KR100524578B1 - 히트 펌프식 급탕 난방기 - Google Patents

Abstract

종래에는 히트 펌프 사이클의 냉매 회로로부터 흡열한 고온수를 저탕하고, 이 저탕 온수로부터 난방용으로 재차 흡열하여 난방용 온수를 만들기 위해 시스템의 효율이 저하되어 있었다.

급탕용 수냉매 열교환기에 공급되는 히트 펌프 사이클의 고온 냉매의 유로를 절환하여 난방용 수냉매 열교환기로 이송하고, 그 곳에서 직접 열교환한 온수를 사용함으로써 고효율인 난방 운전을 행한다.

Description

히트 펌프식 급탕 난방기{HEAT PUMP TYPE HOT WATER SUPPLY HEATER}

본 발명은 히트 펌프 사이클을 이용하여 급탕 및 난방을 행하는 급탕 난방기에 관한 것이다.

종래 기술의 히트 펌프 저탕식 급탕 난방기로서, 히트 펌프 사이클에 의해 고온으로 저탕한 탱크 내의 상부에 설치한 물순환식 열교환기를 설치하여 탱크 내에 저탕된 고온수와 난방기로 방열하여 복귀된 저온수가 열교환기 내를 순환함으로써 고온 저탕측으로부터 흡열하여 재승온하고 순환 펌프를 거쳐서 난방기에 온수를 순환시킴으로써 난방을 행하는 시스템이 일본 특허 공개 2002-349964호 공보(이하, 특허문헌 1)에 개시되어 있다.

본 종래 기술의 탱크 내 고온 저탕 운전은 히트 펌프 사이클의 고압 고온의 냉매 회로와 순환 펌프에 의해 탱크 바닥부로부터 흡입한 순환수에 의해 열교환을 행하고, 수 회로 내의 수온을 승온시킨 후 탱크 상부로 복귀하여 저탕을 행하고 있다.

따라서, 히트 펌프 사이클로부터 수 회로와 냉매 회로의 열교환을 행하는 수냉매 열교환기를 거쳐서 일단 고온수를 탱크에 저탕하고, 이 고온수와 난방기 내를 순환하는 수 회로와의 열교환을 별도 설치한 수 열교환기를 이용하여 흡열하여 난방 운전을 행하므로, 히트 펌프 사이클로부터 저탕 탱크로 고온수를 저탕하기 위한 수냉매 열교환과, 난방기로 고온수를 순환하기 위한 탱크 내 고온수와 난방수 회로와의 수 열교환의 합계 2회의 열교환을 행해야만 한다. 이로 인해, 열교환 효율이 저하되어 시스템의 에너지 효율이 저하될 우려가 있다.

또한, 다른 급탕 난방 시스템으로서, 예를 들어 에틸렌글리콜 수용액 등의 가열 매체를 순환시켜 저탕 탱크 내의 물을 데우거나, 바닥 난방 운전을 행하는 것이 일본 특허 공개 2002-286231호 공보(이하, 특허문헌 2)에 개시되어 있다.

특허문헌 2의 시스템에서는 급탕용 탱크 내 고온수 저탕 운전은 탱크 내에 설치된 전기 히터에 의해 행하고 있고, 저탕의 에너지 효율(가열 능력/사용 전력)은 1 이하의 저효율화를 초래한다. 또한, 난방 안정 후에 사용하는 히트 펌프 사이클에 의한 난방 회로는 별도 난방용 열원기를 설치하므로 시스템의 대형화가 우려되는 동시에, 히트 펌프 사이클은, 급탕에는 사용되지 않고 난방 전용의 열원기로서 구성되어 있으므로 하절기 등의 난방 운전 불필요 시기에는 동작하지 않아 연간 이용의 관점으로부터는 과잉의 구성이 된다. 또한, 동절기에 있어서는 난방의 개시에 필요로 하는 사용 열량이 증대되므로 탱크 내의 저탕 열량이 감소되고, 대응으로서 탱크 용량을 크게 하거나, 전기료가 높은 한낮 저탕 운전을 행할 필요가 생기는 일이 있다.

[특허문헌 1]

일본 특허 공개 2002-349964호 공보(요약)

[특허문헌 2]

일본 특허 공개 2002-286231호 공보(요약)

본 발명은 상기 문제점, 즉 난방 운전하는 경우에 고온수를 탱크에 저탕시키는 히트 펌프 운전에서는 히트 펌프 사이클로부터 흡열되므로 냉매 회로와 탱크 수 회로를 접촉 혹은 접합한 수냉매 열교환기를 이용하고, 또한 이 고온 저탕된 고온수로부터 난방기에 이용하는 순환수의 온도 상승을 얻기 위해 수 열교환기를 탱크 내에 설치할 필요가 있다. 따라서, 난방용으로 온수를 순환하기 위해서는 히트 펌프 사이클로 흡열한 열원을 일단 수냉매 열교환기에 의해 탱크 수 회로에 흡열 저탕하고, 이 탱크 내 고온수로부터 수 열교환기를 거쳐서 난방기용 순환수에 흡열시켜 난방용 온수를 만들어야만 한다. 열교환을 행하는 경우에는 열교환 효율이 생겨 상기 시스템과 같이 고온 냉매 회로로부터 탱크 저탕에의 열교환, 탱크 저탕한 고온수로부터 또한 난방용 순환수에의 열교환과 2중으로 열교환시키므로 열손실이 증가되어 난방 시스템으로서 효율 저하를 초래한다. 또한, 난방의 개시는 탱크 내 고온수로부터의 흡열에 의해 난방용 온수를 만들고, 입상 후에는, 히트 펌프 사이클의 냉매 회로로부터 난방용 열원을 흡열하는 시스템에서는 히트 펌프 사이클 열원기가 탱크 저탕에는 사용되지 않아 난방 전용의 열원기가 되므로 저탕 및 개시 난방용 고온수는 전기 히터를 이용한 탱크 유닛에 의해 운전된다. 안정시의 난방 운전은 전용의 히트 펌프 사이클 열원기가 필요해져 시스템의 대형화 및 히트 펌프 사이클 열원기의 하절기 등 난방 운전 불필요시의 운전율 저하가 예상된다.

상기 과제를 해결하기 위해, 히트 펌프 사이클 열원기에 의한 직접 급탕 및 난방을 행하는 급탕 난방 시스템을 이용하여 난방시에도 열교환 효율을 향상시키기 위해 냉매관과 난방용 온수를 난방 전용으로 직접 열교환시키는 수냉매 열교환기를 급탕용 수냉매 열교환기와는 별도로 병렬로 설치한다. 또한, 압축기 출구의 고온 냉매는 급탕용과 난방용 수냉매 열교환기 전방에 설치한 절환 밸브에 의해 냉매 회로가 변경되고, 감압 장치 전방에서 급탕용 열교환기와 난방용 열교환기의 각각 출구 파이프가 합류한다. 또한, 난방용 수냉매 열교환기 출구로부터 급탕용 수냉매 열교환기 출구와의 합류부 전방에 감압 장치측을 향한 흐름 방향의 역지 밸브를 설치하여 난방 정지 중인 사이클 파이프 내에 냉매가 응축되는 것을 방지한다.

이와 같은 난방용 회로를 구성함으로써 난방용 열원을 히트 펌프 사이클의 고온 냉매 회로로부터 직접 효율적으로 흡열하여 수냉매 열교환기의 소형화가 가능해져, 고효율인 난방 운전을 행할 수 있다. 또한, 본 발명의 히트 펌프 사이클 열원기는 고출력으로 하고, 저탕용 대용량 탱크 유닛은 사용하지 않고 급탕시에는 히트 펌프 사이클 냉매 회로와 급탕수 회로의 급탕용 수냉매 열교환기에 의해 직접 급탕을 행한다. 난방도 마찬가지로 냉매 회로와 난방수 회로의 수냉매 열교환기에 의해 행해지므로 열교환기, 절환 밸브, 역지 밸브 등은 히트 펌프 사이클 열원기 내에 수납 가능해, 급탕 난방 시스템의 집약, 콤팩트 구조 및 제조 원가의 저감에 공헌할 수 있다.

이상과 같은 히트 펌프 급탕 난방기의 급탕 회로 및 난방 회로를 냉동 사이클, 급탕용 수냉매 열교환기, 난방용 수냉매 열교환기, 난방 기기, 절환 밸브 등으로 구성함으로써 난방 열원의 고효율 열교환, 난방 회로의 저원가 구성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예를, 도1을 이용하여 설명한다. 도1은 본 실시예의 히트 펌프 사이클 열원기를 이용한 급탕 및 바닥 난방 회로를 도시하고 있고, 부호 1은 회전수 제어 가능한 압축기, 2는 외기와의 열교환에 의해 흡열을 행하는 증발기, 3은 증발기(2)에의 송풍을 행하여 열교환을 촉진하는 송풍기, 4는 응축된 고온 고압 냉매를 감압시키는 감압 장치, 5는 외기가 저온시에, 증발기에 서리가 부착되어 운전 시간과 함께 서리 부착량이 증대되었을 때 고온 냉매 가스를 증발기로 유입시켜 서리 제거를 행하는 2방 밸브이다. 본 실시예에서는 히트 펌프 사이클이 2계통 독립되어 구성되고, 압축기, 증발기, 감압 장치, 팬 등은 각각 2대 이용하고 있고, 첨자 a 및 b는 사이클에 이용하는 기기의 계통을 구별하고 있다. 첨자 a는 제1 계통의 히트 펌프 사이클, 첨자 b는 제2 계통의 히트 펌프 사이클을 나타내고 있다. 급탕용 수냉매 열교환기(6)는 냉매 회로와 급탕 및 탱크 비등 및 목욕물 추가 가열 수 회로가 접촉하여 열교환을 행한다. 바닥 난방용 수냉매 열교환기(8)는 바닥 난방 패널(9)에 깔아 놓은 파이프로 순환 펌프(7)에 의해 물을 보내는 온수를 만든다. 부호 21은 급탕 및 바닥 난방 운전의 냉매 회로를 절환하기 위한 3방향 절환 밸브이다. 부호 10은 역지 밸브로, 난방용 수냉매 열교환기(8)의 냉매 회로 출구와 감압 장치(4a) 사이에 설치된다. 급탕용 수냉매 열교환기의 냉매 회로는 보조 저탕 탱크(13) 주위에 나선형으로 설치되고, 이 주위를 단열재로 덮기 때문에 냉매 회로는 탱크로부터의 열전도에 의해 고온으로 유지되어 정지 중에 냉매가 응축되는 일은 없다. 부호 11은 급탕, 목욕물 담기를 행할 때의 급수구, 12는 세면, 부엌 등으로 출탕시키기 위한 출탕구이다. 바이패스 비례 밸브(19)는 급수된 물을 출탕하는 물에 혼합하기 위해 통과시키는 밸브이다. 수비례 밸브(20)는 필요에 따라서 혼합 밸브(18)로 혼합된 급탕용 수냉매 열교환기(6)로부터의 물과 저탕 탱크(13)로부터의 물로 이루어지는 고온의 물과, 급수구(11)로부터의 낮은 온도의 물이 혼합되고, 그 온도가 적절하게 된 물의 출탕량 조절을 행한다. 출탕구(12)의 부호 17은 욕조(15)로 자동 목욕물 담기를 행하는 경우의 주탕 전자 밸브를 나타낸다. 또한, 부호 16은 욕조(15)의 추가 가열을 행하는 경우의 순환 펌프를 나타내고 있다. 부호 14는 보조 저탕 탱크(13)에 저탕하는 경우, 수냉매 열교환기(6)를 거쳐서 탱크에 순환시키는 탱크 비등용 펌프이다.

여기서, 저탕 탱크는 소용량이고 급탕 개시시의 히트 펌프 사이클이 개시의 과도 상태에 있을 때, 혼합 밸브(18)를 거쳐서 급탕 회로로 탱크 내 온수가 보조적으로 공급된다.

도2는 본 실시예에서 나타낸 급탕, 추가 가열용 수냉매 열교환기의 일예로, 부호 25는 제1 계통의 히트 펌프 사이클의 냉매관, 26은 급탕, 탱크 비등용 수관, 27은 제2 계통의 히트 펌프 사이클의 냉매관, 28은 목욕물 추가 가열용 수관이고 각각 편평하게 성형되어 각 관의 접촉 면적을 증가시키고 있다. 각 제1 계통 히트 펌프 사이클 냉매관, 급탕용 수관, 제2 계통 히트 펌프 사이클 냉매관, 목욕물 추가 가열용 수관은 4개를 1세트로 하고 나선형으로 성형하여 보조 저탕 탱크의 주위에 설치하는 구조로 하고 있다.

도3은 바닥 난방용 수냉매 열교환기로, 부호 29는 제1 히트 펌프 사이클의 냉매관, 30은 바닥 난방용 온수관이고, 제1 히트 펌프 사이클 냉매관, 바닥 난방용 수관의 2개를 1세트로 하고 나선형으로 성형하여 급탕용 수냉매 열교환기와 마찬가지로 보조 저탕 탱크 주위에 설치하는 구조로 하고 있다.

또한, 급탕용 및 난방용 수냉매 열교환기로서, 수관 주위로부터 냉매용 가는 관을 복수개 압입 성형한 열교환기 등, 다양한 열교환기를 나선형 혹은 직관으로 성형하여 사용하는 것도 가능하다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 히트 펌프 급탕 난방기에 있어서 급탕 및 풍로 목욕물 담기, 목욕물 추가 가열, 탱크 비등 운전은 1계통 및 2계통의 히트 펌프 사이클을 동시 구동함으로써 탱크로부터의 보조 출탕을 적게 하여 대부분의 출탕을 히트 펌프 사이클의 흡열로부터 직접 행할 수 있어 고효율인 급탕 운전이 된다.

한편, 본 발명의 구성에 의한 바닥 난방을 행하는 경우에는, 도4에 도시한 바와 같이 1계통만의 히트 펌프 사이클을 운전하고, 냉매 유로 절환 밸브를 바닥 난방측으로 냉매 유로를 절환하여 바닥 난방 패널로 온수를 순환시키기 위한 순환 펌프를 운전한다. 일반적으로 바닥 난방의 개시 부하는 3 ㎾, 안정시 부하는 1 내지 2 ㎾ 정도로 적기 때문에 1계통만의 운전에서도 충분히 대응 가능하다. 또한, 바닥 난방용 온수는 히트 펌프 사이클의 고온측 냉매와 열교환하여 만들기 때문에 열교환 효율이 높아 에너지 효율이 우수한 바닥 난방 운전을 행할 수 있다. 바닥 난방의 온도 조절은 패널 온도를 검지한 리모콘(23)으로부터 설정 온도와의 온도차에 의해 히트 펌프 사이클의 압축기 회전수를 제어기(22)에 부여하여 조정하고 수냉매 열교환기로부터의 흡열량을 증감하여 패널 온도를 제어한다. 단, 바닥 난방 운전 중에 급탕의 요구가 있던 경우에는, 우선 바닥 난방 회로에 미접속인 제2 계통의 히트 펌프 사이클을 기동하여 급탕 운전을 행한다. 또한 제2 계통의 히트 펌프 사이클의 급탕 능력을 초과하는 출탕 부하가 발생한 경우에는 제1 계통의 히트 펌프 사이클의 냉매 유로를 절환 밸브에 의해 급탕 회로측으로 절환하여 바닥 난방 운전을 일시 정지한다.

또한, 바닥 난방을 운전하여 잠시 경과하고 있는 경우에는, 바닥 난방 패널 내의 온수가 충분히 데워져 있으므로, 다음과 같은 운전 제어가 효과적이다. 즉, 제1 계통의 히트 펌프 사이클이 바닥 난방 운전을 행하고 있을 때에 급탕의 요구가 있던 경우, 제2 계통의 히트 펌프 사이클의 운전을 개시하는 동시에, 이미 운전 상태에 있던 제1 계통의 히트 펌프 사이클의 3방 절환 밸브(21)를 절환하여 고온 고압 냉매의 전량을 급탕용 수냉매 열교환기(6)에 흐르게 한다.

그리고 제2 계통의 히트 펌프 사이클의 냉매가 충분히 고온이 되어 단독으로 온수를 공급할 수 있게 되면, 출탕은 제2 계통의 히트 펌프 사이클에서만 출탕 운전한다. 그리고, 제1 계통의 히트 펌프 사이클은 3방 절환 밸브(21)가 유로를 절환하여 본래의 바닥 난방 운전으로 복귀된다.

또한, 본 실시예에서는 냉매 유로 절환을, 3방 절환 밸브(21)를 사용하고 있으므로 바닥 난방 운전 중에는, 제1 계통의 히트 펌프 사이클에 의한 급탕측 운전은 정지되지만, 도5에 도시한 바와 같이 3방향 중 2방향으로 동시에 유출할 수 있는 밸브를 사용하면 제2 계통의 히트 펌프 사이클과 제1 계통의 히트 펌프 사이클 능력 중 난방 부하를 제외하는 능력은 급탕측으로 추가할 수 있으므로 바닥 난방과 고부하 급탕의 동시 운전이 가능해진다.

또한, 급탕용 수냉매 열교환기 및 난방용 수냉매 열교환기 각각의 출구측에 개방도 가변의 전동식 팽창 밸브를 설치해도 같은 제어가 가능하다.

또한, 본 실시예에서는 난방기로서 바닥 난방 패널을 접속하고 있지만, 욕실 건조, 욕실 난방 및 실내 난방기 등의 접속도 가능하고, 또한 복수의 난방 기기를 접속하는 것도 가능하다.

또한, 히트 펌프 사이클에 사용하는 냉매에 자연계 냉매를 이용한 경우, 특히 이산화탄소를 사용하여 종래의 저탕식 탱크에 고온수(90 ℃)를 저탕하면 주위 온도와의 온도차가 커져 탱크로부터의 방열량이 증가된다. 본 발명에서는 급탕 혹은 난방 운전의 요구가 발생하였을 때에 히트 펌프 사이클을 운전하여 냉매 회로와 온수 회로에서 고효율 열교환을 행하고, 보온에 의한 열누설도 없으므로 급탕 난방 시스템의 전력 절약화가 현저하게 나타난다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 회전수 제어 가능한 압축기를 2대 이용하여 각각 독립된 히트 펌프 사이클 계통을 구성하고, 제1 계통의 히트 펌프 사이클의 냉매 회로에 난방용 수냉매 열교환기를 설치하여 상기 열교환기로부터의 흡열에 의해 승온한 온수를 순환 펌프에 의해 난방 기기 내에 순환함으로써 효율적인 난방 운전을 행할 수 있다. 또한, 히트 펌프 사이클을 2계통으로 각각 독립하여 구성함으로써 난방 운전 중에 있어서도 제2 계통의 히트 펌프 사이클은 급탕 운전이 가능하고 제2 계통 히트 펌프 사이클 능력으로 조달할 수 있는 급탕 부하와 난방 운전을 동시에 행할 수 있다.

또한, 제2 계통 히트 펌프 사이클의 급탕 능력 이상의 급탕 부하와 난방 요구가 동시에 발생하는 경우에는 제1 계통의 히트 펌프 사이클의 3방향 절환 밸브의 구조를 2방향 동시 유출 가능한 절환 밸브를 사용하는 구성에 의해 고부하의 급탕 및 난방의 동시 운전이 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 히트 펌프 급탕 난방기에 있어서 급탕과 난방 운전을 적은 부품 구성으로 효율적으로 달성할 수 있는 급탕 난방기를 제공할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 효율적인 난방 운전을 행할 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 있어서의 급탕 난방기의 구성도.

도2는 본 발명에 관한 급탕, 목욕물 추가 가열에 사용 가능한 수냉매 열교환기의 구조도.

도3은 본 발명에 관한 난방에 사용 가능한 수냉매 열교환기의 구조도.

도4는 본 발명에 관한 바닥 난방의 운전 제어를 행하기 위한 구성도.

도5는 본 발명에 관한 급탕, 난방 동시 운전의 냉매 회로에 3방 밸브를 이용한 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 회전수 제어 압축기

4 : 증발기

6 : 급탕용 수냉매 열교환기

8 : 난방용 수냉매 열교환기

9 : 바닥 난방 패널

11 : 급수구

12 : 출탕구

13 : 보조 저탕 탱크

15 : 욕조

19 : 바이패스 비례 밸브

20 : 수비례 밸브

21 : 냉매 유로 절환 밸브

22 : 사이클 제어 장치

23 : 바닥 난방용 리모콘

24 : 2방향 유출 3방 절환 밸브

Claims (6)

1. 냉매를 압축하는 압축기로부터 토출된 고온의 냉매가 공급되는 급탕용 수냉매 열교환기와, 그 곳에서 열교환된 냉매를 감압하는 감압 장치와, 감압된 냉매를 기화하는 증발기를 차례로 접속한 히트 펌프 사이클과, 급수된 물을 감압하는 감압 밸브와, 상기 수냉매 열교환기로 데워진 물의 출탕량을 조절하는 수비례 밸브를 구비하는 급탕 회로와, 상기 히트 펌프 사이클로부터 분기된 냉매에 의해 열교환을 행하는 난방용 수냉매 열교환기와, 그 난방용 열교환기에 의해 승온된 물을 난방 기기에 순환시키는 온수 난방 회로를 갖는 히트 펌프식 급탕 난방기.
2. 제1항에 있어서, 상기 급탕용 수냉매 열교환기에 대해 2개의 히트 펌프 사이클을 구비하고, 난방 기기의 운전 요구에 따라서 그 난방 기기에 대응하는 온수 난방 회로와 열교환하기 위한 냉매를 공급하는 히트 펌프 사이클의 압축기를 운전하는 히트 펌프식 급탕 난방기.
3. 제1항에 있어서, 상기 난방용 수냉매 열교환기에는 상기 히트 펌프 사이클에 설치되어 상기 급탕용 수냉매 열교환기의 냉매류의 상류측에 설치된 절환 밸브로부터 냉매가 공급되는 히트 펌프식 급탕 난방기.
4. 제3항에 있어서, 상기 절환 밸브는 냉매 유로를 절환할 뿐만 아니라 복수의 유로에 냉매를 공급할 수 있는 히트 펌프식 급탕 난방기.
5. 제2항에 있어서, 1개의 히트 펌프 사이클을 가동시켜 난방 운전을 행하고 있을 때에 급탕 요구를 수취한 경우, 다른 히트 펌프 사이클을 기동하여 급탕 운전을 행하고, 그 출탕량이 많은 고부하 급탕의 경우에는 난방 운전을 행하고 있는 히트 펌프 사이클의 냉매를 상기 급탕용 수냉매 열교환기에 분배 혹은 공급을 절환하는 히트 펌프식 급탕 난방기.
6. 제1항에 있어서, 히트 펌프 사이클에 사용하는 냉매는 자연계 냉매인 히트 펌프식 급탕 난방기.