KR101052465B1 - 열전달매체와 냉매를 이용한 듀얼 타입의 히트펌프시스템 - Google Patents

열전달매체와 냉매를 이용한 듀얼 타입의 히트펌프시스템 Download PDF

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신정수
박종우
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Abstract

본 발명은 히트펌프시스템에 관한 것으로서, 한 대의 히트펌프 혹은 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프들과 이들을 순환하는 열전달매체와 냉매를 이용하여 냉난방 및 급탕의 모드를 단독 또는 병행하여 냉난방할 수 있는 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 제1실내에 장착된 실내기, 제1열교환기, 제2열교환기, 압축기, 사방변, 팽창밸브를 구비하며 냉매가 상기 실내기, 상기 제1열교환기, 상기 제2열교환기, 상기 압축기, 상기 사방변, 상기 팽창밸브를 순환하는 히트펌프와, 상기 히트펌프의 각 제1열교환기들을 병렬로 연결하며, 제1열전달매체가 제1열교환기를 거쳐 제2실내와 급탕탱크를 순환하도록 배관된 제1순환라인과, 상기 히트펌프의 각 제2열교환기들을 병렬로 연결하며, 제2열전달매체가 지중에 매설된 지열열교환기와 상기 제2열교환기들을 순환하도록 배관된 제2순환라인을 포함하며, 상기 냉매의 순환방향에 따라 상기 실내기에 의해 제1실내가 냉난방되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

열전달매체와 냉매를 이용한 듀얼 타입의 히트펌프시스템{A Dual Type Heat Pump System using Heat Transfer and Refrigerants}
본 발명은 히트펌프시스템에 관한 것으로서, 특히 한 대의 히트펌프 혹은 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프들과 이들을 순환하는 열전달매체와 냉매를 이용하여 냉난방 및 급탕의 모드를 단독 또는 병행하여 냉난방할 수 있는 히트펌프시스템을 구성한 것이다.
종래에는 냉매로 실내를 냉난방하는 히트펌프시스템과 냉매로부터 흡열하거나 냉매로 방열하는 열전달매체를 이용하여 냉난방 하는 히트펌프시스템으로 확연히 구분된다.
이와 같이 히트펌프시스템들이 독립적으로 운전됨에 따라 운전모드에 따라 히트펌프시스템을 각각 구비하여야 하며, 또한 어느 한 히트펌프시스템에 고장이 발생할 경우 다른 히트펌프로 보완할 수 없으며, 해당하는 운전모드는 정지하게 된다는 단점이 있다.
또한, 한 대 또는 복수 대의 히트펌프 등으로 구성된 각 별개의 시스템을 통해 냉매방식과 열전달매체방식을 동시에 구현할 수 없어 불편함이 많다. 예컨대, 냉매를 이용한 냉난방운전과 물 등의 열전달매체를 사용해야 하는 바닥코일 난방 또는 급탕을 동시에 처리할 수 없다는 문제점이 있다.
도면에서 도 1은 냉매로 실내를 냉난방하는 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이고, 도 2는 열전달매체를 이용하여 냉방과 난방 및 급탕하는 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
도 1에 보이듯이, 지열을 이용한 히트펌프시스템에서 히트펌프(11)는 제1열교환기의 기능을 수행하는 실내기(19)와 제2열교환기(22), 압축기(13), 팽창밸브(14), 액분리기(15) 및 사방변(16)을 구비하며 냉매가 순환한다. 한편, 지중에는 지열열교환기(18)가 매설되며, 지열열교환기(18)와 제2열교환기(22)를 열전달매체가 순환하면서 냉매의 열을 지하로 방열하거나 지열을 흡열하여 냉매로 전달한다.
여기에서 실내에 설치된 다수 개의 실내기(19)는 냉방 시에는 증발기의 기능을 수행하고 난방 시에는 응축기의 기능을 수행한다.
따라서 냉방 운전모드 시에는 압축기(13)에서 배출된 냉매가 제2열교환기(22), 팽창밸브(14), 실내기(19), 사방변(16), 액분리기(15)를 거쳐 압축기(13)로 유입되는 순서로 순환한다. 반면에 난방 운전모드 시에는 냉방 운전모드 시의 냉매 순환방향과 반대방향으로 순환하다. 구체적으로 난방 운전모드시에는 압축기(13)에서 배출된 냉매는 사방변(16), 실내기(19), 팽창밸브(14), 제2열교환기(22), 사방변(16), 액분리기(15)를 거쳐 압축기(13)로 유입되는 순으로 순환한다.
이와 같이 냉각 시에는 실내기(19)에서 냉매가 흡열하면서 제1실내(31)를 냉방하게 되고, 난방 시에는 실내기(19)에서 냉매가 방열하면서 제1실내(31)를 난방하게 된다.
한편, 도 2에 도시된 히트펌프(12)는 냉매가 압축기(13)에서 사방변(16), 제1열교환기(21), 팽창밸브(14), 제2열교환기(22), 액분리기(15), 압축기(13)의 순서로 순환한다. 지중에는 지열열교환기(18)가 매설되며, 지열열교환기(18)와 제2열교환기(22)를 열전달매체가 순환하면서 냉매의 열을 지하로 방열하거나 지열을 흡열하여 냉매로 전달하고, 제1열교환기(21)에는 급탕용 열교환기(35)와 실내 냉난방기인 팬코일유닛(37) 및 바닥코일(38)과 병렬로 연결된다. 그리고 급탕용 열교환기(35)는 급탕탱크(36)와 연결된 배관을 통해 순환하는 급탕수를 가열하고, 사용자는 급탕탱크(36)에 저장된 급탕수를 공급받아 사용한다.
한편 병렬로 연결된 팬코일유닛(37) 및 바닥코일(38)은 제1열교환기(21)를 순환하는 물에 의해 제2실내(32)를 난방한다.
이와 같이 구성된 히트펌프(11, 12)들은 별개의 구성으로서 상호 유기적인 결합관계가 전혀 이루어지지 않는다.
따라서 어느 한 쪽의 히트펌프가 고장일 경우 해당하는 운전모드의 작동이 어려워지는 문제점이 있다.
또한, 냉방 및 난방 시에 열전달매체를 통해 열을 지하로 방출함에 따른 에너지손실이 크다는 단점이 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 냉매와 열전달매체를 이용하여 냉방, 난방, 급탕을 단독 또는 병행하여 운전할 수 있게 구성한 열전달매체와 냉매를 이용한 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 지하로 버려지는 폐열을 이용하여 냉방, 난방 및 급탕할 수 있도록 구성한 열전달매체와 냉매를 이용한 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 제1실내에 장착된 실내기, 제1열교환기, 제2열교환기, 압축기, 사방변, 팽창밸브를 구비하며 냉매가 상기 실내기, 상기 제1열교환기, 상기 제2열교환기, 상기 압축기, 상기 사방변, 상기 팽창밸브를 순환하는 히트펌프와, 상기 히트펌프의 각 제1열교환기들을 병렬로 연결하며, 제1열전달매체가 제1열교환기를 거쳐 제2실내와 급탕탱크를 순환하도록 배관된 제1순환라인과, 상기 히트펌프의 각 제2열교환기들을 병렬로 연결하며, 제2열전달매체가 지중에 매설된 지열열교환기와 상기 제2열교환기들을 순환하도록 배관된 제2순환라인을 포함하며, 상기 냉매의 순환방향에 따라 상기 실내기에 의해 제1실내가 냉난방되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2실내에는 팬코일유닛 및 바닥 코일이 장착되며, 상기 제1순환라인은 급탕탱크와 팬코일유닛 및 바닥 코일을 순환한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인에서 분기된 제1분기관은 상기 급탕탱크로 연장되며, 상기 제1순환라인을 따라 순환하는 상기 제1열전달매체가 상기 급탕탱크의 급탕수를 가열한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1분기관에는 제3밸브가 장착되어 상기 제1열전달매체가 상기 급탕탱크로 순환하는 것을 제어한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2순환라인에서 분기된 제2분기관이 상기 제1순환라인에 연결되어 상기 제2열전달매체가 상기 제2실내로 순환한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인에는 제1밸브와 제2밸브가 상기 제1열교환기와 상기 제1분기관의 분기점의 사이에 장착되어 상기 제2열전달매체가 상기 제2실내로 순환되게 제어한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인에 상기 제2분기관이 연결된 지점과 상기 제1밸브, 그리고 상기 제1순환라인에 상기 제2분기관이 연결된 지점과 상기 제2밸브의 사이에는 제1분기관이 분기되어 급탕탱크에 연결되며, 상기 제1밸브와 상기 제2밸브에 의해 상기 급탕탱크로 상기 제1열전달매체 또는 제2전달매체가 순환한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2분기관에는 제4밸브와 제5밸브가 장착되어 제2열전달매체가 제1순환라인으로 순환하는 것을 제어하며, 제2순환라인에서 제2분기관이 분기된 지점과 상기 지열열교환기의 사이에는 제6밸브와 제7밸브가 장착되어 상기 제2열전달매체가 지열열교환기로 순환하는 것을 제어한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제3온도센서가 상기 급탕탱크에 장착되고 상기 제3온도센서에서 측정된 온도에 따라 제3밸브의 개도가 조정된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인에는 제1온도센서와 제2온도센서가 장착되며 측정된 온도에 의해 상기 제1열교환기를 지나는 냉매의 유량으로 조절하도록 냉매순환라인에 제8밸브가 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2실내에는 제4온도센서가 장착되어 온도를 측정하고 측정된 온도에 의해 상기 제1순환라인에 장착된 제9밸브의 개도를 조절하여 팬코일유닛의 온도를 제어하며, 상기 제2실내에는 제5온도센서가 장착되어 온도를 측정하고 측정된 온도에 의해 상기 제1순환라인에 장착된 제10밸브의 개도를 조절하여 바닥 코일의 온도를 제어한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 히트펌프는 한 대의 히트펌프이거나 또는 상기 제1순환라인과 상기 제2순환라인에 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프이다.
또한 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 제1실내에 장착된 실내기, 제1열교환기, 제2열교환기, 압축기, 사방변, 팽창밸브를 구비하며 냉매가 상기 실내기, 상기 제1열교환기, 상기 제2열교환기, 상기 압축기, 상기 사방변, 상기 팽창밸브를 순환하는 히트펌프와, 상기 히트펌프의 각 제1열교환기들을 병렬로 연결하며, 제1열전달매체가 제1열교환기를 거쳐 제2실내와 급탕탱크를 순환하도록 배관된 제1순환라인과, 상기 사방변과 제2열교환기의 사이와 제2열교환기와 팽창밸브의 사이에서 분기되어 상기 제1열교환기에 연장된 제3분기관과, 상기 실내기를 순환하는 냉매와 상기 제3분기관을 순환하는 냉매의 섞임을 차단하는 제8밸브와 제11밸브를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인과 상기 제1분기관의 분기점에는 각각 삼방변이 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2순환라인에서 제2분기관이 분기된 지점에는 각각 삼방변이 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 사방변과 제2열교환기의 사이에서 상기 제3분기관이 분기된 지점에는 삼방변이 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 히트펌프는 한 대의 히트펌프이거나 또는 상기 제1순환라인과 상기 제2순환라인에 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프이다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1순환라인에 축열조가 장착되며, 상기 축열조는 상기 제2분기관이 상기 제1순환라인에 연결된 지점과 상기 제2실내 사이에 장착되어 상기 제1열전달매체 또는 상기 제2열전달매체가 순환한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 급탕탱크에 제3온도센서가 장착되고, 상기 제8밸브는 상기 제3온도센서와 상기 제4온도센서 및 상기 제5온도센서에서 측정한 온도가 설정된 온도를 모두 도달하였을 경우 폐쇄되고, 상기 제3온도센서와 상기 제4온도센서 및 상기 제5온도센서에서 측정한 온도가 설정된 온도에 어느 하나라도 도달하지 않을 경우에는 개방된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은, 열전달매체인 물의 누수에 의해 피해가 발생할 수 있는 도서관, 서고, 박물관, 전산실, IT센터 등과 동파가 우려되는 추운 지방 및 설비 초기투자비 절감이 필요한 경우 등에는 제1실내와 같이 냉매방식으로 냉난방을 하며 코일난방이 필요한 장소, 프레온 가스를 꺼려하는 장소 및 급탕이 필요한 곳 등에는 제2실내 및 급탕탱크와 같이 열전달매체를 이용하여 냉난방할 수 있다. 여기에서 초기 투자비가 절감되는 이유는 냉매배관은 냉매의 증발잠열을 이용하므로 물배관보다 직경이 가늘어 설비비 절감이 가능하다.
또한, 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 냉매와 열전달매체를 이용하여 냉방, 난방, 급탕을 단독 또는 병행하여 운전할 수 있도록 구성함으로써, 어느 한 쪽의 히트펌프에 고장이 발생하더라도 다른 히트펌프를 이용하여 해당하는 운전모드의 작동할 수 있다는 장점이 있고, 급탕부하가 많이 필요할 경우에는 2대 이상의 모든 히트펌프들을 급탕하는데 사용할 수 있고, 냉난방부하가 많이 필요할 경우에는 모든 히트펌프들을 냉난방하는데 사용할 수 있는 등 서로 강력한 호환성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 냉방 및 난방 시에 폐열을 지하로 버리지 않고 재사용함으로써, 시스템효율(COP; coefficient of performance)이 우수하다.
도 1은 냉매로 실내를 냉난방하는 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이고,
도 2는 열전달매체를 이용하여 냉방과 난방 및 급탕하는 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이고,
도 4는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 냉방과 물 냉방 운전모드를 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고,
도 5는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 냉방과 물 급탕 및 물 난방을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고,
도 6a는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 난방과 물 난방 및 물 급탕을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고,
도 6b는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 난방과 물 냉방을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
[제1실시예]
도면에서, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 냉방과 물 냉방 운전모드를 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고, 도 5는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 냉방과 물 급탕 및 물 난방을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고, 도 6a는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 난방과 물 난방 및 물 급탕을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이고, 도 6b는 도 3에 도시된 히트펌프시스템에서 냉매 난방과 물 냉방을 병행하는 운전모드의 작동관계를 나타낸 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 듀얼 타입의 히트펌프시스템(100)은 한 대의 히트펌프 혹은 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프들을 구비하며, 각 히트펌프의 냉매라인 한 측에는 제1실내(116)처럼 냉매방식을 분기/적용하고, 또 다른 한 측에는 제1열교환기(111)를 통하여 열전달매체(물 등)을 각 사용처로 공급해줄 수 있어 '듀얼타입'이라고 부른다. 각 히트펌프(110)의 제2열교환기(112)는 지중에 매설된 지열열교환기(171)와 연결되어 제2열전달매체가 제2열교환기(112)와 지열열교환기(171)를 연결하는 제2순환라인(173)을 통해 순환하면서 열을 전달한다. 그리고 히트펌프(110)를 순환하는 냉매는 제1실내(116)에 위치한 실내기(114)와 제1열교환기(111)를 순환하면서 방열 또는 흡열한다.
이와 같이 구성된 한 대의 히트펌프 혹은 병렬로 연결된 히트펌프(110)들에 있어서, 도 3에 보이듯이, 제1열전달매체가 순환하는 제1순환라인(125)이 각 히트펌프(110)의 제1열교환기(111)들을 병렬로 연결하며, 제1순환라인(125)은 제2실내(120)에 설치된 팬코일유닛(121)과 바닥 코일(123)로 연장되어 제1열전달매체가 팬코일유닛(121)과 바닥 코일(123)을 순환한다. 한편 제1순환라인(125)에서 분기된 제1분기관(127)은 급탕탱크(129)로 연장되며, 제2순환라인(173)을 따라 순환하는 제1열전달매체가 급탕탱크(129)에 저장된다. 여기에서 제1열전달매체는 물인 것이 바람직하다.
그리고 제1순환라인(125)에는 제1밸브(131)와 제2밸브(132)가 장착되어 제1순환라인(125)을 따라 제1열전달매체가 팬코일유닛(121) 및 바닥 코일(123)로 순환하거나 순환을 차단한다. 또한 제1분기관(127)에는 제3밸브(133)가 장착되어 제1열전달매체가 급탕탱크(129)로 순환하거나 순환을 차단한다. 여기에서 제1밸브(131)와 제2밸브(132)는 제1열교환기(111)에서 제1분기관(127)이 분기된 지점 사이에 설치된다.
한편, 제2순환라인(173)에는 제2분기관(174)이 분기되어 제1순환라인(125)에 연결된다. 여기에서 상기 제2분기관(174)에는 제4밸브(134) 및 제5밸브(135)가 장착되며, 제2분기관(174)이 분기된 지점에서 지열열교환기(171)의 사이에 제6밸브(136) 및 제7밸브(137)가 장착된다. 따라서 제4밸브(134) 및 제5밸브(135)를 폐쇄하고 제6밸브(136) 및 제7밸브(137)를 개방하면 제2열전달매체는 지열열교환기(171)와 제2열교환기(112)를 순환하고, 따라서 제6밸브(136) 및 제7밸브(137)를 폐쇄하고 제4밸브(134) 및 제5밸브(135)를 개방하면 제2열전달매체는 제2분기관(174)을 통해 제1순환라인(125)을 따라 순환한다.
본 발명에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템(100)의 제어를 위해 온도센서 및 온도센서에서 감지된 온도를 연산하여 작동하는 밸브가 장착된다. 제1온도센서(141)와 제2온도센서(142)는 제1순환라인(125)에 설치되는데, 제1열교환기(111)의 후방에 설치되어 제1열교환기(111)로 유입되거나 배출되는 제1열전달매체의 온도를 감지하고, 감지한 측정치를 제1열교환기(111)로 유입되는 냉매의 유량을 조절할 수 있도록 제1열교환기(111)의 전방에 설치된 제8밸브(138)로 피드백 한다. 제8밸브(138)의 개도가 조절됨에 따라 제1열교환기(111)를 지나는 냉매의 유량이 조절된다.
또한 급탕탱크(129)에도 제3온도센서(143)가 장착되어 급탕의 온도를 감지하며, 감지된 측정치를 급탕탱크(129)로 유입되는 제1열전달매체의 유량을 조절하기 위해 설치된 제3밸브(133)로 피드백 한다.
또한 팬코일유닛(121)에는 제4온도센서(154)가 장착되어 제1열전달매체 혹은 주변공기의 온도를 감지하고, 감지한 측정치를 팬코일유닛(121)로 열전달매체가 유입되는 전방에 설치된 제9밸브(139)로 피드백 한다. 그리고 바닥 코일(123)에는 제5온도센서(145)가 장착되어 제1열전달매체 혹은 주변공기의 온도를 감지하고, 감지한 측정치를 바닥 코일(123)로 열전달매체가 유입되는 전방에 설치된 제10밸브(140)로 피드백 한다.
그리고 상기 제8밸브(138)는 상기 제3온도센서(153)와 상기 제4온도센서(154) 및 상기 제5온도센서(155)에서 측정한 온도가 설정된 온도를 모두 도달하였을 경우 폐쇄되고, 상기 제3온도센서(153)와 상기 제4온도센서(154) 및 상기 제5온도센서(155)에서 측정한 온도가 설정된 온도에 어느 하나라도 도달하지 않을 경우에는 개방된다.
이와 같이 구성된 듀얼 타입의 히트펌프시스템(100)에 있어서 도 3에 미설명된 도면부호 175는 팽창탱크로서, 지열의 연간 온도변화로 인한 물의 체적변화를 보상하여 지열열교환기의 파손을 방지하기 위한 것이다.
아래에서는 이와 같이 구성된 듀얼 타입의 히트펌프시스템(100)에 있어서 히트펌프(110)의 냉매를 이용하여 제1실내(116)를 냉방하고 제1열전달매체를 이용하여 제2실내(120)를 냉방하는 운전모드에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제4밸브(134)와 제5밸브(135)를 폐쇄하고 제6밸브(136)와 제7밸브(137)를 개방하고 히트펌프(110)들을 냉방모드로 작동하면 냉매는 실내기(114)에서 흡열함에 따라 제1실내(116)는 냉방된다. 그리고 냉매는 제2열교환기(112)에서 방열하고 방열된 열은 제2열전달매체를 통해 지하로 버려진다.
한편 제1열교환기(111)의 전방에 위치한 제8밸브(138)를 개방하면 냉매는 제1열교환기(111)에서 흡열하며, 제1열교환기(111)에 채워진 제1열전달매체는 냉각된다.
그리고 제1순환라인(125)의 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제9밸브(139) 및 제10밸브(140)를 개방하고 제3밸브(133)를 폐쇄하면, 제1열전달매체는 팬코일유닛(121) 및 바닥 코일(123)을 순환하면서 제2실내(120)를 냉방한다. 이때 제3밸브(133)를 폐쇄함에 따라 제1열전달매체는 급탕탱크(129)로 진입하지 않게 된다.
아래에서는 히트펌프(110)로 제1실내(116)를 냉방하고 제2실내(120)를 난방하며 급탕수를 가열하는 운전모드에 대해 설명한다.
도 5에 보이듯이, 히트펌프(110)는 냉방모드로 운전된다. 그러면 제1실내(116)의 실내기(114)는 흡열하면서 제1실내(116)를 냉방한다.
한편, 제2열교환기(112)에서 흡열된 제2열전달매체는 제2순환라인(173)을 따라 순환하는데, 제3밸브(133), 제4밸브(134), 제5밸브(135), 제9밸브(139), 제10밸브(140)를 개방하고 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제6밸브(136), 제7밸브(137)를 폐쇄한다. 그러면 냉매에서 흡열한 제2열전달매체는 제2분기관(174)을 통해 급탕탱크(129) 및 제2실내(120)의 팬코일유닛(121)과 바닥 코일(123)을 순환한다. 이와 같이 종래에는 지하로 버려졌던 폐열을 이용하여 제2실내(120)를 난방하고 급탕수를 가열할 수 있다는 장점이 있다.
또한 제1온도센서(141), 제2온도센서(142), 제3온도센서(143), 제4온도센서(154), 제5온도센서(145)로부터 측정된 온도치를 연산하여 해당 밸브를 제어함으로써, 제1실내(116)와 제2실내(120) 및 급탕수의 온도를 제어할 수 있다.
한편, 경우에 따라서는 제2실내(120)의 난방 및 급탕수의 가열 중 어느 하나만을 운전할 수도 있다.
아래에서는 히트펌프가 난방모드로 작동하면서 제1실내(116)를 난방하면서, 제2실내 및 급탕수를 가열하는 운전모드에 대해 설명한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 히트펌프(110)가 난방모드로 작동하게 되면, 냉매는 압축기(13), 사방변(16), 제2열교환기(112), 팽창밸브(14), 실내기(114)와 제1열교환기(111), 사방변(16), 액분리기(15), 압축기(13)의 순으로 순환한다. 이때 냉매는 제2열교환기(112)에서 흡열하고 실내기(114)와 제1열교환기(111)에서 방열한다. 그리고 제2열전달매체는 제2열교환기(112)와 지열열교환기(171)를 순환하면서 냉열을 지하로 버린다.
한편, 제1열교환기(111)를 순환하는 제1열전달매체는 제1열교환기(111)에서 흡열하게 되고, 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제3밸브(133), 제9밸브(139), 제10밸브(140)의 개폐에 의해 제1열전달매체가 급탕탱크(129) 및 제2실내(120)의 팬코일유닛(121) 및 바닥 코일(123)을 순환하게 된다.
따라서 제1실내(116)는 냉매에 의해 난방되며, 흡열한 제1열전달매체의 순환경로를 상기 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제3밸브(133), 제9밸브(139), 제10밸브(140)로 제어한다. 상기 제1열전달매체의 순환경로에 따라 제2실내(120)의 난방 및 급탕수의 가열이 병행하여 이루어지거나 제2실내(120)의 난방 또는 급탕수의 가열만을 단독적으로 수행할 수 있다.
아래에서는 히트펌프(110)의 난방 운전에 의해 제1실내(116)는 난방되면서 제2실내(120)를 냉방하는 운전모드에 대해 설명한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 히트펌프(110)는 난방모드로 운전되어 제1실내(116)는 난방된다. 그리고 제2순환라인(173)을 따라 순환하는 제2열전달매체가 지열열교환기(171)로 순환하지 않고 제2분기관(174)을 통해 제2실내(120)의 팬코일유닛(121) 및 바닥 코일(123)로 순환하도록 구성한다.
이와 같이 제2열전달매체가 순환하기 위해서는, 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제3밸브(133) 및 제6밸브(136), 제7밸브(137)를 폐쇄하고, 제4밸브(134), 제5밸브(135), 제9밸브(139), 제10밸브(140)를 개방한다.
그러면 제2열교환기(112)에서 방열한 제2열전달매체가 제2분기관(174)을 통해 제2실내(120)의 팬코일유닛(121)과 바닥 코일(123)을 순환하면서 제2실내(120)를 냉각한다. 따라서 제1실내(116)는 난방하고 제2실내(120)는 냉방하도록 운전된다.
[제2실시예]
제2실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 앞에서 설명한 제1실시예의 변형예로서, 도 7에 도시된 듀얼 타입의 히트펌프시스템에는 삼방변이 설치된다. 구체적으로 도 7에 보이듯이, 제1순환라인(125)에서 제1분기관(127)이 분기되는 지점에 제1삼방변(151)과 제2삼방변(152)이 각각 장착되고, 제2순환라인(173)에서 제2분기관(174)이 분기된 지점에 제3삼방변(153)과 제4삼방변(154)이 각각 장착된다.
상기 제1삼방변(151) 내지 제4삼방변(154)은 열전달매체의 경로를 전환할 뿐만 아니라, 유량을 조절할 수 있어 제1실내(116), 제2실내(120), 급탕탱크(129)의 온도를 조절할 수 있다.
한편 제2실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 제1실시예에서 설명한 운전모드와 동일하게 운전이 가능하며, 제1삼방변(151)은 제1밸브(131)와 제3밸브(133)의 기능을 수행하며, 제2삼방변(152)은 제2밸브(132)의 기능을 수행한다. 그리고 제3삼방변(153)은 제4밸브(134)와 제6밸브(136)의 기능을 수행하고, 제4삼방변(154)은 제5밸브(135)와 제7밸브(137)의 기능을 수행한다.
[제3실시예]
앞에서 설명한 제1실시예 및 제2실시예의 듀얼 타입의 히트펌프시스템에서는 지하에 매설된 지열열교환기를 이용하여 지열을 이용하여 난방하거나 또는 지하로 폐열을 버렸으나, 제3실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템은 지열열교환기를 대신하여 공냉식 제2열교환기를 사용한 것에 차이가 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 히트펌프(110)의 사방변(16)과 제2열교환기(112)의 사이와 제2열교환기(112)와 팽창밸브(14)의 사이에는 각각 제3분기관(160)이 분기되어 제1열교환기(111)에 연결된다. 그리고 사방변(16)과 제2열교환기(112)의 사이에서 분기된 제3분기관(160)의 분기지점에는 제5삼방변(155)이 장착되며, 제5삼방변(155)에 의해 일부의 냉매는 사방변에서 제2열교환기(112)로 흘러가고 나머지 일부는 제3분기관(160)을 통해 제1열교환기(111)로 흘러 순환한다.
그리고 제3실시예에서는 제3분기관(160)을 통해 제1열교환기(111)로 흘러 순환하는 냉매와 제1실내(116)의 실내기(114)로 흘러 순환하는 냉매와 섞이지 않도록 하기 위해 도 8에 도시된 바와 같이 제11밸브(181)가 장착된다. 제11밸브(181)를 폐쇄하면 실내기(114)를 순환하는 냉매(저온 냉매)와 제3분기관(160)을 통해 순환하는 냉매(고온 냉매)가 섞이지 않게 된다.
아래에서는 이와 같이 구성된 듀얼 타입의 히트펌프시스템에 대한 운전모드에 대해 설명한다.
도 8에 보이듯이, 제11밸브(181) 및 제8밸브(138)를 폐쇄한 상태에서, 히트펌프(110)가 냉방모드로 운전할 경우, 냉매는 압축기(13)에서 사방변(16)을 거쳐 제5삼방변(155)을 통과하게 된다. 제5삼방변(155)은 냉매의 일부를 제2열교환기(112)로 보내고 나머지 냉매를 제3분기관(160)을 통해 제1열교환기(111)로 보낸다.
제3분기관(160)을 통해 제1열교환기(111)로 순환하는 나머지 냉매는 고온의 냉매로서, 제1열교환기(111)를 순환하는 제1열전달매체로 열을 방열한다. 방열된 나머지 냉매는 제3분기관(160)을 통해 히트펌프(110)로 진행하며, 제2열교환기(112)를 지난 일부의 냉매와 합류하여 팽창밸브(14)로 진행한다.
즉 일부 냉매는 제2열교환기(112)에서 공냉하여 열을 방열하고 나머지 냉매는 제1열교환기(111)에서 열을 방열한 후에 합류하여 팽창밸브(14)로 진입하고 제1실내(116)의 실내기(114)에서 흡열한다.
제1열교환기(111)에서는 제1열전달매체가 냉매로부터 흡열한 후에 급탕탱크(129) 및 제2실내(120)를 순환하면서 급탕수를 가열하거나 제2실내(120)를 난방한다. 여기에서 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제3밸브(133), 제9밸브(139), 제10밸브(140)의 제어를 통해 흡열된 제1열전달매체를 이용하여 급탕수를 가열하거나 제2실내(120)를 난방하도록 제어한다.
한편, 제1실내(116)를 난방할 경우에 냉매는 팽창밸브(14)에서 제2열교환기(112)로 순환하게 되는데, 일부의 냉매는 제2열교환기(112)로 유입되어 대기의 열을 흡열하고 나머지의 냉매는 제3분기관(160)을 따라 제1열교환기(111)로 유입되고 유입된 냉매는 제1열전달매체로부터 흡열한다. 즉 제1열전달매체는 저온 상태로 앞에서 설명한 바와 같이, 제1밸브(131), 제2밸브(132), 제3밸브(133), 제9밸브(139), 제10밸브(140)의 제어에 의해 급탕수를 냉각하거나 제2실내(120)를 냉방한다.
제2실시예 및 제3실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템 또한 제1실시예에서 설명한 온도제어방식 즉, 제1온도센서(141) 내지 제5온도센서(145)를 이용하여 밸브들의 개도를 조절하여 온도를 제어하는 방식은 동일하다.
[제4실시예]
제1실시예 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템에 축열조를 추가하여 제1순환라인을 따라 순환하는 열전달매체 또는 제2순환라인을 따라 순환하는 열전달매체의 열원(온열 또는 냉열)을 축열해 두었다가 제2실내를 튜얼 타입의 히트펌프시스템의 운전모드와 무관하게 축열된 열로 냉난방하는 구성이다.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 듀얼 타입의 히트펌프시스템을 나타낸 개념도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1순환라인(125)에 축열조(190)가 장착되는데, 축열조(190)의 구체적인 위치는 제1순환라인(125)에 제2분기관(174)이 연결된 지점과 제2실내(120)의 사이에 장착된다. 상기 위치에 축열조(190)가 장착됨에 따라 제1순환라인(125)을 따라 순환하는 열전달매체 및 제2순환라인(173)을 따라 순환하는 열전달매체가 축열조(190)를 순환하면서 축열조(190)에 냉열 또는 온열을 저장하고, 저장된 축열조(190)의 열을 이용하여 제2실내(120)를 냉난방한다. 이와 같이 축열조(190)를 이용함에 따라 히트펌프(110)들의 운전모드와 무관하게 축열조(190)에 저장된 열을 이용하여 제2실내(120)를 냉난방할 수 있다.
특히, 저렴한 야간 전력을 이용하여 축열조에 열을 저장해 두었다가 주간에 저장된 열을 사용함으로써, 냉난방 비용을 절감할 수 있다.
100 : 히트펌프시스템
110 : 히트펌프
111 : 제1열교환기
112 : 제2열교환기
114 : 실내기
116 : 제1실내
120 : 제2실내
121 : 팬코일유닛
123 : 바닥 코일
125 : 제1순환라인
127 : 제1분기관
129 : 급탕탱크
131 ~ 140 : 제1밸브 ~ 제10밸브
141 ~ 145 : 제1온도센서 ~ 제5온도센서
151 ~ 155 : 제1삼방변 ~ 제5삼방변
160 : 제3분기관
171 : 지열열교환기
173 : 제2순환라인
174 : 제2분기관
175 : 팽창탱크
181 : 제11밸브
190 : 축열조

Claims (19)

  1. 제1실내에 장착된 실내기, 제1열교환기, 제2열교환기, 압축기, 사방변, 팽창밸브를 구비하며 냉매가 상기 실내기, 상기 제1열교환기, 상기 제2열교환기, 상기 압축기, 상기 사방변, 상기 팽창밸브를 순환하는 히트펌프;와,
    상기 히트펌프의 각 제1열교환기들을 병렬로 연결하며, 제1열전달매체가 제1열교환기를 거쳐 제2실내와 급탕탱크를 순환하도록 배관된 제1순환라인;과,
    상기 히트펌프의 각 제2열교환기들을 병렬로 연결하며, 제2열전달매체가 지중에 매설된 지열열교환기와 상기 제2열교환기들을 순환하도록 배관된 제2순환라인;을 포함하며,
    상기 냉매의 순환방향에 따라 상기 실내기에 의해 제1실내가 냉난방되고,
    상기 제2순환라인에서 분기된 제2분기관이 상기 제1순환라인에 연결되어 상기 제2열전달매체가 상기 제2실내로 순환하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2실내에는 팬코일유닛 및 바닥 코일이 장착되며,
    상기 제1순환라인은 급탕탱크와 팬코일유닛 및 바닥 코일을 순환하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1순환라인에서 분기된 제1분기관은 상기 급탕탱크로 연장되며, 상기 제1순환라인을 따라 순환하는 상기 제1열전달매체가 상기 급탕탱크의 급탕수를 가열하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1분기관에는 제3밸브가 장착되어 상기 제1열전달매체가 상기 급탕탱크로 순환하는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1순환라인에는 제1밸브와 제2밸브가 상기 제1열교환기와 상기 제1분기관의 분기점의 사이에 장착되어 상기 제2열전달매체가 상기 제2실내로 순환되게 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1순환라인에 상기 제2분기관이 연결된 지점과 상기 제1밸브, 그리고 상기 제1순환라인에 상기 제2분기관이 연결된 지점과 상기 제2밸브의 사이에는 제1분기관이 분기되어 급탕탱크에 연결되며, 상기 제1밸브와 상기 제2밸브에 의해 상기 급탕탱크로 상기 제1열전달매체 또는 제2전달매체가 순환하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2분기관에는 제4밸브와 제5밸브가 장착되어 제2열전달매체가 제1순환라인으로 순환하는 것을 제어하며, 제2순환라인에서 제2분기관이 분기된 지점과 상기 지열열교환기의 사이에는 제6밸브와 제7밸브가 장착되어 상기 제2열전달매체가 지열열교환기로 순환하는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 급탕탱크에 제3온도센서가 장착되고 상기 제3온도센서에서 측정된 온도에 따라 제3밸브의 개도가 조정되는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1순환라인에는 제1온도센서와 제2온도센서가 장착되며 측정된 온도에 의해 상기 제1열교환기를 지나는 냉매의 유량으로 조절하도록 냉매순환라인에 제8밸브가 장착된 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제2실내에는 제4온도센서가 장착되어 온도를 측정하고 측정된 온도에 의해 상기 제1순환라인에 장착된 제9밸브의 개도를 조절하여 팬코일유닛의 온도를 제어하며,
    상기 제2실내에는 제5온도센서가 장착되어 온도를 측정하고 측정된 온도에 의해 상기 제1순환라인에 장착된 제10밸브의 개도를 조절하여 바닥 코일의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  12. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트펌프는 한 대의 히트펌프이거나 또는 상기 제1순환라인과 상기 제2순환라인에 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프인 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  13. 제1실내에 장착된 실내기, 제1열교환기, 제2열교환기, 압축기, 사방변, 팽창밸브를 구비하며 냉매가 상기 실내기, 상기 제1열교환기, 상기 제2열교환기, 상기 압축기, 상기 사방변, 상기 팽창밸브를 순환하는 히트펌프;와,
    상기 히트펌프의 각 제1열교환기들을 병렬로 연결하며, 제1열전달매체가 제1열교환기를 거쳐 제2실내와 급탕탱크를 순환하도록 배관된 제1순환라인;과,
    상기 사방변과 제2열교환기의 사이와 제2열교환기와 팽창밸브의 사이에서 분기되어 상기 제1열교환기에 연장된 제3분기관;과,
    상기 실내기를 순환하는 냉매와 상기 제3분기관을 순환하는 냉매의 섞임을 차단하는 제8밸브와 제11밸브;를 포함하며,
    상기 제2열교환기를 지난 냉매와 제3분기관을 통해 상기 제1열교환기를 지난 냉매가 합류되어 상기 실내기로 진입하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 제1순환라인과 상기 제1분기관의 분기점에는 각각 삼방변이 장착된 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제2순환라인에서 제2분기관이 분기된 지점에는 각각 삼방변이 장착된 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 사방변과 제2열교환기의 사이에서 상기 제3분기관이 분기된 지점에는 삼방변이 장착된 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  17. 제13항 또는 제16항에 있어서,
    상기 히트펌프는 한 대의 히트펌프이거나 또는 상기 제1순환라인에 병렬로 연결된 복수 대의 히트펌프인 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1순환라인에 축열조가 장착되며,
    상기 축열조는 상기 제2분기관이 상기 제1순환라인에 연결된 지점과 상기 제2실내 사이에 장착되어 상기 제1열전달매체 또는 상기 제2열전달매체가 순환하는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 급탕탱크에 제3온도센서가 장착되고,
    상기 제8밸브는 상기 제3온도센서와 상기 제4온도센서 및 상기 제5온도센서에서 측정한 온도가 설정된 온도를 모두 도달하였을 경우 폐쇄되고,
    상기 제3온도센서와 상기 제4온도센서 및 상기 제5온도센서에서 측정한 온도가 설정된 온도에 어느 하나라도 도달하지 않을 경우에는 개방되는 것을 특징으로 하는 듀얼 타입의 히트펌프시스템.
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