KR100531653B1 - 이원 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉난방 사이클 및 냉온수 공급 사이클이 적용에 적용될 수 있는 이원 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 냉방운전을 할 때 제 1 열매체(냉매)가 제 1 압축기(11)에서 실외측 열교환기(12), 제 1 팽창밸브(13), 실내측 열교환기(14)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되고, 난방운전을 할 때 상기 제 1 열매체가 역순환되는 메인 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외기부 (16)에 보조 히트펌프 시스템(20)이 장착되어 겨울철에 난방운전을 할 때 상기 보조 히트펌프 시스템(20)이 작동되며, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 열매체가 제 2 압축기(21), 보조 열교환기(22), 제 2 팽창밸브(23), 제 2 증발기(24) 그리고 다시 제 2 압축기(21)로 순환되며, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외측 열교환기(12)와 압축기(11)를 연결하는 제 1 열매체 라인(18)에 상기 보조 히트펌프 시스템(10)의 보조 열교환기(21)가 장착되어, 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 압축기(21)에서 보조 열교환기(22)로 토출되는 고온고압의 기체상태인 제 2 열매체가 메인 히트펌프 시스템의 제 1 열매체 라인(L1)을 통과하는 저온저압 상태의 제 1 열매체와 상기 보조 열교환기(21)에서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

이원 히트펌프 시스템{Dual heat pump system}
본 발명은 냉난방 사이클 및 냉온수 공급 사이클이 적용에 적용될 수 있는 이원 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메인 사이클 시스템의 실외기부에 보조 히트펌프 사이클 시스템이 설치되어 보조 히트펌프 시스템의 열원이 보조 열교환기에서 메인 사이클 시스템의 열매체와 열교환되는 이원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
대한민국 실용신안등록출원 제1998-0000215호(1998년 1월 12일 출원)에 "히트펌프 공기조화기"가 소개되어 있다.
상기 히트펌프 공기조화기는 외기온도가 낮은 겨울철에 난방운전을 할 때 낮은 외기온도에 의해 발생하는 문제점들을 보완하고, 난방 효율을 높이기 위해 실내측 열교환기에 히터를 장착하였다.
그러나, 상기 히트펌프 공기조화기와 같이 히터를 장착할 경우, 전력소모가 많은 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 메인 사이클 시스템의 실외기부에 보조 히트펌프 사이클 시스템이 설치되어 보조 히트펌프 시스템의 열원이 보조 열교환기에서 메인 사이클 시스템의 열매체와 열교환되므로서, 겨울철 난방운전을 할 때 적은 소비전력으로 낮은 외기온도에 의해 발생하는 문제점(예컨대, 압축기의 고장)들을 보완하고, 난방효율을 높일 수 있는 이원 히트펌프 시스템를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 일반적인 히트펌프 시스템(이하, 메인 히트펌프 시스템이라고 함)은 냉방운전을 할 때 제 1 열매체(냉매)가 제 1 압축기(11)에서 실외측 열교환기(12 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실내측 열교환기(14 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되고, 난방운전을 할 때 상기 제 1 열매체가 제 1 압축기(11)에서 실내측 열교환기(14 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실외측 열교환기(12 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환된다.
도 1에서 열매체(냉매)의 흐름을 화살표로 표시하였으며, 실선은 냉방운전시 열매체의 흐름을 표시한 것이고, 점선은 난방운전시 열매체의 흐름을 표시한 것이다.
위와같은 일반적인 히트펌프 시스템은 겨울철에 난방운전을 할 때, 외기온도가 0℃ ~ -5℃ 이하인 경우, 실외측 열교환기(12 ; 증발기 역할)에서 증발작용이 원할하지 못하여 열매체가 제 1 압축기(11)로 유입되기 전에 열매체의 액체성분을 기화시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템은, 상기와 같은 메인 히트펌프 시스템에 있어서, 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)에 보조 히트펌프 시스템(20)이 장착되고, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외측 열교환기(12)와 압축기 (11)를 연결하는 제 1 열매체 라인(18)에 상기 보조 히트펌프 시스템(10)의 보조 열교환기(21)가 장착되어, 겨울철에 난방운전을 할 때, 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 압축기(21)에서 토출되는 고온고압의 기체상태인 제 2 열매체가 메인 히트펌프 시스템의 제 1 열매체 라인(L1)을 통과하는 저온저압 상태의 제 1 열매체와 상기 보조 열교환기(21)에서 열교환이 이루어진다.
예를들어, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)은 온도센서(도시하지 않음)에 의해 감지된 실외온도가 소정온도(-5℃) 이하가 되었을 때 작동되며, 이때, 메인 히트펌프 시스템의 실외기 팬(18)의 작동이 정지된다. 이후, 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)의 온도가 5℃가 되면 보조 히트펌프 시스템(20)의 작동이 정지되고, 실외기 팬(18)이 작동하므로서, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)은 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)의 온도가 -5℃ ~ 5℃ 사이를 유지하도록 작동되므로서, 겨울철 메인 사이클 시스템의 난방운전을 보조하며, 제 2 열매체가 제 2 압축기(21), 보조 열교환기(22), 제 2 팽창밸브(23), 제 2 증발기(24) 그리고 다시 제 2 압축기(21)로 순환된다.
상기 보조 열교환기(22)는 보조 히트펌프 사이클 시스템(20)에서 응축기 역할을 하며, 상기 제 2 증발기(24)는 가혹조건(겨울철 -20℃ ∼ -30℃)에서도 작동할 수 있도록 설계되어 있다.
미설명한 도면부호 15 및 25는 각각 4방 밸브이고, 19는 실내기 팬이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템은 다음과 같이 작동한다.
여름철에는 메인 히트펌프 시스템이 냉방 사이클로 운전되며, 이때 보조 히트펌프 시스템(20)은 작동하지 않는다.
겨울철에 메인 히트펌프 시스템이 난방 사이클로 운전될 때, 작동설정온도(0℃ ∼ -5℃ 중 설계사양에 따라 적정작동온도를 설정함) 이하로 실외온도가 떨어지면, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)이 작동된다.
상기 보조 히트펌프 시스템(20)은 겨울철에 낮은 외기온도에 의해 메인 히트펌프 시스템의 실외측 열교환기(12 ; 증발기 역할)에서 증발작용이 원할하게 이루어지지 않아, 액체상태의 제 1 열매체가 제 1 압축기(11)로 유입되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 난방 사이클로 운전되는 보조 히트펌프 시스템(20)의 보조 열교환기(22)는 보조 히트펌프 시스템의 응축기 역할을 하며, 메인 히트펌프 시스템의 제 1 압축기(11)로 유입되는 제 1 열매체가 완전 기체상태화 될 수 있도록, 보조 열교환기(22)에서 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 압축기(21)에서 토출되는 고온고압의 제 2 열매체와 메인 히트펌프 시스템의 저온저압의 제 1 열매체와 열교환된다. 이것에 의해, 상기 메인 히트펌프 시스템의 제 1 압축기(11)로 완전히 기체화된 저온저압의 제 1 열매체가 유입되므로서, 실내측 열교환기(14)에서 열교환 효율이 높아지며, 액체 유입으로 인한 제 1 압축기(11)의 고장 원인이 해결된다.
이후, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)의 보조 열교환기(22)를 통과한 제 2 열매체는 저온고압의 액체상태가 되어 제 2 팽창밸브(23)로 유입되어 보조 히트펌프 시스템(20)을 순환하게 된다.
상기와 같이 구성되고 작동하는 본 고안에 따른 이원 히트펌프 시스템은 보조 히트펌프 시스템920)의 용량이 메인 히트펌프 시스템의 용량과 1:1로 대응된다. 즉, 메인 히트펌프 시스템의 용량이 1RT(1 냉동톤)인 경우, 보조 히트펌프 시스템의 용량 또한 1RT(1 냉동톤)이다. 그리고, 예를들어, R-22의 열매체를 사용한 보조 히트펌프 시스템의 용량이 1RT인 경우, 전격소비전력이 1 kWh ~ 2.0 kWh 사이로써, 대한민국 실용신안등록출원 제1998-0000215호(1998년 1월 12일 출원)에 소개된 히터를 사용하는 히트펌프 공기조화기에 비해 에너지 소모가 혁신적으로 감소된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템은 제상운전을 위해 메인 히트펌프 시스템의 제 1 압축기(11)와 실내측 열교환기(14)를 연결하는 제 5 라인(L5)과 제 1 팽창밸브(13)와 실외측 열교환기(12)를 연결하는 제 3 라인(L3)을 연결하는 제 1 바이패스 라인(31)이 설치되고, 상기 제 1 바이패스 라인(31)에 제 1 밸브(33)가 장착되며, 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 1 라인(41)과 보조 열교환기(22)와 증발기(24)를 연결하는 제 3 라인(43)을 연결하는 제 2 바이패스 라인 (45)이 설치되고, 상기 제 2 바이패스 라인(45)에 제 2 밸브(47)가 장착된다.
이것에 의해, 제상운전시 메인 히트펌프 시스템는 제 1 밸브(33)가 개방되어제 1 압축기(11)에서 토출되는 고온고압의 기체 열매체 중 일부가 제 1 바이패스 라인(31)을 통과하여 실외측 열교환기(12)로 공급되므로서, 상기 실외측 열교환기 (12)를 제상한다.
또한, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)은 일반적으로 제 2 증발기(24)의 내부증발온도(-10℃ ∼ -30℃ 중 설계사양에 따라 적정작동온도를 설정함)가 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)의 내부온도(0℃ ∼ -5℃)보다 낮은 온도로 설계되기 때문에 온도차에 의해 제 2 증발기(24)의 외측면에 응결현상이 발생하게 된다. 따라서, 이와같은 현상에 의해 제 2 증발기(24)의 외측면에 발생하는 성애를 제거하기 위해, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)의 정상운전 중에 제 2 증발기(24)의 내부증발 설정온도보다 제 2 증발기(24)의 내부온도가 더 떨어질 경우 제 2 밸브(47)가 개방되어 제 2 압축기(24)에서 토출되는 고온고압의 기체 열매체 중 일부가 제 2 바이패스 라인(45)을 통하여 제 2 증발기(24)로 유입되므로서 제 2 증발기(24)를 제상하게 된다.
본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템은 앞에서 설명한 공기조화 시스템으로 사용될 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와같이, 냉온수기 시스템에 적용할 수 있다. 즉, 실내측 열교환기(14)를 온수가열용 열교환기로 적용되어 온수저장통(50)의 저장된 물을 가열할 수 있으며, 실외측 열교환기(12)와 병렬로 연결되는 냉수 냉각용 열교환기(53)로 추가 설치하여, 상기 냉수 냉각용 열교환기(53)에서 냉수정장통 (55)에 저장된 물을 냉각할 수 있다.
위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템은 메인 사이클 시스템의 실외기부에 보조 히트펌프 사이클 시스템이 설치되어 보조 히트펌프 시스템의 열원이 보조 열교환기에서 메인 사이클 시스템의 열매체와 열교환되므로서, 겨울철 난방운전을 할 때 적은 소비전력으로 낮은 외기온도에 의해 발생하는 문제점(예컨대, 압축기의 고장 등)들을 보완하고, 난방효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템을 도시한 블록도
도 2는 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템의 다른 예를 도시한 블록도
도 3은 본 발명에 따른 이원 히트펌프 시스템의 또 다른 예를 도시한 블록도

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 냉방운전을 할 때 제 1 열매체(냉매)가 제 1 압축기(11)에서 실외측 열교환기(12 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실내측 열교환기(14 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되고, 난방운전을 할 때 상기 제 1 열매체가 제 1 압축기(11)에서 실내측 열교환기(14 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실외측 열교환기(12 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되는 메인 히트펌프 시스템과, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)에 보조 히트펌프 시스템(20)이 장착되어 겨울철에 난방운전을 할 때 상기 보조 히트펌프 시스템(20)이 작동되며, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 열매체가 제 2 압축기(21), 보조 열교환기 (22), 제 2 팽창밸브(23), 제 2 증발기(24) 그리고 다시 제 2 압축기(21)로 순환되며, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외측 열교환기(12)와 압축기(11)를 연결하는 제 1 열매체 라인(L1)에 상기 보조 히트펌프 시스템(10)의 보조 열교환기(21)가 장착되어, 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 압축기(21)에서 보조 열교환기(22)로 토출되는 고온고압의 기체상태인 제 2 열매체가 메인 히트펌프 시스템의 제 1 열매체 라인(L1)을 통과하는 저온저압 상태의 제 1 열매체와 상기 보조 열교환기(21)에서 열교환이 이루어지고, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)은 제 1 라인(41)과 보조 열교환기(22)와 증발기(24)를 연결하는 제 3 라인(43)을 연결하는 제 2 바이패스 라인(45)이 설치되고, 상기 제 2 바이패스 라인(45)에 제 2 밸브(47)가 장착되어, 제상운전시 제 2 밸브(47)가 개방되어 제 2 압축기(24)에서 토출되는 고온고압의 기체 열매체 중 일부가 제 2 바이패스 라인(45)을 통하여 제 2 증발기(24)로 유입되므로서 제 2 증발기(24)를 제상하게 되는 것을 특징으로 하는 이원 히트펌프 시스템.
  4. 냉방운전을 할 때 제 1 열매체(냉매)가 제 1 압축기(11)에서 실외측 열교환기(12 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실내측 열교환기(14 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되고, 난방운전을 할 때 상기 제 1 열매체가 제 1 압축기(11)에서 실내측 열교환기(14 ; 응축기 역할), 제 1 팽창밸브(13), 실외측 열교환기(12 ; 증발기 역할)를 통해 다시 압축기(11)로 순환되는 메인 히트펌프 시스템과, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외기부(16)에 보조 히트펌프 시스템(20)이 장착되어 겨울철에 난방운전을 할 때 상기 보조 히트펌프 시스템(20)이 작동되며, 상기 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 열매체가 제 2 압축기(21), 보조 열교환기 (22), 제 2 팽창밸브(23), 제 2 증발기(24) 그리고 다시 제 2 압축기(21)로 순환되며, 상기 메인 히트펌프 시스템의 실외측 열교환기(12)와 압축기(11)를 연결하는 제 1 열매체 라인(L1)에 상기 보조 히트펌프 시스템(10)의 보조 열교환기(21)가 장착되어, 보조 히트펌프 시스템(20)의 제 2 압축기(21)에서 보조 열교환기(22)로 토출되는 고온고압의 기체상태인 제 2 열매체가 메인 히트펌프 시스템의 제 1 열매체 라인(L1)을 통과하는 저온저압 상태의 제 1 열매체와 상기 보조 열교환기(21)에서 열교환이 이루어지고, 상기 실내측 열교환기(14)가 온수가열용 열교환기로 적용되어 온수저장통 (50)의 저장된 물을 가열할 수 있으며, 상기 실외측 열교환기(12)와 병렬로 연결되는 냉수 냉각용 열교환기(53)로 추가 설치되어, 상기 냉수 냉각용 열교환기(53)에서 냉수저장통(55)에 저장된 물을 냉각할 수 있어, 냉온수기 시스템으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 이원 히트펌프 시스템.
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