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KR102690592B1 - 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치 - Google Patents

지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치 Download PDF

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KR102690592B1
KR102690592B1 KR1020220028854A KR20220028854A KR102690592B1 KR 102690592 B1 KR102690592 B1 KR 102690592B1 KR 1020220028854 A KR1020220028854 A KR 1020220028854A KR 20220028854 A KR20220028854 A KR 20220028854A KR 102690592 B1 KR102690592 B1 KR 102690592B1
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Abstract

본 발명은 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1 공간부와 제2 공간부로 구획된 본체프레임; 상기 본체프레임의 제1 공간부 일측에 배치되는 환기부; 상기 본체프레임의 제1 공간부 타측에 배치되는 급기부; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 급기부 측에 배치되는 냉난방용 열교환기; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 환기부 측에 배치되는 배기댐퍼; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 냉난방용 열교환기와 상기 배기댐퍼 사이에 배치되는 외기댐퍼; 지중에 매설되는 지중 열교환기; 및 상기 본체의 제2 공간부에 배치되고, 상기 냉난방용 열교환기의 작동유체와 상기 지중 열교환기의 지열간의 열교환을 위한 히트펌프;를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 기존의 열원 일체형 공기조화장치의 주요 구성품인 냉각탑이 필요 없으며, 난방 운전을 위한 가스버너와 같은 별도의 열원 장치가 필요 없게 되어 더욱 간편하게 제작, 설치 및 운전이 가능하고, 실내 설치가 가능하여 유지관리 및 내구성이 향상될 수 있는 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치를 제안하고자 한다.

Description

지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치{Heat source Integrated air conditioning using}
본 발명은 지열원을 이용한 지열 히트펌프를 열원 설비로 공기조화장치와 일체화함으로써 냉방 및 난방은 물론이고, 제습, 가습 및 환기 등을 공급하고, 건물의 내외부 또는 옥상 등 어느 장소에나 설치가 가능하여 제작 및 설치가 간편하고, 이를 통해 설치 및 제작비용이나 시간을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 건물 내외부의 공간 활용도를 높이고, 배관길이 내지 거리를 최소화함으로써 에너지 손실은 물론이고 배관 등의 설치비용을 절감하며, 실내의 쾌적한 환경을 조성할 수 있도록 한 신재생 에너지인 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치에 관한 것이다.
일반적으로 각 산업 현장이나 전산실, 또는 업무용 사무실 등에는 냉방 및 난방을 목적으로 설치되는 공기조화기(Air Handling Unit; AHU, 공조기)는 공기를 정화, 냉각ㅇ감습, 가열ㅇ가습을 하는 장치로, 최근에 사용되고 있는 공조기들은 냉난방 겸용으로 사용하는바, 송풍기를 설치하여 여름철 냉방시에는 코일에 냉동기의 냉수를 보내고, 겨울철 난방시에는 보일러에서 증기나 온수를 보내거나 가스 직화 방식을 적용하여 냉풍 또는 온풍을 만드는 방식에 의해 각 실내로 냉난방을 공급하는 기능을 갖추고 있다.
종래에 사용된 공기조화기는 열원을 제공하는 설비(냉동기, 냉수펌프, 냉각수, 펌프, 냉각탑)와 입출구 배관으로 연결되어 실내로 냉.난방을 공급하나 열원제공 설비와의 별도 설치로 인하여 사용자에게 적지 않은 불편을 주는 단점이 있다.
또한, 냉동기, 냉수펌프, 냉각수 펌프는 지하 기계실에 설치되며, 공기조화기는 기계실 또는 각층에 별도로 설치되고, 냉각탑은 옥상층에 설치되는 것이 통상의 설치 방법이다.
이러한 설치 방법에 따라 관리자는 점검 또는 유지 보수나 수리 시에 불편을 겪게 되며 건물 내부의 공간 또한 위 설비들로 인해 점유면적을 주어짐으로 인해 활용성이 떨어지는 문제점이 있다.
그리고 설비간의 배관 거리와 보온 등의 필요에 따라 공사비용을 지출하게 되고 거리 간격이 먼 관계로 에너지의 손실을 가져오며 관리적인 면에서도 시간적, 인력의 손실을 초래하는 문제점이 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-0556809호(2006.02.23. 등록)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
냉난방은 물론이고, 환기, 제습, 가습 등의 공기조화에 필요한 열원으로 지열원을 사용하고, 이를 통해 하나의 프레임 위에 공기조화장치를 설치할 수 있어 설비간 이격거리로 인한 에너지 손실을 최소화하며, 열원 일체형 공기조화기의 제약 조건인 실내설치문제와 난방공급문제를 신재생 에너지인 지열을 이용하여 효율적으로 냉난방을 수행함으로써 냉각수의 냉각을 위한 냉각탑과 난방 공급을 위한 가스버너와 같은 가열장치의 설치가 필요 없어 제작, 설치비용뿐만 아니라, 실내외, 옥상 등 설치장소의 선택범위를 넓히고, 유지관리 및 운전비용을 획기적으로 절감할 수 있는 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치는 제1 공간부와 제2 공간부로 구획된 본체프레임; 상기 본체프레임의 제1 공간부 일측에 배치되는 환기부; 상기 본체프레임의 제1 공간부 타측에 배치되는 급기부; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 급기부 측에 배치되는 냉난방용 열교환기; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 환기부 측에 배치되는 배기댐퍼; 상기 본체프레임의 제1 공간부에 구비되고, 상기 냉난방용 열교환기와 상기 배기댐퍼 사이에 배치되는 외기댐퍼; 지중에 매설되는 지중 열교환기; 및 상기 본체의 제2 공간부에 배치되고, 상기 냉난방용 열교환기의 작동유체와 상기 지중 열교환기의 지열간의 열교환을 위한 히트펌프;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 냉난방용 열교환기는 작동유체가 냉온수인 물대물 방식의 제1 열교환기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 제1 열교환기와 상기 히트펌프의 부하측은 냉온수 순환을 위한 냉온수순환라인을 구성하고, 상기 냉온수순환라인 상에는 냉온수펌프가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 냉난방용 열교환기는 작동유체가 냉매인 물대공기 방식의 제2 열교환기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 제2 열교환기와 상기 히트펌프의 부하측은 냉매 순환을 위한 냉매순환라인을 구성하고, 상기 냉매순환라인 상에는 팽창변이 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 급기부와 상기 냉난방용 열교환기 사이에 배치되는 가습기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 배기댐퍼와 상기 외기댐퍼 사이에 배치되는 믹싱댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치는 기존의 열원 일체형 공기조화장치의 주요 구성품인 냉각탑이 필요 없으며, 난방 운전을 위한 가스버너와 같은 별도의 열원 장치가 필요 없게 되어 더욱 간편하게 제작, 설치 및 운전이 가능하고, 실내 설치가 가능하여 유지관리 및 내구성이 향상될 수 있다.
또한 본 발명은 신생에너지인 지열을 사용함으로써 안정적인 운전을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 친환경적인 운용이 가능하다는 점에서 원가 절감 및 에너지 절감효과를 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치의 제1 실시례(물대물 방식의 제1 열교환기 적용)를 나타내는 전체시스템도,
도 2는 본 발명에 따른 제1 실시례를 나타내는 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 제1 실시례를 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 제1 실시례를 나타내는 배면도,
도 5는 본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치의 제2 실시례(물대공기 방식의 제2 열교환기 적용)를 나타내는 전체시스템도,
도 6은 본 발명에 따른 제2 실시례를 나타내는 정면도,
도 7은 본 발명에 따른 제2 실시례를 나타내는 평면도,
도 8은 본 발명에 따른 제2 실시례를 나타내는 배면도,
도 9는 본 발명에 따른 컨트롤 제어부의 작동 상태를 나타내는 작업 공정도,
도 10은 본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치의 작동 상태를 나타내는 공정 흐름도.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시례를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시례를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치는 본체프레임(10), 환기부(20), 급기부(30), 냉난방용 열교환기(40), 배기댐퍼(50), 외기댐퍼(60), 지중 열교환기(70) 및 히트펌프(80)를 포함하여 구성된다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 본체프레임(10)은 내부를 내측 및 외측으로 구획하여 내측에 제1 공간부(11)가 형성되고, 외측에 제2 공간부(13)가 형성된다.
본체프레임(10)의 각 공간부에는 본 발명에 따른 공기조화장치의 구성품들이 배치되는데, 제1 공간부(11)에는 환기부(20), 급기부(30), 배기댐퍼(50), 외기댐퍼(60), 믹싱댐퍼(100), 필터(110), 냉난방용 열교환기(40), 가습기(120) 등이 배치되고, 제2 공간부(13)에는 히트펌프(80), 냉온수펌프(42), 팽창변(44) 등이 배치될 수 있다.
아울러 본체프레임(10)에는 일측에 컨트롤 제어부(90)가 배치되어 있으며, 이 컨트롤 제어부(90)는 공기조화기의 동작 상태를 취합하여 전체적인 공조시스템을 제어하게 된다. 이와 같은 컨트롤 제어부(90)에 의한 통합 제어는 도 9의 도시된 바에 따라 후술하기로 한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 환기부(20)와 급기부(30)는 각각 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 양측에 배치되어 환기와 급기를 수행하게 된다.
먼저 급기부(30)는 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 일측에 배치되는데, 보다 구체적으로는 도 1 및 도 5의 도시를 기준으로 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 우측에 배치된다. 이 경우 냉방 및 난방 등의 공기를 건물 등의 내부로 강제 공급하기 위한 급기팬(31)과, 이 급기팬(31)으로부터 공급되는 공기를 건물 등의 내부로 공급을 제어하기 위한 급기댐퍼(33)로 구성된다.
다음으로 환기부(20)는 본체프레임(10)의 제2 공간부(13) 타측, 즉 도 1 및 도 5의 도시를 기준으로 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 좌측에 배치된다. 이 경우 건물 등의 내부 공기를 외부로 강제 배출시키기 위한 환기팬(21)과, 이 환기팬(21)으로부터 공기를 외부로의 배출을 제어하기 위한 환기댐퍼(23)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 급기부(30)와 환기부(20)는 컨트롤 제어부(90)에 의한 통한 제어를 통해 냉방 및 난방을 수행하게 된다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉난방용 열교환기(40)는 본체프레임(10)의 제1 공간부(11)에 구비되어 급기부(30) 측에 배치된다.
냉난방용 열교환기(40)는 히트펌프(80)와 배관으로 연결되어 작동유체가 순환하도록 구성되고, 작동유체와 지열간의 열교환을 통해 냉방 및 난방이 가능하도록 구성된다.
이를 위해 냉난방용 열교환기(40)는 제1 실시례로서 도 1 내지 도 4의 도시와 같은 물대물 방식의 제1 열교환기(41)와, 제2 실시례로서 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같은 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)로 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 물대물 방식의 제1 열교환기(41)는 열원으로 지열을 사용하고, 작동유체로 냉온수를 사용하게 된다.
제1 열교환기(41)는 냉온수의 순환을 위해 냉온수 코일을 사용하고, 냉온수의 유출입을 위해 열교환관에는 제1 입구(41a)와 제1 출구(41b)가 구비된다. 따라서 냉온수가 제1 입구(41a)로 유입되어 열교환관을 따라 유동 후, 제1 출구(41b)로 배출된다. 제1 출구(41b)로 배출된 냉온수는 후술할 히트펌프의 부하측(83) 열교환관으로 유입된다.
이 경우 제1 열교환기(41)의 열교환관과 히트펌프의 부하측(83) 열교환관은 배관으로 연결되어 냉온수의 순환 유동될 수 있도록 냉온수순환라인(L1)을 형성된다. 이 냉온수순환라인(L1) 상에는 냉온수펌프(42)가 배치된다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같은 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)는 열원으로 지열을 사용하고, 작동유체로 냉매를 사용하게 된다.
제2 열교환기(43)는 냉매의 순환을 위해 다이렉트 익스펜션 코일(direct expansion coil)을 사용하고, 냉매의 유출입을 위해 열교환관에는 제2 입구(43a)와 제2 출구(43b)가 구비된다. 따라서 냉매는 제2 입구(43a)로 유입되어 열교환관을 따라 유동 후, 제2 출구(43b)로 배출된다. 제2 출구(43b)로 배출된 냉온수는 후술할 히트펌프의 부하측(83) 열교환관으로 유입된다.
이 경우 제2 열교환기(43)의 열교환관과 히트펌프(80)의 부하측(83) 열교환관은 배관으로 연결되어 냉매가 순환 유동될 수 있도록 냉매순환라인(L2)이 형성된다. 이 냉매순환라인(L2) 상에는 팽창변(44)이 배치된다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배기댐퍼(50)와 외기댐퍼(60)는 급기부(30)와 환기부(20)에 의하여 유도되는 공기유동의 순환을 통해 냉방 또는 난방이 이루어질 수 있도록 구성된다.
이와 같은 배기댐퍼(50)와 외기댐퍼(60)의 배치구조는 환기부(20) 측으로부터 배기댐퍼(50)와 외기댐퍼(60)가 순차적으로 배치되고, 배기댐퍼(50)와 외기댐퍼(60) 사이에는 믹싱댐퍼(100)가 배치된다. 또한 외기댐퍼(60)와 냉난방용 열교환기(40) 사이에는 필터(110)가 배치될 수 있다.
이 경우 배기댐퍼(50)는 공기가 외부로 빠져나와 실내 또는 실외로 배출되는 유동통로로서 작용하고, 외기댐퍼(60)는 실외 또는 실내 공기를 전달하는 유동통로로서 작용을 하게 된다. 또한 믹싱댐퍼(100)는 외기댐퍼(60)로부터 유입되는 외기와 실내 공기를 혼합하여 냉난방용 열교환기(40)로 혼합공기를 공급하게 된다.
또한 필터(110)는 외기댐퍼(60)와 믹싱댐퍼(100)에 의하여 혼합된 공기 중에 포함되어 있는 분진이나 먼지 기타 이물질 등을 제거하여 냉난방용 열교환기(40) 측으로 공급하게 된다.
이 경우 냉난방용 열교환기(40) 일측, 즉 급기부(30) 측으로 가습기(120)가 배치될 수 있다. 이 가습기(120)는 냉난방용 열교환기(40)부(20)로부터 공급되는 냉난방 공기에 가습을 통해 실내의 습도가 조절될 수 있도록 함으로써 환절기나 동절기와 같이 실내 공기가 건조한 시기에 실내 공기가 일정 수준의 습도가 유지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지중 열교환기(70)는 지중에 매설된 열교환관을 통해 지열수를 통해 지열을 히트펌프(80)의 열원측(81)으로 공급하게 된다.
이와 같은 지중 열교환기(70)는 지하를 구성하는 토양, 암반 및 지하수가 가지고 있는 열에너지원으로 태양열의 51%를 지표면과 해수면에서 흡수 저장된 열원으로 지표면에서 500m 이하의 천부지열을 활용하게 된다.
이 경우 지열의 온도는 지하 10m 이하부터는 12℃ ~ 17℃로 일정한 온도를 유지하여 상대적으로 겨울에 따뜻하고 여름에는 시원한 특성을 가지고 있으며, 연중 15℃ 내외로 유지되는 지열에너지를 히트펌프(80)와 같은 에너지변환장치와 열교환을 통해 건물 등의 냉난방에 이용하게 된다.
즉 본 발명에 따른 지중 열교환기(70)는 히트펌프(80)의 열원측(81)을 순환하면서 히트펌프(80)의 부하측(83)인 냉난방용 열교환기(40)의 작동유체와 열교환을 하게 된다.
이를 위해 지중 열교환기(70)는 지중에 매설되는 루프(71)와, 루프(71)로부터 히터펌프의 열원측(81)으로 지열을 유입시키기 위한 지열입구(73)와, 히트펌프(80)의 열원측(81)에서 루프(71)로 지열을 배출시키기 위한 지열출구(75)로 구성된다. 즉 지중 열교환기(70)는 루프(71)와, 지열입구(73) 및 지열출구(75)로 구성되어 지중 열교환기(70)와 히터펌프를 순환하기 위한 지열순환라인(GL)을 형성하게 된다. 이 경우 지열입구(73) 측에서 분기하여 지열출구(75)를 연결하기 위한 분기관이 구비되고, 지열출구(75) 측과 분기관이 연결되는 지점에 삼방밸브 형태의 지열 컨트롤밸브(77)가 배치될 수 있다. 또한 지열입구(73) 측에는 지열펌프(79)가 구비되어 지열을 가압하여 히터펌프의 열원측(81)으로 공급될 수 있도록 할 수 있다.
도 1, 도 3, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 히트펌프(80)는 냉난방 열교환기를 순환하는 작동유체와 지중 열교환기(70)를 순환하는 지열간의 열교환이 가능하도록 구성된다.
히트펌프(80)는 열원측(81)인 지중 열교환기(70)를 순환하는 지열과 부하측(83)인 냉난방용 열교환기(40)를 순환하는 작동유체가 열교환을 통해 열원인 지열 측으로 작동유체의 잔열을 방출하거나, 지열을 흡수하여 냉난방용 열교환기(40)에 의한 냉방 및 난방을 구현하게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 히트펌프(80)를 통한 에너지변환작용을 지중 열교환기(70)와 냉난방용 열교환기(40) 간의 열교환 과정을 설명하기로 한다.
먼저 냉난방용 열교환기(40)로 물대물 방식의 제1 열교환기(41)를 적용되는 경우에는 지열순환라인(GL)이 히트펌프(80)의 열원측(81)에 배치되고, 제1 열교환기(41)의 냉온수순환라인(L1)이 부하측(83)에 배치된다.
이 경우 냉방모드 운전시 작동유체로 냉수가 공급되어 제1 열교환기(41)로 공급되고, 제1 열교환기(41)의 열교환관을 통과한 냉수는 제1 출구(41b)로 배출되어 냉온수순환라인(L1)을 통해 히트펌프의 부하측(83)으로 공급된다. 이 경우 냉온수순환라인(L1)에는 냉온수펌프(42)가 구비되어 냉수를 가압하여 히트펌프의 부하측(83)으로 공급하게 된다.
히트펌프(80)의 부하측(83)으로 유입된 냉수는 온도가 상승한 상태로 지열과 열교환을 통해 냉각된 후, 냉온수순환라인(L1)을 통해 제1 열교환기(41)의 제1 입구(41a)로 공급되어 냉방을 수행하게 된다.
특히 지열을 이용하는 히트펌프(80)를 사용하는 경우 기존의 공조기와 달리 히트펌프(80)를 통해 냉수의 응축열은 지열로 흡수되어 지중으로 버려짐으로써 냉각탑을 별도로 설치할 필요가 없게 된다. 이는 냉각탑을 설치하지 않는 경우 공기조화장치를 컴팩트하게 제작할 수 있다는 점에서 유리하다.
이 경우 냉수의 응축열을 지중으로 버리지 않고. 급탕용 증발기의 열원으로 재사용하는 경우 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다.
반대로 난방모드 운전시에는 작동유체를 온수를 사용하여 제1 열교환기(41)를 순환하는 온수에 의하여 난방을 수행하게 된다. 또한 난방 후 온도가 하강한 온수는 냉온수순환라인(L1)을 통해 히트펌프의 부하측(83)으로 공급되어 열원측(81)의 지열과 열교환을 통해 지열을 흡수하여 냉온수순환라인(L1)을 통해 제1 열교환기(41)로 공급된다.
이와 같은 제1 열교환기(41)에 의한 냉난방은 배기댐퍼(50), 외기댐퍼(60), 믹싱댐퍼(100) 및 급기부(30) 등의 상관제어를 통해 냉방공기와 난방공기가 건물 등의 실내로 공급되고, 건물 등에 설치된 팬코일유닛을 통해 실내로 냉방공기 및 난방공기가 공급된다.
먼저 냉난방용 열교환기(40)로 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)를 적용되는 경우에는 지열순환라인(GL)이 히트펌프의 열원측(81)에 배치되고, 제2 열교환기(43)의 냉매순환라인(L2)이 부하측(83)에 배치된다.
이 경우 냉방모드 운전시 작동유체로 냉매가 공급되어 제2 열교환기(43)로 공급되고, 제2 열교환기(43)의 열교환관을 통과한 냉수는 제2 출구(43b)로 배출되어 냉매순환라인(L2)을 통해 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 공급된다. 이 경우 제2 열교환기(43)는 증발기 역할을 하고, 히터펌프의 부하측(83)은 응축기로 역할을 하게 된다. 따라서 냉매순환라인(L2)에서 히트펌프(80)의 부하측(83)에서 배출된 냉매가 제2 열교환기(43) 측으로 유입되는 라인 상에 팽창변(44)이 구비되어 교축작용을 통해 고온고압의 액상 냉매를 저온저압의 냉매로 공급하게 된다. 또한 냉매순환라인(L2)에서 제2 열교환기(43) 측에서 배출되어 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 유입되는 라인 상에는 압축기(45)가 구비되어 증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 공급하게 된다.
이 경우 히터펌프의 부하측(83), 즉 응축기에 의한 응축열은 열원측(81)으로 흡수되어 지중으로 버려지는데, 이러한 흡수열을 지중으로 버리지 않고, 급탕용 증발기의 가열원으로 재사용하는 경우 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다.
반대로 난방모드 운전시에는 냉방모드 운전시 냉방사이클을 반대로 순환시켜 난방을 구현할 수 있다. 이 경우 냉매는 고온의 냉매를 사용하는 것도 가능하다.
이와 같은 제2 열교환기(43)에 의한 냉난방은 배기댐퍼(50), 외기댐퍼(60), 믹싱댐퍼(100) 및 급기부(30) 등의 상관제어를 통해 냉방공기와 난방공기가 건물 등의 실내로 공급되고, 건물 등에 설치된 실내기를 통해 실내로 냉방공기 및 난방공기가 공급된다.
도 9는 본 발명에 따른 컨트롤 제어부(90)의 작동 상태를 계략적으로 나타낸 작업 공정도이다.
여기서, 컨트롤 제어부(90)는 통신모듈(91)을 통하여 통합적으로 컨트롤러 된 후 디스플레이(97)가 된다. 또한 컨트롤 제어부(90)는 열원제어부(92)를 통하여 냉온수펌프(42) 내지 팽창변(44) 및 히트펌프(80)의 부하측(83)과 냉난방용 열교환기(40)로 구성되는 냉동기를 자동 제어할 수 있다.
또한 열원제어부(92)는 컨트롤 제어부(90)의 통합 컨트롤러(93)를 통하여 냉난방용 열교환기(40), 급기부(30), 환기부(20), 배기댐퍼(50), 외기댐퍼(60), 믹싱댐퍼(100), 동파방지히터(130) 등을 자동으로 제어할 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 컨트롤 제어부(90)는 제어 설정을 위한 설정부(94)와, 운전 정지 상태를 알리기 위한 경보부(95) 및 시스템 제어에 관한 이력관리를 위한 메모리부(96)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 설정부(94)는 냉방 및 난방 운전, 제습, 가습, 환기 등 다양한 운전 형태를 설정할 수 있고, 이를 위한 제어패널과 디스플레이(97)가 구비된다.
다음으로 경보부(95)는 설정부(94)에서 제어 설정된 형태의 운전이 가동되지 않는 경우 이를 알리기 위해 경보나 알림 메시지를 표시하게 된다.
이러한 경우 제어패널에서는 경보부(95)에 의한 경보나 알림 메시지를 표시하게 되는 원인이 된 내용을 표시하게 된다.
이러한 내용표시로는 냉동기 제어 시, 유량검출이 되지 않는 경우, 압축기(45) 운전이 되지 않는 경우 및 설정된 수온의 검출 및 충족되지 않는 경우 등의 냉동 운전이 가동되지 않는 원인을 표시하게 된다.
또한 공기조화장치의 제어 운전 시에는 환기팬(21) 운전이 되지 않는 경우, 급기팬(31) 운전이 되지 않는 경우 등의 공조기 운전이 가동되지 않는 원인을 표시하게 된다.
또한 메모리부(96)는 이렇게 표시된 원인과, 이를 해결하기 위한 프로세서, 설정부(94)에 의하여 설정된 운전 조건이나, 운전 형태 등의 시스템 제어 및 다양한 조건에서의 운전 환경 등의 이력을 저장하고, 이를 관리하게 된다. 또한 메모리부(96)에 저장된 시스템 제어나 운전 이력을 데이터베이스화하여 동일한 환경이나, 운전 조건이 발생하는 경우 데이터베이스로부터 기존 데이터를 활용함으로써 신속하면서도 정확한 운전이 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 열원 통합형 공기조화장치의 작동 상태를 나타낸 공정 흐름도이다.
여기서 컨트롤 제어부(90)와 연결된 냉동기가 ON 위치에 오면 지열펌프(79)와 냉온수펌프(42)가 작동된다. 이 경우 냉온수펌프(42)에서 공급되는 유량의 온도를 검출하여 냉동기를 구동시키게 된다.
또한 냉동기의 작동과 동시에 공기조화장치는 작동되고, 공기조화장치의 작동과 동시에 외기댐퍼(60)가 오픈된다.
이와 동시에 환기팬(21)과 급기팬(31)은 작동되고, 이때 환기되는 공기의 온도를 검출한 후 냉난방 시 지열 컨트롤밸브(77)를 오픈하게 된다.
이 경우 환기온도를 검출하고, 설정된 환기온도를 충족하는 경우에는 냉난방용 열교환기(40)가 제1 열교환기(41)인 경우 냉방용 및 난방용 컨트롤밸브(미도시)를 비례 제어하게 된다. 아울러 냉난방용 열교환기(40)가 제2 열교환기(43)인 경우 팽창변(44)을 비례 제어하게 되고, 동시에 압축기(45)의 운전을 가동하게 된다.
나아가 컨트롤 제어부(90)는 설정부(94), 경보부(95) 및 메모리부(96)에 의하여 운전 정지시 경보나 알림 메시지를 표시하고, 이 경우 운전 정지의 원인이 되는 내용을 표시할 수 있다. 또한 운전 조건이나 환경에 따른 제어 조건 등의 이력을 저장하여 관리하고, 이를 통하여 구축된 데이터베이스를 이용한 향후 운전 시, 동일한 조건하에서 추출하여 사용함으로써 제어효율을 높일 수 있다.
한편 냉난방용 열교환기(40)의 동파 방지를 위해 컨트롤 제어부(90)는 특정 환경, 즉 겨울철 외기 온도가 영하로 내려가는 경우 냉온수펌프(42)를 제어하여 냉난방용 열교환기(40)의 동파를 사전에 방지할 수 있다. 냉난방용 열교환기(40)의 동파 방지를 위해 동파방지히터(130)를 설치하여 동파에 대비하는 것도 가능하다.
또한 컨트롤 제어부(90)는 외기 엔탈피와 실내 엔탈피를 비교하여 환절기시 열원제어부(92)를 제외한 환기팬(21)과 급기팬(31)의 운전만으로 실내가 냉난방이 될 수 있도록 엔탈피 운전이 가능하도록 제어할 수 있다.
이는 도 10에 도시된 바와 같이 공기조화장치의 제어 운전으로 가능한데, 먼저 냉방용 또는 난방용 컨트롤밸브를 비례제어를 수행하게 된다. 각 컨트롤밸브의 비례 제어 후, 외기댐퍼(60)가 오픈되며, 이와 동시에 환기팬(21)과 급기팬(31)이 작동된다. 이때 환기되는 공기의 온도를 검출한 후, 설정 환기온도를 충족하면 냉난방 환기운전을 수행하고, 설정 환기온도를 충족하지 못하는 경우 다시 각 컨트롤밸브의 비례제어 후, 환기팬(21) 및 급기팬(31) 운전을 수행하여 설정된 환기온도를 충족하도록 제어하게 된다. 이와 같은 엔탈피 운전은 본 발명에 따른 컨트롤 제어부(90)에 의하여 수행될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 컨트롤 제어부(90)를 통한 통합 제어에 의하여 냉방과 난방은 물론, 제습 및 환기를 하나의 장비로 할 수 있어 쾌적한 환경의 조성을 편리하게 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 제작과 설치 및 유지보수에 따른 시간 및 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 내기를 이용한 제습을 통해 보관된 물품을 건조 시키거나 실내를 쾌적한 환경으로 조성할 수 있을 뿐만 아니라, 배기댐퍼(50) 및 외기댐퍼(60)를 통한 외기의 공급과 내기의 배출로 인해 상대습도가 낮을 때에도 제습을 원활하게 이룰 수 있도록 하여 실내를 원하는 상태로 신속하게 만들 수 있는 효과가 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 공기조화장치는 냉난방은 물론이고, 환기, 제습, 가습 등의 공기조화에 필요한 열원으로 지열원을 사용하고, 이를 통해 하나의 프레임 위에 공기조화장치를 설치할 수 있어 설비간 이격거리로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
또한 열원 일체형 공기조화기의 제약 조건인 실내설치문제와 난방공급문제를 신재생 에너지인 지열을 이용하여 효율적으로 냉난방을 수행함으로써 냉각수의 냉각을 위한 냉각탑과 난방 공급을 위한 가스버너와 같은 가열장치의 설치가 필요 없어 제작, 설치비용뿐만 아니라, 실내외, 옥상 등 설치장소의 선택범위를 넓히고, 유지관리 및 운전비용을 획기적으로 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일실시례를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시례가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
GL : 지열순환라인
L1 : 냉온수순환라인
L2 : 냉매순환라인
10 : 본체프레임
11 : 제1 공간부 13 : 제2 공간부
20 : 환기부
21 : 환기팬 23 : 환기댐퍼
30 : 급기부
31 : 급기팬 33 : 급기댐퍼
40 : 냉난방용 열교환기
41 : 제1 열교환기 41a : 제1 입구
41b : 제2 출구 42 : 냉온수펌프
43 : 제2 열교환기 43a : 제2 입구
44 : 팽창변 45 : 압축기
50 : 배기댐퍼
60 : 외기댐퍼
70 : 지중 열교환기
71 : 루프 73 : 지열입구
75 : 지열출구 77 : 지열 컨트롤밸브
79 : 지열펌프
80 : 히트펌프
81 : 열원측 83 : 부하측
90 : 컨트롤 제어부
91 : 통신모듈 92 : 열원제어부
93 : 통합 컨트롤러 94 : 설정부
95 : 경보부 96 : 메모리부
97 : 디스플레이
100 : 믹싱댐퍼
110 : 필터
120 : 가습기
130 : 동파방지히터

Claims (7)

  1. 제1 공간부(11)와 제2 공간부(13)로 구획된 본체프레임(10);
    상기 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 일측에 배치되는 환기부(20);
    상기 본체프레임(10)의 제1 공간부(11) 타측에 배치되는 급기부(30);
    상기 본체프레임(10)의 제1 공간부(11)에 구비되고, 상기 급기부(30) 측에 배치되는 냉난방용 열교환기(40);
    상기 본체프레임(10)의 제1 공간부(11)에 구비되고, 상기 환기부(20) 측에 배치되는 배기댐퍼(50);
    상기 본체프레임(10)의 제1 공간부(11)에 구비되고, 상기 냉난방용 열교환기(40)와 상기 배기댐퍼(50) 사이에 배치되는 외기댐퍼(60);
    지중에 매설되는 지중 열교환기(70); 및
    상기 본체의 제2 공간부(13)에 배치되고, 상기 냉난방용 열교환기(40)의 작동유체와 상기 지중 열교환기(70)의 지열간의 열교환을 위한 히트펌프(80);를 포함하여 이루어지되,
    상기 냉난방용 열교환기(40)가 작동유체가 냉온수인 물대물 방식의 제1 열교환기(41)인 경우,
    상기 제1 열교환기(41)와 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)은 냉온수 순환을 위한 냉온수순환라인(L1)을 구성하고, 상기 냉온수순환라인(L1) 상에는 냉온수펌프(42)가 배치되며,
    상기 냉난방용 열교환기(40)로 물대물 방식의 제1 열교환기(41)에 의한 냉방모드 운전 시, 작동유체로 냉수가 공급되어 상기 제1 열교환기(41)로 공급되고, 상기 제1 열교환기(41)의 열교환관을 통과한 냉수는 제1 출구(41b)로 배출되어 냉온수순환라인(L1)을 통해 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 공급되며, 상기 냉온수순환라인(L1) 상에 배치된 상기 냉온수펌프(42)는 냉수를 가압하여 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 공급하고, 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 유입된 냉수는 온도가 상승한 상태로 지열과 열교환을 통해 냉각된 후, 냉온수순환라인(L1)을 통해 제1 열교환기(41)의 제1 입구(41a)로 공급되어 냉방을 수행되며,
    상기 냉난방용 열교환기(40)로 물대물 방식의 제1 열교환기(41)에 의한 난방모드 운전 시, 작동유체를 온수를 사용하여 상기 제1 열교환기(41)를 순환하는 온수에 의하여 난방을 수행하고, 난방 후 온도가 하강한 온수는 냉온수순환라인(L1)을 통해 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 공급되어 열원측(81)의 지열과 열교환을 통해 지열을 흡수하여 냉온수순환라인(L1)을 통해 제1 열교환기(41)로 공급하며,
    상기 냉난방용 열교환기(40)가 작동유체가 냉매인 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)인 경우,
    상기 제2 열교환기(43)와 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)은 냉매 순환을 위한 냉매순환라인(L2)을 구성하고, 상기 냉매순환라인(L2) 상에는 팽창변(44)이 배치되며,
    상기 냉난방용 열교환기(40)로 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)에 의한 냉방모드 운전 시, 작동유체로 냉매가 공급되어 상기 제2 열교환기(43)로 공급되고, 상기 제2 열교환기(42)의 열교환관을 통과한 냉수는 제2 출구(43b)로 배출되어 냉매순환라인(L2)을 통해 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 공급되며, 상기 제2 열교환기(43)는 증발기 역할을 하고, 상기 히트펌프의 부하측(83)은 응축기로 역할을 하며, 냉매순환라인(L2)에서 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)에서 배출된 냉매가 상기 제2 열교환기(43) 측으로 유입되는 라인 상에 배치된 팽창변(44)에 의한 교축작용을 통해 고온고압의 액상 냉매를 저온저압의 냉매로 공급하되, 냉매순환라인(L2)에서 상기 제2 열교환기(43) 측에서 배출되어 상기 히트펌프(80)의 부하측(83)으로 유입되는 라인 상에는 배치된 압축기(45)가 증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 공급하게 되고,
    상기 냉난방용 열교환기(40)로 물대공기 방식의 제2 열교환기(43)에 의한 난방모드 운전 시에는 냉방모드 운전 시 냉방사이클을 반대로 순환시시켜 난방을 구현하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치.
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  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 급기부(30)와 상기 냉난방용 열교환기(40) 사이에 배치되는 가습기(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기댐퍼(50)와 상기 외기댐퍼(60) 사이에 배치되는 믹싱댐퍼(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열원 일체형 공기조화장치.
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