KR20140090516A - 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치 - Google Patents

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KR20140090516A KR1020130002686A KR20130002686A KR20140090516A KR 20140090516 A KR20140090516 A KR 20140090516A KR 1020130002686 A KR1020130002686 A KR 1020130002686A KR 20130002686 A KR20130002686 A KR 20130002686A KR 20140090516 A KR20140090516 A KR 20140090516A
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Abstract

이 발명은 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 피드백하여 효율 높은 난방을 하거나 또는 지중으로 방출시켜 냉방 효율을 높이면서 고온의 온수를 생산하기 위한 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에, 일 측이 연결되는 제 5열 교환기(104)와; 상기 제 5열 교환기(104) 타 측과 상기 제 4열 교환기(214) 타 측을, 열매체가 내부에 수용되어 순환하도록 연결하여 폐 루프를 형성하는 열매체 순환관(218); 및, 상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에 연결되는 열매체 순환펌프(215)와 지중에 매설된 지열 교환수단;을 더 포함하고; 상기 열매체 순환도관(218)의 내부를 상기 열매체 순환펌프(215)의 작동에 의해 순환하는 열매체를 통해, 난방 운전을 할 때에는 상기 지열 교환수단으로부터 흡수한 지열에, 상기 제 5열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 더해지면서 상기 제 4열 교환기(214)로 전달되어 저온 측 냉매의 증발이 잘되게 하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 상기 지열 교환수단을 통해 지중으로 방출시키는 것을 특징으로 하는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.

Description

지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치 {Two stage heat pump cooling and heating apparatus using geothermal source}
이 발명은 이원 사이클 히트펌프 냉난방에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자연계에 다양하게 존재하는 열 취득원들 중에서 지열을 활용하면서 이원 사이클의 고온 측 사이클에서 응축하고 남은 열을 제어하여 효율을 높이는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.
자연계에는 지열, 수열, 태양열, 공기열과 같이 다양한 열 취득원이 존재하는데, 이중 지구 내부로부터 표면을 거쳐 외부로 나오는 지열은, 호수, 하천, 바위, 지표 등 지구의 광범위한 열원을 활용할 수 있는 지속 및 재생 가능한 에너지로서, 에너지 절감 및 이산화탄소의 배출을 저감시킬 수 있는 대안으로 관심이 집중되고 있다.
이러한 지열 에너지는 일반적으로 지표로부터 5m 이하에서는 약 10~15℃ 정도로 계절의 변화와 상관없이 일정한 온도를 유지하며, 지하 100m 마다 3℃ 씩 온도가 상승하는 것으로 알려져 있어 굴착하는 깊이에 따른 잠재력은 크다고 할 수 있는바, 냉난방 용도로의 이용이 시도되고 있다.
한편 히트 펌프(Heat Pump)는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 공급하는 장치로 실내의 냉난방에 널리 사용되고 있는데, 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 의해 고온의 온수 생산이 가능하게 한다.
그리고 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 하기 위해, 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 공개특허 제2011-104579호 (발명의 명칭 : 이원 지열원 히트펌프 시스템) 등이 개시되어 있다.
그러나 지열원은, 지중 온도가 지하 5m 이하의 경우 연중 10~15℃로 거의 일정하게 나타나고 있어 냉난방을 위한 히트펌프의 열원으로 적합하므로 공기열원방식보다 에너지 효율이 높은 장점이 있는 반면에, 실제로 지중으로부터 열을 흡수하면 다시 원상복귀 하는데 많은 시간이 걸려 지속적으로 이용하기 어려워 열효율이 낮은 단점이 있다.
또한 종래 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 경우, 냉난방 과정에서 고온 측 사이클의 온수 탱크에 열전달이 필요 없어지게 되는 경우에는, 응축되고 남은 열이 그대로 고온 측 냉매에 실려 순환하면서 저온 측 냉매와의 열 교환이 최대로 이루어지지 않아 냉난방에 효율적이지 못한 문제점이 발생한다.
공개특허 제2011-104579호 (발명의 명칭 : 이원 지열원 히트펌프 시스템)
이 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 피드백하여 효율 높은 난방을 하거나 또는 지중으로 방출시켜 냉방 효율을 높이면서 고온의 온수를 생산하기 위한 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 제 1압축기(101), 제 1열 교환기(102), 제 1팽창밸브(105) 그리고 제 2열 교환기(106)로 폐 루프를 형성하여 고온 측 냉매가 순환하면서, 상기 제 2열 교환기(106)에서 흡수한 상기 고온 측 냉매의 열을 상기 제 1열 교환기(102)를 통해 온수 탱크(103)로 전달하는 고온 측 사이클(100)과; 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 3팽창밸브(213)와 제 4열 교환기(214)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 난방 운전을 하거나, 또는 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 냉방 운전을 하게 선택할 수 있으며, 선택에 의해 난방 또는 냉방 운전을 할 때 상기 제 4열 교환기(214) 또는 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 상기 저온 측 냉매의 열을 상기 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 저온 측 사이클(200);로 이루어지는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 있어서, 상기 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에, 일 측이 연결되는 제 5열 교환기(104)와; 상기 제 5열 교환기(104) 타 측과 상기 제 4열 교환기(214) 타 측을, 열매체가 내부에 수용되어 순환하도록 연결하여 폐 루프를 형성하는 열매체 순환관(218); 및, 상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에 연결되는 열매체 순환펌프(215)와 지중에 매설된 지열 교환수단;을 더 포함하고; 상기 열매체 순환도관(218)의 내부를 상기 열매체 순환펌프(215)의 작동에 의해 순환하는 열매체를 통해, 난방 운전을 할 때에는 상기 지열 교환수단으로부터 흡수한 지열에, 상기 제 5열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 더해지면서 상기 제 4열 교환기(214)로 전달되어 저온 측 냉매의 증발이 잘되게 하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 상기 지열 교환수단을 통해 지중으로 방출시키는 것을 특징으로 하는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 지열 교환수단이, 간격을 두고 수직으로 박아 매설하는 U형 채열관(216) 또는 간격을 두고 수평으로 쌓아 매설하는 평판형 모세 채열관(216')이어도 좋다.
바람직하게는, 상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에 열매체 탱크(217)를 두고, 상기 열매체 탱크(217)에서 유기 미생물을 배양하여, 상기 열매체 순환관(218)과 상기 지열 교환수단에 발생하는 스케일을 분해시키게 할 수 있다.
상기의 구성을 갖는 이 발명의 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 의하면, 기본적인 지열원 이원 사이클에 고온 측 사이클에서 응축 후 남은 열을 피드백하거나 지중으로 방출시킴으로써, 고온의 온수를 얻으면서 효율 높은 냉난방을 하는 효과가 있게 된다.
또한 상기의 구성을 갖는 이 발명의 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 의하면, 열매체 순환도관의 경로 상에 구비되는 열매체 탱크에 유기미생물을 배양하고, 열매체 순환펌프에 의해 열매체가 열매체 순환도관과 지열 교환수단을 순환하면서 유기미생물에 의해 유기물을 분해하게 함으로써, 지열 교환수단에서 스케일이 발생하여 열 교환 효율이 저하되는 것을 방지하는 효과가 있게 된다.
또한 상기의 구성을 갖는 이 발명의 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 의하면, 지열 교환수단으로 지하 5m 정도의 지중에 평판형 모세 채열관을 층층이 매립하여 지중으로부터 열을 교환할 수 있게 함으로써, 초기 투자비용을 적게 하고, 운용 도중에 문제가 발생하여도 이를 제거 및 재설치가 용이한 효과도 있게 된다.
도 1은 종래 이원 지열원 히트펌프 시스템의 구성도이고,
도 2는 이 발명의 제 1실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 이 발명의 제 2실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 이 발명의 제 2실시 예에 따른 도 3의 장치에서 냉방 운전 과정을 나타낸 도면이고,
도 5는 이 발명의 제 2실시 예에 따른 도 3의 장치에서 난방 운전 과정을 나타낸 도면이다.
이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 2는 이 발명의 제 1실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이 발명의 제 1실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 기본적으로 고온 측 냉매가 순환하는 고온 측 사이클(100)과 저온 측 냉매가 순환하는 저온 측 사이클(200)을 구비하고, 추가로 고온 측 사이클(100)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 지열원 취득부로 전달 또는 지열원 취득부를 통해 방출시킨다.
고온 측 사이클(100)에는, 고온 측 압축기로서 제 1압축기(101)가 설치되고, 제 1압축기(101)의 출구에는 고온 측 응축 열교환기로서 제 1열 교환기(102) 타 측의 입구가 연결된다.
제 1열 교환기(102) 일 측에는 온수 탱크(103)가 연결되는데, 고온 측 냉매로부터 열을 얻어 온수 탱크(103)에 저장된 물과 열 교환하여 온수 및 난방용수를 생산한다.
제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 지열원 취득부에 전달하는 제 5열 교환기(104)가, 제 1열 교환기(102) 타 측의 출구와 일 측의 입구가 연결된다. 그리고 제 5열 교환기(104) 일 측의 출구에는 고온 측 팽창밸브로서 제 1팽창밸브(105)가 연결된다.
제 1팽창밸브(105)의 출구에는 제 2열 교환기(106) 일 측의 입구가 연결되며, 제 2열 교환기(106)는 일 측의 출구가 제 1압축기(101)의 입구와 연결되면서 폐 루프를 형성하여, 고온 측 냉매가 순환하면서 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 진행하는 고온 측 사이클(100)을 구성한다.
제 2열 교환기(106)는 타 측이 저온 측 사이클(200)과 연결되면서, 고온 측 사이클(100)의 증발기 및 저온 측 사이클(200)의 응축기로 사용되는데, 저온 측 사이클(200)의 제 4열 교환기(214)에서 흡수한 열을 고온 측 사이클(100)에 전달하여, 고온 측 냉매와 저온 측 냉매 간 열 교환이 이루어지게 한다.
그리고 저온 측 사이클(200)에는, 저온 측 압축기로서 제 2압축기(203)가 설치되고, 제 2압축기(203) 출구는 제 2열 교환기(106) 타 측의 입구와 연결되고, 제 2열 교환기(106) 타 측의 출구는 제 2팽창밸브(204)와 연결되는데, 제 2열 교환기(106)와 제 2팽창밸브(204) 사이에는 전자밸브(202)가 설치된다.
제 2팽창밸브(204)의 출구는 제 3열 교환기(205) 일 측의 입구와 연결되면서 제 3열 교환기(205) 타 측에는 냉수 탱크(206)가 연결된다.
제 3열 교환기(205) 일 측의 출구에는 전자밸브(201)가 설치되고, 전자밸브(201)는 액 분리기(207)의 입구와 연결되며, 액 분리기(207)의 출구와 제 2압축기(203) 입구가 연결된다.
한편 액 분리기(207)의 입구와 제 2열 교환기(106) 타 측의 출구 사이에는 별도의 라인이 형성되며, 여기에는 전자밸브(211)와 전자밸브(212)가 설치되고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)에는 제 3팽창밸브(213) 입구와 제 4열 교환기(214) 일 측의 출구가 연결되면서, 제 3팽창밸브(213) 출구와 제 4열 교환기(214) 일 측의 입구가 연결된다.
이러한 전자밸브(211)와, 제 4열 교환기(214)와, 제 3팽창밸브(213) 그리고 전자밸브(212)가 포함되며, 여기서 제 4열 교환기(214) 타 측을 열매체가 내부에 수용되어 순환하도록 열매체 순환관(218)으로 연결하며, 상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에는 열매체의 순환이 원활하도록 작동하는 열매체 순환펌프(215)와 지중에 매설되어 열매체와 지열을 교환하는 지열 교환수단이 연결되는 지열원 취득부를 형성한다.
그리고 열매체 순환관(218)은, 경로 상의 한 부분을 분리하고, 분리된 한 부분의 양 단을 제 5열 교환기(104) 타 측과 연결시켜, 열매체가 제 4열 교환기(214) 타 측과 제 5열 교환기(104) 타 측을 순환하도록 폐 루프를 형성하고, 열매체가 순환하면서 제 5열 교환기(104)의 일 측을 통해 흡수한 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 제 4열 교환기(214)로 전달한다.
이로부터 지열 교환수단을 통해 지열을 교환한 열매체는, 제 5열 교환기(104)를 통해 고온 측 사이클(100)에서 흡수한 응축 후 남은 고온 측 냉매의 열이 더해지면서 제 4열 교환기(214)를 통해 저온 측 사이클(200)의 저온 측 냉매와 열 교환을 하게 된다.
여기서 지중에 매설된 지열 교환수단은, 지하 100m마다 3℃ 씩 온도가 상승하는 것으로부터 지하 100m에서 300m까지 수직의 구멍을 시추공 방식으로 굴착하고 여기에 간격을 두고 수직으로 박아 매설하는 U형 채열관(216)을 적용할 수 있다.
또한 열매체 순환관(218)의 경로 상에는, 순환하는 열매체를 저장하면서 완충 역할도 하는 열매체 탱크(217)를 설치하고, 상기 열매체 탱크(217)에서 유기 미생물을 배양하여, 상기 열매체 순환관(218)과 지열 교환수단에 발생하는 스케일을 분해시킨다.
도 3은 이 발명의 제 2실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이 발명의 제 2실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 지중에 매설된 지열 교환수단으로서 간격을 두고 수직으로 박아 매설하는 U형 채열관(216) 대신 간격을 두고 수평으로 쌓아 매설하는 평판형 모세 채열관(216')으로 대체 연결되며, 나머지는 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 이 발명의 제 1실시 예에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치와 동일하다.
지열 교환 수단은, 지중에 매립하는 방법에 따라 수직형과 수평형으로 구분될 수 있는데, 간격을 두고 수직으로 박아 매설하는 U형 채열관(216)의 경우 지하 100m에서 300m까지 수직의 구멍을 굴착하여야 하며, 또한 지열의 경우 한번 지열원 히트펌프 냉난방 장치를 가동하여 열을 얻게 되면 토양의 매질에 따라 차이가 있을 수 있지만, 주변 지중으로부터 다시 열을 전달받아 원상태로 회복하는데 많은 시간이 걸려, 하루 10시간 이상 가동하기 힘든 점이 있어, 24시간 냉난방을 가동하기 위해서는 많은 면적의 부지에 매설해야 하므로 초기 투자비용이 많이 들어간다.
또한 지열 교환을 위한 U형 채열관(216)의 내부에 열매체가 순환하면서 스케일이 발생하여 열 교환을 방해하는 문제가 발생하는 경우에는 이를 해결하기 어렵고, 일단 설치한 U형 채열관(216)을 제거하는데 에는 많은 비용을 발생시키거나 기술적으로 어려움이 있어 그냥 방치를 하는 경우에 지하수를 오염시킬 수도 있다.
이로부터 계절의 변화와 상관없이 약 10~15℃ 정도의 일정한 온도를 유지하는 지하 5m 정도의 지중에 간격을 두고 수평으로 층층이 쌓아 올린 평판형 모세 채열관(216')을 매립하여 지중으로부터 열을 교환할 수 있게 함으로써, 초기 투자비용을 적게 하고 문제 발생시에도 이를 제거하고 재설치가 용이하게 한다.
그리고 별도로 구비되는 컨트롤러(도면에 도시하지 않음)의 선택에 의해, 전자밸브(201)와 전자밸브(202)를 닫고 전자밸브(211)와 전자밸브(212)를 열어 제 2압축기(203), 제 2열 교환기(106), 전자밸브(212), 제 3팽창밸브(213), 제 4열 교환기(214), 전자밸브(211) 그리고 액 분리기(207)로 이루어지는 폐 루프에 의해 형성되는 저온 측 사이클(200)의, 제 4열 교환기(214)로부터 증발을 통해 지열 교환수단에서 흡수하여 전달된 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 사이클(100)의 고온 측 냉매로 전달하여 온수 탱크(103)에 온수를 생산 저장하는 난방을 하게 된다.
또한 컨트롤러의 선택에 의해, 전자밸브(201)와 전자밸브(202)를 열고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)를 닫아, 제 2압축기(203), 제 2열 교환기(106), 전자밸브(202), 제 2팽창밸브(204), 제 3열 교환기(205), 전자밸브(201) 그리고 액 분리기(207)로 이루어지는 폐 루프에 의해 형성되는 저온 측 사이클(200)의, 저온 측 냉매가 제 3열 교환기(205)에서 증발하면서 냉수 탱크(206)의 물로부터 열을 얻어, 액 분리기(207)를 거쳐 제 2압축기(203)에 흡입되어 제 2열 교환기(106)에서 응축시킨 응축열을 고온 측 사이클(100)로 전달함으로써 열을 빼앗긴 냉수탱크(215)의 물은 냉방수로 사용하게 되며, 냉방과 동시에 저온 측 사이클(200)로부터 얻은 열로 데워진 고온 측 사이클(100)의 온수 탱크(103)의 물은 온수로 사용된다.
이러한 냉난방 운전 과정에서, 제 1열 교환기(102)를 통해 고온 측 냉매의 열이 전부 온수 탱크(103)에 전달되어야만, 제 1팽창밸브(105)를 거쳐 제 2열 교환기(106)에서 저온 측 냉매와의 열 교환도 제대로 이루어지면서 난방과 냉방 효율이 높아지게 된다.
따라서 이 발명의 실시 예들에 따른 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에서는, 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 나온 고온 측 냉매에 열이 남아 있는 경우에 열전달 효율이 그만큼 떨어지므로 이를 방지하여 난방 및 냉방을 제대로 할 수 있도록, 제 5열 교환기(104)를 통해 지열원 취득부로 열전달이 일어나도록 한다.
이 경우, 난방 운전을 할 때에는 열매체 순환관(218)을 통해 열매체가 순환하면서 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 상기 지열 교환수단으로부터 흡수한 지열에 더해지면서 제 4열 교환기(214)로 전달되어 작동을 원활하게 하여 저온 측 냉매의 증발을 도와 난방 효율이 높아지게 되며, 또한 냉방 운전을 할 때에는 고온 측 사이클(100)의 온수 탱크(103)의 온수를 사용하지 않는 경우, 저온 측 사이클(200)과의 열 교환이 안 되면서 계속 고온의 냉매가 제1압축기(101)로 흡입되어 고장의 원인이 될 뿐만 아니라 냉방효율도 저하되는 것을 방지하여, 온수 탱크(103)의 온수를 많이 사용하던지 사용하지 않던지 관계없이 제 5열 교환기(104)에서 응축하고 남은 열을 지열 교환수단을 통해 외부로 신속하게 방출시키면서 설계만큼의 냉방 용량을 확보하고 냉방 효율도 높일 수 있게 된다.
상기와 같은 이 발명의 제 2실시 예에 따른 지열원 이원 히트펌프 냉난방 장치의 작동 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 이 발명의 제 2실시 예에 따른 도 3의 장치에서 냉방 운전 과정을 나타낸 도면이고, 도 4는 이 발명의 제 2실시 예에 따른 도 3의 장치에서 냉방 운전 과정을 나타낸 도면이다.
먼저 컨트롤러의 제어에 의해, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 냉방 운전을 하게 선택할 때 작동하는 과정을, 도 4를 참조하여 설명한다.
저온 측 사이클(200)의 전자밸브(201)와 전자밸브(202)는 열리고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)는 닫히면서 고온 측 사이클(100)과 저온 측 사이클(200)이 작동한다.
제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)와 전자밸브(202)를 지나 제 2팽창밸브(204)로 이동하고, 그 후 제 3열 교환기(205)를 통해 냉수 탱크(206)의 열을 전달받아 액 분리기(207)를 거쳐 제 2압축기(203)로 유입하게 된다.
여기서, 제 3열 교환기(205)를 순환하도록 설치된 냉수 탱크(206)에 저장된 물은 제 3열 교환기(205)를 통해 열을 전달하고 냉수 탱크(20)로 복귀하면서 저장되는데, 냉수 탱크(20)에 저장되는 냉수는 공조 설비 파이프를 통해 순환하면서 냉방을 하게 된다.
그리고 고온 측 사이클(100)에서는 제 1압축기(101)에서 배출된 고온 측 냉매가 제 1열 교환기(102)를 거치고, 여기서 응축되고 남은 열을 제 5열 교환기(104)를 통해 제 4열 교환기(214)로 전달한 후 제 1팽창밸브(105)로 이동하므로, 고온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)를 지나면서 저온 측 사이클(200)의 저온 측 냉매로부터 열 교환을 최대로 끌어낸 후 제 1압축기(101)로 유입된다.
한편 저온 측 사이클(200)의 제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)를 거칠 때 상기 고온 측 냉매로 열을 최대한 전달한 후에 전자밸브(202)를 통과하고, 그 후 제 2팽창밸브(204)로 이동하여 제 3열 교환기(205)를 통해 냉수 탱크(206)의 열을 최대로 전달받아 최적의 냉장 상태를 유지하게 하면서 제 2압축기(203)로 유입된다.
여기서 제 1열 교환기(102)를 거치면서 응축되고 남은 고온 측 냉매 열을, 열매체 순환펌프(215)를 별도로 작동시킨 상태에서 제 5열 교환기(104)를 통해 열매체가 평판형 모세 채열관(216')으로 순환되면서 신속하게 지중으로 방출시킨다.
이로부터 냉방에 따라 발생되는 열을 온수 탱크(103)로 공급하는데 있어서 만일 온수를 사용하지 않아 온수 탱크(103)로의 열 공급이 되지 않은 경우에도 항상 최적의 냉방 상태를 유지하게 할 수 있으며, 고온 측 사이클(100)의 작동이 멈추지 않아 설계한 냉방 용량을 최대로 사용할 수 있어 최적의 설비 투자와 운영을 할 수 있게 된다.
다음으로 컨트롤러의 제어에 의해, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에 전자밸브(212), 제 3팽창밸브(213)와 제 4열 교환기(214), 전자밸브(211)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서, 지열을 제 4열 교환기(214)를 통해 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 난방 운전을 하게 선택할 때 작동하는 과정을, 도 5를 참조하여 설명한다.
저온 측 사이클(200)의 전자밸브(201)와 전자밸브(202)는 닫히고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)는 열리면서 고온 측 사이클(100)과 저온 측 사이클(200)이 작동한다.
고온 측 사이클(100)에서는, 제 1압축기(101)에서 배출된 고온 측 냉매는 제 1열 교환기(102)에서 응축되고, 여기서 남은 열은 제 5열 교환기(104)를 통해 열매체를 매개로 고온 측 사이클(100)에서 배출시킨다.
여기서, 제 1열 교환기(102)에는 온수 탱크(103)의 물이 순환하게 되며, 제 1열 교환기(102)를 통해 고온 고압의 냉매로부터 열을 취득한 물은 온수가 되어 온수 탱크(103)에 저장되어, 온수 자체로도 사용되고 공조 설비 파이프를 통해 순환하면서 난방을 하게 된다.
그리고 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 전부 배출시킨 고온 측 냉매는 제 1팽창밸브(105)를 거친 후, 제 2열 교환기(106)를 통과하면서 저온 측 사이클(200)의 저온 측 냉매 열을 최대한 교환받아 다시 제 1압축기(101)의 입구를 통해 제 1압축기(101)로 유입한다.
한편, 저온 측 사이클(200)에서는 제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매가 제 2열 교환기(106)를 통해 전자밸브(212)를 거쳐 제 3팽창밸브(213)로 이동하고, 그 후 제 4열 교환기(214)와 전자밸브(211)를 통과하여 액 분리기(207)를 거친 후 제 2압축기(203)로 유입된다.
이때, 제 2열 교환기(106)에서는 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 전부 배출시킨 고온 측 냉매와 제 4열 교환기(214)로부터 열을 흡수한 저온 측 냉매가 열 교환을 최대로 하므로 난방 효율이 높아지게 된다.
그리고 제 4열 교환기(214)를 통해 저온 측 냉매로 전달되는 지열은, 열매체 순환펌프(215)가 열매체를 순환시키면서 지중에 매설되는 평판형 모세 채열관(216')을 통해 제 4열 교환기(214)의 타 측으로 전달되며, 여기에 상기 제 5열 교환기(104)의 타 측을 순환하면서 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 제 4열 교환기(214) 타 측에 추가로 전달하므로, 제 4열 교환기(214)를 통과하는 저온 측 냉매는 증발이 잘 된 상태에서 액 분리기(207)를 거친 후 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 냉매와 열 교환을 최대로 한다.
이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다.
100 : 고온 측 사이클 101 : 제 1압축기
102 : 제 1열 교환기 103 : 온수 탱크
104 : 제 5열 교환기 105 : 제 1팽창밸브
106 : 제 2열 교환기 200 : 저온 측 사이클
201, 202, 211, 212 : 전자밸브 203 : 제 2압축기
204 : 제 2팽창밸브 205 : 제 3열 교환기
206 : 냉수 탱크 207 : 액 분리기
213 : 제 3팽창밸브 214 : 제 4열 교환기
215 : 열매체 순환펌프 216 : U형 채열관
216' : 평판형 모세 채열관 217 : 열매체 탱크
218 : 열매체 순환도관

Claims (3)

  1. 제 1압축기(101), 제 1열 교환기(102), 제 1팽창밸브(105) 그리고 제 2열 교환기(106)로 폐 루프를 형성하여 고온 측 냉매가 순환하면서, 상기 제 2열 교환기(106)에서 흡수한 상기 고온 측 냉매의 열을 상기 제 1열 교환기(102)를 통해 온수 탱크(103)로 전달하는 고온 측 사이클(100)과; 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 3팽창밸브(213)와 제 4열 교환기(214)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 난방 운전을 하거나, 또는 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 냉방 운전을 하게 선택할 수 있으며, 선택에 의해 난방 또는 냉방 운전을 할 때 상기 제 4열 교환기(214) 또는 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 상기 저온 측 냉매의 열을 상기 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 저온 측 사이클(200);로 이루어지는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 있어서,
    상기 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에, 일 측이 연결되는 제 5열 교환기(104)와; 상기 제 5열 교환기(104) 타 측과 상기 제 4열 교환기(214) 타 측을, 열매체가 내부에 수용되어 순환하도록 연결하여 폐 루프를 형성하는 열매체 순환관(218); 및, 상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에 연결되는 열매체 순환펌프(215)와 지중에 매설된 지열 교환수단;을 더 포함하고;
    상기 열매체 순환도관(218)의 내부를 상기 열매체 순환펌프(215)의 작동에 의해 순환하는 열매체를 통해, 난방 운전을 할 때에는 상기 지열 교환수단으로부터 흡수한 지열에, 상기 제 5열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 더해지면서 상기 제 4열 교환기(214)로 전달되어 저온 측 냉매의 증발이 잘되게 하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열이 상기 지열 교환수단을 통해 지중으로 방출시키는 것을 특징으로 하는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지열 교환수단은, 간격을 두고 수직으로 박아 매설하는 U형 채열관(216) 또는 간격을 두고 수평으로 쌓아 매설하는 평판형 모세 채열관(216')인 것을 특징으로 하는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열매체 순환관(218)의 경로 상에 열매체 탱크(217)를 두고,
    상기 열매체 탱크(217)에서 유기 미생물을 배양하여, 상기 열매체 순환관(218)과 상기 지열 교환수단에 발생하는 스케일을 분해시키는 것을 특징으로 하는 지열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104949383A (zh) * 2015-07-03 2015-09-30 北京中科华誉能源技术发展有限责任公司 梯级利用集中式单管型能源站系统
CN111174451A (zh) * 2020-01-08 2020-05-19 中国矿业大学(北京) 开式废弃矿井储能循环系统
KR102363538B1 (ko) * 2021-05-28 2022-02-16 삼중테크 주식회사 지열원을 이용하는 하이브리드 흡착식 히트펌프

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