KR101204253B1 - 가스엔진식 히트펌프 시스템 - Google Patents

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한재익
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(주) 오션엔지니어링
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Abstract

본 발명은 지열 및 엔진 열을 최대로 활용하면서도 가스엔진의 운전상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 함으로써 에너지 활용도를 극대화하며, 이로 인해 전체적인 운전에 따른 유지 비용을 절감할 수 있도록 한 가스엔진식 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 가스엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기, 유로를 전환하여 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브, 냉매가 유동하며 대기와 열교환하는 실외기, 냉매가 유동하며 냉난방수와 열교환하는 제1 열교환기, 냉매가 유동하며 엔진냉각수와 열교환하는 제2 열교환기, 냉매가 유동하며 지중순환수와 열교환하는 제3 열교환기, 제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제1 팽창밸브, 실외기 또는 제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제2 팽창밸브, 실외기 또는 제3 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제3 팽창밸브 및 제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제4 팽창밸브를 포함하여 이루어지는 히트펌프; 냉난방수 라인; 엔진냉각수 라인; 및 지중순환수 라인을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스엔진식 히트펌프 시스템{Heat pump system driven by gas engine}
본 발명은 가스엔진식 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스엔진식 히트펌프를 이용하여 냉난방 등을 위한 냉온수를 효율적으로 생산할 수 있도록 한 가스엔진식 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가스엔진식 히트펌프는 압축기가 가스엔진에 의해 구동되는 히트펌프이다.
이러한 가스엔진식 히트펌프 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1170712호(2012.8.2.공고)가 있으며, 이 종래기술은 지열을 이용한 회로를 구성하여 냉난방성능의 상승은 물론, 급탕 보일러에 적용할 때에 급탕 효율이 상승하도록 하여 에너지 효율성을 극대화시키기 위한 지열을 이용한 가스엔진 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 지열을 이용함으로써 냉난방성능의 효율성을 높인데 특징이 있다.
그러나 이 종래기술은 냉난방성능의 효율성을 높이기 위한 시도는 보이나, 가스엔진 구동이라는 가스엔진식 히트펌프 특성에 맞추어 가스엔진 운전상태를 최적화시키기에는 다소 미흡한 문제점이 있으며, 이로 인해 에너지의 활용도가 낮은 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 지열 및 엔진 열을 최대로 활용하면서도 가스엔진의 운전상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 함으로써 에너지 활용도를 극대화하며, 이로 인해 전체적인 운전에 따른 유지 비용을 절감할 수 있도록 한 가스엔진식 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명인 가스엔진식 히트펌프 시스템은,
가스엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기,
유로를 전환하여 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브,
냉매가 유동하며 대기와 열교환하는 실외기,
냉매가 유동하며 냉난방수와 열교환하는 제1 열교환기,
냉매가 유동하며 엔진냉각수와 열교환하는 제2 열교환기,
냉매가 유동하며 지중순환수와 열교환하는 제3 열교환기,
제1 팽창밸브, 제2 팽창밸브, 제3 팽창밸브 및 제4 팽창밸브를 포함하여 이루어지는 히트펌프;
냉난방수를 강제순환시키는 냉난방수 순환펌프,
냉수를 저장하는 냉수조,
온수를 저장하는 온수조 및
제1 열교환기, 냉수조 및 온수조를 연결하는 배관이 각각 연결되고 제1 열교환기로부터 배출되는 냉난방수를 냉수조 또는 온수조로 선택적으로 유동시키는 제1 삼방밸브를 포함하여 이루어지는 냉난방수 라인;
냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프를 포함하여 이루어지며, 가스엔진을 거치는 냉각수를 온수조 및 제1 열교환기를 선택적으로 순환시켜 열교환하도록 구성되는 엔진냉각수 라인; 및
지하에 매설되는 지중 열교환기 및
지중순환수를 강제순환시키는 지중순환수 순환펌프를 포함하여 이루어지며,
지중순환수가 지중 열교환기, 제3 열교환기 및 냉수조를 순환하는 지중순환수 라인을 포함하여 구성되되;
온수생성시에는 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기, 제1 팽창밸브, 실외기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 온수를 생성하는 제1 냉매순환계통과 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기, 제4 팽창밸브, 제3 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 온수를 생성하는 제2 냉매순환계통을 선택적으로 사용하며,
냉수생성시에는 압축기, 사방밸브, 실외기, 제3 팽창밸브, 제1 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 냉수를 생성하는 제3 냉매순환계통과, 압축기, 사방밸브, 제3 열교환기, 제3 팽창밸브, 제1 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 냉수를 생성하는 제4 냉매순환계통을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 온수생성시 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브, 제2 열교환기를 거쳐서 압축기로 순환하는 것을 특징으로 한다.
그리고 냉수생성시 압축기, 사방밸브, 실외기를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브, 제2 열교환기를 거쳐서 압축기로 순환하는 것을 특징으로 한다.
그리고 냉각수 라인의 냉각수 순환 배관은 제1 열교환기와 연결되어 열교환하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 가스엔진식 히트펌프 시스템 지열 및 엔진 열을 최대로 활용할 수 있으므로 히트펌프의 냉난방성능 향상 및 에너지 절감의 효과가 있으며, 또한 가스엔진의 운전상태를 최적의 상태로 유지할 수 있도록 하여 연료비 절감 및 가스엔진의 수명연장 등의 효과를 도모할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템과 그 작동원리를 간략히 도시한 배관도이다.
본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템과 그 작동원리를 간략히 도시한 배관도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템은 냉매가 상변화 및 열교환하며 순환하는 히트펌프, 냉난방수가 열교환하며 순환하는 냉난방수 라인, 가스엔진(10)의 엔진냉각수가 열교환하며 순환하는 엔진냉각수 라인 및 지중순환수가 열교환하며 순환하는 지중순환수 라인을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 히트펌프는 가스엔진(10)에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기(11), 유로를 전환하여 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브(12), 냉매가 유동하며 대기와 열교환하는 실외기(13), 냉매가 유동하며 냉난방수와 열교환하는 제1 열교환기(14),
냉매가 유동하며 엔진냉각수와 열교환하는 제2 열교환기(15), 냉매가 유동하며 지중순환수와 열교환하는 제3 열교환기(16), 제1 열교환기(14)로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제1 팽창밸브(17), 실외기(13) 또는 제1 열교환기(14)로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제2 팽창밸브(18), 실외기(13) 또는 제3 열교환기(16)로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제3 팽창밸브(19) 및 제1 열교환기(14)로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제4 팽창밸브(20)를 포함하여 구성된다.
상기 냉난방수 라인은 냉난방수를 강제순환시키는 냉난방수 순환펌프(41), 냉방 및 냉수 공급을 위한 냉수를 저장하는 냉수조(42), 난방 및 온수 공급을 위한 온수를 저장하는 온수조(43) 및 제1 열교환기(14), 냉수조(42) 및 온수조(43)를 연결하는 배관이 각각 연결되고 제1 열교환기(14)로부터 배출되는 냉난방수를 냉수조(42) 또는 온수조(43)로 선택적으로 유동시키는 제1 삼방밸브(45)를 포함하여 구성된다.
상기 엔진냉각수 라인은 냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프(51)를 포함하여 이루어지며, 가스엔진(10)을 거치는 냉각수를 온수조(43), 제1 열교환기(14) 및 제2 열교환기(15)를 선택적으로 순환시켜 열교환 하도록 구성된다.
이를 위해, 제2 및 제3 삼방밸브(52,53)와 후술하는 제5 밸브(V5)가 구비되는데, 제2 및 제3 삼방밸브(52,53)는 온수조(43)와 제2 열교환기(15)로의 냉각수 순환을 제어하고, 제5 밸브(V5)는 제1 열교환기(14)로의 순환을 제어하는 기능을 수행한다.
상기 지중순환수 라인은 지하에 매설되는 지중 열교환기(61) 및 지중순환수를 강제순환시키는 지중순환수 순환펌프(62)를 포함하여 이루어지며, 지중 열교환기(61), 제3 열교환기(16) 및 냉수조(42)를 지중순환수가 순환하도록 구성되는데, 이는 지중 열교환기(61)를 통과한 지중순환수의 냉수조(42)로의 순환은 제4 삼방밸브(63)를 통해 제어된다. 즉, 냉수조(42)로의 지중순환수의 순환이 요구되는 경우에는 제4 삼방밸브(63)를 제어하여 냉수조(42)로 지중순환수가 공급되도록 하고 그렇지 않은 경우에는 제4 삼방밸브(63)를 제어하여 냉수조(42)로의 지중순환수 공급을 차단하게 된다.
이외에도 본 발명에서는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 냉매 및 엔진냉각수 등의 순환을 제어하기 위해 제1 내지 제5 밸브(V1,V2,V3,V4,V5) 및 체크밸브(C)가 더 구비된다.
또한, 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템은 제어부(미도시)가 구비되어 상기의 사방밸브(12), 제1 내지 제4 삼방밸브(45,52,53,63), 제1 내지 제5 밸브(V1,V2,V3,V4,V5)와 각종 펌프 등을 제어하게 된다.
상기한 바와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템의 작동과정에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 온수를 생성하는 과정에 대해 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 사방밸브(12)는 A와 D가 연결되고 제1 및 제3 밸브(V1,V3)는 개방되며 제2 및 제4 밸브(V2,V4)는 폐쇄되며, 이로 인해 냉매는 압축기(11)-->사방밸브(12)-->제1 열교환기(14)-->제1 팽창밸브(17)-->실외기(13)-->사방밸브(12)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기(14)에서 온수를 생성하는 제1 냉매순환계통을 이룬다.
여기서, 제1 열교환기(14)는 응축기로서, 실외기(13)는 증발기로서 기능을 수행하게 된다.
그리고 압축기(11)-->사방밸브(12)-->제1 열교환기(14)를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브(18)--> 제2 열교환기(15)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 냉각수의 온도를 낮추도록 구성된다.
또한, 온수를 생성하는 다른 과정(지열을 활용하는 과정)에 대해 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 사방밸브(12)는 A와 D가 연결되고 제2 및 제4 밸브(V2,V4)는 개방되며 제1 및 제3 밸브(V1,V3)는 폐쇄되며, 이로 인해 냉매는 압축기(11)-->사방밸브(12)-->제1 열교환기(14)-->제4 팽창밸브(20)-->제3 열교환기(16)-->사방밸브(12)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기(14)에서 온수를 생성하는 제2 냉매순환계통을 이룬다.
온수를 생성하는 과정에서 제1 삼방밸브(45)는 A와 C가 연결되어 제1 열교환기(14)에서 가열된 온수가 온수조(43)로 공급되게 된다.
상기의 온수를 생성하는 과정 중에서 제1 및 제2 냉매순환계통은 외기, 지열 등을 고려하여 제어부를 통해 선택적으로 사용될 수 있다.
냉수를 생성하는 과정에 대해 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 사방밸브(12)는 A와 B가 연결되고 제3 밸브(V3)는 개방되며 제1, 제2 및 제4 밸브(V1,V2,V4)는 폐쇄되며, 이로 인해 냉매는 압축기(11)-->사방밸브(12)-->실외기(13)-->제3 팽창밸브(19)-->제1 열교환기(14)-->사방밸브(12)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기(14)에서 냉수를 생성하는 제3 냉매순환계통을 이룬다.
여기서, 압축기(11)-->사방밸브(12)-->실외기(13)를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브(18)-->제2 열교환기(15)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 냉각수의 온도를 낮추도록 하게 된다.
또한, 냉수를 생성하는 다른 과정(지열을 활용하는 과정)에 대해 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 사방밸브(12)는 A와 B가 연결되고 제1, 제2 및 제4 밸브(V1,V2,V4)는 개방되며 제3 밸브(V3)는 폐쇄되며, 이로 인해 냉매는 압축기(11)-->사방밸브(12)-->제3 열교환기(16)-->제3 팽창밸브(19)-->제1 열교환기(14)-->사방밸브(12)-->압축기(11)의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기(14)에서 냉수를 생성하는 제4 냉매순환계통을 이룬다.
냉수를 생성하는 과정에서 제1 삼방밸브(45)는 A와 B가 연결되어 제1 열교환기(14)에서 가열된 온수가 온수조(43)로 공급되게 된다.
상기의 냉수를 생성하는 과정 중에서 제3 및 제4 냉매순환계통은 외기, 지열 등을 고려하여 제어부를 통해 선택적으로 사용될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템에서는 냉각수 라인의 냉각수 순환 배관은 제1 열교환기(14)와 연결되어 열교환 함으로써 가스엔진(10) 초기 운전시 엔진의 온도를 신속히 높여 연소 효율을 높일 수 있도록 구성된다.
상기한 바와 같은 구성과 작동과정을 통해 본 발명에 따른 가스엔진식 히트펌프 시스템은 외부 대기와 지열을 적절히 활용하여 최적의 효율로 운전이 가능하고, 더욱이 엔진의 냉각수가 열교환기와 온수조를 통해 열교환함으로써 엔진을 최적 운전상태로 유지함과 아울러 엔진 폐열을 활용할 수 있는 등의 이점을 가지게 된다.
10: 가스 엔진 11: 압축기
12: 사방밸브 13: 실외기
14: 제1 열교환기 15: 제2 열교환기
16: 제3 열교환기 17: 제1 팽창밸브
18: 제2 팽창밸브 19: 제3 팽창밸브
20: 제4 팽창밸브
41: 냉난방수 순환펌프 42: 냉수조
43: 온수조 45: 제1 삼방밸브
51: 냉각수 순환펌프 52: 제2 삼방밸브
53: 제3 삼방밸브
61: 지중 열교환기 62: 지중순환수 순환펌프
63: 제4 삼방밸브
V1: 제1 밸브 V2: 제2 밸브
V3: 제3 밸브 V4: 제4 밸브
V5: 제5 밸브 C: 체크밸브

Claims (4)

  1. 가스엔진에 의해 구동되어 냉매를 압축하는 압축기,
    유로를 전환하여 냉매의 유동방향을 전환하는 사방밸브,
    냉매가 유동하며 대기와 열교환하는 실외기,
    냉매가 유동하며 냉난방수와 열교환하는 제1 열교환기,
    냉매가 유동하며 엔진냉각수와 열교환하는 제2 열교환기,
    냉매가 유동하며 지중순환수와 열교환하는 제3 열교환기,
    제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제1 팽창밸브,
    실외기 또는 제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제2 팽창밸브,
    실외기 또는 제3 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제3 팽창밸브 및
    제1 열교환기로부터 유입되는 냉매를 교축작용을 통해 감압시키는 제4 팽창밸브를 포함하여 이루어지는 히트펌프;

    냉난방수를 강제순환시키는 냉난방수 순환펌프,
    냉수를 저장하는 냉수조,
    온수를 저장하는 온수조 및
    제1 열교환기, 냉수조 및 온수조를 연결하는 배관이 각각 연결되고 제1 열교환기로부터 배출되는 냉난방수를 냉수조 또는 온수조로 선택적으로 유동시키는 제1 삼방밸브를 포함하여 이루어지는 냉난방수 라인;

    냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프를 포함하여 이루어지며, 가스엔진을 거치는 냉각수를 온수조 및 제1 열교환기를 선택적으로 순환시켜 열교환하도록 구성되는 엔진냉각수 라인; 및

    지하에 매설되는 지중 열교환기 및
    지중순환수를 강제순환시키는 지중순환수 순환펌프를 포함하여 이루어지며,
    지중순환수가 지중 열교환기, 제3 열교환기 및 냉수조를 순환하는 지중순환수 라인을 포함하여 구성되되;
    온수생성시에는 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기, 제1 팽창밸브, 실외기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 온수를 생성하는 제1 냉매순환계통과 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기, 제4 팽창밸브, 제3 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 온수를 생성하는 제2 냉매순환계통을 선택적으로 사용하며,
    냉수생성시에는 압축기, 사방밸브, 실외기, 제3 팽창밸브, 제1 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 냉수를 생성하는 제3 냉매순환계통과, 압축기, 사방밸브, 제3 열교환기, 제3 팽창밸브, 제1 열교환기, 사방밸브, 압축기의 순서로 냉매가 순환하여 제1 열교환기에서 냉수를 생성하는 제4 냉매순환계통을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는
    가스엔진식 히트펌프 시스템
  2. 청구항 1에 있어서,
    온수생성시 압축기, 사방밸브, 제1 열교환기를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브, 제2 열교환기를 거쳐서 압축기로 순환하는 것을 특징으로 하는
    가스엔진식 히트펌프 시스템
  3. 청구항 1에 있어서,
    냉수생성시 압축기, 사방밸브, 실외기를 거친 냉매의 일부는 제2 팽창밸브, 제2 열교환기를 거쳐서 압축기로 순환하는 것을 특징으로 하는
    가스엔진식 히트펌프 시스템
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    냉각수 라인의 냉각수 순환 배관은 제1 열교환기와 연결되어 열교환하는 것을 특징으로 하는
    가스엔진식 히트펌프 시스템
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