KR200325670Y1 - 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 하우스, 축사 등과 같은 공간 내의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써, 최적의 재배 및 사육 환경 조성이 필요한 농업 관련 시설에 설치하는 냉난방 열교환 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 실내기와 실외기로 이루어지는 냉난방 열교환 장치에 있어서, 실외기에 포함 되었던 내부열교환기(30)를 이용해서 더운 액체상태의 냉매에 포함되어 있는 잠열을 회수하던 구성을, 실외기에서 내부열교환기(30)를 없애고 항상 일정한 온도가 유지되는 지하수를 이용해서 더운 액체상태 또는 차가운 기체상태의 냉매에 포함되어 있는 잠열을 회수 할 수 있는 구성으로 대체 함으로써, 종래의 실외기에 기계적 에너지 등과 같은 고급 에너지 소모를 줄여서 전체 시스템의 연료 소비효율을 높이면서도 냉매에 포함되어 있는 잠열을 효과적으로 회수함은 물론, 생산비용이 절감 될 뿐만 아니라, 설비비 및 유지비가 저렴한 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치{Heating and cooling system using subsurface water}

본 고안은 하우스, 축사 등과 같이 공간 내의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써, 최적의 재배 및 사육 환경 조성이 필요한 농업 관련 시설에 설치하는 냉난방 열교환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열교환 장치라함은 외부공기, 표면수 등과 같은 저급의 열원으로부터 냉매로 열을 전달하고 기계적 에너지 등과 같은 고급 에너지를 응용함으로써, 고온 또는 저온측에서 열을 방출하기 이전에 냉매의 온도를 높이거나 낮춰서 일어나는 냉매의 상변화를 통해서 열교환을 일으키게 하는 장치를 일컫는다.

종래의 냉난방 열교환 장치는 도 1에서 도시한 바와 같이, 냉매를 고압으로 압축하는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에 연결되어 있는 응축기(20)와, 상기 응축기(20)에 연결되어 있는 내부열교환기(30)와, 상기 내부열교환기(30)에 연결되어있는 팽창밸브(40)와, 상기 팽창밸브(40)에 연결되어 있는 증발기(50)를 포함하여 이루어져 있는 것으로서, 상기 팽창밸브(40)와 증발기(50) 및 내부열교환기(30)를 포함하여 실내기를 구성하고, 상기 압축기(10)와 응축기(20) 및 내부열교환기(30)를 포함하여 실외기를 구성하게 된다.

이와 같은 구조를 가지고 있는 종래의 냉난방 열교환 장치는, 고온의 냉매가 압축기(10)를 통과 하면서 고온 고압의 기체상태로 전환되고, 이것이 응축기(20)로 유입되어 액체상태로 응축되면서 열교환을 일으켜 외부로 열을 방출하게 되며, 응축기(20)를 통과한 액체상태의 냉매가 팽창밸브(40)을 지나면서 저온 저압으로 팽창되고, 상기 저온 저압의 냉매가 증발기(50) 내로 유입되어 기체상태로 증발 하면서 외부의 열을 빼앗아 열교환을 일으키고, 증발기(50)에서 유출된 고온의 냉매가 다시 압축기(10)로 반복 순환하는 것으로써, 상기 응축기(20)와 팽창밸브(40) 사이에는 내부열교환기(30)가 설치되어 증발기(50)에서 나오는 차가운 기체상태의 냉매를 이용하여 응축기(20)에서 나오는 더운 액체상태의 냉매가 가지고 있는 잠열을 회수하게 하여 냉난방 열교환 장치의 효율을 높이도록 하는 구성으로 이루어진다.

그러나, 이러한 종래의 냉난방 열교환 장치는, 상기 증발기(50)에서 나온 차가운 기체상태의 냉매의 온도와 상기 응축기(20)에서 나온 더운 액체상태의 냉매의 온도 차이가 실제로 크지 않으므로 인해, 상기 내부열교환기(30)를 이용한 방식으로 상기 응축기(20)에서 나온 더운 액체상태의 냉매에 포함되어 있는 잠열을 효과적으로 회수할 수 없는 문제점을 안고 있을 뿐만 아니라, 개발당시 부터 가정용 또는 공업용으로 특정화하여 생산되기 때문에 특정용도의 목적 이외에는 사용이 불가능하고, 설비비 및 운영 유지비가 많이 듦으로 인해 농축산용으로 사용하기에 적당하지 못한 문제점이 있었다.

특히, 상기 실외기에는 냉매의 잠열을 회수하기 위한 내부열교환기(30)외에 열교환의 과정에서 발생되는 열을 외부로 강제 배출하기 위한 수단으로 송풍팬 등과 같은 것이 마련되어 구동되어야 함으로써, 별도의 전력공급이 요구되고 비싼 전기세를 포함한 과다한 운전비용으로 인해, 농가에서 사용하기에 현실적으로 많은 어려움이 있었다.

본 고안은 상기한 바와 같은 종래기술이 안고 있는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래기술에서 실외기에 포함되어 있었던 내부열교환기(30)를 없앤 대신, 실외열교환부(200)에 계절의 변화에 상관없이 항상 일정한 온도가 유지되는 지하수를 이용해서, 더운 액체상태 또는 차가운 기체상태의 냉매에 포함되어 있는 잠열의 회수가 가능하도록 구성함으로써, 상기 실외열교환부(200)에 기계적 에너지 등과 같은 고급 에너지의 낭비를 줄이면서도 냉매의 상변화를 위한 열교환이 순조롭게 진행될 뿐만 아니라, 냉매에 포함되어 있는 잠열을 효과적으로 회수하게 함으로써, 생산비용을 절감할 수 있고 설비비 및 유지비가 저렴한 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치를 제공 하고자 하는 것을 이루고자 하는 기술적과제로 삼는다.

도 1은 종래기술에 의한 냉난방 공용 열교환 장치를 도시한 시스템 구성도.

도 2는 본 고안에 따른 지하수를 이용한 냉방 열교환 장치를 도시한 시스템 구성도.

도 3은 본 고안에 따른 지하수를 이용한 난방 열교환 장치를 도시한 시스템 구성도.

도 4는 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 실외열교환부 내의 이중배관을 도시한 사시도.

도 5는 도 4에서 "A" 표시된 부분을 부분 절개해서 관내부를 도시한 부분 확대 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 실내열교환부 200 : 실외열교환부

300 : 제1냉매제어부 400 : 제2냉매제어부

500 : 제1연결관 600 : 제2연결관

700a : 지하수 유입관 700b : 지하수 유출관

800 : 내부관 900 : 외부관

310,310a : 팽창부 312,312a : 팽창노즐

311,311a,420,420a,430,430a : 체크밸브 410 : 압축기

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안의 구성을 설명하면,

흐르는 냉매의 상태에 따라서 냉매의 증발 또는 응축을 발생시켜 열교환을 일으키게 하는 실내열교환부(100)와, 상기 실내열교환부(100)와 동일한 기능적 구성을 포함하고 있는 실외열교환부(200)와, 상기 실내열교환부(100)와 실외열교환부(200)를 연통시키는 것으로서, 냉매의 유동 통로가 되는 제1연결관(500)및 제2연결관(600)과, 상기 제1연결관(500)의 일지점에 연통되며, 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(311,311a)와 상기 체크밸브(311,311a)를 통과한 냉매를 저압으로 팽창시키는 팽창노즐(312,312a)로 이루어진 2개의 팽창부(310,310a)가 순방향 및 역방향으로 병렬 결합한 것으로서, 상기 팽창부(310,310a)의 밸브 조작에 의해 냉매의 유동방향을 제어하는 제1냉매제어부(300)와, 상기 제2연결관(600)의 일지점에 연통된 것으로서, 냉매를 고압으로 압축하는 압축펌프(410)를 중심으로 상기 압축펌프(410)로 유입되는 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(420,420a)와 상기 압축펌프(410)에 의해 고압으로 압축되어 유출되는 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(430,430a)로 이루어진 군을 둘로 나누어 병렬 결합되며, 상기 체크밸브(420,420a,430,430a)의 조작에 의해 냉매의 유동방향을 제어하는 제2냉매제어부(400)를 구성하고 있는 냉난방 공용 열교환 장치에 있어서,

상기 실외열교환부(200)는 그 내부로 유입되는 냉매가 지하로 부터 끌어올린 지하수에 의해 증발 또는 응축을 일으키게 하기 위한 지하수 유입관(700a)과, 상기 지하수 유입관(700a)을 통해 흘러 들어온 지하수가 냉매와 열교환을 하고 난 뒤, 외부로 유출되는 지하수 유출관(700b)을 추가로 구비하고 있는 것을 본 고안의 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 구성상의 연동관계를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 고안에 따른 지하수를 이용한 냉방 열교환 장치를 도시한 시스템 구성도이고, 도 3은 본 고안에 따른 지하수를 이용한 난방 열교환 장치를 도시한 시스템 구성도이며, 도 4는 본 고안의 바람직한 일실시예에 따른 실외열교환부 내의 이중배관을 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4에서 "A"로 표시된 부분을 부분 절개해서 관내부를 도시한 부분 확대 사시도를 나타낸 것이다.

먼저, 도 2는 여름철과 같이 냉방이 필요할때, 본 고안의 냉매 흐름에 따른 시스템 구성도를 나타낸 것으로, 이를 참조하여 본 고안의 냉방시 구성상의 연동관계를 설명한다.

실내열교환기(100)의 냉방기능을 위해서는, 제1냉매제어부(300)의 체크밸브 (311)와 제2냉매제어부(400)의 체크밸브(420, 430)를 개방하고 나머지 체크밸브 (311a , 420a, 430a)는 잠금상태가 되며, 이에 따라 냉매의 순환 방향은 반시계 방향이 된다. 이 때, 체크밸브(311, 311a, 420, 420a, 430, 430a)의 개폐 방식은 기계식 구성을 가지거나 또는, 전자식 제어 구성을 갖추어 개폐를 제어할 수 있을 것이다.

고온의 기체상태의 냉매가 제2연결관(600)의 일지점에 연통된 제2냉매제어부 (400)의 개방 체크밸브(420)를 거쳐 압축기(410)를 통과 하면서 고온 고압의 냉매로 전환되고, 상기 압축기(410)로 부터 유출된 고온 고압의 냉매는 제2냉매제어부 (400)의 또 다른 개방 체크밸브(430)를 거쳐, 실외열교환부(200)로 유입되고 상기 실외열교환기(200) 내부에서 차가운 지하수에 의해 발열 및 응축되면서 저온의 액체상태로 상변화를 일으키게 된다. 즉, 상기 실외열교환기(200)에 의해 저온의 액체상태로 전환 된 냉매는 제1연결관(500)의 일지점에 연통된 제1냉매제어부(300)의 팽창부(310)에 포함된 팽창노즐(312)과 체크밸브(311)를 지나면서 저온 저압으로 팽창되고, 상기 저온 저압의 냉매가 실내열교환부(100) 내로 유입되어 증발 하면서 기체상태로의 상변화를 일으키는데, 이 때 외부의 열을 빼앗아 열교환을 발생하게 되며, 상기 실내열교환기(100)에서 유출된 기체상태의 냉매는 다시 상기 제2연결관 (600)의 일지점에 연통되어 있는 상기 제2냉매제어부(400)의 체크밸브(420)를 거쳐 상기 압축기(410)로 반복 순환하는 싸이클을 형성한다. 이 과정에서 상기 실외열교환기(200)에서는 상기 압축기(410)로 부터 유입된 고온 고압의 냉매에 포함된 온도와 지하로 부터 끌어올려 지하수 유입관(700a)으로 들어와 지하수 유출관(700b)을 통해 흐르는 지하수와의 온도차에 의해 상호 열교환을 일으키면서, 냉매의 잠열이 효과적으로 회수되는 것이다. 이와 같이 본 고안은 냉난방 공용 열교환 장치에 있어서, 냉매의 상변화가 자연스럽게 이루어지도록 함으로써, 에너지의 소비효율을 높이는 것을 특징으로 한다.

상기 실내열교환기(100)의 기능을 냉방에서 난방으로 전환하고자 할 때에는, 상기 제1냉매제어부(300)와 상기 제2냉매제어부(400)의 체크밸브(311, 311a, 420, 420a, 430, 430a)의 개폐상태를 상기 냉방 기능의 경우와 상반되게 함으로써, 냉매의 순환방향을 시계방향으로 전환시켜서 구현하게 된다.

도 3을 참조하여 재차 설명하면, 제1냉매제어부(300)의 체크밸브(311a)와 제2냉매제어부(400)의 체크밸브(420a, 430a)를 개방하고 나머지 체크밸브(311, 420, 430)는 잠금상태로 둠으로써, 냉매의 순환 방향이 시계방향으로 바뀌며, 이에 따라서 순환싸이클을 유동하는 냉매의 상태변화가 달라져서 상기 실내열교환부 (100)에서 난방효과를 일으키게 되며, 이 때, 상기 실외열교환부(200)의 내부에서는, 상기 제1냉매제어부(300)의 팽창부(310a)로 부터 유입된 저온 저압의 액체상태의 냉매가 따뜻한 지하수에 의해 증발 하면서 상호 열교환을 일으키며, 동시에 냉매의 잠열이 효과적으로 회수되는 것이다.

상기 실외열교환부(200)의 내부에는 지하수와 냉매의 순조로운 열교환을 위해, 냉매가 유동할 수 있는 내부관(800)을 형성하고, 그 외주면을 따라 지하수가 유동할 수 있는 외부관(900)이 구성되는 2중 구조관을 형성하며, 냉매와 지하수 간의 열교환 시간을 충분히 유지 시키기 위해, 2중 구조관의 길이를 최대로 늘이는방법으로 도 4에서 도시한 바와 같이 여러 겹으로 굽히는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안은 종래기술에서 실외기의 열교환을 위해 내부열교환기(30)를 적용함으로써, 과다한 에너지의 소비가 불가피했던 구성을 지하수의 일정한 온도를 이용해서 대체함으로써, 농업용 냉난방 공용 열교환 장치의 전체 성능계수를 향상 시켰을 뿐만 아니라, 에너지 소비효율면에서 상당히 획기적이면서도 유용한 고안이다.

상기 고안의 상세한 설명은 본 고안의 특정 실시예를 예로 들어서 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 고안의 개념을 이탈하지 않는 범위 내에서 이 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 형태로 변형 또는 변경 실시하는 것 또한 본 고안의 개념에 포함되는 것은 물론이다.

본 고안에 따른 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치를 생산하여 하우스, 축사 등과 같이 공간 내의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써, 최적의 재배 및 사육 환경 조성이 필요한 농업 관련 시설에 적용하게 되면, 종래기술과 대비 했을때 에너지의 소비효율을 훨씬 높일수 있으므로, 농가의 생산비용이 절감 될 뿐만아니라, 설비비 및 유지비가 저렴함으로 소득이 증대되는 효과를 기대 할 수있다.

또한, 지하수를 이용한 농작물의 재배방식이 수막재배에 한정되어 있는데, 이는 17 ~ 20℃의 온도를 유지하는 지하수가 수막시설의 배관을 경유하게 되면 평균 10℃를 유지하게 되는데, 실제로 수막하우스 내의 온도는 평균 5 ~ 7℃정도밖에 유지되지 않는다. 따라서, 수막시설 내에서 재배되어 지는 농작물의 평균 임계온도가 13℃임을 감안 할 때, 수막시설을 이용해서 농작물의 재배환경을 획기적으로 개선한다거나 설비투자비용 대비 소득증대효과는 기대하기 어려웠었다. 그러나, 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치를 이용할 경우에는, 최적의 재배환경을 저렴한 투자 비용으로 충분히 조성할 수 있으므로 생산량의 증대로 농가의 이윤이 커지는 효과를 부수적으로 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 흐르는 냉매의 상태에 따라서 냉매의 증발 또는 응축을 발생시켜 열교환을 일으키게 하는 실내열교환부(100)와;

   상기 실내열교환부(100)와 동일한 기능적 구성을 포함하고 있는 실외열교환부(200)와;

   상기 실내열교환부(100)와 실외열교환부(200)를 연통시키는 것으로서, 냉매의 유동 통로가 되는 제1연결관(500)및 제2연결관(600)과;

   상기 제1연결관(500)의 일지점에 연통되며, 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(311,311a)와 상기 체크밸브(311,311a)를 통과한 냉매를 저압으로 팽창시키는 팽창노즐(312,312a)로 이루어진 2개의 팽창부(310,310a)가 순방향 및 역방향으로 병렬 결합한 것으로서, 상기 팽창부(310,310a)의 밸브 조작에 의해 냉매의 유동방향을 제어하는 제1냉매제어부(300)와;

   상기 제2연결관(600)의 일지점에 연통된 것으로서, 냉매를 고압으로 압축하는 압축펌프(410)를 중심으로 상기 압축펌프(410)로 유입되는 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(420,420a)와 상기 압축펌프(410)에 의해 고압으로 압축되어 유출되는 냉매의 유동을 개폐 시키는 체크밸브(430,430a)로 이루어진 군을 둘로 나누어 병렬 결합되며, 상기 체크밸브(420,420a,430,430a)의 조작에 의해 냉매의 유동방향을 제어하는 제2냉매제어부(400)를 구성하고 있는 냉난방 공용 열교환 장치에 있어서,

   상기 실외열교환부(200)는 그 내부로 유입되는 냉매가 지하로 부터 끌어올린 지하수에 의해 증발 또는 응축을 일으키게 하기 위한 지하수 유입관(700a)과;

   상기 지하수 유입관(700a)을 통해 흘러 들어온 지하수가 냉매와 열교환을 하고 난 뒤, 외부로 유출되는 지하수 유출관(700b)을 추가로 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 지하수를 이용한 농업용 냉난방 공용 열교환 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실외열교환부(200)는 2중 구조관으로 형성된 것으로서, 지하수의 일정한 온도에 의해 상변화를 일으키는 냉매가 유동하는 내부관(800)과;

   상기 내부관(800)의 외주면을 따라 지하수가 유동될 수 있는 외부관(900)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지하수를 이용한 농업용 냉난방 열교환 장치.