KR101878157B1 - 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법 - Google Patents

가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법 Download PDF

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Abstract

가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법에 관한 것으로, 가스 연료를 열원으로 하는 가스엔진에서 발생한 동력으로 압축기를 구동해서 제1 냉매를 액화 또는 기화시키는 가스 히트 펌프, 상기 가스 히트 펌프에서 상기 제1 냉매와 열교환된 제2 냉매를 이용해서 실내를 냉방 또는 난방하는 실내기 및 상기 가스 히트 펌프에서 발생한 동력을 이용해서 자가발전해서 실내 전력 부하에 전력을 공급하는 발전부를 포함하는 구성을 마련하여, 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법{COOLING AND HEATING SYSTEM USING GHP AND TRIPLE CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 냉난방 시스템 및 그의 운전제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 히트 펌프를 이용해서 냉방, 난방 운전과 개별 또는 동시 연계 운전으로 자가발전하는 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법에 관한 것이다.
공기조화기는 쾌적한 실내환경을 조성하기 위해 실내로 보내는 공기의 온도, 습도, 기류 및 청결도 등을 조절하는 기기로서, 주로 빌딩 또는 공장 등의 대형건물용 등에서 대용량의 냉방 및 난방을 하기 위해 사용되고 있다.
공기조화기는 일반적으로 냉동기나 보일러와 같은 열원체로부터 이송되어 온 열매체인 냉수 또는 온수(때로는 증기)와 실내로부터 유입된 공기(환기-換氣라 한다)를 열교환 시킨 후 덕트를 통해 열교환된 공기를 보내 실내의 온도를 낮추거나 높인다.
일반 공기조화기에서는 열매체를 냉수나 온수(혹은 증기)를 사용하나, 직접팽창식 공기조화기(Direct eXpansion Air Handling Unit)는 냉동기나 보일러를 사용하지 않고 냉매를 직접 열매체로 이용한다.
상기 직접팽창식 공기조화기는 냉매가 직접 팽창하는 직접팽창 코일(D.XCOIL)을 내장해서 중앙 냉·난방 시스템과 관계없이 개별적인 가동이 가능한 공기조화기를 말한다.
상기 가열 코일로는 보일러로부터 공급되는 온수 또는 증기를 이용할 수 있으며, 난방부하가 적은 경우는 전열기(ELECTRIC HEATING COIL)를 설치할 수도 있다.
이러한 직접팽창식 공기조화기를 최근의 히트 펌프(HEAT PUMP) 방식인 EHP(Electric Engine Driven Heat Pump) 또는 GHP(Gas Engine Driven Heat Pump)용 실외기와 접속하여 운영하는 경우, 이를 EHP 또는 GHP형 공기조화기라 한다.
EHP 또는 GHP형 공기조화기는 1대의 공기조화기에 복수의 실외기를 연결하여 대용량의 실내에 냉난방은 물론, 실내 공기조화에 필요한 습도, 청정 및 기류를 구성하는데 적합한 시스템으로 일반형 공조기와 동일한 기능 원리를 가진다.
따라서 EHP 또는 GHP형 공기조화기 역시 추가적인 장비의 설치 없이 공기의 질을 관리할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 직접팽창식 공기조화기와 히트펌프 기술이 개시되어 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1070186호(2011년 10월 5일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1690615호(2016년 12월 28일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1469928호(2014년 12월 5일 공고)
한편, 최근에는 에너지 효율을 향상시키기 위한 기술에 대한 관심이 증대되면서 공기조화기, 즉 냉난방 시스템에 자가발전 기술을 연계하는 기술이 개발되고 있다.
예를 들어, 상기의 특허문헌 3에는 자가발전 기능을 갖는 히트펌프의 냉난방기 장치 기술이 개시되어 있다.
그러나 특허문헌 3은 히트펌프와 태양열 집열기를 적용해서 스팀 보일러를가동하여 발생되는 스팀을 이용해서 발전하도록 구성됨에 따라, 구조가 복잡하고 설비비가 증가하며, 스팀을 이용한 발전과정에서 에너지 효율이 낮은 문제점이 있었다.
따라서 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 기술이 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉방, 난방 및 자가발전의 삼중 운전을 효과적으로 제어하여 다중 이용시설 건축물의 전력부하를 최소화할 수 있는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 삼중 운전 중 자가발전 전력의 효율적 제어를 통해 사계절 냉방 및 난방 운전과 동시에 자가발전 운전시 에너지 효과를 극대화할 수 있는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템은 가스 연료를 열원으로 하는 가스엔진에서 발생한 동력으로 압축기를 구동해서 제1 냉매를 액화 또는 기화시키는 가스 히트 펌프, 상기 가스 히트 펌프에서 상기 제1 냉매와 열교환된 제2 냉매를 이용해서 실내를 냉방 또는 난방하는 실내기 및 상기 가스 히트 펌프에서 발생한 동력을 이용해서 자가발전해서 실내 전력 부하에 전력을 공급하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법은 (a) 관리자로부터 운전모드를 설정받는 단계, (b) 설정된 운전모드가 냉방 또는 난방 운전모드인 경우, 가스 히트 펌프의 가스 엔진에서 발생한 동력을 이용해서 압축기를 구동하여 실내 공간을 냉방 또는 난방하는 단계 및 (c) 설정된 운전모드가 자가발전 모드인 경우, 상기 가스 히트 펌프의 가스 엔진에서 발생한 동력을 이용해서 발전기를 구동하여 발전하고, 발전된 전력을 실내 전력 부하로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법에 의하면, 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 냉방, 난방 및 자가발전의 삼중 운전을 효과적으로 제어하여 다중 이용시설 건축물의 전력부하를 최소화하고, 삼중 운전 중 자가발전 전력의 효율적 제어를 통해 사계절 냉방 및 난방 운전과 동시에 자가발전 운전시 에너지 효과를 극대화할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 블록 구성도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도,
도 4는 냉방설정온도와 측정입력온도 차이에 따라 가스 엔진의 구동을 제어하는 방법을 예시한 그래프,
도 5는 난방설정온도와 측정입력온도 차이에 따라 가스 엔진의 구동을 제어하는 방법을 예시한 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 연료를 열원으로 하는 가스엔진(21)에서 발생한 동력으로 압축기(22)를 구동해서 제1 냉매를 액화 또는 기화시키는 가스 히트 펌프(20), 가스 히트 펌프(20)에서 제1 냉매와 열교환된 제2 냉매를 이용해서 실내를 냉방 또는 난방하는 실내기(30) 및 가스 히트 펌프(20)에서 발생한 동력을 이용해서 자가발전해서 실내 전력 부하에 전력을 공급하는 발전부(40)를 포함한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템(10)은 냉방 또는 난방 운전모드와 자가발전 모드를 포함하는 운전모드 설정 상태에 기초해서 각 장치의 구동을 제어하는 제어부(50)를 더 포함할 수 있다.
가스 히트 펌프(20)는 가스 연료를 연소시켜 구동되는 가스 엔진(21), 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축기(22) 및 압축기(22)에서 압축된 제1 냉매를 이용해서 실내기(30)와 가스 히트 펌프(20) 사이를 순환하는 제2 냉매와 열교환을 수행하는 열교환기(23)를 포함한다.
상기 가스 연료는 액화천연가스(Liqeufied/Liquid Natural Gas)나 압축천연가스(Compressed Natural Gas) 등 다양한 가스 연료가 적용될 수 있다.
가스 엔진(21)에는 가스 엔진(21) 시동시 시동전원을 인가하여 가스 엔진을 시동하는 시동모터(24) 및 가스 엔진(21)에 공급된 가스 연료를 점화하는 점화장치(25)가 마련될 수 있다.
이러한 가스 엔진(21)은 연료 공급 라인(FL)을 통해 가스 연료를 공급받고, 연료 공급 라인(FL)에는 가스 연료를 공급 또는 차단하도록 개폐 동작하는 연료공급밸브(26)가 설치될 수 있다.
이와 함께, 가스 히트 펌프(20)에는 가스 엔진(21)에 외부 공기를 공급하고, 내부의 가열된 공기를 배출하도록 송풍하는 송풍팬(27)이 마련될 수 있다.
가스 엔진(21)과 압축기(22) 사이에는 제어부(50)의 제어신호에 따라 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 압축기(22)로 전달 또는 차단하는 제1 클러치(28)가 마련될 수 있다.
즉, 제어부(50)는 냉방 또는 난방 운전모드 설정시에는 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 압축기(22)로 전달하도록 제1 클러치(28)를 온 구동시키고, 냉방 및 난방 운전모드 해제 시에는 가스 엔진(21)에서 발생한 구동력이 압축기(22)로 전달되는 것을 차단하도록 제1 클러치(28)를 오프 구동시키도록 제어신호를 발생할 수 있다.
압축기(22)에서 압축된 제1 냉매는 제1 순환라인(CL1)을 통해 압축기(22)와 열교환기(23) 사이를 순환하고, 제1 순환라인(CL1)에는 냉방 및 난방 운전이 가능하도록 제1 냉매의 순환방향을 조절하는 사방변(29)이 마련될 수 있다.
사방변(29)은 냉방 운전시에는 압축기(22)에서 압축된 고온고압의 기체 상태인 제1 냉매를 응축기(도면 미도시)로 전달하고, 상기 응축기에서 응축된 냉매는 팽창밸브(도면 미도시)를 거치면서 팽창하여 저온저압의 액체 상태로 변화하며, 열교환기(23)에서 제1 냉매와 열교환에 의해 냉각된 제2 냉매는 실내기(30)로 공급된다.
그리고 사방변(29)은 난방 운전시에는 압축기(22)에서 압축된 고온고압의 기체 상태인 제1 냉매를 열교환기(23)로 전달하고, 열교환기(23)에서 제1 냉매와 열교환에 의해 가열된 제2 냉매는 실내기(30)로 공급된다.
실내기(30)는 열교환기(23)에서 열교환된 제2 냉매를 이용해서 실내 공간을 냉방 또는 난방할 수 있다.
이를 위해, 실내기(30)는 가스 히트 펌프(20)의 열교환기(23)에서 제1 냉매와 열교환된 제2 냉매를 이용해서 공기를 냉각 또는 가열하는 냉매코일(31)과 제2 냉매에 의해 냉각 또는 가열된 공기를 실내 공간으로 송풍해서 냉방 또는 난방하는 실내기팬(32)을 포함할 수 있다.
냉매코일(31)과 열교환기(23) 사이에는 제2 냉매가 순환하는 제2 순환라인(CL2)이 연결되고, 제2 순환라인(CL2)에는 제2 냉매를 순환시키도록 펌핑 동작하는 냉매펌프(33)가 설치될 수 있다.
발전부(40)는 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 공급받아 발전하는 발전기(41)와 발전된 전력을 충전하고 충전된 전력을 실내 전력 부하(60)로 공급하는 축전기(42)를 포함할 수 있다.
가스 엔진(21)과 발전기(41) 사이에는 제어부(50)의 제어신호에 따라 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 발전기(41)로 전달 또는 차단하는 제2 클러치(43)가 마련될 수 있다.
제1 및 제2 클러치(28,43)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 온, 오프 동작하는 전자식 클러치로 마련될 수 있다.
즉, 제어부(50)는 자가발전 모드 설정 시에는 가스 엔진(21)에서 발생한 동력을 발전기(41)로 전달하도록 제2 클러치(43)를 온 구동시키고, 자가발전 모드해제 시에는 가스 엔진(21)에서 발생한 동력이 발전기(41)로 전달되는 것을 차단하기 위해 제2 클러치(43)를 오프 구동시키도록 제어신호를 발생할 수 있다.
이러한 제어부(50)는 관리자 또는 사용자(이하 '관리자'라 함)의 조작신호를 입력받는 컨트롤 패널(51) 및 실내기(30)에 마련되는 리모컨(도면 미도시)과 연결되고, 상기 조작신호에 따라 냉난방 시스템(10)의 운전모드를 설정하며, 설정된 운전모드에 따라 각 장치의 구동을 제어하는 제어신호를 발생할 수 있다.
상기 운전모드는 냉방 운전모드, 난방 운전모드, 자가발전 모드를 포함하고, 상기 자가발전 모드는 자가발전만을 수행하는 단독 발전모드 및 냉방 또는 난방운전과 자가발전을 동시에 수행하는 병행 발전모드를 포함할 수 있다.
그래서 발전부(40)는 자가발전 모드 설정시 가스 엔진(21)에서 전달되는 동력을 이용해서 발전기(41)를 구동하고, 발전기(41)에서 발전된 전력을 축전기(42)에 충전하며, 축전기(42)에서 방전되는 전력을 전력 공급 라인(PL)을 통해 실내 전력 부하(60)로 공급한다.
여기서, 실내 전력 부하(60)는 건축물 내부에 설치되는 전등(61), 콘센트(62) 및 기타 전기기기(63)를 포함할 수 있다.
전력 공급 라인(EL)에는 전력공급망을 통해 건축물로 공급되는 상용전원과 축전기(42)에서 공급되는 전력 중에서 어느 하나를 선택해서 실내 전력 부하(60)로 공급하는 스위치(44)가 설치될 수 있다.
여기서, 가스 히트 펌프(20)와 발전부(40) 및 제어부(50)는 실외기를 구성한다.
다음, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법을 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
도 2에는 냉난방 시스템에서 냉방 또는 난방 운전모드 설정시 운전을 제어하는 방법이 도시되어 있고, 도 3에는 자가발전 모드 설정시 운전을 제어하는 방법이 도시되어 있다.
도 2의 S10단계에서 관리자에 의해 전원 스위치(도면 미도시)가 온 조작되어 전원이 공급되면, 제어부(50)는 냉난방 시스템(10)을 운전시킬 수 있도록 각 장치를 초기화하고, 운전을 준비하도록 제어한다.
S12단계에서 관리자로부터 운전모드가 선택되면, 제어부(50)는 선택된 운전모드를 설정하고, 설정된 운전모드에 따라 각 장치의 구동을 제어한다.
S14단계에서 제어부(50)는 S12단계에서 설정된 운전모드가 자가발전 모드인지를 검사하고, 자가발전 모드가 설정된 경우 도 3의 S40단계로 진행한다.
반면, S14단계의 검사결과 자가발전 모드의 해제 상태이면, S16단계에서 제어부(50)는 S12단계에서 설정된 운전 모드가 냉방 운전모드인지를 검사한다.
S16단계의 검사결과 냉방 운전모드가 설정된 상태이면, 제어부(50)는 실내기팬(32)을 구동하고(S18), 냉방 운전을 수행하도록 실외기에 마련된 가스 히트 펌프(20)의 구동을 제어한다(S20).
상세하게 설명하면, S20단계에서 제어부(50)는 제2 클러치(43)를 오프 시킨 상태에서 제1 클러치(28)를 온 시키도록 제어신호를 발생하고, 점화장치(25)를 구동한 후 시동모터(24)를 구동해서 가스 엔진(21)을 구동한다.
그리고 제어부(50)는 냉매 펌프(33)를 구동해서 제2 냉매를 제2 순환라인(CL2)을 따라 순환시키며, 송풍팬(27)을 구동하고, 압축기(22)에서 압축된 제1 냉매를 응축기(도면 미도시)로 공급하도록 사방변(29)을 오프 시키며, 연료공급밸브(26)를 개방해서 가스 연료를 가스 엔진(21)으로 공급하도록 제어한다.
이에 따라, 가스 히트 펌프(20)는 가스 엔진(21)에서 가스 연료를 연소시켜 발생한 동력을 이용해서 압축기(22)를 구동하고, 압축기(22)에서 압축된 제1 냉매는 응축 및 팽창 과정을 거쳐 저온저압의 액체 상태로 열교환기(23)에 공급되며, 열교환기(23)는 제1 냉매와 제2 냉매의 열교환을 통해 제2 냉매를 냉각한다.
그러면, 실내기(30)는 냉각된 제2 냉매를 냉매 코일(31)을 통해 이동시키면서 실내기팬(32)을 구동해서 실내 공기를 냉각시켜 냉방운전한다(S22).
여기서, 제어부(50)는 관리자로부터 설정된 설정온도와 실내온도를 비교하고, 비교결과에 기초해서 냉방운전을 수행하도록 가스 히트 펌프(20)의 구동을 제어한다.
이때, 제어부(50)는 실내에 설치된 온도감지센서에서 감지된 실내온도가 상기 설정온도와 미리 설정된 냉방편차를 더해서 산출된 산출온도 이상이면, 냉방운전을 시작하도록 제어하고, 상기 산출온도 미만이면 냉방운전을 중지하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 설정온도는 약 -20℃ 내지 80℃까지 약 0.1℃ 단위로 설정되고, 상기 냉방편차온도는 약 0.1℃ 내지 9.9℃까지 약 0.1℃ 단위로 설정될 수 있다.
이와 함께, 제어부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 관리자로부터 설정된 냉방설정온도와 냉각수, 예컨대 제1 냉매 또는 제2 냉매의 온도를 측정한 측정입력온도의 차이에 따라 가스 엔진(21)의 구동을 제어할 수 있다.
도 4는 냉방설정온도와 측정입력온도 차이에 따라 가스 엔진의 구동을 제어하는 방법을 예시한 그래프이다.
즉, 제어부(50)는 미리 설정된 기준온도, 예컨대 7℃를 기준으로 냉각수의 온도가 미리 설정된 편차, 예컨대 ±1℃를 유지하도록 가스 엔진(21)을 구동 또는 중지하도록 제어할 수 있다.
특히, 제어부(50)는 초기 운전시에는 편차 없이 상기 기준온도를 기준으로 가스 엔진(21)의 구동을 제어할 수 있다.
상기 기준온도는 약 5℃ 내지 12℃까지 1℃단위로 변경될 수 있다.
여기서, 상기 기준온도 및 편차는 고정된 값이 아니며, 실험을 통해 최적값을 도출하여 다양하게 변경될 수 있다.
S24단계에서 제어부(50)는 상기 전원 스위치가 오프 조작되어 전원공급이 차단되는지를 검사하고, 전원공급이 차단될 때까지 S12단계 내지 S24단계를 반복 수행하도록 제어한다.
한편, S16단계의 검사결과 설정된 운전모드가 냉방운전 모드가 아닌 경우, 제어부(50)는 실내기팬(32)을 구동하고(S30), 난방 운전을 수행하도록 실외기에 마련된 가스 히트 펌프(20)의 구동을 제어한다(S32).
상세하게 설명하면, S32단계에서 제어부(50)는 제2 클러치(43)를 오프 시킨 상태에서 제1 클러치(28)를 온 시키도록 제어신호를 발생하고, 점화장치(25)를 구동한 후 시동모터(24)를 구동해서 가스 엔진(21)을 구동한다.
그리고 제어부(50)는 냉매 펌프(33)를 구동해서 제2 냉매를 제2 순환라인(CL2)을 따라 순환시키며, 송풍팬(27)을 구동하고, 압축기(22)에서 압축된 제1 냉매를 열교환기(23)로 공급하도록 사방변(29)을 온 시키며, 연료공급밸브(26)를 개방해서 가스 연료를 가스 엔진(21)으로 공급하도록 제어한다.
이에 따라, 가스 히트 펌프(20)는 가스 엔진(21)에서 가스 연료를 연소시켜 발생한 동력을 이용해서 압축기(22)를 구동하고, 압축기(22)에서 압축된 제1 냉매는 고온고압의 액체 상태로 열교환기(23)에 공급되며, 열교환기(23)는 제1 냉매와 제2 냉매의 열교환을 통해 제2 냉매를 가열한다.
그러면, 실내기(30)는 가열된 제2 냉매를 냉매 코일(31)을 통해 이동시키면서 실내기팬(32)을 구동해서 실내 공기를 가열하여 난방 운전한다(S34).
여기서, 제어부(50)는 관리자로부터 설정된 설정온도와 실내온도를 비교하고, 비교결과에 기초해서 난방운전을 수행하도록 가스 히트 펌프(20)의 구동을 제어한다.
이때, 제어부(50)는 실내에 설치된 온도감지센서에서 감지된 실내온도가 상기 설정온도와 미리 설정된 난방편차를 더해서 산출된 산출온도 이상이면, 난방운전을 시작하도록 제어하고, 상기 산출온도 미만이면 난방운전을 중지하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 설정온도는 약 -20℃ 내지 80℃까지 약 0.1℃ 단위로 설정되고, 상기 난방편차온도는 약 0.1℃ 내지 9.9℃까지 약 0.1℃ 단위로 설정될 수 있다.
이와 함께, 제어부(50)는 도 5에 도시된 바와 같이, 관리자로부터 설정된 난방설정온도와 냉각수, 예컨대 제1 냉매 또는 제2 냉매의 온도를 측정한 측정입력온도의 차이에 따라 가스 엔진(21)의 구동을 제어할 수 있다.
도 5는 난방설정온도와 측정입력온도 차이에 따라 가스 엔진의 구동을 제어하는 방법을 예시한 그래프이다.
즉, 제어부(50)는 미리 설정된 기준온도, 예컨대 60℃를 기준으로 냉각수의 온도가 미리 설정된 편차, 예컨대 ±2℃를 유지하도록 가스 엔진(21)을 구동 또는 중지하도록 제어할 수 있다.
특히, 제어부(50)는 초기 운전시에는 편차 없이 상기 기준온도를 기준으로 가스 엔진(21)의 구동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 기준온도는 약 45℃ 내지 65℃까지 1℃단위로 변경될 수 있다.
여기서, 상기 기준온도 및 편차는 고정된 값이 아니며, 실험을 통해 최적값을 도출하여 다양하게 변경될 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 난방운전을 수행한 후, 상기 S24단계로 진행하도록 제어한다.
다음, 도 3을 참조하여 자가발전 모드 설정시 운전방법을 상세하게 설명한다.
S40단계에서 제어부(50)는 설정된 운전모드가 자가발전만을 수행하는 단독발전 모드인지를 검사한다.
S40단계의 검사결과 단독발전 모드가 설정된 상태이면, 제어부(50)는 S42단계에서 제1 클러치(28)를 오프 시키고, 제2 클러치(43)를 온 시키도록 제어신호를 발생한다.
이에 따라, 냉방 및 난방 운전이 정지되고(S44), 발전기(41)는 제2 클러치(43)를 통해 전달되는 동력을 이용해서 발전한다(S46).
S48단계에서 제어부(50)는 발전기(41)에서 발전한 발전량과 미리 설정된 설정량을 비교한다.
S48단계의 검사결과 상기 발전량이 설정량을 초과하는 경우, 제어부(50)는 발전된 전력을 축전기(42)에 충전하고, 충전된 전력을 실내 전력 부하에 공급하도록 발전부(40) 및 스위치(44)의 구동을 제어한다.
한편, S48단계의 검사결과 상기 발전량이 설정량 이하이면, S52단계에서 제어부(50)는 상기 발전량이 실내 전력 부하(60)에서 소모되는 전력 부하를 초과하는지를 검사한다.
S52단계의 검사결과 상기 발전량이 상기 전력 부하를 초과하는 경우, 제어부(50)는 S50단계로 진행해서 실내 전력 부하(60)에 발전된 전력을 공급하도록 발전부(40) 및 스위치(44)의 구동을 제어한다.
반면, S52단계의 검사결과 상기 발전량이 전력부하 이하이면, S54단계에서 제어부(50)는 상용 전원이 공급되는지를 검사하고, 상용 전원이 미공급 상태이면 S46단계로 진행하며, 상용 전원의 공급 상태이면 S50단계로 진행해서 상용 전원을 실내 전력 부하(60)로 공급하도록 스위치(44)의 구동을 제어한다.
상기 S50단계를 수행한 후, 제어부(50)는 상기의 S24단계로 진행하도록 제어한다.
한편, S40단계의 검사결과 단독발전 모드의 설정상태가 아닌 경우, 제어부(50)는 병행발전 모드로 판단하고, 제1 및 제2 클러치(28,43)를 온 시키도록 제어신호를 발생한다.
그리고 제어부(50)는 관리자의 설정모드에 따라 냉방 또는 난방운전을 수행하면서 S46단계로 진행해서 발전운전하도록 발전부(40)의 구동을 제어한다.
이때, 제어부(50)는 상기 S22단계와 S34단계에서 설명한 바와 같이, 설정온도와 실내온도, 냉방 및 난방 설정온도와 냉각수의 온도를 측정한 측정입력온도의 비교결과에 따라 냉방 또는 난방운전하도록 제어할 수 있다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 가스 히트 펌프를 이용한 냉방 및 난방 운전과 개별 또는 동시 연계운전으로 자가발전하여 에너지 효율을 향상시키는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템 및 그의 삼중 운전제어방법 기술에 적용된다.
10: 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템
20: 가스 히트 펌프 21: 가스 엔진
22: 압축기 23: 열교환기
24: 시동모터 25: 점화장치
26: 연료공급밸브 27: 송풍팬
28: 제1 클러치 29: 사방변
30: 실내기 31: 냉매코일
32: 실내기팬 33: 냉매펌프
40: 발전부 41: 발전기
42: 축전기 43: 제2 클러치
44: 스위치 50: 제어부
51: 컨트롤 패널 60: 실내 전력 부하
61: 전등 62: 콘센트
63: 기타 전기기기 FL: 연료 공급 라인
CL1,CL2: 제1,제2 순환라인 EL: 전력 공급 라인

Claims (10)

  1. 가스 연료를 열원으로 하는 가스엔진에서 발생한 동력으로 압축기를 구동해서 제1 냉매를 액화 또는 기화시키는 가스 히트 펌프,
    상기 가스 히트 펌프에서 상기 제1 냉매와 열교환된 제2 냉매를 이용해서 실내를 냉방 또는 난방하는 실내기,
    상기 가스 히트 펌프에서 발생한 동력을 이용해서 자가발전해서 실내 전력 부하에 전력을 공급하는 발전부 및
    냉방 또는 난방 운전 모드와 자가발전 모드를 포함하는 운전모드 설정 상태에 기초해서 각 장치의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 자가발전 모드는 자가발전만을 수행하는 단독 발전모드 및 냉방 또는 난방 운전과 자가발전을 수행하는 병행 발전 모드를 포함하며,
    상기 가스 히트 펌프는 가스 연료를 연소시켜 구동되는 가스 엔진,
    상기 가스 엔진에서 발생한 동력을 전달받아 냉매를 압축하는 압축기,
    상기 압축기에서 압축된 제1 냉매를 이용해서 상기 실내기와 가스 히트 펌프 사이를 순환하는 상기 제2 냉매와 열교환을 수행하는 열교환기를 포함하고,
    상기 가스 엔진과 압축기 사이에는 상기 가스 엔진에서 발생한 동력을 전달 또는 차단하는 제1 클러치가 마련되며,
    상기 발전부는 상기 가스 엔진에서 발생한 동력을 공급받아 발전하는 발전기와
    발전된 전력을 충전하고 충전된 전력을 실내 전력 부하로 공급하는 축전기를 포함하고,
    상기 가스 엔진과 발전기 사이에는 상기 가스엔진에서 발생한 동력을 상기 발전기로 전달 또는 차단하는 제2 클러치가 마련되며,
    상기 제어부는 상기 냉방 및 난방운전 모드와 병행 발전모드에서 관리자로부터 설정된 설정온도와 측정된 실내온도, 냉방 및 난방 설정온도와 냉각수의 온도를 측정한 측정입력온도를 비교하고, 비교결과에 따라 상기 가스 엔진의 구동을 제어하며,
    냉방 또는 난방운전 모드 설정시 상기 제1 클러치를 온 구동시키며, 냉방 또는 난방운전 모드 해제시 상기 제1 클러치를 오프 구동시키도록 제어신호를 발생하고,
    상기 자가발전 모드 설정 시 상기 제2 클러치를 온 구동시키고, 상기 자가발전 모드 해제 시에는 상기 제2 클러치를 오프 구동시키도록 제어신호를 발생하며,
    상기 제1 냉매는 제1 순환라인을 통해 상기 압축기와 열교환기 사이를 순환하고,
    상기 제1 순환라인에는 냉방 및 난방 운전이 가능하도록 제1 냉매의 순환방향을 조절하는 사방변이 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 기재된 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법에 있어서,
    (a) 관리자로부터 운전모드를 설정받는 단계,
    (b) 설정된 운전모드가 냉방 또는 난방 운전모드인 경우, 가스 히트 펌프의 가스 엔진에서 발생한 동력을 이용해서 압축기를 구동하여 실내 공간을 냉방 또는 난방하는 단계 및
    (c) 설정된 운전모드가 자가발전 모드인 경우, 상기 가스 히트 펌프의 가스 엔진에서 발생한 동력을 이용해서 발전기를 구동하여 발전하고, 발전된 전력을 실내 전력 부하로 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 냉난방 시스템의 제어부는 냉방 및 난방운전 모드와 병행 발전모드에서 관리자로부터 설정된 설정온도와 측정된 실내온도, 냉방 및 난방 설정온도와 냉각수의 온도를 측정한 측정입력온도를 비교하고, 비교결과에 따라 상기 가스 엔진의 구동을 제어하며,
    상기 (b)단계는 (b1) 설정된 운전모드가 냉방 운전모드인 경우, 사방변을 오프시켜 상기 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축기 및 팽창밸브로 공급해서 응축 및 팽창시키는 단계 및
    (b2) 팽창에 의해 저온저압의 액체 상태인 상기 제1 냉매를 열교환기에 공급하여 상기 열교환기와 실내기를 순환하는 제2 냉매를 냉각해서 실내를 냉방하는 단계,
    (b3) 설정된 운전모드가 난방 운전모드인 경우, 상기 사방변을 온시켜 상기 압축기에서 압축된 고온고압의 기체상태인 제1 냉매를 상기 열교환기로 공급하는 단계 및
    (b4) 상기 열교환기에서 상기 고온고압의 기체상태인 제1 냉매와의 열교환을 통해 상기 제2 냉매를 가열해서 실내를 난방하는 단계를 포함하고,
    상기 (c)단계는 (c1) 상기 자가발전 모드 중에서 자가발전만을 수행하는 단독 발전모드가 설정된 경우, 상기 가스 엔진과 압축기의 연결을 차단한 상태에서 상기 가스 엔진과 발전기를 연결해서 상기 가스 엔진에서 발생한 동력을 상기 발전기로 공급하는 단계,
    (c2) 상기 자가발전 모드 중에서 냉방 또는 난방 운전과 자가발전을 수행하는 병행 발전모드가 설정된 경우, 상기 가스 엔진과 압축기 및 발전기를 각각 연결해서 상기 가스 엔진에서 발생한 동력을 상기 압축기 및 발전기로 공급하는 단계 및
    (c3) 상기 발전기에서 상기 (c1) 또는 (c2)단계를 통해 공급된 동력을 이용해서 발전하고, 발전된 전력을 축전기에 충전하며, 충전된 전력을 실내 전력 부하로 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 (c3)단계에서 제어부는 상기 발전기에서 발전한 전력량과 미리 설정된 설정량을 비교하고, 상기 전력량이 상기 설정량을 초과하면, 발전된 전력을 실내 전력 부하에 공급하며,
    상기 전력량이 상기 설정량 이하이면, 상기 전력량을 상기 실내 전력 부하에서 소모되는 전력 부하와 비교하고, 상기 전력량이 전력 부하를 초과하면 발전된 전력을 실내 전력 부하에 공급하며,
    상기 전력량이 상기 전력 부하 이하이면, 상용전원을 실내 전력부하에 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프를 이용한 냉난방 시스템의 삼중 운전제어방법.
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