KR101469459B1 - 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 및 그의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ⅰ) 냉온매 압축 응축 기화 순환 및 수냉매 열교환기(B) 장치; ⅱ) 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및 ⅳ) 제어판(10);으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서, 증발기 외부의 제상을 위해 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.

Description

복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 및 그의 제어방법 {Heat pump system using complex heat sources and its controlling process}
본 발명은 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트 펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로 상기한 복합 열원을 이용하여 겨울철 증발기에서 발생하는 성에를 효과적으로 제거할 수 있는 제상 기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 냉온매의 증발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달함으로써 하나의 장치에서 냉난방 모두를 수행하는 장치를 말한다.
히트펌프 냉난방 시스템은 냉온매를 순환시키면서 부하에서 열교환을 통해 정해진 공간을 냉난방하는 장치로써 사용되고 있다. 통상 겨울철 난방장치로 사용시 냉온매를 압축, 응축 및 열교환, 팽창, 기화의 네 단계를 순환적으로 사이클링시키면서 응축시 열교환을 통한 난방을 실행하는 것이다. 이러한 냉난방 시스템은 압축기, 응축기 겸 열교환기, 팽창밸브, 증발기 겸 열교환기 등을 구비하고 있다.
이를 상세히 살펴보면 압축기의 운전을 통해 저온 기체 상태인 냉온매를 압축시켜 응축기로 보내면 압축된 냉온매는 응축기에서 주위의 공기와 열교환되거나 본 발명과 같이 압축된 냉온매를 열교환시켜 수냉매 열교환기에 열을 전달시키면서 냉온매는 냉각되고 다시 냉각에 의해 액체 상태로 된 냉온매가 팽창밸브에서 유량이 조정되면서 증발기로 분사되면 급팽창되어 기화되면서 증발기에서 주위로부터 기화열을 흡수하여 주위의 내부 공간을 급격히 냉각시킬 뿐만 아니라 증발기 외부에 성에의 발생을 야기하게 되는 것이었다.
그 후로 증발기에서 저온 기체 상태로 된 냉온매는 다시 압축기로 들어간 후 압축되어 고압 기체 상태가 되면서 위와 같은 냉동사이클을 반복한다.
이때 냉동사이클을 통해 외부 공기의 열을 흡수하는 증발기 표면온도는 외부 공기의 온도에 비하여 상대적으로 낮고, 이로 인하여 증발기 표면에는 상대적으로 고온, 습윤인 외부 공기로부터 응결된 수분이 달라붙게 되어 성에가 생성된다.
이렇게 증발기 표면에 생성된 성에는 시간이 지남에 따라 점점 두꺼워지고, 이로 인해 증발기를 통과하는 공기의 열교환 효율이 떨어져 냉각 효율이 떨어지고 과다한 전력 소모가 발생한다.
상기와 같은 히트펌프 냉난방 시스템을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템은 본 발명자가 대한민국 특허등록 제10-1351826호 '지하수를 이용한 온실용 히트펌프 냉난방 시스템'에서 개시한 바 있다.
상기한 본 발명자의 히트펌프 냉난방 시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
상기 히트펌프 냉난방 시스템의 구성은 ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 냉매를 공기 열교환기(C) 및 증발기를 통해 공기로 열교환시키면서 냉매의 온도를 조절시킨 후, 냉매와 축열냉 탱크(E)의 축열 축냉을 위해 순환하는 물을 수냉매 열교환기(B)에서 열교환시키고, 상기 수냉매 열교환기(B)에서 열교환된 냉매는 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치; ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 열에너지를 지닌 물과 부하에 부하하는 축열 축냉용 냉매를 축열냉 열교환기(F)에서 열교환시키는 장치; 및 ⅳ) 부하내의 부하측 열교환기(G)를 통해 부하를 냉난방시키는 장치;로 구성되어 있다.
이때 상기 수냉매 열교환기(B)의 보조열원으로 공기 열교환기(C) 내의 증발기(D)의 온도를 제어하기 위해 공급되는 지하수를 사용하여 축열냉 탱크(E) 내의 온도를 난방시에는 60∼90℃로 냉방시에는 8∼13℃로 조절함을 특징으로 하는 것이다.
그러나 상기 본 발명자의 히트펌프 냉난방 시스템의 경우 단지 공기열 및 지하수의 열원만을 사용하여 증발기의 열을 흡수 교환하는 히트펌프 냉난방 시스템로서 보조 열원으로 제공되는 지하수의 열공급 만으로는 충분치 않았던 것이다.
또한 상기 히트펌프 냉난방 시스템의 경우 별도의 제상 장치 또는 제상 기능을 지니지 않는 것으로 증발기의 제상을 위해서는 통상적인 냉난방 시스템과 같이 히트펌프의 운전을 중단시키고 냉온매 순환 사이클을 반대 방향으로 역사이클 순환시켜 증발기 주위의 공간에 기화열을 발산하게 함으로써 성에를 제거하여야만 하는 문제가 있었다.
이에 본 발명자는 종래의 지하수 보조 열원의 히트펌프 냉난방 시스템문제점을 해결하기 위해 히트펌프 냉난방 시스템의 열원으로서 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 개발하기 위해 노력하던 중 지하수의 열원을 브라인 열교환기를 통해 결빙 온도 -30∼-15℃ 브라인에 공급하고 이 브라인의 열원을 브라인 공급관을 통해 증발기 주변에 공급함으로써 증발기가 브라인의 축열을 열교환하여 증발기 주위의 내부 공간의 온도를 서서히 증가시켜 성에 발생을 최소화할 뿐만 아니라 성에 발생시 성에를 감지하는 착상 감지 센서의 신호를 통해 제어판에서 제상을 위해 브라인 공급관에 제공된 지하수 브라인의 열원과 인라인 히터의 복합 열원을 공급함으로써 종래의 역사이클 순환 없이 효과적으로 성에를 제거하는 제상 운전이 가능한 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 된 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 히트펌프 냉난방 시스템의 열원으로서 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 개발코자 한 것이다. 지하수의 열원을 브라인 열교환기를 통해 브라인에 공급하고 이 브라인의 열원을 브라인 공급관을 통해 증발기 주변에 공급함으로써 증발기가 브라인의 축열을 열교환하여 증발기 주위 내부 공간의 온도를 서서히 증가시켜 성에 발생을 최소화할 뿐만 아니라 성에 발생시 성에를 감지하는 착상 감지 센서의 신호를 통해 제어판에서 제상을 위해 브라인 공급관에 제공된 지하수 브라인의 열원과 인라인 히터의 복합 열원을 공급함으로써 종래의 역사이클 순환 없이 효과적으로 성에를 제거하는 제상 운전이 가능한 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 개발코자 한 것이다.
본 발명의 목적은 ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 고온 고압의 냉온매를 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시킨 후. 액상의 냉온매를 증발기(D)에서 기화시키고 기화열을 공기 및 브라인 공급관(C)으로 공급된 브라인를 통해 제공한 후 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치; ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 물의 열에너지를 열교환시켜 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및 ⅳ) 증발기의 작동, 브라인 공급 및 회수, 인라인 히터의 작동을 제어하기 위한 제어판(10);으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서, 난방을 위해 11∼14℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기에서 요구하는 기화열을 제공한 후 -3∼5℃의 브라인으로 배출한 후 브라인 열교환기(20)에서 지하수와의 열교환을 통해 8∼14℃의 브라인을 순환 공급시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 고온 고압의 냉온매를 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시킨 후. 액상의 냉온매를 증발기(D)에서 기화시키고 기화열을 공기 및 브라인 공급관(C)으로 공급된 브라인를 통해 제공한 후 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치; ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 물의 열에너지를 열교환시켜 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및 ⅳ) 증발기의 작동, 브라인 공급 및 회수, 인라인 히터의 작동을 제어하기 위한 제어판(10);으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서, 증발기 외부의 제상을 위해 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
이때 상기 히트펌프 냉난방 시스템의 난방 정상 운전과 성에 제거 운전은 성에 감지 센서에서 감지된 성에 발생 시점을 시작으로 제어판에 입력된 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에서 측정된 데이터를 제어판(10) 내 프로세서에서 처리함으로써 운전 조건을 결정함을 특징으로 한다.
또한 상기 브라인 공급관과 증발기 배관은 비등간격 코일 배열의 형태로 브라인관과 냉온매관을 서로 혼재시켜 배열시키고 그 외부에 등간격으로 핀을 설치시켜 열교환 함으로써, 난방 운전시에는 증발기 내의 액상 온매 기화열을 11∼14℃의 브라인 열을 통해 공급하고 냉방 운전시에는 증발기 내의 냉매 액화열을 8∼14℃의 브라인을 통해 흡수함을 특징으로 한다.
한편 상기 브라인의 빙점은 -30∼-15℃이며 브라인은 물과 무수에탄올(1:1) 혼합 용액임을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 히트펌프 냉난방 시스템의 열원으로서 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 특징은 지하수의 열원을 브라인 열교환기를 통해 결빙 온도 -30∼-15℃ 브라인에 공급하고 이 브라인의 열원을 브라인 공급관을 통해 증발기 주변에 공급함으로써 증발기가 브라인의 축열을 열교환하여 증발기 주위 내부 공간의 온도를 서서히 냉각시켜 성에 발생을 최소화할 뿐만 아니라 성에 발생시 제상을 위해 브라인 공급관에 제공된 지하수 브라인의 열원과 인라인 히터의 복합 열원을 공급함으로써 종래의 역사이클 순환 없이 효과적으로 성에를 제거하는 제상 운전이 가능한 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 전체 장치 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 난방 운전시 전체 시스템 구성을 나타낸 개략도이다. 본 발명의 신규한 장치 시스템인 브라인 열교환기(20), 브라인 탱크(30), 브라인 공급관(C)의 구성 및 브라인 순환이 상세히 도시되어 있다. 또한 본 발명의 제상 기능 운전시 브라인에 열 공급할 수 있는 인라인 히터(40)의 구성이 도시되어 있다. 난방 운전시에는 온매를 순환시켜 본 발명의 시스템을 운용한다.
도 2b는 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 냉방 운전시 전체 시스템 구성을 나타낸 개략도이다. 냉방 운전시에는 난방 운전시와는 반대 방향으로 냉매를 순환시켜 본 발명의 시스템을 운용한다.
냉방 운전시에는 지하수 열교환기(50)가 11∼14℃의 지하수를 부하에 제공되는 20℃의 냉각수와 열교환하여 부하에 냉각을 보완하는 역할을 한다.
도 3a는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관(C)과 증발기(D)의 구성을 3차원적으로 도시한 개략도이다. 난방 운전시에는 증발기에 액상의 온매가 투입되어 기회된 후 저온의 증기상의 온매로 배출된다. 이때 기화열을 공급하기 위해 11∼14℃의 브라인이 공급되어 증발기에 기화열을 공급한 후 -3∼5℃의 저온의 브라인으로 배출된다. 저온의 브라인은 브라인 열교환기에서 지하수와 열교환된다. 한편 냉방 운전시에는 증발기에 증기상의 냉매가 투입되어 고온의 액상의 냉매로 배출된다. 브라인이 공급되어 증발기에서 발생하는 액화열을 흡수한다.
도 3b는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관(C)과 증발기(D)의 구성을 평면적으로 도시한 개략도이다. 난방 운전시에는 증발기에 액상의 온매가 투입되어 기회된 후 저온의 증기상의 온매로 배출된다. 이때 기화열을 공급하기 위해 11∼14℃의 브라인이 공급되어 증발기에 기화열을 공급한 후 -3∼5℃의 저온의 브라인으로 배출된다. 저온의 브라인은 브라인 열교환기에서 지하수와 열교환된다. 한편 냉방 운전시에는 증발기에 증기상의 냉매가 투입되어 고온의 액상의 냉매로 배출된다. 브라인이 공급되어 증발기에서 발생하는 액화열을 흡수한다.
도 4a는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 냉온매 입출구 측면에서 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4a에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다. 냉온매 주입 및 배출을 위한 주입구와 배출구를 증발기 외부에 설치한다.
도 4b는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 입출구 측면에서 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4b에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다. 브라인 주입 및 배출을 위한 주입구와 배출구를 증발기 외부에 설치한다.
도 4c는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4c에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다.
도 5a는 제어판을 중심으로 증발기가 정상 작동하는 히트펌프 냉난방 시스템의 정상 운전 상태를 도시한 것이다.
도 5b는 제어판을 중심으로 증발기의 작동이 일시 중단되고 브라인 순환 및 인라인 히터가 작동되는 히트펌프 냉난방 시스템의 성에 제거 운전 상태를 도시한 것이다.
도 6a는 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에서 제상 운전 모드로의 전환을 위한 제어판의 작동을 나타낸 플로우차트이다. 제상 운전을 위해서는 공기열, 지하수열, 브라인열, 인라인 히터열을 복합적으로 공급함으로써 증발기 외부의 성에를 제상시킨다.
도 6b는 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에서 제상 운전시 제어판의 작동을 나타낸 플로우차트이다.
본 발명은 본 발명은 ⅰ) 냉온매 압축 응축 기화 순환 및 수냉매 열교환기(B) 장치; ⅱ) 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및 ⅳ) 제어판(10);으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서, 증발기 외부의 제상을 위해 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 전체 장치 구성을 나타낸 개략도이다.
도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템은 겨울철에는 하우스에 난방을 위한 난방 장치로 작동하고 여름철에는 하우스의 냉방을 위한 냉방 장치로 작동하는 것이다. 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에서 증발기에 성에가 발생하는 것은 겨울철 히트펌프 냉난방 시스템을 난방용으로 사용할 때이다.
통상 겨울철의 외기 온도는 -10℃ 이하까지 저하될 수 있고 특히 증발기의 주변 온도는 증발기가 기화열을 흡열함에 따라 -30℃ 정도까지 낮게 저하되는 것이다. 따라서 증발기 주변의 성에는 통상 필연적으로 발생한다.
본 발명의 특징은 증발기(D) 주변에 브라인 공급관(C)을 설치하여 브라인 열원을 통해 증발기 내의 액상의 냉온매가 기화에 필요한 기화열을 제공하는 것이다. 이때 브라인 공급관에 공급되는 브라인의 온도는 11∼14℃이며 브라인 공급관에서 배출되는 브라인의 온도는 -3∼5℃ 정도이다.
또한 이때 브라인의 열에너지 제공은 통상 브라인 열교환기(20)에서 지하수와의 열교환을 통해 11∼14℃의 브라인을 순환 공급시킬 수 있는 것이다. 지하수 열교환만으로는 브라인 열에너지 제공이 불충분한 경우에는 인라인 히터(40)를 통해 추가적 열원을 제공한다.
도 2a는 및 도 2b는 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 전체 시스템 구성을 나타낸 개략도이다. 본 발명의 신규한 장치 시스템인 브라인 열교환기(20), 브라인 탱크(30), 브라인 공급관(C)의 구성 및 브라인 순환이 상세히 도시되어 있다. 또한 본 발명의 제상 기능 운전시 브라인에 열 공급할 수 있는 인라인 히터(40)의 구성이 도시되어 있다.
도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템은 ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 고온 고압의 냉온매를 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시킨 후. 액상의 냉온매를 증발기(D)에서 기화시키고 기화열을 공기 및 브라인 공급관(C)으로 공급된 브라인를 통해 제공한 후 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치; ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치; ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 물의 열에너지를 열교환시켜 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및 ⅳ) 증발기의 작동, 브라인 공급 및 회수, 인라인 히터의 작동을 제어하기 위한 제어판(10);으로 구성되어 있다.
또한 이때 제어판(10)은 브라인의 공급 온도, 브라인의 배출 온도, 증발기 외기 온도, 증발기 성에 감지 센서, 증발기 제상 운전시 온도 등을 센서를 통해 측정하며 그 측정된 데이터와 제어판 내의 프로세서의 작동을 통해 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템의 운전을 제어한다.
제어판의 지시에 따라 난방을 위해서는 11∼14℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기에서 요구하는 기화열을 제공한 후 -3∼5℃의 브라인으로 배출한 후 브라인 열교환기(20)에서 지하수와의 열교환을 통해 8∼14℃의 브라인을 순환 공급시키는 것이다.
한편 제어판의 지시에 따라 증발기 외부의 제상을 위해서 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킨다.
따라서 상기 히트펌프 냉난방 시스템의 난방 정상 운전과 성에 제거 운전은 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에서 측정된 데이터를 제어판(10)에서 운전 조건을 제어함으로써 결정됨을 특징으로 하는 것이다.
한편 본 발명의 브라인으로 사용하는 물질은 물보다 낮은 -30∼-15℃의 빙점을 지니고 독성이 없는 용액상 물질이다. 가장 바람직하게는 브라인은 물과 무수에탄올(1:1) 혼합 용액이며 필요에 따라서는 물에 염화칼슘을 용해시킨 용액도 사용 가능하다.
브라인 열교환기(20)를 통해 지하수 관정(60)으로부터 채취된 13∼15℃의 지하수와 열교환을 통해 브라인에 열을 공급한다. 통상 겨울철 정상 난방 운전시 브라인의 온도는 8∼14℃ 정도이다.
도 2b는 본 발명의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템의 냉방 운전시 전체 시스템 구성을 나타낸 개략도이다. 냉방 운전시에는 난방 운전시와는 반대 방향으로 냉매를 순환시켜 본 발명의 시스템을 운용한다.
냉방 운전시에는 지하수 열교환기(50)가 11∼14℃의 지하수를 부하에 제공되는 20℃의 냉각수와 열교환하여 부하에 냉각을 보완하는 역할을 한다.
도 3a는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관(C)과 증발기(D)의 구성을 3차원적으로 도시한 개략도이다. 난방 운전시에는 증발기에 액상의 온매가 투입되어 기회된 후 저온의 증기상의 온매로 배출된다. 이때 기화열을 공급하기 위해 11∼14℃의 브라인이 공급되어 증발기에 기화열을 공급한 후 -3∼5℃의 저온의 브라인으로 배출된다. 저온의 브라인은 브라인 열교환기에서 지하수와 열교환된다. 한편 냉방 운전시에는 증발기에 증기상의 냉매가 투입되어 고온의 액상의 냉매로 배출된다. 브라인이 공급되어 증발기에서 발생하는 액화열을 흡수한다.
도 3b는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관(C)과 증발기(D)의 구성을 평면적으로 도시한 개략도이다. 난방 운전시에는 증발기에 액상의 온매가 투입되어 기회된 후 저온의 증기상의 온매로 배출된다. 이때 기화열을 공급하기 위해 11∼14℃의 브라인이 공급되어 증발기에 기화열을 공급한 후 -3∼5℃의 저온의 브라인으로 배출된다. 저온의 브라인은 브라인 열교환기에서 지하수와 열교환된다. 한편 냉방 운전시에는 증발기에 증기상의 냉매가 투입되어 고온의 액상의 냉매로 배출된다. 브라인이 공급되어 증발기에서 발생하는 액화열을 흡수한다.
난방 운전시에는 증발기에 액상의 냉온매가 투입되어 기회된 후 저온의 증기상의 냉온매로 배출된다. 이때 기화열을 공급하기 위해 11∼14℃의 브라인이 공급되어 증발기에 기화열을 공급한 후 -3∼5℃의 저온의 브라인으로 배출된다. 저온의 브라인은 브라인 열교환기(20)에서 지하수와 열교환된다.
또한 상기 브라인 공급관과 증발기 배관은 비등간격 코일 배열의 형태로 브라인관과 냉온매관을 서로 혼재시켜 배열시키고 그 외부에 등간격으로 핀을 설치시켜 열교환 함으로써, 난방 운전시에는 증발기 내의 액상 온매 기화열을 11∼14℃의 브라인 열을 통해 공급하고 냉방 운전시에는 증발기 내의 냉매 액화열을 8∼14℃의 브라인을 통해 흡수함을 특징으로 한다.
도 4a는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 냉온매 입출구 측면에서 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4a에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다. 냉온매 주입 및 배출을 위한 주입구와 배출구를 증발기 외부에 설치한다.
도 4b는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 입출구 측면에서 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4b에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다. 브라인 주입 및 배출을 위한 주입구와 배출구를 증발기 외부에 설치한다.
도 4c는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 내의 브라인 공급관과 증발기 배관의 구성을 예시한 상세도이다. 도 4c에서 붉은색은 냉온매 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이며 푸른색은 브라인 주입 및 배출을 위한 배관을 나타낸 것이다.
한편 증발기 외부의 제상을 위해서 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킨다.
도 5a는 제어판을 중심으로 증발기가 정상 작동하는 히트펌프 냉난방 시스템의 정상 운전 상태를 도시한 것이다.
도 5a에 나타난 바와 같이 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에 의해 측정된 데이터를 제어판에서 처리한 후, 제어판의 지시에 따라 난방을 위해서는 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기에서 요구하는 기화열을 제공한 후 배출한 후 브라인 열교환기(20)에서 지하수와의 열교환을 통해 순환 공급시키는 것이다.
도 5b는 제어판을 중심으로 증발기의 작동이 일시 중단되고 브라인 순환 및 인라인 히터가 작동되는 히트펌프 냉난방 시스템의 성에 제거 운전 상태를 도시한 것이다.
도 5b에 나타난 바와 같이 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에 의해 측정된 데이터를 제어판에서 처리한 후, 제어판의 지시에 따라 증발기 외부의 제상을 위해서 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킨다.
이때 상기 히트펌프 냉난방 시스템의 난방 정상 운전과 성에 제거 운전은 성에 감지 센서에서 감지된 성에 발생 시점을 시작으로 제어판에 입력된 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에서 측정된 데이터를 제어판(10) 내 프로세서에서 처리함으로써 운전 조건을 결정한다.
도 6a는 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에서 제상 운전 모드로의 전환을 위한 제어판의 작동을 나타낸 플로우차트이다. 제상 운전을 위해서는 공기열, 지하수열, 브라인열, 인라인 히터열을 복합적으로 공급함으로써 증발기 외부의 성에를 제상시킨다.
본 발명의 성에 감지 센서를 통해 일정량 이상의 성에가 감지되면 정상 운전 모드에서 제상 운전 모드로 전환하기 위한 제어판의 기능이 작동된다. 제어판의 지시에 따라 브라인의 온도를 증가시키고 브라인 펌프를 가동시켜 브라인 공급관에 15∼20℃로 가온된 브라인을 공급한다. 또한 필요에 따라 인라인 히터의 작동을 가동시키며 압축기의 가동 중단 여부를 결정한다.
도 6b는 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에서 제상 운전시 제어판의 작동을 나타낸 플로우차트이다. .
제상 운전 모드로 전환되면 압축기의 작동을 중단시키고 따라서 증발기 내의 냉온매의 기화 역시 중단된다. 브라인 공급관(C)에 공급된 가온된 브라인을 통해 증발기 외부에 발생한 성에를 제거한다.
10. 제어판 20. 브라인 열교환기
30. 브라인 탱크 40. 인라인 히터
50. 지하수 열교환기 60. 지하수 관정

Claims (5)

  1. ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 고온 고압의 냉온매를 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시킨 후. 액상의 냉온매를 증발기(D)에서 기화시키고 기화열을 공기 및 브라인 공급관(C)으로 공급된 브라인를 통해 제공한 후 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치;
    ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치;
    ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 물의 열에너지를 열교환시켜 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및
    ⅳ) 증발기의 작동, 브라인 공급 및 회수, 인라인 히터의 작동을 제어하기 위한 제어판(10);
    으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서,
    난방을 위해 11∼14℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기에서 요구하는 기화열을 제공한 후 -3∼5℃의 브라인으로 배출한 후 브라인 열교환기(20)에서 지하수와의 열교환을 통해 8∼14℃의 브라인을 순환 공급시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템
  2. ⅰ) 압축기(A)에서 압축된 고온 고압의 냉온매를 수냉매 열교환기(B)에서 열교환 시킨 후. 액상의 냉온매를 증발기(D)에서 기화시키고 기화열을 공기 및 브라인 공급관(C)으로 공급된 브라인를 통해 제공한 후 다시 압축기(A)로 순환시키는 장치;
    ⅱ) 상기 수냉매 열교환기(B)에서 축열 축냉된 물은 그 열에너지를 축열냉 탱크(E)에 저장시키는 장치;
    ⅲ) 축열냉 탱크(E)에서 공급된 물의 열에너지를 열교환시켜 부하에 4방향 팬코일 유니트(F)를 통해 부하시키는 장치; 및
    ⅳ) 증발기의 작동, 브라인 공급 및 회수, 인라인 히터의 작동을 제어하기 위한 제어판(10);
    으로 이루어진 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템에 있어서,
    증발기 외부의 제상을 위해 증발기(D)의 작동을 일시 중지시키고 브라인 열교환기(20)에서 공급된 지하수의 열과 인라인 히터(40)에서 공급된 열을 제공받은 15∼20℃의 브라인을 증발기 주변에 설치된 브라인 공급관(C)에 공급하여 증발기 외부의 성에를 녹여 -3∼5℃의 브라인으로 배출하여 성에를 제거시킴을 특징으로 하는 공기열, 지하수열, 브라인 및 인라인 히터의 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 히트펌프 냉난방 시스템의 난방 정상 운전과 성에 제거 운전은 성에 감지 센서에서 감지된 성에 발생 시점을 시작으로 제어판에 입력된 온도 센서, 압력 센서, 감지 센서에서 측정된 데이터를 제어판(10) 내 프로세서에서 처리함으로써 운전 조건을 결정함을 특징으로 하는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템
  4. 제 1항에 있어서, 상기 브라인 공급관과 증발기 배관은 비등간격 코일 배열의 형태로 브라인관과 냉온매관을 서로 혼재시켜 배열시키고 그 외부에 등간격으로 핀을 설치시켜 열교환 함으로써, 난방 운전시에는 증발기 내의 액상 온매 기화열을 11∼14℃의 브라인 열을 통해 공급하고 냉방 운전시에는 증발기 내의 냉매 액화열을 8∼14℃의 브라인을 통해 흡수함을 특징으로 하는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 브라인의 빙점은 -30∼-15℃이며 브라인은 물과 무수에탄올(1:1) 혼합 용액임을 특징으로 하는 복합 열원을 이용한 히트펌프 냉난방 시스템
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