KR20050069734A - Regenerative geothermal heat pump unit - Google Patents

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KR20050069734A
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김진상
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(주)이앤이 시스템
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    • Y02B30/52Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Abstract

본 발명은 축열식 지열히트펌프유닛에 관한 것으로, 그 구성은, 고압 압축된 기체냉매를 사방밸브를 통해 선택적으로 정·역방향 순환가동시켜 응축, 팽창 및 증발과정을 반복 수행하는 냉동사이클장치부와, 이 냉동사이클장치부 내의 일측 열교환기와 결합되어 지중열교환수를 순환시키면서 지중의 열을 상기 냉동사이클장치부에 대하여 열교환시켜주는 지중열교환기와, 상기 냉동사이클장치부 내의 나머지 열교환기와 결합되어 열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키되, 심야 잉여전력을 활용한 상기 냉동사이클장치부의 가동에 의해 열교환시킴으로써 상기 지중열교환기로부터 공급된 열을 축냉/축열상태로 저장해주는 축열장치부와, 상기 축열장치부의 일측에 연결된 실내기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면, 절기별 온도변화가 거의 없는 지열을 이용한 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 확보함과 아울러 저가의 심야 잉여전력을 활용하여 지열을 축냉/축열시켜 저장한 후 주간의 냉난방에 이용할 수 있도록 함으로써, 에너지절감 및 피크부하저감 효과를 향상시킴과 동시에 냉난방 효율을 극대화할 수 있고, 이산화탄소의 배출량이 현격히 줄어들어 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a heat storage type geothermal heat pump unit, the configuration of the refrigeration cycle unit for repeating the condensation, expansion and evaporation process by selectively forward and reverse circulation operation of the high-pressure compressed gas refrigerant through the four-way valve, An underground heat exchanger coupled to one heat exchanger in the refrigeration cycle system unit for circulating underground heat exchange water while circulating the underground heat exchange water, and a heat exchanger combined with the remaining heat exchanger in the refrigeration cycle unit. And a heat storage device unit configured to circulate in the forward and reverse directions, and to store heat supplied from the underground heat exchanger in a cold storage / heat storage state by heat exchange by operation of the refrigeration cycle unit unit utilizing late-night surplus power, and on one side of the heat storage unit. Characterized in that it comprises a connected indoor unit. Therefore, according to the present invention, by securing the heat source required for cooling and heating through the heat exchange process using geothermal heat with little change in temperature by season, and using the low-cost late night surplus power to store and store the geothermal heat by storing and accumulating the geothermal heat in the daytime heating and cooling By making it available, it is possible to maximize the energy saving and peak load reduction effect, and at the same time maximize the heating and cooling efficiency, and the carbon dioxide emissions are significantly reduced to prevent the environmental pollution.

Description

축열식 지열히트펌프유닛{Regenerative geothermal heat pump unit}Regenerative geothermal heat pump unit
본 발명은 축열식 지열히트펌프유닛에 관한 것으로, 특히, 계절의 변화에도 온도변화가 거의 없는 안정적인 지열을 이용한 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 확보함과 아울러, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용하여 상기 열교환 과정을 통해 확보된 지열을 고성능의 축열조 내에 축냉 또는 축열시켜 저장한 후 주간의 냉난방에 이용할 수 있도록 지열 및 축열 방식을 결합한 새로운 배관구조의 냉방 및 난방이 가능한 축열식 지열히트펌프유닛에 관한 것이다.The present invention relates to a heat storage type geothermal heat pump unit, and in particular, by securing a heat source required for cooling and heating through a heat exchange process using a stable geothermal heat almost no change in the season, by utilizing a low-cost late night surplus power The present invention relates to a heat storage geothermal heat pump unit capable of cooling and heating a new piping structure combining geothermal and heat storage methods so that the geothermal heat obtained through the heat exchange process can be stored and stored in a high-performance heat storage tank after being cooled or stored. .
과거에는, 실내의 냉난방을 위한 수단으로서 전기식 히트펌프유닛(EHP)이 주로 사용되었다. 그러나, 상기 전기식 히트펌프유닛은, 단독으로 냉난방을 수행하는 경우에 온도부하에 따라 부분부하운전을 수행하기 위한 인버터(Inverter)와, 동절기 낮은 외기온도로 인하여 열교환수 순환관의 외측에 결빙현상이 심하게 나타나 난방능력을 저하시키는 문제점을 해결하기 위한 성에제거용 보조열원으로서의 전기히터가 반드시 설치되어야 하므로, 장치 자체가 복잡하고 대형화될 뿐만 아니라 상기 인버터 및 전기히터의 사용으로 인하여 유지비용이 과다하게 소요되는 단점이 있었다. 따라서, 최근에는 가정 또는 사무실 등 소규모 주거공간에서 냉난방 겸용의 축열식 히트펌프유닛으로 대체되고 있는 추세이다.In the past, electric heat pump units (EHPs) have been mainly used as means for heating and cooling indoors. However, the electric heat pump unit is an inverter (Inverter) for performing the partial load operation according to the temperature load when the heating and cooling alone, and due to the low outside temperature in winter, the freezing phenomenon on the outside of the heat exchange water circulation pipe severely Since the electric heater as an auxiliary heat source for defrosting to solve the problem of lowering the heating capacity must be installed, the device itself is complicated and large, and the maintenance cost is excessively increased due to the use of the inverter and the electric heater. There was a downside. Therefore, in recent years, the trend has been replaced by heat storage heat pump unit for both heating and cooling in a small residential space such as home or office.
상기의 축열식 히트펌프유닛은 심야의 값싼 잉여전력을 사용하여 여름철에는 냉수 또는 얼음(빙축열)을, 겨울철에는 고온수를 축열조에 저장하여 주간의 냉ㆍ난방에 이용하는 공조시스템으로서, 심야의 싼 전력을 이용하므로 주간에 집중되는 소비성향으로 인한 전력수급에 대한 불균형을 분산 또는 해소하고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 이점을 갖게 된다.The heat storage type heat pump unit uses cold surplus power in the middle of the night to save cold water or ice (ice heat storage) in winter and high temperature water in the heat storage tank in winter to use for cooling and heating during the day. By using it, it has the advantage of distributing or eliminating the imbalance on power supply and demand due to the tendency of the consumption tendency during the day, and using energy efficiently.
통상적으로, 상기 축열식 히트펌프유닛은, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되는 정·역 순환이 가능한 냉동사이클장치부와, 축열조, 열교환수 순환펌프 및 열교환기(실내·외기) 등으로 구성되는 축열장치부와, 상기 장치부간 냉매유로를 전환시켜주기 위한 밸브장치부 등으로 이루어져 있다.In general, the heat storage heat pump unit includes a refrigeration cycle unit unit capable of forward and reverse circulation including a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, a heat storage tank, a heat exchange water circulation pump, a heat exchanger (indoor and outdoor air), and the like. And a valve device unit for switching the refrigerant flow path between the device units.
그러나, 종래의 축열식 히트펌프유닛은, 축열조의 성능이 불량하여 작은 온도차에 의한 성층도로 운전됨으로써 그 효율성이 저조하게 나타나는 문제점이 있었다. 이러한 종래의 축열식 히트펌프유닛이 갖고 있는 축열조의 온도성층도를 개선하기 위해서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 각각 상하로 배치되어 상호 연통된 복수의 축열조(150)(151)가 마련되고, 상기 각 축열조(150)(151)마다 열교환수를 순환시켜 축열할 수 있도록 냉동사이클장치부(H1)(H2)가 각각 독립적으로 설치되어 있는 복수의 히트펌프유닛 구조를 이뤄야 한다. 이때, 상기 각 축열조(150)(151)에는 그 내부의 중간에 형성되는 온도성층화 경계층(Thermocline)(150b)을 경계로 하여 상하 최대 5℃ 내외의 온도차를 유지하며 상대적 고온수(150a) 및 상대적 저온수(150c)로 분리된 채로 축열된다.However, the conventional heat storage heat pump unit has a problem in that the efficiency of the heat storage tank is poor and the efficiency thereof is poorly performed by operating in a stratified road due to a small temperature difference. In order to improve the thermal stratification diagram of the heat storage tank of the conventional heat storage type heat pump unit, as shown in FIG. 7, a plurality of heat storage tanks 150 and 151 disposed up and down and communicating with each other are provided. Each of the heat storage tank (150, 151) has to achieve a plurality of heat pump unit structure that is installed independently of the refrigeration cycle unit (H1) (H2) so as to circulate heat storage water. At this time, each of the heat storage tank (150, 151) is maintained at a temperature difference of up to 5 ° C up and down on the basis of the thermal stratified boundary layer (Thermocline) (150b) formed in the middle of the inside and the relative high temperature water (150a) and relative The heat storage is separated by the cold water 150c.
예를 들어, 15℃의 물을 5℃ 정도로 냉각하여 저장하는 경우에서와 같이 10℃ 이상의 온도차에 의한 축열성능을 발휘하기 위한 기존의 운전방식은, 먼저 상측 축열조(150) 상부의 15℃ 물이 냉동사이클장치부(H1)를 거치면서 10℃로 냉각되어 그 축열조(150)의 하부로 저장된 후, 하측 축열조(151)의 상부로 유입되고, 상기 하측 축열조(151) 상부에 10℃로 축열된 물이 다시 냉동사이클장치부(H2)를 거치면서 5℃로 재차 냉각되어 그 축열조(151)의 하부로 저장되는 것으로서, 다단계적인 각 냉동사이클장치부(H1)(H2)의 가동을 통해서만 가능하므로 장치가 복잡하고 커질 뿐만 아니라 유지비용도 많이 소요되는 문제점이 있었다. 이러한 기존의 운전방식은 축냉시 작은 온도차이로 운전되기 때문에 상기 온도성층화 경계층(150b)의 두께( DELTA w1)가 넓은 폭을 유지하게 되어 축열효율을 저하시키게 되는 것이다.For example, as in the case of cooling and storing 15 ° C. water at about 5 ° C., the conventional operation method for exerting the heat storage performance by a temperature difference of 10 ° C. or more is that the 15 ° C. water of the upper upper storage tank 150 is first Cooled to 10 ° C while passing through the refrigerating cycle unit (H1) and stored in the lower portion of the heat storage tank 150, flows into the upper portion of the lower heat storage tank 151, the heat storage at 10 ° C on the lower heat storage tank (151). As water is again cooled to 5 ° C. while passing through the refrigeration cycle unit H2 and stored at the bottom of the heat storage tank 151, it is possible only through the operation of each stage of the refrigeration cycle unit H1 and H2. The device was complicated and large, and there was a problem that a lot of maintenance costs were required. Since the conventional operation method is operated with a small temperature difference during the cold storage, the thickness DELTA w1 of the temperature stratified boundary layer 150b maintains a wide width, thereby reducing the heat storage efficiency.
또한, 냉난방을 병행하는 종래의 축열식 히트펌프유닛은, 냉방 또는 난방모드로 전환되는 경우에 있어서, 냉방시에는 부하측에서 회수되는 물이 축열조의 상부로 유입되고 난방시에는 부하측에서 회수되는 물이 축열조의 하부로 유입되는 유체의 교체흐름을 유지하여야 하므로 배관설계상의 많은 어려움이 있었다.In addition, in the conventional heat storage type heat pump unit which simultaneously cools and heats, in the case of switching to the cooling or heating mode, water recovered from the load side flows into the upper portion of the heat storage tank during cooling and water recovered from the load side during heating is stored. There was a lot of difficulties in the piping design because it has to maintain the replacement flow of the fluid flowing into the bottom of the.
한편, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료의 과다한 사용으로 인한 자원의 고갈 우려와 더불어 지구온난화와 대기오염 등이 이미 심각한 상태에 있는 이때에, 태양열, 풍력, 수력, 지열 등과 같은 고갈될 염려가 없고 친환경적인 대체에너지에 대한 적극적 활용의 중요성이 대두되고 있다.On the other hand, when global warming and air pollution are already in serious condition along with concerns about resource depletion due to excessive use of fossil fuels such as coal, petroleum, and natural gas, there is a fear of depletion such as solar, wind, hydro, geothermal, etc. The importance of active use of alternative and environmentally friendly alternative energy is on the rise.
최근에는, 이러한 대체에너지 중에서도 지구상에서 사용되는 전체에너지의 500배에 달하는, 지표면이나 지중으로 흡수된 방대한 양의 태양열에 의해 유지되는 고온의 지열, 지표수, 지하수나 온천수 등의 열원을 에너지로 활용하고자 하는 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다. 특히, 우리 나라는 다른 나라에 비해 태양에너지나 풍력에너지 자원이 풍부하지 못하여 이를 대체에너지로 사용하는데는 어려움이 있으나, 상기 지열에너지는 특정지역에 관계없이 전세계적으로 풍부한 자원이므로 우리 나라에 가장 적합한 대체에너지라 할 수 있다.In recent years, among these alternative energies, energy sources such as high-temperature geothermal heat, surface water, groundwater or hot spring water, which are maintained by the vast amount of solar heat absorbed by the earth's surface or ground, which is 500 times the total energy used on the earth, The research is very active. In particular, our country does not have abundant solar energy or wind energy resources compared to other countries, so it is difficult to use it as an alternative energy. However, the geothermal energy is the most abundant resource in the world regardless of a specific region. It can be called alternative energy.
즉, 대기에 비해 지표는 그 온도변화가 현저히 적고, 이러한 현상은 지중으로 깊이 들어갈수록 더욱 안정적인 상태를 유지하므로 양질의 에너지자원으로서의 가치가 충분하다. 실제로 지표로부터 3m 정도만 내려가도 연중 온도변화가 거의 없을 정도이며, 그 대표적인 적용 예로는 지표나 지중에 저장된 열에너지를 이용하여 냉방과 난방을 수행하는 지열식 히트펌프유닛이 있다. 현재 미국과 캐나다를 비롯, 일부 유럽국가들이 온실가스배출을 최소화하기 위해 정부차원에서 지열식 히트펌프유닛의 적극 보급에 나서고 있으나, 아직까지 나머지 국가에서는 그 보급 실적이 미미한 편이다.That is, compared with the atmosphere, the surface temperature is significantly smaller, and this phenomenon remains more stable as it goes deep into the ground, which is sufficient as a good energy resource. In fact, even if only about 3m down from the surface of the year there is little change in temperature throughout the year, a typical application is a geothermal heat pump unit that performs the cooling and heating using the heat energy stored in the surface or the ground. At present, some European countries, including the United States and Canada, are actively supplying geothermal heat pump units to minimize greenhouse gas emissions. However, the results are still insignificant in other countries.
상기의 지열식 히트펌프유닛은, 동작유체(냉매)의 압축-응축-팽창-증발과정을 반복하며 외부와의 열교환을 이루는 통상의 냉동사이클장치부와, 상기 냉동사이클장치부의 가동에 의해 소정의 냉방 또는 난방효과를 도출해내기 위한 열교환매체로서의 지중열교환기로 구성된다. 상기 지중열교환기는 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE Pipe)를 지중에 매설하고 그 파이프 내에 부동액 또는 지하수나 지표수 등의 열교환수를 순환시킴으로써 지중의 열을 흡수하거나 방출하는 장치(폐회로 방식)로서, 압축기를 제외한 일종의 실외기가 지중에 설치된 것이라고 볼 수 있다.The geothermal heat pump unit is a predetermined refrigeration cycle unit unit that repeats the compression-condensation-expansion-evaporation process of the working fluid (refrigerant) and performs heat exchange with the outside, and by operating the refrigeration cycle unit unit, It is composed of underground heat exchanger as a heat exchange medium to derive cooling or heating effect. The ground heat exchanger is a device that absorbs or releases ground heat by burying a high density polyethylene pipe (HDPE Pipe) in the ground and circulating anti-freeze or heat exchange water such as groundwater or surface water in the pipe (closed circuit method). It can be said that the outdoor unit is installed underground.
그리고, 상기 지열식 히트펌프유닛을 이용한 냉난방의 수행시, 전체 필요에너지 중 일부(약 1/4)만을 전기에너지로 충당할 뿐, 대부분(약 3/4)의 에너지는 지열을 흡수하여 공급할 수 있으므로 매우 고 효율적이고도 경제적인 장치라 할 수 있다. 미국 EPA의 보고에 의하면 공기열원 방식의 히트펌프유닛에 비해서는 약 40%, 전열기 방식의 냉난방기에 비해서는 약 70% 정도의 에너지 절감효과가 있으며, 미국 ORNL(Oak Ridge National Laboratories ; 국립에너지연구소)의 발표에 의하면 피크부하의 절감효과도 약 43.5%에 달한다고 밝히고 있다. 또한, 실내기와 실외기 사이에 냉매배관이 필요 없고, 상기 실외기가 공기 열교환기에서 물 열교환기로 대체되어 오존파괴 및 지구온난화 관련 유해물질인 냉매의 소비를 최소화할 수 있어 환경 친화적일 뿐만 아니라, 누설 가능성도 현저히 낮출 수 있다.In addition, when performing the heating and cooling using the geothermal heat pump unit, only a portion (about 1/4) of the total required energy is filled with electric energy, and most of the energy (about 3/4) can absorb and supply geothermal heat. Therefore, it is a very high efficiency and economic device. According to the US EPA report, energy savings of about 40% compared to air heat source heat pump units and about 70% compared to heaters and heaters, and the US ORNL (Oak Ridge National Laboratories) According to the report, the peak load reduction effect is about 43.5%. In addition, there is no need for refrigerant piping between the indoor unit and the outdoor unit, and since the outdoor unit is replaced with a water heat exchanger in the air heat exchanger, it is possible to minimize the consumption of refrigerants, which are harmful substances related to ozone depletion and global warming, thereby being environmentally friendly and possibly leaking. Can also be significantly lowered.
상기 지열식 히트펌프유닛은 태양열보일러에 비해서도 여러 가지 장점을 갖는다. 즉, 태양열보일러는 주간에 태양이 있는 날에만 제한적으로 사용할 수 있을 뿐 나머지는 보조보일러를 사용하는 것임에 비해, 지열식 히트펌프유닛은 주야간 및 날씨에 무관하게 가동할 수 있고 태양열보일러 설치비용의 1/8 정도만 소요되는 경제적 이점도 있는 것이다.The geothermal heat pump unit has a number of advantages over solar boilers. In other words, the solar boiler can be used only on a day when there is a sun, but the rest is to use a secondary boiler, whereas the geothermal heat pump unit can be operated regardless of the day and night and the cost of installing the solar boiler There is also an economic advantage that only takes about one eighth.
현재까지 상기 지열식 히트펌프유닛은 그 형태가 다양하게 제안되어 있으나 대략 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE Pipe) 안으로 물이나 부동액 등의 열매체(동작유체)를 순환시키는 폐회로 방식과, 지하수나 하천/호수 등의 지표수를 이용하는 개회로 또는 개방형 방식이 있다. 상기 폐회로 방식은 다시, 지하 30∼100m의 관정을 판 후 그 관정 내부에 파이프를 설치하는 수직형 폐회로 방식과, 1.5m 깊이의 도랑(트렌치)을 판 후에 그 도랑 내에 파이프를 수평 배치하여 얕게 매설하는 수평형 폐회로 방식으로 구분할 수 있다. 이중에서, 지하수를 이용한 지열식 히트펌프유닛이 효율성과 설치비용절감(대형의 경우에 한함) 면에서 가장 우수하고, 소형의 경우에는, 설치공간을 많이 차지하는 단점은 있으나 수평형 폐회로 방식이 설치비용절감 면에서 이점이 있다.To date, the geothermal heat pump unit has been proposed in various forms, but can be roughly classified into two types. That is, as described above, there are a closed circuit system for circulating a heat medium (operating fluid) such as water or an antifreeze into a high density polyethylene pipe, and an open circuit or an open system using surface water such as groundwater, rivers, and lakes. The closed circuit method is a vertical closed circuit method of digging a well of 30 to 100 m underground and installing a pipe inside the well, and laying a shallow pipe by horizontally arranging pipes in a trench after digging a trench of 1.5 m depth. It can be divided into a horizontal closed loop method. Among them, the ground-based geothermal heat pump unit is the most efficient in terms of efficiency and installation cost (large size only), and in the case of small size, it takes up a lot of installation space, but the horizontal closed-loop method is the installation cost There is an advantage in terms of savings.
그러나, 이러한 종래의 지열식 히트펌프유닛은 공기열원 방식의 히트펌프유닛이나 에어컨 등과 마찬가지로 냉난방시 온도부하추종운전을 수행함으로써 여전히 에너지소비를 가중시키는 문제점이 있었다. 이는 실내온도를 설정치에 이르도록 하기 위하여 기기의 가동 및 정지를 반복하는 과정에 의해서 필연적으로 발생하게 되는 에너지소비의 형태로서, 최근에는 온도부하, 즉, 실내온도 변화 폭을 크게 하는 경우에 있어서의 기기 가동 및 정지의 반복운전을 최소화하기 위한 인버터 방식의 압축기를 적용한 시스템이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 인버터 방식의 시스템은 기존의 시스템에 비해 30% 이상의 에너지 절감효과는 있으나, 제어가 복잡하고 이로 인한 고장이 잦을 뿐만 아니라 장치의 가격 또한 상승하게 됨으로써 이를 상용화하는데는 여러 가지 제약이 따랐다.However, the conventional geothermal heat pump unit still has a problem of increasing energy consumption by performing a temperature load follow-up operation during heating and cooling like the air heat source type heat pump unit or air conditioner. This is a form of energy consumption that is inevitably generated by the process of repeatedly starting and stopping the equipment in order to bring the indoor temperature to a set value. In recent years, when the temperature load, i. A system using an inverter compressor has been proposed to minimize the repeated operation of starting and stopping the device. However, such an inverter type system has an energy saving effect of more than 30% compared to the existing system, but it is complicated to control, and the failure of the system is increased as well as the price of the device has been variously limited in commercialization.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 계절의 변화에도 온도변화가 거의 없는 안정적인 지열을 이용하여 하절기에는 지중에 열을 방출하고 동절기에는 지중의 열을 흡수하는 열교환 과정을 통해 냉난방에 필요한 열원을 자연으로부터 확보함과 아울러, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용하여 상기 열교환 과정을 통해 확보된 지열을 고성능의 축열조 내에 축냉 또는 축열시켜 저장한 후 주간의 냉난방에 이용할 수 있도록 지열 및 축열 방식을 결합한 새로운 배관구조의 냉방 및 난방이 가능한 양방향 히트펌프사이클을 구성함으로써, 에너지 절감 및 피크부하의 저감효과를 현저히 향상시킴과 동시에, 정속도운전이 이루어져 냉난방 효율을 극대화할 수 있고, 극한의 외부환경 하에서도 그 성능저하를 방지하여 항상 쾌적한 냉난방환경을 유지할 수 있으며, 장치의 구조를 단순화하여 제작 단가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소의 배출량이 현격히 줄어들어 환경오염을 방지할 수 있도록 된 축열식 지열히트펌프유닛을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, the purpose is to release heat to the ground in the summer and absorb the heat of the winter in the summer by using a stable geothermal heat with little change in temperature even with seasonal changes Through the heat exchange process to secure the heat source required for heating and cooling from nature, and utilizing the low-cost late night surplus power to store the geothermal heat obtained through the heat exchange process in the high-performance heat storage tank by storing or storing the heat stored in the daytime cooling and heating By constructing a two-way heat pump cycle capable of cooling and heating a new piping structure that combines geothermal and thermal storage methods, it significantly improves energy saving and peak load reduction effects, while driving constant speed to maximize cooling and heating efficiency. Performance, even under extreme external conditions It is possible to maintain a pleasant cooling and heating environment at all times, and to reduce the manufacturing cost by simplifying the structure of the device, and to provide a heat storage type geothermal heat pump unit that can prevent environmental pollution by significantly reducing carbon dioxide emission. .
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛은, 기체 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출시켜주는 압축기와, 상기 압축기의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행하는 한 쌍의 열교환기와, 상기 각 열교환기 사이에 배치되어 어느 한쪽의 열교환기로부터 응축된 액체냉매의 유량조정에 의해 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 그 액체냉매를 나머지 한쪽의 열교환기로 분사시켜주는 팽창밸브를, 냉매순환관 상에 각각 구비하여 상기 압축기를 통해 토출된 고온고압의 압축기체냉매를 선택적으로 정·역방향 순환가동시킴으로써 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 반복 수행하는 냉동사이클장치부와; 이 냉동사이클장치부 내의 어느 한쪽 열교환기와 결합되어 복수의 개폐밸브 및 펌프에 의해 지중열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키면서 온도변화가 거의 없는 안정적인 지중의 열을 상기 냉동사이클장치부에 대하여 열교환시켜주는 지중열교환기와; 상기 냉동사이클장치부 내의 나머지 열교환기와 결합되어 다수의 밸브 및 펌프에 의해 열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키되 저가의 잉여전력을 활용한 상기 냉동사이클장치부의 심야 가동에 의해 열교환시킴으로써 상기 지중열교환기로부터 공급된 열을 상하 10℃ 이상 온도차의 축냉 또는 축열된 상태의 열교환수로 저장해주는 축열조가 구비된 축열장치부; 및 상기 축열조내 열교환수가 열교환수 순환관을 통해 정·역방향으로 순환됨에 따라 실내쪽으로 냉기 또는 온기를 공급할 수 있도록 상기 축열장치부 일측의 열교환수 순환관 상에 설치된 실내기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. The heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention for achieving the above object is a compressor for compressing and discharging a gas refrigerant at high temperature and high pressure, and each one of which is disposed on both sides of the compressor, one of which is in the cabin Condensation of high-pressure gas refrigerant into the liquid state by heat dissipation through heat exchange at A pair of heat exchangers arranged between the heat exchangers and rapidly expanding the liquid refrigerant at low pressure by adjusting the flow rate of the liquid refrigerant condensed from one of the heat exchangers, and then spraying the liquid refrigerant to the other heat exchanger. The expansion valve is provided on the refrigerant circulation pipe to supply the high-temperature, high-pressure compressor body refrigerant discharged through the compressor. By positive and reverse rotation operations with optional refrigeration cycle unit to perform repeated compression of the refrigerant, condensation, expansion and evaporation unit; Combined with any of the heat exchangers in the refrigeration cycle unit, the underground heat exchange water is selectively circulated in the forward / reverse direction by a plurality of on / off valves and pumps to heat the stable underground heat with little change in temperature to the refrigeration cycle unit. A geothermal heat exchanger; The underground heat exchanger is combined with the remaining heat exchanger in the refrigeration cycle unit unit to selectively circulate the heat exchange water by a plurality of valves and pumps in a forward / reverse direction, but by heat exchange by the late night operation of the refrigeration cycle unit unit utilizing the low cost surplus power. A heat storage device having a heat storage tank configured to store heat supplied from the heat exchange water in a state of being cooled or stored at a temperature difference of 10 ° C. or more above and below; And an indoor unit installed on the heat exchange water circulation pipe of one side of the heat storage device so that the heat exchange water in the heat storage tank is circulated in the forward and reverse directions through the heat exchange water circulation pipe so as to supply cold or warm air to the interior. .
여기서, 상기 축열장치부는 상기 축열조와 실내기 간에 소정의 형태로 분기 배관된 열교환수 순환관을 따라 열교환수가 선택적으로 유로 전환되어 냉·난방시에 단일의 열교환수 순환관에 대하여 각각 반대방향으로 순환될 수 있도록 해당 유로분기지점에 다수의 삼방밸브와 개폐밸브가 각각 설치된 것이 바람직하다.Here, the heat storage unit is selectively switched to the heat exchange water flow path along the heat exchange water circulation pipe branch piped in a predetermined form between the heat storage tank and the indoor unit to be circulated in the opposite direction with respect to a single heat exchange water circulation pipe during cooling and heating, respectively. It is preferable that a plurality of three-way valves and on-off valves are installed at respective flow branch points.
또한, 상기 냉동사이클장치부는 그 한 쌍의 열교환기 중 어느 한쪽에는 상기 압축기로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러 나머지 한쪽의 열교환기로부터는 상기 압축기에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 압축기와 각 열교환기 사이의 냉매순환관 상의 유로분기지점에 사방밸브가 설치되어 이루어지며, 상기 압축기와 사방밸브 사이의 상기 냉매순환관 상에는 고온의 급탕수를 생성해내기 위한 별도의 급탕용 열교환기가 더 설치되고, 상기 급탕용 열교환기와 연결된 별도의 열교환수 순환관 상에는 상기 급탕용 열교환기의 열교환 과정을 통해 형성된 고온수를 저장할 수 있는 급탕수조가 더 구비된 것이 바람직하다.In addition, the refrigeration cycle unit is a flow path of the refrigerant in order to allow the high pressure gas refrigerant to flow into the compressor from any one of the pair of heat exchanger and the low pressure gas refrigerant flows into the compressor from the other heat exchanger. Four-way valve is installed at the branch point of the flow path on the refrigerant circulation pipe between the compressor and each heat exchanger so as to selectively convert the hot water on the refrigerant circulation pipe between the compressor and the four-way valve A separate hot water supply heat exchanger is further provided for the production, and a hot water supply tank capable of storing the hot water formed through the heat exchange process of the hot water heat exchanger is further provided on a separate heat exchange water circulation pipe connected to the hot water heat exchanger. Do.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축열식 지열히트펌프유닛을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the heat storage type geothermal heat pump unit according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛의 순환구조를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛에 의한 냉방축열운전시, 냉방운전시, 난방축열운전시 및 난방운전시의 각 순환상태를 각각 도시한 것이며, 도 6은 본 발명에 적용된 축열조(50)의 축열방식 및 그 가동원리를 도시한 개념도를 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows the circulation structure of the heat storage geothermal heat pump unit according to the present invention, Figures 2 to 5 are the heat storage cooling operation by the heat storage geothermal heat pump unit according to the present invention, during the cooling operation, heating heat storage Each circulation state during operation and during heating operation is shown, respectively, and FIG. 6 shows a conceptual diagram showing the heat storage method and operation principle of the heat storage tank 50 applied to the present invention.
본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛은 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 지중에 매설된 지중열교환기(G)를 매개로 하여 열에너지를 공급할 수 있게 함으로써 에너지 절감효과를 도모함과 아울러, 냉방축열시 상대적 고온수(50a)와 상대적 저온수(50c)간에 최대 10℃ 이상의 온도차를 유지할 수 있도록 그 성능이 개선된 축열조(50)를 적용한 새로운 운전방식을 채택함으로써 냉난방 효율을 극대화할 수 있게 한 구조를 이룬다.As shown in FIG. 1, the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention provides energy saving effect by allowing heat energy to be supplied through the underground heat exchanger (G) embedded in the ground, and at the time of cooling heat storage. By adopting a new operation method by applying the heat storage tank 50 whose performance is improved to maintain a temperature difference of up to 10 ° C or higher between the relative high temperature water 50a and the relative low temperature water 50c, the structure that maximizes the heating and cooling efficiency Achieve.
또한, 본 발명의 축열식 지열히트펌프유닛은, 축냉(냉방축열)시 정속운전이 가능하여 인버터가 필요치 않은 간단한 제어회로 및 장치구성을 이루므로 고장의 우려가 적고, 동절기 난방가동시 낮은 외기온도로 인하여 열교환수 순환관(58)의 외측이 결빙되어 난방능력을 저하시키는 문제점을 전기히터를 사용하지 않고도 단순히 지열의 공급만으로 해결 가능하므로 유지비용을 최소화함과 아울러 에너지를 절감할 수 있으며, 다수의 삼방밸브 및 개폐밸브들을 적절히 배치하여 축냉시 축열조(50) 내의 상하부 온도차(10℃ 이상)를 크게 유지되도록 함으로써 온도성층화 경계층(50b)의 두께가 최소로 유지되어 축열효율을 향상시켜준다. 즉, 냉동사이클장치부(H)를 구성하는 응축기 또는 증발기용의 열교환기(20)(40) 중 어느 하나의 열교환기(20)에는 지열을 공급하기 위한 상기 지중열교환기(G)가 결합되고 나머지 열교환기(40)에는 축열조(50)의 하부배관(열교환수 순환관(58))이 결합된 구조를 이룸과 아울러, 상기 축열조(50)에 대한 냉·난방시의 유체흐름을 다수의 삼방밸브(52)(53)(54) 및 개폐밸브(55)(56)로서 간단히 제어할 수 있게 하여 냉방과 난방시에 각각 그 유체흐름이 반대방향으로 전환될 수 있게 함으로써, 기존의 복잡한 배관구조를 단순화할 수 있음은 물론이고, 이러한 구조에 의하여, 냉방시 온도부하측에서 회수되는 열교환수는 상기 축열조(50)의 상부로, 난방시 온도부하측에서 회수되는 열교환수는 상기 축열조(50)의 하부로 각각 분리되어 유입됨으로써 축열효율을 극대화할 수 있도록 되어 있다.In addition, the heat storage type geothermal heat heat pump unit of the present invention is capable of constant speed operation during cold storage (cooling heat storage), thereby making a simple control circuit and device configuration that does not require an inverter, and thus, there is little risk of failure, and due to low outside air temperature during winter heating operation. Since the outside of the heat exchange water circulation pipe 58 is frozen, the problem of lowering the heating capacity can be solved by simply supplying geothermal heat without using an electric heater, thereby minimizing maintenance costs and saving energy. By properly arranging the valves and the opening / closing valves to keep the upper and lower temperature differences (10 ° C. or more) in the heat storage tank 50 at the time of cold storage, the thickness of the temperature stratified boundary layer 50b is kept to a minimum, thereby improving heat storage efficiency. That is, any one of the heat exchanger 20 of the heat exchanger 20 and 40 for the condenser or the evaporator constituting the refrigeration cycle unit (H) is coupled to the underground heat exchanger (G) for supplying geothermal heat The remaining heat exchanger 40 has a structure in which the lower pipe (heat exchange water circulation pipe 58) of the heat storage tank 50 is coupled, and the fluid flow during cooling and heating of the heat storage tank 50 is three-way. Simple control as the valves 52, 53, 54 and the opening / closing valves 55, 56 allows the fluid flow to be switched in the opposite direction during cooling and heating respectively, thereby making the existing complicated piping structure Of course, by this structure, the heat exchange water recovered at the temperature load side during cooling is the upper portion of the heat storage tank 50, the heat exchange water recovered at the temperature load side during heating is the lower portion of the heat storage tank 50 Can be maximized by accumulating and entering It is supposed to be.
이러한 원리를 구현하기 위한 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛은, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 기체상태의 냉매를 압축기(10)로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 사방밸브(11)에 의해 선택적으로 정·역방향 순환가동시켜 응축, 팽창 및 증발과정을 반복 수행하는 냉동사이클장치부(H)와, 이 냉동사이클장치부(H) 내의 어느 한쪽 열교환기(20)와 결합되어 지중열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키면서 온도변화가 거의 없는 안정적인 지중의 열을 상기 냉동사이클장치부(H)에 대하여 열교환시켜주는 지중열교환기(G)와, 상기 냉동사이클장치부(H) 내의 나머지 열교환기(40)와 결합되어 열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키되, 잉여전력을 활용한 상기 냉동사이클장치부(H)의 심야 가동에 의해 열교환시킴으로써 상기 지중열교환기(G)로부터 공급된 열을 축냉 또는 축열된 열교환수(물 또는 부동액)로 저장해주는 축열장치부(도면부호 미도시)와, 상기 축열장치부의 일측에 열교환수의 순환이 가능하도록 연결된 실내기(70)를 포함하는 구조로 이루어져 있다. 상기 각부 장치들은 냉매순환관(12)과 지중열교환수 순환관(63) 및 열교환수 순환관(58)에 의해 각각 폐회로 상태로 연결되어 각각 독립적으로 순환할 수 있는 구조를 이룬다.In the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention for realizing this principle, as shown in FIG. And a refrigeration cycle unit (H) for performing condensation, expansion, and evaporation process by selectively forward and reverse circulation operation by means of the reverse circulation, and combined with any one heat exchanger (20) in the refrigeration cycle unit (H). Underground heat exchanger (G) which heat-exchanges stable underground heat with little temperature change while selectively circulating water in the forward / reverse direction with respect to the refrigerating cycle apparatus part (H), and the rest of the refrigerating cycle apparatus part (H). Combined with the heat exchanger 40 to selectively circulate the heat exchange water forward and reverse, heat exchange by the late night operation of the refrigeration cycle unit (H) utilizing the surplus power to the underground heat exchanger (G) A heat storage device (not shown) for storing the heat supplied from the heat storage water (water or antifreeze) stored in the cold storage or heat storage, and an indoor unit 70 connected to one side of the heat storage device to allow circulation of the heat exchange water. It consists of a structure. The respective units are connected to each other in a closed loop by the refrigerant circulation tube 12, the underground heat exchange water circulation tube 63, and the heat exchange water circulation tube 58, thereby forming a structure capable of independently circulating each other.
상기 냉동사이클장치부(H)는 통상의 경우에서와 같이, 저압상태의 기체냉매를 고압으로 압축 및 토출시켜주는 압축기(10)와, 고압의 기체냉매를 다른 유체와 열교환하여 액화시켜주는 응축기로서의 열교환기(20 또는 40)와, 그 액체냉매를 유량 조정하여 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 분사시켜주는 복수의 팽창밸브(30a)(30b)와, 분사된 액체냉매가 급팽창됨과 아울러 주위로부터 열을 흡수하여 기화하면서 기내(器內)를 냉각하는 증발기로서의 열교환기(20 또는 40)로 구성된다.The refrigeration cycle unit (H) is a compressor (10) for compressing and discharging the low-pressure gas refrigerant at a high pressure as in the usual case, and as a condenser for liquefying the high-pressure gas refrigerant by heat exchange with other fluids The heat exchanger 20 or 40, a plurality of expansion valves 30a and 30b for adjusting the flow rate of the liquid refrigerant and rapidly expanding the liquid refrigerant with a low pressure liquid refrigerant and then injecting the liquid refrigerant are expanded rapidly and It consists of a heat exchanger (20 or 40) as an evaporator which absorbs heat from the vaporization and cools the cabin.
다만, 본 발명의 냉동사이클장치부(H)는, 한 쌍의 열교환기(20)(40) 중 어느 한쪽 열교환기(20 또는 40)로 상기 압축기(10)로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러, 나머지 한쪽의 열교환기(20 또는 40)로부터는 상기 압축기(10)에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여, 즉, 상기 냉매의 유로를 상기 각 열교환기(20)(40)에 대하여 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록, 상기 압축기(10)와 각 열교환기(20)(40) 사이의 냉매순환관(12) 상의 유로분기지점에 사방밸브(11)가 설치되어 있는 구조적 특징을 가진다.However, the refrigeration cycle unit (H) of the present invention, the high-pressure gas refrigerant from the compressor 10 to the heat exchanger 20 or 40 of any one pair of heat exchanger (20, 40) and In addition, in order to allow the low pressure gas refrigerant to flow into the compressor 10 from the other heat exchanger 20 or 40, that is, a flow path of the refrigerant is selectively provided to each of the heat exchangers 20 and 40. In order to be switched, the four-way valve 11 is provided at the branch point of the flow path on the refrigerant circulation pipe 12 between the compressor 10 and each heat exchanger 20, 40.
이러한 구성에 있어서, 상기 한 쌍의 열교환기(20)(40)는 냉매와 열교환수(2차 유체)간의 열교환을 위한 기기로서, 상기 압축기(10)의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행한다. 즉, 냉방시에는 실외(지중열교환기)측 열교환기(20)에서 냉매의 응축과정이, 실내(축열장치부)측 열교환기(40)에서 냉매의 증발과정이 각각 일어나고, 난방시에는 지중열교환기측 열교환기(20)에서 냉매의 증발과정이, 축열장치부측 열교환기(40)에서 냉매의 응축과정이 각각 일어난다. 이와 같이 냉방 또는 난방의 경우에 따라 상기 사방밸브(11)의 작용에 의해 각각 냉매의 순환방향은 역전된다.In this configuration, the pair of heat exchangers 20 and 40 is a device for heat exchange between the refrigerant and the heat exchange water (secondary fluid), each of which is disposed on both sides of the compressor 10 and any one of Condensation of high pressure gas refrigerant into the liquid state by heat dissipation through heat exchange in the cabin, and the other side of the liquid refrigerant can be evaporated to the gas state by endothermic action through heat exchange in the cabin. Each heat exchange process is performed. That is, during cooling, the condensation process of the refrigerant occurs in the outdoor heat exchanger (20) and the evaporation process of the refrigerant occurs in the heat exchanger (40) of the indoor (heat storage device). The evaporation process of the refrigerant occurs in the base heat exchanger 20, and the condensation process of the refrigerant occurs in the heat storage unit side heat exchanger 40, respectively. In this way, the circulation direction of the refrigerant is reversed by the action of the four-way valve 11 in the case of cooling or heating.
또한, 상기 복수의 팽창밸브(30a)(30b)는 냉매의 순환방향이 전환될 때 각각의 방향에 대응되도록 병렬식으로 배관 처리되어 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이러한 구조에 국한되지는 않으며, 예컨대 일방향성의 단일 팽창밸브와 함께 별도의 사방밸브를 사용하여 상기 사방밸브에 의해 그 순환방향을 일정하게 유지할 수 있도록 하면 하나의 팽창밸브만으로도 구성 가능함은 물론이다.The plurality of expansion valves 30a and 30b are piped in parallel so as to correspond to the respective directions when the circulation direction of the refrigerant is switched. However, the present invention is not necessarily limited to such a structure. For example, a single expansion valve may be used together with a single expansion valve to maintain a constant circulation direction by the four-way valve. Of course, it is configurable.
또한, 상기 압축기(10)와 사방밸브(11) 사이의 상기 냉매순환관(12) 상에는 고온의 급탕수를 생성해내기 위한 별도의 급탕용 열교환기(80)를 더 설치할 수도 있다. 이와 같은 구조를 이루는 경우에는, 상기 급탕용 열교환기(80)와 연결된 별도의 열교환수 순환관(82)상에 상기 급탕용 열교환기(80)의 열교환 과정을 통해 형성된 고온수를 저장할 수 있는 급탕수조(81)를 마련하고 이 급탕수조(81)로부터 급수 가능한 수도관 및 수도꼭지를 설치해두면 목욕용도 등의 온수를 직접 인출하여 사용할 수 있다. 이는, 특히 상기 냉동사이클장치부(H)의 동절기 냉방운전시 지중열교환기(G)로부터의 열교환에 의한 고온상태의 냉매로부터 급탕수조(81)내의 물을 가열하여 저장해둠으로써 별도의 소요비용 없이 급탕온수를 사용할 수 있게 되는 것이다.In addition, on the refrigerant circulation pipe 12 between the compressor 10 and the four-way valve 11, a separate hot water heat exchanger 80 for generating hot hot water may be further provided. In the case of forming such a structure, a hot water supply can store hot water formed through a heat exchange process of the hot water heat exchanger 80 on a separate heat exchange water circulation pipe 82 connected to the hot water heat exchanger 80. If a water tank 81 is provided and a water pipe and a faucet that can feed water from the hot water supply tank 81 are provided, hot water such as for bathing can be directly taken out and used. In particular, it is possible to heat and store the water in the hot water supply tank 81 from the refrigerant in the high temperature state by heat exchange from the underground heat exchanger G during the winter cooling operation of the refrigeration cycle unit H without any additional cost. Hot water will be able to use.
한편, 상기 지중열교환기(G)는 상기 냉동사이클장치부(H) 내의 어느 한쪽 열교환기(20)와 결합되어 복수의 개폐밸브(62a)(62b) 및 펌프(61a)(61b)에 의해 지중열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키면서 온도변화가 거의 없는 안정적인 지중의 열을 상기 냉동사이클장치부(H)에 대하여 열교환시켜주기 위한 장치로서, 종래 기술에서도 언급한 바와 같이, 고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE Pipe)를 지표면(1)으로부터 소정 깊이(지하 30∼100m)로 지중 매설하여 열교환수가 순환할 수 있는 수직 폐회로 형태의 지중열교환수 순환관(63)을 마련하고 그 지중열교환수 순환관(63) 내에 부동액 또는 지하수나 지표수 등의 지중열교환수를 순환시킴으로써 지열을 흡수하거나 방출할 수 있게 한 것이다. 상기 지중열교환기(G)는 냉·난방 전환운전시 각각의 개폐밸브(62a)(62b)의 제어조작과 함께 복수의 펌프(61a)(61b)를 선택적으로 가동할 수 있도록 되어 있다.On the other hand, the underground heat exchanger (G) is coupled to any one heat exchanger (20) in the refrigeration cycle unit (H) is ground by a plurality of open and close valves (62a) (62b) and pumps (61a) (61b) An apparatus for heat-exchanging stable ground heat with little temperature change while selectively circulating heat-exchanging water in the forward / reverse direction to the refrigeration cycle unit (H). As mentioned in the related art, a high-density polyethylene pipe (HDPE) Underground underground heat exchange water circulation pipe (63) in a vertically closed loop type in which pipes are undergrounded from the ground surface (1) to a predetermined depth (30 to 100 m underground) to circulate the heat exchange water. By circulating antifreeze or underground heat exchange water such as groundwater or surface water, geothermal heat can be absorbed or released. The underground heat exchanger (G) is capable of selectively operating the plurality of pumps (61a) and (61b) together with the control operation of each of the on / off valves (62a) and (62b) during the cooling / heating switching operation.
본 발명의 지중열교환기(G)는 상기의 수직형 폐회로 방식 이외에도, 설치비용이나 장치의 규모 또는 설치공간 등을 감안하여, 1.5m 깊이의 트렌치를 판 후에 그 트렌치 내에 지중열교환순 순환관(63)을 수평 배치하여 얕게 매설하는 수평형 폐회로 방식이나, 지하수나 하천/호수 등의 지표수를 이용하는 개회로 방식 등을 적용하여 시공할 수 있다.The underground heat exchanger (G) of the present invention is a ground heat exchange circulation circuit (63) in a trench after digging a trench having a depth of 1.5 m, in addition to the vertical closed loop system in view of the installation cost, the size of the apparatus, the installation space, and the like. ) Can be constructed by applying horizontal closed loop method of laying horizontally and laying it shallowly or open circuit method using surface water such as groundwater or river / lake.
한편, 상기 축열장치부는, 상기 냉동사이클장치부(H) 내의 나머지 열교환기(40)와 결합되어 3개의 삼방밸브(52)(53)(54) 및 한 쌍의 개폐밸브(55)(56)의 적절한 제어 조작과 함께 인버터펌프(51)의 가동에 의해 열교환수를 정방향 또는 역방향으로 강제 순환시키되, 저가의 심야 잉여전력으로 냉동사이클장치부(H)를 가동하여 상기 열교환기(40)에 의해 냉매와 열교환수를 상호 열교환시킴으로써 상기 지중열교환기(G)로부터 공급된 열을 축열조(50)내에 상하 10℃ 이상 온도차의 축냉 또는 축열 열교환수를 저장할 수 있도록 된 것이다. 그리고, 상기 축열장치부 일측의 열교환수 순환관 상에는, 상기 축열조(50)내 열교환수가 열교환수 순환관(58)을 통해 정·역방향으로 순환됨에 따라 실내쪽으로 냉기 또는 온기를 공급할 수 있게 해주는 실내기(70)가 설치되어 있다. 도면중 미설명 부호 57은 축열조(50)의 상부로 회수되는 열교환수를 단속하기 위한 코크이다.On the other hand, the heat storage unit is coupled to the remaining heat exchanger 40 in the refrigeration cycle unit (H) three three-way valves 52, 53, 54 and a pair of on-off valves 55, 56 Forced circulation of the heat exchange water in the forward or reverse direction by the operation of the inverter pump 51 with the proper control operation of the refrigeration cycle unit (H) by operating the low-cost late night surplus power by the heat exchanger (40) By exchanging heat between the refrigerant and the heat exchange water, the heat supplied from the underground heat exchanger (G) can be stored in the heat storage tank 50 to store the heat storage or heat storage heat storage having a temperature difference of 10 ° C or higher. And, on the heat exchange water circulation pipe on one side of the heat storage device unit, as the heat exchange water in the heat storage tank 50 is circulated in the forward and reverse direction through the heat exchange water circulation pipe 58, the indoor unit that can supply the cold or warm air toward the room ( 70) is installed. Reference numeral 57 in the drawing is a coke for controlling the heat exchange water recovered to the upper portion of the heat storage tank 50.
또한, 상기 축열조(50)는 상기 도 6에 도시된 바와 같이, 삼방밸브(52)의 적절한 유로개폐전환에 의한 단일 냉동사이클장치부(H)의 가동만으로 열교환 전후의 열교환수의 온도차가 10℃ 이상으로 심화되어 이들간에 현격한 밀도차를 형성함으로써 상기 축열조(50)내 상부에 저장되는 상대적 고온수(50a)와 그 하부에 저장되는 상대적 저온수(50c)간의 상하 성층분리화 현상이 원활히 이루어져 그 축열효율을 향상시킬 수 있도록 되어 있다. 이때, 축열조(50)내 상대적 고온수(50a)와 상대적 저온수(50c) 사이에 형성되는 온도성층화 경계층(50b)의 두께( DELTA w)는 박막화되어 나타난다.In addition, as shown in FIG. 6, the heat storage tank 50 has a temperature difference of 10 ° C. before and after heat exchange only by operation of a single refrigeration cycle unit H by appropriate flow path switching of the three-way valve 52. The deepening of the upper and lower stratification between the relative high temperature water 50a stored in the upper portion of the heat storage tank 50 and the relative low temperature water 50c stored in the lower portion is made smoothly by forming a sharp density difference therebetween. The heat storage efficiency can be improved. At this time, the thickness DELTA w of the temperature stratified boundary layer 50b formed between the relative high temperature water 50a and the relative low temperature water 50c in the heat storage tank 50 appears to be thinned.
또한, 냉방 또는 난방운전에 따른 축열환경에 적합하게 열교환수 순환유로를 적절히 변경할 수 있도록 상기 삼방밸브(52)이외에 복수의 삼방밸브(53)(54) 및 한 쌍의 개폐밸브(55)(56)를 적소에 배치하여 단일의 열교환수 순환관(58)에 대한 냉·난방시의 유체흐름을 각각 반대방향으로 전환될 수 있게 함으로써, 기존의 복잡한 배관구조를 단순화할 수 있는 것이다.In addition, in addition to the three-way valve 52, a plurality of three-way valves 53, 54 and a pair of on / off valves 55 and 56 so as to appropriately change the heat exchange water circulation flow path for the heat storage environment according to cooling or heating operation. ) Can be placed in place so that the fluid flow during cooling and heating of the single heat exchange water circulation pipe 58 can be reversed, respectively, thereby simplifying the existing complicated piping structure.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 구성에 의하여 이루어지는 각 운전모드별 냉매 및 열교환수의 순환과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the circulation process of the refrigerant and the heat exchange water for each operation mode made by the configuration of the present invention as described above are as follows.
(1) 축냉운전 (1) cold storage operation
축냉운전에 따른 냉매 및 열교환수의 순환과정은 도 2에 도시한 바와 같다. 즉, 압축기(10)에서 압축된 고온고압의 냉매는 급탕용 열교환기(80)와 사방밸브(11)를 통해 지중열교환기측 열교환기(20)를 지나면서 응축되고, 다시 그 냉매는 팽창밸브(30a)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 축열장치부측 열교환기(40)를 통과하게 되며, 그 냉매는 상기 열교환기(40) 내에서 증발과정을 거치면서 축열용 열교환수를 냉각시킨다. 이때, 상기 급탕용 열교환기(80)에서의 열교환에 의해 생성된 급탕 고온수는 그 열교환수 순환관(82)을 통해 급탕수조(81)내로 집수되고, 상기 지중열교환기(G)에서는 개폐밸브(62a)의 차단조작과 함께 펌프(61a)가 가동되면서 타측의 개폐밸브(62b)를 통해 지중열교환수 순환관(63)을 따라 계속 순환하여 냉동사이클장치부(H)쪽 냉매의 열을 흡수하게 된다.The circulation process of the refrigerant and the heat exchange water according to the cold storage operation is as shown in FIG. 2. That is, the refrigerant of the high temperature and high pressure compressed by the compressor 10 is condensed while passing through the underground heat exchanger side heat exchanger 20 through the hot water heat exchanger 80 and the four-way valve 11, and the refrigerant is expanded in the expansion valve ( After passing through 30a), it passes through the heat storage unit side heat exchanger 40 after the low temperature and low pressure, and the refrigerant cools the heat storage water for heat storage while undergoing an evaporation process in the heat exchanger 40. At this time, the hot water supply hot water generated by the heat exchange in the hot water heat exchanger 80 is collected into the hot water supply tank 81 through the heat exchange water circulation pipe 82, the opening and closing valve in the underground heat exchanger (G). The pump 61a is operated together with the shutoff operation of 62a while continuously circulating along the underground heat exchange water circulation pipe 63 through the other opening / closing valve 62b to absorb the heat of the refrigerant toward the refrigeration cycle unit H. Done.
아울러, 인버터펌프(51)의 가동에 의해 축열조(50)의 상부에서 강제 배출되는 열교환수는, 개폐밸브(55)(56)의 차단 및 삼방밸브(52)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 상기 열교환기(40)를 통과하면서 냉각된 후, 다른 삼방밸브(53)의 일방향 개로 조작에 의해 상기 축열조(50)의 하부로 유입되는 순환과정이 이루어지면서 축열조 내에 축냉 저장된다(Cycle A).In addition, the heat exchange water forcibly discharged from the upper portion of the heat storage tank 50 by the operation of the inverter pump 51 is blocked by the shutoff valves 55 and 56 and the one-way opening operation of the three-way valve 52. After being cooled while passing through the heat exchanger 40, a circulating process introduced into the lower portion of the heat storage tank 50 by one-way opening of another three-way valve 53 is stored and stored in the heat storage tank (Cycle A).
(2) 냉방운전 (2) cooling operation
냉방운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 상기의 야간 축냉운전 과정을 거쳐서 축열조(50) 내에 저장된 냉수를 주간에 실내기(70)쪽으로 순환시켜 활용함으로써 냉방운전을 수행하게 된다. 이때, 건물의 층고가 낮을 경우에는 냉동사이클장치부(H)의 가동 없이 상기 축열조(50)에 저장된 냉수를 직접 실내기(70)로 순환시키는 과정만으로 상기 실내기(70)쪽에 냉기를 전달하게 된다(Cycle A').The circulation process of the heat exchange water according to the cooling operation is as shown in FIG. That is, the cooling operation is performed by circulating the cold water stored in the heat storage tank 50 to the indoor unit 70 during the day through the night storage operation. At this time, when the height of the building is low, the cold air stored in the heat storage tank 50 is directly circulated to the indoor unit 70 without the operation of the refrigeration cycle unit H, thereby delivering cold air to the indoor unit 70 ( Cycle A ').
상기의 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 앞서 설명한 축냉운전시의 열교환수 순환에 대한 역방향으로 순환하며 실내기(70)쪽으로 냉기를 공급하는 것이다. 다시 말해, 축열조(50)의 하부에 축냉 저장된 상대적 저온수(50c)는, 인버터펌프(51)의 가동에 의해 강제 배출되어 개폐밸브(55)(56)의 일방향 차단 및 삼방밸브(52)(53)(54)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 실내기(70)를 통과하면서 실내공간쪽으로 냉기를 공급한 후, 상기 각 개폐밸브(55)(56)의 개방방향을 따라 일부의 열교환수는 상기 축열조(50)의 상부로 유입되고, 나머지 일부의 열교환수는 상기 열교환수 순환관(58)을 따라 재차 순환되면서 적정온도의 저온수로 혼합된 채 냉방운전을 수행하게 된다. 이때, 열교환수 순환관(57) 상의 코크(57)를 개폐 조작함으로써 상기의 순환과정을 반복 또는 차단할 수 있다.Referring to the heat exchange water circulation process in more detail, it is to circulate in the reverse direction to the heat exchange water circulation during the cold storage operation described above to supply cold air to the indoor unit (70). In other words, the relative low temperature water 50c stored in the lower part of the heat storage tank 50 is forcibly discharged by the operation of the inverter pump 51 to shut off the one-way shutoff valves 55 and 56 and the three-way valve 52 ( After passing the indoor unit 70 by the one-way opening operation of 53 and 54 and supplying the cool air to the indoor space, a part of the heat exchange water along the opening direction of each of the open / close valves 55 and 56 is The heat storage tank 50 is introduced into the upper portion, and the remaining heat exchange water is circulated again along the heat exchange water circulation pipe 58 to perform a cooling operation while being mixed with low temperature water at an appropriate temperature. At this time, by opening and closing the cock 57 on the heat exchange water circulation pipe 57, the above circulation process can be repeated or interrupted.
그러나, 만일 냉방부하가 축열조(50)의 축열량을 초과하거나 순간적으로 급격히 냉방부하가 증가하게 될 경우에는, 냉방사이클장치부(H)를 재가동하여 이를 보충할 수 있다. 이 경우에 있어서의 냉매의 흐름은 상기의 축냉운전시와 동일한 냉매순환과정을 갖는다.However, if the cooling load exceeds the heat storage amount of the heat storage tank 50 or the cooling load rapidly increases, the cooling cycle device unit H may be restarted to replenish it. The refrigerant flow in this case has the same refrigerant circulation process as in the above-described cold storage operation.
(3) 축열운전 (3) heat storage operation
축열운전에 따른 냉매 및 열교환수의 순환과정은 도 4에 도시한 바와 같다. 즉, 압축기(10)에서 압축된 고온고압의 냉매는 급탕용 열교환기(80)와 사방밸브(11)를 통해 축열장치부측 열교환기(40)를 지나면서 상기 축열조(50)의 하부로부터 공급되는 저온의 열교환수를 가열시키는 열교환 과정을 통해 응축되고, 다시 그 냉매는 다른 팽창밸브(30b)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 지중열교환기측 열교환기(20)를 통과하게 되고, 그 과정에서 완전 증발된 후, 상기 사방밸브(11)를 통해 상기 압축기(10)로 다시 흡입된다. 이때, 상기 급탕용 열교환기(80)에서의 열교환에 의해 생성된 급탕 고온수는 그 열교환수 순환관(82)을 통해 급탕수조(81)내로 집수되고, 상기 지중열교환기(G)에서는 개폐밸브(62b)의 차단조작과 함께 펌프(61b)가 가동되면서 타측의 개폐밸브(62a)를 통해 지중열교환수 순환관(63)을 따라 계속 역순환하여 냉동사이클장치부(H)의 냉매쪽으로 지열을 공급하게 된다.The circulation process of the refrigerant and the heat exchange water according to the heat storage operation is as shown in FIG. 4. That is, the high temperature and high pressure refrigerant compressed by the compressor 10 is supplied from the lower portion of the heat storage tank 50 while passing through the heat storage device side heat exchanger 40 through the hot water heat exchanger 80 and the four-way valve 11. The heat is condensed through a heat exchange process that heats the low temperature heat exchange water, and the refrigerant is passed through the other expansion valve 30b to a low temperature low pressure state, and then passes through the underground heat exchanger side heat exchanger 20, and in the process After evaporation, it is sucked back into the compressor 10 through the four-way valve 11. At this time, the hot water supply hot water generated by the heat exchange in the hot water heat exchanger 80 is collected into the hot water supply tank 81 through the heat exchange water circulation pipe 82, the opening and closing valve in the underground heat exchanger (G). The pump 61b is operated together with the blocking operation of the 62b and continues to reversely flow along the underground heat exchange water circulation pipe 63 through the other opening and closing valve 62a to discharge the geothermal heat toward the refrigerant of the refrigeration cycle unit H. Will be supplied.
아울러, 인버터펌프(51)의 가동에 의해 축열조(50)의 하부에서 강제 배출되는 열교환수는, 개폐밸브(55)(56)의 차단 및 삼방밸브(52)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 상기 열교환기(40)를 통과하면서 가열된 후, 다른 삼방밸브(53)(54) 및 상기 개폐밸브(55)의 일방향 개로 조작에 의해 상기 축열조(50)의 상부로 유입되는 순환과정이 이루어지면서 축열조 내에 축열 저장된다(Cycle B).In addition, the heat exchange water forcibly discharged from the lower portion of the heat storage tank 50 by the operation of the inverter pump 51 is blocked by the shutoff valves 55 and 56 and the one-way opening operation of the three-way valve 52. After being heated while passing through the heat exchanger 40, the circulation process is made to flow into the upper portion of the heat storage tank 50 by one-way opening operation of the other three-way valve 53, 54 and the on-off valve 55. The heat storage is stored in the heat storage tank (Cycle B).
(4) 난방운전 (4) heating operation
난방운전에 따른 열교환수의 순환과정은 도 5에 도시한 바와 같다. 즉, 상기의 야간 축열운전 과정을 거쳐서 축열조(50) 내에 저장된 고온수를 주간에 해열시켜 활용함으로써 난방운전을 수행하게 된다. 이때, 건물의 층고가 낮을 경우에는 냉동사이클장치부(H)의 가동 없이 상기 축열조(50)에 저장된 고온수를 직접 실내기(70)로 순환시키는 과정만으로 상기 실내기(70)쪽에 온기를 전달하게 된다(Cycle B').The circulation process of the heat exchange water according to the heating operation is as shown in FIG. That is, the heating operation is performed by dissipating the hot water stored in the heat storage tank 50 during the day through the night heat storage operation process. At this time, when the height of the building is low, the hot water stored in the heat storage tank 50 is directly circulated to the indoor unit 70 without the operation of the refrigeration cycle unit H, thereby transferring the warmth to the indoor unit 70. (Cycle B ').
상기의 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 축열조(50)의 상부에 축냉 저장된 상대적 고온수(50a)는, 인버터펌프(51)의 가동에 의해 강제 배출되어 개폐밸브(55)(56)의 차단 및 삼방밸브(52)(53)(54)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 실내기(70)를 통과하면서 실내공간쪽으로 온기를 공급한 후, 상기 개폐밸브(55)(56) 중 한쪽 개폐밸브(56)의 개방방향을 따라 상기 축열조(50)의 하부로 교차되어 유입되는 순환구조의 난방운전을 수행하게 되는 것이다. 이때, 열교환수 순환관(57) 상의 코크(57)를 개폐 조작함으로써 상기의 순환과정을 반복 또는 차단할 수 있음은 물론이다.When the heat exchange water circulation process described above is described in more detail, the relative high temperature water 50a stored in the upper portion of the heat storage tank 50 is forcibly discharged by the operation of the inverter pump 51 so that the on / off valves 55 and 56 are closed. After the warm air is supplied to the indoor space while passing through the indoor unit 70 by one-way opening and closing of the three-way valves 52, 53, and 54, one of the opening and closing valves 55, 56 is opened and closed. The heating operation of the circulation structure is introduced to cross the lower portion of the heat storage tank 50 along the opening direction of the valve 56. At this time, by opening and closing the cock 57 on the heat exchange water circulation pipe 57, the circulation process can be repeated or interrupted.
참고적으로, 상기 난방운전에 있어서는, 앞서 설명한 냉방운전시와 달리 고온의 물은 밀도가 낮기 때문에 축열조(50)의 상부에 집수되는 바, 이러한 축열조(50)내 상부의 상대적 고온수(50a)를 실내기(70)쪽으로 강제 순환시켜 공급하고, 상기 실내기(70)를 거쳐 환수되는 낮은 온도의 물을 한쪽 개폐밸브(56)의 일방향 개방조작에 의해 상기 축열조(50)의 하부로 유입되도록 하는 '8'자형의 순환사이클을 형성한다. 이때, 환수된 열교환수의 온도는 상기 축열조(50)내 상부의 고온수 보다 낮아 상대적으로 밀도가 크기 때문에 서로 섞이지 않고 그 사이에 미소 폭의 온도성층화 경계층(50b)을 이루게 된다.For reference, in the heating operation, unlike the cooling operation described above, the hot water is collected at the upper portion of the heat storage tank 50 because the water is low in density, and thus the relative high temperature water 50a in the upper portion of the heat storage tank 50 is used. Supplying by forced circulation to the indoor unit 70, the low temperature water returned through the indoor unit 70 flows into the lower portion of the heat storage tank 50 by the one-way opening operation of the one-way valve 56. It forms an 8 'shaped cycle. At this time, the temperature of the returned heat exchange water is lower than the hot water of the upper portion of the heat storage tank 50 so that the density is relatively high, so that they do not mix with each other and form a temperature stratified boundary layer 50b having a small width therebetween.
아울러, 만일 난방부하가 축열조(50)의 축열량을 초과하거나 순간적으로 급격히 난방부하가 증가하게 될 경우에는, 냉방사이클장치부(H)를 재가동하여 이를 보충할 수 있다. 이 경우에 있어서의 냉매의 흐름은 상기의 축열운전시와 동일한 냉매순환과정을 갖는다.In addition, if the heating load exceeds the heat storage amount of the heat storage tank 50 or the heating load is suddenly increased, it is possible to replenish this by restarting the cooling cycle unit (H). In this case, the flow of the refrigerant has the same refrigerant circulation process as in the heat storage operation.
이상, 본 발명의 구조에 의한 각각의 운전모드별 냉매 및 열교환수의 순환 작동상태를 살펴보았다. 이러한 본 발명의 시스템과 비교해 볼 때, 기존의 히트펌프유닛은 동절기 난방시 증발기측 냉매순환관 외측에 성에가 발생하여 결빙됨으로써 난방효율이 저하되는 문제점이 있었으나, 본 발명의 시스템은 외기 온도보다 따뜻한 지열을 이용하여 이러한 문제점을 손쉽게 해결하였으며, 따라서 난방효율을 향상시킬 수 있는 것이다. 또한, 이전의 축열식 히트펌프유닛은 축열조에 저장된 온수를 난방에 사용하지 않았으나, 본 발명의 시스템은 축열조에 저장된 온수를 직접 난방에 사용할 수 있으므로 난방운전비를 현저히 절감할 수 있는 것이다.In the above, the circulation operation state of the refrigerant and the heat exchange water for each operation mode according to the structure of the present invention has been described. Compared with the system of the present invention, the conventional heat pump unit has a problem that the heating efficiency is lowered by the frost generated outside the refrigerant circulation pipe on the evaporator side during the winter heating, the heating efficiency is lowered, but the system of the present invention is warmer than the outside temperature Using geothermal to solve this problem easily, it is possible to improve the heating efficiency. In addition, the previous heat storage heat pump unit did not use hot water stored in the heat storage tank for heating, but the system of the present invention can significantly reduce the heating operation cost because the hot water stored in the heat storage tank can be used for direct heating.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에서와 같이 지열을 열원으로 하는 히트펌프유닛으로 냉난방을 수행하는 경우에는, 공기열원 방식의 히트펌프유닛이나 에어컨에 비해 부하변동이 작아져서 그 COP지수가 냉방시에 4.5, 난방시에 3.5 정도의 높은 효율을 유지하게 됨으로써 에너지 절감 및 피크부하의 저감효과가 현저히 향상됨은 물론이고, 이산화탄소 배출량도 현저히 줄어들게 되어 환경친화적인 냉난방시스템을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 동절기 혹한시에 발생하는 난방성능의 감소나 콜드블로우 또는 콜드드래프트를 방지할 수 있으므로 쾌적한 난방환경을 유지할 수 있다.When air-conditioning is performed by a heat pump unit using geothermal heat as in the embodiment of the present invention described above, the load fluctuation is smaller than that of an air heat source type heat pump unit or an air conditioner, so that the COP index is cooled at the time of cooling. 4.5 and 3.5, when heating, the efficiency of the energy saving and the peak load reduction effect is significantly improved, as well as carbon dioxide emissions are significantly reduced, there is an advantage that can implement an environmentally friendly cooling and heating system. In particular, it is possible to prevent a decrease in the heating performance or cold blow or cold draft occurring during the cold winter season can maintain a comfortable heating environment.
또한, 본 발명의 축열식 지열히트펌프유닛은 온도변화가 거의 없는 안정적인 지열을 열원으로 이용함과 아울러 수축열 방식을 적용하여 운전하게 됨에 따라 기존의 온도부하추종 운전방식이 아닌 정속도운전을 연속적으로 수행함으로써 고효율을 발휘하게 된다. 그리고, 본 발명은 인버터 방식의 압축기를 적용하지 않고도 연속운전을 수행할 수 있으므로 복잡한 회로 및 이에 의한 제어시스템을 구축할 필요가 없고, 이로 인한 잦은 고장의 우려가 없으며, 장치의 가격상승요인을 제거할 수 있어 제품의 상용화가 가능하다.In addition, the regenerative geothermal heat pump unit of the present invention uses stable geothermal heat with little change in temperature as a heat source and operates by applying a shrinkage heat method, thereby continuously performing a constant speed operation instead of a conventional temperature load following operation method. As a result, high efficiency is achieved. In addition, since the present invention can perform continuous operation without applying an inverter-type compressor, there is no need to construct a complicated circuit and a control system thereby, and there is no fear of frequent failures, thereby eliminating the price increase factor of the device. It is possible to commercialize the product.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 함은 극히 당연한 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, this may be regarded as exemplary, and those skilled in the art may conceive various modifications and equivalent embodiments therefrom. It should be understood that such equivalent embodiments are also included within the claims of the present invention. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
도 1은 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌유닛의 순환구조를 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a circulation structure of a heat storage geothermal heat pump unit according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛에 의한 냉방축열운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a circulation state during the cooling heat storage operation by the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛에 의한 냉방운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing a circulation state during the cooling operation by the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛에 의한 난방축열운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.Figure 4 is a schematic diagram showing a circulation state during the heating heat storage operation by the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 축열식 지열히트펌프유닛에 의한 난방운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.5 is a schematic diagram showing a circulation state during heating operation by the heat storage type geothermal heat pump unit according to the present invention.
도 6은 본 발명에 적용된 축열조의 축열방식 및 그 가동원리를 도시한 개념도이다.Figure 6 is a conceptual diagram showing the heat storage method and the operation principle of the heat storage tank applied to the present invention.
도 7은 본 발명의 축열조에 대응되는 성능을 발휘하기 위한 종래 기술에 따른 축열조의 축열방식을 도시한 개념도이다.7 is a conceptual diagram illustrating a heat storage method of a heat storage tank according to the prior art for achieving a performance corresponding to the heat storage tank of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
G ; 지중열교환기 H ; 냉동사이클장치부G; Underground heat exchanger H; Refrigeration cycle unit
DELTA w ; 온도성층화 경계층의 두께 1 ; 지표면 DELTA w; Thickness of the temperature stratified boundary layer 1; Surface
10 ; 압축기 11 ; 사방밸브10; Compressor 11; Four-way Valve
12 ; 냉매순환관 20, 40 ; 열교환기12; Refrigerant circulation tubes 20 and 40; heat transmitter
30a, 30b ; 팽창밸브 50 ; 축열조30a, 30b; Expansion valve 50; Heat storage tank
50a ; 상대적 고온수 50b ; 온도성층화 경계층50a; Relative hot water 50b; Temperature stratification boundary layer
50c ; 상대적 저온수 51 ; 인버터펌프50c; Relative low temperature water 51; Inverter Pump
52, 53, 54 ; 삼방밸브 55, 56, 62a, 62b ; 개폐밸브52, 53, 54; Three-way valves 55, 56, 62a, 62b; Valve
57 ; 코크 58, 82 ; 열교환수 순환관57; Coke 58, 82; Heat exchange water circulation pipe
61a, 61b ; 펌프 63 ; 지중열교환수 순환관61a, 61b; Pump 63; Underground heat exchange water circulation pipe
70 ; 실내기 80 ; 급탕용 열교환기70; Indoor unit 80; Hot Water Heat Exchanger
81 ; 급탕수조81; Hot water tank

Claims (3)

  1. 기체 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출시켜주는 압축기와, 상기 압축기의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행하는 한 쌍의 열교환기와, 상기 각 열교환기 사이에 배치되어 어느 한쪽의 열교환기로부터 응축된 액체냉매의 유량조정에 의해 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 그 액체냉매를 나머지 한쪽의 열교환기로 분사시켜주는 팽창밸브를, 냉매순환관 상에 각각 구비하여 상기 압축기를 통해 토출된 고온고압의 압축기체냉매를 선택적으로 정·역방향 순환가동시킴으로써 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 반복 수행하는 냉동사이클장치부;A compressor that compresses and discharges a gas refrigerant at high temperature and high pressure, and is disposed on both sides of the compressor, one of which condenses the high pressure gas refrigerant into a liquid state by heat dissipation through heat exchange in an aircraft. And a pair of heat exchangers each carrying out opposite heat exchange processes so as to vaporize the low-pressure liquid refrigerant in a gaseous state by an endothermic action through heat exchange in the aircraft, and disposed between each of the heat exchangers. Expansion valves which expand rapidly into low pressure liquid refrigerant by adjusting the flow rate of the liquid refrigerant condensed from the heat exchanger and then inject the liquid refrigerant into the other heat exchanger are respectively provided on the refrigerant circulation pipe and discharged through the compressor. Compression, condensation, expansion and expansion of refrigerant by selectively forward and reverse circulation operation Refrigeration cycle unit section for performing the process is repeated;
    이 냉동사이클장치부 내의 어느 한쪽 열교환기와 결합되어 복수의 개폐밸브 및 펌프에 의해 지중열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키면서 온도변화가 거의 없는 안정적인 지중의 열을 상기 냉동사이클장치부에 대하여 열교환시켜주는 지중열교환기;Combined with any of the heat exchangers in the refrigeration cycle unit, the underground heat exchange water is selectively circulated in the forward / reverse direction by a plurality of on / off valves and pumps to heat the stable underground heat with little change in temperature to the refrigeration cycle unit. Giving underground heat exchanger;
    상기 냉동사이클장치부 내의 나머지 열교환기와 결합되어 다수의 밸브 및 펌프에 의해 열교환수를 선택적으로 정·역방향 순환시키되, 저가의 잉여전력을 활용한 상기 냉동사이클장치부의 심야 가동에 의해 열교환시킴으로써 상기 지중열교환기로부터 공급된 열을 상하 10℃ 이상 온도차의 축냉 또는 축열된 상태의 열교환수로 저장해주는 축열조가 구비된 축열장치부; 및Combined with the remaining heat exchanger in the refrigeration cycle unit portion, the heat exchange water is selectively circulated in the forward and reverse directions by a plurality of valves and pumps, and the underground heat exchange by heat exchange by the late night operation of the refrigeration cycle unit portion utilizing the low cost surplus power A heat storage device having a heat storage tank configured to store heat supplied from the air as heat exchange water in a state of being cooled or stored in a temperature difference of 10 ° C. or higher; And
    상기 축열조내 열교환수가 열교환수 순환관을 통해 정·역방향으로 순환됨에 따라 실내쪽으로 냉기 또는 온기를 공급할 수 있도록 상기 축열장치부 일측의 열교환수 순환관 상에 설치된 실내기;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 축열식 지열히트펌프유닛.And an indoor unit installed on the heat exchange water circulation pipe at one side of the heat storage device unit so that the heat exchange water in the heat storage tank is circulated in the forward and reverse directions through the heat exchange water circulation pipe to supply cold air or warmth to the interior. Regenerative geothermal heat pump unit.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 축열장치부는 상기 축열조와 실내기 간에 소정의 형태로 분기 배관된 열교환수 순환관을 따라 열교환수가 선택적으로 유로 전환되어 냉·난방시에 단일의 열교환수 순환관에 대하여 각각 반대방향으로 순환될 수 있도록 해당 유로분기지점에 다수의 삼방밸브와 개폐밸브가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 축열식 지열히트펌프유닛.The heat storage device unit is selectively switched to the heat exchange water flow path along the heat exchange water circulation pipe branch piped in a predetermined form between the heat storage tank and the indoor unit so that each of the heat storage water can be circulated in the opposite direction to the single heat exchange water circulation pipe during cooling and heating A regenerative geothermal heat pump unit, characterized in that a plurality of three-way valves and on-off valves are installed at the flow path branch.
  3. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 냉동사이클장치부는 그 한 쌍의 열교환기 중 어느 한쪽에는 상기 압축기로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러 나머지 한쪽의 열교환기로부터는 상기 압축기에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 압축기와 각 열교환기 사이의 냉매순환관 상의 유로분기지점에 사방밸브가 설치되어 이루어지며,The refrigeration cycle unit selectively selects a flow path of the refrigerant to allow high pressure gas refrigerant to flow into the compressor from one of the pair of heat exchangers, and low pressure gas refrigerant to flow into the compressor from the other heat exchanger. Four-way valve is installed at the branch point of the flow path on the refrigerant circulation pipe between the compressor and each heat exchanger so as to convert to,
    상기 압축기와 사방밸브 사이의 상기 냉매순환관 상에는 고온의 급탕수를 생성해내기 위한 별도의 급탕용 열교환기가 더 설치되고, 상기 급탕용 열교환기와 연결된 별도의 열교환수 순환관 상에는 상기 급탕용 열교환기의 열교환 과정을 통해 형성된 고온수를 저장할 수 있는 급탕수조가 더 구비된 것을 특징으로 하는 축열식 지열히트펌프유닛.A separate hot water supply heat exchanger is further installed on the refrigerant circulation pipe between the compressor and the four-way valve, and a separate heat exchanger heat exchanger for generating a hot water supply water is provided on the refrigerant heat exchanger. A heat storage geothermal heat pump unit, characterized in that the hot water tank is further provided to store the hot water formed through the heat exchange process.
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