KR20140109762A - 외기 온도 감응식 냉난방 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치는 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110), 상기 압축기(110)와 제 1 냉매주배관(210)으로 연결되는 부하측 열교환기(120), 상기 부하측 열교환기(120)와 제 2 냉매주배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140), 상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130), 상기 수조(130)에 배치되며, 상기 수액기(140)와 제 3 냉매주배관(230)으로 연결되는 수조용 열교환부(150), 상기 수조용 열교환부(150)와 제 4 냉매주배관(240)으로 연결되는 잠열 열교환기(160), 상기 잠열 열교환기(160)에 전기적으로 연결되는 제어부, 및 상기 제어부에 연결되는 외기 온도 감지 유닛(170)을 포함하며, 상기 제어부는 상기 외기 온도 감지 유닛(170)에서 측정되는 외기 온도 센싱을 통해 상기 잠열 열교환기(160)의 축열 또는 축냉 기능을 선택적으로 조절한다.
본 발명은 냉매의 단일 흐름에 의하여 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록 하여 구조를 단순화하는 동시에, 부하 측의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 에너지 소모량을 줄일 수 있다.

Description

외기 온도 감응식 냉난방 장치{Apparatus for cooling and heating for sensing the temperature of outside}
본 발명은 외기 온도 감응식 냉난방 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉매 유동 유로를 일정하게 유지하고, 냉방 또는 난방이 요구되는 목적 대상 공간에 직접적으로 열교환을 수행하는 부하측 열교환부가 상기 냉매 유동 유로와 열교환을 하도록 하고, 열원측에서도 안정적으로 열원을 취득할 수 있도록 일기예보와 외기온도를 감응하여 일일 24시간 중 자연에너지 밀도가 가장 높을 때 열원을 확보하여 열원측 수조에 축열 또는 축냉하여 부하 측의 목적 대상물에 냉방 또는 난방을 수행할 수 있는 외기온도 감응식 냉난방 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.
따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉,난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용 가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.
이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.
일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.
특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.
따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.
이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.
일반적으로 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 설치시 일정한 수온과 연약지층이 아닌 지질특성을 갖추어야 할 뿐만 아니라 설치시 공사기간이 오래 소요되고 비용이 많이 들며, 별도의 부지공간을 확보해야 하는 문제점이 있다.
한편 지열을 이용한 히트펌프 시스템으로 국내 특허등록 제10-0999400호(2010.12.2. 등록), 국내 특허등록 제10-1053825호(2011. 7.28. 등록) , 국내 특허등록 제 10-1190260호(2012.10.05)에 제안된 바 있다.
상기 종래 기술들은 직접적으로 외기 온도에 무관하게 운전되고 있는 시스템들이고 또한 냉난방 2가지 사이클로 구성되어 있으며, 기본적인 시스템은 계절에 따라서 냉방, 난방을 수행하는 과정을 수행함으로써 에너지의 효율이 외기 온도에 따라서 급격히 떨어지고 있는 문제점을 갖는다.
국내 특허등록 제10-0999400호(2010.12.2. 등록) 국내 특허등록 제10-1053825호(2011. 7.28. 등록) 국내 특허등록 제10-1190260호(2012.10.05 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수조 내에 여름철과 겨울철의 계절적 차이에 의하여 냉방 및 난방 겸용으로 사용할 수 있는 코일 형태의 열교환부와 사방밸브를 사용하지 않은 상태에서도, 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록 하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하고, 설치비도 줄일 수 있도록 할 뿐 아니라 부하 측의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 효율을 보다 향상시킨 새로운 외기 온도 감응식 냉난방 장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치는 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110), 상기 압축기(110)와 제 1 냉매주배관(210)으로 연결되는 부하측 열교환기(120), 상기 부하측 열교환기(120)와 제 2 냉매주배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140), 상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130), 상기 수조(130)에 배치되며, 상기 수액기(140)와 제 3 냉매주배관(230)으로 연결되는 수조용 열교환부(150), 상기 수조용 열교환부(150)와 제 4 냉매주배관(240)으로 연결되는 잠열 열교환기(160), 상기 잠열 열교환기(160)에 전기적으로 연결되는 제어부, 및 상기 제어부에 연결되는 외기 온도 감지 유닛(170)을 포함하며, 상기 제어부는 상기 외기 온도 감지 유닛(170)에서 측정되는 외기 온도 센싱을 통해 상기 잠열 열교환기(160)의 축열 또는 축냉 기능을 선택적으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 제 1 내지 제 4 냉매주배관을 포함하는 냉매배관에 배치되는 하나 이상의 개폐밸브를 제어하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 잠열 열교환기(160)는 축냉용 쿨러(161) 또는 태양열판을 복합한 형태의 축열용 쿨러(165)인 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉난방 장치는, 상기 수액기(140)와 상기 수조용 열교환부(150)를 연결하는 상기 제 3 냉매주배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(190)를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 수조(130)는 지중에 매설되는 제 1 수조(131) 및 상기 제 1 수조(131) 내에 수용되는 제 2 수조(132)를 포함하고, 상기 제 1 수조(131)와 상기 제 2 수조(132)는 소정 거리 이격되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉난방 장치는, 상기 제 1 수조(131)와 상기 2 수조(132) 사이의 공간 내에 물을 공급 또는 배출할 수 있는 펌핑 수단이 마련되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉난방 장치는, 상기 수조(130)는 지중의 열을 받을 수 있도록 상기 지중에 매립되는 형태의 지중 코일(133)을 포함하며, 상기 지중 코일(133)의 내부에 물이 유동할 수 있는 공간이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
여름철 냉방 모드는, 상기 수조용 열교환부(150)로의 냉매의 유동이 차단되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉방 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 잠열 열교환기(160), 상기 수액기(140), 상기 부하측 열교환기(120) 및 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것이 바람직할 수 있다.
겨울철 난방 모드는, 상기 잠열 열교환기(160)로의 냉매의 유동이 차단되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 난방 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 부하측 열교환기(120), 상기 수액기(140), 상기 수조용 열교환부(150) 및 상기 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것이 바람직할 수 있다.
축열 또는 축냉 모드를 수행하는 경우에, 상기 부하측 열교환기(120) 및 상기 수액기(140)로의 냉매의 유동이 차단되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 축열 또는 축냉 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 수조용 열교환부(150), 상기 잠열 열교환기(160) 및 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 제 2 냉매주배관(220) 상에 배치되는 보조 응축용 열교환부(145);를 더 포함하며, 상기 보조 응축용 열교환부(145)는 상기 수조(130) 내에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 단일 저수조 내에 냉방 및 난방 겸용으로 사용할 수 있는 코일 형태의 열교환부와 사방밸브를 사용하지 않고도, 즉 냉매의 단일 흐름에 의하여도 냉방 및 난방을 수행할 수 있도록 하여 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 가능하고, 설치비도 줄일 수 있도록 할 뿐만 아니라 부하 측의 남은 열을 회수하여 축열함으로써 시스템 가동에 따른 에너지 소모량을 줄일 수 있도록 한다.
더불어, 본 발명은 보조 응축용 열교환부에 의하여 냉매의 완전 응축이 가능하여 전체적인 효율이 상승되도록 함으로써 효율성과 실용성을 갖춘 냉난방 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치의 계통도,
도 2는 겨울철 난방을 수행하는 경우의 작동도,
도 3은 여름철 냉방을 수행하는 경우의 작동도,
도 4는 난방을 위한 축열 또는 냉방을 위한 축냉 모드일 때의 작동도, 및
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치에서 수조가 지중에 설치된 경우를 보이는 계통도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치는 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
본 발명에 배치되는 냉매주배관 및 냉매보조배관은 냉매배관으로 통칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치를 상세히 설명하기로 한다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치의 제 1 실시예 (100)
상기 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)는 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110), 압축기(110)와 제 1 냉매주배관(210)으로 연결되는 부하측 열교환기(120), 부하측 열교환기(120)와 제 2 냉매 주배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140), 수액기(140)가 수용되는 수조(130), 수액기(140)와 제 3 냉매주배관(230)으로 연결되어 수조(130)에 배치되는 수조용 열교환부(150), 수액기(140)와 수조용 열교환부(150)를 연결하는 제 3 냉매주배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(190), 수조용 열교환부(150)와 제 4 냉매주배관(240)으로 연결되는 잠열 열교환기(160), 제 5 냉매주배관(250)을 통해 제 4 냉매주배관(240)에 연통하는 동시에 제 6 냉매주배관(260)을 통해 압축기(110)에 연통하는 액분리기(180) 및 온도감지관로(270)를 통해 본 발명의 제 6 냉매주배관(260)에 연결되는 외기 온도 감지 유닛(170)을 포함한다.
부하측 열교환기(120)는 냉매유동로와 물유동로가 서로 열교환하도록 마련된다. 부하측 열교환기(120)는 일 실시예로서 판형 열교환기가 채택될 수 있다. 본 발명의 부하측 열교환기(120)는 증발 및 응축이 쉽게 가능하도록 집열 증발기와 집냉 응축기를 구성할 수 있다.
수조(130)에는 물이 저장되어 있다. 상기 수조(130)는 지중에 매설할 수도 있고 지상에 설치할 수도 있다. 한편, 빗물저류조, 생활수조, 소화수조, 하수조, 정수조 및 기타 에너지사용처에 구비되어 있는 여러가지 수조를 겸용으로 활용할 수 있다.
수액기(140)에는 액화된 냉매가 저장된다. 수액기(140)는 일 실시예로서 수조(130) 내부에 마련된다.
아울러, 수조(130)에는 수조용 열교환부(150)가 마련된다. 수조용 열교환부(150)는 코일 형태의 열교환기가 이용된다.
잠열 열교환기(160)는 응축기로 사용 가능한 축냉용 쿨러(161) 및 태양열판을 복합한 형태의 축열용 쿨러(165)를 포함한다. 본 발명에서 축냉용 쿨러(161)는여름철에 냉방을 위주로 하는 경우로 사용하고, 축열용 쿨러(165)는 겨울철에 난방을 위주로 하는 경우에 사용할 수 있다.
여기에서, 제 1 내지 제 6 냉매주배관(210,220,230,240,250,260)은 본 발명의 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)를 난방 모드로 구동하는 경우에 냉매의 이동 경로를 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)를 구성하는 각 구성요소들 및 냉매주배관들(210,220,230,240,250,260)을 연결하는 냉매보조배관들이 사용될 수 있다.
제 1 냉매보조배관(310)은 그 일단부가 제 1 냉매주배관(210)과 연결되며, 그 타단부가 잠열 열교환기(160)와 연결된다.
제 2 냉매보조배관(320)은 그 일단부가 잠열 열교환기(160)와 연결되고 그 타단부는 수액기(140)의 입구와 연결된다.
제 3 냉매보조배관(330)은 그 일단부가 제 3 냉매주배관(230)에 연결되고 그 타단부는 제 1 냉매주배관(210)에 연결된다.
제 4 냉매보조배관(340)은 그 일단부가 부하측 열교환기(120)에 연결되고 타단부는 제 4 냉매주배관(240)에 연결된다.
제 5 냉매보조배관(350)은 그 일단부가 수조용 열교환부(150)에 연결되고 그 타단부는 잠열 열교환기(160)에 연결된다.
상기와 같은 제 1 내지 제 5 냉매보조배관(310,320,330,340,350)이 이루는 냉매 순환유로에 의하여 여름철 냉방을 위한 냉매의 순환 유동 및 축열 유동이 가능하게 된다.
상술한 제 1 내지 제 6 냉매주배관(210,220,230,240,250,260) 및 제 1 내지 제 5 냉매보조배관(310,320,330,340,350) 에는 제어부에 전기적으로 연결되는 개폐밸브, 유량계, 압력계, 및 온도계 등이 설치될 수 있고, 설치 장소, 개수, 간격 등은 변경이 가능하다.
외기 온도 감지 유닛(170)은 제어부를 통해 잠열 열교환기(160) 및 냉매주배관 및 냉매보조배관에 배치되는 복수의 개폐밸브에 전기적으로 연결된다. 즉, 제어부는 외기 온도 감지 유닛(170)으로부터 측정되는 온도 결과에 따라 복수의 개폐밸브에 선택적으로 개폐 신호를 제공함으로써 난방 모드, 냉방 모드 및 축열 모드 중 어느 하나의 구동 모드로 작동가능하게 한다.
제어부는 외기 온도 결과에 따라 잠열 열교환기(160)에 축열 내지 축냉을 실시하도록 한다. 구체적으로, 겨울철에 난방을 실시하는 경우 야간보다는 주간에 열원을 취득하기가 용이하므로 외기 온도 감지 유닛(170)에서 센싱되는 온도를 이용하여 태양열판을 복합한 형태의 축열용 쿨러(165)를 채용함으로써 유동하는 냉매를 증발한 후에 상기 냉매에 저장된 열을 수조(130)에 저장한 후 야간에 난방용으로 사용하게 한다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치의 제 2 실시예 (100')
한편, 도 5를 참조하여 다른 실시예에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100')를 설명한다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치(100')은 수조(130')가 지중에 설치된다.
수조(130')는 지중에 매설되는 제 1 수조(131) 및 상기 제 1 수조(131)와 소정 간격 이격된 상태로 제 1 수조(131)의 내부에 배치되는 제 2 수조(132)를 포함한다. 여기에서 제 1 수조(131)와 제 2 수조(132) 사이의 이격공간을 열전도개폐부(131a)로 정의한다. 이와 같은 구조로 수조(130')는 제 1,2 수조(131, 132)를 갖는 이중 탱크 구조이다. 일 실시예로서 제 2 수조(132)에 수용되는 열전도물질은 제 1 수조(131)의 외벽과 바닥을 모두 감싸는 구조일 수 있다. 다른 실시예로서 제 2 수조(132)의 물이 제 1 수조(131)의 외벽 만을 감싸도록 형성할 수 있다.
제 1 수조(131)는 지중으로부터 직접적으로 지열을 받는다. 제 2 수조(132)는 제 1 수조(131)를 매개하여 지중의 지열을 받게 된다.
열전도개폐부(131a)에 수용되는 열전도물질은 계절에 따라 다른 물질로 채워질 수 있다. 열전도물질은 여름철에는 지중으로부터의 지열이 직접적으로 제 2 수조(132)로 전달되는 것을 차단하기 위해서 공기와 같이 단열성이 우수한 물질일 수 있고, 겨울철에는 지중으로부터의 지열이 효과적으로 제 2 수조(132)로 전달될 수 있도록 물과 같이 상대적으로 전도성이 높은 물질일 수 있다.
열전도개폐부(131a)에 수용되는 열전도물질이 물인 경우에는, 제 1 수조(131) 내의 물을 비우거나 채울 수 있는 펌핑 수단이 마련될 수 있다. 즉, 제 1 수조(131)와 제 2 수조(132)는 상기 펌핑 수단을 통해 채워지는 물을 매개로 하여 열전달이 가능하게 된다.
구체적으로는, 제 1 수조(131)의 물이 채워지면 제 2 수조(132)는 제 1 수조(131)내의 물을 통하여 지열을 받지만, 제 1 수조(131)의 물이 비워지면 제 2 수조(132)는 지열로부터 단열되는 상태가 된다.
펌핑 수단을 이용하여 여름철에는 제 1 수조(131)의 물을 비워, 제 2 수조(132)가 지열을 받지 않도록 지열을 차단할 수 있다. 이와 같이, 여름철에는 제 2 수조(132)의 물이 상대적으로 고온인 지열을 받는 것을 차단함으로써 제 2 수조(132)의 물은 가급적 냉각되는 것이 바람직할 수 있다. 같은 원리로, 펌핑 수단을 이용하여 겨울철에는 제 1 수조(131)의 물을 채워, 제 2 수조(132)가 제 1 수조(131)를 매개하여 지열을 받을 수 있다. 이와 같이, 겨울철에는 제 2 수조(132)의 물이 상대적으로 고온인 지열을 받게 함으로써 제 2 수조(130)의 물은 가열되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 수조(130, 130')에는 지중의 열을 더욱 잘 받을 수 있도록 지중에 매립되는 형태로 지중 코일(133)이 마련된다. 지중 코일(133)의 내부는 수조(130, 130')의 물이 유동할 수 있는 공간이 형성된다. 따라서, 수조(130, 130')의 물은 지중 코일(133)을 통하여 지열을 효과적으로 흡수할 수 있게 된다. 또한, 수조(130, 130')의 물이 지중 코일(133)을 순환하도록 지중 코일(133)에는 지중 코일용 펌프(132a)가 마련된다.
지중 코일용 펌프(132a)는 주로 겨울철에만 작동되어 수조(130, 130')의 물이 지열을 받을 수 있도록 한다. 여름철의 경우에는 수조(130, 130')의 물은 지열을 받지 않는 것이 바람직하다.
한편, 지중 코일용 펌프(132a)는 수조(130, 130')의 물을 혼합함으로써 상기 수조(130, 130')의 물이 골고루 혼합되도록 가동될 수 있다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 난방 모드
이하, 본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 난방 모드를 설명하면 다음과 같다. 난방 모드에서 냉매의 변화는 압축 -> 제 1 응축 -> 제 2 응축 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.
압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 제 1 냉매주배관(210)을 지나 부하측 열교환기(120)의 냉매 유동로로 유입되어 먼저 응축된다(제 1 응축). 즉, 부하측 열교환기(120)는 응축기로서 기능하며, 부하측 열교환기(120)의 냉매 유동로를 지나는 냉매는 부하측 열교환기(120)의 물 유동로를 지나는 물에 열을 방출한다.
부하측 열교환기(120)의 냉매 유동로를 지난 냉매는 제 2 냉매주배관(220)을 지나며, 특히 냉매는 보조 응축용 열교환부(145)로 유입된다. 이때, 보조 응축용 열교환부(145)는 부하측 열교환기(120)의 냉매 유동로에서 응축되지 않은 잔여 냉매를 완전히 응축시키게 된다(제 2 응축). 즉, 보조 응축용 열교환부(145)는 수조(130)의 물에 열을 방출하게 된다. 보조 응축용 열교환부(145)를 지난 냉매는 수액기(140)에 저장된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)는 보조 응축용 열교환부(145)에 의하여 냉매의 완전 응축이 가능하여 전체적인 효율이 상승한다. 또한, 수조(130)의 물은 수조용 열교환부(150)와 보조 응축용 열교환부(145)의 상호 작용에 의하여 그 항온성을 높일 수 있다.
수액기(140)의 냉매는 제 3 냉매주배관(230) 상의 팽창밸브(190)에서 팽창된 후 수조용 열교환부(150)로 유입된다. 수조용 열교환부(150)로 유입된 냉매는 증발하면서 수조(130)의 물로부터 열을 흡수하게 된다. 즉, 수조(130)의 물을 냉각하게 된다.
수조용 열교환부(150)를 지난 냉매는 제 4,5 냉매주배관(240,250)을 거쳐 액분리기(180)로 유입된 후 제 6 냉매주배관(260)을 거쳐 압축기(110)로 유입된다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 냉방 모드
다음, 본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 냉방 모드를 설명하면 다음과 같다. 냉방 모드에서 냉매의 변화는 난방 모드와 마찬가지로 압축 -> 제 1 응축 -> 제 2 응축 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다. 다만, 부하측 열교환기(120)에서의 기능이 난방 모드와는 반대로 진행된다. 즉, 부하측 열교환기(120)는 난방 모드에서 응축 기능을 수행하지만 냉방 모드에서는 증발 기능을 수행한다.
냉방 모드는, 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 제 1 냉매주배관(210) 및 제 1 냉매보조배관(310)을 거쳐 잠열 열교환기(160)로 이송된다. 잠열 열교환기(160)에서 응축이 이루어진 냉매는 제 2 냉매보조배관(320) 및 제 2 냉매주배관(220)을 거쳐 수액기(140)에 저장된다. 이후, 제 3 냉매보조배관(330) 및 제 3 냉매주배관(230)을 거쳐 부하측 열교환기(120)에서 증발이 이루어진다. 다음으로, 제 4 냉매보조배관(340), 제 4 냉매주배관(240) 및 제 5 냉매주배관(250)을 거쳐 액분리기(180)로 유입된 후 제 6 냉매주배관(260)을 거쳐 압축기(110)로 유입된다.
외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 축열 및 축냉 모드
다음, 본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)의 축열 및 축냉 모드를 설명하면 다음과 같다.
축열 모드는 압축기(110)에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 제 1 냉매주배관(210) 및 제 3 냉매주배관(230)을 거쳐 수조용 열교환부(150)로 이송된다. 수조용 열교환부(150)에서 응축된 냉매는 제 5 냉매보조배관(350)을 거쳐 잠열 열교환기(160)로 이송된다. 잠열 열교환기(160)에서 증발된 냉매는 제 4 냉매주배관(240) 및 제 5 냉매주배관(250)을 거쳐 액분리기(180)로 유입된 후 제 6 냉매주배관(260)을 거쳐 압축기(110)로 유입된다. 상기 축열 모드에서 잠열 열교환기(160)로는 태양열판을 복합한 형태의 축열용 쿨러(165)가 바람직할 수 있다.
본 발명은 축열시 특히 열원 측의 수조온도가 낮기 때문에 응축 압력이 낮아져 적은 압축 동력으로 열원의 온도를 쉽게 올릴 수 있다.
한편, 축냉 모드는 압축기(110)에서 압축된 냉매 가스가 제 1 냉매주배관(210) 및 제 3 냉매주배관(230)을 거쳐 수조용 열교환부(150)로 이송된다. 수조용 열교환부(150)에서 증발된 냉매는 제 5 냉매보조배관(350)을 거쳐 잠열 열교환기(160)로 이송된다. 잠열 열교환기(160)에서 응축된 냉매는 제 4 냉매주배관(240) 및 제 5 냉매주배관(250)을 거쳐 액분리기(180)로 유입된 후 제 6 냉매주배관(260)을 거쳐 압축기(110)로 유입된다. 상기 축냉 모드에서 잠열 열교환기(160)로는 축냉용 쿨러(161)가 바람직할 수 있다.
본 발명인 외기 온도 감응식 냉난방 장치(100)는 별도의 2차 냉매를 사용하지 않고 동일 냉매로 축열 및 축냉 잠열 사이클을 구현하므로서, 3가지 사이클인 난방, 냉방 및 축열(축냉) 사이클을 구현할 수 있다. 여기서 축열 및 축냉 사이클 모드의 냉매 변화는 압축 -> 응축 -> 팽창 -> 증발 -> 압축의 순환 시스템을 이루게 된다.
일반적으로 종래의 경우에는 냉방 및 난방 사이클에서 겨울철 및 여름철의 주야간의 외기 온도 차가 평균 약 20℃ 내외로 이 온도차의 자연에너지를 충분히 활용하지 못하고 있는 반면, 본 발명은 겨울철에는 야간에 난방 열원을 확보하기 위하여 주로 주간에 외기온도가 높거나, 빛의 에너지가 많거나, 폐열원이 많은 위치에 냉매가 잘 증발되도록 열교환기를 설치하여 냉매를 증발하게 하고, 압축 후 수조에 축열한 후 부하측 사용시간에 증발 열원으로 활용함으로써 자연 에너지를 최대한 이용하게 한다. 이를 통해 성적 계수와 효율성을 높일 수 있다.
난방부하(응축열량(100%))= 압축열량(30%) + 증발열량(70%)
난방 모드에서 난방부하는 상기의 식으로 이루어질 수 있는데, 여기에서 증발열량(70%)은 수조(130)의 물을 통해 냉매 스스로가 증발하여 취득하는 자연 에너지이고, 압축열량(30%)은 실제 사용 에너지이므로 난방시에는 냉매가 지속적으로 증발할수만 있으면 에너지를 70%를 절감할 수 있다. 그렇기 때문에 안정적인 증발열원 확보가 가장 중요하다고 할 수 있고, 증발열원의 확보가 일정조건 이상으로 확보되면 70% 이상으로 에너지를 절감할 수 있다.
한편, 여름철에는 반대로 냉방 열원을 확보하기 위하여 주로 야간에 외기온도가 낮거나, 빛의 에너지 밀도가 적거나, 폐 냉열원이 많은 위치에 냉매가 잘 응축되도록 열교환기를 설치하여 냉매를 응축하여 수조에 축냉한 후 부하측 사용시간에 냉방열원으로 활용함으로써 난방시와 같은 동일한 효과를 얻을 수 있다.
냉방부하(증발열량(70%))= 응축열량(100%) - 압축열량(30%)
냉방 모드에서 냉방부하는 상기의 식으로 이루어질 수 있는데, 냉방시에는 잠열 열교환기(160)에서 냉매의 응축온도(100%)를 낮추는 것이 에너지를 효과적으로 이용할 수 있게 하므로, 응축열원확보가 가장 중요할 수 있다.
이상과 같이, 동절기와 하절기에서 일일 평균온도차가 약 20℃ 내외로 유지되므로 상기 온도차를 잘 감응하여 잠열 열교환기(160)에서 증발 또는 응축 과정을 수행하게 하여 수조(130)에 축열 또는 축냉 후 이를 부하측 열교환기(120)의 사용 시간대에 열량을 공급하게 함으로써 자연 에너지를 효과적으로 활용하는 냉방 및 난방 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명은 특히 태양 빛에너지에 크게 좌우되지 않고 언제든지 외기 온도 및 여러가지 열물성치를 감응하여 운전가능하다는 것이 특징일 수 있다.
본 발명의 부하측 열교환기(120)는 증발 및 응축이 쉽게 가능하도록 집열 증발기와 집냉 응축기를 구성할 수 있다.
본 발명은 축열시 특히 열원 측의 수조온도가 낮기 때문에 응축 압력이 낮아져 적은 압축 동력으로 열원의 온도를 쉽게 올릴 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 외기 온도 감응식 냉난방 장치
110 : 압축기
120 : 부하측 열교환기
133 : 수조
140 : 수액기
150 : 수조용 열교환부
160 : 잠열 열교환기
170 : 외기 온도 감지 유닛
180 : 액분리기
190 : 팽창밸브

Claims (9)

  1. 냉매를 압축하여 배출하는 압축기(110);
    상기 압축기(110)와 제 1 냉매주배관(210)으로 연결되는 부하측 열교환기(120);
    상기 부하측 열교환기(120)와 제 2 냉매주배관(220)으로 연결되어 액화된 냉매가 저장되는 수액기(140);
    상기 수액기(140)가 수용되는 수조(130);
    상기 수조(130)에 배치되며, 상기 수액기(140)와 제 3 냉매주배관(230)으로 연결되는 수조용 열교환부(150);
    상기 수조용 열교환부(150)와 제 4 냉매주배관(240)으로 연결되는 잠열 열교환기(160);
    상기 잠열 열교환기(160)에 전기적으로 연결되는 제어부; 및
    상기 제어부에 연결되는 외기 온도 감지 유닛(170);
    을 포함하며,
    상기 제어부는 상기 외기 온도 감지 유닛(170)에서 측정되는 외기 온도 센싱을 통해 상기 잠열 열교환기(160)의 축열 또는 축냉 기능을 선택적으로 조절하는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 내지 제 4 냉매주배관을 포함하는 냉매배관에 배치되는 하나 이상의 개폐밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잠열 열교환기(160)는 축냉용 쿨러(161) 또는 태양열판을 복합한 형태의 축열용 쿨러(165)인 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉난방 장치는,
    상기 수액기(140)와 상기 수조용 열교환부(150)를 연결하는 상기 제 3 냉매주배관(230) 상에 배치되는 팽창밸브(190);를 더 포함하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수조(130)는 지중에 매설되는 제 1 수조(131), 상기 제 1 수조(131) 내에 수용되는 제 2 수조(132), 상기 제 1 수조(131)와 상기 2 수조(132) 사이의 공간 내에 물을 공급 또는 배출할 수 있는 펌핑 수단, 및 지중의 열을 받을 수 있도록 상기 지중에 매립되는 형태의 지중 코일(133)을 포함하고,
    상기 제 1 수조(131)와 상기 제 2 수조(132)는 소정 거리 이격되고, 상기 지중 코일(133)의 내부에 물이 유동할 수 있는 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    여름철 냉방 모드는, 상기 수조용 열교환부(150)로의 냉매의 유동이 차단되고, 상기 냉방 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 잠열 열교환기(160), 상기 수액기(140), 상기 부하측 열교환기(120) 및 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    겨울철 난방 모드는, 상기 잠열 열교환기(160)로의 냉매의 유동이 차단되고, 상기 난방 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 부하측 열교환기(120), 상기 수액기(140), 상기 수조용 열교환부(150) 및 상기 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    축열 또는 축냉 모드를 수행하는 경우에, 상기 부하측 열교환기(120) 및 상기 수액기(140)로의 냉매의 유동이 차단되고, 상기 축열 또는 축냉 모드에서 냉매는 상기 압축기(110), 상기 수조용 열교환부(150), 상기 잠열 열교환기(160) 및 액분리기(180)를 거쳐 상기 압축기(110)로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉매주배관(220) 상에 배치되는 보조 응축용 열교환부(145);를 더 포함하며,
    상기 보조 응축용 열교환부(145)는 상기 수조(130) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    외기 온도 감응식 냉난방 장치.
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