KR20110104579A - 이원 지열원 히트펌프 시스템 - Google Patents

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한혁상
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한혁상
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Abstract

본 발명은 지중열교환기의 설치 대수나 설치 깊이를 최소화하면서도 높은 성적계수(COP)로 지중열교환기를 통하여 얻을 수 없는 고온수(65℃ 이상)를 얻을 수 있는 이원 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 지중에 매설되고 내부에 채워진 순환수에 의하여 지중으로부터 지열을 추출하는 지중열교환기; 상기 지중열교환기의 순환수와 저단측 냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 냉매가 상기 지중열교환기의 순환수에 포함된 열에 의하여 증발과열되는 저단측 증발기; 상기 저단측 증발기로부터 과열증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 저단측 압축기; 상기 저단측 압축기에서 토출된 고온고압의 증기냉매와 고단측 팽창밸브에서 압력 및 온도가 저하된 액냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 증기냉매는 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열)을 방출하면서 응축되고, 고단측 액냉매는 저단측 응축열에 의하여 증발과열되는 저단응축고단증발기; 상기 저단응축고단증발기로부터 증발과열된 증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 고단측 압축기; 및 상기 고단측 압축기로부터 토출된 증기냉매와 난방수가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 난방수가 상기 고단측 증기냉매의 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열 + 고단측 압축기 압축열)에 의하여 가열되는 고단측 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이원 지열원 히트펌프 시스템{CASCADED GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 지중열교환기의 설치 대수나 설치 깊이를 최소화하면서도 높은 성적계수(COP)로 지중열교환기를 통하여 얻을 수 없는 고온수(65℃ 이상)를 얻을 수 있는 이원 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
공기열원 히트펌프는 외기 온도의 변화에 따라 성적 계수(COP)가 많이 달라진다. 즉, 열원으로 공기열원을 사용하는 히트펌프는, 사용하는 냉매의 종류에 따라 약간의 차이가 있지만, 예를 들어 CFC계 냉매 또는 HFC계 냉매의 경우, 외기 온도가 7℃이하로 떨어지면, 히트펌프의 성적 계수 2.0 이하로 떨어져, 히트펌프로서의 효용을 크게 상실한다.
근래에 공기열원 히트펌프의 이러한 단점을 극복하기 위한 방안 중 하나로, 지중열을 이용하는 지열원 히트펌프가 개발되어, 한국특허 제10-391804호, 제10-506764호, 제10-530259호, 제10-557460호, 제10-563306호, 제10-556267호, 제10-496895호 등에 개시되어 있다. 외기 온도가 계절에 따라 변함에 반하여, 지하의 일정심도내에 분포된 암석 또는 지하수의 지중 온도는 연중 비교적 일정하기 때문에 지열을 이용하는 히트펌프는 외기로부터 열을 추출하는 공기열원 히트펌프에 비해 매우 효율적이다.
그러나, 지열원 히트펌프는 지중열교환기를 설치하기 위한 지중천공비용 등 초기 설치비가 너무 많이 소요되어 일반적인 보급에 제약이 되고 있다. 특히 건물 등 대용량의 냉난방 에너지를 필요로 하는 곳에 많이 사용되고 있는 수직 폐회로 지중열 히트펌프의 경우, 평균 46m ~ 150m 심도의 수직 천공(bored hole)을 건물 하부나 건물 인근에 다수 개 굴착하고, 각 굴착 천공에, 두개의 PE관을 U-bend로 연결한 지중열교환기를 설치한 후, 천공 내부 빈공간을 그라이팅 등으로 충전하게 되는 데, 이 때 소요되는 굴착비용, 지중열교환기 설치비용, 그라이팅 충전 비용 등이 전체 지열원 히트펌프 설치비용의 40% - 50%를 차지한다.
본 발명은 상술한 종래 지열원 히트펌프의 설치비용 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 지중열교환기 설치 대수나 설치 깊이 등을 줄여 지열원 히트펌프의 경제성을 확보하면서도 히트펌프의 효율을 적절히 유지할 수 있도록 압축열과 지열을 동시에 사용하는 이원 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2과제는 적절한 열원 분배에 의하여 대용량의 압축기를 사용하지 않고도 단위 시간동안 통상의 지열원 히트펌프보다 더 고온(65℃ 이상)의 난방수를 생성할 수 있는 이원 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3과제는 고단측 압축기에 투입되는 과열 증기의 과열도가 지나치게 상승하였을 때 이를 자동으로 낮춰 적절한 과열도의 과열 증기가 고단측 압축기에 투입되게 함으로써 성적계수 저하를 막을 수 있는 이원 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 제1과제 및 제2과제는, 지중에 매설되고 내부에 채워진 순환수에 의하여 지중으로부터 지열을 추출하는 지중열교환기; 상기 지중열교환기의 순환수와 저단측 냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 냉매가 상기 지중열교환기의 순환수에 포함된 열에 의하여 증발과열되는 저단측 증발기; 상기 저단측 증발기로부터 과열증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 저단측 압축기; 상기 저단측 압축기에서 토출된 고온고압의 증기냉매와 고단측 팽창밸브에서 압력 및 온도가 저하된 액냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 증기냉매는 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열)을 방출하면서 응축되고, 고단측 액냉매는 저단측 응축열에 의하여 증발과열되는 저단응축고단증발기; 상기 저단응축고단증발기로부터 증발과열된 증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 고단측 압축기; 및 상기 고단측 압축기로부터 토출된 증기냉매와 난방수가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 난방수가 상기 고단측 증기냉매의 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열 + 고단측 압축기 압축열)에 의하여 가열되는 고단측 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 지열원 히트펌프 시스템에 의하여 해결된다.
상술한 본 발명의 제3과제는 상기 고단측 팽창밸브 직전에, 고단측 액냉매 중 일부를 저온저압으로 팽창시켜 저단응축고단증발기를 경유하지 않고 직접 고단측 압축기의 저압단에 투입할 수 있는 바이패스 팽창밸브를 구비하고, 상기 바이패스 팽창밸브와 직렬로, 저단응축고단증발기의 토출단 온도가 소정 온도이상으로 상승할 때 열리는 전자밸브를 구비함으로써 해결된다.
본 발명에 의하면, 지중열교환기와 난방수 생성 히트펌프(고단측 냉동사이클) 사이에, 고단측 냉동사이클보다 비교적 용량이 적은 저단측 냉동사이클을 개입시킴으로써, 동절기 등에 있어서 저단측 냉동사이클의 성적계수(COP)는 지열에 의하여 적정 수준(2-4)으로 유지하고, 고단측 냉동사이클의 성적계수(COP)는 지열 및 저단측 압축기의 압축열에 의하여 적정수준(2-4)으로 유지할 수 있게 되므로, 지중열교환기 설치 대수나 설치 깊이 등을 줄여 지열원 히트펌프의 설치상 경제성을 확보하면서도 히트펌프의 효율을 적절히 유지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 적절한 열원 분배에 의하여 대용량의 압축기를 사용하지 않고도 단위 시간동안 통상의 지열원 히트펌프보다 더 고온(65℃ 이상)의 난방수를 생성할 수 있으며, 고단측 압축기에 투입되는 과열 증기의 과열도가 지나치게 상승하였을 때 이를 자동으로 낮춰 적절한 과열도의 과열 증기가 고단측 압축기에 투입되게 함으로써 성적계수 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이원 지열원 히트펌프 시스템의 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 이원 지열원 히트펌프 시스템의 구체적인 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 특징은 지중열교환기(35)와 난방수 생성용 냉동사이클(1, 5, 13, 15) 사이에, 지중열교환기(35)에서 추출한 지열을 난방수 생성용 냉동사이클(1, 5, 13, 15)에 전달할 뿐만 아니라, 압축열을 부가할 수 있는 저용량 냉동사이클(21, 15, 31, 33)을 부가하여, 지중열교환기(35)의 지열을 활용할 뿐만 아니라, 저용량 냉동사이클(21, 15, 31, 33)의 압축열을 이용하여, 난방수 생성용 냉동사이클(1, 5, 13, 15)의 증발열을 공급할 수 있게 한 데 있다. 이를 통하여 지열만 사용할 경우의 고온(65℃ 이상) 난방수를 얻기 어려운 문제를 해결하고, 지중열교환기(35)의 매설 개수나 깊이 등을 줄일 수 있게 된다.
지중열교환기(35)는 지중에 매설되고 내부에 채워진 순환수에 의하여 지중으로부터 지열을 추출한다. 지중열교환기(35)에는 저용량 냉동사이클이 연결되고, 이 저용량 냉동사이클은 저단측 증기냉매를 압축하여 고온(90℃ 내외)고압(22kg/㎠ 내외)의 증기냉매로 압축하는 저단측 압축기(21), 저단측 압축기(21)에서 압축된 증기냉매로 부터 압축기 오일을 분리하여 회수하는 저단측 오일분리기(23), 저단측 증기냉매가 고단측 액냉매에 증발 열량을 공급하면서 응축되는 저단응축고단증발기(15), 응축된 저단측 액냉매를 저장하는 저단측 수액기(25), 저단측 액냉매로부터 이물질이나 수분을 제거하는 저단측 필터드라이어(27), 저단측 액냉매의 투입을 제어하는 저단측 전자밸브(29), 저단측 액냉매를 팽창시켜 온도 및 압력을 증발하기 쉽게 떨어뜨리는 저단측 팽창밸브(31) 및 지열열교환기(35)의 순환수에 포함된 지열에 의하여 저단측 액냉매가 증발 및 과열되는 저단측 증발기(33), 및 증발기에서 토출된 증기냉매에 포함된 액냉매를 수집하여 증발시키는 저단측 액분리기(31)로 구성된다. 상기 저단측 압축기(21)의 용량은, 단위 시간당 난방수를 가열하는 데 필요한 열량(도 1의 실시 예에서 고압축 압축기 30RT에 대하여 20톤의 물을 △t=10℃로 상승시키는 열량)과, 단위 시간당 지중열교환기(35)에서 획득하는 지열의 열량, 난방수 생성용 냉동사이클(1, 5, 13, 15)의 고단측 압축기(1)의 용량을 고려하여 산정되지만, 고단측 압축기(1)의 용량보다는 항상 작은 것을 사용한다.
지중열교환기(35)에서 지열을 추출한 순환수는 상기 저단측 증발기(33)에서 저단측 냉매와 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 냉매가 증발과열되는 데 필요한 열량을 공급한다. 상기 저단측 압축기(21)는 상기 저단측 증발기(33)로부터 과열증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출한다. 저단응축고단증발기(15)에서는 상기 저단측 압축기(21)에서 토출된 고온고압의 증기냉매와 고단측 팽창밸브(13)에서 압력 및 온도가 저하된 고단측 액냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 증기냉매는 응축열을 방출하면서 응축되고, 고단측 액냉매는 저단측 응축열에 의하여 증발과열된다. 이 때 저단측 증기냉매가 방출하는 응축열은 저단측 냉매가 저단측 증발기에서 증발하면서 얻은 지열과, 저단측 압축기의 압축과정에서 얻어진 압축열이다.
상기 저단측 냉동회로(저용량 냉동사이클)는 저단응측고단증발기(15)를 매개로 고단측 냉동회로(난방수 생성용 냉동 사이클)와 연결된다.
고단측 냉동사이클은 고단측 증기냉매를 압축하여 고온(100℃ 내외)고압(22kg/㎠ 내외)의 증기냉매로 압축하는 고단측 압축기(1), 고단측 압축기(1)에서 압축된 증기냉매로 부터 압축기 오일을 분리하여 회수하는 고단측 오일분리기(3), 상기 고단측 압축기(1)로부터 토출된 증기냉매와 난방수가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 난방수가 상기 고단측 증기냉매의 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열 + 고단측 압축기 압축열)에 의하여 가열되는 고단측 응축기(5), 응축된 고단측 액냉매를 저장하는 고단측 수액기(7), 고단측 액냉매로부터 이물질이나 수분을 제거하는 고단측 필터드라이어(9), 고단측 액냉매의 투입을 제어하는 고단측 제1전자밸브(11), 고단측 액냉매를 팽창시켜 온도 및 압력을 증발하기 쉽게 떨어뜨리는 고단측 팽창밸브(13) 및 고단측 액냉매가 저단측 증기냉매로부터 증발 열량을 공급받아 증발 과열되는 저단응축고단증발기(15)로 구성된다. 고단측 압축기(1)는 상기 저단응축고단증발기(15)로부터 증발과열된 증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 과정을 반복한다. 고단측 냉매는 저단측 냉매보다 증발온도가 너 낮은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 지중열교환기와 난방수 생성 히트펌프(고단측 냉동사이클) 사이에, 고단측 냉동사이클보다 비교적 용량이 적은 저단측 냉동사이클을 개입시킴으로써, 동절기 등에 있어서 저단측 냉동사이클의 성적계수(COP)는 지열에 의하여 적정 수준(2-4)으로 유지하고, 고단측 냉동사이클의 성적계수(COP)는 지열 및 저단측 압축기의 압축열에 의하여 적정수준(2-4)으로 유지할 수 있게 하고 있는 것이다. 이러한 구성에 의해, 저단측 냉동사이클은, 외기 온도와 상관없이, 지열에 의하여 저단측 냉매의 증발이 원활하게 이루어지므로, 높은 성적계수의 열을 저단응축고단증발기(15)를 통해 고단측 냉매에 방출할 수 있게 되고, 저단응축고단증발기(15)에서 고단측 냉매는 일 열에 의하여 증발이 원활히 이루어지므로, 높은 성적계수의 열을 고단측 응축기(5)에서 난방수에 공급할 수 있게 된다. 또한, 지중열교환기 설치 대수나 설치 깊이 등을 줄여 지열원 히트펌프의 설치상 경제성을 확보하면서도 히트펌프의 효율을 적절히 유지할 수 있게 된다.
그러나, 저단응축고단증발기(15)에서 토출되는 고단측 냉매의 과열도가 지나치게 높을 경우 고단측 냉동사이클의 성적계수가 오히려 더 떨어진다. 따라서, 상기 고단측 팽창밸브(13) 직전에, 고단측 액냉매 중 일부를 저온저압으로 팽창시켜 저단응축고단증발기(15)를 경유하지 않고 직접 고단측 압축기(1)의 저압단에 투입할 수 있는 바이패스 팽창밸브(19)를 구비하고, 상기 바이패스 팽창밸브(19)와 직렬로, 저단응축고단증발기(15)의 토출단 온도가 소정 온도이상으로 상승할 때 열리는 전자밸브(17)를 구비하여, 고단측 냉매의 과열도를 적정수준으로 유지하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 고단측 압축기에 투입되는 과열 증기의 과열도가 지나치게 상승하였을 때 이를 자동으로 낮춰 적절한 과열도의 과열 증기가 고단측 압축기에 투입되게 함으로써 성적계수 저하를 막을 수 있다.
1 : 고단측 압축기 3 : 고단측 오일분리기
5 : 고단측 응축기 7 : 고단측 수액기
9 : 고단측 필터드라이어 10 : 고단측 액면계
11 : 고단측 제1전자밸브 13 : 고단측 팽창밸브
15 : 저단응축고단증발기 17 : 고단측 제2전자밸브
19 : 바이패스 팽창밸브 21 : 저단측 압축기
23 : 저단측 오일분리기 25 : 저단측 수액기
27 : 저단측 필터드라이어 29 : 저단측 전자밸브
31 : 저단측 팽창밸브 33 : 저단측 증발기
35 : 지중열교환기 37 : 펌프

Claims (2)

  1. 지중에 매설되고 내부에 채워진 순환수에 의하여 지중으로부터 지열을 추출하는 지중열교환기(35);
    상기 지중열교환기(35)의 순환수와 저단측 냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 냉매가 상기 지중열교환기(35)의 순환수에 포함된 열에 의하여 증발과열되는 저단측 증발기(33);
    상기 저단측 증발기(33)로부터 과열증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 저단측 압축기(21);
    상기 저단측 압축기(21)에서 토출된 고온고압의 증기냉매와 고단측 팽창밸브(13)에서 압력 및 온도가 저하된 액냉매가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 저단측 증기냉매는 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열)을 방출하면서 응축되고, 고단측 액냉매는 저단측 응축열에 의하여 증발과열되는 저단응축고단증발기(15);
    상기 저단응축고단증발기(15)로부터 증발과열된 증기냉매를 투입받고 이를 고온고압 증기냉매로 압축하여 토출하는 고단측 압축기(1);
    상기 고단측 압축기(1)로부터 토출된 증기냉매와 난방수가 서로 혼합되지 않고 교차되면서, 난방수가 상기 고단측 증기냉매의 응축열(지열 + 저단측 압축기 압축열 + 고단측 압축기 압축열)에 의하여 가열되는 고단측 응축기(5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 이원 지열원 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고단측 팽창밸브(13) 직전에, 고단측 액냉매 중 일부를 저온저압으로 팽창시켜 저단응축고단증발기(15)를 경유하지 않고 직접 고단측 압축기(1)의 저압단에 투입할 수 있는 바이패스 팽창밸브(19)를 구비하고, 상기 바이패스 팽창밸브(19)와 직렬로, 저단응축고단증발기(15)의 토출단 온도가 소정 온도이상으로 상승할 때 열리는 전자밸브(17)를 구비한 것을 특징으로 하는 이원 지열원 히트펌프 시스템.




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KR1020100023538A KR20110104579A (ko) 2010-03-17 2010-03-17 이원 지열원 히트펌프 시스템

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101367270B1 (ko) * 2013-11-13 2014-02-27 (주)유원이엠티 이원냉동공기열히트펌프시스템
CN107504545A (zh) * 2017-08-03 2017-12-22 山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队 一种中低温地热资源的采暖洗浴综合梯级利用模式
KR102120464B1 (ko) 2019-10-07 2020-06-08 박희문 복합형 지열 열교환기를 이용한 히트펌프 시스템
KR20230081194A (ko) * 2021-11-30 2023-06-07 나이스텍(주) 지열을 이용한 고온수 다단 히트펌프 냉난방 시스템

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CN107504545B (zh) * 2017-08-03 2024-02-13 山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队 一种中低温地热资源的采暖洗浴综合梯级利用系统
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