KR101985810B1 - 히트펌프 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

외기와 냉매 사이의 열교환 및 상기 냉매와 순환수 사이의 열교환을 통하여 난방공간에 난방을 제공하는 히트펌프의 제어방법에 있어서, 상기 외기의 온도 및 상기 난방공간의 난방부하를 기초로 압축기의 최대 허용 주파수를 산출하고, 상기 산출한 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 동안 상기 압축기의 평균 가동 주파수를 산출하고, 상기 평균 가동 주파수와 상기 최대 허용 주파수를 비교한 결과를 기초로 상기 최대 허용 주파수를 재산출하고, 상기 재산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 것을 포함하는 히트펌프의 제어방법에 의하면 상기 히트펌프의 난방효율이 향상시킬 수 있다.

Description

히트펌프 및 그 제어방법{HEAT PUMP AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 히트펌프 및 그 제어방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 기간 난방효율(Seasonal Coefficient Of Performance: SCOP)을 향상시키는 히트펌프 및 그 제어방법에 관한 발명이다.
최근 기존의 연료 연소형 보일러에 비하여 난방효율(Coefficient Of Performance: COP)이 우수한 히트펌프형 보일러에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
히터펌프형 보일러는 실외의 열에너지를 실내로 끌어들여 실내에 난방을 제공하므로 기존의 연료 연소형 보일러 또는 전기 히터에 비하여 에너지 효율이 우수한 장점이 있으며, 압축기를 통하여 냉매를 순환시킴으로써 난방을 제공하는 히트펌프의 특성에 의하여 난방공간의 난방부하가 히트펌프의 난방능력 범위를 벗어나는 경우 히트펌프의 난방효율이 급격히 하강한다.
뿐만 아니라, 난방공간의 난방부하가 히트펌프의 난방능력 범위 이내이더라도 히트펌프에 포함된 압축기가 온/오프 동작을 반복함으로써 난방효율이 하강한다. 즉, 히트펌프를 통한 난방은 냉매를 통하여 실외 열에너지를 흡수하여 이를 순환수에 공급한 후 순환수가 난방공간에 열에너지를 공급하므로 히트펌프에 포함된 압축기의 주파수 변경에 대한 난방공간의 온도가 느리게 변화하게 된다. 따라서, 히트펌프는 압축기를 동작 가능한 최대 주파수로 동작시키게 되며, 그로 인하여 난방공간의 난방부하보다 큰 열에너지를 공급하게 됨으로써 압축기가 온/오프 동작을 반복하게 된다.
이와 같이 압축기의 온/오프 동작은 히트펌프의 난방효율을 하락시키게 되며, 특히 난방이 요구되는 기간 동안의 히트펌프의 평균적인 난방효율을 나타내는 기간 난방효율을 하락시키는 주된 원인이 된다.
(특허문헌 1) JP2010-196946 A
상술한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 난방공간의 난방부하에 따라 히트펌프의 압축기가 적정한 가동 주파수로 동작하도록 함으로써 난방효율이 향상된 히트펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의한 히트펌프의 제어방법은 외기와 냉매 사이의 열교환 및 상기 냉매와 순환수 사이의 열교환을 통하여 난방공간에 난방을 제공하는 히트펌프의 제어방법에 있어서, 상기 외기의 온도 및 상기 난방공간의 난방부하를 기초로 압축기의 최대 허용 주파수를 산출하고, 상기 산출한 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 동안 상기 압축기의 평균 가동 주파수를 산출하고, 상기 평균 가동 주파수와 상기 최대 허용 주파수를 비교한 결과를 기초로 상기 최대 허용 주파수를 재산출하고, 상기 재산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 재산출된 최대 허용 주파수를 기초로 상기 난방공간의 난방부하를 재산출하는 것을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 것은 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수의 곱보다 작으면 상기 산출된 최대 허용 주파수와 미리 정해진 주파수를 합할 수 있다.
바람직하게는, 상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 것은 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 같거나 상기 산출된 최대 허용 주파수보다 크면 상기 산출된 최대 허용 주파수에서 미리 정해진 주파수를 뺄 수 있다.
바람직하게는, 상기 평균 가동 주파수는 상기 압축기가 가동되는 동안의 상기 압축기의 가동 주파수의 적분값을 상기 압축기의 가동시간으로 나누어 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압축기는 상기 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망 온도보다 낮으면 가동 주파수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 히트펌프는 외기와 냉매 사이의 열교환 및 상기 냉매와 순환수 사이의 열교환을 통하여 난방공간에 난방을 제공하는 히트펌프에 있어서, 상기 냉매를 순환시키는 압축기 및 상기 냉매를 증발시켜 상기 외기와 열교환시키는 실외 열교환기를 포함하는 실외 유닛, 상기 냉매를 응축시켜 상기 순환수와 열교환시키는 실내 열교환기 및 상기 순환수를 난방공간으로 압송하는 순환 펌프를 포함하는 하이드로 유닛, 상기 외기의 온도를 감지하는 실외온도감지부, 상기 실외온도감지부의 감지결과 및 상기 난방공간의 난방부하를 기초로 산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하여 상기 압축기의 평균 가동 주파수를 산출하고, 상기 평균 가동 주파수와 상기 최대 허용 주파수를 비교한 결과를 기초로 상기 최대 허용 주파수를 재산출하여 상기 재산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 재산출된 최대 허용 주파수를 기초로 상기 난방공간의 난방부하를 재산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수의 곱보다 작으면 상기 산출된 최대 허용 주파수와 미리 정해진 주파수를 합하여 상기 최대 허용 주파수를 재산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 같거나 상기 산출된 최대 허용 주파수보다 크면 상기 산출된 최대 허용 주파수에서 미리 정해진 주파수를 빼서 상기 최대 허용 주파수를 재산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 압축기가 가동되는 동안의 상기 압축기의 가동 주파수의 적분값을 상기 압축기의 가동시간으로 나누어 상기 평균 가동 주파수를 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이드로 유닛은 상기 냉매와 열교환된 상기 순환수를 가열하는 보조히터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 순환수를 통하여 상기 난방공간에 난방을 제공하는 난방유닛을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 난방유닛은 상기 순환수의 흐름을 개폐하는 난방밸브, 사용자로부터 희망 온도를 입력받는 입력부, 상기 난방공간의 온도를 감지하는 실내온도감지부를 포함하고, 상기 난방유닛은 상기 희망 온도와 상기 실내온도감지부의 감지결과를 비교한 결과에 따라 상기 난방밸브의 개폐를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망 온도보다 낮으면 상기 압축기의 가동 주파수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 난방공간의 난방부하를 산출하고 산출된 난방부하에 따라 압축기의 가동 주파수를 변경함으로써 난방효율이 향상된 히트펌프를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프의 냉매의 순환을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프의 순환수의 순환을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프의 전체 제어흐름을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프에 포함된 제1난방 유닛의 제어흐름을 도시한 블럭도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프에 포함된 제2난방 유닛의 제어흐름을 도시한 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프에 포함된 압축기의 가동 주파수를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프의 난방 능력을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프의 난방효율을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 초기 난방부하를 도시한 도면이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 난방효율을 도시한 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우의 제어방법을 도시하는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 히트펌프의 난방능력의 변화를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 히트펌프의 난방효율의 변화를 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형예들이 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)를 도시한 도면이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)는 하이드로(hydro) 유닛(100), 실외 유닛(200), 온수탱크(300), 제1난방 유닛(400), 제2난방 유닛(500)를 포함한다.
하이드로 유닛(100)은 하이드로 유닛(100)의 외관을 형성하는 본체(110), 본체(110)의 일측에 마련되어 히트펌프(1)의 전원, 히트펌프(1)의 동작 모드 등의 사용자의 제어 명령을 입력받는 주입력부(151), 및 본체(110)의 일측에 마련되어 히트펌프(1)의 동작 모드 등의 동작 정보를 표시하는 주표시부(153)를 포함한다.
여기서, 주입력부(151)는 버튼형 스위치, 멤브레인 스위치, 또는 터치 패널 등을 채용할 수 있으며, 주표시부(153)는 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display: LCD) 패널, 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED) 패널 등을 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 하이드로 유닛(100)은 주입력부(151)와 주표시부(153)를 별도로 마련하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 사용자의 제어 명령을 입력받고 히트펌프(1)의 동작 정보를 표시하는 터치 스크린 패널(Touch Screen Panel: TSP)을 채용할 수 있다.
하이드로 유닛(100)은 실내에 마련되어, 냉매와 순환수 사이의 열교환을 수행한다. 구체적으로, 하이드로 유닛(100)은 냉매의 잠열을 통하여 순환수를 가열한다.
실외 유닛(200)은 실외에 마련되며, 실외 유닛(200)의 외관을 형성하는 본체(210), 본체(210)의 일측에 마련되어 실외 유닛(200)에서 열교환된 공기를 배출하는 배출구(220)를 포함한다.
온수탱크(300)는 온수탱크(300)의 외형을 형성하고 하이드로 유닛(100)에 의하여 가열된 순환수를 저장하는 저수조(310)와 저수조(310)로 공급되는 순환수의 흐름을 개폐하는 온수탱크 밸브(320)를 포함한다.
제1난방 유닛(400)는 제1난방공간에 마련되며, 라디에이터(410), 제1난방밸브(420), 및 제1온도조절기(430)를 포함한다. 라디에이터(410)는 순환수의 열을 제1난방공간에 방사함으로써 제1난방공간에 난방을 제공하며, 제1난방밸브(420)는 라디에이터(410)로 공급되는 순환수의 흐름을 개폐한다. 또한, 제1온도조절기(430)는 제1난방공간의 온도와 사용자로부터 입력받은 희망온도를 비교하여 제1난방밸브(420)의 개폐를 제어한다.
제2난방 유닛(500)는 제2난방공간에 마련되며, 언더플로어 히터(510), 제2난방밸브(520), 및 제2온도조절기(530)를 포함한다. 언더플로어 히터(510)는 순환수의 열을 제2난방공간의 바닥에 제공함으로써 제2난방공간에 난방을 제공하며, 제2난방밸브(520)는 언더플로어 히터(510)로 공급되는 순환수의 흐름을 개폐한다. 또한, 제2온도조절기(530)는 제2난방공간의 온도와 사용자로부터 입력받은 희망온도를 비교하여 제2난방밸브(520)의 개폐를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)는 하나의 라디에이터(410)를 포함하는 제1난방 유닛(400)와 하나의 언더플로어 히터(510)를 포함하는 제2난방 유닛(500)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니며 하나의 난방장치가 복수의 라디에이터와 복수의 언더플로어 히터를 포함할 수 있으며, 하나의 난방장치가 라디에이터와 언더플로어 히터를 동시에 포함할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 냉매 순환을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 화살표는 냉매의 순환방향을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 냉매는 냉매 유로(231)를 통하여 압축기(233), 실내 열교환기(133), 팽창밸브(235), 실외 열교환기(237)를 순환한다.
압축기(233)는 실외 유닛(200)에 설치되어 외부 전원으로부터 전기에너지를 공급받아 회전하는 압축기 구동모터(미도시)의 회전력을 이용하여 저압의 기상 냉매가 응축될 수 있는 압력까지 압축하고, 압축된 고압의 기상 냉매를 실내 열교환기(133)로 압송한다. 이와 같이 압축기(233)가 생성하는 압력에 의하여 냉매는 냉매 유로(231)를 따라 실내 열교환기(133), 팽창밸브(235), 및 실외 열교환기(237)를 순환할 수 있다.
압축기(233)에 의하여 압축된 고압의 기상 냉매는 냉매 유로(231)를 따라 실내 열교환기(133)로 이동한다.
실내 열교환기(133)는 하이드로 유닛(100)에 설치되며, 냉매 유로(231)와 순환수로(131)가 교차되도록 함으로써 냉매와 순환수 사이에 열교환이 이루어지도록 한다.
구체적으로, 실내 열교환기(133)는 고압의 기상 냉매를 응축시키고, 고압의 기상 냉매가 응축되는 과정에 냉매가 방출하는 잠열을 통하여 순환수를 가열한다. 더욱 상세하게 설명하면, 냉매가 기체 상태에서 액체 상태로 상변화하면, 냉매는 기체 상태에서의 내부 에너지와 액체 상태에서의 내부 에너지 차이만큼의 열에너지를 외부로 방출하며, 실내 열교환기(133)는 이와 같이 냉매가 방출하는 열을 순환수에 제공함으로써 순환수를 가열한다.
실내 열교환기(133)는 두 개의 나선형 채널이 형성되어 냉매와 순환수가 각 채널을 통과시켜 냉매와 순환수 사이의 열교환이 이루어지도록 하는 나선형 열교환기(Spiral Heat Exchanger: SHE), 또는 복수의 전열판을 포개 설치하여 전열판들 사이로 냉매와 순환수가 교대로 흐르도록 하여 냉매와 순환수 사이의 열교환이 이루어지도록 하는 판형 열교환기(Plate Heat Exchanger: PHE)를 채용할 수 있다.
실내 열교환기(133)에 의하여 응축된 고압의 액상 냉매는 냉매 유로(231)를 따라 팽창밸브(235)로 이동한다.
팽창밸브(235)는 실외 유닛(200)에 설치되어 고압의 액상 냉매를 감압한다. 구체적으로 팽창밸브(235)는 유체가 노즐이나 오리피스와 같이 좁은 유로를 통과하면 외부와의 열교환 없이도 그 압력이 감소하는 교축작용(throttling)을 통하여 고압의 액상 냉매를 액상 냉매가 증발할 수 있는 압력까지 감압한다.
팽창밸브(235)에 의하여 감압된 저압의 액상 냉매는 냉매 유로를 따라 실외 열교환기(237)로 이동한다.
실외 열교환기(237)는 실외 유닛(200)에 설치되어 저압의 액상 냉매를 증발시킨다. 구체적으로, 실외 열교환기(237)의 냉매는 액체 상태에서 기체 상태로 상변화하면서, 냉매는 액체 상태에서의 내부 에너지와 기체 상태에서의 내부 에너지 차이만큼의 열에너지를 외부로부터 흡수한다.
상술한 바와 같이 저압의 액상 냉매가 증발하는 과정에서 실외 열교환기(237)가 냉각되므로 실외 유닛(200)에는 실외 열교환기(237) 주변의 공기를 강제 송풍하여 열교환을 보조하는 실외팬(237a)이 설치된다.
실외 열교환기(237)에 의하여 증발된 저압의 기상 냉매는 냉매 유로(231)를 따라 압축기(233)로 이동한다.
이와 같이 냉매는 냉매 유로(231)를 따라 압축기(233), 실내 열교환기(133), 팽창밸브(235), 및 실외 열교환기(237)를 순환하며, 냉매는 실외 열교환기(237)에서 실외 공기로부터 열에너지를 흡수하고 실내 열교환기(133)에서 순환수로 열에너지를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 순환수의 순환을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 순환수는 순환수로(131)를 따라 실내 열교환기(133), 보조히터(135), 순환수 펌프(137), 온수탱크(300), 제1난방 유닛(400), 제2난방 유닛(500)를 포함한다.
실내 열교환기(133)는 상술한 바와 같이 하이드로 유닛(100)에 설치되어, 기상 냉매를 응축시킬 때 발생하는 잠열을 이용하여 순환수를 가열한다. 실내 열교환기(133)은 냉매 순환장치(210)의 구성을 설명하는 과정에서 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.
실내 열교환기(133)에 의하여 가열된 순환수는 순환수로(131)를 따라 보조히터(135)에 제공된다.
보조히터(135)는 하이드로 유닛(100)에 설치되며, 외부로부터 전기 에너지를 공급받아 줄 열(Joule`s Heat)을 발산하는 발열선으로 구성된다. 외기 온도가 극히 저온인 등의 이유로 실내 열교환기(133)가 순환수에 제공하는 열에너지가 부족한 경우, 보조히터(135)을 통하여 부족한 열에너지를 순환수에 제공할 수 있다.
실내 열교환기(133)와 보조히터(135)에 의하여 가열된 순환수는 순환수로(131)를 따라 순환수 펌프(137)로 이동한다.
순환수 펌프(137)는 하이드로 유닛(100)에 설치되어 외부 전원으로부터 전기에너지를 공급받아 회전하는 순환수 펌프 구동모터(미도시)의 회전력을 이용하여 순환수를 후술한 온수탱크(300), 제1난방 유닛(400), 또는 제2난방 유닛(500)로 압송한다.
온수탱크(300)는 저수조(310) 및 온수탱크 밸브(320)를 포함하며, 제1난방 유닛(400)는 라디에이터(410), 제1난방밸브(420), 및 제1온도조절기(430)를 포함하고, 제2난방 유닛(500)는 언더플로어 히터(510), 제2난방밸브(520), 및 제2온도조절기(530)를 포함한다. 온수탱크(300), 제1난방 유닛(400) 및 제2난방 유닛(500)의 각 구성은 히트펌프(1)의 구성을 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로, 자세한 설명은 생략한다.
온수탱크(300), 제1난방 유닛(400), 또는 제2난방 유닛(500)에 의하여 냉각된 순환수는 순환수로(131)를 따라 실내 열교환기(133)에 제공되어 다시 가열된다. 즉, 순환수는 실내 열교환기(133) 및 보조히터(135)로부터 열에너지를 얻어 온수탱크(300)의 온수, 제1난방공간, 및 제2난방공간에 열에너지를 전달한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 전체 제어흐름을 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 히트펌프(1)는 그 기능을 수행하기 위하여 주입력부(151), 주표시부(153), 외기온도감지부(240), 수온감지부(170), 주저장부(180), 주통신부(190), 주제어부(160), 구동부(170), 압축기(231), 실외팬(237a), 보조히터(135), 순환수 펌프(137), 팽창밸브(235), 및 온수탱크 밸브(420)를 포함한다.
주입력부(151), 주표시부(153), 압축기(231), 실외팬(237a), 보조히터(135), 순환수 펌프(137), 팽창밸브(235), 및 온수탱크 밸브(420)는 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
외기온도감지부(240)는 실외 유닛(200)에 마련되어 실외의 온도를 측정하고 측정된 실외의 온도를 주제어부(160)에 제공한다. 이러한 외기온도감지부(240)는 온도에 따라 전기적 저항이 변화하는 써미스터(thermistor)를 채용할 수 있다.
수온감지부(170)는 온수탱크(300)에 마련되어 온수탱크(300)에 저장된 순환수의 온도를 측정하고 측정된 순환수의 온도를 주제어부(160)에 제공하며, 수온감지부(170) 역시 써미스터를 채용할 수 있다.
주저장부(180)는 히트펌프(1)의 동작을 제어하는 프로그램 및 데이터를 저장하며, 주제어부(160)의 요청에 의하여 주제어부(160)에 각종 데이터를 제공한다. 예를 들어, 압축기(233)의 최대 가동 주파수, 최소 가동 주파수 및 최대 허용 주파수, 압축기(233)의 가동 주파수와 실외 온도에 따른 히트펌프(1)의 난방능력, 실외 온도에 따른 난방공간의 난방부하 등을 저장할 수 있다.
주통신부(190)는 제1난방 유닛(400) 또는 제2난방 유닛(500)를 통한 사용자의 제어 명령을 수신하고, 제1난방 유닛(400) 및 제2난방 유닛(500)로 히트펌프(1)의 동작 정보를 송신한다.
주제어부(160)는 히트펌프(1)의 동작을 총괄한다.
주제어부(160)는 주입력부(151)를 통하여 입력받은 사용자의 제어 명령, 주통신부(190)를 통하여 수신한 사용자의 제어 명령, 및 외기온도감지부(240)와 수온감지부(170)의 감지결과를 기초로 구동부(170)를 제어하여 압축기(233), 보조히터(135), 및 순환수 펌프(137)를 가동하고, 팽창밸브(235) 및 온수탱크 밸브(320)의 개폐를 제어하고, 히트펌프(1)의 동작 정보를 주표시부(153)에 표시한다.
구체적으로, 주입력부(151)를 통하여 사용자의 급탕 명령이 입력되면 주제어부(160)는 구동부(170)를 제어하여 압축기(233)를 가동하여 냉매를 통하여 흡수한 외부의 열에너지를 순환수에 전달하도록 하고, 순환수 펌프(135)를 가동하고 온수탱크 밸브(320)를 개방하여 순환수를 온수탱크(300)에 저장한다.
또한, 주통신부(190)를 통하여 사용자의 동작 명령이 수신되면 주제어부(160)는 구동부(170)를 제어하여 압축기(233)를 가동하여 냉매를 통하여 흡수한 외부의 열에너지를 순환수에 전달하도록 하고, 순환수 펌프(135)를 가동하여 순환수를 통하여 열에너지를 제1난방공간 또는 제2난방공간에 제공하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)에 포함된 제1난방 유닛(400)의 제어흐름을 도시한 블럭도이며, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)에 포함된 제2난방 유닛(500)의 제어흐름을 도시한 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 제1난방 유닛(400)는 제1난방공간에 난방을 제공하기 위하여 제1보조 입력부(431), 제1보조 표시부(433), 제1실내 온도감지부(435), 제1보조 저장부(450), 제1보조 통신부(460), 제1보조 제어부(440), 및 제1난방밸브(420)를 포함한다.
제1난방밸브(420)는 히트펌프(1)의 구성을 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
제1보조 입력부(431)는 제1온도조절기(430)의 일측에 마련되어 제1난방 유닛(400)의 동작 여부 및 제1난방공간에 대한 사용자의 희망온도를 입력받는다. 이러한 제1보조 입력부(431)는 버튼형 스위치, 멤브레인 스위치, 또는 다이얼형 스위치 등을 채용할 수 있다. 예를 들어 제1온도조절기(430)의 동작 여부는 버튼형 스위치 또는 멤브레인 스위치를 통하여 입력하고, 제1난방공간에 대한 사용자의 희망온도는 다이얼형 스위치를 통하여 입력하도록 할 수 있다.
제1보조 표시부(433)는 제1온도조절기(430)의 일측에 마련되어 제1난방 유닛(400)의 동작 정보 및 제1난방공간의 온도를 표시한다. 이러한 제1보조 표시부(433)는 액정 디스플레이 패널 또는 발광 다이오드 패널을 채용할 수 있다.
제1실내온도감지부(435)는 제1온도조절기(430)의 일측에 마련되어 제1난방공간의 온도를 측정하고 측정결과를 제1보조 제어부(440)에 제공하며, 이러한 제1실내온도감지부(435)는 온도에 따라 전기적 저항값이 변화하는 써미스터를 채용할 수 있다.
제1보조 저장부(450)는 제1난방 유닛(400)의 동작을 제어하는 프로그램 및 제1난방공간에 대한 사용자의 희망온도 등의 데이터를 저장하며, 제1보조 제어부(440)의 요청에 의하여 제1보조 제어부(440)에 각종 데이터를 제공한다.
제1보조 통신부(460)는 제1보조 입력부(431)를 통한 사용자의 제어 명령을 주통신부(190)를 통하여 주제어부(160)에 송신하고, 주제어부(160)로부터 히트펌프(1)의 동작 정보를 수신한다.
제1보조 제어부(440)는 제1난방 유닛(400)의 동작을 총괄한다.
제1보조 제어부(440)는 제1보조 입력부(431)를 통한 사용자의 제어 명령, 및 제1실내온도감지부(435)의 감지결과를 기초로 제1난방밸브(420)의 개폐를 제어하고, 제1보조 통신부(460)를 통하여 주제어부(160)로 사용자의 제어 명령을 송신하고, 제1보조 표시부(433)를 제어하여 제1난방공간의 온도 및 히트펌프(1)의 동작 정보를 표시한다.
구체적으로, 제1보조 입력부(431)를 통하여 사용자의 동작 명령이 입력되면 제1보조 제어부(440)는 제1보조 통신부(460)를 통하여 주제어부(160)에 사용자의 동작 명령을 송신하고, 제1난방밸브(420)를 개방하여 가열된 순환수가 라디에이터(410)에 공급되도록 하고, 제1보조 표시부(433)를 제어하여 제1난방공간에 난방이 제공되고 있음을 표시한다.
도 5를 참조하면, 제2난방 유닛(500)는 제1난방공간에 난방을 제공하기 위하여 제2보조 입력부(531), 제2보조 표시부(533), 제2실내 온도감지부(535), 제2보조 저장부(550), 제2보조 통신부(560), 제2보조 제어부(540), 및 제2난방밸브(520)를 포함한다.
제2난방밸브(520)는 히트펌프(1)의 구성을 설명하는 과정에서 이미 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.
제2보조 입력부(531)는 제2온도조절기(530)의 일측에 마련되어 제2난방 유닛(500)의 동작 여부 및 제2난방공간에 대한 사용자의 희망온도를 입력받는다. 제2보조 입력부(531)의 구성은 제1난방 유닛(400)에서 설명한 제1보조 입력부(431)와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제2보조 표시부(533)는 제2온도조절기(530)의 일측에 마련되어 제2난방 유닛(500)의 동작 정보 및 제1난방공간의 온도를 표시한다. 제2보조 표시부(533)의 구성은 제1난방 유닛(400)에서 설명한 제1보조 표시부(433)와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제2실내온도감지부(535)는 제2온도조절기(530)의 일측에 마련되어 제1난방공간의 온도를 측정하고 측정결과를 제2보조 제어부(540)에 제공한다. 제2실내온도감지부(535)의 구성은 제1난방 유닛(400)에서 설명한 제1실내온도감지부(435)와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제2보조 저장부(550)는 제2난방 유닛(500)의 동작을 제어하는 프로그램 및 제2난방공간에 대한 사용자의 희망온도 등의 데이터를 저장하며, 제2보조 제어부(540)의 요청에 의하여 제2보조 제어부(540)에 각종 데이터를 제공한다.
제2보조 통신부(560)는 제2보조 입력부(531)를 통한 사용자의 제어 명령을 주통신부(190)를 통하여 주제어부(160)에 송신하고, 주제어부(160)로부터 히트펌프(1)의 동작 정보를 수신한다.
제2보조 제어부(540)는 제2난방 유닛(500)의 동작을 총괄한다.
제2보조 제어부(540)는 제2보조 입력부(531)를 통한 사용자의 제어 명령, 및 제2실내온도감지부(535)의 감지결과를 기초로 제2난방밸브(520)의 개폐를 제어하고, 제2보조 통신부(560)를 통하여 주제어부(160)로 사용자의 제어 명령을 송신하고, 제2보조 표시부(533)를 제어하여 제2난방공간의 온도 및 히트펌프(1)의 동작 정보를 표시한다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 구성에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시에에 의한 히트펌프(1)의 동작에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예 의한 히트펌프(1)는 제1난방 유닛(400) 또는 제2난방 유닛(500)를 통하여 입력된 사용자의 동작 명령에 따라 압축기(233)와 순환수 펌프(137)를 가동하여 제1난방공간 또는 제2난방공간에 난방을 제공한다.
예를 들어, 사용자가 제1난방 유닛(400)에 마련된 제1보조 입력부(431)를 통하여 입력한 희망온도가 제1실내온도감지부(435)에 의하여 감지된 제1난방공간의 온도보다 높은 경우, 제1난방 유닛(400)는 제1보조 통신부(460)를 통하여 사용자가 동작 명령을 입력하였음을 주제어부(160)에 송신하고, 제1난방밸브(420)를 개방한다. 제1난방 유닛(400)로부터 사용자의 동작 명령을 수신한 주제어부(160)는 압축기(233)를 가동하여 하이드로 유닛(100)에 마련된 실내 열교환기(133)에서 냉매와 순환수 사이에 열교환이 이루어지도록 하고, 순환수 펌프(137)를 가동하여 실내 열교환기(133)에서 가열된 순환수가 제1난방 유닛(400)에 제공되도록 한다. 이와 같이 제1난방 유닛(400)에 가열된 순환수를 제공함으로써 히트펌프(1)는 제1난방공간에 난방을 제공한다.
이와 같이 히트펌프(1)가 압축기(233)를 가동하여 제1난방공간 또는 제2난방공간에 난방을 제공하는 경우, 히트펌프(1)는 압축기(233)의 가동 주파수를 가변하여 난방 능력을 가변할 수 있다.
통상, 압축기는 압축효율이 최대가 되는 정격 가동 주파수가 설정된다. 즉, 압축기가 정격 가동 주파수보다 더 높은 주파수로 가동되거나 정격 가동 주파수보다 낮은 주파수로 가동되면 압축기의 압축효율이 감소한다. 또한, 압축기는 압축효율이 사전에 설정된 값 이상되는 최대 가동 주파수와 최소 가동 주파수가 설정하며, 압축기는 최대 가동 주파수와 최소 가동 주파수 사이에서 동작하게 된다. 이때 압축기의 최대 가동 주파수는 압축기의 압축효율 뿐만 아니라 압축기가 설치된 히트펌프의 난방효율과 난방 성능도 고려되어 설정된다. 구체적으로, 난방효율을 향상시키기 위하여 실외 온도에 따라 압축기의 최대 가동 주파수가 다르게 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)에 포함된 압축기(233)의 가동 주파수를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바에 의하면 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)는 실외 온도가 높은 경우에는 난방효율을 극대화하기 위하여 압축기(233)의 최대 가동 주파수는 정격 가동 주파수와 같게 설정되며, 실외 온도가 낮은 경우에는 난방 성능을 향상시키기 위하여 압축기(233)의 최대 가동 주파수를 정격 주파수보다 높게 설정한다. 이와 같은 압축기(233)의 가동 주파수에 따라 히트펌프(1)의 난방 능력이 변화한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 난방 성능을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 실외 온도가 동일하면 압축기(233)의 가동 주파수가 높아질수록 히트펌프(1)의 난방 능력이 상승하며, 압축기(233)의 가동 주파수가 동일하면 실외 온도가 높아질수록 히트펌프(1)의 난방 능력이 상승한다. 히트펌프(1)는 실외 열교환기(233)에서 냉매를 통하여 실외의 열에너지를 흡수하여 실내 열교환기(133)에서 순환수에 열에너지를 제공함으로써 난방을 수행하므로 실외 온도가 높아질 수록 히트펌프(1)의 난방 능력은 상승한다.
영역 R는 히트펌프(1)가 보조히터(135)를 가동시키기 않고 열교환기만을 통하여 발휘할 수 있는 난방 능력에 해당한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)의 난방효율을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 실외 온도가 동일하면 압축기(233)의 가동 주파수가 낮아질수록 히트펌프(1)의 난방 능력이 상승하며, 압축기(233)의 가동 주파수가 동일하면 실외 온도가 높아질수록 히트펌프(1)의 난방효율이 향상된다.
압축기(233)가 높은 주파수로 가동되면 난방공간에 필요한 열에너지보다 더 많은 열에너지를 난방공간에 공급하게 된다. 이로 인하여 난방공간의 온도가 필요 이상으로 높아지게 되어 히트펌프(1)는 압축기(233)의 가동을 중지한다. 이후 난방공간의 온도가 낮아지면 히트펌프(1)는 다시 압축기(233)를 가동한다. 이와 같이 히트펌프(1)가 압축기(233)의 가동과 중지를 반복하게 되어 히트펌프(1)의 난방효율이 낮아진다. 이에 반하여 압축기(233)가 낮은 주파수로 가동되면 난방공간에 필요한 열에너지를 공급하기 위하여 히트펌프(1)는 압축기(233)를 지속적으로 가동하므로 히트펌프(1)의 난방효율이 향상될 수 있다.
도 8과 도9를 참조하면, 히트펌프(1)의 난방 능력은 압축기(233)의 가동 주파수가 높아질수록 상승하며 히트펌프(1)의 난방효율은 압축기(233)의 가동 주파수가 높아질수록 감소하는 경향이 있다.
이에 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)는 히트펌프(1)의 난방 능력과 난방효율에 따라 난방능력 우선모드와 난방효율 우선모드로 동작한다.
난방능력 우선모드의 경우, 히트펌프(1)는 압축기(233)가 최대 가동 주파수로 가동할 수 있도록 함으로써 히트펌프(1)는 최대의 난방 능력을 발휘할 수 있다.
히트펌프(1)는 압축기(233)의 가동 주파수에 대하여 사용자가 입력한 희망온도와 난방공간의 온도 사이의 차이를 입력값으로 하는 PID(Proportional Integral Differential) 제어를 수행한다. 즉, 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망온도에 도달할 때까지 압축기(233)의 가동 주파수를 상승시킨다. 압축기(233)의 가동 주파수 변화에 대한 난방공간의 온도의 변화는 상당히 느리게 진행되며, 그로 인하여 압축기(233)의 가동 주파수는 지속적으로 상승하여 결국 최대 가동 주파수에 도달하게 되며 더 이상 가동 주파수를 상승시킬 수 없게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 압축기(233)의 가동 주파수의 변화에 대하여 난방공간의 온도 변화는 상당히 느리게 되므로 압축기(233)는 통상 최대 가동 주파수로 가동되게 된다.
이와 같이 압축기(233)가 최대 주파수로 가동되면 압축기(233)의 가동과 중지를 반복하게 되므로 히트펌프(1)의 난방효율이 감소할 수 있다.
난방효율 우선모드의 경우, 히트펌프(1)는 난방공간에 필요한 난방능력(이하 난방부하라 한다.)에 따라 적정 가동 주파수로 압축기(233)를 가동함으로써 난방공간에 충분한 난방을 제공하면서 난방효율이 극대화되도록 한다. 히트펌프(1)가 난방효율을 극대화하기 위하여 압축기(233)를 최소 가동 주파수로 가동하면 난방효율은 향상되나 난방공간에 적정한 난방을 제공하지 못하게 된다. 따라서, 히트펌프(1)는 난방공간의 난방부하를 산출하고 난방부하에 대응하는 난방능력을 발휘하도록 압축기(233)의 가동 주파수를 설정한다.
히트펌프(1)가 압축기(233)의 적정 가동 주파수를 산출하기 위하여 난방공간의 난방부하를 산출하고, 산출된 난방부하에 대응하는 압축기(233)의 가동 주파수를 압축기(233)의 최대 허용 주파수로 설정한다. 최대 허용 주파수는 히트펌프(1)가 산출된 난방부하에 해당하는 난방능력을 발휘하기 위한 압축기(233)의 가동 주파수를 의미하며, 히트펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 압축기(233)는 설정된 최대 허용 주파수 이상으로 가동될 수 없다.
히트펌프(1)의 설계자는 히트펌프(1)가 사용될 난방공간의 난방부하를 알 수 없으므로 설계자는 해당 히트펌프(1)의 압축기(233)가 이용되는 평균적인 난방공간의 난방부하를 기준으로 실외 온도에 따른 초기 난방부하를 설정한다. 또한, 히트펌프(1)의 설계자에 의하여 설정된 초기 난방부하에 따라 최대 허용 주파수가 설정된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 난방부하를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 10는 난방공간에 난방이 요구되지 않는 실외 온도인 Tmax와 히트펌프(1)가 정상적으로 동작할 수 있는 최저 실외 온도인 Tmin사이의 실외 온도에 따른 난방부하와 히트펌프(1)의 난방 능력을 도시한다.
도 10을 참조하면, 실외 온도가 Tmax인 경우 난방공간에 난방이 요구되지 않으므로 난방부하는 '0'에 해당하며, 실외 온도가 Tmin인 경우 초기 난방부하는 히트펌프(1)가 발휘할 수 있는 최대 난방능력(Cmax)에 해당한다. 또한, 실외 온도가 낮아질수록 난방공간이 요구하는 난방능력인 난방부하는 점점 증가한다.
영역 R와 초기 난방부하가 교차하는 실외 온도인 TA에서 TB사이에서는 히트펌프(1)는 보조히터(135)를 가동하지 않고 압축기(233)만을 가동하여 난방공간에 충분한 난방을 제공할 수 있다. 특히, 실외 온도가 TB인 경우에는 압축기(233)가 최소 가동 주파수(f5)로 가동되는 것만으로 난방공간에 충분한 난방을 제공할 수 있으며, 실외 온도가 TA인 경우에는 압축기(233)가 최대 가동 주파수(f1)로 가동됨으로써 난방공간에 난방을 제공할 수 있다.
그러므로, 실외 온도가 TA와 TB 사이에서는 압축기(233)가 난방공간의 난방부하와 동일한 난방능력을 발휘하도록 하는 가동 주파수로 동작하면 난방공간에 충분한 난방을 제공할 수 있다. 예를 들어 실외 온도가 T1이면 난방부하가 C1이며, 압축기(233)가 f3로 가동되면 난방공간에 충분한 난방을 제공할 수 있다.
따라서, 실외 온도가 TA와 TB 사이일 때 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 해당 온도에서 난방공간의 난방부하와 동일한 난방능력을 발휘하는 가동 주파수가 된다.
열교환기에 의한 히트펌프(1)의 최소 난방능력이 난방부하보다 큰 실외 온도인 TB 이상의 실외 온도에서 히트펌프(1)는 압축기(233)를 최소 가동 주파수로 가동하되 압축기(233)의 온/오프를 반복하여 난방공간에 난방을 공급한다. 또한 열교환기에 의한 히트펌프(1)의 최대 난방능력이 난방부하보다 작은 실외 온도인 TA 이하의 실외 온도에서 히트펌프(1)는 압축기(233)를 최대 가동 주파수로 지속적으로 가동하면서 보조히터(135)를 가동하여 난방공간에 난방을 공급한다.
그러므로, 실외 온도가 TA 이하인 경우에 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 최대 가동 주파수(f1)와 같으며, 실외 온도가 TB 이상인 경우에 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 최소 가동 주파수(f5)와 같다.
요약하면, 실외 온도가 TA 이하이면 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 최대 가동 주파수와 동일하며, 실외 온도가 TA와 TB사이이면 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 난방공간의 난방부하와 동일한 난방능력을 발휘하도록 하는 압축기(233)의 가동 주파수와 동일하며, 실외 온도가 TB 이상이면 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 최소 가동 주파수와 동일하다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 난방효율을 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이 히프펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작할 경우 실외 온도가 TA이면 난방효율은 COPA가 되고, 실외 온도가 T1이면 난방효율은 COP1이 되며, 실외 온도가 TB이면 난방효율은 COPB가 된다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우의 제어방법을 도시하는 순서도이다.
도 12를 참조하면, 히트펌프(1)는 우선 사용자가 하이드로 유닛(100)에 마련된 주입력부(151)를 통하여 난방효율 우선모드를 선택하는지 여부를 판단한다(700).
다음으로, 히트펌프(1)는 외기온도감지부(240)를 통하여 실외 온도를 감지하고(710), 히트펌프(1)는 난방부하와 감지된 실외 온도를 기초로 최대 허용 주파수를 산출한다(720). 구제적으로 히트펌프(1)는 주저장부(180)에 저장된 실외온도에 따른 난방부하와 히트펌프(1)의 난방능력에 따른 압축기(233)의 가동 주파수를 이용하여 난방부하와 최대 허용 주파수를 산출할 수 있다.
다음으로, 히트펌프(1)는 압축기(233)를 가동하여 난방공간에 난방을 제공한다(730). 이때 압축기(233)는 720 단계에서 산출된 최대 허용 주파수 이상의 가동 주파수로 동작할 수 없다.
다음으로, 히트펌프(1)가 동작한 이후 기준 누적 가동 시간이 경과하였는지 여부를 판단한다(740). 구체적으로, 최대 허용 주파수가 720 단계에서 산출된 가동 주파수인 상태에서 압축기(233)가 동작한 이후 기준 누적 가동 시간이 경과하였는지 여부를 판단한다.
기준 누적 가동 시간이 경과하지 않았으면, 히트펌프(1)는 그 동작이 종료되어야 하는지 여부를 판단한다(742). 구체적으로, 사용자로부터 히트펌프(1)의 가동종료 명령이 입력되거나 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망 온도 이상이 되면 히트펌프(1)는 그 동작을 종료하게 된다. 히트펌프(1)의 동작을 유지하는 경우 다시 기준 누적 가동 시간의 경과여부를 판단한다.
기준 누적 가동 시간이 경과하면, 히트펌프(1)는 기준 누적 가동 시간 동안압축기(233)의 평균 가동 주파수를 산출한다(750). 압축기(233)의 평균 가동 주파수는 단위 시간과 실제 가동 주파수의 곱을 기준 누적 가동 시간 동안 적분한 후 이를 누적 가동 시간으로 나누어 얻을 수 있다.
다음으로, 히트펌프(1)는 720 단계에서 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱과 평균 가동 주파수를 비교한다(760). 오차 계수(α)는 0보다 크고 1보다 작은 실수로서 오차 계수(α)가 1에 가까울 수록 평균 가동 주파수와 최대 허용 주파수 사이의 오차가 작아진다.
최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱이 평균 가동 주파수보다 크면, 히트펌프(1)는 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 미리 정해진 주파수(Δf)만큼 감소시킨다(762). 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱이 평균 가동 주파수보다 크다는 것은 압축기(233)가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수로 동작할 경우 압축기(233)는 온/오프를 반복한다는 의미이다. 다시 말해, 히트펌프(1)의 난방능력이 난방공간의 난방부하에 비하여 크다는 것을 의미한다. 따라서, 히트펌프(1)는 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 감소시킴으로써 난방능력을 감소시키고 히트펌프(1)는 난방효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 히트펌프(1)는 762단계에서 산출된 최대 허용 주파수에 대응되는 히트펌프(1)의 난방능력을 산출한다(780).
다음으로, 히트펌프(1)는 780단계에서 산출된 난방능력을 710단계에서 감지된 실외온도에서의 난방부하로 저장한다(790).
720단계에서 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱이 압축기(233)의 평균 가동 주파수로다 작거나 같으면, 히트펌프(1)는 평균 가동 주파수와 최대 허용 주파수를 비교한다(770). 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱이 평균 가동 주파수보다 작다는 것은 압축기(233)가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수로 동작할 경우 압축기(233)가 온/오프되는 동작이 최소화되고, 히트펌프(1)가 제공하는 난방능력이 난방공간의 난방부하와 유사하거나 난방공간의 난방부하보다 작다는 것을 의미한다. 따라서, 히트펌프(1)가 제공하는 난방능력이 난방공간의 난방부하보다 작은지 여부를 판단하여야 하며, 이를 판단하기 위하여 히트펌프(1)는 압축기(233)의 평균 가동 주파수와 최대 허용 주파수를 비교한다.
압축기(233)의 평균 가동 주파수가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수 보다 크거나 최대 허용 주파수와 같으면, 히트펌프(1)는 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 미리 정해진 주파수(Δf)만큼 증가시킨다(772). 따라서, 압축기(233)의 평균 가동 주파수가 최대 허용 주파수보다 크거나 최대 허용 주파수와 같다는 것은 압축기(233)가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수로 동작할 경우 압축기(233)는 온/오프 동작없이 지속적으로 동작한다는 것을 의미한다. 압축기(233)가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수로 지속적으로 동작한다는 것은 히트펌프(1)의 난방능력이 난방공간의 난방부하에 비하여 작기 때문에 히트펌프(1)가 지속적으로 동작한다는 것을 의미한다. 따라서, 히트펌프(1)는 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 증가시킴으로써 히트펌프(1)의 난방능력을 향상시킨다.
다음으로, 히트펌프(1)는 772단계에서 산출된 최대 허용 주파수에 대응되는 히트펌프(1)의 난방능력을 산출한다(780).
다음으로, 히트펌프(1)는 780단계에서 산출된 난방능력을 710단계에서 감지된 실외온도에서의 난방부하로 저장한다(790).
압축기(233)의 평균 가동 주파수가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파수보다 작으면, 히트펌프(1)는 다시 실외온도를 감지하고 상술한 동작을 반복한다. 압축기(233)의 평균 가동 주파수가 최대 허용 주파수와 오차 계수(α)의 곱보다 크고 최대 허용 주파수보다 작다는 것은 압축기(233)가 720단계에서 산출된 최대 허용 주파주로 동작하면 히트펌프(1)의 난방능력과 난방공간의 난방부하가 유사하다는 것을 의미하며, 이는 히트펌프(1)가 난방공간에 충분한 난방을 제공하며 히트펌프(1)의 난방효율이 극대화됨을 의미한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프(1)가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 히트펌프의 난방능력의 변화를 도시한 도면이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트펌프가 난방효율 우선모드로 동작하는 경우 히트펌프의 난방효율의 변화를 도시한 도면이다. 도 13는 히트펌프(1)의 설계자가 설정한 초기 난방부하는 점으로 도시하였으며, 히트펌프(1)가 설치된 난방공간의 실제 난방부하는 실선으로 도시하였다.
도 13에 도시된 바와 같이 초기 난방부하에 의하면 실외 온도가 T1일 경우 난방공간의 난방부하는 C1이며, 히트펌프(1)가 C1의 난방능력을 발휘하기 위한 압축기(233)의 가동 주파수는 f3이다. 따라서, 압축기(233)의 최대 허용 주파수는 f3이 된다. 즉, 압축기(233)는 f3 이상의 가동 주파수로 동작할 수 없다.
그러나, 실외온도가 T1일 경우 실제 난방부하는 C1'이며, 히트펌프(1)의 난방능력이 C1'일 경우 압축기(233)의 가동 주파수는 f4이다. 따라서, 히트펌프(1)가 최대 허용 주파수를 f3으로 하여 압축기(233) 동작시키면 압축기(233)는 온/오프를 반복하게 되며, 압축기(233)의 평균 가동 주파수는 f4가 된다.
압축기(233)의 평균 가동 주파수인 f4는 압축기(233)의 최대 허용 주파수인 f3보다 작으므로 히트펌프(1)는 압축기(233)의 최대 허용 주파수가 f4가 될 때까지 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 감소시킨다.
압축기(233)의 최대 허용 주파수가 f4가 되면, 히트펌프(1)의 난방능력은 난방공간의 난방부하와 동일하게 된다. 즉, 히트펌프(1)가 난방공간에 충분한 난방을 제공하며 히트펌프(1)의 난방효율이 극대화된다.
도 14를 참조하면, 히트펌프(1)가 설계자에 의하여 설정된 초기 난방부하를 따라 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 f3로 하여 압축기(233)를 가동시키면 히트펌프(1)의 난방효율은 COP1이다. 이후 히트펌프(1)가 압축기(233)의 최대 허용 주파수를 감소시킬 수록 히트펌프(1)의 난방효율은 향상되며, 압축기(233)의 최대 허용 주파수가 f4가 되면 히트펌프(1)의 난방효율은 COP1'이 된다. 결국, 히트펌프(1)의 난방효율은 COP1에서 COP1'로 향상된다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상으로부터 개별적으로 이해되어져서는 아니될 것이다.
1: 히트펌프
100: 하이드로 유닛 200: 실외 유닛
133: 실내 열교환기 135: 보조히터
137: 순환수 펌프 233: 압축기
235: 팽창밸브 237: 실외 열교환기
300: 온수탱크 400: 라디에이터
500: 언더플로어 히터

Claims (15)

  1. 외기와 냉매 사이의 열교환 및 상기 냉매와 순환수 사이의 열교환을 통하여 난방공간에 난방을 제공하는 히트펌프의 제어방법에 있어서,
    상기 외기의 온도 및 상기 난방공간의 난방부하를 기초로 압축기의 최대 허용 주파수를 산출하고;
    상기 산출한 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 동안 상기 압축기의 평균 가동 주파수를 산출하고;
    상기 평균 가동 주파수와 상기 최대 허용 주파수를 비교한 결과를 기초로 상기 최대 허용 주파수를 재산출하고;
    상기 재산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하고;
    상기 재산출된 최대 허용 주파수에 기초하여 상기 난방공간의 난방부하를 재산출하고; 및
    상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 것은 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수의 곱보다 작으면 상기 산출된 최대 허용 주파수와 미리 정해진 주파수를 합하는 것;을 포함하는 히트펌프의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 것은 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 같거나 상기 산출된 최대 허용 주파수보다 크면 상기 산출된 최대 허용 주파수에서 미리 정해진 주파수를 빼는 것인 히트펌프의 제어방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 평균 가동 주파수는 상기 압축기가 가동되는 동안의 상기 압축기의 가동 주파수의 적분값을 상기 압축기의 가동시간으로 나누어 산출하는 것인 히트펌프의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망 온도보다 낮으면 가동 주파수를 증가시키는 것인 히트펌프의 제어방법.
  7. 외기와 냉매 사이의 열교환 및 상기 냉매와 순환수 사이의 열교환을 통하여 난방공간에 난방을 제공하는 히트펌프에 있어서,
    상기 냉매를 순환시키는 압축기 및 상기 냉매를 증발시켜 상기 외기와 열교환시키는 실외 열교환기를 포함하는 실외 유닛;
    상기 냉매를 응축시켜 상기 순환수와 열교환시키는 실내 열교환기 및 상기 순환수를 난방공간으로 압송하는 순환 펌프를 포함하는 하이드로 유닛;
    상기 외기의 온도를 감지하는 실외온도감지부;
    상기 실외온도감지부의 감지결과 및 상기 난방공간의 난방부하를 기초로 산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하여 상기 압축기의 평균 가동 주파수를 산출하고, 상기 평균 가동 주파수와 상기 최대 허용 주파수를 비교한 결과를 기초로 상기 최대 허용 주파수를 재산출하여 상기 재산출된 최대 허용 주파수에 따라 상기 압축기를 가동하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 재산출된 최대 허용 주파수에 기초하여 상기 난방공간의 난방부하를 재산출하고, 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 오차 계수의 곱보다 작으면 상기 산출된 최대 허용 주파수와 미리 정해진 주파수를 합하여 상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 히트펌프.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 평균 가동 주파수가 상기 산출된 최대 허용 주파수와 같거나 상기 산출된 최대 허용 주파수보다 크면 상기 산출된 최대 허용 주파수에서 미리 정해진 주파수를 빼서 상기 최대 허용 주파수를 재산출하는 것인 히트펌프.
  11. 제7항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 압축기가 가동되는 동안의 상기 압축기의 가동 주파수의 적분값을 상기 압축기의 가동시간으로 나누어 상기 평균 가동 주파수를 산출하는 것인 히트펌프.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 하이드로 유닛은 상기 냉매와 열교환된 상기 순환수를 가열하는 보조히터를 더 포함하는 것인 히트펌프.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 순환수를 통하여 상기 난방공간에 난방을 제공하는 난방유닛을 더 포함하는 히트펌프.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 난방유닛은 상기 순환수의 흐름을 개폐하는 난방밸브, 사용자로부터 희망 온도를 입력받는 입력부, 상기 난방공간의 온도를 감지하는 실내온도감지부를 포함하고,
    상기 난방유닛은 상기 희망 온도와 상기 실내온도감지부의 감지결과를 비교한 결과에 따라 상기 난방밸브의 개폐를 제어하는 것인 히트펌프.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 난방공간의 온도가 사용자가 입력한 희망 온도보다 낮으면 상기 압축기의 가동 주파수를 증가시키는 것인 히트펌프.
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