KR20040049213A - 복합열원을 이용한 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

지중열과 태양열을 열원으로 사용하여 냉난방을 행할 수 있으며, 잉여 태양열에너지를 지열교환기를 통해 지중에 저장할 수 있도록, 지중에 설치되어 지중의 열을 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기;

태양빛이 조사될 수 있는 위치에 설치되는 솔라 셀을 갖고 있으며, 상기 지열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 태양열교환기;

상기 지열교환기 및/또는 태양열교환기로부터 축열된 열전달유체를 저장하여 펌프 작동시 열전달 유체를 공급받아 이 열전달 유체와 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;

상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템을 제공한다.

Description

복합열원을 이용한 히트펌프시스템{HEAT PUMP SYSTEM USING A MIXED HEAT SOURCE}

본 발명은 히트펌프시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중열과 태양열을 열원으로 사용하여 냉난방을 행할 수 있으며, 잉여 태양열에너지를 지열교환기를 통해 지중에 저장할 수 있는 지열, 태양열의 복합열원을 이용한 히트펌프시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용 가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히프펌프시스템이 알려져 있는데, 이것은 온도가 10~20℃인 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 열을 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5M 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원할하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지자원이 부족하고 에너지비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

지열원을 이용한 히트펌프시스템의 또다른 장점은 냉방열이나 난방열을 지하에 저장할 수 있다는 점이다. 즉, 땅속의 흙이나 암반은 열전도도가 낮아 열이 쉽게 확산되지 않고 저장되는 성질이 있으므로 여름철의 냉방으로 열교환된 열을 지중으로 배출하면 그 열은 사라지지 않고 지중에 저장되게 된다.

그리고 지중에 저장된 열을 겨울철에 흡수하여 이용할 수 있으므로 냉난방을 동시에 하는 경우에는 더욱 높은 에너지 효율을 갖게 되는데, 이러한 냉난방은 히트펌프에 설치된 스위치 조작을 통하여 냉방과 난방모드를 간단하게 전환시킬 수 있도록 되어있다.

이와 같은 지열을 이용한 냉난방시스템은 상기한 장점에 반해 단점도 있는데 가장 대표적인 것이 지열교환기를 설치하기 위한 초기설치비가 다른 냉난방시스템에 비해 상당히 높고, 또 열효율이 낮은 단점이 있다.

따라서 열효율을 높이기 위하여 보일러나 냉각탑을 설치하여 보조열원으로 이용하는 경우가 많다.

한편 태양열은 대표적인 대체에너지로서 주로 온수를 공급하는데 사용되고 있는데, 태양열온수기는 한번 설치하면 에너지비용이 필요없는 장점이 있는 반면 온수가 필요한 겨울철에는 태양열에너지가 적고 온수가 불필요한 여름철에 오히려 태양열 에너지가 많이 발생하는 단점이 있다. 따라서 태양열 온수기를 통해 생산된 에너지의 상당부분이 낭비되고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 지열냉난방장치는 보조열원을 설치한 후, 화석연료 에너지나 전기에너지를 이용하여 작동하여야 하므로 냉난방시스템을 운용하는데 별도의 비용이 더 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주열원으로 지중열을 이용하고, 보조열원으로 태양열을 이용하여 냉난방시스템의 유지비용을 절약하여 경제성을 높일 수 있는 지열, 태양열의 복합열원을 이용한 히트펌프시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합열원을 이용한 히트펌프시스템의 전체 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 히트펌프시스템의 난방 가동시 열순환계의 흐름을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 히트펌프시스템의 냉방 가동시 열순환계의 흐름을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 히트펌프시스템에서 태양열의 지하 저장시 열순환계의 흐름을 나타낸 도면.

본 발명이 제안하는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템은, 지중에 설치되어 지중의 열을 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기;

태양빛이 조사될 수 있는 위치에 설치되는 솔라 셀을 갖고 있으며, 상기 지열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 태양열교환기;

상기 지열교환기 및/또는 태양열교환기로부터 축열된 열전달유체를 저장하여 펌프 작동시 열전달 유체를 공급받아 이 열전달 유체와 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;

상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합열원을 이용한 히트펌프시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 히트펌프시스템의 난방 가동시 열전달 유체의 흐름을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 히트펌프시스템의 냉방 가동시 열전달 유체의흐름을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 히트펌프시스템에서 태양열의 지하저장시 열전달 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.

본 발명에 의한 지열, 태양열의 복합열원을 이용한 히트펌프시스템은, 열전달유체가 흐르는 관로가 지하에 매립설치되어 지중에 있는 열과 열교환을 행하는 주 열교환기(10)와, 상기 주 열교환기(10)의 열교환 능력이 저하되는 경우 보조적으로 열에너지를 공급하는 보조 열교환기(20)와, 상기 주 열교환기(10) 또는 보조 열교환기(20)와 열교환을 행하거나 이들 열교환기와 동시에 열교환을 하여 열에너지를 실내의 냉방 및 난방에 이용할 수 있도록 하는 히트펌프(30)를 포함한다.

상기 주 열교환기 및 보조 열교환기(10)(20)는 잘 알려진 구조의 것이나 이와 유사한 구조의 열교환기가 사용될 수 있으며, 열전달유체의 원활한 흐름을 위하여 히트펌프(30)와의 사이에 펌프(P)가 설치된다.

실질적으로 상기 주 열교환기(10)로는 지열교환기가 사용될 수 있으며, 보조열교환기(20)로는 태양열을 흡수하는 솔라셀들을 갖추고 있는 태양열교환기가 사용될 수 있다. 이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 주 열교환기는 지열교환기로 칭하고, 보조 열교환기는 태양열교환기로 칭한다.

상기 지열교환기(10)와 태양열교환기(20)는 직렬 또는 병렬구조로 관로에 의해 연결할 수 있으며, 어떠한 방식이든지 이들 열교환기(10)(20)의 출구측은 열에너지 저장부(40)와 관로(12)(22)로 연결되어 열에너지를 축적할 수 있도록 구성할 수 있다.

상기 열에너지 저장부(40)로 공급되는 지열교환기(10) 및 태양열교환기(20)의 열전달유체는 어느 하나의 열교환기로부터 오는 유체이던가 아니면 양쪽 모두에서 오는 열전달 유체로서, 상기 히트펌프(30)에서 열교환이 행하여진 후 지열교환기(10) 또는/및 태양열교환기(20)로 관로(13)(23)를 통하여 리턴하므로서 열전달 유체가 순환할 수 있는 시스템을 이루고 있다.

실질적으로 상기 히트펌프(30)에서 열교환이 행하여진 열전달유체는 분배기(50)에서 나뉘어져 관로(13)를 통하여 지열교환기(10)로 리턴하거나, 또는 다른 관로(23)를 통하여 태양열교환기(20)로 리턴할 수 있는 시스템이다.

상기 분배기(50)는 제어부(60)와 전기적으로 연결되어 제어될 수 있는 구조를 갖고 있는데, 본 실시예에서는 지열교환기(10)의 열교환능력을 감지하는 센서(S1)와 태양열교환기(20)의 열교환능력을 감지하는 센서(S2)로부터 전달되는 신호를 비교하여 어느 일측의 관로(13)(23)를 차단하거나 개폐하여 열전달유체의 흐름량을 조절하도록 구성하고 있다. 이와 같은 분배기(50)는 통상적으로 사용되는 전자제어형 가변식 분류밸브나 이와 유사한 기능의 밸브류가 사용될 수 있다.

또한 상기 제어부(60)는 히트펌프(30) 측에 설치되어 열용량을 감지하기 위한 센서(S3)와 연결된다. 이들 센서(S1)(S2)(S3)는 온도감지 센서나 열감지형 센서등이 사용될 수 있다.

상기 지열교환기(10)는 폴리에틸렌 파이프 또는 열전도율이 높은 재질의 열교환 파이프를 지중에 매설하는 방식으로 설치되며, 지열을 회수할 수 있도록 그 내부에는 열전달 유체가 충진된 구조로 이루어질 수 있다.

상기 태양열교환기(20)는 다수의 집열판을 설치하고 수집된 태양열 에너지로 축열매체를 가열하고 이 축열매체로 열전달 유체를 통과시켜 이때 이루어지는 열에너지로 난방을 할 수 있도록 이루어진 것으로서, 통상적으로 사용되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 히트펌프(30)는 지열교환기(10) 및 태양열교환기(20)로부터 전달되는 열전달 유체와 열교환을 이루기 위하여 냉난방 모드 변환에 따라서 증발기와 응축기 또는 응축기와 증발기의 역할을 수행하는 제1 열교환수단(32) 및 제2 열교환수단(34)과, 이들 제1,제2 열교환수단(32)(34)의 순환관로 사이에 각각 연결되는 압축기(36)와 팽창밸브(38)로 구성된다.

냉난방 모드는 압축기(36)에서 고온 고압으로 압축된 냉매의 흐름방향을 변환하는 것으로 실현될 수 있다. 이와 같은 모드변환수단은 일반적으로 잘 알려진 로터리 밸브가 설치됨으로서 실현 가능하다.

또한 상기 관로(12)에는 펌프(P1)가 설치되어 보조 열교환수단의 열에너지를 주 열교환수단이 설치된 땅속으로 전달할 수 있도록 하여 지하에 열에너지가 저장될 수 있도록 하고 있다.

도면중 미설명 부호 V1,V2,V3,V4,V5는 상기 제어부(60)에 의해 개폐가 제어되는 밸브들을 지칭한다.

이와 같이 이루어지는 본 실시예의 히트펌프 시스템의 냉난방 작용 및 태양열 에너지의 저장작용으로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 난방모드가 선택되면, 지열교환기(10) 및 태양열교환기(20)에서 지열과 태양열을 각각 흡수하는 열전달유체는 저장부(40)에 축열상태로 저장되고 있다가 펌프(P)가 구동을 시작하면서 히트펌프(30) 측으로 이동하면서 제1 열교환수단(32)으로 이동하게 된다. 이 상태에서는 밸브(V1,V4)는 차단상태로 제어되고 밸브(V2,V5)는 개방상태로 제어된다.

이 모드에서는 압축기(36)가 구동하면서 도 2에 표시한 바와 같이 압축된 냉매는 제2 열교환수단(34) - 팽챙밸브(38) - 제1 열교환수단(32) - 압축기(36)를 경유하면서 순환하게 된다.

이와 같이 냉매가 순환하는 동안에 상기 펌프(P)로부터 공급되는 열전달 유체는 상기 제1열교환수단(32)을 통과하게 되므로 이곳에서 열교환이 이루어진다. 이때 열전달 유체가 갖고 있는 열에너지를 저압 저온의 냉매가 빼앗아 가게 된다.

그리고 열전달 유체로부터 열에너지를 빼앗은 냉매는 압축기(36)에서 고온 고압으로 압축되어 제2열교환수단(34)으로 이동하게 되고, 이 제2열교환수단(34)으로 이동한 고온 고압의 냉매는 팬 유닛(미도시)에 의해 대기로 열을 방출하게 된다. 이 방출된 열은 별도의 덕트나 관로를 따라 이동하면서 건물 내부를 난방하게 된다.

그리고 제1열교환수단(32)에서 열에너지를 빼앗긴 열전달 유체는 분배기(50)를 통하여 각각 관로(13)(23)를 따라 지열교환기(10) 및 태양열교환기(20)로 유입되어 위의 작용을 반복하게 되는데, 이러한 난방작용은 통상적인 지열교환기의 난방작용과 동일한 것이다.

이러한 작용이 반복되면, 지열교환기(10)와 태양열교환기(20)의 열용량이 저하되므로 이때 센서(S1)(S2)가 각각의 열용량을 감지하여 제어부(60)로 그 신호를 보내게 되고, 또 다른 센서(S3)는 히트펌프(30)의 열교환 능력을 감지하여 제어부(60)로 보내게 된다. 상기 센서(S3)는 제1열교환수단(32)으로 유입되는 열전달 유체의 입구측 온도와 출구측 온도의 차이를 감지함으로서 열교환 능력을 판단할 수 있다.

이와 같은 신호가 입력되면 제어부(60)는 분배기(50)를 제어하여 관로(13)(23)를 통하여 열전달 유체의 양을 균일하게 리턴시킬 것인가, 아니면 어느 일측의 관로를 차단할 것인가, 아니면 어느 일측의 관로로 흐르는 열전달 유체의 양을 줄일 것인가 등을 결정한다.

이러한 분배기(50)의 제어는 지열교환기(10)와 태양열교환기(20)의 열용량 감소에 따른 적절한 보상을 위하여 필요하다.

실질적으로 지열교환기(10)의 난방능력이 저하되는 것으로 나타나면, 제어부(60)는 밸브(V2,V5)의 개구정도를 줄이거나 완전히 차단하면서 밸브(V1,V4)의 개구를 열어서 펌프(P) 구동시 태양열교환기(20)에서 가열된 열전달 유체가 제1 열교환수단(32)으로 전달되도록 한다. 그러면 지열교환기(10)에 의해 저하되었던 난방능력이 다시 향상될 수 있다.

그리고 냉방모드가 선택되면, 압축기(36)로부터 토출되는 냉매의 흐름방향이 난방시와는 반대가 되어 도 3에 도시하고 있는 바와 같이 제1 열교환수단(32) - 팽챙밸브(38) - 제2 열교환수단(34) - 압축기(36)의 경로를 거치면서 순환하게 된다. 즉, 기능이 바뀌어 제1 열교환수단(32)은 응축기의 역할을 수행하고, 제2열교환수단(34)은 증발기의 역할을 수행한다.

따라서 지열교환기(10) 및 태양열교환기(20)에서 흡열된 열에너지를 갖는 열전달유체는 제1열교환수단(32)을 통과하면서 고온 고압의 냉매로부터 열에너지를 빼앗게 된다.

이와 같이 열에너지를 빼앗긴 이 냉매는 팽창밸브(38)를 통과하면서 압력이 떨어져 제2열교환수단(34)에서 실내의 공기와 열교환하여 실내공기를 냉각하고, 자신은 증발하여 기체상태의 냉매가 된다. 그리고 기체상태의 냉매는 압축기(36)로 흡입·압축되어 다시 제1열교환수단(32)으로 보내지면서 위와 같은 순환을 반복하게 된다.

즉, 냉방작동시 열교환기(10)(20)의 열전달유체의 열에너지가 히트펌프(30)의 냉매로 전달되고, 이 냉매는 응축, 팽창, 증발, 압축의 변화를 계속하면서 순환하여 냉방을 행하게 된다.

이와 같은 냉방작용이 이루어지면서 열전달 유체는 지열교환기(10) 및 태양열 교환기(20)로 리턴하면서 위의 작용을 반복하게 된다. 이 과정에서도 지열교환기(10)의 열교환 능력이 저하되면 난방시와 같이 태양열교환기(20)의 열에너지를 사용하는 시스템으로 바뀌게 된다.

그리고 냉방이나 난방을 위한 열용량이 충분하여 특히 태양열 에너지가 사용량보다 많이 생성되는 경우에 저장모드가 선택되면, 제어부(60)는 밸브(V3)를 제어하여 제1열교환수단(32) 측으로 열전달 유체가 공급되지 않도록 하고, 다른 모든 밸브는 열고 펌프(P1)를 구동시키게 된다.

이와 같은 제어에 의해 도 4에 도시한 바와 같이, 펌프(P1)가 구동하면서 태양열교환기(20)에서 열교환이 이루어져 열에너지를 충분히 갖고 있는 열전달 유체는 관로(12)를 따라 지열교환기(10)측으로 흐르면서 상대적으로 작은 열에너지를 갖고 있는 이 지열교환기를 순환하면서 이곳에서 열교환이 이루어지고 관로(13)를 따라 다시 태양열교환기(20)로 이동하고 여기서 다시 가열되어 지열교환기로 이동하는 작용이 반복된다. 이와 같은 작용으로 지열교환기(10) 측의 열전달 유체는 많은 양의 열에너지를 축적하게 되는데, 이 지열교환기는 지하에 매립설치된 것이므로 땅속에 열에너지가 저장되는 효과를 갖는다.

본 실시예에서는 태양열 에너지를 지열교환기를 통하여 지중에 저장할 수 있도록 하고 있는데, 이것은 특히 냉난방이 행하여지지 않는 가을철에 선택되는 모드로서 동절기에 땅속에 저장된 열을 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 지열을 주 열원으로 사용하고 태양열을 보조 열원으로 사용할 수 있도록 한 히트펌프시스템은, 지열과 태양열을 병행 사용할 수 있어 효율적인 냉난방을 행할 수 있음은 물론 냉난방시스템을 운용하는데 별도의 비용이 더 소요되지 않으므로 냉난방시스템의 유지 및 운용비용을 최소화할 수 있다.

또한 태양열교환기에서 남은 열원은 지중에 저장하여 나중에 지열교환기에서 사용할 수 있으므로 에너지사용을 최적화 시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 지중에 설치되어 지중의 열을 흡수하는 열전달 유체를 갖는 지열교환기;

   태양빛이 조사될 수 있는 위치에 설치되는 솔라 셀을 갖고 있으며, 상기 지열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 태양열교환기;

   상기 지열교환기 및/또는 태양열교환기로부터 축열된 열전달유체를 저장하여 펌프 작동시 열전달 유체를 공급받아 이 열전달 유체와 열교환을 행하고 열교환된 열에너지를 사용처로 공급하는 히트펌프;

   상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기에서 열교환된 열전달유체의 열에너지가 히트펌프에서 필요로 하는 열원요구량에 미치지 못할 경우, 상기 태양열교환기의 열에너지를 히트펌프쪽으로 공급하도록 이루어지는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기의 열원을 주열원으로 사용하고 태양열교환기의 열원을 보조열원으로 사용하는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기와 태양열교환기는 직렬 또는 병렬로 연결되는 복합열원을 이용한 히트펌프시스템.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기와 태양열교환기에는 각각 온도센서나 열감지센서가 설치되고, 이들 센서가 감지한 신호는 제어부로 전달되어 최적의 냉난방을 행하도록 구성된 복합열원을 이용한 히트펌프시스템.