KR20140058416A - 열 에너지 시스템 및 작동 방법 - Google Patents

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KR20140058416A
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드미트리 제이눌린
그레이엄 오길비
케빈 스티크니
그레고리 데이비스
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그린필드 마스터 아이피씨오 리미티드
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Abstract

열 에너지 시스템이, 사용시 냉각 요구를 가지는 제1 열 시스템, 및 제1 열 시스템에 결합된 히트 싱크 연결 시스템을 포함하고, 히트 싱크 연결 시스템은 제1 열 시스템을 냉각하기 위한 복수의 히트 싱크에 선택적인 연결을 제공하도록 구성되고, 히트 싱크 연결 시스템은, 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 히트 싱크에 결합되도록 구성된 제1 열 교환기 시스템, 제2 히트 싱크로서의 대기에 결합되도록 구성된 제2 열 교환기 시스템, 제1 열 시스템, 제1 열 교환기 시스템과 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프, 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 제1 열 교환기 시스템 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위한 적어도 하나의 기계 장치, 및 적어도 하나의 기계 장치를 작동하기 위한 제어부를 포함한다. 추가 실시예가 가열 요구를 가지고, 열원을 사용한다.

Description

열 에너지 시스템 및 작동 방법{THERMAL ENERGY SYSTEM AND METHOD OF OPERATION}
본 발명은 열 에너지 시스템 및 열 에너지 시스템을 작동하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 냉동 시스템, 특히, 상업용 규모의 예를 들면, 슈퍼마켓에 사용되는 냉동 시스템에 결합되고 통합되는 이러한 시스템에 특정 적용을 가진다. 또한, 본 발명은 중앙 냉각 및 가열 시스템, 산업용 냉동 및/또는 공정 가열과 같은 영역 내에서 광범위한 적용을 가진다.
많은 건물은 건물 내의 시스템에 의해 발생되는 가열 및/또는 냉각에 대한 요구를 가진다. 예를 들면, 가열, 공조, 및 냉방(heating, ventilation and air conditioning)(HVAC) 시스템은 때때로 열의 양적 공급 또는 다른 때는 냉각을 요구하거나, 또는 가열 및 냉각을 동시에 요구한다. 슈퍼마켓과 같은 일부 건물은 방열을 위한 일정한 싱크를 필요로 하는 응축기를 포함하는 대형 산업 규모의 냉동 시스템을 통합한다. 다수의 이러한 시스템은 효율적인 작동을 보장하기 위하여 일정한 써모메트릭(thermometric) 제어를 필요로 한다. 비효율적인 작동은 상당한 추가 작동 비용, 특히 에너지 비용 증가를 야기할 수 있다. 통상적인 슈퍼마켓은, 예를 들면, 냉동 시스템을 작동하기 위한 에너지의 50%까지 사용하고, 이는 하루 24시간, 일년 365일 운영되는 것이 필요하다.
기계적 냉동 사이클을 이용하는 공통 칠러의 효율은 다수의 파라미터 및 특정에 의해 정의된다. 그러나, 카르노 사이클에 관하여, 임의의 고효율 냉동 사이클에 있어서 주요 파라미터는 응축 온도(Condensing Temperature)(CT)를 결정하는 에너지 싱크의 질이다.
응축 온도(CT)는 냉동 사이클로부터 에너지 싱크로 공급되는 부하 양에 거의 관련되어, 즉, 부하가 증가함에 따라, 압축기로부터 더 많은 일이 원하는 요구를 만족하기 위하여 요구될 것이고, 압축기를 구동하기 위한 추가 전기 에너지는 증발기로부터 열 흡수에 더하여 폐열로 변환된다. 따라서, 이는 에너지 싱크에 더 많은 부하를 야기한다. 따라서 더 낮은 응축 온도(CT)가 유지될수록, 압축기로부터 더 작은 일이 요구된다.
도 5는 냉장고에서 액체 냉매를 증발시키고, 이후 냉매를 압축 및 응축시키는 공지된 냉동 시스템에서 냉매에 관한 냉동 사이클에서의 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
온도를 나타내는 곡선(L)이 냉매가 액체 상태에 있는 조건을 정의한다. 냉장고에서, 액체 냉매는 증발기(일정 압력에서)에서 증발할 때 열을 흡수한다. 이는, 도 5의 a-b 라인에 의해 나타내지고, 모든 액체는 b 지점에서 증발되어 냉매는 과열 가스의 형태로 있기 때문에 b 지점은 곡선(L)의 외측에 있다. 곡선(L) 내의 a-b 라인은 증발 능력을 나타낸다. b-c 라인으로 나타내지는 바와 같이, 가스 냉매는 압축기에 의해 압축된다. 이는 가스 압력 및 온도의 증가를 야기한다. 결과적으로, 압축된 가스는 냉매의 압축을 가능하게 하기 위하여 온도가 감소되고, c-d 라인에 의해 나타내지는 바와 같이, 제1 냉각 단계는 가스의 최초 냉각을 포함하고, 곡선(L) 내의 d-e 라인에 의해 나타내지는 바와 같이, 제2 냉각 단계는 액체를 형성하기 위한 가스의 응축을 포함한다. c-e 라인의 합은 방열을 나타낸다. 이후, 액체는 e-a 라인에 의해 나타내지는 팽창 장치를 통하여 압축에 의해 압력이 감소되어, 이 사이클의 마지막에 a 지점으로 복귀한다.
선택적으로, e-f 라인에 의해 나타내지는, 응축된 액체의 서브-냉각이 채택될 수 있고, 따라서 서브-냉각된 액체는, f-g 라인에 의해 나타내지는 바와 같이, 압력이 팽창 장치를 통하여 감소될 수 있고, 이 사이클의 마지막에 g 지점으로 복귀한다. 이러한 서브-냉각은, g로부터 a로 증발기 내의 냉매 엔탈피와 냉각 및 응축 e-f라인 상의 서브-냉각의 역을 증가시킴으로써 증발 능력을 증가시킨다.
냉동 응축 사이클의 상부 라인은 증발 능력을 나타내는 하부 라인의 효율성을 결정한다.
a-b 증발 라인(또는 서브-냉각에서 g-b)과 c-e 응축 라인(또는 서브-냉각에서 c-f) 사이의 압력 증가가 작을수록, 냉동 사이클의 효율은 더 크고, 압축 펌프로의 입력 에너지는 더 작다.
냉동 사이클의 더 높은 효율을 제공할 수 있고, 1년을 통하여 압축 펌프에 감소된 입력 에너지를 제공할 수 있는 열 에너지 시스템에 대한 요구가 본 기술 분야에 있다.
다양한 다른 냉매가 상업용으로 사용된다. 이러한 냉매의 하나는 이산화탄소, CO2(본 기술 분야에서 지정 코드 R744로 식별되는)이다. 이 자연 냉매의 주요 장점은 전 세계적인 냉매 산업에 의해 채택되는 선두 냉매 혼합물보다 상당히 더 낮은 지구 온난화 지수(Global Warming Potential)(GWP)이다. 예를 들면, 1kg의 CO2는 GWP 1과 동일하지만, 상업용 및 산업용 냉매에 적합한 전문 냉매는 일반적으로 GWP 3800에 도달한다. 임의의 상업용 냉동 장치의 제조 및 사용에서, 압축된 냉매의 대기로 의도하지 않은 손실은 불가피하다. 예를 들면, 슈퍼마켓 냉동 시스템을 고려하면, 영국에서의 각각의 평균 크기의 슈퍼마켓은 매년 수백 킬로그램 이상의 냉매를 손실하고, 다른 미개발국가에서는 통상적인 냉매 손실은 훨씬 더 크다. 또한, CO2의 사용은 높은 작동 압력에 의해 특징을 가지고, 이는 고 에너지 수용 능력을 제공하고, 즉, 냉매 유닛당 일반적인 열 전달력보다 더 높은 열 전달력이 냉매 루프 둘레에 휩쓸려진다.
냉매로써 CO2의 사용에 단지 하나의 주요 단점이 있다. 합성 냉매와 다르게, 이는 31.1℃의 낮은 임계 온도 점을 가진다. 이것은 비교적 따뜻한 조건에서 CO2로부터의 어떠한 방열도 이 냉매를 초임계 영역으로 밀어붙일 것이고, 즉 응축이 발생하지 않을 것이라는 것을 의미한다. 이러한 조건 하에서, 방열은 다른 서브 임계 조건에서 냉매의 응축에 의해 발생하는 잠열 전달보다는 냉매의 냉각으로부터 야기하는 소위 현열 전달에만 의존할 것이다. 이러한 현열 전달은 이슬점에서 잠열 방출에 의존하는 응축과 대비하여 덜 효과적인 발열 방식이다.
결과적으로, 응축을 위한 모든 열이 방출될 수 없고, 이는, 초임계 상태 또는 가스 상태 또는 부분 액체 부분 가스 상태에서 CO2를 유지하여, 냉동 사이클이 신뢰성있고 효과적으로 작동하는 것을 방지한다.
방열 열 교환기 뒤에 추가 압력/온도 조절 밸브를 설치함으로써 이러한 제한을 극복할 수 있는 현대 냉동 시스템이 존재한다. 이 밸브는 압력 강하를 생성하여 CO2 냉매에 대한 높은 방열 압력/온도를 유지하는 작용을 한다. 이 압력 강하 및 응축으로의 추가 방열은 냉동 사이클 내의 압축기에 의한 추가 일/추출에 의해 유지되어 비효율적이다. 이러한 압력 강하 및 열 추출은 결과적으로 45%까지, 가능하게는 그 이상의 시스템 COP의 손실과 관련된다.
냉매로써 이산화탄소를 통합할 수 있고, 일정하게 고효율로 작용할 수 있는 냉동 시스템에 대한 추가 요구가 있다.
본 발명은 이러한 요구를 만족시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 사용시 냉각 요구를 가지는 제1 열 시스템, 및 제1 열 시스템에 결합된 히트 싱크 연결 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템을 제공하고, 히트 싱크 연결 시스템은 제1 열 시스템을 냉각하기 위한 복수의 히트 싱크에 선택적인 연결을 제공하도록 구성되고, 히트 싱크 연결 시스템은, 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 히트 싱크에 결합되도록 구성된 제1 열 교환기 시스템, 제2 히트 싱크로서의 대기에 결합되도록 구성된 제2 열 교환기 시스템, 제1 열 시스템, 제1 열 교환기 시스템과 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프, 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 제1 열 교환기 시스템 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위한 적어도 하나의 기계 장치, 및 적어도 하나의 기계 장치를 작동하기 위한 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명은 열 에너지 시스템 작동 방법을 제공하고, 열 에너지 시스템은 제1 열 시스템을 포함하고, 열 에너지 시스템 작동 방법은,
(a) 냉각 요구를 가지는 제1 열 시스템을 제공하는 단계;
(b) 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 히트 싱크에 결합되는 제1 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
(c) 제2 히트 싱크로서의 대기에 결합되는 제2 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
(d) 제1 및 제2 히트 싱크에 동시에 열을 방출하기 위하여, 제1 열 시스템, 제1 열 교환기 시스템과 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프 둘레로 유체를 유동시키는 단계; 및
(e) 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 제1 열 교환기 시스템 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 양상은 특히 냉동 시스템에 관한 것이다.
그러나, 또한, 본 발명의 다른 양상이 가열 시스템과 같은, 다른 열 에너지 시스템에 대한 적용 가능성을 가진다. 이러한 가열 시스템에서, 열 시스템은 가열 요구(냉각 요구보다는)를 가지고, 열원이(히트 싱크보다는) 제공되고, 냉동 사이클보다는 히트 펌프 사이클이 채택된다.
따라서, 또한, 본 발명은, 사용시 가열 요구를 가지는 제1 열 시스템, 및 제1 열 시스템에 결합된 열원 연결 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템을 제공하고, 열원 연결 시스템은 제1 열 시스템을 가열하기 위한 복수의 열원에 선택적인 연결을 제공하도록 구성되고, 열원 연결 시스템은, 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 열원에 결합되도록 구성된 제1 열 교환기 시스템, 제2 열원으로서의 대기에 결합되도록 구성된 제2 열 교환기 시스템, 제1 열 시스템, 제1 열 교환기 시스템과 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프, 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 제1 열 교환기 시스템 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위한 적어도 하나의 기계 장치, 및 적어도 하나의 기계 장치를 작동하기 위한 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명은 열 에너지 시스템 작동 방법을 제공하고, 열 에너지 시스템은 제1 열 시스템을 포함하고, 열 에너지 시스템 작동 방법은,
(a) 가열 요구를 가지는 제1 열 시스템을 제공하는 단계;
(b) 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 열원에 결합되는 제1 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
(c) 제2 열원으로서의 대기에 결합되는 제2 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
(d) 제1 및 제2 열원에 동시에 열을 흡수하기 위하여, 제1 열 시스템, 제1 열 교환기 시스템과 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프 둘레로 유체를 유동시키는 단계; 및
(e) 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 제1 열 교환기 시스템 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 중앙 냉각 및 가열 시스템, 산업용 냉동 및/또는 공정 가열 요구와 같은 영역 내에서 광범위한 적용을 가진다.
바람직한 특징부는 종속항에 정의된다.
이제, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로써 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슈퍼마켓의 냉동 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템의 개략도로, 열 에너지 시스템은 제1 작동 모드이다.
도 2는 제2 작동 모드에서 도 1의 열 에너지 시스템의 개략도이다.
도 3은 제1 작동 모드에서 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템의 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4는 제2 작동 모드에서 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템의 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 공지된 냉동 시스템에서 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템의 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 추가 실시예에서 사용될 때, 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템의 CO2 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프에서, CO2 냉매에 대한 초임계 냉동 사이클의 상부 영역을 나타낸다.
도 8은, 본 발명의 추가 실시예에서 사용될 때, 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템의 CO2 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9, 10 및 11은 본 발명의 추가 실시예에 따른 각각의 냉동 사이클 루프를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 냉동 시스템과 접속하기 위한 열 에너지 시스템에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예는 건물 내의 시스템, 예를 들면, 가열, 공조, 및 냉방(HVAC) 시스템에 의해 발생되는 가열 및/또는 냉각에 대한 요구를 가지는 다른 건물 시스템에 관한 것이고, 이는 열의 양적 공급(positive supply) 및/또는 냉각 또는 열의 음적 공급(negative supply)을 필요로 할 수 있다. 냉동 시스템과 같은 다수의 이러한 시스템은 효율적인 작동을 보장하기 위하여 매우 세심하고 일정한 써모메트릭(thermometric) 제어를 필요로 한다.
도 1을 참조하면, 히트 싱크 시스템(6)과 결합된, 예를 들면, 슈퍼마켓의 냉동 시스템(2)이 개략적으로 도시된다. 냉동 시스템(2)은 증기 압축 카르노 사이클(Carnot cycle)을 이용하는 상업용 또는 산업용 냉동 시스템을 통상적으로 포함한다.
냉동 시스템(2)은 하나 이상의 냉동 캐비넷(8)을 포함한다. 냉동 캐비넷(8)은 캐비넷(8)으로 그리고 캐비넷(8)으로부터 냉매를 순환시키는 냉매 루프(10)에 배치된다. 냉매 루프(10)는, 냉매 흐름에 대하여 상류로부터 하류 방향으로 차례로, 액상 냉매의 입력을 수용하기 위한 수용부(12), 증발기로 냉매 흐름을 제어하기 위한 팽창 밸브(14)를 포함한다. 액상 냉매를 증발시키기 위한 하나 이상의 캐비넷(8)으로서, 냉매를 압축하고 응축하기 위한 압축기(16)의 추출 실행에 의해 생성되는 냉매의 증발의 잠열(latent heat)을 흡수함으로써 캐비넷(8)의 내부를 냉각시킨다. 수용부(12)는 응축 히트 싱크(36, 42)로부터 입력 응축 라인(18)으로 연결되고, 압축기(16)는 응축 히트 싱크(36, 42)로 출력 배출 라인(20)에 연결된다.
히트 싱크 시스템(6)은 입력 흡입 라인(18)에 연결된 출력 라인(22), 및 출력 배출 라인(20)에 연결된 입력 라인(24)을 가진다.
입력 라인(24)은 제1 및 제2 출력 암(28, 30)을 가지는 제1 이방 밸브(two- way valve)(26)의 입력 암(25)에 연결된다. 제1 출력 암(28)은 도관(32)에 의해 제1 열 교환기 시스템(36)의 입력부(34)에 연결된다. 제2 출력 암(30)은 도관(38)에 의해 제2 열 교환기 시스템(42)의 입력부(40)에 연결된다.
제1 열 교환기 시스템(36)은, 대수층 물(aquifer water) 또는 지열 에너지 시스템의 보어홀(borehole) 열교환기 배열에서의 작동 유체와 같이 일정한 온도를 가지는 통상적인 외부 수원인, 열 방출용 리모트(remote) 히트 싱크(37)에 연결된다. 제2 열 교환기 시스템(42)은 열 방출용 히트 싱크로 대기를 채택한다. 제2 열 교환기 시스템(42)은 응축기(condenser), 가스 냉각기, 서브-냉각 열 교환기일 수 있다. 2개의 히트 싱크는 이하 기술되는 바와 같이, 일반적으로 서로 다른 온도를 가지고, 2개의 서로 다른 온도는, 냉각 효율을 최대화하고, 입력 에너지를 최소화하고, 복합 통합된 냉동 및 기계 시스템의 자본 및 운영 비용을 감소시키기 위하여, 히트 싱크 시스템(6)의 원하는 작동 모드를 결정하는데 이용된다.
각각의 작동 모드는 각각의 루프 구성을 가지고, 루프 구성 내의 열 교환기의 각각 순서가 선택적으로 제공되어, 냉동 사이클 내의 각 히트 싱크의 특정 연결이 선택적으로 제어되는 것을 제공한다.
제1 열 교환기 시스템(36)은, 열 교환기 시스템(36) 내의 입력부(34)와 유체 연결되고, 제2 이방 밸브(48)의 제1 입력 암(46)에 연결되는 출력부(44)를 가진다. 제2 이방 밸브(48)는 도관(38)에 연결된 출력 암(59)을 가진다.
제2 열 교환기 시스템(42)은, 열 교환기 시스템(42) 내의 입력부(40)와 유체 연결되고, 제3 이방 밸브(56)의 입력 암(54)에 연결되는 출력부(52)를 가진다. 제3 이방 밸브(56)는 도관(32)에 연결되는 제1 출력 암(58)을 가진다. 제3 이방 밸브(56)는 출력 라인(22)에 연결되고, 도관(64)에 의해 제2 이방 밸브(48)의 제2 입력 암(62)에 연결되는 제2 출력 암(60)을 가진다.
히트 싱크 연결 시스템은 루프 둘레의 히트 싱크 사이의 냉매의 실질적으로 제한되지 않는 흐름을 제공하도록 구성되어, 부주의한 액상 트랩을 실질적으로 방지하도록 한다. 예를 들면, 히트 싱크 연결 시스템은 실질적으로 수평으로 배열된다.
각각의 제1, 제2 및 제3 이방 밸브(26, 48, 56)는, 각각의 밸브의 작동을 제어하기 위하여, 거기에 결합된 각각의 제어 유닛(66, 68, 70)을 가진다. 제1 제어 유닛(66)은 제1 이방 밸브(26)의 제1 및 제2 출력 암(28, 30) 사이를 선택적으로 전환하고, 제2 제어 유닛(68)은 제2 이방 밸브(48)의 제1 및 제2 입력 암(46, 62) 사이를 선택적으로 전환하고, 제3 제어 유닛(70)은 제3 이방 밸브(56)의 제1 및 제2 출력 암(58, 60) 사이를 선택적으로 전환한다.
각각의 제1, 제2 및 제3 제어 유닛(66, 68, 70)은, 각각의 제어 유닛(66, 68, 70)에 각각의 제어 라인(74, 76, 78)에 의해 연결되거나 또는 무선으로 연결되는 제어부(72)에 의해 개별적으로 제어된다.
제1 열 교환기 시스템(36)은 히트 싱크의 온도 또는 거기에 관련된 온도, 예를 들면, 제1 열 교환기 시스템(36)의 제2 측면(86) 상의 작동 유체의 온도를 검출하기 위해 장착된 제1 온도 센서(84)를 가지고, 제1 온도 센서(84)는 제1 데이터 라인(88)에 의해 제어부(72)에 연결된다. 대기의 주변 온도(ambient temperature)를 검출하기 위한 제2 주변 온도 센서(80)가 제2 데이터 라인(82)에 의해 제어부(72)에 연결된다.
제1 및 제2 열 교환기 시스템(36, 42)을 통하여 일련의 냉매 흐름을 선택적으로 제어하기 위하여 제1, 제2 및 제3 이방 밸브(26, 48, 56)가 제어될 수 있다는 앞선 기재로부터 이해될 수 있다.
제1 열 교환기 시스템(36)은, 폐 루프 지면 결합 시스템 상의 수역(body of water) 및 대수층과 같은 리모트 히트 싱크에 열을 소멸시키도록 채택된 열 교환기를 포함한다. 제1 열 교환기 시스템(36)은 쉘-튜브 열 교환기, 판 열교환기, 또는 동축 열 교환기와 같은 응축 열 교환기를 포함할 수 있다. 리모트 히트 싱크는 대기에 대한 대체 냉각 매체, 예를 들면, 지면을 포함한다.
제2 열 교환기 시스템(42)은 대기의 주변 공기에 열을 소멸시키도록 채택된 열 교환기를 포함한다. 제2 열 교환기 시스템(42)은 비-증발 열 교환기 또는 증발 열 교환기를 포함할 수 있다. 비-증발 열 교환기는, 예를 들면, 공기 응축기 또는 건공기 냉각기로부터 선택될 수 있다. 증발 열 교환기는, 예를 들면, 증발 단열의 공기-응축기 또는 리모트 냉각 타워를 구비한 응축 열 교환기로부터 선택될 수 있다.
제2 주변 온도 센서(80)는 주변 온도를 검출하고, 제2 열 교환기 시스템(42)의 열 효율과 상호 관련된 제2 열 교환기 시스템(42)의 온도 상태를 나타내는 제어부(72)에 입력 파라미터를 제공한다. 대응하게, 제1 온도 센서(84)는 히트 싱크 온도 또는 그에 관련된 온도를 검출하고, 제1 열 교환기 시스템(36)의 열 효율과 상호 관련된 제1 열 교환기 시스템(36)의 온도 상태를 나타내는 제어부(72)에 입력 파라미터를 제공한다.
선택된 제1 작동 모드에서, 라인(24) 상의 입력 액상 냉매는, 먼저 제1 열 교환기 시스템(36)으로 운반되어, 이후 제2 열 교환기 시스템(42)으로 운반되고, 따라서 라인(22)으로 회복된다. 제1 작동 모드에서, 제1 이방 밸브(26)의 제2 출력 암(30), 제2 이방 밸브(48)의 제2 입력 암(62), 및 제3 이방 밸브(56)의 제1 출력 암(58)은 밀폐된다.
선택된 제2 작동 모드에서, 라인(24) 상의 입력 액상 냉매는, 먼저 제2 열 교환기 시스템(42)으로 운반되어, 이후 제1 열 교환기 시스템(36)으로 운반된다. 제2 작동 모드에서, 제1 이방 밸브(26)의 제1 출력 암(28), 제2 이방 밸브(48)의 출력 암(50), 및 제3 이방 밸브(56)의 제2 출력 암(60)은 밀폐된다.
제어부(72)는 데이터 라인(82, 88) 상의 입력 온도에 따라 이러한 제1 및 제2 모드 사이를 전환하도록 채택된다. 측정된 입력 온도는 제1 열 교환기 시스템(36) 및 제2 열 교환기 시스템(42)의 각각의 열 효율을 차례로 결정한다. 제1 열 교환기 시스템(36) 및 제2 열 교환기 시스템(42)의 순서(sequence)는 선택적으로 교대로 전환되어, 상태 및 적용에 따라, 하나가 과열완화기(desuperheater) 또는 결합된 과열완화기-응축기로 구성되고, 다른 하나가 응축기 또는 서브-냉각기로 구성된다.
겨울(또는 저온 주변) 모드에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 열 교환기 시스템(36)은 과열완화기 또는 결합된 과열완화기-응축기로 구성되고, 제2 열 교환기 시스템(40)은 응축기 또는 서브-냉각기로 구성된다. 여름(또는 고온 주변) 모드에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 열 교환기 시스템(42)은 과열완화기 또는 결합된 과열완화기-응축기로 구성되고, 제1 열 교환기 시스템(36)은 응축기 또는 서브-냉각기로 구성된다.
도 3은 냉동 시스템(2) 및 히트 싱크 시스템(6)에서 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 나타내는 그래프의 저온 주변 모드를 도시한다. A-D 라인은, 냉매가 일정 압력에서 냉각될 때, 전체 방열(total heat of rejection)(THR)을 나타낸다. A 지점에서, 냉매는 압축기(16)에 의해 압축되고, 가열되었다. 영역 A-B는 냉매 가스의 냉각에 의해 방출되는 엔탈피(현열(sensible heat)로써)를 나타낸다. 영역 B-C는 냉매 가스의 액상으로의 응축에 의해 방출되는 엔탈피(잠열로써)를 나타낸다. 영역 C-D는 냉매 액체의 서브-냉각에 의해 방출되는 엔탈피(현열로써)를 나타낸다. 저온 주변 모드에서, A-C의 가스 냉각 및 전체 또는 부분 응축 단계는 제1 열 교환기 시스템(36)에 의해 수행되고, 냉매에 대하여 B-C의 어떠한 잔여 응축 단계 또는 C-D의 서브-냉각은 제2 열 교환기 시스템(42)에서 수행된다.
주변 온도(공기 온도)가 낮을 때, 제2 열 교환기 시스템(42)은 냉각 및 응축 단계 B-C 동안 상대적으로 저온에서 고 냉각 및 응축 요구를 효율적으로 제공한다. 따라서, 최초 고온 냉각 및 응축 요구는 보어홀 열 교환기 배열과 같은 리모트 히트 싱크를 가지는 제1 열 교환기 시스템(36)에 의해 제공된다. 이후의 저온 냉각 요구는 열을 대기로 방출하는 제2 열 교환기 시스템(42)에 의해 제공된다.
제어부(72)는, 제1 온도 센서(84) 및 제2 주변 온도 센서(80)로부터의 입력 온도가 특정 임계치(thresholds)를 만족할 때, 히트 싱크 시스템(6)을 저온 주변 모드로 전환시키고, 특정 임계치는, 제어부(72)에서의 계산에 의해, 요구되는 전체 방열이, 냉매의 최저의 최적 응축 온도, 따라서 최소의 입력 에너지를 사용하여, 이 모드에서 가장 효율적으로 만족될 수 있는지를 결정된다.
겨울 또는 저온 주변 모드는, 단지 겨울뿐만 아니라, 또한, 예를 들면, 주간보다 낮은 주변 온도가 있을 때의 야간 동안에, 감지된 온도가 이러한 특정 임계치를 만족하는 어떠한 시점에서도 사용될 수 있다.
도 4는 냉동 시스템(2) 및 히트 싱크 시스템(6)에서 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 나타내는 유사한 그래프의 여름 또는 고온 주변 모드를 도시한다. 또한, A-D 라인은, 냉매가 일정 압력에서 냉각될 때, 전체 방열(THR)을 나타낸다. A 지점에서, 냉매는 압축기(16)에 의해 압축되었다. 영역 A-B는 냉매 가스의 냉각에 의해 방출되는 엔탈피(현열로써)를 나타낸다. 영역 B-C는 냉매 가스의 액상으로의 응축에 의해 방출되는 엔탈피(잠열로써)를 나타낸다. 영역 C-D는 냉매 액체의 서브-냉각에 의해 방출되는 엔탈피(현열로써)를 나타낸다.
여름 또는 고온 주변 모드에서, A-C의 상대적 고온 가스 냉각 및 전체 또는 부분 응축 단계는 제2 열 교환기 시스템(42)에 의해 수행되고, 냉매에 대하여 B-C의 어떠한 잔여 응축 단계 또는 C-D의 서브-냉각 단계는 제1 열 교환기 시스템(36)에서 수행된다. 고온 주변 모드에서, 주변 온도(공기 온도)가 높을 때, 제2 열 교환기 시스템(42)은 냉각 및 응축 단계 A-C 동안 상대적으로 고온 냉매에서 냉각 및 응축 요구를 효율적으로 제공만 할 수 있다. 따라서, 최초 냉각 및 응축 요구는 대기에 방열하는 제2 열 교환기 시스템(42)에 의해 제공된다. 잔여 냉각 요구는 보어홀 열 교환기 배열과 같은 리모트 히트 싱크를 가지는 제1 열 교환기 시스템(36)에 의해 제공된다.
제어부(72)는, 제1 온도 센서(84) 및 제2 주변 온도 센서(80)로부터의 입력 온도가 특정 임계치를 만족할 때, 히트 싱크 시스템(6)을 고온 주변 모드로 전환시키고, 특정 임계치는, 제어부(72)에서의 계산에 의해, 요구되는 전체 방열이, 냉매의 최저의 최적 응축 온도, 따라서 최소의 입력 에너지를 사용하여, 이 모드에서 가장 효율적으로 만족될 수 있는지를 결정된다. 여름 또는 고온 주변 모드는, 단지 여름뿐만 아니라, 또한, 예를 들면, 야간보다 높은 주변 온도가 있을 때의 주간 동안에, 감지된 온도가 이러한 특정 임계치를 만족하는 어떠한 시점에서도 사용될 수 있다.
겨울 및 여름 모드 사이의 전환은, 한편으로는, 열을 리모트 히트 싱크로 방출하는 제1 열 교환기 시스템(36)의 이용을 위한 제1 히트 싱크 온도를 나타내는 제1 리모트 히트 싱크의 온도, 다른 한편으로는, 열을 대기로 방출하는 제2 열 교환기 시스템(42)의 이용을 위한 제2 히트 싱크 온도를 나타내는 대기 온도 사이의 관계의 결정에 기초될 수 있다. 예를 들면, 제1 히트 싱크 온도가 제2 히트 싱크 온도(대기)보다 높으면, 겨울 모드가 가능하게 되고, 반면에, 제2 히트 싱크 온도(대기)가 제1 히트 싱크 온도보다 높으면, 여름 모드로 전환된다. 대안적인 실시예에서, 제1 및 제2 히트 싱크 온도가 임계치 만큼 다를 때, 예를 들면, 온도가 적어도 섭씨 10도 만큼 다를 때, 전환이 작동될 수 있다. 더 특정 예로써, 주변 온도가 유체 히트 싱크 온도보다 적어도 섭씨 10도 낮을 때, 겨울 모드가 선택될 수 있다. 선택된 임계치는 특정 히트 싱크를 채택하는 것에 의존될 수 있다.
대체 모드 사이의 전환은 에너지 싱크의 효율적인 사용을 제공하고, 임의의 주어진 냉각 부하를 위한 더 작은 전체 방열을 달성하기 위하여, 냉매의 최저의 최적 응축 온도를 유지함으로써, 시스템으로의 에너지 입력을 최소화한다. 특정 환경 상태 하에 그리고 일반적인 냉매 응축을 달성하기 위한 가장 효율적인 열 교환기(또는 열 교환기의 조합)는 제어부에 의해 자동으로 채택될 수 있다. 또한, 보어홀 시스템과 같은 리모트 히트 싱크가 채택될 때, 이는 또한, 냉동 시스템을 위한 전체 냉각 및 응축 능력을 제공하기 위해 단일 보어홀 시스템이 요구되었던 것과 비교하여 감소된 자본 비용 및 운영 비용으로 더 작은 보어홀 시스템이 요구되는 것이 가능하게 할 수 있다.
이제, 도 5의 변형인, 본 발명에 따른 도 6을 참조하면, 다른 온도로 작동하는 2개의 히트 싱크의 사용은, 상부 냉각/응축 라인이 2개의 순차적인 열 교환 작동으로 되는 것을 가능하게 하고, 각 작동은 입력 파라미터에 대해 고 레벨의 효율로 작동하는 각각의 열 교환기와 관련된다. 이는 상부 냉각/응축 라인이 증발 라인을 향하여 낮아지도록 한다. 결과적으로, 이는, 압축 압력이 감소되고, 따라서 압축 펌프로의 입력 에너지가 감소된다는 것을 의미한다.
특히, 도 6에서, 화살표 R로 도시된 바와 같이, 상부 라인은, 압축 라인의 상단부의 x 지점으로부터, 곡선(L)과 교차하는 y 지점을 통하여, 팽창 라인의 상단부의 곡선(L) 상의 z 지점으로 연장하는 선으로 압력이 감소된다. x-y 라인은, 도 5의 공지된 시스템의 c-d 라인의 엔탈피 입력보다 더 작은, 압축 펌프로부터 시스템을 작동하기 위한 엔탈피 입력을 나타낸다. 따라서 압축력의 절약이 있다. 또한, 도 5의 공지된 시스템의 a-b 라인과 비교하여, 주로 곡선(L) 내의 a'-b 라인에 의해 나타내지듯이, 증발 성능이 증가된다. 게다가, 도 5의 공지된 시스템의 d-e 라인과 비교하여, 곡선(L) 내의 y-z 라인으로 나타내지는 더 큰 응축이 있기 때문에, 증가된 엔탈피가 있다. 본 발명은, l 및 m 지점에 의해 나타내지듯이, 증발 능력을 추가로 증가시키는 서브-냉각을 추가로 제공하거나 사용할 수 있다.
본 발명은 선택된 복합 냉각/응축 단계를 제공하기 위하여 리모트 히트 싱크에 대한 계절 주변 온도의 변화를 이용할 수 있고, 이는 냉동 시스템의 연 작동 효율을 상당히 증가시킬 수 있다. 또한, 서브-냉각은 추가 공장 또는 운영 비용 없이 사용될 수 있다. 또한, 서브-냉각은 압축기로부터 요구되는 일의 증가 없이 냉각 능력의 실질적인 증가를 제공할 수 있고, 따라서 냉동 시스템의 COP를 증가시킨다. 따라서, 2개의 순차적인 냉각/응축 단계부를 제공하기 위하여 연속으로 위치되는 히트 싱크의 추가 사용은 최소 응축 온도 이하의 추가 서브-냉각의 장점을 제공할 수 있어, 증발 능력을 증가시킨다.
대기는 물 기반의 냉각 유체보다 더 낮은 비열을 가진다. 따라서, 대기 열 교환기, 특히 비-증발 응축 대기 열 교환기는 열을 물 기반 냉각 유체로 소멸시키기 위하여 배치되거나 사용되는 열 교환기보다 부분 부하 상태 하에서 더 잘 수행한다. 따라서, 이러한 대기 열 교환기는, 열 교환기를 가로지르는 더 높은 온도차(△T) 때문에 더 높은 방출 온도 및/또는 더 높은 응축 온도에서 열을 소멸시킨다.
증발식 대기 열 교환기는 주변 고온 때문에 여름 기간에서의 열 방출에 효과적이지만, 주변 저온 및 높은 습도 조건에서는 효율이 감소되었다. 따라서, 여름 모드에서 주요 응축을 제공하고 겨울 모드에서 서브-냉각을 제공하기 위하여 대기 열 교환기의 역할을 바꾸는 것이 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
결합된 히트 싱크 시스템은 년 사이클에 걸쳐서 낮은 응축을 제공할 수 있다. 응축 온도는 시스템의 설계 제한 내에서 가능한 최저로 제어될 수 있다. 결합된 히트 싱크 시스템은 압축기의 감소된 일로 냉각 능력의 실질적인 증가를 제공할 수 있고, 따라서 시스템의 COP를 향상시킨다. 따라서, 제1 및 제2 히트 싱크의 냉동 루프 내에서 순서 및 기능이 선택 제어 하에 교대되는, 제2 히트 싱크의 추가는 단일 히트 싱크를 사용하여 실질적으로 달성할 수 있었던 것보다 낮은 연평균 온도로 응축 효과를 제공할 수 있다.
서브-냉각이 선택적으로 채택될 수 있다. 서브-냉각 또는 대안적으로 액체 수용부 또는 팽창 용기를 제어하기 위한 조절 밸브가 리모트 히트 싱크에 연결되는 2개의 열 교환기 사이의 라인으로 루프 내로 통합될 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 공지된 기술로 알려진 다양한 다른 냉매로 사용할 수 있다. 냉매는 상업적 냉매 장치에 통상적으로 사용되는 응축 냉매 또는 비-응축 냉매가 될 수 있다.
초임계 냉동 사이클에서 냉매로 이산화탄소(CO2)를 채택하는 본 발명의 특정 실시예가 이하 기술된다.
본 시스템은 다른 통상적인 냉매보다 (압축기로부터 배출 후) 더 고압 및 고온을 가지는 영역(regime)을 제공하는 CO2 냉매를 사용하도록 채택될 수 있다. 이 영역은 배출 냉매와 히트 싱크 온도 교환 사이의 더 높은 △T를 야기한다. 이러한 더 높은 △T는 현열 전달이 실질적으로 더 효율적으로 된다는 것을 의미한다. 히트 싱크로써 대기에 연결된 가스 냉각기를 사용하는 통상적인 시스템은 CO2 응축이 발생하지 않을 수 있고, 즉, 모든 열 전달이 현열 전달로 발생하고, 열 교환기를 통과하는 CO2의 온도가 감소함에 따라, △T 및 현열 전달율도 이와 같이 감소한다. CO2는 31C의 임계 온도를 가지기 때문에, 응축의 남은 현열 및 잠열을 냉각 매체로 방출하는 것이 종종 불가능하고, 결과적으로 이는 냉동 사이클의 냉각 능력을 감소시킨다.
도 7을 참조하면, 이는 도 1의 열 에너지 시스템의 냉동 시스템에서 CO2 냉매에 대한 냉동 사이클에서 압력과 엔탈피 사이의 관계를 도시하는 그래프를 나타낸다.
본 발명의 열 에너지 시스템은 초임계 냉동과 또한 서브 임계 사이클에서 CO2 냉매로 작동하도록 구성되어 사용될 수 있다.
압축기의 냉매 루프 하류에 최초 열 교환기가 열을 대기로 방출하도록 제공함으로써, CO2 냉매와 조합하여, 대기 열 교환기를 포함하는 히트 싱크에서 냉각 효과를 최대화하는 것이 가능하고, 이러한 냉각 효과는 방열 단계의 최초 파트에서 초임계 작동 동안에 방열 단계의 높은 △T 파트로부터 달성될 수 있다.
대기 열 교환기는 과열완화용 고 임계치를 가능하게 하고, 따라서 냉각 단계용 전체 현열 전달의 상당부가 대기 열 교환기를 통하게 되도록 한다. 통상적으로, 전체 열의 약 60%까지 대기 열 교환기를 통하여 방출될 수 있고, 전체 열의 적어도 약 40%는 대체 매체 열 교환기를 통하여 방출될 수 있다.
대비로써, 통상적인 냉매가 통상적인 냉동 장치에 사용될 때, 최초 현열 전달에 의한 최대 과열완화(도 5의 c-d 라인에 대응하는)는 단지 통상적으로 방출되는 전체 열의 약 20%까지이다.
도 7은 CO2 냉매에 대한 이러한 초임계 냉동 사이클의 상부 영역을 나타낸다. 최초 냉각 단계는 압력의 상당한 감소를 겪어, 영역 A로 식별된 방열 단계의 높은 △T 파트를 가지고, 상응하여 이는 전체 열의 약 60%가 초임계 작동 동안에 방열 단계의 높은 △T 파트에서 방출되도록 한다. 영역 B에서, 전체 열의 약 40%가 열 방출 단계의 낮은 △T 파트에서 방출된다.
또한, 앞서 기술된 장치 및 방법의 "여름 모드(summer mode)"에서, 이 모드의 루프에서 열 교환기의 순서는 최초(상류) 대기 열 교환기 및 이후(하류) 대체 매체 열 교환기이고, 대체 매체 열 교환기는, 상류의 대기 히트 싱크로 방출되기 위하여 CO2 냉매가 열의 60%까지 손실된 후, CO2의 응축을 통하여 더욱 효과적인 방열을 달성한다. 이러한 배치는, 양쪽 단계에서 냉각 효과를 최대화함으로써, 열 에너지의 냉각의 고밀도 재료로써, 대체 냉각 매체(물 기반의 액체와 같은)의 더욱 효과적인 사용을 제공한다. 현열은 대기와 같은 사실상 제한되지 않는 형태의 매체로 방출될 수 있고, 잠열은 물 기반의 액체와 같은 이용가능한 대체 매체로 방출될 수 있다.
결과적으로, 이러한 두 단계 방열의 단계 다이어그램은 도 8에 도시될 수 있다.
선택적 체크/압력 조절 밸브의 제공은, 도 1의 대체 매체의 하류 열 교환기(36)가 대기의 상류 열 교환기(42)보다 저온 상태를 가지는 이러한 열 방출 공정의 현열 및 잠열 단계 사이의 더욱 확실한 분리를 보장하기 위하여 실행될 수 있다. 이 체크/압력 조절 밸브는, 방열 단계의 최초 초임계 영역 동안에, 도 8의 Y 지점에서의 원하는 가스 냉각기 출구 온도로 CO2 냉매의 압력(도 8의 X-Y 라인)을 유지한다. 추가로, 단계 다이어그램의 액체 영역 내에서 냉동 부스터 시스템과 같은 특정 설계 요구사항을 위한 응축 온도의 추가 감소를 가능하도록 하기 위하여, 추가 압력 조절 밸브가 Z 지점에 제공될 수 있다. 응축 온도에서의 이러한 추가 감소를 위해 요구되는 추가 일은 통상적인 초임계로 설계된 CO2 냉매 시스템에서 압축기에 의해 제공된다.
"겨울 모드(winter mode)"로 기술된 열 교환기의 대안적인 순서에서, 이 모드에서 대체 매체의 상류 열 교환기(36)는 대기의 하류 열 교환기(42)보다 고온 상태를 가지고, CO2 공급 순서는 다른 냉매가 사용된 것과 다르지 않고(선택적 체크/압력 조절 밸브가 실행되었을 때, 바이패스(bypass)가 도 8의 Y 지점 둘레에 요구될 수 있다는 점을 제외하고), 따라서, 앞서 기술된 바와 같이, 대기의 하류 열 교환기(42)는 대체 매체 열 교환기(36)에서의 CO2의 추가 냉각 및 응축을 제공한다.
도 9, 10 및 11은 본 발명의 추가 실시예에 따른 각각의 냉동 사이클 루프를 개략적으로 도시한다.
각각의 도 9, 10 및 11에서, 냉동 캐비넷(들)(100)이 제공된다. 냉매 루프(102)가 복수의 열 교환기를 통하여 냉동 캐비넷(들)(100)의 출력 측(104)으로부터 입력 측(106)으로 연장된다. 도 9, 10 및 11의 루프 사이의 차이점은 열 교환기의 개수, 루프(102) 내의 열 교환기의 위치, 및 루프(102) 내의 열 교환기의 순서를 변경하는 선택적으로 대안의 특정 루프 구성이고, 다양한 열 교환기의 루프 내에서의 위치가 냉동 캐비넷(들)(100)의 출력 측(104) 또는 입력 측(106)에 대응한다.
도 9에서, 제1 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(108)은, (i) 하나 이상의 보어홀 열 교환기와 같은 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(110), (ⅱ)대기 열 교환기(들)(112), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 연속적으로 연결한다. 제2 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(114)은, (i) 대기 열 교환기(들)(112), (ⅱ)액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(110), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 다르게 연속적으로 연결한다.
도 10에서, 열 교환기는, 하나 이상의 보어홀 열 교환기와 같은 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(120), 대기 열 교환기(들)(122), 하나 이상의 응축 열 교환기(124), 및 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(126)를 포함한다.
제1 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(128)은, (i) 하나 이상의 응축 열 교환기(124), (ⅱ)하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(126), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 연속적으로 연결한다. 추가로, 이 루프 구성(128)에서, 하나 이상의 응축 열 교환기(124)와 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(120) 사이의 추가 제1 상호 연결 루프(130), 및 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(126)와 대기 열 교환기(들)(122) 사이의 추가 제2 상호 연결 루프(132)가 있다.
제2 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(134)은, (i) 하나 이상의 응축 열 교환기(124), (ⅱ)하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(126), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 여전히 연속적으로 연결한다. 그러나, 대안적으로, 루프 구성(134)에서, 하나 이상의 응축 열 교환기(124)와 대기 열 교환기(들)(122) 사이의 추가 제1 상호 연결 루프(136), 및 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(126)와 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(120) 사이의 추가 제2 상호 연결 루프(138)가 있다.
도 11에서, 열 교환기는 하나 이상의 보어홀 열 교환기와 같은 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(140), 대기 열 교환기(들)(142), 하나 이상의 응축 열 교환기(144), 및 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146)를 포함한다. 추가로, 제1 및 제2 중간 열 교환기(148, 150)가, 메인 냉동 루프(102)와 중간 루프(152)에 공통으로 위치되는 하나 이상의 응축 열 교환기(144) 및 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146)를 통하여, 냉동 캐비넷(들)(100)을 포함하는 메인 냉동 루프(102)에 연결되는 중간 루프(152)에 위치된다.
제1 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(160)은 메인 냉동 루프(102)를 통하여, (i) 하나 이상의 응축 열 교환기(144), (ⅱ)하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 연속적으로 연결하고, 또한, 중간 루프(152)를 통하여, (a) 하나 이상의 응축 열 교환기(144), (b) 제1 중간 열 교환기(들)(148), (c) 제2 중간 열 교환기(들)(150), (d) 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146), 및 (e) 다시 하나 이상의 응축 열 교환기(144)를 연속적으로 연결한다.
추가로, 이 루프 구성(160)에서, 제1 중간 열 교환기(들)(148)와 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(140) 사이의 추가 제1 상호 연결 루프(170), 및 제2 중간 열 교환기(들)(150)와 대기 열 교환기(들)(142) 사이의 추가 제2 상호 연결 루프(172)가 있다.
제2 작동 모드에서, 대응하는 루프 구성(174)은 메인 루프(154)를 통하여, (i) 하나 이상의 응축 열 교환기(144), (ⅱ)하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146), 및 (ⅲ)입력 측(106)에 출력 측(104)을 여전히 연속적으로 연결하고, 또한, 중간 루프(152)를 통하여, (a) 하나 이상의 응축 열 교환기(144), (b) 제1 중간 열 교환기(들)(148), (c) 제2 중간 열 교환기(들)(150), (d) 하나 이상의 서브-냉각 열 교환기(146), 및 (e) 다시 하나 이상의 응축 열 교환기(144)를 연속적으로 연결한다.
그러나, 대안적으로, 이 루프 구성(174)에서, 제1 중간 열 교환기(들)(148)와 대기 열 교환기(들)(142) 사이의 추가 제1 상호 연결 루프(176), 및 제2 중간 열 교환기(들)(150)와 액상 단계 히트 싱크 열 교환기(들)(140) 사이의 추가 제2 상호 연결 루프(178)가 있다.
각각의 배열에서, 대안적인 구성을 가지는, 냉매를 사이클링 하거나 또는 유체를 작동하기 위한 루프가 있지만, 선택적으로 추가 상호 연결 루프가 선택적인 추가 열 교환기와 결합하여 제공될 수 있다.
여기서 기술된 본 발명의 실시예는 단순히 설명된 것이고, 특허청구범위를 제한하지 않는다. 예를 들면, 이방 밸브는 대안적인 유체 전환 장치로 대체될 수 있고, 다른 작동 모드는 다양한 다른 히트 싱크의 특정 특성에 기초하여 결정될 수 있다.
그러함에도, 본 발명의 추가 실시예에서, 설명된 실시예의 변형으로, 제1 열 교환기 시스템은 복수의 제1 열 교환기를 포함할 수 있고, 및/또는 제2 열 교환기 시스템은 복수의 제2 열 교환기를 포함할 수 있고, 및/또는 히트 싱크 연결 시스템은 유체 루프 내에서 적어도 하나의 추가 히트 싱크에 결합되도록 채택된 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 추가로 포함할 수 있다.
앞서 기술된 바와 같이, 설명된 실시예는 냉동 시스템을 포함하지만, 본 발명은 가열 시스템과 같은, 다른 열 에너지 시스템에 대한 적용 가능성을 가진다. 이러한 가열 시스템에서, 열 시스템은 가열 요구(냉각 요구보다는)를 가지고, 열원이(히트 싱크보다는) 제공되고, 냉동 사이클보다는 증기-압축 히트 펌프 사이클이 채택된다.
본 발명에 대한 다양한 다른 변형이 통상의 기술자에게 용이하게 명백할 수 있다.
2 냉동 시스템 8 냉동 캐비넷
10 냉매 루프 12 수용부
14 팽창 밸브 16 압축기
36 제1 열 교환기 시스템 37 리모트 히트 싱크
42 제2 열 교환기 시스템 72 제어부

Claims (75)

  1. 사용시 냉각 요구를 가지는 제1 열 시스템, 및 상기 제1 열 시스템에 결합된 히트 싱크 연결 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템으로서,
    상기 히트 싱크 연결 시스템은 상기 제1 열 시스템을 냉각하기 위한 복수의 히트 싱크에 선택적인 연결을 제공하도록 구성되고,
    상기 히트 싱크 연결 시스템은, 작동 유체를 포함하는 제1 리모트(remote) 히트 싱크에 결합되도록 구성된 제1 열 교환기 시스템, 제2 히트 싱크로서의 대기에 결합되도록 구성된 제2 열 교환기 시스템, 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프, 상기 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 상기 제1 열 교환기 시스템 및 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위한 적어도 하나의 기계 장치, 및 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동하기 위한 제어부를 포함하는 열 에너지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 리모트 히트 싱크를 포함하는 복수의 보어홀(borehole)에 결합되도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보어홀은 폐 루프 지열 에너지 시스템에 포함되는 열 에너지 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 대기에 결합되는 응축기, 가스 냉각기, 또는 서브-냉각기인 열 에너지 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 히트 싱크의 온도를 측정하기 위한 제1 온도 센서, 및 상기 제2 히트 싱크의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는, 제어 파라미터로, 상기 제1 및 제2 히트 싱크의 측정된 온도를 사용함으로써 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동시키도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 히트 싱크의 측정된 온도의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동시키도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크 연결 시스템은 히트 싱크 사이의 실질적으로 제한되지 않는 흐름을 제공하도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템에 연결되는 입력부 및 출력부를 포함하고,
    제1 유체 루프 구성에서, 상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제2 열 교환기 시스템의 상류에 위치하고,
    제2 유체 루프 구성에서, 상기 제2 열 교환기 시스템은 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제1 열 교환기 시스템의 상류에 위치하고,
    상기 적어도 하나의 기계 장치는 상기 제1 유체 루프 구성과 상기 제2 유체 루프 구성 사이의 상기 유체 루프의 전환을 위해 작동할 수 있도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 시스템은 증기 압축 카르노 사이클(Carnot cycle)을 이용하는 상업용 또는 산업용 냉동 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 상업용 또는 산업용 냉동 시스템은 이산화탄소를 냉매로 이용하는 열 에너지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 제1 압력 조절 밸브를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 상기 제1 압력 조절 밸브의 바이패스(bypass)를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  14. 청구항 11 내지 청구항 13중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 압력 조절 밸브를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기계 장치는, 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위해 작동가능한 복수의 전환가능 밸브 장치를 포함하는 열 에너지 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 전환가능 밸브 장치를 동시에 작동하도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 복수의 제1 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 복수의 제2 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크 연결 시스템은, 적어도 하나의 추가 히트 싱크에 결합되도록 구성된 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  20. 열 에너지 시스템 작동 방법에 있어서,
    상기 열 에너지 시스템은 제1 열 시스템을 포함하고,
    상기 열 에너지 시스템 작동 방법은,
    (a) 냉각 요구를 가지는 제1 열 시스템을 제공하는 단계;
    (b) 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 히트 싱크에 결합되는 제1 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
    (c) 제2 히트 싱크로서의 대기에 결합되는 제2 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
    (d) 상기 제1 및 제2 히트 싱크에 동시에 열을 방출하기 위하여, 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프 둘레로 유체를 유동시키는 단계; 및
    (e) 상기 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 상기 제1 열 교환기 시스템 및 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸는 단계
    를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템을 상기 유체 루프 내로 연결하는 밸브 장치들을 선택적으로 전환하여 수행되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 밸브 장치들은 각각 적어도 3개의 포트를 가지는 이방 밸브들인 열 에너지 시스템 작동 방법.
  23. 청구항 20 내지 청구항 22중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 히트 싱크의 온도 및 상기 제2 히트 싱크의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (e) 단계에서, 상기 제1 및 제2 히트 싱크의 측정된 온도가 상기 유체 루프의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 제어하기 위한 제어 파라미터로 이용되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 유체 루프의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템의 순서는 상기 제1 및 제2 히트 싱크의 측정된 온도의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 제어되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  25. 청구항 20 내지 청구항 24중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 리모트 히트 싱크를 포함하는 복수의 보어홀에 결합되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 보어홀은 폐 루프 지열 에너지 시스템에 포함되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  27. 청구항 20 내지 청구항 26중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 대기에 결합되는 응축기, 가스 냉각기, 또는 서브-냉각기인 열 에너지 시스템 작동 방법.
  28. 청구항 20 내지 청구항 27중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템에 연결되는 입력부 및 출력부를 포함하고,
    상기 (e) 단계에서, 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템을 상기 제1 열 시스템에 연결하는 전환 가능한 밸브 장치는, 상기 제1 열 교환기 시스템이 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제2 열 교환기 시스템의 상류에 위치하는 제1 유체 루프 구성과, 상기 제2 열 교환기 시스템이 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제1 열 교환기 시스템의 상류에 위치하는 제2 유체 루프 구성 사이의 상기 유체 루프의 전환을 위해 동시에 작동되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 제1 유체 루프 구성에서, 상기 제1 열 교환기 시스템은 유체의 주 냉각 및 응축을 제공하도록 배치되고, 상기 제2 열 교환기 시스템은 유체의 서브-냉각을 제공하도록 배치되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  30. 청구항 28 또는 청구항 29에 있어서,
    상기 제2 히트 싱크로서의 대기의 측정된 온도가 상기 제1 히트 싱크의 작동 유체의 측정된 온도에 대하여 특정 임계치 이하일 때, 상기 제1 유체 루프 구성이 선택되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  31. 청구항 28 내지 청구항 30중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체 루프 구성에서, 상기 제2 열 교환기 시스템은 유체의 주 냉각 및 응축을 제공하도록 배치되고, 상기 제1 열 교환기 시스템은 유체의 서브-냉각을 제공하도록 배치되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  32. 청구항 28 내지 청구항 31중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 히트 싱크로서의 대기의 측정된 온도가 상기 제1 히트 싱크의 작동 유체의 측정된 온도에 대하여 특정 임계치 이상일 때, 상기 제2 유체 루프 구성이 선택되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  33. 청구항 28 내지 청구항 32중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 시스템은 증기 압력 카르노 사이클을 적용하고 냉매로써 이산화탄소를 이용하는 상업용 또는 산업용 냉동 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  34. 청구항 33에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 이산화탄소는 최초에 상기 제2 열 교환기를 통과하여, 상기 제2 열 교환기 시스템에서 상기 이산화탄소를 응축하지 않고 초임계 상태 하에서 상기 제2 히트 싱크로 열을 방출하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 (d) 단계의 최초 방열 단계 동안에 일정한 압력을 제공하도록, 상기 제2 열 교환기 시스템의 하류측 상에 상기 이산화탄소의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  36. 청구항 34 또는 청구항 35에 있어서,
    상기 (d) 단계의 제2 방열 단계 동안에 일정한 압력을 제공하도록, 상기 제1 열 교환기 시스템의 하류측 상에 상기 이산화탄소의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  37. 청구항 20 내지 청구항 36중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 복수의 제1 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  38. 청구항 20 내지 청구항 37중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 복수의 제2 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  39. 청구항 20 내지 청구항 38중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 히트 싱크에 결합되는 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 히트 싱크 및 상기 적어도 하나의 추가 히트 싱크에 열을 동시에 방출하기 위하여, 상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템, 상기 제2 열교환기 시스템, 및 상기 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  40. 사용시 가열 요구를 가지는 제1 열 시스템, 및 상기 제1 열 시스템에 결합된 열원 연결 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템으로서,
    상기 열원 연결 시스템은 상기 제1 열 시스템을 가열하기 위한 복수의 열원에 선택적인 연결을 제공하도록 구성되고,
    상기 열원 연결 시스템은, 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 열원에 결합되도록 구성된 제1 열 교환기 시스템, 제2 열원으로서의 대기에 결합되도록 구성된 제2 열 교환기 시스템, 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프, 상기 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 상기 제1 열 교환기 시스템 및 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위한 적어도 하나의 기계 장치, 및 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동하기 위한 제어부를 포함하는 열 에너지 시스템.
  41. 청구항 40에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 리모트 열원을 포함하는 복수의 보어홀에 결합되도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  42. 청구항 41에 있어서,
    상기 보어홀은 폐 루프 지열 에너지 시스템에 포함되는 열 에너지 시스템.
  43. 청구항 40 내지 청구항 42중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 대기에 결합되는 증발기인 열 에너지 시스템.
  44. 청구항 40 내지 청구항 43중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열원의 온도를 측정하기 위한 제1 온도 센서, 및 상기 제2 열원의 온도를 측정하기 위한 제2 온도 센서를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  45. 청구항 44에 있어서,
    상기 제어부는, 제어 파라미터로, 상기 제1 및 제2 열원의 측정된 온도를 사용함으로써 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동시키도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  46. 청구항 45에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 열원의 측정된 온도의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 적어도 하나의 기계 장치를 작동시키도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  47. 청구항 40 내지 청구항 46중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열원 연결 시스템은 열원 사이의 실질적으로 제한되지 않는 흐름을 제공하도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  48. 청구항 40 내지 청구항 47중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템에 연결되는 입력부 및 출력부를 포함하고,
    제1 유체 루프 구성에서, 상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제2 열 교환기 시스템의 상류에 위치하고,
    제2 유체 루프 구성에서, 상기 제2 열 교환기 시스템은 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제1 열 교환기 시스템의 상류에 위치하고,
    상기 적어도 하나의 기계 장치는, 상기 제1 유체 루프 구성과 상기 제2 유체 루프 구성 사이의 상기 유체 루프의 전환을 위해 작동할 수 있도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  49. 청구항 40 내지 청구항 48중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 시스템은 증기 압축 히트 펌프 사이클을 이용하는 상업용 또는 산업용 히트 펌프 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템.
  50. 청구항 49에 있어서,
    상기 상업용 또는 산업용 히트 펌프 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 이용하는 열 에너지 시스템.
  51. 청구항 50에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 제1 압력 조절 밸브를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  52. 청구항 51에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 상기 제1 압력 조절 밸브의 바이패스(bypass)를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  53. 청구항 50 내지 청구항 52중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템의 하류 측 상에 압력 조절 밸브를 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  54. 청구항 40 내지 청구항 53중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기계 장치는, 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸기 위해 작동가능한 복수의 전환가능 밸브 장치를 포함하는 열 에너지 시스템.
  55. 청구항 54에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 전환가능 밸브 장치를 동시에 작동하도록 구성되는 열 에너지 시스템.
  56. 청구항 40 내지 청구항 55중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 복수의 제1 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템.
  57. 청구항 40 내지 청구항 56중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 복수의 제2 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템.
  58. 청구항 40 내지 청구항 57중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열원 연결 시스템은, 적어도 하나의 추가 열원에 결합되도록 구성된 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 더 포함하는 열 에너지 시스템.
  59. 열 에너지 시스템 작동 방법에 있어서,
    상기 열 에너지 시스템은 제1 열 시스템을 포함하고,
    상기 열 에너지 시스템 작동 방법은,
    (a) 가열 요구를 가지는 제1 열 시스템을 제공하는 단계;
    (b) 작동 유체를 포함하는 제1 리모트 열원에 결합되는 제1 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
    (c) 제2 열원으로서의 대기에 결합되는 제2 열 교환기 시스템을 제공하는 단계;
    (d) 상기 제1 및 제2 열원에 동시에 열을 흡수하기 위하여, 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템과 상기 제2 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 유체 루프 둘레로 유체를 유동시키는 단계; 및
    (e) 상기 유체 루프 둘레에서 유체 흐름 방향에 대하여 상기 제1 열 교환기 시스템 및 상기 제2 열 교환기 시스템의 순서를 선택적으로 바꾸는 단계
    를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  60. 청구항 59에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템을 상기 유체 루프 내로 연결하는 밸브 장치들을 선택적으로 전환하여 수행되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  61. 청구항 60에 있어서,
    상기 밸브 장치들은 각각 적어도 3개의 포트를 가지는 이방 밸브들인 열 에너지 시스템 작동 방법.
  62. 청구항 59 내지 청구항 61중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열원의 온도 및 상기 제2 열원의 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (e) 단계에서, 상기 제1 및 제2 열원의 측정된 온도가 상기 유체 루프의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템의 순서를 제어하기 위한 제어 파라미터로 이용되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  63. 청구항 62에 있어서,
    상기 유체 루프의 유체 흐름 방향에서 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템의 순서는 상기 제1 및 제2 열원의 측정된 온도의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 제어되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  64. 청구항 59 내지 청구항 63중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 상기 리모트 열원을 포함하는 복수의 보어홀에 결합되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  65. 청구항 64에 있어서,
    상기 보어홀은 폐 루프 지열 에너지 시스템에 포함되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  66. 청구항 59 내지 청구항 65중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 대기에 결합되는 증발기인 열 에너지 시스템 작동 방법.
  67. 청구항 59 내지 청구항 66중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템에 연결되는 입력부 및 출력부를 포함하고,
    상기 (e) 단계에서, 상기 제1 및 제2 열 교환기 시스템을 상기 제1 열 시스템에 연결하는 전환 가능한 밸브 장치는, 상기 제1 열 교환기 시스템이 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제2 열 교환기 시스템의 상류에 위치하는 제1 유체 루프 구성과, 상기 제2 열 교환기 시스템이 상기 입력부로부터 상기 출력부로의 상기 유체 루프 둘레의 유체 흐름 방향으로 상기 제1 열 교환기 시스템의 상류에 위치하는 제2 유체 루프 구성 사이의 상기 유체 루프의 전환을 위해 동시에 작동되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  68. 청구항 67에 있어서,
    상기 제1 유체 루프 구성에서, 상기 제1 열 교환기 시스템은 유체의 주 가열 및 증발을 제공하도록 배치되고, 상기 제2 열 교환기 시스템은 유체의 서브-가열을 제공하도록 배치되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  69. 청구항 67 또는 청구항 68에 있어서,
    상기 제2 열원으로서의 대기의 측정된 온도가 상기 제1 열원의 작동 유체의 측정된 온도에 대하여 특정 임계치 이상일 때, 상기 제1 유체 루프 구성이 선택되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  70. 청구항 67 내지 청구항 67중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체 루프 구성에서, 상기 제2 열 교환기 시스템은 유체의 주 가열 및 증발을 제공하도록 배치되고, 상기 제1 열 교환기 시스템은 유체의 서브-가열을 제공하도록 배치되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  71. 청구항 67 내지 청구항 70중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열원으로서의 대기의 측정된 온도가 상기 제1 열원의 작동 유체의 측정된 온도에 대하여 특정 임계치 이하일 때, 상기 제2 유체 루프 구성이 선택되는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  72. 청구항 59 내지 청구항 71중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 시스템은 증기 압력 히트 펌프 사이클을 적용하고 작업 유체로써 이산화탄소를 이용하는 상업용 또는 산업용 히트 펌프 시스템을 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  73. 청구항 59 내지 청구항 72중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기 시스템은 복수의 제1 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  74. 청구항 59 내지 청구항 73중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기 시스템은 복수의 제2 열 교환기를 포함하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
  75. 청구항 59 내지 청구항 74중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 열원에 결합되는 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 열원 및 상기 적어도 하나의 추가 열원에 열을 동시에 흡수하기 위하여, 상기 유체 루프는 상기 제1 열 시스템, 상기 제1 열 교환기 시스템, 상기 제2 열교환기 시스템, 및 상기 적어도 하나의 추가 열 교환기 시스템을 상호 연결하는 열 에너지 시스템 작동 방법.
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