KR101657664B1 - 이원 히트펌프 냉난방 장치 - Google Patents

이원 히트펌프 냉난방 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101657664B1
KR101657664B1 KR1020160045926A KR20160045926A KR101657664B1 KR 101657664 B1 KR101657664 B1 KR 101657664B1 KR 1020160045926 A KR1020160045926 A KR 1020160045926A KR 20160045926 A KR20160045926 A KR 20160045926A KR 101657664 B1 KR101657664 B1 KR 101657664B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature side
low
condenser
temperature
evaporator
Prior art date
Application number
KR1020160045926A
Other languages
English (en)
Inventor
이도규
Original Assignee
주식회사 신우종합에너지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 신우종합에너지 filed Critical 주식회사 신우종합에너지
Priority to KR1020160045926A priority Critical patent/KR101657664B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101657664B1 publication Critical patent/KR101657664B1/ko
Priority to PCT/KR2017/004073 priority patent/WO2017179949A1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/04—Condensers
    • F25B41/04—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F25B41/24—Arrangement of shut-off valves for disconnecting a part of the refrigerant cycle, e.g. an outdoor part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/11—Fan speed control
    • F25B2600/112—Fan speed control of evaporator fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

외기가 극저온인 경우에도 정상 운전이 가능하여 제품의 안정성 및 내구성이 향상되도록, 본 발명은 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되되, 저온측 응축기와 고온측 증발기가 상호 열교환하도록 결합된 이원열교환기를 포함하는 이원 히트펌프 냉난방 장치에 있어서, 고온측 압축기 토출단은 전자밸브제어에 의해 온수탱크의 온수라인과 열교환되도록 배치된 고온측 온수응축기 및 저온측 외부증발기와 열교환되도록 배치된 고온측 제상냉방 응축기 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비되고, 상기 저온측 외부증발기 토출단은 고온측 보조응축기와 열교환되도록 배치된 저온측 보조증발기 유입단에 연결되도록 구비되며, 상기 고온측 온수응축기 토출단은 상기 저온측 외부증발기측 외기온도에 따라 상기 고온측 보조응축기를 선택적으로 경유하여 상기 고온측 증발기 유입단과 연결되도록 전자밸브제어됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.

Description

이원 히트펌프 냉난방 장치{air conditioning apparatus for dual heat pump}
본 발명은 이원 히트펌프 냉난방 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외기가 극저온인 경우에도 정상 운전이 가능하여 제품의 안정성 및 내구성이 향상되는 이원 히트펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이원냉동사이클이란 비등점이 다른 냉매를 사용하는 냉동시스템이다. 여기서, 상기 냉매는 비등점의 전후에서 액체에서 기체로 혹은 기체에서 액체로 상이 변화하게 된다.
이때, 이원냉동사이클은 저온에서 비등하는 저온측 제1냉매를 사용하는 저온측 냉동사이클과 비교적 고온에서 원활히 비등하는 고온측 제2냉매를 사용하는 고온측 냉동사이클로 구비되며, 상기 고온측 냉매의 증발과 상기 저온측 냉매의 응축이 하나의 케스케이드 열교환기에서 일어나도록 구비된다.
따라서, 겨울철 외기온도가 낮더라도 고온측의 냉매 토출가스 온도를 85℃ 이상 일정하게 고온으로 유지시킬 수 있으므로 온수생산에 효과적이다.
한편, 종래의 히트펌프장치는 저온측 압축기에 의해 압축된 저온측 제1냉매가 케이스케이드 열교환기를 통해 고온측 냉매로 열을 공급한 후 실외기의 저온측 팽창변과 저온측 증발기를 거쳐 저온측 압축기로 재유입된다.
이때, 일반적인 저온측 제1냉매의 경우에 실외기측 온도가 -15℃ 미만으로 떨어지면 원활한 증발이 이루어지기 힘들어 저온측 제1냉매가 액화된 상태로 압축기로 유입되는 액백(liquid back) 현상이 발생된다.
이에 따라, 극저온 환경에서 히트펌프장치의 정상정인 구동이 불가능할 뿐만 아니라, 액백 현상으로 인해 압축기에 빈번한 고장이 발생되는 문제점이 있었다.
한국 공개특허 제10-2003-0071607호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외기가 극저온인 경우에도 정상 운전이 가능하여 제품의 안정성 및 내구성이 향상되는 이원 히트펌프 냉난방 장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되되, 저온측 응축기와 고온측 증발기가 상호 열교환하도록 결합된 이원열교환기를 포함하는 이원 히트펌프 냉난방 장치에 있어서, 고온측 압축기 토출단은 전자밸브제어에 의해 온수탱크의 온수라인과 열교환되도록 배치된 고온측 온수응축기 및 저온측 외부증발기와 열교환되도록 배치된 고온측 제상냉방 응축기 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비되고, 상기 저온측 외부증발기 토출단은 고온측 보조응축기와 열교환되도록 배치된 저온측 보조증발기 유입단에 연결되도록 상기 고온측 보조응축기와 상기 저온측 보조증발기를 포함하는 증발보상열교환기를 포함하며, 상기 고온측 온수응축기 토출단은 상기 저온측 외부증발기측 외기온도에 따라 상기 고온측 보조응축기를 선택적으로 경유하여 상기 고온측 증발기 유입단과 연결되도록 전자밸브제어되고, 상기 고온측 온수응축기 토출단에는 상기 고온측 보조응축기를 경유하여 상기 고온측 증발기 유입단에 연결되는 증발보상라인과, 상기 고온측 보조응축기를 미경유하여 상기 고온측 증발기 유입단에 직결되는 고온가열라인이 구비되되, 상기 저온측 외부증발기측 외부온도가 기설정된 제1증발보상온도를 초과하면 상기 증발보상라인의 제1전자밸브가 폐쇄되고 상기 고온가열라인의 제2전자밸브가 개방되도록 제어되고, 상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 기설정된 제1증발보상온도 이하이면 상기 증발보상라인의 제1전자밸브 및 상기 고온가열라인의 제2전자밸브가 개방되도록 제어되며, 상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 상기 제1증발보상온도 미만으로 기설정된 제2증발보상온도 이하이면 상기 제1전자밸브가 개방되되 상기 제2전자밸브가 폐쇄되도록 제어됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.
여기서, 상기 저온측 응축기 토출단은 전자밸브제어에 의해 냉수탱크의 냉수라인과 열교환되도록 배치된 저온측 제상보상증발기 및 상기 저온측 외부증발기 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비되며, 상기 고온측 압축기 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기 유입단의 연결시 상기 저온측 제상보상증발기 유입단과 연결되도록 전자밸브제어됨이 바람직하다.
삭제
그리고, 상기 저온측 외부증발기 및 상기 고온측 제상냉방 응축기는 각각 한쌍으로 구비되고, 상기 저온측 응축기 토출단에는 상기 각 저온측 외부증발기에 연결되도록 한쌍으로 분지되되 분지된 각 부분에 저온측 난방팽창변이 구비된 외부증발라인이 연결되고, 상기 각 고온측 제상냉방 응축기 토출단에는 고온측 제2냉매의 응축압력 조절을 위한 압력조절밸브가 구비됨이 바람직하다.
한편, 상기 저온측 냉동사이클의 저온측 압축기 및 상기 고온측 냉동사이클의 고온측 압축기 간의 용량비는 1:1의 비율로 구성되되, 상기 저온측 압축기의 과압축 방지를 위해 상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 기설정된 과다온도 이상이면 상기 저온측 외부증발기의 송풍팬 회전속도가 감속되도록 제어됨이 바람직하다.
상기의 해결 수단을 통해서, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 상기 저온측 외부증발기 토출단에 고온측 보조응축기와 열교환되도록 배치된 저온측 보조증발기가 연결되어 온수 생산에 사용된 고온측 제2냉매의 잔열이 저온측 제1냉매로 공급될 수 있으므로 극저온의 혹한 환경에서도 저온측 제1냉매의 원활한 증발이 가능하여 안정적인 가열 성능이 유지되고 액백 현상으로 인한 고장 발생이 최소화되어 장치의 안정성 및 내구성이 향상될 수 있다.
둘째, 상기 저온측 응축기 토출단에 한쌍의 외부증발기가 연결되므로 저온측 제1냉매 및 외기와의 접촉면적이 증가되어 한층 원활한 증발이 가능할 뿐만 아니라 외기로부터 다량의 열을 흡수하여 고온측 제2냉매로 공급할 수 있어 장치의 가열 효율이 향상될 수 있다.
셋째, 상기 고온측 압축기에서 토출된 고온측 제2냉매가 제상냉방 응축기로 순환되며 저온측 외부증발기의 적상을 제거함과 동시에 제상운전시에도 상기 저온측 제1냉매가 제상보상증발기로 순환되며 냉수라인의 열을 흡수하여 저온측 압축기를 통해 압축되는 순환과정이 유지되므로 이원열교환기에 고온측 제2냉매의 증발을 위한 열원이 지속적으로 공급될 수 있어 신속하고 효율적인 제상운전이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 증발보상운전을 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 제상운전을 나타낸 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치를 상세히 설명한다. 여기서, 이원 히트펌프 냉난방 장치는 목욕탕이나 찜질방, 수영장, 고층빌딩 등 중앙집중식 냉난방을 원하는 사업장에서 사용될 수 있으며, 온수 및 냉수를 공급하여 난방과 냉방이 동시에 가능하되 높은 열효율로 유지비를 절감할 수 있는 냉난방장치이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 블록도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치(100)는 비교적 저온에서 비등하는 저온측 제1냉매를 사용하는 저온측 냉동사이클과 비교적 고온에서 원활히 비등하는 고온측 제2냉매를 사용하는 고온측 냉동사이클로 구성된다.
여기서, 상기 저온측 제1냉매는 상기 고온측 제2냉매보다 낮은 온도에서 비등하는 냉매를 의미하는 것으로 이해함이 바람직하다.
예를 들어, 상기 저온측 제1냉매로는 R-32와 R-125를 50:50의 조성비로 혼합한 HFC계열의 혼합 냉매인 R-410a를 사용할 수 있으며, 상기 R-410a는 1기압에서 -51℃의 비등점을 가진다. 그리고, 상기 고온측 제2냉매로는 HFC계열의 R-134a를 사용할 수 있으며, 상기 R-134a는 1기압에서 -26℃의 비등점을 가진다.
그리고, 상기 이원 히트펌프 냉난방 장치는 저온측 압축기(10), 이원열교환기(30), 저온측 외부증발기(17), 저온측 제상보상증발기(15), 증발보상열교환기(40), 고온측 압축기(20), 고온측 온수응축기(21), 고온측 제상냉방 응축기(28)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 저온측 압축기(10)는 저온측 냉동사이클에서 저온측 제1냉매를 압축하여 열을 공급하고 상기 이원열교환기(30)로 송출함으로써 냉매를 순환시켜주는 역할을 한다.
여기서, 상기 이원열교환기(30)는 저온측 응축기(11) 및 고온측 증발기(26)가 상호 열교환되도록 결합된 장치를 의미한다.
상세히, 상기 저온측 압축기(10)로부터 토출된 저온측 제1냉매는 상기 저온측 응축기(11)로 유입되며, 상기 고온측 증발기(26)에는 고온측 난방팽창변(25)을 통과한 고온측 제2냉매가 유입된다.
이때, 상기 저온측 응축기(11)로 유입된 저온측 제1냉매의 응축과 고온측 증발기(26)로 유입된 고온측 제2냉매의 증발을 통해 저온측 제1냉매의 열이 고온측 제2냉매로 전달될 수 있다.
그리고, 상기 저온측 응축기(11)에서 액체상태로 응축된 저온측 제1냉매는 저온측 외부증발기(17) 내지는 저온측 제상보상증발기(15)로 유동된다.
한편, 난방을 위한 온수를 만드는 난방운전시 상기 저온측 제1냉매는 저온측 난방팽창변(16)을 통과하여 상기 저온측 외부증발기(17)로 유동되며 주변 열을 흡수하며 증발된다.
그리고, 냉방을 위한 냉각수를 만드는 냉방운전시 내지는 상기 저온측 외부증발기(17)의 서리나 성에를 제거하는 제상운전시에는 상기 응축된 저온측 제1냉매가 저온측 냉방팽창편(14)을 통과하여 제상보상증발기(15)로 유동된다.
이때, 상기 제상보상증발기(15)는 냉수탱크(c)의 냉수라인과 열교환되도록 배치되며, 상기 응측된 저온측 제1냉매가 냉수라인에 급수된 물의 열을 빼앗아 증발함에 따라 냉각라인을 통과한 물이 냉각되어 냉각수가 생산될 수 있다.
이처럼, 상기 고온측 압축기(20) 토출단이 상기 고온측 온수응축기(21)로 연결되고, 상기 저온측 응축기(11) 토출단이 상기 저온측 제상보상증발기(15)로 연결되는 경우에는 냉방을 위한 냉수와 난방을 위한 온수가 동시에 생산될 수 있다.
이에 따라, 환절기 등 냉방과 온수가 동시에 필요한 시기에 냉수 및 온수를 동시에 생산함으로써 전력 소모량이 최소화될 수 있으므로 장치의 효율성이 향상될 수 있다.
한편, 상기 저온측 압축기(10)의 과압축 방지를 위해 상기 저온측 외부증발기(17)측 외기온도가 기설정된 과다온도 이상이면 상기 저온측 외부증발기(17)의 송풍팬 회전속도가 감속되도록 제어됨이 바람직하다.
여기서, 상기 과다온도는 7~40℃로 설정될 수 있다. 상세히, 환절기 등 외부 온도가 높은 경우 냉방 없이 온수만 생산하는 경우에, 상기 저온측 제1냉매는 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 난방팽창변(16), 외부증발기(17), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환경로를 가지며, 외기의 열을 흡수하여 증발된 상태에서 압축되어 저온측 응축기(11)에서 고온측 제2냉매로 열을 공급한다.
이때, 상기 저온측 제1냉매는 외기와의 높은 온도차로 인해 외부증발기(17)에서 다량의 열을 흡수할 수 있다. 그리고, 상기 저온측 제1냉매가 높은 열량을 가지고 있을 때에는 저온측 제1냉매를 압축하는데 많은 에너지가 필요하게 되고, 저온측 압축기(10) 및 고온측 압축기(20)에 과부하가 발생될 우려가 있다.
따라서, 외부온도가 기설정된 과다온도 이상인 경우에는 상기 저온측 외부증발기(17)에 구비된 송풍팬은 시간당 회전속도가 감소되도록 제어되며 상기 저온측 제1냉매가 적당한 열을 흡수할 수 있다.
이때, 상기 송풍팬의 회전속도는 외부온도가 증가할수록 감소되도록 제어되며, 외부온도가 일정한 온도 이상으로 높은 경우에 상기 송풍팬은 정지될 수 있다.
이에 따라, 상온으로 갈수록 송풍팬의 회전동력이 감소되는데 반하여 저온 환경보다 높은 수준의 열량이 생산될 수 있으므로 장치의 전력 효율성이 향상될 수 있다.
한편, 상기 고온측 압축기(20)는 고온측 냉동사이클에서 고온측 제2냉매를 고온고압으로 압축하여 송출함으로써 고온측 제2냉매를 순환시켜 주는 역할을 한다.
상세히, 상기 고온측 압축기(20) 유입단은 이원열교환기(30)의 고온측 증발기(26) 토출단과 연결된다. 이때, 상기 고온측 제2냉매는 상기 고온측 증발기(26)에서 저온측 제1냉매의 응축으로 발생된 열을 흡수하며 증발되고, 액분리기(27)를 거쳐 고온측 압축기(20)로 유동되어 압축됨에 따라 고온고압의 기체 상태로 순환된다.
여기서, 상기 고온측 압축기(20) 토출단은 전자밸브제어(20a,20b)에 의해 온수탱크(h)의 온수라인과 열교환되도록 배치된 고온측 온수응축기(21) 및 저온측 외부증발기(17)와 열교환되도록 배치된 고온측 제상냉방 응축기(28) 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비된다.
이때, 교번하여 연결된다는 말은 하나와 연결시 다른 하나와는 연결이 해제되되, 둘 중 하나와는 연결된 상태를 유지한다는 의미로 이해함이 바람직하다.
상세히, 난방을 위한 온수를 만드는 난방운전시에는 상기 고온측 압축기(20) 토출단은 상기 고온측 온수응축기(21) 유입단으로 연결된다. 이때, 상기 고온고압의 고온측 제2냉매가 상기 고온측 온수응축기(21)에서 응축되며 온수라인에 급수된 물로 열을 공급함에 따라 온수라인을 통과한 물이 가열되어 온수가 생산될 수 있다.
그리고, 제상운전시에는 상기 고온측 압축기(20) 토출단은 상기 고온측 제상냉방 응축기(28) 유입단으로 연결된다. 이때, 상기 고온고압의 고온측 제2냉매가 고온측 제상냉방 응축기(28)에서 응축되며 상기 저온측 외부증발기(17)로 열을 공급함에 따라 저온측 외부증발기(17)에 발생된 서리나 성에 등이 제거될 수 있다.
한편, 상기 증발보상열교환기(40)는 저온측 보조증발기(18) 및 고온측 보조응축기(23)가 상호 열교환되도록 결합된 장치를 의미한다.
이때, 상기 저온측 외부증발기(17) 토출단 내지는 상기 저온측 제상보상증발기(15) 토출단으로부터 배출된 저온측 제1냉매는 상기 증발보상열교환기(40)를 거쳐 상기 저온측 압축기(10)로 유동된다.
즉, 상기 저온측 외부증발기(17) 토출단 및 상기 저온측 제상보상증발기(15) 토출단은 고온측 보조응축기(23)와 열교환되도록 배치된 저온측 보조증발기(18) 유입단에 연결되도록 구비된다.
이때, 상기 고온측 온수응축기(21) 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기(28) 토출단은 상기 저온측 외부증발기(17)측 외기온도에 따라 상기 고온측 보조응축기(23)를 선택적으로 경유하여 상기 고온측 증발기(26) 유입단과 연결되도록 전자밸브제어(22a,22b)된다.
즉, 난방운전시 외기온도가 낮은 경우에 상기 고온측 온수응축기(21)에서 응축되어 온수라인에 열을 공급한 후 약 30~50℃의 온도로 토출된 고온측 제2냉매 일부 내지는 전부가 상기 고온측 보조응축기(23)를 거쳐, 수액기(24), 고온측 난방팽창변(25) 및 고온측 증발기(26)로 순환될 수 있다.
여기서, 외기온도가 낮다는 말은 상기 저온측 외부증발기(17)가 배치된 실외 온도가 저온측 제1냉매의 원활한 증발이 불가능한 정도로 낮다는 의미로 이해함이 바람직하며, 저온측 제1냉매의 물성에 따라 상이할 수 있으나 대체적으로 -7℃ 보다 낮은 온도를 의미한다.
이에 따라, 고온측 온수응축기(21)에서 온수를 생산한 후 응축되어 토출되는 30~50℃ 내외의 고온측 제2냉매 일부 내지는 전부가 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하며 상기 저온측 제1냉매의 증발을 위한 잠열을 공급할 수 있다.
물론, 상기 실외 온도가 저온측 제1냉매의 원활한 증발이 가능한 정도의 범위인, -7℃ 이상의 경우에, 고온측 제2냉매는 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하지 않고 수액기(24) 및 고온측 난방팽창편(25)을 거쳐 고온측 증발기(26)로 순환될 수 있다.
상세히, 상기 이원 히트펌프 냉난방 장치의 난방운전시 상기 저온측 제1냉매는 저온측 외부증발기(17)가 배치된 실외 공기의 열을 흡수하여 1차 증발되며, 상기 저온측 보조증발기(18)로 유동된다.
이때, 상기 실외 온도가 저온측 제1냉매의 원활한 증발이 불가능한 정도로 낮아지면 고온측 온수응축기(21)에서 온수를 생산하며 1차 응축된 30℃~50℃ 정도의 고온측 제2냉매가 상기 고온측 보조응축기(23)로 유동된다.
그리고, 상기 고온측 보조응축기(23)에서 고온측 제2냉매가 2차 응축되고, 온수 생산 후 고온측 제2냉매에 남아 있는 30~50℃의 잔열이 상기 저온측 보조증발기(18)의 상기 저온측 제2냉매로 공급될 수 있으며 저온측 제1냉매가 충분한 열을 공급받아 2차 증발될 수 있다.
이때, 2차의 증발 과정을 통해 완전 증발된 저온측 제1냉매는 액분리기(19)를 거쳐 저온측 압축기(10)로 유동된다. 이에 따라, 실외 온도가 과도하게 감소되는 경우에도 저온측 제1냉매의 불완전한 증발로 인한 장치의 고장이 현저히 절감될 수 있다.
즉, 저온측 제1냉매의 불완전한 증발로 액분리기(19)에서의 필터링 량이 증가됨에 따라 발생될 수 있는 냉매량 부족현상 내지는 액체 상태의 저온측 제1냉매가 유입되는 액백 현상으로 발생될 수 있는 저온측 압축기(10)의 고장이 현저히 감소될 수 있다.
구분 증발보상열교환기 적용 종래
외기온도
(℃)		 가열열량
(kW)		 소비전력
(kW)		 COP 가열열량
(kW)		 소비전력
(kW)		 COP
7 61.74 17.46 3.53 61.18 17.43 3.45
0 50.92 16.72 3.04 48.70 16.68 2.92
-7 45.48 15.34 2.97 43.76 15.30 2.86
-15 41.10 14.36 2.86 36.03 14.30 2.52
-20 34.66 13.86 2.50 24.95 12.6 1.98
-25 32.22 12.98 2.48 - -
-30 29.99 12.70 2.36 - - -
-35 26.53 12.60 2.11 - - -
-38 26.21 13.00 2.02 - - -
상기 표 1은 외기온도에 따른 가열효율(COP)을 측정한 결과를 증발보상열교환기가 적용된 본원 발명과 이원열교환기만 적용된 종래 발명을 비교하여 나타낸 것이다.
여기서, 저온측 제1냉매는 R-410a, 고온측 제2냉매는 R-134a로 본원 발명 및 종래 발명에 동일하게 적용하였으며, 각 발명에는 동일한 용량의 고온측 압축기 및 저온측 압축기가 사용되되 고온측 압축기 및 저온측 압축기가 1:1의 동일한 용량비를 갖도록 구성된 상태에서 각각의 가열효율(COP)을 측정하였다.
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 증발보상열교환기가 적용된 본 발명이 종래 이원열교환기만 적용된 것에 비해 전반적으로 높은 가열 효율을 보이고 있으며, 외기온도가 -7℃ 이상인 경우 본원 발명은 종래 발명에 비해 0.1~0.2 정도로 다소 높은 가열효율(COP)을 나타내고 있다.
특히, 외기온도가 -15℃ 이하로 감소되는 경우에, 본원 발명 및 종래 발명 모두 가열효율(COP)이 감소되는 것으로 나타나지만, 본원 발명의 경우에는 -38℃까지 2 이상의 가열 효율로 정상온도 상태(7℃) 대비 60% 정도의 성능을 유지하며 정상 구동되는 것으로 나타났다.
반면, 종래 발명의 경우에는 외부 온도의 감소에 따른 가열효율의 감소폭이 본 발명에 비해 큰 것으로 나타났으며, 외부 온도가 -20℃로 감소되면 가동시 가열효율이 2미만으로 급격하게 감소되는 양상을 보이고, -25℃ 이하에서는 구동이 불가능한 것을 알 수 있었다.
이처럼, 상기 저온측 외부증발기(17) 토출단에 증발보상열교환기(40)가 구비되어 외기온도의 감소시 고온측 보조응축기(23) 및 저온측 보조증발기(18) 간의 열교환이 가능하므로 장치의 가열 효율 및 안정성이 향상될 수 있다.
즉, 온수 생산 후 고온측 제2냉매에 남아 있는 30~50℃의 잔열이 증발보상열교환기(40)를 통해 저온측 제1냉매로 공급됨에 따라 극저온의 혹한 환경에서도 저온측 제1냉매가 완전 증발될 수 있어 안정적인 가열 성능이 유지될 수 있으며, 액백 현상으로 인한 고장 발생이 최소화되어 장치의 가열 안정성 및 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
한편, 상기 고온측 온수응축기(21) 토출단에는 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하여 상기 고온측 증발기(26) 유입단에 연결되는 증발보상라인(o,k,t,m,w)과, 상기 고온측 보조응축기(23)를 미경유하여 상기 고온측 증발기(26) 유입단에 직결되는 고온가열라인(o,p,m,w) 구비됨이 바람직하다.
이때, 상기 저온측 외부증발기(17)측 외기온도가 기설정된 제1증발보상온도 이하이면 상기 증발보상라인(o,k,t,m,w)의 제1전자밸브(22b) 및 상기 고온가열라인(o,p,m,w)의 제2전자밸브(22a)가 개방되도록 제어될 수 있다.
여기서, 상기 제1증발보상온도는 상기 저온측 제1냉매의 비등점에 대응하여 설정될 수 있으며, 상기 저온측 제1냉매가 R-410a 내지는 이와 유사한 비등점을 갖는 경우에는 -7℃로 설정됨이 바람직하다.
이때, 상기 제1전자밸브(22b) 및 상기 제2전자밸브(22a)가 모두 개방되면, 상기 고온측 온수응축기(21)로부터 토출된 고온측 제2냉매 중 일부는 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하여 상기 고온측 증발기(26)로 순환되고, 나머지 일부는 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하지 않고 상기 고온측 증발기(26)로 순환될 수 있다.
또한, 상기 저온측 외부증발기(17)측 외기온도가 상기 제1증발보상온도 미만으로 기설정된 제2증발보상온도 이하이면 상기 제1전자밸브(22b)가 개방되되 상기 제2전자밸브(22a)가 폐쇄되도록 제어될 수 있다.
여기서, 상기 제2증발보상온도는 상기 제1증발보상온도보다 낮은 온도로 설정되며, 저온측 제1냉매가 R-410a 내지는 이와 유사한 비등점을 갖는 경우 -15℃로 설정됨이 바람직하다.
이때, 상기 제1전자밸브(22b)가 개방되고, 상기 제2전자밸브(22a)가 폐쇄되면, 상기 고온측 온수응축기(21)로부터 토출된 고온측 제2냉매 전부가 상기 고온측 보조응축기(23)를 경유하여 상기 고온측 증발기(26)로 순환될 수 있다.
상세히, 상기 고온측 온수응축기(21) 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기(28) 토출단은 제1합류부(o)에 연결되며, 상기 증발보상라인(o,k,t,m,w) 및 상기 고온가열라인(o,p,m,w)은 제1합류부(o)로부터 분지되어 상기 고온측 증발기(26) 유입단으로 연결된다.
여기서, 상기 증발보상라인은 제1합류부(o), 제1전자밸브(22b)가 구비되되 제1합류부(o) 및 고온측 보조응축기(23) 유입단 사이를 연결하는 증발유입부(k), 고온측 보조응축기(23) 토출단에 연결되는 증발토출부(t)를 포함한다.
그리고, 상기 고온가열라인은 제1합류부(o), 제2전자밸브(22a)가 구비되는 차폐부(p)를 포함한다. 이때, 상기 증발토출부(t)의 단부 및 상기 차폐부(p)의 단부는 하나로 합류되고(m), 상기 고온측 증발기(26) 유입단으로 연결(w)된다.
즉, 상기 증발보상라인과 상기 고온가열라인은 제1합류부(o), 그리고 증발토출부(t) 및 차폐부(p)가 합류되어 고온측 증발기(26) 유입단으로 연결되는 부분(m,w)을 공유한다.
이에 따라, 전자밸브제어시 고온측 제2냉매의 순환경로가 정확하게 구분될 수 있다. 즉, 저온측 외부증발기(17)가 배치된 실외 온도에 대응하여 고온측 제2냉매가 보조응축기(23)를 경유하거나 보조응축기(23)를 경유하지 않고 증발기(26)로 유동되는 순환경로가 정확하게 구분되어 구동될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 증발보상운전을 나타낸 흐름도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 난방운전이 시작되면(s10), 상기 저온측 외부증발기(17)가 배치된 실외의 외기온도, 즉 외부온도가 기설정된 제1증발보상온도 이하인지 여부(s20)를 확인한다.
이때, 외부온도가 제1증발보상온도를 초과하는 경우에 증발보상라인의 제1전자밸브(22b)가 폐쇄되고, 고온가열라인의 제2전자밸브(22a)가 개방된다(s21). 즉, 상기 고온측 제2냉매는 상기 증발보상열교환기(40)를 경유하지 않고 순환하게 된다.
상세히, 외부온도가 -7℃를 초과하는 경우 난방 운전시 저온측 냉동사이클은 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 수액기(12), 저온측 난방팽창변(16), 저온측 외부증발기(17), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환구조를 갖는다.
그리고, 고온측 냉동사이클은 고온측 증발기(26), 액분리기(27), 고온측 압축기(20), 고온측 온수응축기(21), 수액기(24), 고온측 난방팽창변(25)으로 구성된 순환구조를 갖는다.
이때, 상기 고온측 제2냉매 및 저온측 제1냉매의 열교환은 이원열교환기(30), 즉 저온측 응축기(11) 및 고온측 증발기(26) 사이에서 이루어지며, 저온측 제1냉매의 응축단계에서 발생된 발열이 고온측 제2냉매의 증발에 필요한 열원으로 사용될 수 있다.
이에 따라, 상기 저온측 응축기(11)에서 상기 저온측 제1냉매의 응축시 발생된 열이 상기 고온측 제2냉매로 원활하게 전달되되 고온측 제2냉매의 열손실이 감소되어 상기 고온측 제2냉매가 신속하게 가열될 수 있다.
여기서, 상기 저온측 제1냉매는 저온측 압축기(10)에서 압축되고, 이원열교환기(30)의 저온측 응축기(11)에서 응축되며 고온측 제2냉매에 열을 공급한다. 그리고, 응축된 저온측 제1냉매는 수액기(12)를 거쳐, 저온측 난방팽창변(16)으로 유동되어 팽창된 후 저온측 외부증발기(17)에서 증발되어 외기의 열을 흡수한다.
이때, 상기 저온측 외부증발기(17)는 한쌍으로 구비됨이 바람직하며, 상기 저온측 응축기(11)에는 상기 각 저온측 외부증발기(17a,17b)에 연결되도록 한쌍으로 분지되되 분지된 각 부분에 저온측 난방팽창변(16a,16b)가 구비된 외부증발라인(s)이 연결될 수 있다.
즉, 상기 저온측 응축기(11)에서 토출된 저온측 제1냉매는 수액기(12)를 거쳐 외부증발라인(s)으로 유동되며, 외부증발라인(s)의 분지된 부분을 따라 분할되어 각 난방팽창변(16a,16b)을 통과하며 팽창된다.
그리고, 각 난방팽창변(16a,16b)에서 분할 팽창된 저온측 제1냉매가 각 외부증발기(17a,17b)로 유동되어 증발될 수 있다.
이처럼, 상기 저온측 응축기(11)로부터 토출된 저온측 제1냉매가 각 난방팽창변(16a,16b)을 통해 분할 팽창되어 한쌍의 저온측 외부증발기(17a,17b)를 따라 유동되므로 외기와의 접촉면적 증가를 통해 더욱 원활한 증발이 가능하며, 외기로부터 다량의 열을 흡수하여 고온측 제2냉매에 공급할 수 있어 장치의 가열 효율이 향상될 수 있다.
물론, 상기 저온측 제1냉매의 증발시 흡열로 냉각수를 생산하는 경우에는 상기 저온측 제1냉매는 저온측 냉방팽창변(14)으로 유동되어 팽창된 후 저온측 제상보상증발기(15)에서 증발될 수 있다.
이를 위해, 상기 저온측 응축기(11) 토출단에는 저온측 외부증발기(17)와 연결되는 외부증발라인(s)을 따라 제3전자밸브(13a)가 구비되며, 외부증발라인(s)에서 저온측 제상보상증발기(15)측으로 분지된 제상보상라인을 따라 제4전자밸브가(13b)가 구비된다.
즉, 제3전자밸브(13a)가 개방되고, 제4전자밸브(13b)가 폐쇄되면 저온측 응축기(11)의 저온측 제1냉매는 저온측 외부증발기(17)를 거쳐 저온측 보조증발기(18)로 유동되고, 제3전자밸브(13a)가 폐쇄되고 제4전자밸브(13b)가 개방되면 저온측 응축기(11)의 저온측 제1냉매는 저온측 제상보상증발기(15)를 거쳐 저온측 보조증발기(18)로 유동된다.
이때, 증발된 저온측 제1냉매는 증발보상열교환기(40)의 저온측 보조증발기(18)를 통과하나 제1전자밸브(22b)의 폐쇄로 고온측 제2냉매와의 열교환 없이 액분리기(19)를 저온측 압축기(10)로 유입된다.
이와 동시에, 고온측 제2냉매는 이원열교환기(30)의 고온측 증발기(26)에서 저온측 제1냉매의 열을 흡수하여 증발되고, 액분리기(27)를 거쳐 고온측 압축기(20)로 유동된다. 이때, 고온측 제2냉매는 이원열교환기(30)에서 흡수한 열과 압축기(20)를 통한 압축으로 고온고압의 기체가 된다.
여기서, 상기 고온측 압축기(20) 토출단에는 고온측 제상냉방 응축기(28)와 연결되는 제상라인을 따라 제6전자밸브(20b)가 구비되며, 고온측 온수응축기(21)와 연결되는 온수가열라인을 따라 제5전자밸브(20a)가 구비된다.
이때, 난방운전시에는 제5전자밸브(20a)가 개방되고 제6전자밸브(20b)가 폐쇄되며, 고온측 제2냉매는 고온측 온수응축기(21)로 유동되어 응축되며 온수라인에 급수된 물로 열을 공급한다.
한편, 난방운전시 외부온도가 기설정된 제1증발보상온도 이하이면(s20), 제상운전 여부(s30)를 확인한다.
이때, 난방운전시 외부온도가 기설정된 제상온도 이하이고(도 3의 s110 참조), 난방시작 후 제상대기시간이 경과된 경우(도 3의 s120) 제상운전이 실시될 수 있으며, 상기 제상대기시간은 외부습도에 따라 설정됨이 바람직하다.
여기서, 제상대기시간이라는 말은 난방시작 후 외부증발기에서 서리나 성에 등을 제거하는 제상운전이 필요한 시간을 의미하는 말로 이해함이 바람직하며, 난방시작 후 제상대기시간이 경과하면 제상운전이 시작되며, 제상대기시간이 경과하지 않은 경우에는 난방운전이 유지된다.
즉, 외부습도가 높아질수록 제상대기시간은 감소되도록 설정되며, 제상대기시간이 감소될수록 난방시작 및 제상운전 사이의 시간간격이 짧아진다. 그리고, 외부습도가 낮아질수록 제상대기시간은 증가되도록 설정되며, 제상대기시간이 증가될수록 난방시작 및 제상운전 사이의 시간간격이 길어진다.
이때, 저온측 외부증발기(17)의 서리나 성에 제거를 위한 제상운전시에는 제1전자밸브(22b)를 폐쇄하고, 제2전자밸브(22a)를 개방하며(s31), 고온측 제2냉매의 열이 저온측 제1냉매로 유동되는 증발보상열교환기(40)를 향한 고온측 제2냉매 유동을 방지함으로써 고온측 제2냉매의 열을 최대한 보존하여 신속한 제상 운전이 이루어질 수 있다.
이때, 제상운전 상태가 아니면, 외부온도가 제2증발보상온도 이하인지 여부를 확인한다(s40).
그리고, 외부온도가 제2증발보상온도를 초과하면 증발보상라인의 제1전자밸브(22b) 및 고온가열라인의 제2전자밸브(22a)를 모두 개방하고(s41), 외부온도가 제2증발보상온도 이하이면 증발보상라인의 제1전자밸브(22b)를 개방하되 고온가열라인의 제2전자밸브(22a)를 폐쇄한다(s42).
즉, 제상운전 상태가 아닌 난방운전시 외부온도가 -7℃ 이하이되 -15℃를 초과하는 경우에 고온측 제2냉매 중 일부는 증발보상라인을 따라 유동되고, 다른 일부는 상기 고온가열라인을 따라 유동될 수 있다.
이에 따라, 고온측 제2냉매 중 일부의 잔열은 보존되되 다른 일부의 잔열이 상기 증발보상열교환기(40)에서 저온측 제1냉매로 전달될 수 있으므로 장치의 가열 효율이 최적화되면서도 저온 상태에서 저온측 제1냉매의 완전 증발이 원활하게 이루어질 수 있다.
그리고, 제상운전 상태가 아닌 난방운전시 외부온도가 -15℃ 이하인 경우에 고온측 제2냉매 전부는 증발보상라인을 따라 유동되며, 상기 증발보상열교환기(40)를 경유하여 이원열교환기(30)로 순환된다.
상세히, 외부온도가 기설정된 제2증발보상온도 이하인 경우의 난방 운전시 저온측 냉동사이클은 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 수액기(12), 저온측 난방팽창변(16), 저온측 외부증발기(17), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환구조를 갖는다.
그리고, 고온측 냉동사이클은 고온측 증발기(26), 액분리기(27), 고온측 압축기(20), 고온측 온수응축기(21), 고온측 보조응측기(23), 수액기(24), 고온측 난방팽창변(25)으로 구성된 순환구조를 갖는다.
이때, 상기 고온측 제2냉매 및 저온측 제1냉매의 열교환은 이원열교환기(30), 즉 저온측 응축기(11) 및 고온측 증발기(26) 사이와 증발보상열교환기(40), 즉 저온측 보조증발기(18) 및 고온측 보조응축기(23) 사이에서 이루어진다.
여기서, 상기 고온측 제2냉매는 고온측 온수응축기(21)에서 토출되어 상기 고온측 보조응축기(23)로 유동된다. 이때, 상기 고온측 제2냉매는 고온측 온수응축기(21)에서 1차 응축되며 온수를 가열하고 30~50℃의 잔열을 가진 상태로, 보조응축기(23)에서 2차 응축되며 상기 저온측 제1냉매로 열을 공급할 수 있다.
즉, 상기 저온측 외부증발기(17)로 1차 증발된 저온측 제1냉매가 상기 저온측 보조증발기(18)로 유동되어 고온측 제2냉매의 열로 2차 증발될 수 있다.
이에 따라, 극저온의 혹한 환경에서도 안정적인 가열 성능이 유지될 수 있으며, 액백 현상으로 인한 저온측 압축기(10)의 고장 발생이 감소되어 장치의 가열 안정성 및 내구성이 향상될 수 있다.
이처럼, 난방운전시 기설정된 제1증발보상온도 이하에서는 고온측 제2냉매 및 저온측 제1냉매와의 열교환이 이원열교환기(30) 및 증발보상열교환기(40) 양측에서 이루어질 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이원 히트펌프 냉난방 장치의 제상운전을 나타낸 흐름도이다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 저온측 응축기(11) 토출단은 전자밸브제어(13a,13b)에 의해 냉수탱크(c)의 냉수라인과 열교환되도록 배치된 저온측 제상보상증발기(15) 및 상기 저온측 외부증발기(17) 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비됨이 바람직하다.
이때, 상기 저온측 응축기(11) 토출단은 상기 고온측 압축기(20) 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기(28) 유입단의 연결시 상기 저온측 제상보상증발기(15) 유입단과 연결되도록 전자밸브제어됨(13a,13b)이 바람직하다.
즉, 상기 고온측 압축기(20) 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기(28) 유입단 사이에 구비된 제6전자밸브(20b)가 개방되면, 상기 저온측 응축기(11) 토출단 및 상기 저온측 제상보상증발기(15) 사이에 구비된 제4전자밸브(13b)가 개방되도록 연동 제어될 수 있다.
이때, 상기 제6전자밸브(20b)가 개방되면 제5전자밸브(20a)가 폐쇄되고, 제4전자밸브(13b)가 개방되면 제3전자밸브(13a)가 폐쇄되도록 연동 제어된다. 이에 따라, 고온측 제2냉매 및 저온측 제1냉매가 유동되는 라인이 일방향으로 한정되어 각 냉매가 원활하게 순환될 수 있다.
여기서, 제상운전시 저온측 냉동사이클은 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 수액기(12), 저온측 냉방팽창변(14), 저온측 제상보상증발기(15), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환구조를 갖는다.
그리고, 고온측 냉동사이클은 고온측 증발기(26), 액분리기(27), 고온측 압축기(20), 고온측 제상냉방 응축기(28), 수액기(24), 고온측 난방팽창변(25)으로 구성된 순환구조를 갖는다.
이때, 상기 고온측 제2냉매 및 저온측 제1냉매 간의 열교환은 상기 이원열교환기(30), 즉 고온측 증발기(26) 및 저온측 응축기(11) 사이에서 이루어진다.
여기서, 겨울철 난방 운전시 상기 저온측 외부증발기(17)에 서리나 성에가 발생하면, 저온측 증발기(17)의 송풍팬이 회전되지 못하고 저온측 제1냉매의 흡열 증발을 방해하여 난방효율이 저감하게 된다.
상세히, 외부 온도가 기설정된 제상온도 이하인 경우(s110) 난방시작 후 경과된 시간을 기설정된 제상대기시간과 비교한다(s120). 그리고, 외부 온도가 기설정된 제상온도 이하이며, 난방시작 후 경과된 시간이 기설정된 제상대기시간 이상인 경우에 제상운전이 시작될 수 있다.
여기서, 제상온도 및 제상대기시간은 겨울철 혹한기에 서리나 성에가 발생되는 시점을 시험 운전을 통해 산출하여 설정될 수 있으며, 상기 제상대기시간은 제상온도 및 외부습도가 적용된 알고리즘에 따라 산출됨이 바람직하다.
예를 들어, 0℃~7℃ 사이에 다습하고 적상이 많아 저온측 외부증발기(17)의 증발 효율이 감소될 수 있으며, -1℃ 이하에서는 습도가 40% 미만으로 적상 발생이 낮아 난방 후 90분 이상 가동 후에 제상이 필요한 것으로 나타나고 있다.
즉, 상기 외부 온도가 7℃ 이하인 경우에는 외부 습도를 감지하되, 외부 습도가 35% 이상에서 90분, 45% 이상에서 70분, 55% 이상에서는 50분, 65% 이상에서는 45분 등으로 제상대기시간이 설정될 수 있다.
이때, 상기 외부 온도가 기설정된 제상온도 이하이고, 난방시작 후 외부 습도에 따라 설정된 제상대기시간이 경과된 경우 제상운전이 시작될 수 있다.
여기서, 고온측 압축기(10) 토출단이 고온측 제상냉방 응축기(28) 유입단과 연결되도록 제6전자밸브(20b)가 개방되고 제5전자밸브(20a)가 폐쇄되되, 저온측 응축기(11) 토출단이 저온측 제상보상증발기(15) 유입단과 연결되도록 제4전자밸브(20b)가 개방되고 제3전자밸브(20a)가 폐쇄된다(s130).
이때, 상기 저온측 압축기(10)의 구동이 정지된다(s140). 그리고, 상기 저온측 압축기(10)는 제상 운전 시작 후 기설정된 대기시간이 경과하면(s150) 재작동된다(s160).
즉, 제상 운전 시작시 저온측 제1냉매가 계속 순환되는 경우 저온측 증발기(17)에서 지속적인 흡열이 이루어지므로 효율적인 제상운전을 위해 20초 정도의 대기시간 이후 저온측 압축기(10)가 재구동됨이 바람직하다.
이때, 상기 저온측 제1냉매는 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 냉방팽창변(14), 제상보상증발기(15), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환경로를 가지며, 냉수라인의 열을 흡수하여 증발된 상태에서 압축되어 저온측 응축기(11)에서 고온측 제2냉매로 열을 공급한다.
그리고, 상기 고온측 제2냉매는 고온측 증발기(26), 액분리기(27), 고온측 압축기(20), 제상냉방 응축기(28), 수액기(24), 난방팽창변(25)으로 구성된 순환경로를 가지며, 저온측 제1냉매의 열을 흡수하고 압축된 상태에서 제상냉방 응축기(28)에서 응측되며 저온측 외부증발기(17)의 서리나 성에를 제거하게 된다.
이때, 상기 고온측 제상냉방 응축기(28)는 상기 저온측 외부증발기(17)에 대응되도록 한쌍으로 구비됨이 바람직하며, 더욱 효율적인 제상운전이 이루어질 수 있다.
이처럼, 제상운전시에도 고온측 제2냉매가 저온측 제1냉매로부터 지속적으로 열을 공급받아 고온으로 가열될 수 있으므로 신속한 제상운전이 가능하다.
한편, 상기 제상운전 시작 후 기설정된 제상운전시간이 경과하면(s170) 고온측 압축기(20) 토출단이 고온측 온수응축기(21) 유입단과 연결되도록 제5전자밸브(20a)가 개방되고 제6전자밸브(20b)가 폐쇄되되 저온측 응축기(11) 토출단이 저온측 외부증발기(17) 유입단과 연결되도록 제3전자밸브(13a)가 개방되고 제4전자밸브(13b)가 폐쇄된다(s180).
이때, 상기 제상운전시간은 외부온도에 대응하여 설정될 수 있으며, -7~7℃ 사이에는 180초 내외로 설정됨이 바람직하고, -7~-10℃ 사이에는 300초, -10~-40℃ 사이에는 400~700초로 설정됨이 바람직하다. 여기서, 외부온도가 -10~-40℃인 경우에는 습도가 매우 적어 6~9시간에 1회의 제상운전이 요구된다.
그리고, 상기 제상운전시간이 경과하면 제상운전이 종료되고 온수 생성을 위한 난방운전이 재시작될 수 있다.
이처럼, 서리나 성에 등의 적상이 제거되도록 상기 고온측 냉동사이클을 따라 가열된 고온측 제2냉매가 저온측 외부증발기(17)와 열교환되는 고온측 제상냉방 응축기(28)로 순환됨에 동시에 저온측 제1냉매가 제상보상증발기로 순환되며 냉수라인의 열을 흡수하여 저온측 압축기를 통해 압축되므로 고온측 제2냉매의 증발을 위한 열원이 이원열교환기에 지속적으로 공급될 수 있다.
이에 따라, 한층 신속하고 효율적인 제상운전이 이루어질 수 있다.
한편, 여름철에 온수생산 없이 냉수만 생산하는 냉방 운전시 상기 저온측 제1냉매는 저온측 압축기(10), 저온측 응축기(11), 냉방팽창변(14), 제상보상증발기(15), 저온측 보조증발기(18), 액분리기(19)로 구성된 순환경로를 가지며, 냉수라인의 열을 흡수하여 증발된 상태에서 압축되어 저온측 응축기(11)에서 고온측 제2냉매로 열을 공급한다.
그리고, 상기 고온측 제2냉매는 고온측 증발기(26), 액분리기(27), 고온측 압축기(20), 제상냉방 응축기(28), 수액기(24), 난방팽창변(25)으로 구성된 순환경로를 가지며, 저온측 제1냉매의 열을 흡수하고 압축된 상태에서 제상냉방 응축기(28)에서 응측되며 외기로 열을 방출한다.
여기서, 상기 고온측 제상냉방 응축기(28)는 한쌍으로 구비됨이 바람직하며, 외기와의 접촉면적 증가를 통해 외기로의 열방출이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 각 고온측 제상냉방 응축기(28a,28b) 토출단에는 고온측 제2냉매의 응축압력 조절을 위한 조절밸브가 구비됨이 바람직하다. 이에 따라, 외기의 온도가 높은 경우에도 고온측 제2냉매가 더욱 원활하게 액화될 수 있으며, 신속한 열방출이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100: 이원 히트펌프 냉난방 장치 10: 저온측 압축기
11: 저온측 응축기 14: 저온측 냉방팽창변
15: 저온측 제상보상증발기 16: 저온측 난방팽창변
17: 저온측 외부증발기 18: 저온측 보조증발기
20: 고온측 압축기 21: 고온측 온수응축기
23: 고온측 보조응축기 26: 고온측 증발기
28: 고온측 제상냉방 응축기 30: 이원열교환기
40: 증발보상열교환기

Claims (5)

  1. 저온측 냉동사이클과 고온측 냉동사이클로 구성되되, 저온측 응축기와 고온측 증발기가 상호 열교환하도록 결합된 이원열교환기를 포함하는 이원 히트펌프 냉난방 장치에 있어서,
    고온측 압축기 토출단은 전자밸브제어에 의해 온수탱크의 온수라인과 열교환되도록 배치된 고온측 온수응축기 및 저온측 외부증발기와 열교환되도록 배치된 고온측 제상냉방 응축기 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비되고,
    상기 저온측 외부증발기 토출단은 고온측 보조응축기와 열교환되도록 배치된 저온측 보조증발기 유입단에 연결되도록 상기 고온측 보조응축기와 상기 저온측 보조증발기를 포함하는 증발보상열교환기를 포함하며,
    상기 고온측 온수응축기 토출단은 상기 저온측 외부증발기측 외기온도에 따라 상기 고온측 보조응축기를 선택적으로 경유하여 상기 고온측 증발기 유입단과 연결되도록 전자밸브제어되고,
    상기 고온측 온수응축기 토출단에는 상기 고온측 보조응축기를 경유하여 상기 고온측 증발기 유입단에 연결되는 증발보상라인과, 상기 고온측 보조응축기를 미경유하여 상기 고온측 증발기 유입단에 직결되는 고온가열라인이 구비되되,
    상기 저온측 외부증발기측 외부온도가 기설정된 제1증발보상온도를 초과하면 상기 증발보상라인의 제1전자밸브가 폐쇄되고 상기 고온가열라인의 제2전자밸브가 개방되도록 제어되고,
    상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 기설정된 제1증발보상온도 이하이면 상기 증발보상라인의 제1전자밸브 및 상기 고온가열라인의 제2전자밸브가 개방되도록 제어되며,
    상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 상기 제1증발보상온도 미만으로 기설정된 제2증발보상온도 이하이면 상기 제1전자밸브가 개방되되 상기 제2전자밸브가 폐쇄되도록 제어됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온측 응축기 토출단은 전자밸브제어에 의해 냉수탱크의 냉수라인과 열교환되도록 배치된 저온측 제상보상증발기 및 상기 저온측 외부증발기 중 하나에 교번하여 연결되도록 구비되며,
    상기 고온측 압축기 토출단 및 상기 고온측 제상냉방 응축기 유입단의 연결시 상기 저온측 제상보상증발기 유입단과 연결되도록 전자밸브제어됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온측 외부증발기 및 상기 고온측 제상냉방 응축기는 각각 한쌍으로 구비되고,
    상기 저온측 응축기 토출단에는 상기 각 저온측 외부증발기에 연결되도록 한쌍으로 분지되되 분지된 각 부분에 저온측 난방팽창변이 구비된 외부증발라인이 연결되고,
    상기 각 고온측 제상냉방 응축기 토출단에는 고온측 제2냉매의 응축압력 조절을 위한 압력조절밸브가 구비됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온측 냉동사이클의 저온측 압축기 및 상기 고온측 냉동사이클의 고온측 압축기 간의 용량비는 1:1의 비율로 구성되되,
    상기 저온측 압축기의 과압축 방지를 위해 상기 저온측 외부증발기측 외기온도가 기설정된 과다온도 이상이면 상기 저온측 외부증발기의 송풍팬 회전속도가 감속되도록 제어됨을 특징으로 하는 이원 히트펌프 냉난방 장치.
KR1020160045926A 2016-04-15 2016-04-15 이원 히트펌프 냉난방 장치 KR101657664B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160045926A KR101657664B1 (ko) 2016-04-15 2016-04-15 이원 히트펌프 냉난방 장치
PCT/KR2017/004073 WO2017179949A1 (ko) 2016-04-15 2017-04-14 이원 히트펌프 냉난방 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160045926A KR101657664B1 (ko) 2016-04-15 2016-04-15 이원 히트펌프 냉난방 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101657664B1 true KR101657664B1 (ko) 2016-09-19

Family

ID=57103058

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160045926A KR101657664B1 (ko) 2016-04-15 2016-04-15 이원 히트펌프 냉난방 장치

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101657664B1 (ko)
WO (1) WO2017179949A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109030059B (zh) * 2018-09-08 2023-10-03 湖南东尤水汽能热泵制造有限公司 一种低温热源热泵实验检测平台及检测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030071607A (ko) 2003-08-01 2003-09-03 오원길 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템
JP2009264718A (ja) * 2008-04-30 2009-11-12 Panasonic Corp ヒートポンプ温水システム
KR101262927B1 (ko) * 2013-03-26 2013-05-13 주식회사 신우종합에너지 이원 히트펌프장치
KR20140112928A (ko) * 2013-03-15 2014-09-24 이병길 공기열 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101249817B1 (ko) * 2011-06-16 2013-04-02 현우산기주식회사 이원냉동사이클을 이용한 히트펌프장치의 제상운전방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030071607A (ko) 2003-08-01 2003-09-03 오원길 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템
KR100639104B1 (ko) * 2003-08-01 2006-10-27 오원길 케스케이드 열교환기를 갖는 이원냉동사이클을 이용한냉난방 및 급탕용 히트펌프시스템
JP2009264718A (ja) * 2008-04-30 2009-11-12 Panasonic Corp ヒートポンプ温水システム
KR20140112928A (ko) * 2013-03-15 2014-09-24 이병길 공기열 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치
KR101262927B1 (ko) * 2013-03-26 2013-05-13 주식회사 신우종합에너지 이원 히트펌프장치

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017179949A1 (ko) 2017-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2526194C (en) An air condition heat pump with cross-defrosting system
JP4812606B2 (ja) 空気調和装置
KR101202287B1 (ko) 냉, 난방 동시모드가 안정된 히트펌프장치
WO2012128229A1 (ja) 二元冷凍サイクル装置
JP5641875B2 (ja) 冷凍装置
CN110243083B (zh) 一种蓄能型高效空气源太阳能复合热泵热水器
JP2004190917A (ja) 冷凍装置
KR101593481B1 (ko) 프리쿨링과 냉동사이클을 이용한 절전형 냉각 시스템
KR101910494B1 (ko) 지열, 공기열을 이용한 냉난방 시스템
WO2022267886A1 (zh) 空调器的防结霜控制方法及空调器
JP2003004321A (ja) 冷凍空調装置
US20130061622A1 (en) Refrigerating and air-conditioning apparatus
KR101657664B1 (ko) 이원 히트펌프 냉난방 장치
KR101262927B1 (ko) 이원 히트펌프장치
KR20100101265A (ko) 냉각장치
KR102528077B1 (ko) 히트펌프를 이용한 냉난방 및 제습장치
US20230056774A1 (en) Sub-cooling a refrigerant in an air conditioning system
CN115654823A (zh) 一种冷库用热力系统及其蒸汽化霜方法和冷库
KR100987705B1 (ko) 핫가스 제상용 시스템이 적용된 냉동 사이클장치
KR20070031783A (ko) 통신장비용 냉방장치 및 그 제어방법
CA3027892C (en) Transcritical r-744 refrigeration system for supermarkets with improved efficiency and reliability
JPWO2018198220A1 (ja) 冷凍装置
CN113432172A (zh) 热泵机组室内单元和热泵机组
KR102080053B1 (ko) 제상기능을 갖는 히트펌프 공기조화기
KR101069159B1 (ko) 비착상 방식 냉각시스템

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191010

Year of fee payment: 4