KR20100054288A - 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템 - Google Patents

히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하절기 및 동절기에 지열과 태양열을 이용하여 온실 내의 온도를 적정하게 유지하여 작물을 생장조건을 최적으로 유지시키고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템은, 온실 내부의 상부 및 하부에 각각 설치되는 제1 팬코일유닛 및 제2 팬코일유닛; 온실 외부에 설치되어 있고 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기를 직렬로 연결하여 폐회로를 구성하는 히트펌프; 상기 히트펌프의 증발기에 대응하여 설치되는 방열관; 상기 히트펌프의 응축기에 대응하여 설치되는 흡열관; 제1 팬코일유닛과 저수조를 연결하는 제1 냉수라인; 제1 팬코일유닛과 방열관을 연결하는 제2 냉수라인; 방열관과 저수조를 연결하는 제3 냉수라인; 흡열관과 축열조를 연결하는 제1 온수라인; 흡열관과 제2 팬코일유닛을 연결하는 제2 온수라인; 제2 팬코일유닛과 축열조를 연결하는 제3 온수라인으로 구성된 것을 특징으로 한다.
히트펌프, 팬코일 유닛, 증발부, 응축부, 축열조, 저수조, 난방코일

Description

히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM OF GREENHOUSE USING HEAT PUMP}
본 발명은 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하절기 및 동절기에 지열과 태양열을 이용하여 온실 내의 온도를 적정하게 유지하여 작물의 생장조건을 최적으로 유지시키고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 온실에서 작물을 재배할 때 작물의 생산성을 높이기 위해 실내 온도를 적정온도로 유지하여야 하는데, 동절기에는 온실내의 온도를 높여줄 필요가 있어 난방이 필요하고, 하절기에는 지나친 고온으로 작물의 생육에 피해가 발생하므로 일정 온도를 유지하기 위한 냉방이 필요하다.
난방은 주로 화석연료, 화목, 전기를 사용하는 보일러 및 온풍난방기를 사용하는데, 화석연료를 연소열로 변환시켜 온실의 난방에 사용하는 경우 연소열 중 상 당부분이 배기가스의 형태로 외부로 방출되어 손실되는 단점은 있으나 시설비가 저렴하기 때문에 많은 온실에서 사용하고 있는데, 동절기에는 상기 화석연료를 사용하는 보일러 및 온풍난방기는 온실을 일정온도로 유지하기 위해서 연속적으로 가동해야 하므로 난방비가 많이 소요되며, 또한 야간에는 부가적인 보온이 필요하고, 화석연료가 연소되며 배출하는 가스로 인한 대기오염이 발생하고, 하절기에는 고온의 온실 내를 작물이 생육하기 적정한 온도로 유지하기 위한 별도의 냉방 시스템을 구비해야 하므로 추가 경비가 발생하는 문제점이 있다.
상기의 문제를 해결하고자 태양열, 지열 등을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 활용하고 있는데, 특히 근래에 히트펌프 방식으로 지열을 이용한 냉난방 시스템이 개발되어 있으며, 그 종류로는 지열을 활용하는 수평형, 지하수를 활용하는 수직개방형, 수직밀폐형이 있으나 수평형은 에너지 보유량이 적고, 지열교환기 설치시 많은 면적이 필요하므로 공사비가 많이 들며, 수직형 개방형 및 수직 밀폐형은 지하수가 많이 필요하므로 지하수 개발에 따른 지하수의 오염 및 고갈의 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 하절기 및 동절기에 지열과 태양열을 이용하여 온실 내의 온도를 적정하게 유지하여 작물을 생장조건을 최적으로 유지시키고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 필요시에 냉난방을 하나의 시스템으로 따로 가동할 수 있어 추가적인 설치비용이 들지 않으며, 보조 열원으로 지열을 이용할 수 있는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 문제 해결을 위하여 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템은, 온실 내부의 상부 및 하부에 각각 설치되는 제1 팬코일유닛 및 제2 팬코일유닛; 온실 외부에 설치되어 있고 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기를 직렬로 연결하여 폐회로를 구성하는 히트펌프; 상기 히트펌프의 증발기에 대응하여 설치되는 방열관; 상기 히트펌프의 응축기에 대응하여 설치되는 흡열관; 상기 제1 팬코일유닛과 저수조를 연결하는 제1 냉수라인; 상기 제1 팬코일유닛과 방열관을 연결하는 제2 냉수라인; 상기 방열관과 저수조를 연결하는 제3 냉수라인; 상기 흡열관과 축열조를 연결하는 제1 온수라인; 상기 흡열관과 제2 팬코일유닛을 연결하는 제2 온수라인; 상기 제2 팬코일유닛과 축열조를 연결하는 제3 온수라인을 포함하여 구성되는 것을 구성적 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제3 냉수라인에는 제1 삼방밸브 및 온도센서가 더 설치되고, 상기 제3 온수라인에는 제2 삼방밸브 및 온도 센서가 더 설치되며, 상기 제2 팬코일유닛은, 냉방시에는 온실 외부에 설치하여 열을 온실외부에 방출한다.
이상에서 설명한 것과 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템은, 하절기 및 동절기에 지열과 태양열을 이용하여 온실 내의 온도를 적정하게 유지하여 작물을 생장조건을 최적으로 유지시킬 수 있고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 필요시에 냉난방을 하나의 시스템으로 따로 가동할 수 있어 추가적인 설치비용이 들지 않으며, 보조 열원으로 지열도 이용할 수 있으며, 작동시에 지하수를 많이 필요하지 않아 지하수 개발에 따른 지하수 오염 및 고갈 문제가 없으며, 설치 공사를 상대적으로 저렴하게 할 수 있다.
도 1 을 참조하여 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템의 실시예를 설명한다.
상기 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템은, 온실(1) 내부의 상부 및 하부에 각각 설치되는 제1 팬코일유닛(2) 및 제2 팬코일유닛(14); 온실 외부에 설치 되어 있고 압축기(28), 응축기(27a), 팽창변(29), 증발기(26a)를 직렬로 연결하여 폐회로를 구성하는 히트펌프; 상기 히트펌프의 증발기(26a)에 대응하여 설치되는 방열관(26b); 상기 히트펌프의 응축기(27a)에 대응하여 설치되는 흡열관(27b); 상기 제1 팬코일유닛(2)과 저수조(16)를 연결하는 제1 냉수라인(4); 상기 제1 팬코일유닛(2)과 방열관(26b)을 연결하는 제2 냉수라인(8); 상기 방열관(26b)과 저수조(16)를 연결하는 제3 냉수라인(5); 상기 흡열관(27b)과 축열조(15)를 연결하는 제1 온수라인(9); 상기 흡열관(27b)과 제2 팬코일유닛(14)을 연결하는 제2 온수라인(10); 상기 제2 팬코일유닛(14)과 축열조(15)를 연결하는 제3 온수라인(11)을 포함하여 구성된다.
상기 히트펌프를 구성하는 압축기(28)는 기체 냉매에 에너지를 가해 압력을 상승시키고, 압축기(28)에서 나온 고압의 냉매는 응축기(27)에서 상변환을 일으켜 고압의 액체 냉매로 변환되어서 외부로 열을 방출시킨후, 팽창변(29)에서 저압의 액체상태로 변환되어 증발기(26)에 도달하면, 증발기(26)에서 외부로부터 열을 흡수하여 저압의 기체 상태로 변환되어 다시 압축기(28)로 이동되는 과정이 연속적으로 이루어진다.
상기 각 구성들은 배관라인으로 열결되고, 증발부(26)는 증발기(26a)및 방열관(26b)로 구성되고, 응축부(27)는 응축기(27a)및 흡열관(27b)로 구성된다. 상기 방열관(26b)의 출구측 라인인 제3 냉수라인(5)에는 유동하는 냉수의 흐름을 제어하 기 위한 제1 삼방 밸브(17) 및 온도센서(19)가 더 설치되고, 또한 제2 팬코일 유닛(14)의 출구측 라인인 제3 온수라인(11)에는 유동하는 온수의 흐름을 제어하기 위한 제2 삼방 밸브(18) 및 온도 센서(20)가 더 설치된다. 상기 증발부(26)의 증발기(26a)및 방열관(26b)은 대응하여 함께 설치되고, 상기 응축부(27)의 응축기(27a)및 흡열관(27b)도 대응하여 함께 설치된다. 상기 저수조(16)와 축열조(15)에는 각각 펌프(22,23)가 설치되어 저수조(16) 및 축열조(15)에 저장되는 냉수 및 온수를 각각 증발부(26)의 방열관(26b) 및 응축부(27)의 흡열관(27b)으로 순환시켜 제1 팬코일 유닛(2) 및 제2 팬코일 유닛(14)으로 이동시키는 작용을 한다.
상기 제1 냉수라인(4)을 통해 냉수가 제1 팬코일 유닛(2)으로 유입되면, 상기 냉수는 온실 상부의 더운공기와 열교환되어 온도가 높아져서 제2 냉수라인(8)을 거쳐서 상기 증발부(26)의 방열관(26b)을 통과하는 동안 증발기(26a)와 열교환되어 열을 빼앗기며, 상기 제1 온수라인(9)을 통해 축열조(15)의 냉수가 응축부(27)의 흡열관(27b)으로 유입되면 응축기(27a)에서 방출되는 열을 전달받아 온도가 높아진다. 상기 증발부(26)에서 열을 빼앗긴 냉수는 재차 저수조(16)로 유입되며, 상기 흡열관(27b)을 통과하는 냉수는 응축기(27b))에서 방출하는 열을 흡수하여 제2 온수라인(10)에 의해 제2 팬코일유닛(14)을 통과하는 동안 온실 내의 공기와 열교환 작용으로 열을 방출하므로 온실(1) 내의 온도를 상승시킨다.
상기 제1 팬코일유닛(2)의 입구와 저수조(16)는 제1 냉수라인(4)에 의해 연 결되고, 상기 제1 팬코일유닛(2)의 출구와 방열관(26b)의 입구는 제2 냉수라인(8)에 의해 연결되며, 상기 방열관(26)의 출구와 저수조(16)는 제3 냉수라인(5)에 의해 연결된다. 또한 제1 삼방밸브(17)의 입구측은 상기 제3 냉수라인(5)과 연결되며, 출구측은 제1 삼방 밸브(17)로부터 저수조(16)로 연결되는 제4 냉수라인(6) 및 제1 삼방밸브(17)로 부터 냉수를 방류하는 냉수 방류라인(7)으로 연결된다.
상기 저수조(16)에 냉수 공급라인(3)에서 유입된 지하수인 냉수가 채워지면 제1 펌프(23)가 작동하여 제1 냉수라인(4)을 통해 제1 팬코일유닛(2)을 통과하면서 태양열에 의해 더워진 온실 상부의 공기와 열교환으로 냉수의 온도가 올라간후, 제2 냉수라인(8)을 통해 증발부(26)의 방열관(26b)을 통과하면 냉수의 온도는 하강하여 제3 냉수라인(5) 및 제1 삼방 밸브(17)를 거쳐 제4 냉수라인(6)을 통해 저수조(16)로 유입되는 작용을 반복한다.
상기 제1 삼방 밸브(17)는 온도센서(19)에 의해 조정되므로 증발부(26)의 방열관(26b)을 거친 냉수가 일정온도 이하가 되면, 즉 온도가 낮으면, 저수조(16)로 배출되지 않고 냉수 방류라인(7)을 통해 외부로 배출된다. 동절기의 흐린날에는 태양열이 충분치 않아 온실(1) 상부의 온도가 낮아서 제1 팬코일유닛(2)에서 충분한 열을 흡수하지 못하므로 증발부(26)의 방열관(26b)에서 증발기(26a)로 열을 빼앗기면 온도가 너무 낮아져, 대략 5℃ 이하, 증발부(26)의 방열관(26b)를 거친 냉수를 저수조로 유입시키지 않고 방류라인(7)으로 방류시키고, 약 15℃ 정도를 유지하는 지하수를 냉수 공급라인(3)을 통해 저수조(16)에 유입시켜 사용한다.
상기 흡열관(27b)의 입구와 축열조(15)는 제1 온수라인(9)에 의해 연결되고, 상기 흡열관(27b)의 출구와 제2 팬코일유닛(14)의 입구는 제2 온수라인(10)에 의해 연결되고, 상기 제2 팬코일유닛(14)의 출구와 축열조(15)는 제3 온수라인(11)에 의해 연결된다. 또한, 제2 삼방밸브(18)의 입구측은 상기 제3 온수라인(11)과 연결되고, 출구측은 제2 삼방 밸브(18)로부터 축열조(15)로 연결되는 제4 온수라인(12) 및 제5 온수라인(13)으로 연결된다. 상기 제5 온수라인(13)에는 난방코일(30)이 더 설치되고, 제4 온수라인(12)과 연결되는 상기 난방코일(30)의 출구에는 온도센서(20)가 설치되며, 상기 온도센서(20)에 의해 제2 삼방밸브(18)가 작동된다.
상기 축열조(15)에 냉수 공급라인(3)에서 유입된 지하수인 냉수가 채워지면, 제2 펌프(22)가 작동하여 제1 온수라인(9)을 통해 냉수가 응축부(27)의 흡열관(27b)으로 이동하여 흡열관을 통과하는 동안 응축기(26a)로부터 열을 흡수하여 온도가 상승된 온수로 제2 온수라인(10)을 통해서 제2 팬코일유닛(14)을 통과하면서 열을 온실 내로 방출하고, 온도가 낮아진 온수는 제3 온수라인(11) 및 제2 삼방 밸브(18)를 거쳐 제4 온수라인(12) 및 제5 온수라인(13)을 통해 축열조(15)로 유입된다.
상기 축열조(15)에는 난방 작동 초기에만 냉수 공급라인(3)을 통해 냉수가 공급되고, 냉수가 축열조(15)에 채워지면 축열조(15) 내의 냉수가 제1 온수라인(9)을 따라서 이동하여, 응축부(27)의 응축기(27a)에서 방출하는 열을 흡열관(27b)에서 흡수하여 온도가 상승된 온수로 변화되어 제2 온수라인(10)을 통해서 제2 팬코일유닛(14)에서 온실(1) 내로 열을 방출하므로, 제2 팬코일유닛(14)을 통과한 후 온도가 낮아진 온수는 계속해서 축열조(15)로 유입되어 순환되므로 온실 내의 온도를 필요 온도로 유지하는 작동이 반복되는 과정 동안에 잔여 열에너지를 지닌 온수가 축열조(15)로 유입되어 축열조 내의 물은 고온화 되고 일정 온도를 유지하게 된다. 즉, 축열조(15)는 열에너지를 저장하는 역할을 한다.
난방코일(30)은 제2 팬코일유닛(14)에서 온실(1) 내로 필요한 열을 방출하고나서도 많은 열에너지를 포함하는 온수를 온도센서(20)에 의해 작동되는 제2 삼방밸브(18)를 개방하여 제5 온수라인(13)으로 보내서 난방코일(30)에 일시 저장하여 온실 바닥의 온도를 높이며, 또한 지열을 흡수하여 에너지를 저장하는 역할도 한다. 상기 난방코일(30)은 온실 바닥 최소 1m 이상 깊이로 설치한다. 상기 난방코일(30) 내의 온수는, 난방코일(30) 출구측에 설치된 온도센서에(20)의해 제2 삼방밸브(18)가 작동되어 제5 온수라인(13) 및 제4 온수라인(12)을 통해 축열조(15)로 보낼 수 있다.
하절기에 고온의 온실(1) 내의 온도를 적정하게 유지하기 위한 냉방을 위해 제2 팬코일 유닛(14)을 온실 외부로 이동 설치하여 상기 제2 팬코일 유닛(14)에서 방출하는 열을 온실외부로 방출하고, 저수조(16)의 냉수를 제1 냉수라인(4)을 통해 온실(1) 상부의 제1 팬코일유닛(2)으로 이동시켜 고온의 실내공기와 열교환 시키면 온실의 온도가 낮아져 온실 내부는 적정 온도로 유지된다. 상기 열교환되어 온도가 높아진 냉수는 증발부(26)의 방열관(26b)을 통과하면서 증발기(26a)에서 열을 빼앗겨 온도가 낮아진 후 제3 냉수라인(5) 및 제4 냉수라인(6)을 거쳐서 저수조로 유입된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템을 도시한 구성도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1. 온실 2. 제1 팬코일유닛
3. 냉수 공급라인 4. 제1 냉수라인
5. 제3 냉수라인 6. 제4 냉수라인
7. 냉수 방류라인 8. 제2 냉수라인
9. 제1 온수라인 10. 제2 온수라인
11. 제3 온수라인 12. 제4 온수라인
13. 제5 온수라인 14. 제2 팬코일유닛
15. 축열조 16. 저수조
17. 제1 삼방밸브 18. 제2 삼방밸브
19, 20. 온도센서 22. 제2 펌프
23. 제1 펌프 26. 증발부
26a. 증발기 26b. 방열관
27. 응축부 27a. 응축기
27b. 흡열관 28. 압축기
29. 팽창변 30. 난방코일

Claims (5)

  1. 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템에 있어서,
    온실 내부의 상부 및 하부에 각각 설치되는 제1 팬코일유닛 및 제2 팬코일유닛;
    온실 외부에 설치되어 있고 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기를 직렬로 연결하여 폐회로를 구성하는 히트펌프;
    상기 히트펌프의 증발기에 대응하여 설치되는 방열관;
    상기 히트펌프의 응축기에 대응하여 설치되는 흡열관;
    상기 제1 팬코일유닛과 저수조를 연결하는 제1 냉수라인;
    상기 제1 팬코일유닛과 방열관를 연결하는 제2 냉수라인;
    상기 방열관과 저수조를 연결하는 제3 냉수라인;
    상기 흡열관과 축열조를 연결하는 제1 온수라인;
    상기 흡열관과 제2 팬코일유닛을 연결하는 제2 온수라인;
    상기 제2 팬코일유닛과 축열조를 연결하는 제3 온수라인;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 냉수라인에는 제1 삼방밸브 및 온도센서가 더 설치되고, 상기 제3 온수라인에는 제2 삼방밸브 및 온도 센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 삼방밸브의 입구측은 제3 냉수라인과 연결되며, 출구측은 제1 삼방밸브로 부터 저수조로 연결되는 제4 냉수라인 및 제1 삼방밸브로 부터 냉수를 방류하는 냉수 방류라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 삼방밸브의 입구측은 제3 온수라인과 연결되고, 출구측은 제2 삼방밸브로 부터 축열조로 연결되는 제4 온수라인 및 제5 온수라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 팬코일유닛은, 냉방시에는 온실 외부에 설치하여 열을 온실외부에 방출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 온실 냉난방 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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