KR101524190B1 - 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프와 보일러로 이루어지는 하이브리드 시스템에 구비되는 온수탱크의 온수를 증발 열교환기로 순환시켜 증발 열교환기에 발생하는 성에를 제거하도록 하는 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 관한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명은 보조 보일러와, 상기 보조 보일러에서 생성된 온수를 저장하는 온수탱크, 히트펌프, 그리고 상기 히트펌프의 증발 열교환기에서 발생되는 열과 열교환에 의해 생성되는 온수를 상기 온수탱크에 저장하는 응축 열교환기를 구비하고 있는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 있어서, 상기 증발 열교환기에 인접되게 설치되는 제상코일, 상기 온수탱크 내부에 설치되는 제상용 온수열교환 코일, 상기 제상코일과 제상용 온수열교환 코일의 일측단들을 각각 연결하여 제상수를 순환시키는 제상수 순환배관, 상기 제상수 순환배관의 중간에 설치되어 제상수 순환배관내의 제상수를 순환시키는 제상수 순환펌프, 상기 제상수 순환배관을 흐르는 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 증발 열교환기의 입출구단에 설치되는 온도센서, 상기 온도센서의 감지온도를 사전에 설정된 기준온도와 비교하여 제상수 순환펌프와 유량조절밸브의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치{DEVICE FOR DEFROSTING IN BOILER SYSTEM USEING HOT WATER IN THERMAL STORAGE TANK}

본 발명은 히트펌프와 보일러로 이루어지는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 시스템에 구비되는 온수탱크의 온수를 증발 열교환기로 순환시켜 증발 열교환기에 발생하는 성에를 제거하도록 하는 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 관한 것이다.

일반 가정 및 사무실 등에는 계절의 변화에 따른 실내 냉,난방을 수행하기 위해 냉, 난방장치가 설치된다.

냉방수단으로는 실내의 공기를 냉각하는 에어컨 등이 이용되고, 난방수단으로는 실내의 공기를 가열하는 보일러 등이 이용된다.

에어컨은 압축기로 압력을 크게 변화시켜 기체 상태였던 냉각제를 액체로 응축한 후 압력을 낮춰서 증발 열교환기 안에서 액체 상태의 냉각제가 다시 증기로 기화할 때 열을 빼앗아 주위의 온도를 낮추는 냉각사이클을 이용하여 냉방을 하게 되는데, 이때 전기에너지를 이용하게 된다.

그리고 보일러는 버너로 연료를 연소시켜서 물을 가열하고 가열된 물과 주변 공기의 열교환을 통해 냉방을 하게 되는데, 이때 주로 석유, 석탄, 가스 등의 화석연료를 이용하게 된다.

이와 같은 보일러는 사용이 편리하고 순간적으로 고온의 난방을 제공할 수 있으나 화석연료를 이용함에 따라 온실가스를 발생하게 되고 에너지 효율이 비교적 낮다.

그리하여 최근에는 고효율의 히트펌프를 개발하여 사용하고 있는데, 히트펌프는 증발 열교환기에서 저온 냉매가 외부로부터 열을 흡수하여 증발하고, 다음엔 압축기에서 냉매가 압축되어서 고온 고압상태가 되며, 응축기에서는 열을 방출하고 냉매가 액화되는 사이클을 반복하면서 냉매의 지속된 순환과정을 통해 공기로부터 열을 흡수하여 고온의 물을 만들도록 이루어져 있다.

이와 같이 히트펌프를 구비하고 있는 하이브리드 시스템에서 증발 열교환기는 고압으로 압축되었던 냉매를 기체로 바꾸는 과정에서 주위의 열을 빼앗기 때문에 증발 열교환기 주변에 성에가 끼게 되는데, 성에가 끼면 열전도가 잘 이루어지지 않아 열효율이 급격히 저하되므로 주기적으로 제상기능을 반복 운전하여야 함에 따라 에너지 효율 및 능력이 저하되어 안정적인 난방 사용이 어려운 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2011-0108017호(2011년10월05일 공개)

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 평소 보일러나 히트펌프를 운전하는 과정에서 온수탱크에 축열한 열을 증발 열교환기로 순환시켜 증발 열교환기에 발생되는 성에를 제거하도록 하되, 특히 증발 열교환기의 입출구단의 온도에 따라 순환되는 유량을 제어함으로써 히트펌프의 열교환 능력을 최적으로 향상시키고 안정적으로 운전할 수 있도록 된 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치는, 연료를 연소시킬 때 발생되는 연소열로 온수를 생성하는 보일러와, 상기 보일러에서 생성된 온수를 저장하는 온수탱크 및 압축기와 응축기, 팽창변, 증발 열교환기, 4방향 밸브로 이루어지는 히트펌프, 및 상기 증발 열교환기에서 발생되는 열과 열교환에 의해 생성되는 온수를 상기 온수탱크에 저장하는 응축 열교환기를 구비하고 있는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 있어서, 상기 증발 열교환기에 인접되게 설치되는 제상코일, 상기 온수탱크 내부에 설치되는 제상용 온수열교환 코일, 상기 제상코일과 제상용 온수열교환 코일의 일측단들을 각각 연결하여 제상수를 순환시키는 제상수 순환배관, 상기 제상수 순환배관의 중간에 설치되어 제상수 순환배관내의 제상수를 순환시키는 제상수 순환펌프, 상기 제상수 순환배관을 흐르는 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 증발 열교환기의 입출구단에 설치되는 온도센서, 상기 온도센서의 감지온도를 사전에 설정된 기준온도와 비교하여 제상수 순환펌프와 유량조절밸브의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어져 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치는, 연료를 연소시킬 때 발생되는 연소열로 온수를 생성하는 보일러와, 상기 보일러에서 생성된 온수를 저장하는 온수탱크 및 압축기와 응축기, 팽창변, 증발 열교환기, 4방향 밸브로 이루어지는 히트펌프, 및 상기 증발 열교환기에서 발생되는 열과 열교환에 의해 생성되는 온수를 상기 온수탱크에 저장하는 응축 열교환기를 구비하고 있는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 있어서, 상기 증발 열교환기에 인접되게 설치되는 제상코일, 상기 온수탱크의 상부 일측에 설치되는 제상수 출수관, 상기 온수탱크의 하부 일측에 설치되는 제상수 환수관, 상기 제상코일을 제상수 출수관과 제상수 환수관에 각각 연결하여 제상수를 순환시키는 제상수 순환배관, 상기 제상수 순환배관의 중간에 설치되어 제상수 순환배관내의 제상수를 순환시키는 제상수 순환펌프, 상기 제상수 순환배관을 흐르는 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 증발 열교환기의 입출구단에 설치되는 온도센서, 상기 온도센서의 감지온도를 사전에 설정된 기준온도와 비교하여 제상수 순환펌프와 유량조절밸브의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어져 있다.

상기한 본 발명의 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치는 보일러 및 히트펌프의 작동으로 온수탱크에 저장되어 있던 온수의 열을 이용하여 증발 열교환기에 생기는 성에를 제거하도록 함으로써, 성에 제거시 히트펌프의 작동에 영향을 미치기 않게 되어 하이브리드 보일러시스템의 운전효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 온수탱크를 이용한 제상장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치의 구성도.

이하 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치의 구성도를 나타내고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치의 구성도를 나타낸다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 히트펌프(10)는 압축기(11)와 응축기(12), 팽창변(13) 및 증발 열교환기(14)를 배관(17)으로 연결해서 그 내부에 냉매를 충진하여 이루어져 있고, 히트펌프(10)를 냉방모드 또는 난방모드로 운전하기 위하여 압축기(11)에서 이송되는 냉매의 흐름을 역방향으로 전환하는 4방향밸브(15)를 구비하고 있으며, 응축된 액상냉매를 저장하거나, 기상 냉매를 액상이 될 때가지 유지하거나, 냉매 중에 포함된 수분을 제거하거나, 냉매의 흐름을 조절하는 역할을 하는 리시버탱크(16)를 구비하고 있다.

상기 응축기(12)는 열교환코일(21)과 결합하여 응축 열교환기(20)를 구성하게 되며, 상기 열교환코일(21)의 양단은 연결배관(31)(32)을 통해 각각 온수탱크(30)에 연결된다.

한편, 상기 온수탱크(30)의 일측에는 보조보일러(40)가 구비되며, 상기 보조보일러(40)의 내부에서 버너의 연소열과 열교환하는 열교환기(도시되지 않음)의 양단은 연결배관(41)(42)을 통해 상기 온수탱크(30)와 연결되어 상기 보조보일러(40)의 열교환기와 열교환하여 승온되는 온수를 온수탱크(30)에 저장할 수 있도록 되어 있다. 상기 보조보일러(40)는 온수탱크(30)에 저장되어 있는 온수의 온도가 낮아 증발 열교환기(14)의 제상에 충분히 사용할 수 없는 경우 작동되도록 하여 온수탱크(30)에 저장되어 있는 온수를 승온하는 역할을 한다.

아울러, 상기 증발 열교환기(14)와 연결되는 배관(17)에서 증발 열교환기(14)와 인접된 부위에는 증발 열교환기(14)의 입출구의 온도를 감지하기 위한 온도센서(T1)(T2)가 각각 설치되며, 상기 증발 열교환기(14)의 인접 위치에는 증발 열교환기(14)에 생기는 성에를 제거하기 위한 제상코일(51)과 송풍팬(60)이 각각 설치된다. 여기서 증발 열교환기(14)와 제상코일(51)은 제상효율 및 조립성을 위하여 단일 유니트로 구성됨이 바람직하다.

상기 제상코일(51)의 양단에는 각각 제상수 순환배관(52)(53)이 연결되어 온수탱크(30)에 연결되어 있다.

온수탱크(30)와 연결되는 제상수 순환배관(52)(53)의 끝단은 도 2에 도시된 바와 같이 온수탱크(30)내에 설치되어 있는 제상용 온수열교환 코일(33)과 연결되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 온수탱크(30)의 몸체에 설치되는 제상용 온수출구(34)와 제상용 온수환수구(35)에 각각 연결되어 있다.

또한, 제상수 순환배관(52)(53)의 중간에는 제상수 순환펌프(55)가 설치되어 온수탱크(30)에 저장되어 있는 온수와 열교환에 의해 승온되는 제상수를 제상수 순환배관(52)(53)을 통해 증발 열교환기(14)로 순환시킬 수 있도록 이루어져 있으며, 상기 제상수 순환배관(52)의 중간에는 제상수 순환배관(52)을 흐르는 제상수의 유량을 조절하여 증발 열교환기(14)의 냉각온도에 따라 최적량의 제상수를 공급할 수 있도록 하는 유량조절밸브(56)가 설치되어 있다.

이와 더불어 온수탱크(30)와 보일러(40)에는 난방배관(70)이 연결될 수 있고, 직수관(80) 및 수도꼭지(90) 등 기타 배관이 연결될 수 있으며, 이러한 연결은 주지의 기술로써, 본 발명에서는 히트펌프(10)의 구동시 증발 열교환기(14)에서 생기는 생기는 성에를 제거하는 동작에 대하여만 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 보일러시스템의 전반적인 동작을 제어하는 콘트롤러(도시되지 않음)에서는 히트펌프(10)의 동작을 제어하는 과정에서 증발 열교환기(14)의 입출구에 설치되어 있는 온도센서(T1)(T2)에서 감지되는 온도값을 수신하여 사전에 설정되어 저장되어 있던 기준값과 비교한다. 여기서 기준값이란 증발 열교환기(14)에 성에가 끼기 시작할 것으로 예측되는 온도로써, 연구 및 실험에 의하여 결정되는 값을 말한다.

상기 비교결과 증발 열교환기(14)에서 성에가 끼기 시작하는 시점으로 판단되면, 콘트롤러는 제상수 순환펌프(55)를 작동시켜 온수탱크(30)에서 공급되는 제상수가 제상수 순환배관(52)을 통해 제상코일(51)로 흐르고 이어 제상수 순환배관(52)을 통해 온수탱크(30)로 환수될 수 있도록 한다.

이때 콘트롤러는 송풍팬(60)도 함께 작동시켜 제상코일(51)에서 발생되는 열을 증발 열교환기(14)로 송풍함으로써 제상효율을 높일 수 있도록 한다.

특히, 콘트롤러는 온도센서(T1)(T2)에서 감지되는 온도값을 기준값과 비교할 때 그 차이에 따라 유량조절밸브(56)의 개도량을 제어하여 제상에 필요한 최적의 온수량으로써 증발 열교환기(14)의 성에를 제거하도록 함으로써 과도한 온수사용을 방지할 수 있다.

이뿐만 아니라, 콘트롤러는 위와 같은 제상모드를 수행하기 이전에 온수탱크(30)의 온수온도를 판단하여 제상에 충분한 온도를 유지하고 있는지 여부를 판단하고, 제상모드를 수행하기에 충분한 온도를 유지하고 있다고 판단되면 제상수 순환펌프(55) 등을 작동시켜 제상모드를 수행하지만, 제상모드를 수행하기에는 낮은 온도를 유지하고 있다고 판단되면 보조 보일러(40)를 작동시켜 온수탱크(30)의 온수온도를 승온시키다가, 제상모드를 수행하기에 충분한 온도로 승온된 것으로 판단되면 제상수 순환펌프(55) 등을 작동시켜 제상모드를 수행한다.

상기와 같이 본 발명은 히트펌프(10)의 운전과정에서 증발 열교환기(14)에 성에가 끼게 되는 경우 히트펌프(10)의 냉매흐름을 역으로 이동시켜 증발 열교환기(14)에서의 응축과정으로 제상을 하지 않고, 평소에 온수탱크(30)에 축열되어 있는 열을 이용하여 제상을 함으로써 히트펌프의 성능저하를 방지할 뿐만 아니라 열효율도 상승되고, 특히 온수탱크의 온수를 제상수로 사용하는 제상모드를 수행할 때 증발 열교환기의 입출구의 온도를 감지하여 제상수의 유량을 제어함으로써 최적의 제상성능과 온수온도 유지기능을 수행할 수 있다.

10 -- 히트펌프, 11 -- 압축기,
12 -- 응축기, 13 -- 팽창변,
14 -- 증발 열교환기, 15 -- 4방향밸브,
16 -- 리시버탱크, 20 -- 응축 열교환기,
21 -- 열교환코일, 30 -- 온수탱크,
33 -- 제상용 온수열교환 코일, 34 -- 제상용 온수출구,
35 -- 제상용 온수환수구, 40 -- 보조보일러,
51 -- 제상코일, 55 -- 제상수 순환펌프,
56 -- 유량조절밸브, 60 -- 송풍팬,
70 -- 난방배관, T1, T2 -- 온도센서.

Claims (2)

1. 연료를 연소시킬 때 발생되는 연소열로 온수를 생성하는 보일러와, 상기 보일러에서 생성된 온수를 저장하는 온수탱크 및 압축기와 응축기, 팽창변, 증발 열교환기, 4방향 밸브로 이루어지는 히트펌프, 그리고 상기 증발 열교환기에서 발생되는 열과 열교환에 의해 생성되는 온수를 상기 온수탱크에 저장하는 응축 열교환기를 구비하고 있는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 있어서, 상기 증발 열교환기에 인접되게 설치되는 제상코일, 상기 온수탱크 내부에 설치되는 제상용 온수열교환 코일, 상기 제상코일과 제상용 온수열교환 코일의 일측단들을 각각 연결하여 제상수를 순환시키는 제상수 순환배관, 상기 제상수 순환배관의 중간에 설치되어 제상수 순환배관내의 제상수를 순환시키는 제상수 순환펌프, 상기 제상수 순환배관을 흐르는 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 증발 열교환기의 입출구단에 설치되는 온도센서, 상기 온도센서의 감지온도를 사전에 설정된 기준온도와 비교하여 제상수 순환펌프와 유량조절밸브의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어지되,
   상기 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발 열교환기를 배관으로 연결해서 그 내부에 냉매를 충진하여 이루어져 있고,
   상기 4방향 밸브는 상기 히트펌프를 냉방모드 또는 난방모드로 운전하기 위하여 상기 압축기에서 이송되는 냉매의 흐름을 역방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치.
   
2. 연료를 연소시킬 때 발생되는 연소열로 온수를 생성하는 보일러와, 상기 보일러에서 생성된 온수를 저장하는 온수탱크 및 압축기와 응축기, 팽창변, 증발 열교환기, 4방향 밸브로 이루어지는 히트펌프, 그리고 상기 증발 열교환기에서 발생되는 열과 열교환에 의해 생성되는 온수를 상기 온수탱크에 저장하는 응축 열교환기를 구비하고 있는 하이브리드 보일러시스템의 제상장치에 있어서, 상기 증발 열교환기에 인접되게 설치되는 제상코일, 상기 온수탱크의 상부 일측에 설치되는 제상수 출수관, 상기 온수탱크의 하부 일측에 설치되는 제상수 환수관, 상기 제상코일을 제상수 출수관과 제상수 환수관에 각각 연결하여 제상수를 순환시키는 제상수 순환배관, 상기 제상수 순환배관의 중간에 설치되어 제상수 순환배관내의 제상수를 순환시키는 제상수 순환펌프, 상기 제상수 순환배관을 흐르는 유량을 조절하는 유량조절밸브, 상기 증발 열교환기의 입출구단에 설치되는 온도센서, 상기 온도센서의 감지온도를 사전에 설정된 기준온도와 비교하여 제상수 순환펌프와 유량조절밸브의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하여 이루어지되,
   상기 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발 열교환기를 배관으로 연결해서 그 내부에 냉매를 충진하여 이루어져 있고,
   상기 4방향 밸브는 상기 히트펌프를 냉방모드 또는 난방모드로 운전하기 위하여 상기 압축기에서 이송되는 냉매의 흐름을 역방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는 온수탱크의 온수를 이용한 하이브리드 보일러시스템의 제상장치.

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