KR101750869B1 - 히트펌프를 이용한 온수 순환장치의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 온수 순환장치의 제어방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 히트펌프를 포함하고, 상기 응축기를 열원으로 하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법으로서, 상기 증발기 주위의 외기온도(Tea)에 따라 사전에 결정된 목표 흡입과열도를 설정하는 단계; 설정된 목표 흡입과열도에 따라서 상기 팽창밸브의 개도를 조절하는 단계; 상기 외기온도(Tea)가 변하는 경우, 외기온도 변화에 따라 목표 흡입과열도를 변경하는 단계; 및 입수온도(Twi)가 상승하면서 출수온도(Two)가 목표치 미만인 경우에 변경된 목표 흡입과열도를 낮추는 단계;를 포함하는 온수 순환장치의 제어방법이 제공된다.

Description

히트펌프를 이용한 온수 순환장치의 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING A WATER CIRCULATION SYSTEM USING HEAT PUMP}

본 발명은 히트펌프를 이용한 온수 순환장치의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열원으로서 히트펌프를 이용하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법에 관한 것이다.

온수 순환장치는 상수원과 같은 급수원으로부터 공급받은 저온의 물을 가열하여 온수를 제공하기 위한 장치로서, 물을 가열하기 위해 종래부터 다양한 종류의 열원이 사용되어 왔다. 그 중, 냉매압축사이클을 이용하는 히트펌프를 이용한 온수 순환장치는 열원으로서 응축기를 통과하는 고온의 냉매가 갖는 열을 활용하며, 응축기로부터 방열되는 저온의 물을 열교환하여 온수를 생산하는 장치이다.

이러한 온수 순환장치는 설정온도 이상의 온수를 요구되는 수량만큼 공급되어야 하는데, 보일러와 같은 열원을 사용하는 경우와 달리 히트펌프의 경우 사이클이 실외온도와 같은 외부 환경에 의해 영향을 받기 때문에 응축기를 통해 공급되는 열량을 충분히 공급하지 못하는 경우가 생길 수 있다.

가령, 증발기로부터 토출된 냉매가 액체 상태로 압축기로 유입되면 압축기를 손상시키거나 소음이 발생되는 문제가 있게 되므로, 냉매는 압축기에 기체상태로 유입되어야 한다. 이를 위해서, 증발기를 통과한 냉매가 어느 정도의 과열도를 갖도록 하여 액냉매의 유입을 방지하고 있으나, 증발기와 열교환하게 되는 외부 공기의 온도가 낮은 경우에는 충분한 열량을 얻을 수 없으므로 냉매의 과열도가 낮아져서 액냉매 유입의 문제가 생길 수 있다.

이러한 경우에, 종래에는 팽창밸브의 개도를 제어하여 증발기를 통과하는 냉매의 유량을 감소키셔 적은 열량으로도 냉매가 충분히 증발할 수 있도록 하여 액냉매 유입으로 인한 문제를 해소하고 있으나, 상술한 바와 같이 온수 순환장치에 있어서 냉매의 온도가 저하되면 공급되는 온수의 온도가 낮아지게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 외부 환경에 변화가 있더라도 히트펌프 시스템을 안정적으로 운영하면서 목표 온도 이상의 온수를 공급할 수 있는 온수 순환장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 히트펌프를 포함하고, 상기 응축기를 열원으로 하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법으로서, 상기 증발기 주위의 외기온도(Tea)에 따라 사전에 결정된 목표 흡입과열도를 설정하는 단계; 설정된 목표 흡입과열도에 따라서 상기 팽창밸브의 개도를 조절하는 단계; 상기 외기온도(Tea)가 변하는 경우, 외기온도 변화에 따라 목표 흡입과열도를 변경하는 단계; 및 입수온도(Twi)가 상승하면서 출수온도(Two)가 목표치 미만인 경우에 변경된 목표 흡입과열도를 낮추는 단계;를 포함하는 온수 순환장치의 제어방법이 제공된다.

즉, 본 발명은 압축기 측으로 유입되는 냉매의 과열도(이하, "흡입과열도")를 결정함에 있어서 증발기 주위의 외기온도를 감안하여 유지하여야 할 흡입과열도(이하, "목표 흡입과열도")를 설정한 후 압축기의 작동 상태 및 출수온도를 감안하여 설정된 목표 흡입과열도를 추가적으로 조정하도록 하고 있다.

여기서, 상기 목표 흡입과열도는 증발기의 외기온도에 따라서 다르게 설정되는데, 외기온도가 낮은 경우에는 증발기를 통과하는 냉매가 얻을 수 있는 열량이 충분하지 않으므로 목표 흡입과열도를 높게 설정한다. 이를 통해서, 압축기로부터 토출되는 냉매의 온도가 높아지므로 외기온도가 낮더라도 온수 순환장치로부터 공급되는 온수의 온도(이하, "출수온도")를 목표치 이상으로 유지할 수 있게 된다.

이 과정에서, 목표 흡입과열도는 증발기 외기온도 변화에 따라서 연속적으로 변화하도록 설정될 수 있다. 목표 흡입과열도의 변동이 있는 경우에 사이클 장치의 안정성이 미세한 흡입과열도 변화에도 민감하게 영향을 받으므로, 목표 흡입과열도를 단계적으로 조정하기 보다는 연속적으로 변화하도록 할 수 있다.

한편, 목표 흡입과열도가 설정된 상태에서 온수 순환장치로 공급되는 물의 온도(이하, "입수온도")가 증가하면 응축기에서 충분한 방열이 되지 않아 사이클 내에 열량이 축적되게 된다. 입수온도가 더욱 증가하면, 압축기로 유입되는 냉매의 온도가 상승하고 압축기의 토출압이 허용치를 넘게 되며, 이러한 경우에 압축기 보호를 위해 압축기의 작동을 정지하거나 압축기로부터 토출되는 토출압을 의도적으로 낮추는 제한 운전이 실시되게 된다.

이렇게 압축기가 제한 운전되는 상태에서는 출수온도가 목표치에 미달되는 경우에는 목표 흡입과열도 상승을 통한 출수온도 확보가 불가능하게 된다. 목표 흡입과열도를 높이더라도 압추기로부터 토출되는 냉매의 온도 및 압력이 제한되기 때문이다. 이러한 경우에 본 발명의 일측면에서는 반대로 목표 흡입과열도를 낮추도록 한다. 이렇게 목표 흡입과열도를 낮추면, 압축기로 흡입되는 냉매의 온도가 낮아져서 압축기의 제한 운전이 해소될 수 있고, 이를 통해 압축기의 운전시간을 늘려서 급수되는 물에 전달되는 열량을 높일 수 있게 된다.

여기서, 입수온도가 증가함에 따라서 목표 흡입과열도가 연속적으로 감소하도록 할 수도 있고, 사전에 정해진 값만큼 감소시킬 수도 있다. 만일, 목표 흡입과열도를 낮춰서 운전을 하더라도, 출수온도가 회복되지 않고 압축기의 제한 운전이 해소되지 않으면, 목표 흡입과열도를 추가적으로 낮출 수도 있다.

이 경우, 목표 흡입과열도를 지나치게 낮추면, 압축기로 액냉매가 유입될 수도 있고, 압축기로부터 토출되는 냉매의 온도와 압력이 지나치게 낮아져서 출수온도를 오히려 감소시킬 수도 있으므로, 사전에 목표 흡입과열도의 최소치를 설정하고 상기 최소치 이상의 범위에서 목표 흡입과열도를 제어하도록 할 수 있다.

이때, 상기 목표 흡입과열도의 최소치는 증발기의 외기온도에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 히트펌프를 포함하고, 상기 응축기를 열원으로 하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법으로서, 증발기 외기온도(Tea)에 따라서 목표 흡입과열도를 다르게 설정하는 단계; 출수온도(Two)를 측정하는 단계; 출수온도(Two)가 목표치 이하인 경우에 상기 압축기의 작동 상태를 감지하는 단계; 및 압축기의 토출압이 최대치에 도달하여 압축기의 운전이 제한됨에도 불구하고 출수온도(Two)가 목표치 이하인 경우에 상기 목표 흡입과열도를 감소시키는 단계;를 포함하는 온수 순환장치의 제어방법이 제공된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 적은 용량의 히트펌프 장치를 이용하여도 안정적으로 출수온도를 확보하고 충분한 정도의 급탕 용량을 확보할 수 있게 된다. 아울러, 에너지 소모량도 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제어방법의 일 실시예가 적용되는 온수 순환장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 온수 순환장치의 작동 상태를 도시한 몰리에르 선도이다.
도 3은 도 1에 도시된 온수 순환장치의 작동 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 도 1에 도시된 온수 순환장치에 있어서, 실외온도 변화에 따른 목표 흡입과열도 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 온수 순환장치의 제어방법의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 제어방법의 일 실시예가 적용되는 온수 순환장치의 일부를 도시한 구성도이고, 도 2는 상기 온수 순환장치에 적용되는 히트펌프 시스템의 작동원리를 도시한 몰리에르 선도이다. 도 1 및 2를 참조하면, 상기 온수 순환장치는 P1 상태의 냉매를 P2 상태까지 압축하는 압축기(10), 압축기로부터 토출된 냉매가 갖는 열과 온수 순환장치로 급수된 물이 열교환되는 응축기(20)를 포함한다. 여기서, Twi의 입수온도를 갖는 물은 상기 응축기(20)에 의해 가열되어 Two의 출수온도를 갖는 온수로서 공급되고, P2 상태로 유입된 냉매는 열을 방출하면서 P3 상태까지 냉각된다.

응축기(20)를 통과한 냉매는 팽창밸브(30)로 유입된다. 상기 팽창밸브(30)는 소위 LEV(Linear Expansion Valve)로서 알려진 것으로서, 그 개도를 소정 범위내에서 자유롭게 조절할 수 있는 형태의 것이 사용된다. 상기 팽창밸브(30)로 유입된 냉매는 팽창밸브를 지나면서 P3까지 감압되는데, 팽창밸브의 개도에 따라서 냉매의 유량 및 토출압력이 조절되고, 그에 따라 목표 흡입과열도 및 출수온도 등을 조절할 수 있게 된다.

상기 팽창밸브(30)를 통과한 냉매는 P3 상태로 증발기(40)로 유입되고, 증발기(40) 내에서 외기로부터 열을 전달받아 기화하여, P4 상태로 복귀한 후 압축(기10)로 재공급된다. 이때, 증발기(40)로 공급되는 열량에 따라서 P4의 상태는 변화하게 되는데, 가령 증발기(40) 주위 공기의 온도(Tea)가 낮아서 증발기로 충분한 열량이 공급되지 못하는 경우에는 상기 P4는 습증기 영역에 머무르게 되고, 그로 인해 액냉매가 압축기(10)로 유입되게 된다. 이를 막기 위해서, 상기 압축기와 증발기의 사이에 어큐뮬레이터(50)를 추가하여 액냉매가 직접 압축기로 유입되는 것을 방지하고 있지만, 어큐뮬레이터(50)에 잔류하는 액냉매의 양만큼 냉매의 유량이 감소하게 되므로 전체 사이클의 성능이 그만큼 저하되게 된다.

따라서, 상기 실시예는 증발기를 통과한 냉매가 적어도 과열증기의 영역에 있도록 하는 정도의 흡입과열도(SH1)를 갖도록 구성된다. 구체적으로, 상기 팽창밸브(30)의 조절을 통해서 도시된 바와 같이 지점 P4가 과열증기의 영역에 있도록 제어하게 되는데, 이렇게 시스템이 의도한 흡입과열도를 목표 흡입과열도라 칭한다.

도 3을 참조하여, 상기 실시예의 제어방법에 대해서 구체적으로 설명한다.

우선, S01 단계에서 증발기의 외기 온도를 측정하고, 그에 따른 목표 흡입과열도(SH1)을 설정한다. 이러한 목표 흡입과열도(SH1)는 사전의 테스트 등을 거쳐서 얻어진 값을 이용할 수 있으며, 외기 온도에 따라서 다른 값을 갖게 된다. 도 4에 실외온도와 목표 흡입과열도 간의 관계를 나타내었다. 도 4에서 상부에 배치되는 실선이 목표 흡입과열도를 나타내는 것으로서, 실외온도가 증가할수록 목표 흡입과열도는 감소된 값을 갖는 것을 알 수 있다. 도시된 바와 같이, 양자가 선형적인 관계를 가질 수도 있지만, 이는 각각의 시스템의 사양 및 요구조건 등에 따라서 다르게 설정될 수 있다.

이러한 관계는, 실외온도 별로 목표 출수온도와 최대 급수량이 가능한 최적의 목표 흡입과열도 값들을 테스트 등을 통해서 확보한 후, 얻어진 데이터를 토대로 하여 수식화될 수 있다.

한편, 상기 히트펌프 시스템이 작동되는 과정에서 증발기가 위치하는 외기의 온도는 일정하게 유지될 수 없고, 그러한 외기 온도의 변화는 히트펌프 시스템의 성능에 영향을 미치게 된다. 그리고, 이러한 히트펌프 시스템의 성능이 불안정해지면 온수 순환장치에 의해 공급되는 온수의 출수온도도 변화하게 되므로, 이를 감안하여 제어할 필요가 있다.

가령, 외기 온도(Tea)가 저하되면 증발기를 통해서 유입되는 열량도 저하되므로, 목표 흡입과열도에 비해서 실제 흡입과열도가 낮아지게 된다. 아울러, 압축기로 유입되는 냉매의 온도도 낮아지므로 응축기를 통해 전달되는 열량 또한 낮아지게 된다. 따라서, 이러한 경우에는 상기 팽창밸브를 제어하여 냉매의 유량을 줄이면 증발기를 통해 동일한 열량이 공급되더라도 흡입과열도를 도 2에서 SH1의 값을 갖도록 유지할 수 있다. 그러나, 이는 압축기로 액냉매가 유입되는 데에는 유리하지만, 냉매의 유량이 줄어들어 결과적으로 응축기를 통해 공급되는 열량은 감소하게 된다. 따라서, 외기 온도가 저하되면, 목표 흡입과열도를 액냉매 유입 방지를 위한 값인 SH1 보다 큰 값으로 증가시키면, 압축기로부터 토출되는 냉매의 압력 및 온도가 상승하므로 적은 유량의 냉매로도 온수의 출수온도 및 급수용량을 얻을 수 있게 된다.

외기 온도가 상승하는 경우에는 증발기를 통해 충분한 열량이 유입되므로 목표 흡입과열도를 변경할 필요는 없다. 다만, 실제로 얻어지는 흡입과열도가 목표 흡입과열도 SH1 보다 작아지기 때문에 팽창밸브를 개방하여 냉매의 유량을 늘리거나, 응축기측으로 공급되는 급수량을 증가시키셔 응축기로부터 보다 많은 양의 열량이 전달되도록 하여 흡입과열도가 낮아지는 것을 방지한다.

따라서, S02 단계에서는 외기 온도(Tea)를 지속적으로 확인하여 그 변화를 확인하고, 외기온도가 저하하는 경우에는 S03 단계에서 외기온도 저하에 따라 목표 흡입과열도(SH2)를 S01 단계에서의 SH1 보다 크게 설정하여, 외기온도가 저하되더라도 출수온도가 유지될 수 있도록 제어한다.

여기서 출수온도는 지속적으로 체크되는데(S04 단계), 만일 S03 단계에서와 같은 제어에도 불구하고 목표로 하는 출수온도가 얻어지지 않는 경우에는 입수온도 및 압축기의 운전 상태를 확인한다(S05 단계). 외기온도가 동일한 상황에서 입수온도가 증가하는 경우, 응축기를 통한 방열량이 줄어들게 되므로, 히트펌프 장치에 열에 축적되게 되고, 이로 인해 압축기로 유입되는 냉매의 온도 및 압축기의 토출압이 높아지게 된다. 토출압이 지속적으로 상승하여 압축기가 안정적으로 작동될 수 있는 한계압력을 초과하게 되면, 온수 순환장치에 내장되는 보호 알고리즘이 작동하여 압축기의 작동을 정지시키거나 압축기의 운전을 제한하여 토출압이 정상범위 내로 유지될 수 있도록 제어된다.

이렇게 압축기가 제한운전되면, 급수되는 물이 연속적으로 가열되는 것이 아니라, 가열 및 정지를 반복하게 되므로 출수온도가 불규칙해지고, 히트펌프 장치 역시 불안정해진다. 이를 해소하기 위해서, S06 단계에서는 S03 단계에서 설정되었던 목표 흡입과열도(SH2)를 보다 낮은 값으로 재설정한다. 이렇게, 목표 흡입과열도(SH2)를 보다 낮은 값으로 하면, 상기 팽창밸브가 개방되어 냉매의 유량이 늘어나고, 그에 따라 압축기로 유입되는 냉매의 온도가 낮아지게 된다. 따라서, 압축기의 토출압이 저하되어 제한운전에서 벗어날 수 있게 되며, 압축기의 운전시간이 길어짐에 따라서 응축기를 통한 방열량도 함께 증가된다. 그로 인해서, 출수온도가 상승하고 사이클의 안정성도 높아질 수 있다.

이때, 상기 S06 단계에서 SH2는 사전에 정해진 값만큼 감소된다. 즉, 입수온도가 상승함에 따라서 연속적으로 SH2를 감소시키는 것이 아니라, 도 4에서 다수개의 'ㄷ'자형 화살표로 지시된 바와 같이 정해진 간격만큼 SH2를 낮추는 것이다. 이를 통해서, 보다 신속하게 제한운전 상태에서 벗어날 수 있게 된다. 그리고, 상기 SH2는 목표 흡입과열도의 최소치까지만 감소된다.

즉, 목표 흡입과열도를 지나치게 낮추면, 압축기로 액냉매가 유입될 수도 있고, 압축기로부터 토출되는 냉매의 온도와 압력이 지나치게 낮아져서 출수온도를 오히려 감소시킬 수도 있으므로, 사전에 목표 흡입과열도의 최소치를 설정하고 상기 최소치 이상의 범위에서 목표 흡입과열도를 제어한다. 도 4에서는 점선으로 표시된 선이 목표 흡입과열도의 최소치에 해당된다. 이때, 상기 목표흡입과열도의 최소치는 상기 증발기의 외기온도에 따라서 정해질 수 있다.

상기 S06 단계에서 SH2 값을 재설정한 후 출수온도의 회복여부를 S07 단계에서 다시 확인한다. 만일, 출수온도가 목표치 이상인 경우에는 제어를 종료하게 되며, 그렇지 않은 경우에는 압축기가 제한운전 상태에서 벗어났는지의 여부를 S08 단계에서 확인한다. 만일, 압축기의 제한운전이 해소되지 않은 상태라면 상기 S06 단계로 복귀하여 목표 흡입과열도를 다시 한번 낮춘 후 S07 및 S08 단계를 반복한다.

S08 단계에서 압축기가 제한운전 상태가 아닌 경우에는, 히트펌프가 최대 한도로 작동됨에도 불구하고 출수온도가 얻어지지 않는 경우에 해당되므로 급수량을 감소시켜(S09 단계) 출수온도가 얻어질 수 있도록 제어한다. 만일, 출수온도보다 급수량이 보다 중요한 경우에는 상기 S09 단계를 생략할 수도 있다.

Claims (9)

1. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 히트펌프를 포함하고, 상기 응축기를 열원으로 하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법으로서,
   상기 증발기 주위의 외기온도(Tea)에 따라 사전에 결정된 목표 흡입과열도를 설정하는 단계;
   설정된 목표 흡입과열도에 따라서 상기 팽창밸브의 개도를 조절하는 단계;
   상기 외기온도(Tea)가 변하는 경우, 외기온도 변화에 따라 목표 흡입과열도를 변경하는 단계; 및
   상기 온수 순환장치로 공급되는 물의 입수온도(Twi)가 상승하면서 상기 온수 순환장치로부터 공급되는 온수의 출수온도(Two)가 목표치 미만인 경우에 변경된 목표 흡입과열도를 낮추는 단계;를 포함하는 온수 순환장치의 제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   증발기 외기온도(Tea)의 변화에 따라서 상기 목표 흡입과열도는 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   증발기 외기온도(Tea)가 낮아지면 설정된 목표 흡입과열도는 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
4. 제1항에 있어서,
   입수온도(Twi)가 증가하는 경우에 상기 목표 흡입과열도는 사전에 정해진 값만큼 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
5. 제1항에 있어서,
   목표 흡입과열도를 낮춘 후에도 압축기의 토출압력이 한계치 미만으로 낮아지지 않고 출수온도도 목표치 이하인 경우에 목표 흡입과열도를 추가적으로 낮추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
6. 제5항에 있어서,
   증발기 외기온도(Tea)에 따른 목표 흡입과열도의 최소치를 사전에 설정하고, 상기 목표 흡입과열도가 최소치에 도달할 때까지만 목표 흡입과열도를 낮추는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
7. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함하는 히트펌프를 포함하고, 상기 응축기를 열원으로 하여 온수를 공급하는 온수 순환장치의 제어방법으로서,
   증발기 외기온도(Tea)에 따라서 목표 흡입과열도를 다르게 설정하는 단계;
   상기 온수 순환장치로부터 공급되는 온수의 출수온도(Two)를 측정하는 단계;
   상기 출수온도(Two)가 목표치 이하인 경우에 상기 압축기의 작동 상태를 감지하는 단계; 및
   압축기의 토출압이 최대치에 도달하여 압축기의 운전이 제한됨에도 불구하고 상기 출수온도(Two)가 목표치 이하인 경우에 상기 목표 흡입과열도를 감소시키는 단계;를 포함하는 온수 순환장치의 제어방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 목표 흡입과열도는 사전에 결정된 값만큼 감소되는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.
9. 제7항에 있어서,
   증발기 외기온도(Tea)가 낮아지면 설정된 목표 흡입과열도는 증가하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 온수 순환장치의 제어방법.

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