KR101278549B1 - 하이브리드 공조시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 하이브리드 공조시스템은 공기를 인입시키는 흡기 덕트와, 냉매를 제1열교환기, 압축기, 제2열교환기, 팽창밸브를 순차적 또는 역순차적으로 순환시키되 상기 제2열교환기가 공조공간의 외부에 설치되며 상기 흡기덕트로 인입된 통과한 공기가 상기 제1열교환기를 통과하는 히트펌프와, 상기 히트펌프를 통과한 공기를 제습하는 제습기 및 상기 제습기를 통과한 공기를 공조공간으로 급기하는 급기팬이 설치된 급기덕트가 포함되고, 상기 제2열교환기는 냉매가 직렬 또는 병렬로 인입될 수 있도록 다수 개가 구비되되, 각각의 제2열교환기 사이에는 연결덕트가 설치되고, 각 제2열교환기에는 공기가 인입되고 배기되는 인입덕트와 배기덕트가 각각 설치된 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명은 히트펌프에 냉매를 사용함에 따라 종래에 사용하는 대형 송풍팬이 필요하지 않고 그에 따라 증발기나 응축기의 크기도 작아지므로 전체적으로 공조시스템의 부피가 줄어들어 선박도장의 작업공간을 더 확보할 수 있고, 실외에 설치된 열교환기가 병렬로 배치되거나 직렬로 배치될 수 있도록 연결배관이 구비됨에 따라 용도에 따라 열교환기의 효율을 조절할 수 있으므로 에너지 절약의 효과가 있다.

Description

하이브리드 공조시스템 { Hybrid air conditioning system }
본 발명은 하이브리드 공조시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매를 사용하는 히트펌프가 구비되어 하나의 공조시스템으로 냉방, 난방, 제습 및 환기를 시키되 전체 시스템의 부피가 최소화되면서 응축기의 폐열을 이용하여 효율을 증대시킬 수 있는 하이브리드 공조시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박도장과 같은 작업을 수행하기 위해서는 대형 작업공간이 요구됨에 따라 에너지를 절약하며 사계절 내내 일정한 작업환경을 유지하여 작업성을 향상시킬 수 있어야 한다.
또한, 선박도장을 위한 대형 작업공간에는 대량의 화학성분이 사용됨에 따라 작업자의 안전을 위한 작업환경개선이 요구된다.
대한민국 등록특허 제943285호(명칭 : 하이브리드 데시칸트 제습장치 및 그 제어방법)
전술한 바와 같이, 도 6을 참조하면 종래에는 사계절을 사용하기 위하여 외기도입라인(1,2)을 통해 공급되는 공기에서 열을 흡수하여 난방하거나 공기로 열을 방출하여 냉방을 하도록 이루어진다. 이때, 제습기(R)는 냉방시 냉각된 공기가 통과하면서 제습되도록 일측에 증발기(V)가 설치되고, 응축기(C)를 통과하면서 난방에 사용되는 고온의 공기가 타측에서 통과되도록 하여 습기를 탈착할 수 있도록 한다.
그런데, 종래의 이러한 제습장치는 공기로부터 열을 흡수하거나 공기로 열을 방출하도록 형성됨에 따라 필요한 난방열이나 냉각열을 얻기 위하여 많은 양의 공기가 송풍되어야 함에 따라 공기의 송풍량에 맞게 송풍팬의 크기가 커져야 하고 응축기나 증발기의 크기도 커져야 하므로 전체 제습장치의 부피가 커지는 문제점이 있다.
특히, 도장공간은 대형 선박 블록들이 수용되어야 하고, 대형 선박 블록들의 외측에서 도장작업이 수행되어야 하는 제습장치의 부피가 커지면 도장작업을 위한 공간이 줄어들어 도장 작업성이 떨어지는 문제점이 있는 것이다.
또한, 종래에는 제습기가 설치된 하나의 공간에서 제습기의 일측과 타측으로 냉각열과 난방열이 통과하도록 이루어짐에 따라 회전하는 제습기 로터에 의해 열손실이 발생하는 문제점이 있다.
이를테면, 냉방제습 운전시, 냉각열이 제습기의 일측을 통과하면서 제습됨과 동시에 제습기의 타측에서 탈착을 위한 난방열이 통과함에 따라 제습기에서 냉각열과 난방열이 혼합되면서 냉각열의 온도가 떨어지고 난방열의 온도가 증대되어 열손실이 발생하는 것이다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소시키고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 전체 시스템의 부피를 최소화하면서 열효율을 증대시킬 수 있는 하이브리드 공조시스템을 제공함에 있다.
특히, 본 발명의 다른 목적은 냉각열과 난방열이 발생되는 공간을 분리하여 열손실을 최소화하도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 응축 폐열을 이용하도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 용도에 따라 선택적으로 제습기를 사용할 수 있도록 함에 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 공조시스템은 공기를 인입시키는 흡기 덕트와, 냉매를 제1열교환기, 압축기, 제2열교환기, 팽창밸브를 순차적 또는 역순차적으로 순환시키되 상기 제2열교환기가 공조공간의 외부에 설치되며 상기 흡기덕트로 인입된 통과한 공기가 상기 제1열교환기를 통과하는 히트펌프와, 상기 히트펌프를 통과한 공기를 제습하는 제습기 및 상기 제습기를 통과한 공기를 공조공간으로 급기하는 급기팬이 설치된 급기덕트가 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 제2열교환기는 냉매가 직렬 또는 병렬로 인입될 수 있도록 다수 개가 구비되되, 각각의 제2열교환기 사이에는 연결덕트가 설치되고, 각 제2열교환기에는 공기가 인입되고 배기되는 인입덕트와 배기덕트가 각각 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 제습기는 공기 중의 습기를 제거하는 제습챔버와 상기 제습챔버의 습기를 탈착하는 탈착챔버로 이루어지며, 상기 제2열교환기에는 상기 제2열교환기를 통과하는 공기가 상기 제습기의 습기를 탈착하게 상기 탈착챔버를 통과하도록 재생배기덕트가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 히트펌프의 제1열교환기와 상기 급기팬 사이에는 상기 제습기를 바이패스하는 바이패스 덕트가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 제2열교환기에는 상기 팽창밸브와 연결되는 폐열회수 덕트가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명은 히트펌프에 냉매를 사용함에 따라 종래에 사용하는 대형 송풍팬이 필요하지 않고 그에 따라 증발기나 응축기의 크기도 작아지므로 전체적으로 공조시스템의 부피가 줄어들어 선박도장의 작업공간을 더 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실외에 설치된 열교환기가 병렬로 배치되거나 직렬로 배치될 수 있도록 연결배관이 구비됨에 따라 용도에 따라 열교환기의 효율을 조절할 수 있으므로 에너지 절약의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉방운전 또는 냉방제습운전시 바이패스 덕트를 사용하거나, 난방운전시 보조히터를 사용함에 따라 냉난방의 온도조절이 용이하므로 필요한 온도만큼만 작동되도록 하여 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 냉방운전 또는 냉방제습운전시 폐열회수덕트에 의해 응축열이 팽창밸브로 회수되도록 함에 따라 팽창밸브로 인입되는 저온저압의 냉매가 팽창밸브로 인입되는 고온고압의 냉매와 혼합되면서 팽창밸브에서 용이하게 냉매의 압력강하가 용이하게 이루어지게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템을 도시한 도면.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 냉방제습운전 상태를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 냉방운전 상태를 도시한 도면.
도 4a,4b는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 난방운전 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 외기송풍운전 상태를 도시한 도면.
도 6은 종래의 제습장치를 개략적으로 도시한 도면.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템은 공기를 흡기하는 흡기덕트(101)와 냉매를 순환시키는 히트펌프와 히트펌프를 통과한 공기를 제습하는 제습기(204)와 제습기를 통과한 공기를 공조공간으로 급기하는 급기덕트(104)가 포함된다.
흡기덕트(101)는 공조공간으로 공급할 공기를 히트 펌프로 인입시키기 위한 것으로서 흡기덕트(101)를 통해 인입되는 공기는 외기나, 공조공간에서 흡기덕트(101)로 재공급되는 재공급공기나 외기와 재공급공기가 혼합된 혼합공기 등이 될 수 있다.
여기서, 흡기덕트(101)에는 이물질이 인입되는 것을 방지하기 위하여 다수의 블레이드가 설치된 흡기그릴(201)과 공기필터(202)가 설치될 수 있음은 물론이다.
히트펌프는 제1열교환기(203)와, 압축기와, 제2열교환기(211,212)와, 팽창밸브가 순차적으로 연결되어 설치되며 냉매가 순환하도록 이루어진다. 이때, 제1열교환기(203)는 전술한 바와 같은 순서로 냉매가 순환되는 경우 제1열교환기가 증발기가 되고, 제2열교환기(211,212)가 응축기가 될 수 있으며, 냉매가 전술한 바와 역순서로 순환되는 경우 제1열교환기(203)가 응축기가 되고 제2열교환기(211,212)가 증발기가 되어 냉방 또는 난방에 모두 사용될 수 있다.
전술한 히트펌프는 공지된 기술이므로 각 구성요소에 대한 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 히트펌프를 구성하는 제1,2열교환기와 압축기 및 팽창밸브는 선박의 도장과 같은 대형작업공간에 사용됨에 따라 대용량이 요구되므로 적어도 한 쌍이 설치될 수 있다. 또한, 대용량의 히트펌프 성능이 한 쌍의 히트펌프로 분리되어 발생됨에 따라 적은 용량의 히트펌프 성능이 필요한 경우에 선택적으로 히트펌프를 가동하여 에너지를 절약할 수 있음은 물론이다.
제2열교환기(211,212)는 공조공간의 외부 즉, 실외에 제1열교환기(203)와 간섭되지 않도록 설치된다.
또한, 제2열교환기(211,212)는 도시된 바와 같이 다수 개로 분리되어 구비되고, 각각의 제2열교환기들 사이에 연결덕트(113)가 설치되어 각각의 제2열교환기들이 병렬이나 직렬로 연결될 수 있도록 한다. 이때, 각각의 제2열교환기에는 공기가 인입되고 배기되는 인입덕트와 배기덕트가 각각 설치된다.
제습기(204)는 후술될 급기덕트(104) 상에 설치되되, 히트펌프의 제1열교환기(203)와 후술될 급기팬(207) 사이에 설치되어 공조공간으로 공급되는 공기에서 습기를 제거하며 제습기(204)는 데시칸트 로터가 될 수 있다.
데시칸트 로터는 회전하면서 데시칸트 로터를 통과하는 공기의 습기를 제거하기 위하여 공기로부터 습기를 흡수하는 제습챔버(204a)와 제습챔버(204a)에 흡수된 습기를 제거하는 탈착챔버(204b)로 이루어진다. 여기서, 탈착챔버(204b)는 고온의 공기가 통과하면서 제습챔버(204a)에서 흡수된 습기를 건조시키도록 해야 한다.
데시칸트 로터는 습기를 제거하기 위하여 고온의 공기를 공급할 수 있도록 재생히터가 요구된다. 이때, 제습이 요구되는 때에는 온도가 상승하고 습기가 증대되는 여름철이므로 공조공간의 외부에 설치되는 히트펌프의 제2열교환기(211,212)가 응축기로 작동될 때 응축기에서 발생하는 응축열을 재생히터로 사용하여 별도의 재생히터를 설치하는 비용을 절약할 수 있다.
그러므로 제2열교환기에는 제2열교환기를 통과한 공기가 제습기(204)의 탈착챔버(204b)를 통과하도록 하는 재생배기덕트(116)가 설치된다. 즉, 재생배기덕트(116)는 전술한 제2열교환기(211,212)와 연결되고 고온의 공기가 탈착챔버(204b)를 통과하면서 데시칸트 로터의 습기를 건조시킬 수 있도록 한다. 재생배기덕트(116)에는 탈착챔버(204b)를 통과한 공기가 배기될 수 있도록 재생배기덕트(116)의 출구 측에 재생배기팬(214)이 설치될 수 있음은 물론이다.
또한, 탈착챔버(204b)로 인입되는 공기는 공조공간에 사용되어 배기되는 공기를 재사용할 수 있음은 물론이다.
한편, 공조공간에 공급되어야 할 공기의 제습이 요구되지 않을 경우 급기덕트(104)에는 제1열교환기(203)를 통과한 공기가 제습기(204)를 바이패스 하도록 바이패스 덕트(103)가 더 설치될 수 있다.
그리고, 제2열교환기(211,212)에는 전술한 히트펌프의 팽창밸브(303)와 연결되는 폐열회수 덕트(305)가 더 설치된다. 폐열회수 덕트(305)는 하이브리드 공조시스템이 냉방 또는 냉방제습운전되는 경우 상세하게 설명하기로 한다.
미설명부호 206은 보조히터이고, 213은 재생공기 필터이다.
이하에서는 도면을 참조하여 전술한 구성을 갖는 하이브리드 공조시스템의 작동상태를 상세하게 설명한다.
도면에서 E.A는 배기, S.A는 급기, R.A는 환기, O.A는 외기를 의미하며 실선은 실제 유체의 이동이 실시되는 상태를 의미한다.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 냉방제습운전 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 냉방운전 상태를 도시한 도면이다.
도 2a,2b는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템이 여름철에 사용되어 냉방과 제습을 동시에 진행하는 제1실시예를 도시한 도면이다.
먼저, 히트펌프의 압축기(301,302)에서 저압의 냉매가 흡입, 압축된다. 냉매는 압축기(301,302)에서 압축되면서 분자수가 증대되면서 냉매 분자 사이의 거리가 매우 좁아져 고온 고압의 상태가 되어 공조공간의 외부, 실외에 설치된 제2열교환기(211,212) 즉, 응축기로 이송된다.
그러면, 제2열교환기(211,212)에는 고온 고압의 냉매가 순환하게 되므로 공기와 열교환하면서 냉매는 중온 고압이 된다.
다음, 냉매는 중온 고압의 제2열교환기(211,212) 즉, 응축기에서 팽창밸브(303)를 통과하면서 감압되어 저온 저압이 된 상태로 제1열교환기(203) 즉, 증발기로 인입되면서 저압 저온 상태가 된다.
이에, 공기가 흡기그릴(201)과 흡기필터(202)를 통해 흡기덕트(101)로 인입되어 냉매가 저온저압 상태가 된 제1열교환기(203) 즉, 증발기를 통과하면서 전열교환하여 냉방에 필요한 온도로 하강된 상태가 된다.
이러한 냉방공기는 제습기(204)의 제습챔버(204a)를 통과하면서 잠열교환이 일어나 습기가 제거되고 더욱 냉각된 상태로 급기팬(207)에 의해 급기덕트(104)로 인입된다.
그러면, 공조공간에는 냉각되어 냉방에 적합하고 습기가 제거된 공기가 공급된다.
이때, 급기덕트(104)로 인입되는 냉방공기는 그 온도를 제어하기 위하여 일부가 제습기(204)를 통하지 않고 바이패스 덕트(103)로 인입되도록 하여 냉방공기가 지나치게 냉각되는 것을 방지한다.
또한, 제습기(204)의 제습챔버(204a)는 공조공간으로 공급되는 공기의 습기를 제거함에 따라 제습챔버(204a)의 습기를 탈착하기 위하여 외기나 공조공간에서 사용 후 배기되는 공기를 제2열교환기(211,212) 즉, 응축기로 인입되도록 하여 온도를 상승시킨다.
즉, 제2열교환기(211,212)의 인입덕트(111)를 통해 인입된 공기가 제2열교환기(211,212)와 현열교환하여 고온의 공기가 되어 재생배기팬(214)에 통해 재생배기덕트(116)로 인입된다. 그러면, 고온의 공기는 제습기(204)의 탈착챔버(204b)를 통과하면서 습기를 건조시킨다.
이때, 제2열교환기(211,212)는 습기의 양에 따라 연결덕트(113)에 의해 직렬연결하거나 차단하여 필요에 따라 응축열을 조절하여 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 제2열교환기(211,212)는 제1열교환기(203)와 달리 실외에 설치됨에 따라 제1열교환기(203)와 열교환이 되지 않으므로 에너지손실을 방지할 수 있다.
한편, 공조공간에 냉방만 필요할 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 흡기덕트(101)로 흡기되어 제1열교환기(203)를 통과하면서 전열교환되어 냉각된 공기는 모두 바이패스 덕트(103)로 인입되면서 제습과정이 생략되어 공조공간으로 공급된다. 이때, 공조공간의 외부 즉, 실외에 고온고압의 냉매가 이동하는 제2열교환기(211,212)는 각각의 인입덕트(111)를 통해 외기를 인입시켜 현열 교환하여 고온의 공기를 일부 냉각하여 배기덕트(112)를 통해 배기시키는 것이 바람직하다.
이때, 제2열교환기(211,212)들 사이의 연결덕트(113)는 차단되어 제2열교환기(211,212)가 병렬연결 되도록 한다. 그러면, 각 제2열교환기(211,212)들은 같은 응축압력으로 운전됨에 따라 압축기 효율이 증대된다.
여기서, 하이브리드 시스템은 냉방운전 뿐만 아니라 냉방제습운전에서 제2열교환기 즉, 응축기의 폐열이 폐열회수덕트(305)에 의해 팽창밸브(303)로 회수되도록 함에 따라 제1열교환기(203) 즉 증발기에서 팽창밸브(303)로 인입되는 저온저압의 냉매가 팽창밸브(303)로 인입되는 고온고압의 냉매와 혼합되면서 팽창밸브(303)에서 냉매의 압력강하가 용이하게 이루어지게 하는 효과가 있다.
도 4a,4b는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 난방운전 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 공조시스템의 외기송풍운전 상태를 도시한 도면이다.
도 4a,4b를 참조하면, 본 발명의 하이브리드 공조시스템이 난방에 사용될 경우, 냉매는 전술한 바와 반대로 흐르도록 이루어져 제1열교환기(203)가 고온, 고압의 응축기가 되고, 실외에 설치된 제2열교환기(211,212)가 증발기가 된다.
그러면, 먼저 흡기 덕트(101)를 통해 인입된 공기는 제1열교환기(203) 즉, 고온고압의 냉매가 흐르는 응축기를 통과하면서 현열교환되어 온도가 상승한 난방공기가 된다. 겨울철에 난방이 요구되는 경우 별도의 제습이 필요하지 않으므로 가열된 공기는 바이패스 덕트(103)를 통하거나 정지된 제습기를 통과하여 급기 덕트(104)로 인입되어 공조공간으로 급기된다.
또한, 실외에 위치된 제2열교환기(211,212)는 연결덕트(113)를 차단하고 인입덕트(111)를 통해 외기를 인입하여 더욱 냉각된 공기를 배기덕트(112)로 배기시킨다.
여기서, 난방공기의 온도가 요구되는 온도보다 낮거나, 증발기가 되는 제2열교환기(211,212)가 낮은 외기에 의해 적상이 발생되면 자동제상을 실시하게 되므로 난방효율이 떨어진다. 이것은 급기덕트(104)에 설치된 보조히터(206)를 통해 난방온도를 증대시킬 수 있다.
한편, 별도의 냉난방을 하지 않고 환기를 위한 외기송풍만 필요한 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이 열교환이 요구되지 않으므로 히트펌프는 가동시키지 않고 흡기 덕트로(101)로 외기를 인입시켜 바이패스 덕트(103)를 통해 급기덕트(104)로 급기하여 공조공간으로 공급되도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 히트펌프에 냉매를 사용함에 따라 종래에 사용하는 대형 송풍팬이 필요하지 않고 그에 따라 증발기나 응축기의 크기도 작아지므로 전체적으로 공조시스템의 부피가 줄어들어 선박도장의 작업공간을 더 확보할 수 있고, 실외에 설치된 열교환기가 병렬로 배치되거나 직렬로 배치될 수 있도록 연결배관이 구비됨에 따라 용도에 따라 열교환기의 효율을 조절할 수 있으므로 에너지 절약의 효과가 있다.
101 : 흡기덕트 103 : 바이패스 덕트
104 : 급기덕트 111 : 인입덕트
112 : 배기덕트 113 : 연결덕트
116 : 재생배기덕트 201 : 흡기그릴
202 : 흡기필터 203 : 제1열교환기
204 : 제습기 206 : 보조히터
207 : 급기팬 211,212 : 제2열교환기
214 : 재생배기팬 302 : 압축기
303 : 팽창밸브 305 : 폐열회수덕트

Claims (5)

  1. 공기를 인입시키는 흡기 덕트;
    냉매를 제1열교환기, 압축기, 제2열교환기, 팽창밸브를 순차적 또는 역순차적으로 순환시키되 상기 제2열교환기가 공조공간의 외부에 설치되며 상기 흡기덕트로 인입된 통과한 공기가 상기 제1열교환기를 통과하는 히트펌프;
    상기 히트펌프를 통과한 공기를 제습하는 제습기; 및
    상기 제습기를 통과한 공기를 공조공간으로 급기하는 급기팬이 설치된 급기덕트;가 포함되고,
    상기 제2열교환기는 냉매가 직렬 또는 병렬로 인입될 수 있도록 다수 개가 구비되되, 각각의 제2열교환기 사이에는 연결덕트가 설치되고, 각 제2열교환기에는 공기가 인입되고 배기되는 인입덕트와 배기덕트가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 공조시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제습기는 공기 중의 습기를 제거하는 제습챔버와 상기 제습챔버의 습기를 탈착하는 탈착챔버로 이루어지며,
    상기 제2열교환기에는 상기 제2열교환기를 통과하는 공기가 상기 제습기의 습기를 탈착하게 상기 탈착챔버를 통과하도록 재생배기덕트가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 공조시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프의 제1열교환기와 상기 급기팬 사이에는 상기 제습기를 바이패스하는 바이패스 덕트가 더 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 공조시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2열교환기에는 상기 팽창밸브와 연결되는 폐열회수 덕트가 더 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 공조시스템.
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