KR101980159B1

KR101980159B1 - 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템

Info

Publication number: KR101980159B1
Application number: KR1020180154561A
Authority: KR
Inventors: 김철영; 유병기
Original assignee: (주)유천써모텍
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2019-05-20

Abstract

수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템이 개시된다. 상기 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 압축기; 실외측에 설치되며, 대기열을 이용하는 공기열원 열교환기; 상기 압축기와 냉매공급라인 및 냉매회수라인을 매개로 연결되는 사방변; 상기 사방변에 연결된 사방변연결라인 및 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제1 방향전환라인 상에 구비되는 제1 방향전환밸브; 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제2 방향전환라인 상에 구비되는 제2 방향전환밸브; 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제3 방향전환라인 상에 구비되는 제3 방향전환밸브; 상기 제2 방향전환라인 및 제3 방향전환라인에 연결된 제1 냉매이송라인에 연결된 제4 방향전환라인 상에 구비되는 제4 방향전환밸브; 상기 제1 냉매이송라인으로부터 분기되는 제5 방향전환라인 상에 구비되는 제5 방향전환밸브; 상기 제5 방향전환라인에 연결된 급탕공급라인과 연결되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 열교환기연결라인을 매개로 연결되는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기와 제2 냉매이송라인을 매개로 연결되는 팽창밸브; 상기 제3 냉매이송라인 및 상기 공기열원 열교환기에 연결된 제6 방향전환라인 상에 구비되는 제6 방향전환밸브; 상기 팽창밸브와 제3 냉매이송라인을 매개로 연결되고, 상기 사방변과 수열원공급라인을 매개로 연결되며, 지중열을 이용하는 수열원 열교환기; 및 상기 사방변의 개방 전환 및 상기 제1 내지 제6 방향전환밸브의 개폐를 제어하여 수열원 급탕운전, 공기열원 급탕운전 및 제상운전이 가변 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템{HEAT SOURCE SWITCHING SYSTEM OF A COMPLEX HEAT SOURCE HEAT PUMP}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프 시스템은 압축기, 응축기, 증발기 그리고 팽창밸브 등을 순환하는 냉매가 유체(기체, 액체 등)와 열교환을 하여 난방과 냉방이 이루어지도록 함은 물론, 온수 공급을 위하여 생활용수(물탱크내의 수도물 등)와의 열교환을 통한 급탕 기능을 수행하는 시스템을 말한다.

이러한 히트펌프 시스템에서 급탕(온수)을 공급하기 위해 디슈퍼히터(급탕열교환기)기 포함된다.

상기 히트펌프 시스템의 냉방 작동 원리를 보면, 증발기를 통과하는 액체 냉매가 실내 공기로부터 열을 빼앗아 증발하는 동시에 열을 빼앗긴 실내공기가 차가운 상태가 되어 냉방을 요하는 장소로 순환되도록 함으로써, 실내 냉방이 이루어진다.

상기 히트펌프 시스템의 난방 작동 원리를 보면, 압축기에서 토출된 고온 고압의 가스 상태 냉매가 열교환기로 들어가서 실내측 공기와 열교환을 함으로써, 실내 난방이 이루어진다.

또한, 상기 히트펌프 시스템의 급탕 작동 원리를 보면, 압축기를 통과한 고온의 냉매가 디수퍼히터를 경유하고, 이와 동시에 저온의 물이 디수퍼히터를 통과할 때, 고온의 냉매와 저온의 물이 열교환을 함으로써, 저온의 물이 온수로 급탕 가열되는 급탕 기능이 수행된다.

이러한 히트펌프 시스템은 주로 공기열원을 이용하며, 냉매의 압축과 응축 및 증발의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉,난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화되어 있으며, 그 중에서도 냉,난방과 냉,온수 시스템을 혼용하여 사용할 수 있도록 한 구조가 주로 보급되고 있다.

그러나, 히트펌프 시스템에 있어서도 동절기와 같이 실외의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우에는 히트펌프의 증발부를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게되고, 이에 따라 히트펌프 시스템의 원활한 작동을 이루어낼 수 없게 되는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 공기열원 및 욕실 등에서 배출되는 폐열 등의 수열원을 함께 이용하는 복합열원을 이용한 히트펌프 시스템이 보급되고 있다. 그런데, 종래의 복합열원을 이용한 히트펌프 시스템에서 수열원을 이용하는 열교환기는 실내에 설치되고, 대기열을 이용하는 열교환기는 실외에 설치되는 경우가 일반적이다. 이러한 구조에서 수열원을 이용하는 열교환기를 경유한 냉매가 대기열을 이용하는 열교환기로 공급되어 대기열과 열교환될 때 열손실이 발생되는 문제가 있었다. 이에 따라, 냉방 효율 및 급탕 가열 효율이 저하되는 문제가 있었다.

한국등록특허 제10-0835122호

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대기열 및 수열원을 이용하여 열원 부족 없이 열원 간의 대체 가능하게 운영될 수 있고, 수열원 급탕운전시 냉매가 실외에 설치된 공기열원 열교환기를 경유하지 않으므로 열 손실 없이 효율적인 급탕 가열이 가능하며, 공기열원 열교환기에 착상된 결빙을 제거하기 위한 열원으로서 부하측의 높은 온도를 이용하지 않고 부하측보다 낮은 온도의 수열원이 냉매와 열교환하므로 수열원과 열교환한 냉매가 압축기로 공급되어 압축될 때 압축 증발 온도를 과도하게 상승시키지 않아서 압축기의 안정적인 운전이 가능해지도록 한 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 압축기; 실외측에 설치되며, 대기열을 이용하는 공기열원 열교환기; 상기 압축기와 냉매공급라인 및 냉매회수라인을 매개로 연결되는 사방변; 상기 사방변에 연결된 사방변연결라인 및 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제1 방향전환라인 상에 구비되는 제1 방향전환밸브; 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제2 방향전환라인 상에 구비되는 제2 방향전환밸브; 상기 사방변연결라인으로부터 분기되는 제3 방향전환라인 상에 구비되는 제3 방향전환밸브; 상기 제2 방향전환라인 및 제3 방향전환라인에 연결된 제1 냉매이송라인에 연결된 제4 방향전환라인 상에 구비되는 제4 방향전환밸브; 상기 제1 냉매이송라인으로부터 분기되는 제5 방향전환라인 상에 구비되는 제5 방향전환밸브; 상기 제5 방향전환라인에 연결된 급탕공급라인과 연결되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 열교환기연결라인을 매개로 연결되는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기와 제2 냉매이송라인을 매개로 연결되는 팽창밸브; 상기 제3 냉매이송라인 및 상기 공기열원 열교환기에 연결된 제6 방향전환라인 상에 구비되는 제6 방향전환밸브; 상기 팽창밸브와 제3 냉매이송라인을 매개로 연결되고, 상기 사방변과 수열원공급라인을 매개로 연결되며, 지중열을 이용하는 수열원 열교환기; 상기 사방변의 개방 전환 및 상기 제1 내지 제6 방향전환밸브의 개폐를 제어하여 수열원 급탕운전, 공기열원 급탕운전 및 제상운전이 가변 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 수열원 급탕운전시, 상기 제1 방향전환밸브, 제3 방향전환밸브, 제5 방향전환밸브 및 제6 방향전환밸브는 폐쇄되고, 상기 제2 방향전환밸브 및 제4 방향전환밸브는 개방되도록 제어되어서, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인, 상기사방변, 상기 사방변연결라인, 제2 방향전환라인, 제1 냉매이송라인, 제3 방향전환라인, 급탕공급라인을 경유하여 상기 제1 열교환기로 공급되어 급탕을 위한 유체를 가열한 후, 상기 열교환기연결라인을 통해 상기 제2 열교환기로 공급되어 예열되고, 이어서 순차적으로 제2 냉매이송라인 및 팽창밸브를 경유한 후 상기 제3 냉매이송라인을 통해 수열원 열교환기로 공급되어 열교환하고, 열교환한 후 수열원 열교환기로부터 토출된 냉매는 순차적으로 수열원공급라인, 사방변 및 냉매회수라인을 경유하여 상기 압축기로 회수되어, 수열원을 이용한 냉매를 공급할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 공기열원 급탕운전시, 상기 제1 방향전환밸브, 제2 방향전환밸브, 제4 방향전환밸브는 폐쇄되고, 상기 제3 방향전환밸브, 제5 방향전환밸브, 제6 방향전환밸브는 개방되도록 제어되어서, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인, 상기사방변, 상기 수열원공급라인, 상기 수열원 열교환기, 상기 제3 냉매이송라인, 상기 급탕공급라인을 경유하여 상기 제1 열교환기로 공급되어 급탕을 공급한 후, 상기 열교환기연결라인을 통해 상기 제2 열교환기로 공급되어 열교환하고, 이어서 순차적으로 상기 제2 냉매이송라인, 상기 팽창밸브 및 상기 제6 방향전환라인을 경유하여 상기 공기열 열교환기로 공급되어 열교환하고, 열교환한 후 공기열 열교환기로부터 토출된 냉매는 순차적으로 상기 공기열원공급라인, 상기 제1 냉매이송라인, 상기 제3 방향전환라인, 상기 사방변연결라인, 상기 사방변, 상기 냉매회수라인을 경유하여 상기 압축기로 회수되어, 공기열원을 이용한 냉매를 공급하며, 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 상기 수열원 열교환기를 지날 때 상기냉매는 열교환 없이 통과할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제상운전시, 상기 제2 내지 제6 방향전환밸브는 폐쇄되고, 상기 제1 방향전환밸브는 개방되며, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인, 상기 사방변, 상기 사방변연결라인, 상기 제1 방향전환라인, 상기 제3 냉매이송라인을 경유하여 상기 공기열원 열교환기로 공급되어 열교환하여 상기 공기열원 열교환기에 착상된 결빙을 제거한 후, 상기 공기열원 공급라인 및 상기 급탕공급라인을 경유하여 제1 열교환기로 공급되고, 이어서 순차적으로 상기 제1 열교환기, 상기 열교환기연결라인, 상기 제2 열교환기, 상기 제2 냉매이송라인, 상기 팽창밸브, 상기 제3 냉매이송라인을 경유하여 상기 수열원 열교환기로 공급되어 열교환하고, 열교환 후 상기 수열원 열교환기로부터 토출된 냉매는 순차적으로 상기 수열원공급라인, 상기 사방변, 상기 냉매회수라인을 경유하여 상기 압축기로 회수되어, 수열원을 이용한 냉매를 공급하며, 상기 공기열원 열교환기로부터 토출된 냉매가 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 지날 때 상기 냉매는 열교환 없이 통과할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 상기 제4 냉매이송라인 및 상기 공기열원공급라인에 연결되는 제상용냉매전송관; 및 상기 제상용냉매전송관 상에 구비되는 제7 방향전환밸브를 더 포함하고, 상기 제상용냉매전송관은 상기 제4 냉매이송라인으로부터 분기되는 분기입구 및 상기 공기열원공급라인으로 합류되는 합류출구를 포함하고, 상기 제상용냉매전송관은 상기 분기입구로부터 상기 합류출구로 이어지는 경로가 상기 공기열원 열교환기를 에워싸도록 나선형으로 연장되며, 상기 나선형으로 연장되는 경로는 상기 공기열원 열교환기의 높이 방향으로 일정 간격을 유지하면서 나선형으로 연장될 수 있다.

본 발명에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 대기열 및 수열원을 이용하여 열원 부족 없이 열원 간의 대체 가능하게 운영될 수 있고, 수열원 급탕운전시 냉매가 실외에 설치된 공기열원 열교환기를 경유하지 않으므로 열 손실 없이 효율적인 급탕 가열이 가능하며, 공기열원 열교환기에 착상된 결빙을 제거하기 위한 열원으로서 부하측의 높은 온도를 이용하지 않고 부하측보다 낮은 온도의 수열원이 냉매와 열교환하므로 수열원과 열교환한 냉매가 압축기로 공급되어 압축될 때 압축 증발 온도를 과도하게 상승시키지 않아서 압축기의 안정적인 운전이 가능해지는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 구성 및 수열원 급탕운전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 공기열원 급탕원전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 제상운전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 제상용냉매전송관이 공기열원 열교환기를 에워싸는 모습을 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 구성 및 수열원 급탕운전 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 압축기(110), 공기열원 열교환기(180), 수열원 열교환기(170), 사방변(120), 제1 방향전환밸브(131), 제2 방향전환밸브(132), 제3 방향전환밸브(133), 제4 방향전환밸브(134), 제5 방향전환밸브(135), 제6 방향전환밸브(136), 제1 열교환기(140), 제2 열교환기(150), 팽창밸브(160), 제어부(도시하지 않음)를 포함한다.

압축기(110)는 냉매를 압축해서 고온 고압의 상태로 만들어주는 역할을 한다.

공기열원 열교환기(180)는 실외측에 설치되며, 대기열을 이용하여 냉매와 열교환한다.

수열원 열교환기(170)는 실내측에 설치되며, 지중열원 또는 PVT(photovoltaic thermal)를 이용하여 냉매와 열교환한다.

사방변(120)은 밸브의 포트를 4개 가진 것을 의미하며, 압축기(110)와 냉매공급라인(11) 및 냉매회수라인(28)을 매개로 연결된다. 4개의 포트 중 어느 하나는 압축기(110)에 연결되는 냉매공급라인(11)과 연결되고, 다른 하나는 냉매회수라인(28)과 연결되고, 또 다른 하나는 수열원 열교환기(170)와 연결되는 수열원공급라인(27)과 연결되고, 또 다른 하나는 사방변연결라인(12)과 연결될 수 있다.

제1 방향전환밸브(131)는 사방변(120)에 연결된 사방변연결라인(12) 및 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제1 방향전환라인(21) 상에 구비된다.

제2 방향전환밸브(132)는 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제2 방향전환라인(22) 상에 구비된다.

제3 방향전환밸브(133)는 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제3 방향전환라인(23) 상에 구비된다.

제4 방향전환밸브(134)는 제2 방향전환라인(22) 및 제3 방향전환라인(23)에 연결된 제1 냉매이송라인(13)과 연결되는 제4 방향전환라인(24) 상에 구비된다.

제5 방향전환밸브(135)는 제1 냉매이송라인(13)으로부터 분기되는 제5 방향전환라인(25) 상에 구비된다.

제6 방향전환밸브(136)는 제2 열교환기(150)와 팽창밸브(160)를 연결하는 제2 냉매이송라인(14) 및 공기열원 열교환기(180)에 연결된 제6 방향전환라인(26) 상에 구비된다.

제1 열교환기(140)는 제5 방향전환라인(25)에 연결된 급탕공급라인(18)과 연결된다.

제2 열교환기(150)는 제1 열교환기(140)와 열교환기연결라인(19)을 매개로 연결된다.

팽창밸브(160)는 제2 열교환기(150)와 제2 냉매이송라인(14)을 매개로 연결되며, 응축된 냉매를 저온 저압의 상태로 팽창시킨다.

제어부(미도시)는 사방변(120)의 개방 전환 및 상기 제1 내지 제6 방향전환밸브(136)의 개폐를 제어하여 수열원 급탕운전, 공기열원 급탕운전 및 제상운전이 가변 수행되도록 한다.

수열원 급탕운전시 제2 열교환기(150)는 응축기로 작용하고 수열원 열교환기(170)는 증발기로 작용하며, 공기열원 급탕운전시 수열원 열교환기(170)는 가동이 중지되고 공기열원 열교환기(180)는 증발기로 작용하며, 제상운전시 공기열원 열교환기(180)는 응축기로 작용하고 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)는 가동이 중지되고 수열원 열교환기(170)는 증발기로 작용한다.

이하에서는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템에서 수열원 급탕운전, 공기열원 급탕운전, 제상운전의 작동 흐름을 설명한다.

수열원 급탕운전

수열원 급탕운전시 제1 방향전환밸브(131), 제3 방향전환밸브(133), 제5 방향전환밸브(135) 및 제6 방향전환밸브(136)는 폐쇄되고, 상기 제2 방향전환밸브(132) 및 제4 방향전환밸브(134)는 개방되도록 제어되며, 냉매의 흐름은 아래의 설명과 같고, 도 1이 참조된다.

압축기(110)로부터 냉매가 토출되며, 토출된 냉매는 냉매공급라인(11)을 통해 사방변(120) 방향으로 이동하고, 사방변(120)으로부터 사방변(120)의 일측 포트에 연결된 사방변연결라인(12)을 경유한 후, 제어부에 의해 제2 방향전환밸브(132)가 개방되어 있으므로 제2 방향전환라인(22) 및 제2 방향전환라인(22)에 연결된 제1 냉매이송라인(13)을 경유하여 제4 방향전환라인(24)을 향해 이동한다.

이어서, 제4 방향전환밸브(134)는 제어부에 의해 개방되어 있으므로 냉매는 제4 방향전환라인(24) 및 제4 방향전환라인(24)에 연결되는 급탕공급라인(18)을 경유하여 제1 열교환기(140)로 공급되고, 제1 열교환기(140)는 급탕을 위한 유체 및 냉매 간의 열교환을 통해 유체를 가열한다.

이어서, 냉매는 제1 열교환기(140)로부터 열교환기연결라인(19)을 통해 제2 열교환기(150)로 공급되어 예열된 후, 제2 냉매이송라인(14)을 경유하여 팽창밸브(160)로 공급되고, 팽창밸브(160)를 통과하는 냉매는 교축되어 저온 저압의 상태가 된 후, 제3 냉매이송라인(15)을 경유하여 수열원 열교환기(170)로 공급된다.

수열원 열교환기(170)로 공급된 냉매는 수열원, 예를 들어, 지중열원와 열교환한 후 수열원 열교환기(170)로부터 토출되며, 수열원 열교환기(170)로부터 토출된 냉매는 수열원공급라인(27)을 통해 사방변(120) 방향으로 이동되며, 사방변(120)에서 방향전환되어 냉매회수라인(28)을 경유하여 압축기(110)로 회수된다.

이러한 수열원 급탕운전에서는 공기열원 열교환기(180)를 경유하지 않는다. 따라서, 실외의 공기와 열교환하는 것에 따른 고온 냉매의 열 손실이 없게 되는 이점이 있다.

공기열원 급탕운전

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 공기열원 급탕원전 과정을 설명하기 위한 도면이다.

공기열원 급탕운전시 제1 방향전환밸브(131), 제2 방향전환밸브(132), 제4 방향전환밸브(134)는 폐쇄되고, 상기 제3 방향전환밸브(133), 제5 방향전환밸브(135), 제6 방향전환밸브(136)는 개방되도록 제어되며, 냉매의 흐름은 아래와 같다.

압축기(110)로부터 냉매가 토출되며, 토출된 냉매는 냉매공급라인(11)을 통해 사방변(120) 방향으로 이동하고, 사방변(120)으로부터 사방변(120)의 일측 포트에 연결된 수열원공급라인(27)을 경유하여 수열원 열교환기(170)로 공급된다. 이때, 수열원 열교환기(170)는 가동되지 않아서 냉매가 열교환하지 않고 단순히 수열원 열교환기(170)를 통과한다.

이어서, 수열원 열교환기(170)를 통과한 냉매는 제3 냉매이송라인(15)을 따라 제3 냉매이송라인(15)에 연결된 급탕공급라인(18)을 경유하여 제1 열교환기(140)로 공급되고, 제1 열교환기(140)는 급탕을 위한 유체 및 냉매 간의 열교환을 통해 유체를 가열한다.

이어서, 냉매는 제1 열교환기(140)로부터 열교환기연결라인(19)을 통해 제2 열교환기(150)로 공급되어 열교환한 후, 제2 냉매이송라인(14)을 경유하여 팽창밸브(160)로 공급되고, 팽창밸브(160)를 통과하는 냉매는 교축되어 저온 저압의 상태가 된 후, 제6 방향전환라인(26)을 향해 이동한다. 이때, 제어부에 의해 제6 방향전환밸브(136)가 개방되어 있으므로 제6 방향전환라인(26)을 경유하여 공기열원 열교환기(180)로 공급된다.

공기열원 열교환기(180)로 공급된 냉매는 공기열원, 즉 실외공기와 열교환한 후 공기열원 열교환기(180)로부터 토출되며, 공기열원 열교환기(180)로부터 토출된 냉매는 제어부에 의해 제5 방향전환밸브(135)가 개방되어 있으므로 공기열원 공급라인(17)을 경유하여 제5 방향전환라인(25)으로 공급되고, 이어서 냉매는 제5 방향전환라인(25) 및 제1 냉매이송라인(13)을 경유하여 제3 방향전환라인(23) 방향으로 이동하고, 이때 제어부에 의해 제3 방향전환밸부(133)가 개방되어 있으므로 제3 방향전환라인(23) 및 사방변연결라인(12)을 경유하여 사방변(120)으로 공급된 후, 사방변(120)에서 방향전환되어 냉매회수라인(28)을 경유하여 압축기(110)로 회수된다.

이러한 공기열원 급탕운전은 수열원의 소진시 수열원 급탕운전을 대신하여 가동된다.

제상운전

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 제상운전 과정을 설명하기 위한 도면이다.

제상운전시 제2 내지 제6 방향전환밸브(136)는 폐쇄되고, 상기 제1 방향전환밸브(131)는 개방되도록 제어되며, 냉매의 흐름은 아래와 같다.

압축기(110)로부터 냉매가 토출되며, 토출된 냉매는 냉매공급라인(11)을 통해 사방변(120) 방향으로 이동하고, 사방변(120)으로부터 사방변(120)의 일측 포트에 연결된 사방변연결라인(12)을 경유한 후, 제어부에 의해 제1 방향전환밸브(131)가 개방되어 있으므로 제1 방향전환라인(21) 및 제1 방향전환라인(21)에 연결된 제4 냉매이송라인(16)을 경유하여 공기열원 열교환기(180)로 공급된다.

공기열원 열교환기(180)로 공급된 냉매는 공기열원, 즉 실외공기와 열교환하여 공기열원 열교환기(180)에 착상된 결빙을 제거한 후 공기열원 열교환기(180)로부터 토출되며, 공기열원 열교환기(180)로부터 토출된 냉매는 공기열원 공급라인(17) 및 상기 급탕공급라인(18)을 경유하여 제1 열교환기(140)로 공급된다.

이어서, 냉매는 순차적으로 제1 열교환기(140), 제2 열교환기(150) 및 제2 냉매이송라인(14)을 경유하여 팽창밸브(160)로 공급된다. 이때, 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)는 가동되지 않는다. 즉, 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)가 가동되지 않으므로 냉매는 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)에서 부하측과 열교환하지 않고 단순히 통과된다. 이어서 팽창밸브(160)를 통과하는 냉매는 교축되어 저온 저압의 상태가 된 후, 제3 냉매이송라인(15)을 경유하여 수열원 열교환기(170)로 공급된다.

수열원 열교환기(170)로 공급된 냉매는 수열원, 예를 들어, 지중열원과 열교환한 후 수열원 열교환기(170)로부터 토출되며, 수열원 열교환기(170)로부터 토출된 냉매는 수열원공급라인(27)을 통해 사방변(120) 방향으로 이동되며, 사방변(120)에서 방향전환되어 냉매회수라인(28)을 경유하여 압축기(110)로 회수된다.

이러한 제상운전은 공기열원 열교환기(180)에 착상된 결빙을 제거하기 위한 열원으로서 부하측의 높은 온도를 이용하지 않고 부하측보다 낮은 온도의 수열원이 냉매와 열교환하므로 수열원과 열교환한 냉매가 압축기(110)로 공급되어 압축될 때 압축 증발 온도를 과도하게 상승시키지 않으며, 이에 따라 압축기의 안정적인 운전이 가능해지는 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템을 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템과의 차이점을 중심으로 설명한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 제상용냉매전송관이 공기열원 열교환기를 에워싸는 모습을 나타낸 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 제상용냉매전송관(138), 제7 방향전환밸브(137)를 더 포함한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제상용냉매전송관(138)은 제4 냉매이송라인(16) 및 공기열원공급라인(17)에 연결된다. 제상용냉매전송관(138)은 제4 냉매이송라인(16)으로부터 분기되는 분기입구(138a) 및 상기 공기열원공급라인(17)으로 합류되는 합류출구(138b)를 포함하고, 상기 분기입구(138a)로부터 상기 합류출구(138b)로 이어지는 경로가 상기 공기열원 열교환기(180)를 에워싸도록 나선형으로 연장된다. 이때, 나선형으로 연장되는 경로는 상기 공기열원 열교환기(180)의 높이 방향으로 일정 간격을 유지하면서 나선형으로 연장된다.

제7 방향전환밸브(137)는 상기 제상용냉매전송관(138) 상에 구비되며, 제어부에 의해 제어되고, 제어부는 제상운전시 제7 방향전환밸브(137)를 개방한다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템은 제상운전시 공기열원 열교환기(180)에 착상된 결빙을 제거하는 과정이 신속해진다.

즉, 제상운전시 제어부에 의해 제7 방향전환밸브(137)가 개방되어 제상용냉매전송관(138)의 내부통로가 개방되며, 제4 냉매이송라인(16)을 따라 흐르는 냉매의 일부는 제상용냉매전송관(138)의 분기입구(138a)로 유입되어서 제상용냉매전송관(138)의 나선형 구조를 따라 합류출구(138b)까지 이동하고, 합류출구(138b)로부터 공기열원공급라인(17)으로 합류된다. 이때, 제상용냉매전송관(138)은 공기열원 열교환기(180)을 에워싸고 있으므로 제상용냉매전송관(138)을 따라 흐르는 냉매에 의한 열이 공기열원 열교환기(180)를 향해 방출될 수 있고, 이때의 열은 공기열원 열교환기(180)를 에워싸게되므로 공기열원 열교환기(180)의 외부측에서도 결빙을 제거하는 과정을 서포트하여 공기열원 열교환기(180)의 결빙 제거가 더욱 신속히 이루어질 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 수열원 열교환기(170), 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)의 케이스의 외면에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있도록 오염 방지도포용 조성물로 이루어진 오염방지도포층이 도포될 수 있다.

상기 오염 방지 도포용 조성물은 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인이 1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 알킬레이트 폴리글루코사이드와 아미노알킬 슬로베타인의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~10 중량%이다.

상기 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인는 몰비로서 1:0.01 ~ 1:2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기재의 도포성이 저하되거나 도포후 표면의 수분흡착이 증가하여 도포막이 제거되는 문제점이 있다.

상기 알킬레이트 폴리글루코사이드 및 아미노알킬 슬로베타인는 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 기재의 도포성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 도포막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기 쉽다.

한편, 본 오염 방지 도포용 조성물을 기재 상에 도포하는 방법으로는 스프레이법에 의해 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재 상의 최종 도포막 두께는 500 ~ 2000Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000 ~ 2000Å이다. 상기 도포막의 두께가 500Å 미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000Å을 초과하면 도포 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

또한, 본 오염 방지 도포용 조성물은 알킬레이트 폴리글루코사이드 0.1 몰 및 아미노알킬 슬로베타인 0.05몰을 증류수 1000 ㎖에 첨가한 다음 교반하여 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템의 공기열원 열교환기(180)의 금속의 케이스의 외면에는 금속표면의 부식현상을 방지하기 위한 부식방지도포층이 도포될 수 있다. 이 부식방지도포층의 도포 재료는 메트캅토트리아졸 20중량%, 페트롤륨술포네이트 15중량%, 머캅토벤조티아졸 10중량%, 하프늄 15중량%, 유화몰리브덴(MoS2) 10중량%, 산화알루미늄 30중량%로 구성되며, 코팅두께는 8㎛로 형성할 수 있다.

메트캅토트리아졸, 페트롤륨술포네이트 및 머캅토벤조티아졸은 부식 방지 및 변색 방지 등의 역할을 한다.

하프늄은 내부식성이 있는 전이 금속원소로서 뛰어난 방수성, 내식성 등을 갖도록 역할을 한다.

유화몰리브덴은 코팅피막의 표면에 습동성과 윤활성 등을 부여하는 역할을 한다.

산화알루미늄은 내화도 및 화학적 안정성 등을 목적으로 첨가된다.

상기 구성 성분의 비율 및 코팅 두께를 상기와 같이 수치한정한 이유는, 본 발명자가 수차례 시험결과를 통해 분석한 결과, 상기 비율에서 최적의 부식방지 효과를 나타내었다.

한편, 사방변(120)에는 기밀 또는 수밀을 유지하도록 패킹이 구비될 수 있다. 이 패킹의 원료 함량비는 고무 60중량%, 카아본블랙 33~36중량%, 산화방지제 2~5중량%, 촉진제인 유황 1~3중량%를 혼합한다.

카아본블랙은 내마모성을 증대시키는 것이므로 이를 첨가하되, 함유량이 33중량% 미만이면, 탄성과 내마모성이 줄어들며, 36중량%가 초과 되면 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 33~36중량%를 혼합한다.

산화방지제는 3C (N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 또는 RD(POLYMERIZED 2,2,4-TRIMETHYL-1,2- DIHYDROQUINOLINE)을 선택하여 2~5중량%를 첨가하는 것으로, 2중량% 미만이면, 제품이 산화가 되기 쉽고, 너무 많이 첨가하여 5중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 또한 산화방지제의 가격이 비싸기 때문에 2~5중량%가 적정하다.

촉진제인 유황은 1~3중량%를 혼합한다. 1 중량% 미만은 성형시 가열공정에서 가황작용 효과가 미미하므로, 1 중량% 이상을 첨가한다. 3중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 1 ~ 3중량%가 적정하다.

따라서 본 발명은 여러 방향에 탄성을 갖는 합성고무로 보강되므로 패킹의 탄성, 인성 및 강성이 증대되므로 내구성이 향상되며, 이에 따라 패킹의 수명이 증대된다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

110 : 압축기 120 : 사방변
131 : 제1 방향전환밸브 132 : 제2 방향전환밸브
133 : 제3 방향전환밸브 134 : 제4 방향전환밸브
135 : 제5 방향전환밸브 136 : 제6 방향전환밸브
140 : 제1 열교환기 150 : 제2 열교환기
160 : 팽창밸브 170 : 수열원 열교환기
180 : 공기열원 열교환기

Claims

압축기(110);
실외측에 설치되며, 대기열을 이용하는 공기열원 열교환기(180);
상기 압축기(110)와 냉매공급라인(11) 및 냉매회수라인(28)을 매개로 연결되는 사방변(120);
상기 사방변(120)에 연결된 사방변연결라인(12) 및 상기 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제1 방향전환라인(21) 상에 구비되는 제1 방향전환밸브(131);
상기 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제2 방향전환라인(22) 상에 구비되는 제2 방향전환밸브(132);
상기 사방변연결라인(12)으로부터 분기되는 제3 방향전환라인(23) 상에 구비되는 제3 방향전환밸브(133);
상기 제2 방향전환라인(22) 및 제3 방향전환라인(23)에 연결된 제1 냉매이송라인(13)에 연결된 제4 방향전환라인(24) 상에 구비되는 제4 방향전환밸브(134);
상기 제1 냉매이송라인(13)으로부터 분기되는 제5 방향전환라인(25) 상에 구비되는 제5 방향전환밸브(135);
상기 제5 방향전환라인(25)에 연결된 급탕공급라인(18)과 연결되는 제1 열교환기(140);
상기 제1 열교환기(140)와 열교환기연결라인(19)을 매개로 연결되는 제2 열교환기(150);
상기 제2 열교환기(150)와 제2 냉매이송라인(14)을 매개로 연결되는 팽창밸브(160);
상기 제2 냉매이송라인(14) 및 상기 공기열원 열교환기(180)에 연결된 제6 방향전환라인(26) 상에 구비되는 제6 방향전환밸브(136);
상기 팽창밸브(160)와 제3 냉매이송라인(15)을 매개로 연결되고, 상기 사방변(120)과 수열원공급라인(27)을 매개로 연결되며, 지중열을 이용하는 수열원 열교환기(170); 및
상기 사방변(120)의 개방 전환 및 상기 제1 내지 제6 방향전환밸브(136)의 개폐를 제어하여 수열원 급탕운전, 공기열원 급탕운전 및 제상운전이 가변 수행되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수열원 급탕운전시,
상기 제1 방향전환밸브(131), 제3 방향전환밸브(133), 제5 방향전환밸브(135) 및 제6 방향전환밸브(136)는 폐쇄되고, 상기 제2 방향전환밸브(132) 및 제4 방향전환밸브(134)는 개방되도록 제어되어서,
상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인(11), 상기사방변(120), 상기 사방변연결라인(12), 제2 방향전환라인(22), 제1 냉매이송라인(13), 제4 방향전환라인(24), 급탕공급라인(18)을 경유하여 상기 제1 열교환기(140)로 공급되어 급탕을 위한 유체를 가열한 후, 상기 열교환기연결라인(19)을 통해 상기 제2 열교환기(150)로 공급되어 예열되고, 이어서 순차적으로 제2 냉매이송라인(14) 및 팽창밸브(160)를 경유한 후 상기 제3 냉매이송라인(15)을 통해 수열원 열교환기(170)로 공급되어 열교환하고, 열교환한 후 수열원 열교환기(170)로부터 토출된 냉매는 순차적으로 수열원공급라인(27), 사방변(120) 및 냉매회수라인(28)을 경유하여 상기 압축기(110)로 회수되어, 수열원을 이용한 냉매를 공급하는 것을 특징으로 하는,
수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공기열원 급탕운전시,
상기 제1 방향전환밸브(131), 제2 방향전환밸브(132), 제4 방향전환밸브(134)는 폐쇄되고, 상기 제3 방향전환밸브(133), 제5 방향전환밸브(135), 제6 방향전환밸브(136)는 개방되도록 제어되어서,
상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인(11), 상기사방변(120), 상기 수열원공급라인(27), 상기 수열원 열교환기(170), 상기 제3 냉매이송라인(15), 상기 급탕공급라인(18)을 경유하여 상기 제1 열교환기(140)로 공급되어 급탕을 공급한 후, 상기 열교환기연결라인(19)을 통해 상기 제2 열교환기(150)로 공급되어 열교환하고, 이어서 순차적으로 상기 제2 냉매이송라인(14), 상기 팽창밸브(160) 및 상기 제6 방향전환라인(26)을 경유하여 상기 공기열원 열교환기(180)로 공급되어 열교환하고,
열교환한 후 공기열원 열교환기(180)로부터 토출된 냉매는 공기열원 열교환기(180) 및 제1 냉매이송라인(13)에 연결되는 공기열원공급라인(17)과, 공기열원공급라인(17)과 압축기(110) 사이에 순차적으로 연결된 제1 냉매이송라인(13), 제3 방향전환라인(23), 사방변연결라인(12), 사방변(120), 냉매회수라인(28)을 경유하여 압축기(110)로 회수되어, 공기열원을 이용한 냉매를 공급하며,
상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매가 상기 수열원 열교환기(170)를 지날 때 상기냉매는 열교환 없이 통과하는 것을 특징으로 하는,
수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제상운전시,
상기 제2 내지 제6 방향전환밸브(136)는 폐쇄되고, 상기 제1 방향전환밸브(131)는 개방되며,
상기 압축기(110)로부터 토출된 냉매는 순차적으로, 상기 냉매공급라인(11), 상기 사방변(120), 상기 사방변연결라인(12), 상기 제1 방향전환라인(21)을 거쳐서 제1 방향전환라인(21)과 공기열원 열교환기(180)에 연결된 제4 냉매이송라인(16)을 경유하여 상기 공기열원 열교환기(180)로 공급되어 열교환하여 상기 공기열원 열교환기(180)에 착상된 결빙을 제거한 후, 공기열원 열교환기(180) 및 급탕공급라인(18)에 연결된 공기열원 공급라인(17)과 급탕공급라인(18)을 경유하여 제1 열교환기(140)로 공급되고, 이어서 순차적으로 상기 제1 열교환기(140), 상기 열교환기연결라인(19), 상기 제2 열교환기(150), 상기 제2 냉매이송라인(14), 상기 팽창밸브(160), 상기 제3 냉매이송라인(15)을 경유하여 상기 수열원 열교환기(170)로 공급되어 열교환하고, 열교환 후 상기 수열원 열교환기(170)로부터 토출된 냉매는 순차적으로 상기 수열원공급라인(27), 상기 사방변(120), 상기 냉매회수라인(28)을 경유하여 상기 압축기(110)로 회수되어, 수열원을 이용한 냉매를 공급하며,
상기 공기열원 열교환기(180)로부터 토출된 냉매가 상기 제1 열교환기(140) 및 제2 열교환기(150)를 지날 때 상기 냉매는 열교환 없이 통과하는 것을 특징으로 하는,
수열원 및 공기열원을 이용하는 복합열원 히트펌프의 열원절환 시스템.