 이용하는 히트펌프이어서, 히트펌프의 열효율을 저하시키는 문제점이 있다는 것도 알게 되었다.
등록특허공보 2523752호 (2023.4.20. 공고)
상기 문제점을 해결하기 위해, 종래발명에서는 지중열교환기의 내부에 충진되는 물을 순환시키는 방법으로, 물을 이송시키고자 하는 한쪽 방향으로만 이송시키는 즉, 압상력만 있는 순환펌프(241)를 이용하였으나, 본 발명에서는 상기 종래발명의 순환펌프(241, 50SP)를 제거하고, 상기 순환펌프를 대체하여, 상기 물을 빨아들이는 흡상기능과, 흡상된 물을 그 반대방향으로 이송시키는 압상기능을 모두 구비한 양수기로 대체함으로써 상기 종래발명의 문제점을 해결하고자 한다.
즉, 본 발명은 지중열교환기의 배관에, 종래 순환펌프 대신에 양수기를 연통설치함으로써, 지중열교환기 내부에서 발생하여 존재하게 되는 에어가 물과 함께 지중열교환기 배관 내부로 순환하면서, 상기 배관에 설치되어 있는 자동공기배기밸브 등을 통해서 외부로 쉽게 배출되게 할 수 있다.
또한, 종래발명의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는, 지열열교환기에 보충수를 공급하는 보충수배관에 상수도 파이프를 직접 연결하여 수돗물을 공급하지 않고, 지열열교환기에 보충수를 공급하는 보충수공급탱크를 설치하여, 지중열교환기에, 상수도관에서 전달되는 고압의 압력이 가해지는 것을 근본적 차단하여 상기 문제점을 해결하고자 한다.
그리고, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 지중열환기 배관에 자동공기배기밸브, 압력계, 온도계 등을 설치하고 제어기에 의해 제어하여, 지중열교환기 배관의 파열을 사전에 방지하고자 한다.
그리고, 본 발명에서는 히트펌프도, 외기온도의 변화에 따라 냉매의 유동 경로를 달리 제어하여 히트펌프의 열효율을 극대화시키고자 한다.
기온이 매우 낮은 겨울철이 되면 냉동사이클의 증발온도가 낮아지고, 압축기의 토출온도가 상승하여 압축기의 고장원인이 되므로, 겨울철에는 지열을 이용하여 이를 해결하고자 한다.
그리고, 외기 온도가 매우 낮은 겨울철에는, 냉매 순환경로를 변경하여, 난방능력이 저하되지 않는 히트펌프식 공조장치를 구현하고자 한다.
본 발명의 양수기를 구비한 지열히트펌프 냉난방장치는;
지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비되고;
지중수공급배관(30)과 제1지중열교환기(10)와 제2지중열교환기(20)와 지중수귀환배관(40)은 상호 연통 연결되며;
히트펌프(300)와; 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)를 연결하는 지중수공급배관(30)에는, 지중수공급배관(30)의 지중수공급방향(SD)으로, 드레인배관(50D), 볼밸브(50V), 온도계(50T), 압력계(50P), 자동공기배기밸브(50A), 레듀서(50R)가 순차적로 설치되고;
제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)와; 히트펌프(300)를 연결하는 지중수귀환배관(40)에는; 지중수귀환배관(40)의 지중수귀환방향(RD)으로, 레듀서(50R), 압력계(50P), 볼밸브(50V), 스트레이너(50ST), 보충수공급탱크(50WT), 양수기(50YSP), 체크밸브(50CK), 압력계(50P), 온도계(50T), 드레인배관(50D)이 순차적으로 설치된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 히트펌프(300)에 연결되어 건축물의(BD)의 냉난방을 실시할 수 있도록, 히트펌프(300)와 건축물 내부의 FCU유닛과 바닥코일 유닛 사이를 연결하는 공조배관(60RP)이 설치되고;
공조배관(60RP)에는, 버퍼탱크(BT)와 스트레이너(50ST2)와 자동공기배기밸브(50A2)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 양수기를 구비한 지열히트펌프 냉난방장치는;
지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을; 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1, 제2 지중열교환기(10,20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비되고;
지중수귀환배관(40)에 양수기(50YSP) 및 보충수공급탱크(50WT)가 설치되되;
상기 보충수공급탱크(50WT)의 보충수공급탱크몸통(81) 상부에는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 공급배관(83)이 설치되고;
상기 공급배관(83)은 수돗물의 유동을 제어할 수 있도록 개폐가 가능하며;
상기 공급배관(83)의 공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되고;
보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된 보충수출구배관(99P)이 지중수귀환배관(40)에 연통 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 보충수공급탱크(50WT)는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 설치된 공급배관(83)과; 공급배관(83)의 내부에는 걸림판(84)이 형성되고; 걸림판(84)에는, 공급배관입구(99A)를 통하여 외부에서 유입된 물이, 보충수공급탱크몸통(81) 내부로 유입될 수 있도록, 통과할 수 있는 통공(88)이 형성되며; 공급배관(83)의 하단부에는 배수공(85)과 로드(87) 삽입공이 형성된 공급배관뚜껑(86)이; 공급배관(83)의 하단부에 결합되고;
공급배관(83)의 하단부 내부에 삽입된 밸브몸체(89V)가, 보충수공급탱크몸통(81) 내부에 배치된 부구(82)의 상하 이동에 따라, 연동하여 상하로 이동하면서, 통공(88)의 개폐가 가능하고;
보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된, 보충수출구배관(99P)이, 지중수귀환배관(40)과 연통연결되며;
공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 히트펌프(300)의 실내열교환기인 제1열교환기(303-1, 303-2)가 난방운전으로 설정되어,
건축물(BD) 내부를 난방하는 난방운전시에, 외기온도센서(OTSN)에 의해 측정된 외기온도(OTT)가, 압축기흡입구냉매온도센서(CTSN)에 의해 측정된 압축기흡입구 냉매관 내부의 냉매온도(CTT)보다 높을 때에 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제1열교환기(303-1, 303-2), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제3팽창밸브(304-4), 제3열교환기(306), 사방밸브(302), 체크밸브(CKVE), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동하고,
건축물(BD) 내부를 난방하는 난방운전시에, 외기온도센서(OTSN)에 의해 측정된 외기온도(OTT)가, 압축기흡입구냉매온도센서(CTSN)에 의해 측정된 압축기흡입구 냉매관 내부의 냉매온도(CTT)보다 낮을 때에 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제1열교환기(303-1, 303-2), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제2팽창밸브(304-3), 제2열교환기(305), 제1배관분기점(CP1), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동하고;
제2열교환기(305)는; 지중수순환배관과 열교환하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 히트펌프(300)의 실내열교환기인 제1열교환기(303-1, 303-2)가 냉방운전으로 설정되어, 건축물(BD) 내부를 냉방하는 냉방운전시에는 제2팽창밸브(304-3)는 폐쇄되고, 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제3열교환기(306), 제3팽창밸브(304-4), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제1열교환기(303-1, 303-2), 사방밸브(302), 체크밸브(CKVE), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지중열교환기의 배관에, 종래 순환펌프 대신에 양수기를 연통설치함으로써, 지중열교환기 내부에서 발생하여 존재하게 되는 에어가 물과 함께 지중열교환기 배관 내부로 순환하면서, 상기 배관에 설치되어 있는 자동공기배기밸브 등을 통해서 외부로 쉽게 배출되게 할 수 있다.
이에 따라 지중열교환기 내부에서 순환하는 물이 원활하게 순환이 가능하게 되고, 지중열교환기에 작용하는 충격력이 감소되어, 지중열교환기의 파열을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서는, 히트펌프의 열원으로 지열을 이용할 수 있고, 지열열교환기에 보충수를 공급하는 보충수배관에 상수도 파이프를 직접 연결하여 수돗물을 공급하지 않고, 지열열교환기에 보충수를 공급하는 보충수공급탱크를 설치하여, 지중열교환기로 상수도관에서 전달되는 고압의 압력이 직접 가해지는 것을 차단하여, 지열열교환기의 파열을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
지열열교환기는 지하 150M이하 지중에 매설되는 관계로 파열되면, 수리가 불가능하여, 사전에 지열열교환기의 파열을 방지하는 것이 매우 중요하다.
그리고, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 지중열환기와 연통 연결되는 배관에 자동공기배기밸브, 압력계, 온도계 등을 설치하고 제어기에 의해 제어하여, 지중열교환기 배관의 파열을 사전에 방지하는 효과가 있다.
즉, 지중수순환배관에 설치된, 온도계(50T), 압력계(50P)의 센싱에 의해 본 발명의 제어부(CU)는; 지중수순환배관 내부의 압력을 컨트롤 할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어부(CU)는 지중수순환배관의 내부 압력이 기준압력을 초과하는 경우, 자동공기배기밸브(50A)을 개방하여, 공기를 배출시켜서, 지중열교환기의 파열을 방지 또는 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 히트펌프는, 외기온도의 변화에 따라 냉매의 유동 경로를 달리 제어하여 히트펌프의 열효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
기온이 매우 낮은 겨울철이 되면 냉동사이클의 증발온도가 낮아지고, 압축기의 토출온도가 상승하여 압축기의 고장원인이 되므로, 겨울철에는 지열을 이용하여 이를 해결하며, 히트펌프 열효율을 최대화하고, 히트펌프의 압축기 부하를 최소화시켜 히트펌프 장치의 고장을 사전에 방지하는 효과가 있다.
그리고, 외기 온도가 매우 낮은 겨울철에는, 냉매 순환경로를 변경하여, 난방능력이 최대화될 수 있는 히트펌프 공조장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치의 제1 실시예에 따른 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치의 제2 실시예에 따른 전체 구성도이다.
도 3, 도 4는 본 발명의 보충수공급탱크의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 히트펌프의 세부 구성도이다.
도 6는 본 발명의 히트펌프에, 지중열교환기와 실내 공조장치가 연결 설치된 구성도이다.
본 발명에서 “연통”이라는 용어는 한자로는 연통(連通)으로 표현된다.
A배관과 B배관이 연통연결된다는 것은, A배관의 유로와 B배관의 유로가 서로 마주보고 완전히 연결되어, A배관 내부의 유체가 유동하여, B배관의 유로로 전부 이동할 수 있다는 것으로 정의된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 지열히트펌프 냉난방장치에 사용되는, 제1 지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)가 지중에서 자주 파열되는 원인이, 본 발명인의 장기간 연구결과, 도 1에 도시된 제1 및 제2지중열교환기에 보충수를 공급하는 수단(444)이 부적절하여 발생한 것임을 본 발명의 연구과정 중 알게 되었다.
즉, 도 1에서는, 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 연통연결되어 하나의 사이클을 이루는 지중수순환배관 내부에 순환수가 증발 등 여러 요인에 의해 부족해 지는 경우에, 지중수순환배관 내부에 지중수를 공급하기 위해, 지중수귀환배관(40)에 상수도연결배관(448)의 일측을 연통연결하고, 상기 상수도연결배관(448)의 타측에는 일반 시중(공중)의 상수도관을 연통연결하여, 지중수귀환배관(40)에 시중의 수돗물을 직접 공급하는 구조이다.
따라서, 수돗물을 지중수귀환배관(40)에 직접 공급하는 관계로, 상수도 파이프 내부의 높은 압력이 제1 및 제 2 지중열교환기의 내부로 전달되고, 결국 제1 및 제 2 지중열교환기 배관 내부에 높은 압력이 반복적으로 가해져, 제1 및 제 2 지중열교환기가 피로 파열된다는 것을 출원인은 알게 되었다.
그리고, 도 1에서는, 순환펌프(50SP)는 물을 이송시키고자 하는 한쪽 방향으로만 이송시키는 즉, 압상력만 있는 순환펌프(50SP)를 이용한 결과 지중열교환기 내부에 에어배출이 되지 않는 문제점도 알게 되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인은 도 2에 도시된 발명을 제안하고자 한다.
본 발명의 도 2는 본 발명의 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치의 제2 실시예에 따른 전체 구성도이다.
본 발명의 도 1에서는 지중열교환기의 내부에 충진되는 물을 순환시키는 방법으로, 물을 이송시키고자 하는 한쪽 방향으로만 이송시키는 즉, 압상력만 있는 순환펌프(50SP)를 이용하였으나, 본 발명에서는 상기 도 1의 순환펌프(50SP)를 제거하고, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 순환펌프를 대체하여, 물을 빨아들이는 흡상기능과, 흡상된 물을 그 반대방향으로 이송시키는 압상기능을 모두 구비한 양수기(50YSP)로 대체함으로써 도 1에 나타난 발명의 문제점을 해결하고자 한다.
즉, 본 발명은 지중열교환기의 배관에, 압상기능만 있는 순환펌프 대신에, 흡상 및 압상 기능이 모두 있는 양수기를 연통 설치함으로써, 지중열교환기 내부에서 발생하여 존재하게 되는 에어가, 물과 함께 지중열교환기 배관 내부로 순환하면서, 상기 배관에 설치되어 있는 자동공기배기밸브(50A) 등을 통해서 외부로 쉽게 배출되게 할 수 있다.
지중열교환기 내부의 에어가 배출되어서, 지중열교환기 내부에서 순환하는 물이 원활하게 순환이 가능하게 되고, 지중열교환기에 작용하는 압력 및 충격력이 감소되어, 지중열교환기의 파열을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 도 2에 도시된 본 발명의 지중열교환기의 파열을 방지할 수 있는 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치는, 지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비된다.
지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 연통연결되어 하나의 사이클을 이루는 지중수순환배관이 된다.
도 2에서는, 도 1에서는 구비된 상수도 연결배관(448)이 구비되지 않고; 지중수귀환배관(40)에 보충수공급탱크(50WT)가 연통 설치된다.
즉, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같은, 보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된, 보충수출구배관(99P)이, 지중수귀환배관(40)과 연통연결되며; 공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되어, 수돗물을 공급배관(83) 내부로 유입 시킬 수 있다.
그리고, 도 3 및 도 4에 개시된 보충수공급탱크(50WT)는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 설치된 공급배관(83)과; 공급배관(83)의 내부에는 걸림판(84)이 형성되고; 걸림판(84)에는, 공급배관입구(99A)를 통하여 외부에서 유입된 물이, 보충수공급탱크몸통(81) 내부로 유입될 수 있도록, 통과할 수 있는 통공(88)이 형성되며; 공급배관(83)의 하단부에는 배수공(85)과 로드(87) 삽입공이 형성된 공급배관뚜껑(86)이; 공급배관(83)의 하단부에 결합되고;
공급배관(83)의 하단부 내부에 삽입된 밸브몸체(89V)가, 보충수공급탱크몸통(81) 내부에 배치된 부구(82)의 상하 이동에 따라, 연동하여 상하로 이동하면서, 통공(88)의 개폐를 가능하게 하고;
보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된, 보충수출구배관(99P)이, 지중수귀환배관(40)과 연통연결되며;
공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통 연결되는 것을 특징으로 한다.
도3에 개시된 바와 같이, 보충수공급탱크(50WT) 내부의 물이 배수되면, 부구(82)가 자중에 의해 자동으로 하강하게 되고, 상기 부구(82)의 하강에 의해, 로드(87)에 의해 일체로 연결설치된 밸브몸체(89V)도 하강하게 되어 통공(88)이 개방되고, 통공(88)을 통과한 물이 배수공(85)을 통하여 보충수공급탱크(50WT) 내부로 낙하하게 된다.
그리고 도4에 개시된 바와 같이, 보충수공급탱크(50WT) 내부에 물이 어느정도 차게되면 부력이 작용하게되어 부구(82)가 상승하게되고, 부구(82)가 완전히 상승할 때쯤이면 밸브몸체(89V)가, 부구(2)가 상승한 만큼 상승하여 걸림판(84)에 걸리면서, 통공(88)을 막아서, 보충수공급탱크몸통(81) 내부로 물이 유입할 수 없게 된다.
상기와 같은 구성 및 작용에 의해, 지중수순환배관 내부의 지중수가 증발 등 여러 가지 요인에 의해 지중수의 부족해지면, 보충수공급탱크(50WT) 내부에 저장되어 물이 지중수귀환배관(40)으로 필요한 만큼 입수 시킬 수 있는 것이다.
그리고, 상기와 같은, 구조와 작용에 의해, 본 발명의 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 연통연결되어 이루어지는 지중수순환배관은, 시중 상수도관의 높은 압력을 전달받지 않아서, 결국, 깊은 지하에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)도 높은 압력을 받지 않아, 지중열교환기의 피로 파괴를 방지할 수 있는 탁월한 효과가 있는 것이다.
구체적으로 도 1에 도시된 것과 같이, 중수귀환배관(40)에 상수도연결배관(448)을 설치하고, 상기 상수도연결배관(448)에 시중의 수도배관을 직접 연통연결하여 수돗물을 직접 중수귀환배관(40)에 공급하면, 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20) 내부 압력이 7 kgf/cm2 까지 상승하는 것으로 조사되었다.
상기 시중의 수도배관으로 이송되는 상수는 압력이 고압일 뿐 아니라, 매우 장거리 이송되어 오는 관계로 그 수압의 변화가 매우 커서, 지열배관 파열의 주요인자로 작용하는 것으로 확인되었다.
그리고, 상기 설명한 바와 같이(도 2 참조) 보충수공급탱크(50WT)를 지중수귀환배관(40)에 설치하는 구성에 의해, 보충수를 지중수귀환배관(40)에 입수시키는 구성에 의해서는 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20) 내부 압력이 약 2~3 kgf/cm2 정도로 조사되었다.
한편, 상기 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)는 지하 150m이하의 지하에 설치된다.
제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)의 내부에는 충진되는 지중수에는 부동액을 혼입하여, 지중열교환기가 동결되지 않도록 할 수 있다.
그리고, 지중수공급배관(30)과 제1지중열교환기(10)와 제2지중열교환기(20)와 지중수귀환배관(40)은 상호 연통 연결된다.
또한, 본 발명은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)의 피로 파열을 방지하고, 히트펌프 냉난방장치의 효율을 배가하기 위해서, 아래와 같이 구성될 수 있다.
히트펌프(300)와; 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)를 연결하는 지중수공급배관(30)에는, 지중수공급배관(30)의 지중수공급방향(SD)으로, 드레인배관(50D), 볼밸브(50V), 온도계(50T), 압력계(50P), 자동공기배기밸브(50A), 레듀서(50R)가 순차적로 설치될 수 있다.
한편, 본 발명은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)와; 히트펌프(300)를 연결하는 지중수귀환배관(40)에는; 지중수귀환배관(40)의 지중수귀환방향(RD)으로, 레듀서(50R), 압력계(50P), 볼밸브(50V), 스트레이너(50ST), 보충수공급탱크(50WT), 양수기(50YSP), 체크밸브(50CK), 압력계(50P), 온도계(50T), 드레인배관(50D)이 순차적으로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치이다.
상기와 같이 지중수순환배관에 설치된, 온도계(50T), 압력계(50P)의 센싱에 의해 본 발명의 제어부(CU)는; 지중수순환배관 내부의 압력을 컨트롤 할 수 있다. 또한, 본 발명의 제어부(CU)는 지중수순환배관의 내부 압력이 기준압력을 초과하는 경우, 자동공기배기밸브(50A)을 개방하여, 공기를 배출시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제어부(CU)는 드레인배관(50D)에 설치된 볼밸브를 개폐하여, 지중수순환배관의 압력을 조절할 수도 있다.
그리고, 본 발명에서는 레듀서(50R)를 구비하여, 지중수순환배관의 정비시에 쉽게 지중수순환배관을 분해 조립할 수 있게 할 수 있다.
아울러, 지중수순환배관에는 스트레이너(50ST)가 설치되어, 지중수순환배관 내부로 유입되는 불순물을 제거할 수 있다.
스트레이너(50ST)는 50메시 이상이며, 투명한 색으로 형성하여, 불순물의 구별을 용이하게 할 수 있다.
그리고, 도 2와 같이, 본 발명은 히트펌프(300)을 중심으로 하여, 일측에는 지열유닛(200GU)가 설치되고; 히트펌프(300)의 타측에는 공조유닛(400AU)이 설치될 수 있다.
상기 히트펌프(300)에 연결되어 건축물의(BD)의 냉난방을 실시할 수 있도록; 히트펌프(300)와 건축물 내부의 FCU유닛과 바닥코일 유닛 사이를 연결하는 공조배관(60RP)이 설치되고;
공조배관(60RP)에도, 버퍼탱크(BT)와 스트레이너(50ST2)와 자동공기배기밸브(50A2), 드레인배관, 압력계, 온도계, 볼밸브, 순환펌프 등이 설치되어, 제어부(CU)에 의해 제어될 수 있다.
그리고, 본 발명은 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을; 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1, 제2 지중열교환기(10,20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비되고;
지중수귀환배관(40)에 보충수공급탱크(50WT)가 설치되되;
보충수공급탱크몸통(81) 상부에는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 공급배관(83)이 설치되고;
상기 공급배관(83)은 수돗물의 유동을 제어할 수 있도록 개폐가 가능하며;
상기 공급배관(83)의 공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되고;
보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된 보충수출구배관(99P)이 지중수귀환배관(40)에 연통 연결되는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프를 이용한 건축물 냉난방장치가 될 수 있다.
그리고, 도 5에는 본 발명의 히트펌프(300)의 세부구조가 도시되어 있다.
본 발명의 히트펌프는, 압축기(301), 체크밸브(CKVE), 사방밸브(302), 제1열교환기(303-1, 303-2), 제2열교환기(305), 제3열교환기(306), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제2팽창밸브(304-3), 제3팽창밸브(304-4) 등을 포함하여 구성되고; 상기 구성요소들은 냉매배관(RIP)으로 연통 연결되어, 냉매사이클을 형성한다.
그리고, 상기 냉매배관(RIP)에는 다수개의 배관분기점(CP1 ~CP4)가 구비될 수 있다.
압축기(301)와 체크밸브(CKVE) 사이를 연결하는 냉매배관에 제1배관분기점(CP1)이 형성되고; 제3팽창밸브(304-4)와 제3배관분기점(CP3) 사이를 연결하는 냉매배관에 제4배관분기점(CP4)이 형성될 수 있다.
그리고, 제1배관분기점(CP1)과 제4배관분기점(CP4)을 연통연결하는 제1바이패스관(BPL1)이 구비되고; 상기 제1바이패스관(BPL1)에는, 제2팽창밸브(304-3)와 제2열교환기(305)가 설치될 수 있다.
한편, 사방밸브(302)과 제1열교환기(303-2) 사이를 연통연결하는 냉매배관에는 제2배관분기점(CP2)이 형성될 수 있고;
제1팽창밸브(304-2)과 제4배관분기점(CP4) 사이를 연통연결하는 냉매배관에는 제3배관분기점(CP3)이 형성될 수 있다.
그리고, 제2배관분기점(CP2)과 제3배관분기점(CP3)을 연통연결하는 제2바이패스관(BPL2)이 형성될 수 있고;
상기 제2바이패스관(BPL2)에는, 제1팽창밸브(304-1)과 제1열교환기(303-1)가 설치될 수 있다.
그리고, 제3열교환기(306)에 근접하여, 외기온도센서(OTSN)가 구비되고; 압축기 흡입구 냉매배관에는 압축기흡입구냉매온도센서(CTSN)가 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 히트펌프와 냉난방장치의 전체를 제어할 수 있는 제어부(CU)가 구비되어 있다.
본 발명은 외기온도가 매우 추운 혹한의 계절이 되면, 히트펌프 사이클의 증발온도가 낮아지게 되어, 압축기의 토출온도가 상승하게 되고, 이에 영향으로 압축기가 과열되어 압축기의 고장으로 이어지는 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
상기 문제점을 해결하가 위해 본 발명의 경우, 혹한의 계절에는 냉매가 제3열교환기(306)를 순환하지 않는다.
즉, 혹한의 계절에는 냉매의 순환경로를 지열을 이용하는 제2열교환기(305)를 이용하도록 냉매유동경로를 변경하여, 상기 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
또한, 천연 에너지인 지열을 히트펌프의 열원으로 하여, 환경보호에도 기여할 수 있다.
그리고, 본 발명의 공조유닛(400AU)에는, 히트펌프(300)에 연결되어 건축물의(BD)의 냉난방을 실시할 수 있도록, 히트펌프(300)와 건축물 내부의 FCU유닛과 바닥코일 유닛 사이를 연결하는 공조배관(60RP)이 설치되고;
공조배관(60RP)에는, 버퍼탱크(BT)와 스트레이너(50ST2)와 자동공기배기밸브(50A2)가 설치될 수 있어, 건축물 내부의 냉난방을 실시할 수 있다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 히트펌프(300)에는 실내열교환기(303-1, 303-2)가 병렬로 한쌍이 설치될 수 있다.
일측 제1열교환기(303-1)에는 FCU유닛이 연결되어 열교환할 수 있고, 타측 제1열교환기(303-2)에는 바닥코일유닛이 연결되어 열교환 할 수 있다.
다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 히트펌프의 작동 및 냉난방시에 냉매흐름을 살펴본다.
히트펌프(300)의 실내열교환기인 제1열교환기(303-1, 303-2)가 난방운전으로 설정되어,
건축물(BD) 내부를 난방하는 난방운전시에, 외기온도센서(OTSN)에 의해 측정된 외기온도(OTT)가, 압축기흡입구냉매온도센서(CTSN)에 의해 측정된 압축기흡입구 냉매관 내부의 냉매온도(CTT)보다 높을 때에 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제1열교환기(303-1, 303-2), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제3팽창밸브(304-4), 제3열교환기(306), 사방밸브(302), 체크밸브(CKVE), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동하고,
건축물(BD) 내부를 난방하는 난방운전시에, 외기온도센서(OTSN)에 의해 측정된 외기온도(OTT)가, 압축기흡입구냉매온도센서(CTSN)에 의해 측정된 압축기흡입구 냉매관 내부의 냉매온도(CTT)보다 낮을 때에 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제1열교환기(303-1, 303-2), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제2팽창밸브(304-3), 제2열교환기(305), 제1배관분기점(CP1), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동하고; 제2열교환기(305)는; 지중수순환배관과 열교환할 수 있다.
그리고, 히트펌프(300)의 실내열교환기인 제1열교환기(303-1, 303-2)가 냉방운전으로 설정되어, 건축물(BD) 내부를 냉방하는 냉방운전시에는 제2팽창밸브(304-3)는 폐쇄되고, 히트펌프(300)의 냉매유동은;
압축기(301), 사방밸브(302), 제3열교환기(306), 제3팽창밸브(304-4), 제1팽창밸브(304-1, 304-2), 제1열교환기(303-1, 303-2), 사방밸브(302), 체크밸브(CKVE), 압축기(301)의 순서로 냉매가 유동할 수 있다.
10 : 제1지중열교환기
20 : 제2 지중열교환기
30 : 지중수공급배관
40 : 지중수귀환배관
300 : 히트펌프
OTSN : 외기온도센서
CTSN : 압축기흡입구냉매온도센서
303-1, 303-2 : 제1열교환기
305 : 제2열교환기
306 : 제3열교환기

Claims (4)

  1. 지중에 매설된 제1지중열교환기(10) 및 제2 지중열교환기(20)에 의해 채열된 지중열을 히트펌프(300)에 공급할 수 있도록, 히트펌프(300)와 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20) 사이를 연결하는 지중수공급배관(30)과 지중수귀환배관(40)이 구비되고;

    지중수공급배관(30)과 제1지중열교환기(10)와 제2지중열교환기(20)와 지중수귀환배관(40)은 상호 연통 연결되며;

    히트펌프(300)와; 제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)를 연결하는 지중수공급배관(30)에는, 지중수공급배관(30)의 지중수공급방향(SD)으로, 드레인배관(50D), 볼밸브(50V), 온도계(50T), 압력계(50P), 자동공기배기밸브(50A), 레듀서(50R)가 순차적로 설치되고;

    제1지중열교환기(10) 및 제2지중열교환기(20)와; 히트펌프(300)를 연결하는 지중수귀환배관(40)에는; 지중수귀환배관(40)의 지중수귀환방향(RD)으로, 레듀서(50R), 압력계(50P), 볼밸브(50V), 스트레이너(50ST), 보충수공급탱크(50WT), 양수기(50YSP), 체크밸브(50CK), 압력계(50P), 온도계(50T), 드레인배관(50D)이 순차적으로 설치되며;

    상기 히트펌프(300)에 연결되어 건축물의(BD)의 냉난방을 실시할 수 있도록, 히트펌프(300)와 건축물 내부의 FCU유닛과 바닥코일 유닛 사이를 연결하는 공조배관(60RP)이 설치되고;

    공조배관(60RP)에는, 버퍼탱크(BT)와 스트레이너(50ST2)와 자동공기배기밸브(50A2)가 설치되며;

    보충수공급탱크(50WT)는, 보충수공급탱크몸통(81)의 외부와 내부를 관통하여 설치된 공급배관(83)과; 공급배관(83)의 내부에는 걸림판(84)이 형성되고; 걸림판(84)에는, 공급배관입구(99A)를 통하여 외부에서 유입된 물이, 보충수공급탱크몸통(81) 내부로 유입될 수 있도록, 통과할 수 있는 통공(88)이 형성되며; 공급배관(83)의 하단부에는 배수공(85)과 로드(87) 삽입공이 형성된 공급배관뚜껑(86)이; 공급배관(83)의 하단부에 결합되고;
    공급배관(83)의 하단부 내부에 삽입된 밸브몸체(89V)가, 보충수공급탱크몸통(81) 내부에 배치된 부구(82)의 상하 이동에 따라, 연동하여 상하로 이동하면서, 통공(88)의 개폐가 가능하고;
    보충수공급탱크몸통(81) 하부에 형성된, 보충수출구배관(99P)이, 지중수귀환배관(40)과 연통연결되며;
    공급배관입구(99A)에는 시중의 상수도관이 연통연결되는 것을 특징으로 하는 양수기를 구비한 지열히트펌프 냉난방장치.

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