KR20150040399A

KR20150040399A - 지열원 히트펌프냉난방시스템

Info

Publication number: KR20150040399A
Application number: KR20130118855A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2013-10-05
Filing date: 2013-10-05
Publication date: 2015-04-15

Abstract

본 발명은 미활용 에너지원인 지열원을 활용하여 냉난방을 할 수 있는 지열원 히트펌프 냉난방시스템에 관한 것이다.
지열원의 특성상 연중 외기온도 변화 조건에 영향없이 안정적으로 지열원의 활용 냉난방을 할 수 있는 장점에도 불구하고, 지중열교환기를 매설하는데 초기 과다한 투자비가 발생하여 보급이 지연되는 문제를 해결 하고자,
본 발명에서는 별도의 지중폐루프를 구성하여 폐루프를 순환하는 물 혹은 브라인을 통하여 지중열을 흡수하고, 이 지중열을 열교환기를 통해 시스템 작동열매체를 증발시켜 난방에 활용하는 것이 아니라, 작동열매체가 순환하는 냉매관과 지중열교환기를 연결, 작동열매체가 지중열교환기를 통해 지중열을 흡수하는 방법을 제안한다.
또한, 상기 열취득사이클과 고온취득사이클이 열교환기로 연결되어 열취득사이클의 응축열을 고온취득사이클 작동열매체가 흡수하여 증발하면서 압축기를 통해 고온고압의 기체상태로 되어 난방부하에서 고온수(70도 이상를 생성할 수 있는 응축열을
방출한다.
또한, 상기 이원사이클로 구성된 지열원 히트펌프냉난방시스템에서 냉방운전시 고온전달사이클의 난방부하측에서 온수를 사용하지 않을 경우, 응축열이 방출되지 못해, 결과적으로 냉방효율 저하 문제가 발생하게 되는데, 이를 해결하기
위해, 냉방운전시, 고온전달사이클에 과냉응축용 응축기로 폐회로를 형성하여, 고온전달사이클 작동열매체가 난방부하 조건에 따라 응축열이 발충이 안되어도, 상기 응축기에서 응축열을 외기공기로 방출할 수 있게 함으로서, 냉방효율 저하를 막을
수 있어, 전체적으로 효율적인 이원사이클 지열원 히트펌프 냉난방시스템을 제공할 수 있다.
.

Description

지열원 히트펌프냉난방시스템 {Geothermal heat source Heat pump system}

미활용 에너지원인 지중열원으로 부터 열원을 흡수하여 냉난방을 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템에 관한 것이다.

일반적으로 지열원 히트펌프냉난방시스템은 압축기와 냉난방 부하를 위한 실내열교환기, 팽창밸브, 작동열매체와 지중열 흡수를 위한열교환기로 폐회로를 구성하고, 이 열교환기 열취득측에 지중열원 순환펌프와 지중열순환도관, 지중열교환기로

폐루프를 형성하여, 지중열폐루프로 부터 지중열을 흡수하여 작동열매체가 증발하고, 압축기에 의해 압축되어, 실내열교환기에서 응축하여 난방부하에 열을 전달하거나, 압축기에 의해 고온고압상태로 된 작동열매체가 지중열폐루프와 연결된

열교환기에서 응축되어 지중으로 응축열을 방출하고, 저압 액체상태가 되어 팽창밸브를 통해 실내 열교환기에서 실내 냉방부하들로 부터 열원을 흡수 증발하여, 다시 지중으로 응축열을 방출하는 냉방운전을 하게 된다.

지중열원을 흡수하기 위하여 열교환용 파이프를 지중에 매설하게 되는데, 보통 지표면에서 지하 5m까지는 계절별 외기온도조건 변화에 따라 영향을 받지만, 5m 이하로는 년중 10~15도 정도 일정하면, 100m마다 3도정도 온도가 상승하게 된다.

보통 지중열을 흡수하기 위해 100m 이상 지중열교환기를 매설하게 되는데, 이로인해 초기 설치비용이 많이 들게 된다.

지열원 히트펌프 냉난방시스템의 문제는 지중열교환기를 설치하는데 초기 투자비가 많이 든다는 것이 문제이다.

더욱이, 지열의 경우 지중열원을 설치하는 장소마다 지층을 구성하는 흙의 성분에 따라 열전달 속도가 차이가 있으나,흙 의 매질에 따른 지열복원 속도보다 지열을 흡수하는 량에 많게 되면, 어느정도 지중열원을 흡수한 후에 다시 복원될 때

까지 시간을 필요로 하게 되어서, 지열원 히트펌프냉난방시스템 설치 건물의 가동시간에 따라, 추가의 지중열교환기를 설치해야 하는 문제가 있다. 이는 결국 초기 투자비용의 상승을 의미한다.

본 발명은 심부 지층의 지열을 활용하는 것이 아니라, 지표면에서 비교적 앝은 지하의 지열을 활용하여 초기 과다한 투자 비용 문제를 피하면서도 효율이 좋은 지열원 히트펌프냉난방시스템을 제공하고자 한다.

또한, 고온의 온수 및 난방수를 생산하여 복사 난방등에 적용할 수 있도록, 열취득사이클과 고온전달사이클 이단사이클로 시스템을 구성하고, 열취득사이클에서 지중열원을 흡수하기 위하여 지중열교환기와 지중열순환도관, 지중열순환펌프와

열교환기와 지중폐루프를 구성하고, 작동열매체와 지중폐루프를 순환하는 순환수 혹은 브라인등과 열교환하는 방법을 사용하는 것이 아니라, 열취득사이클의 작동열매체가 흐르는 냉매관과 지중열교환기가 바로 연결되어, 작동열매체가 지중열교환기로 흐르면서 지중열을 흡수 증발하는 방법으로 열취득사이클을 구성한다. 이렇게 하여, 심부의 지열이 아닌 지표면 가까운 지하의 지열을 활용함으로서 초기투자 비용을 줄이고, 상기 열취득사이클의 작동매체가 지중열교환기에서 열을 흡수한 뒤,

다시 고온전달사이클의 과냉응축을 위한 열교환기에서 응축열을 추가 흡수하여, 비교적 작은 면적의 지중열교환기를 매설하여도 필요한 열흡수를 할 수 있게 함으로서 전체적인 효율을 높이고 초기 투자비용을 줄일 수 있다.

또한, 냉방 운전시에는 상기 지열원 냉난방시스템에서는 지중으로 고온전달사이클 작동열매체의 응축열을 방출할 수 없음으로 해서 냉방효율에 문제가 생기는데, 이를 해결하기 위해 냉방운전을 위한 고온전달사이클 폐회로 구성시,난방시 사용하던 열교환기 경로를 차단하고, 외기응축기로 폐회로를 형성하여 난방 부하측에서 더 이상 부하가 없어 응축열을 방출할 수 없는 경우에도, 상기 외기응축기로 응축열을 원활히 방출하여 냉방효율을 높힐 수 있다.

이렇게 하면, 냉방 운전시에도 온수 사용이 가능하면서도 냉방효율 저하 문제를 막을 수 있다.

지열 히트펌프냉난방시스템을 사용하여 미활용 지중열원을 활용하는데 있어 지중열교환기를 매설하는데 있어 초기 과다 투자되는 문제를 해결하여, 경제적인 지열원 히트펌프냉난방시스템 보급을 확대할 수 있다

도1 은 본 발명의 지중열원 히트펌프냉난방시스템 실시예
도2 는 본 발명의 지중열원 히트펌프냉난방시스템 난방운전시 시스템 구성 및 작동열매체 흐름도
도3 은 본 발명의 지중열원 히트펌프냉난방시스템 냉방운전시 시스템 구성 및 작동열매체 흐름도

도1 은 본 발명의 지열원 히트펌프냉난방시스템 실시예 이다.

열취득사이클(200)은 냉방운전시는, 제2압축기(201), 제1열교환기(109), 전자밸브(202), 냉방부하(220), 전자밸브(210), 액분리기(211)로 폐회로를 구성하여,냉방사이클을 형성하고, 난방운전시는 제2압축기(201), 제1열교환기(109) 전자밸브(203), 제3팽창밸브(204), 지중열순환도관1(205), 지중열교환기(206), 지중열순환도관2(207), 제2열교환기(104), 지중열순환도관3(208), 전자밸브(209), 액분리기(211)로 폐회로를 구성하여 난방사이클을 형성한다.

고온전달사이클(200)의 경우, 냉방운전시는 제1압축기(101), 난방부하(110), 전자밸브(103), 응축기(105), 전자밸브(107), 제1팽창밸브(108), 제1열교환기(109)로 폐회로를 구성하여 냉방사이클을 형성하고, 제1압축기(101), 난방부하(110),

전자밸브(102), 제2열교환기(104), 전자밸브(106), 제1팽창밸브(108), 제1열교환기(109)로 폐회로를 구성하여 난방사이클을 형성한다.

도 2는 본 발명의 지열원 냉난방 시스템 난방운전시 시스템 구성 및 작동열매체 흐름도로서,

냉방부하(220) ?회로 구성을 위한 전자밸브(210, 202)가 OFF되고, 전자밸브(204,209)가 ON되어 열취득사이클(200)의 난방사이클이 형성되고, 전자밸브(103,107)이 OFF되고, 전자밸브(102, 106)이 ON되어 고온전달사이클(100)의

난방사이클이 형성되어, 열취득사이클(200)의 작동열매체가 지중열교환기(206)로 부터 지중열을 흡수하여 1차적으로 증발하고, 제2열교환기(104)에서 고온전달사이클(100)의 과냉응축열을 흡수하여 2차적으로 증발되어, 제2압축기(201)에서 고온고온의 기체상태가 되어 제1열교환기(109)에서 응축열을 방출하고,

고온전달사이클(100)의 작동열매체가 제1열교환기(109)에서 열취득사이클(200)의 응축열을 흡수하여 증발하여 제1압축기(101)에서 고온고압의 기체상태가 되어 난방부하(110)에 응축열을 방출하고, 제2열교환기(104)에서, 열취득사이클(200)의 작동열매체에 과냉 응축열을 전달한다.

상기와 같이 열취득사이클(200)의 작동열매체가 고온전달사이클(100)의 과냉 응축열을 추가로 흡수 함으로서, 난방효율을 높이고, 상대적으로 지중열교환기 설계시, 초기투자비용을 고려하여 설계할 수 있다.

도3 는 본 발명의 지열원 냉난방 시스템 냉방 운전시 시스템 구성 및 작동열매체 흐름도로서,

지열원 히트펌프냉난방시스템을 냉방 운전하기 위해서는, 먼저 전자밸브(204,209)가 OFF되고 전자밸브(210,202)가 ON되어, 열취득사이클(200)의 냉방사이클이 형성되고, 전자밸브(102,106)가 OFF되고, 전자밸브(103,107)이 ON되어 고온전달사이클(100)의 냉방사이클이 형성되어, 열취득사이클(200)의 작동열매체가 냉방부하(220)로 부터 열원을 흡수하여 증발되어 제2압축기(201)에서 고온고압의 기체

상태로 되어 제1열교환기(109)에 응축열을 방출하고, 고온전달사이클(100)의 작동열매체는 제1열교환기(109)에서 열취득사이클(200)의 응축열을 흡수 증발되어 난방부하(110)에 응축열을 방출하고, 응축기(105)에서 작동열매체의 과냉응축열을 외기 공기중으로 방출하게 된다.

이렇게 함으로서, 이원사이클 지열원 히트펌프냉난방시스템에서 열취득사이클(200)에서 열을 흡수하여, 고온전달사이클(100) 난방부하(110)에서 온수를 사용하지 않아 응축열을 효율적으로 방출하지 못해 냉방효율 문제가 발생하게되는 것을

응축기(105)를 통해서 외기 공기로 방출하게 함으로서, 난방부하(110)측 온수 사용량에 관계없이, 잉여 응축열을 공기 중으로 방출할 수 있어 냉방효율 저하를 방지할 수 있다.

100 : 고온전달사이클
101 : 제1압축기
110 : 난방부하
111 : 제4열교환기
112 : 축열조
113 : 순환펌프
102, 106,103,107 : 전자밸브
104 : 제2열교환기
105 : 응축기
108 : 제1팽창밸브
109 : 제1열교환기
200 : 열취득사이클
201 : 제2압축기
202,210, 203,209 : 전자밸브
204 : 제4팽창밸브
205 : 지중열순환도관1
206 : 지중열교환기
207 : 지중열순환도관2
208 : 지중열순환도관3
211 : 액분리기

Claims

지열원 히트펌프냉난방 시스템에 있어서,

제2압축기(201), 제1열교환기(109), 전자밸브(202), 냉방부하(220), 전자밸브(210), 액분리기(211)로 폐회로를 구성하여, 냉방운전시 냉방사이클을 형성하고, 제2압축기(201), 제1열교환기(109) 전자밸브(203),제3팽창밸브(204), 지중열순환도관1(205), 지중열교환기(206), 지중열순환도관2(207), 제2열교환기(104), 지중열순환도관3(208), 전자밸브(209) 액분리기(211)로 폐회로를 구성하여 난방운전기 난방사이클을 구성하는 열취득사이클(200);

제1압축기(101), 난방부하(110), 전자밸브(103), 응축기(105), 전자밸브(107), 제1팽창밸브(108), 제1열교환기(109)로 폐회로를 구성하여 냉방 운전시 냉방사이클을 형성하고, 제1압축기(101), 난방부하(110), 전자밸브(102), 제2열교환기(104),
전자밸브(106), 제1팽창밸브(108), 제1열교환기(109)로 폐회로를 구성하여 난방 운전시 난방사이클을 형성하는 고온전달사이클(100);

상기, 열취득사이클(200)과 고온전달사이클(100) 조합으로 구성됨을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.
청구항 제1항에 있어서,
상기 지열원 히트펌프냉난방시스템 난방운전 방법에 있어서,

냉방부하(220) ?회로 구성을 위한 전자밸브(210, 202)가 OFF되고, 전자밸브(204,209)가 ON되어 열취득사이클(200)의 난방사이클이 형성되고, 전자밸브(103,107)이 OFF되고, 전자밸브(102, 106)이 ON되어 고온전달사이클(100)의
난방사이클이 형성되어, 열취득사이클(200)의 작동열매체가 지중열교환기(206)로 부터 지중열을 흡수하여 1차적으로 증발하고, 제2열교환기(104)에서 고온전달사이클(100)의 과냉응축열을 흡수하여 2차적으로 증발되어, 제2압축기(201)에서 고온고온의 기체상태가 되어 제1열교환기(109)에서 응축열을 방출하고,

고온전달사이클(100)의 작동열매체가 제1열교환기(109)에서 열취득사이클(200)의 응축열을 흡수하여 증발하여 제1압축기(101)에서 고온고압의 기체상태가 되어 난방부하(110)에 응축열을 방출하고, 제2열교환기(104)에서, 열취득사이클(200)의 작동열매체에 과냉 응축열을 전달함을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.
청구항 제1항에 있어서,
상기 지열원 히트펌프냉난방시스템 냉방운전 방법에 있어서,

전자밸브(204,209)가 OFF되고 전자밸브(210,202)가 ON되어, 열취득사이클(200)의 냉방사이클이 형성되고, 전자밸브(102,106)가 OFF되고, 전자밸브(103,107)이 ON되어 고온전달사이클(100)의 냉방사이클이 형성되어,열취득사이클(200)의 작동열매체가 냉방부하(220)로 부터 열원을 흡수하여 증발되어 제2압축기(201)에서 고온고압의 기체상태로 되어 제1열교환기(109)에 응축열을 방출하고, 고온전달사이클(100)의 작동열매체는 제1열교환기(109)에서 열취득사이클(200)의 응축열을 흡수 증발되어 난방부하(110)에 응축열을 방출하고, 응축기(105)에서 작동열매체의 과냉
응축열을 방출함을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.
청구항 제1항에 있어서,
상기 열취득사이클(200)의 냉방부하(220)와 고온전달사이클(100)의 난방부하(110)가 열취득사이클(200)과 고온전달사이클(100)의 작동열매체와 공기가 바로 열교환하여 냉난방을 함을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.
청구항 제1항에 있어서,
상기 열취득사이클(200)의 냉방부하(200)의 제3열교환기(221) 한측이 제2팽창밸브(223)에 연결되고, 타즉이 전자밸브(210)에 연결되어 있고, 제3열교환기(221) 부하측으로 축냉조(222)와 냉방수 순환펌프(224)가 구비된 순환도관과 연결되어 있고, 상기 고온전달사이클(100)의 난방부하(110)의 제4열교환기(111)가 부하측으로 축열조(112)와 난방수 순환펌프(113)가 구비된 순환도관과 연결되어, 국열, 축냉방식으로 온수 및 냉난방을 함을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.
청구항 제1항에 있어서,
열취득사이클(200)의 지중열교환기(206)가 모세관으로 구성되고, 열취득사이클(200)의 작동열매체가 이 모세관을 통해 지중열원을 흡수함을 특징으로 하는 지열원 히트펌프냉난방시스템.