KR101200645B1 - 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법 - Google Patents

가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우, 실외기(증발기)에서 냉매가 응축되는 현상이 일어나지 않도록 실외기의 팬을 제어할 수 있도록 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 난방 운전시에 실외기에 설치된 외기 온도 검출부를 통해 외기의 온도를 검출하고, 압축기의 입구에 설치된 압축기 입구 압력 검출부를 통해 압축기 입구의 압력을 검출한 후, 압축기 입구 압력 검출부에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응하는 냉매의 포화 온도와 외기 온도 검출부에서 검출된 외기 온도를 주기적으로 비교하여, 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 높으면, 실외기의 팬 운전을 정지시키고, 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 낮은 경우에는, 실외기의 팬을 운전시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우, 외기의 온도가 냉매의 포화 온도보다 낮아지게 되면 실외기의 팬 운전을 정지시킴으로써, 실외기(증발기)에서 냉매가 응축되지 않게 하여 시스템을 보다 안정적으로 운전할 수 있게 된다.

Description

가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING FAN OF OUTDOOR UNIT IN GAS HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우, 실외기(증발기)에서 냉매가 응축되는 현상이 일어나지 않도록 실외기의 팬을 제어할 수 있도록 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스 히트 펌프(Gas Heat Pump;이하, 'GHP'라 한다) 시스템 방식은 가스 터빈을 이용하는 방식과 가스 엔진을 이용한 방식이 주류를 이루고 있는데, 가스 터빈이나 가스 엔진의 구동력에 의해 압축기를 운전하여 난방(냉방)하는 방식으로, 일반 전기식 히트 펌프(Electric Heat Pump) 시스템 방식과 그 작동 원리는 비슷하나, 전기식 히트 펌프는 2차 에너지인 전기로 운전되고, GHP는 1차 에너지인 가스에 의해 구동된다는 점에 있어 큰 차이점이 있다.
이러한, GHP 시스템은 가스 엔진의 동력으로 구동되는 압축기에 의해 냉매를 실내기와 실외기 사이의 냉매 배관으로 흐르게 하여 액화와 기화를 반복시켜 여름에는 냉방 장치로 겨울에는 난방 장치로 이용한다.
도 1은 일반적인 GHP 시스템의 냉방 원리를 설명하기 위한 도로, 가스 엔진의 동력으로 구동되는 압축기에 의해 고온 고압의 기체 상태로 된 냉매는 실외기(응축기)에서 응축되면서 방열을 하고, 팽창 밸브를 지나면서 저온 저압의 액체 상태가 되어 실내기(증발기)로 유입되면 실내의 더운 공기로부터 증발열을 빼앗아 기화하면서 냉방을 하는 사이클이다.
도 2는 일반적인 GHP 시스템의 난방 원리를 설명하기 위한 도로, 4웨이 밸브(4way valve)에 의해 냉방 사이클과는 반대의 흐름을 갖는 냉매는 압축기에서 고온 고압의 기체 상태로 되어 실내기(응축기)로 유입되어 열을 방출하고, 팽창 밸브를 지나면서 저온 저압의 액체 상태가 되고, 실외기(증발기)에서 열을 빼앗아 기화하면서 난방을 하는 사이클이다.
전술한 바와 같이, GHP 시스템은 가스 엔진에 의해 구동되어 저온 저압의 냉매 과열 증기(R410A:단위 체적당의 냉매 능력이 높고 압력 손실이 적은 대체 냉매)를 응축이 용이하도록 고온 고압의 과열 증기로 압축하는 압축기를 장착한 실외기(냉방->응축기, 난방->증발기)와 실내기(냉방->증발기, 난방->응축기)를 구비하고, 응축기를 통하여 응축된 고온 고압의 액냉매를 증발이 용이하도록 저온 저압의 상태로 감압/팽창시키는 팽창 장치(팽창 밸브)를 구비하여 이루어진다.
또한, 실외기 및 실내기에 장착되어 있는 팬(Fan)은 공기의 유동을 원활하게 하기 위한 부품으로, 냉매와 공기의 열교환이 활발히 작동하는 공랭식 열펌프에 필수적인 요소이다.
특히, 증발기에서 작동하는 팬은 증발기의 냉매가 원활하게 증발하도록 공기를 불어내는 역할을 하며, 증발기의 냉매 포화 온도가 공기의 온도보다 낮은 경우에는(Tair>Tref, Tair:공기의 온도, Tref:냉매의 온도 혹은 포화 온도), 팬을 통해서 불어주는 공기와의 열교환을 통해 원활한 증발 작용 및 효과를 기대할 수 있다.
이에 따라, 동절기(겨울철)에 GHP 시스템을 이용하여 난방을 수행할 경우에는, 증발을 위해 실외기(증발기)의 팬을 운전하는 것이 일반적이지만, 외기 온도가 매우 낮은 경우에는 증발 압력(즉, 증발 냉매의 포화 액체 온도, 포화 기체 온도, 혹은 그 평균 온도)이 공기의 온도보다 높아서 본래의 목적인 증발 기능을 수행하지 못하고, 오히려 냉매가 응축되는 현상이 일어나게 된다.
이와 같이, 실외기(증발기)에서 냉매의 응축이 일어나면, 가스 히트 펌프 시스템의 압력은 더 내려가게 되어, 시스템을 손상시키게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우, 외기의 온도와 냉매의 포화 온도를 주기적으로 비교하여 외기의 온도가 냉매의 포화 온도보다 낮아지게 되면 실외기의 팬 운전을 정지시킴으로써, 실외기(증발기)에서 냉매가 응축되지 않도록 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치는, 가스 엔진에 의해 구동되어 저온 저압의 냉매를 응축이 용이하도록 고온 고압의 과열 증기로 압축하는 압축기를 장착한 실외기(냉방 시에는 응축기, 난방 시에는 증발기)와, 실내기(냉방 시에는 증발기, 난방 시에는 응축기)와, 상기 응축기를 통하여 응축된 고온 고압의 액냉매를 증발이 용이하도록 저온 저압의 상태로 감압 팽창시키는 팽창 장치를 포함하여 이루어지는 가스 히트 펌프 시스템에 있어서, 상기 실외기에 설치되어 외기의 온도를 검출하는 외기 온도 검출부와; 상기 압축기의 입구에 설치되어 압축기 입구의 압력을 검출하는 압축기 입구 압력 검출부와; 난방운전 중인 경우, 상기 압축기 입구 압력 검출부에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응되는 냉매의 포화 온도와 상기 외기 온도 검출부에서 검출된 외기 온도를 주기적으로 비교하여 상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 높으면, 실외기의 팬 운전을 정지시키는 제어부를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 방법은, 가스 히트 펌프 시스템이 난방운전 중인 경우, 실외기에 설치된 외기 온도 검출부를 통해 외기의 온도를 검출하는 과정과; 압축기의 입구에 설치된 압축기 입구 압력 검출부를 통해 압축기 입구의 압력을 검출하는 과정과; 제어부에서 상기 압축기 입구 압력 검출부에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응하는 냉매의 포화 온도와 상기 외기 온도 검출부에서 검출된 외기 온도를 주기적으로 비교하는 과정과; 상기 비교결과 상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 높으면, 실외기의 팬 운전을 정지시키는 과정을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법에 따르면, 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우, 외기의 온도가 냉매의 포화 온도보다 낮아지게 되면 실외기의 팬 운전을 정지시킴으로써, 실외기(증발기)에서 냉매가 응축되지 않게 된다. 이에 따라, 저온의 외기 온도에서 난방 운전을 행하는 경우에 시스템을 보다 안정적으로 운전할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 GHP 시스템의 냉방 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 GHP 시스템의 난방 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치의 사시도.
도 5는 냉매의 포화 온도와 가스 엔진의 회전수와의 상관 관계를 예시적으로 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 실외기의 팬 운전 상태를 예시적으로 보인 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 방법을 설명하기 위한 처리도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치의 사시도이다.
도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 히트 펌프 시스템은 가스 엔진(10)에 의해 구동되어 저온 저압의 냉매를 응축이 용이하도록 고온 고압의 과열 증기로 압축하는 압축기(20)를 장착한 실외기(냉방 시에는 응축기, 난방 시에는 증발기)(30)와, 실내기(냉방 시에는 증발기, 난방 시에는 응축기)(40)와, 응축기를 통하여 응축된 고온 고압의 액냉매를 증발이 용이하도록 저온 저압의 상태로 감압 팽창시키는 팽창 장치를 포함하여 이루어지되, 난방 장치로 구동되는 경우, 가스 엔진(10)의 동력으로 구동되는 압축기(20)에 의해 고온 고압의 기체 상태로 된 냉매는 실내기(응축기)(40)로 유입되어 열을 방출하고, 팽창 장치를 지나면서 저온 저압의 액체 상태가 되고, 실외기(증발기)(30)에서 열을 빼앗아 기화하면서 난방을 하게 된다.
이때, 실외기(증발기)(30)의 팬(50)은 실외기(증발기)(30)의 냉매가 원활하게 증발하도록 공기를 불어내는 역할을 하며, 바람을 많이 불어주면 불어 줄수록 실외기(증발기)(30)의 증발량은 최대치까지 증가한다.
또한, 실외기(증발기)(30)의 냉매 포화 온도(R410A와 같은 비공비 혼합 냉매의 경우에는 포화 액체 온도, 포화 증기 온도, 포화 액체 온도와 포화 증기 온도의 평균 온도 중에서 어느 하나를 포화 온도로 사용한다)와 실외기(증발기)(30)의 팬(50)이 불어주는 공기(외부 공기)의 온도차에 의해서도 증발량이 결정된다.
이때, 통상적으로 실외기(증발기)(30)의 냉매 포화 온도가 실외기(증발기)(30)의 팬(50)이 불어주는 공기의 온도보다 낮으며, 냉매 포화 온도와 공기의 온도 차가 클수록 실외기(증발기)(30)에서의 증발이 활발하게 이루어지게 된다.
한편, 냉매의 포화 온도는 냉매의 압력(압축기 입구 압력 센서에서 검출된 값)에 의해 산출된다.
그리고, 냉매의 포화 온도는 가스 엔진(10)의 회전수(RPM)에 영향을 받는다.
즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 가스 엔진(10)의 회전수가 상승할수록 실외기(증발기)(30) 냉매의 압력은 내려가고, 압축기 입구 압력 센서로 검출된 압력 값으로 산출하는 냉매의 포화 온도 또한 내려간다.
표 1 및 표 2는 압축기 입구 압력 센서로 검출된 압력 값에 의거하여 산출된 냉매(R410A, R22)의 포화 온도를 예시적으로 나타내는 것으로, 가스 히트 펌프 시스템의 제어부(80)는 해당 가스 히트 펌프 시스템에서 사용하는 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도를 DB화하여 저장하는 것이 바람직하다.
R410A 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도
포화 압력
(Pressure[MPa])		 포화 액체 온도
(Liquid Phase Temperature[C])		 포화 증기 온도
(Vapor Phase Temperature[C])
0.1 -51.701 -51.623
0.2 -37.074 -36.992
0.3 -27.438 -27.351
0.4 -20.044 -19.953
0.5 -13.958 -13.863
0.6 -8.7404 -8.6425
0.7 -4.1474 -4.0464
0.8 -0.02754 0.076376
0.9 3.7198 3.8263
1 7.1653 7.2741
: : :
2 32.224 32.344
2.1 34.156 34.276
2.2 36.02 36.139
2.3 37.82 37.939
2.4 39.562 39.68
2.5 41.25 41.368
2.6 42.887 43.004
2.7 44.477 44.592
2.8 46.022 46.136
2.9 47.526 47.638
R22 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도
포화 압력(Pressure[MPa]) 포화 온도 Saturation Temperature[C]
0.1 -41.091
0.2 -25.177
0.3 -14.654
0.4 -6.5559
0.5 0.12398
0.6 5.8611
0.7 10.92
0.8 15.465
0.9 19.604
1 23.415
: :
4 84.512
4.1 85.796
4.2 87.053
4.3 88.286
4.4 89.495
4.5 90.681
4.6 91.843
4.7 92.983
4.8 94.099
4.9 95.19
여기서, 각 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도는 수학식 1에 의해 산출된다.
[수학식 1]
Tevap _ sat _ liq _ ref=f(Psat)
Tevap _ sat _ vap _ ref=f(Psat)
Tevap _ sat _ avg _ ref=(Tevap _ sat _ liq _ ref+Tevap _ sat _ vap _ ref)/2
한편, 본 발명의 실시예에서는 R410A 냉매와 R22 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도만을 예시하였으나, R410A 냉매와 R22 냉매뿐만 아니라 증기 압축 냉동 사이클에 이용되는 모든 냉매도 본 발명에 적용될 수 있음을 밝힌다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 실외기(증발기)(30)의 냉매 포화 온도가 실외기(증발기)(30)의 팬(50)이 불어주는 공기의 온도보다 낮고, 냉매 포화 온도와 공기의 온도 차가 클수록 실외기(증발기)(30)에서의 증발이 활발하게 이루어지게 된다.
그러나, 외기 온도가 낮아 실외기(증발기)(30)의 냉매 포화 온도가 실외기(증발기)(30)의 팬(50)이 불어주는 공기의 온도보다 높아지는 경우에는, 증발이 아닌 응축이 일어날 가능성이 있다.
이에 따라, 제어부(80)는 가스 히트 펌프 시스템이 난방운전 중이면, 압축기 입구 압력 검출부(70)에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응되는 냉매의 포화 온도와 외기 온도 검출부(60)에서 검출된 외기 온도를 주기적으로 비교하여 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 높으면, 실외기(증발기)(30)의 팬 운전을 정지시킨다.
전술한, 제어부(80)는 4웨이 밸브의 동작 신호를 감지하여 가스 히트 펌프 시스템이 난방운전을 수행하는지, 냉방운전을 수행하는지를 판단한다.
또한, 제어부(80)는 가스 히트 펌프 시스템에서 사용하고 있는 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도를 DB로 저장하고 있다가, 압축기 입구 압력 검출부(70)에서 검출된 압축기 입구의 압력을 인가받으면, 인가받은 압력에 대응하는 냉매의 포화 온도를 DB에서 읽어와 이를 외기 온도 검출부(60)에서 인가받은 외기 온도와 비교하게 된다.
전술한, 외기 온도 검출부(60)는 실외기(증발기)(30)에 설치되어 외기의 온도를 검출하는 것으로, 온도 센서로 구현될 수 있다.
한편, 압축기 입구 압력 검출부(70)는 압축기(20)의 입구에 설치되어 압축기 입구의 압력을 검출하는 것으로, 저압 센서로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 냉매의 포화 온도와 외기 온도를 주기적으로 비교하여 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 높으면, 실외기(증발기)(30)의 팬 운전을 정지시킨 제어부(80)는, 냉매의 포화 온도와 외기 온도를 주기적으로 비교한 결과 냉매의 포화 온도가 다시 외기 온도보다 낮아지면, 실외기(증발기)(30)의 팬 운전을 다시 시작시키게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 실외기의 팬 운전 상태를 예시적으로 보인 도로, 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 높아지면, 실외기(증발기)(30)의 팬(50)은 운전을 정지하고, 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 낮아지면, 실외기(증발기)(30)의 팬(50)은 운전을 다시 시작하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 방법을 설명하기 위한 처리도이다.
우선, 가스 히트 펌프 시스템의 제어부(80)는 가스 히트 펌프 시스템이 난방운전 중이면(S10), 실외기(증발기)(30)에 설치되어 있는 외기 온도 검출부(60)를 통해 외기의 온도를 검출하고(S12), 압축기(20)의 입구에 설치되어 있는 압축기 입구 압력 검출부(70)를 통해 압축기 입구의 압력을 검출한다(S14).
이후에는, 압축기 입구 압력 검출부(70)를 통해 검출한 압축기 입구의 압력에 대응하는 냉매의 포화 온도를 DB에서 읽어와, 이를 외기 온도 검출부(60)를 통해 검출한 외기 온도와 주기적으로 비교한다(S16).
상기한 과정 S16의 비교결과 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 높으면, 실외기(증발기)(30)의 팬 운전을 정지시킨다(S18, S20).
한편, 상기한 과정 S16의 비교결과 냉매의 포화 온도가 외기 온도보다 낮으면, 실외기(증발기)(30)의 팬(50)을 운전시킨다(S18, S22).
본 발명의 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치 및 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. 가스 엔진, 20. 압축기,
30. 실외기, 40. 실내기,
50. 팬, 60. 외기 온도 검출부,
70. 압축기 입구 압력 검출부, 80. 제어부

Claims (4)

  1. 가스 엔진에 의해 구동되어 저온 저압의 냉매를 응축이 용이하도록 고온 고압의 과열 증기로 압축하는 압축기를 장착한 냉방 시에는 응축기, 난방 시에는 증발기로 작동하는 실외기와, 냉방 시에는 증발기, 난방 시에는 응축기로 작동하는 실내기와, 응축기를 통하여 응축된 고온 고압의 액냉매를 증발이 용이하도록 저온 저압의 상태로 감압 팽창시키는 팽창 장치를 포함하여 이루어지는 가스 히트 펌프 시스템에 있어서,
    상기 실외기에 설치되어 외기의 온도를 검출하는 외기 온도 검출부와;
    가스 히트 펌프 시스템에서 사용되는 냉매의 포화 압력에 대한 포화 온도를 저장하는 DB(DataBase)와;
    상기 압축기의 입구에 설치되어 압축기 입구의 압력을 검출하는 압축기 입구 압력 검출부와;
    난방운전 중인 경우, 상기 압축기 입구 압력 검출부에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응되는 냉매의 포화 온도를 상기 DB에서 읽어와 이를 상기 외기 온도 검출부에서 검출된 외기 온도와 주기적으로 비교하여 상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 높으면, 실외기의 팬 운전을 정지시키는 제어부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 다시 낮아지면, 실외기의 팬 운전을 다시 시작시키는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 장치.
  3. 가스 히트 펌프 시스템이 난방운전 중인 경우, 실외기에 설치된 외기 온도 검출부를 통해 외기의 온도를 검출하는 과정과;
    압축기의 입구에 설치된 압축기 입구 압력 검출부를 통해 압축기 입구의 압력을 검출하는 과정과;
    제어부에서 상기 압축기 입구 압력 검출부에서 검출된 압축기 입구의 압력에 대응하는 냉매의 포화 온도를 DB에서 읽어와 이를 상기 외기 온도 검출부에서 검출된 외기 온도와 주기적으로 비교하는 과정과;
    상기 비교결과 상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 높으면, 실외기의 팬 운전을 정지시키는 과정을 포함하여 이루어지는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 비교결과 상기 냉매의 포화 온도가 상기 외기 온도보다 낮은 경우에는, 실외기의 팬을 운전시키는 과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프 시스템에서의 실외기 팬 제어 방법.
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