KR101319080B1 - 온실 상부 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 지열냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 지열냉난방 시스템에 있어서,
잉여열을 회수하는 열매체의 이동을 위한 입구와 출구가 있는 순환 파이프(55)와 파이프 표면을 감싸는 에어로-핀(56)으로 구성된 보조열원장치(50) ;
적어도 1측면에 부착되는 설치용 사각 플랜지(57)가 구비되어 기존 온실 구조용 트러스(23)를 대신하여 온실 구조용 기둥과 함께 취부되고, 온실 구조체인 동시에 온실의 잉여열을 회수하는 잉여열 회수장치(60) ;
온실 내 지면 아래에 설치되는 축열용 수조(51)와 잉여열 회수를 위하여 고온수 및 저온수를 순환시키는 순환펌프(52) ;
기존 지열 냉난방 시스템의 히트펌프장치(30)와 축열 및 온실 내 열교환 장치(20)와 연결되어 제어되는 삼방밸브(53, 59) ;
잉여열 회수장치(60)는 온실내 내부 공기 유동을 위한 유동팬(28) ;
유동팬 가동으로 온도가 다른 매체가 만나 생기는 결로수를 모아서 배제하는 결로수용 홈통(61) ;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 지열 냉난방 시스템은 온실에 이용되는 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 (Hybrid Type) 지열냉난방 시스템에 관한 것으로, 온실 내 잉여 열을 회수하여 기존의 지열 또는 지열원을 이용하는 지열 냉난방 시스템에서 부족한 열원을 보충하기 위해 이를 직접 이용하여 기존 지열 냉난방 시스템의 성능을 증대하기 위하여 발명한 것이다. 이를 위해 주간에 온실 시설 내의 상부에 모이는 열을 채취하여 열을 보관하여 아침, 야간등 냉난방이 필요한 때에 주 열원을 보완하는 하이브리드형 지열 냉난방 시스템을 구현하는 데 그 목적이 있다.

Description

온실 상부 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 지열냉난방 시스템 { Geothermal energy- heating and cooling system of hybrid type using extra heating source of available surplus heat }

본 발명은 온실에 이용되는 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형(Hybrid Type) 지열냉난방 시스템에 관한 것으로, 지열 또는 지하수열원을 이용하는 히트펌프 시스템에서 부족한 냉난방 열원을 보완하여 이를 직접 이용하여 지열 냉난방 시스템의 성능을 보완하기 위하여 발명한 것이다. 이를 위해 주간에 온실 시설 내의 상부에 모이는 열을 회수하여 보조열원으로 이용하는 하이브리드형 지열냉난방 시스템을 구현하는 데 그 목적이 있다.

일반적으로 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브로 이루어져 그 순환매체가 액화와 기화를 반복하게 하여 이와 연결된 기타 주변기기들을 통해 냉난방을 수행한다

지열 이용 냉난방 히트펌프시스템은 난방시 지중열교환기로부터 지열을 공급받아 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 응축기를 통해 온열을 생산하게 하여 온수 또는 온풍를 공급하고, 냉방시에는 히트펌프의 역사이클 운전을 통해 발생되는 배열을 지중열교환기를 통해 배출하도록 되어 있다.

일반적으로 시설원예 온실의 경우 추운 겨울철에도 태양광이 충분한 낮에는 난방을 필요로 하지 않으며, 오히려 과다한 일사에너지로 인해 작물의 생장관리온도를 초과하게 되어 시설원예 온실의 천창을 열어 환기하여 온도를 낮추고 있다.

그림과 같이 작물에 따라서 약간의 차이는 있으나 일반적으로 오전 11시경 부터 오후 3시경에 걸쳐 시설원예 온실에서 환기로 배출되는 과잉에너지는 시설원예 온실에 필요한 가온에너지의 약 20% 정도로 추정되고 있으며 이 에너지를 방출하지 않고 회수 장치를 이용하여 축열하였다가 난방이 필요한 시기에 사용할 수 있다.

<일반적인 시설원예 온실의 온도 관리>

이러한 시설원예 온실의 환기는 작물의 광합성을 위해 주입한 이산화탄소의 손실과 온실 가온을 위해 야간과 오전에 공급되었던 에너지의 손실을 초래하고, 비용을 들여 주입한 이산화탄소를 방출하게 되어 시설원예 농가의 경영비 손실을 초래하고 있으며,

또한 정부에서 2008년부터 시설원예 농가에 지원하고 있는 지열히트펌프 난방시스템의 경우 최대부하의 70%를 지원하고 있는데 실제 농가에서는 경영비용을 줄이기 위해서 설치된 용량 부하를 초과하여 운전하고 있는 경우가 많으며, 이러한 경우 지열원 등의 열원이 부족한 상태로 운전이 지속되어 시간 경과함에 따라 정해진 운전용량 초과를 초래하게 된다.

이러한 과도한 운전은 지열원 등의 열원이 고갈되어 지속적으로 지열 원의 온도가 하락하게 되므로 안정된 열원공급이 어려워지고, 시스템의 효율저하, 동결로 인한 열교환기의 파손, 압축기의 고장 등의 원인이 되고 있으며,

특히 지열의 경우 연중 냉방과 난방의 부하가 큰 차이가 있는 시설원예 온실에서 지속적인 난방운전은 지열원 온도의 하락을 초래하고, 지속적인 냉방이 이루어질 경우 지열원 온도의 상승으로 인해 냉난방시스템의 효율감소와 운전불가 상태가 초래된다.

상기와 같은 히트펌프 시스템의 운전시 히트펌프 저온부(증발부)의 입구 온도는 상온 5도씨 정도에서 운전이 적절한데 과도한 운전은 열원이 부족하게 되고 순환수가 과냉되어 이 온도 밑에서 운전하게 되면 히트펌프 시스템이 원활히 작동하지 않거나 관로의 파열이나 압축기 등 손상을 가져와 작동불능 상태가 되기도 한다.

이러한 점을 감안하여 등록특허 10-2012-0061797호에 따르면 태양으로부터 저수조에 주간 태양열을 축열하고 있으나 히트펌프 시스템과 연계하여 운전하므로 시스템의 효율성은 높게 되지만 히트펌프 운전 전력을 사용하므로 전력소모가 많게 되는 단점이 있다.

또한 등록특허 10-2006-0008387호에 따르면 주간 온실 내 잉여열을 회수하여 밀폐형 지중 열교환기로 공급하여 온도가 낮아진 지중 열교환기의 온도보상회로를 구성하고 있으나 실제 현장에서 지중 열교환기내의 열매체는 알콜등의 휘발성이 있는 냉매가 주입되어야 하므로 내부순환회로, 축열조와 지중 열교환기를 연결할 경우 휘발성 냉매사용이 곤란한 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 기존의 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 효율을 높이기 위하여 온실의 잉여열을 보조열원으로 구비되는 새로운 구조의 지열냉난방 시스템을 제안하고자 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 온실 내 태양빛이 충만하여 온실난방이 필요하지 않는 시간대에 관리온도를 초과한 온실 상부의 잉여열을 회수하여 축열장치에 보관하였다가 다시 사용할 수 있도록 순환회로를 구성하여 보조열원으로 사용하는 하이브리드형 지열 냉난방 시스템으로, 온실내 잉여열 회수장치는 온실의 구조체 역활도 하면도 온실 구조체와 일체화하여 열매체가 지나가는 열 교환용 파이프 표면에 에어로-핀(Aero-fin)이 부착되어 열회수 장치 역할을 수행하여 지열 설비비용을 설치비용 부담을 최소화하도록 하였다.

뿐만아니라, 본 발명에서는 지열 냉난방시스템과 잉여 열회수시스템의 독립적인 시스템으로 구성하여 지중 열교환기 내의 냉매를 주입하여도 무리가 없게 하였을 뿐더러, 전력소모를 적게 하기 위하여 순환펌프동력만을 사용하기 때문에 히트펌프 및 순환펌프를 사용하는 시스템과 비교하여 상대적으로 전력소모가 매우 작게 된다.

또한 온실내에 팬코일유니트(Fan-coil units)와 같은 설비를 추가로 부착하면 온실 식물의 광합성을 위한 일사광이 차단되므로 이것으로 인한 일사광이 차단되지 않도록 차단방지하여 작물생장에 나쁜 영향을 최소화한 열회수장치를 발명하여 축열된 에너지를 온실내부의 부하측에 직접 공급하여 부족한 열원(Heating Source)을 보완하도록 보조 열원 회로를 구비하여 효과적인 지열 이용을 목적으로 하는 하이브리드형 지열 냉난방시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명은 지열을 열원으로 사용한 지열 냉난방시스템과 온실상부 잉여열을 회수하여 축열 저장조로 구성된 보조열원장치를 설치하고 이 열원들이 상호 교류할 수 있도록 하여 지열 냉난방시스템의 냉난방부하를 줄이고 안정적이고 효율적인 지열 냉난방 성능향상과 경제성을 크게 향상시키고 히트펌프 시스템의 내구성을 증가하는 효과가 있다.

도 1 기존 통상적으로 실시되고 있는 온실의 지열 냉난방 시스템의 개념도.
도 2 통상적으로 실시되고 있는 온실 지열 냉난방 시스템의 계통도.
도 3 기존 등록특허 10-2006-0008387호에 따른 지열 냉난방 시스템의 계통도.
도 4 통상적으로 실시되고 있는 히트펌프 구성도.
도 5 본 발명에 따른 일 실시예가 적용된 온실 잉여열을 보조열원으로 구비하는 지열 냉난방 시스템의 계통 및 구성도.
도 6 본 발명에 따른 일 실시예가 적용된 온실 잉여열을 이용하는 보조열원 장치의 계통 및 구성도.
도 7 본 발명에 따른 일 실시예가 적용된 도 5의 잉여열을 회수장치의 단면도 및 평면도
도 8 본 발명에 따른 일 실시예가 적용된 도 5의 잉여열 회수용 파이프의 사시도

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

시설원예 온실 상부의 열을 회수하여 저장하기 위한 축열조로부터 열매체를 공급하기 위한 순환펌프가 구비되고, 상기 순환펌프로부터 공급된 열매체는 온실상부에 열교환이 용이하도록 고안된 온실 구조체(열회수장치)에 공급되어 열교환을 통해서 열을 흡수한다. 그리고 열을 흡수한 열매체는 환수관을 통해서 축열조로 환수된다.

도2는 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방시스템의 계통도이며, 도4은 히트펌프 시스템의 구성도이며, 도5는 본 발명에 의한 잉여열 회수장치(60)를 적용한 시스템의 개략도 이다.

본 실시예의 주요 구성을 도2를 참조하여 먼저 설명한다.

도2에 도시된 종래의 일반적인 지열원 히트펌프 냉난방장치는 저온저압의 냉매가스를 압축하여 고온고압으로 변환하는 압축기(33)와 온실(70)측에 설치되고 냉매에 의해 실내를 냉방 또는 난방하도록 구성되는 부하측 열교환기(34)와 지중열 교환기(10)측에 설치되고 냉매의 열을 지중에서 얻은 열로 교환하도록 구성되는 열원측 열교환기(32)와 부하측 열교환기(34) 사이에 설치되어 응축된 냉매를 저압으로 교축하는 팽창밸브(31)와 냉매의 순환경로를 변경하는 압축기(33)에 인접하여 있는 4방밸브로 구성된다.

이때, 열원측 열교환기(32)는 지중에 매설된 지중열 교환기(10)과 배관연결되어 수냉매의 순환경로를 형성하며, 순환펌프(15)에 의해 순환되는 수냉매에 의해 냉매와 열교환시킬 수 있는 것이다. 즉, 부하측 열교환기(32)에 의해 냉매와 열교환된 수냉매는 지중열 교환기(10)으로 이송되어 지중의 열에 의해 열교환되어 다시 부하측 열교환기(32)로 이송되는 것이다. 최근에 지중열 교환관(12)은 해수 또는 호수로부터 열교환이 이루어지게 구성되기도 하며, 지하수를 직접 순환시키게 구성되기도 한다.

먼저, 냉방운전시에 냉매의 순환경로를 살펴보면, 압축기(33)에 인접하여 있는 4방밸브를 제어하여 압축기(33)에 의해 압축된 냉매가스를 열원측 열교환기(32)로 이송시킨다. 그리고, 압축된 냉매가스는 열원측 열교환기(32)에서 지열과 열교환하여 응축되고, 응축된 냉매를 팽창밸브(31)로 팽창(교축)시켜 저온의 냉매로 변환한 후에 부하측 열교환기(34)로 이송시킨다. 그러면, 부하측 열교환기(34)는 저온의 냉매를 증발시켜 증발과정에서 실내를 냉방할 수 있는 것이며, 이때 냉방과정에서 얻게 되는 실내의 열에 의해 중온의 냉매가스로 변환되어 압축기(33)에 인접하여 있는 4방밸브를 경유하여 압축기(33)로 이송되는 것이다.

다음으로, 난방운전시에 냉매의 순환경로는 압축기(33)에 인접하여 있는 4방밸브가 제어되어 냉방운전시의 순환경로와 역순으로 이루어지므로 냉매는 압축기(33). 부하측 열교환기(34), 팽창밸브(31) 및 열원측 열교환기(32)의 순서로 순환된다. 이때에는, 부하측 열교환기(34)가 응축기의 역할을 하여 응축과정에서의 열로 실내를 난방하고, 열원측 열교환기(32)가 증발기의 역할을 하여 증발과정에서 지열로부터 열을 흡수할 수 있는 것이다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방시스템은 대기열이 아닌 지중열로써 실외 열교환기(32)에서 냉매를 열교환시키므로 히트펌프 시스템을 가동하는 데에 필요한 전력이 대기열을 사용할 때보다 절약되며, 난방은 물론이고 냉방도 히트펌프 시스템으로 할 수 있다는 장점을 갖는다.

또한, 기존의 온실(70)의 경우에 도2에서 보는 바와 같이 지열시스템의 보조난방으로 보일러(100), 고온수를 이용한 난방배관(101)을 이용하여 난방을 하는 것이 일반적이다.

본 발명에 따른 일 실시예인 첨부된 도5에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래기술에 의한 지열을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 보조열원장치(50)로 축열용 수조(51)와 벤로형온실의 트러스 구조에 순환파이프(55)와 에어로핀(56)으로 구성된 잉여열 회수장치(60)와 순환펌프(52), 삼방제어변(53,59)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

위의 보조열원장치(50) 중 잉여열 회수장치(60)은 온실 잉여열을 회수하기 위한 순환파이프(55)와 순환파이프 주위를 에워싸는 에어로핀(56) 및 거치용브라켓트(57)로 구성되며,

작동계통은 온실상부에 위치한 잉여열을 회수하기 위하여 잉여열회수장치(60)에 저온수배관(54)을 통하여 잉여열회수장치(60)쪽으로 인입되어 잉여열 회수장치(60)를 순환하며 잉여열을 회수해 열교환된 고온수가 고온수배관(59)을 통하여 온실 지면 아래에 매립된 축열용 수조(51)로 저장되게 된다.

축열용 수조(51)에 축적된 열원수가 일정한 온도가 되었을 때 순환펌프(52)를 통하여 열원수를 이송하며, 이때 삼방밸브(53)제어를 통해 유로를 온실내 부하측 공급배관(26)과 연결하여 실내 열교환기(25)내의 열원수를 공급하고, 실내 열교환기를 통해 온실을 냉방 또는 난방한 후 환수되며, 이때 삼방밸브(29, 59)를 제어하여 열매체를 축열용수조(51)로 환수한다.

보조열원장치(50)는 잉여열을 회수하기 위하여 온실 내에 유동팬(28)에 의한 내부공기 유동으로 잉여열회수장치(60)의 에어로핀(56) 및 순환파이프(55)에 접촉되어 열교환을 이루게 된다.

이때 온도가 서로 다른 매체의 접촉으로 결로수가 발생하게 되는데 이로 인한 농작물의 피해를 막기 위해 결로수 처리를 위하여 잉여열회수장치(60) 하단부에 도7,8에서 보는 바와 같이 결로수 처리홈통(61)을 설치한다.

또한, 보조열원장치(50)의 잉여열 회수장치(60)는 기존 온실 구조용 트러스(23)를 대신하여 온실 구조용 기둥과 연결되어 열교환 및 잉여열회수장치(60)뿐 아니라 온실 구조용 트러스(23)를 겸용하는 역할로 설치되는 것을 특징으로 하는 온실 잉여열을 보조열원으로 활용하는 하이브리드형 냉난방 시스템을 발명한 것이다.

30 : 히트펌프
31 : 팽창밸브 32 : 열원측 열교환기
33 : 압축기 34 : 부하측 열교환기
50 : 보조열원 장치
56 : 잉여열 회수장치 23 : 온실구조용 트러스
54 : 에어로-핀(Aero-Fin) 55 : 열교환 파이프
51 : 축열용 수조

Claims (4)

1. 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 지열냉난방 시스템에 있어서, 잉여열을 회수하는 열매체의 이동을 위한 입구와 출구가 있는 순환 파이프(55)와 파이프 표면을 감싸는 에어로-핀(56)으로 구성된 보조열원장치(50) ;
   적어도 1측면에 부착되는 설치용 사각 플랜지(57)가 구비되어 기존 온실 구조용 트러스(23)를 대신하여 온실 구조용 기둥과 함께 취부되고, 온실 구조체인 동시에 온실의 잉여열을 회수하는 잉여열 회수장치(60) ;
   온실 내 지면 아래에 설치되는 축열용 수조(51)와 잉여열 회수를 위하여 고온수 및 저온수를 순환시키는 순환펌프(52) ;
   기존 지열 냉난방 시스템의 히트펌프장치(30)와 축열 및 온실 내 열교환 장치(20)와 연결되어 제어되는 삼방밸브(53, 59) ;
   잉여열 회수장치(60)는 온실내 내부 공기 유동을 위한 유동팬(28) ;
   유동팬 가동으로 온도가 다른 매체가 만나 생기는 결로수를 모아서 배제하는 결로수용 홈통(61) ;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉여열을 보조열원으로 구비하는 하이브리드형 지열 냉난방 시스템.
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