KR101604418B1 - 급탕 기능을 구비하는 히트펌프식 냉난방 시스템 - Google Patents

급탕 기능을 구비하는 히트펌프식 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입수라인에서 공급된 물을 냉각 또는 가열하여 출수라인을 통해 냉수 또는 온수를 배출하는 히트펌프와, 상기 출수라인에서 분기된 제1분기라인에 연결되며 상기 출수라인의 냉수 또는 온수를 이용하여 건물의 실내 공간을 냉난방시키는 실내 냉난방 유닛과, 상기 출수라인에서 분기된 제2분기라인에 연결되며 상기 출수라인의 온수를 저장하는 급탕용 탱크와, 급수라인을 통해 외부에서 공급된 물을 상기 급탕용 탱크 내부의 온수와 열교환시켜 급탕라인으로 공급하는 열교환기와, 상기 실내 냉난방 유닛과 급탕용 탱크의 출측에 각각 연결되며 상기 히트펌프의 입수라인으로 합류하는 제1 및 제2회수라인과, 상기 제1 및 제2분기라인의 사이에 설치되며 상기 제1 및 제2분기라인 측으로의 개도 중 어느 하나를 선택적으로 개방시키는 삼방전동밸브와, 상기 삼방전동밸브에 연결되며 냉난방 모드와 급탕 모드 사이의 전환시 상기 삼방전동밸브에 개도전환신호를 인가하는 컨트롤러를 포함하는 히트펌프식 냉난방 시스템을 개시한다.

Description

급탕 기능을 구비하는 히트펌프식 냉난방 시스템 {HEAT PUMP TYPE COOLING AND HEATING SYSTEM HAVING HOT WATER SUPPLYING FUNCTION}
본 발명은 히트 펌프식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 겨울철은 물론 여름철에도 온수를 생산하여 제공할 수 있도록 급탕 기능이 구비된 히트 펌프식 냉난방 시스템에 관한 것이다.
히트펌프식 냉난방 시스템은 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어진 히트 펌프를 내장하여 냉방 및 난방이 이루어지는 시스템을 말한다. 여름철에는 냉동 사이클의 저압측에서의 열흡수를 활용하여 냉방을 수행하고, 겨울철에는 역사이클로 전환시켜 고압측에서의 방출열을 활용함으로써 난방을 수행하게 된다.
이와 같은 구성의 히트펌프식 냉난방 시스템은 냉동 사이클 또는 그 역사이클의 운전을 통해 실내에 대한 냉방 및 난방 기능을 수행할 뿐 급탕공급기능을 갖지 못하여 그 범용성이 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 히트펌프식 냉난방 시스템의 문제점을 해결하기 위해 히트펌프식 냉난방 시스템에 급탕 기능을 추가하여 급탕 기능까지 제공하는 냉난방 시스템 기술이 개발되고 있으며, 이러한 기술들은 아래의 선행기술문헌에 개시된 바와 같이 다양한 형태로서 제안되고 있다.
이에 따르면 한 대의 히트펌프를 이용하여 냉방, 난방 및 급탕기능이 제공되기 기술이 제안되고 있는데, 이를 위해서는 히트펌프에 연결된 배관 시스템이 복잡해지게 되며, 이로 인해 설치시간이 길고 설치면적이 커지게 되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 급탕 기능이 갖는 히트펌프식 냉난방 시스템에서 배관 시스템을 단순화시키는 것은 매우 중요한 사항이라 할 것이다. 또한 냉난방 및 급탕을 혼용함에 있어서 급탕 공급이 원활히 이루어지지 않거나 급탕시 냉난방 효율이 떨어지지 않도록 각 기능이 원활히 이루어지게 하는 것 또한 매우 중요하다.
등록실용신안공보 제20-0390333호 (2005.07.11) 등록특허공보 제10-08666737호 (2008.11.03) 등록특허공보 제10-0926808호 (2009.11.06)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 종래 기술에 비해 단순한 배관 시스템을 가지면서도 급탕 기능 및 냉난방 기능이 원활히 이루어질 수 있는 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 입수라인에서 공급된 물을 냉각 또는 가열하여 출수라인을 통해 냉수 또는 온수를 배출하는 히트펌프와, 상기 출수라인에서 분기된 제1분기라인에 연결되며 상기 출수라인의 냉수 또는 온수를 이용하여 건물의 실내 공간을 냉난방시키는 실내 냉난방 유닛과, 상기 출수라인에서 분기된 제2분기라인에 연결되며 상기 출수라인의 온수를 저장하는 급탕용 탱크와, 급수라인을 통해 외부에서 공급된 물을 상기 급탕용 탱크 내부의 온수와 열교환시켜 급탕라인으로 공급하는 열교환기와, 상기 실내 냉난방 유닛과 급탕용 탱크의 출측에 각각 연결되며 상기 히트펌프의 입수라인으로 합류하는 제1 및 제2회수라인과, 상기 제1 및 제2분기라인의 사이에 설치되며 상기 제1 및 제2분기라인 측으로의 개도 중 어느 하나를 선택적으로 개방시키는 삼방전동밸브와, 상기 삼방전동밸브에 연결되며 냉난방 모드와 급탕 모드 사이의 전환시 상기 삼방전동밸브에 개도전환신호를 인가하는 컨트롤러를 포함하는 히트펌프식 냉난방 시스템을 개시한다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템에 따르면, 상기 컨트롤러는 난방 모드에서 급탕 모드로 전환시 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키도록 구성된다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템에 따르면, 상기 컨트롤러는 냉방 모드에서 급탕 모드로 전환시 상기 출수라인의 물이 냉수에서 온수로 전환되도록 상기 히트펌프를 제어함과 아울러 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키도록 구성된다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템은 상기 급수라인 또는 급탕용 탱크에 설치된 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 온도센서에서 측정된 온도와 기설정온도를 비교하여 상기 삼방전동밸브의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템은 상기 급수라인에 설치된 플로우 스위치를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 플로우 스위치의 신호를 근거로 상기 삼방전동밸브의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템에 따르면, 상기 열교환기는 상기 급탕용 탱크 내에 설치된 코일형 열교환기의 형태를 갖거나, 상기 급탕용 탱크의 외부에서 상기 급탕용 탱크와 연결된 판형 열교환기의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템에 따르면, 상기 컨트롤러는 겨울철 난방모드에서 제상운전모드로의 전환시 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키도록 구성 가능하다.
본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템은 상기 실내 냉난방 유닛의 냉난방 공간에 설치된 습도센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 습도센서에서 측정된 습도값이 기설정치 이상이면 상기 출수라인의 물 온도가 냉난방 모드시의 온도와 다른 제습운전용 온도값을 갖도록 상기 히트펌프를 제어할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 실내 냉난방 유닛 측의 제1분기라인과 급탕용 탱크 측의 제2분기라인 사이에 삼방전동밸브를 설치하고 삼방전동밸브의 개도 전환을 통해 냉난방 모드와 급탕 모드가 자동으로 전환되도록 구성함으로써, 단순화된 배관 구조를 가지하면서도 급탕 및 냉난방 기능이 원활히 동작되는 히트펌프식 냉난방 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도.
이하, 본 발명과 관련된 급탕 기능을 구비하는 히트펌프식 냉난방 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도이다.
본 실시예의 히트펌프식 냉난방 시스템은 히트펌프(110), 실내 냉난방 유닛(120), 급탕용 탱크(130), 열교환기(140), 삼방전동밸브(150), 컨트롤러(160) 등을 포함한다.
히트펌프(110)는 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어진 냉동 사이클에서 냉매가 흐르면서 발생하는 냉매의 흡열 또는 방열을 이용하여 입수라인(1)에서 공급된 물을 냉각하거나 가열한다. 즉, 여름철에는 냉동 사이클의 저압측에서 물을 냉각시켜 히트펌프(110)의 출수라인(2)을 통해 냉수를 배출하고, 겨울철에는 역사이클로 전환시켜 고압측에서 물을 가열시킴으로써 출수라인(2)을 통해 온수를 배출한다. 컨트롤러(160)는 히트펌프(110)가 냉방 모드와 난방 모드에서 기설정된 온도(예를 들면, 냉방시 7℃, 난방시 55℃)의 물을 배출하거나 오퍼레이터가 조절하여 세팅한 온도의 물을 배출하도록 히트펌프(110)를 제어한다. 히트펌프(110)의 출수라인(2)은 제1분기라인(3)과 제2분기라인(4)으로 분기된다.
실내 냉난방 유닛(120)은 제1분기라인(3)에 연결되며, 출수라인(2)의 냉수 또는 온수를 이용하여 건물의 실내 공간을 냉난방시킨다. 실내 냉난방 유닛(120)은 공기 조화를 위한 팬 코일 유닛(121)이나 건물의 바닥을 가열시키는 바닥배관(122)의 형태를 가질 수 있다. 제1분기라인(3)은 팬 코일 유닛(121)과 바닥 배관(122) 측으로 분기될 수 있으며, 각 분기라인(9,10)에는 각 라인을 개폐하는 전동밸브(125,126)가 설치될 수 있다. 컨트롤러(160)는 전동밸브(125,126)의 개도를 제어하여 여름철에는 팬 코일 유닛(121)을 동작시키고 겨울철에 바닥 배관(122)을 동작시킬 수 있다. 물론 각 전동밸브(125,126)를 개방 동작시켜 팬 코일 유닛(121)과 바닥 배관(122)을 동시에 동작시키는 것도 가능하다 할 것이다.
실내 냉난방 유닛(120)의 출측에는 열교환 후의 물이 이동하는 제1회수라인(5)이 연결되며, 제1회수라인(5)은 히트펌프(110)의 입수라인(1)으로 합류하여 물의 순환이 이루어질 수 있도록 한다. 히트 펌프(110)에는 물의 순환을 위한 구동력을 발생시키는 펌프(115)가 내장될 수 있다.
급탕용 탱크(130)는 제2분기라인(4)에 연결되며, 출수라인(2)을 통해 공급된 온수를 저장한다. 급탕용 탱크(130)의 출측에는 제2회수라인(6)이 연결되며, 이는 제1회수라인(5)과 함께 히트펌프(110)의 입수라인(1)으로 합류된다.
열교환기(140)는 급수라인(7, 외부입수라인)을 통해 외부에서 공급된 물을 급탕용 탱크(130) 내부의 온수와 열교환시켜 급탕라인(8)으로 공급하는 기능을 한다. 급수라인(7)은 물탱크나 수도 라인에 연결될 수 있으며, 급탕라인(8) 단부는 샤워기나 수도꼭지 등에 연결되어 사용자에게 온수가 제공될 수 있도록 한다.
열교환기(140)는 본 실시예와 같이 급탕용 탱크(140) 내에 설치된 코일형 열교환기의 형태를 가질 수 있으며, 이러한 경우 열교환기(140)의 입측은 급수라인(7)에, 출측은 급탕라인(8)에 각각 연결된다. 급수라인(7)을 통해 공급된 상온의 물은 급탕용 탱크(130) 내의 55℃ 물과 열교환하여 45 ~ 50℃의 온도로 가열되어 급탕라인(8)을 거쳐 샤워기 등을 통해 배출된다.
삼방전동밸브(150)는 그 입출구가 히트펌프(110)의 출수라인(2), 제1분기라인(3), 제2분기라인(4)에 연결되며, 제어신호에 의해 동작되어 제1 및 제2분기라인(3,4) 측으로의 개도 중 어느 하나를 선택적으로 개방시킨다. 삼방전동밸브(150)의 동작에 따라 출수라인(2)의 물이 제1분기라인(3)과 제2분기라인(4) 중 어느 하나로 선택적으로 흐르게 된다. 물이 제1분기라인(3)으로 흐르는 경우 냉난방 모드가 되고, 제2분기라인(4)으로 흐르는 경우 급탕 모드가 된다. 본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템은 기설정된 특정 조건의 충족(예를 들면, 급탕 온도가 기준치보다 내려가는 경우)시 냉난방 모드와 급탕 모드가 자동으로 전환되도록 구성된다.
컨트롤러(160)는 삼방전동밸브(150)에 연결되며, 냉난방 모드와 급탕 모드 사이의 전환시 삼방전동밸브(150)에 개도전환신호를 인가한다.
예를 들어 현재의 모드가 겨울철 난방 모드인 경우 컨트롤러(160)는 출수라인(2)에서 온수가 나오도록 히트펌프(110)를 제어한다. 그리고 컨트롤러(160)는 삼방전동밸브(150)의 개도가 제1분기라인(3) 측으로 개방되도록 한다. 이 상태에서 급탕 모드로 전환되는 경우 컨트롤러(160)는 삼방전동밸브(150)의 개도를 제1분기라인(3) 측에서 제2분기라인(4) 측으로 전환시킨다.
아울러 현재의 모드가 여름철 냉방 모드인 경우 컨트롤러(160)는 출수라인(2)에서 냉수가 나오도록 히트펌프(110)를 제어하며, 삼방전동밸브(150)의 개도가 제1분기라인(3) 측으로 개방되도록 한다. 이 상태에서 급탕 모드로 전환되는 경우 컨트롤러(160)는 출수라인(2)의 물이 냉수에서 온수로 전환되도록 히트펌프(110)를 제어함과 아울러 삼방전동밸브(150)의 개도를 제1분기라인(3) 측에서 제2분기라인(4) 측으로 전환시킨다.
한편, 급탕라인(8)에는 사용자에게 공급되는 온수의 온도를 센싱하는 온도센서(170)가 설치될 수 있고, 컨트롤러(160)는 온도센서(170)에서 측정된 온도와 기설정된 온도를 비교하여 삼방전동밸브(150)의 동작을 제어한다. 예를 들어 온도센서(170)에서 측정된 온도가 기설정된 온도보다 낮은 경우 급탕용 탱크(130)로의 온수 공급이 필요한 것으로 판단하여 냉난방 모드에서 급탕 모드로 전환되도록 할 수 있다. 본 실시예에서는 온도센서(170)를 급탕라인(8)에 설치한 것을 예시하고 있으나, 온도센서(170)를 급탕용 탱크(130)에 설치하는 것도 가능하다.
냉난방 모드와 급탕 모드 사이의 자동 전환을 위한 구성으로 이상과 같은 온도센서(170)를 이용한 구성 뿐만 아니라 플로우 스위치를 이용한 구성도 가능하다. 구체적으로, 플로우 스위치를 급탕라인(8)에 설치하여 급탕라인(8)에 물이 흐르는 것을 감지할 수 있으며, 컨트롤러(160)는 플로우 센서로부터 감지신호가 인가되면 냉난방 모드에서 급탕 모드로 전환되도록 삼방전동밸브(150)의 동작을 제어한다. 이러한 구성의 경우 사용자가 샤워기나 수도꼭지를 열면 냉난방 모드에서 급탕 모드로 자동으로 전환되었다가 온수 공급이 중단되면 다시 냉난방 모드로 전환될 수 있다.
한편 본 발명의 히트펌프식 냉난방 시스템은 겨울철 난방모드에서 제상운전이 가능하게 구성될 수 있다. 제상운전은 겨울철 난방모드에서 실외기에 서리가 발생하는 않도록 냉방모드로 운전되는 것을 말한다. 이러한 제상운전모드는 기설정된 시간 간격으로 짧은 시간동안 동작될 수 있다.
이와 같이 난방모드에서 제상운전모드로 전환시 출수라인(2)에서 나오는 물은 냉수가 되며, 컨트롤러(160)는 제상운전모드에서 삼방전동밸브(150)의 개도를 제1분기라인(3) 측에서 제2분기라인(4) 측으로 전환시켜 냉수가 실내 냉난방 유닛(120)으로 유입되는 것을 방지한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도이다.
본 실시예는 앞선 실시예의 구성에 습도센서(180)가 추가로 구비된 구성을 갖는 히트펌프식 냉난방 시스템을 예시하고 있다. 습도센서(180)는 실내 냉난방 유닛(120)의 냉난방 공간에 설치되며, 냉난방 공간의 습도를 감지하여 컨트롤러(160)로 전송한다.
컨트롤러(160)는 습도센서(180)에서 측정된 습도값이 기설정치 이상이면 제습운전모드를 동작시킨다. 제습운전모드시 컨트롤러(160)는 출수라인(2)의 물 온도가 냉방 모드시 온도(7℃) 및 난방 모드시 온도(55℃)와 다른 제3의 온도값(제습운전용 온도값: 예를 들어 15℃)을 갖도록 히트펌프(110)를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도이다.
본 실시예는 앞선 실시예와 다른 형태의 열교환기(140)가 적용된 히트펌프식 냉난방 시스템을 예시하고 있다. 본 실시예의 경우 열교환기(140)를 급탕용 탱크(130)의 내부에 설치하지 않고 판형 열교환기를 급탕용 탱크(130)의 외부에 설치하였다.
열교환기(140)는 급탕용 탱크(130)의 외부에서 급탕용 탱크(130)와 연결된다. 열교환기(140)는 급탕용 탱크(130)의 온수가 순환되는 배출라인(11)와 회수라인(12)에 연결되며, 배출라인(11)에는 펌프(190)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따르면 급탕용 탱크(130)에 온수 저장만을 하고, 그 외부에 판형 열교환기를 설치하여 전열 면적을 증대시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 급탕 기능을 구비하는 히트펌프식 냉난방 시스템을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
110: 히트펌프 120: 실내 냉난방 유닛
130: 급탕용 탱크 140: 열교환기
150: 삼방전동밸브 160: 컨트롤러
170: 온도센서 180: 습도센서

Claims (8)

  1. 입수라인에서 공급된 물을 냉각 또는 가열하여 출수라인을 통해 냉수 또는 온수를 배출하는 히트펌프;
    상기 출수라인에서 분기된 제1분기라인에 연결되며, 상기 출수라인의 냉수 또는 온수를 이용하여 건물의 실내 공간을 냉난방시키는 실내 냉난방 유닛;
    상기 실내 냉난방 유닛의 냉난방 공간에 설치된 습도센서;
    상기 출수라인에서 분기된 제2분기라인에 연결되며, 상기 출수라인의 온수를 저장하는 급탕용 탱크;
    급수라인을 통해 외부에서 공급된 물을 상기 급탕용 탱크 내부의 온수와 열교환시켜 급탕라인으로 공급하는 열교환기;
    상기 실내 냉난방 유닛과 급탕용 탱크의 출측에 각각 연결되며, 상기 히트펌프의 입수라인으로 합류하는 제1 및 제2회수라인;
    상기 제1 및 제2분기라인의 사이에 설치되며, 상기 제1 및 제2분기라인 측으로의 개도 중 어느 하나를 선택적으로 개방시키는 삼방전동밸브; 및
    상기 삼방전동밸브에 연결되며, 냉난방 모드와 급탕 모드 사이의 전환시 상기 삼방전동밸브에 개도전환신호를 인가하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 난방 모드에서 급탕 모드로 전환시 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키고, 냉방 모드에서 급탕 모드로 전환시 상기 출수라인의 물이 냉수에서 온수로 전환되도록 상기 히트펌프를 제어함과 아울러 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키며,
    상기 컨트롤러는 겨울철 난방모드에서 제상운전모드로의 전환시 상기 삼방전동밸브의 개도를 상기 제1분기라인 측에서 상기 제2분기라인 측으로 전환시키며,
    상기 컨트롤러는 상기 습도센서에서 측정된 습도값이 기설정치 이상이면 상기 출수라인의 물 온도가 냉난방 모드시의 온도와 다른 제습운전용 온도값을 갖도록 상기 히트펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
  2. 삭제
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  4. 제1항에 있어서,
    상기 급수라인 또는 급탕용 탱크에 설치된 온도센서를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 온도센서에서 측정된 온도와 기설정온도를 비교하여 상기 삼방전동밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급수라인에 설치된 플로우 스위치를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 플로우 스위치의 신호를 근거로 상기 삼방전동밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 급탕용 탱크 내에 설치된 코일형 열교환기의 형태를 갖거나, 상기 급탕용 탱크의 외부에서 상기 급탕용 탱크와 연결된 판형 열교환기의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
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