KR100542919B1 - 히트펌프를 이용한 냉난방시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두개의 열교환기와 수온조절용의 3방 밸브를 구비한 히트펌프를 이용한 냉난방시스템에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 축열조의 하부와 연결된 원수 공급라인에서 공급되어 1차 온수가 되는 1단 응축기, 이 1단 응축기에서 배출되는 물을 일정한 온수를 생산하여 축열조로 배출하는 2단 응축기, 상기 1단 및 2단 응축기로 고온고압의 가스를 압축하여 보내주는 압축기, 상기 2단과 1단 응축기를 거쳐 응축기에서 액화된 냉매액을 팽창밸브를 거쳐 유입하는 증발기를 구비하여; 상기 2단 응축기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 1단 응축기에서 배출되는 물과 2단 응축기에서 배출되는 물의 일부를 혼합하여 상기 2단 응축기에서 일정한 온도의 물을 생산하도록 믹싱시켜주는 3방 밸브로 구성되는 온수순환수단; 상기 증발기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 축냉조의 상부에서 배출되는 물을 혼합하여 상기 증발기로 공급하는 축냉용 3방 밸브로 구성되는 축냉수단; 공조기에 의하여 온도가 상승되어 축냉조에 환수되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 상기 축냉조의 하부에서 공급되는 물이 혼합된 물과 축냉조 상부에 공급되는 물의 일부를 혼합하여 상기 공조기로 공급하는 냉수용 3방 밸브로 구성되는 냉수순환수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

히트펌프, 냉난방시스템, 축냉조, 축열조, 3방밸브, 수축열 히트펌프시스템

Description

히트펌프를 이용한 냉난방시스템{A heat pump using the heating and conditioning systems}

도 1 은 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 도시해 놓은 구성도,

도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 도시해 놓은 구성도,

도 3 내지 도 6 는 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 각기 운전상태를 도시해 놓은 동작 흐름도,

도 7 및 도 8 은 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 설명하기 위한 수축열조내의 특성그래프,

도 9 는 종래의 히트펌프 시스템을 나타낸 구성도이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 온수탱크 10 : 냉수탱크

2 : 압축기 3 : 1단 응축기

3a : 2단 응축기 4 : 증발기

6 : 팽창밸브 5 : 공조기

71 : 온도센서 73 : 온수용 3방밸브

82 : 온도센서 83 : 축냉용 3방밸브

91 : 온도센서 92 : 냉수용 3방밸브

본 발명은 2개의 열교환기로써 1단및 2단 응축기와 수온조절용 3방 밸브를 구비한 수축열 히트펌프시스템에 관한 것으로, 종래 1단 응축기를 사용하여 일정온도 이상의 온수를 생산하기 위하여 온수 순환량을 감소시킴으로 열교환 능력의 저하로 장비에 과부하가 발생하고 결과적으로 많은 동력이 소비되고, 또한 응축기 입구 온도의 변화에 따라 출구의 수온이 변화하여 부하측에서 사용이 불가능하여 다른 열원이 필요하게 되는 단점을 해결하고자 개발된 히트펌프를 이용한 냉난방시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 열을 저온측에서 고온측으로 이동시키므로써, 열에 대한 운반 메커니즘을 가역적으로 사용하여 냉방과 난방을 겸하는 장치를 말한다. 이러한 히트펌프는 열교환기나 온수생산을 위한 보일러 등에 사용되는 것으로 고온의 물을 생산하여 온수탱크로 보내는 것으로 압축기와 응축기, 증발기를 주 구성으 로 하고 있다.

도 9 는 종래의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도로서, 급수가 공급되고 온수가 배출되는 온수탱크(1)는 온수펌프(P1)를 통해 1단 응축기(3)의 입구에 연결되었다가 출구가 연결되고, 이 1단 응축기(3)는 상단의 압축기(2)와 하단의 증발기(4)가 각기 설치되고, 상기 압축기(2)가 증발기(4)에, 1단 응축기(3)가 팽창밸브(6)를 통해 증발기(4)에 각각 연결된다. 상기 증발기(4)는 공조기(5)를 통과한 다음 냉수펌프(P2)를 통해 되돌아 오도록 구성되어 있다.

이상과 같이 구성되는 히트펌프시스템의 작동은 온수탱크(1)로부터 공급되는 물은 32℃로서 하부에서 온수펌프(P1)를 통해 1단 응축기(3)에 공급되어 응축되고 다시 37℃의 물이 온수탱크(1)의 상부로 공급되며, 상기 1단 응축기(3)에서 응축된 고압의 냉매 액을 팽창밸브(6)를 거쳐 저온의 액냉매가 증발기(4)에서 증발하게 된다. 동시에 공조기(5)로부터 냉수펌프(P2)를 통해 증발기(4)로 유입되는 12 ℃ 냉수와 열교환하여 일정 이하의 7℃ 냉수를 생산하여 공조기(5)로 공급하는 시스템으로 구성되어 있다.

이러한 기존의 온수 생산 방법은, 하나의 응축기(3)를 사용하여 온수를 생산하게 되는 방법인 바, 일반적으로 사용하고자 하는 온수의 온도는 50℃이상이 되어야 하므로 이렇게 응축기(3) 출구의 온도를 50℃ 이상으로 맞추기 위해서는 배출되는 온수의 유량을 감소시키거나 또는 응축기(3)의 입구의 온도를 높여야 한다. 이 경우 응축압력이 높아지게 되고 따라서 저압과 고압의 압력차가 커지므로 압축효율이 낮아져 냉동능력이 떨어지는 상황이 초래돼 동력소비가 증가하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 히트펌프시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 1단 응축기와 2단 응축기를 이용하여 축열조에서 온수의 생산 효율을 높이고 안정된 온수 공급이 가능하도록 개량한 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 축열조에서 일정한 온도의 냉수를 생산하므로 축냉조내 물의 비중차이로 성층화를 시킬 뿐만 아니라, 부하측 공조기의 부하에 따른 냉수공급이 가능하도록 개량한 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 제공할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 축열조(1)의 하부와 연결된 원수 공급라인에서 공급되어 1차 온수가 되는 1단 응축기(3), 이 1단 응축기(3)에서 배출되는 물을 일정한 온수를 생산하여 축열조(1)로 배출하는 2단 응축기(3a), 상기 1단 및 2단 응축기(3, 3a)로 고온고압의 가스를 압축하여 보내주는 압축기(2), 상기 2단과 1단을 거쳐 응축기(3, 3a)에서 액화된 냉매액을 팽창밸브(6)를 거쳐 유입하는 증발기(4)를 구비하여; 상기 2단 응축기(3a)에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(71), 이 온도센서(71)에 의하여 작동하고 상기 1단 응축기(3)에서 배출되는 물과 2단 응축기(3a)에서 배출되는 물의 일부를 혼합하여 상기 2 단 응축기(3a)에서 일정한 온도의 물을 생산하도록 믹싱시켜주는 3방 밸브(73)로 구성되는 온수순환수단; 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(82), 이 온도센서(82)에 의하여 작동하고 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 일부와 축냉조(10)의 상부에서 배출되는 물을 혼합하여 상기 증발기(4)로 공급하는 축냉용 3방 밸브(83)로 구성되는 축냉수단; 공조기(5)에 의하여 온도가 상승되어 축냉조(10)에 환수되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(91), 이 온도센서(91)에 의하여 작동하고 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 일부와 상기 축냉조(10)의 하부에서 공급되는 물이 혼합된 물과 축냉조(10) 상부에 공급되는 물의 일부를 혼합하여 상기 공조기로 공급하는 냉수용 3방 밸브(93)로 구성되는 냉수순환수단으로 구성됨을 특징으로 한다.

이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 도시해 놓은 구성도로서, 축열조(1)로는 상부디퓨져(1a)를 통한 55℃ 온수와 하부디퓨져(1b)를 통한 20℃ 급수가 각기 공급되고 있다. 20℃의 급수공급이 상기 축열조(1)와 1단 응축기(3)의 입구로 각기 공급되고, 이 1단 응축기(3)의 출구가 온수용 3방밸브(73)를 매개로 온수펌프(72)와 2단 응축기(3a)의 출구에, 상기 온수펌프(72)가 2단 응축기(3a)의 입구에 각각 연결된다. 온수순환수단에 있어 상기 2단 응축기(3a)의 출구측에 설치된 온도센서(71)는 상기 온수용 3방밸브(73)를 작동시켜 상기 1단및 2단 응축기(3, 3a)의 출구 온수를 혼합시키게 된다.

상기 1단 응축기(3)와 2단 응축기(3a)는 2개의 열교환기로써 상단의 압축기(2)와 하단의 증발기(4)가 각기 설치되고, 상기 압축기(2)가 증발기(4)에, 1단 응축기(3)가 팽창밸브(6)를 통해 증발기(4)에 각각 연결된다. 상기 증발기(4)는 배관의 온도센서(82)를 통해 축냉용 3방밸브(83), 축냉조(10)의 하부디퓨져(10b), 냉수용 3상밸브(92)에 각각 연결된다.

상기 축냉조(10)로는 상부디퓨져(10a)를 통한 15℃ 물과 하부디퓨져(10b)를 통한 5℃ 냉수가 각기 공급되고 있다. 냉수순환수단에 있어 냉수용 3방밸브(92)는 냉수순환펌프(93)를 통해 공조기(5)에 연결되었다가 출구가 연결되는 한편 온도센서(91)를 통해 축냉조(10)의 상부디퓨져(10a)와 축냉용 3방밸브(83)로 연결된다.

축냉수단에 있어 상기 공조기(5)의 출구측에 설치된 온도센서(91)는 상기 냉수용 3방밸브(92)를 작동시켜 공조기(5)의 출구물과 증발기(4)의 출구물을 혼합시키게 된다. 상기 축냉용 3방밸브(83)는 온도센서(82)를 통과한 배관과 다른 온도센서(91)를 통과한 배관이 연결되어 있고, 이를 상기 온도센서(82)가 작동시켜 혼합된 축냉수를 냉수펌프(81)를 통해 증발기(4)로 공급되도록 구성되어 있다.

이렇게 구성되는 본 발명은 히트펌프에서 생산하는 온수의 양보다 축열조(1)의 상부디퓨져(1a)를 통해 사용하는 양이 적을 경우 축열조(1)의 상부에 저장되어지며, 온수사용량이 히트펌프에서 사용하는 양보다 많을 경우 축열조(1)의 하부디퓨져(1b)로부터 차가운 물이 1단 응축기(3)로 유입되어진다. 결국 1단 응축기(3)로 유입되는 원수의 온도가 낮으므로 냉동사이클의 응축온도를 일정하게 운전할 수 있 으므로 고압이 일정하게 운전되고 있으며, 액화된 냉매액의 온도가 낮으므로 팽창밸브(6)를 통과하여 증발기(4)로 공급되어 냉동능력의 증가를 가져오므로 결과적으로 동력의 소비가 감소하여 경제적이다.

또한, 일반적으로 1단 응축기(3)로 유입되는 물의 온도가 일정하지 못하다는 점으로 인하여 출구의 온도를 맞추기 어렵다는 문제를 해결하기 위해, 온도센서(71)에 의해 온수용 3상밸브(73)를 작동시켜 1단 응축기(3) 출구의 물과 2단 응축기(3a) 출구의 물을 혼합하여 2단 응축기(3a)로 다시 공급하므로, 결과적으로 일정한 수온의 물을 생산할 수 있다. 이때, 2단 응축기(3a)에서 응축능력의 저하를 방지하기 위하여 온수펌프(72)의 순환량을 일정이상 유지하여 2단 응축기(3a)의 응축효율을 감소시키지 않아야 한다.

축열조(1), 1단및 2단 응축기(3, 3a)에 관련되는 온수순환수단은 2단 응축기(3a)에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(71)와, 상기 온도센서(71)에 의하여 작동하고 1단 응축기(3)에서 배출되는 물과 2단 응축기(3a)에서 배출되는 물의 일부를 혼합하여 상기 2단 응축기(3a)에서 응축되도록 공급하는 온수용 3방밸브(73)로 구성되고 있다.

축냉조(10)와 증발기(4)에 관련되는 축냉수단은 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(82)와, 상기 온도센서(82)에 의하여 작동하고 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 일부와 축냉조(10)의 상부에서 배출되는 물을 혼합하여 상기 증발기(4)로 공급하는 축냉용 3방 밸브(83)로 구성되고 있다.

공조기(5)와 축냉조(10)에 관련되는 냉수순환수단은 상기 공조기(5)에 의하 여 냉각되어 축냉조(10)에 공급되는 물의 온도를 측정하는 온도센서(91)와, 상기 온도 센서(91)에 의하여 작동하고 상기 증발기(4)에서 배출되는 물의 일부와 상기 축냉조(10)의 하부에서 공급되는 물이 혼합된 물과 축냉조(10) 상부에 공급되는 물의 일부를 혼합하여 상기 공조기(5)로 공급하는 냉수용 3방 밸브(92)로 구성되고 있다.

즉, 상기 2단 응축기(3a)와 온수순환수단에 의하여 2단 응축기(3a)의 출구와 입구의 온도차이를 최소화하여 고온의 온수를 생산하여 축열조(1)로 공급하는 한편 온수 공급한다. 2개의 열교환기로서 2단 응축기(3a)에 연결된 1단 응축기(3)에서 종래와 같이 응축 온도를 낮게 운전하므로 운전효율이 상승하고, 2단 응축기(3a)로부터 생산되는 온수의 온도가 일정하여 생산된 온수를 바로 공급할 수 있다.

또한, 종래의 히트펌프시스템은 초기 1단 응축기(3)로 유입되는 물의 온도가 너무 낮을 경우 고압이 너무 낮게 운전되어 냉동사이클의 냉매 순환량의 감소를 가져오므로 냉동능력이 저하되고 냉각기인 1단 응축기(3)가 소손될 우려가 있었으나, 본 발명에 따르면 물의 온도가 낮을 경우 1단 응축기(3)의 물 순환량이 감소하여 일정 이상의 압력이 형성되므로 이러한 현상이 발생하지 않는다.

축냉수단의 경우에는 2단 응축기(3a) 출구의 온도를 일정하게 하여 1단 응축기(3)의 운전상태를 일정한 부하로 운전하게 되며, 또한 일정한 온도를 생산하여 축냉조(10)에 공급하므로 탱크내의 물의 성층화 효율을 높여 축열율을 높이므로 에너지 절감의 효과가 있다.

또한, 냉수순환수단은 축냉조(10)로 환수되는 물의 온도를 일정하게 하여 냉 방 효율을 높이고 부하측 공조기(5)의 부하에 따라 냉동기가 자체 용량 제어나 온/오프 되면서 부하조절을 함으로 불필요한 장비의 가동이 많고, 가동 효율 및 운전 효율이 떨어져 과다한 동력이 소비되던 종래의 냉방방식과는 달리, 본 발명에 따르면 1단 응축기(3)는 축냉조(10)의 축냉 상태에 따라 정숙 운전을 하며, 부하측의 용량제어는 온도센서(91)에 의하여 공급온도를 용이하게 조절하므로 부하측의 용량 제어를 하게 되어 불필요한 장비의 가동이 없고 냉동기로서 증발기의 효율이 향상되어 소비동력이 감소하므로 운전비를 절약할 수 있다.

또한, 상기 축열조(1) 및 축냉조(10)에는 온도차에 따른 비중의 차이에 따라 탱크내의 물을 상부와 하부에 효과적으로 분리하기 위하여 상하부의 디퓨져(1a, 1b : 10a, 10b)를 각기 설치하도록 하여 그 효율을 높이도록 함이 바람직한 실시예일 것이다.

도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 도시해 놓은 구성도이고, 도 3 내지 도 6 는 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 각기 운전상태를 도시해 놓은 동작 흐름도이다.

본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템은 수축열 히트펌프시스템으로, 1 단및 2 단 응축기, 압축기및 증발기로 구성되는 히트펌프(20)를 매개로 성층화를 이루는 수축열조로써 축냉조(30)와 축열조(40)가 각기 설치되고, 이 축냉조(30)와 축열조(40)에는 냉방운전의 공조기(50)와 난방운전의 공조기(50')가 설치되게 된다. 상기 히트펌프(20), 축냉조(30)와 축열조(40), 공조기(50, 50')사이에는 2 개의 입구와 1 개의 출구된 3 방 밸브가 각기 설치되어 있다.

상기 히트펌프(20)와 축냉조(30)의 상부/하부디퓨져사이에는 온도센서(21)에 의해 작동되는 냉수 3방밸브(22), 축냉펌프(23)가 해당 배관을 통해 각기 설치되고, 상기 히트펌프(20)와 축열조(40)의 상부/하부디퓨져사이에는 온도센서(33)에 의해 작동되는 온수 3방밸브(31), 축열펌프(32)가 해당 배관을 통해 각기 설치된다.

상기 축냉조(30)의 상부/하부디퓨져와 공조기(50)사이에는 온도센서(26)에 의해 작동되는 냉수 3방밸브(24), 방냉펌프(25)가 해당 배관을 통해 각기 설치되고, 상기 축열조(40)의 상부/하부디퓨져와 공조기(50')사이에는 온도센서(36)에 의해 작동되는 냉수 3방밸브(34), 방열펌프(35)가 해당 배관을 통해 각기 설치된다.

상기 수축열조는 일반 탱크의 용량이 100ton이고 물의 온도가 9.5℃인 경우에 탱크가 가지고 있는 열량은 100,000L X 9.5 = 950,000Kcal이고, 성층화를 이룬 축냉조(30)로 상부디퓨져와 하부디퓨져가 형성되어 있다. 또한, 4℃와 15℃로 분리하여 4 X 50,000L + 15 X 50,000L = 950,000Kcal이고, 축냉조(30)내의 전체열량과 일반 탱크내의 열량은 같지만, 상부/하부 디퓨져를 활용한 성층화로 하나의 축냉조(30)내에 온도가 다른 물을 분리하여 저장할 수 있다.

상기 축열조(40)도 상부디퓨져와 하부디퓨져로 형성되어 성층화를 이룰 수 있는 바, 이는 40℃와 55℃로 분리하여 축열조(40)내의 전체열량과 일반 탱크내의 열량은 같지만, 상부/하부 디퓨져를 활용한 성층화로 하나의 축열조(40)내에 온도가 다른 물을 분리하여 저장할 수 있다.

상기 히트펌프(20)의 이중열교환기에 있어, 일반냉동기의 응축기(열교환기) 는 증발기(열교환기)와 압축일량을 냉각시키는 용도로 사용하고 있다. 상기 응축기(열교환기)를 온수 생산 용도로 사용하는 경우에도 기존 응축기의 형태를 사용하여 왔다. 하지만 응축기(열교환기)의 구조를 이중열교환기로 구성하므로 온수온도를 2단측의 열교환기를 이용하여 상승시키고, 1단 열교환기는 기존 응측기의 역할을 수행하여 냉동기의 안정적인 운전을 병행하고 있다.

출구측 온도센서(21)에 의해 작동되는 냉수 3방밸브(22)는 원하는 냉수온도(4℃)를 설정하여 축냉조(30)에 저장한다. 상기 축냉조(30) 상부의 15℃ 물과 냉동기 출구의 4℃ 물을 혼합하여 냉동기 입구로 공급하여 냉동기 출구의 온도를 일정하게 4℃로 유지하여, 일부분은 냉동기 입구로 유입되고 나머지 부분은 수축냉조(30) 하부로 저장한다.

출구측 온도센서(33)에 의해 작동되는 온수 3방밸브(31)는 원하는 온수온도(55℃)를 설정하여 축열조(40)에 저장한다. 상기 축열조(40) 하부의 40℃ 물이 1단 열교환기를 통하여 온도가 상승하여 2단 열교환기로 유입되기 전에 3방 밸브(31)를 설치하여 1단 열교환기에서 유입되는 물과 2단 열교환기 출구측 물을 설정온도(55℃)로 유지하기 위해 출구측 물을 혼합하여 2단 열교환기의 입구로 공급한다.

출구측 온도센서(26, 36)에 의해 작동되는 방냉,온수 3방 밸브(24, 34)는 실내측 공조기(50, 50')에 공급하는 냉,온수 온도를 설정하여 공급하고, 이 실내측 공조기(50, 50')에서 사용되어 수축열조로 환수되는 물과 축열조에 사용하지 않은 냉,온수와 혼합하여 실내 측의 부하에 따라서 실내로 공급하는 물의 온도를 조절하므로 내부의 용량제어를 용이하게 하며, 수축열조의 효율을 극대화하는 역할을 수 행한다.

도 3 에 도시된 축냉운전은 설정 온도(4℃)로 수축열조(30) 하부에서 축냉을 시작하여 상부의 온도(4℃)까지 냉수를 저장하는 운전을 말한다. 냉수 3방밸브(22)를 이용하여 설정온도(4℃)를 꾸준하게 유지되도록 본 발명의 수축열 히트펌프시스템을 발명하여 시스템을 안정시키고 있다. 그러나, 기존 방식은 15℃ 물을 냉동기로 유입하여 냉동기의 능력이 Δ5℃일 경우, 냉동기의 출구 온도가 10℃이고 탱크 전체 온도가 10℃가 된 이후에, 다시 냉동기의 유입온도가 10℃가 되면 냉동기의 능력이 Δ5℃이므로 냉동기의 출구온도가 5℃가 되어 탱크에 원하는 온도가 저장된다. 따라서, 기존의 저장 방식으로는 원하는 온도의 물을 저장하는 것이 저장된 물의 혼합으로 원하는 온도로의 저장이 용이하지 않았다.

본 발명의 수축열 히트펌프시스템으로는 냉수측 증발기의 입구온도를 일정하게 유지하므로, 히트펌프(20)내 냉동기의 운전이 부하변동 없이 꾸준하게 유지되어 운전효율이 높게 유지되는 장점이 있다. 축냉조(30) 하부로 4℃의 냉수가 일정하게 디퓨져를 통해 공급되므로 축냉조(30)의 성층화가 잘 되고 있으며, 축냉조(30) 상부까지 낮은 온도로 축냉할 수 있는 잇점이 있다. 상기 3방 밸브(22)에는 셋팅온도를 감지하여 작동되는 온도센서(21)가 설치되면서 물을 순환시키는 축냉펌프(23)가 설치되어 있다.

도 4 에 도시된 냉방운전은 실내측 공조기(50)에서 환수되는 온도를 15℃를 설정하여 실내부하에 따라 실내 공급온도가 조절되면서 부하측의 부하를 조절하는 방법으로, 축냉조(30) 하부의 냉수와 환수된 15℃의 냉수가 3방 밸브(24)로 공급하 여 축냉조(30) 상부로 유입되는 냉수의 온도를 일정하게 하며, 부하측의 용량제어를 하면서 축냉조(30)의 냉수를 최대한 이용하는 운전방법을 말한다.

냉수 3방 밸브(24)를 이용하여 환수온도(15℃)를 꾸준하게 유지되도록 본 발명의 수축열 히트펌프시스템을 발명하여 시스템을 안정시키고 있다. 그러나, 기존 방식은 12℃ 물을 냉동기로 유입하여 냉동기의 능력이 Δ5℃일 경우,냉동기의 출구온도가 7℃이므로, 실내에 공급한 냉수가 효율적으로 사용되지 않고 낮은 온도로 냉동기로 유입되는 경우에는, 냉동기가 용량제어를 하여 냉동기의 효율을 제대로 발휘하지 못한다.

본 발명의 수축열 히트펌프시스템은 실내측에 공급되는 물의 온도를 자유로이 저장할 수 있다. 기존 방식은 환수되는 물의 온도가 변화할 경우, 냉동기의 출구온도가 변화하여 실내에 공급되는 온도가 사용자의 선택에 상관없이 변화하는 단점이 있다. 하지만, 본 발명의 수축열 히트펌프 시스템은 공급하는 온도를 사용자의 선택에 의해 조절할 수 있다. 상기 3방 밸브(24)에는 셋팅온도를 감지하여 작동되는 온도센서(26)가 설치되면서 물을 순환시키는 방냉펌프(25)가 설치되어 있다.

도 5 에 도시된 축열운전은 설정 온도(55℃)로 수축열조(40) 상부에서 축열을 시작하여 하부의 온도(40℃)까지 온수를 설정 온도(55℃)로 저장하는 운전을 말한다. 온수 3방 밸브(31)를 이용하여 설정온도(55℃)를 꾸준하게 유지되도록 본 발명의 수축열 히트펌프시스템을 발명하여 시스템을 안정시키고 있다. 그러나, 기존 히트펌프 방식은 40℃ 물을 응축기로 유입하여 냉동기의 능력이 Δ5℃일 경우 응축기의 출구온도가 45℃이고 탱크 전체 온도가 45℃가 된 이후에, 보조 열원을 이용 하여 사용자가 원하는 온도로 상승시키는 방법을 택하고 있다. 또한, 유입되는 온도가 40℃ 미만일 경우에는 냉동기의 출구온도가 45℃ 미만으로 생산되어 사용하는데 어려움이 있다.

본 발명은 온수의 설정온도를 55℃로 유지하여 가능한 보조열원을 억제하고, 별도로 히트펌프(20)를 설계하여 설치한 2단 열교환기를 이용하여 온수 출구온도를 상승시키고, 상기 히트펌프(20)내 냉동기의 안정적인 운전을 유지한다. 기존 히트펌프 방식은 온수 출구온도 상승시, 고압 상승으로 인한 냉동기의 잦은 온/오프(ON/OFF)로 효율 감소나 장비 수명의 단축을 초래하고 있다. 상기 3방 밸브(31)에는 셋팅온도를 감지하여 작동되는 온도센서(33)가 설치되면서 물을 순환시키는 축열펌프(32)가 설치되어 있다.

도 6 에 도시된 난방운전은 실내에 공급 온도(50℃)를 설정하여 수축열조(40) 상부에서 온수를 3방 밸브(34)로 공급하여 난방운전을 시작하고 운전중에는 부하측 공조기(50')에서 환수된 물이 3방 밸브(34)로 유입되어 수축열조(40)의 온수를 최대한 이용하는 운전방법을 말한다.

상기 온수 3방 밸브(34)를 이용하여 공급온도(50℃)를 꾸준하게 유지되도록 본 발명의 수축열 히트펌프시스템을 발명하여 시스템의 안정을 이루고 있다. 실내에 공급되는 물의 온도를 자유로이 저장할 수 있다. 냉방 운전중에도 실외로 열을 배출하지 않고, 55℃의 온수를 저장하여 급탕에도 이용할 수 있다.

상기 3방 밸브(34)에는 셋팅온도를 감지하여 작동되는 온도센서(36)가 설치되면서 물을 순환시키는 방열펌프(35)가 설치되어 있다. 기타 운전방법은 냉방운전 과 동일하므로 상세 설명은 생략한다.

도 7 및 도 8 은 본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 설명하기 위한 수축열조내의 특성그래프이다. 도 7 은 본 발명의 수축열 히트펌프시스템의 축열 순간축냉 - 3 온도분포를 나타내고, 도 8 은 본 발명의 수축열 히트펌프시스템의 축열 순간방냉 - 3 온도분포를 나타낸다. 이들 특성 그래프의 XY 좌표는 운전시간과 온도를 나타내고 축열조 내부1 - 축열조 내부 10, 그리고 내부평균을 나타내고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 열교환기로써 2 개의 응축기를 구비하여 온수의 생산 효율을 높이고 안정된 온수공급이 가능하도록 하여 운전비용을 절감하고 효율을 높힐 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 별도의 축냉조를 구비하고 이의 온도를 일정하게 유지하도록 하여 안정되고 일정한 온도의 냉수를 원활하게 공급할 수 있는 효과가 있다. 본 발명은 각각의 온도센서에 의하여 공급되는 물의 온도조절을 하므로 축냉 효율을 높이며, 부하에 따른 용량제어가 용이한 효과가 있다.

본 발명의 히트펌프를 이용한 냉난방시스템에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

1. 축열조의 하부와 연결된 원수 공급라인에서 공급되어 1차 온수가 되는 1단 응축기, 이 1단 응축기에서 배출되는 물을 일정한 온수를 생산하여 축열조로 배출하는 2단 응축기, 상기 1단 및 2단 응축기로 고온고압의 가스를 압축하여 보내주는 압축기, 상기 2단과 1단 응축기를 거쳐 응축기에서 액화된 냉매액을 팽창밸브를 거쳐 유입하는 증발기를 구비하여;

   상기 2단 응축기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 1단 응축기에서 배출되는 물과 2단 응축기에서 배출되는 물의 일부를 혼합하여 상기 2단 응축기에서 일정한 온도의 물을 생산하도록 믹싱시켜주는 3방 밸브및, 물을 순환시켜주는 순환펌프로 구성되는 온수순환수단을 통해 축열조의 온수를 생산한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 증발기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 축냉조의 상부에서 배출되는 물을 혼합하여 상기 증발기로 공급하는 축냉용 3방밸브로 구성되는 축냉수단과; 공조기에 의하여 온도가 상승된 냉수를 축냉조에 환수되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 상기 축냉조의 하부에서 공급되는 물이 혼합된 물과 축냉조 상부에 공급되는 물의 일부를 혼합하여 상기 공조기로 공급하는 냉수용 3방밸브로 구성되는 냉수 순환수단을 통해 공조기와 축냉조를 사용하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.
3. 축열조의 하부와 연결된 원수 공급라인에서 공급되어 1차 온수가 되는 1단 응축기, 이 1단 응축기에서 배출되는 물을 일정한 온수를 생산하여 축열조로 배출하는 2단 응축기, 상기 1단 및 2단 응축기로 고온고압의 가스를 압축하여 보내주는 압축기, 상기 2단과 1단 응축기를 거쳐 응축기에서 액화된 냉매액을 팽창밸브를 거쳐 유입하는 증발기를 구비하여;

   상기 2단 응축기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 1단 응축기에서 배출되는 물과 2단 응축기에서 배출되는 물의 일부를 혼합하여 상기 2단 응축기에서 일정한 온도의 물을 생산하도록 믹싱시켜주는 3방 밸브로 구성되는 온수순환수단;

   상기 증발기에서 배출되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도 센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 축냉조의 상부에서 배출되는 물을 혼합하여 상기 증발기로 공급하는 축냉용 3방 밸브로 구성되는 축냉수단;

   공조기에 의하여 온도가 상승되어 축냉조에 환수되는 물의 온도를 측정하는 온도센서, 이 온도센서에 의하여 작동하고 상기 증발기에서 배출되는 물의 일부와 상기 축냉조의 하부에서 공급되는 물이 혼합된 물과 축냉조 상부에 공급되는 물의 일부를 혼합하여 상기 공조기로 공급하는 냉수용 3방 밸브로 구성되는 냉수순환수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.
4. 공급되는 원수를 1차 온수시키는 1단 응축기, 상기 1단 응축기에서 배출되는 물을 일정한 온수를 생산하여 배출하는 2단 응축기, 상기 1단 및 2단 응축기로 고온고압의 가스를 압축하여 보내주는 압축기, 상기 2단과 1단 응축기를 거쳐 응축기에서 액화된 냉매액을 팽창밸브를 거쳐 유입하는 증발기로 구성되는 히트펌프를 매개로 성층화를 이루는 수축열조로써 상기 히트 펌프와 배관을 통해 연결되는 축열조와, 상기 히트 펌프와 배관을 통해 연결되는 축냉조가 각기 설치되고, 상기 축냉조와 축열조에는 냉방운전의 공조기와 난방운전의 공조기가 각기 설치되도록 구성되어;

   상기 히트펌프와 상기 축냉조 사이, 상기 히트 펌프와 상기 축열조 사이, 상기 축냉조와 상기 냉방운전의 공조기 사이, 상기 축열조와 상기 난방운전의 공조기 사이에는 2 개의 입구와 1 개의 출구를 구비하는 3 방 밸브가 각기 설치되고, 온도에 따라 이들 3 방 밸브를 작동시키는 온도센서와, 물을 순환시키는 펌프들이 배관을 통해 설치된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 축냉조와 축열조는 상부디퓨져와 하부디퓨져로 형성되어 성층화를 이룬 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 히트펌프에서 응축기를 이중열교환기로 구성하여 온수온도를 2단 응축기를 이용하여 상승시키고, 1단 응축기는 기존 응축기의 역할을 수행하여 냉동기의 안정적인 운전을 병행한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 냉난방시스템.

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