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KR102044678B1 - 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템 - Google Patents

지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템 Download PDF

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KR102044678B1
KR102044678B1 KR1020180060786A KR20180060786A KR102044678B1 KR 102044678 B1 KR102044678 B1 KR 102044678B1 KR 1020180060786 A KR1020180060786 A KR 1020180060786A KR 20180060786 A KR20180060786 A KR 20180060786A KR 102044678 B1 KR102044678 B1 KR 102044678B1
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pump
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이범근
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주식회사 에너지컨설팅
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Abstract

본 발명은 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 일 양태는, 집수정에 집수된 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 있어서: 열교환 유체가 저장되는 축열 탱크; 상기 축열 탱크에 저장된 열교환 유체를 공급받아서 공조 부하와 열교환시키는 히트 펌프; 상기 축열 탱크 및 히트 펌프 사이를 순환하는 열교환 유체와 상기 집수정으로부터 공급받은 지하수 사이의 열교환이 이루어지는 열교환부; 를 포함한다.

Description

지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템{REGENERATIVE HEAT PUMP SYSTEM USING UNDERGROUND WATER}
본 발명은 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
지중 열교환기란, 지중에 매립되어 그 내부를 유동하는 지하수와 같은 열교환 유체와 지중 사이의 열교환이 이루어지는 것이다. 선행특허문헌 1(대한민국 등록특허 제1715752호), 선행특허문헌 2(대한민국 등록특허 제1092512호) 및 선행특허문헌 3(대한민국 등록특허 제1568847호)에는, 종래 기술에 의한 히트 펌프 시스템이 개시되어 있다. 먼저, 선행특허문헌 1에서는, 집수관정(100)에서 공급된 지하수가 히트펌프(300)에서 열교환되고, 선행특허문헌 2에서는, 집수정의 지하수를 열교환부(110)로 유입된다. 그리고 선행특허문헌 3에서는, 지중 열교환기(300)에서 열교환된 열교환 유체가 지열 히트 펌프(100) 또는 축열부(200)로 공급된다.
이와 같은 종래 기술에 의한 히트 펌프 시스템에는 다음과 같은 문제점이 발생한다.
먼저, 선행특허문헌 1 및 2에서는, 실질적으로, 지하수가 집수관정(100) 등에서 직접 히트펌프(300) 등으로 공급되어 전체 시스템을 순환하게 된다. 그런데, 일반적으로, 히트펌프(300) 등은 실내에 부하에 인접하는 설치되고, 집수관정(100) 등은 실외에 설치된다. 따라서, 선행특허문헌 1 및 2의 경우에는, 히트펌프(300) 등으로 지하수를 공급하기 위해서는 상대적으로 고출력의 펌프가 필요하고, 이에 소요되는 에너지가 증가하게 된다.
한편, 선행특허문헌 3에서는, 지열 히트 펌프(100)와 지중 열교환기(300) 사이에 축열부(200)에 위치되므로, 상대적으로 저출력의 펌프를 사용하여 축열부(200)와 지중 열교환기(300) 사이에서 열교환 유체를 순환시킬 수 있다. 그러나 선행특허문헌 3에서는, 지열 히트 펌프(100)와 지중 열교환기(300) 사이에서 열교환 유체를 순환시키기 위해서는, 고출력의 펌프가 필요할 것이다. 또한, 선행특허문헌 3에서는, 축열부(200)와 지중 열교환기(300) 사이에서 열교환 유체가 순환하는 경우에는, 지중 열교환기(300)에서 지중과 열교환된 열교환 유체가 축열부(200)에 저장된 열교환 유체와 혼합됨으로써, 실질적으로 지열 히트 펌프(100)로 전달되는 열교환 유체의 온도가 불필요하게 저하되거나 증가될 수 있다.
대한민국 등록특허 제1715752호(명칭: 지하수를 이용한 지열 냉난방시스템) 대한민국 등록특허 제1092512호(명칭: 지하수를 이용한 냉난방 시스템) 대한민국 등록특허 제1568847호(명칭: 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 보다 경제적으로 지열을 활용할 수 있도록 구성되는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 보다 효율적으로 운전 가능하도록 구성되는 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 지중 열교환기를 포함하는 히트 펌프 시스템의 일 양태는, 집수정에 집수된 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 있어서: 열교환 유체가 저장되는 축열 탱크; 상기 축열 탱크에 저장된 열교환 유체를 공급받아서 공조 부하와 열교환시키는 히트 펌프; 상기 축열 탱크 및 히트 펌프 사이를 순환하는 열교환 유체와 상기 집수정으로부터 공급받은 지하수 사이의 열교환이 이루어지는 열교환부; 를 포함한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 축열 탱크에 저장된 열교환 유체는, 유체 공급관을 유동하여 상기 히트 펌프로 전달되고, 상기 히트 펌프에서 상기 공조 부하와 열교환된 열교환 유체는, 유체 회수관을 유동하여 상기 축열 탱크로 전달되며, 상기 유체 공급관 및 유체 회수관 중 어느 일방에 설치되는 유체 펌프가 동작하면, 상기 유체 공급관 및 유체 회수관을 유동하는 열교환 유체가 상기 축열 탱크 및 히트 펌프 사이를 순환한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 집수정에 집수된 지하수는, 지하수관을 유동하여 상기 열교환부를 경유한 후 상기 집수정으로 회수되고, 상기 지하수관에 설치되는 지하수 펌프가 동작하면, 상기 집수정에 집수된 지하수가 상기 지하수관을 유동하면서 상기 열교환부에서 열교환 유체와 열교환된 후 상기 집수정으로 회수된다.
본 발명의 실시예의 일 양태는, 상기 유체 공급관을 유동하여 상기 축열 탱크에서 상기 히트 펌프로 공급되는 열교환 유체의 온도를 감지하는 제1온도 센서를 더 포함하고, 상기 지하수 펌프는, 상기 공조 부하가 냉방 부하이면, 상기 제1온도 센서가 감지한 열교환 유체의 온도가 기설정된 제1기준 온도 이상인 경우에 동작하고, 상기 공조 부하가 난방 부하이면, 상기 제1온도 센서가 감지한 열교환 유체의 온도가 기설정된 제2기준 온도 이하인 경우에 동작한다.
본 발명의 실시예의 일 양태는, 상기 열교환부의 내부 온도를 감지하는 제2온도 센서; 및 상기 집수정에 집수된 지하수의 온도를 감지하는 제3온도 센서; 를 더 포함하고, 상기 지하수 펌프는, 상기 제2온도 센서가 감지한 상기 열교환부의 내부 온도와 상기 제3온도 센서가 감지한 지하수 온도의 차가 기설정된 기준 온도차 이하이면 정지한다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 열교환부의 내부에서는, 상기 열교환부의 내부에 충진된 열교환 매개체를 매개로 상기 유체 공급관을 유동하는 열교환 유체와 상기 지하수관을 유동하는 지하수 사이의 열교환이 이루어진다.
본 발명의 실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에서는 , 유체 펌프에 의하여 축열 탱크와 히트 펌프 사이를 순환하는 열교환 유체가, 지하수 펌프에 의하여 순환하는 지하수와 열교환부에서 열교환된 후 히트 펌프로 전달된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 지하수와의 열교환에 의하여 온도가 저하 또는 증가된 열교환 유체가 히트 펌프로 곧바로 공급됨으로써, 지하수로부터 전달되는 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 실질적으로 열교환부를 중심으로 유체 펌프와 지하수 펌프에 의하여 열교환 유체와 지하수의 순환이 이루어진다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 상대적으로 저출력의 펌프를 사용하여 열교환 유체와 지하수를 순환시킬 수 있다. 특히, 본 실시예에서는, 실질적으로 열교환 유체와 지하수와의 열교환 효율에 따라서 지하수 펌프의 동작을 제어함으로써, 보다 경제적인 시스템의 운전이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템을 보인 구성도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에서 유체의 흐름을 보인 유체 흐름도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템을 보인 구성도.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템을 보인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템(1)은, 집수정(10)에 집수된 지하수를 이용하는 것으로, 축열 탱크(100), 히트 펌프(200) 및 열교환부(300)를 포함한다.
보다 상세하게는, 보다 상세하게는, 상기 축열 탱크(100)에는 열교환 유체가 저장된다. 여기서, '열교환 유체'로는, 물이나 냉매 등이 사용될 수 있고, 예를 들면, 상기 축열 탱크(100)는, 기계실과 같은 건물의 내부에 설치될 수 있다.
상기 히트 펌프(200)에서는, 공조 부하(20)와 상기 축열 탱크(100)로부터 공급받은 열교환 유체 사이의 열교환이 이루어진다. 상기 공조 부하(20)는, 실질적으로 건물의 공조를 위한 부하, 즉 냉방 부하 또는 난방 부하 중 어느 하나일 것이다. 따라서, 상기 공조 부하(20)가 냉방 부하인 경우에는, 상기 히트 펌프(200)에서의 상기 공조 부하(20)와 열교환 유체의 열교환에 의하여 상기 공조 부하(20)의 폐열이 회수되고, 상기 공조 부하(20)가 난방 부하인 경우에는, 상기 히트 펌프(200)에서의 상기 공조 부하(20)와 열교환 유체의 열교환에 의하여 상기 공조 부하(20)로 열이 제공될 것이다.
본 실시예에서는, 상기 축열 탱크(100)에 저장된 열교환 유체는, 유체 공급관(410)을 유동하여 상기 히트 펌프(200)로 전달되고, 상기 히트 펌프(200)에서 상기 공조 부하(20)와 열교환된 열교환 유체는, 유체 회수관(420)을 유동하여 상기 축열 탱크(100)로 전달된다. 그리고 상기 유체 공급관(410)에 설치되는 유체 펌프(P1)가 동작하면, 상기 유체 공급관(410) 및 유체 회수관(420)을 유동하는 열교환 유체가 상기 축열 탱크(100) 및 히트 펌프(200) 사이를 순환한다.
한편, 상기 열교환부(300)에는, 상기 축열 탱크(100) 및 히트 펌프(200) 사이를 순환하는 열교환 유체와 상기 집수정(10)으로부터 공급받은 지하수 사이의 열교환이 이루어진다. 본 실시예에서는, 상기 집수정(10)에 집수된 지하수는, 지하수관(500)을 유동하여 상기 열교환부(300)를 경유한 후 상기 집수정(10)으로 회수된다. 그리고 상기 지하수관(500)에 설치되는 지하수 펌프(P2)가 동작하면, 상기 집수정(10)에 집수된 지하수가 상기 지하수관(500)을 유동하면서 상기 열교환부(300)에서 열교환 유체와 열교환된 후 상기 집수정(10)으로 회수된다. 또한, 상기 열교환부(300)의 내부에서는, 상기 열교환부(300)의 내부에 충진된 열교환 매개체(310)를 매개로 상기 유체 공급관(410)을 유동하는 열교환 유체와 상기 지하수관(500)을 유동하는 지하수 사이의 열교환이 이루어진다. 상기 열교환 매개체(310)로는, 물이나 냉매 등이 사용될 수 있을 것이다.
본 실시예는, 제1온도 센서(S1)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1온도 센서(S1)는, 상기 유체 공급관(410)을 유동하여 상기 축열 탱크(100)에서 상기 히트 펌프(200)로 공급되는 열교환 유체의 온도(T)를 감지한다. 그리고 상기 지하수 펌프(P2)는, 상기 공조 부하(20)가 냉방 부하이면, 상기 제1온도 센서(S1)가 감지한 유체 온도(T)가 기설정된 제1기준 온도(TS1) 이상인 경우에 동작할 수 있다. 또한, 상기 지하수 펌프(P2)는, 상기 공조 부하(20)가 난방 부하이면, 상기 제1온도 센서(S1)가 감지한 유체 온도(T)가 기설정된 제2기준 온도(TS2) 이하인 경우에 동작할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에서 유체의 흐름을 보인 유체 흐름도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 유체 펌프(P1)가 동작하면, 축열 탱크(100)에 저장된 열교환 유체가 유체 공급관(410)을 통하여 히트 펌프(200)로 공급된다. 상기 히트 펌프(200)로 공급된 열교환 유체는, 공조 부하(20)와의 열교환에 의하여 상기 공조 부하(20)로부터 폐열을 회수하거나 상기 공조 부하(20)로 열을 제공할 것이다. 그리고 상기 히트 펌프(200)에서 상기 공조 부하(20)와 열교환된 열교환 유체가 상기 유체 펌프(P1)의 계속적인 동작에 의하여 유체 회수관(420)을 통하여 상기 축열 탱크(100)로 회수되면서, 실질적으로 상기 축열 탱크(100)와 히트 펌프(200) 사이에서 열교환 유체가 순환할 것이다.
한편, 상기 히트 펌프(200)에서의 상기 공조 부하(20)와의 열교환에 의하여 열교환 유체의 온도가 증가 또는 감소되면, 상기 축열 탱크(100)와 히트 펌프(200) 사이를 순환하는 열교환 유체에 의하여 상기 공조 부하(20)로부터의 폐열의 회수나 상기 공조 부하(20)로의 열의 제공이 불가능하게 된다. 따라서, 이와 같은 경우에는, 상기 축열 탱크(100)와 히트 펌프(200) 사이를 순환하는 열교환 유체와 집수정(10)에 집수된 지하수와의 열교환이 이루어진다.
보다 상세하게는, 도 3을 참조하면, 상기 공조 부하(20)가 냉방 부하인 경우에는, 제1온도 센서(S1)가 감지한 유체 온도(T)가 제1기준 온도(TS1) 이상이거나, 상기 공조 부하(20)가 난방 부하인 경우에는, 상기 제1온도 센서(S1)가 감지한 유체 온도(T)가 제2기준 온도(TS2) 이하이면, 지하수 펌프(P2)가 동작한다. 따라서, 상기 집수정(10)에 집수된 지하수가 지하수관(500)을 유동하면서 열교환부(300)를 경유하여 다시 상기 집수정(10)으로 회수된다.
한편, 상기 유체 펌프(P1)와 지하수 펌프(P2)의 동작에 의하여 상기 유체 회수관(420)와 지하수관(500)을 유동하는 열교환 유체와 지하수는, 상기 열교환부(300)에서 열교환된다. 실질적으로는, 상기 열교환부(300)의 내부에 충진된 열교환 매개체(310)를 매개로 상기 유체 회수관(420)을 유동하는 열교환 유체와 상기 지하수관(500)을 유동하는 지하수 사이의 열교환이 이루어진다.
따라서, 상기 공조 부하(20)가 냉방 부하인 경우에는, 지하수와의 열교환에 의하여 상대적으로 온도가 저감된 열교환 유체에 의하여 상기 공조 부하(20)로부터의 폐열의 회수가 효율적으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 공조 부하(20)가 난방 부하인 경우에는, 지하수와의 열교환에 의하여 상대적으로 온도가 증가된 열교환 유체에 의하여 상기 공조 부하(20)로의 열의 제공이 효율적으로 이루어질 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 상기 유체 펌프(P1)에 의하여 유동되는 열교환 유체가, 상기 열교환부(300)에서 지하수와 열교환된 후 상기 축열 탱크(100)로 전달되어 그 내부에 저장된 열교환 유체와 혼합되지 않고 상기 히트 펌프(200)로 전달되므로, 불필요하게 온도가 증가되거나 저하되는 현상이 방지된다. 다시 말하면, 본 실시예에서는, 상기 열교환부(300)에서 지하수와 열교환된 열교환 유체가, 상기 히트 펌프(200)로 곧바로 전달됨으로써, 실질적인 열교환 효율이 증가될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템을 보인 구성도이다. 본 실시예의 구성 요소 중 상술한 본 발명의 제1시시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 도 1 내지 도 3의 도면 부호를 원용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템(2)은, 제2 및 제3온도 센서(S2)(S3)를 더 포함한다. 상기 제2온도 센서(S2)는, 열교환부(300)의 내부 온도(t1)를 감지하고, 상기 제3온도 센서(S3)는, 집수정(10)에 집수된 지하수의 온도(t2)를 감지한다.
그리고 본 실시예에서는 , 상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차에 따라서 지하수 펌프(P2)의 동작이 선택적으로 이루어진다. 보다 상세하게는, 본 실시예에서는, 상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차가 기설정된 기준 온도차(Δts) 이하이면, 상기 지하수 펌프(P2)가 정지한다.
이와 같은, 상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차에 따른 상기 지하수 펌프(P2)의 선택적인 동작은, 상대적으로 동작시 다량의 에너지가 소요되는 상기 지하수 펌프(P2)를 효율적으로 동작시키기 위함이다. 보다 상세하게는, 상기 지하수 펌프(P2)가 동작하면, 상대적으로 저온 또는 고온의 지하수가 상기 집수정(10)에서 상기 열교환부(300)로 공급됨으로써, 실질적으로 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)가 저하 또는 증가된다. 그런데, 상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차가 상기 기준 온도차(Δts) 이하인 경우에는, 실질적으로 지하수에서 상기 열교환부(300)로의 열의 회수 또는 열의 제공이 효율적으로 이루어지지 않거나, 실질적으로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 이와 같은 경우에는, 상기 지하수 펌프(P2)가 정지함으로써, 불필요한 에너지의 소모를 방지할 수 있게 된다. 예를 들면, 상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차가, 5℃ 이하, 바람직하게는, 0℃일 때, 상기 지하수 펌프(P2)가 정지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10: 집수정 20: 공조 부하
100: 축열 탱크 200: 히트 펌프
300: 열교환부 410: 유체 공급관
420: 유체 회수관 500: 지하수관
P1, P2: 펌프 S1, S2, S3: 온도 센서

Claims (6)

  1. 집수정(10)에 집수된 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템에 있어서:
    열교환 유체가 저장되는 축열 탱크(100);
    상기 축열 탱크(100)에 저장된 열교환 유체를 공급받아서 공조 부하(20)와 열교환시키는 히트 펌프(200);
    상기 축열 탱크(100) 및 히트 펌프(200) 사이를 순환하는 열교환 유체와 상기 집수정(10)으로부터 공급받은 지하수 사이의 열교환이 이루어지는 열교환부(300);
    상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)를 감지하는 제2온도 센서(S2); 및
    상기 집수정(10)에 집수된 지하수의 온도(t2)를 감지하는 제3온도 센서(S3); 를 포함하고,
    상기 집수정(10)에 집수된 지하수는, 지하수관(500)을 유동하여 상기 열교환부(300)를 경유한 후 상기 집수정(10)으로 회수되고,
    상기 지하수관(500)에 설치되는 지하수 펌프(P2)가 동작하면, 상기 집수정(10)에 집수된 지하수가 상기 지하수관(500)을 유동하면서 상기 열교환부(300)에서 열교환 유체와 열교환된 후 상기 집수정(10)으로 회수되며,
    상기 지하수 펌프(P2)는,
    상기 제2온도 센서(S2)가 감지한 상기 열교환부(300)의 내부 온도(t1)와 상기 제3온도 센서(S3)가 감지한 지하수 온도(t2)의 차가 기설정된 기준 온도차(Δts) 이하이면 정지하는 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축열 탱크(100)에 저장된 열교환 유체는, 유체 공급관(410)을 유동하여 상기 히트 펌프(200)로 전달되고,
    상기 히트 펌프(200)에서 상기 공조 부하(20)와 열교환된 열교환 유체는, 유체 회수관(420)을 유동하여 상기 축열 탱크(100)로 전달되며,
    상기 유체 공급관(410) 및 유체 회수관(420) 중 어느 일방에 설치되는 유체 펌프(P1)가 동작하면, 상기 유체 공급관(410) 및 유체 회수관(420)을 유동하는 열교환 유체가 상기 축열 탱크(100) 및 히트 펌프(200) 사이를 순환하는 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환부(300)의 내부에서는, 상기 열교환부(300)의 내부에 충진된 열교환 매개체(310)를 매개로 상기 유체 공급관(410)을 유동하는 열교환 유체와 상기 지하수관(500)을 유동하는 지하수 사이의 열교환이 이루어지는 지하수를 이용하는 히트 펌프 시스템.
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