KR20090081356A

KR20090081356A - 멀티형 지열 히트펌프

Info

Publication number: KR20090081356A
Application number: KR1020090058680A
Authority: KR
Inventors: 정태승
Original assignee: 정태승
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2009-07-28

Abstract

본 발명은 기존 지열 히트펌프에 열교환기를 추가로 설치하여 지열 히트펌프의 효율을 극대화하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

보다 자세하게는, 본 발명은 기존 지열 히트펌프에 설치된 열교환기(냉방시: 응축기① 및 증발기②)에 더해 열교환기를 추가로(냉방시:응축기-1①, 응축기-3③ 난방시: 증발기-1③, 응축기-2④) 설치하여 지중 열원의 부하 감소. 또한 냉난방 및 급탕을 동시에 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티형 지열 히트펌프에 관한 것이다.

지열히트펌프, 열교환기, 버퍼탱크, 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 4방밸브

Description

멀티형 지열 히트펌프{Multi Geothermal Heat Pump}

본 발명은 장치(지열 히트펌프) 하나로 동시에 냉수, 온수, 급탕을 공급하여 냉방, 난방, 온수를 동시에 해결할 수 있는 장치로, 보다자세 하게는 종래 지열 히트펌프의 구조에 열교환기를 2개 추가(냉방시:응축기-1①, 응축기-3③ 난방시: 증발기-1③, 응축기-2④) 설치하여 동시 냉난방 및 급탕을 해결함과 동시에 기존 지열 히트펌프 작동시 지열 측의 부하(load) 증가로 인한 냉방시 지열 온도 35℃ 정도 상승, 난방시 0℃ 정도까지 하강하여 지열 히트펌프에 안정적인 열원을 공급하지 못하여 성적계수가 급격히 저하되는 문제를 해결할 수 있는 장치이다

종래의 지열히트펌프의 구조, 사이클 및 문제점을 살펴보면 다음과 같다.

종래의 지열 히트펌프의 구조는 압축기, 응축기, 4방밸브, 팽창밸브, 증발기로 되어 있으며, 냉방시: 실내측 증발기, 지열측 응축기(난방시 반대) 즉 열교환기를 2개 설치하고, 4방밸브에 의해 냉매의 흐림 방향을 바꾸어 여름철 냉방, 겨울철 난방을 할 수 있는 장치이다.

냉방사이클 압축기 -＞ 응축기(지열측) -＞ 4방밸브 -＞ 증발기(실내측) -＞ 4방밸브 -＞ 압축기, 난방사이클 압축기 -＞ 증발기(지열측) -＞ 4방밸브 -＞ 응축 기(실내측) -＞ 4방밸브 -＞ 압축기 이며, 열원으로는 지하 100 ∼ 200m 까지의 지중온도(평균 15℃∼16℃)를 이용한다.

효율적인 면에서는 전기(가스) 히트펌프보다는 좋으나 건물 피크 부하시 지중온도가 급격히 상승하거나, 하강하여 지열 히트펌프 고장의 원인이 되고, 또한 별도의 급탕 장치 및 냉난방을 동시에 할 수 없는 단점이 있다.

최근 들어, 도심지 빌딩의 경우 인텔리젼트화 하여 상시 냉방 부하가 존재하므로 겨울철에도 냉방 및 난방을 동시에 공급해야 한다.

또한 지구온난화, 온실가스 배출량 규제 등 환경적 문제로 기존 화석 연료를 대체 할 수 있는 신재생에너지 개발과 이용이 더욱 중요하게 대두 되고 있다.

이러한 여러 가지 복합적인 문제점을 해결하고자 본 발명의 핵심은 지중 열부하를 최소화하기 위해 열교환기를 추가로 설치하여 연중 안정적인 열원을 공급받아 본 발명 장치의 효율을 극대화시키는 것에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 추가 설치한 열교환기를 통해 냉난방, 급탕을 동시에 사용함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 열교환기(냉방시:응축기-1①, 응축기-3③, 난방시: 증발기-1③, 응축기-2④)를 4방밸브⑤와 기존 열원측 열교환기 사이에 설치하여 냉방시 응축기-1①을 급탕탱크에 연결 온수(급탕용)를 축열하고, 축열이 끝나후 응축기-3③을 축열탱크에 연결 온수(난방용)를 축열한다. 또한 동시에 증발기④를 축냉조에 연결 냉수를 축냉한다.

이때 축냉을 하기 위해 응축기-2②를 통한 지중열교환기로 열방출은 응축기-1①,응축기-3③에 연결된 급탕탱크 및 축열탱크내 물(평균 18℃)에 열을 방출하여 급탕탱크 및 축열탱크에 축열이 완료된 후 지중열교환기를 통해 열을 방출하므로 지중부하를 최소화 할 수 있고, 기존 지열시스템의 급격한 온도변화에 따른 성적 계수 저하를 방지 할 수 있다. 또한 동시에 급탕 및 냉난방이 가능하다.

본 발명 장치에 추가 설치된 열교환기의 버퍼탱크 역할(히트싱크 (heat sink) 및 열원 (heat source)의 역할)로 지중 열교환기의 부하를 감소시킨다.

본 발명 장치 멀티형 지열 히트펌프는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 냉난방과 급탕이 동시에 한 장치에서 공급되므로 협소한 기계실에도 설치가 가능한 잇점이 있다.

둘째, 지중 열교환기가 담당하는 부하가 감소하므로 피크 부하시 발생하는 압축비 증가, 과열, 과냉 등을 방지할 수 있다.

셋째, 열원의 안정적 공급으로 일정한 성적계수 값을 얻을 수 있다.

넷째, 한대의 장비로 추가장비(급탕보일러, 난방보일러, 냉동기, 냉각탑등) 없이 냉난방 및 급탕을 공급하고, 이에 따른 배관 및 순환펌프 등의 부속 장비가 줄어드는 만큼 공사비가 감소한다.

대도시 인텔리젼트 빌딩(상시 냉방부하 존재하는 건물)에 적용시 에너지 절 약 효과가 크다.

화석연료 사용 감소(효율 증대로 전기사용 감소)로 정부정책에 부흥한다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성과 작용을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명 장치는 압축기⑥(냉매압축), 응축기-1①(급탕용 온수 열교환기), 4방밸브⑤(사이클 전환밸브), 응축기-2②(증발기-2②), 응축기-3③(증발기-1③), 팽창 밸브(냉매교축)⑦, 증발기④(응축기-2④)로 구성된다.

본 발명 장치의 냉방사이클 및 담당 역할 (도 1 참조)

첫째, 냉방 사이클은 압축기⑥ -＞ 응축기-1①(급탕탱크 연결 온수저장, 실내 급탕 공급, 열 방출 버퍼탱크 역할) -＞ 4방밸브⑤(사이클 전환밸브) -＞ 응축기-2② (지중 열교환기 연결, 응축기-1①, 응축기-3③ 축열 완료시 지중으로 열방출) -＞ 응축기-3③(축열탱크 연결 축열, 실내 온수 공급, 열 방출 버퍼탱크 역할) -＞ 팽창 밸브⑦ -＞ 증발기④(축냉탱크 연결 축냉, 실내 냉수 공급) -＞ 4방 밸브⑤(사이클전환 밸브) -＞ 압축기⑥ 로 이루어 지고,

둘째, 자세히 설명하면 응축기-1①을 급탕탱크에 연결 온수(급탕용)를 축열하고, 축열이 끝나후 응축기-3③을 축열탱크에 연결 온수(난방용)를 축열한다. 또한 동시에 증발기④를 축냉조에 연결 냉수를 축냉한다.

이때 축냉을 하기 위해 응축기-2②를 통한 지중 열교환기로 열방출은 응축기-1①, 응축기-3③에 연결된 급탕탱크 및 축열탱크내 물(평균 18℃)에 열을 방출하 여 급탕탱크 및 축열탱크에 축열이 완료된 후 지중 열교환기를 통해 열을 방출 한다.

본 발명 장치의 난방사이클 및 담당 역할 (도 2 참조)

첫째, 난방 사이클은 압축기⑥ -＞ 응축기-1①(급탕탱크 연결 온수저장, 실내 급탕 공급) -＞4방밸브⑤(사이클 전환밸브) -＞ 응축기-2④ (축열탱크 연결 축열, 실내 온수 공급) -＞ 팽창 밸브⑦ -＞ 증발기-1③(축냉탱크 연결 축냉, 실내 냉수 공급, 열 흡수 버퍼탱크 역할) -＞ 증발기-2②(지중 열교환기 연결, 응축기 증발기-1③ 축냉 완료시 지중으로부터 열 흡수) -＞ 4방 밸브⑤(사이클전환밸브) -＞ 압축기⑥로 이루어지고,

둘째, 자세히 설명하면 응축기-1①을 급탕탱크에 연결 온수(급탕용)를 축열하고, 축열이 끝나후 응축기-2④을 축열탱크에 연결 온수(난방용)를 축열한다. 또한 동시에 증발기-1③를 축냉조에 연결 냉수를 축냉한다.

이때 축열을 하기 위해 증발기-2②를 통한 지중 열교환기로부터 열 흡수는 증발기-1③,에 연결된 축냉탱크내 물(평균 18℃)에서 열을 흡수하여 급탕탱크 및 축열탱크에 축열이 완료된 후 지중 열교환기를 통해 열을 방출한다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 내용과 아래에 기재될 청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명 멀티형 지열 히트펌프의 냉방 사이클 구성도이다.

도 2는 본 발명 멀티형 지열 히트펌프의 난방 사이클 구성도이다.

*도면 기호 설명*

① : 냉방, 난방 사이클시 응축기-1(급탕 열교환기 및 버퍼탱크)

② : 냉방 사이클시 응축기-2(지열 열교환기), 난방 사이클시 증발기-2(지열 열교환기)

③ : 냉방 사이클시 응축기-3(온수 열교환기 및 버퍼탱크), 난방 사이클시 증발기-1(냉수 열교환기 및 버퍼탱크)

④ : 냉방 사이클시 증발기(냉수 열교환기), 난방 사이클시 응축기-2(온수 열교환기)

⑤ : 4방밸브(냉난방 사이클 변환)

⑥ : 압축기(냉매압축)

⑦ : 팽창밸브(냉매교축)

⑧ : 지중 열교환기(지열 히트펌프의 열원)

Claims

실내에 동시 냉난방 및 급탕을 공급하기 위한 열교환기(냉방시 응축기-1①, 응축기-2②, 응축기-3③, 증발기④. 난방시 응축기-1①, 증발기-2②, 증발기-1③, 응축기-2④)를 설치한 멀티지열 히트펌프.
제1항에 있어서,

냉매 사이클 전환에 따른 열교환기기(냉방시 응축기-1①, 응축기-2②, 응축기-3③, 증발기④. 난방시 응축기-1①, 증발기-2②, 증발기-1③, 응축기-2④)의 담당 역할 변화를 이용하여 지중 열교환기의 부하를 감소시키는 멀티 지열 히트펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서,

열교환기의 버퍼탱크 역할(히트싱크 (heat sink) 및 열원 (heat source)의 역할)로 지중 열교환기의 부하를 감소시켜 연중 일정한 성적계수을 얻을 수 있는 멀티 지열
제1항 또는 제2항에 있어서,

냉난방 및 급탕을 위한 장치가 한 유니트에 설치된 멀티 지열 히트펌프.
제4항에 있어서,

한 유니트에서 축열조, 축냉조, 급탕탱크, 지중 열교환기와 연결될 수 있는 열교환기(배관)를 가지는 멀티 지열 히트펌프.