KR101194319B1 - 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수열원 히트펌프장치의 증발기와 응축기를 통해 냉수와 온수를 동시에 생산하고, 상기 냉수와 온수를 축냉 탱크와 축열 탱크에 저장하는데, 상기 축냉 탱크 또는 축열 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하가 발생시, 과부하된 열원을 보조열원 히트펌프장치를 통해 지중에 방열하여 안정화시키고, 상기 보조열원 히트펌프장치의 방열에 한계점에 도달되면 과부하된 열원을 공기열원 히트펌프장치를 통해 외부 공기와 열교환하여 과부하된 축냉 탱크 또는 축열 탱크가 안정화되며, 그로 인해 전체적인 시스템의 효율 및 냉,난방에 필요한 냉수, 온수 생산이 원활한 특징이 있다.

Description

냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치{Hybrid of Heat pump system}
본 발명은 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수열원 히트펌프장치의 증발기와 응축기를 통해 냉수와 온수를 동시에 생산하고, 상기 냉수와 온수를 축냉 탱크와 축열 탱크에 저장하는데, 상기 축냉 탱크 또는 축열 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하가 발생시, 과부하된 열원을 보조열원 히트펌프장치를 통해 지중에 방열하여 안정화시키고, 상기 보조열원 히트펌프장치의 방열에 한계점에 도달되면 과부하된 열원을 공기열원 히트펌프장치를 통해 외부 공기와 열교환하여 과부하된 축냉 탱크 또는 축열 탱크가 안정화되며, 그로 인해 전체적인 시스템의 효율 및 냉,난방에 필요한 냉수, 온수 생산이 원활한 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치에 관한 것이다.
일반적으로 지열이나 대기열을 이용하여 냉난방을 하기 위하여 개발된 지열히트펌프, 대기열히트펌프가 건물의 냉난방에 활용되고 있다.
상기에 사용되는 지열 또는 대기열히트펌프에 대하여 간략하게 살펴보면, 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어올리도록 구성되어 있어 일반적으로 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질과는 반대이다.
이러한 지열 또는 대기열히트펌프는 최초에 냉장고, 냉동고, 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었다.
그러나 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원(熱源)을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다.
상기 히트 펌프식 냉ㆍ난방장치는 압축기, 4방밸브, 실내 열교환기, 감압기구, 실외 열교환기를 도관으로 순서대로 연결되는 시스템이다.
상기 요청에 부응하기 위한 히트 펌프식 냉ㆍ난방장치와 히트 펌프 시스템이 특허 제 367176호 및 특허 제486095호 공보에 각각 개시되어 있다.
그러나, 일반적인 히트 펌프식 냉ㆍ난방장치와 히트 펌프 시스템은 축열되는 축열조의 과부하시, 전체의 작동을 일시정지하고, 과부하를 해소/안정화시킨 뒤, 재작동하는 등 과부하에 대한 조치가 미흡하여 전체적인 시스템의 효율이 떨어지고, 냉,난방에 필요한 냉수, 온수 생산에 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
수열원 히트펌프장치의 증발기와 응축기를 통해 냉수와 온수를 동시에 생산하고, 상기 냉수와 온수를 축냉 탱크와 축열 탱크에 저장하는데, 상기 축냉 탱크 또는 축열 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하가 발생시, 과부하된 열원을 보조열원 히트펌프장치를 통해 지중에 방열하여 안정화시키고, 상기 보조열원 히트펌프장치의 방열에 한계점에 도달되면 과부하된 열원을 공기열원 히트펌프장치를 통해 외부 공기와 열교환하여 과부하된 축냉 탱크 또는 축열 탱크가 안정화되며, 그로 인해 전체적인 시스템의 효율 및 냉,난방에 필요한 냉수, 온수 생산이 원활한 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 동절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로, 하절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로 변환되는 제 1 저장탱크와;
상기 제 1 저장탱크보다 용량이 작고, 동절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로, 하절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로 변환되는 제 2 저장탱크와;
응축기를 통해 열교환된 고온수가 생산되어 축열 탱크에 전달되고, 동시에 증발기를 통해 열교환된 저냉수가 생산되어 축냉 탱크에 전달되는 수열원 히트펌프장치와;
상기 수열원 히트펌프장치와 제 1 저장탱크가 공급관과 회수관으로 연결되고, 상기 수열원 히트펌프장치와 제 2 저장탱크가 공급관과 회수관으로 연결되도록 형성되는 다수개의 메인관과;
상기 수열원 히트펌프장치의 가동에도 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 과하여 부하가 발생시, 메인관에 연결된 보조열원 열교환기를 통해 지열 또는 폐열에 과부하 열원을 방열하는 보조열원 히트펌프장치와;
상기 보조열원 히트펌프장치에 설정된 온도 이상으로 과부하시, 작동하여 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 전달되어 외부 공기와 열교환되는 공기열원 히트펌프장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치는 수열원 히트펌프장치의 증발기와 응축기를 통해 냉수와 온수를 동시에 생산하고, 상기 냉수와 온수를 축냉 탱크와 축열 탱크에 저장하는데, 상기 축냉 탱크 또는 축열 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하가 발생시, 과부하된 열원을 보조열원 히트펌프장치를 통해 지중에 방열하여 안정화시키고, 상기 보조열원 히트펌프장치의 방열에 한계점에 도달되면 과부하된 열원을 공기열원 히트펌프장치를 통해 외부 공기와 열교환하여 과부하된 축냉 탱크 또는 축열 탱크가 안정화되며, 그로 인해 전체적인 시스템의 효율 및 냉,난방에 필요한 냉수, 온수 생산이 원활한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉,온수 동시생산 운전을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉,온수 공급 운전을 나타낸 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉방 열원 부족시의 운전을 나타낸 개략도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 난방 열원 부족시의 운전을 나타낸 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공기열원 히트펌프장치의 운전을 나타낸 개략도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 동절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로, 하절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로 변환되는 제 1 저장탱크와;
상기 제 1 저장탱크보다 용량이 작고, 동절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로, 하절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로 변환되는 제 2 저장탱크와;
응축기를 통해 열교환된 고온수가 생산되어 축열 탱크에 전달되고, 동시에 증발기를 통해 열교환된 저냉수가 생산되어 축냉 탱크에 전달되는 수열원 히트펌프장치와;
상기 수열원 히트펌프장치와 제 1 저장탱크가 공급관과 회수관으로 연결되고, 상기 수열원 히트펌프장치와 제 2 저장탱크가 공급관과 회수관으로 연결되도록 형성되는 다수개의 메인관과;
상기 수열원 히트펌프장치의 가동에도 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 과하여 부하가 발생시, 메인관에 연결된 보조열원 열교환기를 통해 지열 또는 폐열에 과부하 열원을 방열하는 보조열원 히트펌프장치와;
상기 보조열원 히트펌프장치에 설정된 온도 이상으로 과부하시, 작동하여 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 전달되어 외부 공기와 열교환되는 공기열원 히트펌프장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 냉,온수 동시생산 운전을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 냉,온수 공급 운전을 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 냉방 열원 부족시의 운전을 나타낸 개략도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 난방 열원 부족시의 운전을 나타낸 개략도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공기열원 히트펌프장치의 운전을 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치는 제 1 저장탱크(10)와, 제 2 저장탱크(20)와, 수열원 히트펌프장치(30)와, 다수개의 메인관(40)과, 보조열원 히트펌프장치(50)와, 공기열원 히트펌프장치(60)로 구성된다.
상기 제 1 저장탱크(10)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 동절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로 형성되고, 하절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로 형성되는데, 계절에 따라 축열 탱크와 축냉 탱크로 변환된다.
상기 제 2 저장탱크(20)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 동절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로 형성되고, 하절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로 형성되는데, 계절에 따라 축열 탱크와 축냉 탱크로 변환된다. 이때, 상기 제 2 저장탱크(20)는 제 1 저장탱크(10)의 용량보다 작게 설계되어 있다.
여기서, 상기 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)에는 도 1과 도 2에서처럼, 메인관(40)과 연결되는 상부더블디퓨저(70)와 하부더블디퓨저(80)가 각각 내부에 형성되고, 상기 상부더블디퓨저(70)와 하부더블디퓨저(80)를 통해 열원이 유입/배출됨으로써, 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)의 내부가 성층화가 이루어지며, 상기 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)에는 내부에 저장된 온수 또는 냉수의 온도를 측정하는 다수개의 온도센서(90)가 설치된다.
또한, 상기 온도센서(90)는 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)의 수직 길이방향으로 다수개가 소정간격으로 이격되어 설치됨으로써, 저장 높이별로 온도가 측정되고, 측정된 온도가 제어부(미도시)에 전달되어 제어부에서는 설정된 값에 의해 전체적인 히트펌프장치를 제어하는 것이다.
그리고, 상기 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)에는 내부에 저장되어 순환되는 온수/냉수의 시수가 부족한 것을 방지하도록 외부에서 시수관이 내부까지 연결된다.
한편, 상기 상부더블디퓨저(70)와 하부더블디퓨저(80)는 더블구조로 형성되어 메인관(40)의 공급관(41)과 회수관(42)이 연결되면서 온수/냉수의 사용처와 연결되는 냉,온수헤더(170,180)와도 관으로 연결된다.
여기서, 상기 축냉 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 냉수 사용처와 연결되는 냉수 헤더(170) 사이에는 축냉 탱크에 저장된 냉수를 냉수 헤더(170)에 이송시키는 방냉 펌프(130)가 연결 설치되고, 상기 축열 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 온수 사용처와 연결되는 온수 헤더(180) 사이에는 축열 탱크에 저장된 온수를 온수 헤더(180)에 이송시키는 방열 펌프(140)가 연결 설치된다.
그리고, 상기 냉수 헤더(170)는 도 3에서처럼, 사용처에서 사용된 냉수가 다시 축냉 탱크에 전달되도록 축냉 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 관에 의해 연결되고, 상기 냉수 헤더(170)와 축냉 탱크의 상부더블디퓨저(70) 사이에 연결되는 관의 일단부에 별도의 관이 분기되어 축냉 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 냉수 헤더(170) 사이에 연결되는 관에 삼방밸브(CV3)에 의해 연결됨으로써, 사용처에서 사용된 고온 냉수의 일부가 상기 방냉 펌프(130)에 의해 사용처에 이송되는 냉수와 믹싱되어 설정된 냉수온도로 유지된다.
또한, 상기 온수 헤더(180)는 도 3에서처럼, 사용처에서 사용된 온수가 다시 축열 탱크에 전달되도록 축열 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 관에 의해 연결되고, 상기 온수 헤더(180)와 축열 탱크의 하부더블디퓨저(80) 사이에 연결되는 관의 일단부에 별도의 관이 분기되어 축열 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 온수 헤더(180) 사이에 연결되는 관에 삼방밸브(CV4)에 의해 연결됨으로써, 사용처에서 사용된 저온 온수의 일부가 상기 방열 펌프(140)에 의해 사용처에 이송되는 온수와 믹싱되어 설정된 온수온도로 유지된다.
상기 수열원 히트펌프장치(30)는 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 메인관(40)에 의해 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)에 각각 연결되고, 내부가 냉매 순환에 따라 온수에 필요한 열원을 생산하는 응축기(미도시)와 냉수에 필요한 열원을 생산하는 증발기(미도시)가 구성되며, 그 이외에 구성품은 일반적인 수열원 히트펌프와 유사하기에 별도의 기술은 더 하지 않는다.
여기서, 상기 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기를 통해 열교환된 고온수가 생산되어 축열 탱크에 전달되고, 동시에 증발기를 통해 열교환된 저냉수가 생산되어 축냉 탱크에 전달되는 것이다.
상기 메인관(40)은 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 수열원 히트펌프장치(30)와 제 1 저장탱크(10) 및 제 2 저장탱크(20)에 각각 연결되는 2개의 공급관(41)과 2개의 회수관(42)으로 형성되고, 상기 제 1 저장탱크(10) 및 제 2 저장탱크(20)에 온수/냉수를 공급하는 공급관(41)은 일단부에 별도의 공급관(41)이 분기되어 상부더블디퓨저(70)와 하부더블디퓨저(80)에 연결되며, 각 공급관(41)에 밸브(V1,V2,V3,V4)가 각각 설치됨으로써, 계절에 따라 축열 탱크와 축냉 탱크로 변환이 가능하다.(변환되는 시스템은 이하에서 기술한다.)
여기서, 상기 제 1 저장탱크(10) 및 제 2 저장탱크(20)에 연결되는 2개의 회수관(42)에는 각각 상기 수열원 히트펌프장치(30)의 증발기에 축냉 탱크의 고온 냉수를 이송시키는 축냉 펌프(110)와, 상기 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기에 축열 탱크의 저온 온수를 이송시키는 축열 펌프(120)가 설치된다.
이때, 상기 축냉 펌프(110)와 연결된 회수관(42) 일단부와 축열 펌프(120)와 연결되는 회수관(42) 일단부에는 각각 별도의 관이 분기되어 축냉 탱크 및 축열 탱크에 연결되는 공급관(41)에 연결되고, 상기 회수관(42)에서 분기된 부위에 삼방밸브(CV1,CV2)가 각각 설치됨으로써, 공급관(41)의 일부 열원(고온 온수/저온 냉수)이 회수관(42)의 열원(저온 온수/고온 냉수)과 믹싱되어 회수관(42)의 열원을 설정한 온도로 유지시켜 수열원 히트펌프장치(30)에 전달한다.
상기 보조열원 히트펌프장치(50)는 도 1과 도 4 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 수열원 히트펌프장치(30)의 가동에도 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 과하여 부하가 발생시, 메인관(40)에 연결된 보조열원 열교환기(51)를 통해 지중에 과부하 열원을 방열하는 히트펌프장치이다. 이때, 상기 지중의 지열과 열교환하여 과부하 열원을 방열하던가 저장된 폐열과 열교환하여 과부하 열원을 방열하는 등 다양한 보조열원과 열교환된다.(이하에서는 지열 위주로 기술하지만 폐열 등도 포함되는 것이다.)
여기서, 상기 보조열원 열교환기(51)는 일측이 메인관(40)의 회수관(42)과 연결되고, 과부하의 열원이 이송되어 지중의 열원과 열교환되며, 상기 열교환되어 과부하에서 안정된 열원은 축냉 펌프(110)와 축열 펌프(120)에 각각 연결 전달되도록 별도의 관이 분기되고, 상기 2개의 관에는 전자밸브(MV3,MV4)가 각각 설치되어 제어부에 의해 제어된다. 이때, 상기 메인관(40)의 회수관(42)과 보조열원 열교환기(51) 사이를 연결하는 관에는 과부하 열원을 이송시키는 보조열원 열교환순환펌프(100)가 설치된다.
그리고, 상기 메인관(40)의 회수관(42)과 보조열원 열교환순환펌프(100) 사이에 연결되는 관은 별도의 관이 분기되어 2개의 회수관(42)에 각각 연결되고, 상기 2개의 관에는 전자밸브(MV1,MV2)가 각각 설치되어 제어부에 의해 제어된다.
또한, 상기 보조열원 열교환기(51)의 타측은 지중에 타공 설치된 다수개의 열교환관과 연결되어 과부하 열원을 지중에 방열(방냉)하고, 열교환된 열원이 이송되도록 보조열원 순환펌프(150)가 더 설치된다.
상기 공기열원 히트펌프장치(60)는 도 1과 도 6에 도시한 바와 같이, 보조열원 히트펌프장치(50)에 설정된 온도 이상으로 과부하시, 작동하여 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 전달되어 외부 공기와 열교환되는 히트펌프장치이다.
여기서, 상기 공기열원 히트펌프장치(60)는 대류식 열교환기, 대향식 열교환기 등 다양한 열교환기가 사용된다.
그리고, 상기 공기열원 히트펌프장치(60)는 메인관(40)과 연결되어 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하된 열원이 이송되도록 이송관(61)과 리턴관(62)이 형성되고, 상기 이송관(61)과 리턴관(62) 사이에는 삼방밸브(CV5)에 의해 연결되는 연결관(63)이 형성되며, 상기 연결관(63)을 통해 과부하의 열원 일부가 공기열원 히트펌프장치(60)에서 열교환되어 부하가 안정된 열원과 믹싱되어 설정된 열원온도로 유지된다.
또한, 상기 이송관(61)은 메인관(40)의 회수관(42)에 연결되되, 2개의 회수관(42)에 맞춰 일단부에 관이 분기되어 연결되고, 상기 2개의 이송관(61)에는 전자밸브(MV5,MV6)이 각각 설치되어 제어부에 의해 제어된다.
한편, 상기 리턴관(62)은 메인관(40)의 공급관(41)에 연결되되, 2개의 공급관(41)에 맞춰 일단부에 관이 분기되어 연결되고, 상기 2개의 리턴관(62)에는 전자밸브(MV7,MV8)이 각각 설치되어 제어부에 의해 제어된다.
이하에서는 상기에 기술된 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치의 운전방법에 대해 도 2 내지 도 6을 참고하여 간략히 기술한다.
1. 축열,축냉 냉,온수 동시 생산 운전시, 축열 탱크의 하부더블디퓨저(80)에서 저온수의 온수를 축열 펌프를 가동하여 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기로 보내 온도를 상승시켜고, 밸브(v3)를 개방함으로써, 고온수는 축열 탱크 내의 상부더블디퓨저(70)로 이송되어 내부가 축열되고, 동시에 축냉 탱크 상부의 고냉수를 축냉 펌프에 의해 수열원 히트펌프장치(30)의 증발기로 보내 온도가 낮아진 뒤, 밸브(V1)를 개방함으로써, 저냉수는 축냉 탱크 내의 하부더블디퓨저(80)로 이송되어 내부가 축냉된다.
2. 축열 탱크에 열원은 100%로 채워지고, 축냉 탱크 열원이 부족시 운전은 축열 탱크에 온수 온도가 100% 도달하면 수열원 히트펌프장치(30)가 가동이 불가하므로 가동을 하기 위하여 축열 탱크의 온수를 떨어뜨려 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기로 보내야 한다. 이때 전자밸브(MV1)와 전자밸브(MV3)를 열고 보조열원 열교환순환펌프(100)와, 보조열원 순환펌프(150)를 가동하고, 축냉 펌프는 정지하여 축열 탱크의 과열된 온수를 지열관을 순환하여 지중에 방열함으로써, 온도가 낮아진 뒤, 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기로 보내어 수열원 히트펌프장치(30)를 지속적으로 가동된다. 이때, 부족한 냉수는 증발기를 통하여 생산하며 축냉 탱크에 열원 충족시까지 냉수를 생산하고 열원 충족시 수열원 히트펌프장치(30)는 정지된다.
3. 축냉 탱크에 열원은 100%로 채워지고, 축열 탱크 열원이 부족시 운전은 축냉 탱크의 냉수 온도가 100% 도달하면 수열원 히트펌프장치(30)가 가동이 불가하므로 가동을 하기 위하여 축냉 탱크의 냉수를 상승시켜 수열원 히트펌프장치(30)의 증발기로 보내야 한다. 이때, 전자밸브(MV2)와 전자밸브(MV4)를 개방하고, 보조열원 열교환순환펌프(100)와, 보조열원 순환펌프(150)를 가동하며, 축냉 펌프는 정지하여 축냉 탱크의 냉수를 지열관을 순환하여 온도를 상승시켜 수열원 히트펌프장치(30)의 증발기로 보내어 수열원 히트펌프장치(30)를 지속적으로 가동하여 부족한 온수는 응축기를 통하여 생산하며 축열 탱크에 온수가 충족시까지 온수를 생산하고, 열원 충족시 수열원 히트펌프장치(30)는 정지한다.
4. 보조열원 히트펌프장치(50)를 가동하고도 하절기(여름) 냉수 부하가 부족시 운전은 보조열원 히트펌프장치(50)도 가동할 수 있으며 방냉부하가 많아 냉수를 생산하여야 하므로 이때에는 축냉 탱크의 온도센서(90)에 온도를 설정하고, 상기 온도 설정 도달시 공기열원 히트펌프장치(60) 측의 전자밸브(MV6)와 전자밸브(MV8)을 개방하며, 순환펌프(160)를 가동하여 축냉 탱크 상부의 물을 공기열원 히트펌프장치(60)에서 냉방운전모드로 가동하여 증발기로 고온의 냉수를 통과함으로써, 저온의 냉수를 생산하는데 삼방밸브(CV5)를 활용하여 설정된 냉수를 생산하여 축냉 탱크의 하부로 유입시켜 축냉한다.
5. 보조열원 히트펌프장치(50)를 가동하고도 동절기(겨울) 온수 부하가 부족시 운전은 보조열원 히트펌프장치(50)도 가동할 수 있으며 방열부하가 많아 온수를 생산하여야 하므로 이때에는 축열 탱크의 온도센서(90)에 온도를 설정하고, 상기 온도 설정 도달시 공기열원 히트펌프장치(60) 측의 전자밸브(MV5)과 전자밸브(MV7)를 개방하며, 순환펌프(160)를 가동하여 축열 탱크 하부의 물을 공기열원 히트펌프장치(60)에서 난방운전모드로 가동하여 응축기로 저온의 온수를 통과함으로써, 고온의 온수를 생산하는데 삼방밸브(CV5)를 활용하여 설정된 온수를 생산하여 축열 탱크의 상부로 유입시켜 축열한다.
6. 하절기(여름)운전에서 동절기(겨울)운전으로 전환시 운전은 부하의 특성상 여름에는 축냉 탱크의 용량이 크고 축열 탱크의 용량이 작고, 부하도 계절별로 부하변동이 크므로 축열를 축냉 탱크로 전환, 축냉 탱크를 축열 탱크로 전환하는데 이때, 여름에는 밸브(V1.V3)를 차단하고, 밸브(V2.V4)는 개방하여 전환 사용한다.
7. 부하 방냉 운전은 방냉 펌프(130)를 가동하여 부하측(사용처, 공조기, FCU 등)에 냉수를 보내며 삼방밸브(CV3)에 의해 방냉 온도를 약 10도 정도로 설정시 축냉 탱크 하부의 냉수(약 7도)를 부하로 공급하고, 리턴수 약 12도로 환수시 삼방밸브(CV3)를 통하여 축냉 탱크 하부의 7도 냉수와 환수의 12도 냉수를 상호 믹싱하여 일정하게 냉수를 공급한다.
8. 부하 방열 운전은 방열 펌프(140)를 가동하여 부하측(사용처, 공조기, 온수 등)에 온수를 보내며 삼방밸브(CV4)에 의해 방열 온도를 약 50도 정도로 설정시, 축열 탱크 상부의 온수(약 55도)를 부하로 공급하고, 리턴수(약 45도) 환수시, 삼방밸브(CV4)를 통하여 축열 탱크 상부의 55도 온수와 환수의 45도 온수를 상호 믹싱하여 일정하게 온수를 공급한다.
9. 하이브리드 냉,난방 시스템 운전은 자동제어에 의해 자동으로 전환 및 설정에 의하여 가동 및 정지를 할 수 있고. 운전모드(하절기,동절기) 전환시 자동으로 전환 및 가동한다.
10. 부하가 냉방, 난방이 축열,축냉 탱크 온도에 의하여 냉,난방이 전환되면서 지열의 온도가 자동으로 복구되어 지열관의 휴면시간 없이 복구되어 수열원 히트펌프장치(30)를 지속 가동할 수 있다.
10 : 제 1 저장탱크 20 : 제 2 저장탱크
30 : 수열원 히트펌프장치 40 : 메인관
50 : 보조열원 히트펌프장치 60 : 공기열원 히트펌프장치
70 : 상부더블디퓨저 80 : 하부더블디퓨저
90 : 온도센서 100 : 보조열원 열교환순환펌프
110 : 축냉 펌프 120 : 축열 펌프
130 : 방냉 펌프 140 : 방열 펌프
150 : 보조열원 순환펌프 160 : 순환 펌프
170 : 냉수 헤더 180 : 온수 헤더

Claims (5)

  1. 동절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로, 하절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로 변환되는 제 1 저장탱크(10)와;
    상기 제 1 저장탱크(10)보다 용량이 작고, 동절기에는 냉수가 내부에 축열되는 축냉 탱크로, 하절기에는 온수가 내부에 축열되는 축열 탱크로 변환되는 제 2 저장탱크(20)와;
    응축기를 통해 열교환된 고온수가 생산되어 축열 탱크에 전달되고, 동시에 증발기를 통해 열교환된 저냉수가 생산되어 축냉 탱크에 전달되는 수열원 히트펌프장치(30)와;
    상기 수열원 히트펌프장치(30)와 제 1 저장탱크(10)가 공급관(41)과 회수관(42)으로 연결되고, 상기 수열원 히트펌프장치(30)와 제 2 저장탱크(20)가 공급관(41)과 회수관(42)으로 연결되도록 형성되는 다수개의 메인관(40)과;
    상기 수열원 히트펌프장치(30)의 가동에도 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 과하여 부하가 발생시, 메인관(40)에 연결된 보조열원 열교환기(51)를 통해 지열 또는 폐열에 과부하 열원을 방열하는 보조열원 히트펌프장치(50)와;
    상기 보조열원 히트펌프장치(50)에 설정된 온도 이상으로 과부하시, 작동하여 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크의 열원이 전달되어 외부 공기와 열교환되는 공기열원 히트펌프장치(60)와;
    상기 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)의 회수관(42)인 메인관(40)과, 상기 보조열원 히트펌프장치(50)의 보조열원 열교환기(51) 사이에 연결 설치되어 과부하 열원을 이송시키는 보조열원 열교환순환펌프(100)와;
    상기 축냉 탱크의 회수관(42)인 메인관(40)과, 상기 수열원 히트펌프장치(30)의 증발기 사이에 연결 설치되어 축냉 탱크의 고온 냉수를 이송시키는 축냉 펌프(110)와;
    상기 축열 탱크의 회수관(42)인 메인관(40)과, 상기 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기 사이에 연결 설치되어 축열 탱크의 저온 온수를 이송시키는 축열 펌프(120)와;
    상기 축냉 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 냉수 사용처와 연결되는 냉수 헤더(170) 사이에 연결 설치되어 축냉 탱크에 저장된 냉수를 이송시키는 방냉 펌프(130)와;
    상기 축열 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 온수 사용처와 연결되는 온수 헤더(180) 사이에 연결 설치되어 축열 탱크에 저장된 온수를 이송시키는 방열 펌프(140);를 포함하여 구성되고,
    상기 메인관(40)의 회수관(42)과 보조열원 열교환순환펌프(100) 사이에 연결되는 관은 별도의 관이 분기되어 2개의 회수관(42)에 각각 연결되고, 상기 2개의 관에는 전자밸브(MV1,MV2)가 각각 설치되며, 상기 보조열원 열교환기(51)는 일측이 메인관(40)의 회수관(42)과 연결되고, 과부하의 열원이 이송되어 지중의 열원과 열교환되며, 상기 열교환되어 과부하에서 안정된 열원은 축냉 펌프(110)와 축열 펌프(120)에 각각 연결 전달되도록 별도의 관이 분기되고, 상기 2개의 관에는 전자밸브(MV3,MV4)가 각각 설치됨으로써, 축냉 탱크 열원이 부족시, 축열 탱크에 온수 온도가 100% 도달하면 수열원 히트펌프장치(30)가 가동이 불가하므로 가동을 하기 위하여 축열 탱크의 온수를 떨어뜨려 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기로 보내야하는데, 상기 전자밸브(MV1)와 전자밸브(MV3)를 열고 보조열원 열교환순환펌프(100)와, 보조열원 순환펌프(150)를 가동하고, 축냉 펌프는 정지하여 축열 탱크의 과열된 온수를 지열관을 순환하여 지중에 방열하여 온도가 낮아진 뒤, 수열원 히트펌프장치(30)의 응축기로 보내어 수열원 히트펌프장치(30)를 지속적으로 가동하며,
    상기 공기열원 히트펌프장치(60)는 메인관(40)과 연결되어 축열 탱크 또는 축냉 탱크 중 어느 한 탱크에서 과부하된 열원이 이송되도록 이송관(61)과 리턴관(62)이 형성되고, 상기 이송관(61)과 리턴관(62) 사이에는 삼방밸브에 의해 연결되는 연결관(63)이 형성되며, 상기 연결관(63)을 통해 과부하의 열원 일부가 공기열원 히트펌프장치(60)에서 열교환되어 부하가 안정된 열원과 믹싱되어 설정된 열원온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 저장탱크(10)와 제 2 저장탱크(20)에는 메인관(40)과 연결되는 상부더블디퓨저(70)와 하부더블디퓨저(80)가 각각 형성되어 성층화가 이루어지고, 내부에 저장된 온수 또는 냉수의 온도를 측정하는 다수개의 온도센서(90)가 설치되는 것을 특징으로 하는 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉수 헤더(170)는 사용처에서 사용된 냉수가 다시 축냉 탱크에 전달되도록 축냉 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 관에 의해 연결되고, 상기 냉수 헤더(170)와 축냉 탱크의 상부더블디퓨저(70) 사이에 연결되는 관의 일단부에 별도의 관이 분기되어 축냉 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 냉수 헤더(170) 사이에 연결되는 관에 삼방밸브에 의해 연결됨으로써, 사용처에서 사용된 고온 냉수의 일부가 상기 방냉 펌프(130)에 의해 사용처에 이송되는 냉수와 믹싱되어 설정된 냉수온도로 유지되며,
    상기 온수 헤더(180)는 사용처에서 사용된 온수가 다시 축열 탱크에 전달되도록 축열 탱크의 하부더블디퓨저(80)와 관에 의해 연결되고, 상기 온수 헤더(180)와 축열 탱크의 하부더블디퓨저(80) 사이에 연결되는 관의 일단부에 별도의 관이 분기되어 축열 탱크의 상부더블디퓨저(70)와 온수 헤더(180) 사이에 연결되는 관에 삼방밸브에 의해 연결됨으로써, 사용처에서 사용된 저온 온수의 일부가 상기 방열 펌프(140)에 의해 사용처에 이송되는 온수와 믹싱되어 설정된 온수온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 냉,난방용 하이브리드 히트펌프장치.
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