KR200473291Y1 - 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 지하수가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정의 내부에서 수직으로 설치되는 케이싱과; 상기 케이싱 내부에 충진되는 자화사리와; 상기 케이싱에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와; 상기 케이싱의 일측에서 수직으로 설치되는 파이프; 및 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환이 이루어진 물을 상기 파이프를 통해 상기 케이싱 내부로 재투입하는 히트 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 고안에 따르면 암반층에 관정을 형성한 후 관정 내부에 케이싱을 설치치하여 케이싱 내부로 지하수가 유입되도록 하고, 케이싱 내부에 자화사리를 충진한 상태에서 히트펌프에서 회수된 물을 파이프를 통해 케이싱 하단으로 공급하여 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 물을 심정 펌프를 통해 히트펌프로 공급하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용할 수 있다.

Description

설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템{EASILY INSTALLABLE AND OPERABLE TUBE WELL TYPE HEAT PUMP SYSTEM}
본 고안은 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 암반층에 관정을 형성한 후 관정 내부에 케이싱을 설치치하여 케이싱 내부로 지하수가 유입되도록 하고, 케이싱 내부에 자화사리를 충진한 상태에서 히트펌프에서 회수된 물을 파이프를 통해 케이싱 하단으로 공급하여 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 물을 심정 펌프를 통해 히트펌프로 공급하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용하도록 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
온도차에너지는 냉방, 난방, 급탕에 활용할 수 있는 시스템이다.
이러한 온도차에너지는 직접적으로 이용이 불가능하기 때문에 히트펌프 또는 냉동기 등의 열원장치와 열교환을 통해 이용되게 된다. 히트펌프를 사용한 시스템은 해수, 지표수(호수), 하수처리수 모두 공통적이다.
온도차에너지는 연간 온도변화가 대기보다 적은 데, 하계의 최고수온은 최고기온보다 낮아 히트펌프의 냉각수로 적합하고, 일반적으로 사용되는 냉각탑을 사용하여 방열하는 경우보다 효율이 높으며, 동계의 최저수온은 최고기온보다 높아 히트펌프의 열원으로 이용하게 되고, 공기를 사용하는 경우보다 히트펌프의 효율이 우수하다.
그리하여, 이러한 온도차에너지를 동절기에는 히트펌프의 증발기 가열열원으로, 하절기에는 응축기의 냉각열원으로 이용하면 공기를 열원으로 한 히트펌프(EHP 등)에 비해 고효율로 냉온열을 제조하여, 건물 또는 지역열원으로 이용할 수 있다.
온도차에너지 즉, 미활용에너지는 기존의 냉난방시스템에 비해 에너지절약은 물로, 도시 및 지구환경 개선, 전력평준화 효과 등을 기대할 수 있다. 기존의 냉난방시스템에 비해 이산화탄소 발생량을 40~60%정도 줄일 수 있고, 질소산화물(NOx)의 생성을 60~80% 정도 줄일 수 있다.
또한 온도차에너지인 지표수 및 해수의 경우에는 다른 열원과 달리 풍부한 부존량을 가지고 있기 때문에 이용기술의 발전과 더불어 온도차에너지를 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템의 보급이 증가될 것으로 예상된다.
그러나 미활용에너지를 실제적으로 이용하는 데에는 열의 회수 등의 기술적 과제가 존재하고, 이러한 미활용에너지를 적용할 수 있는 각종 기술적 과제가 요구되고 있는 실정이다.
이러한 요구에 부응하기 위해 본 출원인에 의해 국내특허등록 10-1055350호(관정형 히트펌프 시스템)가 출원되어 등록되었다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이 상기 관정형 히트펌프 시스템(10)은 관정(110)과, 심정 펌프(120)와, 히트 펌프(130)로 이루어진다. 도면중 미설명 부호인 101은 펌프이다.
먼저, 관정(110)은 지하수가 유입되도록 지표면에서 수직으로 암반층까지 형성된다.
관정(110)은 외부 케이싱(111)과, 내부 케이싱(113)과, 물 배출 관로(115)와, 물 유입 관로(116)로 구성된다.
외부 케이싱(111)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 암반층까지 수직으로 관입된다. 이때, 외부 케이싱(111)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공(111a)이 형성된다. 또한, 제 1유입공(111a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직한다. 또, 외부 케이싱(111)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
내부 케이싱(113)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되되, 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 외부 케이싱(111) 내부에 설치된다. 이때, 내부 케이싱(113)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공(113a)이 형성된다. 또한, 제 2유입공(113a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직한다. 또, 내부 케이싱(113)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.
물 배출 관로(115)는 내부 케이싱(113)의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 하기에서 설명할 심정 펌프(120)가 연결되고, 타단에 하기에서 설명할 히트 펌프(130)가 연결된다.
물 유입 관로(116)는 외부 케이싱(111)의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 히트 펌프(130)가 연결되어 히트 펌프(130)에서 배출되는 물을 외부 케이싱(111)으로 배출하여 물을 순환시킨다.
한편, 관정(110)은 한 번 설치하며, 내부에 설치되는 심정펌프(120)를 제외하고는 유지보수를 할 수 없는 데, 지하수가 유입되어 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)이 막힐 경우에는 유량변하에 따른 효율 및 시스템 운영에 문제가 발생할 수 있다.
그리하여, 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)의 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공(117a)이 형성된 이물질 제거 관로(117)와, 이물질 제거 관로(117)를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출하는 이물질 제거 수단(119)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기에서, 이물질 제거 수단(119)은 압축 공기를 배출하는 컴프레셔 또는 고압수를 배출하는 고압펌프이다. 또한, 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 여과 사리(콩자갈)을 충진할 수 있다.
그리고, 심정 펌프(120)는 물 배출 관로(115)의 끝단에 설치되어 관정(110) 내에 집수된 지하수를 히트 펌프(130)로 공급한다. 이때, 심정 펌프(120)의 설치 위치는 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하고, 선택에 따라 별도의 위치 조절 장치(미도시)를 이용하여 관리자가 위치를 조절할 수도 있다.
또한, 히트 펌프(130)는 증발기(131), 응축기(133), 압축기(135), 팽창변(137), 사방밸브(139)를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 물 배출 관로(115)를 통해 심정 펌프(120)로부터 공급되는 지하수를 이용하여 냉난방수를 생산하고, 열교환이 이루어진 지하수를 물 유입 관로(116)를 통해 관정(110)으로 배출시킨다.
그러나, 이러한 종래의 관정형 히트펌프 시스템은 내부 케이싱을 설치시 외부 충격에 의해 유입공 형성 위치 상부에서 크랙이 발생하는 경우 물이 크랙을 통해 유입되어 곧바로 심정 펌프를 통해 배출되기 때문에 열교환이 이루어지지 않아 실제 냉방 또는 난방이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암반층에 관정을 형성한 후 관정 내부에 케이싱을 설치치하여 케이싱 내부로 지하수가 유입되도록 하고, 케이싱 내부에 자화사리를 충진한 상태에서 히트펌프에서 회수된 물을 파이프를 통해 케이싱 하단으로 공급하여 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 물을 심정 펌프를 통해 히트펌프로 공급하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용하도록 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 고안은 관정의 자화사리에 부착되는 이물질에 의해 관정이 막히는 경우 압축공기 또는 고압수를 자화사리에 분사하여 이물질을 제거함으로써 시스템 운영시 안정적으로 운영할 수 있도록 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은,
지하수가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정의 내부에서 수직으로 설치되는 케이싱과; 상기 케이싱 내부에 충진되는 자화사리와; 상기 케이싱에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와; 상기 케이싱의 일측에서 수직으로 설치되는 파이프; 및 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환이 이루어진 물을 상기 파이프를 통해 상기 케이싱 내부로 재투입하는 히트 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템은 상기 케이싱 내부에 수직으로 설치되고, 측면에 복수의 배출공이 형성되어 상기 자화사리에 부착된 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하는 이물질 제거 파이프와; 상기 이물질 제거 파이프로 고압수 또는 압축 공기를 공급하는 이물질 제거 수단을 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템은 상기 히트 펌프에서 배출되는 열교환이 이루어진 물에 압력을 가하도록 상기 파이프와 상기 히트 펌프 사이에 설치되는 워터 펌프를 더 포함한다.
여기에서 또, 상기 파이프는 열교환이 이루어진 물이 상기 케이싱 내부로 원활하게 공급되도록 상기 관정의 바닥으로부터 일정 거리 이격된다.
여기에서 또, 상기 케이싱은 상기 자화사리의 이탈을 방지하도록 상단에 메쉬망이 구비된다.
상기와 같이 구성되는 본 고안인 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템에 따르면, 암반층에 관정을 형성한 후 관정 내부에 케이싱을 설치치하여 케이싱 내부로 지하수가 유입되도록 하고, 케이싱 내부에 자화사리를 충진한 상태에서 히트펌프에서 회수된 물을 파이프를 통해 케이싱 하단으로 공급하여 열교환이 이루어지도록 하고, 열교환된 물을 심정 펌프를 통해 히트펌프로 공급하여 히트펌프의 냉난방 열원으로 사용할 수 있다.
또한, 본 고안에 따르면 관정의 자화사리에 부착되는 이물질에 의해 관정이 막히는 경우 압축공기 또는 고압수를 자화사리에 분사하여 이물질을 제거함으로써 시스템 운영시 안정적으로 운영할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 관정형 히트펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 설명도이다.
도 3을 참조하면, 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템(1)은 관정(10)과, 케이싱(20)과, 자화사리(30)와, 심정 펌프(40)와, 파이프(50)와, 히트 펌프(60)와, 이물질 제거 파이프(70)와, 이물질 제거 수단(80)과, 워터 펌프(90)로 구성된다.
먼저, 관정(10)은 지하수가 유입되도록 지표면에서 수직으로 암반층까지 형성된다.
그리고, 케이싱(20)은 금속 또는 합성수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되어 지표면에서 암반층까지 수직으로 관입된다. 여기에서, 케이싱(20)은 하기에서 설명할 자화사리(30)의 이탈을 방지하도록 상단에 메쉬망(21)이 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 자화사리(30)는 콩자갈로서, 케이싱(20)의 내부에 충진되어 이물질을 여과한다.
또, 심정 펌프(40)는 케이싱(20) 내부에서 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하되, 자화사리(30) 상단과 이격 설치되어 집수된 지하수를 하기에서 설명할 히트 펌프(60)로 공급한다. 이때, 심정 펌프(60)의 설치 위치는 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하고, 선택에 따라 별도의 위치 조절 장치(미도시)를 이용하여 관리자가 위치를 조절할 수도 있다.
한편, 파이프(50)는 금속 또는 합성수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되어 케이싱(20)의 일측에서 수직으로 설치되어 히트펌프(60)에서 배출되는 열교환이 이루어진 물을 케이싱(20) 하단으로 공급한다. 여기에서, 파이프(50)는 열교환이 이루어진 물이 케이싱(20) 내부로 원활하게 공급되도록 관정(10)의 바닥으로부터 10m 이내로 이격된다.
그리고, 히트펌프(60)는 증발기(61), 응축기(63), 압축기(65), 팽창변(67), 사방밸브(69)를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 심정펌프(40)로부터 공급되는 지하수를 이용하여 냉난방수를 생산하고, 열교환이 이루어진 물을 파이프(50)를 통해 케이싱(20) 하단으로 배출시켜 케이싱(20) 내부의 지하수와 열교환시키는 것이 바람직하다.
또한, 이물질 제거 파이프(70)는 케이싱(20) 내부에 충진된 자화사리(30)에 부착된 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하도록 측면에 복수의 배출공(71)이 형성된다.
또, 이물질 제거 수단(80)은 이물질 제거 파이프(70)를 통해 고압수 또는 압축 공기를 배출한다. 여기에서, 이물질 제거 수단(90)은 압축 공기를 배출하는 컴프레셔 또는 고압수를 배출하는 고압펌프이다.
한편, 워터 펌프(90)는 히트 펌프(60)에서 배출되는 열교환이 이루어진 물에 압력을 가하도록 파이프(50)와 히트 펌프(60) 사이에 설치된다. 여기에서, 워터 펌프(90)는 히트 펌프(60)에서 배출되는 열교환이 이루어진 물을 저장조(미도시)에 저장시킨 후 이를 파이프(50)로 압송할 수도 있다.
이하, 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이고, 도 5는 본 고안에 따른 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
《냉방》
먼저, 관정(10) 내부로 지하수가 유입되어 관정(10) 내부에 집수가 이루어진다.
이때, 지하수는 하절기의 경우 대기온도보다 낮은 지열에 의해 대기온도보다 낮아지게 된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(40)가 동작되면 심정 펌프(40)를 통해 히트 펌프(60)의 응축기(63)로 지하수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(60)의 응축기(63)에 공급된 지하수가 기체인 냉매를 응축하기 위한 냉각수 역할을 수행하고, 온도가 3~5℃정도 상승된 후 파이프(50)와 워터 펌프(90)를 통해 케이싱(20) 하단으로 배출된다. 이때, 지하수의 온도가 대기온도보다 낮기 때문에 히트펌프 효율(COP : 5.0 이상)이 우수하다.
그리고, 케이싱(20)으로 배출된 물은 다시 지하수와 열교환되어 케이싱(20)으로 유입된 후 심정 펌프(40)를 통해 히트 펌프(60)로 순환된다.
한편, 자화사리(30)의 표면에 스케일이나 토사 같은 이물질로 부착되는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(80)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(80)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 파이프(70)에 형성된 복수의 배출공(71)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 케이싱(20)에 충진된 자화사리(30)의 표면에 부착된 이물질을 제거한다.
히트 펌프(60)에서 생산된 냉수(약 5℃)는 부하측에 공급하여 냉방을 수행하게 된다.
《난방》
먼저, 관정(10) 내부로 지하수가 유입되어 관정(10) 내부에 집수된다.
이때, 지하수는 동절기의 경우 대기온도보다 높은 지열에 의해 대기온도보다 높게 유지된다.
이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(40)가 동작되면 심정 펌프(40)를 통해 히트 펌프(60)의 증발기(61)로 지하수가 공급된다.
그러면, 히트 펌프(60)의 증발기(61)에 공급된 지하수가 액체인 냉매를 증발하기 위한 열원 역할을 수행한 후 온도가 3~5℃정도 하강된 후 파이프(50)와 워터 펌프(90)를 통해 케이싱(20) 하단으로 배출된다. 이때, 지하수의 온도가 대기온도보다 지하수의 온도가 대기온도보다 높게 유지하기 때문에 히트펌프 효율(COP : 3.0이상)이 우수하다.
히트 펌프(60)에서 생산된 온수(약 50℃)는 부하측에 공급하여 난방을 수행하게 된다.
그리고, 케이싱(20)으로 배출된 물은 다시 지하수와 열교환되어 케이싱(20)으로 유입된 후 심정 펌프(40)를 통해 히트 펌프(60)로 순환된다.
한편, 자화사리(30)의 표면에 스케일이나 토사 같은 이물질로 부착되는 경우 관리자는 이물질 제거 수단(80)을 동작시킨다.
그러면, 이물질 제거 수단(80)에서 발생된 고압수 또는 압축 공기가 이물질 제거 파이프(70)에 형성된 복수의 배출공(71)을 통해 배출된다.
이로 인해 고압수 또는 압축 공기가 케이싱(20)에 충진된 자화사리(30)의 표면에 부착된 이물질을 제거한다.
본 고안은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 고안의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 고안은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 고안의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 관정 20 : 케이싱
30 : 자화사리 40 : 심정 펌프
50 : 파이프 60 : 히트 펌프
70 : 이물질 제거 파이프 80 : 이물질 제거 수단
90 : 워터 펌프

Claims (5)

  1. 지하수가 유입되도록 지표면에서 수직으로 암반층까지 형성되는 관정과;
    상기 관정의 내부 내측면에서 수직으로 설치되는 케이싱과;
    상기 케이싱 내부에 충진되는 자화사리와;
    상기 케이싱 내부에서 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하되, 상기 자화사리의 상단과 이격 설치되어 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와;
    상기 케이싱의 일측에서 수직으로 설치되되, 열교환이 이루어진 물을 상기 케이싱 내부로 원활하게 공급하도록 상기 관정의 바닥으로부터 10m 이내에 위치하는 파이프; 및
    상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환이 이루어진 물을 상기 파이프를 통해 상기 케이싱 내부로 재투입하는 히트 펌프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템은,
    상기 케이싱 내부에 수직으로 설치되고, 측면에 복수의 배출공이 형성되어 상기 자화사리에 부착된 이물질을 고압수 또는 압축 공기를 통해 제거하는 이물질 제거 파이프와;
    상기 이물질 제거 파이프로 고압수 또는 압축 공기를 공급하는 이물질 제거 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템은,
    상기 히트 펌프에서 배출되는 열교환이 이루어진 물에 압력을 가하도록 상기 파이프와 상기 히트 펌프 사이에 설치되는 워터 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱은,
    상기 자화사리의 이탈을 방지하도록 상단에 메쉬망이 구비되는 것을 특징으로 하는 설치 및 운용이 용이한 관정형 히트펌프 시스템.
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