KR100639104B1 - 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반전력 및 전력수요가 적은 심야시간대에 심야전력을 활용 이원냉동사이클을 구성하여 냉난방 및 급탕을 동시에 행하는 초절전 히트펌프에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 전기의 특성상 축전이 어려우며, 근래 하절기 냉방의 급격한 수요로 인해 초래되는 일시적인 첨두부하를 해결하기 위해 한전에서는 막대한 자금이 소요되는 신생 발전소를 설립하는 대신 잉여의 심야전력을 이용한 냉방설비 즉 축냉.빙축기기 보급에 지대한 관심과 함께 각종 혜택을 부여하고 있다.

따라서 본 발명은 하절기 주간대 일시적인 첨두부하를 해결하기 위해 심야전기를 활용, 이원냉동사이클시스템을 적용하여 저온측 사이클의 증발기(380)에서 냉열을 얼음 형태로 빙축열조에 저장하여 주간에 이 냉열을 냉방에 이용하는 빙축열시스템과, 고온측 응축기에서 발생하는 70℃~80℃의 온수를 축열조를 통하여 축열하여 주간에 급탕 또는 난방에 이용하며, 춘추.동절기에는 생활배수열에서 폐열을 회수할 수 있는 경우에는 고온측사이클만 구동하여 고온측 증발기에서 열을 회수하여 고온측 응축기에서 발생하는 70℃~80℃의 온수를 축열조를 통하여 축열하여 주간에 급탕 또는 난방에 이용하며, 폐열을 회수할 수 없는 건물에서는 저온측사이클의 증발기에서 외기의 열원을 공급받아 이원냉동사이클을 구동하여 고온측 응축에서 발생하는 70℃~80℃의 온수를 축열조를 통해 축열하여 주간에 급탕 및 난방에 이용, 냉난방 및 급탕을 값이 저렴한 심야전기를 이용하여 빙축과 축열을 동시에 행해 냉난방 및 급탕을 할 수 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프을 제공한다.

본 발명은 전기구동식히트펌프의 종류에 속하면서도 전기구동식피히트펌프의 단점인 난방출력 감소문제를 해결하여 한랭지에서도 사용할 수 있으며, 축냉시스템의 단점인 온열원 제조를 위한 별도의 보일러 설치 등의 높은 제조원가를 줄이며, 본 발명을 축열시스템에만 적용시 기존 전기축열보일러보다 3배이상 높은 에너지 절감효과가 발생하게 되어 기존 히트펌프 및 축냉, 축열시스템의 장점을 유지하고 단점을 극복할 수 있는 기술을 제공한다.(표3 참조)

또한 본 발명은 히트펌프의 최대장점인 냉열원, 온열원을 년중 동시에 제조할 수 있으며, 축냉.축열식의 장점인 값싼 심야전력을 활용한다는 장점을 살리고 전기식히트펌프의 단점인 동계시 난방출력의 감소, 가스엔진히트펌프의 단점인 고가의 가격, 외화유출문제, 빙축열 축냉식의 단점인 온열원 미확보, 전기보일러 축열식의 단점인 냉열원 미확보, 저효율의 문제점을 모두 극복한 기능을 가지면서도 축냉과 축열을 동시에 행했을 경우 예상되는 효율저하를 극복할 수 있는 기능면에서는 기존 냉난방시스템의 장점을 유지하고 단점은 극복하고 보다 고효율의 기술을 제공함을 목적으로 한다.

이원기, 압축기, 축열조, 빙축열, 응축기, 증발기, 팽창변, 케스케이드, 급탕, 히트펌프

Description

케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템{Heat pump system of cooling, heating and hot water using binary refrigerating machine with two stage cascade refrigeration}

도 1은 본 발명에 따른 빙축과 축열을 동시에 행할 수 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프에 대한 계통도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 고온측 압축기 300 : 저온측 압축기

110 : 고온측 응축기 310 : 저온측 공냉식응축기

120 : 고온측 과냉각기 350 : 저온측 팽창밸브1

150 : 고온측 팽창밸브1 360 : 저온측 팽창밸브2

160 : 고온측 팽창밸브2 370 : 저온측 공냉식증발기

170 : 고온측 공냉식 또는 수냉식증발기

130 : 온수축열조 380 : 저온측 수냉식증발기 & 빙축조

200 : 케스케이드 열교환기

본 발명은 전력수요가 적은 심야시간대에 심야전력을 활용, 이원냉동사이클을 구성하여 년중 냉난방 및 급탕을 동시에 행하는 초절전 히트펌프에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 현재 국내에서 주로 사용되고 있는 냉난방과 관련된 에너지 절약기술은 전기구동히트펌프(EHP), 가스엔진구동히트펌프(GHP), 빙축열시스템, 심야전기축열보일러 등이 있다. 먼저 전기구동히트펌프는 일반적인 냉동사이클을 예로 들어 설명할 수 있다. 냉동사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어지며, 상기 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축액화 되어 저온고압의 액체상태로 이르게 된다. 상기와 같이 응축된 냉매는 팽창밸브를 통하여 교축(Throttling)팽창되면서 일부 냉매액은 증발을 하고, 이 잠열의 흡수를 통하여 냉매액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상, 기상이 공존하는 이상상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와같이 냉동사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서 배열시키는 즉 열을 이송하는 펌프로 볼 수가 있다. 상기와 같이 열을 이송하는 기기를 히트펌프라고 부르며, 공기조화에서는 냉난방을 동시에 행하는 기기로 보고 있다.

전기구동히트펌프는 종래 압축기가 하나인 사이클 즉 단단사이클을 구성하여 냉난방을 동시에 하고 있는데, 하기 표1 에서와 같이 동절기 외기온도가 -5℃이하가 되면 증발온도가 저하됨으로써 냉매질량유량의 감소에 따른 난방출력이 심각하게 부족하게 되며, 동절기 난방용으로는 그 효율이 미비하다.
이러한 히트펌프는 외부에서 압축기를 구동하는 에너지를 받아 열을 저열원에서 고열원으로 이송하며 냉매가스를 고온고압으로 만드는데 활용되는데, 이 부분에서 일반적으로 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 전기히터와는 차이가 발생하게 된다. 전기히터의 경우 전기에너지를 열에너지로의 단순한 변환만 되지만, 히트펌프는 입력에너지로 냉매를 압축하면서 열에너지로 전환되면서 압축된 냉매가 무효에너지를 유효에너지화 시키는 과정에 열을 이송하는데 자신의 에너지를 변환시킴으로써 전기히터보다 3~4배의 효율향상을 기대할 수가 있게 된다. 이 때 외부입력에너지를 전기로 입력하게 되면 전기구동히트펌프가 되며, 가스를 연소시켜 출력을 얻는 엔진으로 구동하게 되면 가스엔진구동히트펌프이다.
냉방시에는 실외기에서 냉매를 압축과 응축을 하고 실내기에서 증발흡열을 행하면 되며, 난방시에는 실외기에서 증발과 압축을 하고 실내기에서 응축배열을 하면 히트펌프 한대로써 냉난방이 가능하게 된다. 난방시에는 상기 기술한 히트펌프의 특징 때문에 보일러나 전기히터보다 고효율의 운전을 할 수 있으며 에너지 절약기기로 각광을 받을 수가 있다.
그러나 냉방사이클과 난방사이클은 엄연히 다르게 형성된다. 냉방시에는 응축온도를 45℃~50℃가 형성되고 증발온도가 대략 5℃내외로 되며, 난방시에는 응축온도가 35℃~40℃, 증발온도가 겨울철 외기온도보다 낮은 -10℃~-20℃로 형성된다. 이와 같이 냉방운전일 경우보다 난방운전에서 여러가지 문제점이 발생하는데, 증발온도가 낮아진다는 것은 냉매의 포화압력이 낮아진다는 것이며, 상기 포화압력이 낮아지면 냉매질량유량을 감소시켜 냉매가 하는 일 즉 난방능력이 감소하게 된다는 점이다. 이러한 기술적 어려움으로 인하여 종래의 전기히트펌프는 보조히터를 두어 난방시 부족한 열량을 해결해가고 있으나, 그만큼의 히트펌프의 장점은 적어질 수 밖에 없었다. 이러한 단점을 극복한 것이 가스엔진구동히트펌프이며, 상기 가스엔진구동시스템은 압축기 구동을 가스엔진으로 하여 냉난방을 하는 점이 비슷하다. 그러나 난방시에는 부족한 열원을 가스엔진에서 배열되는 폐열을 회수하여 공급하므로 겨울철 외기온도 저하에 따른 난방능력 감소는 피해갈 수 있으며, 사용에너지를 전기에너지를 사용하지 않고 가스를 연소시켜 사용함으로써 여름철 남아도는 가스공급을 활인된 가격(1/2수준)으로 사용자는 공급을 받기 때문에 저렴한 가격에 에너지원을 확보할 수가 있어, 현재 국내에서는 그 시장이 크게 형성되어져 있으며 앞으로도 그 전망을 밝다고 할 수 있다. 그러나 상기 가스엔진구동시스템의 핵심인 가스엔진의 효율이 아직 낮아 성능계수가 1.2 내외로 알려져 있어, 많은 가스가 소비되는 문제점과 가스엔진구동 히트펌프 대부분이 일본에서 수입되는 형편이므로 에너지 절약을 위한 것이 외화유출로 이어지는 문제점을 안고 있다. 또한 최근들어 CO₂ 발생량과 환경오염물질인 산화질소(NOx)가 발생되어 환경오염에 대한 문제점은 가지고 있다. 일반 전기에어컨의 보급이 활발히 이루어지고 있는 오늘날에 전력수급현황은 좋지 않은 형국이며, 에어컨 사용량의 증대로 인해 하계주간시간대에 전력사용량이 피크를 이루는 첨두부하에 맞추어 신생발전소를 건설해야 하는데 발전소 건설비용은 매우 막대한 소요비용을 가지며, 피크부하를 피해서 나머지 시간대에 전력평준화를 시킬 수만 있다면 국가적으로도 매우 경제적이 되는데,

이를 위한 복안이 심야시간대를 이용하여 냉난방을 하는 빙축열과 심야전기축열보일러다.

빙축열의 경우 심야시간대(22:00~08:00)에 얼음을 얼려 낮의 냉방부하를 감당하게 하는 것인데 우리나라의 경우 건물의 규모와 용도에 따라 축냉식 냉방설비의 설치를 의무화하고 있다. 심야축냉이라 함은 빙축열 및 수축열을 모두 포함하며, 수축열은 얼음을 얼리지 않고 냉수를 심야시간대에 제조하는 것으로 냉동기의 증발온도가 빙축열식보다 높아 성능계수가 높다는 장점이 있으나, 현열을 이용하는 방식이므로 축열조의 용량이 빙축열에 비해 6배이상 커지는 문제점으로 국토가 협소한 국내의 실정상 빙축열식시스템이 더 널리 공급되고 있다. 심야전기축열보일러도 빙축열과 마찬가지로 심야시간대에 축열을 하여 주간에 필요한 급탕 및 난방을 행하는 것이다.

심야축냉인 빙축열, 수축시스템은 여름철 냉방에만 사용할 수 있으며, 난방을 위해선 별도의 난방시설인 보일러의 설비가 이루어져야 하며, 심야전기축열보일러는 일반 히트펌프보다 효율이 1/3~1/4로 매우 낮으며, 여름철에는 별도의 냉방설비를 해야한다는 단점이 있다. 빙축열용 냉동기(저온냉동기)로 히트펌프시스템을 구비하여 심야에 온수도 제조하고 있으나, 작동 조건상 폐열이 발생하는 건물에만 국한하여 사용될 수 있다. 그러나 온수의 온도가 45℃내외이므로 일반적으로 온수의 요구온도인 60℃~70℃를 맞추기 위해서는 별도의 보일러 설비가 있어야 한다. 또한 온수의 온도를 60℃~70℃로 유지하기 위해선 현재 상용냉매인 R-22나 R-407C, R-404A등의 냉매보다 포화압력이 낮은 R-134A를 고려할 수 있는데 저압냉매를 사용할 경우 체적당 냉동능력이 급격히 줄어듦에 따라 압축기원가 상승 및 고압축비운전에 따른 성능계수저하를 동반하게 되어 불합리하다 할 수 있다.

따라서 본 발명은 히트펌프의 최대장점인 냉열원, 온열원을 동시에 제조할 수 있으며, 축냉.축열식의 장점인 값싼 심야전력을 활용한다는 장점을 살리고 전기식히트펌프의 단점인 동계시 난방출력의 감소, 가스엔진히트펌프의 단점인 고가의 가격, 외화유출문제, 빙축열 축냉식의 단점인 온열원 미확보, 전기보일러 축열식의 단점인 냉열원 미확보, 저효율의 문제점을 모두 극복한 기능을 가지면서도 축냉과 축열을 동시에 행했을 경우 예상되는 효율저하를 극복할 수 있는 기능면에서는 기존 냉난방시스템의 장점을 유지하고 단점은 극복하고 보다 고효율의 기술을 제공함을 목적으로 한다.

아래 표1은 종래에 냉난방 및 급탕을 위해 사용되어온 기술의 원리, 장점, 단점을 표로 정리하여두었다.

	원리	장점	단점
전기히트펌프 (EHP)	-.전기로 히트펌프를 구동하여 하계에는 증발기부를 이용 하여 냉방을 동계에는 응축부 를 이용하여 난방을 행하는 시스템	-. 한대의 기기로써 냉난방을 행할수 있는 장점이 있다. -. 동계시 남아도는 전력을 사용함으로써 계절별 전력수급 균형 을 행할 수 있다.	-. 겨울철 외기온도 저하에 따른 증발온도의 저하가 됨으로써 냉매질량유량의 감소에 따른 난방출력이 부족 -. 공급열원을 공기로 하는 경우에는 국내의 경우 남부지 방에 국한되며 물을 사용하는 경우에는 폐열이 발생되는 건물에만 공급할 수 있다.
가스히트펌프 (GHP)	-. 전기히트펌프와 유사하나 전기를 사용하지 않고 가스 구동엔진을 사용하여 전기 보다 저렴한 가스를 사용한다. -. 난방시 부족한 열원공급을 엔진배열을 이용함으로써 EHP에서 단점으로 지적된 동계시 외기온도 저하에 따른 능력저하를 방지하고 있다. 한냉지에서도 사용이 가능	-. 하계에 가스를 사용 함으로써 하계에 집중 되는 전력부하를 줄일 수 있어 하계에 할인되는 가스요금을 적용받 아 운전비용이 적다. -. 동계시 엔진배열을 이용함으로 외기온도 저하에 따른 능력저하가 없다.	-. 가스엔진이 별도로 있어야 함으로 가격이 매우 비싸다. -. 시스템 성적계수가 낮다. -. 이산화탄소, NOX환경오염 물질이 발생한다. -. 대부분이 일본에서 수입 되는 제품임에 따라 외화유출 이 크다.
빙축열시스템	-. 하계냉방시 주간에 전력의 피크부하가 걸린다는 점을 감안하여 심야에 제빙운전을 하여 주간에 이얼음을 녹여 냉방을 한다. 방식으로는 아이스슬러리, 관외착빙형, 아이스볼타입 등 여러가지 방식이 있다.	-. 하계 주간에 집중 되는 피그부하를 줄일 수 있어 심야요금 할증을 받아 운전비용 이 적다.	-. 냉방만 가능함으로 별도의 난방 및 급탕을 위한 보일러 가 있어야 하고 보일러 가동 시간이 길다.
빙축열식 히트펌프	-.일반 빙축을 행하는 냉동기 에 폐열을 회수하여 온수축열 까지 행하는 시스템이다.	-. 빙축열식 장점외에 온수축열을 동시에 행 함으로 일반 빙축열식 보다 성적계수가 2배 이상 높다.	-. 온수축열시 폐열회수룰 했 을 경우에 그 효과가 크고 온수의 온도가 낮아 보일러 등을 통해 재가열을 하여 사용하여야 한다.
전기축열 보일러	-. 값이 전렴한 심야전기을 이용하여 전기에너지를 열 에너지로 변환하여 온수를 축열하는 시스템이다.	-. 전기료가 저렴한 심야전기를 사용한다.	-. 단순히 전기에너지를 열에너지로 변환하는 역할만 하기 때문에 효율이 매우 낮다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점 및 단점을 해결하기 위하여 이원냉동사이클을 도입하여 냉난방 및 급탕을 초절전으로 구사하는데 그 목적이 있다.

이원냉동사이클은 두개의 별도 냉동사이클이 형성되어 있는데, 저온을 얻기 위한 증발기를 감당하는 저온측 사이클과 저온측 냉동기에서의 응축을 일반 냉동장치처럼 공기나 물로 행하는 것이 아니라 별도의 고온측 냉동사이클로 응축액화를 하는 것이다. 이원냉동사이클은 초저온장치(-50℃~-80℃)에서 주로 사용되어져 왔으며, 초저온을 얻기 위해서는 저온측 사이클에 적용된 냉매는 상온에서 응축액화할 수 없는 초고압냉매가 주로 사용되어져 왔다.

본 발명의 기술적과제 해결사항의 핵심인 응축온도와 증발온도 차이가 큰 사이클에서 고효율로 운전하기 위하여 이원냉동사이클을 도입하였다.

본 발명은 축열시 높은 응축온도를 요구하므로 높은 응축온도구현이 가능한 저압냉매를 사용한 고온측냉동사이클을 구성하고, 축냉시 낮은 증발온도를 요구하므로 낮은 증발온도에서도 안정적인 운전이 가능한 고압냉매를 사용한 저온측냉동사이클을 구성하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이러한 사이클 구성은 안정적인 응축압력을 얻을 수가 있고, 실제 냉동능력을 내는 저온측의 경우 고압냉매를 사용함으로써 압축기의 토출량을 줄일 수가 있서, 각 사이클에서의 압축비가 줄어들어 높은 성적계수를 가질 수가 있으며, 축냉과 축열을 동시에 행하는 히트펌프의 경우 고효율로 운전할 수가 있다.

기존의 히트펌프 및 축열 시스템의 장점을 유지하면서도 각 장치의 단점으로 지목된 부분을 극복할 수가 있게 되는 것이다.

표2는 종래의 단단압축히트펌프일때 냉매를 각각 달리하여 적용한 히트펌프사이클 계산결과와 이원냉동사이클 적용하였을 경우의 계산결과를 비교하여 본 발 명의 우수성을 보였다.

사이클 방식에 따른 축열,축냉을 위한 냉동사이클 비교

사이클방식	단단압축			이원냉동사이클
				고온측	저온측
사용냉매	R134A	R-22	R-407C	R134A	R410A
응축온도(℃)	75
증발온도(℃)	-15
과냉각도	5' K			5' K	0'K
압축기토출량(㎥/hr)	100	100	100	16.2	16.2
응축압력(kg/㎠)	24.11	33.83	38.58	24.11	19.16
증발압력(kg/㎠)	1.67	3.02	2.68	7.15	4.89
빙축능력(kcal/hr)	9,208	11,895	14,598	9,875
축열능력(kcal/hr)	19,737	22,247	27,730	16,581
사용동력(kw)	12.24	12.04	15.27	7.85
냉방성능계수	0.87	1.15	1.11	1.46
난방성능계수	1.87	2.15	2.11	2.45
전체성능계수	2.74	3.30	3.22	3.92

하기조건은 상기 표2을 구한 범례

1. 냉매물성은 정도가 높은 계산수치를 제공하는 NIST의 REFPROP7.0을 사용하였다.

2. 사이클 해석시 각 요소마다의 냉매질량은 동일하다는 가정을 하였다. (질량보존의 법칙)

3. 압축기에 적용된 체적효율 및 압축효율은 독일에서 생산되는 “B"사의 반밀폐압축기 카다록에서 냉동능력 및 축동력을 역산하여 구하여 값을 구하기 편리하게 회귀분석을 통하여 함수를 만들어 적용하였다.

4. 이원냉동사이클해석시에는 저온측 응축부하와 고온측 증발부하가 동일하다는 가정(에너지보존의 법칙)을 하여 고온측 증발부하와 저온측 응축부하가 동일하게 되는 동적 사이클에서 고온측 증발온도 및 저온측 응축온도가 정해지는 방법으로 시뮬레이션을 수행하였다.

상기 표2 에서와 같이 단단압축사이클을 이용하여 축냉과 축열을 동시에 구현하고자 할때 여러 문제점이 나타나고 있음을 알 수 있는데, 단단압축사이클로 히트펌프시스템을 구성하여 R134A를 사용하였을 경우에는 압축비가 매우 커짐에 따라 압축기 체적효율 저하, 압축효율 저하와 더불어 매우 큰 축동력이 소요됨을 알 수가 있다. 또한 나머지 냉매군(R-22, R-407C)을 사용하였을 경우 응축압력이 30bar가 넘어 운전이 불가능하므로 축냉과 70℃의 온수를 제조하기 위한 운전조건에서는 R-134A가 가능하나 매우 비효율적임을 알 수가 있다. 그러나 본 발명인 이원냉동사이클은 단단압축방식과 비교하였을 때 사이클이 두 가지로 구성되어 제조원가의 상승은 있을것으로 보이나 압축기의 토출량이 단단압축(R-134A적용시)보다 약 70%정도 줄일 수가 있으며, 전체 성능계수에서 보듯이 약 30%이상의 에너지 절감효과가 가능함을 알 수가 있다.

또한 온수의 온도를 60℃~70℃로 유지하기 위해선 현재 상용냉매인 R-22나 R-407C, R-404A등 냉매보다 포화압력이 낮은 R-134A를 고려할 수 있는데, 저압냉매를 사용할 경우 체적당 냉동능력이 급격히 줄어듦에 따라 압축기원가 상승 그리고 고압축 비운전에 따른 성능계수저하를 동반하게 되어 불합리하다 할 수 있다.

본 발명에서 이룩하고자 하는 빙축과 고온의 온수를 축열하기 위한 이원냉동사이클 히트펌프는 다음과 같이 적용할 수가 있다.

하절기 빙축열 및 급탕운전은 저온측냉동사이클과 고온측냉동사이클을 동시에 구동하여 저온측냉동사이클의 증발기에서 빙축운전을 하고, 고온측냉동사이클의 응축기에서 축열을 하여 빙축 및 급탕을 위한 온수축열을 하게 되므로 빙축열에서는 기존 빙축열 방식과 유사하나 온수제조를 위하여 보일러를 사용하지 않는 장점이 있으며, 히트펌프로 온수를 제조하게 되면 보일러를 구동하였을 경우보다 온수제조원가가 크게 절감되어 초기투자비 및 운전비용에서 큰 절감효과를 가지게 된다.

상기와 같이 하절기 온수축열이 다 이루어지고 나면 운전모드를 고온측냉동사이클을 정지시키고 저온측냉동사이클만 구동시키면 되므로 운전조건에 따라 단단압축사이클 및 이원냉동사이클로 운전이 가능한 장점을 가지게 된다. 중간기(봄, 가을)에는 난방 및 냉방 그리고 급탕이 각 시간대에 동시에 발생하므로 심야에 빙축과 축열운전을 동시에 행하여 주간에 원하는 만큼의 열원을 사용할 수가 있다. 동절기에는 저온측증발기및빙축조(E4)에서 폐열이 발생하는 건물의 경우 폐열원에서 열을 회수하고, 폐열원이 없는 경우에는 외기에서 열을 저온측공냉식증발기(E4_1)에서 흡열하여 고온측응축기(E1)에서 고온의 열을 심야시간대에 축열을 하여 주간에 난방 및 급탕에 필요한 열원을 공급하게 된다. 난방 부하 및 급탕부하가 동시에 발생하는 건물에서는 심야시간대에 축열을 하고 주간시간대에 필요한 만큼의 열원을 별도로 제조하면 되는데 폐열이 발생하여 증발온도를 높게 운전하는 경우에는 고온측 냉동기만 구동하여 온열원을 제조하고 폐열이 없는 건물에서는 외기에서 흡열하여 온열원을 제조할 수가 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 설명하면, 하절기 냉방 및 급탕, 동절기 난방 및 급탕을 한기기 유니트로 행하는 전기구동 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 전기구동 히트펌프 시스템의 실외기 유니트가 이원냉동사이클인 열전달(고온측) 냉동사이클과 열취득(저온측) 냉동사이클로 구성되는 시스템으로서,

상기 열전달 냉동사이클은 고온측 압축기(100)가 구비되고, 상기 고온측 압축기의 냉매 토출구와 연통되는 고온측응축기(110), 상기 고온측 응축기의 냉매출구와 연통되는 고온측 팽창밸브2(160), 상기 고온측 팽창밸브2의 냉매출구와 연통되는 열전달 냉동사이클의 증발기이자 열취득 냉동사이클의 응축기인 케스케이드 열교환기(200), 상기 케스케이드 열교환기의 고온측 냉매출구는 고온측 압축기(100)의 냉매입구와 연통되도록 구성하여 압축, 응축, 팰창, 증발등의 열전달 냉동사이클을 구성한다. 여기에서 케스케이드 열교환기(200)는 고온측 냉매와 저온측 냉매가 열교환을 하는 것으로, 저온측 냉동사이클의 증발기에서 흡수한 열을 고온측 냉매에 전달하는 역할을 한다.

또한, 온수축열조(130)의 하부 일측에 구비된 시수(냉각수)출구는 상기 고온측 응축기(110)의 냉각수측 입구와 연통되며, 상기 고온측 응축기의 냉각수 출구는 상기 온수축열조(130)와 연통되도록 구성되어, 상기 고온측 응축기(110)의 냉각수측에는 시수(냉각수)가 유입되어 열교환되어, 고온 고압으로 압축된 냉매가스로부터 열을 취득하여 고온수를 생성하여 온수축열조(130)에 저장되도록 구성된다. 이때, 상기 열전달 사이클에는 고온측 냉매의 냉각효율을 높이기 위하여 과냉각기(120)를 구비하는 것이 바람직하며, 고온측 응축기, 케스케이드 열교환기등 각열교환기는 판형 열교환기,원통형 열교환기등 다양한 열교환기의 채택이 가능하다.

한편, 상기 열취득 냉동사이클은, 저온측 압축기(300)가 구비되고, 상기 저온측 압축기의 냉매 출구와 상기 케스케이드 열교환기(200)가 연통되도록 구성되며, 상기 케스케이드 열교환기의 저온측 냉매출구와 연통되는 저온측 팽창밸브2(360)가 구비되고, 상기 저온측팽창밸브2 출구와 연통되는 저온측 수냉식증발기(380)가 구비되고, 상기 저온측 수냉식증발기의 냉매 출구와 상기 저온측 압축기(300)의 냉매 입구가 연통되도록 구성되어 압축, 응축, 팽창, 증발등의 열취득 냉동사이클이 완성된다. 이때, 케스케이드 열교환기(200)는 열전달사이클의 응축기이며 동시에 열취득사이클의 증발기로서 고온측 냉매와 저온측 냉매가 서로 열교환을 하게된다. 또한, 상기 저온측 수냉식증발기(380)의 외측(수측)은 냉수 저장용기인 빙축조(380)가 구비되어 빙축조에 저장된 물이 상기 저온측 수냉식증발기에 열을 빼앗기게 되어 빙축이 이루어진다.

한편, 동절기에 빙축이 불필요 함에따라 상기 열취득 냉동사이클이 정지된경우에도 열전달 냉동사이클을 단독운전하기 위하여 상기 케스케이드 열교환기(200)로 냉매유입을 차단하고 상기 고온측 응축기(110)와 상기 고온측 팽창밸브2(160) 사이의 냉매라인에 바이패스 냉매라인이 구비되어 고온측 팽창밸브2와 연통되고, 상기 고온측 팽창밸브2의 냉매 출구와 연통되는 고온측 공냉식 또는 수냉식 증발기(170)가 구비되며, 상기 고온측 증발기(170)의 냉매출구는 고온측 압축기(100)의 냉매입구와 연통되도록 구성하여 열전달 냉동사이클만을 독립적으로 운전할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이를 위해 도면상에는 생략되었으나 필요에 따라 각각의 요소마다 전자밸브, 수동정지밸브등이 구비되어 수동은 물론 자동전환등이 가능하도록 구성이 가능 하다는 것은 누구나 알 수 있는 자명한 사실이다.

한편, 하절기에 온수생산이 완료되어 상기 열전달 냉동사이클이 정지된경우에 상기 케스케이드 열교환기(200)로 냉매유입을 차단하여 상기 열취득 냉동사이클을 단독운전 할 수 있도록 하기 위하여 상기 저온측 압축기와(300) 상기 케스케이드 열교환기(200)사이의 냉매라인에 바이패스 냉매라인이 구비되어 저온측 공냉식응축기(310)와 연통되며, 상기 저온측 공냉식응축기의 냉매출구는 상기 저온측 팽창밸브2(360)와 연통되도록 구성하여 열취득 냉동사이클의 단독운전이 가능하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열취득사이클의 케스케이드 열교환기(200)의 냉매 출구와 저온측팽창밸브2(360)의 냉매 입구사이에 냉매 바이패스라인이 구비되어 저온측 팽창밸브1(350)과 연통되며, 상기 저온측 팽창밸브1의 냉매 출구와 연통되는 저온측 공냉식증발기(370)가 구비되며, 상기 저온측 공냉식증발기의 냉매 출구는 저온측 압축기(300)의 냉매 입구와 연통되도록 구성하여 상기 저온측 수냉식증발기(380)로 냉매 유입을 차단하여 빙축이 불필요한 동절기에도 열전달사이클과 열취득사이클 모두를 운전할 수도 있도록 구성되며, 하절기에는 냉방용으로 빙축조(380)를 사용할 수도 있고, 또한, 저온측 공냉식증발기(370)를 직접 냉방용으로도 활용할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열취득냉동사이클에 있어서, 상기 저온측 수냉식증발기(380)와 빙축조(380)를 제거하고 그대신 상기 저온측 공냉식증발기(370)만을 구비하여 상대적으로 냉방용량이 작은 장소에 본기기를 채택함에 있어서, 단가를 줄일 수 있으면서 동시에 빙축조가 구비된 경우와 동일한 효과(냉방)를 낼 수 있는 구성도 가능하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예을 설명하면 다음과 같다. 도1은 본 발명에 따르는 빙축과 축열을 동시에 행할 수 있는 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프에 대한 계통도로써, 계절에 따라 그 실시예를 기술한다. 한편, 사용냉매는 열전달(고온측) 냉동사이클에는 R134, 열취득(저온측) 냉동사이클에는 R410을 사용했으나, 본 발명의 보호범위가 본 냉매에만 한정되는 것은 아니다.

먼저, 춘추(봄,가을)절기에는 냉방, 난방, 급탕이 모두 필요한 시기이다. 이때에는 본 발명의 열전달 사이클과 열취득 사이클이 모두 운전이 되는 경우로, 열전달 사이클경우, 고온측 압축기(100), 고온측 응축기(110), 고온측 팽창밸브2(160), 케스케이드 열교환기(200), 고온측 압축기(100)로 사이클이 완성되고, 열취득 사이클의 경우는, 저온측 압축기(300), 케스케이드 열교환기(200), 저온측 팽창밸브2(360), 저온측 수냉식증발기 및 빙축조(380), 저온측 압축기(300)로 사이클을 완성한다. 이때, 열전달 사이클의 고온측 응축기(110)에서 고온고압의 고온측 냉매로부터 열을 취득한 냉각수가 온수가되어 온수축열조(130)에 저장되어, 난방용 및 급탕용으로 고온수 활용이 가능하다. 한편, 열취득 사이클의 빙축조(380)에는 냉수가 저온측 수냉식증발기에 열을 빼앗기면서 빙축이 되어 냉방원이 된다. 이경우는 주로 값싼 심야전력을 활용하는 경우로, 심야에 온수축열 및 빙축을 하여 심야는 물론 주간에 까지 냉난방 및 급탕이 가능하다.

한편, 경우에 따라서는 저온측 수냉식증발기와 빙축조(380)를 사용하지 않고 저온측 공냉식증발기(370)를 운전하는 것도 가능한데, 이때는 빙축을 하지않고 저온측 공냉식증발기를 직접 냉방에 활용할 수 있는데 이때는 심야전력뿐만 아니라 주간전력도 필요하다.

하절기에는 냉방만 필요한 경우인데(경우에 따라서는 온수도 필요한바 온수축열은 춘추절과 동일하여 생략함), 열전달 냉동사이클은 운전할 필요가 없으므로, 열취득 냉동사이클만을 운전하면 되는데 이를위해서는 케스케이드 열교환기(200)로 냉매유입이 차단되며, 열취득 냉동사이클은 저온측압축기(300), 저온측 공냉 또는 수냉식응축기(310), 저온측팽창밸브2(360), 저온측 수냉식증발기 및 빙축조(380), 저온측 압축기(300)로 사이클을 완성하여 냉방이 가능하며, 또한, 이때, 저온측 수냉식증발기 및 빙축조(380) 대신 저온측 공냉식증발기(370)를 사용하여 직접 냉방을 할 수도 있다.

한편, 동절기에는 난방과 급탕만 필요한 시기인데, 이때는 케스케이드 열교환기(200)로 냉매유입을 차단하여 열취득 냉동사이클의 운전을 정지하고 열전달 사이클만 운전하는 것도 가능하지만, 열전달 사이클과 더불어 열취득 사이클도 운전하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 고온수를 제작하는데 있어서 이원냉동사이클 운전이 가장 효율적이며, 본 발명의 궁극적인 목적이기도 하다. 즉, 열전달 냉동사이클은, 고온측 압축기(100), 고온측 응축기(110), 고온측 팽창밸브2(160), 케스케이드 열교환기(200), 고온측 압축기(100)로 사이클이 완성되며, 열취득 냉동사이클의 경우는, 저온측 압축기(300), 케스케이드 열교환기(200), 저온측 팽창밸브2(360), 저온측 공냉식증발기(370), 저온측 압축기(300)로 사이클을 완성한다. 이때, 온수축열조(130)에는 고온수가 축적되어 주야간의 난방 및 급탕원이 된다.

상기한 것처럼 본 발명은 계절에 따라 냉난방 및 급탕을 선택적으로 한기기로 할 수 있도록 하는 기술을 제공한다. 또한 본 발명이 주로 심야전력을 활용하는 것으로 설명하였으나, 필요에 따라 주간전력도 사용할 수 있으며 이는 모든 전기기기의 특성이라 할 수 있다.

본 발명은 전기구동식히트펌프의 종류에 속하면서도 전기구동식피히트펌프의 단점인 난방출력 감소문제를 해결하여 한랭지에서도 사용할 수 있으며, 축냉시스템의 단점인 온열원 제조를 위한 별도의 보일러 설치 및 높은 제조원가를 줄이며, 본 발명을 축열시스템에만 적용시 기존 전기축열보일러보다 3배이상 높은 에너지 절감효과가 발생하게 되어 기존 히트펌프 및 축냉, 축열시스템의 장점을 유지하고 단점을 극복할 수 있는 기술을 제공한다.(표3 참조)

또한 본 발명은 히트펌프의 최대장점인 냉열원, 온열원을 동시에 제조할 수 있으며, 축냉.축열식의 장점인 값싼 심야전력을 활용한다는 장점을 살리고 전기식히트 펌프의 단점인 동계시 난방출력의 감소, 가스엔진히트펌프의 단점인 고가의 가격, 외화유출문제, 빙축열 축냉식의 단점인 온열원 미확보, 전기보일러 축열식의 단점인 냉열원 미확보, 저효율의 문제점을 모두 극복한 기능을 가지면서도 축냉과 축열을 동시에 행했을 경우 예상되는 효율저하를 극복할 수 있는 기능면에서는 기존 냉난방시스템의 장점을 유지하고 단점은 극복하고 보다 고효율의 기술을 제공함을 목적으로 한다.

하기조건은 표3을 작성하는 범례

1. 하계시: 냉열부하 10,000 kcal/hr, 온열부하 5,000 kcal/hr

동계시 난방 및 급탕부하 : 16,800 kcal/hr

2. 하계시(3개월)에는 냉방 및 급탕을 동시에 한다.

3. 동계시(5개월)에는 난방 및 급탕을 동시에 한다.

4. 연료비 기준은 아래와 같다.(2003년 5월 기준)

-. 화석연료

- 보일러 경유 : 720 원/ℓ

- 도시가스(난방) : 480 원/㎥, (냉방) : 240 원/㎥

-. 전기요금

- 전기요금(기본비) : 5,360 원/kw,

- 전기요금 : 여름 94.90 원/kwh, 춘추 63.20 원/kwh, 겨울 67.20 원/kwh

- 심야전기요금: 겨울 29.8 원/kwh, 겨울외: 26.9 원/kwh

5. 냉열원 제조만 가능한 기기는 온열원제조를 위한 설비와 병행하여 사용하 는 것으로 간주하였으며, 반대로 온열원 제조만 가능한 기기는 냉열원제조를 위한 설비와 병행하여 사용하는 것으로 간주하였다.

=> 하절기 냉방 및 급탕제조시
항 목	온열원	보일러 (도시가스)	보일러 (도시가스)	보일러 (도시가스)	심야전기 보일러	신형 히트펌프
	냉열원	GHP	에어컨사용	빙축열	빙축열
온열원 제조	발열량	10,500 kcal/Nm³	10,500 kcal/Nm³	10,500 kcal/Nm³	860 kcal/kw	860 kcal/kw
	효율(%)	95	95	95	95	260
	실제발열량(kcal/h)	9,975	9,975	9,975	817	2,236
	열부하(kcal/h)	16,800	16,800	16,800	16,800	16,800
	연료소비량	1.68Nm³	1.68Nm³	1.68Nm³	20.6kw/h	7.5kw/h
	전력기본금
	단위연료비	240원/Nm³	480원/Nm³	480원/Nm³	26.9원/kw	26.9원/kw
	단위소요금액(원)	404	808	808	553	202
냉열원 제조	발열량(kcal/kw)	10,500	860	860	860	860
	효율(%)	95	350	300	300	160
	실제발열량(kcal/h)	9,975	3,010	2,580	2,580	1,376
	소요열량(kcal/h)	10,000	10,000	10,000	10,000	10,000
	전력기본금(원)		59
	연료소비량	1.00Nm³	3.3kw/h	3.9kw/h	3.9kw/h	0 kw/h
	단위연료비	240원/Nm³	94.9원/kw	26.9원/kw	26.9원/kw	26.9원/kw
	단위소요금액(원)	241	375	104	104	0
전체 비고	총소요금액(원)	645	1,183	913	657	202
=> 동절기 온열원 제조시
항 목	온열원	보일러 (도시가스)	보일러 (경유)	GHP(가스히트펌프)	심야전기 보일러	신형 히트펌프
	발열량	10,500 kcal/Nm³	10,300 kcal/kg	10,500 kcal/Nm³	860 kcal/kw	860 kcal/kw
	효율(%)	95	95	130	95	260
	실제발열량(kcal/h)	9,975	9,785	13,650	817	2,236
	열부하(kcal/h)	16,800	16,800	16,800	16,800	16,800
	연료소비량	1.68Nm³	1.72ℓ/h	1.23Nm³	20.6kw/h	7.5kw/h
	전력기본금
	단위연료비	480원/Nm³	720원/ℓ	480원/Nm³	26.9원/kw	26.9원/kw
	단위소요금액(원)	808	1,236	591	553	202

1. 히트펌프시스템에서 저온측 증발기에선 냉열원 제조를, 고온측 응축기에선 온열 원 제조를 할 수가 있어 히트펌프 1기로써 냉방 난방 급탕까지 동시에 행할 수 있는 시스템을 제공한다.

2. 저온측 증발기에선 증발온도가 낮아 제빙운전이 가능하고 고온측 응축기에선 응축온도가 높아 온수축열운전이 가능하여 전력수급균형을 고려힌 심야전력을 활용하는 축열시스템을 위한 기술을 제공한다.

3. 히트펌프의 경우 카르노 사이클을 이용하므로 증발온도와 응축온도간의 온도차가 커지게 되면 성능계수는 저하 하게 된다. 이러한 고온도차를 유지하는 시스템에선 단단압축방식보다 이원냉동사이클이 더육 효율적이게 된다. 또한 고온 측 응축기에서 나오는 냉매액이 고온이므로 이를 재차 과냉각기를 통하여 온수를 제조하는 전가열을 하여 전체 냉동능력이 크게 증대되어 더욱 고효율의 운전을 할 수가 있게 된다.

4. 이원냉동사이클임에 따라 냉매회로는 두 가지로 구성되어 얼핏 보면 제조원가 상승이 우려될 수가 있으나, 저온측에는 고압냉매를 사용하므로 냉매체척유량당 냉동능력이 매우 커지게 되어 소형의 압축기만을 사용하여도 단단압축방식에서 압축기가 가지는 토출량보다 이원시스템일때 압축기의 전체토출량이 작아져 전체 가격 상승은 그다지 높지가 않다.

5. 전기식 히트펌프에서 외기에서 열을 공급받는 방식에서 최대 단점은 겨울철 외기온도 저하에 따른 응축열량의 저하이다. 본 기술은 여름철 빙축을 위한 증발온도와 겨울철 외기온도에 해당하는 증발온도가 유사하여 응축열량 부족의 단점을 극복할 수 있는 기술을 제공한다.

Claims (5)

1. 하절기 냉방 및 급탕, 동절기 난방 및 급탕을 한기기 유니트로 행하는 전기구동 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 전기구동 히트펌프 시스템의 실외기 유니트가 이원냉동사이클인 열전달(고온측) 냉동사이클과 열취득(저온측) 냉동사이클로 구성되는 시스템으로서,

   상기 열전달 냉동사이클은 고온측 압축기(100)가 구비되고, 상기 고온측 압축기의 냉매 토출구와 연통되는 고온측 응축기(110), 상기 고온측 응축기의 냉매출구와 연통되는 고온측 팽창밸브2(160), 상기 고온측 팽창밸브2의 냉매출구와 연통되며 열전달 냉동사이클의 증발기이자 열취득 냉동사이클의 응축기인 케스케이드 열교환기(200), 상기 케스케이드 열교환기의 고온측 냉매출구는 고온측 압축기(100)의 냉매 입구와 연통되도록 구성되며; 온수축열조(130)의 하부 일측에 구비된 시수(냉각수)출구는 상기 고온측 응축기(110)의 냉각수측 입구와 연통되며, 상기 고온측 응축기의 냉각수 출구는 상기 온수축열조(130)와 연통되도록 구성되며,

   상기 고온측 응축기(110)와 상기 고온측팽창밸브2(160) 사이의 냉매라인에 바이패스 냉매라인이 구비되어 고온측 팽창밸브1(150)과 연통되고, 상기 고온측 팽창밸브1의 냉매 출구와 연통되는 고온측 공냉식 또는 수냉식증발기(170)가 구비되며, 상기 고온측 증발기(170)의 냉매출구는 고온측 압축기(100)의 냉매 입구와 연통되도록 구성되며;

   상기 열취득 냉동사이클은, 저온측 압축기(300)가 구비되고, 상기 저온측압축기의 냉매 출구와 상기 케스케이드 열교환기(200)가 연통되도록 구성되며, 상기 케스케이드 열교환기의 저온측 냉매출구와 연통되는 저온측 팽창밸브2(360)가 구비되고, 상기 저온측 팽창밸브2 출구와 연통되는 저온측 수냉식증발기(380)가 구비되고, 상기 저온측 수냉식증발기의 냉매 출구와 상기 저온측 압축기(300)의 냉매 입구가 연통되도록 구성되며; 상기 저온측 수냉식증발기(380)의 외측(수측)은 냉수 저장용기인 빙축조(축열조, 380)가 구비된 것을 특징으로하는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저온측 압축기(300)와 상기 케스케이드 열교환기(200)사이의 냉매라인에 바이패스 냉매라인이 구비되어 저온측 공냉식응축기(310)와 연통되며, 상기 저온측 공냉식응축기의 냉매출구는 상기 저온측 팽창밸브2(360)와 연통되도록 구성되는것을 특징으로하는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열취득사이클의 케스케이드 열교환기(200)의 냉매 출구와 저온측 팽창밸브2(360)의 냉매 입구사이에 냉매 바이패스라인이 구비되어 저온측 팽창밸브1(350)과 연통되며, 상기 저온측 팽창밸브1(350)의 냉매 출구와 연통되는 저온측 공냉식증발기(370)가 구비되며, 상기 저온측 공냉식증발기의 냉매 출구는 저온측 압축기(300)의 냉매 입구와 연통되도록 구성된 것을 특징으로 하는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 열취득 냉동사이클은 저온측 압축기(300)가 구비되고, 상기 저온측 압축기의 냉매 출구와 상기 케스케이드 열교환기(200)가 연통되도록 구성되며, 상기 케스케이드 열교환기의 저온측 냉매출구와 연통되는 저온측 팽창밸브1(350)이 구비되고, 상기 저온측 팽창밸브1(350) 출구와 연통되는 저온측 공냉식증발기(370)가 구비되고, 상기 저온측 공냉식증발기의 냉매 출구와 상기 저온측 압축기(300)의 냉매 입구가 연통되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템.
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