KR101236597B1

KR101236597B1 - 다용도 공기조화시스템

Info

Publication number: KR101236597B1
Application number: KR1020110099645A
Authority: KR
Inventors: 최종민
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-02-22

Abstract

본 발명은 다용도 공기조화시스템에 관한 것으로, 냉매를 압축하는 압축기, 냉매의 순환방향을 전환시키는 방향전환밸브, 열원과 냉매가 열교환하는 열원측 열교환기, 냉매를 팽창시키는 팽창장치 및 냉매와 냉난방용 2차유체가 열교환하는 부하측 열교환기를 구비하는 히트펌프유닛; 상기 부하측 열교환기에서 상기 히트펌프유닛의 냉매와 열교환하는 냉난방용 2차유체를 저장하는 축열조를 구비하며, 상기 축열조에 저장된 상기 냉난방용 2차유체를 부하로 공급하는 냉난방유닛; 그리고 외부로부터 급탕용 2차유체를 공급받아 상기 히트펌프유닛의 상기 압축기 출구 측의 냉매와 상기 급탕용 2차유체를 열교환시켜 급탕수를 생성하는 급탕용 열교환기와, 상기 급탕용 열교환기의 입구측에 설치되며 상기 냉난방유닛의 냉난방용 2차유체와 상기 급탕용 2차유체가 열교환되는 예열용 열교환기를 구비하는 급탕유닛을 포함한다.

Description

다용도 공기조화시스템{Air Conditioning System for Multi-Usage}

본 발명은 다용도 공기조화시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 건물 등의 부하에 대해서 냉방 및 난방을 행함과 동시에 급탕을 위한 고온수를 빠른 시간 내에 공급할 수 있는 다용도 공기조화시스템에 관한 것이다.

히트펌프 사이클을 이용한 공기조화시스템은 하나의 열역학 사이클을 이용하여 냉방과 난방을 동시에 행할 수 있다는 점에서 최근 건물의 냉난방 시스템으로 각광을 받고 있다. 도 1은 종래의 히트펌프사이클을 이용한 공기조화시스템을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시한 것과 같이 종래의 공기조화시스템은 냉매가 순환하는 사이클을 가지는 히트펌프유닛(1)을 구비한다. 히트펌프유닛(1)은 압축기(11), 방향전환밸브(12), 열원측 열교환기(13), 팽창장치(14) 및 부하측 열교환기(15)를 구비한다. 압축기(11)는 냉매를 고온, 고압으로 압축하며, 방향전환밸브(12)는 냉방운전 및 난방운전에 대응하여 냉매의 순환방향을 전환시키며, 열원측 열교환기(13)는 냉매가 외기와 열교환을 하도록 하고, 팽창장치(14)는 냉매를 팽창시키며, 부하측 열교환기(15)는 축열조(3)를 순환하는 부하측 2차유체와 히트펌프유닛(1)을 냉매와 열교환을 행하도록 한다. 한편, 축열조(3)에 저장되어 있는 부하측 2차유체는 건물 등의 부하(4)에 대해서 냉방 및 난방을 위해서 공급되거나, 급탕(부엌이나 욕실 등에서 요구됨)을 위해서 공급된다.

도 1에서 화살표 A(실선)로 도시된 것과 같이, 냉매가 압축기(11), 방향전환밸브(12), 열원측 열교환기(13), 팽창장치(14) 및 부하측 열교환기(15)를 거쳐 다시 압축기(11)로 순환하는 경우, 부하측 열교환기(15)를 통과하는 부하측 2차유체는 히트펌프유닛(1)의 저온의 냉매에게 열을 빼앗기게 되어 온도가 낮아진다. 이렇게 하여 저온이 된 부하측 2차유체는 축열조(15)에 저장되며, 냉방시 부하(4)로 공급된다.

또한, 도 1에서 화살표 B(점선)로 도시된 것과 같이 냉매가 압축기(11), 방향전환밸브(12), 부하측 열교환기(15), 팽창장치(14) 및 열원측 열교환기(13)를 거쳐 다시 압축기(11)로 순환하는 경우, 부하측 열교환기(15)를 통과하는 부하측 2차유체는 히트펌프유닛(1)의 고온의 냉매로부터 열을 빼앗아 온도가 높아진다. 이렇게 고온이 된 부하측 2차유체는 축열조(3)에 저장되며, 난방 또는 급탕이 요구될 경우 부하(4)로 공급된다.

하지만, 이와 같은 종래의 히트펌프사이클을 이용한 공기조화시스템은 급탕을 위한 급탕수가 요구되는 경우에 적절하게 대응하지 못하였다. 구체적으로, 종래의 공기조화시스템에서는 난방시 축열조(3)에 저장된 고온의 부하측 2차유체가 급탕을 위해서 부하(4)로 공급되게 되는데, 이 온도는 보통 급탕을 위해서 요구되는 온도(약 65℃ 이상) 보다 낮은 온도이다. 따라서 난방을 위해서 고온상태로 존재하는 부하측 2차유체가 축열조(3)에 저장되어 있다고 하더라도 급탕시에는 축열조(15)에 설치된 전기히터(16)를 가동하여 온도를 상승시킬 필요가 있었다. 따라서 에너지 절약 측면에서 효율적이지 않다.

또한 냉방시 축열조(3)에는 냉방을 위해서 저온의 부하측 2차유체가 저장되어 있어야 하므로, 부하측 2차유체를 급탕을 위해서 사용할 수 없게 된다. 따라서 냉방시 급탕을 제공하기 위해서는 별도의 급탕설비를 마련해야 하며, 이로 인해서 공간 및 비용이 증가되는 문제점이 있다.

또한 종래의 공기조화시스템은 건물 등의 부하(4)에서 급탕이 요구되는 경우, 전기히터(16) 또는 별도의 급탕설비를 사용하여야 하기 때문에 요구되는 온도로 도달하기까지 시간이 필요하며, 이로 인해서 사용자는 해당 시간 동안 기다려야 하는 불편함이 있다.

본 발명은 종래 공기조화시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 에너지원이나 별도의 설비를 사용하지 않으면서, 하나의 시스템에서 냉방 및 난방을 행함과 동시에 급탕을 위한 급탕수를 공급할 수 있는 다용도 공기조화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 급탕수를 신속하게 공급할 수 있도록 하여 이용에 불편함이 없는 다용도 공기조화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 외기의 온도가 낮은 경우에도 요구되는 급탕온도의 급탕수를 제공할 수 있는 다용도 공기조화시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 다용도 공기조화시스템에 관한 것으로, 냉매를 압축하는 압축기, 냉매의 순환방향을 전환시키는 방향전환밸브, 열원과 냉매가 열교환하는 열원측 열교환기, 냉매를 팽창시키는 팽창장치 및 냉매와 냉난방용 2차유체가 열교환하는 부하측 열교환기를 구비하는 히트펌프유닛; 상기 부하측 열교환기에서 상기 히트펌프유닛의 냉매와 열교환하는 냉난방용 2차유체를 저장하는 축열조를 구비하며, 상기 축열조에 저장된 상기 냉난방용 2차유체를 부하로 공급하는 냉난방유닛; 그리고 외부로부터 급탕용 2차유체를 공급받아 상기 히트펌프유닛의 상기 압축기 출구 측의 냉매와 상기 급탕용 2차유체를 열교환시켜 급탕수를 생성하는 급탕용 열교환기와, 상기 급탕용 열교환기의 입구측에 설치되며 상기 냉난방유닛의 냉난방용 2차유체와 상기 급탕용 2차유체가 열교환되는 예열용 열교환기를 구비하는 급탕유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은 단일의 시스템 내에 급탕유닛 및 냉난방유닛을 구비하고, 히트펌프유닛의 압축기 출구의 냉매와의 열교환을 통해서 급탕을 행할 수 있으므로, 냉방, 난방, 급탕, 냉방+급탕, 난방+급탕 등 공기조화시스템에서 필요로 하는 모든 조건을 만족시키는 운전모드를 가질 수 있다.

아울러 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은 보다 높은 온도의 급탕수 및 보다 높은 온도의 난방수가 필요한 경우 예열용 열교환기 및 보조 열교환기를 사용함으로써, 보다 빠른 시간 내에 요구되는 온도로 급탕용 2차유체 및 냉난방용 2차유체의 온도를 맞출 수 있다.

도 1은 종래의 공기조화시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 냉방모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 냉방+급탕모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 난방모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 난방모드에서 보조 열교환기를 사용한 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 난방+급탕모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 난방+급탕모드에서 예열용 열교환기가 작동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7의 난방+급탕모드에서 보조 열교환기가 작동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 급탕모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 또 다른 실시형태의 급탕모드를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 것과 같이 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은, 단일의 시스템 내에 히트펌프유닛(100), 냉난방유닛(200) 및 급탕유닛(300)을 포함한다.

히트펌프유닛(100)은 냉매가 흐르는 냉매라인(L100)에 의해서 연결되는 압축기(110), 방향전환밸브(120), 부하측 열교환기(130), 팽창장치(140), 열원측 열교환기(150)를 포함한다. 압축기(110)는 냉매를 고온고압으로 압축시키는 작용으로 하며, 방향전환밸브(120)는 사방밸브로서 냉난방 운전에 대응하여 냉매의 순환방향을 전환시키는 작용을 한다. 또한 부하측 열교환기(130)는 냉매와 후술하는 냉난방용 2차유체가 열교환하도록 하며, 팽창장치(140)는 냉매를 팽창시키며, 열원측 열교환기(150)는 냉매를 외기와 열교환시킨다. 여기서는 열원으로서 외기를 사용한 경우를 설명하고 있으나, 열원으로는 지열, 해수열 등을 사용해도 된다.

또한 히트펌프유닛(100)에는 냉매라인(L100) 중 압축기(110)의 토출구에서 일지점인 A1 지점에서 분기하여 방향전환밸브(120)의 입구의 일지점인 A2 지점에서 합류하는 냉매분기라인(L110)이 설치되어 있다. 냉매분기라인(L110)은 압축기(110)로부터 토출된 냉매가 분기되어 급탕유닛(300)에 구비되어 있는 후술하는 급탕용 열교환기(310)로 유입될 수 있도록 한다.

냉매라인(L100) 및 냉매분기라인(L110) 각각의 A1 지점과 A2 지점 사이에는 조절밸브(111) 및 조절밸브(112)가 각각 설치되어 있다. 조절밸브(111, 112)는 개도의 정도에 따라서 통과되는 냉매의 양을 조절할 수 있는 니들밸브나 유량조절밸브 등이 사용된다. 한편 조절밸브(111, 112)를 제어함으로써 압축기(110)에서 압축되어 토출된 냉매가 급탕용 열교환기(310)에 선택적으로 유입될 수 있도록 한다. 본 발명에서 "선택적"이란, 조절밸브(111, 112)를 번갈아 개폐시켜서 냉매가 냉매분기라인(L110)을 따라 흐르는 동안 냉매라인(L100) 중 조절밸브(111)가 설치된 라인으로는 흐르지 않는 경우나, 반대로 냉매가 냉매라인(L100) 중 조절밸브(111)가 설치된 라인으로 흐르는 동안 냉매분기라인(L110)으로는 흐르지 않는 경우뿐만 아니라, 조절밸브(111, 112)의 개도를 조절하여 냉매가 냉매라인(L100) 중 조절밸브(111)가 설치된 라인 및 냉매분기라인(L110)으로 함께 흐르는 경우를 포함한다.

또한, 히트펌프유닛(100)은 압축기(110) 입구측에 설치되어 냉매와 냉난방유닛(200)을 흐르는 냉난방용 2차유체가 열교환하는 보조 열교환기(160)를 구비한다. 이 보조 열교환기(160)는 필요에 따라서 냉매가 냉난방용 2차유체로부터 열을 받아서 보다 높은 온도 상태가 되어 압축기(110)로 유입되도록 한다. 이에 대해서는 본 발명의 작동 모드 중 후술하는 난방모드를 설명하면서 구체적으로 보다 상세하게 설명한다.

냉난방유닛(200)은 냉난방을 위해서 건물 등의 부하(400)에 공급되는 냉난방용 2차유체를 저장하는 축열조(210)를 구비한다. 냉난방용 2차유체는 축열조(210)와 부하측 열교환기(130)를 연결하는 제1 난방용 2차유체라인(L210)을 따라서 축열조(210)와 부하측 열교환기(130)를 순환하게 된다. 도면 부호 211은 냉난방용 2차유체가 제1 냉난방용 2차유체라인(L210)을 순환하도록 하는 펌프이다. 이러한 구성에 의해서 냉난방용 2차유체는 제1 냉난방용 2차유체라인(L210)을 따라 흐르면서 부하측 열교환기(130)에서 히트펌프유닛(100)을 흐르는 냉매와 열교환하고, 축열조(210)에 저장된다.

급탕유닛(300)은 급탕을 위해서 외부로부터 시수(市水, 이하 '급탕용 2차유체'라고 함)를 공급받아 히트펌프유닛(100)의 압축기(110) 출구 측의 냉매와 열교환시키는 급탕용 열교환기(310)를 구비한다. 급탕용 2차유체는 급탕용 열교환기(310)를 통과하면서 압축기(110)에서 고온 고압으로 압축된 냉매로부터 열을 빼앗아 고온의 급탕수가 되며, 이를 부하(400)에 대해서 급탕용으로 공급된다. 이를 위해서 급탕유닛(300)에는 외부와 연결됨과 아울러 급탕용 열교환기(310)를 통과하여 부하로 연결되는 급탕라인(L310)이 설치되어 있다. 또한 위 급탕라인(L310)에는 급탕라인(L310)을 따라서 급탕용 2차유체를 흐르게 하기 위한 펌프(330)가 설치된다.

또한 급탕유닛(300)에는 급탕용 열교환기(310)로 유입되는 급탕용 2차유체를 예열하기 위한 예열용 열교환기(320)가 설치되어 있다. 예열용 열교환기(320)는 급탕라인(L310) 중 급탕용 열교환기(310)의 입구측에서, 급탕용 2차유체가 냉난방유닛(200)의 냉난방용 2차유체와 열교환을 행하도록 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템에서는 냉난방유닛(200)을 흐르는 냉난방용 2차유체가, 급탕유닛(300)의 예열용 열교환기(320)에서 급탕용 2차유체와 열교환할 수 있으며, 또한 히트펌프유닛(100)의 보조 열교환기(160)에서 냉매와 열교환할 수 있다. 냉난방유닛(200)은 냉난방용 2차유체를 예열용 열교환기(320) 및 보조 열교환기(160)로 흐르게 하기 위해서 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)과 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 구비한다.

구체적으로 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)은 축열조(210)에 저장되어 있는 냉난방용 2차유체가 축열조(210)로부터 나와 예열용 열교환기(320)와 보조 열교환기(160)를 통과한 후 다시 축열조(210)로 유입되는 경로를 가진다. 또한 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)에는 냉난방용 2차유체를 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)을 따라서 흐르게 하는 펌프(212) 및 축열조(210)의 냉난방용 2차유체의 흐름을 조절하기 위한 조절밸브(222)가 설치되어 있다.

제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 중 예열용 열교환기(320) 입구 측 일지점인 B1 지점에서 분기하여 예열용 열교환기(320) 출구 측의 일지점인 B2 지점에서 합류하는 제1 냉난방용 2차유체분기라인(L240)이 설치된다. 즉 제1 냉난방용 2차유체분기라인(L240)은 예열용 열교환기(320)로 향하는 냉난방용 2차유체를 예열용 열교환기(320)를 통과하지 않도록 할 수 있다(바이패스 시킨다). 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)에서 B1 지점과 예열용 열교환기(320)의 입구 사이에는 조절밸브(231)가 설치되어 있으며, 또한 제1 냉난방용 2차유체분기라인(L240)에는 조절밸브(232)가 설치되어 있다. 이들 조절밸브(231, 232)를 제어함으로써 냉난방용 2차유체가 예열용 열교환기(320)로 선택적으로 유입될 수 있도록 할 수 있다.

또한 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 중 보조 열교환기(160)의 입구 측 일지점인 C1 지점에서 분기하여 보조 열교환기(160) 출구 측의 일지점인 C2 지점에서 합류하는 제2 냉난방용 2차유체분기라인(L250)이 설치된다. 즉 제2 냉난방용 2차유체분기라인(L250)은 보조 열교환기(160)로 향하는 냉난방용 2차유체를 보조 열교환기(160)를 통과시키지 않도록 한다. 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)에 C1 지점과 보조 열교환기(160)의 입구 사이에는 조절밸브(241)가 설치되며, 또한 제2 냉난방용 2차유체분기라인(L250)에는 조절밸브(242)가 설치된다. 이들 조절밸브(241, 242)를 제어함으로써 냉난방용 2차유체가 보조 열교환기(160)로 선택적으로 유입될 수 있도록 할 수 있다.

제3 냉난방용 2차유체라인(L230)은 제1 냉난방용 2차유체라인(L210) 중 부하측 열교환기(130)의 출구 측 일지점인 D1과 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 중 예열용 열교환기(320)의 입구 측 일지점인 E1과 연결하는 라인(L231) 및 축열조(210) 입구 측 일지점인 D2와 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 중 보조 열교환기(160)의 출구 측 일지점인 E2와 연결하는 라인(L232)으로 구성된다. 라인(L231)에는 조절밸브(221)가 설치되어 부하측 열교환기(130)로부터 나온 냉난방용 2차유체가 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)로 흐르도록 흐름을 조절하게 된다. 또한 제1 냉난방용 2차유체라인(L210)에서 D1과 D2 사이에 조절밸브(223)가 설치된다.

위 조절밸브(221)가 열림상태가 되면, 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 통해서 부하측 열교환기(130)를 통과한 냉난방용 2차유체가 제2 냉난방용 2차유체라인(L220)과 합류되어 예열용 열교환기(320) 및 보조 열교환기(160)로 공급될 수 있다. 이 때 조절밸브(223)를 열림상태 또는 닫힘상태로 하여 제1 냉난방용 2차유체라인(L210)을 따라서 흐르는 냉난방용 2차유체의 흐름을 조절할 수 있다.

이하, 위에서 설명한 구성을 가지는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 작동모드에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은 냉방모드, 난방모드, 급탕모드, 냉방+급탕모드 및 난방+급탕모드 등 건물에서 필요한 모든 운전상태에 대응할 수 있는 운전모드를 가지고 있다.

< 냉방모드 >

도 3은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 냉방모드를 설명하기 위한 도면이다. 냉방모드는 주위의 온도가 높은 하절기에 주로 운전된다.

먼저, 냉방모드로 작동되는 경우, 도 3에 도시한 것과 같이 히트펌프유닛(100)에서는 냉매가 압축기(110), 방향전환밸브(120), 열원측 열교환기(150), 팽창장치(140), 부하측 열교환기(130)를 거쳐 다시 압축기(110)로 순환하는 냉방사이클을 구성한다.

히트펌프유닛(100)의 냉매는 부하측 열교환기(130)를 저온상태로 통과하기 때문에 부하측 열교환기(130)를 통과하는 냉난방유닛(200)의 냉난방용 2차유체와 열교환하여 열을 빼앗게 된다. 이로 인해서 냉난방유닛(200)을 흐르는 냉난방용 2차유체는 냉매에 의해서 열을 빼앗기게 되어, 저온 상태로 축열조(210)에 저장된다. 축열조(210)에 저장된 냉난방용 2차유체는 부하(400)로 공급되어 건물에 냉방을 행한다. 이때, 조절밸브(221) 및 조절밸브(222)는 닫힘상태를 유지하여 냉난방용 2차유체가 예열용 열교환기(320) 및 보조 열교환기(160)를 통과하지 않도록 한다.

< 냉방+급탕모드 >

도 4는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 냉방+급탕모드를 설명하기 위한 도면이다. 냉방+급탕모드는 역시 주위의 온도가 높은 하절기에 주로 운전된다.

위에서 설명한 냉방을 행할 수 있는 냉방모드로 운전을 행하는 중에 소비자가 급탕을 요구하는 경우, 급탕유닛(300)이 냉방+급탕모드로 운전된다. 구체적으로 도 4에 도시된 것과 같이 급탕유닛(300)의 펌프(330)가 작동하여 외부로부터 급탕용 2차유체가 급탕라인(L310)을 따라 흐른다. 아울러 히트펌프유닛(100)에서는 조절밸브(112)를 열림상태로 하여 압축기(110)로부터 토출되는 냉매가 급탕용 열교환기(310)를 지나게 한다. 그 결과 급탕용 열교환기(310)에 급탕용 2차유체와 냉매가 열교환한다. 급탕용 열교환기(310)를 지나는 냉매는 압축기(110)로부터 압축되어 고온 고압의 상태이므로 위 열교환에 의해서 급탕유닛(300)의 급탕용 2차유체는 냉매로부터 열을 빼앗아 급탕시 요구되는 온도로 상승된다. 이렇게 온도가 상승된 급탕용 2차유체는 급탕라인(L310)을 따라서 부하(400)로 공급된다. 따라서 냉방+급탕모드를 통해서 부하(400)에 대해서 냉방을 행하면서도 급탕을 공급할 수 있게 된다.

여기서 히트펌프유닛(100)의 조절밸브(111)는 닫힘상태로 도시하고 있으나, 압축기(110)로부터 나온 냉매 전부가 급탕용 열교환기(310)로 흐르지 않아도 요구되는 급탕의 온도를 만족하는 경우에는 나머지 냉매의 흐름을 위해서 일부 개방될 수도 있다. 또한 이 경우 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 급탕용 열교환기(310)에서 열을 빼앗기므로, 급탕용 열교환기(310)는 응축기 역할을 하며, 따라서 열원측 열교환기(150)에서 응축해야할 부분이 적어지게 된다. 따라서 열원측 열교환기(150)에 설치되는 팬의 작동에 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 여기서는 열원을 외기로 하였으나 공기가 아닌 지열, 해수열 등의 경우에도 열원측 열교환기(150)로 유입되는 열원수의 양을 줄일 수 있고, 따라서 열원수를 순환시키는 펌프의 작동에 필요한 에너지를 절약할 수 있다.

< 난방모드 >

도 5는 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 난방모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 5의 난방모드에서 보조 열교환기를 사용한 상태를 나타내는 도면이다. 난방모드는 주위의 온도가 낮은 동절기에 사용된다.

난방모드는 도 5에 도시한 것과 같이 히트펌프유닛(100)의 냉매 순환방향이 냉방모드와는 반대가 된다. 즉, 냉매는 압축기(110), 방향전환밸브(120), 부하측 열교환기(130), 팽창장치(140) 및 열원측 열교환기(150)를 거쳐 다시 압축기(110)로 유입되는 난방사이클을 구성한다. 부하측 열교환기(130)를 지나는 냉매는 고온 상태이므로 부하측 열교환기(130)에서는 냉난방유닛(200)을 흐르는 부하측 2차유체가 냉매로부터 열을 공급받아 고온상태가 된다. 고온상태가 된 부하측 2차유체는 축열조(210)에 저장되고, 난방시 부하(400)로 공급된다.

한편, 동절기 주위의 온도가 너무 낮아져서 위 난방모드를 행하더라도 축열조(210)에 저장되는 냉난방용 2차유체가 소비자가 요구하는 온도로 맞추어질 수 없는 경우가 발생한다. 이 경우 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템에서는 보조 열교환기(160)를 통해서 압축기(110)로 유입되는 냉매의 온도를 높임으로써 이를 해결할 수 있다.

구체적으로, 도 6에 도시한 것과 같이, 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 및 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 통해서 냉난방용 2차 유체가 보조 열교환기(160)로 흐르게 한다. 이를 위해서 조절밸브(221) 및 조절밸브(222)를 열림상태로 하고, 펌프(212)를 작동시킨다. 아울러 조절밸브(231) 및 조절밸브(242)를 닫힘상태로 하고, 조절밸브(232) 및 조절밸브(241)를 열림상태로 한다. 여기서 조절밸브(223)는 닫힘상태로 유지하는 것으로 도시되어 있으나, 부분적으로 열림상태로 유지할 수도 있다.

이와 같이 구성함으로써 축열조(210)에 저장되어 있는 냉난방용 2차유체나, 부하측 열교환기(130)를 통과한 냉난방용 2차유체가 보조 열교환기(160)로 유입된다. 이때 보조 열교환기(160)로 유입되는 냉난방용 2차유체는 히트펌프유닛(100)의 압축기(110)로 유입되는 냉매의 온도보다 높기 때문에, 냉난방용 2차유체로부터 냉매로 열이 공급되어 냉매의 온도가 상승된 후, 냉매가 압축기로 유입된다.

이로 인해서 히트펌프유닛(100)을 흐르는 냉매가 구성하는 난방사이클의 온도가 전체적으로 상승됨으로써, 부하측 열교환기(130)에서 냉매와 열교환하는 냉난방용 2차유체도 온도가 상승하게 된다. 그 결과 보다 높은 온도의 냉난방용 2차유체가 축열조(210)에 저장될 수 있다.

여기서는 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 및 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 모두 사용하는 것에 대해서 설명하였지만, 조절밸브(221) 및 조절밸브(222)를 조절하여 이들 중 하나의 라인만을 선택하여 사용하여도 된다. 즉, 보조 열교환기(160)로 유입되는 냉난방용 2차유체는 축열조(210)에 저장되어 있는 냉난방용 2차유체 또는 부하측 열교환기(130)를 통과한 냉난방용 2차유체 중 하나만 사용하여도 된다.

< 난방+급탕모드 >

도 7은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 난방+급탕모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 도 7의 난방+급탕모드에서 예열용 열교환기가 작동되는 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 7의 난방+급탕모드에서 보조 열교환기가 작동되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.

위 도 5에 도시된 난방모드에서 소비자가 급탕을 요구되게 되면 난방+급탕모드가 된다. 이 경우 도 7에 도시한 것과 같이, 급탕유닛(300)에서 급탕라인(L310)을 따라서 급탕용 2차유체가 급탕용 열교환기(310)를 통과하도록 펌프(330)가 작동한다. 아울러 히트펌프유닛(100)에서는 조절밸브(112)가 열림상태로 제어되어 압축기(110)로부터 나온 냉매가 급탕용 열교환기(310)를 통과한다.

따라서 급탕라인(L310)을 따라서 공급된 급탕용 2차유체는 급탕용 열교환기(310)에서 압축기(110)로부터 토출된 고온 고압의 냉매로부터 열을 빼앗아 고온이 되어 급탕을 위해서 부하(400)로 공급된다.

한편, 이에 더하여 도 8에 도시된 것과 같이 냉난방유닛(200)을 흐르는 냉난방용 2차유체를 급탕유닛(300)의 예열용 열교환기(320)로 공급하게 되면 보다 빠른 시간에 급탕용 2차유체의 온도를 높일 수 있다. 구체적으로, 냉난방유닛(200)에서 조절밸브(221) 및 조절밸브(222)를 열림상태로 하고, 또한 조절밸브(231) 및 조절밸브(242)를 열림상태하여 냉낭방유닛(200)의 냉난방용 2차유체가 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 및 제3 냉난방용 3차유체라인(L230)을 따라 흐르면서 급탕유닛(300)의 예열용 열교환기(320)를 흐르게 한다. 이때 조절밸브(232) 및 조절밸브(241)는 닫힘상태로 유지한다. 여기서 조절밸브(223)는 닫힘상태로 유지하는 것으로 도시되어 있으나, 부분적으로 열림상태로 유지할 수도 있다.

이와 같은 상태에서는 부하측 열교환기(130)를 통과한 고온의 냉난방용 2차유체 및 축열조(210)에 저장되어 있던 고온의 냉난방용 2차유체가 예열용 열교환기(320)로 공급된다. 예열용 열교환기(320)에서는 고온의 냉난방용 2차유체의 열이 외부로부터 공급되는 저온의 급탕용 2차유체로 전달된다. 따라서 예열용 열교환기(320)를 지나는 급탕용 2차유체는 급탕용 열교환기(310)로 유입되기 전에 예열되며, 따라서 급탕용 열교환기(310)에서 보다 빠른 시간 안에 높은 온도 상태의 급탕용 2차유체가 되어 소비자가 급탕온도가 될 때까지 장시간 기다려야 하는 불편함을 줄일 수 있다.

한편, 난방을 행하는 동절기의 경우 외기의 온도가 낮기 때문에 압축기(110)에서 압축된 냉매의 온도가 충분히 높은 온도로 되지 않는 경우가 있다. 이때 히트펌프유닛(100)에 구비되어 있는 보조 열교환기(160)에서 냉매와 냉난방용 2차유체가 열교환하게 되면 보다 높은 온도의 급탕용 2차유체를 얻을 수 있다. 구체적으로, 도 9에 도시된 것과 같이, 급탕유닛(300)을 작동한 상태에서, 개폐밸브(221) 및 개폐밸브(222)를 열림상태로 하고, 개폐밸브(231) 및 개폐밸브(242)를 닫힘상태로, 그리고 개폐밸브(232) 및 개폐밸브(241)를 열림상태로 한다. 여기서 조절밸브(223)는 닫힘상태로 유지하는 것으로 도시되어 있으나, 일부 열림상태로 유지할 수도 있다.

이와 같이 하면 냉난방유닛(200)의 냉난방용 2차유체가 보조 열교환기(160)에서 압축기(110)로 유입되는 냉매의 온도를 높이게 된다. 이로 인해서 압축기(110) 출구의 냉매의 온도가 상승되어 히트펌프유닛(100)의 난방사이클의 온도가 전체적으로 상승한다. 그 결과 급탕용 열교환기(310)에서 냉매와 열교환되는 급탕용 2차유체가 보조 열교환기(160)를 사용하지 않은 경우 보다 높은 온도가 되며, 또한 부하측 열교환기(160)에서 냉매와 열교환되는 냉난방용 2차유체 역시 보조 열교환기(160)를 사용하지 않은 경우 보다 높은 온도가 된다.

위에서는 제2 냉난방용 2차유체라인(L220) 및 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 모두 사용하는 것에 대해서 설명하였지만, 조절밸브(221) 및 조절밸브(222)를 조절하여 이들 중 하나의 라인만을 선택하여 사용하여도 된다.

또한 위에서는 냉난방용 2차유체가 예열용 열교환기(320) 및 보조 열교환기(160)에 대해서 개별적으로 유입되는 경우에 대해서 설명하였으나, 조절밸브(231, 232) 및 조절밸브(241, 242)를 적절하게 조절하여 냉난방용 2차유체가 예열용 열교환기(320)를 지나 보조 열교환기(160)로 유입되도록 할 수 있다.

< 급탕모드 >

급탕모드는 봄철이나 가을철과 같이, 축열조에 난방을 위한 고온의 냉난방용 2차유체가 저장되어 있지 않은 경우에, 빠른 시간 내에 급탕수를 공급할 수 있는 모드이다. 도 10은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 급탕모드를 설명하기 위한 도면이다.

급탕모드는 도 10에 도시한 것과 같이 히트펌프유닛(100), 냉난방유닛(200) 및 급탕유닛(300)이 작동한다는 점에서 도 7에 도시된 난방+급탕모드와 유사하지만, 난방을 행하지 않는다는 점에서 차이를 가지고 있다. 따라서 구체적인 설명은 생략한다.

또한 보다 빠른 시간에 급탕을 위한 급탕용 2차유체의 온도를 맞추기 위해서 냉난방용 2차유체를 사용하여 예열용 열교환기(320)에서 냉난방용 2차유체와 급탕용 2차유체가 열교환을 하도록 할 수 있는데, 이 경우 도 10에 도시한 것과 같이 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)만을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 축열조(210)에는 고온의 냉난방용 2차유체가 저장되어 있지 않기 때문에 축열조(210)에 연결된 제2 냉난방용 2차유체(L220)를 사용하는 것은 급탕용 2차유체를 예열시키는데 많은 효과를 거두지 못하는 반면, 부하측 열교환기(130)를 거친 냉난방용 2차유체의 경우 온도가 높기 때문에 이를 사용하면 급탕용 2차유체를 충분히 예열시키는 효과를 가질 수 있다.

도 11은 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템의 또 다른 실시형태를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 다용도 공기조화시스템과 대비하면 제3 냉난방용 2차유체라인(230) 중 라인(L232)이 일지점 E3에서 제1 냉난방용 2차유체라인(210)과 합류되며, 제3 냉난방용 2차유체라인(230)에서 일지점 D2와 일지점 E3 사이에 조절밸브(251)가 설치되며, 제1 냉난방용 2차유체라인(210)의 축열조(210) 출구와 일지점 E3 사이에 조절밸브(252)가 설치된다는 점에서 차이를 가진다.

따라서 본 실시형태에서 조절밸브(251) 및 조절밸브(252)가 모두 열림상태로 조절하는 경우 냉방모드, 난방모드, 급탕모드, 냉방+급탕모드, 난방+급탕모드는 도 2에 도시된 실시형태와 동일하게 된다.

다만 본 실시형태는 도 10에서 설명한 도 2의 실시형태의 급탕모드와 달리, 냉난방용 2차유체가 축열조(210)를 통과하지 않도록 할 수 있다. 구체적으로 도 11에 도시된 것과 같이 조절밸브(251) 및 조절밸브(252)를 닫힘상태로 하면, 도 10에 도시된 실시형태와는 달리 부하측 열교환기(130)를 나온 냉난방용 2차유체가 제3 냉난방용 2차유체라인(L230)을 따라서 예열용 열교환기(320)를 거친 후에 E3 지점에서 제1 냉난방용 2차유체라인(L210)과 합류하여 다시 부하측 열교환기(130)로 유입된다.

이 경우 예열용 열교환기(320)를 거친 냉난방용 2차유체가 축열조(210)를 거치지 않기 때문에 축열조(210)에서 열을 빼앗기지 않으며, 이로 인해서 부하측 열교환기(130)로 유입되는 온도가 높게 되고, 그 결과 부하측 열교환기(130)로부터 나와 예열용 열교환기(320)로 유입되는 냉난방용 2차유체의 온도가 도 10의 경우 보다 높게 된다. 따라서 예열용 열교환기(320)에서 냉난방용 2차유체에 의한 급탕용 2차유체를 예열시키는 시간을 빠르게 할 수 있고, 이로 인해서 사용자에게 보다 빨리 급탕온도에 맞는 급탕수를 공급할 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은 급탕유닛(300)을 냉난방유닛(200)과 별도로 구비하고 히트펌프유닛(100)의 압축기(110) 출구의 냉매의 온도를 사용하여 급탕을 행할 수 있으므로, 냉방, 난방, 급탕, 냉방+급탕, 난방+급탕 등 공기조화시스템에서 필요로 하는 모든 조건을 만족시키는 운전모드를 가지게 된다.

아울러 본 발명에 따르는 다용도 공기조화시스템은 보다 높은 온도의 급탕수 및 난방수가 필요한 경우 예열용 열교환기(320) 및 보조 열교환기(160)를 사용함으로써, 보다 빠른 시간에 요구되는 온도로 급탕용 2차유체 및 냉난방용 2차유체의 온도를 맞출 수 있다.

100 : 히트펌프유닛 ` 110 : 압축기
120 : 방향전환밸브 130 : 부하측 열교환기
140 : 팽창장치 150 : 열원측 열교환기
160 : 보조 열교환기 200 : 냉난방유닛
210 : 축열조 300 : 급탕유닛
310 : 급탕용 열교환기 320 : 예열용 열교환기
111, 112, 221, 222, 231, 232, 241, 242, 251, 252 : 조절밸브
L100 : 냉매라인 L110 : 냉매분기라인
L210 : 제1 냉난방용 2차유체라인 L220 : 제2 냉난방용 2차유체라인
L230 : 제1 냉난방용 2차유체분기라인
L240 : 제2 냉난방용 2차유체분기라인
L250 : 제3 냉난방용 2차유체분기라인
L310 : 급탕라인

Claims

냉매를 압축하는 압축기, 냉매의 순환방향을 전환시키는 방향전환밸브, 열원과 냉매가 열교환하는 열원측 열교환기, 냉매를 팽창시키는 팽창장치 및 냉매와 냉난방용 2차유체가 열교환하는 부하측 열교환기를 구비하는 히트펌프유닛,
상기 부하측 열교환기에서 상기 히트펌프유닛의 냉매와 열교환하는 냉난방용 2차유체를 저장하는 축열조를 구비하며, 상기 축열조에 저장된 상기 냉난방용 2차유체를 부하로 공급하는 냉난방유닛, 그리고
외부로부터 급탕용 2차유체를 공급받아 상기 히트펌프유닛의 상기 압축기 출구 측의 냉매와 상기 급탕용 2차유체를 열교환시켜 급탕수를 생성하는 급탕용 열교환기와, 상기 급탕용 열교환기의 입구측에 설치되며 상기 냉난방유닛의 냉난방용 2차유체와 상기 급탕용 2차유체가 열교환되는 예열용 열교환기를 구비하는 급탕유닛
을 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프유닛은 상기 냉난방유닛의 냉난방용 2차유체가 상기 히트펌프유닛의 압축기 입구측의 냉매와 열교환하는 보조 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 예열용 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 냉난방유닛에서 상기 부하측 열교환기 출구로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제3항에 있어서,
상기 예열용 열교환기에서 열교환되어 나온 냉난방용 2차유체는, 상기 부하측 열교환기 입구로 유입되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 예열용 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 냉난방유닛에서 상기 축열조로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제2항에 있어서,
상기 보조 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 냉난방유닛에서 상기 부하측 열교환기 출구로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제6항에 있어서,
상기 보조 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 예열용 열교환기를 거친 후 유입되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제2항에 있어서,
상기 보조 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 냉난방유닛에서 상기 축열조로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.
제8항에 있어서,
상기 보조 열교환기로 유입되는 냉난방용 2차유체는, 상기 예열용 열교환기를 거친 후 유입되는 것을 특징으로 하는 다용도 공기조화시스템.