KR100780460B1 - 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템에 관한 것이다.

이 같은 본 발명은, 히트펌프를 축열 또는 축냉 기능으로 사용되거나 또는 축열 및 축냉 기능으로 이원화되는 복수의 매체 저장부를 연결 구성하는 한편, 복수의 매체 저장부내에 각각 복수의 디퓨저를 구성한 것으로, 이를 통해 축열조(또는 축냉조)의 동시 운전시 발생하는 온도 제어 불안 및 유량 불균형 문제를 해소하고, 지열 및 폐열 이용 설비의 최대 과제인 고효율 및 내구성은 있으나 시공비가 고가 인점을 착안하여 축열식 양방향 에너지 활용시스템으로 장비 용량을 최소화 하며, 냉수 및 온수의 온도 불균형으로 인해 지열공의 설치 수량을 증가시켜야 하는 문제점을 개선하는 한편, 오수나 폐수 방류조의 열량, 전기실의 발열 폐열, 장비(콤프레셔 등)의 폐열 등 산재해 있는 폐에너지를 최대한 활용 하면서 냉난방 시스템을 가동시 지열공의 회복시간을 충분히 확보하여 장비 가동 효율을 높이도록 한 것이다.

지열 히트 펌프 시스템, 지열처리부, 이중 디퓨저, 축열조, 축냉조

Description

히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템{The Cooling and Heating System of Economic Type by heatpumps}

도 1은 본 발명의 실시예로 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 축열조로 사용하는 난방 시스템의 난방/급탕에 대한 계통 흐름도.

도 3은 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 축냉조로 사용하는 냉방시스템의 냉방/급탕에 대한 계통 흐름도.

도 4는 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 각각 축열조와 축냉조로 이원화시킨 냉방 및 난방용 냉,온수를 저장하는 시스템의 계통 흐름도.

도 5는 본 발명의 실시예로 지열처리부의 구조도.

도 6은 본 발명의 실시예로 도 5에 대한 A-A선 단면도.

도 7은 본 발명의 실시예로 도 5에 대한 B-B선 단면도.

도 8은 본 발명의 실시예로 축열조 또는 축냉조로 사용되는 매체저장부에 이중 구조의 디퓨저를 적용한 상태의 단면 개략도.

도 9는 본 발명의 다른실시예로 지열을 이용한 냉난방 시스템에 폐열의 열원을 제공하는 장치를 연결한 상태의 계통도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 ; 공기조화기 2 ; 난방부

3 ; 급탕부 4 ; 펌프

5 ; 히트펌프 10; 지열처리부

11; 공급관 12; 회수관

13; 단열재 21,22; 제 1,2 매체저장부

30A,30B,30C,30D; 디퓨저 31; 상판

32; 하판 33; 중간 격리판

40; 컨트롤밸브 50; 열 밸런스 처리부

51; 온도센서 52,53; 제 1,2 펌프

54,55; 제 1,2 개도밸브 60; 제어부

70,80; 제 1,2 압력유지부 71,81; 제 3,4 펌프

72,82; 제 1,2 차압밸브 73,83 : 제 1,2 온도조절관

101; 하수조탱크 102; 폐열용 열교환기

201; 전력설비 301; 공기열 히트펌프

401; 급/배기 폐열회수부

본 발명은 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하 게는 지열이나 폐열을 열원으로 하여 냉,난방을 수행하는 히트펌프 시스템에 있어, 냉수 및 온수의 경제적 생산과 잉여 열량을 효율적으로 처리할 수 있도록 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브들로 구성되어 순환매체가 액화와 기화를 반복하게 하여 이와 연결된 기타 주변기기들을 통해 냉난방을 수행하도록 되어 있다.

이러한 히트펌프는 전기에너지를 주 에너지원으로 하여 냉난방을 수행하고 있으나, 근래에는 에너지 절약의 차원에서 폐열 또는 지열(地熱)을 주 열원으로 하여 냉난방을 수행하고 있는 실정이다.

그러나, 이러한 에너지를 얻어 냉난방을 수행하고 있던 히트펌프가 고장 등의 원인으로 그 작동이 갑자기 정지되면, 냉난방을 수행하기 위한 전체 시스템도 따라서 멈추기 때문에 이를 사용하는 사용자에게 많은 고통을 수반하게 했던 문제가 있다.

이에, 일부 사용자는 보일러 등을 포함한 냉난방 장치를 별도로 부설하여 이와 같은 히트펌프의 고장을 대비해 중복투자를 하고 있는 실정이다.

또한, 기존의 히트펌프는 이와 연결된 그 주변 기기들을 통해 쉼없이 에너지를 소비하며 작동되어 냉난방을 수행하고 있기 때문에 과도한 에너지의 사용으로 사용자에게 경제성 관련 부담을 주고 있는 것이 사실이다.

이에 종래에는 상기의 문제들을 보완하며, 국가적인 전력수급의 차원에서 심야전기를 이용한 축열식 히트펌프 시스템의 보급을 장려하고 있으며, 사용자도 저 렴한 심야전기를 적극 활용할수 있다는 점에서 긍정적으로 시장이 성숙되고 있다.

그러나, 상기와 같이 축열조가 적용된 종래의 히트펌프 시스템은 모든 냉,온수 열량을 지열공에 100% 의존하여 처리하기 때문에 지열공의 용량 및 수량이 커지므로 시공비의 과다는 물론, 지하수 오염등 환경파괴에 악영향을 주는 단점이 있다.

즉, 심야전기를 사용하기 위한 종래의 축열식 히트펌프 시스템에서, 히트펌프 가동시 지열공에서 100% 열량을 처리해야 하기 때문에 지열공의 회복속도(Recovery Time)가 지연시 시스템을 정상적으로 가동할 수 없고, 장비 COP(Coeficient of Performance)가 낮게 운전되며, 냉방이나 난방 중 한가지만 선택할 수 있도록 저장시설을 운용하므로 냉방,난방,급탕을 신축적으로 활용하지 못하며, 열저장부(축열탱크) 를 효율적으로 활용할수 없어 중복투자 등 축열시스템의 특성을 100% 발휘하지 못하는 단점이 있다.

이에 종래에는 상기의 문제들을 보완하고자 2-Tank 방식의 히트펌프 시스템이 개시 되었지만, 난방시에는 냉수탱크(제 1 저장부)가 단순하게 지열 회수용 완충탱크로 이용되기 때문에 막대한 투자로 제작된 냉수저장시설(제 1 저장부)이 비효율적으로 사용되면서 온수저장시설(제 2 저장부)이 상대적으로 크게 설계되어야 하므로 시설투자면에서 비효율적으로 운용되고 있다.

반면, 냉방시에도 냉수저장시설(제 1 저장부)에 냉수를 저장하면서 온수저장시설(제 2 저장부)에 필요 이상의 온수를 저장하고 온수열량을 처리하기 위해 100% 지열공에 의존하거나, 냉각탑(Cooling Tower)을 추가로 설치하는 등의 방법으로, 지열의 근본 취지에 부합되지 않으면서 투자비용만 크게 부담하는 단점이 있다. 이는 열밸런스를 고려하지 않고 시스템 개념만으로 설계하기 때문이며, 실질적으로 운용에 문제점이다.

그로인해 현재 버퍼 개념의 소형탱크를 설치하거나 1개의 저장시설만으로 설치하는 것이 보편적 현실이며. 냉수와 온수의 사용 열량이 일치해야 하는 열 밸런스가 잡히지 않을 경우 히트펌프 가동을 중지하든지 냉방운전과 난방운전을 수시로 바꿀 수 밖에 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 히트펌프에 축열 또는 축냉 기능으로 사용되거나 또는 축열 및 축냉 기능으로 이원화되는 복수의 매체 저장부를 연결 구성하는 한편, 복수의 매체 저장부내에 각각 복수의 디퓨저를 구성함으로써, 축열조(또는 축냉조)의 동시 운전시 발생하는 온도 제어 불안 및 유량 불균형 문제를 해소하고, 지열 및 폐열 이용 설비의 최대 과제인 고효율 및 내구성을 갖추면서 시공비가 고가인점을 고려하여 축열식 양방향 에너지 활용시스템으로 장비 용량을 최소화하며, 냉수 및 온수의 온도 불균형으로 인해 지열공의 설치 수량을 증가시켜야 하는 비효율성을 개선하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템을 제공 하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적으로는, 오수나 폐수 방류조의 열량, 전기실의 발열 폐열, 장비(콤프레셔 등)의 폐열 등 산재해 있는 폐에너지를 최대한 활용하면서 냉난방 시스템의 동작에 따른 지열공 회복시간을 충분히 확보하여 장비 가동효율을 높 일 수 있도록 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템을 제공하려는 것이다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템은, 공기조화기와 난방부 및 급탕부를 포함하는 냉난방 유니트에 증발기와 응축기를 구비한 냉난방용 히트펌프를 연결 구성함에 있어서, 상기 히트펌프에는 지중에 매설되어 지열을 열원으로 제공하는 지열처리부를 순환관을 통해 연결하는 한편, 냉,온수의 순환매체를 저장하는 제 1,2 매체저장부를 순환관을 통해 병렬로 연결 구성하고, 상기 제 1,2 매체저장부내에는 냉,온수의 순환매체가 서로 다른 온도층으로 상호 간섭하지 않고 저장되도록 상하부에 각각 이중 구조의 디퓨저를 구성하며, 상기 디퓨저에는 다단 배열의 순환관을 연결하되, 상기 순환관에는 냉,온수 순환매체의 순환을 위해 개폐되는 컨트롤밸브를 구성하고, 상기 제 1,2 매체저장부와 히트펌프 사이의 순환관에는 냉,온수 순환매체의 온도 불균형으로 발생하는 잉여 열량을 지열처리부로 방출하는 열 밸런스 처리부를 구성하며, 상기 히트펌프와 컨트롤 밸브 및 열 밸런스 처리부는 제어부에 의해 그 동작이 제어되는 것을 특징으로 한다.

다른 일면에 따라, 상기 지열처리부는 유속변화를 주어 열교환이 충분한 시간동안 이루어지도록 하는 다수개의 공급관 및, 상기 다수개의 공급관 사이에 위치하면서 그 하측 일단이 연통되어 유속을 급격히 증가시키면서 지열 회수열량을 증대시키는 하나의 회수관으로 분할되는 구조인 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 제 1,2 매체저장부는 계절변화에 따라 온수의 순환매체가 저장되는 축열조 또는 냉수의 순환매체가 저장되는 축냉조로 사용되거나, 또는 축열조 및 축냉조로 이원화되어 그 사용이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 디퓨저는 공급 및 리턴의 순환관이 각각 연결되는 상,하판 및 중간격리판으로 구분되도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 열 밸런스 처리부는, 히트펌프에서 생산된 냉,온수가 제 1,2 저장부에 저장되어 냉,난방 및 급탕에 사용하는 동안 사용량의 불균형에 의한 잉여 냉,온수의 온도를 감지하는 온도센서; 상기 온도센서로부터 냉,온수의 잉여 열량에 대한 온도 감지시, 잉여 열량을 지열처리부에서 처리할 수 있도록 제어부의 제어를 받아 개도방향이 결정되는 제 1,2 개도밸브; 를 포함한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 제 1,2 개도밸브는 3-way 밸브인 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 냉난방을 위해 공기조화기와 난방부 및 디퓨저를 연결하는 리턴라인에는 각각 제어부의 제어를 받는 난방 및 냉방용의 제 1,2 압력유지부를 구성하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 난방용의 제 1 압력유지부는 제 3 펌프와 제 1 차압밸브 및 제 1 온도조절관을 포함하고, 상기 냉방용의 제 2 압력유지부는 제 4 펌프와 제 2 차압밸브 및 제 2 온도조절관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 일면에 따라, 상기 제 3 펌프는 난방 정지시 공기조화기 및 난방부에 공기층이 형성되는 것을 차단하도록 제 1 차압밸브의 닫힘 제어가 이루어진 후 그 구동이 정지(off)되도록 구성하며,

상기 제 1 차압밸브는 난방 가동시 온수 순환매체를 제 1 온도조절관과 공급 관을 통해 공기조화기와 난방부로 순환시켜 배관 압력 유지의 제어동작이 이루어지도록 제 3 펌프의 구동이 이루어진 후 밸브의 열림 동작이 이루어지는 것을 특징으로 한다

또 다른 일면에 따라, 상기 제 4 펌프는 냉방정지시 제 2 차압밸브의 구동시간동안에 낙수로 인해 공기 조화기, 냉방부, 상층부 배관 등에 공기층이 형성되는 것을 차단하도록 제 2 차압밸브의 닫힘 제어가 이루어진 후 펌프의 구동이 정지되도록 구성하며,

상기 제 2 차압밸브는 냉방 가동시 냉수 순환매체를 제 2 온도조절관 및 공급관을 통해 공기조화기로 순환시켜 압력 유지의 제어동작이 이루어지도록 제 4 펌프의 가동이 시작된 후 밸브의 열림 동작이 이루어지도록 하여 배관수의 낙수로 인한 공기유입을 차단하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예로 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 축열조로 사용하는 난방 시스템의 난방/급탕에 대한 계통 흐름도 이다.

도 3은 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 축냉조로 사용하는 냉방시스템의 냉방/급탕에 대한 계통 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시예로 도 1에서 제 1,2 매체저장부를 각각 축열조와 축냉조로 이원화시킨 냉방 및 난방용 냉,온수를 저장하는 시스템의 계통 흐름도 이다.

도 5는 본 발명의 실시예로 지열처리부의 구조도이고, 도 6은 본 발명의 실 시예로 도 5에 대한 A-A선 단면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예로 도 5에 대한 B-B선 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예로 축열조 또는 축냉조로 사용되는 매체저장부에 이중 구조의 디퓨저를 적용한 상태의 단면 개략도 이다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템은, 공기조화기(1)와 난방부(2) 및 급탕부(3)에 공급 및 환수의 순환관(L1,L2,L2',L2",L3,L3',L3",L4,L5,L6,L7,L7',L8,L8',L9,L9',L10,L10',L11,L11',L12,L12',L20,L20')을 통해 증발기(미도시)와 응축기(미도시)를 구비한 히트펌프(5)를 연결 구성한 상태에서, 상기 히트펌프(5)에 제 1,2 매체저장부(21)(22)를 순환관(L5,L6)(L4,L4')(L20)(L20')을 통해 병렬로 연결하는 한편, 지열처리부(10), 디퓨저(30), 컨트롤밸브(40), 열 밸런스 처리부(50), 그리고 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(60)와 제 1,2 압력유지부(70)(80)를 연결 구성한 것이다.

상기 지열처리부(10)는 지중에 매설되어 냉난방 시스템에 지열에 의한 열원을 제공하거나, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에서 냉,온수 순환매체의 온도 불균형으로 인해 발생하는 잉여 열량을 처리(냉각 또는 가열)하는 것으로, 공급헤더(h1)가 배치되는 공급라인의 순환관(L20,L20')(L3,L3',L3") 및, 환수헤더(h2)가 배치되는 환수라인의 순환관(L20,L20')(L2,L2')(L2")을 통해 히트펌프(5) 및 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 연결된다.

이때, 상기 지열처리부(10)는 유속변화를 주고 열교환 면적을 넓혀 단위시간당 열 회수능력을 향상시키도록 다수개의 공급관(11) 및, 상기 다수개의 공급 관(11) 중심에 위치하는 하나의 회수관(12)으로 구분되고, 상기 공급관(11)과 회수관(12)은 하부종단에서 연통되어 있으며, 상기 공급관(11)과 회수관(12)의 사이에는 단열재(13)가 구성되어, 상기 공급관(11)과 회수관(12) 사이에 열교환을 방지하도록 구성된다.

즉, 상기 공급관(11)을 다수의 관으로 편성한 것은 전열면적(열교환면적)을 극대화하고 유체의 흐름 속도를 낮추어 지열처리부(10)내에서 체류시간을 연장하므로 열교환 효율을 향상시키는 한편, 상기 공급관(11)이 열교환기 역할을 하기 때문에 지표면에서 심층부로 유체를 이동시킴으로써 열교환된 유체를 중심부에 위치한 단열,보온된 회수관(12)을 통해 회수해 그 회수과정에서 발생하는 지표면과의 열교환 손실을 방지하기 위함이다.

상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)는 냉,온수의 순환매체를 저장 및 방출하는 것으로, 냉방만을 위한 여름철에 모두 축냉조로 사용이 가능하고, 난방만을 위한 겨울철에는 모두 축열조로 그 사용이 가능하며, 봄/가을과 같은 환절기에는 축열조와 축냉조로 이원화되어 사용이 가능하도록 하여 축열조를 경제적으로 활용하도록 하였으며, 상기 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)에 의해 내부에는 온도가 서로 상이하면서 상호 간섭이 방지되는 상/하의 온도 성층이 이루어지며, 이는 하나의 저장부(21 또는 22)만 지열에 연결하는 것이 아니고 제 1,2 매체저장부(21)(22)를 병렬 연결한 후 이를 지열처리부(10)에 연결함으로써 어느쪽이던 쓰고 남은 잉여 열량을, 상기 지열처리부(10)에서 처리할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 병렬로 연결되는 제 1,2 매체저장부(21)(22)는 지열처리부(10)를 최소화 하면서도 대지를 열저장 창고개념으로 사용할 수 있도록 한 것으로, 시간대별로 온,냉수를 사용할 수 있기 때문에 때로는 지열처리부(10)에 열을 보내고 급탕 등 온수가 필요하면 잉여 냉수를 순환시켜 열을 다시 꺼내 쓸 수 있도록 구성되며, 이에따라 상기 지열처리부(10)도 임시 열저장 창고기능을 할 수 있도록 구성되는 것이다.

상기 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)는 상판(31)과 하판(32) 및, 상기 상,하판(31)(33)을 격리하는 중간 격리판(33)으로 구성되는 이중층의 구조물로, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에서 저장되고 토출되는 냉,온수 순환매체가 서로 다른 온도로서 상호 간섭하지 않도록, 즉 제 1,2 매체저장부(21)(22)에서 부하측인 공기조화기(1)와 난방부(2) 및 급탕부(3)로 공급되는 냉,온수 순환매체와 히트펌프(5)로부터 생산되는 냉,온수간의 간섭, 또는 히트펌프(5)로 유입되는 순환매체와 공기조화기(1) 또는 난방부(2)에서 환수되는 순환매체의 간섭에 의한 온도층 파괴 현상을 해소하기 위해 중간 격리판(33)을 통해 상하판(31)(32)의 이중층으로 분리하여 상호 간섭을 근본적으로 해소하도록 구성된다.

상기 컨트롤밸브(40)는 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)에 연결되는 다단 배열 구조의 순환관(L20,L20')에 다수 배치됨은 물론, 냉난방을 위한 시스템 전체의 순환관(L4,L4')(L5)(L6)(L13), 그리고 후술하는 제 1,2 온도 조절관(73)(83)에 설치되는 것으로, 상기 다단 배열구조의 순환관(L20,L20')을 통해 냉,온수의 순환매체가 냉난방 유니트인 공기조화기(1), 난방부(2), 급탕부(3)로 그 공급을 안내하거나, 냉난방 유니트로부터 환수되는 냉,온수의 순환매체를 히트펌프(5)로 순환되도 록 방향절환을 하며, 냉방,난방에 따른 계절별 운전모드에 따라 작동하도록 상기 제어부(60)의 제어에 따라 개폐가 이루어지도록 구성된다.

상기 열 밸런스 처리부(50)는 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 각각 저장된 냉,온수 순환매체의 온도가 불균형시 초과되는 냉,온수 중 잉여 열량을 방출하여 냉,온수의 열 밸런스를 유지시킴은 물론, 상기 지열처리부(10)의 지열 소모량을 최소화할 수 있도록 구성되며, 상기 히트펌프(5)와 제 1,2 매체저장부(21)(22)를 연결하는 순환관(L2,L2',L2")(L3,L3'L3")에 연결 구성되며, 온도센서(51), 제 1,2 펌프(52)(53), 그리고 제 1,2 개도밸브(54)(55)를 포함한다.

상기 온도센서(51)는 제 1,2 매체저장부(21)(22)와 다수의 순환관에 흐르는 온수 및 냉수의 온도를 감지하여 제어부(60)으로 신호를 보내, 상기 제어부(60)로 하여금 제 1,2 펌프(52)(53)의 속도를 제어하여 설정온도에 적합하게 냉,온수를 생산할 수 있도록 하며, 냉수 또는 온수만을 사용할 경우에 필요 이상 낮거나 높은 냉,온수를 지열처리부(10)로 공급하지 않도록 히트펌프 생산 온도를 감지하여 제어부(60)에 통보하는 것으로, 냉,온수 순환매체의 리턴라인에 위치하는 순환관은 물론, 히트펌프(5)의 토출측에 연결되는 순환관(L3")(L1), 또는 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 근접 설치된다.

상기 제 1,2 펌프(52)(53)는 상기 온도센서(51)로 부터 체크된 온도에 따라 잉여 열량이 발생된 냉,온수의 순환매체를 강제 순환시키도록 상기 제어부(60)의 제어를 받아 선택 구동이 이루어지는 것으로, 상기 히트펌프(5)의 유입측 순환관(L2,L2")에 구성된다.

즉, 상기 제 1,2 펌프(52)(53)는 상기 제어부(60)의 제어신호에 의해 속도가 가변속되어 냉,온수의 순환매체를 순환시킴은 물론, 생산 되는 냉,온수의 온도를 제어할 수 있도록 사용되는 것이다.

상기 제 1,2 개도밸브(54)(55)는 제 1,2 저장매채부(21)(22)의 온도센서 및 컨트롤밸브(40)에 의한 순환매체 방향절환에 연동되며, 계절적 운전조건 프로그램에 의해서 냉,온수의 순환매체를 지열처리부(10)로 방출시키도록 제어부(60)의 제어를 받아 개도 방향이 결정되도록 구성되며, 상기 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)와 지열처리부(10)의 사이에 연결되는 순환관(L2,L2')(L3,L3')(L11,L11')(L12,L12')에 배열되는 3-way 밸브로 구성된다.

상기 제어부(60)는 냉난방 시스템에 적용되는 다수개의 컨트롤밸브(40) 및 제 1,2 매체저장부(21)(22)내의 증발기와 응축기, 그리고 제 1,2 압력유지부(70)(80)의 동작을 제어함은 물론, 상기 열 밸런스 처리부(50)에 포함되는 온도센서(51)의 감지정보를 토대로 제 1,2 펌프(52)(53)의 구동 및, 제 1,2 개도밸브(54)(55)의 개도방향을 결정하는 제어신호등 전체적인 시스템의 지능 운전을 담당한다.

여기서, 상기 컨트롤밸브(40)는 상기 제어부(60)의 제어신호에 의해 그 개폐가 이루어지는 on/off 밸브로 구성된다.

상기 제 1,2 압력유지부(70)(80)는 냉,난방을 위해 공기조화기(1)와 난방부(2) 및 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)를 연결하는 리턴라인(L7,L7')(L10,L10')에 연결되는 것으로, 상기 제 1 압력유지부(70)는 난방용으로 제 3 펌프(71)와 제 1 차압밸브(72), 제 1 온도조절관(73)을 포함하고, 상기 제 2 압력유지부(80)는 냉방용으로 제 4 펌프(81)와 제 2 차압밸브(82), 그리고 제 2 온도조절관(83)을 포함한다.

상기 제 3 펌프(71)는 난방정지시 제 1 차압밸브(72)의 구동시간 동안 공기조화기(1)와 난방부(2) 및 상층부 배관의 물이 제 1,2 매체저장부(21)(22)로 낙수되어 공기층이 형성되는 것을 방지하기 위해 제 1 차압밸브(72)의 닫힘 제어가 선행된 후 제 3 펌프(71)가 정지하도록 한다.

상기 제 1 차압밸브(72)는 난방운전시 제 3 펌프(71)를 가동하여 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 온수를 순환관(L7)을 통해 공기조화기(1)와 난방부(2)로 순환시켜 제 1 압력유지부(70)에 압력이 형성된 후 제 1 차압밸브(72)가 열림(open) 제어동작이 이루어지도록 하며, 상기 제 3 펌프(71)의 구동 및 제 1 차압밸브(72)의 개폐동작은 제어부(60)의 제어동작 프로그램으로부터 제어된다.

또한, 상기 제 4 펌프(81)는 냉방정지시 제 2 차압밸브(82)의 구동시간 동안 공기조화기(1)와 기타 냉방부 및 상층부 배관의 물이 제 1,2 매체저장부(21)(22)로 낙수되어 공기층이 형성되는 것을 방지하기 위해 제 2 차압밸브(82)의 닫힘 제어가 선행된 후 제 4 펌프(81)가 정지하도록 한다.

상기 제 2 차압밸브(82)는 냉방운전시 제 4 펌프(81)를 가동하여 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 냉수를 순환관(L7')을 통해 공기조화기(1)와 냉방부로 순환시켜 제 2 압력유지부(80)에 압력이 형성된 후 제 2 차압밸브(82)가 열림(open) 제어동작이 이루어지도록 하며, 상기 제 4 펌프(81)의 구동 및 제 2 차압밸브(82)의 개 폐동작은 제어부(60)의 제어동작 프로그램으로부터 제어된다.

즉, 상기 제 1,2 차압밸브(72)(82)는 낙수 방지용으로, 제 3,4 펌프(71)(81)가 정지될 때, 제 1,2 차압밸브(72)(82)의 반응시간{제 3,4 펌프(71)(81)의 정지부터 제 1,2 차압밸브(72)(82)가 완전차단 까지 소요시간}동안 공기조화기(1), 난방부(2), 기타 냉방 부하설비 및 상층부에 위치한 배관의 물이 제 1,2 매체저장부(21)(22)로 유입되는 것을 방지하며, 낙수(落水)로 인해 공기조화기(1), 난방부(2) 및 순환관(L10,L10')에 공기가 유입될 경우 제 3,4 펌프(71)(81)의 양정 손실이 커지고 냉,난방 시스템의 재가동시 냉,온수 순환에 영향을 주는 것은 물론 설비에 치명적 손상을 줄 수 있어 이를 방지하기 위함이다.

이하, 미설명된 도면부호 4는 지열처리부(10)의 순환관(L11')에 설치되는 펌프(Pump)를 도시한 것으로, 이는 그 배치의 위치가 선택적으로 이루어진다.

이와같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 작용을 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조하여 정리하면 다음과 같다.

먼저, 도 1,2에서와 같이 난방용의 공기조화기(1)와 난방부(2) 및 급탕부(3)를 통해 겨울철 난방 및 급탕을 제공하고자 하는 경우, 제어부(60)는 제 1 압력유지부(70)에 포함되는 제 3 펌프(71)를 구동시킨 후 제 1 차압밸브(72)를 개방시킨다.

그러면, 상기 제 3 펌프(71)가 구동하여 순환매체는 공급헤더(h1) 및 공급라인의 순환관(L7→L8)을 거쳐 공기조화기(1)에서 난방을 한 후 환수헤더(h2)와 환수라인의 순환관(L9→L10)을 통해 환수되는 온수의 순환매체는 다단 배열되는 순환 관(L20)을 통해 제 2 매체저장부(22) 또는 제 1 매체저장부(21)의 하층부 디퓨저(30D)(30B)를 통해 저장된다.

다음으로, 난방이 끝나 환수라인의 순환관(L10)을 거쳐 환수된 온수 순환매체의 온도가 높을 경우 이는 상기 순환관(L10)에 마련된 온도센서(51)에 의해 감지된 후 제어부(60)로 출력되는 바,

상기 제어부(60)는 제 1 온도조절관(73)에 마련된 컨트롤밸브(40)를 비례 제어하여, 상기 온도가 높은 온수의 순환매체를 제 1 온도조절관(73)을 통해 제 3 펌프(71)의 흡입측으로 공급하여 제 2 매체저장부(22)의 열량을 절약하며, 높은 온도로 회수되는 온수의 순환매체가 제 2 매체저장부(22)로 회수되는 것을 방지한다.

이때, 상기의 온수 순환매체에 대한 정상 순환 과정은, 제 2 매체저장부(22)→상층의 디퓨저(30C)→제 3 펌프(71)→공급라인의 순환관(L7)→공급헤더(h1)→순환관(L8)→공기조화기(1)→순환관(L9)→환수헤더(h2)→환수라인의 순환관(L10)→제 1 차압밸브(72)→다단 배열구조의 순환관(L20)→하층의 디퓨저(30D)를 통해, 상기 제 2 매체저장부(22)의 하단에 저장되며, 이때 상기 제 2 매체저장부(22)에 연결되는 순환관(L20)은 다단 배열 구조를 가지는 것으로, 상기 순환관(L20)으로 온수 순환매체의 흐름이 안내될 때, 상기 제어부(60)는 상기 순환관(L20)에 배치되는 다수의 컨트롤밸브(40)를 선택적으로 개폐 제어하고, 이에따라 상기의 온수 순환매체는 제 2 매체저장부(22)내의 하부에 위치하는 디퓨저(30D)의 상판(31)을 통해 환수되어 저장되는 것이다.

다음으로, 상기 제 1 차압밸브(72)를 거쳐 환수된 온수 순환매체의 온도가 높을 경우, 상기 순환관(L10)에 배치되는 온도 센서(51)에 의해 제 1 온도조절관 (73)에 설치된 컨트롤밸브(40)를 개방(비례제어)하여 제 1 온도조절관(73)을 통해 제 1 펌프(71)의 흡입측으로 온수의 순환매체가 공급되며, 상기 순환관(L20)을 통해 높은 온도로 환수되는 온수의 순환매체가 상기 제 2 매체저장부(22)로 환수되는 것을 방지하게 되는 것이다.

이때, 상기 공기조화기(1) 및 난방부(2)로 온수 순환매체의 공급온도를 유지하기 위해, 상기 제 2 매체저장부(22)에서 흡입된 고온수와 제 1 온도조절관(73)을 통해 환수되는 순환매체를 적절하게 희석하도록, 상기 제어부(60)는 다단 배열구조를 가지는 순환관(L20)에 배치된 다수의 컨트롤밸브(40)를 비례 제어하여 선택적인 개폐가 이루어지도록 한다.

다음으로, 동절기에 제 1 매체저장부(21)와 제 2 매체저장부(22)에 모두 온수를 저장 사용하는 경우, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 사이에 병렬로 설치된 순환관(L5)(L6)은 고온수의 병렬관으로 사용되며, 또 다른 순환관(L4,L4')는 저온수 순환관으로서 두 개의 제 1,2 매체저장부(21)(22)를 병렬로 연결시켜 하나의 저장부(축열조) 기능을 수행하도록 한 것이며, 이에따라 온도 성층화 현상으로 두 개의 축열조가 하나의 축열조처럼 운전될 수 있게 되는 것이다.

이때, 도 1,3에서와 같이 상기 제 1 매체저장부(21)에 연결되는 다단 배열의 순환관(L20')에 구성되는 다수개의 컨트롤 밸브(40)는 제어부(60)의 난방모드 선택에따라 모두 닫힘동작(close)의 상태가 되므로, 상기 제 1 매체저장부(21)는 제 2 매체저장부(22)와 합쳐지는 결과로서 난방 및 온수급탕 공급 운전을 하게 되는 것 이다.

여기서, 상기와 같이 난방 전용 운전을 하는 동안 제 2 펌프(53)로부터 히트펌프(5)의 증발기로 공급된 순환매체는 냉수가 되어 지열처리부(10) 또는 폐열용 열교환기에서 열을 흡수하여 히트펌프에 공급하며, 장비 냉각수 또는 전기실 냉방등으로도 활용될 수 있는 것이다.

또한, 상기 제 1 매체저장부(21)와 제 2 매체저장부(22)의 하층 디퓨저(30B)(30D)의 하판(32)으로부터 흡입된 저온수 순환매체는 다단 배열구조를 가지는 순환관(L20,L20')에 배치된 컨트롤밸브(40)의 선택적인 개폐동작으로 순환관(L2)(L2")을 통해 히트펌프(5)로 순환되어 고온으로 가열되어, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 상층 디퓨저(30A)(30C)의 하판(32)을 통해 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 저장되는 것이다.

이때, 지열을 이용한 난방시, 열 밸런스 처리부(50)에 포함되는 3-way밸브 타입의 제 2 개도밸브(55)는 제어부(60)의 제어동작 프로그램에 의해 순환관(L2')에서 공급헤더(h1) 및 지열처리부(10)로 냉수 순환매체의 흐름이 안내되는 방향으로 그 열림이 이루어지고, 3-way밸브 타입의 제 1 개도밸브(54)는 제어부(60)의 제어동작프로그램에 의해 지열처리부(10)에서 열을 흡수하여 환수헤더(h2) 및 순환관(L2)을 통해 히트펌프(5)로 흡수열을 공급하는 흐름방향으로 개도가 이루어진다.

즉, 상기 내용을 정리하면 히트펌프(5)에서 온도가 낮은 상태로 토출되는 냉수의 순환매체가 순환관(L3")→순환관(L3')→제 2 개도밸브(55)→순환관(L11)→공급헤더(h1)→열교환 기능의 순환관(L11')→지열처리부(10)→순환관(L12')→환수헤 더(h2)→순환관(L12)→제 1 개도밸브(54)→순환관(L2')→제 2 펌프(53)를 통해 다시 히트펌프(5)의 흐름으로 안내되고, 이때 난방중 발생한 냉수는 상기 지열처리부(10)에서 열교환하게 되는 것이다.

다시말해, 상기와 같이 지열처리부(10)의 공급관(11)과 회수관(12)을 통과하면서 지열을 흡수하여 온도가 상승한 순환매체는 제 2 펌프(53)를 통해 히트펌프(5)의 증발기로 순환되어 저온의 액체냉매를 저온의 가스로 기화시켜 압축기로 이송되며 압축기에서 고온의 고압가스를 생성하여 응축기내에서 제 1 펌프(52)와 순환관(L2)으로부터 공급되는 저장부 하부의 중온수를 고온수로 변환시켜 제 2 매체저장부(22)의 다단배열 구조를 가진 순환관(L20)을 통해 축열조로 사용하는 제 2 매체저장부(22)의 상층에 설치된 디퓨저(30C)의 하부판(32)을 통해 저장되는 것이다.

이때, 상기와 같이 고온으로 가열된 온수의 순환매체가 축열조로 사용되는 제 2 매체저장부(22)의 상측에 저장됨은 물론, 병렬의 순환관(L5)에 의해 제 1 매체저장부(21)의 상층 디퓨저(30A)의 하판(32)을 통해,상기 제 1 매체저장부(21)에 저장된다.

그러면, 상기 축열조로 사용되는 제 1,2 매체저장부(21)(22)에는 그 내부의 상하층에 각각 설치되는 이중 구조의 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)를 통해 서로 다른 온도층을 이루는 온수의 순환매체가 상호 간섭하지 않고 저장될 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 제 2 매체저장부(22)내의 상층에 설치된 디퓨저(30C)의 상판(31) 을 통해 토출되는 고온의 온수 순환매체는 제 3 펌프(71)의 펌핑동작으로 순환관(L7)→공급헤더(h1)→순환관(L8)을 거쳐 공기조화기(1)와 난방부(2)에 공급되어 난방이 이루어 지며, 또 다른 순환관(도면에는 표시하지 않음)을 통해 급탕용 열교환기(3)로 공급되어 급탕용 온수를 가열할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 축열조로 사용되는 제 1,2 매체저장부(21)(22)와 히트펌프(5)의 사이에는 온도센서(51), 제 1,2 펌프(52)(53), 그리고 제 1,2 개도밸브(54)(55)를 포함하는 열 밸런스 처리부(50)가 구성되고, 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 내부에는 온도센서(미도시)가 설치되어 있으므로, 이로인해 축열탱크의 열량 저장 및 사용상태를 제어부(60)에서 감지하여 히트펌프의 가동 및 정지를 결정 명령할 수 있는 것이다.

이때, 상기 제어부(60)는 상기 제 1,2 펌프(52)(53)의 펌핑동작으로부터 잉여 열량이 발생된 냉,온수 순환매체가 강제 순환될 때 그 순환이 자유롭게 이루어지도록 제 1,2 개도밸브(54)(55)의 개도방향을 제어하게 되는 것이다.

한편, 도 3은 여름철 등의 시기에 냉방시, 냉난방용 히트펌프(5)가 압축, 응축, 팽창, 기화로 이어지는 냉방 사이클을 수행함으로 인해 상기 냉,온수 순환매체의 온도가 저온으로 강하되고, 이 저온으로 강하된 순환매체가 공기조화기(1)를 통해 냉방을 수행하는 흐름도를 도시한 것으로, 이를 첨부된 도 1,3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

즉, 도 1,3을 참조하면, 냉난방용의 공기조화기(1)를 통해 여름철 냉방을 제공하고자 하는 경우, 제어부(60)는 제 2 압력유지부(80)에 포함되는 제 4 펌프(81) 를 구동시킨 후 제 2 차압밸브(82)를 개방시킨다.

그러면, 상기 제 4 펌프(81)의 구동으로부터 공기조화기(1)에서 순환관(L9') 및 환수헤더(h2)와 환수라인의 순환관(L10')을 통해 환수되는 순환매체는 다단 배열되는 순환관(L20')을 통해 제 1 매체저장부(21)로 환수되며, 이를 정리하면 제 1 매체저장부(21)→하층의 디퓨저(30B)→제 4 펌프(81)→공급라인의 순환관(L7')→공급헤더(h1)→순환관(L8')→공기조화기(1)→순환관(L9')→환수헤더(h2)→환수라인의 순환관(L10')→제 2 차압밸브(82)→순환관(L20')→상층의 디퓨저(30A)를 통해 제 1 매체저장부(21)의 상단에 저장된다.

이때, 상기 제 1 매체저장부(21)에 연결되는 순환관(L20')은 다단 배열 구조를 가지는 것으로, 상기 순환관(L20')으로 냉수 순환매체의 흐름이 안내될 때, 상기 제어부(60)는 상기 순환관(L20')에 배치되는 다수의 컨트롤밸브(40)를 선택적으로 개폐 제어하고, 이에따라 상기의 냉수 순환매체는 제 1 매체저장부(21)내의 상층에 위치하는 디퓨저(30A)의 하판(32)을 통해 저장된다.

더불어, 상기 상층 디퓨저(30A)의 상판(31)에 연결되는 순환관(L20')에서 분기되는 또 다른 순환관(L5)은 상기 축냉조로 사용되는 제 1 매체저장부(21)와 병렬 구조를 이루는 제 2 매체저장부(22)내의 상층에 마련된 또 다른 디퓨저(30C)의 하판(32)과 연결된다.

그러므로, 상기 환수라인의 순환관(L10')을 통해 환수되는 순환매체는 다단 배열의 순환관(L20')이 연결되는 상기 상층의 디퓨저(30A)를 통해 제 1 매체저장부(21)내의 상측에 저장된다.

여기서, 도 1,2에서와 같이 제 2 매체저장부(22)에 연결되는 다단 배열의 순환관(L20)에 구성되는 다수개의 컨트롤밸브(40)는 모두 제어부(60)의 제어동작으로부터 닫힘동작을 하고, 이에따라 상기 제 1 매체저장부(21)와 제 2 매체저장부(22)는 하나의 탱크와 같이 냉방을 위한 냉수의 저장 및 냉방으로만 사용된다.

즉, 상기 제 1 매체저장부(21)의 상층에 마련된 디퓨저(30A)의 상판(31)에서 회수되는 순환매체는 컨트롤밸브(40)의 선택적인 개폐동작으로부터 히트펌프(5)로 안내된다.

그리고, 상기 상층의 디퓨저(30A)로부터 히트펌프(5)로 유입된 중온의 냉수열량으로 증발기의 액체 냉매를 기화시켜 압축기를 통해 응축기를 거쳐 지열처리부(10)로 순환되면서 지중열과 열교환된 후 지중으로 방열(放熱)된다.

이때, 지열을 이용한 냉방시, 열 밸런스 처리부(50)에 포함되는 3-way밸브 타입의 제 2 개도밸브(55)는 제어부(60)의 제어동작 프로그램에 의해 순환관(L3)에서 공급헤더(h1) 및 지열처리부(10)로 순환매체의 흐름이 안내되는 방향으로 그 열림이 이루어지고, 3-way밸브 타입의 제 1 개도밸브(54)는 제어부(60)의 제어동작프로그램에 의해 지열처리부(10)에서 환수헤더(h2) 및 순환관(L2)로 순환매체의 흐름이 안내되는 방향으로 그 열림이 이루어진다.

그리고, 상기 지열처리부(10)는 다수개의 공급관(11)과 하나의 회수관(12)으로 이루어져 있는 바,

상기 냉난방용 히트펌프(5)에서 고온의 순환매체가 순환관(L3)→제 2 개도밸브(55)→공급헤더(h1)를 통해 지열처리부(10)로 이송된다.

상기 지열처리부(10)는 외측에 다수개의 공급관(11)과 내측 단열 처리된 하나의 회수관(12)으로 구성되며, 상기 공급관(11)과 회수관(12)은 하단부가 서로 연통되어 있으므로, 느린 유속으로 공급관(11)을 통과하는 순환매체가 회수관(12)으로 집중되면서 그 유속은 급격히 빨라진다.

즉, 히트펌프(5)의 증발기에서 냉수를 생산하기 위해 열을 회수하여 기화된 냉매가스는 압축기를 통해 응축기로 열을 이송하고 이 열은 제 1 펌프(52)에 의해 순환되어 순환관(L3)을 통해 제 2 개도발브(55) 및 공급헤더(h1)을 거쳐 지열처리부(10)의 공급관(11)과 회수관(12)을 통과하면서 지열과 열교환을 하여 온도가 낮아지고, 상기와 같이 온도가 낮아진 순환매체는 다시 환수헤더(h2)→제 1 개도밸브(54)→순환관(L2)을 통해 히트펌프(5)로 순환을 반복하는 것으로, 상기 지열처리부(10)는 냉방부하에서 이송된 열을 처리하게 되는 것이다.

이때, 상기 히트펌프(5)의 증발기에서 저온으로 강하된 순환매체(냉수)는 순환관(L20')을 통해 축냉조로 사용하는 제 1 매체저장부(21)의 하층에 설치된 디퓨저(30B)를 통해 저장된다.

이때, 상기 제 1 매체저장부(21)의 하측에 저장되는 순환매체는, 상기 제 1 매체저장부(21)의 하측에 설처된 순환관(L4,L4')을 통해 제 2 매체저장부(22)와 병렬 구조를 이루면서 두 개의 저장부가 하나의 저장조와 같이 운용되는 바,

상기 축냉조로 사용되는 제 1,2 매체저장부(21)(22)에는 그 내부의 상하측에 각각 설치되는 이중구조의 디퓨저(30A)(30B)(30C)(30D)를 통해 서로 다른 온도층을 이루는 냉수의 순환매체가 상호 간섭하지 않고 저장될 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 제 1 매체저장부(21)내의 하층에 마련된 디퓨저(30B)의 하판(32)을 통해 토출되는 저온의 냉수 순환매체는 제 4 펌프(81)의 펌핑동작으로부터 공급라인의 순환관(L7')→공급헤더(h1)→순환관(L8')을 거쳐 공기조화기(1)로 공급하여 냉방을 실시 후 순환관(L9')→환수헤더(h2)→ 환수라인의 순환관(L10')을 거쳐 제 1,2 매체저장부(21)(22)의 상층 디퓨저(30A)(20C)의 하판(32)으로 회수된다.

여기서, 상기 축냉조로 사용되는 제 1,2 매체저장부(21)(22)와 히트펌프(5)의 사이에는 온도센서(51), 제 1,2 펌프(52)(53), 그리고 제 1,2 개도밸브(54)(55)를 포함하는 열 밸런스 처리부(50)가 구성되는 바,

상기 온도센서(51)에 의해 냉수의 생산 여부가 결정되며, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 저장된 냉수온도가 상승되면, 상기 제어부(60)에서 히트펌프(5)의 가동 명령을 주고, 상기 제 1,2 매체저장부(21)(22)에 냉수가 저장 완료되면 상기 히트펌프(5)의 가동을 자동으로 정지시킨다.

즉, 상기 제 1,2 펌프(52)(53)는 히트펌프(5)가 가동시에는 지속적으로 연동되며 온도센서(51)의 온도를 감지하여 순환유량을 조정할수 있도록 인버터(Inverter)형 펌프로 설치하여 필요 이상의 유량순환을 억제하여 에너지 절감을 도모하며, 계절적 요소로서 냉방시에는 온수 온도를 가능한 낮게 운용하고, 반대로 동절기 난방전용 운전시에는 냉수 온도를 너무 낮게 운용하므로서 발생할 수 있는 과냉현상에 의한 증발기 동파 방지 및 저효율 운전을 지향하기 위해 히트펌프 출구온도(냉,온수)의 설정값을 조정할수 있도록 상기 제어부(60)가 제어프로그램으로 제어하게 되는 것이다.

도 4는 봄/가을과 같은 환절기에 냉수와 온수를 병행하여 사용하는 경우 제 1 매체저장부(21)은 냉수를 저장하고, 제 2 매체저장부(22)는 온수를 저장할 수 있으며, 상기 제어부(60)에서 환절기 운전모드 설정시 도 1,4와 같이 모든 밸브가 작동하여 히트펌프(5)를 중심으로 생산되는 냉수 및 온수를 저장하면서 사용량의 차이에 의해 잉여된 냉수 또는 온수를 손쉽게 열 밸런스 처리부(50)를 통해 지열공으로 방열 또는 방냉할 수 있어 최소의 열만을 지열과 열교환하고, 이를 통해 지열처리부(10)의 의존도를 줄임은 물론, 그 시스템 운용이 효율적으로 이루어지도록 한 것이다.

즉, 환절기 운전시 제 1 매체저장부(21)의 온도센서(51)와 제 2 매체저장부의 온도센서(51)에 의해 잉여 열량이 발생하는 방향으로 제 2,1 개도밸브(55)(54)가 작동하여 잉여 열량을 지열처리부(10)로 순한시켜 열량을 소진시키는 것이다.

이와같이 본 발명은 일반적인 히트펌프시스템이 냉방 또는 난방중 일방향 운전 중심으로 구성됨에 따라 막대한 시설비를 투자하여 제작된 축열조를 효율적으로 사용할 수 없어 냉방시에는 많은 냉수를 생산 저장해야 함에도 불구하고 제 2 매체저장부(22)를 활용할 수 없으며, 난방시에는 많은 온수를 생산하여 저장해야 하지만 제 1 매체저장부(21)를 폐열 회수용 탱크로 단순 활용해야 하기 때문에 값싼 심야 전기로 많은 온,냉수를 생산 및 저장하여 전기요금이 비싼 주간에 사용하는 축열식의 본질을 해소하지 못하고 있다는 문제점을 개선하려는데 그 특징이 있는 것이다.

이하, 냉,난방의 동작사이클에 대한 설명은 본 발명의 실시예인 도 1 내지 도 3을 참조할수 있어 중복되는 설명을 생략하였다.

한편, 도 9는 본 발명의 다른실시예로, 이는 폐열을 활용하는 냉난방 시스템에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 또 다른실시예는 설치장소에 따라 폐열을 활용하는 것으로, 상기 공급헤더(h1)와 환수헤더(h2)에 하수조 탱크(101)로 오폐수가 유입시 그 오폐수에 의한 폐열을 냉난방의 열원으로 사용하도록 판형 또는 쉘엔튜브(SHELL and TUBE) 방식의 열교환기(102)를 순환관(L16)(L17)을 통해 연결 구성하거나, 변전설비(변압기/AVR/UPS/차단기/Bus-Bar), 발전기 및 동력설비 등의 전력설비(201)에서 발생하는 폐열을 열원으로 사용하도록 순환관(L14)을 통해 연결하거나, 또는 공기를 열원으로 하여 냉,온수의 순환매체를 순환시키는 공기열 히트펌프(301)를 순환관(L15)(15')을 통해 연결 구성하는 한편, 보일러실의 배기부 또는 공동 주택이나 대형건물의 주차장 배기설비, 근생시설의 배기설비 및 실내 환기용 급배기 시설을 활용해 잉여 열량 방출 및 필요 열량 회수를 용이하게 하도록, 배기 송풍기를 포함하는 급/배기 폐열 회수부(401)에 순환관(L18)(L19)를 통해 열교환 시설을 연결하여 배기열(연도가스)을 열원으로 사용할 수 있는 것이다.

이때, 상기 보일러실의 배기열은 온도가 높아 전열교환기나 수냉식 열교환 방식으로 폐열을 확보할 수 있게 되는 것이다.

특히 공기열 히트펌프를 열 밸런스 처리부(50)에 연결하는 방식은 기존의 사고를 초월하여 공기열 히트펌프(301)가 직접열을 생산해야 한다는 고정관념을 탈피한 것으로, 상기 공기열 히트펌프(301)를 지열처리부(10) 대신 사용하는 개념이며, 상기 지열처리부(10)에 비해 투자비가 저렴하면서도 열 방출 효과가 우수하며, 유지 보수가 용이하고, 냉수든 온수든 부족분을 자유롭게 보충해 줄수 있어 지열과 공기열의 조화는 상호간의 단점을 보완할 수 있는 것이다.

일반적으로 지열히트펌프 냉,난방시스템을 구성할 때 지열처리부(10)의 하절기 열 방출 효과에 문제가 많아 냉각탑(cooling Tower)을 설치하고 있으나, 상기 공기열히트펌프(301)를 설치한다면 냉각탑도 필요없고 지열처리부(10)를 축소할수있어 안정적이고 효율적인 냉,난방이 가능하기 때문이다.

또한, 본 발명은 도면으로 도시하지 않았지만, 공장에서 발생하는 폐열을 이용할 수 있는데, 이는 클린룸Clean Room)의 항온. 항습용 온, 냉수 열의 밸런스(Balance)를 이용하거나, 이용가능한 폐열 종류로서 Process Cooling Water, Compressor 냉각수, Scrubber 보일러 배기열, 소각로폐열, 전기실폐열, 작업장폐열 냉동기 냉각수 폐열, 가스터빈 연도가스 폐열등을 다방면으로 이용할 수도 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 히트펌프에 축열 또는 축냉 기능으로 사용되거나 또는 축열 및 축냉 기능으로 이원화되는 복수의 매체 저장부를 연결 구성하는 한편, 복수의 매체 저장부내에 각각 복수의 디퓨저를 구성한 것으로, 이를 통해 축열조(또는 축냉조)의 동시 운전시 발생하는 온도 제어 불안 및 유량 불균형 문제를 해소하고, 지열 및 폐열 이용 설비가 효율성과 내구성면에서 우수하나 시공비가 과다한문제점을 개선하기위해 축열식 양방향 에너지 활용시스템으로 장비 용 량을 최소화하며, 냉수 및 온수의 온도 불균형으로 인해 지열공의 설치수량을 증가시켜야 하는 문제점을 개선하는 한편, 오수나 폐수 방류조의 열량, 전기실의 발열 폐열, 장비(콤프레셔 등)의 폐열 등 산재해 있는 폐 에너지를 최대한 활용하면서 냉난방 시스템의 동작에 따른 지열공 회복시간을 충분히 확보하여 장비 가동효율을 높일수있도록 경제형 지열축열식 냉,난방 설비의 보급확산에 기여하고, 시공비 절감 및 운용기술의 합리화로 소비자 만족도를 향상시켜, 폐열 및 폐가스등 다양한 폐에너지를 시스템적으로 연결함으로써 환경 피해 확산 예방은 물론, 엄청난 경제적 효과를 창출하는 효과를 얻을 수 있도록 하기 위함이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (15)

1. 공기조화기와 난방부 및 급탕부를 포함하는 냉난방 유니트에 증발기와 응축기를 구비한 냉난방용 수열원히트펌프를 연결 구성함에 있어서,

   상기 히트펌프에는 지중에 매설되어 지열을 열원으로 제공하는 지열처리부를 순환관을 통해 연결하는 한편, 냉,온수의 순환매체를 저장하는 제 1,2 매체저장부를 순환관을 통해 병렬로 연결 구성하고,

   상기 제 1,2 매체저장부내에는 냉,온수의 순환매체가 서로 다른 온도층으로 상호 간섭하지 않고 저장되도록 상하부에 각각 이중 구조의 디퓨저를 구성하며,

   상기 디퓨저에는 다단 배열의 순환관을 연결하되, 상기 순환관에는 냉,온수 순환매체의 순환을 위해 개,폐(Open,Close)되는 컨트롤밸브를 구성하고,

   상기 제 1,2 매체저장부와 히트펌프 사이의 순환관에는 냉,온수 순환매체의 온도 불균형으로 발생하는 잉여 열량을 지열처리부로 방출하는 열 밸런스 처리부를 구성하며,

   상기 히트펌프와 컨트롤 밸브 및 열 밸런스 처리부는 제어부에 의해 그 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지열처리부는,

   유속변화를 주어 열교환이 충분한 시간동안 이루어지도록 하는 다수개의 공급관 및, 상기 다수개의 공급관 사이에 위치하면서 그 하측 일단이 연통되어 유속 을 급격히 증가시키면서 지열 회수열량을 손실없이 히트펌프로 이송할수 있도록하는 하나의 회수관으로 분할되는 구조인 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1,2 매체저장부는,

   계절변화에 따라 온수의 순환매체가 저장되는 축열조 또는 냉수의 순환매체가 저장되는 축냉조로 사용되거나, 또는 축열조 및 축냉조로 이원화되어 그 사용이 가능하도록 순환관(배관) 및 제어시스템을 구성으로한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 디퓨저와 같이 부하측과 축열조간 순환매체와 히트 펌프와 축열조간에 순환되는 열매체가 상호간 간섭없이 온도 성층화에 문제가 없도록 하기위한 설비로 상판과 하판 사이에 중간 격리판을 설치한 복층구조의 디퓨저를 구성 으로한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 열 밸런스 처리부는,

   히트펌프에서 생산된 냉수 및 온수가 제 1,2 저장부에 저장되어 냉,난방 및 급탕에 사용하는 동안 사용량의 불균형에 의한 잉여 냉,온수 발생을 제 1, 2 저장부 내부에 설치된 온도센서;

   상기 온도센서로부터 냉,온수의 잉여 열량에 대한 온도 감지시 상기 잉여 열량을 지열처리부로 순환시켜 처리할 수 있도록, 상기 제 1,2 저장부의 순환관에 설치되면서 컨트롤밸브의 개폐 제어가 이루어질 때 제어부의 제어를 받아 개도방향이 자동으로 선택 결정되는 제 1,2 개도밸브; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어용 온도센서를 제 1,2 저장부에 각각 설치하여 축열조 및 축냉조의 온도변화를 중앙제어부와 연동 할수 있게 구성한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1,2 개도밸브는 3-way 자동밸브인 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   냉난방을 위해 상기 공기조화기와 난방부 및 디퓨저에는 리턴라인을 연결하되,

   상기 리턴라인에는 각각 제어부의 제어를 받는 난방 및 냉방용의 제 1,2 압력유지부를 구성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 난방용의 제 1 압력유지부는 제 3 펌프와 제 1 차압밸브 및 제 1 온도조절관을 포함하고, 상기 냉방용의 제 2 압력유지부는 제 4 펌프와 제 2 차압밸브 및 제 2 온도조절관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 3 펌프는 난방 정지시 공기조화기 및 난방부에 공기층이 형성되는 것을 차단하도록 제 1 차압밸브의 닫힘 제어가 이루어진 후 그 구동이 정지(off)되도록 구성하며,

    상기 제 1 차압밸브는 난방 가동시 온수 순환매체를 제 1 온도조절관과 공급관을 통해 공기조화기와 난방부로 순환시켜 배관 압력 유지의 제어동작이 이루어지도록 제 3 펌프의 구동이 이루어진 후 밸브의 열림 동작이 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 4 펌프는 냉방 정지시 제 2 차압밸브의 구동시간동안에 낙수로 인해 공기조화기, 냉방부, 상층부 배관 등에 공기층이 형성되는 것을 차단하도록 제 2 차압밸브의 닫힘 제어가 이루어진 후 그 구동이 정지되도록 구성하며.

    상기 제 2 차압밸브는 냉방 가동시 냉수 순환매체를 제 2 온도조절관 및 공급관을 통해 공기조화기로 순환시켜 압력 유지의 제어동작이 이루어지도록 제 4 펌프의 가동이 시작된 후 밸브의 열림 동작이 이루어지도록 하여 배관수의 낙수로 인한 공기유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 지열처리부에는 공급헤더 및 환수헤더를 연결하되,

    상기 공급헤더 및 환수헤더에는 생활하수, 오폐수, 중수도, 지하수 등 다양한 열원을 난방 또는 냉방에 활용하도록, 판형 또는 쉘엔튜브(SHELL and TUBE) 방식의 열교환기를 순환관을 통해 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 지열처리부에는 공급헤더 및 환수헤더를 연결하되,

    상기 공급헤더 및 환수헤더에는,

    난방시 잉여 냉열원을 외부로 방출하면서 열을 생산하고, 냉방중에는 잉여 온열을 대기로 방열하면서 냉열원을 생산하도록, 공기열 히트펌프를 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
14. 제 1 항에 있어서,

    축냉조 또는 축열조로 사용되는 상기 제 1 매체저장부의 순환관에는 공급헤더 및 환수헤더를 연결하되,

    상기 공급헤더 및 환수헤더에는 폐발열을 열원으로 사용하도록 폐발열을 발생시키는 변전설비(변압기/AVR/UPS/차단기/Bus-Bar), 발전기 냉각수 및 배기열, 콤프레서 냉각수 및 제습장치에서 발생하는 장비폐열을 이용하여 동절기 잉여 냉수 처리 및 양질의 폐열회수를 위한 전력설비를 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방 시스템.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 열 밸런스 처리부에는 제 1,2 개도밸브를 포함하되, 상기 제 1,2 개도밸브는 순환관을 통해 공급헤더 및 환수헤더를 연결하고,

    상기 공급헤더 및 환수헤더에는 보일러실 배기부, 공동 주택이나 대형건물의 주차장 배기설비, 근생시설의 배기설비 및 실내 환기용 급배기 시설을 활용해 잉여 열량 방출 및 필요 열량 회수를 용이하게 하도록, 배기 송풍기에 열교환 시설을 연결 구성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 경제형 냉난방시스템.

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