KR101190260B1 - 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110); 상기 압축기(110)와 제 1 냉매배관(210)으로 연결되는 열교환기(120); 상기 열교환기(120)와 제 2 냉매배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140); 상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130); 상기 수조(130)에 배치되는 수조용 열교환부(150); 상기 열교환기(120)와 제 1 온수 순환용 배관(310)을 통해 연결되는 온수 탱크(160); 상기 수조(130)와 냉수 순환용 배관(340)을 통해 연결되고, 상기 온수 탱크(160)와 제 2 온수 순환용 배관(330)을 통해 연결되는 부하측 열교환부(170); 및 상기 열교환기(120)와 응축열 제거용 순환 배관(320)을 통해 연결되어 상기 냉매의 응축열을 제거하기 위한 응축열 제거부(180);를 포함한다.
본 발명은 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하게 한다.
본 발명은 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하게 한다.
Description
본 발명은 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매 유동 유로를 일정하게 유지하고, 냉방 또는 난방이 요구되는 목적 대상 공간에 직접적으로 열교환을 수행하는 부하측 열교환부가 상기 냉매 유동 유로와 열교환을 하도록 함으로써 각종 건축물 및 비닐하우스 등에 냉난방을 수행할 수 있는 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.
따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.
이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.
일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.
특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.
따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.
이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.
일반적으로 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 설치시 일정한 수온과 연약지층이 아닌 지질특성을 갖추어야 할 뿐만 아니라 설치시 공사기간이 오래 소요되고 비용이 많이 들며, 별도의 부지공간을 확보해야 하는 문제점이 있다.
한편 지열을 이용한 히트펌프 시스템으로 국내 특허등록 제10-0999400호(2010.12.2. 등록), 국내 특허등록 제10-1053825호(2011. 7.28. 등록) 등이 제안된 바 있다.
상기 종래 기술들은 기본적으로 4방밸브를 이용하여 냉매의 흐름을 변화시킴으로써 냉방 모드 및 난방 모드를 선택적으로 사용할 수 있다.
즉 상기 종래 기술들은 계절에 따라 냉매 순환 흐름을 변경시켜야 하나, 이로 인한 배관 구조가 복잡해지며 운전 조건을 계절에 따라 맞춘다는 것이 어렵게 작용할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저수조 내에 여름철과 겨울철의 계절적 차이에 의하여 냉방 및 난방 겸용으로 사용할 수 있는 코일 형태의 열교환부와 사방밸브를 사용하지 않고도, 즉 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록 하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하고, 설치비도 줄일 수 있도록 할 뿐 아니라 부하측의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 효율을 보다 향상시킨 새로운 냉난방 시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 하이브리드 냉난방 시스템은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110); 상기 압축기(110)와 제 1 냉매배관(210)으로 연결되는 열교환기(120); 상기 열교환기(120)와 제 2 냉매배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140); 상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130); 상기 수조(130)에 배치되는 수조용 열교환부(150); 상기 열교환기(120)와 제 1 온수 순환용 배관(310)을 통해 연결되는 온수 탱크(160); 상기 수조(130)와 냉수 순환용 배관(340)을 통해 연결되고, 상기 온수 탱크(160)와 제 2 온수 순환용 배관(330)을 통해 연결되는 부하측 열교환부(170); 및 상기 열교환기(120)와 응축열 제거용 순환 배관(320)을 통해 연결되어 상기 냉매의 응축열을 제거하기 위한 응축열 제거부(180);를 포함한다.
상기 냉난방 시스템은 상기 수액기(140)와 상기 수조용 열교환부(150)를 연결하는 제 3 냉매배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(231);를 더 포함한다.
상기 냉난방 시스템을 이루는 유로는 상기 압축기(110), 상기 열교환기(120), 상기 수액기(140), 상기 팽창밸브(231), 수조용 열교환부(150) 및 상기 압축기(110)를 차례대로 연결하는 냉매 순환 유로;를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
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상기 수조는 지중에 매설되는 제 1 수조(131) 및 상기 제 1 수조(131) 내에 수용되는 제 2 수조(132)를 포함하고, 상기 제 1 수조(131)와 상기 제 2 수조(132) 사이의 이격 공간인 열전도개폐부(131a) 내에 수용되는 열전도물질은 공기 및 물을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉난방 시스템은 상기 제 1 수조(131)와 상기 2 수조(132) 사이의 공간 내에 물을 공급 또는 배출할 수 있는 펌핑 수단이 마련되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉난방 시스템은 상기 수조(130)는 지중의 열을 더욱 잘 받을 수 있도록 상기 지중에 매립되는 형태의 지중 코일(133)을 포함하며, 상기 지중 코일(133)의 내부는 물이 유동할 수 있는 공간이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
여름철 냉방 모드는, 상기 제 1,2 온수 순환용 배관(310,330)의 작동이 정지되어져, 상기 수조(130)가 냉수 공급원이 되어 상기 냉수 순환용 배관(340)을 통하여 상기 부하측 열교환부(170)로 냉열이 전달되는 것이 바람직할 수 있다.
겨울철 난방 모드는 상기 냉수 순환용 배관(340) 및 상기 응축열 제거용 순환 배관(320)의 작동이 정지되어져, 상기 온수 탱크(160)가 열공급원이 되어 상기 부하측 열교환부(170)에 온열이 전달되는 것이 바람직할 수 있다.
겨울철 난방시 축열 모드를 수행하는 경우에, 상기 제 1,2 온수 순환용 배관(310,330)의 작동이 정지되고, 주간에 수개의 유로를 통해 태양으로부터 상기 부하측 열교환부(170)에 흡수된 열이 상기 냉수 순환 유로를 통해 상기 수조(130)에 축열되어 야간에 이용되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 제 2 냉매배관(220)은 보조 응축용 열교환부(190)를 포함하며, 상기 보조 응축용 열교환부(190)는 상기 수조(130) 내에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 단일 저수조 내에 냉방 및 난방 겸용으로 사용할 수 있는 코일형태의 열교환부와 사방밸브를 사용하지 않고도, 즉 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하고, 설치비도 줄일 수 있도록 할 뿐만 아니라 부하측의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 에너지 소모량을 줄일 수 있도록 하였다. 보조 응축용 열교환부에 의하여 본 발명은 냉매의 완전 응축이 가능하여 전체적인 효율이 상승되도록 하여 효율성과 실용성을 갖춘 냉난방 시스템을 제공하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템의 계통도,
도 2는 여름철 냉방을 수행하는 경우의 도 1의 작동도,
도 3은 겨울철 난방을 수행하는 경우의 도 1의 작동도,
도 4는 겨울철 난방을 위한 축열 모드일 때의 도 1의 작동도, 및
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템에서 수조가 지중에 설치된 경우를 보이는 계통도이다.
도 2는 여름철 냉방을 수행하는 경우의 도 1의 작동도,
도 3은 겨울철 난방을 수행하는 경우의 도 1의 작동도,
도 4는 겨울철 난방을 위한 축열 모드일 때의 도 1의 작동도, 및
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템에서 수조가 지중에 설치된 경우를 보이는 계통도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명인 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템은 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
지열을 이용한
하이브리드
냉난방 시스템(100)의 전체적인 구조 설명
상기 냉난방 시스템(100)은 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110), 압축기(110)와 제 1 냉매배관(210)으로 연결되는 열교환기(120), 열교환기(120)와 제 2 냉매배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140), 수액기(140)가 수용되는 수조(130), 수조(130)에 배치되는 수조용 열교환부(150), 수액기(140)와 수조용 열교환부(150)를 연결하는 제 3 냉매배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(231), 열교환기(120)와 제 1 온수 순환용 배관(310)을 통해 연결되는 온수 탱크(160), 수조(130)와 냉수 순환용 배관(340)을 통해 연결되는 부하측 열교환부(170), 및 열교환기(120)와 응축열 제거용 순환 배관(320)을 통해 연결되어 상기 냉매의 응축열을 제거하기 위한 응축열 제거부(180)를 포함한다.
열교환기(120)는 냉매유동로와 물유동로가 서로 열교환하도록 마련된다. 열교환기(120)는 일 실시예로서 판형 열교환기가 채택될 수 있다.
수조(130)에는 물이 저장되어 있다.
수액기(140)에는 액화된 냉매가 저장된다. 수액기(140)는 일 실시예로서 수조(130) 내부에 마련된다.
아울러, 수조(130)에는 수조용 열교환부(150)가 마련된다. 수조용 열교환부(150)는 코일 형태의 열교환기가 이용된다.
온수 탱크(160)는 부하에 온수를 공급하기 위하여 온수가 저장된다.
외부와 열교환하는 부하측 열교환부(170)는 온수 탱크(160)와 제 2 온수 순환용 배관(330)을 통해 연결된다. 부하측 열교환부(170)는 온수가 그 내부를 지나면서 외부를 난방하거나, 혹은 냉수가 그 내부를 지나면서 외부를 냉방할 수 있다. 부하측 열교환부(170)는 일 실시예로서 온실 내부에 설치되는 것으로 하였다.
응축열 제거부(180)는 냉방시 열교환기(120)의 응축열을 제거하기 위한 기능을 수행한다. 상기 응축열 제거부(180)에는 지하의 빗물 저수조, 하천수, 또는 하수 등이 이용될 수 있다. 아울러, 응축열 제거부(180)로서는 쿨링 타워(냉각탑)와 같은 장치가 이용될 수 있다.
다음으로는, 냉난방 시스템(100)을 구성하는 각 구성요소들을 연결하는 배관을 설명한다.
제 1 냉매배관(210)의 일단부는 압축기(110)의 출구와 연결되며, 타단부는 상기 열교환기(120)의 냉매 유동로의 제 1 단부와 연결된다.
제 2 냉매배관(220)의 일단부는 열교환기(120)의 냉매 유동로의 제 2 단부와 연결되며, 타단부는 수액기(140)의 입구와 연결된다. 한편, 제 2 냉매배관(220)의 일부는 보조 응축용 열교환부(190)를 형성할 수 있으며, 상기 보조 응축용 열교환부(190)는 수조(130) 내에 마련되어, 상기 수조(130)의 물과 열교환한다.
제 3 냉매배관(230)의 일단부는 수액기(140)의 출구와 연결되며, 타단부는 상기 수조용 열교환부(150)의 일단부에 연결된다.
제 3 냉매배관(230) 상에는 팽창밸브(231)가 배치된다.
제 4 냉매배관(240)의 일단부는 수조용 열교환부(150)의 타단부에 연결되며, 타단부는 압축기(110)의 입구와 연결된다.
상기와 같이, 제 1,2,3,4 냉매배관(210, 220, 230, 240)이 이루는 냉매 순환유로에 의하여 냉매의 순환 유동이 가능하게 된다.
제 1 온수 순환용 배관(310)은 온수 탱크(160)의 온수가 열교환기(120)의 물유동로를 순환하도록 마련된다. 상기와 같은 순환을 위하여 제 1 온수 순환용 배관(310)에 제 1 온수 순환용 펌프(311)가 마련된다. 제 1 온수 순환용 펌프(311)의 전단 또는 후단에는 유체의 일방향 흐름을 유도하기 위하여 체크밸브가 마련된다. 제 1 온수 순환용 배관(310)의 작동을 온오프하기 위하여 제 1 온수 순환용 배관(310)에는 제 1 개폐밸브(V1)가 마련된다.
응축열 제거용 순환 배관(320)은 응축열 제거부(180)의 물이 열교환기(120)의 물유동로를 순환하도록 마련된다. 이와 같은 순환을 위하여 응축열 제거용 순환 배관(320)에 응축열 제거용 순환 펌프(321)가 마련된다. 응축열 제거용 순환 펌프(321)의 전단 또는 후단에는 유체의 일방향 흐름을 유도하기 위하여 체크밸브가 마련된다. 응축열 제거용 순환 배관(320)의 작동을 온오프하기 위하여 응축열 제거용 순환 배관(320)에는 제 2 개폐밸브(V2)가 마련된다.
제 2 온수 순환용 배관(330)은 온수 탱크(160)의 온수가 부하측 열교환부(170)를 순환하도록 마련된다. 이와 같은 순환을 위하여 제 2 온수 순환용 배관(330)에 제 2 온수 순환용 펌프(331)가 마련된다. 제 2 온수 순환용 펌프(331)의 전단 또는 후단에는 유체의 일방향 흐름을 유도하기 위하여 체크밸브가 마련된다. 제 2 온수 순환용 배관(330)의 작동을 온오프하기 위하여 제 2 온수 순환용 배관(330)에는 제 3 개폐밸브(V3)가 마련된다.
냉수 순환용 배관(340)은 수조(130)의 물이 부하측 열교환부(170)를 순환하도록 마련된다. 이와 같은 순환을 위하여 냉수 순환용 배관(340)에 냉수 순환용 펌프(341)가 마련된다. 냉수 순환용 펌프(341)의 전단 또는 후단에는 유체의 일방향 흐름을 유도하기 위하여 체크밸브가 마련된다. 냉수 순환용 배관(340)의 작동을 온오프하기 위하여 냉수 순환용 배관(340)에는 제 4 개폐밸브(V4)가 마련된다.
한편 수조(130)에는 지중의 열을 더욱 잘 받을 수 있도록 지중에 매립되는 형태로 지중 코일(133)이 마련된다. 지중 코일(133)의 내부는 수조(130)의 물이 유동할 수 있는 공간이 형성된다. 따라서, 수조(130)의 물은 지중 코일(133)을 통하여 지열을 효과적으로 흡수할 수 있게 된다. 또한, 수조(130)의 물이 지중 코일(133)을 순환하도록 지중 코일(133)에는 지중 코일용 펌프(132a)가 마련된다.
지중 코일용 펌프(132a)는 주로 겨울철에만 작동되어 수조(130)의 물이 지열을 받을 수 있도록 한다. 여름철의 경우에는 수조(130)의 물은 지열을 받지 않는 것이 바람직하다.
한편, 지중 코일용 펌프(132a)는 수조(130)의 물을 혼합함으로써 상기 수조(130)의 물이 골고루 혼합되도록 가동될 수 있다.
본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)은 더욱 효율적이고 친환경적으로 구동될 수 있도록 풍력 발전 설비, 태양광 발전 설비 및 태양열 축열 설비 등이 보조적으로 배치될 수 있다. 상기 풍력 발전 설비 등과 같이 보조적으로 사용되는 설비에서 생산되는 전기는 본 시스템의 주요 기기의 전원으로서 활용되거나, 또는 수조(130)의 물 또는 온수 탱크(160)의 온수를 가열하는데 이용될 수 있다.
한편, 다른 실시예로서 풍력 발전 설비 및 태양광 발전 설비 등에서 생산되는 전기는 수조(130)의 물을 냉각하는데 이용될 수 있다.
다른 한편, 태양열 축열 설비는 수조(130)의 물 또는 온수 탱크(160)의 온수를 가열하는데 이용될 수 있다.
다음으로는 도 5를 참조하여 다른 실시예에 따른 하이브리드 냉난방 시스템(100')을 설명한다.
하이브리드 냉난방 시스템(100')은 수조(130')가 지중에 설치된다.
수조(130')는 지중에 매설되는 제 1 수조(131) 및 상기 제 1 수조(131)와 소정 간격 이격된 상태로 제 1 수조(131)의 내부에 배치되는 제 2 수조(132)를 포함한다. 여기에서 제 1 수조(131)와 제 2 수조(132) 사이의 이격공간을 열전도개폐부(131a)로 정의한다. 이와 같은 구조로 수조(130')는 제 1,2 수조(131, 132)를 갖는 이중 탱크 구조이다. 일 실시예로서 제 2 수조(132)에 수용되는 열전도물질은 제 1 수조(131)의 외벽과 바닥을 모두 감싸는 구조일 수 있다. 다른 실시예로서 제 2 수조(132)의 물이 제 1 수조(131)의 외벽 만을 감싸도록 형성할 수 있다.
제 1 수조(131)는 지중으로부터 직접적으로 지열을 받는다. 제 2 수조(132)는 제 1 수조(131)를 매개하여 지중의 지열을 받게 된다.
열전도개폐부(131a)에 수용되는 열전도물질은 계절에 따라 다른 물질로 채워질 수 있다. 열전도물질은 여름철에는 지중으로부터의 지열이 직접적으로 제 2 수조(132)로 전달되는 것을 차단하기 위해서 공기와 같이 단열성이 우수한 물질일 수 있고, 겨울철에는 지중으로부터의 지열이 효과적으로 제 2 수조(132)로 전달될 수 있도록 물과 같이 상대적으로 전도성이 높은 물질일 수 있다.
열전도개폐부(131a)에 수용되는 열전도물질이 물인 경우에는, 제 1 수조(131) 내의 물을 비우거나 채울 수 있는 펌핑 수단이 마련될 수 있다. 즉, 제 1 수조(131)와 제 2 수조(132)는 상기 펌핑 수단을 통해 채워지는 물을 매개로 하여 열전달이 가능하게 된다.
구체적으로는, 제 1 수조(131)의 물이 채워지면 제 2 수조(132)는 제 1 수조(131)내의 물을 통하여 지열을 받지만, 제 1 수조(131)의 물이 비워지면 제 2 수조(132)는 지열로부터 단열되는 상태가 된다.
펌핑 수단을 이용하여 여름철에는 제 1 수조(131)의 물을 비워, 제 2 수조(132)가 지열을 받지 않도록 지열을 차단할 수 있다. 이와 같이, 여름철에는 제 2 수조(132)의 물이 상대적으로 고온인 지열을 받는 것을 차단함으로써 제 2 수조(132)의 물은 가급적 냉각되는 것이 바람직할 수 있다. 같은 원리로, 펌핑 수단을 이용하여 겨울철에는 제 1 수조(131)의 물을 채워, 제 2 수조(132)가 제 1 수조(131)를 매개하여 지열을 받을 수 있다. 이와 같이, 겨울철에는 제 2 수조(132)의 물이 상대적으로 고온인 지열을 받게 함으로써 제 2 수조(130)의 물은 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
지열을 이용한
하이브리드
냉난방 시스템(100)의 작동 설명
여름철 냉방을 수행하거나 겨울철 난방을 수행하는 어느 경우에도 본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)은 냉매 순환 경로가 일정하다. 즉, 이때 본 본 발명에서 냉매의 변화는 압축 -> 제 1 응축 -> 제 2 응축(과냉) -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.
구체적으로 냉매 순환 경로를 설명하면 다음과 같다.
압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제 1 냉매배관(210)을 지나 열교환기(120)의 냉매 유동로로 유입되어 먼저 응축된다. 즉, 열교환기(120)는 응축기로서 기능하며, 열교환기(120)의 냉매 유동로를 지나는 냉매는 열교환기(120)의 물 유동로를 지나는 물에 열을 방출한다.
열교환기(120)의 냉매 유동로를 지난 냉매는 제 2 냉매배관(220)을 지나며, 특히 냉매는 보조 응축용 열교환부(190)로 유입된다. 이때, 보조 응축용 열교환부(190)는 열교환기(120)의 냉매 유동로에서 응축되지 않은 4-5% 정도의 잔여 냉매를 완전히 응축시키게 된다. 즉, 보조 응축용 열교환부(190)는 수조(130)의 물에 열을 방출하게 된다. 여기에서, 보조 응축용 열교환부(190)에서의 응축 과정은 과냉 과정을 의미한다.
보조 응축용 열교환부(190)를 지난 냉매는 수액기(140)에 저장된다.
수액기(140)의 냉매는 제 3 냉매배관(230)의 팽창밸브(231)에서 팽창된 후 제 3 냉매배관(230)을 통하여 수조용 열교환부(150)로 유입된다.
수조용 열교환부(150)로 유입된 냉매는 증발하면서 수조(130)의 물로부터 열을 흡수하게 된다. 즉, 수조(130)의 물을 냉각하게 된다.
수조용 열교환부(150)를 지난 냉매는 제 4 냉매배관(240)을 거쳐 압축기(110)로 유입된다.
이후에는 상기와 같은 압축 -> 제 1 응축 -> 제 2 응축(과냉) -> 팽창 -> 증발 -> 압축으로 이루어진 싸이클이 반복된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)은 보조 응축용 열교환부(190)에 의하여 냉매의 완전 응축이 가능하여 전체적인 효율이 상승한다. 또한, 수조(130)의 물은 수조용 열교환부(150)와 보조 응축용 열교환부(190)의 상호 작용에 의하여 시스템의 성능을 높일 수 있다.
이하에서 밸브가 열린 상태는 백색으로 표시되며, 밸브가 닫힌 상태는 흑색으로 표시된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)이 여름철에 냉방 기능을 하는 경우를 설명한다.
냉방을 요하는 공간인 온실 등에는 냉열이 공급되어야 하며, 상기 냉열의 공급원으로서 수조(130)의 물이 이용된다.
냉수 순환용 배관(340)이 가동되어, 수조(130)의 냉수는 냉수 순환용 배관(340)을 매개하여 부하측 열교환부(170)에 냉열을 공급한다.
열교환기(120)에서는 응축열이 제거되어야 하므로, 응축열 제거용 순환 배관(320)이 가동되어, 응축열 제거부(180)의 물이 응축열 제거용 순환 배관(320)을 매개하여 열교환기(120)의 물 유동로를 순환함으로써 열교환기(120)의 냉매 유동로의 냉매의 응축이 원활히 이루어진다.
응축열 제거부(180)의 실시예로서는, 지하의 빗물 저수조, 하천수, 또는 하수 등이 이용될 수 있다. 상기와 같이 지하의 빗물 저수조, 하천수, 혹은 하수 등에 의하여 응축을 충분히 제거할 수 있지만, 한편으로는 지리적 상황 내지 기상 상황에 따라 상기 빗물 저수조 등의 이용이 여의치 않을 경우에 응축열 제거부(180)로서 쿨링 타워(냉각탑) 등과 같은 장치를 마련하여 응축열을 제거할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)이 겨울철에 난방 기능을 하는 경우를 설명한다.
난방을 요하는 공간인 온실 등에는 온열이 공급되어야 하며, 상기 온열은 온수 탱크(160)의 온수가 이용된다.
제 1 온수 순환용 배관(310)이 가동되어, 온수 탱크(160)의 온수는 열교환기(120)의 물 유동로를 순환하면서 응축열을 받아 가열된다. 또한 제 2 온수 순환용 배관(330)이 가동되어 온수 탱크(160)의 온수는 부하측 열교환부(170)에 온열을 공급한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 냉난방 시스템(100)이 겨울철에 난방을 위한 축열 기능을 하는 경우를 설명한다.
난방을 요하는 공간인 온실 등의 경우에 겨울철이라도 낮 시간에는 태양 에너지에 의하여 그 내부 온도가 유지될 수 있으며, 오히려 그 내부 온도가 상승하는 경우가 있다. 이와 같이 온실 등의 내부에서 발생하는 열을 이용하여 수조(130)의 물을 가열할 수 있다.
상기 축열 모드에서는 제 1 온수 순환용 배관(310)과 제 2 온수 순환용 배관(330)은 그 가동이 정지되며, 냉수 순환용 배관(340)이 가동된다.
따라서, 수조(130)의 물은 냉수 순환용 배관(340)을 통하여 부하측 열교환부(170)를 순환함으로써 겨울철에 그 온도가 상승될 수 있으며, 상기와 같은 과정에 의하여 밤 시간에 대비하여 축열을 할 수 있다.
축열 모드일 때에는 압축기(110)의 가동은 정지되며, 냉매는 순환하지 않게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템은 냉매의 단일 순환 흐름에 의하여 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록 하여 비교적 좁은 공간에 용이하게 설치 가능하게 하여 설치 비용을 줄일 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 부하 측으로부터의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 에너지 소모량을 줄일 수 있게 한다
이처럼, 본 발명은 단일 저수조 내에 냉방 및 난방 겸용으로 사용할 수 있는 코일 형태의 열교환부와 사방밸브를 사용하지 않은 상태에서도 충분히 냉난방을 효과적으로 수행하게 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100,100' : 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템
110 : 압축기
120 : 열교환기
130,130' : 수조
131 : 제 1 수조
132 : 제 2 수조
133 : 지중 코일
140 : 수액기
150 : 수조용 열교환부
160 : 온수 탱크
170 : 부하측 열교환부
180 : 응축열 제거부
210 : 제 1 냉매배관
220 : 제 2 냉매배관
230 : 제 3 냉매배관
240 : 제 4 냉매배관
310 : 제 1 온수 순환용 배관
320 : 응축열 제거용 순환 배관
330 : 제 2 온수 순환용 배관
340 : 냉수 순환용 배관
110 : 압축기
120 : 열교환기
130,130' : 수조
131 : 제 1 수조
132 : 제 2 수조
133 : 지중 코일
140 : 수액기
150 : 수조용 열교환부
160 : 온수 탱크
170 : 부하측 열교환부
180 : 응축열 제거부
210 : 제 1 냉매배관
220 : 제 2 냉매배관
230 : 제 3 냉매배관
240 : 제 4 냉매배관
310 : 제 1 온수 순환용 배관
320 : 응축열 제거용 순환 배관
330 : 제 2 온수 순환용 배관
340 : 냉수 순환용 배관
Claims (9)
- 하이브리드 냉난방 시스템에 있어서,
상기 냉난방 시스템은,
냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110);
상기 압축기(110)와 제 1 냉매배관(210)으로 연결되는 열교환기(120);
상기 열교환기(120)와 제 2 냉매배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140);
상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130);
상기 수조(130)에 배치되는 수조용 열교환부(150);
상기 열교환기(120)와 제 1 온수 순환용 배관(310)을 통해 연결되는 온수 탱크(160);
상기 수조(130)와 냉수 순환용 배관(340)을 통해 연결되고, 상기 온수 탱크(160)와 제 2 온수 순환용 배관(330)을 통해 연결되는 부하측 열교환부(170); 및
상기 열교환기(120)와 응축열 제거용 순환 배관(320)을 통해 연결되어 상기 냉매의 응축열을 제거하기 위한 응축열 제거부(180);
를 포함하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 냉난방 시스템은,
상기 수액기(140)와 상기 수조용 열교환부(150)를 연결하는 제 3 냉매배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(231);를 더 포함하며,
상기 냉난방 시스템을 이루는 유로는,
상기 압축기(110), 상기 열교환기(120), 상기 수액기(140), 상기 팽창밸브(231), 수조용 열교환부(150) 및 상기 압축기(110)를 차례대로 연결하는 냉매 순환 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수조는 지중에 매설되는 제 1 수조(131) 및 상기 제 1 수조(131) 내에 수용되는 제 2 수조(132)를 포함하고,
상기 제 1 수조(131)와 상기 제 2 수조(132) 사이의 이격 공간인 열전도개폐부(131a) 내에 수용되는 열전도물질은 공기 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 냉난방 시스템은,
상기 제 1 수조(131)와 상기 2 수조(132) 사이의 공간 내에 물을 공급 또는 배출할 수 있는 펌핑 수단이 마련되는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 냉난방 시스템은,
상기 수조(130)는 지중의 열을 더욱 잘 받을 수 있도록 상기 지중에 매립되는 형태의 지중 코일(133)을 포함하며, 상기 지중 코일(133)의 내부는 물이 유동할 수 있는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
여름철 냉방 모드는, 상기 제 1,2 온수 순환용 배관(310,330)의 작동이 정지되어져, 상기 수조(130)가 냉수 공급원이 되어 상기 냉수 순환용 배관(340)을 통하여 상기 부하측 열교환부(170)로 냉열이 전달되며,
겨울철 난방 모드는 상기 냉수 순환용 배관(340) 및 상기 응축열 제거용 순환 배관(320)의 작동이 정지되어져, 상기 온수 탱크(160)가 열공급원이 되어 상기 부하측 열교환부(170)에 온열이 전달되는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
겨울철 난방시 축열 모드를 수행하는 경우에, 상기 제 1,2 온수 순환용 배관(310,330)의 작동이 정지되고, 주간에 수개의 유로를 통해 태양으로부터 상기 부하측 열교환부(170)에 흡수된 열이 상기 냉수 순환 유로를 통해 상기 수조(130)에 축열되어 야간에 이용되는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 냉매배관(220)은 보조 응축용 열교환부(190)를 포함하며,
상기 보조 응축용 열교환부(190)는 상기 수조(130) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,
하이브리드 냉난방 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020120061797A KR101190260B1 (ko) | 2012-06-08 | 2012-06-08 | 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 |
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| KR1020120061797A KR101190260B1 (ko) | 2012-06-08 | 2012-06-08 | 지열을 이용한 하이브리드 냉난방 시스템 |
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