KR101551242B1

KR101551242B1 - 캐스케이드 플로팅 중간온도 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR101551242B1
Application number: KR1020137024730A
Authority: KR
Inventors: 우위 록큰펠러; 폴 사키시안; 카베 칼릴리
Original assignee: 록키 리서치
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-09-08
Also published as: JP5814387B2; CA2826278C; HK1191392A1; MX2013009487A; US9239174B2; TWI573969B; TW201239281A; CN103459944A; CA2826278A1; CN103459944B; EP2676083A1; KR20140043723A; US20120210736A1; MX341550B; JP2014510894A; EP2676083A4; WO2013095688A1

Abstract

캐스케이드 히트펌프 시스템은 주어진 열부하에 대한 높은 시스템 성능 계수(high system coefficient of performance)로의 작동을 허용하는 가변-속도 압축기들로 구성된다. 전기 제어 모듈은 최대 에너지 효율을 달성하기 위해 압축기들의 속도를 동적으로 변화시키도록 활용될 수 있다. 가변-속도 팬들 또는 블로어들이 사용될 수도 있다.

Description

캐스케이드 플로팅 중간온도 히트펌프 시스템 {CASCADE FLOATING INTERMEDIATE TEMPERATURE HEAT PUMP SYSTEM}

히트펌프들은, 종종 주거용 또는 상업용 건물의 실내 영역인 목표공간 또는 구역에 대한 가열 또는 냉각을 제공하기 위해 종종 채용된다. 히트펌프의 가장 일반적인 타입은, 목표공간과 종종 주변환경인 또 다른 공간 내의 공기와의 사이에서 열을 전달하고 증폭시키는 에어-소스(air-source) 히트펌프이다. 가열, 환기, 및 공기조화/냉동(HVAC/R) 적용을 위하여, 히트펌프는 종종 증기-압축 냉동 사이클을 활용하며, 여기에서 순환하는 냉매는 하나의 공간으로부터 열을 흡수하여 나중에 열을 다른 어디로 배출시키는 매체로서 사용된다.

단일-스테이지 증기 - 압축 히트펌프 시스템에 있어서, 냉매는, 열을 흡수하여 증기를 생성하는 증발기를 통하여 유동한 다음, 열을 배출하기 위해 응축기로 들어가기 전에 필요한 압력 증가를 제공하는 압축기로 유동한다. 그 다음 냉매는, 증발기로 되돌아가기 전에 열 팽창 장치(TXV)와 같은 팽창 장치를 이용하여 낮은 압력으로 팽창된다. 팬들 또는 블로어들은 종종 목표공간 또는 주변환경에 가열 또는 냉각 효과를 전달하기 위해 사용되기도 한다. 단일-스테이지 증기 - 압축 시스템들은, 높은 압축비로 압축기들을 효율적으로 작동시키는 것과 큰 비체적을 갖는 냉매를 압축시키는 것의 어려움 그리고 낮은 주변온도에서 냉매의 낮은 흡입압력으로 인하여 한랭-기후 가열 적용을 위해서는 현실적이지 않다.

하나의 공지된 한랭-기후 가열 해결책은 멀티-스테이지 캐스케이드 히트펌프 시스템이며, 이 시스템에 있어서 다수의 구별된 증기-압축 사이클들은 보다 높은-스테이지 사이클의 증발기가 바로 직전의 보다 낮은 스테이지 사이클의 응축 냉매의 열을 제거하는 상태로 서로 결합되어 있다. 멀티-스테이지 캐스케이드 시스템 내의 각각의 사이클은, 냉매가 작동 조건들에 가장 알맞도록 선택되는 상태로, 통상 그 온도에 적합한 상이한 냉매를 사용한다. 멀티-스테이지 캐스케이드 히트펌프 시스템들은, 단일-스테이지 시스템들과 비교할 때, 보다 낮은 증발온도, 보다 작은 압축비 및 보다 높은 압축기 체적 효율이라는 장점들을 갖는다.

2-스테이지 캐스케이드 시스템들은 수십년간 HVAC/R에서 사용되어 왔다. 그렇지만, 이들 전통적인 2-스테이지 캐스케이드 시스템들은 상위 스테이지(upper stage)의 증발온도와 하위 스테이지(lower stage)의 응축온도의 중첩으로 초래되는 고유의 비효율성을 갖는다는 문제가 있다. 이러한 단점은 액체-증기 열교환기 및 과열저감기(desuperheaters)들의 도움에 의해 부분적으로 회피될 수 있다. 그렇지만, 증가된 에너지 효율을 갖는 캐스케이드 히트펌프 시스템들을 개발하고자 하는 계속적인 요구가 존재한다.

제1 압축기, 제1 응축기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 갖는 제1 스테이지를 포함하는 히트펌프 시스템의 실시형태들이 여기에 개시된다. 또한 상기 시스템은, 제2 압축기, 제2 응축기, 제2 팽창밸브 및 제2 증발기를 갖는 제2 스테이지를 갖는다. 제1 응축기와 제2 증발기는 제1 응축기로부터 제2 증발기에 열을 공급하도록 위치된다. 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나는 가변-속도 압축기이다. 또한 상기 시스템은, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도를 제어하도록 구성되는 전자 제어 모듈을 포함한다. 복수의 응축기들이 복수의 공조기에 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다는 것은 통상의 기술자들에게 이해될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태는 2개의 가변-속도 압축기들을 각각의 스테이지에 사용하고 있지만, 하나의 가변-속도 압축기와 하나의 고정-속도 압축기의 사용에 의해 몇몇 장점들이 획득될 수도 있음은 통상의 기술자들에게 이해될 수 있다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 어느 하나는 고정-속도 압축기이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 및 제2 압축기 양쪽 모두는 가변-속도 압축기이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기, 제2 압축기, 또는 그들 모두는 가변-주파수 드라이브에 의해 구동된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기, 제2 압축기, 또는 그들 모두는 전자 정류식 모터에 의해 구동된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 팽창밸브, 제2 팽창밸브, 또는 그들 모두는 맥동 열 팽창밸브이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 히트펌프 시스템은 적어도 하나의 가변-속도 팬 또는 블로어를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 히트펌프 시스템은 전자 제어 모듈에 온도 데이터를 송신하도록 구성되는 복수의 온도 센서를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 히트펌프 시스템은 제1 스테이지로부터 전자 제어 모듈에 흡입 압력 데이터를 송신하도록 구성되는 압력 센서를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 히트펌프 시스템은 제1 스테이지 내의 제1 냉매 및 제2 스테이지 내의 제2 냉매를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 냉매는 제2 냉매와는 상이하다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제3 압축기, 제3 응축기, 제3 팽창밸브 및 제3 증발기를 가지며 제2 응축기로부터 제3 증발기에 열을 공급하도록 구성되는 제3 스테이지를 더 포함한다.

또한, 제1 압축기, 제1 응축기 및 제1 증발기를 갖는 제1 히트펌프 스테이지를 제공하는 단계와; 제2 압축기, 제2 응축기 및 제2 증발기를 갖는 제2 히트펌프 스테이지를 제공하는 단계로서, 여기에서 제1 증발기와 제2 응축기는 제1 응축기로부터 제2 증발기에 열을 공급하도록 위치되며, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나는 가변-속도 압축기인 것과; 사전 결정된 열부하에서 시스템의 성능계수를 최대화하기 위해 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도를 제어하는 단계; 를 포함하는 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법들의 실시형태들이 여기에 개시된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 또는 제2 압축기는 고정-속도 압축기이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 및 제2 압축기 양쪽 모두는 가변-속도 압축기이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 속도를 제어하는 단계는 적어도 하나의 센서로부터 데이터를 수신하는 단계를 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 센서는 압력 센서 또는 온도 센서이다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도는 가변 주파수 드라이브에 대한 동력을 제어함으로써 제어된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도는 전자 정류 모터에 대한 동력을 제어함으로써 제어된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법은 제1 증발기에 공기를 불어주도록 구성되는 팬의 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법은 제2 증발기에 공기를 불어주도록 구성되는 팬의 속도를 제어하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법은 제1 응축기와 제1 증발기 사이에 맥동 열 팽창밸브를 제공하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 상기 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법은 제2 응축기와 제2 증발기 사이에 맥동 열 팽창밸브를 제공하는 단계를 더 포함한다.

도 1은 일반적인 단일-스테이지, 단일-속도 히트펌프를 갖는 건물의 개략도이다.
도 2는 가변-속도 2-스테이지(two stage) 캐스케이드 플로팅 중간온도 히트펌프 (CFITHP) 시스템(cascade floating intermediate temperature heat pump system)의 일 실시형태의 도식적인 도면이다.
도 3은 최대화된 전체 시스템 효율을 달성하기 위해 압축기들 및 팬들/블로어들의 속도를 동적으로 조절하는 제어 프로세스의 일 실시형태를 묘사하는 흐름도이다.

캐스케이드 히트펌프 시스템의 효율을 증가시키기 위해서, 압축기들 및 팬(fans)들이나 블로어(blowers)들은 독립적인 가변 속도들로 작동될 수 있다. 결과적으로, 스테이지들 사이에서의 중간온도와, 그에 따른 각각의 사이클에 있어서의 온도 상승은, 최대화된 전체 효율을 초래하도록 연속적으로 조절될 수 있다.

가변-속도 제어는, 캐스케이드 히트펌프가 가열이나 냉각 적용들 각각에 대한 높은 용량(capacity)과 성능계수(COP) (coefficient of performance) 양쪽 모두를 유지하도록 허용한다. 여기에서, 용량은 히트펌프가 목표공간(target space) 내로 열을 방출할 수 있거나 또는 목표공간으로부터 열을 배출시킬 수 있는 비율(rate)을 말한다. COP는 히트펌프의 에너지 효율의 지표(indication)이다. 가열에 있어서, 캐스케이드 히트펌프 시스템의 COP는, 시스템 내로 입력된 일의 양에 대한, 시스템에 의해 히트펌프된(즉, 전달된) 양의 비로서 정의된다:

여기에서 Q_H는 시스템 가열용량(목표공간에 응축기를 거쳐 전달된 열)이고,

는 시스템 내로 입력된 일의 총합을 나타낸다. 공기조화/냉동에 있어서, COP는, 시스템 내로 입력된 일의 양에 대한, 목표공간으로부터 시스템에 의해 전달된 열의 비로서 정의된다:

여기에서 Q_C는 시스템 냉각용량(목표공간으로부터 증발기를 거쳐 전달된 열)이고,

는 시스템 내로 입력된 일의 총합을 나타낸다.

도 1은 주거용 또는 상업용 건물을 난방 또는 냉방하기 위해 구성된 히트펌프 시스템에 대한 일반적인 구성을 예시한다. 히트펌프 시스템(110)은, 적어도 하나의 압축기(120), 외부 증발기/응축기(130), 팽창밸브(140), 및 내부 증발기/응축기(150)를 포함하며, 이것들 모두는 냉매(도시생략)가 흐르는 배관(160)을 경유하여 유체연통(fluid communication) 되어 있다. 팬(170) 및 블로어(180)는, 건물(190)의 외부 주변환경(105) 또는 내부 목표공간(195) 각각에 대해 증발기/응축기(130, 150)의 난방 또는 냉방을 효과적으로 이동시키기 위해 도시되어 있다. 도 1에 묘사된 히트펌프 시스템은 단일-속도, 단일-스테이지 증기-압축 시스템이다.

캐스케이드 플로팅 중간온도 히트펌프

도 2에 도시된 것은, 목표공간(298)에 열을 제공하도록 구성된, 가변-속도, 2-스테이지(two stage) 캐스케이드 플로팅 중간온도 히트펌프 (CFITHP) 시스템(cascade floating intermediate temperature heat pump system)(200)의 일 실시형태를 도시하는 도면이다. CFITHP 시스템(200)은, 캐스케이드 열교환기(230)에 의해 서로 결합되어 있는 2개의 증기-압축 시스템들, 즉 스테이지들(220, 240)을 포함하며, 여기에서 제2 스테이지의 증발기(248) 내의 냉매는 제1 스테이지(220)의 응축 냉매를 포함하는 응축기(224)로부터 공급되는 열을 이용하여 증발된다.

각각의 스테이지(220, 240)는, 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 및 증발기를 통하여 흐르는 열역학적 증기-압축 사이클을 활용한다. 제1 스테이지(220) 및 제2 스테이지(240)의 사이클들은, 각각, 지점들 201~204 및 205~208로 구별된다. 201에서 202로 이동하면서, 제1 스테이지(220)의 냉매는 압축기(222)에 의해 압축되어 제1 스테이지(220)의 냉매의 압력을 상승시킨다. 그 다음, 202에서 203으로 이동하면서, 제1 스테이지(220)의 냉매는 응축기(224)에 의해 증기로부터 포화 또는 과냉각된 액체로 변화되어, 캐스케이드 열교환기(230)의 제2 스테이지(240)의 증발기(248) 내로 열(Q_X)을 내놓는다. 203과 204 사이에서, 제1 스테이지(220)의 냉매는, 제1 스테이지(220)의 냉매의 압력을 하강시키는 팽창밸브(226)를 통과하여, 제1 스테이지(220)의 냉매를 냉각시킨다. 204에서 201로 이동하면서, 제1 스테이지(220)의 냉매는 증발기(228)를 통과하며, 여기에서 제1 스테이지(220)의 냉매는 주변환경(296)으로부터 열(Q_C)을 받아, 제1 스테이지(220)의 냉매는 포화 또는 약간 과열된 증기로 된다.

205에서 206으로 이동하면서, 제2 스테이지(240)의 냉매는 압축기(242)에 의해 압축되어 제2 스테이지(240)의 냉매의 압력을 상승시킨다. 그 다음, 206에서 207로 이동하면서, 제2 스테이지(240)의 냉매는 응축기(244)에 의해 증기로부터 포화 또는 과냉각된 액체로 변화되어, 목표공간(298) 내로 열(Q_H)을 내놓는다. 207과 208 사이에서, 제2 스테이지(240)의 냉매는, 제2 스테이지(240)의 냉매의 압력을 하강시키는 팽창밸브(246)를 통과하여, 제2 스테이지(240)의 냉매를 냉각시킨다. 208에서 205로 이동하면서, 제2 스테이지(240)의 냉매는 증발기(248)를 통과하며, 여기에서 제2 스테이지(240)의 냉매는 캐스케이드 열교환기(230)를 통하여 제1 스테이지(220)의 응축기(224)로부터 열(Q_X)을 받아, 제2 스테이지(240)의 냉매는 증기로 된다.

캐스케이드 열교환기(230)는 제1 스테이지(220)의 응축기(224)와 제2 스테이지(240)의 증발기(248) 사이의 효율적인 열전달을 제공한다. 캐스케이드 열교환기는, 튜브-내-튜브, 쉘-및-튜브, 플레이트-타입, 마이크로-채널 또는 미니-채널, 그리고 나선형 열교환기들을 포함하지만, 이것만으로 제한되지 않는, 어떠한 타입의 열교환기일 수 있다.

제2 및 제1 스테이지 사이의 작동온도들에 있어서의 차이로 인하여, 가장 효율적인 해결책은 종종 각각의 스테이지에 상이한 냉매를 사용하는 것이다. 상세하게는, 제2 스테이지(240)의 냉매는 통상 제1 스테이지(220)의 냉매보다 높은 끓는점을 가져야 한다. 제2 스테이지에 보다 높은 끓는점을 갖는 냉매를 사용하는 것은 보다 낮은 압력, 종종 보다 작은 압축비를 요구하고, 따라서 보다 적은 제2 스테이지의 압축기 일을 요구한다. 예를 들어, CFITHP 시스템은 제2 스테이지에 R-134a를 사용할 수 있고 제1 스테이지에 F-410a를 사용할 수 있다. R-134a의 끓는점은 R-410a의 끓는점보다 높은 40℉이다. 그렇지만, 몇몇 실시형태들에 있어서, CFITHP 시스템은 제1 스테이지에 보다 높은 끓는점을 갖는 냉매를 사용하고 제2 스테이지에 보다 낮은 끓는점을 갖는 냉매를 사용한다. 예를 들어, CFITHP 시스템은 제2 스테이지에 R-410a를 사용할 수 있고 제1 스테이지에 F-134a를 사용할 수 있다. 마찬가지로, 몇몇 실시형태들에 있어서, CFITHP 시스템은 양쪽 스테이지에 동일한 냉매를 사용한다. R-12, R-22, R-290, R-404a, 4-407c, R-417a, R-500, R-502, R-600a, R-717, 및 R-744와 같은 다른 냉매들이 사용될 수도 있으며, 이것만으로 제한되지 않는다.

나아가서, 팬 또는 블로어(262, 264)들은 응축기(224, 244)들 또는 증발기(228, 248)들로부터의 가열 또는 냉각 효과를 분산시키기 위해 활용될 수 있다. 여기서 "팬" 및 "블로어"라는 용어들은, 양쪽 모두, 기체, 통상 공기 내에 유동을 야기시키는 어떠한 장치라도 넓게 포함하는 동의어로서 사용된다.

도 2에 도시된 바와 같이, CFITHP 시스템(200)은 주변환경(296)으로부터 목표공간(298)에 열을 공급하도록 구성된다. 그렇지만, 몇몇 실시형태들에 있어서, 냉매 흐름이 역전될 수 있어, 그 결과 증발기(228, 248)들은 응축기로서 기능하고 응축기(224, 244)들은 증발기로서 기능한다. 그러한 흐름-역전 작동시, CFITHP 시스템(200)은 목표공간(298)으로부터 주변환경(296)에 열을 공급하여, 목표공간(298)을 냉각시킨다. 냉매 흐름의 역전, 및 그에 따른 열전달 방향의 역전은, 종래 공지된 역전 밸브들을 이용하여 성취될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 단일의 응축기(244)가 목표공간(298)에 열을 전달하기 위해 사용된다. 그렇지만, 몇몇 실시형태들에 있어서, 복수의 응축기들이 예를 들어 복수의 공조기에 열을 전달함으로써 목표공간(298)에 열을 전달하도록 사용될 수 있다. 마찬가지로, CFITHP 시스템(200)이 목표공간(298)을 냉각시키도록 구성되는 경우, 복수의 증발기들이 예를 들어 복수의 공조기들에 냉기를 전달함으로써 목표공간을 냉각시키도록 사용될 수 있다.

도 2에는 CFITHP 시스템(200)의 최대화된 효율을 제공하는 전자 시스템 컨트롤을 더 도시하고 있다. 전자 제어 모듈(ECOM) (270)은, 압축기(222, 242)를 각각 구동하는 2개의 VFD(272, 274)들과, 팬/블로어(262, 268)들을 각각 구동하는 2개의 VFD(276, 278)들에 접속되는 것으로 도시되어 있다. ECOM(270)은 시스템을 제어하기 위해 사용될 수 있는 ECOM에 데이터를 송신하는 센서(280, 282, 284, 286)들에 더 접속된다. 예를 들어, 센서(280)는 다음의 데이터를 ECOM에 송신하도록 구성될 수 있다: 제1 스테이지 흡입압력; 제1 스테이지 흡입온도; 또는 주변환경 온도. 센서(282, 284)들은, 각각, 제1 스테이지 응축기 온도 데이터 및 제2 스테이지 증발기 온도 데이터를 송신하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 센서(286)는 다음의 데이터, 예를 들어 목표공간(예컨대, 실내) 온도, 제2 스테이지 응축온도 또는 제2 스테이지 응축압력을 송신하도록 구성될 수 있다. 또한 ECOM(270)은 온도조절기(288)에 접속될 수 있다. 센서들에 의해 ECOM에 송신될 수 있는 또 다른 데이터에는, 압축기 속도, 팬 또는 블로어 속도, 냉매 체적유량, 및 압축기들과 같은 개별 시스템 구성요소들의 전기적인 특성(예컨대, 전류, 전압, 및/또는 위상각)이 포함될 수 있다. ECOM에 통신되는 정보뿐만 아니라, 센서들 및 온도조절기의 타입, 개수, 및 위치는 시스템 배열에 따라 가변될 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, CFITHP 시스템(200)은 제1 스테이지 흡입압력 데이터를 송신하도록 구성된 센서 및 실내(즉 목표공간) 온도 데이터를 송신하도록 구성된 센서를 포함한다. 이 센서들에 더하여, 몇몇 실시형태들에 있어서, ECOM은 유저 입력 디바이스(290) 및 전자 메모리(292)로부터의 데이터를 더 수신할 수 있다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 유저 입력 디바이스는 유저 인터페이스를 포함한다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 수신된 데이터를 이용하여, ECOM(270)은, COP에 의해 측정된, 주어진 용량에 대한 최대화된 시스템 효율을 달성하기 위해 압축기(222, 242)들과 팬/블로어(262, 264)들의 속도를 독립적으로 그리고 동적으로 가변시킨다.

도 2에 묘사된 실시형태는 2개의 스테이지들을 가지지만, 몇몇 실시형태들은 3개 이상의 스테이지들을 갖는 캐스케이드 히트펌프 시스템을 포함한다. 또, 몇몇 실시형태들에 있어서, 공지의 캐스케이드 히트펌프 시스템 구성은, 압축기들을 가변-속도 압축기들로 교체함으로써, 또한 가변-속도 압축기들의 속도를 제어하도록 구성된 전자 제어 모듈을 제공함으로써 변경된다. 그와 같이 하여, 몇몇 실시형태들은, 도 2에 묘사된 캐스케이드 시스템의 조직에 제한되지 않고, 여기에 설명된 바와 같은 가변-속도 압축기 컨트롤의 추가에 의해 - 그 조합에 있어서 도 2에 묘사된 시스템과는 상이할 수 있는 - 공지의 캐스케이드 시스템들의 개선을 겨냥한다.

마찬가지로, 도 2에 묘사된 실시형태는 2개의 가변-속도 압축기들을 가지지만, 몇몇 실시형태들에 있어서, 단지 하나의 스테이지만이 가변-속도 압축기를 사용하는 한편, 다른 스테이지는 고정-속도 압축기를 사용한다. 당해분야에서 통상의 지식을 가진 자들은, 2개의 가변-속도 압축기들을 사용하는 것으로부터 얻을 수 있는 장점들 중 일부는 하나의 고정-속도 압축기와 함께 하나의 가변-속도 압축기를 사용함으로써 실현시킬 수 있다는 점을 인식하고 있을 것이다.

가변-속도 압축기 컨트롤

도 2에 묘사된 실시형태에 있어서, 압축기(222, 242)들은, 가변-주파수 드라이브(VFD)들(variable-frequency drives)로 잘 알려져 있는, 가변-속도 드라이브(VSD)들(variable-speed drives)에 의해 구동된다. 이들 VFD들은, 여기에 전체적으로 참조로서 편입되어 있는 미국특허출원 제 12/510139 호 및 제 12/510140 호에 개시되어 있다. VFD들은, 모터에 인가되는 주파수 및/또는 전압을 변화시킴으로써, 토크 및 효율을 유지하면서 전기 모터들의 속도를 변화시킨다. 압축기(222, 242)들을 구동시키기 위해 VFD들을 이용하는 것은, 캐스케이드 히트펌프 시스템에 사용될 때 많은 효율 이득을 제공한다.

첫째로, 캐스케이드 히트펌프 시스템 내에서 압축기들을 구동시키기 위한 VFD들의 사용은, 이 시스템이 가장 높은 전체 시스템 COP를 초래하기 위해 캐스케이드 열교환기 내의 중간온도를 조절-즉, “플로트(float)”-하도록 허용한다. 주어진 목표공간 온도, 및 주변온도에 대하여, 시스템의 전체 COP는 각각의 사이클 내의 온도 상승과 함께 변화하며, 이것은 캐스케이드 열교환기 내의 중간온도에 따른다.

둘째로, 캐스케이드 히트펌프 시스템 내에서 압축기들을 구동시키기 위한 VFD들의 사용은, 캐스케이드 열교환기(230) 내에서의 제2 스테이지(240)의 증발기(248)와 제1 스테이지(220)의 응축기(224) 사이의 온도 중첩(overlap)을 최적화함으로써 시스템의 효율을 더욱 증가시킨다. 압축기(222, 242)들 각각의 가변 속도는, CFITHP 시스템(200)이 중첩을 최적화하기 위해 제1 스테이지(220)에서의 응축기 온도와 제2 스테이지(240)의 증발기 온도를 독립적으로 조절하도록 허용한다. 이것은 주어진 용량에서 증기-압축 스테이지(220, 240)들 각각에 대하여 최대화된 효율의 열역학적인 “스위트 스팟(sweet spot)"에서의 작동을 허용한다.

캐스케이드 열교환기(230)가 제1 스테이지(220)의 응축기(224)와 제2 스테이지(240)의 증발기(248) 사이의 효율적인 열전달을 제공하도록 하기 위하여, 보다 낮은 스테이지의 응축기와 보다 높은 스테이지의 증발기 사이에 약간의 온도차이(ΔT)가 필요하다. 동일한 이유로, 제2 스테이지의 응축기와 목표공간 온도와의 사이뿐만 아니라, 제1 스테이지의 증발기와 주변환경 온도와의 사이에도 약간의 ΔT가 필요하다. ΔT는 열교환기들(즉, 응축기들 또는 증발기들)을 가로질러 이동하는 열에너지(열유속(heat flux))의 함수이다. 부분-부하 조건에서, 열유속은 더욱 낮아지고, 그에 따라 보다 낮은 ΔT가 요구된다. 응축기(224, 244)들 및 증발기(228, 248)들의 온도를 독립적으로 제어함으로써, CFITHP 시스템(200)은 전체 시스템의 최대 효율에 상응하는 이상적인 값으로 각각의 열교환기에 대한 ΔT를 제어할 수 있으며, 여기에서 온도 중첩은 최적화된다.

셋째로, VFD들을 이용하는 것은 작동이 온 또는 오프되는 시스템 상에서의 제한을 제거한다. 예를 들어, VFD들을 갖는 히트펌프 시스템은, 제어되는 온도를 가지는 주변환경의 가열 또는 냉각부하에 상응하는 속도로 압축기들을 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어되는 환경이 5000와트의 가열을 요구하면, 압축기는 필요한 5000와트의 열 제공에 상응하는 속도로 작동될 수 있다. 압축기를 반복해서 시동 및 정지시킴으로써 얻어지는 에너지 비효율이 회피되고 열전달 표면이 모다 높은 효율로 작동될 것이기 때문에, 이것은 시스템 내의 에너지 효율 개선을 허용한다.

마찬가지로, 제어되는 환경 내에서의 설정값(setpoint) 주위의 온도 불감대(deadband)는, 압축기가 각각 온 또는 오프되는 종래의 히트펌프 시스템들에 비해 극적으로 감소된다. 종래의 히트펌프 시스템들에 있어서, 오프와 온 사이의 주파수 상태 변화를 방지하기 위해서, 제어 시스템은 불감대 특성을 가지고 동작한다. 그러한 시스템들에 있어서, 온도 편위(excursions)는 불감대에 상응한다. 예를 들어, 몇몇 시스템들에 있어서 시스템의 불감대는 4℉이다. 온도가 72℉로 설정되어 있다면, 일단 주변환경의 온도가 72℉가 되면 압축기는 꺼진다. 그렇지만, 4℉의 불감대 때문에, 주변환경의 온도가 68℉가 될 때까지 압축기는 다시 켜지지 않을 것이다. 반대로, VFD들이 압축기들을 제어하는 히트펌프 시스템에 있어서, 전자 제어 시스템은 주변환경에 있어서의 온도의 정밀한 제어를 제공하기 위해 압축기의 속도를 증가적으로(incrementally) 증가 및 감소시킨다. 결과적으로 불감대는 작아지거나 없고, 그에 따라 동력 소모와 온도의 일관성 사이의 상당히 감소된 균형(trade-off)이 야기된다.

압축기들을 구동시키기 위해 VFD들을 사용하는 것에 대한 대안으로서, 통상의 기술자들은 압축기의 속도를 가변적으로 제어하기 위한 어떤 다른 수단을 활용하는 실시형태들이 본 개시의 범주 내에 있음을 인식하고 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 당해분야에 잘 알려진, 전자 정류식 모터(ECM)들 (electronically commutated motors)이 사용될 수 있다. ECM들은 전자 제어 회로에 의해 구동되며, 이 전자 제어 회로는 ECM에 대하여 가변-속도 제어를 제공한다. 예를 들어, ECM에 가변-속도 제어를 제공하기 위해, 제어 회로는 모터에 공급되는 전압을 감소시키도록 이용될 수 있다. 동시에, 모터에 공급되는 가변 전압에 따른, 실질적으로 매끄러운 제어 전압이, 모터에 대한 에너지 흐름을 제어할 수도 있는 출력 펄스들을 생성하는 펄스 폭 변조기를 제어하도록 인가될 수 있다.

압축기들에 대하여 가변 속도 제어를 제공하기 위해 VFD들을 사용하는 것에 대한 또 다른 변형예들은 직접 제어를 포함하지만, 이것만으로 제한되지는 않는다. 직접 제어에 있어서, DC 모터의 속도는 전기자(armature) 전압 또는 필드 전류를 변화시킴으로써 제어된다.

팬/ 블로어 속도 제어

또한, 도 2에 묘사된 실시형태에 있어서, CFITHP 시스템(200)은 하나 이상의 팬/블로어(262, 264)들을 활용한다. 압축기에 비해, 팬 및 블로어의 동력 요구는 고정 속도 작동보다 오히려 가변-속도 작동으로 더욱 극적으로 영향을 받는다. 50% 부하에서 단일-속도 팬 또는 블로어에 대하여 동력소비는 실행시간 기반으로 대략 50%이다. 그렇지만, 가변-속도 작동시, 정부 팬 법규 기반으로, 공기 유량이 50%일 때, 단지 동력의 12.5%가 요구된다. 현대의 모터 기술로는, 이러한 성능 개선 모두가 사실상 실현될 수 있다.

또한 응축기 및 증발기 성능은 열 부하의 조절(modulation)에 의해 강하게 영향을 받는다. 열교환기 각각의 효과(effectiveness)는 열 부하를 감소시키는 것으로 증가한다. 이것은 증발기 온도를 상승시키고 응축기 온도를 하강시키는 효과를 가져, 압축기의 부하를 감소시키고, 그에 따라 그 동력 소비를 감소시킨다. 그와 같이 하여, 압축기 속도를 변화시키는 것에 대한 추가 또는 대안으로서, 전자 제어 시스템은, 캐스케이드 열교환기 내에서 중간온도에 영향을 주는 팬/블로어 속도를 변화시킬 수 있다.

압축기들에서와 같이, 가변-속도 팬 또는 블로어 작동은, VFD들, ECM들, 또는 직접 모터 제어를 포함하지만, 이것만으로 제한되지 않는, 가변 속도 제어를 제공하는 어떠한 수단을 이용해서도 달성될 수 있다.

팬 및/또는 블로어들의 개수, 배열, 타입, 그리고 속도 제어는 주어진 시스템에 대한 주어진 요구 및 제한에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태들에 있어서, CFITHP 시스템은 단지 하나의 단일-속도 실외(즉 주변환경) 팬과, ECM에 의해 구동되는 하나의 가변-속도 실내(즉 목표공간) 블로어를 사용할 수 있다. 다른 실시형태들에 있어서는, 가변-속도형 팬/블로어가 사용되지 않는다.

전자 제어 시스템

일 실시형태에 있어서, CFITHP 시스템(200)은 압축기(222, 22)들과 팬/블로어(262, 264)들 중 적어도 하나의 가변-속도 작동을 제어하도록 전자 제어 모듈(ECOM)(270)을 편입하고 있다. ECOM은 회로기판의 형태를 취할 수 있으나, 통상적인 용도의 컴퓨터, 또는 입력신호를 수신하고, 입력신호를 분석하고, 제어신호를 출력할 수 있는 다른 어떠한 디바이스를 포함할 수도 있다.

도 3은, COP에 의해 측정된, 전체 시스템의 최대 효율을 달성하기 위해 ECOM(270)이 압축기(222, 242)들과 팬/블로어(262, 264)들 중 하나 이상의 속도를 동적으로 변화시키는 제어 프로세스의 일 실시형태를 묘사하는 흐름도이다. 첫째로, 단계 310에서, ECOM은 시스템의 제어를 위하여 이용되는 데이터를 입력받는다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 이들 데이터는, 목표공간(예컨대 실내) 온도, 주변 온도, 제1 스테이지 응축기의 온도, 제2 스테이지 증발기의 온도, 시스템 구성요소들의 전기적인 특성(예컨대 전류, 전압, 및/또는 위상각), 압축기 속도, 그리고 팬/블로어 속도를 포함하지만, 이것만으로 제한되지는 않는다. 일 실시형태에 있어서, 히트펌프 작동을 최적화하기 위하여 이용되는 데이터는 제1 스테이지 흡입압력 및 실내(즉 목표공간) 온도를 포함한다. 제1 스테이지 흡입압력에 대한 대안으로서, 제1 스테이지 흡입온도 또는 실외(즉 주변) 온도가 제공될 수 있다. 또, 실내온도에 대한 대안으로서, 제2 스테이지 응축온도 또는 제2 스테이지 응축압력이 제공될 수 있다. 시스템 제어를 위하여 이용되는 또 다른 데이터는, 예를 들어, 사용되는 냉매의 열물리적(thermophysical) 특성들과, 압축기들 및 팬들/블로어들에 대한 효율곡선들을 포함할 수 있다. 이들 데이터 중 일부는 시스템 내의 하나 이상의 센서(280, 282, 284, 286)들로부터 입력될 수 있는 반면, 나머지는 또 다른 소스들, 예를 들어, 전자 메모리(292), 온도조절기(288), 또는 유저 입력 디바이스(290)로부터 입력될 수 있지만, 이것만으로 제한되지는 않는다.

다음에, 제어 프로세스의 단계 320에서, ECOM(270)은 시스템의 열부하를 결정한다. 일 실시형태에 있어서, 사전 결정된 열부하가 유저 입력에 의해 또는 전자 메모리로부터 제공될 수 있다. 다른 일 실시형태에 있어서, ECOM은 열부하로서 전류 전달식 시스템 용량(current delivered system capacity)을 이용한다. 또 다른 실시형태에 있어서, ECOM은 실내온도와 요구 온도(desired temperature) 사이의 차이에 기반하여 열부하를 결정한다. 또 다른 일 실시형태에 있어서, 온도조절기(288)로부터의 공간 공조를 위한 제2 스테이지 호출(calls)들은, 제2 스테이지 호출이 완화될 때까지 용량을 증가시키도록 이용된다. 열부하를 결정함에 있어서, 목적은 요구 온도로 목표공간(298)을 유지하는 열유속을 제공하고자 하는 것이다. 요구 온도는, 예를 들어, 온도조절기(288), 유저 입력 디바이스(290), 전자 메모리(292), 또는 다른 소스에 의해 제공될 수 있다. 몇몇 실시형태들에 있어서, ECOM은 열부하를 결정하기 위해서 시간에 따른 목표공간 온도를 모니터한다. 일 실시형태에 있어서, 실내온도가 입력된 다음, 실내온도의 시간변화(time rate change)는 히트펌프 용량을 증가 혹은 감소시키기 위해서 시간에 대한 온도(temperature vs. time)를 결정하도록 연산된다. 전달 용량(delivered capacity)은 실내온도가 변화하는 속도에 직접적으로 영향을 미친다. 그러므로, ECOM은 실내온도 변화의 목표율(target rate of change)에 상응하도록 열부하를 설정할 수 있다. 실내온도 변화의 목표율은, 에너지 효율, 안락함, 소음도, 유저 입력, 낮의 길이, 및/또는 센서 입력을 포함하지만, 이것만으로 제한되지 않는, 복수의 고려사항들에 의해 영향을 받을 수 있다. 일 실시형태에 있어서, ECOM은, 예를 들어, 일련의 예전 실내온도 데이터를 부여하는 외삽법(extrapolation) 또는 선형회귀(linear regression)를 이용함으로써 시스템의 미래 요구 부하를 예측한다. 그 후 ECOM은 즉각적인 요구 부하를 대신하여 미래 요구 부하를 만족하도록 열부하를 결정할 수 있다.

다음에, 제어 프로세스의 단계 330에서, ECOM(270)은 열부하에 대한 최대 시스템 COP를 초래하는 이상적인 압축기 속도 및 팬/블로어 속도를 결정한다. ECOM은 열부하에 대하여 하위 사이클(lower cycle) 및 상위 사이클(upper cycle) 온도 상승의 가장 효율적인 조합을 결정하기 위해 - 그리고 그에 따라 이상적인 압축기 및 팬/블로어 속도를 결정하기 위해 최적화 프로세스를 이용한다. 최적화 프로세스는, 다양한 흡입온도/압력들에 대한 압축기 용량 및 효율 곡선들; 목표공간에 대한 열 배출/전달을 위한 팬/블로어 효율 곡선들; 및 각각의 열교환기를 통한 효율적인 열유속을 위하여 필요한 온도 중첩을 포함하지만, 이것만으로 제한되지 않는, 효율에 영향을 미치는 다수의 인자들을 고려한다. 최적화 프로세스는, 가장 효율적인 제1 사이클 및 제2 사이클 온도 상승과, 이상적인 온도 상승을 달성하기 위해 필요한, 상응하는 이상적인 압축기 및 팬/블로어 속도를 결정한다. 당해분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 예를 들어, 이론, 경험적인 데이터, 또는 그 둘의 조합을 이용하여 유도될 수 있는, 그러한 최적화 프로세스를 어떻게 개발하는지 이해하고 있을 것이다.

예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 최적화 프로세스는, 잠재적인 온도 상승의 범위에 대한 열부하에서 시스템 COP를 연산한 다음, 가장 높은 전체 시스템 COP에 상응하는 온도 상승을 선택함으로써, 이상적인 압축기 및 팬/블로어 속도를 결정한다. 그 다음, 최적화 프로세스는 선택된 온도 상승에 상응하는 이상적인 압축기 속도 및 팬/블로어 속도를 결정한다. ECOM은 잠재적인 온도 상승의 각각의 설정을 달성하기 위해 압축기들 및 팬들/블로어들에 의해 요구되는 일로부터 시스템의 COP를 연산할 수 있다. 압축기들 및 팬들/블로어들에 의해 요구되는 일은 압축기 및 팬/블로어 효율 곡선들에 의해 결정될 수 있다. 또한 최적화 프로세스는 각각의 열교환기를 가로지르는 효율적인 열유속을 위하여 필요한 온도 중첩을 고려한다. 본 실시예가 압축기들 및 팬들/블로어들의 이상적인 속도를 결정하는 것을 설명하고 있지만, 몇몇 실시형태들에 있어서는, 이상적인 압축기 속도만이 결정된다.

다음에, 제어 프로세스의 단계 340에서, ECOM(270)은 열부하를 만족하는 최대 시스템 COP에 도달하기 위해서 이상적인 속도로 압축기 속도 및 팬/블로어 속도를 조절한다. 이를 달성하기 위해, ECOM은 최적화 프로세스에 의해 결정된 이상적인 속도에 정합(match)하기에 필요한 바와 같이 속도를 증가, 감소, 또는 유지하도록 각각의 컨트롤러(272, 274, 276 및 278)에 데이터(예컨대, 신호)를 송신한다. 몇몇 실시형태들에 있어서, ECOM(270)은, 실제 전달된 시스템 용량 및 일 입력(work input)을 측정하고, 이들 값을 최적화 프로세스 내에서 결정된 값들과 비교함으로써 시스템 COP가 최대화되는 것을 확인(verify)한다. 다른 실시형태들에 있어서, ECOM은 전달된 시스템 용량이 열부하를 만족하는 것을 확인한다. COP가 최대화되지 않았거나 열부하가 만족되지 않는 것으로 ECOM이 결정하면, 이것은 수정 조절을 수행할 수 있다. 이러한 수정 조절은, 예를 들어, 하나 이상의 압축기 및/또는 팬/블로어 속도를 증가 또는 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 또한 ECOM은 실제 측정된 조건들을 반영하기 위해 최적화 프로세스를 위하여 이용하는 데이터를 조절할 수 있다.

단계 340 이후에, ECOM(270)은 스텝 310으로 되돌아가기 전에 사전 결정된 시간만큼 대기한다. 사전 결정된 시간은, 예를 들어, 0.01초, 0.05초, 0.1초, 0.02초, 0.5초, 1초, 2초, 5초, 10초, 30초, 1분, 2분, 10분, 1시간, 1일, 또는 보다 짧거나, 보다 긴 시간, 혹은 이 값들 사이의 시간을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태들에 있어서, 제어 프로세스는, 사전 결정된 시간만큼 대기하지 않고, 즉각적으로 반복된다. 몇몇 실시형태들에 있어서, 제어 프로세스는, 예를 들어, 유저 입력, 낮의 길이, 날짜, 또는 센서 입력을 포함하는, 특정 분량의 시간의 경과(passage)시보다는 오히려 발생(occurrence)시 반복된다.

몇몇 실시형태들에 있어서, 열부하를 결정하는 단계 및 이상적인 시스템 조건들을 결정하는 단계는 동시에 수행된다. 예를 들어, 열부하, 및 목표공간 온도 변화의 상응하는 비율은, 시스템 COP의 함수로서 결정될 수 있다. 예를 들어, 보다 높은 열부하가 요구 온도까지의 목표공간 온도 상승시 더욱 효과적이라면, 그 후 열부하는 증가된 에너지 효율을 초래하도록 보다 높은 값으로 설정된다. 예를 들어, 최대 시스템 용량, 안락함, 최소 온도 변화율, 및 소음과 같은 몇몇 고려사항들은, 본 실시형태에 있어서 열부하 결정을 위한 제한사항을 여전히 제공할 수 있다.

전체 시스템의 최대 효율을 달성하기 위한 이 방법은, 인간 조작자에 의해 수행될 수 있지만; ECOM(270)의 사용은 보다 신속하고, 보다 정확한 시스템 조절을 제공한다.

맥동 냉매 유동 제어( Pulsing Refrigerant Flow Control )

CFITHP 시스템(200)의 일 실시형태에 있어서, 팽창밸브(226, 246)들은, 여기에 전체적으로 참조로서 편입되어 있는 미국특허 제 5,675,982 호, 제 6,843,064 호 및 제 5,718,125 호에 개시된 바와 같은, 맥동 열 팽창밸브(PTXV)들 (pulsing thermal expansion valves)을 포함한다.

종래의 열 팽창밸브(TXV)들과는 달리, PTXV들은 냉매의 유동을 조절하기 위해 맥동한다. PTXV들의 사용은 다양한 장점들을 초래한다. 종래의 TXV들은 일반적으로 ±7℉의 범위 내에서 냉매 과열(superheat)을 조절하는 반면, PTXV들은 ±0.5℉ 정도로 근접하게 정확한 과열 조절을 허용한다. 이와 같이, PTXV들은 증발기의 표면적을 전체적으로 활용함으로써 히트펌프의 COP를 증가시킨다. 마찬가지로, PTXV는, 냉매가 압축기에 들어가기 전에 완전히 증발되지 않았다면 발생할 수 있는 잠재적인 플러딩(flooding)을 제거함으로써 압축기를 보호한다. 또한 PTXV는 변화하는 유동 및 압력 조건들에 대하여 매우 신속한 응답성을 갖는다. 또한 액체 맥동이 열교환기들 내의 열 및 유체역학적 경계들을 파괴하기 때문에 맥동 효과는 증발기 및 응축기 내에서 열전달을 증가시키며, 그에 따라 효율을 증가시킨다.

또한 CFITHP 시스템이 응축기에 대한 그리고 증발기에 대한 가변 냉매 유동을 초래하는 가변 압축기-속도를 활용하기 때문에 PTXV들의 사용은 유리하다. 종래의 TXV들은 그 응답성에 있어서 종종 지나치게 느릿느릿하고 가변하는 냉매 유동들 및 헌트(hunt) 또는 플러드(flood)의 장점을 다루거나 취할 수 없으며, 그에 따라 증발기 효율 및 시스템 성능을 감소시킨다. 그러한 가변 냉매 유동들의 장점들을 성취하기 위해서, 본 실시형태에 따르면, PTXV들은 증발기를 스타빙(starving) 또는 플러딩(flooding)하지 않으면서 모든 냉매 유동들에서 모든 범위의 증발기 과열 제어를 생성하기 위해 사용된다. 그러한 냉매 제어는 가변 압축기 속도로부터 초래하는 보다 낮은 냉매 유량에서 특히 중요하다. 종래의 팽창 장치들은 총 유동(full flow)에서 작동하도록 설계되며 보다 적은 유동, 그리고 변동을 거듭하는 유동에서는 비효율적이고, 또한 증발기를 스타빙 및/또는 플러딩한다. PTXV들은 1.5:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1 및 10:1을 포함하지만, 이것만으로 제한되지 않는, 높은 턴다운 비(turndown ratios)를 초래하는, 넓은 범위의 용량에 걸쳐 작동할 수 있다. 턴다운 비는 최소한의 제어된 냉매 유동에 대한 최대한의 제어된 냉매 유량의 비로 정의된다. PTXV들은, 미국특허 제 5,675,982 호 및 제 6,843,064 호에 개시된 바와 같은 기계적인 밸브들일 수 있거나, 또는 미국특허 제 5,718,125 호에 개시된 타입의 전기적으로 작동되는 밸브들일 수 있다. 그러한 밸브들은 압축기 및 응축기로부터 가변 냉매 유동 범위에 걸쳐 증발기에 대한 냉매-유동을 제어하도록 작동한다.

실시예

실시예 1: 컴퓨터 시뮬레이션

전술한 바와 같은 시스템의 에너지 효율 이득을 조사하기 위해서, 미국 국립표준기술원(National Institute of Standards and Technology)에서 만든 소프트웨어 "Cycle_D version 4"를 이용하였다.

3가지 경우들이 조사되었다: (1) R-410a를 사용하는 단일-속도, 단일-스테이지 히트펌프; (2) 하위 스테이지에서는 R-410a를 사용하고 상위 스테이지에서는 R-134a를 사용하는 단일-속도 2-스테이지 캐스케이드 히트펌프; 그리고 (3) 하위 스테이지에서는 R-410a를 사용하고 상위 스테이지에서는 R-134a를 사용하는 가변-속도 2-스테이지 CFITHP. 그 결과를 아래 표 1에 정리한다.

시스템	증발기 온도(℉)	응축기 온도(℉)	가열용량 (Btu/hr)	동력소비 (kW)	가열 COP
단일-속도 단일-스테이지 (R-410a)	-20	110	60,200	7.3	2.6
단일-속도 2-스테이지 캐스케이드 (R-410a/R-134a)	-20	110	60,275	6.2	2.85
가변-속도 2-스테이지 CFITHP (R-410a/R-134a)	-20	110	60,650	5.5	3.2

컴퓨터 시뮬레이션 결과

위와 같이, 동일한 증발기 온도, 응축기 온도 및 실질적으로 동일한 가열용량이 주어졌을 때, CFITHP 시스템은 단일-속도 단일-스테이지 시스템 및 단일-속도 2-스테이지 캐스케이드 시스템 양쪽 모두에 비해 가장 높은 COP_heating를 제공하였다. CFITHP 시스템에 대한 3.2의 COP_heating는 단일-속도 2-스테이지 캐스케이드 시스템보다 12.3% 높았고, 단일-속도 단일-스테이지 시스템보다 23% 높았다.

220: 제1 스테이지
222, 242: 압축기
224, 244: 응축기
226, 246: 팽창밸브
228, 248: 증발기
230: 열교환기
240: 제2 스테이지
262, 264: 팬/블로어
270: ECOM
272, 274, 276, 278: 컨트롤러
280, 282, 284, 286: 센서
288: 온도조절기
290: 유저 입력 디바이스
292: 전자 메모리
296: 주변환경
298: 목표공간

Claims

히트펌프 시스템으로서,
제1 압축기, 제1 응축기, 제1 팽창밸브 및 제1 증발기를 갖는 제1 스테이지와;
제2 압축기, 제2 응축기, 제2 팽창밸브 및 제2 증발기를 갖는 제2 스테이지로서, 제1 응축기와 제2 증발기는 제1 응축기로부터 제2 증발기에 열을 공급하도록 위치되며, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나는 가변-속도 압축기인 것과;
사전 결정된 열부하에서 시스템의 성능계수를 최대화하기 위해 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도를 제어하는 전자 제어 모듈;
을 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기는 고정-속도 압축기인 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 양쪽 모두는 가변-속도 압축기인 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 적어도 하나는 가변-주파수 드라이브에 의해 구동되는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 적어도 하나는 전자 정류식 모터에 의해 구동되는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스테이지는 제1 팽창밸브를 더 포함하고 상기 제2 스테이지는 제2 팽창밸브를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 팽창밸브 및 상기 제2 팽창밸브는 맥동 열 팽창밸브인 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
적어도 하나의 가변-속도 팬 또는 블로어를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전자 제어 모듈에 온도 데이터를 송신하는 복수의 온도 센서를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스테이지로부터 상기 전자 제어 모듈에 흡입 압력 데이터를 송신하는 압력 센서를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 스테이지 내의 제1 냉매 및 상기 제2 스테이지 내의 제2 냉매를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 제1 냉매는 상기 제2 냉매와 상이한 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
제3 압축기, 제3 응축기, 제3 팽창밸브 및 제3 증발기를 가지며 상기 제2 응축기로부터 상기 제3 증발기에 열을 공급하는 제3 스테이지를 더 포함하는 히트펌프 시스템.
캐스케이드 히트펌프 시스템을 제어하는 방법으로서,
제1 압축기, 제1 응축기 및 제1 증발기를 갖는 제1 히트펌프 스테이지를 제공하는 단계와;
제2 압축기, 제2 응축기 및 제2 증발기를 갖는 제2 히트펌프 스테이지를 제공하는 단계로서, 제1 증발기와 제2 응축기는 제1 응축기로부터 제2 증발기에 열을 공급하도록 위치되며, 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나는 가변-속도 압축기인 것과;
사전 결정된 열부하에서 시스템의 성능계수를 최대화하기 위해 제1 압축기 및 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도를 제어하는 단계;
를 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기는 고정-속도 압축기인 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 양쪽 모두는 가변-속도 압축기인 방법.
청구항 14에 있어서,
속도를 제어하는 단계는 적어도 하나의 센서로부터 데이터를 수신하는 단계를 포함하는 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 센서는 압력 센서 또는 온도 센서인 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도는 가변 주파수 드라이브에 대한 동력을 제어함으로써 제어되는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 적어도 하나의 속도는 전자 정류 모터에 대한 동력을 제어함으로써 제어되는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 증발기에 공기를 불어주는 팬의 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제2 증발기에 공기를 불어주는 팬의 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 응축기와 상기 제1 증발기 사이에 맥동 열 팽창밸브를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
청구항 23에 있어서,
상기 제2 응축기와 상기 제2 증발기 사이에 맥동 열 팽창밸브를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.