KR100490927B1

KR100490927B1 - 목욕탕용 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR100490927B1
Application number: KR10-2003-0030675A
Authority: KR
Inventors: 윤차주
Original assignee: 윤차주
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2005-05-19
Also published as: KR20030044965A

Abstract

본 발명은 목욕탕용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 옥상물탱크와 온수탱크의 사이에 폐열회수기와 연결되는 보조급수탱크를 설치하여 이 보조급수탱크의 유입측 라인이 체크밸브를 구비하는 한 쌍의 순환펌프에 의하여 보일러장치의 열교환기와 연결되도록 하고, 폐열회수기로부터 연장되는 배출라인에는 폐수탱크를 설치하여 보일러장치의 증발라인이 폐수탱크의 내부에 증발기를 형성하도록 하므로서, 목욕탕의 영업개시 시점에서 발생하는 과도한 연료 낭비를 방지하고 보다 빠른 시간내에 요구하는 온도의 온수를 목욕탕으로 공급시킬 수 있도록 하며, 목욕탕으로부터 버려지는 폐수의 열을 효과적으로 회수함과 동시에 보일러장치의 압축기에 걸리는 부하를 최소화시켜 보일러장치의 원활한 작동을 이루어낼 수 있도록 한 목욕탕용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템은, 옥상물탱크(1)로부터 온수탱크(5)를 거쳐 목욕탕(6)으로 온수를 공급하는 온수공급라인과, 목욕탕(6)으로부터 버려지는 폐수를 폐열회수기(7)를 통하여 배출하는 폐수배출라인이 설치되고, 상기 온수공급라인을 통하여 온수를 공급함과 동시에 폐수배출라인을 통하여 폐수의 열을 회수하는 보일러장치(2)가 설치되며, 상기 보일러장치(2)의 내부에는 온수공급라인과 폐수배출라인으로 각각 연결되는 열교환기가 냉매배관에 의하여 압축기와 연결 설치된 것에 있어서, 상기 옥상물탱크(1)와 온수탱크(5)를 연결하는 온수공급라인에는 보조급수탱크(4)가 연결 설치되고 그 보조급수탱크(4)와 옥상물탱크(1) 사이의 온수공급라인이 잠금밸브(8)를 사이에 두고 연결되는 분기관(11)과 회수관(12)에 의하여 상기 폐열회수기(7)와 연결 설치되며, 상기 보일러장치(2)의 열교환기(25) 입력측에는 체크밸브(9a)를 구비하는 제 1, 제 2순환펌프(9)(9')가 병렬식으로 설치된 보조공급관(15)이 연결되고 그 보조공급관(15)의 타단이 상기 회수관(12)측의 온수공급라인과 연결 설치되며, 상기 폐열회수기(7)로부터 연장된 폐수배출라인에는 폐수탱크(3)가 설치되어 상기 보일러장치(2)의 열교환기(25')로부터 연장되는 냉매의 증발라인(38)이 폐수탱크(3)의 내부에서 증발기를 형성하고, 이 증발기로부터 연장되는 냉매의 회수라인(39)이 보일러장치(2)의 내부에 설치되는 압축기와 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

목욕탕용 히트펌프 시스템{Heat pump system for a bathhouse}

본 발명은 목욕탕용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 옥상물탱크와 온수탱크의 사이에 폐열회수기와 연결되는 보조급수탱크를 설치하여 이 보조급수탱크의 유입측 라인이 체크밸브를 구비하는 한 쌍의 순환펌프에 의하여 보일러장치의 열교환기와 연결되도록 하고, 폐열회수기로부터 연장되는 배출라인에는 폐수탱크를 설치하여 보일러장치의 증발라인이 폐수탱크의 내부에 증발기를 형성하도록 하므로서, 목욕탕의 영업개시 시점에서 발생하는 과도한 연료 낭비를 방지하고 보다 빠른 시간내에 요구하는 온도의 온수를 목욕탕으로 공급시킬 수 있도록 하며, 목욕탕으로부터 버려지는 폐수의 열을 효과적으로 회수함과 동시에 보일러장치의 압축기에 걸리는 부하를 최소화시켜 보일러 장치의 원활한 작동을 이루어낼 수 있도록 한 목욕탕용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 대중목욕탕에 사용되는 냉수는 옥상물탱크로부터 유입되는 상온수가 냉수공급라인을 통하여 냉탕이나 샤워기로 직접 공급되고, 온수의 경우에는 옥상물탱크로부터 유입되는 상온수가 화석연료나 전기에너지를 사용하는 각종 보일러에 의하여 약 50℃의 온도로 가열된 다음 온수탱크에 저장되었다가 필요시 온수공급라인을 통하여 목욕탕의 온탕이나 샤워기로 공급되므로서, 입욕자가 냉수와 온수를 적절한 온도로 혼합하여 목욕을 할 수 있도록 설비되어 있다.

상기와 같이 목욕탕의 온탕이나 냉탕 및 샤워기로 공급된 냉,온수는 서로 혼합된 상태로 사용되고 배수되며, 이와 같이 배수되는 목욕탕 폐수는 온수의 온도에 의하여 적어도 30℃ 이상의 열을 함유하고 있기 때문에, 목욕탕 폐수에 함유된 열을 회수하지 않고 그대로 외부로 배출시키는 것은 에너지의 효율적인 사용측면에서 바람직한 것이 아니므로 폐수에 함유된 열을 회수하여 온수의 가열에 재사용하기 위한 각종 폐열회수장치가 목욕탕 온수설비에 사용되고 있다.

상기와 같이 목욕탕의 온수설비에 사용되는 폐열회수장치로서 현재 가장 대표적으로 적용되고 있는 것은, 압축기와 가열기(응축기) 및 팽창변과 증발기로 이루어지는 냉매식 열교환 시스템을 온수의 가열과 폐수의 열회수에 적용시킨 히트펌프 시스템으로서, 압축기로부터 가열기로 유입된 고온고압의 냉매가스를 사용하여 온수를 가열시킨 다음 이 온수를 온수탱크의 내부로 유입시킴과 동시에 가열기로부터 팽창변을 거쳐 증발기로 유입된 냉매가스를 목욕탕으로부터 버려지는 폐수의 열로서 증발시켜 다시 압축기로 공급하도록 한 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 목욕탕용 히트펌프 시스템은 폐수의 열을 회수하여 온수의 가열에 다시 사용하므로서 에너지의 효율적인 관리를 이루어낼 수 있고, 석유나 가스와 같은 화석연료의 사용을 줄여 대기오염을 방지할 수 있도록 한 장점은 있었으나, 가열기의 역할을 하는 응축기가 대용량의 온수탱크와 직접적으로 연결되어 온수탱크 내부의 온수를 요구하는 온도로 가열하는 데 많은 시간이 소요되므로서, 특히 대중목욕탕의 경우는 영업개시 시점에서 히트펌프 시스템의 작동에 과도한 전기에너지가 소모되는 문제점이 있었다.

즉, 대중목욕탕의 경우 입욕자가 즉시 목욕을 할 수 있도록 목욕탕의 영업개시 이전에 일정한 온도의 온수를 욕탕에 미리 받아놓아야 하는 데, 야간동안에는 히트펌프 시스템의 작동이 중지되어 온수탱크에 저장된 온수가 온도가 약 40℃ 정도로 낮아지게 되며, 이로 인하여 약 50 ~ 60℃의 온수를 욕탕으로 공급하기 위해서는 대용량의 온수탱크 내부에 저장된 물을 한꺼번에 가열시켜야 하므로서, 히트펌프 시스템의 작동에 많은 전기에너지가 소모될 뿐만 아니라 압축기의 작동에도 상당한 무리가 따르는 문제점이 있었다.

특히, 대중목욕탕의 영업개시 이전에는 히트펌프 시스템의 증발원이 되는 폐열회수기로 방출되는 폐수가 없기 때문에 상기와 같은 히트펌프 시스템의 작동이 매우 어렵게 되고, 이로 인하여 대부분의 목욕탕에서는 영업개시 이전에 필요한 온수를 화석연료를 사용하는 별도의 보일러로 가열시키므로서 화석연료의 낭비와 함께 대기오염을 유발시키는 문제점이 있었으며, 폐열회수기로 폐수가 방출되는 시점에 맞추어 히트펌프 시스템을 작동시킨다 하더라도 폐수의 열을 냉매의 증발에만 이용하고 방류시키므로서, 폐수의 효과적인 열회수와 이로 인한 히트펌프 시스템의 효율적인 작동측면에서 바람직하지 못한 현상을 유발시키는 문제점이 있었다.

또한, 히트펌프 시스템의 정상적인 작동중에도 목욕탕에서 사용되는 온수의 량에 따라 히트펌프 시스템에서 가열되어야 할 온수의 량과 이에 동반하는 압축기의 작동을 적절하게 제어할 필요가 있는 데, 기존의 히트펌프 시스템은 목욕탕에서 사용되는 온수의 량과는 무관하게 일정한 량의 온수를 지속적으로 가열시킴에 따라 히트펌프 시스템의 비효율적인 운전이 이루어졌을 뿐만 아나라, 이러한 히트펌프 시스템의 비효율적인 운전으로 인하여 압축기에 무리한 부하가 걸리게 될 경우에는 압축기가 빈번하게 파손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템은 옥상물탱크와 온수탱크의 사이에 폐열회수기와 연결되는 보조급수탱크를 설치하여 이 보조급수탱크의 유입측 라인이 체크밸브를 구비하는 한 쌍의 순환펌프에 의하여 보일러장치의 열교환기와 연결되도록 하고, 폐열회수기로부터 연장되는 배출라인에는 폐수탱크를 설치하여 보일러장치의 증발라인이 폐수탱크의 내부에 증발기를 형성하도록 하므로서, 목욕탕의 영업개시 시점에서 발생하는 과도한 연료 낭비를 방지하고 보다 빠른 시간내에 요구하는 온도의 온수를 목욕탕으로 공급시킬 수 있도록 하며, 목욕탕으로부터 버려지는 폐수의 열을 효과적으로 회수함과 동시에 보일러장치의 압축기에 걸리는 부하를 최소화시켜 보일러장치의 원활한 작동을 이루어낼 수 있도록 한 목욕탕용 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템은, 옥상물탱크로부터 온수탱크를 거쳐 목욕탕으로 온수를 공급하는 온수공급라인과, 목욕탕으로부터 버려지는 폐수를 폐열회수기를 통하여 배출하는 폐수배출라인이 설치되고, 상기 온수공급라인을 통하여 온수를 공급함과 동시에 폐수배출라인을 통하여 폐수의 열을 회수하는 보일러장치가 설치되며, 상기 보일러장치의 내부에는 온수공급라인과 폐수배출라인으로 각각 연결되는 열교환기가 냉매배관에 의하여 압축기와 연결 설치된 것에 있어서, 상기 옥상물탱크와 온수탱크를 연결하는 온수공급라인에는 보조급수탱크가 연결 설치되고 그 보조급수탱크와 옥상물탱크 사이의 온수공급라인이 잠금밸브를 사이에 두고 연결되는 분기관과 회수관에 의하여 상기 폐열회수기와 연결 설치되며, 상기 보일러장치의 열교환기 입력측에는 체크밸브를 구비하는 제 1, 제 2순환펌프가 병렬식으로 설치된 보조공급관이 연결되고 그 보조공급관의 타단이 상기 회수관측의 온수공급라인과 연결 설치되며, 상기 폐열회수기로부터 연장된 폐수배출라인에는 폐수탱크가 설치되어 상기 보일러장치의 열교환기로부터 연장되는 냉매의 증발라인이 폐수탱크의 내부에서 증발기를 형성하고, 이 증발기로부터 연장되는 냉매의 회수라인이 보일러장치의 내부에 설치되는 압축기와 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템을 나타내는 배관도이고, 도 2는 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 보일러장치를 나타내는 일부 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 증발기 구조를 나타내는 일부 단면도로서, 도면에 대한 부호의 설명 중 미설명된 부호 2a 및 3a는 보일러장치 및 폐수탱크의 케이싱을 나타내는 것이다.

본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 전체적인 구성은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 옥상물탱크(1)로부터 연장되는 메인공급관(10)에는 보조급수탱크(4)가 연결 설치되고, 그 보조급수탱크(4)로부터 연장되는 연결관(13)에는 온수탱크(5)가 연결 설치되며, 상기 온수탱크(5)로부터 연장되는 온수공급관(14)이 목욕탕(6)의 내부로 연장되므로서, 목욕탕(6)으로 온수를 공급하기 위한 온수공급라인이 형성되며, 상기 목욕탕(6)으로부터 연장되는 제 1배출관(17)에 폐열회수기(7)가 연결 설치되고, 그 폐열회수기(7)로부터 연장되는 제 2배출관(18)에 폐수탱크(3)가 연결 설치되므로서 폐수의 배출라인이 형성되어 있다.

상기 온수탱크(5)는 대중목욕탕에 일반적으로 적용되는 60 ~ 80드럼 저장용량의 탱크를 사용하고, 상기 보조급수탱크(4)는 온수탱크(5)보다는 비교적 그 저장용량이 적게 되는 10 ~ 20드럼 저장용량의 탱크를 사용하며, 온수탱크(5)와 보조급수탱크(4) 및 폐수탱크(3)는 각 탱크(3)(4)(5)의 몸체를 통한 온수 및 폐수의 열손실을 방지할 수 있도록 그 몸체의 내부 또는 외부에 단열재를 덮어 씌워 보온기능을 부여하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기한 온수공급라인중 옥상물탱크(1)와 보조급수탱크(4)를 연결하는 메인공급관(10)은 분기관(11)과 회수관(12)에 의하여 상기 폐열회수기(7)와 열교환 가능하게 연결 설치되고, 분기관(11)과 회수관(12)의 연결부 사이에는 잠금밸브(8)가 메인공급관(10)에 설치되어 있으며, 상기 온수공급라인을 통하여 온수를 공급함과 동시에 상기 폐수배출라인을 통하여 폐수의 열을 회수하기 위한 보일러장치(2)가 각 라인과 연결되도록 설치되어 있다.

상기 폐열회수기(7)는 그 내부에 목욕탕(6)으로부터 버려지는 폐수와 옥상물탱크(1)로부터 공급되는 상온수와의 열교환을 위한 열교환구조를 가지고 있으며, 상기 열교환구조는 폐수와 상온수와의 혼합을 방지하는 간접접촉식 열교환구조로서 판형(Plate type), 핀튜브형(Pin-tube type) 또는 쉘 앤드 튜브(Shell & Tube type)형이나 그 이외의 다양한 열교환구조 중에서 본 발명의 히트펌프 시스템이 설치되는 현장여건에 가장 적합하게 적용시킬 수 있는 것을 택일하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보일러장치(2)는 그 고온수공급관(16)이 온수탱크(5)로부터 연장되는 온수공급관(14)과 연결 설치되고, 그 일측으로는 상기 회수관(12)측의 메인공급관(10)으로부터 연장되는 보조공급관(15)이 연결 설치되며, 상기 보조공급관(15)에는 체크밸브(9a)를 구비하는 한 쌍의 순환펌프(9)(9')가 병렬식으로 연결 설치되고, 그 타측으로는 보일러장치(2)로부터 토출되는 냉매의 증발라인(38)과 보일러장치(2)로 유입되는 냉매의 회수라인(39)이 보일러장치(2)로부터 연장되어 상기 폐수탱크(3)와 연결되도록 설치되어 있다.

상기 보일러장치(2)로부터 연장되는 고온수공급관(16)은 온수공급관(14)에만 연결될 수도 있고, 고온수의 직접적인 공급을 위하여 온수공급관(14)과 목욕탕(6)에 각각 개별적으로 연결시킬 수도 있으며, 상기 보조공급관(15)에 설치되는 순환펌프(9)(9')는 보조급수탱크(4)에 설치된 온도센서(미도시)에 의하여 개별적으로 작동될 뿐만 아니라, 보일러장치(2)로 공급되는 상온수의 유량을 조절할 수 있도록 각각 다른 용량의 것으로 설치되는 데, 하기의 설명에서는 제 1순환펌프(9)를 50A P/P로 하고, 제 2순환펌프(9')를 40A P/P로 하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 히트펌프 시스템에 적용되는 보일러장치를 나타내는 것으로서, 도시되어 있는 바와 같이 보일러장치(2)의 케이싱(2a) 내부에는 제 1 내지 제 3압축기(21)(22)(23)로 이루어지는 3개의 압축기(컴프레셔; Compressor)가 설치되고, 상기 각 압축기(21)(22)(23)의 토출측으로부터 연장되는 토출라인(28)에는 고온수의 가열을 위한 열교환기(25)(25')가 연결 설치되며, 압축기(21)(22)(23)와 열교환기(25)(25')를 연결하는 토출라인(28)상에는 압축기 오일을 냉매가스로부터 분리시키기 위한 유분리기(24)가 설치되어 있다.

상기 열교환기(25)(25')는 그 내부로 유입되는 고온고압의 냉매가스와 상온수와의 열교환을 통하여 고온수를 가열할 수 있도록 위에서 언급한 바와 같은 열교환구조를 가지지만, 가스형태의 냉매와 상온수의 열교환을 위한 것이므로 판형 열교환기를 사용하는 것이 가장 바람직하며, 상기 열교환기를 제 1열교환기(25)와 제 2열교환기(25')로 분리시켜 각 열교환기(25)(25')가 연결관에 의하여 연통되도록 하므로서 상온수에 대한 1차 가열 및 1차 가열된 상온수에 대한 2차 가열을 통하여 빠른 시간내에 고온수를 가열할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 제 1열교환기(25)측에 온수공급라인의 보조공급관(15)이 연결되고, 제 2열교환기(25')측에 상기 고온수공급관(16)이 연결되어 있다.

또한, 상기 제 2열교환기(25')의 일측에는 냉매의 응축라인(29)이 연장되어 보일러장치(2)의 내부에 설치된 수액기(26)와 액열기(27)를 거치므로서 냉매의 증발라인(38)을 이루게 되고, 이와 같은 냉매의 증발라인(38)이 보일러장치(2) 외부의 폐수탱크(3)와 연결되며, 이 폐수탱크(3)의 내부에서 증발기를 형성한 상기 증발라인(38)이 회수라인(39)을 이루면서 보일러장치(2) 내부의 액열기(27)와 다시 연결되고, 이 액열기(27)로부터 냉매의 유입라인(20)이 연장되어 보일러장치(2)의 각 압축기(21)(22)(23)와 병렬식으로 연결 설치되는 것이다.

상기 수액기(26)는 열교환기(25)(25') 즉, 응축기(Condenser)에서 액화된 냉매액을 일시적으로 저장하는 용기로서 증발기에서 소비되는 냉매량의 변화에 맞추어 압축기(21)(22)(23)의 운전을 조절할 수 있도록 한 것이며, 상기 액열기(27)는 응축된 냉매액에 포함된 열을 이용하여 압축기(21)(22)(23)로 유입되는 냉매가스를 한번 더 증발시키도록 한 것으로서, 이는 히트펌프 시스템에 사용되는 보일러장치에 일반적으로 적용되는 것이므로 압축기(21)(22)(23)의 용량에 맞추어 적절한 규격의 제품을 선택하여 사용하면 된다.

도 3은 본 발명에 의한 히트펌프 시스템에 적용되는 증발기 구조를 나타내는 것으로서, 도시되어 있는 바와 같이 폐수탱크(3)의 몸체를 이루는 케이싱(3a)의 상면에는 맨홀(37)이 형성되고 그 일측으로는 폐수의 방류관(19)이 설치되며, 상기 케이싱(3a)의 바닥부에는 폐수탱크(3)의 외부에 설치된 송풍기(34)로부터 에어유입관(35)이 연장 설치되고 그 외측면에는 상기 폐열회수기(7)로부터 연장되는 제 2배출관(18)이 연결 설치되며, 상기 에어유입관(35)의 상면에는 폐수탱크(3)의 내부로 기포를 분사시키기 위한 에어노즐(36)이 에어유입관(35)의 몸체를 따라 돌출 형성되어 있다.

또한, 상기 폐수탱크(3)의 케이싱(3a) 내부에는 보일러장치(2)의 제 2열교환기(25')로부터 수액기(26)와 액열기(27)를 거쳐 연장되는 냉매의 증발라인(38)이 증발구조를 형성하게 되는 데, 상기 증발구조는 폐수탱크(3) 내부에 저장되는 폐수의 열을 냉매의 증발에 이용하기 위한 것으로서 도시되어 있는 바와 같이, 냉매의 증발라인(38)이 폐수탱크(3)의 외부에서 3개의 라인으로 분기되어 폐수탱크(3)의 내부로 연장된 다음, 각각의 라인이 독립적으로 코일 형태를 가지는 제 1 내지 제 3증발기(31)(32)(33)를 형성하게 된다.

또한, 상기 제 1 내지 제 3증발기(31)(32)(33)를 이루는 증발라인(38)상에는 해당 전자변(31a)(32a)(33a)과 팽창변(31b)(32b)(33b)이 폐수탱크(3)의 외부에서 설치되고, 상기 제 1 내지 제 3증발기(31)(32)(33)로부터 연장되는 각각의 냉매배관이 폐수탱크(3)의 내부에서 하나의 회수라인(39)을 형성하게 되며, 이와 같이 형성된 회수라인(39)이 보일러장치(2)의 내부로 다시 연장되어 상기 제 1 내지 제 3압축기(21)(22)(23)와 연결 설치된 구성으로 이루어지는 것이다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 작용관계를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하며, 본 발명의 작용관계에 대한 설명에서는 각 압축기(21)(22)(23)의 용량이 16HP(마력)이고, 각 증발기(31)(32)(33)에 설치된 전자변(31a)(32a)(33a)이 해당 압축기(21)(22)(23)의 작동을 제어하는 것으로 하여 설명하고자 한다.

먼저, 목욕탕(6)의 영업개시 시점에서 욕탕의 내부로 온수를 공급하기 위해서는 야간동안 히트펌프 시스템이 작동이 중지되어 약 40℃의 온도로 낮아진 온수탱크(5) 내부의 온수를 일정 온도로 가열시켜 욕탕으로 공급하여야 하는 데, 본 발명에 의한 히트펌프 시스템의 경우 냉매의 증발라인(38)이 폐수탱크(3)의 내부에서 증발기(31)(32)(33)를 형성하고 있고, 이 폐수탱크(3)의 내부에는 영업종료 이후 목욕탕(6)으로부터 배출되어 약 25℃의 온도를 가지는 폐수가 저장되어 있으므로 히트펌프 시스템의 작동을 위한 냉매의 증발열원이 확보된 상태가 된다.

따라서, 목욕탕(6)의 영업개시 이전에 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 작동시키게 되면, 메인공급관(10)의 잠금밸브(8)가 잠금된 상태에서 체크밸브(9a)의 작동에 따라 최초 제 2순환펌프(9'; 40A P/P)만이 가동되고, 이로 인하여 보조급수탱크(4)에 저장되어 있던 30 ~ 35℃의 온수가 보조공급관(15)을 통하여 보일러장치(2)의 제 1열교환기(25) 및 제 2열교환기(25')를 거치면서 60℃의 고온수로 빠르게 가열되며, 이와 같이 가열된 고온수가 고온수공급관(16)을 거쳐 온수공급관(14)으로 유입되므로서 온수탱크(5)로부터 공급되는 40℃의 온수와 혼합되어 욕탕에 적합한 약 50℃의 온수를 공급할 수 있게 된다.

상기와 같은 히트펌프 시스템의 작동과정에서 폐수탱크(3)의 내부에 저장된 폐수의 열을 증발기(31)(32)(33)가 보다 효과적으로 회수하도록 함과 동시에 압축기(21)(22)(23)의 작동에 따른 부하를 최소화시킬 수 있도록, 최초 제 1압축기(21)만을 먼저 가동시킨 상태에서 일정간격(약 10 ~ 15초)을 두고 제 2압축기(22)와 제 3압축기(23)를 순차적으로 가동시키게 되며, 이와 동시에 송풍기(34)를 작동시켜 폐수탱크(3)에 설치된 에어유입관(35)으로부터 에어노즐(36)을 통하여 기포를 발생시키므로서 각각의 증발기(31)(32)(33) 표면에 부착된 이물질의 제거와 함께 폐수탱크(3)의 내부에 저장된 폐수를 강제 와류시키게 된다.

상기와 같이 대용량의 온수탱크(5) 내부에 저장된 물을 한꺼번에 가열시키지 않고 보일러장치(2)에서 가열된 고온수와 온수탱크(5)에 저장된 온수를 혼합시켜 욕탕으로 공급하므로서, 목욕탕(6)의 영업개시를 위하여 욕탕에 받아 놓아야 할 50℃ 정도의 온수만을 일차적으로 빠르게 가열 및 공급할 수 있게 되고, 욕탕의 내부에 필요한 정도의 온수를 받아 놓은 다음 욕탕의 밸브를 잠그게 되면, 보조급수탱크(4)로부터 보일러장치(2)를 거쳐 가열된 고온수가 온수탱크(5)로 유입되므로서 목욕탕(6)의 영업시작 직전까지 온수탱크(5)의 내부에 저장된 온수의 온도를 지속적으로 상승시켜 주게 된다.

상기와 같은 상태에서 목욕탕(6)으로 입욕자가 입욕하여 목욕을 하므로서 목욕탕(6)으로부터 폐수가 배출되기 시작하면, 본 발명에 의한 히트펌프 시스템의 정상적인 작동이 이루어지게 되는 데, 이러한 히트펌프 시스템의 정상적인 작동과정은, 옥상물탱크(1)로부터 메인공급관(10)과 분기관(11)을 거쳐 폐열회수기(7)로 공급된 상온수가 폐수의 온도에 의하여 일차적으로 가열되고, 이와 같이 1차 가열된 상온수가 회수관(12)을 거쳐 보조급수탱크(4)로 유입됨과 동시에 그 일부는 보조공급관(15)을 통하여 보일러장치(2)의 제 1열교환기(25) 내부로 유입되며, 이와 같이 제 1열교환기(25)로 유입된 상온수는 제 1, 제 2열교환기(25)(25')의 내부를 유동하는 과정에서 고온고압의 냉매가스와 열교환을 행하여 고온수로 가열된다.

상기와 같이 가열된 고온수는 제 2열교환기(25')로부터 연장되는 고온수공급관(16)에 의하여 온수공급관(14)측으로 공급되므로서 목욕탕(6)에 설치된 각종 밸브의 개폐여부에 따라 목욕탕(6) 또는 온수탱크(5)로 선택적으로 공급되며, 고온수의 가열에 사용되어 응축된 냉매액은 제 2열교환기(25')로부터 연장되는 냉매의 응축라인(29)을 따라 수액기(26)와 액열기(27)를 통과한 다음, 액열기(27)로부터 보일러장치(2)의 외부로 연장되는 증발라인(38)에 의하여 폐수탱크(3) 내부의 각 증발기(31)(32)(33)로 나뉘어 유입된다.

상기와 같이 각 증발기(31)(32)(33)로 유입된 냉매액은 폐수탱크(3)에 저장된 폐수의 열을 회수하여 1차적으로 증발하게 되며, 각 증발기(31)(32)(33)로부터 회수된 냉매는 폐수탱크(3)의 외부로 연장되는 회수라인(39)을 거쳐 보일러장치(2) 내부의 액열기(27)로 공급되므로서 응축냉매의 온도에 의하여 2차 증발된 다음 액열기(27)로부터 연장되는 냉매의 유입라인(20)을 통하여 각 압축기(21)(22)(23)로 분산 공급되므로서 고온고압의 냉매가스로 다시 압축되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 히트펌프 시스템의 정상적인 작동과정에서도 목욕탕(6)으로부터 버려지는 폐수의 열을 이용하여 상온수를 일차적으로 가열시키므로서, 보일러장치(2)의 열교환기(25)(25')로 유입되는 상온수의 온도를 상승시켜 열교환기(25)(25')에 의한 상온수의 가열부하를 낮추어 줌과 동시에 상온수와 1차 열교환된 폐수의 잔존열을 폐수탱크(3) 내부의 증발기(31)(32)(33)에서 최종적으로 회수하며, 증발기(31)(32)(33)의 열회수율 즉, 증발성능을 기포발생용 에어유입관(35)에 의하여 보다 향상시키므로서 폐수의 효과적인 열회수와 히트펌프 시스템의 효율적인 운용이 가능하게 되는 것이다.

상기와 같은 히트펌프 시스템의 정상적인 작동중에 목욕탕(6)에서 사용되는 온수의 량이 줄어들 경우에는 온수탱크(5) 내부의 온수가 지속적으로 가열되며, 이로 인하여 온수탱크(5) 내부의 온수 온도가 약 55℃(보조급수탱크의 바닥부 온수온도는 약 40℃ 정도가 된다)정도로 상승하게 되면, 각 압축기(21)(22)(23)로부터의 토출압력이 22Kg/cm² 정도의 고압력이 되는 데, 이 경우에는 제 3증발기(33)에 설치된 전자변(33a)을 오프(OFF)시켜 제 3압축기(23)의 작동이 중지되도록 함과 동시에 보조급수탱크(4)에 설치된 온도센서(미도시)와 체크밸브(9a)에 의하여 제 2순환펌프(9': 40A P/P)의 작동을 중지시키고 제 1순환펌프(9: 50A P/P)만이 작동되도록 한다.

따라서, 열교환기(25)(25')로 유입되는 전체 냉매가스량은 감소되도록 하는 데 반하여 열교환기(25)(25')로 유입되는 약 40℃의 온수량은 증가시키므로서, 냉매가스에 의한 온수의 가열부하를 온수의 온도상승에 비례하여 낮추어 주면서도 60℃의 고온수를 지속적으로 공급시킬 수 있도록 하고, 폐수탱크(3)의 내부에 저장된 폐수의 열량이 제 1증발기(31)와 제 2증발기(32)를 유동하는 냉매의 증발에만 집중적으로 이용될 수 있도록 하므로서, 증발기(31)(32)로부터 완전한 기체상태의 냉매가스가 압축기(21)(22)측으로 빠르게 공급될 수 있도록 하며, 이로 인하여 열교환기(25)(25')의 내부로 유입되는 온수의 온도상승에도 불구하고 압축기(21)(22)에 걸리는 부하를 최소화시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 히트펌프 시스템의 작동과정에서 온수탱크(5) 내부의 온수가 지속적으로 가열되어 그 온도가 약 60℃(보조급수탱크의 바닥부 온수온도는 약 45℃ 정도가 된다)정도로 상승하게 되면, 각 압축기(21)(22)로부터의 토출압력이 23Kg/cm² 정도의 고압력이 되는 데, 이 경우에는 제 2증발기(32)에 설치된 전자변(32a)을 추가적으로 오프(OFF)시켜 제 2압축기(22)의 작동 또한 중지되도록 하므로서, 열교환기(25)(25')로 유입되는 45℃의 온수에 대한 냉매가스의 가열부하를 온수의 온도상승에 비례하여 더욱 낮추어 줌과 동시에 폐수탱크(3) 내부에 저장된 폐수의 열량이 제 1증발기(31)를 유동하는 냉매의 증발에만 집중적으로 이용될 수 있도록 하며, 이로 인하여 증발기(31)로부터 완전한 기체상태의 냉매가스가 해당 압축기(21)측으로 빠르게 공급될 수 있도록 하므로서 압축기(21)에 걸리는 부하를 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 상태에서 온수탱크(5)에 저장된 온수의 온도가 60℃ 이상(보조급수탱크의 바닥부 온수온도는 45℃ 이상이 된다)으로 상승되어 제 1압축기(21)의 토출압력이 24Kg/cm² 이상의 고압력이 될 경우에는, 제 1증발기(31)의 전자변(31a)을 최종적으로 오프(OFF)시켜 보일러장치(2)의 전체적인 작동을 중지시키므로서 히트펌프 시스템의 고장을 방지하게 되며, 각 증발기(31)(32)(33)에서 폐수탱크(3)에 저장된 폐수의 열을 충분히 회수하여 냉매가 완전한 기체상태가 되도록 일정시간(약 1 ~ 2분 정도)의 여유를 둔 다음 10 ~ 15초의 간격을 두고 제 1압축기(21)부터 순차적으로 재가동시키게 된다.

상기와 같이 히트펌프 시스템의 작동을 일시적으로 중지시킨다 하더라도 온수탱크(5)와 함께 추가적으로 설치된 보조급수탱크(4)에 의하여 목욕탕(6)에 필요한 온수를 지속적으로 공급할 수 있게 될 뿐만 아니라, 상기 폐수탱크(4)에 설치된 기포발생용 에어유입관(35)이 각 증발기(31)(32)(33)의 표면에 이물질이 부착되는 것을 방지하는 것과 함께 폐수에 와류의 흐름을 부여하여 증발기(31)(32)(33)의 증발효율을 더욱 향상시키므로서, 히트펌프 시스템의 일시정지 상태에서 시스템의 정상작동까지 소요되는 시간을 단축시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 히트펌프 시스템의 정상적인 작동과정에서 온수의 사용량이 순간적으로 크게 증가하게 되면, 온수탱크(5) 뿐만 아니라 보조급수탱크(4)에 저장된 일부 온수까지 목욕탕(6)으로 공급되어 보조급수탱크(4)의 바닥부 온수온도가 약 25 ~ 30℃ 정도로 떨어지게 되는 데, 이 경우에는 보조급수탱크(4)에 설치된 온도센서(미도시)와 체크밸브(9a) 의하여 제 1순환펌프(9: 50A P/P)의 작동을 중지시키고 제 2순환펌프(9': 40A P/P)만이 작동되도록 하므로서, 열교환기(25)(25')의 내부로 유입되는 25 ~ 30℃ 온수량을 다소 감소시킴과 동시에 각 압축기(21)(22)(23)로부터 공급되는 전체 냉매가스에 의하여 25 ~ 30℃ 온수를 빠른 시간내에 60℃의 고온수로 가열시킬 수 있게 된다.

따라서, 보조급수탱크(4)에 저장되어 있던 나머지 온수(약 40 ~ 45℃)가 온수탱크(5)와 온수공급관(14)을 거쳐 목욕탕(6)으로 공급되도록 함과 동시에 열교환기(25)(25')로부터 빠른 속도로 공급되는 60℃의 고온수가 상기 온수와 함께 온수공급관(14)에서 혼합되도록 하므로서, 온수 사용량의 순각적인 증가에도 불구하고 목욕탕(6)에서 필요로 하는 온수를 지속적으로 공급시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 온수의 사용량 증가에 따른 온수배출량의 증가로 인하여 폐수탱크(3)에 저장되는 폐수의 온도가 상승되므로서 온수의 가열에 사용되고 응축된 냉매를 보다 원할하게 증발시킬 수 있게 되고, 상기 폐수탱크(4)에 설치된 기포발생용 에어유입관(35)이 각 증발기(31)(32)(33)의 표면에 이물질이 부착되는 것을 방지하는 것과 함께 폐수에 와류의 흐름을 부여하므로서 이와 같은 냉매의 증발을 더욱 촉진시키게 되며, 이로 인하여 각각의 증발기(31)(32)(33)로부터 완전한 기체상태의 냉매가스가 해당 압축기(21)(22)(23)로 빠르게 유입되므로서 압축기(31)(32)(33)에 걸리는 부하를 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템은, 목욕탕의 영업개시전에 욕탕에 받아 놓아야 할 50℃ 정도의 온수를 빠르게 가열 및 공급할 수 있도록 함과 동시에 그에 따른 에너지의 낭비와 압축기의 부하를 최소화시킬 수 있는 효과가 있고, 시스템의 정상작동시에는 폐수의 열을 이용하여 상온수를 일차적으로 가열시키므로서 열교환기에 의한 상온수의 가열부하를 낮추어 줌과 동시에 폐수에 함유된 잔존열을 증발기에서 최종적으로 회수하여 폐수의 효과적인 열회수와 히트펌프 시스템의 효율적인 운용이 가능하도록 하는 효과가 있다.

특히, 폐수탱크의 내부에 다수 개의 증발기를 기포발생용 에어유입관과 함께 설치하여 이 증발기가 각각의 전자변에 의하여 해당 압축기와 개별적으로 작동되도록 함과 동시에 제 1 및 제 2순환펌프에 의하여 열교환기로 유입되는 온수의 온도에 따라 그 유입유량을 적절하게 조절할 수 있도록 하므로서, 목욕탕에서 사용되는 온수의 량과 압축기의 토출압력에 맞추어 히트펌프 시스템의 작동을 비례제어할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 히트펌프 시스템의 작동과정에서 발생하는 압축기의 부하를 최소화시켜 압축기의 파손을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템을 나타내는 배관도.

도 2는 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 보일러장치를 나타내는 일부 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 목욕탕용 히트펌프 시스템의 증발기 구조를 나타내는 일부 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 옥상물탱크 2 : 보일러장치 3 : 폐수탱크

4 : 보조급수탱크 5 : 온수탱크 6 : 목욕탕

7 : 폐열회수기 8 : 잠금밸브 9,9' : 순환펌프

9a : 체크밸브 10 : 메인공급관 11 : 분기관

12 : 회수관 13 : 연결관 14 : 온수공급관

15 : 보조공급관 16 : 고온수공급관 17,18 : 배출관

19 : 방류관 20 : 유입라인 21,22,23 : 압축기

24 : 유분리기 25,25' : 열교환기 26 : 수액기

27 : 액열기 28 : 토출라인 29 : 응축라인

31,32,33 : 증발기 31a,32a,33a : 전자변 31b,32b,33b : 팽창변

34 : 송풍기 35 : 에어유입관 36 : 에어노즐

37 : 맨홀 38 : 증발라인 39 : 회수라인

Claims

옥상물탱크(1)로부터 온수탱크(5)를 거쳐 목욕탕(6)으로 온수를 공급하는 온수공급라인과, 목욕탕(6)으로부터 버려지는 폐수를 폐열회수기(7)를 통하여 배출하는 폐수배출라인이 설치되고, 상기 온수공급라인을 통하여 온수를 공급함과 동시에 폐수배출라인을 통하여 폐수의 열을 회수하는 보일러장치(2)가 설치되며, 상기 보일러장치(2)의 내부에는 온수공급라인과 폐수배출라인으로 각각 연결되는 열교환기가 냉매배관에 의하여 압축기와 연결 설치된 것에 있어서,

상기 옥상물탱크(1)와 온수탱크(5)를 연결하는 온수공급라인에는 보조급수탱크(4)가 연결 설치되고 그 보조급수탱크(4)와 옥상물탱크(1) 사이의 온수공급라인이 잠금밸브(8)를 사이에 두고 연결되는 분기관(11)과 회수관(12)에 의하여 상기 폐열회수기(7)와 연결 설치되며,

상기 보일러장치(2)의 열교환기(25) 입력측에는 체크밸브(9a)를 구비하는 제 1, 제 2순환펌프(9)(9')가 병렬식으로 설치된 보조공급관(15)이 연결되고 그 보조공급관(15)의 타단이 상기 회수관(12)측의 온수공급라인과 연결 설치되며,

상기 폐열회수기(7)로부터 연장된 폐수배출라인에는 폐수탱크(3)가 설치되어 상기 보일러장치(2)의 열교환기(25')로부터 연장되는 냉매의 증발라인(38)이 폐수탱크(3)의 내부에서 증발기를 형성하고, 이 증발기로부터 연장되는 냉매의 회수라인(39)이 보일러장치(2)의 내부에 설치되는 압축기와 연결되는 것을 특징으로 하는 목욕탕용 히트펌프 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 폐수탱크(3)는 그 상측에 맨홀(37)이 형성되고 그 바닥부에는 탱크 외부의 송풍기(34)와 연결되는 에어유입관(35)이 설치되고, 그 내부에는 보일러장치(2)의 열교환기(25')로부터 연장되는 냉매의 증발라인(38)이 제 1 내지 제 3증발기(31)(32)(33)를 형성하면서 병렬식으로 연결 설치되며,

상기 각 증발기(31)(32)(33)의 증발라인(38)에는 전자변(31a)(32a)(33a)과 팽창변(31b)(32b)(33b)이 설치되고, 상기 증발기(31)(32)(33)로부터 연장되는 냉매배관이 하나의 회수라인(39)을 형성하면서 보일러장치(2)의 내부에 설치된 제 1 내지 제 3압축기(21)(22)(23)와 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 목욕탕용 히트펌프 시스템.