KR101170712B1 - 지열을 이용한 가스엔진히트펌프 냉난방 시스템 - Google Patents

지열을 이용한 가스엔진히트펌프 냉난방 시스템 Download PDF

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이찬용
강유경
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(주)지이엔지니어링
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Abstract

본 발명은, 실내 열교환기를 포함하는 실내기, 상기 실내기로부터 배관 연결되어 실외 열교환기측으로 이어지는 것으로 송풍휀을 구비하는 실외기, 상기 실내기 내부에 포함되는 것으로, 가스히트엔진펌프와 연결되어 실내기측으로 유동되는 냉매를 열교환시키고 동시에 실외기측으로 유동되는 냉각수를 열교환시키는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에 있어서,
상기 가스엔진히트펌프로부터 배관을 따라 상기 실외기의 실외열교환기측으로 유동되는 냉각수의 회로에서 지열열교환기측으로 연결되는 삼방밸브를 구비하여,
난방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 차단하여, 상기 가스엔진히트펌프로부터 실외열교환기측으로 냉각수가 유동되도록 제어하고,
냉방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 개방하여, 상기 가스엔진히트펌프를 통과한 냉각수가 상기 지열열교환기측으로 유동되어 지중의 냉열과 열교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 것으로,
가스엔진히트펌프를 이용한 냉난방장치에서, 냉방시 과열된 냉각수를 실외 열교환기에서 방열시켜 실외 열교환기가 응축을 하는데 방해되는 요소를 차단할 수 있도록 자연열인 지열을 이용하여 냉방시 불필요한 실외기 휀의 동력 및 부피를 줄일 수 있도록 하여, 전체적인 운전에 따른 유지 비용의 절감은 물론, 냉방성능의 효율성을 높여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 효과와 함께, 겨울철에 지열을 이용하여 보일러 급수를 가열하는 보조 열원으로의 사용이 가능하도록 하므로서, 급탕보일러의 급탕 효율성을 증대 시킬 수 있는 효과를 갖는, 지열을 이용한 가스엔진히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.

Description

지열을 이용한 가스엔진히트펌프 냉난방 시스템{USING A GAS ENGINE HEAT PUMP GEOTHERMAL HEATING AND COOLING SYSTEMS}
본 발명은 가스엔진히트펌프를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 지열을 이용하는 회로를 구성하여 냉방성능의 상승은 물론, 급탕 보일러에 적용할 때에 급탕 효율이 상승되도록 하여 에너지 효율성을 극대화시키기 위한 지열을 이용한 가스엔진히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.
히트펌프(Heat Pump)란, 낮은 온도의 열로부터 열을 흡수하고 이를 높은 온도의 열을 전달하는 것을 지칭하는 것으로, 보통 저온의 열을 사용하는 것을 냉방기라 불리우며, 고온의 열을 사용하는 것을 일반적으로 히트펌프라 칭하고 있다.
이러한 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 방식에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등 여러가지 방식이 있는데, 특히 압축기를 구동하는 동력원으로 모터를 사용하는 것을 전기식히트펌프(EHP; Electric Heat Pump)라 칭하고, 압축기 구동으로 가스엔진을 이용하는 것을 가스엔진히트펌프(GHP; Gas engine Heat Pump)라 칭하고 있다.
일반적으로 가스엔진히트펌프 시스템(GHP) 방식은 가스터빈을 이용하는 방식과 엔진을 이용한 방식이 주류를 이루는데, 상기 가스터빈이나 가스엔진의 구동력에 의해 압축기를 운전하여 난방 또는 냉방하는 방식을 일컫는다.
또한 일반 전기식히트펌프(EHP; Electric Heat Pump)와 가스엔진히트펌프시스템은 큰 차이는 없으나 상기 전기식히트펌프(EHP)는 2차에너지인 전기에 의해 운전되고 가스엔진히트펌프시스템(GHP)는 1차 에너지인 가스에 의해 구동되는 점에서 차이가 있다.
이러한 가스엔진히트펌프시스템(GHP)는 1차 에너지 연소시 나오는 배열을 난방에 활용할 수 있어 난방효율이 전기식히트펌프(EHP) 방식에 비해 높은 장점이 있고, 여름철 냉방용 전력 수요에 대한 억제효과도 있어 비교적 국가에너지 정책에도 부합되는 냉방 방식이라 할 수 있다.
상기와 같은 효과를 갖는 가스엔진히트펌프(GHP; Gas engine Heat Pump)는 가스를 연소시키며 회전력을 발생시키는 가스엔진과, 상기 가스엔진에서 발생한 회전력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축기를 구비하는 것으로, 압축기에 의해 압축된 냉매가 냉방사이클 구성요소들을 순환하면서 실내 공간의 냉,난방을 수행할 수 있도록 하고 있다.
즉, 상기한 가스엔진히트펌프(GHP)를 이용하는 경우 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기 등으로 구성되는 일반적 구성에서, 압축기를 이용하여 냉매를 응축기 팽창밸브, 증발기 등의 폐회로를 순환시키면 냉매가 액체-기체-액체로 상태 변화되면서 응축기로부터는 열을 외부에 방출하고, 증발기에서는 외부의 열을 흡수하여 응축기를 가열원으로 증발기를 냉각원으로 이용하게 된다.
이러한 냉방사이클을 역으로 운전할 때 냉방사이클은 난방사이클로 변환하게 되는데, 냉방사이클을 난방사이클로 전환 운전하고자 할 경우에는, 압축기로부터 발생되는 고온 고압의 냉매를 열교환기 즉 실내기 방향으로 흐르도록 4방향 밸브로 회로를 전환하도록 한다.
특히 냉방시에는 과열된 엔진냉각수를 별도로 냉각하여야 되므로 공랭식휀의 크기가 커지게 되고 또한 전기소비동력 및 냉방성능이 저하되는 등의 문제점이 지적되고 있다.
즉, 겨울철에 가스엔진을 이용하여 난방하고자 할 경우 가스엔진을 냉각하고 나온 과열된 냉각수를 실외열교환기에서 상대적으로 낮은 냉각수의 온도를 상승시켜 증발효과를 증대시키도록 하므로서 난방성능을 상승시키도록 하나, 이와는 달리 여름철에 냉방시에는 과열된 냉각수를 실외열교환기에서 방열시켜 실외열교환기가 응축하도록 하는 과정을 억제하는 역할을 하는 문제가 있다.
특허등록 제 10-0496895 호(2005. 6. 23 공고)
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 가스엔진히트펌프를 이용하는 냉난방시스템에서, 여름철 냉방시 과열된 냉각수를 실외열교환기에서 방열시켜 응축되도록 하는 과정에서 실외 온도가 높아 냉각수의 응축작용이 원할치 않은 문제를 지열을 이용하여 해소토록 하므로서 냉방시 실외기휀의 동력 및 부피를 줄이도록 하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 겨울철의 난방시스템 가동시 상대적으로 따뜻한 온도를 유지하는 지열을, 보일러 급수를 가열하는 보조열원으로 사용하여 지열을 가스엔진히트 펌프 냉난방기에서의 냉방 성능 향상은 물론, 급탕 보일러에서의 효율성을 개선하여 에너지를 절감할 수 있도록 하는 데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
실내 열교환기를 포함하는 실내기, 상기 실내기로부터 배관 연결되어 실외 측으로 이어지는 것으로 송풍휀, 실외열교환기, 가스엔진히트펌프를 구비하는 실외기와 연결되어 실내기측으로 유동되는 냉매를 열교환시키고 동시에 실외열교환기측으로 유동되는 냉각수를 열교환시키는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에 있어서,
상기 가스엔진히트펌프로부터 배관을 따라 상기 실외기의 실외열교환기측으로 유동되는 냉각수의 회로에서 지열열교환기측으로 연결되는 삼방밸브를 구비하여,
난방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 차단하여, 상기 가스엔진히트펌프로부터 실외열교환기측으로 냉각수가 유동되도록 제어하고,
냉방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 개방하여, 상기 가스엔진히트펌프를 통과한 냉각수가 상기 지열열교환기측으로 유동되어 지중의 냉열과 열교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 가스엔진히트펌프를 이용한 냉난방장치에서, 냉방시 과열된 냉각수를 실외 열교환기에서 방열시켜 실외 열교환기가 응축을 하는데 방해되는 요소를 차단할 수 있도록 자연열인 지열을 이용하여 냉방시 불필요한 실외기 휀의 동력 및 부피를 줄일 수 있도록 하여, 전체적인 운전에 따른 유지 비용의 절감은 물론, 냉방성능의 효율성을 높여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 기대할 수 있다.
아울러 본 발명은, 겨울철에 지열을 이용하여 보일러 급수를 가열하는 보조 열원으로의 사용이 가능하도록 하므로서, 급탕보일러의 급탕 효율성을 증대 시킬 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에서의 실내 난방 상태를 나타낸 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에서의 난방 회로 흐름을 도시한 도면
도 2는 본 발명에서의 실내 냉방 상태를 나타낸 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에서의 난방 회로 흐름을 도시한 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부하는 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 도 1 내지 도 2 에서 보는 바와 같이, 가스엔진히트펌프를 이용한 냉난방시스템에 관한 것으로 특히 지열열교환기(200)를 이용하여 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우 실내의 난방을 위한 경우와 여름철과 같이 기온이 높은 경우 실내를 냉방하기 위한 경우에 선택적으로 상기 지열열교환기(200)의 선택 절환이 가능하도록 한 가스엔진히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 제공한다.
가스엔진히트펌프를 이용하는 냉난방시스템의 개괄적인 구성을 설명하면 도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 냉난방기(100)는 실내기(110)와 실외기(120)로 구분된다.
상기 실내기(110)에는 냉기 또는 온기를 발산하는 실내 열교환기(111)와 상기 실내 열교환기(111)의 발산열을 실내로 공급하는 송풍기(도면상 미도시)로 구성된다.
또한 상기 실외기(120)에는 실내기(110)와 연결되는 압축기를 포함하는 실외 열교환기(121)와, 내부의 열을 외부로 발산하는 송풍기로 구성되는 것은 일반적이라 할 수 있다.
여기서 상기 실내기(110)의 실내 열교환기(111)를 냉매가 순환하는 냉매관(112)이 연결되어 있는데, 상기 냉매관(112) 내부를 유동하는 냉매의 열교환을 위한 판형 열교환기(115)가 실외기(120) 내부에 구비되어 있고, 상기 냉매관(112)에 구비되는 사방밸브(113)를 통해 냉방시에는 실외열교환기(121)를 거쳐 실내측 팽창밸브(114)에서 저온, 저압의 냉매가 실내열교환기(111)에서 열교환되어 냉방이 되고, 난방시에는 사방밸브(113)를 통해 실내열교환기(111)로 고온, 고압의 냉매를 보내 난방을 하는 구조를 갖게 된다.
아울러 상기 실외기(120)의 내부에는 상기 냉매관(112)을 유동하는 냉매와 열교환하기 위해, 판형 열교환기(115)측으로 냉각수를 유동하기 위한 냉각수 회로를 구성하게 된다.
상기 가스엔진히트펌프(130)는 냉각수를 유동시키기 위한 것으로, 도 1 에서 보는 바와 같이 냉각수배관(131)을 통해 냉각수가 유동되어지되 냉각수삼방밸브(132)의 제어에 의해 상기 판형 열교환기(115)측으로 유동되어 냉각수와 냉매간 열교환이 이루어지도록 하고, 아울러 냉각수배관(131)과 실외기(120)의 실외열교환기(121)와 연결되도록 하여 냉각수배관(131)측으로부터 실외열교환기(121)측으로 유동되는 냉각수의 흐름을 제어하기 위한 전동삼방밸브(133)를 구비한다.
상기 전동삼방밸브(133)는 지열열교환기(200)측으로 이어지는 지열냉각수배관(210)과 연결되어, 전동상방밸브(133)의 제어에 의해 냉각수가 지열열교환기(200)측으로 유동되는 것을 제어한다.
한편 상기 지열열교환기(200)는 전술한 바와 같이 가스엔진히트펌프(130)를 통해 유동 되는 냉각수가 유입되거나 또는 유입이 차단될 수 있는데, 냉각수가 유입될 경우 유입된 냉각수와의 열교환이 이루어지도록 하기 위해 지열열교환기(200)측으로 지열을 갖는 작동유체가 유입 순환되도록 하기 위한 지열순환펌프(220)를 구비하고, 아울러 지열열교환기(200) 내부에서 지열을 갖는 작동유체와 냉각수간 열교환에 의해 온도가 상승 되는 것을 이용하여, 별도의 보일러배관(231)을 통하여 보일러급수펌프(230)를 이용하여 온수로의 활용이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기한 구성을 갖는 본 발명을 이용하여 먼저 도 1을 참조하여 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에서 난방시의 회로 흐름을 설명한다.
도 1은 동절기 사용상태인 실내 난방 상태를 나타낸 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에서의 난방 회로 흐름을 도시한 도면으로, 본 발명의 냉난방 시스템을 통해 실내를 난방할 경우에, 사용자의 외부 조작에 따라 제어부(미도시)를 난방모드로 선택하게 되면, 실내기(110)에서는 온풍이 발산하게 된다.
즉, 상기 실내기(110)를 구성하는 실내 열교환기(111)는 온열을 발산하기 위해 응축 작용을 하게 되고, 상기 실외 열교환기(121)는 냉기를 외부로 방출하는 증발 작용을 수행하게 된다.
이 과정에서 가스엔진히트펌프(130)의 가스엔진을 냉각하고 있는 온도가 상승된 상태의 냉각수가 배기열을 회수하고 전동삼방밸브(133)가 지열열교환기(200)측으로 유동되는 냉각수를 차단하고, 실외기(120)의 실외 열교환기(121)측으로 유동되도록 하여, 난방 효율을 높일 수 있도록 하고 있으며, 실외 열교환기(121)에서 냉각된 냉각수는 전동삼방밸브(133)을 통해 냉각수순환펌프(134)측으로 유입되어 가스엔진히트펌프(130)의 가스엔진(135)을 냉각하는 과정을 반복 수행하게 된다.
이때, 지열열교환기(200)는 지열순환펌프(220)를 통해 지열을 포함하는 작동유체가 순환되는 상태에 있게 되도록 하며, 지열열교환기(200)의 용매와 열교환되도록 한다.
이와 같이 지열열교환기(200)의 용매와 열교환된 지열을 포함하는 작동유체는 지열순환펌프(220)를 통해 유출되고, 온도가 상승된 용매는 지열열교환기(200)와 연결되는 별도의 보일러급수펌프(230)를 이용하여, 온수를 외부로 공급할 수 있게 된다.
한편, 이와는 달리 상기한 구성을 갖는 본 발명을 이용하여 도 2를 참조하여 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에서 냉방시의 회로 흐름을 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에서 하절기의 사용 상태인 실내 냉방상태를 도시한 회로도로, 본 발명의 냉난방장치를 통해 실내를 냉방할 경우, 사용자는 외부 조작에 의해 도시하지 않은 제어부를 냉방모드로 선택 전환하게 된다.
이와 같이 냉방모드로 전환되면, 상기 실내기(110)를 구성하는 실내 열교환기(111)는 냉열을 발산하는 증발 작용을 수행하게 되고, 상기 실외에 구비되어 있는 실외 열교환기(121)는 열기를 외부로 방출하는 응축 작용을 수행하게 된다.
여기서 상기 실외 열교환기(121)는 고온의 냉각수를 냉각하여야 하므로, 이에 따른 휀모터의 회전수를 상당히 요구하게 되어 전기동력의 과도한 사용이 불가피하게 된다.
따라서 본 발명은 이를 해소하기 위해, 가스엔진히트펌프(130)에서 냉각을 하고 유동하는 고온의 냉각수를 상기 실외 열교환기(121)측으로 유동하여 응축하기 전에, 전동삼방밸브(133)를 조작하여 지열열교환기(200)측으로 냉각수가 유동되도록 제어하므로서, 고온의 냉각수가 지열열교환기(200)측으로 유동되도록 한다.
이와 같이 지열열교환기(200)측으로 유입된 고온의 냉각수는 지열순환펌프(220)에 의해 공급되는 지열을 갖는 작동유체와 열교환되어 방열되도록 한다.
상기와 같이 작동유체에 고온의 냉각수가 방열되며 열교환 된 후에는, 냉각수순환펌프(134)에 의해 다시 가스엔진히트펌프(130)의 가스엔진(135)측으로 유입되어 가스엔진(135)을 냉각하는 일련의 과정을 거치게 된다.
100; 냉난방기 110; 실내기
111; 실내 열교환기 112; 냉매관
113; 사방밸브 114; 팽창밸브
120; 실외기 121; 실외 열교환기
130; 가스엔진히트펌프 131; 냉각수 배관
132; 냉각수 삼방밸브 133; 전동삼방밸브
134; 냉각수순환펌프 135; 가스엔진
200; 지열열교환기 210; 지열냉각수 배관
220; 지열순환펌프 230; 보일러급수펌프
231; 보일러배관

Claims (4)

  1. 실내 열교환기를 포함하는 실내기, 상기 실내기로부터 배관 연결되어 실외 측으로 이어지는 것으로 송풍휀, 실외열교환기, 가스엔진히트펌프를 구비하는 실외기와 연결되어 실내기측으로 유동되는 냉매를 열교환시키고 동시에 실외기측으로 유동되는 냉각수를 열교환시키는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템에 있어서,
    상기 가스엔진히트펌프로부터 배관을 따라 상기 실외기의 실외열교환기측으로 유동되는 냉각수의 회로에서 지열열교환기측으로 연결되는 삼방밸브를 구비하여,
    난방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 차단하여, 상기 가스엔진히트펌프로부터 실외열교환기측으로 냉각수가 유동되도록 제어하고,
    냉방시에는 상기 지열열교환기측으로 연결된 삼방밸브를 개방하여, 상기 가스엔진히트펌프를 통과한 냉각수가 상기 지열열교환기측으로 유동되어 지중의 냉열과 열교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    동절기 사용상태에서 난방모드로의 전환시, 실내 열교환기는 온열을 발산하기 위해 응축 작용을 하고, 상기 실외 열교환기는 냉기를 외부로 방출하는 증발 작용을 수행하도록 하기 위해, 상기 가스엔진히트펌프의 가스엔진을 냉각한 냉각수의 배기열을 회수하고 전동삼방밸브가 지열열교환기측으로 유동되는 냉각수를 차단하고, 상기 냉각수를 실외기의 실외 열교환기측으로 유동되도록 하여, 실외 열교환기에서 냉각된 냉각수는 상기 전동삼방밸브을 통해 냉각수순환펌프측으로 유입되어 가스엔진히트펌프의 가스엔진을 냉각하는 과정을 반복 수행하는 것을 포함하는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지열열교환기는 지열순환펌프를 통해 지중의 지하수가 순환되는 상태에 서 상기 지열열교환기와 연결되는 보일러급수펌프를 이용하여 상기 지열열교환기의 용매와 열교환된 온수가 외부로 공급되도록 하는 것을 포함하는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하절기 사용상태에서 냉방모드로의 전환시, 상기 실내기를 구성하는 실내 열교환기는 냉열을 발산하는 증발 작용을 수행하고, 상기 실외 열교환기는 열기를 외부로 방출하는 응축 작용을 수행하기 위해, 상기 가스엔진히트펌프에서 냉각을 하고 유동하는 고온의 냉각수는 상기 실외 열교환기측으로 유동하여 응축하기 전에, 전동삼방밸브를 조작하여 상기 지열열교환기측으로 냉각수가 유동되도록 제어하여 지열순환펌프에 의해 공급되는 지중의 지하수와 열교환되며 방열된후, 상기 실외열교환기측으로 유동되어, 실내기의 실내 열교환기를 통과한 냉매와 열교환되도록 한 후, 냉각수순환펌프에 의해 상기 가스엔진히트펌프의 가스엔진을 냉각하는 과정을 반복 수행하는 것을 포함하는 가스엔진히트펌프 냉난방시스템.



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