KR101497210B1

KR101497210B1 - 하이브리드 냉난방시스템 및 장치

Info

Publication number: KR101497210B1
Application number: KR20130057896A
Authority: KR
Inventors: 이범근
Original assignee: 이범근
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-02-27
Also published as: KR20140137230A

Abstract

본 발명은 공냉식히트펌프 및 지열히트펌프를 병용하여 냉난방을 할 수 있는 하이브리드 냉난방시스템 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 지열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행하는 지열히트펌프;공기열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행할 수 있는 공냉식히트펌프; 그리고 상기 냉난방대상공간으로부터 유입되는 유체의 온도를 감지하는 온도센서가 구비되어 상기 온도센서에 의해 감지되는 온도에 따라 상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 지열히트펌프 및 공냉식히트펌프는 상기 냉난방대상공간의 냉난방부하에 따라 동시에 가동될 수 있는 것을 특징으로 한다.
지중열원 상승 등의 문제가 발생할 경우 및 초기 가동부하가 적을 경우에는 공냉식히트펌프만을 운전시킴으로써, 냉난방이 안정적으로 이루어지는 기술적 효과가 있다.

Description

하이브리드 냉난방시스템 및 장치 {HYBRID COOLING AND HEATING SYSTEM AND THE APPRATUS HAVING IT}

본 발명은 공냉식히트펌프 및 지열히트펌프를 병용하여 냉난방을 할 수 있는 하이브리드 냉난방시스템 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프(HEAT PUMP)는 냉매가 증발기내에서 증발하고, 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되며, 다시 응축기에 의해 주위에 열을 방출하여 액화하는 냉동 사이클로서, 방출된 열을 난방이나 가열에 이용하는 경우의 냉동기를 말한다.

열을 저온부에서 고온부로 빨아올린다는 의미에서 열펌프(HEAT PUMP)라고 하며. 열원은 공기, 우물물, 태양열, 지열 등이 이용된다.

이러한 히트펌프는 실내의 냉난방을 위해 사용되어 실내환경을 쾌적하게 유지하기도 한다.

[도 1]은 종래의 냉난방시스템을 나타낸 개략도로서, 이러한 일반적인 공기조화기의 냉방사이클을 살펴보면, 기체냉매는 압축기(1)에서 압축되어 고온고압의 상태로 배관을 따라 응축기(3)로 이송된다. 그리고 응축기(3)에서는 이러한 고온고압의 기체냉매를 저온고압의 액체냉매로 응축시키는데, 기체냉매를 액체냉매로 응축시키기 위해서 공기를 이용하는 공랭식, 물을 이용하는 수냉식, 그리고 지열을 이용하는 지열식 등의 히트펌프 냉난방기가 있다.

액체상태로 전환된 냉매는 팽창밸브(4) 통과 후, 급격하게 저압상태로 변하면서 증발기(5)로부터 열을 빼앗아 기체상태로 증발한다.

이에 따라 증발기(5) 주변의 공기는 저온상태가 되고 저온상태의 공기를 송풍기 등을 이용하여 실내로 공급시키는 것이 냉방사이클이다.

그리고, 이러한 냉방사이클을 역으로 순환시키면 바로 난방사이클이 된다.

그런데 기존에는 공기, 물 또는 지열 등과 같이 하나의 열원에 의한 냉난방시스템을 적용하여, 공냉식의 경우에는 과다한 전기요금이 발생하였고, 지열을 이용한 경우에는 천공부지 면적이 방대하여 초기 설치비용이 높으며, 지중열원의 상승으로 인해 지열냉난방시스템의 불안정 현상이 발생하였다.

등록번호 10-0436606 (등록일자: 2004년 06월 09일)

본 발명에 따른 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 공냉식히트펌프와 지열히트펌프를 병용하여 초기 설치비용 및 전기요금을 절약할 수 있는 냉난방시스템 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

그리고 지중열원 상승으로 인한 지열히트펌프 시스템의 불안정 요인을 해소할 수 있는 냉난방시스템 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 냉난방부하용량이 낮거나 높은 모든 경우에도 효율적으로 대응할 수 있는 냉난방시스템 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 지열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행하는 지열히트펌프;공기열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행할 수 있는 공냉식히트펌프; 그리고 상기 냉난방대상공간으로부터 유입되는 유체의 온도를 감지하는 온도센서가 구비되어 상기 온도센서에 의해 감지되는 온도에 따라 상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프의 운전을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 지열히트펌프 및 공냉식히트펌프는 상기 냉난방대상공간의 냉난방부하에 따라 동시에 가동될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 냉난방시스템의 초기 가동 시에는 상기 공냉식히트펌프를 우선적으로 가동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 냉난방시템 초기 가동 시 상기 공냉식히트펌프를 우선적으로 가동시키고, 상기 온도센서가 일정온도를 감지하면 상기 공냉식히트펌프를 정지시키고 상기 지열히트펌프를 가동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 지열히트펌프 단독 운전 중, 상기 온도센서가 일정온도를 감지하면 상기 공냉식히트펌프를 재가동시켜서 상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프가 동시에 가동 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프로부터 발생되는 냉난방열량을 저장할 수 있는 버퍼탱크를 더 포함한다.

본 발명에 따른 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 지열을 이용하여 환경친화적이며, 운전비용이 절감되는 경제적 효과가 있다.

그리고, 공냉식히트펌프를 지열과 병용하여 방대한 천공부지 면적을 감소시켜 초기 설치비용을 절감할 수 있는 경제적 효과가 있다.

또한, 지중열원 상승 등의 문제가 발생할 경우 및 초기 가동부하가 적을 경우에는 공냉식히트펌프만을 운전시킴으로써, 냉난방이 안정적으로 이루어지는 기술적 효과가 있다.

[도 1]은 종래의 냉난방시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
[도 2]는 본 발명인 하이브리드 냉난방시스템 및 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명인 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 [도 2]에서와 같이 공기열과 지열을 모두 이용하여 냉난방시스템을 제어하는 것이다.

냉매의 순환계통도를 살펴보면, 본 발명인 하이브리드 냉난방장치 및 시스템은 지열히트펌프(100), 공냉식히트펌프(200), 제어부(300), 그리고 버퍼탱크(500)로 이루어진다. 그러나 버퍼탱크(500)는 팬코일유닛 등을 통해 실내공간에 냉난방수를 직접적으로 공급할 경우에는 생략할 수 있다.

먼저 지열히트펌프(100)는 일반적인 지열을 이용한 히트펌프로써, 냉매가스를 고온고압으로 압축시키는 지열압축기(110), 난방시에는 증발기로 전환되고 냉방시에는 응축기로 전화되도록 마련되는 지열교환기(120), 난방시에는 응축기로 전환되고 냉방시에는 증발기로 전환되는 냉난방지열교환기(140), 지열교환기(120) 및 냉난방지열교환기(140)의 중간에 위치하고 고압상태를 저압상태로 변환하는 지열팽창밸브(130)를 포함한다.

그리고 지열히트펌프(100)는 지열교환기(120)와 열교환을 하기 위해 지열원에 의한 지열수를 공급하는 지열수공급장치(400)를 더 포함한다. 이러한 지열수는 지열수배관(L3)을 통해 지열교환기(120)로 공급된다.

지열수의 온도는 15℃ 내외로, 계절이나 밤낮에 따라 온도의 변화기 미미하여 지열교환기(120)에 안정적인 열원을 공급할 수 있다.

공냉식히트펌프(200)는 공기열을 이용한 히트펌프로써, 냉매가스를 압축시키는 공기열압축기(210), 실내 난방시에는 증발기로 전환되고 실내 냉방시에는 응축기로 전환되도록 마련되는 공기열교환기(220), 난방시에는 응축기로 전환되고 냉방 시에는 증발기로 전환되는 냉난방공기열교환기(240), 그리고 공기열교환기(220) 및 냉난방공기열교환기(240) 사이에 위치하여 고압상태를 저압상태로 변환하는 공기열팽창밸브(230)를 포함한다.

그리고 제어부(300)는 지열히트펌프(100) 및 공냉식히트펌프(200)의 운전을 제어하는 기능을 갖는 것으로, 센서로부터 수신된 정보에 따라 지열히트펌프(100) 및 공냉식히트펌프(200)를 제어한다.

구체적으로, 초기 운전시에는 공냉식히트펌프(200)를 먼저 가동시키고, 일정온도가 되면 공냉식히트펌프(200)는 운전을 멈추고 지열히트펌프(100)만 가동하게 된다. 그리고 실내 냉난방부하가 급증하게 되는 경우에는 지열히트펌프(100)와 공냉식히트펌프(200)를 동시에 가동하도록 한다.

본 발명인 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 버퍼탱크(500)를 별도로 포함할 수 있다. 버퍼탱크(500)는 일종의 축열탱크로써, 히트펌프에서 생산된 온수 및 냉수를 실내공간으로 바로 공급하지 않고, 버퍼탱크(500)에 저장하여 필요시에 실내공간으로 공급하는 장치이다.

히트펌프는 단속적으로 운전과 정지를 반복하면 전기사용효율이 떨어지고 안정성에도 문제가 생길 수 있다. 따라서 실내공간의 온도변화에 따라 히트펌프를 가동시키는 것보다 버퍼탱크(500)의 온도변화에 따라 운전함으로써 효율성과 안정성을 향상시킬 수 있다.

이러한 버퍼탱크(500)에는 출구배관(L) 및 입구배관(L')이 연결된다.

출구배관(L)은 실내공간으로부터 회수된 냉난방수를 지열히트펌프(100) 및 공냉식히트펌프(200)로 공급하고, 냉난방수는 열교환 후에 지열배관(L1) 및 공기열배관(L2)으로 통해 입구배관(L')으로 이동하면서 버퍼탱크(500)로 유입된다.

본 발명인 냉난방시스템 중 먼저 냉방시스템을 살펴보면, 초기 가동시, 제어부(300)는 공냉식히트펌프(200)의 공기열압축기(210)를 가동시킨다.

공기열압축기(210)로써는 용량제어가 용이한 인버터 압축기를 사용하는 것이 바람직하나, 다수개의 압축기를 적용하여 스텝(STEP)제어를 할 수도 있다. 이러한 공기열압축기(210)의 용량제어를 위해 공기열배관(L2)으로부터 들어오는 냉난방수의 수온을 감지하는 공기열감지센서(S2)를 장착할 수 있다.

따라서 제어부(300)는 냉난방공기열교환기(240)로 유입되는 냉난방수의 수온에 따라서 공기열압축기(210)의 용량을 제어하여 필요한 냉난방부하에 따라 운전을 제어할 수 있다.

공기열압축기(210)에 의해서 압축된 공기는 배관을 따라 공기열교환기(220)로 이동하고, 공기열교환기(220)는 외부 공기와의 열교환을 통해서 냉매를 응축시킨다.

응축된 냉매는 배관을 통해 다시 공기열팽창밸브(230)로 이동하여 감압된다. 감압된 냉매는 냉난방공기열교환기(240)로 이동하여 공기 중으로 증발하면서 버퍼탱크(500)로부터 유입된 공기열배관(L2)과 열교환을 한다.

이에 따라 차가워진 냉난방수는 공기열배관(L2)을 통해 배출된 후에 입구배관(L')과 합쳐져서 버퍼탱크(500)로 들어가게 된다.

이때 버퍼탱크(500)의 출구온도센서(S1)가 감지하는 온도가 10℃ 이하로 떨어지면, 제어부(300)는 지열히트펌프(100)를 가동시키고 공랭식히트펌프(200)의 운전을 중지시킨다.

초기 운전 시 공냉식히트펌프(200)만을 작동 시키는 것은 공냉식히트펌프(200)의 경우 용량조절이 용이하며 저부하 운전 시의 효율이 높기 때문이다.

지열히트펌프(100)의 지열압축기(110)가 가동되면, 냉매가 압축되어 지열교환기(120)에 의해 응축되며, 지열팽창밸브(130)를 거쳐 감압된 냉매는 냉난방지열교환기(140)로 이동하여 공기 중으로 증발하면서 버퍼탱크(500)로부터 유입된 지열배관(L1)의 냉난방수와 열교환을 한다.

이에 따라 냉난방수의 온도는 내려가고 지열배관(L1)을 통해 배출된 후에 입구배관(L')과 합쳐져서 버퍼탱크(500)로 들어가게 된다.

이러한 지열히트펌프(100)의 단독 운전 중에 출구온도센서(S1)의 감지 온도가 10℃ 이상으로 올라면, 다시 공냉식히트펌프(200)를 작동시킨다.

따라서 공랭식히트펌프(200) 및 지열히트펌프(100)를 동시에 가동함으로써, 냉방용량이 과부하 될 때에도 원활하게 대응할 수 있다.

이하에서는 난방시스템에 대해 설명하기로 한다.

난방시스템은 전술된 냉방시스템의 역사이클로써, 우선적으로 제어부(300)는 공기열압축기(210)를 가동시킨다.

고온고압의 냉매는 4방밸브(미도시)에 의해 냉난방공기열교환기(240)로 보내어 지며, 고온의 냉매는 공기열배관(L2)의 냉난방수와 열교환을 하여 냉난방수의 수온을 상승시킨다.

수온이 상승된 냉난방수는 공기열배관(L2) 및 입구배관(L')을 통해 버퍼탱크(500)로 공급된다.

그리고, 냉난방공기열교환기(240)에서 응축된 냉매는 공기열팽창밸브(230)로 이동하여 공기열교환기(220)와 열교환 후에 공기열압축기(210)로 회수되며 다시 난방사이클이 반복된다.

공냉식히트펌프(200)에 의해 출구온도센서(S1)가 감지하는 온도가 30℃ 이상으로 올라가면, 제어부(300)는 지열히트펌프(100)를 가동시키고 공랭식히트펌프(200)의 운전을 중지시킨다.

지열히트펌프(100)는 공냉식히트펌프(200)의 난방사이클과 동일하게 지열압축기(110), 지열교환기(120), 지열팽창밸브(130), 그리고 냉난방지열교환기(140)의 를 거친다. 그리고 냉난방지열교환기(140)는 지열배관(L1)으로부터 공급된 냉난방수와 열교환을 하고, 수온이 상승된 냉난방수는 지열배관(L1) 및 입구배관(L')을 거쳐 버퍼탱크(500)로 공급된다.

그 후, 난방부하가 증대되어 지열히트펌프(100)의 단독 운전 중에 출구온도센서(S1)의 감지 온도가 30℃ 이하로 떨어지면 다시 공랭식히트펌프(200)를 작동시킨다.

따라서 공랭식히트펌프(200) 및 지열히트펌프(100)를 동시에 가동함으로써, 난방용량이 과부하 될 때에도 원활하게 대응할 수 있다.

본 발명인 하이브리드 냉난방시스템 및 장치는 입구온도센서(S1)의 온도 설정치를 10℃ 또는 30℃로 설정하였으나, 이러한 온도 설정은 냉난방대상공간의 상태에 따라 적절하게 변경할 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

100: 지열히트펌프 110: 지열압축기
120: 지열교환기 130: 지열팽창밸브
140: 냉난방지열교환기 200: 공냉식히트펌프
210: 공기열압축기 220: 공기열교환기
230: 공기열팽창밸브 240: 냉난방공기열교환기
300: 제어부 400: 지열수공급장치
500: 버퍼탱크 S1: 출구온도센서
S2: 공기열감지센서 L: 출구배관
L': 입구배관

Claims

지열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행하는 지열히트펌프,
공기열을 이용하여 냉난방대상공간에 냉난방 기능을 수행할 수 있는 공냉식히트펌프, 그리고
상기 냉난방대상공간으로부터 유입되는 유체의 온도를 감지하는 온도센서가 구비되어 상기 온도센서에 의해 감지되는 온도에 따라 상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프의 운전을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 지열히트펌프 및 공냉식히트펌프를 상기 냉난방대상공간의 냉난방부하에 따라 동시에 가동시키되,
냉난방시스템의 초기 가동 시에는 상기 공냉식히트펌프를 우선적으로 가동시키고,
상기 공냉식히트펌프를 우선적으로 가동시킨 이후, 상기 온도센서가 감지한 온도가 사전에 설정된 온도에 도달하면 상기 공냉식히트펌프를 정지시키고 상기 지열히트펌프를 가동시키며,
상기 지열히트펌프 단독 운전 중, 상기 온도센서에서 감지한 온도가 사전에 설정된 온도를 벗어나면 상기 공냉식히트펌프를 재가동시켜 상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프가 동시에 가동되도록 하는 하이브리드 냉난방시스템 및 장치.
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제1항에서,
상기 지열히트펌프 및 상기 공냉식히트펌프로부터 발생되는 냉난방열을 저장할 수 있는 버퍼탱크를 더 포함하는
하이브리드 냉난방시스템 및 장치.