KR20110022182A - Heat pump system having heat exchanger for increasing the temperature of water entering heat pump from heat source - Google Patents

Heat pump system having heat exchanger for increasing the temperature of water entering heat pump from heat source Download PDF

Info

Publication number
KR20110022182A
KR20110022182A KR1020090079637A KR20090079637A KR20110022182A KR 20110022182 A KR20110022182 A KR 20110022182A KR 1020090079637 A KR1020090079637 A KR 1020090079637A KR 20090079637 A KR20090079637 A KR 20090079637A KR 20110022182 A KR20110022182 A KR 20110022182A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat exchanger
heat
refrigerant
circulating water
way valve
Prior art date
Application number
KR1020090079637A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101054377B1 (en
Inventor
김태규
김부겸
김영률
김근배
Original Assignee
대한공조(주)
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대한공조(주), 한국생산기술연구원 filed Critical 대한공조(주)
Priority to KR1020090079637A priority Critical patent/KR101054377B1/en
Publication of KR20110022182A publication Critical patent/KR20110022182A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101054377B1 publication Critical patent/KR101054377B1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00Heat pumps
    • F25B30/02Heat pumps of the compression type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/31Expansion valves
    • F25B41/34Expansion valves with the valve member being actuated by electric means, e.g. by piezoelectric actuators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/002Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for geothermal
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/021Indoor unit or outdoor unit with auxiliary heat exchanger not forming part of the indoor or outdoor unit
    • F25B2313/0213Indoor unit or outdoor unit with auxiliary heat exchanger not forming part of the indoor or outdoor unit the auxiliary heat exchanger being only used during heating
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/027Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means
    • F25B2313/02731Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means using one three-way valve
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/027Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means
    • F25B2313/02742Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means using two four-way valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00Control issues
    • F25B2600/25Control of valves
    • F25B2600/2507Flow-diverting valves
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Abstract

PURPOSE: A heat pump system with a heat exchanger for increasing the temperature of circulating water is provided to improve heating performance by the increment of the temperature of circulating water and the evaporation temperature in an evaporator. CONSTITUTION: A heat pump system(10) comprises an underground heat exchanger(210), a solenoid valve(310), a pump(110), a load heat exchanger(220), a heat exchanger(240) for increasing the temperature of circulating water, a heat source heat exchanger(250), an internal heat exchanger(230), an expansion device(400), a first four-way valve(320), and a second four-way valve(330). The underground heat exchanger exchanges the heat between circulating water and ground heat. The solenoid valve changes the flow direction of the circulating water. The pump transfers the circulating water to the solenoid valve. The load heat exchanger exchanges the heat between refrigerant and water circulating an indoor air conditioner(500). The heat exchanger for increasing the temperature of circulating water exchanges heat between the refrigerant and the circulating water. The heat-exchanger in a heat source exchanges the refrigerant and the circulating water. The internal heat exchanger exchanges heat between high temperature refrigerant and low-temperature refrigerant. The expansion device expands the refrigerant.

Description

순환수 온도 상승용 열교환기를 구비한 히트펌프 시스템{Heat pump system having heat exchanger for increasing the temperature of water entering heat pump from heat source}Heat pump system having heat exchanger for increasing the temperature of water entering heat pump from heat source}

본 발명은 난방과 냉방이 모두 가능한 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 작동냉매로 하고 지열을 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템에서 지중열교환기 출구의 순환수를 열원측 열교환기로 보내기 전에 부하측 열교환기 출구의 냉매와 순환수 온도 상승용 열교환기에서 열교환을 시켜 순환수의 온도와 증발기에서의 증발온도를 상승시킴으로써 난방성능을 개선한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pump system capable of both heating and cooling, and more particularly, in a heat pump system using carbon dioxide as a working refrigerant and using geothermal heat as a heat source, before sending the circulating water from the underground heat exchanger outlet to the heat source side heat exchanger. The present invention relates to a heat pump system which improves heating performance by increasing the temperature of circulating water and the evaporation temperature of an evaporator by performing heat exchange in a heat exchanger for increasing the temperature of a refrigerant at a load side heat exchanger and a circulating water temperature.

냉동공조분야를 비롯한 여러 분야에 광범위하게 사용되어 왔던 프레온 계열의 냉매가 대기에 누출될 경우 이들 물질에 포함되어 있는 염소성분에 의하여 오존층이 파괴된다는 사실이 알려지고, 또한 지구온난화 문제가 대두되면서 각 국가에서는 CFC 냉매를 대체하기 위한 물질 개발 및 오존층 보호를 위한 국제적인 노력을 기울여 왔다. 마침내 몬트리올 의정서(1987년) 및 교토 의정서(1997)에 의거한 오존층 파괴물질의 사용규제 및 이산화탄소 배출억제 등 국제환경규제가 현실화되었으며, 2005년 2월 16일 마침내 교토의정서가 발효되었다. 따라서, 이에 대한 대응책으로 프레온 냉매의 대체냉매를 이용한 냉동공조 산업기술의 개발은 필수적이라 하겠다. Freon-based refrigerants, which have been widely used in various fields including refrigeration and air conditioning, are known to leak ozone layer by chlorine contained in these substances. The country has made international efforts to develop substances to replace CFC refrigerants and to protect the ozone layer. Finally, international environmental regulations such as the use of ozone-depleting substances and the suppression of carbon dioxide emissions were realized in accordance with the Montreal Protocol (1987) and the Kyoto Protocol (1997). On February 16, 2005, the Kyoto Protocol came into effect. Therefore, as a countermeasure, it is necessary to develop a refrigeration and air conditioning industrial technology using an alternative refrigerant of the freon refrigerant.

한편 세계 각국은 이산화탄소 배출 절감, 고유가 대비 및 지속가능한 에너지(sustainable energy)라는 요건을 만족시킬 수 있는 안정적인 에너지원을 확보하고자 노력하고 있다. 우리 정부에서도 2006년 현재 전체 에너지 사용량의 2.2%를 차지하고 있는 신재생에너지를 2011년도에는 5%까지 공급하는 목표를 달성하기 위해 공공기관이 신축하는 3,000 ㎡ 이상의 건축물에 대해 총공사비의 5%를 신재생에너지 설비에 투자하도록 의무화하는 신에너지 및 재생에너지 개발이용보급 촉진법을 2004년 6월부터 시행하였다. 또한 2009년 3월 15일부터는 증개축되는 건축물에까지 확대하도록 하였다.Meanwhile, countries around the world are striving to secure stable energy sources that can meet the requirements of reducing carbon dioxide emissions, preparing for high oil prices, and sustainable energy. In order to achieve the goal of supplying renewable energy, which accounts for 2.2% of total energy use as of 2006, up to 5% in 2011, the Korean government has also incurred 5% of the total construction cost for buildings of 3,000 m2 or more that are newly constructed by public institutions. Since June 2004, the Act on the Promotion of New Energy and Renewable Energy Development and Use, which requires mandatory investment in renewable energy facilities, has been enacted. In addition, from March 15, 2009, it will be expanded to buildings that are being renovated.

신재생에너지를 이용한 시스템 중, 지열원 시스템은 태양열, 풍력 등 다른 대체 에너지에 비하여 초기 투자비용이 적게 들고, 소규모 이용이 가능하며, 지중 열교환 시스템의 수명이 50년으로 반영구적이라는 장점이 있다. 또한 기존 냉난방시스템보다 에너지 소비량이 적고, 동절기에는 공기열원의 온도보다 높고 하절기에는 낮으면서 연중 온도 변화가 거의 없는 안정적인 지열을 히트싱크(heat sink) 및 열원(heat source)으로 사용하기 때문에 혹서기나 혹한기에도 냉난방의 성능변화가 거의 없는 고효율의 시스템이다.Among the systems using renewable energy, geothermal source system has the advantages of low initial investment cost and small scale use compared to other alternative energy such as solar and wind power, and the life of underground heat exchange system is 50 years. In addition, because it uses less energy than the existing air-conditioning system, it uses higher temperature than air heat source in winter, low temperature in summer and little temperature change during the year as heat sink and heat source. This is a high efficiency system with little change in performance of heating and cooling.

지열원 히트펌프(Ground Source Heat Pump)는 지하 10~300 m 내의 일정한 온도(15℃)의 지열을 사용하는 시스템으로서, 이용분야는 냉난방, 급탕수 제조, 건조, 온실 등이 있다. 지열원을 사용하는 경우 지중열교환기 매설 등으로 인하여 초기 설치시 고가의 비용이 요구되기도 하지만, 효과적인 설계를 통해 운영과 유지 및 보수 비용을 줄이는 노력이 수행되고 있다. 에너지관리공단의 2007년 신재생에너지통계에 의하면 2000년 국내에 처음으로 지열시스템이 도입된 이후 매년 200% 이상의 성장을 기록하여 2006년 현재 지열원을 이용한 히트펌프 시스템은 약 15,100 RT에 이르고 있다. 최근 국내에서는 HFC 계열의 냉매인 R410a를 사용하고 인버터 선형제어기술을 적용한 고효율 지열열원 하이브리드 냉난방시스템도 개발되었다. Ground source heat pump (Ground Source Heat Pump) is a system using a geothermal heat of a constant temperature (15 ℃) within 10 ~ 300m underground, the fields of use are air-conditioning, hot water production, drying, greenhouses. In case of using geothermal source, high cost is required for initial installation due to underground heat exchanger installation, but efforts are being made to reduce operation, maintenance and repair cost through effective design. According to the 2007 New Renewable Energy Statistics of the Korea Energy Management Corporation, since the first geothermal system was introduced in Korea in 2000, it has grown more than 200% every year. As of 2006, the heat pump system using geothermal sources has reached about 15,100 RT. Recently, a high efficiency geothermal heat hybrid hybrid heating and cooling system using H410 series refrigerant R410a and inverter linear control technology has been developed.

한편, 프레온계열의 냉매를 대체하는 환경친화적인 대체냉매로서 오존파괴지수가 0인 HFC계열의 순수 냉매, 또는 이들을 조합한 혼합 냉매가 대체냉매로 유력시 되고는 있으나, 이들 역시 지구온난화 문제를 해결하지는 못하는 실정이다. 이에 반하여 이산화탄소는 냉매로서의 여러 가지 장점들, 즉, 오존 파괴 및 지구 온난화에 미치는 영향이 매우 작으며, 비가연성이며, 냉동기유 및 기기재료와 호환성이 좋고, 안정성이 뛰어나며, 독성이 없는 환경친화적인 특성들로 인하여 프레온 냉매를 대체할 후보로서 다시 주목받고 있다. 또한, 이산화탄소 냉매는 열역학적 특성상 고온(60~90 ℃)의 급탕수를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 따라서 이산화탄 소를 이용한 지열원 히트펌프는 환경적인 측면에서나, 안정적인 에너지원의 이용이라는 측면에서 매우 유망한 시스템이라 할 수 있다.On the other hand, HFC-based pure refrigerants having zero ozone depletion index, or mixed refrigerants combining them as environmentally-friendly alternative refrigerants to replace the freon-based refrigerants are considered as alternative refrigerants, but they also do not solve the global warming problem. I can't. Carbon dioxide, on the other hand, has many advantages as a refrigerant, i.e. its effect on ozone depletion and global warming is very small, non-flammable, compatible with refrigeration oils and equipment materials, highly stable and non-toxic. Due to their characteristics, they are attracting attention again as candidates for replacing freon refrigerants. In addition, the carbon dioxide refrigerant has an advantage of obtaining hot water of high temperature (60 to 90 ° C.) due to thermodynamic characteristics. Therefore, a geothermal heat pump using carbon dioxide is a very promising system in terms of environment and use of a stable energy source.

이산화탄소는 임계압력이 7.38 MPa이고, 임계온도가 31.1 ℃로 무척 낮기 때문에, 이산화탄소를 이용한 냉난방 시스템에서는 고온열원에서의 방열과정이 임계점 이상에서 일어나고(초임계 고압), 저온열원에서의 증발과정은 임계점 이하에서 일어나게 된다. 즉 열방출 과정이 일어나는 방열기(부하측 열교환기)에서는 기존 시스템의 응축기와는 달리 상변화 과정이 없고, 고압 단상 상태의 냉매가 방열기를 지나는 동안 지속적으로 온도가 감소되면서 열방출이 일어나게 된다. 이러한 방열기는 난방운전시에는 난방에 필요한 온수(또는 공기)를, 급탕운전시에는 급탕수를 제조하는 열교환기로서 작동된다. 그러나 부하측에서 방열기로 유입되는 이용수의 온도를 살펴보면, 난방운전시의 온도(40 ℃)가 급탕운전시의 온도(9~22 ℃)보다 훨씬 높기 때문에, 난방운전시에 이용할 수 있는 열에너지가 적게 되어 열성능이 좋지 않게 되는 단점이 있다.Since carbon dioxide has a critical pressure of 7.38 MPa and a critical temperature of 31.1 ° C., the heat dissipation process at a high temperature heat source occurs above a critical point (supercritical high pressure) in a cooling / heating system using carbon dioxide, and the evaporation process at a low temperature heat source is a critical point. This happens below. In other words, in the radiator (load side heat exchanger) in which the heat release process occurs, unlike the condenser of the existing system, there is no phase change process, and the heat release occurs as the temperature of the high pressure single phase refrigerant is continuously reduced while passing through the radiator. Such a radiator is operated as a heat exchanger for producing hot water (or air) required for heating during a heating operation and for producing hot water for hot water operation. However, when looking at the temperature of the used water flowing into the radiator from the load side, since the temperature during the heating operation (40 ℃) is much higher than the temperature during the hot water operation (9 ~ 22 ℃), the heat energy available during the heating operation is less The disadvantage is that the thermal performance is not good.

이에 본 발명은 이산화탄소를 작동냉매로 하고 지열을 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템에서, 지중열교환기 출구의 순환수를 증발기(열원측 열교환기)로 보내기 전에 부하측 열교환기 출구의 냉매와 열교환을 시켜 순환수의 온도와 증발기에서의 증발온도를 상승시킴으로써 난방성능을 개선할 수 있는 새로운 히트펌프 시스템을 제시하고자 한다.Therefore, in the heat pump system using carbon dioxide as a working refrigerant and using geothermal heat as a heat source, the heat exchanger exchanges heat with the refrigerant at the load side heat exchanger outlet before circulating water from the underground heat exchanger outlet to the evaporator (heat source side heat exchanger). We propose a new heat pump system that can improve heating performance by increasing water temperature and evaporation temperature in the evaporator.

본 발명에 히트펌프 시스템은, 순환수가 지열과 열교환하도록 지하에 매설된 지중열교환기와; 상기 지중열교환기의 입구와 출구에 각각 연결되어 상기 순환수가 흐르는 방향을 바꾸는 방향전환밸브와; 상기 방향전환밸브로 순환수를 압송하는 펌프와; 냉매를 압축 토출시키는 압축기와; 상기 냉매와 실내 공조기를 순환하는 물 사이의 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기와; 상기 냉매와 상기 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 순환수 온도 상승용 열교환기와; 상기 냉매와 상기 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기와; 고온 냉매와 저온 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 내부 열교환기와; 상기 냉매를 팽창시키는 팽창장치와; 상기 압축기, 상기 부하측 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 내부 열교환기와 각각 연결된 제1 사방밸브와; 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 내부 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 팽창장치와 각각 연결된 제2 사방밸브;를 포함하고,The heat pump system according to the present invention comprises: an underground heat exchanger buried underground so that circulating water exchanges heat with geothermal heat; A direction switching valve connected to an inlet and an outlet of the underground heat exchanger, respectively, to change a direction in which the circulating water flows; A pump for pumping circulating water to the directional valve; A compressor for compressing and discharging the refrigerant; A load side heat exchanger configured to perform heat exchange between the refrigerant and water circulating in the indoor air conditioner; A heat exchanger for increasing a circulating water temperature in which heat exchange between the refrigerant and the circulating water is performed; A heat source side heat exchanger configured to perform heat exchange between the refrigerant and the circulating water; An internal heat exchanger configured to exchange heat between the high temperature refrigerant and the low temperature refrigerant; An expansion device for expanding the refrigerant; A first four-way valve connected to the compressor, the load side heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the internal heat exchanger, respectively; And a second four-way valve connected to each of the heat exchanger for increasing the circulating water temperature, the internal heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the expansion device.

난방싸이클로 운전되는 경우에는, 상기 순환수는 상기 지중열교환기로부터 상기 펌프, 상기 방향전환밸브, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 방향전환밸브를 거쳐 상기 지중열교환기로 순환되고, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제1 사방밸브, 상기 부하측 열교환기, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 제2 사방밸브, 상기 내부 열교환기, 상기 팽창장치, 상기 제2 사방밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 제1 사방밸브 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 순환되며,When operated in a heating cycle, the circulating water is circulated from the underground heat exchanger to the underground heat exchanger via the pump, the divert valve, the circulating water temperature rising heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the divert valve. And the refrigerant is supplied from the compressor to the first four-way valve, the load side heat exchanger, the circulating water temperature rising heat exchanger, the second four-way valve, the internal heat exchanger, the expansion device, and the second four-way valve. Circulated to the compressor via a heat source side heat exchanger, the first four-way valve and the internal heat exchanger,

냉방싸이클로 운전되는 경우에는, 상기 순환수는 상기 지중열교환기로부터 상기 펌프, 상기 방향전환밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기 및 상기 방향전환밸브를 거쳐 상기 지중열교환기로 순환되고, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제1 사방밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 제2 사방밸브, 상기 내부 열교환기, 상기 팽창장치, 상기 제2 사방밸브, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 부하측 열교환기, 상기 제1 사방밸브 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 순환되는 것을 특징으로 한다.When operating in a cooling cycle, the circulating water is circulated from the underground heat exchanger to the underground heat exchanger through the pump, the divert valve, the heat source side heat exchanger, the circulating water temperature rising heat exchanger, and the divert valve. The refrigerant is supplied from the compressor to the first four-way valve, the heat source side heat exchanger, the second four-way valve, the internal heat exchanger, the expansion device, the second four-way valve, and the heat exchanger for increasing the circulating water temperature. The load-side heat exchanger, the first four-way valve and the internal heat exchanger is circulated to the compressor.

특히 본 발명에서 상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.In particular, the refrigerant in the present invention is characterized in that the carbon dioxide.

그리고 상기 압축기와 상기 제1 사방밸브 사이에는 외부에서 공급되는 물을 가열하기 위한 급탕열교환기가 더 포함될 수 있다.And a hot water supply heat exchanger for heating the water supplied from the outside between the compressor and the first four-way valve may be further included.

이때 상기 급탕열교환기의 전단에는 삼방밸브가 배치되고, 상기 삼방밸브는 상기 압축기와, 상기 급탕열교환기 및 상기 제1 사방밸브와 연결된 바이패스 라인이 각각 연결된다.In this case, a three-way valve is disposed at the front end of the hot water supply heat exchanger, and the three-way valve is connected to the compressor, and a bypass line connected to the hot water supply heat exchanger and the first four-way valve, respectively.

한편 본 발명의 실시예에서 상기 팽창장치는 전자팽창변(EEV)인 것이 바람직하다.On the other hand, in the embodiment of the present invention, the expansion device is preferably an electronic expansion valve (EEV).

본 발명은 이산화탄소를 작동냉매로 하고 지열을 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 지중열교환기 출구의 순환수를 열원측 열교환기로 보내기 전에 부하측 열교환기 출구의 냉매와 열교환을 시켜 순환수의 온도와 증발기에서의 증발온도를 상승시킴으로써 난방성능을 개선할 수 있다는 장점이 있다.The present invention relates to a heat pump system using carbon dioxide as a working refrigerant and using geothermal heat as a heat source, wherein the temperature of the circulating water is exchanged with the refrigerant at the outlet of the load side heat exchanger before the circulating water at the outlet of the underground heat exchanger is sent to the heat source side heat exchanger. The heating performance can be improved by increasing the evaporation temperature in the evaporator.

특히 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 순환수 온도 상승용 열교환기의 적용으로 지중열교환기로부터 히트펌프 시스템으로 유입되는 순환수의 온도를 최대 11.5 ℃까지 상승시킬 수 있으며, 이때의 난방 COP는 2.84로서 종래보다 40%의 성능향상을 얻을 수 있게 된다.In particular, the heat pump system according to the present invention can increase the temperature of the circulating water flowing into the heat pump system from the underground heat exchanger to a maximum of 11.5 ℃ by the application of a heat exchanger for increasing the temperature of the circulating water, the heating COP is 2.84 40% performance improvement can be obtained.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서 당업자가라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the heat pump system according to the present invention. In describing one embodiment of the present invention, descriptions of well-known configurations that will be obvious to those skilled in the art will be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention. In addition, when referring to the drawings it should be considered that the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.

한편 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능 또는 형상을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.Meanwhile, terms to be described below are terms defined in consideration of functions or shapes in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definitions of these terms should be interpreted based on the contents throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템이 난방싸이클로 작동되는 경우를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 히트펌프 시스템이 냉방싸이클로 작동되는 경우를 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a case in which the heat pump system is operated in a heating cycle according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing a case in which the heat pump system of Figure 1 is operated in a cooling cycle.

우선 본 발명에 따른 히트펌프 시스템(10)의 구성을 설명한다.First, the configuration of the heat pump system 10 according to the present invention will be described.

본 발명에는 다음과 같은 몇 개의 열교환기가 포함되어 있다. 즉, 순환수가 지열과 열교환하도록 지하에 매설된 지중열교환기(Geothermal Heat eXchanger; GHX)(210)와, 냉매와 실내 공조기(500)를 순환하는 열전달유체인 물 사이의 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기(InDoor Heat eXchanger; IDHX)(220)와, 고온냉매와 저온냉매 사이의 열교환이 이루어지는 내부 열교환기(Internal Heat eXchanger; IHX)(230)와, 냉매와 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 순환수 온도 상승용 열교환기(Heat eXchanger for increasing the temperature of Water entering heat pump from heat source; WHX)(240)와, 냉매와 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기(OutDoor Heat eXchanger; ODHX)(250)가 포함되어 있다.The present invention includes several heat exchangers as follows. That is, a geothermal heat exchanger (GHX) 210 buried underground so that the circulating water exchanges heat with geothermal heat, and a load-side heat exchanger in which heat exchange is performed between the refrigerant and water, which is a heat transfer fluid circulating in the indoor air conditioner 500. Internal heat eXchanger (IDHX) 220, an internal heat exchanger (IHX) 230 in which heat exchange between a high temperature refrigerant and a low temperature refrigerant is performed, and a temperature of circulating water in which heat exchange between a refrigerant and a circulating water is performed Heat eXchanger for increasing the temperature of Water entering heat pump from heat source (WHX) 240 and an OutDoor Heat eXchanger (ODHX) 250 in which heat exchange between the refrigerant and the circulating water is performed. It is.

여기에서 본 발명의 특징적인 부분은 내부 열교환기(230)와 순환수 온도 상승용 열교환기(240)가 포함되어 있다는 것이다. 내부 열교환기(230)는 열원측 열교환기(250)(난방싸이클에서의 증발기) 출구의 저온 냉매와 부하측 열교환기(220)(난방싸이클에서의 방열기) 출구의 고온 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 팽장장치 입 구에서의 냉매의 과냉도를 증가시켜 팽창장치에서의 비가역적인 손실을 줄이고, 압축기(100) 입구에서의 과열도를 확보함으로써 압축기(100) 입구로 유입되는 냉매가 액상이 되는 것을 방지하는 한편, 증발기 입구의 건도를 작게 하여 단위 냉매유량당의 냉방용량을 증가시키고, 토출압력 감소 및 방열기 출구에서의 온도 상승 등과 같은 방열기 출구에서의 상태 변화에 따른 성능 저하를 작게 하는 역할을 한다. A characteristic part of the present invention is that the internal heat exchanger 230 and the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature are included. The internal heat exchanger 230 expands the low temperature refrigerant at the heat source side heat exchanger 250 (evaporator in the heating cycle) and the high temperature refrigerant at the outlet of the load side heat exchanger 220 (heat radiator in the heating cycle). By increasing the supercooling of the refrigerant at the inlet to reduce irreversible losses in the expansion device, by ensuring the superheat at the inlet of the compressor 100 to prevent the refrigerant flowing into the inlet of the compressor 100 to become a liquid phase In addition, by reducing the dryness of the inlet of the evaporator increases the cooling capacity per unit refrigerant flow rate, and serves to reduce the performance degradation due to the change in the state of the radiator outlet, such as reducing the discharge pressure and the temperature rise at the radiator outlet.

일반적으로 난방싸이클에서의 내부 열교환기(230)의 적용은 높은 토출압력과 온도를 유지할 수 있어 난방용량은 약간 증가하지만, 이와 동시에 압축기(100) 소요동력이 증가하여 난방성능은 내부 열교환기(230)의 적용과 관계없이 비슷한 성능을 보인다. 그러나 필요 이상의 고효율 내부 열교환기(230)의 적용은 방열기 출구에서의 냉매 온도가 표준 운전조건보다 훨씬 상승되는 등의 조건이 발생할 경우, 압축기(100) 입구의 온도를 급격히 상승시켜 압축기(100) 체적효율이 감소시키고, 이에 따라 토출되는 냉매의 유량이 감소하여 성능이 급격히 감소할 수 있다. 경우에 따라서는 압축기(100) 입구에서의 냉매온도의 상승은 「압축기 출구에서의 냉매 온도의 상승 → 방열기 출구에서의 냉매 온도의 상승 → 압축기 입구에서의 냉매 온도의 상승 → 압축기 출구에서의 냉매 온도의 상승」이라는 악순환이 반복되어 히트펌프 시스템(10)이 비정상적으로 운전될 수도 있다. 따라서 압축기(100) 입구에서 일정온도 이하를 유지할 수 있도록 내부 열교환기(230)를 설계하여야 한다.In general, the application of the internal heat exchanger 230 in the heating cycle can maintain a high discharge pressure and temperature, so that the heating capacity is slightly increased, but at the same time, the required power of the compressor 100 increases, so that the heating performance of the internal heat exchanger 230 is increased. Similar performance is achieved regardless of the application. However, the application of the high-efficiency internal heat exchanger 230 more than necessary may increase the volume of the compressor 100 by rapidly increasing the temperature at the inlet of the compressor 100 when a condition such that the refrigerant temperature at the radiator outlet is much higher than the standard operating condition occurs. The efficiency can be reduced, and thus the flow rate of the refrigerant discharged can be reduced, so that the performance can be drastically reduced. In some cases, an increase in the refrigerant temperature at the inlet of the compressor 100 may be described as "a rise in the refrigerant temperature at the compressor outlet → an increase in the refrigerant temperature at the radiator outlet → an increase in the refrigerant temperature at the compressor inlet → a refrigerant temperature at the compressor outlet. The vicious cycle of "rising of" may be repeated, and the heat pump system 10 may be abnormally operated. Therefore, the internal heat exchanger 230 must be designed to maintain a predetermined temperature or less at the inlet of the compressor 100.

한편 본 발명의 순환수 온도 상승용 열교환기(240)는 히트펌프 시스템(10)의 고압측 압력이 일정하게 유지될 경우, 증발온도의 상승은 압축일의 절감을 가져와 난방성능의 향상을 기할 수 있다는 점으로부터 착안된 것이다. 본 발명에서는 부하측 열교환기(220)(방열기)에서의 냉매의 출구온도가 45 ℃인 점을 고려하여 이 열에너지를 이용하도록 구성하였다. 즉 지중열교환기(210) 출구의 순환수(난방싸이클시 순환수의 표준온도는 5 ℃)를 열원측 열교환기(250)(증발기)로 보내기 전에 부하측 열교환기(220) 출구의 냉매와 열교환을 시킴으로써 순환수의 온도와 증발기에서의 증발온도를 상승시키고자 하였으며, 이를 위하여 순환수 온도 상승용 열교환기(240)를 부하측 열교환기(220)와 내부 열교환기(230) 사이에 배치한 것이다.On the other hand, when the high-pressure side pressure of the heat pump system 10 is maintained in the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature of the present invention, the increase in the evaporation temperature may bring about a reduction in the compression work, thereby improving heating performance. It is conceived from the point that there is. In the present invention, considering that the outlet temperature of the refrigerant in the load-side heat exchanger 220 (heat radiator) is 45 ℃, it was configured to use this thermal energy. That is, before the circulating water at the outlet of the underground heat exchanger 210 (the standard temperature of the circulating water is 5 ° C. in the heating cycle) is transferred to the heat source side heat exchanger 250 (evaporator), the refrigerant at the outlet of the load side heat exchanger 220 is exchanged with each other. In order to increase the temperature of the circulating water and the evaporation temperature in the evaporator, a heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature is disposed between the load side heat exchanger 220 and the internal heat exchanger 230.

그리고 본 발명의 히트펌프 시스템(10)은 난방싸이클은 물론 냉방싸이클로도 작동될 수 있도록, 유체(순환수와 냉매)가 싸이클의 구성상 요구되는 정방향 또는 역방향으로 흐르도록 조절하는 몇 개의 밸브를 구비한다. 상기 밸브들은 총 3개인데, 방향전환밸브(310)는 지중열교환기(210)의 입구와 출구에 각각 연결되어 상기 순환수가 흐르는 방향을 바꿀 수 있도록 배치되고, 제1 사방밸브(320)는 압축기(100), 부하측 열교환기(220), 열원측 열교환기(250) 및 내부 열교환기(230)와 각각 연결되어 압축기(100)로부터 압송된 고온고압의 냉매가 부하측 열교환기(220) 또는 열원측 열교환기(250)로 흐르도록 조절하며, 제2 사방밸브(330)는 순환수 온도 상승용 열교환기(240), 내부 열교환기(230), 열원측 열교환기(250) 및 팽창장치(400)와 각각 연결되어 난방 또는 냉방싸이클을 구성하는 냉매의 흐름을 조절한다.In addition, the heat pump system 10 of the present invention has a plurality of valves for controlling the fluid (circulating water and refrigerant) to flow in the forward or reverse direction required for the configuration of the cycle so that the heat pump system can be operated as well as the heating cycle. do. There are three valves in total, and the direction switching valve 310 is connected to the inlet and the outlet of the underground heat exchanger 210 so as to change the direction in which the circulating water flows, and the first four-way valve 320 is a compressor. The high temperature and high pressure refrigerant, which is connected to the 100, the load side heat exchanger 220, the heat source side heat exchanger 250, and the internal heat exchanger 230, and is pumped from the compressor 100, is the load side heat exchanger 220 or the heat source side. The second four-way valve 330 is controlled to flow to the heat exchanger 250, the second four-way valve 330 is a heat exchanger 240, internal heat exchanger 230, heat source side heat exchanger 250 and expansion device 400 for increasing the temperature of the circulating water Connected to each other to control the flow of the refrigerant constituting the heating or cooling cycle.

여기에서 상기 팽창장치(400)는 냉매의 체적을 급격히 팽창시켜 냉매의 온도 를 떨어뜨리는 공지의 구성요소인데, 팽창장치(400)를 거친 냉매는 난방싸이클의 경우에는 열원측 열교환기(250)로, 냉방싸이클의 경우에는 순환수 온도 상승용 열교환기(240)로 흐르게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 팽창장치(400)는 전자팽창변(Electronic Expansion Valve; EEV)이다.Here, the expansion device 400 is a known component that rapidly expands the volume of the refrigerant to lower the temperature of the refrigerant. The refrigerant passing through the expansion device 400 is a heat source side heat exchanger 250 in the case of a heating cycle. , In the case of the cooling cycle flows to the heat exchanger 240 for increasing the temperature of the circulating water. In a preferred embodiment of the present invention, the expansion device 400 is an electronic expansion valve (EEV).

그 밖의 구성으로는 상기 방향전환밸브(310)로 순환수를 압송하는 펌프(110)와 냉매를 고온고압으로 압축 토출시키는 압축기(100)가 있으며, 특히 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 냉매는 이산화탄소이다. 아울러 본 발명에 따른 히트펌프 시스템(10)에는 압축기(100)로부터 나오는 냉매에 포함된 오일을 분리하는 유분리기(510)와, 냉매를 저장하는 냉매 탱크(520)와, 냉매가 역류하거나 액상으로 흡일될 경우 압축기(100)에 손상을 주기 때문에 이를 방지하고자 오일과 냉매의 혼합물을 일시적으로 저장하는 어큐뮬레이터(530)를 포함한다. Other configurations include a pump 110 for pumping circulating water to the directional valve 310 and a compressor 100 for compressing and discharging the refrigerant at high temperature and high pressure. Particularly, in the preferred embodiment of the present invention, the refrigerant is carbon dioxide. to be. In addition, the heat pump system 10 according to the present invention, the oil separator 510 for separating the oil contained in the refrigerant from the compressor 100, the refrigerant tank 520 for storing the refrigerant, and the refrigerant flows back or liquid In case of being absorbed, the compressor 100 may include an accumulator 530 that temporarily stores a mixture of oil and refrigerant to prevent the compressor 100 from being damaged.

한편 본 발명에는 압축기(100)와 제1 사방밸브(320) 사이에 외부에서 공급되는 물을 가열하기 위한 급탕열교환기(260)가 더 포함될 수 있다. 이때 상기 급탕열교환기(260)의 전단에 삼방밸브(340)를 배치하고, 상기 삼방밸브(340)에 압축기(100), 급탕열교환기(260) 및 제1 사방밸브(320)와 연결된 바이패스 라인(350)을 각각 연결한다면, 필요에 따라 급탕열교환기(260)로 흐르는 고온·고압 냉매의 공급을 차단하여 불필요한 열전달을 방지함으로써 열효율을 향상시키는 것이 가능하다.Meanwhile, the present invention may further include a hot water supply heat exchanger 260 for heating water supplied from the outside between the compressor 100 and the first four-way valve 320. In this case, a three-way valve 340 is disposed in front of the hot water heat exchanger 260, and the bypass 100 connected to the compressor 100, the hot water heat exchanger 260, and the first four-way valve 320 is disposed on the three-way valve 340. If each of the lines 350 are connected, it is possible to improve the thermal efficiency by blocking the supply of high-temperature, high-pressure refrigerant flowing to the hot water heat exchanger 260 as necessary to prevent unnecessary heat transfer.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 히트펌프 시스템(10)이 난방싸이클로 작동되는 경우를 도 1을 참조하여 설명한다.A case in which the heat pump system 10 of the present invention having the above configuration is operated with a heating cycle will be described with reference to FIG. 1.

히트펌프 시스템(10)이 난방싸이클로 운전되는 경우에, 상기 순환수는 상기 지중열교환기(210)로부터 상기 펌프(110), 상기 방향전환밸브(310), 상기 순환수 온도 상승용 열교환기(240), 상기 열원측 열교환기(250) 및 상기 방향전환밸브(310)를 거쳐 상기 지중열교환기(210)로 순환되고, When the heat pump system 10 is operated by a heating cycle, the circulating water is transferred from the underground heat exchanger 210 to the pump 110, the diverter valve 310, and the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature. ), And is circulated to the underground heat exchanger 210 through the heat source side heat exchanger 250 and the direction switching valve 310,

상기 냉매는 상기 압축기(100)로부터 상기 제1 사방밸브(320), 상기 부하측 열교환기(220), 상기 순환수 온도 상승용 열교환기(240), 상기 제2 사방밸브(330), 상기 내부 열교환기(230), 상기 팽창장치(400), 상기 제2 사방밸브(330), 상기 열원측 열교환기(250), 상기 제1 사방밸브(320) 및 상기 내부 열교환기(230)를 거쳐 상기 압축기(100)로 순환된다.The refrigerant is supplied from the compressor 100 to the first four-way valve 320, the load side heat exchanger 220, the circulating water temperature raising heat exchanger 240, the second four-way valve 330, and the internal heat exchanger. The compressor 230, the expansion device 400, the second four-way valve 330, the heat source side heat exchanger 250, the first four-way valve 320, and the internal heat exchanger 230. Circulated to 100.

순환수로는 물을, 그리고 냉매로는 이산화탄소를 사용하는 경우에 있어서, 각 열교환기와 압축기(100), 팽창장치(400)를 거칠 때 일어나는 열교환을 연속 방정식, 에너지 평형 방정식 및 상태 방정식 등을 사용하고 계산의 단순화를 위해 몇 가지 가정을 세워 간략하게 해석하면, 각 단계에서의 유체의 온도는 다음과 같다.In the case of using water as the circulating water and carbon dioxide as the refrigerant, the heat exchange that occurs when passing through each heat exchanger, the compressor 100, and the expansion device 400 is performed using a continuous equation, an energy balance equation, a state equation, and the like. To simplify the calculation and make some assumptions and interpret them briefly, the temperature of the fluid in each step is

지중온도가 15 ℃로 일정하다고 가정하면, 2 ℃로 지중열교환기(210)로 들어온 순환수는 지열을 받아 7 ℃로 가열되어 나간다. 7 ℃의 순환수는 순환수 온도 상승용 열교환기(240)를 거치면서 부하측 열교환기(220)에서 나온 41 ℃의 냉매와 열교환하여 9 ℃로 가열되고, 9 ℃의 순환수는 열원측 열교환기(250)에서 팽창장 치(400)를 거친 -4 ℃의 저온냉매에게 열을 뺏겨 2 ℃로 냉각된 후 지중열교환기(210)로 들어간다.Assuming that the underground temperature is constant at 15 ° C., the circulating water entering the underground heat exchanger 210 at 2 ° C. is heated to 7 ° C. under geothermal heat. The circulating water at 7 ° C. is heated to 9 ° C. by heat exchange with a 41 ° C. refrigerant from the load side heat exchanger 220 while passing through the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature, and the circulating water at 9 ° C. is heated at the heat source side heat exchanger. At 250, the heat is deprived of the low temperature refrigerant of -4 ° C. through the expansion device 400 and cooled to 2 ° C., and then enters the underground heat exchanger 210.

한편 각 단계에서의 냉매의 온도를 보면, 압축기(100)에서 100 ℃의 고온고압으로 토출된 냉매는 부하측 열교환기(220)를 거치면서 실내 공조기(500)(즉, 난방기)와 열교환하여 41 ℃로 온도가 내려간다. 41 ℃의 냉매는 순환수 온도 상승용 열교환기(240)에서 7 ℃의 순환수와 열교환하여 38 ℃로 내려가고, 이 냉매는 내부 열교환기(230)를 거치면서 열원측 열교환기(250)에서 나오는 -1 ℃의 저온냉매와 열교환하여 32 ℃로 더 내려간다. 32 ℃의 냉매는 팽창장치(400)를 거치면서 -2 ℃로 급격히 냉각된 후 열원측 열교환기(250)에서 9 ℃의 순환수에 의해 -1 ℃로 가열된다. -1 ℃의 냉매는, 앞서 설명한 것처럼 내부 열교환기(230)에서 38 ℃의 고온냉매에 의해 20 ℃까지 상승한 후 압축기(100)로 들어간다.On the other hand, when looking at the temperature of the refrigerant in each step, the refrigerant discharged at a high temperature and high pressure of 100 ℃ from the compressor 100 is heat exchanged with the indoor air conditioner 500 (that is, the heater) while passing through the load-side heat exchanger 220 41 ℃ The temperature drops to. The refrigerant at 41 ° C. exchanges heat with the circulating water at 7 ° C. in the heat exchanger 240 for increasing the temperature of the circulating water and descends to 38 ° C., and the refrigerant passes through the internal heat exchanger 230 and is at the heat source side heat exchanger 250. Heats down with -1 ° C low temperature refrigerant and goes further down to 32 ° C. The refrigerant at 32 ° C. is rapidly cooled to −2 ° C. while passing through the expansion device 400, and then heated to −1 ° C. by circulating water at 9 ° C. in the heat source side heat exchanger 250. As described above, the refrigerant at −1 ° C. rises to 20 ° C. by the high temperature refrigerant at 38 ° C. in the internal heat exchanger 230, and then enters the compressor 100.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템(10)은 방향전환밸브(310)과 제1/제2 사방밸브(320,330)를 조작하여 순환수와 냉매의 흐름을 난방싸이클의 역으로 순환시킴으로써 냉방싸이클을 수행할 수 있다.The heat pump system 10 according to the present invention operates the directional valve 310 and the first and second four-way valves 320 and 330 to circulate the flow of circulating water and refrigerant to the reverse of the heating cycle to perform a cooling cycle. Can be.

냉방싸이클로 운전되는 경우에, 상기 순환수는 상기 지중열교환기(210)로부터 상기 펌프(110), 상기 방향전환밸브(310), 상기 열원측 열교환기(250), 상기 순환수 온도 상승용 열교환기(240) 및 상기 방향전환밸브(310)를 거쳐 상기 지중열교환기(210)로 순환되고, 상기 냉매는 상기 압축기(100)로부터 상기 제1 사방밸브(320), 상기 열원측 열교환기(250), 상기 제2 사방밸브(330), 상기 내부 열교환 기(230), 상기 팽창장치(400), 상기 제2 사방밸브(330), 상기 순환수 온도 상승용 열교환기(240), 상기 부하측 열교환기(220), 상기 제1 사방밸브(320) 및 상기 내부 열교환기(230)를 거쳐 상기 압축기(100)로 순환된다.When operating in a cooling cycle, the circulating water is transferred from the underground heat exchanger 210 to the pump 110, the diverter valve 310, the heat source side heat exchanger 250, and the circulating water temperature raising heat exchanger. Circulated to the underground heat exchanger 210 via the 240 and the direction switching valve 310, and the refrigerant flows from the compressor 100 to the first four-way valve 320 and the heat source side heat exchanger 250. The second four-way valve 330, the internal heat exchanger 230, the expansion device 400, the second four-way valve 330, the circulating water temperature rising heat exchanger 240, and the load side heat exchanger 220, the first four-way valve 320 and the internal heat exchanger 230 are circulated to the compressor 100.

냉방싸이클에 대해서도 각 단계에서의 유체의 온도를 해석하면 다음과 같다.Even for the cooling cycle, the temperature of the fluid at each stage is analyzed as follows.

지중온도는 역시 15 ℃로 일정하다고 가정하면, 28 ℃로 지중열교환기(210)로 들어온 순환수는 열을 잃어 25 ℃로 냉각되어 나간다. 25 ℃의 순환수는 열원측 열교환기(250)에서 80 ℃의 고온냉매와 열교환하여 30 ℃로 가열된 후 순환수 온도 상승용 열교환기(240)에서 팽창장치(400)로부터 나온 4 ℃의 냉매와 열교환하여 28 ℃로 냉각되고, 상기 28 ℃의 순환수는 지중열교환기(210)로 들어간다.Assuming that the underground temperature is also constant at 15 ° C, the circulating water entering the underground heat exchanger 210 at 28 ° C loses heat and is cooled to 25 ° C. The circulating water at 25 ° C. is heated to 30 ° C. by heat exchange with the high temperature refrigerant at 80 ° C. in the heat source side heat exchanger 250, and then the refrigerant at 4 ° C. from the expansion device 400 in the heat exchanger 240 for circulating water temperature rise. Heat exchange with and cooled to 28 ℃, the circulating water of 28 ℃ enters the underground heat exchanger (210).

한편 각 단계에서의 냉매의 온도를 보면, 압축기(100)에서 80 ℃의 고온고압으로 토출된 냉매는 열원측 열교환기(250)에서 25 ℃의 순환수와 열교환하여 26 ℃로 온도가 내려간다. 26 ℃의 냉매는 내부 열교환기(230)에서 10 ℃의 저온냉매에 의해 20.5 ℃로 더 떨어지고, 이 냉매는 팽창장치(400)에서 4 ℃로 냉각된 후 순환수 온도 상승용 열교환기(240)에서 30 ℃의 순환수와 열교환하여 7 ℃로 승온된다. 이후 상기 7 ℃의 저온냉매는 실내 공조기(500)(즉, 냉방기)와 열교환하여 10 ℃로 온도가 올라가고, 10 ℃의 냉매는, 앞서 설명한 것처럼 내부 열교환기(230)에서 26 ℃의 고온냉매에 의해 16 ℃까지 상승한 후 압축기(100)로 들어간다.On the other hand, when looking at the temperature of the refrigerant in each step, the refrigerant discharged at a high temperature and high pressure of 80 ℃ in the compressor 100 heat exchanges with the circulation water of 25 ℃ in the heat source side heat exchanger 250, the temperature is lowered to 26 ℃. The refrigerant at 26 ° C. is further dropped to 20.5 ° C. by the low temperature refrigerant at 10 ° C. in the internal heat exchanger 230, and the refrigerant is cooled to 4 ° C. in the expansion device 400, and then the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature. It heats up with circulating water of 30 degreeC, and it heats up to 7 degreeC. Thereafter, the low temperature refrigerant at 7 ° C. heats up to 10 ° C. by exchanging heat with the indoor air conditioner 500 (that is, the air conditioner), and the refrigerant at 10 ° C. is subjected to the high temperature refrigerant at 26 ° C. in the internal heat exchanger 230 as described above. The temperature rises to 16 ° C. and enters the compressor 100.

앞서 설명한 바와 같이, 순환수 온도 상승용 열교환기(240)의 적용으로 난방싸이클의 운전시에 순환수의 온도가 증가되기 때문에, 지중열교환기(210)에서의 열 전달량은 감소하게 된다. 이는 냉방싸이클의 운전시에는 지중열교환기(210)에서의 열전달량이 증가하게 될 수도 있음을 의미하므로 냉방싸이클의 운전조건에 대한 검토가 필요하다.As described above, since the temperature of the circulating water is increased during the operation of the heating cycle by the application of the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature, the heat transfer amount in the underground heat exchanger 210 is reduced. This means that the amount of heat transfer in the underground heat exchanger 210 may increase during the operation of the cooling cycle, so it is necessary to examine the operating conditions of the cooling cycle.

본 발명과 같은 지중열 히트펌프 시스템(10)의 냉방싸이클에서는 지중열교환기(210) 출구의 순환수와 내부 열교환기(230) 입구의 냉매가 열교환을 이루는 난방싸이클과는 달리, 열원측 열교환기(250)(방열기) 출구의 순환수와 내부 열교환기(230) 출구의 냉매가 열교환을 이루게 된다. 일반적으로 냉방싸이클 운전시 열원측 열교환기(250) 출구의 순환수의 온도는 25~35 ℃이며, 이산화탄소를 냉매로 적용한 히트펌프 시스템(10)에서의 내부 열교환기(230) 출구에서의 냉매의 온도는 25~30 ℃이다. 따라서 냉방싸이클 운전시에 순환수가 순환수 온도 상승용 열교환기(240)에서 얻게 되는 열량은 거의 없다. 즉, 순환수 온도 상승용 열교환기(240)의 적용으로 냉방싸이클시 지중열교환기(210)가 추가로 부담하는 냉각열량은 거의 없으므로, 지중열교환기(210)의 전열면적은 순환수 온도 상승용 열교환기(240)의 적용과 상관없음을 알 수 있다.In the cooling cycle of the geothermal heat pump system 10 as in the present invention, unlike the heating cycle in which the circulating water at the outlet of the underground heat exchanger 210 and the refrigerant at the inlet of the internal heat exchanger 230 form heat exchange, the heat source side heat exchanger The circulation water at the outlet 250 (heat radiator) and the refrigerant at the outlet of the internal heat exchanger 230 form heat exchange. In general, the temperature of the circulating water at the outlet of the heat source side heat exchanger 250 during the cooling cycle operation is 25 to 35 ° C., and the refrigerant at the outlet of the internal heat exchanger 230 in the heat pump system 10 using carbon dioxide as the refrigerant. The temperature is 25-30 ° C. Therefore, during the cooling cycle operation, the amount of heat obtained from the heat exchanger 240 for circulating water temperature increase is almost zero. That is, since there is almost no amount of cooling heat additionally charged by the underground heat exchanger 210 during the cooling cycle due to the application of the heat exchanger 240 for increasing the circulating water temperature, the heat transfer area of the underground heat exchanger 210 is for raising the circulating water temperature. It can be seen that irrespective of the application of the heat exchanger 240.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art to which the art belongs can make various modifications and other equivalent embodiments therefrom. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템이 난방싸이클로 작동되는 경우를 도시한 개략도.1 is a schematic diagram showing a case in which the heat pump system is operated in a heating cycle according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 히트펌프 시스템이 냉방싸이클로 작동되는 경우를 도시한 개략도.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a case where the heat pump system of FIG. 1 is operated with a cooling cycle. FIG.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art

10 : 히트펌프 시스템10: heat pump system

100 : 압축기 110 : 펌프100: compressor 110: pump

210 : 지중열교환기 220 : 부하측 열교환기210: underground heat exchanger 220: load side heat exchanger

230 : 내부 열교환기 240 : 순환수 온도 상승용 열교환기230: internal heat exchanger 240: heat exchanger for circulating water temperature rise

250 : 열원측 열교환기 260 : 급탕열교환기250: heat source side heat exchanger 260: hot water supply heat exchanger

310 : 방향전환밸브 320 : 제1 사방밸브310: direction switching valve 320: first four-way valve

330 : 제2 사방밸브 340 : 삼방밸브330: second four-way valve 340: three-way valve

350 : 바이패스 라인 400 : 팽창장치350: bypass line 400: expansion device

500 : 실내 공조기 510 : 유분리기500: indoor air conditioner 510: oil separator

520 : 냉매 탱크 530 : 어큐뮬레이터520: refrigerant tank 530: accumulator

Claims (5)

순환수가 지열과 열교환하도록 지하에 매설된 지중열교환기와; 상기 지중열교환기의 입구와 출구에 각각 연결되어 상기 순환수가 흐르는 방향을 바꾸는 방향전환밸브와; 상기 방향전환밸브로 순환수를 압송하는 펌프와; 냉매를 압축 토출시키는 압축기와; 상기 냉매와 실내 공조기를 순환하는 물 사이의 열교환이 이루어지는 부하측 열교환기와; 상기 냉매와 상기 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 순환수 온도 상승용 열교환기와; 상기 냉매와 상기 순환수 사이의 열교환이 이루어지는 열원측 열교환기와; 고온 냉매와 저온 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 내부 열교환기와; 상기 냉매를 팽창시키는 팽창장치와; 상기 압축기, 상기 부하측 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 내부 열교환기와 각각 연결된 제1 사방밸브와; 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 내부 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 팽창장치와 각각 연결된 제2 사방밸브;를 포함하고,An underground heat exchanger buried underground so that circulating water exchanges heat with geothermal heat; A direction switching valve connected to an inlet and an outlet of the underground heat exchanger, respectively, to change a direction in which the circulating water flows; A pump for pumping circulating water to the directional valve; A compressor for compressing and discharging the refrigerant; A load side heat exchanger configured to perform heat exchange between the refrigerant and water circulating in the indoor air conditioner; A heat exchanger for increasing a circulating water temperature in which heat exchange between the refrigerant and the circulating water is performed; A heat source side heat exchanger configured to perform heat exchange between the refrigerant and the circulating water; An internal heat exchanger configured to exchange heat between the high temperature refrigerant and the low temperature refrigerant; An expansion device for expanding the refrigerant; A first four-way valve connected to the compressor, the load side heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the internal heat exchanger, respectively; And a second four-way valve connected to each of the heat exchanger for increasing the circulating water temperature, the internal heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the expansion device. 난방싸이클로 운전되는 경우에는, 상기 순환수는 상기 지중열교환기로부터 상기 펌프, 상기 방향전환밸브, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 열원측 열교환기 및 상기 방향전환밸브를 거쳐 상기 지중열교환기로 순환되고, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제1 사방밸브, 상기 부하측 열교환기, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 제2 사방밸브, 상기 내부 열교환기, 상기 팽창장치, 상기 제2 사방밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 제1 사방밸브 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 순환되며,When operated in a heating cycle, the circulating water is circulated from the underground heat exchanger to the underground heat exchanger via the pump, the divert valve, the circulating water temperature rising heat exchanger, the heat source side heat exchanger, and the divert valve. And the refrigerant is supplied from the compressor to the first four-way valve, the load side heat exchanger, the circulating water temperature rising heat exchanger, the second four-way valve, the internal heat exchanger, the expansion device, and the second four-way valve. Circulated to the compressor via a heat source side heat exchanger, the first four-way valve and the internal heat exchanger, 냉방싸이클로 운전되는 경우에는, 상기 순환수는 상기 지중열교환기로부터 상기 펌프, 상기 방향전환밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기 및 상기 방향전환밸브를 거쳐 상기 지중열교환기로 순환되고, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제1 사방밸브, 상기 열원측 열교환기, 상기 제2 사방밸브, 상기 내부 열교환기, 상기 팽창장치, 상기 제2 사방밸브, 상기 순환수 온도 상승용 열교환기, 상기 부하측 열교환기, 상기 제1 사방밸브 및 상기 내부 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.When operating in a cooling cycle, the circulating water is circulated from the underground heat exchanger to the underground heat exchanger through the pump, the divert valve, the heat source side heat exchanger, the circulating water temperature rising heat exchanger, and the divert valve. The refrigerant is supplied from the compressor to the first four-way valve, the heat source side heat exchanger, the second four-way valve, the internal heat exchanger, the expansion device, the second four-way valve, and the heat exchanger for increasing the circulating water temperature. And a heat circulating to the compressor via the load side heat exchanger, the first four-way valve and the internal heat exchanger. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 냉매는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.And the refrigerant is carbon dioxide. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 압축기와 상기 제1 사방밸브 사이에는 외부에서 공급되는 물을 가열하기 위한 급탕열교환기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.Heat pump system, characterized in that further comprising a hot water supply heat exchanger for heating the water supplied from the outside between the compressor and the first four-way valve. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 급탕열교환기의 전단에는 삼방밸브가 배치되고, 상기 삼방밸브는 상기 압축기와, 상기 급탕열교환기 및 상기 제1 사방밸브와 연결된 바이패스 라인이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.A three-way valve is disposed in front of the hot water heat exchanger, and the three-way valve is connected to the compressor and the bypass line connected to the hot water heat exchanger and the first four-way valve, respectively. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 팽창장치는 전자팽창변(EEV)인 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.The expansion device is a heat pump system, characterized in that the electronic expansion valve (EEV).
KR1020090079637A 2009-08-27 2009-08-27 Heat pump system with heat exchanger for circulating water temperature rise KR101054377B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090079637A KR101054377B1 (en) 2009-08-27 2009-08-27 Heat pump system with heat exchanger for circulating water temperature rise

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090079637A KR101054377B1 (en) 2009-08-27 2009-08-27 Heat pump system with heat exchanger for circulating water temperature rise

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110022182A true KR20110022182A (en) 2011-03-07
KR101054377B1 KR101054377B1 (en) 2011-08-04

Family

ID=43930635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090079637A KR101054377B1 (en) 2009-08-27 2009-08-27 Heat pump system with heat exchanger for circulating water temperature rise

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101054377B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105042679A (en) * 2015-08-27 2015-11-11 江苏天舒电器有限公司 Dynamic control device of heating heat pump
WO2016000656A1 (en) * 2014-07-04 2016-01-07 珠海格力电器股份有限公司 Air conditioning system

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102353573B1 (en) 2020-08-28 2022-01-24 (주)유천써모텍 Heat pump system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001183030A (en) 1999-10-12 2001-07-06 Kubota Corp Geothermal sampling testing device
CN1389689A (en) 2001-06-01 2003-01-08 徐云生 Peak-regulating ground source heat pump system for accumulating energy with valley power
JP2006125769A (en) 2004-10-29 2006-05-18 Denso Corp Heat pump cycle device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016000656A1 (en) * 2014-07-04 2016-01-07 珠海格力电器股份有限公司 Air conditioning system
CN105042679A (en) * 2015-08-27 2015-11-11 江苏天舒电器有限公司 Dynamic control device of heating heat pump
CN105042679B (en) * 2015-08-27 2017-12-22 江苏天舒电器有限公司 A kind of water heating heat pump device for controlling dynamically

Also Published As

Publication number Publication date
KR101054377B1 (en) 2011-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5327308B2 (en) Hot water supply air conditioning system
CN203657051U (en) Direct condensation type air source heat pump floor heating system
KR101381812B1 (en) the solar heat and dualistic regenerative system air-conditioning apparatus
CN103175262B (en) Solar airconditioning
CN104566699A (en) Energy storage multi-connected air conditioning unit and control method thereof
KR101333143B1 (en) The regenrative air conditioning apparatust
KR101864636B1 (en) Waste heat recovery type hybrid heat pump system
US9816736B2 (en) Air-conditioning apparatus
EP2541170A1 (en) Air-conditioning hot-water-supply system
CN102434995A (en) R32 air-cooling cold water heat pump unit adopting EVI (Economizer Vapor Injection) compressor
US9599380B2 (en) Refrigerant charging method for air-conditioning apparatus and air-conditioning apparatus
KR101142914B1 (en) Hot water and cool water product system using 2-steps heat pump cycles
JP2013083439A (en) Hot water supply air conditioning system
JP2013083439A5 (en)
KR101054377B1 (en) Heat pump system with heat exchanger for circulating water temperature rise
CN202382470U (en) R32 air-cooled water chiller heat pump unit with EVI (enhanced vapor injection) compressor
CN102252412A (en) Freon-free frequency-conversion air conditioner system
JP6550859B2 (en) Refrigeration system
CN102445017A (en) Host machine of air cooling and water cooling type cold-hot water air conditioner
KR101168877B1 (en) Efficient one leucorrhea terrain constant temperature mutual assistance
KR101054369B1 (en) Water-Refrigerant Heat Exchanger for Heat Pump Systems
KR101258096B1 (en) Two step compression heat pump system
KR101092230B1 (en) the dualistic regenerative system air-conditioning apparatus
CN203848425U (en) Central air-conditioning system for energy storage of ground source heat pump
JP5333557B2 (en) Hot water supply air conditioning system

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140729

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150729

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160729

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170728

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180730

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190725

Year of fee payment: 9