KR101204928B1

KR101204928B1 - 3원 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR101204928B1
Application number: KR1020110036917A
Authority: KR
Inventors: 권오돈
Original assignee: 권오돈
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-11-26
Also published as: KR20120119140A

Abstract

본 발명은 단일 냉매 압축 사이클로 구성된 단단 히트펌프에서 시수를 1차가열하여 온수(50℃ ~ 55℃)를 생성한 후, 1차 가열된 온수를 저단 냉매 압축 사이클 및 고단 냉매 압축 사이클의 2원 사이클로 구성된 2원 히트펌프에서 재가열하여 고온수(70℃ ~ 90℃)를 생성할 수 있는 고온수 생성용 3원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 제1냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매가 물에 열량을 방출하여 응축하는 제1판형열교환기, 상기 제1판형열교환기에서 응축된 제1냉매가 저압으로 팽창하는 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제1냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제1핀코일열교환기로 구성되어 물을 1차 가열하는 단단 히트펌프; 및 제2냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매가 상기 단단 히트펌프의 제1판형열교환기로부터 유입된 물에 열량을 방출하여 응축하는 제2판형열교환기, 상기 제2판형열교환기에서 응축된 제2냉매가 저압으로 팽창하는 제2팽창밸브, 상기 제2팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제2냉매가 제3냉매와 열교환하여 제2냉매는 증발하고 제3냉매는 응축하는 제3판형열교환기, 상기 제3냉매를 고온고압으로 압축하여 상기 제3판형열교환기에 투입하는 제3압축기, 상기 제3판형열교환기에서 응축된 제3냉매를 저압으로 팽창하는 제3팽창밸브, 상기 제3팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제3냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제2핀코일열교환기로 구성되어 물을 2차 가열하는 이원 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3원 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM UTILIZING 3 COMPRESSION CYCLES}

본 발명은 3원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 단일 냉매 압축 사이클로 구성된 단단 히트펌프에서 시수를 1차가열하여 온수(50℃ ~ 55℃)를 생성한 후, 1차 가열된 온수를 저단 냉매 압축 사이클 및 고단 냉매 압축 사이클의 2원 사이클로 구성된 2원 히트펌프에서 재가열하여 고온수(70℃ ~ 90℃)를 생성할 수 있는 고온수 생성용 3원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

냉매 압축 사이클의 증발기로 외기의 열을 흡수하여 응축기에서 흡수한 열을 물에 열교환함으로써 온수를 생성하는 공기열원 히트펌프가 알려져 있다. 생성된 온수는 급탕용 또는 난방용으로 사용된다.

공기열원 히트펌프를 급탕용 또는 난방용 온수를 생성하는 기존 보일러의 대용으로 사용하기 위해서는, 공기열원 히트펌프가 시수(통상 15℃ 전후)를 입수 받아 70℃ - 90℃ 정도의 온수(본 명세서에서는 이를 "고온수"라고함)를 생성하여 배출할 수 있어야 한다. 그러나, 일반적으로 CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용한 단단(單段) 히트펌프가 15℃전후의 시수를 입수 받아 생성할 수 있는 온수의 최고 온도는 외기 온도가 7℃ 이상인 경우에도 50℃~55℃를 넘지 못한다. 이러한 한계는 냉매의 비등점, 응고점, 임계 온도, 임계 압력, 단위 질량당 증발열 등 물리적 성질에 기인한 점도 있고, 압축기의 배기량 또는 용량을 대온도차에 맞추게 되면, 압축기 토출 가스 온도가 과도하게 상승 될 뿐만 아니라 가열 온도, 가열 능력 및 성적계수가 급격히 저하가 되는 특성에 기인한 점도 있다.

급탕용 또는 난방용 히트펌프는 주로 동절기에 사용된다. 히트펌프의 경우 열원으로 공기열원을 사용할 경우 외기 온도 저하에 따른 성적계수 저하는 피할 수 없는 문제이다. 여기에 증발기의 착상이 진행되면 코일 내를 통과하는 풍량이 감소하고, 냉매로의 공기 열량 전달이 차단되는데, 이에 따라 냉매의 열 흡수 능력 및 증발 능력이 저하하게 되며, 결과적으로 응축기에서의 가열능력 효율도 급감하게 된다. 통상적으로 히트펌프에서는 이러한 문제를 보완하고자 전기히터를 설치하게 되는데, 전기히터보다 성적계수는 1이므로, 히트펌프 장점을 상쇄시켜 버린다.

CFC계 또는 HFC계 냉매를 이용하면서도 고온수를 생성하기 위하여, 2개의 냉동사이클을 하나의 열교환기에서 결합하는 이원 히트펌프 시스템 또는 이원 냉동사이클이 다수 개시되어 있다.

한국 특허 제10-0639104에는 케스케이드 열교환기를 갖는 이원 냉동사이클을 이용한 냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템가 개시되어 있고, 한국 특허 제10-0690090에는 해수를 열원으로 이용하는 케스케이드 히트펌프 시스템이 개시되어 있다. 또한, 한국 특허 제10-0974271에는 이원압축방식을 이용한 히트펌프 시스템이 개시되어 있고, 한국 특허 제10-0815727에는 이원식 히트펌프를 이용한 건조 시스템이 개시되어 있으며, 한국 특허 제10-0531653에는 보조 히트펌프 시스템의 열원이 보조 열교환기에서 메인 사이클 시스템의 열매체와 열교환되는 이원 히트펌프 시스템이 개시되어 있다. 이들 이원 히트펌프 시스템은 이원 냉동사이클 조합을 통하여 종래 단단 사이클로써 출력할 수 없는 운전범위에 도달할 수 있음을 보여주고 있기는 하나, 70℃ ~ 90℃의 온수를 실용적으로 생성하기는 수준에 도달하지는 못하고 있다.

그러나, 동절기에 외기 온도가 낮아 지면, 특히 외기 온도가 -6.7℃ 이하로 떨어지면, 히트펌프의 성능계수(COP)가 2이하로 떨어진다. 즉, 외기에서 흡수해 오는 열량이 압축기에서 공급하는 열량 수준 이하로 떨어지는 것이다. 더구나 동절기에는 외기 온도가 4.5℃이하로 떨어지면 증발기 주변에 서리가 생기기 때문에 공기로부터의 열량흡수를 더욱 방해한다. 따라서, 동절기에 외기 온도가 영하로 떨어지면 이원 히트펌프 시스템을 사용하더라도 70℃ ~ 90℃의 고온수 생성이 더욱 어려운 것이다.

히트펌프로 70℃~90℃의 고온수를 제조하기 위하여, 이산화탄소(CO₂)냉매를 이용한 이산화탄소 히트펌프시스템이 개발되어 보급되고 있으나, 이러한 시스템도 공기열원방식을 채택할 경우 외기 온도가 영하 -6.7℃도 이하로 떨어지면, 증발 열량 감소로 인한 성능계수 저하가 현저히 초래되므로 70℃~90℃의 고온수를 생성하기는 어렵다.

그러나, 히트펌프는 동절기에도 외기 온도에 따라 성적계수를 1.5 ~ 3.5로 유지할 수 있기 때문에 성적계수가 1인 전열기를 사용하는 것보다는 확실히 경제적이다.

본 발명은 동절기 히트펌프를 이용한 고온수 생성 문제를 해결하고자 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하려고 하는 제1과제는 히트펌프의 에너지 절감효과를 활용하면서도 동절기에 외기 온도와 상관없이 급탕 또는 난방에 사용할 수 있는 70℃~90℃의 고온수를 생성할 수 있는 3원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하려고 하는 제2과제는 외기 온도에 따라 단단 히트펌프 또는 이원 히트펌프로도 사용할 수 있는 3원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상술한 과제는, 제1냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매가 물에 열량을 방출하여 응축하는 제1판형열교환기, 상기 제1판형열교환기에서 응축된 제1냉매가 저압으로 팽창하는 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제1냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제1핀코일열교환기로 구성되어 물을 1차가열하는 단단 히트펌프; 및 제2냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매가 상기 단단 히트펌프의 제1판형열교환기로부터 유입된 물에 열량을 방출하여 응축하는 제2판형열교환기, 상기 제2판형열교환기에서 응축된 제2냉매가 저압으로 팽창하는 제2팽창밸브, 상기 제2팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제2냉매가 제3냉매와 열교환하여 제2냉매는 증발하고 제3냉매는 응축하는 제3판형열교환기, 상기 제3냉매를 고온고압으로 압축하여 상기 제3판형열교환기에 투입하는 제3압축기, 상기 제3판형열교환기에서 응축된 제3냉매를 저압으로 팽창하는 제3팽창밸브, 상기 제3팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제3냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제2핀코일열교환기로 구성되어 물을 2차가열하는 이원 히트펌프;를 포함하는 3원 히트펌프 시스템에 의하여 해결된다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 제1핀코일열교환기에서 흡수한 열량 및 제1압축기에서 가해진 열량으로 단단 히트펌프의 제1판형열교환기에서 시수를 50℃ ~ 55℃로 1차 가열한 후, 다시 1차 가열된 시수를, 제2핀코일열교환기에서 흡수한 열량, 제3압축기에서 가해진 열량 및 제2압축기에서 가해진 열량으로 이원 히트펌프의 제2판형열교환기에서 2차 가열함으로써, 히트펌프에 의하여 급탕 또는 난방에 사용할 수 있는 70℃ ~ 90℃의 고온수를 용이하게 얻을 수 있고, 하나의 시스템으로 외기 온도에 따라 단단 히트펌프 또는 이원 히트펌프로도 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템의 일 실시 예에 대한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템의 다른 실시 예에 대한 구성도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도면에는 표시하지 않았지만, 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템은 이들 각부의 구성요소(후술하는 압축기, 전자밸브, 물 온도센서, 외기 온도센서 등)를 후술하는 바와 같이 제어하기 위하여 공지의 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 마이콤 채용 컨트롤러(MCU) 또는 마이크로프로세서 및 그 주변장치 채용 컨트롤러를 포함하고, 이들 컨트롤러에서 실행되는 제어 프로그램을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템은 단단(單段) 히트펌프(100)와 이원(二元) 히트펌프(200)를 고온수 생성이 가능하도록 유기적으로 결합한 것이다. 상기 단단 히프펌프(100)와 상기 이원 히트펌프(200)는 각각의 사이클을 순환하는 냉매가 응축되는 제1판형열교환기(3) 및 제2판형열교환기(11)에서 물 배관(WP)에 의하여 연결된다. 상기 단단 히트펌프(100)는 15℃ 내외의 시수를 입수 받아 1차 가열하여 50℃ ~ 55 ℃의 온수로 만들고, 상기 이원 히트펌프(200)는 상기 단단 히트펌프(100)에서 1차 가열된 물을 2차 가열하여 70℃ ~ 90℃의 고온수로 만든다.

상기 단단 히트펌프(100)는 제1냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기(1)와, 상기 제1압축기(1)에서 토출된 제1냉매가 물에 열량을 방출하여 응축하는 제1판형열교환기(3)와, 상기 제1판형열교환기(3)에서 응축된 제1냉매가 저압으로 팽창하는 제1팽창밸브(5)와, 상기 제1팽창밸브(5)에서 저압으로 팽창된 제1냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제1핀코일열교환기(7)로 구성된다. 상기 제1냉매로는 R12 또는 R114를 사용할 수 있다.

상기 이원 히트펌프(200)는 제2냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기(9)와, 상기 제2압축기(9)에서 토출된 제2냉매가 상기 단단 히트펌프(100)의 제1판형열교환기(3)로부터 유입된 물에 열량을 방출하여 응축하는 제2판형열교환기(11)와, 상기 제2판형열교환기(11)에서 응축된 제2냉매가 저압으로 팽창하는 제2팽창밸브(13)와, 상기 제2팽창밸브(13)에서 저압으로 팽창된 제2냉매가 제3냉매와 열교환하여 제2냉매는 증발하고 제3냉매는 응축하는 제3판형열교환기(15)와, 상기 제3냉매를 고온고압으로 압축하여 상기 제3판형열교환기(15)에 투입하는 제3압축기(17)와, 상기 제3판형열교환기(15)에서 응축된 제3냉매를 저압으로 팽창하는 제3팽창밸브(19)와, 상기 제3팽창밸브(19)에서 저압으로 팽창된 제3냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제2핀코일열교환기(21)로 구성되어, 단단 히트펌프(100)의 제1판형열교환기(3)로부터 유입된 물을 제2판형열교환기(11)엣 2차 가열하여 70℃ ~ 90 ℃의 고온수로 만든다.

이때, 상기 이원 히트펌프(200)를 구성하는 2개의 냉매압축사이클 중 제2냉매 압축사이클은 제2냉매를 제2압축기(9)->제2판형열교환기(11)->제2팽창밸브(13)->제3판형열교환기(15)->제2압축기(9)를 순환시킨다. 또한 상기 이원 히트펌프(200)를 구성하는 2개의 냉매압축사이클 중 제3냉매 압축사이클은 제3냉매를 제3압축기(17)->제3판형열교환기(15)->제3팽창밸브(19)->제2핀코일열교환기(21)->제3압축기(17)를 순환시킨다. 이러한 과정에서 제2핀코일열교환기(21)는 외기의 열량을 흡수하여, 제3압축기에서 가해진 열량과 함께 제3판형열교환기에 방출하고, 이 열량은 모두 제3판형열교환기(15)에서의 제2냉매의 증발 과정에 흡수된다. 이 과정에서 제3판형열교환기(15)에서는 제2냉매와 제3냉매간의 열교환이 이루어지며, 이때 제3냉매는 응축 및 과냉각되고, 제2냉매는 증발 및 과열된다. 제3판형열교환기(15)에서 제3냉매액으로부터 열을 받은 제2냉매액은 증발을 하고 증발된 제2냉매가스는 제2압축기(9)에 흡입된 후 압축이 되며, 고온고압의 제2냉매 가스는 제2판형열교환기(11)에서 과열 제거, 완전응축 및 과냉이 되면서 물을 고온수로 가열하게 되는 것이다.

본 발명은 단단 히트펌프(100)의 제1판형열교환기(3)를 물의 1차 가열기로 사용하고, 그 출력 냉매를 이원 히트펌프(200)의 제2판형열교환기(11)에서 제2냉매와 열교환하게 함으로써, 단단 히트펌프(100)만으로 생성할 수 있는 물 온도를 초과하고 있는 것이다.

제2냉매와 제3냉매는 각각 R12와 R22의 조합을 사용하거나 R12와 R114 조합을 사용할 수 있다. 본 발명의 이원 히트펌프(200)에서 운전 조건에 따라 제3압축기(17) 및 제2압축기(9)간의 냉매 토출량 비율은 달리하는 것이 바람직하다. 일반적으로 증발온도와 응축온도차가 커질수록 제3냉매 토출량은 커지는 게 효율에 유리하고, 온도차가 적을수록 제3냉매 토출량은 작아지도록 설계하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로 제3냉매에 의하여 외기로부터 더 많은 열량을 흡수하여 제2냉매에 전달 할 수 있기 때문이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예를 보여준다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 의할 경우, 물의 출수 온도 및 외기 온도에 따라 다양한 운전이 가능하다. 도면에는 표시하지 않았지만, 본 발명은 외기 온도를 측정을 위하여 외기 온도센서를 구비하고, 각 구성요소들은 상기 컨트롤러에 의하여 제어된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2판형열교환기(11)의 고온수 출력단에는 온도센서(23)를 더 구비하고, 온도센서(23)의 출력값이 일정온도(예를 들어 70℃) 이하인 경우에만, 제3냉매 사이클이 가동도록 제3압축기(17)를 제어할 수 있다. 봄 또는 가을과 같은 환절기 등에 있어서, 외기 온도가 7℃ 이상으로 올라가면 이원 사이클(200)의 제3냉매 사이클을 사용하지 않고도 제1냉매 사이클 및 제2냉매 사이클만으로 고온수를 얻을 수 있기 때문이다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1판형열교환기(3)의 온수 출력단에서는 물관(WP)을 분지한 후 분지된 물관에 제1전자밸브(25)를 마련하고, 상기 제2판형열교환기(11)의 고온수 출력단에도 제2전자밸브(27)를 마련하여, 여름철과 같이, 고온수의 출력이 필요없는 경우 이원 히트펌프(200)의 가동을 중지하고, 상기 제2전자밸브(27)를 닫고 상기 제1전자밸브(25)를 열어, 단단 히트펌프(100)에서 생성된 온수만을 사용할 수 있게 할 수 있다. 또한, 외기 온도가 더 낮아져, 단단 히트펌프(100)만으로 50℃ ~ 60℃의 온수 생성이 어려울 경우, 단단 히트펌프(100)의 동작을 정지하고 이원 히트펌프(200)만을 동작하여 사용할 수 있다.

이렇게 함으로써, 본 발명에 따른 3원 히트펌프 시스템을 외기 온도에 따라 단단 히트펌프 또는 이원 히트펌프로 사용할 수 있는 것이다.

1 : 제1압축기 3 : 제1판형열교환기
5 : 제1팽창밸브 7 : 제1핀코일열교환기
9 : 제2압축기 11 : 제2판형열교환기
13 : 제2팽창밸브 15 : 제3판형열교환기
17 : 제3압축기 19 :제3팽창밸브
21 : 제2핀코일열교환기 23 : 물 온도센서
25, 27 : 전자밸브 100 : 단단 히트펌프
200 : 이원 히트펌프 WP : 물관
CP : 냉매관

Claims

제1냉매를 고온고압으로 압축하는 제1압축기, 상기 제1압축기에서 토출된 제1냉매가 물에 열량을 방출하여 응축하는 제1판형열교환기, 상기 제1판형열교환기에서 응축된 제1냉매가 저압으로 팽창하는 제1팽창밸브, 상기 제1팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제1냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제1핀코일열교환기로 구성되어 물을 1차 가열하는 단단 히트펌프; 및
제2냉매를 고온고압으로 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기에서 토출된 제2냉매가 상기 단단 히트펌프의 제1판형열교환기로부터 유입된 물에 열량을 방출하여 응축하는 제2판형열교환기, 상기 제2판형열교환기에서 응축된 제2냉매가 저압으로 팽창하는 제2팽창밸브, 상기 제2팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제2냉매가 제3냉매와 열교환하여 제2냉매는 증발하고 제3냉매는 응축하는 제3판형열교환기, 상기 제3냉매를 고온고압으로 압축하여 상기 제3판형열교환기에 투입하는 제3압축기, 상기 제3판형열교환기에서 응축된 제3냉매를 저압으로 팽창하는 제3팽창밸브, 상기 제3팽창밸브에서 저압으로 팽창된 제3냉매가 공기로부터 열량을 흡수하여 증발하는 제2핀코일열교환기로 구성되어 물을 2차 가열하는 이원 히트펌프;를 포함하고,
상기 제1판형열교환기(3)의 물 출력단에서는 물관(WP)을 분지한 후 분지된 물관에 제1전자밸브(25)를 마련하고, 상기 제2판형열교환기(11)의 물 출력단에도 제2전자밸브(27)를 마련하여,
고온수의 출력이 필요없는 경우 상기 이원 히트펌프(200)의 가동을 중지하고, 상기 제2전자밸브(27)를 닫고 상기 제1전자밸브(25)를 열어, 상기 단단 히트펌프(100)에서 생성된 온수만을 사용할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 3원 히트펌프 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제2판형열교환기(11)의 물 출력단에는 물 온도센서(23)를 더 구비하고, 물 온도센서(23)의 출력값이 일정온도 이하인 경우에만, 상기 제3압축기(17)를 가동하는 것을 특징으로 하는 3원 히트펌프 시스템.
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