KR20060065886A - 열병합 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 폐열 회수수단과 실외 열교환기 중 적어도 어느 하나의 열을 땅속으로 방열시키는 방열수단이 구비됨으로써, 방열팬 등의 삭제로 인해 팬소음이 크게 저감될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 방열수단이 땅속에 설치됨으로써 시스템을 콤팩트화시킬 수 있는 효과가 있다.
열병합 발전 시스템, 공기조화기, 방열, 지열, 흡입 과열 열교환기

Description

열병합 발전 시스템{Cogeneration system}
도 1은 종래 기술에 따른 열병합 발전 시스템이 도시된 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 운전시 작동상태가 도시된 개략도,
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 과부하시 작동상태가 도시된 개략도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 냉방 운전시 작동상태가 도시된 개략도,
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 운전시 작동상태가 도시된 개략도,
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 냉방 운전시 작동상태가 도시된 개략도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
50: 발전기 51: 엔진
52: 압축기 53: 사방밸브
54: 실내 열교환기 55: 팽창기구
56: 실외 열교환기 58: 폐열 회수수단
60: 방열수단 61: 실내기
62: 실내 송풍기 63: 실외기
64: 배기가스 열교환기 65: 냉각수 열교환기
66: 배출관 67: 냉각수 순환유로
68: 열전달 수단 69: 열매체 순환유로
70: 열매체 순환펌프 71: 제 1지열 열교환기
72: 제 2지열 열교환기 73: 제 1지열 순환유로
74: 제 2지열 순환유로 75: 제 1삼방밸브
76: 제 2삼방밸브 77: 제 3삼방밸브
78: 제 4삼방밸브 90: 흡입 과열 열교환기
91: 제 3지열 순환유로 92: 지열 순환펌프
93: 제 5삼방밸브 94: 제 6삼방밸브
95: 냉매 순환유로 96: 바이패스 유로
97: 제 7삼방밸브 98: 제 8삼방밸브
본 발명은 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 땅속의 지열을 이용하 여 열을 흡수 또는 방출하도록 구성됨으로써, 방열 소음을 저감시키고 난방성능을 향상시켜 시스템 효율이 향상될 수 있는 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전 시스템은 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.
이와 같은 열병합 발전 시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전을 하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합 열효율을 70~80%까지 높이는 것이 가능하여, 최근에는 건축물의 전력, 열원으로 주목받고 있으며, 특히 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 냉난방 장치에 활용되는 열병합 시스템이 도시된 구성도이다.
종래 기술에 따른 열병합 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스가 공급되는 엔진(1)과, 상기 엔진(1)에 의해 구동되어 전기를 생성시키는 발전기(3)와, 상기 엔진(1)을 냉각한 냉각수 열을 회수하는 냉각수 열교환기(5)와, 상기 엔진(1)의 배기가스 배출통로(7)상에 구비되어 배기가스 열을 회수하는 배기가스 열교환기(9)와, 상기 냉각수 열과 배기가스 열을 냉난방 장치(20)로 전달하는 열전달 라인(11)을 포함하여 구성된다.
상기 발전기(3)에서 생성된 전기는 냉난방 장치 또는 다른 조명 및 전자제품 등에 다양하게 이용된다.
그리고, 상기 엔진(1)에서 발생되는 폐열, 즉 상기 엔진(1)을 냉각하면서 발생되는 냉각수 열과, 상기 엔진(1)으로부터 배출되는 배기가스에서 발생되는 배기가스 열은 상기 냉난방 장치(20)의 난방 운전시에 이용되는 바, 냉방운전시에는 폐열을 방열하기 위해 열교환기(15)와 방열팬(16)으로 이루어진 방열장치917)가 구비된다.
상기 냉난방 장치(20)는 냉방장치로 사용할 수 있는 동시에 냉동사이클의 냉매 흐름을 반대로 하여 난방장치로도 사용할 수 있는 히트 펌프식으로 구성되는 바, 통상의 히트 펌프식 구성과 같이 압축기(21), 사방밸브(23), 실외 열교환기(25), 실외팬(26), 팽창장치(27), 실내 열교환기(29)등으로 구성된다.
상기 실외 열교환기(25)측에는 상기 냉난방 장치(20)의 난방시에 상기 엔진(1)의 폐열을 이용하여 상기 실외 열교환기(25)를 통과하는 공기를 예열시키도록 공기예열 열교환기(30)가 장착된다.
상기 공기예열 열교환기(30)은 상기 냉각수 열교환기(5) 및 배기가스 열교환기(9)와 상기 열전달 라인(11)으로 연결된다.
상기와 같이 구성된 종래 기술에 따른 열병합 시스템의 작동을 서명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 냉난방 장치(20)가 난방 운전될 때, 상기 엔진(1)으로부터 배출된 배기가스는 상기 배기가스 열교환기(9)로 유입되어, 상기 배기가스 열교환기(9)를 통과하는 열매와 열교환하게 된다.
배기가스로부터 열을 흡수한 열매는 상기 공기 예열 열교환기(30)측으로 이동하여 실외 공기를 예열하게 된다.
이 예열된 공기는 상기 실외 열교환기(25)를 열교환시킴으로써 외기 온도가 늦은 경우에 발생할 수 있는 난방 능력 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉난방 장치(20)가 냉방 운전될 때는 폐열의 공급이 필요하지 않으므로 상기 열전달 라인(11)에 연결되는 방열라인(13)으로 유로를 변경하여 상기 방열장치(17)를 통해 폐열을 외부로 방열시키거나, 급탕이나 온수 공급장치등의 또 다른 시스템에 제공하여 활용하게 된다.
도 1에서 참조 부호 P는 각 라인의 열전달 매체를 유동시키는 펌프이고, V는 상기 열전달 라인(11)에서 방열 라인(13)으로 유로를 전환하는 밸브이다.
그러나, 종래 기술에 따른 열병합 시스템은 상기 방열장치의 방열 팬으로 인한 소음이 발생되고, 상기 방열장치의 설치공간으로 인해 시스템을 콤팩트화시키는 데 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지열을 이용하여 열을 흡수 또는 방출하도록 구성됨으로써, 시스템 효율이 향상될 수 있는 열병합 발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 발전기와, 상기 발전기가 전력을 생산하도록 상기 발전기를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과, 압축기와 사방밸브와 실내 열교환기와 팽창기구와 실외 열교환기를 포함하는 히트 펌프식 공기조화기와, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 구동원의 폐열을 회수하여 상기 실외 열교환기로 회수시키도록 설치된 폐열 회수수단과, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 폐열 회수수단과 실외 열교환기 중 적어도 하나의 열을 땅속으로 방열시킬 수 있도록 설치된 방열수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 운전시 작동상태가 도시된 개략도이고, 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 과부하시 작동상태가 도시된 개략도이며, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 냉방 운전시 개략도이다.
본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 발전기(50)와, 상기 발전기(50)가 전력을 생산하도록 상기 발전기(50)를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과, 압축기(52)와 사방밸브(53)와 실내 열교환기(54)와 팽창기구(55)와 실외 열교환기(56)를 포함하는 히트 펌프식 공기조화기와, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 구동원(51)의 폐열을 회수하여 상기 실외 열교환기(56)로 회수시키도록 설치된 폐열 회수수단(58)과, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 폐열 회수수단(58)과 실외 열교환기(56) 중 적어도 하나의 열을 땅속으로 방열시킬 수 있도록 설치된 방열수단(60)을 포함하여 구성된다.
상기 발전기(50)는 교류 발전기와 직류 발전기 중 어느 하나로서, 상기 구동원의 출력축에 회전자가 연결되어 상기 출력축의 회전시 전력을 생산하며, 상기 구동원은 엔진(51)이나 연료 전지 등이 사용되어지는 바, 이하 엔진(51)으로 한정하여 설명한다.
상기 엔진(51)에는 내부에 연소실이 구비되고, 상기 연소실로 액화천연가스 또는 액화석유가스 등의 연료가 투입되는 연료관(51a)과, 상기 연소실에서 배기되는 배기가스가 안내되는 배기관(51b)이 각각 연결된다.
상기 히트 펌프식 공기조화기는 상기 발전기(50)에서 생산된 전력이 상기 압축기(52)를 구동하는데 이용되도록 상기 발전기(50)와 전력선으로 연결된다.
상기 히트 펌프식 공기조화기는 실내기(61)에 상기 실내 열교환기(54)가 설치됨과 아울러 상기 실내 열교환기(54)로 실내 공기를 통과시키는 실내 송풍기(62)가 설치된다.
그리고, 실외기(63)에는 상기 압축기(52)와 사방밸브(53)와 팽창기구(55)와 실외 열교환기(56)가 설치된다.
한편, 상기 폐열 회수 수단(58)은 상기 엔진(51)에서 배기된 배기가스의 열을 빼앗도록 설치된 배기가스 열교환기(64)와, 상기 엔진(51)을 냉각시킨 냉각수의 열을 빼앗도록 설치된 냉각수 열교환기(65)와, 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각 수 열교환기(65) 중 적어도 어느 하나의 열을 상기 실외 열교환기(56)로 전달하도록 형성된 열전달 수단을 포함하여 구성된다.
상기 배기가스 열교환기(64)는 상기 엔진(51)의 배기관(51b)에 연결되고, 상기 배기가스 열교환기(64)에는 상기 배기가스 열교환기(64)를 통과한 배기가스를 외부로 안내하는 배출관(66)이 연결된다.
상기 냉각수 열교환기(65)는 상기 엔진(51)을 냉각시키면서 가열된 냉각수가 순환하는 냉각수 순환유로(67)에 의해 상기 엔진(51)과 연결되고, 상기 냉각수 순환유로(67)상에는 냉각수를 펌핑시키는 냉각수 펌프(79)가 설치된다.
상기 열전달 수단(68)은 상기 배기가스 열교환기(64)의 열만을 상기 실외 열교환기(56)로 전달하도록 구성되는 것도 가능하고, 상기 냉각수 열교환기(65)의 열만을 상기 실외 열교환기(56)로 전달하도록 구성되는 것도 가능하며, 상기 배기가스 열교환기(64)의 열 뿐만 아니라 상기 냉각수 열교환기(65)의 열도 상기 실외 열교환기(56)로 전달하도록 구성되는 것도 가능한 바, 이하, 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(65) 모두의 열을 상기 실외 열교환기(56)로 전달하는 것으로 한정하여 설명한다.
상기 열전달 수단(68)은 상기 냉각수 열교환기(65)와 배기가스 열교환기(64)를 차례로 통과하면서 가열된 열매체가 상기 실외 열교환기(56)로 열을 전달한 후, 다시 상기 냉각수 열교환기(65)로 순환될 수 있도록 형성된 열매체 순환유로(69)와, 상기 열매체를 순환 펌핑시키도록 설치된 열매체 순환 펌프(70)를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 방열수단(60)은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 폐열 회수수단(58)의 열을 땅속으로 방열시키도록 형성되어, 땅속에 설치된 제 1지열 열교환기(71)와, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 실외 열교환기(56)의 열을 땅속으로 방열시키도록 형성되어 땅속에 설치된 제 2지열 열교환기(72)로 구성된다.
상기 열전달 수단(68)은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(65)에 의해 가열된 열매체가 상기 제 1지열 열교환기(71)로 열을 전달하여 땅속으로 방열되도록 형성된 제 1지열 순환유로(73)와, 상기 실외 열교환기(56)에 의해 가열된 열매체가 상기 제 2지열 열교환기(72)로 열을 전달하여 땅속으로 방열되도록 형성된 제 2지열 순환유로(74)를 더 포함하여 구성된다.
상기 제 1, 2지열 열교환기(71)(72)는 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 가열된 열매체를 냉각시킬 수 있도록 대기보다 온도가 낮은 땅속에 묻혀 설치되고, 상기 제 1, 2지열 순환유로(73)(74)는 상기 열매체 순환유로(69)와 상기 제 1,2지열 열교환기(71)(72)를 연결한다.
또한, 상기 열전달 수단(68)은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(65)에 의해 가열된 열매체가 상기 제 1지열 열교환기(71)로 순환하고, 상기 실외 열교환기(56)에 의해 가열된 열매체는 상기 제 2지열 열교환기(72)로 순환하도록 함과 아울러, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시에는 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(65)에 의해 가열된 열매체가 상기 실외 열교환기(56)로 순환하도록 상기 열매체 순환유로(69)와 제 1,2지열 순환유로(73)(74)를 조절하는 제 1,2밸브수단을 더 포함하여 구성된다.
즉, 상기 제 1밸브수단은 상기 배기가스 열교환기(64)에 의해 가열된 열매체가 상기 제 1지열 열교환기(71)로 공급되거나 상기 실외 열교환기(56)로 공급되도록 상기 열매체 순환유로(69) 중에서 상기 제 1지열 순환유로(73)의 일단이 연결되는 부분에 설치된 제 1삼방밸브(75)와, 냉방 운전시 상기 제 1지열 열교환기(71)를 통과한 열매체가 상기 냉각수 열교환기(65)로 순환될 수 있도록 상기 열매체 순환유로(69)중에서 상기 제 1지열 순환유로(73)의 타단이 연결되는 부분에 설치된 제 2삼방밸브(76)으로 이루어진다.
여기서, 상기 제 1삼방밸브(75)와 제 2삼방밸브(76)는 난방 운전시 과부하가 걸릴 경우 상기 배기가스 열교환기(64)에 의해 가열된 열매체 중 일부가 상기 제 1삼방밸브(75)를 통해 상기 제 1지열 열교환기(71)로 방열된 후 다시 상기 냉각수 열교환기(65)로 순환될 수 있도록 한다.
그리고, 상기 제 2밸브수단은 난방 운전시 상기 배기가스 열교환기(64)에 의해 가열된 열매체가 상기 실외 열교환기(56)로 공급되거나, 냉방 운전시 상기 실외 열교환기(56)에 의해 가열된 열매체가 상기 제 2지열 열교환기(72)로 공급되도록 상기 열매체 순환유로(69) 중에서 상기 제 2지열 순환유로(74)의 일단이 연결되는 부분에 설치된 제 3삼방밸브(77)와, 상기 제 2지열 열교환기(72)를 통과한 열매체가 상기 실외 열교환기(56)로 순환되도록 상기 열매체 순환유로(69) 중에서 상기 제 2지열 순환유로(74)의 타단이 연결되는 부분에 설치된 제 4삼방밸브(78)로 이루어진다.
한편, 상기 히트 펌프식 공기조화기를 제어하고, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 열매체 순환 펌프(70)를 온시킴과 아울러 상기 제 1,2,3,4삼방밸브(75)(76)(77)(78)를 난방 모드로 제어하며, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 열매체 순환 펌프(70)를 온시킴과 아울러 상기 제 1,2,3,4삼방밸브(75)(76)(77)(78)를 냉방모드로 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 1실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 연료관(51a)을 통해 연료가 투입되고, 상기 엔진(51)이 작동되면 상기 엔진(51)의 출력축은 회전되고, 상기 발전기(50)는 전력을 발생시킨다.
상기 엔진(51)의 작동시 상기 엔진(51)에서 배기된 배기가스는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 열교환기(64)를 통과하면서 상기 배기가스 열교환기(64)를 통과하는 열매체에 열을 빼앗긴 후 상기 배출관(66)을 통해 대기중으로 방출된다.
또한, 상기 엔진(51)의 작동시 상기 냉각수 펌프(79)가 구동되어, 상기 엔진(51)을 냉각시키면서 가열된 냉각수는 상기 냉각수 순환유로(67)를 통해 상기 냉각수 열교환기(65)로 이동되고, 상기 냉각수 열교환기(65)를 통과하는 열매체에 열을 빼앗긴 후, 상기 냉각수 순환 유로(67)를 통해 상기 엔진(51)으로 순환된다.
한편, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(52)는 상기 발전기(50)에서 생산된 전력으로 구동되고, 상기 사방밸브(53)는 난방 모드로 절환되며, 상기 제 1,2,3,4삼방밸브(75)(76)(77)(78)는 난방 모드로 제어되고, 상기 열매체 순환 펌프(70)는 구동된다.
상기 압축기(52)가 구동됨과 아울러 상기 사방밸브(53)가 난방 모드로 절환되면, 상기 압축기(52)에서 압축된 냉매는 상기 사방밸브(53)와 실내 열교환기(54), 팽창기구(55), 실외 열교환기(56), 사방밸브(53)를 차례로 통과하여 상기 압축기(52)로 순환되고, 상기 실내 열교환기(54)는 응축기로 작용되어 실내의 공기를 가열시키게 된다.
그리고, 상기 제 1삼방밸브(75)와 제 2삼방밸브(76)는 상기 제 1지열 순환유로(73)를 밀폐함과 아울러 상기 열매체 순환유로(69)를 개방하고, 상기 제 3삼방밸브(77)와 제 4삼방밸브(78)는 상기 제 2지열 순환유로(74)를 밀폐함과 아울러 상기 열매체 순환유로(69)를 개방하게 되며, 상기 열매체 순환 펌프(70)는 열매체를 펌핑시킨다.
상기 열매체 순환 펌프(70)에 의해 펌핑된 열매체는 상기 냉각수 열교환기(65)를 통과하면서 가열된 후 상기 배기가스 열교환기(64)로 유입되고, 상기 배기가스 열교환기(64)에 의해 한번 더 가열된 후 상기 열매체 순환 유로(69)를 통해 상기 실외 열교환기(56)로 유입된다.
상기 실외 열교환기(56)로 유입된 열매체는 상기 히트 펌프식 공기조화기를 순환하는 냉매와 열교환을 하게 되어 상기 냉매를 가열시키게 되고, 상기 실외 열 교환기(56)는 증발기 역할을 하게 된다.
한편, 난방 운전시 과부하가 걸릴 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 1삼방밸브(75)와 제 2삼방밸브(76)는 상기 제 1지열 순환유로(73)를 개방시키게 되며, 상기 배기가스 열교환기(64)로부터 가열된 열매체 중 일부가 상기 제 1지열 순환유로(73)를 통해 상기 제 1지열 열교환기(71)로 유입되도록 하여 방열이 이루어지도록 한다.
반면에, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(52)는 상기 발전기(50)에서 생산된 전력으로 구동되고, 상기 사방밸브(53)는 냉방 모드로 절환되며, 상기 제 1,2,3,4삼방밸브(75)(76)(77)(78)는 냉방 모드로 제어되고, 상기 열매체 순환 펌프(70)는 구동된다.
상기 압축기(52)가 구동됨과 아울러 상기 사방밸브(53)가 냉방 모드로 절환되면, 상기 압축기(52)에서 압축된 냉매는 상기 사방밸브(53)와 실외 열교환기(56), 팽창기구(55), 실내 열교환기(54), 사방밸브(53)를 차례로 통과하여 상기 압축기(52)로 순환되고, 상기 실내 열교환기(54)는 증발기로 작용되어 실내의 공기를 냉각시킨다.
그리고, 냉방 운전시에는 상기 엔진(51)으로부터 회수된 폐열이 필요하지 않게 되므로 상기 제 1삼방밸브(75)와 제 2삼방밸브(76)는 상기 제 1지열 순환유로(73)를 개방하고, 상기 제 3삼방밸브(77)와 제 4삼방밸브(78)는 상기 제 2지열 순환유로(74)를 개방하게 되며, 상기 열매체 순환 펌프(70)는 열매체를 펌핑시킨다.
상기 열매체 순환 펌프(70)에 의해 펌핑된 열매체는 상기 냉각수 열교환기(65)를 통과하면서 가열된 후 상기 배기가스 열교환기(64)로 유입되고, 상기 배기가스 열교환기(64)에 의해 다시 가열된 후 상기 제 1삼방밸브(75)를 통해 상기 제 1지열 순환유로(73)로 유입된다.
상기 제 1지열 순환유로(73)로 유입된 열매체의 온도는 땅속의 지열보다 높기 때문에, 열매체는 땅속에서 열을 빼앗기게 되어 방열이 이루어진 후, 상기 제 2삼방밸브(76)를 통해 다시 상기 열매체 순환유로(69)로 유입되어 상기 냉각수 열교환기(65)로 순환되게 된다.
또한, 상기 실외 열교환기(56)를 통과하는 열매체는 상기 히트 펌프식 공기조화기를 순환하는 냉매와 열교환을 하여 상기 냉매를 냉각시킨 후, 상기 제 3삼방밸브(77)를 통해 상기 제 2지열 순환유로(74)로 유입된다.
상기 제 2지열 순환유로(74)로 유입된 열매체의 온도는 땅속의 지열보다 높기 때문에, 열매체는 땅속에서 열을 빼앗기게 되어 방열이 이루어진 후, 상기 제 4삼방밸브(78)를 통해 다시 상기 실외 열교환기(56)로 순환하게 된다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 난방 운전시 작동상태가 도시된 개략도이고, 도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 냉방 운전시 작동상태가 도시된 개략도이다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉 매를 가열하도록 설치된 흡입 과열 열교환기(90)가 더 포함된 점을 제외하고, 발전기(50)와 구동원(51)과 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(65), 제 1,2지열 열교환기(71)(72) 등의 구성 및 작용은 본 발명의 제 1실시예와 동일하므로 동일 부호를 사용하고 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 흡입 과열 열교환기(90)는 상기 제 1지열 열교환기(71) 또는 제 2지열 열교환기(72)에 의해 가열된 열매체로부터 열을 전달받도록 구성되는 바, 여기서는 제 2지열 열교환기(72)에 의해 가열된 열매체가 상기 흡입 과열 열교환기(90)로 열을 전달하는 것으로 한정하여 설명한다.
그리고, 상기 제 2지열 열교환기(72)와 상기 흡입 과열 열교환기(90)는 제 3지열 순환유로(91)에 의해 연결된다.
상기 제 3지열 순환유로(91)상에는 상기 제 2지열 열교환기(72)에 의해 가열된 열매체를 순환 펌핑시키도록 지열 순환펌프(92)가 설치된다.
또한, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시에만 상기 제 2지열 열교환기(72)에 의해 가열된 열매체가 상기 흡입 과열 열교환기(90)로 순환되도록 제 2지열 순환유로(74)와 제 3지열 순환유로(91)를 조절하는 제 3밸브 수단이 설치된다.
상기 제 3밸브 수단은 상기 제 2지열 열교환기(72)에 의해 가열된 열매체가 상기 흡입 과열 열교환기(90)로 공급되도록 상기 제 2지열 순환유로(74) 중에서 상기 제 3지열 순환유로(91)의 일단이 연결되는 부분에 설치된 제 5삼방밸브(93)와, 상기 흡입 과열 열교환기(90)를 통과한 열매체가 상기 제 2지열 열교환기(72)로 순 환되도록 상기 제 2지열 순환유로(74) 중에서 상기 제 3지열 순환유로(91)의 타단이 연결되는 부분에 설치된 제 6삼방밸브(94)로 이루어진다.
또한, 상기 히트 펌프식 공기조화기에는 난방 운전시 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기(90)를 통과한 후 상기 압축기(52)로 흡입되도록 하고, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기(90)를 통과하지 않고 상기 압축기(52)로 직접 흡입되도록 하는 냉매조절수단이 설치된다.
상기 냉매조절수단은 상기 압축기(52)로 냉매가 흡입되도록 형성된 냉매 순환유로(95)와, 상기 냉매 순환유로(95)상에 연결되어 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기(90)로 바이패스할 수 있도록 형성된 바이패스 유로(96)와, 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉매가 상기 냉매 순환유로(95)와 바이패스 유로(96) 중 어느 하나를 통과하도록 조절하는 제 4밸브 수단으로 구성된다.
상기 제 4밸브 수단은 냉매가 상기 바이패스 유로(96)로 유입될 수 있도록 상기 바이패스 유로(96)의 입구측과 상기 냉매 순환유로(95)가 연결된 부분에 설치된 제 7삼방밸브(97)와, 상기 흡입 과열 열교환기(90)를 통과한 냉매가 상기 냉매 순환유로(95)로 순환될 수 있도록 상기 바이패스 유로(96)의 출구측과 상기 냉매 순환유로(95)가 연결된 부분에 설치된 제 8삼방밸브(98)로 이루어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 도 5에 도시된 바와 같 이, 상기 제 5,6,7,8삼방밸브(93)(94)(97)(98)는 난방 모드로 제어되고, 상기 지열 순환펌프(92)는 구동된다.
상기 제 5삼방밸브(93)와 제 6삼방밸브(94)는 상기 제 3지열 순환유로(91)를 개방하고, 상기 지열 순환펌프(92)는 상기 제 2지열 열교환기(72)로부터 가열된 열매체를 펌핑시킨다.
그리고, 상기 제 7삼방밸브(97)와 제 8삼방밸브(98)는 상기 바이패스 유로(96)를 개방시켜, 상기 압축기(52)로 흡입되는 냉매가 상기 바이패스 유로(96)를 통해 상기 흡입 과열 열교환기(90)로 유입되도록 한다.
상기 흡입 과열 열교환기(90)로 유입된 냉매는 상기 흡입 과열 열교환기(90)의 내부에서 상기 제 2지열 열교환기(72)로부터 가열된 열매체에 의해 가열되고, 이후 상기 압축기(52)로 압축된 후 상기 사방밸브(53)를 지나 상기 실내 열교환기(54)를 통과하게 되는 데, 상기 실내 열교환기(54)를 통과할 때 더 높은 열을 발생시키게 되어, 상기 히트 펌프식 공기조화기는 난방 성능이 향상되게 된다.
반면에, 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제 5,6,7,8삼방밸브(93)(94)(97)(98)는 냉방 모드로 제어되어, 상기 제 5삼방밸브(93)와 제 6삼방밸브(94)는 상기 제 3지열 순환유로(91)를 밀폐시키고, 상기 제 7삼방밸브(97)와 제 8삼방밸브(98)는 상기 바이패스 유로(96)를 밀폐시키게 된다.
따라서, 상기 사방밸브(53)를 통과한 냉매는 상기 압축기(52)로 직접 흡입되 어 압축된 후, 상기 실외 열교환기(56), 팽창기구(55), 실내 열교환기(54)를 통과하여, 실내의 공기를 냉방시키게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 폐열 회수수단과 실외 열교환기 중 적어도 어느 하나의 열을 땅속으로 방열시키는 방열수단이 구비됨으로써, 방열팬 등의 삭제로 인해 팬소음이 크게 저감될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 방열수단이 땅속에 설치됨으로써 시스템을 콤팩트화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 난방 운전시는 방열로 사용되고, 냉방 운전시에는 지열을 이용해 압축기로 흡입되는 냉매를 가열하는데 사용될 수 있기 때문에, 히트 펌프식 공기조화기의 난방성능이 증대될 수 있는 효과가 있다.
또한, 지열을 이용한 제 1,2지열 열교환기는 반영구적으로 사용이 가능하기 때문에 유지비가 적게 들고, 시스템에 대한 신뢰성이 향상될 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 발전기와;
    상기 발전기가 전력을 생산하도록 상기 발전기를 구동시킴과 아울러 열을 발생시키는 구동원과;
    압축기와 사방밸브와 실내 열교환기와 팽창기구와 실외 열교환기를 포함하는 히트 펌프식 공기조화기와;
    상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 구동원의 폐열을 회수하여 상기 실외 열교환기로 회수시키도록 설치된 폐열 회수수단과;
    상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 폐열 회수수단과 실외 열교환기 중 적어도 하나의 열을 땅속으로 방열시킬 수 있도록 설치된 방열수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 수단은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 폐열 회수수단의 열을 땅속으로 방열시키도록 형성되어 땅속에 설치된 제 1지열 열교환기와;
    상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 실외 열교환기의 열을 땅속으로 방열시키도록 형성되어 땅속에 설치된 제 2지열 열교환기로 구성된 것을 특 징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐열 회수수단은 상기 구동원에서 배기된 배기가스의 열을 회수하도록 설치된 배기가스 열교환기와;
    상기 구동원을 냉각시킨 냉각수의 열을 회수하도록 설치된 냉각수 열교환기와;
    상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기 중 적어도 하나의 열을 상기 실외 열교환기로 전달하도록 형성된 열전달 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열전달 수단은 상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기에 의해 가열된 열매체가 상기 실외 열교환기로 열을 전달하도록 형성된 열매체 순환유로와;
    상기 열매체를 순환 펌핑시키도록 설치된 열매체 순환펌프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전달 수단은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기에 의해 가열된 열매체가 상기 제 1지열 열교환기로 열을 전달하도록 상기 열매체 순환유로와 연결된 제 1지열 순환유로와;
    상기 실외 열교환기에 의해 가열된 열매체가 상기 제 2지열 열교환기로 열을 전달하도록 상기 열매체 순환유로와 연결된 제 2지열 순환유로를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전달 수단은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시에는 상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기와 실외 열교환기에 의해 가열된 열매체가 상기 제 1,2지열 열교환기로 순환하도록 하고,
    상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시에는 상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기에 의해 가열된 열매체가 상기 실외 열교환기로 순환하도록 상기 열매체 순환유로와 제 1,2지열 순환유로를 조절하는 제 1,2밸브 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1밸브 수단은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 과부하가 걸리면 상기 배기가스 열교환기와 냉각수 열교환기에 의해 가열된 열매체 중 일부가 상기 제 1지열 열교환기로 순환되어 방열되도록 상기 제 1열매체 순환유로와 제 1지열 순환유로를 조절하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열병합 발전 시스템은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 압축기로 흡입되는 냉매를 가열하도록 설치된 흡입 과열 열교환기와;
    상기 제 1,2지열 열교환기 중 적어도 어느 하나에 의해 가열된 열매체가 상기 흡입 과열 열교환기로 열을 전달할 수 있도록 형성된 제 3지열 순환유로와;
    상기 제 1,2지열 열교환기 중 적어도 어느 하나에 의해 가열된 열매체를 순환 펌핑시키도록 설치된 지열 순환펌프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열병합 발전 시스템은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시에만 상기 제 1,2지열 열교환기 중 적어도 어느 하나에 의해 가열된 열매체가 상기 흡입 과열 열교환기로 순환되도록 상기 제 2지열 순환유로와 제 3지열 순환유로를 조절 하는 제 3밸브 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열병합 발전 시스템은 상기 히트 펌프식 공기조화기의 난방 운전시 상기 압축기로 흡입되는 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기를 통과한 후 상기 압축기로 흡입되도록 하고,
    상기 히트 펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 상기 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기를 통과하지 않고 상기 압축기로 직접 흡입되도록 하는 냉매 조절 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉매 조절 수단은 상기 압축기로 냉매가 흡입되도록 형성된 냉매 순환유로와;
    상기 압축기로 흡입되는 냉매가 상기 흡입 과열 열교환기로 바이패스 할 수 있도록 형성된 바이패스 유로와;
    상기 압축기로 흡입되는 냉매가 상기 냉매 순환유로와 바이패스 유로 중 어느 하나를 통과하도록 조절하는 제 4밸브 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으 로 하는 열병합 발전 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동원은 엔진과 연료 전지 중 하나인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
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