KR100940809B1 - 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템이 개시된다. 본 발명의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지열교환기; 집단거주시설의 세대별로 마련되며 각 세대의 실내온도를 조절하기 위해 각 세대의 천정에 각각 매립되는 다수의 천정매립형 팬코일유닛; 및 지열교환기 및 다수의 천정매립형 팬코일유닛에 배관으로 연결되며, 집단거주시설의 냉난방을 위한 기계실에 마련되어 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 중앙식 히트펌프유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 집단거주시설의 냉난방을 위해 지열을 이용할 수 있으며, 기계실에 마련되는 중앙식 히트펌프유닛에 의하여 집단거주시설의 냉난방시스템을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

냉난방시스템, 팬코일유닛, 히트펌프, 지열

Description

지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템{Geothermal air-conditioning system of Group living facilities}

본 발명은 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 집단거주시설의 냉난방을 위해 지열을 이용할 수 있으며, 기계실에 마련되는 중앙식 히트펌프유닛에 의하여 집단거주시설의 냉난방 시스템을 효율적으로 관리할 수 있는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템에 관한 것이다.

일반적으로 공조시스템은 사무실 또는 주택 등과 같은 실내 공간의 공기를 냉방하거나 난방하여 실내공간이 쾌적하게 유지되도록 하는 시스템으로, 압축-응축-팽창-증발로 이루어지는 일련의 냉매 사이클을 구성하게 된다.

하지만, 기존 집단주거시설에 설치되었던 냉방시스템인 에어컨디셔너 시스템은, 라인의 길이가 길고, 전체 자동제어 시스템을 적용하기 어려우며, 에너지 소비가 많은 문제점이 있다.

이러한 문제점을 고려하여 최근에는 에너지의 효율적 이용과 생태계 보호 등을 이유로 지열을 이용한 공조시스템 개발에 많은 관심이 집중되고 있는데, 이러한 지열을 이용한 공조시스템은 공해가 없을 뿐만 아니라 계속적인 자연 충전이 가능 하므로 현재 많은 연구 개발이 진행되고 있는 추세이다.

하지만, 현재 지열을 이용한 공조시스템은, 사무실 또는 비닐하우스 등과 같이 소규모 시설에만 적용되고 있으며, 아파트 또는 오피스텔 등의 집단거주시설에는 아직 적용된 바가 없는 실정이다.

따라서, 지열을 이용한 집단거주시설의 공조시스템에 대한 연구개발이 강력히 요구되고 있다.

본 발명의 목적은, 집단거주시설의 냉난방을 위해 지열을 이용할 수 있으며, 기계실에 마련되는 중앙식 히트펌프유닛에 의하여 집단거주시설의 냉난방 시스템을 효율적으로 관리할 수 있는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지열교환기; 집단거주시설의 세대별로 마련되며 각 세대의 실내온도를 조절하기 위해 각 세대의 천정에 각각 매립되는 다수의 천정매립형 팬코일유닛; 및 상기 지열교환기 및 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛에 배관으로 연결되며, 상기 집단거주시설의 냉난방을 위한 기계실에 마련되어 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 중앙식 히트펌프유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템에 의하여 달성된다.

상기 배관은, 상기 지열교환기와 상기 중앙식 히트펌프유닛 사이에 마련되는 지열공급배관; 및 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛과 상기 중앙식 히트펌프유닛 사이에 마련되는 세대온도조절배관을 포함하며, 상기 지열교환기 및 상기 중앙식 히트펌프유닛은 상기 지열공급배관을 따라 흐르는 2차 냉매를 통해 상호 열교환을 하고, 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛 및 상기 중앙식 히트펌프유닛은 상기 세대온도조절배관을 따라 흐르는 냉수를 통해 상호 열교환을 할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 상기 중앙식 히트펌프유닛의 가동정도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 지열공급배관에 마련되어 상기 2차 냉매를 순환시키는 적어도 하나의 2차 냉매순환펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 따른 상기 2차 냉매의 순환량에 기초하여 상기 2차 냉매순환펌프의 가동정도를 제어할 수 있다.

상기 천정매립형 팬코일유닛은, 상기 집단거주시설의 복수 개의 층 중 어느 한 층의 천정과 상기 어느 한 층의 위 층의 바닥벽 사이에 배치되어 상기 어느 한 층의 천정에 매립될 수 있다.

상기 중앙식 히트펌프유닛은, 기체상태의 1차 냉매를 압축하여 압력을 높이는 압축기; 상기 압축기로부터 전달된 상기 1차 냉매를 응축 액화하는 응축기; 상 기 응축기로부터 전달된 액체상태의 상기 1차 냉매의 압력을 낮추는 확장밸브; 및 상기 확장밸브로부터 전달된 액체상태의 상기 1차 냉매를 기화하는 증발기를 포함하며, 상기 압축기, 응축기, 확장밸브 및 증발기는 상기 1차 냉매가 흐르는 히트펌프유닛배관으로 상호 연결될 수 있다.

상기 세대온도조절배관은, 상기 중앙식 히트펌프유닛으로부터 상기 집단거주시설의 각 세대별 천정으로 연장되는 집합공급배관; 상기 집합공급배관으로부터 분기되어 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛에 상기 냉수를 각각 공급하는 다수의 세대공급배관; 상기 중앙식 히트펌프유닛으로부터 상기 집단거주시설의 각 세대별 천정으로 연장되는 집합유출배관; 및 상기 집합유출배관으로부터 분기되어 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛으로부터 상기 냉수가 각각 유출되는 다수의 세대유출배관을 포함할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 집합공급배관으로부터 분기되어 바닥 난방시스템 배관에 연결되는 바닥난방연결배관을 더 포함할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 집합공급배관과 상기 바닥난방연결배관의 연결지점에 마련되어 상기 집합공급배관에 흐르는 상기 냉수의 양을 조절하는 공용유량조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 상기 공용유량조절밸브의 오픈각도를 제어할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 집합공급배관에 마련되어 상기 냉수를 순환시키는 적어도 하나의 냉수순환펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 상기 냉수순환펌프의 가동정도를 제어함으로써 상기 냉수의 순환량을 조절할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 다수의 세대공급배관에 각각 마련되어 각 세대별 상기 냉수의 사용량을 측정하는 다수의 플로우미터를 더 포함할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 다수의 세대유출배관에 각각 마련되는 다수의 온오프밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 집단거주시설의 세대별로 상기 냉수를 흐르게 하거나 흐름을 멈추게 하기 위하여 상기 온오프밸브를 제어할 수 있다.

상기 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템은, 상기 집단거주시설의 세대별로 마련되는 다수의 세대온도조절기를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 다수의 세대온도조절기의 조절온도에 기초하여 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛의 풍량을 조절할 수 있다.

본 발명에 의하면, 지열교환기, 중앙식 히트펌프유닛 및 천청매립형 팬코일유닛에 의하여 집단거주시설의 냉난방을 위해 지열을 이용할 수 있으며, 집단거주시설의 냉난방 시스템을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 개략적인 모식도이며, 도 2는 도 1의 천정매립형 팬코일유닛의 개략적인 모식도이고, 도 3은 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 제어부를 나타낸 개략적인 모식도이며, 도 4는 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 난방원리를 나타낸 개략적인 모식도이고, 도 5는 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 냉방원리를 나타낸 개략적인 모식도이며, 도 6 및 도 7은 도 4의 난방과정을 나타낸 순서도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템(10, 이하 '냉난방시스템')은, 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지열교환기(100)와, 집단거주시설의 각 세대의 실내온도를 조절하는 천정매립형 팬코일유닛(300)과, 지열교환기(100) 및 천정매립형 팬코일유닛(300)에 각각 배관으로 연결되는 중앙식 히트펌프유닛(200, 이하 '히트펌프유닛')을 포함한다.

지열교환기(100)는, 지표면으로부터 일정한 깊이로 시추공을 파고, 이러한 시추공을 통해 고밀도 폴리에틸렌 재질의 U 자형 파이프를 삽입하며, 시추공과 파이프의 사이에는 그라우팅부재를 충진하여 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출 할 수 있는 구성이다. 다만, 본 실시예의 냉난방시스템(10)에 있어서 지열교환기(100)의 실시형식은 필요에 따라 변경가능한 사항으로, 본 발명의 권리범위는 지열교환기(100)의 실시형식에 의하여 제한되지 않는다.

히트펌프유닛(200)은, 고온의 열원을 저온으로 전달하거나, 저온의 열원을 고온으로 전달하는 것으로, 지열교환기(100) 및 천정매립형 팬코일유닛(300)에 배관으로 연결되어 집단거주시설의 세대별로 마련되는 천정매립형 팬코일유닛(300)을 통해 각 세대를 냉방하거나 난방하기 위해 마련되는 구성이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프유닛(200)은, 기체상태의 냉매를 압축하여 압력을 높이는 압축기(210)와, 압축기로부터 전달된 냉매를 응축 액화하는 응축기(220)와, 응축기로부터 전달된 액체상태의 냉매의 압력을 낮추는 확장밸브(230)와, 확장밸브(230)로부터 전달된 액체상태의 냉매를 기화하는 증발기(240)를 포함한다. 또한, 압축기(210), 응축기(220), 확장밸브(230) 및 증발기(240)는 상호 히트펌프유닛배관(250)을 통하여 연결되며, 히트펌프유닛배관(250)에는 상 변환이 일어나는 1차 냉매(R1)가 순환하게 된다.

압축기(210, Compressor)는, 기체를 압축하여 압력을 높이는 기계적 장치로, 증발기(240, Evaporator)로부터 전달되는 고온 저압 기체상태의 1차 냉매(R1)를 고온 고압 기체상태의 1차 냉매(R1)로 변환하는 장치이다.

응축기(220, Condenser)는, 압축기(210)에서 보내온 고온 고압의 1차 냉매(R1)를 응축 액화하여 저온 고압의 액체상태의 1차 냉매(R1)로 상 변환시키는 기계적 장치이며, 확장밸브(230, Expansion valve)는 저온 고압의 액체상태의 1차 냉 매(R1)를 팽창시킴으로써 저온 저압의 액체상태의 1차 냉매(R1)로 변환하는 기계적 장치이다.

증발기(240)는 확장밸브(230)로부터 전달되는 저온 저압의 액체상태의 1차 냉매(R1)를 고온 저압의 기체상태의 1차 냉매(R1)로 상 변환시키는 기계적 장치이며, 이러한 압축기(210), 응축기(220), 확장밸브(230) 및 증발기(240)에 의한 열전달과정은 본 발명의 구체적인 사용예에서 함께 하기로 한다.

천정매립형 팬코일유닛(300)은, 집단거주시설의 세대별로 마련되어 각 세대의 실내온도를 조절하기 위한 구성이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 천정매립형 팬코일유닛(300)은, 집단거주시설의 복수 개의 층 중 어느 한 층의 천정(C)과 위 층의 바닥벽(W) 사이에 마련되며, 팬모터(M)와, 팬모터(M)에 연결되는 코일부(320)와, 세대공급배관(313) 및 세대유출배관(314)에 연결되는 열교환기(330)를 포함한다.

팬모터(M)는 각 세대의 실내로 송풍되는 바람을 생성하기 위한 것이며, 코일부(320)는 의하여 생성된 바람을 각 세대의 실내로 전달하는 것이다. 팬모터(M)는 제어부(600)의 제어에 따라 그 회전량이 결정되며, 이에 따라 코일부(320)를 통해 각 세대로 전달되는 바람의 송풍량도 달라진다. 또한, 필요에 따라 팬모터(M)에는 인버터(미도시)가 연결될 수 있으며, 제어부(600)는 이러한 인버터(미도시)를 제어함으로써 팬모터(M)의 회전량을 조절할 수도 있다.

열교환기(330)는, 세대공급배관(313) 및 세대유출배관(314)을 따라 흐르는 냉수를 통해 천정매립형 팬코일유닛(300) 내의 공기를 가열하거나 냉각하는 것이 다.

일반적으로 아파트 등의 주거공간에 있어서 어느 한 층의 천정과 위 층의 바닥벽 사이의 높이(H2)는 200mm 내외의 범위를 가지는바, 본 실시예의 천정매립형 팬코일유닛(300)은 100mm 내지 150mm의 높이(H1)로 제작됨으로써 천정에 배치되는 다른 배관과의 간섭문제가 발생하지 않게 된다.

천정매립형 팬코일유닛(300)의 주변에는 환기장치(미도시)가 마련될 수 있으며, 이러한 환기장치(미도시)를 환기덕트(미도시)에 연결함으로써 각 세대의 실내공기를 환기할 수 있도록 할 수 있다.

본 실시예의 천정매립형 팬코일유닛(300)은, 천정에 매립되도록 배치되므로 세대별 실내거주공간을 확장시키고, 대규모 집단거주시설의 각 세대에 일괄적으로 마련되므로 집단거주시설의 배관배치를 효율적으로 설계할 수 있는 장점을 제공한다.

한편, 지열교환기(100)와 히트펌프유닛(200)은 지열공급배관(110)에 의하여 상호 연결되며, 히트펌프유닛(200)과 집단거주시설의 세대별로 마련되는 다수의 천정매립형 팬코일유닛(300)은 세대온도조절배관(310)에 의하여 상호 연결된다.

지열공급배관(110)은 지열교환기(100)의 지중에 매립되는 파이프(111)로부터 시작되어, 히트펌프유닛(200)의 응축기(220)에 인접하도록 연장되며, 다시 지중에 매립되는 파이프(112)로 연장되어 전체적으로 하나의 관로(管路)를 이루게 된다. 지열공급배관(110)을 따라서는 2차 냉매(R2)가 흐르게 되며, 지열공급배관(110)은 이러한 2차 냉매(R2)를 통하여 히트펌프유닛(200) 측으로 지열을 전달하거나, 히트 펌프유닛(200)으로부터 열을 전달받아 이를 지중으로 방출하게 된다.

세대온도조절배관(310)은, 히트펌프유닛(200)으로부터 각 세대의 천정으로 연장되는 집합공급배관(311)과, 집합공급배관(311)으로부터 분기되어 다수의 천정매립형 팬코일유닛(300)에 냉수를 전달하는 다수의 세대공급배관(313)과, 히트펌프유닛(200)으로부터 각 세대의 천정으로 연장되는 집합유출배관(312)과, 집합유출배관(312)으로부터 분기되어 다수의 천정매립형 팬코일유닛(300)으로부터 냉수가 각각 유출되는 다수의 세대유출배관(314)을 포함한다.

집합공급배관(311)은, 히트펌프유닛(200)의 증발기(240)에 인접한 일측부로부터 시작된 후 각 세대의 천정으로 각각 연장되어, 세대공급배관(313)을 통해 각 세대에 냉수를 공급하는 배관이며, 집합유출배관(312)은 히트펌프유닛(200)의 증발기(240)에 인접한 타측부로부터 시작된 후 각 세대의 천정으로 각각 연장되어, 세대유출배관(314)을 통해 각 세대로부터 유출된 냉수를 취합하는 배관이다.

또한, 세대공급배관(313)은 집합공급배관(311)으로부터 분기된 후 각 세대의 천정으로 각각 연장 절곡되어 다수의 천정매립형 팬코일유닛(300)에 냉수를 각각 공급하는 배관이며, 세대유출배관(314)은 집합유출배관(312)으로부터 분기되어 다수의 천정매립형 팬코일유닛(300)으로부터 냉수가 각각 유출되는 배관이다.

세대온도조절배관(310)은, 집합공급배관(311)으로부터 시작하여 각 세대별로 마련되는 다수의 세대공급배관(313)으로 연장되고, 천정매립형 팬코일유닛(300)을 거쳐 각 세대별로 마련되는 다수의 세대유출배관(314)으로 연장된 후, 집합공급배관(311)에 연결되는 집합유출배관(312)으로 연장되는바, 지열공급배관(110)과 마찬 가지로 전체적으로 규모가 큰 하나의 관로(管路)를 이루게 된다.

이와 함께, 도 2에 도시된 바와 같이, 세대유출배관(314)에 인접한 위치에는 결로방지배관(315)이 마련되며, 결로방지배관(315)은 열교환기(330)를 통한 열교환시 천정매립형 팬코일유닛(300)에 발생할 수 있는 결로현상을 방지한다.

한편, 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)은 집합공급배관(311)으로부터 분기되어 집단거주시설의 바닥 난방시스템 배관(430)에 연결되는 바닥난방연결배관(420)을 더 포함한다.

일반적으로 집단거주시설에는 세대별로 연장되어 각 세대의 바닥을 난방하는 바닥 난방시스템 배관(430)이 마련되어 있으며, 바닥난방연결배관(420)은 이러한 바닥 난방시스템 배관(430)과 집합공급배관(311)을 상호 연결하는 것이다.

도 1, 도 4 및 도 5에 있어서 바닥 난방시스템 배관(430)은 각 층의 각 세대별로 마련되는 것이며, 도면 공간의 협소함을 이유로 최하층의 세대들을 제외한 상층에 마련되는 바닥 난방시스템 배관(430)의 모습 및 각 세대별로 분기되는 바닥 난방시스템 배관(430)의 모습은 생략하였으며, 기타 바닥 난방시스템 배관(430)에 관한 일반적인 사항은 집단거주시설의 바닥 난방시스템에 널리 적용되는 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

집합공급배관(311)과 바닥난방연결배관(420)의 연결지점에는 공용유량조절밸브(520)가 마련되며, 제어부(600, 도 3 참조)는 공용유량조절밸브(520)의 오픈각도를 제어하여, 집합공급배관(311)에 흐르는 냉수의 유량과 바닥 난방시스템 배관(430)에 흐르는 냉수의 유량을 조절한다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)은, 지열공급배관(110)에 마련되는 적어도 하나의 2차 냉매순환펌프(530)와, 집합공급배관(311)에 마련되는 적어도 하나의 냉수순환펌프(560)와, 각 세대의 세대공급배관(313)에 각각 마련되는 플로우미터(510)와, 각 세대의 세대유출배관(314)에 각각 마련되는 온오프밸브(540)와, 각 세대별로 마련되는 세대온도조절기(550, 도 3 참조)를 더 포함한다.

2차 냉매순환펌프(530) 및 냉수순환펌프(560)는 집단거주시설의 세대수에 따라 다수 개로 마련되는 것이며, 이하에서는 다수 개의 2차 냉매순환펌프(530)와 다수 개의 냉수순환펌프(560)가 마련된 경우를 가정하여 본 발명을 설명한다.

2차 냉매순환펌프(530)는, 지열공급배관(110)을 따라 2차 냉매(R2)를 순환시키는 장치로, 지중에서의 2차 냉매(R2)의 압력과 지상에서의 2차 냉매(R2)의 압력의 차(이하, '차압')를 조절하는 역할을 겸한다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 2차 냉매순환펌프(530)의 주위에는 인버터(570, 도 3 참조)가 배치되며, 이러한 인버터(570)는 제어부(600)의 제어에 따라 2차 냉매순환펌프(530)의 가동정도를 제어함으로써 차압을 일정하게 만들고, 지열공급배관(110)을 순환하는 2차 냉매(R2)의 순환량을 조절한다.

냉수순환펌프(560)는, 집합공급배관(311)에 마련되어 히트펌프유닛(200)에 의하여 냉각되거나 가열된 냉수를 집단거주시설의 각 세대별로 공급하는 역할을 담당한다. 냉수순환펌프(560)는 도 1에 도시된 것과 같이 기계실에 인접한 위치에 별도로 배치되나, 필요에 따라 기계실의 내부에 배치될 수도 있다(미도시).

플로우미터(510, 유량계, Flowmeter)는, 기체나 액체의 유량을 측정하는 장치로, 본 실시예의 경우 각 세대별 냉수의 사용량을 측정하기 위한 것이다. 플로우미터(510)의 측정값에 따라 각 세대별 냉수 사용요금이 부과된다.

온오프밸브(540, On/Off Valve)는 각 세대의 거주자가 설정하는 희망온도에 따라 세대별로 냉수를 흐르게 하거나 그 흐름을 멈추게 하기 위한 것으로, 거주자가 냉방을 희망하여 설정온도를 낮추는 경우, 실내온도가 설정온도보다 높으면 그 세대에는 온오프밸브(540)가 온(on) 상태로 되어 냉수가 흐르게 되며, 그 반대의 경우에는 온오프밸브(540)가 오프(off) 상태로 되어 냉수의 흐름을 멈추도록 한다.

본 실시예의 플로우미터(510)는 세대공급배관(313)에 마련되지만, 세대공급배관(313)이 아닌 세대유출배관(314) 측에 마련될 수도 있고(미도시), 온오프밸브(540)는 세대유출배관(314)에 마련되지만, 세대유출배관(314)이 아닌 세대공급배관(313)에 마련될 수 있다(미도시). 즉, 필요에 따라 플로우미터(510) 및 온오프밸브(540)의 위치는 조정될 수 있다.

세대온도조절기(550, 도 3 참조)는 각 세대의 현재온도를 검출하고 이를 디스플레이하며, 거주자가 희망온도를 설정할 수 있도록 하는 것으로, LCD 디스플레이 화면을 통해 거주자가 현재의 실내온도를 알 수 있도록 하며, 이에 따라 냉난방의 희망정도에 따른 온도를 설정할 수 있도록 마련된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)은, 지열교환기(100), 히트펌프유닛(200), 공용유량조절밸브(520), 2차 냉매순환펌프(530), 온오프밸브(540), 세대온도조절기(550), 냉수순환펌프(560) 및 인버 터(570)를 제어하는 제어부(600)를 더 포함한다.

본 실시예의 경우 제어부(600)는 직접디지털제어 및 분산처리장치(DDC, Direct Digital Control System)로 마련된다.

제어부(600)는, 세대별 냉수 사용량의 합인 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 히트펌프유닛(200)의 가동정도를 단계별로 제어하고, 이에 대응하여 2차 냉매순환펌프(530)에 인접하여 마련되는 인버터(570)를 제어함으로써, 지열교환기(100)로부터 히트펌프유닛(200)으로 연장되는 지열공급배관(110)을 따라 흐르는 2차 냉매(R2)의 순환량을 조절한다.

또한, 제어부(600)는, 세대별 난방 희망온도에 대응하여 공용유량조절밸브(520)의 오픈각도를 제어하며, 세대별 냉난방 희망온도에 대응하여 온오프밸브(540)를 온시키거나 오프시킴으로써 세대별로 흐르는 냉수의 흐름을 차단하거나 차단을 해제한다.

이와 함께, 제어부(600)는, 세대별 냉수 사용량의 합인 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 냉수순환펌프(560)의 가동정도를 조절하여 집합공급배관(311) 및 집합유출배관(312)을 따라 흐르는 냉수의 순환량을 조절하며, 각 세대의 현재실내온도를 체크하고, 세대온도조절기(550)에 입력되는 거주자의 희망온도에 대응하여 각 세대별 실내온도를 조절한다.

즉, 제어부(600)는, 각 세대별 냉난방 희망정도를 고려하여 전체적인 냉난방시스템(10)을 가동시키거나 가동상태를 중지시키게 되며, 냉난방시스템(10)의 가동 또는 가동중지를 위해 지열교환기(100), 히트펌프유닛(200), 공용유량조절밸 브(520), 2차 냉매순환펌프(530), 온오프밸브(540), 세대온도조절기(550), 냉수순환펌프(560) 및 인버터(570)를 제어하는 것이다.

본 실시예의 제어부(600)는, 확장 가능한 I/O 모듈(Input/Output Module)을 포함하며, 다양한 프로토콜 탑재 감시 제어 소프트웨어로 구동되고, 운전 및 감시 소프트웨어의 설치에 따라 다양한 경보 관리 기능을 수행할 수 있도록 구성된다.

이제, 이하에서는 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)에 의한 세대별 냉난방원리를 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 4, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)의 난방원리는 다음과 같다.

집단거주시설의 각 세대 중 적어도 어느 하나의 세대가 난방을 희망하여 자신의 가정에 마련된 세대온도조절기(550)를 통해 실내희망온도를 설정하면, 그 설정 데이터값은 제어부(600)로 전송되며, 제어부(600)의 제어에 따라 히트펌프유닛(200)과 지열교환기(100)가 구동된다.

히트펌프유닛(200)에서는 히트펌프유닛배관(250)을 따라 1차 냉매(R1)가 순환하게 되며, 지열교환기(100)에서는 지열공급배관(110)을 따라 1차 냉매(R1)가 순환하게 된다. 이 경우, 제어부(600)는, 각 세대별 난방 희망정도를 모두 고려하여 2차 냉매순환펌프(530)의 가동대수를 결정하며, 2차 냉매순환펌프(530)에 인접하여 마련되는 인버터(570)에 신호를 입력함으로써 결정된 수만큼의 2차 냉매순환펌프(530)를 가동시킨다.

2차 냉매순환펌프(530)의 가동에 따라 지열교환기(100)와 히트펌프유닛(200) 상호 간에는 열교환이 이루어지게 되며, 제어부(600)는 히트펌프유닛(200)의 운전상태신호를 받아들여 히트펌프유닛(200)이 계속 운전중이라면 2차 냉매순환펌프(530)를 계속 가동시키고, 히트펌프유닛(200)의 운전이 중단된 상태라면 2차 냉매순환펌프(530)의 가동을 중지시킨 후 종국적으로 히트펌프유닛(200)을 멈춘다.

한편, 제어부(600)는 냉수순환펌프(560)를 구동시키며, 히트펌프유닛(200)은 집합공급배관(311) 및 집합유출배관(312) 측으로 열을 전달하게 된다. 일정한 설정온도에 이를 때까지 냉수는 히트펌프유닛(200)으로부터 전달받는 열에 의해 계속 가열되며, 냉수의 온도가 일정한 설정온도에 이른 경우 가열된 냉수는 난방을 희망하는 각 세대의 세대공급배관(313) 측으로 유입된다.

또한, 제어부(600)는 공용유량조절밸브(520)의 오픈각도를 조절하여 바닥 난방시스템 배관(430)과 집합공급배관(311)에 각각 공급되는 냉수의 양을 조절하게 된다.

난방을 희망하는 세대의 세대공급배관(313)으로 공급된 냉수는 천정매립형 팬코일유닛(300)을 거쳐 주위 공기의 온도를 상승시키며, 온도가 상승된 난풍은 팬모터(M)의 회전에 따라 코일부(320)를 거쳐 실내로 송풍된다.

또한 제어부(600)는, 각 세대별로 설정된 난방 희망온도에 기초하여 온오프밸브(540)를 조절하며, 어느 한 세대의 실내온도가 거주자의 난방 희망온도와 일치하는 경우 온오프밸브(540)는 오프상태로 변경되며, 실내온도가 난방 희망온도보다 낮은 경우 온오프밸브(540)는 온 상태로 유지된다.

또한, 제어부(600)는 각 세대별 온오프밸브(540)의 온 또는 오프 상태를 지 속적으로 체크하여 더 이상 히트펌프유닛(200)을 가동시킬 필요가 없는 경우 히트펌프유닛(200)의 운전상태신호를 검출하고 히트펌프유닛(200)이 운전상태가 아니라면 종국적으로 히트펌프유닛(200)의 가동을 멈춘다.

지열교환기(100)와 히트펌프유닛(200), 히트펌프유닛(200)과 세대온도조절배관(310) 상호 간의 열교환 원리는 다음과 같다.

2차 냉매순환펌프(530)의 가동에 따라 2차 냉매(R2)는 지열공급배관(110)을 통해 지상으로 유출되어 히트펌프유닛(200)으로 유입되며, 히트펌프유닛(200)에서는 저온 저압 액체상태의 1차 냉매(R1)가 증발기(240)를 거치면서 고온 저압 기체상태의 1차 냉매(R1)로 상 변환되는데, 상 변환 도중 흡수되는 열은 증발기(240)에 인접하여 마련되는 지열공급배관(110)으로부터 유입된다.

즉, 지열공급배관(110)을 통해 히트펌프유닛(200)으로 유입되는 2차 냉매(R2)의 온도(t1)는, 히트펌프유닛(200)으로부터 유출되는 2차 냉매(R2)의 온도(t2)에 비하여 높으며, 이러한 온도차(t1 - t2)에 해당하는 열은 지중으로부터 흡수되는 것이다.

증발기(240)를 거친 고온 저압 기체상태의 1차 냉매(R1)는 압축기(210)를 거치면서 고온 고압 기체상태의 1차 냉매(R1)가 되며, 다시 응축기(220)를 거치면서 저온 고압 액체상태의 1차 냉매(R1)가 된다. 이 경우, 응축기(220)를 거치면서 방출되는 열은 응축기(220)에 인접한 집합공급배관(311) 및 집합유출배관(312)을 따라 흐르는 냉수로 전달되며, 이에 따라 냉수의 온도가 상승한다.

이러한 온도가 높은 냉수는 세대공급배관(313)을 통해 난방을 원하는 각 세대의 천정매립형 팬코일유닛(300)으로 전달되며, 팬모터(M)의 구동에 따라 온도가 높은 따뜻한 바람(이하, '난풍')을 송풍하게 되는 것이다.

한편, 난방의 경우 제어부(600)는, 각 세대의 난방 희망온도를 고려하여 공용유량조절밸브(520)의 오픈각도를 조절한다. 집단거주시설에는 일반적으로 각 세대별로 연장되는 바닥 난방시스템 배관(430)이 마련되므로, 제어부(600)는 공용유량조절밸브(520)의 오픈각도를 제어함으로써 집합공급배관(311)과 바닥 난방시스템 배관(430)에 흐르는 냉수의 양을 조절하여, 바닥난방의 정도와 천정매립형 팬코일유닛(300)을 통한 난풍의 송풍 정도를 조절하게 된다. 즉, 초가을과 같이 실내온도와 각 세대 거주자의 난방 희망온도의 차이가 크지 않은 경우 제어부(600)는, 공용유량조절밸브(520)를 집합공급배관(311) 측으로 많이 열리도록 함으로써 바닥난방 정도에 비해 천정매립형 팬코일유닛(300)을 통한 난풍의 송풍 정도를 강하도록 한다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)의 냉방원리는 다음과 같다. 난방과 달리 냉방의 경우 공용유량조절밸브(520)는 닫힌 상태로 유지되며, 기타 제어부(600)에 의한 지열교환기(100), 히트펌프유닛(200), 2차 냉매순환펌프(530), 온오프밸브(540), 세대온도조절기(550), 냉수순환펌프(560) 및 인버터(570)의 제어에 관한 사항은 난방의 경우와 동일하므로 이하에서 중복되는 설명은 생략한다.

집단거주시설의 각 세대 중 적어도 어느 하나의 세대가 냉방을 희망하면, 제어부(600)는 그 세대 거주자의 냉방 희망온도를 고려하여, 지열교환기(100) 및 히 트펌프유닛(200)을 구동시킨다. 지중에는 항상 12℃ 내지 15℃ 내외의 일정한 지열이 유지되고 있으며, 2차 냉매(R2)는 지열공급배관(110)을 통해 지상으로 유출되어 히트펌프유닛(200)으로 유입된다.

이 경우, 히트펌프유닛(200)에서는 고온 고압 기체상태의 1차 냉매(R1)가 응축기(220)를 거치면서 저온 고압 액체상태의 1차 냉매(R1)로 상 변환되는데, 상 변환 도중 방출되는 잠열은 응축기(220)에 인접하여 마련되는 지열공급배관(110) 측으로 대류되고, 이에 따라 지열공급배관(110)은 1차 냉매(R1)의 잠열을 수용하여 지중으로 방출시킨다. 즉, 지열공급배관(110)을 통해 히트펌프유닛(200)으로 유입되는 2차 냉매(R2)의 온도(t3)는, 히트펌프유닛(200)으로부터 유출되는 2차 냉매(R2)의 온도(t4)에 비하여 낮으며, 이러한 온도차(t4 - t3)에 해당하는 열이 지중으로 방출된다.

응축기(220)를 거친 저온 고압 액체상태의 1차 냉매(R1)는 확장밸브(230)를 거치면서 저온 저압 액체상태의 1차 냉매(R1)가 되며, 증발기(240)를 거치면서 다시 고온 저압 기체상태의 1차 냉매(R1)로 상 변환된다.

이 경우, 증발기(240)에 인접한 집합공급배관(311) 및 집합유출배관(312)을 따라 흐르는 냉수는 히트펌프유닛배관(250) 측으로 열을 빼앗기며, 이에 따라 냉수의 온도가 하강한다. 이러한 온도가 낮은 냉수는 세대공급배관(313)을 통해 냉방을 원하는 각 세대의 천정매립형 팬코일유닛(300)으로 전달되며, 팬모터(M)의 구동에 따라 온도가 낮은 찬바람(냉풍)을 송풍하게 되는 것이다.

도 4 및 도 5에 있어서, 응축기(220)와 증발기(240)의 위치변화는 1차 냉 매(R1)의 흐름 방향 변화에 따른 것으로, 히트펌프유닛(200) 상에 마련되는 1차 냉매 방향조절밸브(미도시)의 구동에 따라, 냉방의 경우, 도 4의 응축기(220)는 도 5의 증발기(240)로 기능하며, 도 4의 증발기(240)는 도 5의 응축기(220)로 기능한다. 이러한 사항은 종래의 히트펌프와 동일한 것이므로 보다 자세한 설명은 생략한다.

또한, 냉방을 필요로 하는 환경(예컨대 여름 등)임에도 집단거주시설의 적어도 어느 한 세대가 난방을 희망하는 경우, 공용유량조절밸브(520)는 닫힌 상태로 유지되나, 난방을 희망하는 세대에 마련된 바닥 난방시스템 배관(430)에는 별도의 온수가 흐르며, 이에 따라 난방을 희망하는 세대의 바닥을 가열하게 된다. 난방을 희망하는 세대의 바닥 난방시스템 배관(430)을 따라 온수를 흐르도록 하는 방법은 종래의 집단거주시설에 적용된 일반적인 바닥 난방시스템의 내용과 크게 차이가 없으므로 자세한 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 냉난방시스템(10)은, 집단거주시설의 냉난방을 위해 지열을 이용할 수 있으며, 기계실에 마련되는 중앙식 히트펌프유닛(200)에 의하여 집단거주시설의 냉난방 시스템을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 개략적인 모식도이다.

도 2는 도 1의 천정매립형 팬코일유닛의 개략적인 모식도이다.

도 3은 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 제어부를 나타낸 개략적인 모식도이다.

도 4는 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 난방원리를 나타낸 개략적인 모식도이다.

도 5은 도 1의 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템의 냉방원리를 나타낸 개략적인 모식도이다.

도 6 및 도 7은 도 4의 난방과정을 나타낸 순서도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 냉난방시스템 100 : 지열교환기

200 : 중앙식 히트펌프유닛 300 : 천정매립형 팬코일유닛

430 : 바닥 난방시스템 배관 420 : 바닥난방연결배관

510 : 플로우미터 520 : 공용유량조절밸브

530 : 2차 냉매순환펌프 600 : 제어부

Claims (17)

1. 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지열교환기;

   집단거주시설의 세대별로 마련되며, 상기 집단거주시설의 복수 개의 층 중 어느 한 층의 천정과 상기 어느 한 층의 위 층의 바닥벽 사이에 배치되되 상기 어느 한 층의 천정에 매립되어 각 세대의 실내온도를 조절하는 다수의 천정매립형 팬코일유닛;

   상기 지열교환기 및 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛에 배관으로 연결되며, 상기 집단거주시설의 냉난방을 위한 기계실에 마련되어 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 중앙식 히트펌프유닛; 및

   상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 상기 중앙식 히트펌프유닛의 가동정도를 제어하는 제어부를 포함하며,

   상기 배관은,

   상기 지열교환기와 상기 중앙식 히트펌프유닛 사이에 마련되는 지열공급배관;

   상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛과 상기 중앙식 히트펌프유닛 사이에 마련되되, 상기 중앙식 히트펌프유닛으로부터 상기 집단거주시설의 각 세대별 천정으로 연장되는 집합공급배관과, 상기 집합공급배관으로부터 분기되어 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛에 상기 냉수를 각각 공급하는 다수의 세대공급배관과, 상기 중앙식 히트펌프유닛으로부터 상기 집단거주시설의 각 세대별 천정으로 연장되는 집합유출배관과, 상기 집합유출배관으로부터 분기되어 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛으로부터 상기 냉수가 각각 유출되는 다수의 세대유출배관을 포함하는 세대온도조절배관; 및

   상기 집합공급배관으로부터 분기되어 바닥 난방시스템 배관에 연결되는 바닥난방연결배관을 포함하고,

   상기 지열교환기 및 상기 중앙식 히트펌프유닛은 상기 지열공급배관을 따라 흐르는 2차 냉매를 통해 상호 열교환하고, 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛 및 상기 중앙식 히트펌프유닛은 상기 세대온도조절배관을 따라 흐르는 냉수를 통해 상호 열교환하며,

   상기 지열공급배관에는 상기 2차 냉매를 순환시키도록 적어도 하나의 2차 냉매순환펌프가 더 마련되고,

   상기 제어부는,

   상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여, 상기 집합공급배관과 상기 바닥난방연결배관의 연결지점에 마련되어 상기 집합공급배관에 흐르는 상기 냉수의 양을 조절하는 공용유량조절밸브의 오픈각도를 제어하며, 상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 따른 상기 2차 냉매의 순환량에 기초하여 상기 2차 냉매순환펌프의 가동정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 중앙식 히트펌프유닛은,

   기체상태의 1차 냉매를 압축하여 압력을 높이는 압축기;

   상기 압축기로부터 전달된 상기 1차 냉매를 응축 액화하는 응축기;

   상기 응축기로부터 전달된 액체상태의 상기 1차 냉매의 압력을 낮추는 확장밸브; 및

   상기 확장밸브로부터 전달된 액체상태의 상기 1차 냉매를 기화하는 증발기를 포함하며,

   상기 압축기, 응축기, 확장밸브 및 증발기는 상기 1차 냉매가 흐르는 히트펌프유닛배관으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,

    상기 집합공급배관에 마련되어 상기 냉수를 순환시키는 적어도 하나의 냉수순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제어부는,

    상기 집단거주시설의 전체 세대 냉수 사용량에 기초하여 상기 냉수순환펌프의 가동정도를 제어함으로써 상기 냉수의 순환량을 조절하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
14. 제1항에 있어서,

    상기 다수의 세대공급배관에 각각 마련되어 각 세대별 상기 냉수의 사용량을 측정하는 다수의 플로우미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
15. 제1항에 있어서,

    상기 다수의 세대유출배관에 각각 마련되는 다수의 온오프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제어부는,

    상기 집단거주시설의 세대별로 상기 냉수를 흐르게 하거나 흐름을 멈추게 하기 위하여 상기 온오프밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.
17. 제1항에 있어서,

    상기 집단거주시설의 세대별로 마련되는 다수의 세대온도조절기를 더 포함하며,

    상기 제어부는,

    상기 다수의 세대온도조절기의 조절온도에 기초하여 상기 다수의 천정매립형 팬코일유닛의 풍량을 조절하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 집단거주시설용 냉난방시스템.

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