KR101142914B1 - Hot water and cool water product system using 2-steps heat pump cycles - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 히트펌프를 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2개의 히트펌프 사이클의 냉매를 물에 의해 간접적으로 열교환시켜 냉매간의 완충을 도모함으로써 열교환 효율을 높이고, 이 물을 냉수로 사용할 수 있는 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a hot water and cold water production system using a heat pump, and more particularly, by indirectly heat-exchanging the refrigerant of two heat pump cycles with water to increase the buffering between the refrigerant to increase the heat exchange efficiency, the cold water The present invention relates to a hot water and cold water production system using an improved heat exchanger two-stage heat pump cycle.
일반적으로, 히트펌프 시스템은, 기본적으로 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방 사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환시켜 난방 및 급탕을 수행하는 시스템이다.In general, the heat pump system is basically a cooling cycle and a heating cycle in the same unit, the cooling and heating are combined, one unit performs the cooling by the cooling cycle in the summer, the reverse cycle in the winter System to perform heating and hot water supply.
종래 기술에 의한 히트펌프 시스템은 냉매가스를 고온 고압으로 압축시키는 압축기와, 공기와 열교환 하기 위한 공기측 열교환기와, 실내 냉, 난방 공간을 순환하는 물과 열교환하기 위한 냉온수열교환기와, 순환하는 물을 급탕하는 급탕열교환기와, 냉, 난방 모드별로 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 공기측열교환기 또는 냉온수열교환기, 급탕열교환기로 전환시키는 전자4방밸브와, 각 열교환기로부터 토출된 냉매액을 저온 저압으로 팽창시키며 냉, 난방 모드에 따라 선택적으로 작동하는 냉난방팽창밸브와, 기체상태의 냉매를 압축기로 송출하고, 액체 상태의 냉매는 증발시킨 후, 압축기로 보내지는 액분리기, 그리고 냉매를 일시 저장함과 아울러 냉매액에 함유된 미응축 냉매나 불응축 가스를 분리하여 액체상태의 냉매를 냉난방 팽창밸브측으로 보내는 수액기로 이루어진다.The conventional heat pump system includes a compressor for compressing a refrigerant gas at a high temperature and a high pressure, an air side heat exchanger for heat exchange with air, a cold / hot water heat exchanger for heat exchange with water circulating in an indoor cooling and heating space, and circulating water. A hot water supply heat exchanger for hot water supply, an electronic four-way valve that switches the flow direction of the refrigerant discharged from the compressor for each cold and heating mode to an air side heat exchanger, a cold / hot water heat exchanger or a hot water supply heat exchanger, and the refrigerant liquid discharged from each heat exchanger at a low temperature. It expands to low pressure and selectively operates the cooling and heating expansion valve which operates selectively according to the cooling and heating modes, sends the refrigerant in the gas state to the compressor, evaporates the liquid refrigerant, and then temporarily stores the liquid separator sent to the compressor and the refrigerant. In addition, by separating the non-condensing or non-condensing gas contained in the refrigerant liquid to expand the cooling liquid in the liquid state The receiver group is made to send toward the valve.
이와 같은 종래의 히트펌프 시스템에서 냉방을 위한 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 전자4방밸브를 통해 공기측열교환기로 보내지고, 공기측열교환기에서 외부 공기에 의해 열을 빼앗기면서 응축된다. 공기측열교환기에서 응축된 냉매액은 냉난방팽창밸브를 통과하면서 저온 저압 상태로 팽창된 다음 냉온수열교환기로 유입된다. 냉온수열교환기에는 실내의 부하측을 순환한 물이 입수관을 통해 유입되어 흐르고 있으므로, 냉온수열교환기에 유입된 냉매는 물의 열원을 받아 증발되어 저온저압의 냉매 가스로 상변화 한다. 이 과정에서 냉온수열교환기를 흐르는 물을 대략 7℃로 냉각시키게 되고, 냉각된 물은 출수관을 통하여 실내의 필요한 곳으로 보내어져 실내를 냉방하게 된다.In such a conventional heat pump system, an operation cycle for cooling is performed by the high temperature and high pressure refrigerant gas compressed by the compressor being sent to the air side heat exchanger through an electronic four-way valve, and deprived of heat by external air from the air side heat exchanger. Condensation. The refrigerant liquid condensed in the air side heat exchanger is expanded to a low temperature and low pressure state through a cooling and heating expansion valve, and then flows into the cold and hot water heat exchanger. Since the water circulated in the load side of the cold and hot water heat exchanger flows through the water inlet pipe, the refrigerant introduced into the cold and hot water heat exchanger is evaporated by the heat source of water and is phase-changed into the refrigerant gas of low temperature and low pressure. In this process, the water flowing through the hot and cold water heat exchanger is cooled to about 7 ° C., and the cooled water is sent to a necessary place in the room through the outlet pipe to cool the room.
여기서 냉온수열교환기에서 증발된 냉매 가스는, 전자4방밸브를 통해 액분리기로 유입되어 기, 액분리된 후 기체 상태로 압축기로 귀환됨으로써 냉방사이클이 완료된다.Here, the refrigerant gas evaporated from the cold / hot water heat exchanger is introduced into the liquid separator through an electronic four-way valve, and the liquid is separated and then returned to the compressor in a gas state to complete the cooling cycle.
그리고 종래의 난방 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 전자 사방밸브를 통해 냉온수열교환기로 보내져서 냉온수열교환기를 흐르는 입구 수온을 대략 45℃의 온수를 만들어 실내 난방에 사용된다. 이 과정에서 냉매 가스는 응축되어 냉매액으로 상변화되고, 냉온수열교환기를 나온 냉매액은 전자4방밸브를 통하여 수액기로 유입된 후 액체 상태로 냉난방팽창밸브로 유입되어 저온 저압으로 팽창된다. 냉난방팽창밸브를 지난 냉매액은 공기측열교환기로 유입되어서 외부 공기의 열원을 흡수하면서 증발하게 되고, 증발된 냉매 가스는 전자 사방밸브를 통해 액분리기를 거쳐 압축기로 귀환됨으로써 난방 사이클이 완료된다.In the conventional heating operation cycle, the high-temperature, high-pressure refrigerant gas compressed by the compressor is sent to the cold / hot water heat exchanger through the electronic four-way valve to make the inlet water temperature flowing through the cold / hot water heat exchanger at about 45 ° C. to be used for indoor heating. In this process, the refrigerant gas is condensed and phase-changed into the refrigerant liquid, and the refrigerant liquid from the cold / hot water heat exchanger flows into the receiver through the four-way valve, and then flows into the cooling / heating expansion valve in a liquid state and expands to low temperature and low pressure. The refrigerant liquid passing through the heating and cooling expansion valve is introduced into the air side heat exchanger to absorb the heat source of the outside air and evaporate. The evaporated refrigerant gas is returned to the compressor through the liquid separator through the electronic four-way valve to complete the heating cycle.
한편, 급탕은, 난방의 운전 사이클에서 고온 고압의 냉매 가스가 전자 사방밸브를 통해 냉온수열교환기가 아닌 급탕열교환기로 보내짐으로써, 20℃ 내외의 입구 수온을 승온시켜 대략 70℃ 이하의 급탕이 이루어지게 된다.On the other hand, in the hot water supply, the hot and high-pressure refrigerant gas is sent to the hot water heat exchanger instead of the cold / hot water heat exchanger through the electronic four-way valve in the heating operation cycle, thereby increasing the inlet water temperature of about 20 ° C. so that hot water of approximately 70 ° C. or less is achieved. do.
그런데, 이와 같은 종래의 히트펌프 시스템은 냉수와 온수를 병행하여 토출하는 시스템으로써, 고온수의 공급에 많은 문제점을 가지고 있었다. 즉, 온수의 온도를 대략 50℃ 이상의 고온으로 높이기 위해서는 압축기를 장시간 가동하여야 하기 때문에 효율적인 측면과 아울러 압축기에 무리를 주게 되며, 압축기와 증발기 사이의 배관에 성에가 끼는 결빙 현상이 생기게 되었다. 따라서 종래에는 고온수를 공급하기 위해서는 별도의 보조 히터를 설치하여야 하는 등의 비효율적인 측면이 있었다.However, such a conventional heat pump system is a system for discharging cold water and hot water in parallel, and has many problems in supplying hot water. In other words, in order to increase the temperature of the hot water to a high temperature of about 50 ℃ or more, the compressor must be operated for a long time, which gives the compressor an unfavorable side, and causes frost on the pipe between the compressor and the evaporator. Therefore, in the related art, in order to supply hot water, there is an inefficient aspect such as installing a separate auxiliary heater.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 2개의 히트펌프 사이클을 이용한 온수(난방) 생산 시스템이 제안된 바 있다.In order to solve this problem, a hot water (heating) production system using two heat pump cycles has been proposed.
종래 기술에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 1차측 히트펌프 사이클의 응축기와 2차측 히트펌프 사이클의 증발기를 흐르는 냉매가 직접 열교환하여 2차측 히트펌프 사이클에서 온수를 생산하는 것으로, 온도차가 큰 냉매 대 냉매의 열교환으로 인하여 열교환시 트러블이 발생되는 문제점이 있다. In the hot water production system using a two-stage heat pump cycle according to the prior art, the refrigerant flowing through the condenser of the primary side heat pump cycle and the evaporator of the secondary side heat pump cycle directly exchanges heat to produce hot water in the secondary side heat pump cycle, There is a problem that a trouble occurs during heat exchange due to the heat exchange of the refrigerant to the refrigerant having a large temperature difference.
그리고, 종래 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 온수만을 생산하는 것이기 때문에 냉수를 생산할 수 없고, 냉수를 생산한다 하더라도 냉수의 온도가 낮기 때문에 냉방용으로 사용할 수 없는 단점도 있다.
In addition, the conventional hot water production system using a two-stage heat pump cycle is not able to produce cold water because only hot water is produced, and even if cold water is produced, it cannot be used for cooling because the temperature of cold water is low.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2개의 히트펌프 사이클 냉매를 냉매의 완충이 가능한 물에 의해 간접적으로 열교환시켜 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산하고, 물을 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기에서 토출되는 고온의 2차 냉매와 먼저 열교환시킨 후 제4열교환기에서 다시 열교환시켜 2차 냉매의 증발효율을 향상함으로써 고온의 온수를 생산하며 실내를 냉방할 수 있는 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems described above, by indirect heat exchange of the two heat pump cycle refrigerant with water capable of buffering the refrigerant to provide hot water at an appropriate temperature with a small heat source without using excessive driving of the compressor And heat the water first with the high temperature secondary refrigerant discharged from the third heat exchanger of the second heat pump cycle and then heat exchange again with the fourth heat exchanger to improve the evaporation efficiency of the secondary refrigerant to produce high temperature hot water. The purpose is to provide a hot and cold water production system using a two-stage heat pump cycle with improved heat exchange to cool the room.
본 발명에 의한 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템은, 각각 압축기, 사방밸브, 열교환기, 팽창밸브로 구성된 히트펌프 사이클을 2단으로 구성하고, 1,2차 히트펌프 사이클의 1차 냉매와 2차 냉매가 물을 통해 열교환되도록 구성되며, 상기 물은 별도의 열교환기를 통해 2차 히트펌프 사이클의 열교환기에서 토출되는 고온의 2차 냉매와 열교환되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
The hot water and cold water production system using the heat exchanger improved two-stage heat pump cycle according to the present invention, the heat pump cycle consisting of a compressor, a four-way valve, a heat exchanger, an expansion valve in two stages, respectively, the first and second heat pumps The first refrigerant and the second refrigerant of the cycle is configured to heat exchange through the water, wherein the water is configured to heat exchange with the high temperature secondary refrigerant discharged from the heat exchanger of the second heat pump cycle through a separate heat exchanger do.
본 발명에 의한 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템에 의하면, 1단 히트펌프 사이클을 통해 원수(또는 공기)로부터 열을 회수하고, 2단 히트펌프 사이클의 냉매와 1단 히트펌프 사이클의 냉매를 물에 의해 간접적으로 열교환시켜 각각의 히트펌프 사이클의 압축기를 무리하게 구동하지 않아도 원하는 출력을 얻을 수 있으므로 소비전력을 줄일 수 있고 비용을 절감할 수 있고, 물을 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기에서 토출되는 고온의 2차 냉매와 먼저 열교환시킨 후 제4열교환기에서 다시 열교환시켜 2차 냉매의 증발효율을 향상함으로써 고온의 온수를 생산할 수 있고 실내를 냉방할 수 있다.
According to the hot water and cold water production system using the two-stage heat pump cycle with improved heat exchange according to the present invention, the heat is recovered from the raw water (or air) through the one-stage heat pump cycle, and the refrigerant and the first stage of the two-stage heat pump cycle By indirectly exchanging the refrigerant in the heat pump cycle with water, the desired output can be obtained without forcibly driving the compressor of each heat pump cycle, which can reduce power consumption and reduce costs. The first heat exchanger with the high temperature secondary refrigerant discharged from the third heat exchanger of the pump cycle and then heat exchanged again with the fourth heat exchanger to improve the evaporation efficiency of the secondary refrigerant can produce hot water of high temperature and can cool the room .
도 1은 본 발명에 의한 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템의 다른 예를 도시한 계통도.
도 3과 도 4는 각각 실내 냉방 모드를 보인 계통도로서,
도 3은 2차 히트펌프 사이클에 의한 냉방 모드시이고,
도 4는 1차 히트펌프 사이클에 의한 냉방 모드시이다.1 is a schematic diagram of a hot water and cold water production system using a two-stage heat pump cycle with improved heat exchange according to the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing another example of a hot water and cold water production system using a heat exchange improved two-stage heat pump cycle according to the present invention.
3 and 4 are each a schematic diagram showing the indoor cooling mode,
3 is in the cooling mode by the secondary heat pump cycle,
4 is a cooling mode by the primary heat pump cycle.
도 1에서 보이는 것처럼, 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산시스템은, 1차 히트펌프 사이클(100) 및 1차 히트펌프 시스템(100)과 열교환을 통하여 온수를 생산하는 2차 히트펌프 사이클(200)로 이루어진다.As shown in Figure 1, the hot water production system using a two-stage heat pump cycle according to the present invention, the secondary heat for producing hot water through heat exchange with the primary
1차 히트펌프 사이클(100)은, 1차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기(110), 1차 냉매를 응축하거나 또는 증발시키는 제1,2열교환기(120,130), 제1 또는 제2열교환기(120,130)에 의해 응축된 1차 냉매를 감압하는 제1팽창밸브(140), 제1압축기(110)에 의해 압축된 1차 냉매의 방향을 제1 또는 제2열교환기(120,130)로 전환하는 제1사방밸브(미도시)로 구성된다. 즉, 상기 제1사방밸브에 의해 1차 냉매의 흐름을 제어함으로써 제1열교환기(120)가 응축기 또는 증발기로 사용되고 제2열교환기(130)가 제1열교환기(120)와 반대로 증발기 또는 응축기로 사용되는 것이다.The primary
제2열교환기(130)가 증발기로 사용될 때 1차 냉매는 공랭식, 수랭식 등으로 증발한다.When the
2차 히트펌프 사이클(200)은 2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(210), 2차 냉매를 응축하는 제3열교환기(220), 제3열교환기(220)에 의해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브(240), 제2팽창밸브(240)에 의해 감압된 2차 냉매를 증발시키는 제4열교환기(230)로 구성된다.The secondary
2차 히트펌프 사이클(200)의 제4열교환기(230)를 통과하는 2차 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1열교환기(120)를 통과하는 1차 냉매와 열교환한다.The secondary refrigerant passing through the
여기서 1차 냉매와 2차 냉매는 물(여기서 물은 1,2차 냉매와 열교환하는 모든 것을 총칭한다)을 매개로 하여 열교환되며, 예를 들어, 제1열교환기(120)와 제4열교환기(230)를 연속 순환하는 물 순환관(300)이 구성된다. 물 순환관(300)은 내부에 물이 흐르는 유로가 구비된 관형이면서 물이 제1,4열교환기(120,230)를 순환하도록 제1열교환기(120)와 제4열교환기(230)에 연결되고 펌프(310)에 의해 상기 물이 강제로 순환하면서 제1열교환기(120)를 따라 흐르는 1차 냉매의 열을 회수하여 제4열교환기(230)의 2차 냉매에 전달하도록 한다.Here, the primary refrigerant and the secondary refrigerant are heat exchanged through water (where water refers to all heat exchangers with the primary and secondary refrigerants), for example, the
물은 제1,4교환기(120,230)만을 순환할 수 있지만 열교효율이 약하여 원하는 온도의 온수를 생산하는데 어려움이 있을 것이며, 제4열교환기(230)와 제1열교환기(120)의 사이에는 제2냉매와 물이 열교환되도록 하는 제5열교환기(320)가 설치된다. 제5열교환기(320)는 2개의 유로를 갖는 구조로서 제1유로는 양단부가 제1열교환기(120)와 제4열교환기(230)에 연결되어 물의 순환을 안내하는 유로이며, 제2유로는 양단부가 제3열교환기(220)와 제2팽창밸브(240)에 연결되어 2차 냉매의 순환을 안내하는 유로이다.Water can circulate only the first and fourth exchangers (120, 230), but the thermal bridge efficiency is weak, it will be difficult to produce hot water at a desired temperature, between the fourth heat exchanger (230) and the first heat exchanger (120) A
즉, 제5열교환기(320)에서는 물[제4열교환기(230)에서 토출되어 제1열교환기(120)에 유입되는 물]과 2차 냉매[제3열교환기(220)에서 토출되어 제2팽창밸브(240)에 유입되는 2차 냉매]가 열교환된다.That is, the
2차 냉매측면에서 볼 때 제3열교환기(220)에서 토출된 고온 상태의 2차 냉매는 상대적으로 저온인 물(제4증발기(230)를 통과하는 2차 냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아짐)과 열교환되어 팽창효율이 향상됨으로써 제4열교환기(230)를 통과하면서 물과[제1열교환기(120)에서 토출된 후 제4열교환기(230)에 유입되는 물]의 열교환 효율을 높이게 된다. 온수는 2차 히트펌프 사이클(200)의 2차 냉매의 온도에 따라 온도가 달라질 것이며, 제5열교환기(320)는 제4열교환기(230)에 유입되는 2차 냉매의 온도를 낮추어 증발효율을 향상함으로써 제3열교환기(220)를 통과하는 2차 냉매의 온도를 높이도록 한다.As viewed from the side of the secondary refrigerant, the secondary refrigerant in the high temperature state discharged from the
따라서, 2차 히트펌프 사이클(200)의 제3열교환기(220)를 흐르는 2차 냉매는 온수탱크(1)에 저장되는 물의 온도를 높여 온수를 생산한다.
Therefore, the secondary refrigerant flowing through the
본 발명은 냉수(실내 냉방용 등)를 생산할 수 있으며, 물 순환관(300)에는 각각 증발기로 사용되는 제1열교환기(120) 또는 제4열교환기(230)를 흐르는 저온의 1차 냉매 또는 2차 냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아진 물을 공급받는 실내 냉방기(400)(또는 냉수 탱크)가 갖추어진다. The present invention can produce cold water (for indoor cooling, etc.), the low temperature of the primary refrigerant flowing through the
물 순환관(300)에는 냉방용 순환관(330)이 분기된다. 냉방용 순환관(330)은 실내 냉방기(400)를 순환하면서 양단부가 물 순환관(300)에 유체 연통 가능하게 연결된다.The
냉방용 순환관(330)은 실내 냉방기(400)의 가동시에만 개방되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 냉방용 순환관(330)을 개폐하는 제1밸브(331), 물 순환관(300)의 도중[냉방용 순환관(330)의 양단부 사이)에 설치되어 물 순환관(300)을 개폐하는 제2밸브(332)가 구성된다. 즉, 실내 냉방기(400)의 가동시 제1밸브(331)가 개방되는 한편 제2밸브(332)는 폐쇄되고, 실내 냉방기(400)의 정지시 제1밸브(331)는 폐쇄되는 한편 제2밸브(332)는 개방된다.
냉수 생산시 1,2차 히트펌프 사이클(100,200)은 어느 하나만 선택되어 가동하며, 예를 들어, 사용자에 의한 냉방 선택시 컨트롤러는 제1,2압축기(110,210) 중 어느 하나만 가동되도록 제어한다. 상기 컨트롤러는 온수와 냉수를 동시에 생산하도록 2차 히트펌프 사이클(200)을 먼저 가동하고, 온수탱크(1)에 일정 온도의 온수(온도센서(2)에 의해 감지)가 일정 수위를 유지하면(수위센서(3)에 의해 감지) 2차 히트펌프 사이클(200)의 가동을 정지하고 1차 히트펌프 사이클(100)이 가동하도록 제어한다.During cold water production, only one or both of the first and second heat pump cycles 100 and 200 are selected and operated. For example, when the cooling is selected by the user, the controller controls only one of the first and
실내 냉방기(400)는 제1,2밸브(331,332)를 통해 실내를 냉방하는 경우에만 냉수를 공급받아 실내를 냉방한다.
The
도 2는 본 발명의 다른 예로서, 2차 히트펌프 사이클(200)의 제3열교환기(220)에서 토출된 2차 냉매가 제5열교환기(320)를 거치지 않고 제2팽창밸브(240)에 바로 공급되도록 구성된 것으로, 제3열교환기(220)와 제5열교환기(320)를 연결하는 연결관(250)에는 제3열교환기(220)와 제2팽창밸브(240)를 연결하는 분기관(260)이 분기되고, 연결관(250)과 분기관(260)에는 제3,4밸브(251,261)가 설치된다. 즉, 제3,4밸브(251,261)는 서로 반대로 개폐되도록 제어되며, 제3밸브(251)가 개방되면 전술한 것처럼, 물과 2차 냉매의 열교환이 이루어지고, 제4밸브(261)가 개방되면 제3열교환기(220)에서 토출된 2차 냉매가 제5열교환기(320)를 거치지 않고 바로 제2팽창밸브(240)에 공급되어 물과 2차 냉매는 제4열교환기(230)에서만 열교환된다.2 is another example of the present invention, the secondary refrigerant discharged from the
제3,4밸브(2551,261)의 제어는 1차, 2차 냉매의 온도(온도센서에 의해 감지), 모드 선택(냉방, 급탕 등)에 따라 다양하게 이루어질 수 있고, 이는 당업자라면 충분히 실시가 가능하므로 구체적인 개폐 제어는 설명을 생략한다.
Control of the third and
본 발명에 의한 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템의 작용은 다음과 같다. The operation of the hot and cold water production system using a two-stage heat pump cycle with improved heat exchange according to the present invention is as follows.
1. 온수 생산(급탕 등)(도 1참고).1. Hot water production (hot water, etc.) (see Figure 1).
온수 모드를 선택하면 컨트롤러는 1차, 2차 히트펌프 사이클(100,200) 모두를 가동한다.When the hot water mode is selected, the controller runs both primary and secondary heat pump cycles (100, 200).
따라서, 1차 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 제1압축기(110) - 제1사방밸브 - 제1열교환기(응축기)(120) - 제1팽창밸브(140) - 제2열교환기(증발기)(130) - 제1압축기(110)를 연속 순환하면서 상변화된다.Accordingly, the primary refrigerant is the first compressor 110-the first four-way valve-the first heat exchanger (condenser) 120-the first expansion valve 140-the second heat exchanger of the primary
2차 냉매는 2차 히트펌프 사이클(200)의 제2압축기(210) - 제3열교환기(응축기)(220) - 제2팽창밸브(240) - 제4열교환기(230) - 제2압축기(210)를 연속 순환하면서 상변화된다.The secondary refrigerant is the
이와 같이 1차/2차 히트펌프 사이클(100,200)이 가동하는 중에 1차 히트펌프 사이클(100)의 제2열교환기(증발기)(130)를 통과하는 1차 냉매는 외부 공기, 원수와 열교환한다.As such, the primary refrigerant passing through the second heat exchanger (evaporator) 130 of the primary
외부 공기나 원수와 열교환된 1차 냉매는 제1압축기(110)를 거쳐 제1열교환기(응축기)(120)를 통과하게 되며, 이때, 1차 냉매와 2차 냉매는 물을 통해 열교환이 이루어진다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 물 순환관(300)을 순환하는 물은 제1열교환기(120)를 통과하면서 1차 냉매의 열을 회수하고, 이어서, 제4열교환기(230)를 통과하면서 1차 냉매에서 회수한 열을 2차 냉매에 빼앗기며, 이와 같이 물이 물 순환관(300)을 통해 제1열교환기(120) - 제4열교환기(230)를 연속 순환하면서 1차 냉매의 열원을 2차 냉매에 전달하는 것이며, 이 과정을 통해 1차 냉매는 응축되고 2차 냉매는 증발된다.The primary refrigerant heat-exchanged with external air or raw water passes through the first heat exchanger (condenser) 120 through the
1차 냉매와 열교환된 2차 냉매는 제2압축기(210)를 거쳐 제3열교환기(220)를 통과하게 된다. 제3열교환기(220)를 흐르는 2차 냉매는 공급수와 열교환하여 응축되며, 공급수는 가열되어 온수가 생산된다.The secondary refrigerant exchanged with the primary refrigerant passes through the
이하, 본 발명에 적용된 제5열교환기(320)에 의한 작용을 구체적으로 설명하면, 제5열교환기(320)에서는 물[제4열교환기(230)에서 토출되어 제1열교환기(120)에 유입되는 물]과 2차 냉매[제3열교환기(220)에서 토출되어 제2팽창밸브(240)에 유입되는 2차 냉매]가 열교환된다. 이때, 제3열교환기(220)에서 토출된 고온 상태의 2차 냉매는 상대적으로 저온인 물[제4증발기(230)를 통과하는 2차 냉매에 열을 빼앗겨 온도가 낮아짐]과 열교환되어 팽창효율이 향상됨으로써 제4열교환기(230)를 통과하면서 물과[제1열교환기(120)에서 토출된 후 제4열교환기(230)에 유입되는 물]의 열교환 효율을 높이게 되므로 제3열교환기(220)에 공급되는 2차 냉매의 온도를 고온으로 승온시킨다. 결과적으로 온수 탱크(1)의 원수는 2차 냉매의 고온의 열을 회수하여 고온의 온수로 생산되는 것이다.Hereinafter, the operation of the
냉방 모드가 선택되지 않고 급탕용 등 온수 모드가 선택되면, 제1밸브(331)는 폐쇄되고 제2밸브(332)는 개방되어 물은 실내 냉방기(400)에 공급되지 않는다.
When the cooling mode is not selected and the hot water mode such as the hot water supply is selected, the
2. 냉방모드시.2. In cooling mode.
가. 냉방과 온수 생산(도 3참고).end. Cooling and hot water production (see Figure 3).
하절기에 냉방 모드를 선택하면, 컨트롤러는 2차 히트펌프 사이클(200)만 가동시키고 1차 히트펌프 사이클(100)은 정지시킨다.When the cooling mode is selected in the summer, the controller starts only the secondary
따라서, 물 순환관(300)을 흐르는 물은 제4열교환기(증발기)(230)를 2차 냉매에 열을 빼앗겨 저온으로 낮아진 후 실내 냉방기(400)에 공급되고, 실내 냉방기(400)를 통과하는 저온의 물은 실내에 공급되는 공기와 열교환되어 공기의 온도를 낮춰 실내가 냉방되도록 한다.Therefore, the water flowing through the
이때, 2차 히트펌프 사이클(200)의 제3열교환기(230)는 응축기로서 고온의 2차 냉매가 통과하므로 온수를 생산한다.At this time, the
제3,4밸브(251,261)가 적용되지 않은 경우 제4열교환기(230)를 통과하면서 2차 냉매와 열교환된 물이 제3열교환기(220)에서 토출된 2차 냉매와 열교환하여 약간의 효율이 떨어질 수 있다.When the third and
제3,4밸브(251,261)가 적용된 경우 2차 냉매는 제5열교환기(320)를 거치지 않고 제2팽창밸브(240)에 공급되므로, 물은 제4열교환기(230)에서 2차 냉매와 열교환된다.
When the third and
나. 냉방.I. cooling.
냉방 모드가 선택된 상태에서 2차 히트펌프 사이클(200)이 먼저 가동하여, 전술한 것처럼 실내를 냉방하면서 온수를 생산하며, 컨트롤러는 온도센서(2)와 수위센서(3)를 통해 온수 탱크(1)에 저장된 온수의 온도와 양을 실시간으로 확인하며, 온수 탱크(1)에 적정 온도 및/또는 적정량의 온수가 저장되면, 2차 히트펌프 사이클(200)을 정지시키고 1차 히트펌프 사이클(100)을 가동시킨다.(도 4참고)The secondary
따라서, 1차 히트펌프 사이클(100)은 1차 냉매를 온수 생산시와 반대로 순환시켜 제1열교환기(120)가 증발기가 된다. 물 순환관(300)의 물은 제1열교환기(120)를 흐르는 저온의 1차 냉매와 열교환하여 온도가 낮아진 후 실내 냉방기(400)에 공급된다.
Therefore, the primary
1 : 온수탱크, 2 : 온도센서
100 : 1차 히트펌프 사이클, 110,210 : 제1,2압축기
120,130,220,230,320 : 제1 내지 제5열교환기,
140,240 : 제1,2팽창밸브, 300 : 물순환관
310 : 펌프, 1: hot water tank, 2: temperature sensor
100: 1st heat pump cycle, 110, 210: 1st, 2nd compressor
120, 130, 220, 230, 320: the first to fifth heat exchanger,
140,240: 1st, 2nd expansion valve, 300: water circulation pipe
310: pump,
Claims (4)
2차 냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(210), 상기 압축기를 통해 압축된 2차 냉매를 응축하는 제3열교환기(220), 상기 제3열교환기(220)를 통해 응축된 2차 냉매를 감압하는 제2팽창밸브(240), 상기 팽창밸브에 의해 팽창된 2차 냉매를 증발시키는 제4열교환기(230)로 이루어진 2차 히트펌프 사이클(200)과;
상기 2차 히트펌프 사이클의 제3열교환기를 흐르는 2차 냉매의 열을 회수하여 온수를 저장하는 온수 탱크(1)와;
상기 1차 히트펌프 사이클의 제1열교환기(120)와 상기 2차 히트펌프 사이클의 제4열교환기(230)에 연속 순환하도록 연결되며 물을 통해 상기 1차 냉매의 열을 회수하여 상기 2차 냉매에 공급하는 물 순환관(300)과;
상기 2차 히트펌프 사이클(200)의 제3열교환기(220)와 상기 제2팽창밸브(240)의 사이에 설치되면서 상기 물 순환관(300)과 연결되어 상기 제3열교환기(220)에서 토출된 2차 냉매와 상기 제4열교환기(230)에서 토출된 물의 열교환을 유도함으로써 상기 물과 열교환된 2차 냉매를 상기 제2팽창밸브(240)에 공급하는 제5열교환기(320)를 특징으로 하는 열교환이 향상된 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 및 냉수 생산 시스템.The first compressor 110 for compressing the primary refrigerant at high temperature and high pressure, the first four-way valve for changing the direction of the refrigerant compressed by the first compressor, the primary refrigerant conveyed through the first four-way valve condensing or First expansion for reducing the primary refrigerant condensed through the first and second heat exchangers (120,130) and the first or second heat exchangers (120,130) to be evaporated and supplied to the second or first heat exchangers (130,120). A primary heat pump cycle (100) consisting of valves (140);
A second compressor 210 compressing the secondary refrigerant at high temperature and high pressure, a third heat exchanger 220 condensing the secondary refrigerant compressed through the compressor, and a secondary condensed through the third heat exchanger 220 A second heat pump cycle (200) comprising a second expansion valve (240) for reducing the refrigerant, and a fourth heat exchanger (230) for evaporating the secondary refrigerant expanded by the expansion valve;
A hot water tank (1) for recovering heat of the secondary refrigerant flowing through the third heat exchanger of the secondary heat pump cycle to store hot water;
Connected to the first heat exchanger 120 of the primary heat pump cycle and the fourth heat exchanger 230 of the secondary heat pump cycle, and recovers heat of the primary refrigerant through water to recover the secondary heat. A water circulation pipe 300 for supplying the refrigerant;
While installed between the third heat exchanger 220 and the second expansion valve 240 of the secondary heat pump cycle 200 is connected to the water circulation pipe 300 in the third heat exchanger 220 By inducing heat exchange between the discharged secondary refrigerant and the water discharged from the fourth heat exchanger 230, the fifth heat exchanger 320 for supplying the secondary refrigerant heat-exchanged with the water to the second expansion valve 240 is provided. Hot and cold water production system using an improved heat exchanger two-stage heat pump cycle.
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