KR101558242B1

KR101558242B1 - 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR101558242B1
Application number: KR1020130126453A
Authority: KR
Inventors: 장기창; 이길봉; 백영진; 윤형기; 김민성; 나호상; 이영수; 박성룡; 조준현; 김기봉; 김종우; 박윤철
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-10-15
Also published as: KR20150047657A

Abstract

본 발명에 따른 해수취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템은, 해수 열교환기를 통과하는 해수의 취수온도와 배수온도의 차이에 따라 해수 열교환기로 유입되는 해수의 취수유량을 변화시킴으로써, 해수의 배수온도 조절이 가능하여 해수의 배수시 발생될 수 있는 바다 환경의 파괴를 최소화시킬 수 있다.

Description

해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템{Sea water heat pump system using control of intaking sea water volume}

본 발명은 해수열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해수의 취수량 제어를 통해 해수의 취,배수 온도차를 조절하여 주변 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 해수열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉,난방을 위한 에너지원은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료가 주로 이용되어 왔으나, 화석연료는 연소과정에서 각종 공해 물질을 배출하여 환경오염을 일으키는 문제점이 있다. 따라서, 화석연료를 대신할 수 있는 대체 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 냉,난방에 이용할 수 있는 대체 에너지로는 해수, 지열, 하수열 등이 있다.

대체 에너지 중에서도 해수의 경우, 온도 변화가 매우 작고, 여름에는 대기온도보다 낮으며, 겨울에는 대기온도보다 높아서, 히트 펌프의 열원으로 사용하기에 매우 적합하다.

그러나, 해수가 해수 열교환기를 통과하면서 열에너지를 흡수 또는 방출하게 되므로, 열교환후 바다로 배수되는 해수의 온도는 바다로부터 취수되는 해수의 온도보다 높거나 낮아지게 된다. 해수의 배수 온도와 취수 온도의 차이가 과다하게 클 경우, 배수되는 해수로 인해 바다 환경을 파괴시킬 수 있는 문제점이 있다.

등록특허 10-0690090호에는 해수 이용 캐스케이드 히트 펌프 시스템에 대한 내용이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은, 해수의 배수 온도를 조절하여 바다 환경 파괴를 최소화할 수 있는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템은, 해수의 열기 또는 냉기를 흡수하는 해수 열교환기와, 상기 해수 열교환기에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받는 히트 펌프와, 상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 해수 유량제어부와, 상기 해수 열교환기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수 가변유량펌프의 작동을 제어하여 해수의 취수유량을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템은, 해수의 열기 또는 냉기를 흡수하는 해수 열교환기와, 상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 취수온도와 상기 해수 열교환기에서 열교환된 후 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 해수 온도센서와, 상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 해수 가변유량펌프와, 상기 해수 열교환기에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받는 응축기와 증발기를 포함하는 히트 펌프와, 상기 응축기의 입구와 출구 온도를 측정하는 응축기 온도센서와, 상기 증발기의 입구와 출구 온도를 측정하는 증발기 온도센서와, 난방 작동시 상기 응축기에서 발생된 열기를 흡수하고, 냉방 작동시 상기 증발기에서 발생된 냉기를 흡수하는 축열조와, 냉, 난방 작동시 상기 해수 열교환기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수 가변유량펌프의 작동을 제어하여 해수의 취수유량을 제어하고, 난방 작동시 상기 응축기의 입,출구측 온도에 따라 상기 응축기와 상기 축열조를 순환하면서 상기 응축기를 냉각시키는 냉각수의 유량을 제어하고, 상기 증발기의 입,출구측 온도에 따라 상기 증발기와 상기 해수열교환기를 순환하면서 상기 증발기에 열기를 제공하는 열수의 유량을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 해수열원 히트펌프 시스템의 제어방법은, 해수 열교환기로 취수되는 해수의 취수온도와 상기 해수 열교환기로부터 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 단계와, 상기 해수의 취수온도와 상기 배수온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상이면, 상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 증가시키는 단계를 포함한다.

또한, 응축기나 증발기의 입,출구 온도차에 따라 응축기나 증발기를 통과하는 열매체의 유량을 변화시킴으로써, 상기 응축기에서 냉매의 과냉각이나 상기 증발기에서 냉매의 과열을 방지할 수 있다. 또한, 상기 응축기나 증발기를 통과하는 열매체의 유량을 변화시킬 경우, 해수열교환기를 순환하는 열매체의 유량이 변화되고, 상기 해수 열교환기에서 해수와 열매체의 열교환율이 달라지므로 상기 해수의 취수유량을 제어함으로써 해수의 배수온도 변화를 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수열원 히트 펌프 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해수열원 히트펌프 시스템의 난방 운전시 작동상태가 도시된 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 해수열원 히트펌프 시스템의 난방 부하가 작을 때 작동상태가 도시된 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 해수열원 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 작동상태가 도시된 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 해수 가변유량 펌프의 제어를 위한 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 해수열원 히트펌프 시스템의 제어 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 해수열원 히트펌프 시스템의 난방 운전시, 해수 취수량 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해수열원 히트펌프 시스템의 냉방 운전시, 해수 취수량 제어방법이 도시된 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수열원 히트 펌프 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 해수열원 히트 펌프 시스템은, 해수 저장부(50), 해수 열교환기(20), 해수 유량제어부, 히트 펌프(10), 메인 축열조(80), 보조 축열조(90) 및 열수요처(100)를 포함한다.

상기 해수 저장부(50)는, 바다로부터 유입된 해수를 일시 저장하는 해수 축열조이다. 바다로부터 유입된 해수는 상기 해수 저장부(50)에 일시 저장된 후, 상기 해수 열교환기(20)로 공급된다. 상기 해수 저장부(50)와 상기 해수 열교환기(20)는 후술하는 해수공급유로(21)로 연결된다. 이에 한정되지 않고, 해수가 상기 해수 저장부(50)를 거치지 않고 상기 해수 열교환기(20)로 바로 유입되는 것도 물론 가능하다.

상기 해수공급유로(21)상에는 여과기(40)와 고압 세척기(41)가 설치된다.

상기 여과기(40)는, 해수공급유로(21)와 상기 해수 저장부(50) 중 적어도 하나에 설치되어, 해수를 여과하는 장치이다. 예를 들어, 상기 여과기(40)는 거름망 등으로 이루어질 수 있다.

상기 고압 세척기(41)는, 상기 여과기(40)에 일체로 구비되거나 상기 여과기(40)에 연결되어, 상기 여과기(40)에 세정수를 고압 분사하여 세척하는 장치이다.

상기 해수 열교환기(20)는, 해수의 열기 또는 냉기를 흡수하고, 열교환을 통해 상기 히트 펌프(10)로 전달한다. 여름철 등에 상기 히트 펌프(10)의 냉방 운전시, 해수의 온도는 대기의 온도보다 낮기 때문에 해수의 냉기가 상기 히트 펌프(10)에 이용된다. 겨울철 등 난방 운전시, 해수의 온도는 대기의 온도보다 높기 때문에, 해수의 열기를 상기 히트 펌프(10)에 이용할 수 있다. 상기 해수 열교환기(20)는 상기 히트 펌프(10)의 증발기(14)와 제1,2증발기 순환유로(71)(72)로 연결되어 난방 운전시 상기 해수 열교환기(20)에서 흡수한 열기가 상기 제1증발기 순환유로(71)를 통해 상기 증발기(14)로 전달된다. 상기 해수 열교환기(20)는 상기 히트 펌프(10)의 응축기(12)와 제1,2냉방유로(131)(132)로 연결되어, 냉방 운전시 상기 해수 열교환기(20)에서 흡수한 냉기가 상기 제1냉방유로(131)를 통해 상기 응축기(12)로 전달된다.

상기 해수 열교환기(20)에는 상기 해수공급유로(21)와 해수배출유로(22)가 각각 연결된다. 상기 해수공급유로(21)상에는 바다로부터 해수를 펌핑하여 유입하는 제1해수펌프(1)와, 상기 해수 저장부(50)에 저장된 해수를 다시 펌핑하는 제2해수펌프(26)와, 펌핑된 해수의 유량을 측정하는 해수 유량계(27), 상기 여과기(40)를 통과한 해수의 유입을 단속하는 해수 공급밸브(25)가 각각 설치된다.

상기 해수공급유로(21)에는 상기 해수 열교환기(20)로 취수되는 해수의 취수온도를 측정하는 해수 취수온도센서(23)가 설치된다.

상기 해수배출유로(22)에는 상기 해수 열교환기(20)에서 열교환된 후 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 해수 배수온도센서(24)가 설치된다.

상기 해수 유량제어부는, 상기 해수 열교환기(20)로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 것으로서, 유량제어밸브나 유량제어펌프가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 해수 유량제어부는, 상기 제1해수펌프(1)인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 제2해수펌프(2)가 사용되는 것도 물론 가능하다. 상기 제1해수펌프(1)는 유량을 가변할 수 있는 가변유량펌프(Inverter pump)가 사용된다. 상기 제1해수펌프(1)에는 인버터 구동장치(2)가 구비된다.

상기 히트 펌프(10)는, 압축기(11), 증발기(14), 팽창밸브(13) 및 응축기(12)를 포함한다.

상기 증발기(14)와 상기 해수 열교환기(20)는 열매체가 순환하는 제2열매체유로로 연결된다. 상기 제2열매체 유로는 제1,2증발기 순환유로(71)(72)이다. 상기 제1,2증발기 순환유로(71)(72)에는 상기 해수 열교환기(20)에서 열을 흡수하여 상기 증발기(14)로 전달하는 열매체가 통과한다. 상기 열매체는 물 등의 유체이며, 상기 해수 열교환기(20)에서 열기를 흡수하여 전달하므로 열수라고도 할 수 있다.

상기 제1,2증발기 순환유로(71)(72) 중 어느 하나에는 해수열교환기 유량제어부와 유량계(74)가 각각 설치된다. 상기 해수열교환기 유량제어부는, 상기 제1증발기 순환유로(71)상에서 상기 해수 열교환기(20)의 출구측에 설치된 해수열교환기 가변유량펌프(73)이다.

또한, 상기 증발기(14)는 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 제3,4냉방유로(133)(134)로 연결된다. 즉, 냉방 작동시 상기 증발기(14)에서 발생된 냉기가 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 공급되어야 하므로, 상기 증발기(14)는 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 제3,4냉방유로(133)(134)로 연결된다. 따라서, 냉방 작동시 상기 증발기(14)에서 열교환되면서 냉각된 열매체는 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)를 거친 후, 다시 상기 증발기(14)로 유입된다.

상기 제3냉방유로(133)는, 상기 제2증발기 순환유로(72)상에서 상기 증발기(14)의 토출측에서 분기되어 후술하는 제1메인 축열조유로(81)에 연결된다.

상기 제4냉방유로(134)는, 후술하는 제2보조축열조유로(92)에서 분기되어 상기 제1증발기 순환유로(71)상에서 상기 증발기(14)의 입구측으로 합류된다.

상기 제3냉방유로(133)와 상기 제2증발기 순환유로(72)가 연결된 지점에는 제10삼방밸브(140)가 설치되고, 상기 제3냉방유로(133)와 상기 제1메인축열조유로(81)가 연결된 지점에는 제11삼방밸브(141)가 설치된다.

상기 제4냉방유로(134)와 상기 제1증발기 순환유로(71)가 연결된 지점에는 제12삼방밸브(142)가 설치되고, 상기 제4냉방유로(134)와 상기 제2보조축열조유로(92)가 연결된 지점에는 제13삼방밸브(143)가 설치된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 히트 펌프(10)의 냉,난방 작동시 유로 전환은 별도의 사방밸브(미도시)등을 통해 이루어지는 것도 물론 가능하다.

상기 증발기(14)의 입구측에는 상기 증발기(14)로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 증발기 입구온도센서(33)가 설치된다. 상기 증발기(14)의 출구측에는 상기 증발기(14)로부터 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 증발기 출구온도센서(34)가 설치된다.

상기 응축기(12)에는 제1,2응축기 순환유로(15)(16)가 연결된다. 상기 제1,2응축기 순환유로(15)(16)에는 상기 응축기(12)를 냉각시키기 위한 열매체가 통과한다. 상기 열매체는 물 등의 유체가 사용될 수 있고, 냉각수라고도 한다.

상기 제1응축기 순환유로(15)에는 후술하는 제2메인축열조유로(82)와 제2보조축열조유로(92)가 연결된다. 상기 제1응축기 순환유로(15)와 상기 제2메인축열조유로(82)와 제2보조축열조유로(92)가 연결된 지점에는 제2삼방밸브(62)가 설치된다.

상기 제2응축기 순환유로(16)에는 후술하는 제1메인축열조유로(81)와 제1보조축열조유로(91)가 연결된다. 상기 제2응축기 순환유로(16)와 상기 제1메인축열조유로(81)와 제1보조축열조유로(91)가 연결된 지점에는 제1삼방밸브(61)가 설치된다.

또한, 상기 응축기(12)는 상기 해수 열교환기(20)와도 제1,2냉방유로(131)(132)에 의해 연결된다. 즉, 냉방 작동시 상기 해수 열교환기(20)에서 흡수한 냉기가 상기 응축기(12)를 냉각시키는 데 사용되어야 하므로, 상기 응축기(12)는 상기 해수 열교환기(20)와도 제1,2냉방유로(131)(132)에 의해 연결된다. 따라서, 냉방 작동시 상기 해수 열교환기(20)에서 냉기를 흡수한 열매체는 상기 제1냉방유로(131)를 통해 상기 응축기(12)로 유입되어 상기 응축기(12)에서 열교환된 후 다시 상기 제2냉방유로(132)를 통해 상기 해수 열교환기(20)로 순환한다.

상기 제1냉방유로(131)는 상기 제1증발기 순환유로(71)에서 분기되어 상기 응축기(12)의 입구측으로 합류된다.

상기 제2냉방유로(132)는, 상기 응축기(12)의 토출측에서 분기되어 상기 제2증발기 순환유로(72)상에서 상기 해수 열교환기(20)의 입구측에 합류된다.

상기 제1냉방유로(131)와 상기 제1증발기 순환유로(71)가 연결되는 지점에는 제7삼방밸브(137)가 설치된다.

상기 제2냉방유로(132)와 상기 제2증발기 순환유로(72)가 연결되는 지점에는 제8삼방밸브(138)가 설치된다.

상기 제2냉방유로(132)와 상기 제2응축기 순환유로(16)가 연결되는 지점에는 제9삼방밸브(138)가 설치된다.

상기 응축기(12)의 입구측에는 상기 응축기(12)로 유입되는 냉매의 온도를 감지하는 응축기 입구온도센서(31)가 설치된다. 상기 응축기(12)의 출구측에는 상기 응축기(12)로부터 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 응축기 출구온도센서(32)가 설치된다.

상기 메인 축열조(80)는, 상기 히트 펌프(10)에서 발생된 열기 또는 냉기 중 적어도 일부를 흡수하여 열수요처(100)로 전달한다. 즉, 상기 히트 펌프(10)의 난방 작동시 상기 히트 펌프(10)의 응축기(12)에서 발생된 열을 흡수하여 저장하고, 냉방 작동시에는 상기 히트 펌프(10)의 증발기(14)에서 발생된 냉기를 흡수하여 저장한다. 상기 메인 축열조(80)로는 버퍼 탱크가 사용되는 것도 가능한 바, 상기 히트 펌프(10)에서 흡수한 열기 또는 냉기를 상기 열수요처(100)로 전달할 수 있는 것이면 어느 것이나 적용 가능하다.

상기 메인 축열조(80)에는 제1,2메인축열조유로(81)(82)가 연결되고, 상기 제1,2메인축열조유로(81)(82)는 상기 제1,2응축기 순환유로(15)(16)에 연결된다. 상기 제1,2메인축열조유로(81)(82)와 상기 제1,2응축기 순환유로(15)(16)가 각각 연결된 지점에는 제1,2삼방밸브(61)(62)가 설치된다. 상기 제1,2삼방밸브(61)(62)에는 후술하는 제1,2축열조유로(91)(92)도 함께 연결된다. 또한, 상기 메인 축열조(80)는 상기 열수요처(100)와 제3,4메인축열조유로(83)(84)로 연결된다.

상기 제1메인축열조유로(81)에는 상기 메인 축열조(80)로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 축열조 유량제어부가 구비된다. 상기 축열조 유량제어부는, 상기 메인 축열조(80)의 입구측에 설치된 축열조 가변유량펌프(85)이다. 상기 가변유량펌프(85)는 후술하는 제어부에 의해 작동이 제어된다. 본 실시예에서는, 상기 메인 축열조(80)의 입구측에만 가변유량펌프가 설치된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 보조 축열조(80)의 입구측에도 가변유량펌프가 설치되는 것도 물론 가능하다.

상기 보조 축열조(90)는, 상기 히트 펌프(10)에서 흡수한 열기 또는 냉기 중 상기 메인 축열조(80)에서 흡수한 것 이외의 나머지를 저장하는 열저장탱크이다. 즉, 상기 히트 펌프(10)의 난방 작동시 상기 히트 펌프(10)의 응축기(12)에서 발생된 열을 흡수하여 저장하고, 냉방 작동시에는 상기 히트 펌프(10)의 증발기(14)에서 발생된 냉기를 흡수하여 저장한다.

상기 보조 축열조(90)에는 제1,2축열조유로(91)(92)가 연결되고, 상기 제1,2보조축열조유로(91)(92)는 상기 제1,2삼방밸브(61)(62)에 연결된다. 상기 제1,2보조축열조유로(91)(92)에는 유량계(95)가 설치된다. 또한, 상기 보조 축열조(90)는 상기 열수요처(100)와 제3,4축열조유로(93)(94)로 연결된다.

상기 열수요처(100)는 복수개가 구비될 수 있는 바, 본 실시예에서는 2개의 제1,2열수요처(101)(102)가 구비된 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2열수요처(101)(102)에는 제1,2,3,4열수요처유로(111)(112)(113)(114)가 연결된다. 상기 제3메인축열조유로(83)와 상기 제4축열조유로(94)는 제5열수요처유로(115)로 합류되고, 합류되는 지점에는 제3삼방밸브(63)가 설치된다. 상기 제5열수요처유로(115)가 상기 제1,2열수요처유로(111)(112)로 분기되는 지점에는 제4삼방밸브(64)가 설치된다. 상기 제3,4열수요처유로(113)(114)가 합류되는 지점에는 제5삼방밸브(65)가 설치되고, 상기 제3,4열수요처유로(113)(114)는 제6열수요처유로(116)로 합류된다. 상기 제6열수요처유로(116)가 상기 제4메인축열조유로(84)와 상기 제3축열조유로(83)로 분기되는 지점에는 제6삼방밸브(66)가 설치된다.

상기 제5열수요처유로(115)에는 상기 열수요처(100)로 공급되는 유량을 제어하기 위한 열수요처 펌프(117)가 설치된다.

상기 히트펌프 시스템은, 상기 해수 취수온도센서(23)와 상기 해수 배수온도센서(24)에서 각각 감지된 온도차에 따라 상기 제1해수펌프(1)의 작동을 제어하는 제어부(200)를 더 포함한다. 상기 제어부(200)는, 난방운전시, 상기 응축기 입구온도센서(31)와 상기 응축기 출구온도센서(32)에서 각각 감지된 온도차에 따라 상기 축열조 가변유량펌프(85)의 작동도 제어한다. 또한, 상기 제어부(200)는, 난방 운전시, 상기 증발기 입구온도센서(33)와 상기 증발기 출구온도센서(34)에서 각각 감지된 온도차에 따라 상기 해수열교환기 가변유량펌프(73)의 작동도 제어한다. 한편, 상기 제어부(200)는 냉방운전시, 상기 증발기 입구온도센서(33)와 상기 증발기 출구온도센서(34)에서 각각 감지된 온도차에 따라 상기 축열조 가변유량펌프(83)의 작동도 제어한다. 또한, 상기 제어부(200)는, 난방운전시, 상기 응축기 입구온도센서(31)와 상기 응축기 출구온도센서(32)에서 각각 감지된 온도차에 따라 상기 해수열교환기 가변유량펌프(84)의 작동도 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 히트펌프 시스템의 난방 작동시에 대해 설명한다.

해수는 상기 해수 저장부(50), 상기 여과기(40), 상기 해수 열교환기(20)를 차례로 통과한 후 다시 바다로 배출된다.

상기 해수 열교환기(20)에서는 해수와 상기 제1,2증발기 순환유로(71)(72)를 순환하는 열매체와의 열교환이 이루어진다. 상기 해수의 열을 흡수한 열매체는 상기 증발기(14)로 열을 전달한다.

상기 증발기(14)로 전달된 열은 상기 히트 펌프(10)를 순환하는 냉매에 전달되고, 상기 응축기(10)에서의 열교환을 통해 상기 제2응축기순환유로(16)를 통과하는 열매체에 전달된다.

상기 응축기(10)를 통과하면서 열을 흡수한 열매체 중 적어도 일부는 상기 메인 축열조(80)로 유입되고, 나머지는 상기 보조 축열조(90)로 유입된다.

상기 메인 축열조(80)에서 흡수한 열은 상기 열수요처(100)로 공급되고, 상기 보조 축열조(90)에서 흡수한 열은 일시 저장된다. 이 때, 상기 보조 축열조(90)의 열도 상기 열수요처(100)로 함께 공급되는 것도 물론 가능하다. 본 실시예에서는, 난방 부하가 작거나 상기 히트 펌프(10)의 미작동시 상기 보조 축열조(90)의 열이 상기 열수요처(100)로 공급되는 것으로 설명한다.

한편, 도 3을 참조하면, 상기 열수요처(100)의 난방 부하가 설정 부하 미만이거나 상기 히트 펌프(10)나 상기 해수 열교환기(20)의 정비시 난방 부하가 있는 경우에 대해 설명한다.

상기 제1해수펌프(1)의 작동이 정지되어, 해수가 유입되지 않고, 상기 히트 펌프(10), 상기 메인 축열조(80)의 작동도 정지되는 것으로 설명한다.

이 때, 상기 보조 축열조(90)에 저장된 열이 상기 열수요처(100)로 공급될 수 있다. 즉, 상기 제3삼방밸브(63)가 상기 제3메인축열조유로(83)는 차단하고, 상기 제4축열조유로(94)를 개방하여, 상기 보조 축열조(90)에 저장된 난방수가 상기 열수요처(100)로 공급될 수 있다.

상기 열수요처(100)에서 사용되고 나온 난방수는 다시 상기 제6삼방밸브(66)를 통해 상기 보조 축열조(90)로 배출된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 상기 히트 펌프(10)에서 발생된 열기를 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 분배함으로써, 상기 히트 펌프(10)나 상기 해수 열교환기(20)의 미작동시에도 상기 열수요처(100)에 열원을 공급할 수 있다.

한편, 도 4 참조하여, 본 발명에 따른 히트 펌프 시스템의 냉방 작동시에 대해 설명한다.

여름철 등 냉방이 필요한 경우, 해수의 온도는 대기의 온도보다 낮기 때문에, 해수의 냉기를 이용하여 열수요처에 공급할 수 있다.

상기 해수 열교환기(20)에서 해수와 열매체의 열교환이 이루어진다. 이 때, 해수의 온도가 낮기 때문에, 상기 열매체가 해수의 냉기를 흡수한다.

상기 해수 열교환기(20)에서 열교환을 통해 해수의 냉기를 흡수한 열매체는 상기 제1냉방유로(131)를 통해 상기 응축기(12)로 유입된다.

상기 응축기(12)로 유입된 열매체는 상기 응축기(12)를 냉각시킨 후, 상기 제2냉방유로(132)를 통해 다시 상기 해수 열교환기(20)로 순환한다.

상기 증발기(14)에서는 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)로부터 공급되는 열매체와 냉매와의 열교환이 이루어진다. 상기 증발기(14)에서 열교환되어 냉각된 상기 열매체는 상기 제3냉방유로(133)를 통해 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)로 다시 유입된다. 따라서, 상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 냉기가 저장될 수 있다.

상기 메인 축열조(80)와 상기 보조 축열조(90)에 저장된 냉기는 상기 열수요처(100)의 부하에 따라 상기 열수요처(100)에 선택적으로 공급될 수 있다. 즉, 난방 작동시와 마찬가지로 상기 열수요처(100)의 냉방 부하가 설정 부하 이상일 경우, 상기 메인 축열조(80)의 냉기를 공급하고, 상기 열수요처(100)의 냉방 부하가 설정 부하미만이거나 상기 히트 펌프(10)의 미작동시에는 상기 보조 축열조(90)의 냉기를 상기 열수요처(100)에 공급할 수 있다.

상기와 같이, 난방 작동시에는 해수의 열기를 이용해 열수요처를 난방시키고, 냉방 작동시에는 해수의 냉기를 이용해 열수요처를 냉방시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 해수열원 히트펌프 시스템의 제어방법을 설명한다.

먼저, 도 7을 참조하여, 난방작동시 제어방법에 대해 설명한다.

상기 해수 취수온도센서(23)와 상기 해수 배수온도센서(24)로부터 해수의 취수온도와 배수온도를 측정한다. 또한, 상기 응축기 입구온도센서(31)와 상기 응축기 출구온도센서(32)로부터 상기 응축기(12)의 입구온도와 출구온도를 측정한다. 또한, 상기 증발기 입구온도센서(33)와 상기 증발기 출구온도센서(34)로부터 상기 증발기(14)의 입구온도와 출구온도를 측정한다. (S10)

상기 제어부(200)는, 상기 해수의 취수온도와 배수온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상인지 여부를 판단한다. (S11)

상기 해수 열교환기(20)에서 열교환되면서 냉각된 해수의 온도가 과도하게 낮을 경우, 상기 해수의 취수온도와 배수온도의 차이가 설정값 이상이 된다. 과도하게 낮아진 저온의 해수를 바다로 배수할 경우, 바다의 환경이 파괴될 우려가 있다. 상기 제어부(200)는 상기 제1해수펌프(1)의 작동을 제어하여, 바다로부터 유입되는 해수의 취수 유량을 증가시킨다.(S12)(S13)

상기 해수의 취수 유량이 증가되면, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 유량이 증가되고, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 온도변화가 줄어들게 된다. 따라서, 상기 해수의 배수온도가 높아지게 되므로, 배수되는 해수에 의한 바다 환경의 파괴를 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이를 미리 설정된 설정값과 비교한다.(S14)

상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 설정값 이상이면, 상기 응축기(12)를 통과한 냉매가 과냉각 상태가 된다. 따라서, 상기 축열조 가변유량펌프(85)의 작동을 제어하여, 상기 응축기(12)를 냉각하는 열매체의 유량을 감소시킨다. 상기 응축기(12)로 유입되는 열매체의 유량이 감소되면, 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 감소될 수 있다. (S15)(S26)

또한, 상기 제어부(200)는 상기 증발기(14)의 입구 온도와 출구 온도의 차이를 미리 설정된 설정값과 비교한다.(S17)

상기 증발기(14)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 설정값 이상이면, 상기 해수열교환기 가변유량펌프(73)의 작동을 제어하여, 상기 증발기(14)에 열기를 공급하는 열매체의 유량을 감소시킨다. 상기 증발기(14)로 유입되는 열매체의 유량이 감소되면, 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 감소될 수 있다. (S18)(S19)

상기 증발기(14)를 통과하는 열매체의 온도변화가 감소되면, 상기 해수 열교환기(20)에서의 열교환율이 줄어든다. 상기 해수 열교환기(20)에서 열교환율이 줄어들면, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 취수온도와 배수온도의 차이도 감소할 수 있다. 따라서, 해수의 취수온도와 배수온도의 차이로 인한 바다 환경 파괴를 최소화할 수 있다.

도 8을 참조하여, 냉방작동시 제어방법에 대해 설명한다.

상기 해수 취수온도센서(23)와 상기 해수 배수온도센서(24)로부터 해수의 취수온도와 배수온도를 측정한다. 또한, 상기 응축기 입구온도센서(31)와 상기 응축기 출구온도센서(32)로부터 상기 응축기(12)의 입구온도와 출구온도를 측정한다. 또한, 상기 증발기 입구온도센서(33)와 상기 증발기 출구온도센서(34)로부터 상기 증발기(14)의 입구온도와 출구온도를 측정한다. (S20)

상기 제어부(200)는, 상기 해수의 취수온도와 배수온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상인지 여부를 판단한다. (S21)

냉방작동시 해수의 온도가 낮기 때문에, 상기 해수 열교환기(20)에서 해수는 열교환하면서 냉기를 전달하고 열을 흡수한다. 상기 해수 열교환기(20)에서 열교환되면서 가열된 해수의 온도가 과도하게 높을 경우, 상기 해수의 취수온도와 배수온도의 차이가 설정값 이상이 된다. 온도가 과도하게 높아진 고온의 해수를 바다로 배수할 경우, 바다의 환경이 파괴될 우려가 있다. 상기 제어부(200)는 상기 제1해수펌프(1)의 작동을 제어하여, 바다로부터 유입되는 해수의 취수 유량을 증가시킨다.(S22)(S23)

상기 해수의 취수 유량이 증가되면, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 유량이 증가되고, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 온도변화가 줄어들게 된다. 따라서, 상기 해수의 배수온도가 낮아지게 되므로, 배수되는 해수에 의한 바다 환경의 파괴를 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이를 미리 설정된 설정값과 비교한다.(S24)

상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 설정값 이상이면, 상기 응축기(12)를 통과한 냉매가 과냉각 상태가 된다. 냉방 작동시 상기 응축기(12)를 냉각시키는 열매체는 상기 해수 열교환기(20)를 통해 유입되므로, 상기 해수열교환기 가변유량펌프(73)의 작동을 제어하여, 상기 응축기(12)를 냉각하는 열매체의 유량을 감소시킨다. 상기 응축기(12)로 유입되는 열매체의 유량이 감소되면, 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 감소될 수 있다. (S25)(S26)

상기 응축기(12)를 통과하는 열매체의 온도변화가 감소되면, 상기 해수 열교환기(20)에서의 열교환율이 줄어든다. 상기 해수 열교환기(20)에서 열교환율이 줄어들면, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 취수온도와 배수온도의 차이도 감소할 수 있다. 따라서, 해수의 취수온도와 배수온도의 차이로 인한 바다 환경 파괴를 최소화할 수 있다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 증발기(14)의 입구 온도와 출구 온도의 차이를 미리 설정된 설정값과 비교한다.(S27)

상기 증발기(14)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 설정값 이상이면, 상기 축열조 가변유량펌프(85)의 작동을 제어하여, 상기 증발기(14)에 열기를 공급하는 열매체의 유량을 감소시킨다. 상기 증발기(14)로 유입되는 열매체의 유량이 감소되면, 상기 응축기(12)의 입구 온도와 출구 온도의 차이가 감소될 수 있다. (S28)(S29)

상기와 같이, 상기 해수 열교환기(20)를 통과하는 해수의 취수온도와 배수온도의 차이에 따라 상기 해수 열교환기(20)로 유입되는 취수유량을 변화시킴으로써, 해수의 배수온도 조절이 가능하여 해수의 배수시 발생될 수 있는 바다 환경의 파괴를 최소화시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 제1해수 펌프 10: 히트 펌프
12: 응축기 14: 증발기
20: 해수 열교환기 23: 해수 취수온도센서
24: 해수 배수온도센서 31: 응축기 입구온도센서
32: 응축기 출구온도센서 33: 증발기 입구온도센서
34: 증발기 출구온도센서 73: 해수열교환기 가변유량펌프
80: 메인 축열조 90: 보조 축열조
85: 축열조 가변유량펌프 200: 제어부

Claims

해수의 열기 또는 냉기를 흡수하는 해수 열교환기와;
상기 해수 열교환기에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받는 히트 펌프와;
상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 해수 유량제어부와;
상기 히트 펌프에 구비되고 냉매를 응축시키는 응축기와;
상기 히트 펌프의 난방 작동시, 상기 응축기에서 열기를 흡수하여 저장하는 축열조와,
상기 응축기와 상기 축열조를 연결하는 유로 상에 설치되어, 상기 응축기에서 상기 축열조로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 축열조 유량제어부와;
상기 해수 열교환기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수 유량제어부의 작동을 제어하여 해수의 취수유량을 제어하고, 난방 작동시 상기 응축기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 축열조 유량제어부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
해수의 열기 또는 냉기를 흡수하는 해수 열교환기와;
상기 해수 열교환기에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받는 히트 펌프와;
상기 히트 펌프에 구비된 증발기와;
상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 해수 유량제어부와;
상기 해수 열교환기와 상기 증발기를 연결하는 유로 상에 설치되어, 상기 해수 열교환기에서 상기 증발기로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 해수열교환기 유량제어부와;
상기 해수 열교환기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수 유량제어부의 작동을 제어하여 해수의 취수유량을 제어하고, 난방 작동시 상기 증발기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수열교환기 유량제어부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 취수온도를 측정하는 해수 취수온도센서와;
상기 해수 열교환기에서 열교환된 후 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 해수 배수온도센서를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 해수 취수온도센서와 상기 해수 배수온도센서에서 각각 감지된 온도의 차에 따라 상기 해수 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 히트 펌프의 냉방 작동시, 상기 해수 열교환기와 상기 응축기를 연결하는 유로 상에 설치되어, 상기 해수 열교환기에서 상기 응축기로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 해수열교환기 유량제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 냉방 작동시 상기 응축기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수열교환기 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 응축기의 입구 온도를 측정하는 응축기 입구온도센서와,
상기 응축기의 출구 온도를 측정하는 응축기 출구온도센서를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 응축기 입구온도센서와 상기 응축기 출구온도센서의 차이에 따라 상기 축열조 유량제어부와 상기 해수열교환기 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 히트 펌프에 구비된 증발기와,
상기 해수 열교환기와 상기 증발기를 연결하는 유로 상에 설치되어, 상기 해수열교환기에서 상기 증발기로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 해수열교환기 유량제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 난방 작동시 상기 증발기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수열교환기 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 히트 펌프의 냉방 작동시, 상기 증발기에서 냉기를 흡수하여 저장하는 축열조와,
상기 증발기와 상기 축열조를 연결하는 유로 상에 설치되어, 상기 증발기에서 상기 축열조로 유입되는 열매체의 유량을 제어하는 축열조 유량제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 냉방 작동시 상기 증발기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 축열조 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 증발기의 입구온도를 감지하는 증발기 입구온도센서와,
상기 증발기의 출구온도를 감지하는 증발기 출구온도센서를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 증발기 입구온도센서와 상기 증발기 출구온도센서의 차이에 따라 상기 축열조 유량제어부와 상기 해수열교환기 유량제어부의 작동을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 해수 유량제어부는, 해수를 상기 해수 열교환기로 공급하는 해수 공급유로에 설치된 해수 가변유량펌프를 포함하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
상기 축열조 유량제어부는, 상기 축열조의 입구측에 설치된 가변유량펌프를 포함하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
상기 해수열교환기 유량제어부는, 상기 증발기의 입구측에 설치된 가변유량펌프를 포함하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
상기 축열조는,
상기 히트 펌프에서 발생된 열기 또는 냉기를 흡수하여 저장하는 메인 축열조와,
상기 히트 펌프에서 발생된 열기 또는 냉기 중 나머지를 흡수하여 저장하는 보조 축열조를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 히트 펌프의 부하에 따라 상기 메인 축열조와 상기 보조 축열조 중 적어도 일측의 열이 열 수요처로 공급되도록 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
해수의 열기 또는 냉기를 흡수하는 해수 열교환기와;
상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 취수온도와 상기 해수 열교환기에서 열교환된 후 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 해수 온도센서와;
상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 제어하는 해수 가변유량펌프와;
상기 해수 열교환기에서 흡수한 열기 또는 냉기를 전달받는 응축기와 증발기를 포함하는 히트 펌프와;
상기 응축기의 입구와 출구 온도를 측정하는 응축기 온도센서와;
상기 증발기의 입구와 출구 온도를 측정하는 증발기 온도센서와;
난방 작동시 상기 응축기에서 발생된 열기를 흡수하고, 냉방 작동시 상기 증발기에서 발생된 냉기를 흡수하는 축열조와;
냉, 난방 작동시 상기 해수 열교환기의 입,출구측 온도차에 따라 상기 해수 가변유량펌프의 작동을 제어하여 해수의 취수유량을 제어하고, 난방 작동시 상기 응축기의 입,출구측 온도에 따라 상기 응축기와 상기 축열조를 순환하면서 상기 응축기를 냉각시키는 냉각수의 유량을 제어하고, 상기 증발기의 입,출구측 온도에 따라 상기 증발기와 상기 해수열교환기를 순환하면서 상기 증발기에 열기를 제공하는 열수의 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 해수열원 히트펌프 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 제어부는, 냉방 작동시 상기 응축기의 입,출구측 온도에 따라 상기 응축기와 상기 해수열교환기를 순환하면서 상기 응축기를 냉각시키는 냉각수의 유량을 제어하고, 상기 증발기의 입,출구측 온도에 따라 상기 증발기와 상기 축열조를 순환하면서 상기 증발기에 열기를 제공하는 열수의 유량을 제어하는 해수 취수량 제어를 이용한 해수열원 히트펌프 시스템.
해수 열교환기로 취수되는 해수의 취수온도와 상기 해수 열교환기로부터 바다로 배수되는 해수의 배수온도를 측정하는 단계와;
상기 해수의 취수온도와 상기 배수온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상이면, 상기 해수 열교환기로 취수되는 해수의 유량을 증가시키는 단계를 포함하는 해수열원 히트펌프 시스템의 제어방법.
청구항 15에 있어서,
히트 펌프의 응축기의 입구 온도와 출구 온도를 각각 측정하는 단계와,
상기 응축기의 입구온도와 출구온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상이면, 상기 응축기를 순환하는 냉각수의 유량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 해수열원 히트 펌프 시스템의 제어방법.
청구항 15에 있어서,
히트 펌프의 증발기의 입구 온도와 출구 온도를 각각 측정하는 단계와,
상기 증발기의 입구온도와 출구온도의 차이가 미리 설정된 설정값 이상이면, 상기 증발기를 순환하는 열수의 유량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 해수열원 히트펌프 시스템의 제어방법.