KR100208627B1 - 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉 난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 대의 기기로서 건물의 냉방ㆍ난방ㆍ제습ㆍ가습의 공기 조화를 동시에 수행할 수 있도록 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템에 관한 것으로, 기존의 공기 열원 히트 펌프의 단점을 적극적으로 수정 보완하여 공기 열원 히트 펌프의 장점과 액체 제습제를 이용하는 제습기의 장점을 호과적으로 결합시켜 한 대의 기기로서 냉방과 제습, 난방과 가습을 수행할 수 있음과 동시에 복합 장치의 콤팩트화를 이루고, 또한 부가적으로 액체 제습제의 특성을 이용하여 공기 청정 효과도 수행할 수 있도록 하는 시스템에 관한 것이다.

Description

복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉 난방 시스템

본 발명은 건물의 냉방ㆍ난방ㆍ

제습ㆍ가습의 공기 조화를 한 대의 기기로 수행 할 수 있도록 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템에 관한 것으로, 특히, 공기 열원 히트 펌프의 장점과 액체 제습제를 이용하는 제습기의 장점을 결합하여 냉방과 제습 및 난방과 가습을 동시에 수행할 수 있음과 동시에 콤팩트화하여 슬림형으로 제작 공급할 수 있도록 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 공기 열원 히트 펌프는 압축기, 증발기, 사방 밸브로 구성되어, 여름철에는 실내기(증발기)로 건물의 냉방에 사용되고, 겨울철 및 봄ㆍ가을에는 사방 밸브를 조절하여 실내기와 실외기의 기능을 바꾸어 실외기(증발기)에서 냉매의 증발을 이용하여 외기로부터 열을 탈취하여서 실내기(응축기)에 방열함으로써, 실내의 난방에 사용할 수 있는 공기 조화 열원기기이다.

이러한 공기 열원 히트 펌프는 한 대의 기기로서 여름철에는 냉방기(에어컨디셔너)로서 가공되고, 겨울철에는 사방 밸브의 조절로서 같은 사이클로 난방기(히터)로서 가동될 수 있는 장점이 있다.

그러나 상기한 공기 열원 히트 펌프는 외기 온도가 0℃ 이하로 저하되면 실외기(증발기)의 표면에 외기중의 수분이 응결 성장하는 서리가 생성되어서 시스템의 효율성이 크게 저하되는 문제점이 있었다.

그래서 전기 가열선, 핫 가스(Hot Gas)방식의 제상 사이클(Defrosting Cycle)을 운영함으로써, 서리를 녹인 후 다시 난방 사이클을 가동시키게 되는 문제점이 있었다.

또한 보통의 제상 사이클은 약 15%의 에너지를 낭비하는 비효율적인 사이클로서 공기 열원 히트 펌프의 적용 범위를 외기 온도 0

이상의 경우로만 제한 받게 하는 문제점도 있었다. 외기 온도 0

이하인 경우에도 공기 열원 히트 펌프가 에너지 효율적으로 사용할 수 있기 위해서는 실외기(증발기)에 생성되는 서리 성장의 문제점을 해결하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있는 실정이다.

액체 제습제를 이용하여 공기중의 수분 제거에 활용하는 액체 건조제 제습기는 제습부, 재생부, 용액 열 교환기, 용액 펌프, 용액 분배기 및 액체 건조제의 공기 중으로의 비산으로 인한 손실을 방지하기 위한 엘리미네이터로 구성된다.

이 액체 건조제 제습기는 공기중의 수분에 대해 매우 큰 친화성을 갖고 있는 염화 리튬 수용액, 트리에틸렌글리콜 수용액, 염화 칼슘 수용액, 리튬 브로마이드 수용액 등의 액체 건조제를 이용하여 장치 중의 제습부에서 공기와 직접 접촉하여 공기중의 수분을 제거하는 것이다.

액체 건조제 제습기의 작동은 액체 건조제와 공기중의 수증기와의 분압차를 수분 흡수 또는 배출의 물질 전달 구동력으로 하여, 액체 건조제의 증기압은 용액의 온도와 농도에 의존하게 된다. 또한 액체 건조제는 농도에 따라 -30℃ 이하에서도 동결하지 않고 수분을 흡수할 수 있는 부동액이기도 하다.

상기 제습부의 수분 제거시의 열 및 물질 전달 능력 향상을 통해 제습기의 시스템 효율을 향상시키기 위해서는 공기와 액체 건조제의 접촉 면적 및 접촉 시간 증대가 중요하고, 액체 건조제로의 수분 흡수시에 발생되는 응축 잠열, 흡수열 등의 제거를 통한 등온 제습이 제습기 시스템 효율 향상에 중요한 역할을 하게 된다.

수분을 흡수하여 묽어진 제습액은 제습기의 재생부에 증기, 배열, 태양열등을 이용하여 용액을 가열하여 재생 공기에 수분을 배출시킴으로써, 다시 농용액으로 바뀌어 재사용할 수 있게 되는 것으로, 희용액의 재생에 사용되는 재생 에너지원으로 배열, 태양열 등을 활용할 수 있으며, 액체 건조제 이용 제습기의 운전비용을 절감할 수 있는 것이다.

현재 액체 건조제 제습기는 정밀한 습도 제어 또는 저습도가 요구되는 산업용 고조 분야에 많이 적용되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 제1의 목적은 공기 열원 히트 펌프의 장점과 액체 제습제를 이용하는 제습기의 장점을 결합하여 냉방과 제습 및 난방과 가습을 도시에 수행할 수 있도록 하는 복합식 공기 열원히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 콤팩트화하여 슬림형으로 제작 공급할 수 있도록 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 실내기에는 난방 모드가 구비되는 응축기 및 냉방 모드가 구비되는 증발기가 설치되며, 실외기에는 난방 모드가 구비되는 증발기 및 냉방 모드가 구비되는 응축기가 설치되는 냉매 압축 사이클과, 또한 실내기에는 난방 모드가 구비되는 재생기 및 냉방 모드가 구비되는 제습기가 설치되고, 실외기에는 난방 모드가 구비되는 제습기 및 냉방 모드가 구비되는 재생기가 설치되며, 실내ㆍ외기 사이에 용액 열 교환기가 설치됨과 동시에 실내ㆍ외기에 용액 분배기 및 용액 펌프가 설치되는 액체 제습 사이클이 일체로 결합되어서, 각각 하나의 실내기 및 실외기로 증발 및 제습 그리고 응축 및 재생이 수행되게 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템을 제공함에 의해 달성된다.

제1도는 본 발명의 전체 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 냉방 모드 작동시의 전체 흐름도.

제3도는 본 발명에 따른 난방 모드 작동시의 전체 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기 2 : 사방 밸브

3 : 실외기 4 : 팽창 밸브

5 : 실내기 6 : 용액 열 교환기

7,8 : 용액 분배기 9,23 : 용액 펌프

10,11 : 엘리미네이터 14 : 배관

12,15,16 : 냉매 배관 17,18,19,20 : 용액 배관

21,22 : 저장조

다음 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 구체적으로 설명하겠다.

제1도 내지 제3도에는 본 발명에 따른 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템이 도시되어 있는데, 이 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템은 냉매를 고온 고압의 가스로 만드는 압축기(1) 및 사방 밸브(2)와, 실내기(5)에는 난방 모드가 구비되는 응축기 및 냉방 모드가 구비되는 증발기가 설치되며, 실외기(3)에는 난방 모드가 구비되는 증발기 및 냉방 모드가 구비되는 응축기가 설치되는 냉매 압축 사이클과, 또한 실내기(5)에는 난방 모드가 구비되는 재생기 및 냉방 모드가 구비되는 제습기가 설치되고, 실외기(3)에는 난방 모드가 구비되는 제습기 및 냉방 모드가 구비되는 재생기가 설치되며, 실내ㆍ외기 사이에 용액 열 교환기(6)가 설치됨과 동시에 실내ㆍ외기에 용액 분배기(7,8) 및 용액 펌프(9,23)가 설치되는 액체 제습 사이클이 일체로 결합되어서, 각각 하나의 실내기(5) 및 실외기(3)로 증발 및 제습 그리고 응축 및 재생이 수행되게 하는 것이다.

제2도에는 냉방 작동시의 냉매 및 제습액 흐름 계통도가 도시되어 있는데, 압축(1)에서 고온 고압으로 압축된 냉매는 냉매 배관(12)을 통하여 사방 밸브(2)를 통과한 뒤에 배관(13)을 통하여 실외기(3)로 들어가 제습액과 외기에 의해 냉각되어 응축되고, 배관(14)을 통해 팽창 밸브(4)를 통과하면서 감압되어 실내기(5)에서 증발하면서 제습액과 처리 공기로 부터 열을 빼앗고, 냉매 배관(15)을 통해 사방밸브(2)를 통과한 뒤에 압축기(1)로 들어가 냉방 사이클을 이루게 된다.

이 냉방 사이클에서 압축시 공기 열원 히트 펌프의 증발기인 실내기(5)의 열교환기 표면은 용액 분배기(7)에서 산포된 제습용액으로 적셔지고, 처리 공기와 접촉하면서 공기중의 수분을 흡수하여 공기제습을 행하며, 이와 동시에 냉매의 증발에 의한 현열냉각도 수반하게 되므로, 흡수제습과 현열냉방이 동시에 이루어지게 된다.

제습 및 냉각이 이루어진 처리 공기는 엘리미네이트(11)에서 비산된 제습용액을 완전히 제거한 후에 공기 조화된 실내로 보내지게 된다.

수분을 흡수하여 묽어진 제습용액은 희용액 저장조(21)에 모여지고, 용액 펌프(23) 및 용액 배관(19)을 통해 용액 열 교환기(6)를 통하면서 재생기(3[실외기])로 부터의 재생된 농용액의 예냉을 하면서 예열되므로써, 에너지 효율성을 높이며, 다시 용액 배관(20)을 통해 희용액 분배기(8)에 의해 재생기(3[재생기])에서 산포되어 냉매의 응축 배열에 의해 가열되어 용액의 증기압이 높아짐으로써 접촉되는 재생 공기에 습기를 다시 빼앗겨 재생되고, 가열, 가습된 재생공기는 밖으로 배출되며, 농용액은 농용액 저장조(22)에 모이게 된다.

재생된 농용액은 용액 펌프(9)에 의해 펌핑되어 용액 배관(17)을 통해 용액 열 교환기(6)를 통과하면서 제습기(5[실내기])로 부터의 낮은 온도의 희용액과 열교환되어 예냉되고, 다시 용액 배관(18)을 통해 농용액 분배기(7)로 보내져 제습기(5[실내기])에서 사용되는 것이다.

그래서 냉방 사이클로 작용할 때 공기중의 수분 처리, 즉 잠열 부하(제습)처리는 액체 건조제 제습기로서 효율적으로 처리하고, 이와 동시에 현열 부하는 증발기내의 냉매 증발에 의하여 행함으로써, 압축식 시스템만으로 제습 부하를 처리할 때처럼 쾌적 온도보다 낮은 노점 온도 이하로의 냉각 응축 제습을 불필요하게 하여 냉방 사이클이 높은 증발기 온도로 작동하게 되어 냉방 사이클 효율이 상승하게 되는 것이다.

또한 제습용액의 부수적인 효과인 공기중의 박테리아 멸균 효과도 얻을 수 있다.

그리고, 건조제 제습장치에 필요한 가열원인 건조제 재생열원을 압축식 사이클의 응축기 배열을 이용함으로써 에너지 소비 비용을 절감할 수 있는 것이다.

제3도에는 겨울철 난방 모드로 작동할 때의 냉매 및 제습용액 흐름 계통도가 도시되어 있는데, 난방 모드에서 압축기(1)를 나온 고온 고압의 냉매는 냉매 배관(12)를 통해 사방 밸브(2)를 통과하고, 실내기(5)로의 배관(15)을 통해 응축기(5)로 들어가 처리 공기를 가열하고 제습액을 재생하여 처리 공기를 가습한다.

냉매는 팽창 밸브(4)를 통하여 냉매 배관(14)을 통해 실외기(3[증발기 및 제습기])로 들어가 외기 및 열 교환기 표면에 산포된 제습용액으로부터 열을 빼앗아 증발하고, 증발된 냉매는 배관(13)을 통해 사방 밸브(2)를 통과한 다음 냉매 배관(16)을 통해 압축기(1)로 들어감으로써, 냉매 압축 난방 사이클을 이루게 된다.

난방 모드에서 실내기(5)는 압축 사이클로는 응축기의 역할을 하고, 액체 제습 사이클로는 재생기의 역할을 함으써, 겨울철에 단순 난방으로는 건조해지기 쉬운 실내 처리 공기에 가습기의 역할도 겸하게 되고, 냉방 모드와 마찬가지로 제습용액에 의한 공기 멸균 효과도 기대할 수 있는 장점을 갖게 된다.

단 가열된 건조제 용액과 처리 공기가 접촉할 때 생기는 극미량의 비산(carry-over) 문제는 효율적인 엘리미네이터의 설치 운영으로 전량 회수하여 제습용액 사이클에 재 사용할 수 있게 된다.

난방 모드에서 실외기(3) 압축 사이클로는 증발기의 역할을 하고 0℃이하에서 생기는 서리 생성 문제는 열 교환기 표면 위에 산포된 제습용액의 제습 및 부동액 효과로서 예방하여 단순 공기 열원 히트 펌프 시스템의 단점을 개선할 수 있는 것이다.

그러면 제2도 및 제3도를 참조하여 효과에 관해 설명하겠다.

공기 열원 히트 펌프의 냉방시에는 실내기를 제습기로 사용함과 동시에 실외기를 재생기로 사용하고, 난방시에는 실내기 가습기(재생기)로 사용함과 동시에 실외기를 제습기로 사용할 수 있도록 하는 것으로, 공기 열원 히트 펌프와 액체 건조제 제습기를 단순 결합한 것이 아니라, 증발기, 응축기 등을 각각 두 가지 목적으로의 이중 사용을 통하여 복합 시스템의 콤팩트화를 이루었으며, 여름철에는 실내기(증발기)를 액체 건조제의 효율적인 잠열 부하 처리 및 증발기를 효율적인 현열 냉각 처리에 활용하여 에너지 효율성을 높이며, 도한 실외기의 응축 배열을 건조제의 재생 열원으로 사용하여 시스템의 에너지 소비 절감을 이루었으며, 그리고 겨울철에는 부동액의 특성을 갖고 있는 액체 건조제를 실외기 표면에 산포하여 외기중의 습기로 인한 서리 생성을 방지함으로써, 공기 열원 히트 펌프의 최대 단점인 제상 사이클을 불필요하게 함으로서, 에너지 효율성을 높이는 것이다.

이때 흡수된 수분을 실내기(응축기)에서 건조제의 재생시 실내로의 배출을 통하여 겨울철 가습기로서의 역할도 할 수 있는 다목적 특성을 갖고 있는 시스템인 것이다.

도한 학술적으로 이미 입증되어 있는 것처럼 기준에 사용되고 있는 액체 건조제들은 공기와의 접촉시 공기중의 박테리아 등을 제거하는 멸균 효과도 지니고 있으므로, 여름철에는 효율적인 냉방 및 제습 그리고 공기 청청 효과를 얻을 수 있음과 동시에 겨울철에는 난방 및 가습을 동시에 얻을 수 있는 것이다.

Claims (5)

1. 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템은; a) 냉매를 고온 고압의 가스로 만드는 압축기 및 사방 밸브와; b) 실내기에는 난방 모드가 구비되는 응축기 및 냉방 모드가 구비되는 증발기가 설치되며, 실외기에는 난방 모드가 구비되는 증발기 및 냉방 모드가 구비되는 응축기가 설치되는 냉매 압축 사이클과, c) 또한 실내기에는 난방 모드가 구비되는 재생기 및 냉방 모드가 구비되는 제습기가 설치되고, 실외기에는 난방 모드가 구비되는 제습기 및 냉방 모드가 구비되는 재생기가 설치되며, 실내ㆍ외기 사이에 용액 열 교환기가 설치됨과 동시에 실내ㆍ외기에 용액 분배기 및 용액 펌프가 설치되는 액체 제습 사이클이 일체로 결합되어서, d) 각각 하나의 실내기 및 실외기로 증발 및 제습 그리고 응축 및 재생이 수행되게 하는 것을 특징으로 한다.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉방 모드에서는 실내기의 압축 사이클은 증발기, 제습용액 사이클은 제습기로 가동되고, 실외기의 압축 사이클은 응축기, 제습용 사이클은 재생기로 가동되며, 흡수제습과 현열 냉방은 동시에 가동됨과 동시에 응축기가 제습액의 재생을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 난방 모드에서는 실내기의 압축 사이클은 응축기, 제습용액 사이클은 재생기로 기동하고, 실외기의 압축 사이클은 증발기, 제습용액 사이클은 제습기로 가동하여 난방과 가습을 동시에 수행하며, 증발기에 부동액인 건조제 용액의 외기 수분 흡수로 서리 생성을 방지하게 하는 것을 특징으로 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 제습용액은 트리에틸렌글리콜, 염화리튬수용액, 액체 건조제 혼합용액인 것을 특징으로 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉ㆍ난방 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 실내외기는 각각 용액 분배기가 설치됨과 동시에 용액 열 교환기에 연결되고, 제습용액 및 공기 접촉기 그리고 용액 저장조가 설치되며, 일측에 엘리미네이터가 설치되어 처리 공기중에 비산된 제습용액을 회수하고, 제습용액을 유하액막식으로하여 공기 접촉기 표면을 적셔 열 및 물질 전달 효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 복합식 공기 열원 히트 펌프를 이용한 냉 난방 시스템.

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