KR101271355B1

KR101271355B1 - 중고온수 복합 생산 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR101271355B1
Application number: KR1020110121652A
Authority: KR
Inventors: 심우천; 강성돈; 김경화
Original assignee: 심우천; 김경화; 강성돈
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2013-06-07
Also published as: KR20130055953A

Abstract

본 발명은 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 히트펌프 시스템에 있어서, 유입되는 제1냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제1압축단, 상기 제1압축단에서 토출된 상기 제1냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제1저장수에 열을 방출하고, 응축된 상기 제1냉매가 토출되는 제1응축기, 상기 제1응축기에서 토출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브 및 상기 제1팽창밸브를 통과한 제1냉매가 유입되고, 별도의 라인을 통해 유입된 제2냉매와 열교환되어 상기 제1압축단 측으로 토출시키는 제1열교환기를 구비하는 제1히트펌프 유닛; 내부에 상기 제1저장수가 저장되는 제1저장탱크; 상기 제1저장수가 상기 제1냉매의 열을 공급받아 가열된 제1온수로 토출되는 제1온수 토출부; 유입되는 제2냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제2압축단, 상기 제2압축단에서 토출된 상기 제2냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제2저장수에 열을 방출하고 토출되는 제2응축기, 상기 제2응축기에서 토출된 제2냉매가 상기 제2열교환기를 통과하면서 상기 제1냉매과 열교환된 후 유입되어 유입된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과한 상기 제2냉매가 유입되어, 외부에서 유입된 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 제2냉매를 상기 제2압축단 측으로 토출시키는 증발기를 구비하는 제2히트펌프 유닛; 내부에 상기 제2저장수가 저장되는 제2저장탱크; 및 제2저장수가 상기 제2냉매의 열을 공급받아 가열된 제2온수로 토출되는 제2온수 토출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

중고온수 복합 생산 히트펌프 시스템{Heat pump system using two step heat pump unit}

본 발명은 2단 히트펌프 유닛을 갖는 중고온수 복합 생산 히트펌프 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 하나의 공급열원으로 2개의 히트펌프 유닛을 구동하여 서로 온도가 상이한 제1온수와 제2온수 각각을 생산할 수 있는 2단 히트펌프 유닛을 갖는 중고온수 복합 생산 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트펌프 시스템은 외부 열원을 공급받아 응축기에서 냉매가 가진 열을 축열조에 공급하여 온수 또는 실내를 난방하게 된다(싸이클을 반대로 구동시키는 경우 냉방역시 가능하다.) 도 1은 통상 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 갖는 히트펌프 유닛의 구성도를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프(1)는 기본적으로 압축기(3)의 토출구, 응축기(4), 팽창밸브(5), 증발기(2) 본체 및 압축기(3)의 흡입부를 도관으로 순서대로 연결하여서, 압축기(3)에서 압축된 고온, 고압의 냉매 기체를 응축기(4)에서 응축시켜 그 응축열을 축열조(6)에 저장된 유체와 열교환시킴으로써 온수를 생성하거나 실내공기를 가열하여서 난방 등을 수행하고, 응축기(4)에서 응축된 고온, 고압의 냉매액은 팽창밸브(5)에서 팽창되어 저온, 저압의 냉매액으로 된 후 증발기(2) 본체에 유입되어 열원에 의하여 증발되어 저온, 저압의 냉매 기체가 되며, 증발기(2) 본체에서 증발된 저온, 저압의 냉매 기체는 압축기(3)에 흡입되는 사이클을 기본으로 반복되는 것이다. 따라서 축열조(6)에서 토출된 유체가 저장수 라인을 통해 응축기(4)로 유입되어 냉매의 열을 흡수하여 온수를 생산하게 된다.

따라서, 이러한 히트펌프(1) 시스템을 냉방운전으로 가동시켜 실내를 냉방하거나, 난방운전으로 작동시켜 실내를 난방하게 된다. 기본적으로 히트 펌프(1) 시스템을 냉방운전으로 작동시키는 경우, 압축기(3)를 통과하여 외부에 설치된 증발기(2)에서 외부로부터 열을 방출하고, 팽창밸브(5)을 거쳐 실내에 설치된 응축기(4)에서 실내의 열을 흡수하여 기화되면서 실내를 냉방하게 된다. 또한, 난방운전을 하게 되는 경우, 외부에 설치된 증발기(2)에서 증발된 냉매가 압축기(3)를 통해 압축되고, 압축된 고온 고압의 냉매가 실내에 설치된 응축기(4)에서 응축되면서 실내에 열을 방출하여 난방을 하게 된다

또한, 종래 히트펌프시스템에서 하나의 열원을 갖으나, 2개의 히트펌프 유닛이 연결된 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프 시스템을 대한민국 공개 특허(특허출원번호 제2011-44249호, 특허출원번호 2010-29041호 등)에서 기재하고 있다.

도 2는 종래 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템은 제1히트펌프유닛(1-1)과 제2히트펌프유닛(1-2)을 포함하고 있음을 알 수 있다. 제1히트펌프유닛(1-1)과 제2히트펌프유닛(1-2)은 각각 증발기(2-1,2-2), 압축기(3-1.3-2), 응축기(4-1,4-2), 팽창밸브(5-1,5-2)를 포함하고 있고, 각각 제1냉매라인(7-1)과 제2냉매라인(7-2)을 구성하고 있다.

제1히트펌프유닛(1-1)의 증발기(2-1)에서 외부 열원을 공급받아 제1냉매가 증발되고, 압축기(3-1)를 거쳐 고온고압의 제1냉매가 토출되며, 이러한 제1냉매가 응축기(4-1)로 유입되어 제1냉매의 열을 제2냉매로 전달하면서 응축되게 된다. 그리고, 응축된 제1냉매는 팽창밸브(5-1)를 거쳐 다시 증발기(201)로 유입되면서 제1냉매라인(7-1)을 구성하게 된다.

그리고, 제2히트펌프유닛(1-2)의 증발기(2-2)로 유입되는 제2냉매는 제1히트펌프유닛(1-1)의 응축기(4-1)에 흐르는 제1냉매로부터 열을 흡수하여 증발되고, 압축기(3-2)로 유입되어 고온고압의 제2냉매로 토출되게 된다. 그리고, 응축기(4-2)로 유입되어 다른 라인을 통해 유입된 저장수를 가열하게 된다. 그리고, 팽창밸브(5-2)를 거쳐 다시 증발기(2-2)로 유입되어 제2냉매라인을 구성하게 된다. 따라서 외부열원은 제1히트펌프유닛(1-1)의 증발기(2-1)에서 공급받고, 2개의 2단 압축기를 포함하므로써 제1히트펌프유닛(1-2)의 응축기(4-2)에서 더 많은 열을 저장수로 방출시킬 수 있게 된다.

이러한 종래 2단 히트펌프 시스템의 경우 하나의 열원으로 2개의 압축기를 사용하여 보다 효율적이고, 고온의 온수, 난방이 가능한 장점이 존재하나, 라인이 복잡하고, 제1히트펌프유닛(1-1)과 제2히트펌프유닛(1-2)에서 남는 폐열이 많아 외부로 열을 방출하게 되어 열효율을 감소시킨다는 문제점이 존재하게 된다.

따라서 이러한 2단 히트펌프 유닛을 포함하면서, 제1히트펌프유닛(1-1)과 제2히트펌프유닛(1-2)에서 남는 폐열을 서로 교환하고, 제2히트펌프유닛(1-2)에서 남는 폐열을 서로 교환할 수 있고, 제1히트펌프유닛(1-1)과 제2히트펌프유닛(1-2) 각각에서 발생되는 온수를 모두 사용할 수 있는 보다 효율적인 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템이 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 외부열원을 공급받는 증발기는 제2히트펌프 유닛에만 존재하고, 제1히트펌프 유닛와 제2히트펌프 유닛 각각에 압축기를 구비하여, 각각 제1온수와 제2온수를 생산하여 사용자는 필요에 따라 제1온수와 제2온수 각각을 사용할 수 있는 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1히트펌프유닛을 순환하는 제1냉매와 제2히트펌프유닛을 순환하는 제2냉매간에 열교환이 이루어지고, 제2히트펌프유닛에서는 제2냉매간에 열교환이 이루어 지게 됨으로써 보다 효율적이고, 열효율이 증가된 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 목적은, 히트펌프 시스템에 있어서, 유입되는 제1냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제1압축단, 제1압축단에서 토출된 제1냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제1저장수에 열을 방출하고, 응축된 제1냉매가 토출되는 제1응축기, 제1응축기에서 토출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브 및 제1팽창밸브를 통과한 제1냉매가 유입되고, 별도의 라인을 통해 유입된 제2냉매와 열교환되어 제1냉매를 제1압축단 측으로 토출시키는 제1열교환기를 구비하는 제1히트펌프 유닛; 내부에 제1저장수가 저장되는 제1저장탱크; 제1저장수가 제1냉매의 열을 공급받아 가열된 제1온수를 토출시키는 제1온수 토출부; 유입되는 제2냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제2압축단, 제2압축단에서 토출된 제2냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제2저장수에 열을 방출하고 제2냉매가 토출되는 제2응축기, 제2응축기에서 토출된 제2냉매가 제1열교환기를 통과하면서 제1냉매와 열교환하고 토출된 제2냉매가 유입되어 유입된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브 및 제2팽창밸브를 통과한 제2냉매가 유입되어, 외부에서 공급되는 외부 열원으로부터 열을 공급받아 제2냉매를 제2압축단 측으로 토출시키는 증발기를 구비하는 제2히트펌프 유닛; 내부에 제2저장수가 저장되는 제2저장탱크; 및 제2저장수가 제2냉매의 열을 공급받아 가열된 제2온수를 토출시키는 제2온수 토출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템으로서 달성될 수 있다.

제2온수 토출부에서 토출되는 제2온수가 제1저장탱크로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

제2온수의 온도는 50 ~ 70℃이고, 제1온수의 온도는 80 ~ 95℃인 것을 특징으로 할 수 있다.

열원은 외기, 지하수, 폐수 또는 지열인 것을 특징으로 할 수 있다.

제1열교환기와 제2팽창밸브 사이에 구비되어, 제1열교환기에서 토출된 제2냉매 및 증발기에서 토출되는 제2냉매가 각각 별도의 라인을 통해 유입되어 서로 열교환되는 제2열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제1응축기와 제1팽창밸브 사이 및 제1열교환기와 제2팽창밸브 사이 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수액기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제2압축단은 복수개의 압축기로 구비되어 각각의 압축기에서 토출된 제2냉매가 제2응축기로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

제1압축단의 토출부 측에 구비되어 제1압축단에서 토출되는 제1냉매에 포함된 오일을 분리하여 분리된 오일을 제1압축단으로 유입시키고, 오일이 제거된 제1냉매는 제1응축기 측으로 토출시키는 제1분리기 및 제2압축단의 토출부 측에 구비되어 제2압축단에서 토출되는 제2냉매에 포함된 오일을 분리하여 분리된 오일을 제2압축단으로 유입시키고, 오일이 제거된 제2냉매는 제2응축기 측으로 토출시키는 제2분리기 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

증발기는 복수로 구비되어 각각의 증발기로 제2팽창밸브를 통과한 제2냉매가 유입되어 열원으로부터 열을 공급받고, 각각의 증발기로부터 토출된 제2냉매가 제2열교환기로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

제1압축단을 제어하여 제1압축단에서 토출되는 제1냉매의 압력을 조절하는 제1제어부 및 제2압축단을 제어하여 제2압축단에서 토출되는 제2냉매의 압력을 조절하는 제2제어부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

제1히트펌프유닛에 구비되어 제1히트펌프유닛에서 순환되는 제1냉매의 유량속도 조절하는 제1냉매유량조절부 및 제2히트펌프유닛에 구비되어 제2히트펌프유닛에서 순환되는 제2냉매의 유량속도를 조절하는 제2냉매유량조절부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 외부열원을 공급받는 증발기는 제2히트펌프 유닛에만 존재하고, 제1히트펌프 유닛와 제2히트펌프 유닛 각각에 압축기를 구비하여, 각각 제1온수와 제2온수를 생산하여 사용자는 필요에 따라 제1온수와 제2온수 각각을 사용할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1히트펌프유닛을 순환하는 제1냉매와 제2히트펌프유닛을 순환하는 제2냉매간에 열교환이 이루어지고, 제2히트펌프유닛에서는 제2냉매간에 열교환이 이루어 지게 됨으로써 보다 효율적이고, 열효율이 증가될 수 있는 효과를 갖는다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 통상 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 갖는 히트펌프 유닛의 구성도,
도 2는 종래 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템의 구성도,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1히트펌프 유닛의 구성도,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 제1히트펌프 유닛 작동방법의 흐름도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 제2히트펌프 유닛의 구성도,
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2히트펌프 유닛 작동방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제2온수 토출부와 제1저장수 탱크가 연결된 부분의 구성도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프시스템(10)의 구성 및 작용에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템(10)의 구성도를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프시스템(10)은 제1히트펌프유닛(100)과 제2히트펌프유닛(200)을 포함하고, 제1히트펌프유닛(100)의 제1응축기(120)로부터 열을 흡수하여 가열되는 제1저장수 라인과 제2히트펌프유닛(200)의 제2응축기(240)로부터 열을 흡수하여 가열되는 제2저장수 라인을 포함하고 있음을 알 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1히트펌프유닛(100)은 제1압축단(110), 제2분리기(230), 제1응축기(120), 제1수액기(130), 제1팽창밸브(140), 제1열교환기(150) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다. 그리고, 제2히트펌프유닛(200)은 제2압축기(210), 제3압축기(220), 제2분리기(230), 제2응축기(240), 제1히트펌프유닛(100)과 공유되는 제1열교환기(150), 제2열교환기(250), 제2수액기(260), 제1증발기(270-1), 제2증발기(270-2) 등을 포함하고 있음을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프시스템(10)의 제1히트펌프유닛(100)의 구성 및 작용에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 먼저, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1히트펌프유닛(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 제1히트펌프유닛(100) 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

제1히트펌프유닛(100)가 가동되게 되면(S1), 제1히트펌프유닛(100)을 구성하는 제1압축단(110) 내부로 제1냉매가 유입되어 제1압축단(110)에 의해 제1냉매가 압축되어 고온, 고압 기체의 제1냉매가 토출되게 된다(S2). 또한, 제1제어부는 제1압축단(110)를 제어하여 제1압축단(110)에서 토출되는 제1냉매의 압력을 조절할 수 있다. 그리고, 제1압축단(110)에서 토출된 제1냉매는 제2분리기(230)로 유입되게 된다(S3). 제2분리기(230)는 제1압축단(110)에서 토출된 제1냉매에 포함된 오일을 분리하여 오일이 제거된 제1냉매를 제1응축기(120) 측으로 토출하고, 오일은 다시 제1압축단(110) 측으로 토출시키게 된다.

그리고, 제2분리기(230)에서 토출된 제1냉매는 제1응축기(120)로 유입되게 된다. 그리고, 별도의 라인을 통해 제1저장탱크(160)에 저장된 제1저장수 역시 제1응축기(120)로 유입되게 된다. 따라서, 제1응축기(120)에서는 제1냉매와 제1저장수 사이에 열교환이 발생되게 된다. 구체적으로 제1냉매의 열을 제1저장수가 흡수하여, 제1저장수가 가열되고, 제1냉매는 응축되게 된다(S4). 따라서, 제1응축기(120)에서 제1저장수가 가열되어 제1온수를 생산하게 되고, 제1온수 토출부(170)를 통해 제1온수가 토출되게 된다. 구체적실시예에서 제1저장탱크(160)에 저장된 제1저장수는 약 0 ~ 80℃정도이고, 제1온수의 온도는 약 85 ~ 100 ℃ 미만 정도에 해당한다.

그리고, 제1응축기(120)를 통과하여 응축된 제1냉매는 제1수액기(130)를 거쳐(S5) 제1팽창밸브(140)에 의해 팽창(감압)되어 제1열교환기(150)로 이동되게 된다. 제1열교환기(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1히트펌프유닛(100)과 제2히트펌프유닛(200)이 공유하는 구성임을 알 수 있다. 따라서, 별도의 라인을 통해 각각 유입된 제1냉매와 제2냉매 간의 열교환이 발생되게 된다(S6). 작동방식에 따라 변경될 수 있으나, 제2냉매의 열이 제1냉매로 이동되게 된다. 즉, 제2냉매의 열을 제1냉매가 흡수하여 제1냉매가 증발되게 된다. 제1열교환기(150)에서 제2냉매와 열교환된 제1냉매가 토출되어 다시 제1압축단(110)로 유입되면서(S7), 제1냉매 순환라인이 완성되게 된다.

또한, 제1히트펌프유닛(100)은 제1압축단(110)를 제어하는 제1제어부를 포함하여, 제1압축단(110)에서 토출되는 제1냉매의 압력을 조절할 수 있고, 제1냉매 유량조절부를 구비하여 제1히트펌프유닛(100)에 의해 순환되는 제1냉매의 유량을 조절할 수 있다.

따라서, 이러한 제1히트펌프유닛(100)은 별도의 외부 열원이 없이 후에 설명되는 제2히트펌프유닛(200)의 제2냉매로부터 열을 공급받고, 제1압축단(110)를 구동시켜, 제1저장수를 가열하여 고온의 제1온수를 생산하게 된다. 제1온수는 앞서 설명한 바와 같이, 구체적실시예에서는 약 85 ~ 100 ℃ 미만 정도에 해당한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프유닛을 갖는 히트펌프시스템(10)의 제2히트펌프유닛(200)의 구성 및 작용에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 먼저, 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 제2히트펌프유닛(200)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2히트펌프유닛(200) 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2히트펌프유닛(200)이 가동되면(S10), 제2압축단(제2압축기(210) 및 제3압축기(220))로 유입된 제2냉매가 압축되어 고온 고압의 제2냉매 기체가 토출되게 된다(S20). 제2압축기(210)와 제3압축기(220) 각각에서 토출된 제2냉매는 하나로 합쳐져 제2분리기(230)로 유입되게 된다. 제2분리기(230)에서는 제2압축기(210)와 제3압축기(220)에서 토출된 제2냉매에 포함된 오일을 분리하여 다시 제2압축기(210)와 제3압축기(220)로 보내게 되고, 오일이 제거된 제2냉매는 제2응축기(240) 측으로 보내지게 된다(S30). 제2응축기(240)에서는 제2냉매와 다른 라인을 통해 유입된 제2저장수와 열교환을 하게 된다(S40). 즉, 제2냉매의 열을 제2저장수가 흡수하여 가열되게 된다.

제2저장수 라인은 제2저장탱크(280)에 저장된 제2저장수가 제2응축기(240)로 유입되어 제2냉매의 열을 흡수하여 제2온수가 생성되고, 생성된 제2온수는 제2온수 토출부(290)를 통해 토출되게 된다. 구체적 실시예에서 제2저장탱크(280)에 저장된 제2저장수의 온도는 약 0 ~ 40℃정도이고, 제2온수의 온도는 약 50 ~ 70℃정도이다.

제2응축기(240)에서 제2저장수로 열을 방출한 제2냉매는 앞서 언급한 제1히트펌프유닛(100)과 공유되는 제1열교환기(150)로 유입되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1열교환기(150)에서는 제2냉매와 제1냉매가 열교환하게 된다(S50). 따라서, 제1히트펌프유닛(100)와 제2히트펌프유닛(200) 각각에 흐르는 제1냉매와 제2냉매를 열교환하게 함으로써 제1히트펌프유닛(100)와 제2히트펌프유닛(200)에서 남는 폐열을 서로 이용할 수 있어 열효율을 증가시킬 수 있다.

제1열교환기(150)를 통과한 제2냉매는 제2열교환기(250)로 유입되게 된다. 제2열교환기(250)는 독립된 라인으로 유입된 제2냉매끼리 열교환을 하게 된다(S60). 즉, 제1열교환기(150)를 통과한 제2냉매와 후에 설명되는 바와 같이, 증발기(제1증발기(270-1), 제2증발기(270-2))를 통해 외부열원으로부터 열을 흡수한 제2냉매와 열교환을 하게 된다.

제2열교환기(250)에서 열교환된 제2냉매는 제2수액기(260)와 제2팽창밸브(300)를 거쳐 증발기(270-1,270-2)로 유입되게 된다(S70). 본 발명의 일실시예에 따른 제2히트펌프유닛(200)에 구비된 증발기(270-1,270-2)는 도 5a에 도시된 바와 같이, 2개 이상으로 구성될 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 각각의 증발기(270-1,270-2)는 제2냉매가 유입되는 다수의 유입관을 구비하고 있다. 이러한 유입관으로 유입된 제2냉매는 외부 열원을 공급받아 증발되게 된다(S80). 외부 열원은 외부공기, 지하수, 폐수, 지열 등이 존재한다.

증발기(270-1,270-2)로 유입되어 외부열원으로부터 열을 공급받아 증발된 제2냉매는 다시 제2열교환기(250)로 유입되어 제2냉매 간의 열교환을 한 후(S90) 제2압축기(210), 제3압축기(220) 각각으로 유입되어(S100) 제2냉매라인을 완성하게 된다.

또한, 제2히트펌프유닛(200)은 제2압축기(210)와 제3압축기(220)를 제어하는 제2제어부를 포함하여, 제2압축기(210)와 제3압축기(220)에서 토출되는 제2냉매의 압력을 조절할 수 있고, 제2냉매 유량조절부를 구비하여 제2히트펌프유닛(200)에 의해 순환되는 제2냉매의 유량을 조절할 수 있다.

즉, 제2히트펌프유닛(200)는 제2저장탱크(280)에 저장된 제2저장수를 가열하여 제2온수를 생성하고, 제1냉매와 열교환되고, 제2냉매간에 열교환을 거치고, 증발기(270-1,270-2)에서 외부열원을 공급받게 된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템(10)은 외부열원을 공급받는 증발기(270-1,270-2)는 제2히트펌프유닛(200)에만 존재하고, 제1히트펌프유닛(100)과 제2히트펌프유닛(200) 각각에 압축기를 구비하여, 각각 제1온수와 제2온수를 생산하게 되고, 제1히트펌프유닛(100)에 공급되는 열원은 제2히트펌프유닛(200)에서 발생된 열을 사용하고, 제2히트펌프유닛(200)은 제2냉매간에 남는 열을 서로 교환하게 설계함으로써 보다 효율적이고, 열효율을 증가시켜 서로 온도가 다른 제1온수와 제2온수 각각을 생산해 낼 수 있다.

이하에서는 제1저장탱크(160)와 제2저장탱크(280)가 연계되어 있는 경우, 제1온수의 공급과 제2온수의 공급 구조에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제2온수 토출부(290)와 제1저장수 탱크가 연결된 부분의 구성도를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제2히트펌프유닛(200)의 제2응축기(240)로 제2냉매와 제2저장수 각각이 별도의 라인으로 유입되고, 제2저장수는 제2냉매의 열을 공급받아 제2온수가 생성되게 됨을 알 수 있다. 이러한 제2온수는 앞서 설명한 바와 같이, 약 50 ~ 70℃정도이다(이러한 제2온수의 온도는 하나의 실시예를 제시한 것일 뿐 발명의 상세한 설명에 기재된 수치에 한정하여 권리범위를 해석하여서는 아니될 것이다.). 따라서, 사용자가 50 ~ 70℃정도의 온수가 필요한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 축열밸브(310)를 개방하여 제2온수를 사용하거나 제2온수를 사용하여 난방을 할 수 있게 된다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2저장탱크(280)와 제1저장탱크(160)는 연계되어 구성될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 제2응축기(240)에서 생산된 제2온수는 제1저장탱크(160)와 연결되어 50 ~ 70℃정도의 제2온수가 제1저장탱크(160)에 저장되고, 제1저장탱크(160)에 저장된 제2온수가 제1히트펌프유닛(100)의 제1응축기(120)로 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제1냉매로부터 열을 공급받아 가열되어 제1온수가 생성되게 될 수 있다.

따라서, 제1저장탱크(160)에 저장된 제2온수의 온도는 50 ~ 70℃정도이고, 제1응축기(120)로부터 열을 공급받아 생성된 제1온수는 80 ~ 100℃미만 정도가 된다. 사용자는 50 ~ 70℃정도의 제2온수를 공급받고 싶을 때, 축열밸브(310)를 개방하여 제2온수를 사용할 수 있고, 80 ~ 100℃미만 정도의 제1온수를 공급받고 싶을 때는 제1온수 토출부(170)를 통해 제1온수를 사용할 수 있게 된다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템(10)은 외부열원을 공급받는 증발기(270-1,270-2)는 제2히트펌프유닛(200)에만 존재하고, 제1히트펌프유닛(100)와 제2히트펌프유닛(200) 각각에 압축기를 구비하여, 각각 제1온수와 제2온수를 생산하게 되고 사용자는 필요에 따라 제1온수와 제2온수 각각을 사용할 수 있게 된다.

1:종래 히트펌프
1-1:종래 제1히트펌프유닛
1-2:종래 제2히트펌프유닛
2:종래 히트펌프의 증발기
2-1:종래 제1히트펌프의 증발기
2-2:종래 제2히트펌프의 증발기
3:종래 히트펌프의 압축기
3-1:종래 제1히트펌프의 증발기
3-2:종래 제2히트펌프의 증발기
4:종래 히트펌프의 응축기
4-1:종래 제1히트펌프의 응축기
4-2:종래 제2히트펌프의 응축기
5:종래 히트펌프의 팽창밸브
5-1:종래 제1히트펌프의 팽창밸브
5-2:종래 제2히트펌프의 팽창밸브
6:축열조
7:냉매라인
7-1:제1냉매라인
7-2:제2냉매라인
8:저장수라인
10:2단 히트펌프 유닛을 갖는 히트펌프 시스템
100:제1히트펌프유닛
110:제1압축단
111:제1분리기
120:제1응축기
130:제1수액기
140:제1팽창밸브
150:제1열교환기
160:제1저장탱크
170:제1온수토출부
200:제2히트펌프유닛
210:제2압축기
220:제3압축기
230:제2분리기
240:제2응축기
250:제2열교환기
260:제2수액기
270-1:제1증발기
270-2:제2증발기
280:제2저장탱크
290:제2온수토출부
300:제2팽창밸브
310:축열밸브

Claims

히트펌프 시스템에 있어서,
유입되는 제1냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제1압축단, 상기 제1압축단에서 토출된 상기 제1냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제1저장수에 열을 방출하고, 응축된 상기 제1냉매가 토출되는 제1응축기, 상기 제1응축기에서 토출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브 및 상기 제1팽창밸브를 통과한 제1냉매가 유입되고, 별도의 라인을 통해 유입된 제2냉매와 열교환되어 상기 제1냉매를 상기 제1압축단 측으로 토출시키는 제1열교환기를 구비하는 제1히트펌프 유닛;
내부에 상기 제1저장수가 저장되는 제1저장탱크;
상기 제1저장수가 상기 제1냉매의 열을 공급받아 가열된 제1온수를 토출시키는 제1온수 토출부;
유입되는 제2냉매를 압축시켜 고온고압의 기체로 토출시키는 제2압축단, 상기 제2압축단에서 토출된 상기 제2냉매가 유입되어 별도의 라인을 통해 유입된 제2저장수에 열을 방출하고 상기 제2냉매가 토출되는 제2응축기, 상기 제2응축기에서 토출된 제2냉매가 상기 제1열교환기를 통과하면서 상기 제1냉매와 열교환하고 토출된 제2냉매가 유입되어 유입된 상기 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과한 상기 제2냉매가 유입되어, 외부에서 공급되는 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 제2냉매를 상기 제2압축단 측으로 토출시키는 증발기를 구비하는 제2히트펌프 유닛;
내부에 상기 제2저장수가 저장되는 제2저장탱크;
상기 제2저장수가 상기 제2냉매의 열을 공급받아 가열된 제2온수를 토출시키는 제2온수 토출부; 및
상기 제1열교환기와 상기 제2팽창밸브 사이에 구비되어, 상기 제1열교환기에서 토출된 상기 제2냉매 및 상기 증발기에서 토출되는 상기 제2냉매가 각각 별도의 라인을 통해 유입되어 서로 열교환되는 제2열교환기;
상기 제1압축단의 토출부 측에 구비되어 상기 제1압축단에서 토출되는 상기 제1냉매에 포함된 오일을 분리하여 분리된 오일을 상기 제1압축단으로 유입시키고, 상기 오일이 제거된 제1냉매는 상기 제1응축기 측으로 토출시키는 제1분리기;
상기 제2압축단의 토출부 측에 구비되어 상기 제2압축단에서 토출되는 상기 제2냉매에 포함된 오일을 분리하여 분리된 오일을 상기 제2압축단으로 유입시키고, 상기 오일이 제거된 제2냉매는 상기 제2응축기 측으로 토출시키는 제2분리기;
상기 제1압축단을 제어하여 상기 제1압축단에서 토출되는 제1냉매의 압력을 조절하는 제1제어부;
상기 제2압축단을 제어하여 상기 제2압축단에서 토출되는 제2냉매의 압력을 조절하는 제2제어부;
상기 제1히트펌프유닛에 구비되어 상기 제1히트펌프유닛에서 순환되는 상기 제1냉매의 유량속도 조절하는 제1냉매유량조절부; 및
상기 제2히트펌프유닛에 구비되어 상기 제2히트펌프유닛에서 순환되는 제2냉매의 유량속도를 조절하는 제2냉매유량조절부를 포함하고,
상기 제2온수 토출부에서 토출되는 제2온수가 상기 제1저장탱크로 유입되며,
상기 제2온수의 온도는 50 ~ 70℃이고, 상기 제1온수의 온도는 80 ~ 95℃이고,
상기 열원은 외기, 지하수, 폐수 또는 지열이며,
상기 제1응축기와 상기 제1팽창밸브 사이 및 상기 제1열교환기와 상기 제2팽창밸브 사이 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수액기를 포함하고,
상기 제2압축단은 복수개의 압축기로 구비되어 각각의 압축기에서 토출된 제2냉매가 상기 제2응축기로 유입되며,
상기 증발기는 복수로 구비되어 각각의 상기 증발기로 상기 제2팽창밸브를 통과한 제2냉매가 유입되어 열원으로부터 열을 공급받고, 각각의 상기 증발기로부터 토출된 상기 제2냉매가 상기 제2열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 중고온수 복합 생산 히트펌프 시스템.
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