KR101227751B1

KR101227751B1 - 폐열원 히트펌프 급탕 시스템

Info

Publication number: KR101227751B1
Application number: KR1020100117262A
Authority: KR
Inventors: 박창덕; 정동필; 나기윤; 신승교; 한국철; 최규원; 우정호; 김민회
Original assignee: 주식회사 귀뚜라미 범양냉방
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2013-01-29
Also published as: KR20120055842A

Abstract

본 발명은 폐열원인 응축 배열을 히트펌프의 열원으로 재사용하여 급탕수를 제공함에 있어서, 부하의 변동에 따라 급탕 시스템의 각 구성들을 정밀하게 제어함으로써 에너지 효율을 높이고, 응축 온도의 하락에 따른 과냉 냉동 싸이클 운전을 방지하여 장비의 손상을 방지하며, 주변 온도에 따라 냉각수의 온도가 내려가서 관로가 동파되는 것을 방지할 수 있는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 냉각 코일과 가열 코일을 이용해 공조공간인 실내로 공급하는 공조기와; 옥외에 설치된 냉각탑과; 히트펌프와; 난방 보일러와; 냉동기용 증발기를 통과하면서 냉각된 냉수는 공조기의 냉각 코일에 제공하고, 냉각 코일을 통과한 후 회수된 냉수 순환수는 냉동 싸이클을 통해 냉각수에 열을 전달하며, 냉각수는 냉동기용 응축기를 통과시킨 후 냉각탑으로 보내는 수냉식 냉동기와; 냉각탑으로 보내지는 응축 배열을 흡열한 냉각수와, 히트펌프 내부를 순환하는 부하측 순환수를 서로 열교환시킴으로써, 응축 배열을 히트펌프의 열원으로 사용되도록 하는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와; 히트펌프가 응축 배열을 열원으로 하여 가열한 부하측 순환수를 급탕수로서 입력받아 일시 저장하였다가 사용자에게 공급하는 급탕 탱크; 및 공조 운전 및 급탕 운전을 제어하는 마이콤;을 포함한다.

Description

폐열원 히트펌프 급탕 시스템{Heat pump type hot water supply system using waste heat}

본 발명은 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열원인 응축 배열을 히트펌프의 열원으로 재사용하여 급탕수를 제공함에 있어서, 부하의 변동에 따라 급탕 시스템의 각 구성들을 정밀하게 제어함으로써 에너지 효율을 높이고, 응축 온도의 하락에 따른 과냉 냉동 싸이클 운전을 방지하여 장비의 손상을 방지하며, 주변 온도에 따라 냉각수의 온도가 내려가서 관로가 동파되는 것을 방지할 수 있는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 생산라인 플랜트나 사무실 밀집형 대형 건물을 비롯한 다양한 실내 공간에는 연중 냉난방 부하가 존재하므로 공조 시스템(air condition-ing system)을 적용하여 4계절 내내 가동하고 있으며, 아울러 급탕 온수를 제공하기 위해서는 그와 별도로 급탕 보일러를 가동하여 급탕수를 제공하고 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 공조 시스템(100)은 냉난방용 공기를 제공하는 공조기(110)와, 난방용 온수를 공급하는 난방 보일러(120)와, 냉방용 냉수를 공급하는 수냉식 냉동기(130) 및 응축 배열을 방출하는 냉각탑(140)을 구비한다.

그리고, 공조기(110)는 흡입 덕트(111), 필터(112), 가습기(113), 냉각 코일(114), 가열 코일(115) 및 송풍기(116) 등을 포함하여 구성되고, 난방 보일러(120)는 온수 순환펌프(121)에 의해 강제 순환되는 온수를 가열 코일(115)에 공급하며, 수냉식 냉동기(130)는 냉수 순환펌프(131)에 의해 강제 순환되는 냉수를 냉각 코일(114)에 공급한다.

따라서, 냉각 코일(114)에 냉수가 공급되고 있는 상태에서 송풍기(116)가 가동되면 실내로 차가운 공기를 제공하고, 가열 코일(115)에 온수가 공급되고 있는 상태에서 송풍기(116)가 가동되면 실내로 따뜻한 공기를 제공하도록 하며, 이 과정에서 필터(112) 및 가습기(113)를 이용하여 오염된 공기를 필터링하고 적절한 습도를 유지하도록 한다.

아울러 급탕 공급용으로서 급탕 보일러(150)와 급탕 탱크(160)를 구비하여, 상기 급탕 보일러(150)에서 공급되는 급탕수를 급탕 탱크(160)에 일시 저장해 두었다가, 사용자가 급탕수를 사용시마다 공급하고 있다.

그러나, 이상과 같은 종래의 공조 시스템(100)은 수냉식 냉동기(130)의 증발기(미도시)에 냉수를 통과시킨 다음 냉각 코일(114)에 공급하고, 냉각 코일(114)에서 회수된 냉수는 다시 증발기(미도시)로 유입되는 냉수 순환 폐회로를 형성한다. 아울러, 냉각탑(140)을 순환하는 냉각수는 응축기(미도시)를 통과시킴으로써 수냉식 냉동기(130)에서 별도의 냉매 싸이클이 이루어지도록 하고, 이때 수냉식 냉동기(130)의 응축기에서 발생된 응축 배열을 냉각수가 흡열한 다음 냉각탑(140)에서 버려지도록 하고 있었다.

따라서, 응축 배열이 단순한 폐열로 취급되어 냉각탑(140)을 통해 무의미하게 버려진다는 문제점이 있음은 물론, 이상과 같이 응축 배열을 무의미하게 버리면서도 급탕수를 공급하기 위해서 화석 연료를 사용하고 이산화탄소를 배출하는 급탕 보일러(150)를 가동시켜 급탕수를 제공하는 비합리적인 방식이 적용되고 있었다는 문제점이 있었다.

한편, 이상과 같은 문제점을 해결하기 위해 응축 배열을 열원으로 재사용할 수 있는 히트펌프(heat pump)를 채택한 급탕 시스템이 일부에서 제공되고 있기는 하지만, 부하의 변동에 따라 급탕 시스템의 각 구성들을 정밀하게 제어할 수 없어서 오히려 에너지 효율이 낮다는 문제점이 있었다.

또한, 수냉식 냉동기(130)에 의해 발생하는 응축 배열을 열원으로 히트펌프를 가동시킴에 있어서, 냉동 싸이클이 계속해서 반복되면 응축 온도가 과도하게 내려가는 과냉 냉동 싸이클이 이루어져 액화된 냉매가 압축기(미도시) 내로 유입되는 등 각종 장비에 손상이 발생함에도 수냉식 냉동기(130)의 응축온도를 제어하는 구성을 구비하지 못하고 있다는 문제점이 있었다.

또한, 주변 온도가 낮거나 혹은 응축 온도가 과도하게 하락하는 경우 냉각수의 온도가 내려가서 관로나 열교환기가 동파될 수 있음에도 불구하고 종래에는 이러한 손상을 방지하는 구성을 구비하지 못하고 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 폐열원인 응축 배열을 히트펌프의 열원으로 재사용하여 급탕수를 제공함에 있어서, 부하의 변동에 따라 급탕 시스템의 각 구성들을 정밀하게 제어함으로써 에너지 효율을 높이고, 응축 온도의 하락에 따른 과냉 냉동 싸이클 운전을 방지하여 장비의 손상을 방지하며, 주변 온도에 따라 냉각수의 온도가 내려가서 관로가 동파되는 것을 방지할 수 있는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템은 냉각 코일과 가열 코일을 이용해 공기를 냉각하거나 가열하여 공조공간인 실내로 공급하는 공조기와; 옥외에 설치된 냉각탑과; 냉매의 순환 방향에 따라 공급된 물을 가열하거나 냉각하는 히트펌프(heat pump)와; 난방에 사용되는 온수를 공급하는 난방 보일러와; 내부에 구비된 냉동기용 증발기를 통과하면서 냉각된 냉수는 상기 공조기의 냉각 코일에 제공하고, 상기 냉각 코일을 통과한 후 회수된 냉수 순환수는 냉동 싸이클을 통해 냉각수에 열을 전달하며, 상기 냉각수는 냉동기용 응축기를 통과시킨 후 상기 냉각탑으로 보내는 수냉식 냉동기와; 상기 냉각탑으로 보내지는 상기 응축 배열을 흡열한 냉각수와, 상기 히트펌프 내부를 순환하는 부하측 순환수를 서로 열교환시킴으로써, 상기 응축 배열을 상기 히트펌프의 열원으로 사용되도록 하는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와; 상기 히트펌프가 상기 응축 배열을 열원으로 하여 가열한 상기 부하측 순환수를 입력받아 저장하였다가 상기 가열된 부하측 순환수를 급탕수로 제공하는 급탕 탱크; 및 상기 공조 운전 및 급탕 운전을 제어하는 마이콤;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 히트펌프는 상기 급탕 탱크과 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와 연결되는 열원측으로 구분되고, 상기 부하측 중 순환수 입수 측에 부하 입구 온도센서가 설치되어 있거나 또는 상기 부하측 중 순환수 출수 측에 부하 출구 온도센서가 설치되어 있으며, 상기 마이콤은 상기 부하 입구 온도센서 또는 부하 출구 온도센서에서의 부하측 순환수 감지온도에 따라 상기 히트 펌프의 가동을 제어하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히트펌프는 상기 급탕 탱크와 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와 연결되는 열원측으로 구분되고, 상기 열원측 중 순환수 입수 측에 열원 입구 온도센서가 설치되어 있거나 또는 상기 열원측 중 순환수 출수 측에 열원 출구 온도센서가 설치되어 있으며, 상기 마이콤은 상기 열원 입구 온도센서 또는 열원 출구 온도센서에서의 열원측 순환수 감지온도에 따라 상기 히트펌프의 가동을 제어하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이콤은 냉난방 부하의 변동에 따른 상기 수냉식 냉동기의 가동 여부에 따라 상기 히트펌프의 열원측 순환수의 기준 온도 값을 서로 다르게 설정하고, 상기 열원 입구 온도센서 또는 열원 출구 온도센서에서 감지한 열원측 순환수 감지 온도 값과 상기 열원측 순환수의 기준 온도 값을 비교하여 상기 히트펌프의 가동을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히트펌프는 상기 급탕 탱크와 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와 연결되는 열원측으로 구분되고, 상기 히트펌프의 열원측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기 사이에 제1삼방변 밸브가 설치되되, 상기 제1삼방변 밸브의 공통 포트는 상기 히트펌프 열원측의 순환수 출수측 관에 연결되고, 상기 제1삼방변 밸브의 제1포트는 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기의 입수측 관에 연결되며, 상기 제1삼방변 밸브의 제2포트는 상기 히트펌프 열원측의 순환수 입수측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기의 출수측을 서로 연결하는 관에 연결되어, 상기 히트펌프의 열원측 순환수의 순환 방향을 가변시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와 상기 냉각탑 사이에 설치되어 상기 냉각탑으로 입력되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입수 온도센서를 더 포함하되, 상기 마이콤은 상기 냉각수 입수 온도센서에 감지한 상기 냉각수의 온도 값에 따라 상기 제1삼방변 밸브의 개로 방향을 PID 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기와 상기 냉각탑의 입수측 사이에 제2삼방변 밸브가 설치되되, 상기 제2삼방변 밸브의 공통 포트는 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기의 냉각수 출수측 관에 연결되고, 상기 제2삼방변 밸브의 제1포트는 상기 냉각탑의 냉각수 입수측 관에 연결되며, 상기 제2삼방변 밸브의 제2포트는 상기 냉각탑의 냉각수 출수측과 상기 수냉식 냉동기의 냉각수 입수측을 서로 연결하는 관에 연결되어, 상기 수냉식 냉동기에서 출수된 냉각수의 순환 방향을 가변시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각탑과 상기 수냉식 냉동기 사이에 설치되어 상기 냉각탑에서 출수되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출수 온도센서를 더 포함하되, 상기 마이콤은 상기 냉각수 출수 온도센서에 감지한 상기 냉각수의 온도 값에 따라 상기 제2삼방변 밸브의 개로 방향을 PID 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 내부에 상기 냉각수가 흐르는 냉각수 순환관 및 상기 냉각수 순환관을 따라 상기 냉각수를 강제 순환시키는 냉각수 순환펌프를 포함하되, 상기 마이콤은 상기 냉각수의 온도가 설정 값 이하로 내려가면 상기 냉각수 순환펌프를 강제로 작동시켜 상기 냉각수 순환관의 동파를 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 급탕 탱크(270)에 연결되어 상기 급탕 탱크(270)에 급탕수를 보조적으로 제공하는 급탕 보일러(271)를 더 포함하되, 상기 급탕 보일러(271)는 상기 마이콤(280)에 의해 가동이 제어되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 의하면, 폐열원인 응축 배열을 히트펌프의 열원으로 재사용하여 급탕수를 제공함에 있어서, 부하의 변동에 따라 급탕 시스템의 각 구성들을 정밀하게 제어함으로써 에너지 효율을 향상시킨다.

또한, 본 발명은 응축 온도의 하락에 따른 과냉 냉동 싸이클 운전을 방지하여 장비의 손상을 방지함은 물론, 주변 온도에 따라 냉각수의 온도가 내려가서 관로가 동파되는 것을 방지할 수 있도록 함으로써 유지 보수를 용이하게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 급탕 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템의 히트펌프를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템의 열원측 순환수 흐름 제어상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템의 열원측 순환수 흐름 개도율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템의 냉각수 흐름 제어상태를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템의 냉각수 흐름 개도율을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템에 대해 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200)은 열교환을 위한 구성으로서 공조기(210)와, 난방 보일러(220)와, 수냉식 냉동기(230)와, 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와, 냉각탑(250)과, 폐열원 히트펌프(260)(이하, '히트펌프'라 함) 및 급탕 탱크(270)를 포함한다. 단, 필요에 따라 급탕 보일러(271)를 더 포함하기도 한다.

또한, 순환수나 냉각수의 온도를 측정하기 위한 수단으로서 부하 출구 온도센서(S1)와, 부하 입구 온도센서(S2)와, 열원 입구 온도센서(S3)와, 열원 출구 온도센서(S4)와, 냉각수 입수 온도센서(S5) 및 냉각수 출수 온도센서(S6)를 포함한다.

또한, 순환수나 냉각수의 유동 방향을 조절하거나 강제 순환시키는 구성으로서 제1삼방변 밸브(3W1)와, 제2삼방변 밸브(3W2)와, 온수 순환펌프(221)와, 냉수 순환펌프(231)와, 냉각수 순환펌프(232)와, 부하측 순환펌프(261) 및 열원측 순환펌프(262)를 포함한다.

물론, 이상과 같은 구성들을 제어하여 최적의 상태로 공조 및 급탕 운전이 가능하도록 마이콤(MICOM, 280)도 포함한다.

한편, 이상과 같은 구성들 중 공조기(210)는 공기를 냉각하거나 가열하여 공조 공간인 실내로 공급하는 것으로 다양한 타입의 것들이 있지만 도 2와 같이 보통은 흡입 덕트(211), 필터(212), 가습기(213), 냉각 코일(214), 가열 코일(215) 및 송풍기(216) 등을 포함한다.

따라서, 냉각 코일(214)에 냉수가 공급되고 있는 상태에서 송풍기(216)가 가동되면 실내로 차가운 공기를 제공하고, 가열 코일(215)에 온수가 공급되고 있는 상태에서 송풍기(216)가 가동되면 실내로 따뜻한 공기를 제공하도록 하며, 이 과정에서 필터(212) 및 가습기(213)를 이용하여 오염된 공기를 필터링하고 적절한 습도를 유지하도록 한다.

냉수는 수냉식 냉동기(230)에 의해 제공되고, 온수는 난방 보일러(220)에 의해 제공되며, 공조기(210)에서 공조 공간에 공급한 공기는 흡입 덕트(211)를 통해 다시 순환되고 필요에 따라서는 신선한 외기가 혼합되어 함께 순환되기도 한다.

난방 보일러(220)는 난방에 사용되는 온수를 공급하는 것으로 겨울철 등과 같이 난방 부하가 매우 큰 경우나 실내의 항온 항습 상태를 적절히 유지하기 위한 경우에 가동된다.

한편, 이러한 난방 보일러(220)는 온수를 만들어 공조기(210)의 가열 코일(215)에 공급하고, 가열 코일(215)을 순환하는 과정에서 실내에 공급되는 공기에 열을 빼앗겨 온도가 낮아진 환수는 재가열한다.

난방 보일러(220)와 가열 코일(215)의 순환 싸이클을 형성하기 위해 난방 보일러(220)와 가열 코일(215)은 수관(water pipe)에 의해 폐회로를 형성하도록 연결되고, 온수는 수관에 연결된 온수 순환펌프(221)에 의해 강제 순환되며, 온수 순환펌프(221)는 마이콤(280)에 의해 그 가동이 제어된다.

수냉식 냉동기(230)는 냉수를 만들어 공조기(210)의 냉각 코일(214)에 제공하기 위한 것으로, 내부에는 냉동기용 압축기(미도시), 냉동기용 팽창기(미도시), 냉동기용 증발기(미도시) 및 냉동기용 응축기(미도시) 등이 구비되어 있어서 냉동 싸이클을 형성한다. 이러한 수냉식 냉동기(240)는 일측의 냉각 코일(214)과 순환용 폐회로를 형성하고, 타측의 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240) 및 냉각탑(250)과 순환용 폐회로를 각각 형성한다.

따라서, 냉동기용 증발기를 통과하면서 냉각된 냉수는 공조기(210)의 냉각 코일(214)에 공급됨으로써 공조 공간에 차가운 바람을 제공하고, 이러한 과정에서 흡열이 이루어져 온도가 높아진 다음 회수된 냉수 순환수는 냉동 싸이클을 통해 냉각수에 열을 전달하고, 냉각수는 냉동기용 응축기를 통과한 후 냉각탑(250)으로 보내진다.

이러한 냉동 싸이클을 위해 수냉식 냉동기(230)의 일측과 공조기(210)의 냉각 코일(214) 사이는 수관에 의해 폐회로가 형성되며, 수관에는 냉수 순환펌프(231)가 설치되어 있어서 냉수 및 그 순환수를 강제순환시킨다.

물론, 반대측은 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240) 및 냉각탑(250)을 순차적으로 통과한 다음 되돌아오도록 폐회로가 형성되며, 수관에는 냉각수 순환펌프(232)가 설치되어 있어서 냉각수를 강제 순환시킨다.

한편, 이상과 같이 수냉식 냉동기(230)의 냉동기용 압축기, 냉동기용 팽창기, 냉동기용 증발기 및 냉동기용 응축기에서 냉동 싸이클을 형성하기 위해 냉매가 계속하여 순환한다. 그리고, 냉동기용 응축기에서 냉매가 응축하는 과정에서 응축 배열이 발생하고, 이 응축 배열은 수냉식 냉동기(230)에서 냉각탑(250)으로 보내지는 냉각수가 흡열한다.

따라서, 본 발명은 이하에서 설명하는 바와 같이 수냉식 냉동기(230)에서 발생된 응축 배열을 흡열하여 온도가 높아진 냉각수를 열원으로 하여 히트펌프(260)를 가동시킬 수 있는 구성을 갖는다.

이를 위해, 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)는 수냉식 냉동기(230)에서 냉각탑(250)으로 보내지는 냉각수와 히트펌프(260) 내부를 순환하는 물을 서로 열교환시킴으로써, 이상에서 설명한 바와 같이 수냉식 냉동기(230)의 응축기를 통과하면서 냉각수가 흡열한 응축 배열을 히트펌프(260)의 열원으로 사용되도록 한다.

즉, 수냉식 냉동기(230)의 냉동기용 응축기를 통과하면서 응축 배열을 흡열함에 따라 온도가 올라간 냉각수와 히트펌프(260) 내부를 순환하는 열원측 순환수가 물 대 물 열교환을 하는 과정에서 열원측 순환수의 온도가 높아지도록 함으로써 이를 히트펌프(260)의 열원으로 사용하도록 한다.

냉각탑(250)은 공지된 바와 같이 옥상 등 외부에 설치되어 있으며, 분무 형식이나 가는 물줄기 형식으로 물을 분출하였다가 회수하는 과정에서 냉각수에 포함된 잔여 응축 배열이 외기와 열교환을 하면서 제거되도록 하고, 온도가 낮아진 냉각수를 다시 수냉식 냉동기(230)로 배출한다.

히트펌프(260)는 냉매의 순환 방향에 따라 공급된 물을 가열하거나 냉각하는 것으로, 그 외부 일측에 구비된 부하측 순환펌프(261) 및 타측에 구비된 열원측 순환펌프(262)를 구비하여 부하측 순환수와 열원측 순환수를 각각 순환시킨다.

또한, 도 3에 일 예로 도시한 바와 같이 압축기(263), 응축기(264), 증발기(265) 및 팽창기(266) 등을 포함하여 양방향 냉매 싸이클이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 증발기(265)에 구비된 양측 포트(265a, 265b)는 각각 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 일측에 구비된 양측 포트에 1:1로 연결되고, 그와 동시에 응축기(264)에 구비된 양측 포트(264a, 264b)는 각각 급탕 탱크(270)의 일측에 구비된 양측 포트에 1:1로 연결되도록 한다.

따라서, 부하측 순환수가 히트펌프(260)의 응축기(264)를 통과하면서 응축 배열을 흡열한 열원측 순환수에 의해 가열된 다음 급탕수로서 급탕 탱크(270)에 공급되고, 급탕 탱크(270)에 저장된 급탕수를 사용자가 사용하여 급탕수에 부족이 발생하면 급수 라인을 통해 직수가 유입되고, 이 직수가 부하측 순환수로서 히트펌프(260)를 순환하여 이상과 같이 응축 배열에 의해 가열되도록 한다.

도 3은 압축기(263) 2개를 구비한 2단 방식의 히트펌프(260)를 일 예로 든 것으로 응축 배열을 열원으로 재사용한다는 점을 제외하면 이러한 히트펌프(260) 자체는 공지된 것이므로 이하 좀더 상세한 설명은 생략한다.

마이콤(280)은 본 발명의 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200)의 공조 및 급탕 운전을 전반적으로 제어하는 것으로, 이러한 마이콤(280)은 보통 설정온도나 현재온도를 표시하는 표시부 및 각종 제어 버튼 등을 구비한 컨트롤 패널(미도시) 내에 일체로 구비되어 관리자로부터 명령을 입력받게 된다.

한편, 이상과 같은 히트펌프(260)를 급탕 탱크(270)과 연결되는 일측 즉 '부하측'과 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 연결되는 타측 즉 '열원측'으로 구분할 경우, 히트펌프(260)의 부하측 중 순환수 입수 측에는 부하 입구 온도센서(S2)가 설치되어 있고, 부하측 중 순환수 출수 측에는 부하 출구 온도센서(S1)가 설치되어 있어서 각각 순환수의 온도를 감시한다.

그리고, 마이콤(280)은 부하 입구 온도센서(S2) 또는 부하 출구 온도센서(S1)에서 감지한 부하측 순환수 온도에 따라 히트펌프(260)의 가동을 제어함으로써 급탕 부하의 변동에 적응적으로 대응할 수 있게 한다. 물론, 급탕 보일러(271)도 추가로 구비한 경우에는 당해 급탕 보일러(271)의 가동 역시 제어한다.

예컨대, 평상시에는 히트펌프(270) 단독으로 급탕부하에 대응하여 운전을 한다. 그러나, 상기한 컨트롤 패널을 수동으로 조작하여 부하측 순환수의 온도를 상향 설정하거나, 부하측 순환수의 온도를 자동으로 감지하여 상기 부하측 순환수의 온도가 희망온도보다 임의의 설정값 보다 낮은 것으로 판단된 경우, 혹은 부하측 순환수의 온도와 희망온도 차이가 임의의 설정값보다 큰 경우에는 히트펌프(270)만으로는 급탕부하에 대응할 수 없는 것으로 판단하여 급탕 보일러(271)를 보조 열원으로써 추가로 가동시킨다.

또한, 본 발명은 히트펌프(260)의 열원측 중 순환수 입수 측에는 열원 입구 온도센서(S3)가 설치되어 있고, 열원측 중 순환수 출수 측에는 열원 출구 온도센서(S4)가 설치되어 있다.

그리고, 마이콤(280)은 열원 입구 온도센서(S3) 또는 열원 출구 온도센서(S4)에서의 열원측 순환수 감지온도에 따라 히트펌프(260)의 가동을 제어한다.

예컨대, 열원측 순환수의 온도가 임계치 이상 낮은 경우에는 히트펌프(260)의 운전용량을 낮추어 열원측 순환수가 과도하게 낮아져 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)가 동파되는 것을 방지한다. 물론, 이와 같이 히트펌프(260)의 운전용량이 낮아지는 경우를 대비하여 상술한 급탕 보일러(271)를 더 구비하여 급탕 부하에 대응할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

히트펌프(260)의 운전용량을 낮추면 히트펌프(260)에서 냉각수의 응축 배열을 흡수하는 양 역시 낮아져 냉각수의 온도가 과도하게 내려가는 것을 제한하고, 그에 따라 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 동파를 방지할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 마이콤(280)이 냉난방 부하의 변동에 따른 수냉식 냉동기(230)의 가동 여부를 감시하고, 그 결과에 따라 히트펌프(260)의 열원측 순환수의 기준 온도 값을 서로 다르게 설정(즉, 재설정)하여 메모리(미도시)에 저장한다.

그리고, 열원 입구 온도센서(S3) 또는 열원 출구 온도센서(S4)에서 감지한 열원측 순환수 감지 온도 값과 상기 열원측 순환수의 기준 온도 값을 비교하여 히트펌프(260)의 가동을 제어한다.

즉, 냉방 부하가 적어 수냉식 냉동기(230)가 일시 정지하고 그에 따라 응축 배열 없이 히트펌프(260)가 단독으로 운전하면, 열원측 순환수의 온도가 계속하여 낮아져 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)가 동파될 수 있으므로, 이러한 경우에는 마이콤(280)이 이상과 같이 열원측 순환수의 기준 온도 값을 자동으로 재설정한다.

예컨대, 수냉식 냉동기(230)가 가동하여 응축 배열이 존재하는 경우에는 히트펌프(260)의 열원측 출구 온도가 2℃ 이하로 하락하면 히트펌프(260)를 정지시키고 열원측 출구 온도가 5℃ 이상이면 재가동함에 비해, 수냉식 냉동기(230)가 정지하여 응축 배열이 존재하지 않는 경우에는 히트펌프(260)의 열원측 출구 온도가 -13℃ 이하로 하락하면 히트펌프(260)를 정지시키고 열원측 출구 온도가 -10℃ 이상이면 재가동하도록 기준 온도 값을 재설정한다.

그리고, 열원 입구 온도센서(S3) 또는 열원 출구 온도센서(S4)에서 감지한 열원측 순환수의 온도 값이 재설정된 기준 온도 값보다 낮아지는 경우 히트펌프(260)의 가동을 일시 정지하여 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 동파를 방지한다.

물론, 이와는 독립적으로 급탕 보일러(271)를 가동하여 급탕 부하에 대응할 수 있음은 자명하다.

다만, 이상과 같이 응축 배열 없이 히트펌프(260) 단독으로 운전하는 경우를 대비하여 히트펌프(260)의 열원측에 버퍼 탱크(buffer tank)(미도시)를 구비하고 또한 버퍼 탱크에 브라인(brine) 등과 같은 부동액을 충진하는 것이 바람직하다.

이는, 열 생산과 열 공급이 동일 시간에(혹은, 균등하게) 일어나지 않아서 수요와 공급에 불균형이 발생하면 응축 배열의 부족이 발생하므로, 버퍼 탱크에 온수를 저장해 놓으면 공급이 필요한 시점에 배출하여 사용할 수 있고 수요와 공급 간에 균형도 가져오는 열적 완충작용이 일어날 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명은 히트펌프(260)의 열원측과 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240) 사이에 설치된 제1삼방변 밸브(3W1)를 더 포함하되, 제1삼방변 밸브(3W1)의 공통 포트(AB)는 히트펌프(260) 열원측의 순환수 출수측 관에 연결하고, 제1포트(A)는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 입수측 관에 연결하며, 제2포트(B)는 히트펌프(260) 열원측의 순환수 입수측과 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 출수측을 서로 연결하는 관에 연결한다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 히트펌프(260)의 열원측을 통해 출수된 열원측 순환수가 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)를 통과(제1포트(A) 개로, 제2포트(B) 폐로)한 후 순환되도록 하거나, 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)를 통과하지 않고 바이패스(bypass) 경로(제1포트(A) 폐로, 제2포트(B) 개로)를 통해 순환되도록 하거나, 혹은 개도율 조절을 함으로써 이들 경로 모두(제1포트(A) 일부 개로, 제2포트(B) 일부 개로)를 통해 동시에 순환할 수 있게 된다. 즉, 히트펌프(260)의 열원측 순환수의 순환 방향을 가변시킬 수 있게 한다.

그러므로, 종래에는 응축 배열을 열원으로 하여 히트펌프(260)를 운전할 경우 냉각수의 온도가 점진적으로 낮아지게 되고, 이와 같은 상태를 계속 방치하면 냉각수의 온도가 임계치 이하로 내려감에 따라, 과도하게 온도가 낮아진 냉각수를 수냉식 냉동기(230)에서 냉각시키는 과정에서 냉매가 액화되어 냉동기용 압축기 내로 유입되는 등 수냉식 냉동기(230)를 비롯한 각종 장비에 손상을 발생시킴에 비해, 본 발명은 이상과 같이 열원측 순환수의 순환 방향을 가변하여 열원측 순환수를 통한 응축 배열의 회수율을 조절함으로써 냉각수가 응축 배열을 과도하게 빼앗기는 것을 방지할 수 있게 한다.

단, 이러한 경우 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 냉각탑(250) 사이에 설치되어 냉각탑(250)으로 입력되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입수 온도센서(S5)를 더 포함하여, 냉각수 입수 온도센서(S5)에 감지한 냉각수의 온도 값에 따라 마이콤(280)이 상술한 바와 같은 제1삼방변 밸브(3W1)의 개로 방향을 PID 제어(proportional integral derivative control)하는 것이 바람직하다.

예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각수 온도가 32℃이면 제1포트(A)를 0% 개도하고 점차 온도가 증가함에 따라 개도율 역시 높여 온도가 37℃가 되면 제1포트(A)를 100% 개도하고, 반대로 냉각수 온도가 32℃이면 제2포트(B)를 100% 개도하여 모두 바이패스 되도록 하고 점차 온도가 증가함에 따라 제2포트(B)를 0% 개도하는 PID 제어를 한다.

물론, 급탕 부하가 줄어들어 수냉식 냉동기(230)가 정지할 경우에는 응축배열 없는 상태에서 히트펌프(260)만 단독으로 운전되는데, 이때 펌프 소비 동력을 줄이기 위해 냉각수 순환펌프(232)를 정지하므로, 이러한 상황에서는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)가 동파되는 문제가 발생할 것이므로 수냉식 냉동기(230)가 정지하고 히트펌프(260)만 단독으로 운전될 경우에는 제1삼방변 밸브(3W1)의 제2포트(B)를 100% 개도하고 제1포트(A)는 0% 개도하기도 한다.

또한, 본 발명은 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 냉각탑(250)의 입수측 사이에 설치된 제2삼방변 밸브(3W2)를 더 포함하되, 제2삼방변 밸브(3W2)의 공통 포트(AB)는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 냉각수 출수측 관에 연결하고, 제1포트(A)는 냉각탑(250)의 냉각수 입수측 관에 연결하며, 제2포트(B)는 냉각탑(250)의 냉각수 출수측과 상기 수냉식 냉동기(230)의 냉각수 입수측을 서로 연결하는 관에 연결한다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)에서 출수된 냉각수가 냉각탑(250)을 거쳐 수냉식 냉동기(230)로 순환(제1포트(A) 개로, 제2포트(B) 폐로)되도록 하거나, 냉각수가 냉각탑(250)을 거치지 않고 바이패스 경로를 통해 수냉식 냉동기(230)로 순환(제1포트(A) 폐로, 제2포트(B) 개로)되도록 하거나, 혹은 개도율 조절을 함으로써 이들 경로 모두(제1포트(A) 일부 개로, 제2포트(B) 일부 개로)를 통해 동시에 순환할 수 있게 한다. 즉, 수냉식 냉동기(230)에서 출수된 냉각수의 순환 방향을 가변시킬 수 있게 한다.

그러므로, 종래에는 냉각수의 온도가 과도하게 낮아진 경우에는 냉각탑(미도시)의 용량을 조절하는 방식으로 냉각수의 추가 온도 하락을 방지하였기 때문에, 옥상 등 높은 곳에 설치되어 있는 냉각탑까지 불필요하게 냉각수를 상승시키기 위해 냉각수 순환펌프(232)를 가동시키는 과정에서 소비동력을 낭비하였음에 비해, 본 발명은 냉각수의 추가 냉각이 불필요한 경우에는 냉각탑(250)까지 냉각수를 상승시킬 필요없이 바이패스 경로를 통해 지하의 기계실 등에서만 순환(즉, 저양정)되도록 함으로써 소비동력을 낭비하지 않도록 한다.

단, 이러한 경우 냉각탑(250)과 수냉식 냉동기(230) 사이에 설치되어 냉각탑(250)에서 출수되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출수 온도센서(S6)를 더 포함하여, 냉각수 출수 온도센서(S6)에 감지한 냉각수의 온도 값에 따라 마이콤(280)이 제2삼방변 밸브(3W2)의 개로 방향을 PID 제어하는 것이 바람직하다.

예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이 냉각수 온도가 27℃이면 제1포트(A)를 0% 개도하고 점차 온도가 증가함에 따라 개도율 역시 높여 온도가 32℃가 되면 제1포트(A)를 100% 개도하고, 반대로 냉각수 온도가 27℃이면 제2포트(B)를 100% 개도하여 모두 바이패스 되도록 하고 점차 온도가 증가함에 따라 제2포트(B)를 0% 개도하는 PID 제어를 한다.

나아가, 본 발명은 냉각수 순환관을 따라 냉각수를 강제 순환시키는 냉각수 순환펌프(232)를 포함하되, 냉각수의 온도가 설정 값 이하로 내려가면 마이콤(280)이 냉각수 순환펌프(232)를 강제로 작동시킴으로써 겨울철 등에 옥외에 배관된 냉각수 순환관이 동파되는 것을 방지한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

210: 공조기 220: 난방 보일러
230: 수냉식 냉동기
240: 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기
250: 냉각탑 260: 히트펌프
270: 급탕 탱크
S1: 부하 입구 온도센서
S2: 부하 출구 온도센서
S3: 열원 입구 온도센서
S4: 열원 출구 온도센서
S5: 열원 출구 온도센서
S5: 냉각수 입수 온도센서
S6: 냉각수 출수 온도센서
3W1: 제1삼방변 밸브 3W2: 제2삼방변 밸브
221: 온수 순환펌프 231: 냉수 순환펌프
232: 냉각수 순환펌프 261: 부하측 순환펌프
262: 열원측 순환펌프 280: 마이콤

Claims

냉각 코일(214)과 가열 코일(215)을 이용해 공기를 냉각하거나 가열하여 공조공간인 실내로 공급하는 공조기(210)와;
옥외에 설치된 냉각탑(250)과;
냉매의 순환 방향에 따라 공급된 물을 가열하거나 냉각하는 히트펌프(260)(heat pump)와;
상기 가열 코일(215)에 온수를 공급하도록 설치된 난방 보일러(220)와;
내부에 구비된 냉동기용 증발기를 통과하면서 냉각된 냉수는 상기 공조기(210)의 냉각 코일(214)에 제공하고, 상기 냉각 코일(214)을 통과한 후 회수된 냉수 순환수는 냉동 싸이클을 통해 냉각수에 열을 전달하며, 상기 냉각수는 냉동기용 응축기를 통과시킨 후 상기 냉각탑(250)으로 보내는 수냉식 냉동기(240)와;
상기 수냉식 냉동기(240)에서 발생하고 상기 냉각탑(250)을 통해 버려지는 폐열인 응축 배열을 흡열한 냉각수와, 상기 히트펌프(260) 내부를 순환하는 부하측 순환수를 서로 열교환시킴으로써, 상기 응축 배열을 상기 히트펌프(260)의 열원으로 사용되도록 하는 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와;
상기 히트펌프(260)가 상기 응축 배열을 열원으로 하여 가열한 상기 부하측 순환수를 입력받아 저장하였다가 상기 가열된 부하측 순환수를 급탕수로 제공하는 급탕 탱크(270); 및
상기 공조 운전 및 급탕 운전을 제어하는 마이콤(280);을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항에 있어서,
상기 히트펌프(260)는 상기 급탕 탱크(270)과 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 연결되는 열원측으로 구분되고,
상기 부하측 중 순환수 입수 측에 부하 입구 온도센서(S2)가 설치되어 있거나 또는 상기 부하측 중 순환수 출수 측에 부하 출구 온도센서(S1)가 설치되어 있으며,
상기 마이콤(280)은 상기 부하 입구 온도센서(S2) 또는 부하 출구 온도센서(S1)에서의 부하측 순환수 감지온도에 따라 상기 히트펌프(260)의 가동을 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항에 있어서,
상기 히트펌프(260)는 상기 급탕 탱크(270)와 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 연결되는 열원측으로 구분되고,
상기 열원측 중 순환수 입수 측에 열원 입구 온도센서(S3)가 설치되어 있거나 또는 상기 열원측 중 순환수 출수 측에 열원 출구 온도센서(S4)가 설치되어 있으며,
상기 마이콤(280)은 상기 열원 입구 온도센서(S3) 또는 열원 출구 온도센서(S4)에서의 열원측 순환수 감지온도에 따라 상기 히트펌프(260)의 가동을 제어하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제3항에 있어서,
상기 마이콤(280)은 냉난방 부하의 변동에 따른 상기 수냉식 냉동기(230)의 가동 여부에 따라 상기 히트펌프(260)의 열원측 순환수의 기준 온도 값을 서로 다르게 설정하고,
상기 열원 입구 온도센서(S3) 또는 열원 출구 온도센서(S4)에서 감지한 열원측 순환수 감지 온도 값과 상기 열원측 순환수의 기준 온도 값을 비교하여 상기 히트펌프(260)의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항에 있어서,
상기 히트펌프(260)는 상기 급탕 탱크(270)와 연결되는 부하측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 연결되는 열원측으로 구분되고,
상기 히트펌프(260)의 열원측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240) 사이에 제1삼방변 밸브(3W1)가 설치되되,
상기 제1삼방변 밸브(3W1)의 공통 포트(AB)는 상기 히트펌프(260) 열원측의 순환수 출수측 관에 연결되고, 상기 제1삼방변 밸브(3W1)의 제1포트(A)는 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 입수측 관에 연결되며, 상기 제1삼방변 밸브(3W1)의 제2포트(B)는 상기 히트펌프(260) 열원측의 순환수 입수측과 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 출수측을 서로 연결하는 관에 연결되어,
상기 히트펌프(260)의 열원측 순환수의 순환 방향을 가변시키는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제5항에 있어서,
상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 상기 냉각탑(250) 사이에 설치되어 상기 냉각탑(250)으로 입력되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 입수 온도센서(S5)를 더 포함하되,
상기 마이콤(280)은 상기 냉각수 입수 온도센서(S5)에 감지한 상기 냉각수의 온도 값에 따라 상기 제1삼방변 밸브(3W1)의 개로 방향을 PID 제어(proportional integral derivative control)하는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항에 있어서,
상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)와 상기 냉각탑(250)의 입수측 사이에 제2삼방변 밸브(3W2)가 설치되되,
상기 제2삼방변 밸브(3W2)의 공통 포트(AB)는 상기 냉각수 대 열원측 순환수 열교환기(240)의 냉각수 출수측 관에 연결되고, 상기 제2삼방변 밸브(3W2)의 제1포트(A)는 상기 냉각탑(250)의 냉각수 입수측 관에 연결되며, 상기 제2삼방변 밸브(3W2)의 제2포트(B)는 상기 냉각탑(250)의 냉각수 출수측과 상기 수냉식 냉동기(230)의 냉각수 입수측을 서로 연결하는 관에 연결되어,
상기 수냉식 냉동기(230)에서 출수된 냉각수의 순환 방향을 가변시키는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제7항에 있어서,
상기 냉각탑(250)과 상기 수냉식 냉동기(230) 사이에 설치되어 상기 냉각탑(250)에서 출수되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 출수 온도센서(S6)를 더 포함하되,
상기 마이콤(280)은 상기 냉각수 출수 온도센서(S6)에 감지한 상기 냉각수의 온도 값에 따라 상기 제2삼방변 밸브(3W2)의 개로 방향을 PID 제어하는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 수냉식 냉동기(240)에서 배출된 냉각수가 흐르는 냉각수 순환관 및 상기 냉각수 순환관을 따라 상기 냉각수를 강제 순환시키는 냉각수 순환펌프(232)를 포함하되,
상기 마이콤(280)은 상기 냉각수의 온도가 설정 값 이하로 내려가면 상기 냉각수 순환펌프(232)를 강제로 작동시켜 상기 냉각수 순환관의 동파를 방지하는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 급탕 탱크(270)에 연결되어 상기 급탕 탱크(270)에 급탕수를 보조적으로 제공하는 급탕 보일러(271)를 더 포함하되, 상기 급탕 보일러(271)는 상기 마이콤(280)에 의해 가동이 제어되는 것을 특징으로 하는 폐열원 히트펌프 급탕 시스템(200).