KR100812316B1 - 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지열은 물론 우수로 인한 빗물을 저장하였다가 히트펌프 시스템의 열원으로 사용하는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템은, 하나 이상의 열교환기와 사방변 밸브를 통해 연결된 압축기와 상기 각 열교환기와 연결되며 사이에 팽창밸브가 구비되는 연결관을 포함하는 히트펌프와, 상기 히트펌프의 일측과 제1 순환관에 의해 연결되는 지중 열교환기와, 상기 히트펌프의 타측과 제2 순환관에 의해 연결되는 부하 시스템과, 상기 제1 순환관과 제2 순환관에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프를 포함하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 제1 순환관의 일측에 연결되며 우수를 열원으로 하는 우수열원 시스템을 더 포함함을 특징으로 한다.

우수열원, 지열, 히트펌프, 열교환, 부하

Description

지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템{Heat pump system for using heat of rainwater heat source and geothermal}

도 1은 본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 보조 열교환기의 다른 일예를 나타낸 구성도.

도 3은 도 2의 A부를 나타낸 도면으로서,

도 3a는 브레이징 작업 전 상태의 도면이고,

도 3b는 브레이징 작업 후 상태의 도면이다.

도 4는 종래의 지열을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 히트펌프

11 : 열교환기

12 : 사방변 밸브

13 : 압축기

14 : 연결관

141 : 팽창밸브

2 : 지중 열교환기

3 : 제1 순환관

31 : 순환펌프

32 : 조절밸브

4 : 제2 순환관

41 : 순환펌프

5 : 부하 시스템

6 : 우수열원 시스템

61 : 우수 저장조

611 : 입구, 612 : 호퍼

62 : 우수열원 순환관

621 : 조절밸브, 622 : 순환펌프

63 : 보조 열교환기

631 : 홀

본 발명은 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지열은 물론 우수로 인한 빗물을 저장하였다가 히트펌프 시스템의 열원으로 사용하는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 냉난방 기능을 냉매의 흐름을 조절함으로써 하나의 단일 시스템으로 운전이 가능하다. 특히 냉방 운전시에는 히트펌프의 히트싱크로 지중을 이용하고 난방 운전시에는 히트펌프의 열원으로 지중열을 이용함으로써 기존의 냉난방 에너지 소비량이 적고 기존 상용의 외기 열원 히트펌프 시스템에 비해 냉매 양과 에너지 소비량이 적다.

도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 지열을 이용한 히트펌프 시스템은, 하나 이상의 열교환기(100a)와 사방변 밸브(100b)를 통해 연결된 압축기(100c)와 상기 각 열교환기(100a)와 연결되며 사이에 팽창밸브(100d)가 구비되는 연결관(100e)을 포함하는 히트펌프(100)와, 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지중 열교환기(200)와, 상기 히트펌프(100)의 일측과 지중 열교환기(200)에 연결되는 제1 순환관(300)과, 상기 히트펌프(100)의 타측에 연결되는 제2 순환관(400)과, 상기 제1 순환관(300)과 제2 순환관(400)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(500)로 이루어진다.

즉 다른 대체 에너지 설비에 비해 실외로 노출되는 기기가 없어 설치공간에 이점이 있고 냉방 운전 시 응축열을 대기중이 아닌 지중으로 버리기 때문에 도시 지역의 열섬현상을 차단할 수 있다.

그러나, 종래의 지열을 이용한 히트펌프 시스템은, 대부분의 건물들이 매년 추출하는 지열보다 상당히 많은 열을 토양으로 방출하고 있다. 이는 방출량이 흡수량보다 항상 큰 구조적인 특징을 가지고 있다. 지중 열교환기 설계 시 보통 냉방 용량을 기준으로 설계하게 되면 난방시에는 지중 열교환기의 용량은 필요 이상으로 크게 된다. 이러한 문제는 지중 열교환기 설치가 고가인 현실에서는 큰 문제점으로 지적되고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 지열은 물론 우수로 인한 빗물을 저장하였다가 히트펌프 시스템의 보조 열원으로 사용할 수 있는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

또한 지열 히트펌프 시스템의 설비 규모를 줄일 수 있는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

또한 우수 전용 열교환기를 사용함으로써 우수 저장조 내에 설치를 용이하게 할 수 있는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하나 이상의 열교환기와 사방변 밸브를 통해 연결된 압축기와 상기 각 열교환기와 연결되며 사이에 팽창밸브가 구비되는 연결관을 포함하는 히트펌프와, 상기 히트펌프의 일측과 제1 순환관에 의해 연결되는 지중 열교환기와, 상기 히트펌프의 타측과 제2 순환관에 의해 연결되는 부하 시스템과, 상기 제1 순환관과 제2 순환관에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프를 포함하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 제1 순환관의 일측에 연결되며 우수를 열원으로 하는 우수열원 시스템을 더 포함함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템은, 하나 이상의 열교환기(11)와 사방변 밸브(12)를 통해 연결된 압축기(13)와 상기 각 열교환기(11)와 연결되며 사이에 팽창밸브(141)가 구비되는 연결관(14)을 포함하는 히트펌프(1)와, 상기 히트펌프(1)의 일측과 제1 순환관(3)에 의해 연결되는 지중 열교환기(2)와, 상기 히트펌프(1)의 타측과 제2 순환관(4)에 의해 연결되는 부하 시스템(5)과, 상기 제1 순환관(3)과 제2 순환관(4)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(31,41)를 포함하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 제1 순환관(3)의 일측에 연결되며 우수를 열원으로 하는 우수열원 시스템(6)을 더 포함함을 특징으로 한다.

즉 상기 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템은, 열교환기의 설치비 절감 및 열 불균형에 의한 잉여열을 해소하기 위한 것으로 우수 저장조의 우수를 열원으로 활용하여 지중 열교환기의 크기를 줄임으로써 전체 설비투자비를 줄일 수 있는 것이다.

한편, 상기 우수열원 시스템(6)은 일측에 하나 이상의 입구(611)가 형성되어 있는 우수 저장조(61)와, 상기 우수 저장조(61)의 입구(611)를 통해 우수 저장조(61)의 내부에 삽입된 우수열원 순환관(62)에 다수개로 구비되어 우수 저장조(61)에 저장된 우수를 열교환시키는 보조 열교환기(63)로 구성된다.

특히 상기 우수 저장조(61)에 형성된 입구(611)들 중에서 하나는 우수를 받 아들이는 깔때기 모양의 호퍼(612)가 설치되고, 다른 하나에는 우수열원 순환관(62)이 삽입되는 것이다. 상기 우수열원 순환관(62)은 우수 저장조(61)의 내부에서는 수평으로 설치되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 우수열원 순환관(62)에 설치되는 보조 열교환기(63)를 다수개로 설치하기 위한 것이다. 또한 상기 우수열원 순환관(62)의 일측에는 우수열원을 원활하게 순환시키도록 순환펌프(622)가 구비된다.

아울러, 상기 보조 열교환기(63)는 코일 형태로 이루어진다. 따라서 우수 저장조(61)의 입구(611)가 작은 구조에서도 설치를 용이하게 하고 열교환 성능이 우수하다.

한편, 상기 히트펌프(1)는 지중 열교환기(2)를 통해 지열을 흡수하여 히트펌프(1)로 유입되면 히트펌프(1)에서 냉매가 흡수한 지열을 열원으로 하게 된다. 특히 상기 열교환기(11)는 열을 흡수하는 증발기와 열을 방출하는 응축기를 나타낸다.

그리고 상기 제1 순환관(3)과 우수열원 순환관(62)의 일측에는 조절밸브(32,621)가 더 구비되며, 상기 조절밸브(32,621)의 조절에 의해 지열과 열교환하거나 우수열원과 열교환을 할 수 있다.

또한 상기 부하 시스템(5)은 부하가 공급되거나 회수되며, 냉,난방 축열조와 온수 축열조을 통해 건물의 냉,난방과 급탕을 공급하게 되는 시스템을 나타낸다.

특히, 상기 지중 열교환기(2)는 지중에 매설되며 냉매의 유통경로가 되는'U'자 형태의 파이프가 반복 형성되며 수직이나 수평으로 매립되게 한다.

이하, 본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템의 작동관 계를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, 난방인 경우에는 압축기(13)에서 발생된 고온 고압의 냉매는 사방변 밸브(12)에 의해 부하측 열교환기(11)로 가서 부하측 열교환기(11)에 열교환하여 고온의 난방수를 생산해 내고 팽창밸브(141)를 지나 교축되어 열원측 열교환기(11)에서 지중 열교환기(2)의 지중과 열교환 되어진 2차 작동유체와 열교환 되어진다.

그리고 냉방인 경우에는, 사방변 밸브(12)에 의해 역으로 진행되며, 압축기(13)에서 발생된 고온 고압의 냉매가스는 열원측 열교환기(11)에서 지열과 우수를 통과한 2차 작동유체와 열교환 한다. 2차 작동유체인 경우 부하측 열교환기(11)를 출발하여 지중 열교환기(2)를 통과하면서 지중과 열교환하고, 우수열원 순환관(62)에 구비된 조절밸브(621)를 열고 제1 순환관(3)에 구비된 조절밸브(32)의 잠금에 의해 잉여열은 우수 저장조(61)의 우수와 열교환 되는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 보조 열교환기의 다른 일예를 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 A부를 나타낸 도면으로서, 도 3a는 브레이징 작업 전 상태의 도면이고, 도 3b는 브레이징 작업 후 상태의 도면이다.

한편 본 발명에 따른 다른 일예의 보조 열교환기를 제외한 나머지 구성은 앞에서 설명한 본 발명에 따른 바람직한 실시예와 동일함을 전제로 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 보조 열교환기(63)는 두 개의 판을 접합시켜 일정한 간격으로 홀(631)을 형성하고 롤 형태로 벤딩하여 제작한다.

이하, 상기 보조 열교환기의 제조 방법 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하나의 평판을 준비하고 다른 판에는 엠보싱 모양에 프레스 성형을 한다.

그리고 두 개의 동판을 일정한 간격을 두고 브레이징을 한다.

또한 두 개의 판중에서 상판은 프레스 브레이징을 통해 상판 평면에 일정한 간격으로 홀(631)을 형성한다.

보조 열교환기(63)의 표면에 형성된 홀(631)은 롤 안과 밖에 대류를 촉진하고 내부 유체 유동의 난류를 형성하여 열교환을 촉진시킨다.

특히 상기 보조 열교환기(63)는 동을 재질로 사용하며 이로 인해 용접 및 롤 성형에 유리하다.

판형 열교환기를 롤 형태로 벤딩함으로써 작은 입구에도 설치를 극대화할 수 있으며 설치하는데 매우 편리하다.

마지막으로, 양 끝단에 관로 연결 부속을 접합함으로써 마무리 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템은, 지열은 물론 우수로 인한 빗물을 저장하였다가 히트펌프 시스템의 보조 열원으로 사용함으로써 지열원의 부족현상을 해소할 수 있는 효과가 있다.

또한 지열 히트펌프 시스템의 설비 규모를 줄임으로써 설치 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 우수 전용 열교환기를 사용함으로써 우수 저장조 내에 설치를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 하나 이상의 열교환기(11)와 사방변 밸브(12)를 통해 연결된 압축기(13)와 상기 각 열교환기(11)와 연결되며 사이에 팽창밸브(141)가 구비되는 연결관(14)을 포함하는 히트펌프(1)와, 상기 히트펌프(1)의 일측과 제1 순환관(3)에 의해 연결되는 지중 열교환기(2)와, 상기 히트펌프(1)의 타측과 제2 순환관(4)에 의해 연결되는 부하 시스템(5)과, 상기 제1 순환관(3)과 제2 순환관(4)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(31,41)를 포함하는 지열을 이용한 히트펌프 시스템에 있어서,

   상기 제1 순환관(3)의 일측에 연결되며 우수를 열원으로 하는 우수열원 시스템(6)을 더 포함하되,

   상기 우수열원 시스템(6)은,

   일측에 하나 이상의 입구(611)가 형성되어 있는 우수 저장조(61)와, 상기 우수 저장조(61)의 입구(611)를 통해 우수 저장조(61)의 내부에 삽입된 우수열원 순환관(62)에 다수개로 구비되어 우수 저장조(61)에 저장된 우수를 열교환시키는 보조 열교환기(63)로 구성되고,

   상기 보조 열교환기(63)는 두 개의 판을 접합시켜 일정한 간격으로 홀(631)을 형성하고 롤 형태로 벤딩하여 제작함을 특징으로 하는 지열 및 우수열원을 이용한 히트펌프 시스템.
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