KR20130058820A - 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치 - Google Patents

하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치에 관한 것이다. 본 발명은 냉매가 압축되고 냉각되어 액체로 된 후 기화되는 과정이 계속하여 이뤄지도록 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 하나의 사이클을 이루고 구성되는 히트펌프; 상기 히트펌프와 소정거리를 갖고 이격된 위치에 마련되며 상기 응축기에서 수열교환방식으로 얻은 열매체를 제1펌프에 의해 저장하거나 순환시킬 수 있도록 제1순환라인을 통해 연결된 축열탱크; 이 축열탱크와 이격된 위치의 냉난방시설물에 이르기까지 연결되며 축열탱크 내의 열매체를 제2펌프에 의해 순환되도록 제2순환라인으로 연결된 하우스열교환기; 상기 제2순환라인에는 하우스열교환기를 통과한 열매체가 제1전환밸브에 의해 전환되어 분기되었다가 다시 만나는 분기라인이 마련되고 이 분기라인에 냉난방시설물 바닥의 지중가온을 위해 지중에 매설되는 지중가온열교환기;가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서 히트펌프를 이용한 난방시스템에 하우스열교환기에서 축열탱크로 되돌아가는 라인에 지중열교환기를 마련함으로써 기본적으로 농작물을 재배하는 냉난방시설물인 하우스의 온도를 농작물의 생육조건에 적합한 온도로 난방을 수행함은 물론, 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 히트펌프를 가동시키지 않는 상태에서 하우스열교환기가 냉난방시설물인 하우스 내의 잉여열을 흡열하여 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 하우스 내의 지중에 매설된 지중열교환기로 공급하여 지중가온(2~3℃)할 수 있으며, 이로 인하여 토양중의 미생물이 활성화되어 퇴비, 비료 등을 식물이 이용하기에 적당하게 빨리 분해시켜 토양이 좋아짐과 동시에 작물수확량증대가 이루어지며, 주간 태양열의 잉여열을 지중에 저장하였다가 사용할 수 있어 하우스의 가온에 소용되는 에너지비용을 절감할 수 있다.

Description

하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치{Soil heating apparatus using remainded Heat of house and heat pump}
본 발명은 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 주간의 태양열에 의한 온실효과로 하우스의 실내온도가 설정온도이상이 되면 하우스열교환기가 하우스 내의 열을 흡열하여 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 하우스 내의 지중에 매설된 지중열교환기로 공급하여 지중가온(2~3℃)하며, 하우스의 실내온도가 설정온도이하로 되면 축열탱크로부터 공급받는 열매체가 가지고 있는 열을 방열하여 난방을 수행할 수 있는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치에 관한 것이다.
일반적으로, 과채류 등을 포함한 모든 농작물재배는 생산성향상을 꾀하기 위하여 하우스에서 재배한다. 이렇게 하우스에서 농작물을 재배하기 위해서는 항시 농작물의 생육조건에 적합한 조건(특히, 온습도)으로 유지시킴이 가장 중요한 요소이다.
이로 인하여 외기온도가 뜨거우면 냉방을 하고 외기온도가 낮으면 난방을 할 수 있는 히트펌프를 설치하여 이용하고 있다. 상기 히트펌프는 기본적으로 통상의 냉방 사이클과 같이 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 하나의 사이클을 이루고 구성되어 있으며, 상기 압축기와 응축기 및 증발기 사이의 유로에 압축기에서 토출되는 냉매가 응축기와 증발기 중의 어느 한쪽으로 전환시키기 위한 사방밸브를 구비할 수도 있다.
상기 히트펌프는 냉난방시설물의 내부온도가 일정온도(27℃내외)이상이면 냉방을 행하고 냉난방시설물의 내부온도가 일정온도(20℃내외)보다 낮으면 난방을 행하는 것이 주류를 이루었으며, 상기 히트펌프의 응축기와 증발기를 수열교환방식을 채택하여 상기 응축기와 증발기를 통해 열교환하여 얻은 열을 축열탱크와 잉여열탱크에 저장하였다가 냉난방시설물에 공급 순환시킴으로써 활용하는 것이 전부라고 하여도 과언이 아니었다.
상기와 같은 히트펌프를 이용한 기존의 냉난방시스템에 있어서는, 히트펌프 자체의 열교환기인 응축기와 증발기를 통해 교환하여 얻은 열이나, 수열교환방식을 통해 얻은 냉수나 온수로 단순히 냉방과 난방을 행하고, 특히 주간의 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 필요이상의 온도로 과열되면 단순히 배기 내지 냉방을 행하는 전부이므로 냉난방시설물의 잉여열을 활용하기 위한 수단이 전혀 마련되어 있지 않으며, 그 결과로 히트펌프의 이용효율이 떨어지고 전기에너지 손실이 과다하게 증가된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 폐단 및 문제점을 해결하기 위하여 연구개발한 것으로서, 히트펌프를 이용한 난방시스템에 하우스열교환기에서 축열탱크로 되돌아가는 제2순환라인에 지중열교환기를 마련함으로써 기본적으로 농작물을 재배하는 냉난방시설물인 하우스의 온도를 농작물의 생육조건에 적합한 온도로 난방을 수행함은 물론, 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 히트펌프를 가동시키지 않는 상태에서 하우스열교환기가 냉난방시설물인 하우스 내의 잉여열을 흡열하여 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 하우스 내의 지중에 매설된 지중열교환기로 공급하여 지중가온(2~3℃)할 수 있으며, 이로 인하여 토양중의 미생물이 활성화되어 퇴비, 비료 등을 식물이 이용하기에 적당하게 빨리 분해시켜 토양이 좋아짐과 동시에 작물수확량증대가 이루어지며, 주간 태양열의 잉여열을 지중에 저장하였다가 온도가 떨어질 때 사용할 수 있어 하우스의 가온에 소용되는 에너지비용을 절감할 수 있도록 한 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 히트펌프의 응축기는 물론 증발기 또한 수열교환방식을 채택하되 하우스열교환기 이외에 지열, 폐열, 발전소의 온배수열 등의 열원열교환기와 순환되도록 마련함으로써 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 냉난방시설물인 하우스 내의 잉여열을 흡열하여 지중가온에 활용하고 하우스열교환기의 열원으로 열원열교환기를 이용할 수 있도록 한 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 히트펌프의 응축기는 물론 증발기 또한 수열교환방식으로 열 교환하여 얻은 냉온수를 잉여열 및 축열탱크에 저장하고 상기 축열 및 잉여열탱크의 온수와 냉수를 냉난방시설물에 이르기까지 순환시키며, 여기에다가 잉여열탱크를 빗물을 받을 수 있는 우수탱크로도 활용함으로써 주간의 일조시에 냉난방시설물의 온도가 설정온도보다 상승되었을 때 잉여열탱크의 열매체를 순환시켜 냉방과 동시에 냉난방시설물의 잉여열을 회수하고 이 잉여열을 지중가온에 활용할 수 있으며, 잉여열탱크의 수온을 항시 10~30℃로 유지 저장한 후 이를 히트펌프의 증발기로 공급할 수 있어 히프펌프의 운전효율을 향상시키고 히트펌프의 운전에 사용되는 전기에너지를 절약할 수 있도록 한 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉매가 압축되고 냉각되어 액체로 된 후 기화되는 과정이 계속하여 이뤄지도록 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 하나의 사이클을 이루고 구성되는 히트펌프; 상기 히트펌프와 소정거리를 갖고 이격된 위치에 마련되며 상기 응축기에서 수열교환방식으로 얻은 열매체를 제1펌프에 의해 저장하거나 순환시킬 수 있도록 제1순환라인을 통해 연결된 축열탱크; 이 축열탱크와 이격된 위치의 냉난방시설물에 이르기까지 연결되며 축열탱크 내의 열매체를 제2펌프에 의해 순환되도록 제2순환라인으로 연결된 하우스열교환기; 상기 제2순환라인에는 하우스열교환기를 통과한 열매체가 제1전환밸브에 의해 전환되어 분기되었다가 다시 만나는 분기라인이 마련되고 이 분기라인에 냉난방시설물 바닥의 지중가온을 위해 지중에 매설되는 지중가온열교환기; 가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 히트펌프의 증발기 또한 수열교환방식으로 얻은 열매체를 제3펌프에 의해 순환시킬 수 있도록 제3순환라인을 통해 연결되고 지열, 폐열 또는 발전소의 온배수열을 히트펌프의 열원으로 활용할 수 있는 열원열교환기가 마련되어 있으며, 상기 제3순환라인은 제2순환라인상의 하우스열교환기에서 열원열교환기를 통해 순환되도록 제2, 제3전환밸브를 통해 분기되는 연결라인이 제2순환라인과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3순환라인에는 열원열교환기로 열매체가 유입되지 아니하도록 하는 각각의 개폐밸브를 마련할 수도 있다.
상기 열원열교환기가 다공 암석층의 지하공기를 이용하는 경우에는 다공 암석층의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 열 교환이 잘 이루어지도록 송풍 팬을 포함하는 지하공기송풍관이 매설된 것을 특징으로 한다.
상기 제3순환라인에는 히트펌프의 증발기에서 수열교환방식으로 얻은 냉수인 열매체를 저장 내지 순환시킬 수 있는 잉여열탱크가 마련되어 있고, 상기 잉여열탱크와 열원열교환기 사이의 제3순환라인에는 잉여열탱크의 열매체를 열원열교환기와도 순환시킬 수 있도록 제4펌프가 마련될 수도 있다.
상기 냉난방시설물에 내리는 우수를 안내하여 저장할 수 있도록 냉난방시설물의 지붕으로부터 잉여열탱크에 이르기까지 우수라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 히트펌프를 이용한 난방시스템에 하우스열교환기에서 축열탱크로 되돌아가는 라인에 지중열교환기를 마련함으로써 기본적으로 농작물을 재배하는 냉난방시설물인 하우스의 온도를 농작물의 생육조건에 적합한 온도로 난방을 수행함은 물론, 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 히트펌프를 가동시키지 않는 상태에서 하우스열교환기가 냉난방시설물인 하우스 내의 잉여열을 흡열하여 열매체를 가열하고 가열된 열매체를 하우스 내의 지중에 매설된 지중열교환기로 공급하여 지중가온(2~3℃)할 수 있으며, 이로 인하여 토양중의 미생물이 활성화되어 퇴비, 비료 등을 식물이 이용하기에 적당하게 빨리 분해시켜 토양이 좋아짐과 동시에 작물수확량증대가 이루어지며, 주간 태양열의 잉여열을 지중에 저장하였다가 사용할 수 있어 하우스의 가온에 소용되는 에너지비용을 절감할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 히트펌프의 응축기는 물론 증발기 또한 수열교환방식을 채택하되 하우스열교환기 이외에 지열, 폐열, 발전소의 온배수열 등의 열원열교환기와 순환되도록 마련함으로써 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 냉난방시설물인 하우스 내의 잉여열을 흡열하여 지중가온에 활용하고 하우스열교환기의 열원으로 열교환기를 이용할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 히트펌프의 응축기는 물론 증발기 또한 수열교환방식으로 열 교환하여 얻은 냉온수를 잉여열 및 축열탱크에 저장하고 상기 축열 및 잉여열탱크의 온수와 냉수를 냉난방시설물에 이르기까지 순환시키며, 여기에다가 잉여열탱크를 빗물을 받을 수 있는 우수탱크로도 활용함으로써 주간의 일조시에 냉난방시설물의 온도가 설정온도보다 상승되었을 때 잉여열탱크의 열매체를 순환시켜 냉방과 동시에 냉난방시설물의 잉여열을 회수하고 이 잉여열을 지중가온에 활용할 수 있으며, 잉여열탱크의 수온을 항시 10~30℃로 유지 저장한 후 이를 히트펌프의 증발기로 공급할 수 있어 히프펌프의 운전효율을 향상시키고 히트펌프의 운전에 사용되는 전기에너지를 절약할 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치에 대하여 첨부 도면을 참고로 하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 지중가온장치는 온수를 얻기 위한 히트펌프(10)와, 이 히트펌프(10)에서 얻은 온수의 열매체를 저장하는 축열탱크(20)와, 상기 축열탱크(20)에 저장된 온수인 열매체를 냉난방시설물(30)에 이르기까지 공급하여 냉난방을 수행하기 위한 하우스열교환기(40)를 포함하여 구성된다.
상기 히트펌프(10)는 냉매가 압축되고 냉각되어 액체로 된 후 기화되는 과정이 계속하여 이뤄지도록 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 하나의 사이클을 이루고 구성된 것인바, 기존과 동일한 것이어서 더 이상의 구체적인 설명은 생략한다. 여기에서, 응축기는 물과 열교환하는 수열교환방식으로 방열함에 따라 온수인 열매체를 얻도록 마련된 것이고, 상기 증발기는 공기와 열교환하는 기열교환방식으로 흡열하도록 마련된 것이다.
상기 축열탱크(20)는 히트펌프(10)와 소정거리를 갖고 이격된 위치에 마련되되 상기 응축기에서 수열교환방식으로 얻은 온수인 열매체를 저장할 수 있는 것이면 충분하다. 상기 축열탱크(20)의 외면은 보온 및 단열이 이뤄지도록 보온단열재를 씌워 마련함이 바람직하다. 상기 축열탱크(20)와 응축기(12)는 이 응축기(12)를 통해 얻은 온수를 제1펌프(22)에 의해 축열탱크(20)로 저장하거나 축열탱크(20) 내의 온수를 응축기를 거쳐 순환시킬 수 있도록 제1순환라인(21)이 연결되어 있다.
상기 하우스열교환기(40)는 상기 축열탱크(20)와 이격된 위치의 냉난방시설물인 하우스(30) 내에 마련되는 것이며, 상기 축열탱크(20) 내의 온수를 제2펌프(42)에 의해 순환시켜 온기를 방사하도록 제2순환라인(41)으로 연결되어 있다. 상기 하우스열교환기(40)는 축열탱크(20)의 온수가 하우스열교환기(40)를 통과할 때 팬으로 냉기나 온기를 방사할 수 있는 팬 코일유닛 또는 공기조화기이면 충분하다.
상기 제2순환라인(41)에는 하우스열교환기(40)를 통과한 열매체가 제1전환밸브(43)에 의해 전환되어 분기되었다가 다시 만나는 분기라인(44)이 마련되고 이 분기라인(44)에 냉난방시설물 바닥의 지중가온을 위해 지중에 매설되는 지중가온열교환기(45)가 마련되어 있다. 상기 지중가온열교환기(45)는 냉난방시설물인 하우스(30) 내에서 재배되는 농작물의 뿌리에 직접적인 악영향을 주지 아니하도록 농작물 사이의 위치인 지표면에 5~100㎝의 깊이로 매설됨이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치는 하우스(30)내의 온도가 최하설정온도(예를 들어, 20℃)이하로 떨어지면 히트펌프(10)가 가동되고 이렇게 히트펌프(10)가 가동되기 시작하면 제1순환라인(21)상의 제1펌프(22) 또한 가동되므로 히트펌프(10)의 응축기와 수열 교환하여 얻은 온수인 열매체가 축열탱크(20)에 저장되게 된다. 상기 축열탱크(20)의 열매체는 제1펌프(22)에 의해 흡입되어 제1순환라인(21)을 따라 흐를 때 응축기를 통과하면서 온수(45~50℃)로 되고 이렇게 가온된 온수가 축열탱크(20) 내부로 지속적으로 순환 공급되므로 축열탱크(20) 내의 물은 온수(50℃정도)로 된다.
이와 동시에 제2순환라인(41)에 설치된 제2펌프(42)를 가동시키면 제2순환라인(41)을 통해 축열탱크(20) 상부의 온수를 흡입하여 하우스열교환기(40)로 공급하고 상기 하우스열교환기(40)에서 제2순환라인(41)을 통해 축열탱크(20)의 하부로 복귀되게 된다. 이렇게 축열탱크(20)에서 제2순환라인(41)을 통해 다시 축열탱크(20)로 복귀되는 과정이 지속적으로 진행되어 순환됨에 따라서 냉난방시설물(30) 내의 하우스열교환기(40)에서 열을 발산하므로 난방(20~25℃)이 이뤄지는 것이다.
이렇게 방열되어 온도가 떨어진 온수는 축열탱크(20)의 하부로 공급되기 때문에 상대적으로 상부보다 온도가 낮은바, 이는 자연적인 대류현상이 이루어진 것과 같으므로 축열탱크(20) 상하부의 물은 유동되지 않는다.
따라서, 축열탱크(20)에서 상대적으로 온도가 높은 상부의 온수를 제1, 제2순환라인(21,41)을 통해 공급하고 흡입하므로 자연적인 대류현상을 꾀한 것처럼 유체흐름의 안정화를 꾀할 수 있으며, 이로 인하여 난방의 열손실을 최소화하고 효율적인 난방을 꾀할 수 있다.
위와 같이 하우스난방을 수행하다가 하우스설정온도에 도달하면 히트펌프(10)가 정지되고 제1, 제2순환라인(21,41)상의 제1, 제2펌프(22,42) 또한 정지된 상태로 유지되나 제2순환라인(41)의 제2펌프(42)만을 가동시켜 축열탱크(20)의 온수인 열매체를 순환시켜 난방을 수행할 수도 있다.
이렇게 난방이 정지된 상태에서 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스(30)의 내부온도가 설정온도(예를 들어, 29℃)이상으로 되면 히트펌프(10)를 가동시키지 않는 상태에서 제2순환라인(41)상의 제2펌프(42)가 가동됨과 동시에 제1전환밸브(43)가 전환되어 제2순환라인(41)을 따라 흐르는 열매체가 분기라인(44)으로 흘러 지중열교환기(45)를 통해 축열탱크(20)로 들어가게 된다.
이때, 하우스(30)바닥의 지표면은 하우스 내부온도와 비슷하나 지표면 아래의 지중은 하우스(30)내부의 온도보다 낮으므로 지중을 통과하는 지중열교환기(45)로부터 열매체가 가지고 있는 열을 방열하여 낮아진 온도의 열매체가 되어 축열탱크(20)로 들어가는 것이다.
이러한 과정이 지속적으로 이루지면서 하우스열교환기(40)가 냉난방시설물인 하우스(30) 내의 잉여열을 흡열하여 열매체를 가열하게 되고 가열된 열매체를 하우스(30) 내의 지중에 매설된 지중열교환기(45)의 열원으로 공급하여 지중의 온도를 2~3℃이상 가온할 수 있게 된다.
이렇게 하우스(30) 바닥의 지중온도를 2~3℃이상 가온하게 되면 토양중의 미생물이 활성화되어 퇴비, 비료 등을 식물이 이용하기에 적당하게 빨리 분해시키며, 이로 인하여 토양이 좋아짐과 동시에 작물수확량증대가 이루어지게 된다.
또한, 주간 일조시의 태양열에 발생되는 잉여열을 지중의 지중열교환기(45)를 통해 지중에 저장하였다가 사용할 수 있으므로 하우스(30)의 가온에 소용되는 에너지비용을 절감할 수도 있는 것이다.
위와 같이 태양열에 의해 발생되는 잉여열을 지중에 저장하여도 하우스(30)의 온실효과로 하우스(30)의 내부온도가 최대설정온도(예를 들어, 31℃)이상이 되면 일시적으로 배기팬을 작동시켜 하우스(30)의 내부온도를 낮추도록 조절된다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다. 여기서는, 상기 히트펌프(10)의 응축기는 물론 증발기 또한 수열교환방식으로 열교환이 이루어지도록 마련되되 상기 증발기와 열교환되는 열매체가 제3펌프(52)에 의해 순환시킬 수 있도록 제3순환라인(51)으로 연결되고 이 제3순환라인(51)에 히트펌프(10)의 열원으로 활용할 수 있는 열원열교환기(50)가 마련되어 있으며, 상기 제3순환라인(51)은 제2순환라인(41)상의 하우스열교환기(40)에서 열원열교환기(50)를 통해 순환되도록 제2, 제3전환밸브(53,54)를 통해 분기되는 연결라인(55)이 제2순환라인(41)과 연결되어 있다.
상기 열원열교환기(50)는 히트펌프(10)의 열원으로 활용할 수 있는 것이면 어떠한 열원이라도 무방하나, 예를 들어, 지열, 폐열 또는 발전소의 온배수열 등을 활용할 수 있는 열교환기이다.
또한, 상기 제3순환라인(51)에는 열원열교환기(50)로 열매체가 유입되지 아니하도록 하는 개폐밸브(56)를 마련할 수도 있다.
상기 열원열교환기(50)가 다공 암석층의 지하공기를 이용하는 경우에는 다공 암석층의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 열 교환이 잘 이루어지도록 송풍 팬(58)을 포함하는 지하공기송풍관(57)이 매설될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 다른 실시예의 본 발명은 위의 일 시예에서 설명한 바와 같이 난방이 이루어지는 과정은 동일하나, 히트펌프(10)의 증발기와 열교환을 위한 열원이 제3펌프(52)에 의해 제3순환라인(51)을 따라 흐르는 열매체가 열원교환기(50)로부터 공급받는 것만 상이하다.
이렇게 난방을 수행하다가 히트펌프(10)가 정지된 상태에서 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스(30)의 내부온도가 설정온도(예를 들어, 29℃)이상으로 되면 히트펌프(10)는 가동됨 없이 제1 내지 제3전환밸브(43,53,54)가 전환되고 개폐밸브(56)가 개방되게 된다. 이러한 상태에서 제2순환라인(41)상의 제2펌프(42)가 가동되게 되므로 제2순환라인(41)을 따라 흐르는 열매체가 하우스열교환기(40), 분기라인(44)상의 지중열교환기(45), 연결라인(55), 제3순환라인(51)상의 열원교환기(50), 연결라인(55)을 거쳐 다시 제2순환라인(41)을 따라 순환되게 된다.
이와 같이 분기라인(44)상의 지중열교환기(45)를 통과하여 순환되는 과정이 지속적으로 이루지면서 하우스열교환기(40)가 냉난방시설물인 하우스(30) 내의 잉여열을 흡열하여 열매체를 가열하게 되고 가열된 열매체를 하우스(30) 내의 지중에 매설된 지중열교환기(45)의 열원으로 공급하여 지중의 온도를 2~3℃이상 가온할 수 있는 것이다.
또한, 무더운 혹서기에 냉방이 필요한 경우, 증발기와 수열 교환하여 얻은 낮은 온도의 열매체를 제3순환라인(51)과 연결라인(55) 및 제2순환라인(41)을 통해 냉난방시설물인 하우스(30) 내의 하우스열교환기(40)에서 냉기발산, 즉 흡열하고, 이렇게 흡열함으로써 상승된 열매체는 제2순환라인(41)과 연결라인(55) 및 제3순환라인(51)을 통해 히트펌프(10)의 증발기 측으로 순환시켜 냉방을 수행할 수도 있다. 이때, 히트펌프(10)의 증발기를 통과하면서 제3순환라인(51)을 흐르는 열매체는 10~15℃로 되어 지속적으로 순환 공급되게 되며, 이러한 과정이 지속적으로 이루어짐에 따라 냉난방시설물인 하우스(30)내부는 소정온도로 냉방이 이루어진다.
위에서 설명한 바와 같이, 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스(30)의 내부온도가 설정온도이상으로 되면 냉난방시설물인 하우스(30) 내의 잉여열을 흡열하여 지중가온에 활용하고 하우스열교환기(40)의 열원으로 열원열교환기(50)를 이용할 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다. 여기서는, 도 2의 구성에다가 제3펌프(52)와 연결라인(55)이 만나는 제3순환라인(51)의 사이에 히트펌프(10)의 증발기에서 수열교환방식으로 얻은 냉수인 열매체를 저장 내지 순환시킬 수 있는 잉여열탱크(60)가 마련되어 있으며, 상기 잉여열탱크(60)와 열원열교환기(50) 사이의 제3순환라인(51)에는 잉여열탱크(60)의 열매체를 열원열교환기(50)와도 순환시킬 수 있도록 제4펌프(62)가 마련되어 있다.
상기와 같이 구성된 또 다른 실시예의 본 발명은 위의 일 시예에서 설명한 바와 같이 난방과 냉방이 이루어지는 과정은 동일하므로 그 구체적인 설명은 생략한다. 단지, 다른 점은 히트펌프(10)의 증발기에 대한 열원을 잉여열탱크(60)로부터 받고, 냉난방시설물인 하우스(30)의 냉방시 하우스열교환기(40)에 대한 열원을 잉여열탱크(60)로부터 받고 상기 잉여열탱크(60)에 대한 열원을 제4펌프(62)에 의해 제3순환라인(51)을 따라 순환되는 열매체를 통해 열원교환기(50)로부터 공급받는 것이다.
위와 같이 냉난방을 수행하다가 히트펌프(10)가 정지된 상태에서 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 하우스(30)의 내부온도가 설정온도(예를 들어, 29℃)이상으로 되면 히트펌프(10)가 가동됨 없이 제1 내지 제3전환밸브(43,53,54)가 전환되게 된다. 이러한 상태에서 제2순환라인(41)상의 제2펌프(42)가 가동되게 되므로 잉여열탱크(60)의 열매체를 연결라인(55)과 제2순환라인(41)을 거쳐 흐르되 하우스열교환기(40), 분기라인(44)상의 지중열교환기(45), 연결라인(55), 제3순환라인(51)상의 잉여열탱크(60), 연결라인(55)을 거쳐 제2순환라인(41)을 따라 지속적으로 순환되게 된다.
이때, 잉여열탱크(60)의 열매체온도가 설정온도(예를 들어, 30℃)이상으로 되면 제3순환라인(51)상의 제4펌프(62)를 가동시키고 상기 제4펌프(62)가 가동됨에 따라 잉여열탱크(60)의 열매체를 흡입하여 열원열교환기(50)를 거쳐 잉여열탱크(60)로 귀환되어 지속적으로 순환되게 된다.
이와 같이 잉여열탱크(60)의 열매체가 제3순환라인(51)상의 열원교환기(50)를 통과하는 동안 방열하여 어느 정도 낮아진 후 잉여열탱크(60)로 귀환되며, 이러한 과정이 지속적으로 이루어짐에 따라 잉여열탱크(60)는 소정온도로 유지되게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 일실시예인 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치를 나타낸 도면이다. 여기서는, 도 3의 구성에다가 냉난방시설물인 하우스(30)의 지붕에 내리는 빗물(우수)을 잉여열탱크(60)로 안내하여 저장할 수 있도록 냉난방시설물인 하우스(30)의 지붕으로부터 잉여열탱크(60)에 이르기까지 우수라인(64)이 더 연결된 것이다.
상기와 같이 구성된 또 다른 실시예의 본 발명은, 냉방과 난방은 물론 지중가온의 과정 또한 도 3의 작동과 동일하므로 그 구체적인 설명은 생략하며, 비가 내리면 냉난방시설물인 하우스(30)의 지붕에 마련된 물받이를 통해서 모아진 빗물(우수)은 우수라인(64)을 통해 잉여열탱크(60)로 공급되므로 우수집수기나 우수저장탱크로 활용할 수 있다는 점이 상이한 것이다.
이렇게 잉여열탱크(60)로 공급된 우수는 계절에 따라 차이가 있으나 겨울철을 제외하고 잉여열탱크(60) 내의 열매체(10℃정도)보다 온도가 높으므로 히트펌프(10)의 증발기와 열 교환을 위한 열원으로 활용할 수 있는 것이다.
본 발명은 농작물을 재배하는 냉난방시설물인 하우스의 냉난방시스템에서 히트펌프의 응축기와 증발기를 통해 수열 교환하여 얻은 온수와 냉수인 열매체로 냉난방을 수행하고, 주간의 일조시 태양열에 의한 온실효과로 인하여 발생되는 잉여열을 하우스 바닥의 지중가온에 활용함은 물론 빗물(우수)을 히트펌프의 증발기와 열 교환을 위한 열원으로 활용하고자 하는 분야에 유용하게 이용할 수 있다.
10: 히트펌프 20: 축열탱크
21: 제1순환라인 22: 제1펌프
30: 하우스 40: 하우스열교환기
41: 제2순환라인 42: 제2펌프
43: 제1전환밸브 44: 분기라인
45: 지중열교환기 50: 열원교환기
51: 제3순환라인 52: 제3펌프
53: 제2전환밸브 54: 제3전환밸브
55: 연결라인 56: 개폐밸브
57: 지하공기송풍관 58: 송풍 팬
60: 잉여열탱크 62: 제4펌프
64: 우수라인

Claims (5)

  1. 냉매가 압축되고 냉각되어 액체로 된 후 기화되는 과정이 계속하여 이뤄지도록 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 하나의 사이클을 이루고 구성되는 히트펌프; 상기 히트펌프와 소정거리를 갖고 이격된 위치에 마련되며 상기 응축기에서 수열교환방식으로 얻은 열매체를 제1펌프에 의해 저장하거나 순환시킬 수 있도록 제1순환라인을 통해 연결된 축열탱크; 이 축열탱크와 이격된 위치의 냉난방시설물에 이르기까지 연결되며 축열탱크 내의 열매체를 제2펌프에 의해 순환되도록 제2순환라인으로 연결된 하우스열교환기; 상기 제2순환라인에는 하우스열교환기를 통과한 열매체가 제1전환밸브에 의해 전환되어 분기되었다가 다시 만나는 분기라인이 마련되고 이 분기라인에 냉난방시설물 바닥의 지중가온을 위해 지중에 매설되는 지중가온열교환기; 가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트펌프의 증발기 또한 수열교환방식으로 얻은 열매체를 제3펌프에 의해 순환시킬 수 있도록 제3순환라인으로 연결되고 지열, 폐열 또는 발전소의 온배수열을 히트펌프의 열원으로 활용할 수 있는 열원열교환기가 마련되어 있으며, 상기 제3순환라인은 제2순환라인상의 하우스열교환기에서 열원열교환기를 통해 순환되도록 제2, 제3전환밸브를 통해 분기되는 연결라인이 제2순환라인과 연결되는 것을 특징으로 하는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열원열교환기가 다공 암석층의 지하공기를 이용하는 경우에는 다공 암석층의 공극에 채워진 정적인 지하공기를 유동시켜 열 교환이 잘 이루어지도록 송풍 팬을 포함하는 지하공기송풍관이 매설된 것을 특징으로 하는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3순환라인에는 히트펌프의 증발기에서 수열교환방식으로 얻은 냉수인 열매체를 저장 내지 순환시킬 수 있는 잉여열탱크가 마련되어 있고, 상기 잉여열탱크와 열원열교환기 사이의 제3순환라인에는 잉여열탱크의 열매체를 열원열교환기와도 순환시킬 수 있도록 제4펌프가 마련된 것을 특징으로 하는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉난방시설물에 내리는 우수를 안내하여 저장할 수 있도록 냉난방시설물의 지붕으로부터 잉여열탱크에 이르기까지 우수라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 하우스의 잉여열 및 히트펌프를 이용한 지중가온장치.
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