KR101248469B1 - 고효율의 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 먼저, 공기 중 포함된 열을 열원으로 하는 히트펌프, 상기 히트펌프에 의해 가열된 온수를 저장하고 가열된 온수를 하우스 내부로 공급 또는 차단하기 위한 밸브 또는 펌프가 구비된 축열조 및 상기 축열조에 저장된 온수를 이용하여 하우스 내부를 난방하기 위한 난방수단을 포함하는 공기열원 히트펌프 장치에 있어서, 상기 하우스 외부에 구비되어 외부의 광량 또는 태양의 일출·일몰을 감지하기 위한 외부감지센서; 상기 축열조의 일정부분에 구비되어 상기 축열조의 내부에 저장되는 온수의 온도를 측정하기 위한 축열조온도센서; 상기 히트펌프 내부에 포함된 증발기의 일정부분에 구비되며 증발기의 제상을 위한 증발기의 온도를 측정하기 위한 증발기온도센서; 및 외기 온도가 높은 시간대에 히트펌프가 구동되도록 구동 시작시간 및 구동 종료시간을 설정할 수 있는 타이머가 구비되며, 상기 외부감지센서 및 축열조온도센서를 통해 측정된 외부 광량 또는 태양의 일출·일몰 상태에 대한 정보로 상기 히트펌프의 구동여부를 제어하기 위한 제어부를 포함하되, 상기 외부감지센서는 조도센서 또는 태양광 모듈센서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법은 상기 제어부를 통해 상기 히트펌프의 구동조건을 입력하는 단계; 상기 타이머, 외부감지센서, 축열조온도센서 및 증발기온도센서를 통해 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도를 감지하는 단계; 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건을 비교하는 단계; 및 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건의 일치시 상기 히트펌프를 구동하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

고효율의 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법{High efficiency air source heat pump and control method thereof}

본 발명은 에너지 절감으로 경제성이 우수하고 친환경적이며 특히 히트펌프의 구동효율을 극대화할 수 있는 고효율의 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 계절에 관계없이 하루 중에서 공기 열이 가장 높은 시간대의 조건을 조도센서 또는 태양광모듈센서로 감지하여 히트펌프를 구동시켜 온수로 가열하고 이를 축열조에 축열해서 난방용 온수로 사용할 수 있고 특히, 혹한기 야간에 무리한 가동으로 인한 히트펌프의 수명단축 및 히트펌프의 제상운전으로 인한 에너지 낭비를 절감할 수 있는 고효율의 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 열에너지를 얻는 방법으로는 가연 물질을 연소시키거나 전기, 화학적 작용 및 반응 등을 이용하고 있으며, 상기 연소 및 작용, 반응에 의하여 얻어진 열에너지를 축열장치에 축열시키거나 이용 가능한 상태로 변환시킨 후 이를 냉,난방 혹은 가열을 위한 수단으로 이용하고 있다.

그러나, 상기와 같이 열에너지를 얻기 위한 방법은 연소시킬 수 있는 가연 물질을 준비해야 하고 이를 연소시키면서 열에너지를 얻어야 하기 때문에, 상기 가연물질을 연소시키기 위한 장치의 필요성과 더불어 상기 가연물질의 연소로 인한 환경오염 물질의 생성으로 인한 폐해를 걱정하지 않을 수 없으며, 실제 가연물질의 연소로인한 환경오염이 심각한 상태에 이르고 있다.

또한, 전기적, 화학적 작용에 의하여 열에너지를 얻는 방법은 상기 가연물질을 연소시키는 방법에 비하여 오염물질의 생성이 현저하게 적게 되지만, 상기한 전기적, 화학적 방법 등은 이들 반응을 위한 물질이나 장치를 필요로 하기 때문에 많은 양의 열에너지를 얻고자 할 때에는 이에 따른 장치의 부피가 방대하게 되는 폐단이 있다.

이에 상기의 문제들을 개선하고자 하는 것으로 공기열원 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템이 개시되었으며, 상기 공기열원 히트펌프는 첨부된 도 1 및 2에서와 같이, 정상적인 난방 운전시 압축기(1)→4방향밸브(2)→응축기(냉방 및 제상 운전시에는 증발기)(3)→체크밸브(9)→수액기(5)→드라이어(6)→전자밸브(7) →팽창밸브(Expansion)(8)→체크밸브(9)→증발기(냉방 및 제상 운전시에는 응축기)(10)→4방향밸브(2)→ 액분리기(11)→압축기(1)의 흐름으로 냉매가스 흐름이 진행시키는 구조를 가진다.

즉, 상기 압축기(1)에서 토출 된 고온 고압의 냉매가스는 응축기(3)에서 저온의 물과 열 교환되어 냉매로 상 변화되며, 상온의 물은 승온되어 50℃ 이상의 온수가 되어 난방용으로 냉난방시스템의 축열조(100)를 통해 공기조화기(200)로 공급된다.

이때, 상기 응축된 냉매는 체크밸브(9)를 통과한 후 수액기(5)와 드라이어(6) 및 전자밸브(7)를 거쳐 팽창밸브(8)를 통과하면서 감압되어 저온의 액냉매로 증발기(10)에 공급되는바, 상기 증발기(10)에서는 대기중의 공기로부터 열을 흡수하면서 감압이 이루어진 저온의 액 냉매를 저온 저압의 냉매가스로 상 변환시킨 후 이를 압축기(1)로 공급하게 되는 것이다.

한편, 공기열원 히트펌프는 외기 온도가 낮은 겨울철 난방 운전중에 증발기(10)에 성애가 발생(착상)하는 바, 상기와 같이 착상된 성애를 고온고압의 냉매가스(hot Gas)를 이용한 제상, 전열 제상(Electric Defrost) 등으로 제상 운전을 하게 된다.

상술한 제상 운전은 일반적으로 외기 온도, 냉매 증발온도 등을 측정하여 고온 고압의 냉매가스를 공급하거나, 또는 외기온도 센서를 이용하여 외기온도가 일정온도 이하로 내려갈 경우 착상 정도에 관계없이 1시간에 한번 씩 약 5분~10분 동안 고온 고압의 냉매가스를 증발기(10)로 공급하며, 정상 난방의 역방향 운전(냉방운전과 동일)을 하여 증발기(10)에 착상된 성애를 제거하는 방식으로 이루어졌다.

그러나 이러한 방식의 제상 운전은 고온 고압의 냉매가스가 증발기(10)로 유입되어 액화된 저온의 냉매가스는 응축기(3)를 통과해 생산된 온수를 다시 냉각시키는 비생산적인 운전을 제상 주기마다 반복적으로 시행하는 문제점이 있었으며, 이로 인해 열손실은 물론 냉방 및 난방사이클이 자주 바뀌는 비정상적인 운전으로 압축기(1)에 부담을 주며, 히트펌프의 수명을 단축시키는 원인이 되었다.

아울러 외부 열원이 풍부하지 못한 혹한기 야간시간대에 무리하게 히트펌프를 구동시킴으로써 이로 인한 히트펌프의 과부하에 따른 고장, 열 변환 효율저하 및 에너지 낭비의 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 먼저, 최적의 구동조건 하에서 히트펌프가 구동될 수 있도록 제어함으로써 구동효율이 우수하며 유지·보수 비용이 경제적인 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법 제공을 일 목적으로 한다.

또한, 공기열원을 이용함으로써, 지열이나 폐수 열이 없는 장소에도 설치 가능하며, 지열시스템에 비해 투자비용 절감 및 대형시스템 설치가 가능한 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법 제공을 다른 목적으로 한다.

아울러 모니터링 시스템을 구비하여 공기열원 히트펌프 장치의 구동상황을 실시간으로 확인할 수 있는 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법 제공을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치는 상술한 목적들을 달성하기 위하여 다음과 같은 과제 해결수단을 포함할 수 있다.

먼저, 공기 중 포함된 열을 열원으로 하는 히트펌프, 상기 히트펌프에 의해 가열된 온수를 저장하고 가열된 온수를 하우스 내부로 공급 또는 차단하기 위한 밸브 또는 펌프가 구비된 축열조 및 상기 축열조에 저장된 온수를 이용하여 하우스 내부를 난방하기 위한 난방수단을 포함하는 공기열원 히트펌프 장치에 있어서, 조도센서 또는 태양광 모듈센서로 이루어지며 상기 하우스 외부에 구비되어 외부의 광량 또는 태양의 일출·일몰을 감지하기 위한 외부감지센서; 상기 축열조의 일정부분에 구비되어 상기 축열조의 내부에 저장되는 온수의 온도를 측정하기 위한 축열조온도센서; 상기 히트펌프 내부에 포함된 증발기의 일정부분에 구비되며 증발기의 제상을 위한 증발기의 온도를 측정하기 위한 증발기온도센서; 상기 하우스의 실내온도를 측정하기 위한 내부온도센서; 상기 히트펌프의 구동상태를 확인하기 위한 모니터링 시스템; 외기 온도가 높은 시간대에 상기 히트펌프가 구동되도록 구동 시작시간 및 구동 종료시간을 설정할 수 있는 타이머; 및 상기 외부감지센서 및 축열조온도센서를 통해 측정된 외부 광량 또는 태양의 일출·일몰 상태에 대한 정보로 상기 히트펌프의 구동여부를 제어하기 위한 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 현재시간이 상기 타이머에 의해 설정된 구동 시작시간인 오전 9시부터 구동 종료시간인 오후 6시 사이인지를 비교하여 상기 히트펌프가 구동되도록 제어하거나, 상기 축열조온도센서에 의해 감지된 상기 축열조 내부에 저장되는 온수의 온도가 40~70℃를 유지하도록 상기 히트펌프의 구동을 제어할 수 있다.
바람직하게는 상기 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법:은 상기 제어부를 통해 상기 히트펌프의 구동조건을 입력하는 단계; 상기 타이머, 외부감지센서, 축열조온도센서 및 증발기온도센서를 통해 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도를 감지하는 단계; 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건을 비교하는 단계; 및 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건의 일치시 상기 히트펌프를 구동하는 단계로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 히트펌프는 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건을 비교하여 어느 하나 이상이 상기 구동조건과 일치하는 경우 구동될 수 있다.

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본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

먼저, 최적의 구동조건 하에서 히트펌프를 자동으로 구동시킴으로써 구동효율이 우수하며 유비·보수 및 난방 비용이 경제적이다.

또한, 공기열원을 이용함으로써, 지열이나 폐수 열이 없는 장소에도 설치 가능하며, 지열시스템에 비해 투자비용 절감 및 대형시스템 설치가 가능하다.

아울러 모니터링 시스템을 구비하여 공기열원 히트펌프 장치의 구동상황을 실시간으로 확인할 수 있어 공기열원 히트펌프 장치의 고장 또는 오작동에 빠르게 대처할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 종래 냉난방 시스템에 공기열원 히트펌프가 연결된 상태도다.
도 2는 종래 공기열원 히트펌프의 난방운전 상태의 계통도다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치의 전체 구성도다.
도 4 는 도 3에 도시된 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법을 나타내는 단계도다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치의 전체 구성도이며, 도 4 는 도 3에 도시된 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법을 나타내는 단계도다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치(200)는 공기 중 포함된 열을 열원으로 하는 히트펌프, 상기 히트펌프에 의해 가열된 온수를 저장하고 가열된 온수를 하우스 내부로 공급 또는 차단하기 위한 밸브 또는 펌프가 구비된 축열조 및 상기 축열조에 저장된 온수를 이용하여 하우스 내부를 난방하기 위한 난방수단을 포함하는 공기열원 히트펌프 장치에 있어서, 상기 하우스 외부에 구비되어 외부의 광량 또는 태양의 일출·일몰을 감지하기 위한 외부감지센서(도시되지 않음), 상기 축열조(220)의 일정부분에 구비되어 상기 축열조(220)의 내부에 저장되는 온수의 온도를 측정하기 위한 축열조온도센서(도시되지 않음), 상기 히트펌프(210)의 내부에 포함된 증발기(도시되지 않음)의 일정부분에 구비되며 증발기의 제상을 위한 증발기의 온도를 측정하기 위한 증발기온도센서(도시되지 않음) 및 외기 온도가 높은 시간대에 히트펌프(210)가 구동되도록 구동 시작시간 및 구동 종료시간을 설정할 수 있는 타이머(도시되지 않음)가 구비되며, 상기 외부감지센서 및 축열조온도센서를 통해 측정된 외부 광량 또는 태양의 일출·일몰 상태에 대한 정보로 상기 히트펌프의 구동여부를 제어하기 위한 제어부(도시되지 않음)를 포함한다.

이때, 상기 히트펌프(Heat pump)(210)는 저온의 열원으로부터 증발기를 통하여 저압의 기체 냉매로 변환되는 과정에서 열을 흡수한 다음, 냉매압축기로 흡입되어 기체 냉매를 고압으로 단열 압축함으로써 냉매를 고온으로 승온 시키고 응축기로 보내져 열을 방출하면서 고압 액체 냉매로 변환되고, 팽창밸브에서 액체 냉매가 저압으로 감압이나 냉각 냉동공정에 활용되고 열을 방출하는 응축과정에서 유체를 가열시켜 난방, 급탕 각종 공정용수의 가열 등에 활용되며 화석 연료를 사용하는 유류보일러나 가스보일러, 전기보일러 등과 비교할 때 에너지 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 고효율 에너지 공급장치를 의미한다.

한편, 상기 하우스 외부, 바람직하게는 상기 히트펌프(210)의 일정부분에 구비되는 외부감지센서는 광량, 또는 태양의 일출·일몰 상태를 감지하기 위한 수단으로 다양한 조도센서(illuminance sensor) 또는 태양광모듈센서로 구비될 수 있으며, 상기 조도센서 및 태양광모듈센서를 통해 감지된 광량, 조도 및 태양의 일출·일몰에 대한 정보 또는 상기 히트펌프의 제상을 위한 증발기온도를 통해 감지된 증발기 온도는 상기 제어부로 전달되며 상기 제어부는 전달받은 외부 광량, 조도 및 태양의 일출·일몰에 대한 정보 또는 감지된 증발기온도를 사용자가 설정한 히트펌프(210)의 구동조건과 비교하여 상기 히트펌프(210)의 구동 및 정지 여부를 결정한다.

아울러 상기 타이머는 상술한 바와 같이 외기 온도가 높은 시간대에 히트펌프가 구동되도록 구동 시작 시간 및 구동 종료 시간을 설정할 수 있다.

예를 들어 외기 열원이 풍부한 상태에서 효율적인 상기 히트펌프(210)의 구동을 위하여 하루 24시간 중 오전 9시부터 6시까지 상기 히트펌프(210)가 구동될 수 있도록 시간을 설정할 수 있다.

이때, 상기 오전 9시는 상기 히트펌프(210)가 구동을 시작은 시간이며, 상기 오후 6시는 상기 히트펌프(210)의 구동이 종료되는 시간을 의미하며, 상기 타이머에 의해 설정된 시간을 상기 제어부에서 현재시간과 비교하여 상기 히트펌프(210)의 구동여부를 결정한다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치(200)는 상기 히트펌프(210)의 구동에 의해 발생 된 열을 저장하기 위한 수단으로 축열조(220)가 구비되는데, 상기 축열조(220)의 일정부분에는 상기 축열조(220)에 저장된 온수의 온도를 측정하기 위한 축열조온도센서가 구비된다.

이때, 상기 축열조온도센서는 다양한 온도센서를 통해 구비될 수 있음은 물론이며, 상기 축열조온도센서를 통해 감지된 축열조(220) 내부의 온수 온도 정보는 상기 제어부로 전달되어 상기 제어부에서 상기 히트펌프(210)의 구동조건과 비교한 후, 상기 히트펌프(210)의 구동 및 정지 여부를 결정한다.

이에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제어부는 축열조(220) 내부의 온수 온도가 40~70℃의 온도범위를 유지하도록 상기 히트펌프(210)의 구동여부를 제어하며, 상기 축열조온도센서는 온수의 온도가 상기 온도범위에 포함되는지를 감지하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 히트펌프(210)는 상술한 바와 같이 축열조온도센서에 의해 감지된 축열조(220) 내부의 온수 온도가 사용자가 설정한 상기 축열조(220)의 내부온도 조건 범위 내에서 일정하게 유지하도록 상기 히트펌프(210)가 구동되는데 이때, 상기 축열조(220)의 내부온도를 유지하기 위해 구동되는 히트펌프(210)는 주간과 야간에 따라 다음과 같은 조건에서 구동된다.

먼저, 주간에는 상기 축열조(220) 내부의 온수 온도가 65℃미만으로 내려가는 경우, 상기 축열조(220) 내부 온수 온도가 70℃가 될 때까지 상기 히트펌프(210)는 구동되나, 야간에는 상기 축열조(220) 내부의 온수 온도가 40℃미만으로 떨어지는 경우에 상기 히트펌프(210)는 상기 축열조(220) 내부의 온수 온도가 45℃가 될 때까지만 구동된다.

이처럼 주간과 야간에 히트펌프(210)를 구동하기 위한 축열조(220) 내부의 온수 온도의 상한 온도값 및 하한 온도값을 다르게 설정하여 히트펌프(210)를 구동시키는 이유는 주간의 경우, 태양이 일출 된 상태에서 높은 외기 온도 때문에 열원의 확보가 용이한 반면, 야간 특히 겨울철 야간의 경우, 외기 온도가 영하로 떨어짐으로써 외기에서 열 변환을 위한 열원을 확보하는 것이 어렵기 때문이다.

따라서, 겨울철 야간의 경우, 축열조(220) 내부의 온수 온도가 70℃될 때까지 상기 히트펌프(210)를 구동시킨다면 열원 부족으로 인하여 히트펌프(210)를 장시간 가동하여야 하며 이로 인한 열 변환 효율 감소 및 히트펌프(210)의 무리한 가동으로 인한 고장 또는 기기 오작동 및 히트펌프(210)의 구동에 드는 에너지가 낭비되는 문제가 있다.

이에 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상술한 바와 같이 조도센서 또는 태양광 모듈센서를 구비하여 열 변환을 위한 열원이 충분히 확보되었는지를 감지하고 이를 통해 충분한 열원이 확보되는 주간에는 축열조(220) 내부의 온수 온도가 70℃가 될 때까지 상기 히트펌프(210)를 구동시키는 반면, 열원이 상대적으로 부족한 야간, 특히 겨울철 야간에는 축열조(220) 내부의 온수 온도가 45℃가 될 때까지만 구동시켜 상기 히트펌프(210)의 과부하에 따른 기기 고장 및 에너지 낭비를 미연에 방지할 수 있으며, 상술한 상한 온도값 및 하한 온도값은 사용자의 선택에 따라 다양한 온도범위에서 설정될 수 있다.

아울러, 상기 하우스 내부에는 하우스 실내온도를 측정하기 위한 내부온도센서가 더 구비될 수 있으며, 측정된 하우스 내부온도에 대한 정보는 상기 제어부로 전달된다.

이때, 상기 제어부로 전달된 하우스 내부 온도에 대한 정보에 따라 상기 제어부는 상기 축열조(220)의 일정부분에 구비되어 상기 하우스 내부로 온수를 공급 또는 차단하기 위한 밸브 또는 펌프(도시되지 않음)의 개폐 또는 작동 여부를 제어한다.

예를 들어 상기 하우스 내부에 재배되는 작물의 최적 생육온도 조건이 25℃ 이상이라 가정했을 때, 상기 하우스 내부온도가 25℃미만으로 떨어지는 경우, 상기 내부온도센서가 이 온도를 감지하고 감지된 정보를 제어부로 전달한다.

이때, 25℃미만의 온도 정보를 전달받은 상기 제어부는 고온의 온수가 저장된 상기 축열조(220)의 밸브를 개방하거나, 온수공급 펌프를 작동하여 온수를 후술할 난방수단(230)으로 공급하여 하우스 내부 온도가 25℃ 이상이 될 때까지 상기 난방수단(230)을 구동한다.

그리고 하우스 내부 온도가 25℃ 이상에 이르면 상기 제어부는 상기 밸브 닫거나 펌프의 구동을 정지시킨다.

한편, 상기 축열조(220)에 저장된 온수는 상기 하우스 내부에 구비되며 상기 축열조(220)와 연결되는 상기 난방수단(230)에 의해 상기 하우스 내부를 시설재배 작물의 생육 조건에 맞는 온도까지 승온 시킨다.

이때, 상기 난방수단(230)은 도 3에 도시된 바와 같이 휀 코일 방식으로 이루어질 수 있으며 다른 실시 예로 상기 하우스 내부 지상 또는 지하에 설치되는 온수 공급관으로 이루어질 수도 있다.

한편, 상기 제어부 또는 히트펌프(210)의 일정부분에는 상기 히트펌프(210)의 구동상태를 시각, 청각 등으로 실시간 확인할 수 있는 모니터링 시스템(도시되지않음) 또는 경보 시스템(도시되지않음)이 더 구비될 수 있으며, 이를 통해 사용자가 예측하지 못한 상황에서 상기 히트펌프(210)의 오작동 또는 정지 여부를 즉시 확인할 수 있어 시설재배 작물의 동사 등과 같은 사고를 사전에 방지할 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치(200)의 제어방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치(200)의 제어방법은 먼저, 히트펌프의 구동조건을 입력하는 단계(S100)로 이루어지는데, 이때 상기 구동조건은 상기 제어부를 통해 사용자가 설정하고자 하는 값으로 이루어지며, 이때 구동조건이라함은 시간조건, 열 변환을 위한 외부의 광량 조건, 조도조건 또는 증발기온도 조건, 축열조 내부의 온수 온도조건에 따라 상기 히트펌프가 구동되는 조건을 의미한다.

이에 대해 상세히 설명하면, 사용자는 상기 제어부에 구비된 타이머를 통해 하루 24시간 중 상기 히트펌프(210)가 구동되는 시간 즉, 대기의 온도가 높아 공기에서 충분한 열원을 확보할 수 있어 히트펌프의 과부하 없이 가장 효율적으로 열 변환이 가능한 시간조건을 입력할 수 있다.

이는 상술한 바와 같이 사용자가 선택한 시간조건을 입력하는 경우, 해당 시간 범위 내에서 상기 히트펌프(210)는 구동될 수 있다.

이때, 상기 시간 범위는 다양한 범위 내에서 설정될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 오전 9시부터 오후 6시까지 설정되는 것이 바람직하다.

이처럼 상술한 시간대로 설정하는 이유는 겨울철 상기 시간 범위 대에 대기의 온도가 가장 높아 공기에 포함된 열을 열원으로 이용하는 상기 히트펌프(210)의 구동에 있어서 충분한 열원을 확보하고 과부하 없이 가장 효율적으로 난방용 열을 생산할 수 있기 때문이다.

또한, 겨울철 야간에는 공기열원이 주간에 비해 너무 적어서 상기 히트펌프(210)가 무리하게 가동되기 때문에 하절기에 비해 동절기 또는 혹한기에 히트펌프(210)의 고장율이 높다 할 것이므로 상술한 바와 같이 열원이 충분히 확보될 수 있는 시간대에 상기 히트펌프(210)를 구동시킴으로써, 상기 히트펌프(210)의 고장율을 현저하게 낮출 수 있다.

아울러, 상기 제어부는 광량조건, 조도조건, 태양의 일출·일몰 조건 및 증발기온도조건을 사용자가 입력할 수 있으며, 상기 조도센서, 태양광모듈센서 또는 증발기온도센서를 통해 감지된 정보가 상기 조건을 만족하는 경우, 후술할 축열조(220)의 내부 온도조건이 유지되도록 상기 히트펌프(210)가 작동될 수 있다.

한편, 상기 축열조(220) 내부의 온수 온도 조건은 축열조(220)에 저장되는 온수의 온도에 따라 상기 히트펌프(210)를 구동하기 위한 조건으로, 축열조(220) 내부 온수 온도의 하한값과 상한값으로 입력될 수 있으며, 이때 온수 온도의 하한값 및 상한값은 사용자의 선택에 따라 다양한 범위로 입력될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 축열조(220)의 내부 온수 온도가 40~70℃의 온도범위를 유지하도록 입력될 수 있다.

다음으로, 정보 데이터를 감지하는 단계(S200)는 상기 히트펌프(210)의 구동 여부를 결정하기 위한 상기 타이머, 조도센서, 축열조온도센서 및 태양광모듈센서 또는 증발기온도센서를 통해 현재시간, 외부 광량 및 태양의 일출·일몰상태, 축열조온도를 감지하는 단계(S200)이며, 상기 타이머, 조도센서, 축열조온도센서 및 태양광모듈센서 또는 증발기온도센서를 통해 감지된 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조온도 및 태양광모듈센서 또는 증발기온도센서에 대한 정보는 상기 제어부를 통해 감지된 상기 정보 데이터와 상기 히트펌프(210)의 구동조건을 비교하는 단계(S300)를 거친다.

이후, 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조온도 및 증발기온도의 정보 데이터와 사용자가 설정한 상기 구동조건이 일치하는 경우, 상기 히트펌프(210)를 구동하는 히트펌프(210) 구동단계(S400)를 거친다.

이를 종합하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치(200)는 다음과 같은 구동조건 중 어느 하나 이상을 만족하는 경우 구동된다.

먼저, 시간조건에 따라 사용자가 설정한 시간범위, 바람직하게는 겨울철 외기온도가 높아 충분한 열원이 확보된 상태에서 상기 히트펌프(210)의 과부하 없이 외기 열을 효율적으로 고온의 열로 전환할 수 있는 오전 9시부터 오후 6시에는 상기 히트펌프(210)가 구동되어 이를 통해 변환된 열로 물을 가열하게 되며, 가열된 온수는 상기 축열조(220)에 저장된다.

한편, 상기 조도센서를 통해 감지된 광량, 태양의 일출·일몰상태 또는 태양광모듈센서를 통해 감지된 전압이 사용자가 설정한 구동조건 범위 내에 포함시 상기 히트펌프(210)는 구동을 시작하여 물을 가열, 가열된 온수를 상기 축열조(220)에 저장하며, 이때, 상기 조도센서 또는 태양광모듈센서는 열원으로 사용되는 외기의 열량을 감지하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 태양광모듈센서는 태양광의 세기에 따라 발생 전압의 세기가 달라지는데, 전압의 세기가 높다는 것은 그만큼 많은 양의 태양광이 있음을 의미하고 이는 결과적으로 외기 온도가 높음을 의미한다.

따라서, 상기 전압의 세기를 감지하면 히트펌프(210)의 구동을 위한 열원이 충분한지를 판단할 수 있다.

한편, 축열조온도센서에 의해 감지된 축열조(220)의 내부의 온수 온도가 사용자가 설정한 상기 축열조(220)의 내부온도 조건, 바람직하게는 축열조(220)의 내부온도 40~70℃에 따라 상기 히트펌프(210)가 구동되는데, 이때 상기 히트펌프(210)는 상기 축열조(220)의 내부온도가 40℃ 미만일 때 구동을 시작하여 상기 축열조의 내부온도가 70℃가 될 때까지 구동된다.

이때, 상기 축열조(220)의 내부온도를 유지하기 위해 구동되는 히트펌프(210)는 주간과 야간에 따라 다음과 같이 구동된다.

먼저, 주간에 상기 축열조(220) 온도가 65℃미만으로 내려가는 경우, 상기 축열조(220)의 내부온도가 70℃가 될 때까지 상기 히트펌프(210)는 구동되나, 야간에 상기 축열조(220)의 온도가 40℃미만으로 떨어지는 경우에 상기 히트펌프(210)는 상기 축열조(220)의 내부온도가 45℃가 될 때까지만 구동된다.

이처럼 주간과 야간에 히트펌프(210)를 구동하기 위한 축열조(220) 상한 온도값을 다르게 설정하여 히트펌프(210)를 구동시키는 이유는 주간의 경우, 태양의 일출로 인한 높은 온도의 외기로 인하여 열원의 확보가 용이한 반면, 야간 특히 겨울철 야간의 경우, 외기 온도가 영하로 떨어짐으로써 외기에서 열 변환을 위한 열원을 확보하는 것이 어렵기 때문이다.

따라서, 겨울철 야간의 경우, 축열조(220)의 내부 온도가 70℃될 때까지 상기 히트펌프(210)를 구동시킨다면 열원 부족으로 인하여 히트펌프(210)를 장시간 가동하여야 하며, 이로 인한 열 변환 효율 감소 및 히트펌프(210)의 무리한 가동으로 인한 고장 또는 기기 오작동 및 히트펌프(210)의 구동에 드는 에너지가 낭비되는 문제가 있다.

이에 본 발명의 일실시 예에 있어서는 상술한 바와 같이 조도센서 또는 태양광모듈센서를 구비하여 열 변환을 위한 열원이 충분히 확보되었는지를 감지하고 이를 통해 충분한 열원이 확보되는 주간에는 축열조(220)의 내부온도가 70℃가 될 때까지 상기 히트펌프(210)를 구동시키는 반면, 열원이 상대적으로 부족한 야간, 특히 겨울철 야간에는 축열조(220)의 내부온도가 45℃가 될 때까지만 구동시켜 상기 히트펌프(210)의 과부하에 따른 기기 고장 및 에너지 낭비를 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고효율의 공기열원 히트펌프(200)는 난방용뿐만 아니라 냉방용으로도 운전이 가능하다.

이때, 냉방을 위해서는 난방을 위한 상기 히트펌프(210)를 역 사이클로 구동함으로써 냉방이 이루어지며, 상기 역 사이클을 통해 냉각된 냉수는 축냉조에 저장되어 사용자에 의해 선택된 공간의 냉방을 위해 활용된다.

이때, 냉방을 위한 상기 히트펌프는 상기 축냉조의 내부 냉수온도가 3~10℃를 유지하도록 제어되는데, 이를 위해 상기 축냉조의 일정부분에는 상기 축냉조에 저장되는 냉수의 온도를 측정하기 위한 축냉조온도센서가 구비된다.

한편, 상기 히트펌프(210)를 구동하기 위한 냉수온도는 상술한 바와 같이 축냉조의 내부 냉수온도가 3~10℃를 유지하도록 구동될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 축냉조의 용량에 따라 다양한 범위 내로 설정될 수 있음은 물론이며, 다만 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 5~7℃ 범위를 유지하도록 상기 히트펌프가 구동되는 것이 바람직하다.

이에 대해 좀더 구체적으로 설명하며, 냉방을 위해서는 외기 온도가 낮아야 상기 히트펌프(210)에 의한 효율적인 냉방이 가능한데, 후술할 밤 9시부터 다음날 새벽 6시까지는 외기 온도가 낮아 효율적인 냉방이 가능하므로 이때는 상기 축냉조의 냉수 온도가 3℃가 되도록 상기 히트펌프가 구동되나, 그 외의 시간대에서는 외기 온도가 높아 상기 3℃가 되도록 상기 히트펌프(210)를 구동하면 상기 히트펌프(210)의 과부하에 따른 냉방효율 저하, 에너지 낭비 및 상기 히트펌프(210)의 고장 우려가 있으므로 이때는 상기 축냉조의 냉수온도가 10℃가 될 때 까지만 구동된다.

아울러, 상기 히트펌프(210)는 상술한 축냉조 온도에 위한 구동뿐만 아니라, 사용자가 타이머를 통해 설정한 시간대에서 구동되도록 제어가 가능하다.

이때, 상기 시간대는 사용자가 선택한 다양한 시간대를 통해 구동될 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 밤 9시부터 다음날 새벽 6시로 설정될 수 있다.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 장치 및 이의 제어방법은 최적의 구동조건 하에서 과부하 없이 히트펌프를 구동시킴으로써 구동효율이 우수하며 유지·보수 비용이 경제적이다.

또한, 공기열원을 이용함으로써, 지열이나 폐수 열이 없는 장소에도 설치 가능하며, 지열시스템에 비해 투자비용 절감 및 대형시스템 설치가 가능하다.

아울러 모니터링 시스템을 구비하여 공기열원 히트펌프 장치의 구동상황을 실시간으로 확인할 수 있어 공기열원 히트펌프 장치의 고장 또는 오작동에 빠르게 대처할 수 있는 우수한 효과가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

200:공기열원 히트펌프 장치
210:히트펌프(heat pump)
220:축열조
230:난방수단

Claims (3)

1. 공기 중 포함된 열을 열원으로 하는 히트펌프, 상기 히트펌프에 의해 가열된 온수를 저장하고 가열된 온수를 하우스 내부로 공급 또는 차단하기 위한 밸브 또는 펌프가 구비된 축열조 및 상기 축열조에 저장된 온수를 이용하여 하우스 내부를 난방하기 위한 난방수단을 포함하는 공기열원 히트펌프 장치에 있어서,
   조도센서 또는 태양광 모듈센서로 이루어지며 상기 하우스 외부에 구비되어 외부의 광량 또는 태양의 일출·일몰을 감지하기 위한 외부감지센서;
   상기 축열조의 일정부분에 구비되어 상기 축열조의 내부에 저장되는 온수의 온도를 측정하기 위한 축열조온도센서;
   상기 히트펌프 내부에 포함된 증발기의 일정부분에 구비되며 증발기의 제상을 위한 증발기의 온도를 측정하기 위한 증발기온도센서;
   상기 하우스의 실내온도를 측정하기 위한 내부온도센서;
   상기 히트펌프의 구동상태를 확인하기 위한 모니터링 시스템;
   외기 온도가 높은 시간대에 상기 히트펌프가 구동되도록 구동 시작시간 및 구동 종료시간을 설정할 수 있는 타이머; 및
   상기 외부감지센서 및 축열조온도센서를 통해 측정된 외부 광량 또는 태양의 일출·일몰 상태에 대한 정보로 상기 히트펌프의 구동여부를 제어하기 위한 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는 현재시간이 상기 타이머에 의해 설정된 구동 시작시간인 오전 9시부터 구동 종료시간인 오후 6시 사이인지를 비교하여 상기 히트펌프가 구동되도록 제어하거나, 상기 축열조온도센서에 의해 감지된 상기 축열조 내부에 저장되는 온수의 온도가 40~70℃를 유지하도록 상기 히트펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 공기열원 히트펌프 장치.
   
2. 제 1 항에 기재된 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법에 있어서,
   상기 제어부를 통해 상기 히트펌프의 구동조건을 입력하는 단계;
   상기 타이머, 외부감지센서, 축열조온도센서 및 증발기온도센서를 통해 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도를 감지하는 단계;
   감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건을 비교하는 단계; 및
   감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건의 일치시 상기 히트펌프를 구동하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 히트펌프는 감지된 상기 현재시간, 광량, 태양의 일출·일몰상태, 축열조 내부의 온수 온도 및 증발기온도와 상기 구동조건을 비교하여 어느 하나 이상이 상기 구동조건과 일치하는 경우 구동되는 것을 특징으로 하는 공기열원 히트펌프 장치의 제어방법.

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