KR20190081516A

KR20190081516A - 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템

Info

Publication number: KR20190081516A
Application number: KR1020170184118A
Authority: KR
Inventors: 윤태일; 이상훈
Original assignee: 윤태일; 이상훈
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-09
Also published as: KR102019223B1

Abstract

개시되는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템이 심부 지열 냉온 공용 지열공과, 고단 압축기 유입 온도 감지 부재와, 고단 압축기 유입측 과냉각 부재를 포함함에 따라, 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재에서 감지된 고단측 냉매의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 중간 열교환기를 경유한 상기 고단측 냉매가 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재에서 지열공측 바이패스관을 따라 유동된 지열 교환 냉매와 열교환되면서 과냉각된 상태로 소용량 고단 압축기로 유입될 수 있으므로, 상기 소용량 고단 압축기로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 수 있는 장점이 있다.

Description

소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템{Cascade heatpump system for making both cold water and steam comprising small high level compressor and enhanced geothermy cold and hot geothermy punching}

본 발명은 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템에 관한 것이다.

냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템은 냉수와 스팀을 동시에 생산할 수 있는 것으로서, 저단측 원수가 냉수로 변환되도록 상기 저단측 원수와 저단측 냉매가 열교환되는 저단 열교환기와, 상기 저단측 열교환기에서 형성된 상기 냉수가 저장될 수 있는 냉수 저장 탱크와, 상기 저단 열교환기에서 열을 수득한 상기 저단측 냉매가 압축되는 저단 압축기와, 상기 저단 압축기에서 압축된 상기 저단측 냉매가 방열되도록, 상기 저단측 냉매와 고단측 냉매가 열교환되는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기에서 방열된 상기 저단측 냉매가 팽창되는 저단 팽창 밸브와, 상기 중간 열교환기에서 열을 수득한 상기 고단측 냉매가 압축되는 고단 압축기와, 상기 고단 압축기에서 압축된 상기 고단측 냉매가 방열되고 고단측 원수가 스팀이 되도록 상기 고단측 냉매와 상기 고단측 원수가 열교환되는 고단 열교환기와, 상기 고단 열교환기에서 방열된 상기 고단측 냉매가 팽창되는 고단 팽창 밸브와, 상기 고단 열교환기에서 형성된 상기 스팀이 저장되는 스팀 저장 탱크를 포함한다.

한편, 일반적으로 대략 지중 400m 지점에서는 지중 온도가 대략 23℃ 정도가 되고, 대략 지중 1km 지점에서는 지중 온도가 40℃ 정도가 된다. 이러한 지중 1km 지점 또는 그보다 더 아래 지중의 심부에 존재하는 지열을 심부 지열이라고 하는데, 이러한 심부 지열을 이용하는 종래 시스템의 예로 제시될 수 있는 것들이 아래 제시된 특허문헌의 그 것이다.

상기 고단 압축기가 대용량인 경우 압축을 위한 부분과 구동을 위한 부분이 서로 분리된 분리형 타입이어서, 그 적용에 한계가 있고, 그에 따라 상기 고단 압축기로 50kW 이하 출력의 소용량이 적용되어지고 있다.

이러한 소용량 고단 압축기의 예로 제시될 수 있는 것이 댄포스 사의 PSH 모델 등이다.

그러나, 소용량 고단 압축기의 경우, 그 허용되는 흡입 온도가 제한되는데, 이러한 허용 흡입 온도를 넘는 냉매가 소용량 고단 압축기로 유입되는 경우, 압축기가 제대로 작동되지 못할 뿐만 아니라, 심한 경우 고장의 원인이 될 수 있으므로, 소용량 고단 압축기로 유입되는 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 필요가 있음에도 불구하고, 종래 시스템에서는 이에 대한 대책이 전무한 실정이다.

등록특허 제 10-1237723호, 등록일자: 2013.02.19., 발명의 명칭: 심부지열발전을 위한 심정 시스템 및 그 시추방법

본 발명은 소용량 고단 압축기로 유입되는 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 수 있는 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템은 저단측 원수가 냉수로 변환되도록 상기 저단측 원수와 저단측 냉매가 열교환되는 저단 열교환기와, 상기 저단측 열교환기에서 형성된 상기 냉수가 저장될 수 있는 냉수 저장 탱크와, 상기 저단 열교환기에서 열을 수득한 상기 저단측 냉매가 압축되는 저단 압축기와, 상기 저단 압축기에서 압축된 상기 저단측 냉매가 방열되도록, 상기 저단측 냉매와 고단측 냉매가 열교환되는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기에서 방열된 상기 저단측 냉매가 팽창되는 저단 팽창 밸브와, 상기 중간 열교환기에서 열을 수득한 상기 고단측 냉매가 압축되되 50kW 이하 출력의 소용량 고단 압축기와, 상기 소용량 고단 압축기에서 압축된 상기 고단측 냉매가 방열되고 고단측 원수가 스팀이 되도록 상기 고단측 냉매와 상기 고단측 원수가 열교환되는 고단 열교환기와, 상기 고단 열교환기에서 방열된 상기 고단측 냉매가 팽창되는 고단 팽창 밸브와, 상기 고단 열교환기에서 형성된 상기 스팀이 저장되는 스팀 저장 탱크를 포함하는 것으로서,

심부 지중까지 천공 형성되는 심부 지열 냉온 공용 지열공; 상기 소용량 고단 압축기로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 감지하는 고단 압축기 유입 온도 감지 부재; 및 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 상기 소용량 고단 압축기로 향하던 상기 고단측 냉매가 바이패스되어 경유되면서 과냉각되도록 함과 함께, 상기 소용량 고단 압축기로 향하던 상기 고단측 냉매가 잃어버린 열기를 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공 쪽으로 전달하는 고단 압축기 유입측 과냉각 부재;를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템에 의하면, 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템이 심부 지열 냉온 공용 지열공과, 고단 압축기 유입 온도 감지 부재와, 고단 압축기 유입측 과냉각 부재를 포함함에 따라, 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재에서 감지된 고단측 냉매의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 중간 열교환기를 경유한 상기 고단측 냉매가 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재에서 지열공측 바이패스관을 따라 유동된 지열 교환 냉매와 열교환되면서 과냉각된 상태로 소용량 고단 압축기로 유입될 수 있으므로, 상기 소용량 고단 압축기로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템을 보이는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템을 구성하는 중간 열교환기 부분을 보이는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템의 일부를 확대한 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템을 보이는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템을 구성하는 중간 열교환기 부분을 보이는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템의 일부를 확대한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 본 실시예에 따른 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템(100)은 저단 열교환기(120)와, 냉수 저장 탱크(110)와, 저단 압축기(130)와, 중간 열교환기(140)와, 저단 팽창 밸브(102)와, 소용량 고단 압축기(150)와, 고단 열교환기(160)와, 고단 팽창 밸브(103)와, 스팀 저장 탱크(170)와, 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)과, 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)와, 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)를 포함한다.

또한, 본 실시예에 따른 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템(100)은 고단측 바이패스관(185)과, 심부 삽입관(191)과, 천부 삽입관(193)과, 중간 열교환관(194)과, 지열공측 바이패스관(195)과, 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재(200)를 포함한다.

상기 저단 열교환기(120)는 수돗물 등 외부에서 공급되는 저단측 원수가 냉수로 변환되도록, 상기 저단측 원수와 저단측 냉매가 열교환되는 것이다.

상기 저단 열교환기(120)에서 형성된 상기 냉수는 상기 냉수 저장 탱크(110)에 저장될 수 있다. 상기 냉수 저장 탱크(110)에 저장된 냉수가 외부의 냉수 수요처에 공급될 수 있다.

본 실시예에서는 수돗물 등 외부에서 공급되는 상기 저단측 원수가 상기 냉수 저장 탱크(110)에 저장되어 있다가, 상기 냉수 저장 탱크(110)와 상기 저단 열교환기(120)와의 사이에서 상기 저단측 원수가 순환되면서, 상기 저단측 원수가 냉수화하여 다시 상기 냉수 저장 탱크(110)에 유입되어 저장된다.

도면 번호 101은 상기 냉수 저장 탱크(110)와 상기 저단 열교환기(120) 사이에서 상기 저단측 원수가 순환되도록 하는 냉수 순환 펌프이다.

상기 저단 압축기(130)는 상기 저단 열교환기(120)에서 열을 수득한 상기 저단측 냉매가 압축되는 것이다.

상기 중간 열교환기(140)는 상기 저단 압축기(130)에서 압축된 상기 저단측 냉매가 방열되도록, 상기 저단측 냉매와 고단측 냉매가 열교환되는 것이다.

상기 저단 팽창 밸브(102)는 상기 중간 열교환기(140)에서 방열된 상기 저단측 냉매가 팽창되는 것이다. 상기 저단 팽창 밸브(102)를 경유하며 팽창된 상기 저단측 냉매는 상기 저단 열교환기(120)를 다시 경유하면서 열을 수득하게 된다.

상기 소용량 고단 압축기(150)는 상기 중간 열교환기(140)에서 열을 수득한 상기 고단측 원수가 압축되되, 50kW 이하 출력의 소용량이다.

상기 고단 열교환기(160)는 상기 소용량 고단 압축기(150)에서 압축된 상기 고단측 냉매가 방열되고 수돗물 등 외부에서 공급되는 고단측 원수가 스팀이 되도록, 상기 고단측 냉매와 상기 고단측 원수가 열교환되는 것이다.

상기 고단 팽창 밸브(103)는 상기 고단 열교환기(160)에서 방열된 상기 고단측 냉매가 팽창되는 것이다. 상기 고단 팽창 밸브(103)를 경유하며 팽창된 상기 고단측 냉매는 상기 중간 열교환기(140)를 다시 경유하면서 열을 수득하게 된다.

상기 고단 열교환기(160)에서 형성된 상기 스팀은 그 스팀 형태로 상기 스팀 저장 탱크(170)에 저장될 수 있다. 상기 스팀 저장 탱크(170)에 저장된 스팀이 외부의 스팀 수요처로 스팀 형태로 공급될 수 있다.

상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)은 지열공 형태로 지중에 형성되되, 지표로부터 1km 이상의 지중을 의미하는 심부 지중까지 천공 형성되어, 지열 교환 냉매가 상기 심부 지중에서 지표 부근의 천부 지중까지의 넓은 범위에서 열교환될 수 있도록 하는 것이다. 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내에는 상기 지열 교환 냉매, 예를 들어 물이 일정 수위로 수용되어 있어서, 지중과 열교환될 수 있다.

상기 심부 삽입관(191)은 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에 삽입되되, 상기 심부 지중까지 상대적으로 깊게 삽입되는 것이다.

상기 천부 삽입관(193)은 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에 삽입되되, 상기 심부 삽입관(191)에 비해 상대적으로 지표에 근접되도록 얕게 삽입되는 것이다.

상기 중간 열교환관(194)은 상기 심부 삽입관(191)과 그 일 측이 연결되고, 상기 천부 삽입관(193)과 그 타 측이 연결되며, 상기 중간 열교환기(140)를 경유함으로써, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에서 지중과 열교환된 지열 교환 냉매가 상기 중간 열교환기(140)를 경유하면서 열교환되도록 하는 것이다.

상기 심부 삽입관(191) 또는 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로부터 유출된 상기 지열 교환 냉매가 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 다음, 다시 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로 재유입될 수 있다.

즉, 상기 심부 삽입관(191)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로부터 유출된 상기 지열 교환 냉매는 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 다음, 상기 천부 삽입관(193)을 통해 다시 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로 재유입될 수 있고, 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로부터 유출된 상기 지열 교환 냉매는 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 다음, 상기 심부 삽입관(191)을 통해 다시 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로 재유입될 수 있다.

도면 번호 192는 상기 심부 삽입관(191) 상에 설치되되, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 지열 교환 냉매 중에 잠겨 있는 공급 펌프이다. 상기 공급 펌프(192)의 작동에 따라 상기 심부 삽입관(191) 또는 상기 천부 삽입관(193)을 따라 상기 지열 교환 냉매가 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)과 상기 중간 열교환기(140) 사이를 순환할 수 있다.

즉, 상기 공급 펌프(192)가 일 방향으로 작동되면, 상기 지열 교환 냉매가 상기 심부 삽입관(191)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로부터 유출되고, 상기 공급 펌프(192)가 타 방향으로 작동되면, 상기 지열 교환 냉매가 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)으로부터 유출될 수 있다.

난방 시에는, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 심부 삽입관(191)의 유입공 주변의 지열 교환 냉매가 상기 심부 삽입관(191)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출되고, 냉방 시에는, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 천부 삽입관(193)의 유입공 주변의 지열 교환 냉매가 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출된다.

여기서, 상기 심부 삽입관(191)의 유입공은 상기 심부 삽입관(191) 하부에 형성된 복수 개의 미세 홀로, 상기 심부 삽입관(191)의 유입공을 통해 지열 교환 냉매가 상기 심부 삽입관(191) 내부로 유입되거나 상기 심부 삽입관(191) 외부로 유출될 수 있다.

또한, 상기 천부 삽입관(193)의 유입공은 상기 천부 삽입관(193) 하부에 형성된 복수 개의 미세 홀로, 상기 천부 삽입관(193)의 유입공을 통해 지열 교환 냉매가 상기 천부 삽입관(193) 내부로 유입되거나 상기 천부 삽입관(193) 외부로 유출될 수 있다.

도면 번호 105는 상기 고단 열교환기(160)와 상기 스팀 저장 탱크(170) 사이에서 상기 고단측 원수가 순환되도록 하는 고온 순환 펌프이고, 도면 번호 106은 상기 스팀 저장 탱크(170)로 수돗물 등 고단측 원수를 공급하는 고단측 원수 공급 펌프이다.

도면 번호 180은 상기 저단 열교환기(120)와 상기 냉수 저장 탱크(110)를 순환 연결하는 냉수 탱크측 순환관이고, 도면 번호 181은 상기 저단 열교환기(120), 상기 저단 압축기(130), 상기 중간 열교환기(140) 및 상기 저단 팽창 밸브(102)를 순환 연결하는 저단측 순환관이고, 도면 번호 182는 상기 소용량 고단 압축기(150), 상기 고단 열교환기(160), 상기 고단 팽창 밸브(103) 및 상기 중간 열교환기(140)를 순환 연결하는 고단측 순환관이고, 도면 번호 183은 상기 고단 열교환기(160)와 상기 스팀 저장 탱크(170)를 순환 연결하는 스팀 탱크측 순환관이다.

상기 중간 열교환기(140)의 양 측단에는 상기 저단측 순환관(181)과 상기 고단측 순환관(182)이 각각 연결되고, 상기 중간 열교환기(140)의 중앙을 상기 중간 열교환관(194)이 가로지른다. 그러면, 상기 중간 열교환기(140)에서 상기 저단측 순환관(181), 상기 중간 열교환관(194) 및 상기 고단측 순환관(182)이 삼중으로 서로 열교환될 수 있다.

상기 스팀 저장 탱크(170) 내의 스팀 압력에 따라 상기 소용량 고단 압축기(150)의 구동 모터가 인버터 제어될 수 있다. 이를 위해, 상기 스팀 저장 탱크(170)에는 그 내부 압력을 감지하는 압력 센서(미도시)가 설치될 것인데, 이러한 압력 센서는 범용적으로 이용되는 것이 채용될 수 있으므로 여기서는 그 구체적 설명 및 도시를 생략한다.

상세히, 상기 스팀 저장 탱크(170) 내의 스팀 압력에 따라 상기 소용량 고단 압축기(150)의 상기 구동 모터는 상기 구동 모터의 최고 회전 속도 대비 60 내지 100% 범위 내에서 제어되고, 구체적으로 상기 소용량 고단 압축기(150)의 상기 구동 모터는 40 내지 60Hz 범위 내에서 제어될 수 있다.

상기와 같이 상기 소용량 고단 압축기(150)의 구동 모터가 실시간으로 인버터 제어됨으로써, 상기 소용량 고단 압축기(150)의 부하를 감소시켜 내구성을 향상시킬 수 있으면서도, 효율적인 운전이 가능해진다.

상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)는 상기 소용량 고단 압축기(150)로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 감지하는 것이다.

상세히, 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)는 상기 중간 열교환기(140)의 출구 측 온도를 감지하는 제 1 온도 감지 부재(220)와, 상기 소용량 고단 압축기(150)의 입구 측 온도를 감지하는 제 2 온도 감지 부재(225) 중 적어도 하나를 구비하여, 상기 제 1 온도 감지 부재(220)와 상기 제 2 온도 감지 부재(225) 중 하나의 감지값 또는 두 감지값 모두를 이용하여, 상기 소용량 고단 압축기(150)로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도가 감지될 수 있다.

상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)는 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 상기 소용량 고단 압축기(150)로 향하던 상기 고단측 냉매가 바이패스되어 경유되면서 과냉각되도록 함과 함께, 상기 소용량 고단 압축기(150)로 향하던 상기 고단측 냉매가 잃어버린 열기를 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 쪽으로 전달하는 것이다.

여기서, 상기 미리 설정된 허용 온도는 상기 소용량 고단 압축기(150)의 정상 운전을 위하여 미리 설정되어 있는 허용 온도로서, 상기 소용량 고단 압축기(150)의 제조사, 출력 등에 따라 각각 고유의 값이 설정되어 있다.

상기 고단측 바이패스관(185)은 상기 고단측 순환관(182)의 상기 중간 열교환기(140)와 상기 소용량 고단 압축기(150)를 연결하는 부분 중 상대적으로 상기 중간 열교환기(140)에 근접된 부분에서 분지되고, 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)를 경유한 다음 상기 고단측 순환관(182)의 상기 중간 열교환기(140)와 상기 소용량 고단 압축기(150)를 연결하는 부분 중 상대적으로 상기 소용량 고단 압축기(150)에 근접된 부분에 합지되는 것이다.

상기 지열공측 바이패스관(195)은 상기 심부 삽입관(191)에서 분지되어 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)를 경유한 다음 상기 천부 삽입관(193)에 합지되는 것이다.

상기 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재(200)는 상기 고단 열교환기(160)에서 상기 고단 팽창 밸브(103)로 향하던 상기 고단측 냉매가 경유되면서 과냉각되도록 함과 함께, 상기 고단 팽창 밸브(103)로 향하던 상기 고단측 냉매가 잃어버린 열기를 상기 고단측 바이패스관(185)을 따라 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)로 향하는 상기 고단측 냉매로 전달하는 것이다.

이를 위해, 상기 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재(200)에는, 상기 고단측 바이패스관(185)의 상기 중간 열교환기(140)와 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210) 사이 부분과, 상기 고단측 순환관(182)의 상기 고단 열교환기(160)와 상기 고단 팽창 밸브(103) 사이 부분이 경유되면서, 서로 열교환된다.

도면 번호 230은 상기 고단측 바이패스관(185)을 개폐시키는 고단측 바이패스 개폐 밸브이고, 도면 번호 231은 상기 고단측 순환관(182)의 상기 중간 열교환기(140)와 상기 소용량 고단 압축기(150)를 연결하는 부분을 개폐시키는 고단측 순환 개폐 밸브이고, 도면 번호 232는 상기 지열공측 바이패스관(195)을 개폐시키는 비열공측 바이패스 개폐 밸브이다.

도면 번호 235는 상기 고단측 바이패스관(185)의 역류를 방지하는 고단측 바이패스 역류 방지 밸브이고, 도면 번호 236은 상기 고단측 순환관(182)의 상기 중간 열교환기(140)와 상기 소용량 고단 압축기(150)를 연결하는 부분의 역류를 방지하는 고단측 순환 역류 방지 밸브이다.

상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 상기 미리 설정된 허용 온도 미만인 경우, 상기 고단측 바이패스 개폐 밸브(230) 및 상기 비열공측 바이패스 개폐 밸브(232)는 닫히고, 상기 고단측 순환 개폐 밸브(231)는 열린다. 그러면, 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 상기 고단측 냉매가 상기 고단측 순환관(182)을 따라 상기 소용량 고단 압축기(150)로 직접 유입된다.

상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 상기 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 상기 고단측 바이패스 개폐 밸브(230) 및 상기 비열공측 바이패스 개폐 밸브(232)는 열리고, 상기 고단측 순환 개폐 밸브(231)는 닫힌다. 그러면, 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 상기 고단측 냉매가 상기 고단측 바이패스관(185)을 따라 유동되다가, 상기 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재(200)에서 상기 고단측 순환관(182)을 따라 상기 고단 팽창 밸브(103)로 향하던 상기 고단측 냉매와 열교환되고, 그에 따라 상기 고단측 순환관(182)을 따라 상기 고단 팽창 밸브(103)로 향하던 상기 고단측 냉매는 과냉각된 상태로 상기 고단 팽창 밸브(103)로 유입된다.

한편, 상기 고단측 바이패스관(185)을 따라 유동되다가 상기 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재(200)를 경유한 상기 고단측 냉매는 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)에서 상기 지열공측 바이패스관(195)을 따라 유동된 지열 교환 냉매와 열교환되고, 그에 따라 상기 고단측 바이패스관(185)을 따라 유동된 상기 고단측 냉매는 과냉각되어, 그러한 과냉각된 상태로 상기 소용량 고단 압축기(150)로 유입된다.

여기서, 상기 지열공측 바이패스관(195)을 따라 유동되어 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)에서 열을 수득한 상기 지열 교환 냉매는 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내부로 유입된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 심부 지열 냉온 공용 지열공 구조의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 난방 운전 시에는, 상기 공급 펌프(192)가 일 방향으로 작동되고, 그에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 심부 삽입관(191)의 유입공 주변의 상대적 고온의 지열 교환 냉매가 상기 심부 삽입관(191)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출된다.

상기와 같이 상기 심부 삽입관(191)을 통해 토출된 상대적 고온의 지열 교환 냉매는 난방 운전에 이용된 다음 상기 천부 삽입관(193)을 통해 다시 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)로 환수된다.

반면, 냉방 운전 시에는, 상기 공급 펌프(192)가 타 방향으로 작동되고, 그에 따라 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 천부 삽입관(193)의 유입공 주변의 상대적 저온의 지열 교환 냉매가 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출된다.

상기와 같이 상기 천부 삽입관(193)을 통해 토출된 상대적 저온의 지열 교환 냉매는 냉방 운전에 이용된 다음 상기 심부 삽입관(191)을 통해 다시 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)로 환수된다.

상기와 같이, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공 구조가 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)과, 심부 삽입관(191)과, 천부 삽입관(193)을 포함함에 따라, 심부 지열을 포함하는 난방 운전이 가능하면서도 냉방 운전으로도 전환 가능해진다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템(100)의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 외부에서 공급된 상기 저단측 원수가 상기 냉수 저장 탱크(110)에 저장되어 있다가 상기 냉수 순환 펌프(101)의 작동에 따라 유동되어 상기 저단 열교환기(120)를 경유하게 된다.

이러한 상기 저단 열교환기(120)의 경유 과정에서, 상기 저단측 원수는 열을 잃게 되어 냉수화되고, 역시 상기 저단 열교환기(120)를 경유하는 상기 저단측 냉매가 그 열을 수득하게 된다.

상기와 같이 방열한 상기 저단측 원수는 냉수로 변환되어 상기 냉수 저장 탱크(110)에 저장된다.

한편, 상기 저단 열교환기(120)에서 열을 수득한 상기 저단측 냉매는 상기 저단 압축기(130)를 경유하면서 압축된 다음 상기 중간 열교환기(140)를 경유하게 된다.

이러한 상기 중간 열교환기(140)의 경유 과정에서, 상기 저단측 냉매는 열을 잃게 되고, 역시 상기 중간 열교환기(140)를 경유하는 상기 고단측 냉매가 그 열을 수득하게 된다.

상기와 같이 방열한 상기 저단측 냉매는 상기 저단 팽창 밸브(102)를 경유하면서 팽창된 다음 다시 상기 저단 열교환기(120)를 경유하면서 열을 수득하여 팽창하게 되면서, 다시 위와 같이 순환하게 된다.

한편, 상기 중간 열교환기(140)에서 열을 수득한 상기 고단측 냉매는 상기 소용량 고단 압축기(150)를 경유하면서 압축된 다음 상기 고단 열교환기(160)를 경유하게 된다.

이러한 상기 고단 열교환기(160)의 경유 과정에서, 상기 고단측 냉매는 열을 잃게 되고, 상기 스팀 저장 탱크(170)에 저장되어 있다가 역시 상기 고단 열교환기(160)를 경유하게 되는 상기 고단측 원수가 그 열을 수득하게 되어 스팀으로 변화된다.

상기와 같이 방열한 상기 고단측 냉매는 상기 고단 팽창 밸브(103)를 경유하면서 팽창된 다음 다시 상기 중간 열교환기(140)를 경유하면서 열을 수득하여 팽창하게 되면서, 다시 위와 같이 순환하게 된다.

상기와 같이 상기 고단 열교환기(160)에서 형성된 상기 스팀이 상기 스팀 저장 탱크(170)에 저장된다.

한편, 냉수와 스팀이 균형있게 수요처로 공급되는 경우가 아닌, 냉수 사용량은 극히 적고 스팀 사용량만 상대적으로 큰 경우 또는 반대로 냉수 사용량만 상대적으로 크고 스팀 사용량은 극히 적은 경우 등 부하가 편중된 경우, 즉 상기 저단측 원수가 냉수로 변환되는 양과 상기 고단측 원수가 스팀으로 변환되는 양이 균형을 이루는 균형점에서 일 측으로 편중된 부하 편중의 경우에는, 상기 지열 교환 냉매가 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에서 지중과 열교환된 다음 상기 중간 열교환관(194)을 따라 상기 중간 열교환기(140)로 순환되면서 상기 부하 편중에 대응되는 열기를 제공한다.

상세히는, 냉수 사용량은 극히 적고 스팀 사용량만 상대적으로 큰 경우에는, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 심부 삽입관(191)의 유입공 주변의 상대적 고온의 지열 교환 냉매가 상기 심부 삽입관(191)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출된 다음 상기 중간 열교환기(140)에서 상기 고단측 원수 쪽으로 열을 전달해 줌으로써, 많은 양의 스팀 형성을 위해 부족한 열기를 보충해줄 수 있다.

반면, 냉수 사용량만 상대적으로 크고 스팀 사용량은 극히 적은 경우에는, 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 내의 상기 천부 삽입관(193)의 유입공 주변의 상대적 저온의 지열 교환 냉매가 상기 천부 삽입관(193)을 통해 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190) 외부로 토출된 다음, 상기 중간 열교환기(140)에서 상기 저단측 원수가 냉수로 변환되면서 버려지는 열기를 흡수하여 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에서 상기 심부 삽입관(191)을 통해 지중으로 방열해 줌으로써, 남는 열기를 지중으로 버릴 수 있게 된다.

상기 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템(100)이 저단 열교환기(120)와, 저단 압축기(130)와, 중간 열교환기(140)와, 저단 팽창 밸브(102)와, 소용량 고단 압축기(150)와, 고단 열교환기(160)와, 고단 팽창 밸브(103)와, 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)과, 심부 삽입관(191)과, 천부 삽입관(193)과, 중간 열교환관(194)을 포함함에 따라, 냉수와 스팀이 균형있게 수요처로 공급되는 경우가 아닌, 냉수 사용량은 극히 적고 스팀 사용량만 상대적으로 큰 경우 또는 반대로 냉수 사용량만 상대적으로 크고 스팀 사용량은 극히 적은 경우 등 부하가 편중된 경우, 지열 교환 냉매가 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)에서 지중과 열교환된 다음 상기 중간 열교환관(194)을 따라 상기 중간 열교환기(140)로 순환되면서 상기 부하 편중에 대응되는 열기를 제공해줄 수 있고, 그에 따라 냉수 사용량과 스팀 사용량이 다르게 편중된 경우에도 작동이 원활하게 이루어지고 그 편중된 부하에 원활하게 대응할 수 있게 된다.

상기와 같이, 상기 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템(100)이 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공(190)과, 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)와, 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)를 포함함에 따라, 상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재(220, 225)에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 상기 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 상기 중간 열교환기(140)를 경유한 상기 고단측 냉매가 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재(210)에서 상기 지열공측 바이패스관(195)을 따라 유동된 지열 교환 냉매와 열교환되면서 과냉각된 상태로 상기 소용량 고단 압축기(150)로 유입될 수 있으므로, 상기 소용량 고단 압축기(150)로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 수 있다.

상기에서 본 발명은 특정한 실시 예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 소용량 고단 압축기 및 심부 지열 냉온 공용 지열공을 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템에 의하면, 소용량 고단 압축기로 유입되는 냉매의 온도를 그 허용되는 흡입 온도 이하로 조절해 줄 수 있으므로, 그 산업상 이용가능성이 높다고 하겠다.

100 : 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템
140 : 중간 열교환기
150 : 소용량 고단 압축기
185 : 고단측 바이패스관
190 : 심부 지열 냉온 공용 지열공
195 : 지열공측 바이패스관
200 : 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재
210 : 고단 압축기 유입측 과냉각 부재
220, 225 : 고단 압축기 유입 온도 감지 부재
230 : 고단측 바이패스 개폐 밸브
231 : 고단측 순환 개폐 밸브
232 : 비열공측 바이패스 개폐 밸브

Claims

저단측 원수가 냉수로 변환되도록 상기 저단측 원수와 저단측 냉매가 열교환되는 저단 열교환기와, 상기 저단측 열교환기에서 형성된 상기 냉수가 저장될 수 있는 냉수 저장 탱크와, 상기 저단 열교환기에서 열을 수득한 상기 저단측 냉매가 압축되는 저단 압축기와, 상기 저단 압축기에서 압축된 상기 저단측 냉매가 방열되도록, 상기 저단측 냉매와 고단측 냉매가 열교환되는 중간 열교환기와, 상기 중간 열교환기에서 방열된 상기 저단측 냉매가 팽창되는 저단 팽창 밸브와, 상기 중간 열교환기에서 열을 수득한 상기 고단측 냉매가 압축되되 50kW 이하 출력의 소용량 고단 압축기와, 상기 소용량 고단 압축기에서 압축된 상기 고단측 냉매가 방열되고 고단측 원수가 스팀이 되도록 상기 고단측 냉매와 상기 고단측 원수가 열교환되는 고단 열교환기와, 상기 고단 열교환기에서 방열된 상기 고단측 냉매가 팽창되는 고단 팽창 밸브와, 상기 고단 열교환기에서 형성된 상기 스팀이 저장되는 스팀 저장 탱크를 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템으로서,
심부 지중까지 천공 형성되는 심부 지열 냉온 공용 지열공;
상기 소용량 고단 압축기로 유입되는 상기 고단측 냉매의 온도를 감지하는 고단 압축기 유입 온도 감지 부재; 및
상기 고단 압축기 유입 온도 감지 부재에서 감지된 상기 고단측 냉매의 온도가 미리 설정된 허용 온도 이상인 경우, 상기 소용량 고단 압축기로 향하던 상기 고단측 냉매가 바이패스되어 경유되면서 과냉각되도록 함과 함께, 상기 소용량 고단 압축기로 향하던 상기 고단측 냉매가 잃어버린 열기를 상기 심부 지열 냉온 공용 지열공 쪽으로 전달하는 고단 압축기 유입측 과냉각 부재;를 포함하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템은
상기 소용량 고단 압축기, 상기 고단 열교환기, 상기 고단 팽창 밸브 및 상기 중간 열교환기를 순환 연결하는 고단측 순환관;
상기 심부 지열 냉온 공용 지열공에 삽입되되, 상기 심부 지중까지 삽입되는 심부 삽입관;
상기 심부 지열 냉온 공용 지열공에 삽입되되, 상기 심부 삽입관에 비해 상대적으로 지표에 근접되도록 삽입되는 천부 삽입관;
상기 고단측 순환관의 상기 중간 열교환기와 상기 소용량 고단 압축기를 연결하는 부분 중 상대적으로 상기 중간 열교환기에 근접된 부분에서 분지되고, 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재를 경유한 다음 상기 고단측 순환관의 상기 중간 열교환기와 상기 소용량 고단 압축기를 연결하는 부분 중 상대적으로 상기 소용량 고단 압축기에 근접된 부분에 합지되는 고단측 바이패스관; 및
상기 심부 삽입관에서 분지되어 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재를 경유한 다음 상기 천부 삽입관에 합지되는 지열공측 바이패스관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템은
상기 고단 열교환기에서 상기 고단 팽창 밸브로 향하던 상기 고단측 냉매가 경유되면서 과냉각되도록 함과 함께, 상기 고단 팽창 밸브로 향하던 상기 고단측 냉매가 잃어버린 열기를 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재로 향하는 상기 고단측 냉매로 전달하는 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 고단 팽창향 냉매 과냉각 부재에는, 상기 고단측 바이패스관의 상기 중간 열교환기와 상기 고단 압축기 유입측 과냉각 부재 사이 부분과, 상기 고단측 순환관의 상기 고단 열교환기와 상기 고단 팽창 밸브 사이 부분이 경유되면서, 서로 열교환되는 것을 특징으로 하는 냉수 및 스팀 동시 생산용 캐스케이드 열펌프 시스템.