KR102101881B1 - 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템 - Google Patents

수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템을 개시한다. 이러한 본 발명은 저단 압축기의 운전이 정지된 시점에서 그 정지 시점에서의 신호 출력으로부터 고단 압축기 운전이 이루어지도록 구성한 것이고, 이에 따라 고단 압축기가 저단 압축기의 운전시 발생하는 응축열을 증발열로 활용하여 난방 운전시 목표로 하는 고온수의 생산 효율을 높이면서도 서로 다른 압축 효율을 가지는 저단 및 고단 압축기의 과도한 운전을 방지시키면서 히트 펌프 시스템에 대한 안전성을 향상시키는 것이다.

Description

수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템{High temperature water heat pump system of using water heat source}
본 발명은 해수를 열원(heat source)으로 하는 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저단 압축기의 운전에 따라 열교환기의 입수 및 출수 온도가 설정 온도에 도달시 저단 압축기의 운전을 정지시킨 다음 바로 고단 압축기가 운전하면서 응축열을 증발열로 이용할 수 있도록 하여, 서로 다른 압축 효율을 가지는 압축기의 과도한 운전을 방지시키면서 난방 운전시 목표로 하는 고온수의 생산 효율을 높이는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
주거 생활을 쾌적하게 하기 위한 중요한 요소 중의 하나인 냉/난방용 에너지원으로서 화석 연료를 대신하는 대체 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체 에너지 중에 냉/난방용으로 직접 사용될 수 있는 것으로는 구동 방식에 따라 전기식과 엔진식, 열원에 따라 공기 열원식, 수열원식(폐열원식), 지열원식 등으로 구분되는 히트 펌프 시스템이 있으며, 열 공급 방식에 따라서는 온풍식, 냉풍식, 온수식, 냉수식 및 펌프의 이용 범위에 따라 난방용, 냉방용, 제습용, 냉/난방 겸용 등으로 분류된다.
상기 히트 펌프 시스템은 압축기, 증발기, 응축기, 팽창 밸브 등으로 이루어진 구조로서, 현재 대부분의 히트 펌프 시스템은 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있으며, 이러한 히트 펌프 시스템들 중에서 수열원식 히트 펌프 시스템은 시스템 내의 증발 온도 저하가 크지 않기 때문에 어느 정도의 원활한 운전이 가능한 것이지만, 60∼70℃ 이상의 고온수 생산에는 무리가 있으며, 이는 히트 펌프 사이클의 한계에 기인하는 것으로서 2차 유체(secondary working fluid) 간의 온도차가 큰 경우 압축 과정에서의 비가역성이 크게 증가하면서 사이클 효율이 감소하게 되기 때문이며, 이에 종래 수열원식 히트 펌프 시스템은 서로 다른 압축 효율을 가지는 압축기가 과도하게 운전되면서 오작동을 일으키는 문제점이 있었다.
등록실용신안공보 제20-0351554호(공고일 2004.05.24.) 공개특허공보 제2004-0049212호(공개일 2004.06.11.) 공개특허공보 제2004-0087670호(공개일 2004.10.15.) 등록특허공보 제10-531113호(공고일 2005.11.25) 등록특허공보 제10-0531653호(공고일 2005.11.29.) 등록특허공보 제10-0639104호(공고일 2006.10.27)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 저단 압축기의 운전이 정지된 시점에서 그 정지 시점에서의 신호 출력으로부터 고단 압축기 운전이 이루어지도록 구성함으로써, 고단 압축기가 저단 압축기의 운전시 발생하는 응축열을 증발열로 활용하여 난방 운전시 목표로 하는 고온수의 생산 효율을 높이고, 특히 서로 다른 압축 효율을 가지는 저단 및 고단 압축기의 과도한 운전을 방지할 수 있도록 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템을 제공하려는 것이다.
본 발명의 과제 해결 수단인 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템은, 해수 순환 라인을 통해 유입되고 배출되는 해수를 열원으로 하여 통과되는 저단 냉매를 열교환시키는 제 1 열교환기; 상기 제 1 열교환기에 의해 열교환되는 저단 냉매가 제 1 압축기, 제 2 열교환기, 제 3 열교환기, 제 1 팽창 밸브를 순차적으로 통과한 후 상기 제 1 열교환기로 다시 유입되는 순환 과정을 반복하는 제 1 냉매 순환 처리부; 및, 상기 제 2 열교환기에 유입되고 배출되는 저단 냉매에 의해 열교환되는 고단 냉매가 제 2 압축기를 거쳐 제 4 열교환기, 제 2 팽창 밸브, 상기 제 2 열교환기를 순차적으로 통과한 후 상기 제 2 압축기로 다시 유입되는 순환 과정을 반복하는 제 2 냉매 순환 처리부; 를 포함하며, 상기 제 1 압축기는 상기 제 3 열교환기를 통과하는 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준 온도에 도달시 제어기에 의해 운전이 정지되도록 구성하고, 상기 제 2 압축기는 상기 제 1 압축기의 운전이 정지됨과 동시에 제어기에 의해 운전되도록 구성하며, 상기 제 2 열교환기 또는 상기 제 4 열교환기를 통과하는 고단 냉매는 설정된 기준 온도에 도달된 상기 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기 또는 상기 제 4 열교환기를 통과하는 용수를 고온수로 가열하는 것이다.
또한, 상기 제 2 열교환기는 난방 운전시 상기 기준온도에 도달한 저단 냉매를 열원으로 하여 고단 냉매를 가열하고, 상기 제 3 열교환기는 상기 제 2 열교환기의 응축열을 열원으로 하여 용수를 1차 가열하며, 상기 제 2 압축기는 가열된 상기 고단 냉매를 열원으로 하여 고단 냉매를 압축하고, 상기 제 4 열교환기는 상기 제 2 압축기에 의해 가열 압축된 상기 고단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기에 의해 1차 가열된 용수를 2차 가열하여 고온수를 생산하는 것이다.
또한, 상기 제 1 냉매 순환 처리부에는, 상기 제 1 압축기를 통해 압축된 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기를 통과하는 저단 냉매를 가열하는 제 5 열교환기; 를 더 포함하는 것이다.
또한, 상기 제 2 열교환기의 입수단과 출수단에는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도를 측정하는 온도센서를 형성하고, 상기 제어기는 상기 온도센서에 의해 측정되는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달할때까지 상기 제 1 압축기를 운전 제어하고, 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달시 상기 제 1 압축기의 운전을 정지시킴과 동시에 상기 제 2 압축기를 운전시키는 운전 제어 프로그램을 탑재한 것이다.
또한, 상기 제 1 압축기에는 제 1 및 제 2 냉매 출수단을 형성하고, 상기 제 1 냉매 출수단에는 냉매 순환 라인(L1)을 통해 삼방변 밸브의 일단을 연결하고, 상기 삼방변 밸브의 타단에는 각각의 냉매 순환 라인(L2, L3, L4)을 통해 상기 제 1 압축기의 냉매 입수단과 상기 제 1 열교환기 및 상기 제 2 열교환기를 연결하며, 상기 제 2 냉매 출수단에는 냉매 순환 라인(L5)을 통해 상기 제 5 열교환기를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 1 압축기의 제 1 냉매 출수단과 상기 삼방변 밸브를 연결하는 냉매순환라인(L1)에는 제 1 유분리기와 역류방지용 제 1 밸브를 연결하는 것이다.
또한, 상기 삼방변 밸브와 상기 제 1 압축기의 냉매 입수단을 연결하는 냉매 순환 라인(L2)에는 제 1 액분리기를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 1 압축기의 제 2 냉매 출수단과 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L5)에는 상기 제 2 팽창밸브를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 1 열교환기와 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L6)에는 개폐용의 제 2 밸브와 상기 제 1 팽창밸브를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 5 열교환기와 상기 제 3 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L7)에는 제 1 수액기와 개폐용의 제 3 밸브를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 1 열교환기와 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환라인(L6)과 상기 제 3 열교환기는 개폐용의 제 4 밸브가 형성되는 냉방을 위한 냉매 순환 라인(L8)이 연결되는 것이다.
또한, 상기 제 1 열교환기와 상기 제 1 수액기의 입수단은 개폐용의 제 5 밸브가 형성되는 냉방을 위한 냉매 순환 라인(L9)이 연결되는 것이다.
또한, 상기 제 2 열교환기와 상기 제 3 열교환기는 냉매 순환 라인(L9')으로 연결되는 것이다.
또한, 상기 제 2 압축기와 상기 제 4 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L10)에는 제 2 유분리기를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 4 열교환기와 상기 제 2 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L11)에는 제 2 수액기와 상기 제 2 팽창밸브를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 2 열교환기와 상기 제 2 압축기의 냉매 입수단을 연결하는 냉매 순환 라인(L12)에는 제 2 액분리기를 연결하는 것이다.
또한, 상기 제 1 열교환기의 해수 순환 라인에는 해수 순환을 위한 제 1 펌프가 연결되는 것이다.
또한, 상기 제 3 열교환기와 상기 제 4 열교환기에는 저단 냉매와 고단 냉매를 열원으로 하여 용수를 고온수로 열교환시키도록 상기 용수를 순환시키는 용수 순환 라인을 연결하되, 상기 용수 순환 라인은, 상기 제 3 열교환기의 입수단에 연결되는 것으로서 제 2 펌프와 역류방지용의 제 6 밸브를 형성하여둔 제 1 라인(W1); 상기 제 3 열교환기의 출수단과 상기 제 4 열교환기의 입수단을 연결하는 것으로서 역류방지용의 제 7 밸브를 형성하여둔 제 2 라인(W2); 상기 제 2 라인(W2)에 분기 연결되는 것으로서 제 3 펌프와 역류방지용의 제 8 밸브를 형성하여둔 제 3 라인(W3); 및, 상기 제 4 열교환기의 출수단에 연결되는 것으로서 고온수를 출수하는 제 4 라인(W4); 을 포함하는 것이다.
또한, 상기 제 2 펌프와 상기 제 3 펌프는 고온수 생산량에 따라 제어기에 의해 어느 하나만이 펌핑되거나 또는 동시에 펌핑이 이루어지도록 제어되는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 저단 압축기의 운전이 정지된 시점에서 그 정지 시점에서의 신호 출력으로부터 고단 압축기 운전이 이루어지도록 구성한 것이며, 이를 통해 고단 압축기가 저단 압축기의 운전시 발생하는 응축열을 증발열로 활용하여 난방 운전시 목표로 하는 고온수의 생산 효율을 높이면서도 서로 다른 압축 효율을 가지는 저단 및 고단 압축기의 과도한 운전을 방지시키면서 히트 펌프 시스템에 대한 안전성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템에 대한 개략적인 계통도.
도 2는 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템의 제어 흐름을 보인 개략적인 블럭 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템의 냉방 운전모드를 보인 도면.
도 4는 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템의 난방 운전모드에서 고온수를 생산하는 상태를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템에 보조 증발 열교환기를 적용한 상태를 보인 개략적인 계통도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 필요한 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드 지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템에 대한 개략적인 계통도이고, 도 2는 본 발명의 실시예로 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템의 제어 흐름을 보인 개략적인 블럭 구성도를 도시한 것이다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수열원을 이용한 고온수 히트 펌프 시스템은, 제 1 열교환기(10), 제 1 냉매 순환 처리부(20), 제 2 냉매 순환 처리부(30), 제어기(40)를 포함하는 것이다.
상기 제 1 열교환기(10)는 제 1 펌프(P1)의 펌핑 동작에 따라 해수 순환 라인(H1)을 통해 열원인 해수가 유입되고 배출되는 것이고, 이에따라 상기 해수를 열원으로 하여 열교환되는 열매체(저단 냉매)를 상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)로 순환시키는 것이다.
즉, 상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 1 압축기(21)에 의해 압축된 고온 고압의 저단 냉매가 냉방 운전시 제 1 유분리기(61)→삼방변 밸브(50)를 통해 순환되어 상기 제 1 열교환기(10)를 통과하거나, 또는 난방 운전시 제 1 유분리기(61)→삼방변 밸브(50)→제 2 열교환기(22)→제 3 열교환기(23)→제 1 수액기(81) 및/또는 제 5 열교환기(22a)를 통해 순환되어 상기 제 1 열교환기(10)를 통과할 때, 상기 제 1 열교환기(10)를 통과하는 상기 저단 냉매는 상기 해수에 의해 열교환되는 것으로, 상기 냉방 운전시 상기 저단 냉매와 상기 해수의 온도차는 크지 않지만, 상기 난방 운전시에는 상기 저단 냉매와 상기 해수의 온도차가 크므로, 난방 운전시 상기 저단 냉매는 상기 해수를 열원으로 하여 가열되는 열교환이 이루어질 수 있는 것이다.
상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)는 냉,난방 운전모드에 따라 해수를 열원으로 하여 열교환이 이루어진 열매체(저단 냉매)를 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 전달하여, 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에서 고온수 생산이 가능하도록 하는 것으로, 제 1 압축기(21), 냉,난방의 운전모드에 따라 응축 또는 증발 작용하는 제 2 열교환기(22), 제 3 열교환기(23), 제 1 팽창 밸브(24)를 포함하며, 상기 제 1 압축기(21)에 의해 압축된 고온 고압의 저단 냉매가 제 2 열교환기(22)→제 3 열교환기(23)→제 1 팽창 밸브(24)→제 1 열교환기(10)→제 1 압축기(21)로 유입되는 순환 과정을 반복하도록 구성하여둔 것이다.
이때, 상기 제 1 압축기(21)에는 제 1 및 제 2 냉매 출수단(21a, 21b)이 형성되며, 상기 제 1 냉매 출수단(21a)에는 저단 냉매 가스에 포함되는 오일을 분리하는 제 1 유분리기(61)와 역류방지용의 제 1 밸브(V1)가 연결되는 냉매 순환 라인(L1)을 통해 삼방변 밸브(50)의 일단이 연결되는 것이고, 상기 삼방변 밸브(50)의 타단에는 각각의 냉매 순환 라인(L2, L3, L4)을 통해 상기 제 1 압축기(21)의 냉매 입수단과 상기 제 1 열교환기(10) 및 상기 제 2 열교환기(22)가 연결될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 제 1 압축기(21)의 상기 제 2 냉매 출수단(21b)에는 첨부된 도 5에서와 같이 냉매 순환 라인(L5)을 통해 제 5 열교환기(22a)를 연결할 수도 있는 것이다.
즉, 상기 제 5 열교환기(22a)는 상기 제 1 압축기(21)를 통해 압축된 고온 고압의 저단 냉매가 제 3 팽창 밸브(24a)에 의해 팽창되어 입수될 때, 팽창된 상기 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기(23)를 통과하여 순환되는 응축된 저단 냉매를 열교환시키는 것이며, 이에 따라 냉매 순환 라인(L6)을 통해 열교환된 저단 냉매가 상기 제 1 열교환기(10)에 유입시, 상기 제 1 열교환기(10)로 유입되는 열교환된 상기 저단 냉매는 해수 순환 라인(H1)을 통해 순환되는 해수를 열원으로 하여 열교환시킬 때 그 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 상기 제 1 열교환기(10)와 상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 1 압축기(21), 제 2 열교환기(22), 제 3 열교환기(23), 제 1 팽창밸브(24)는 물론 상기 삼방변 밸브(50), 및/또는 그리고 상기 제 5 열교환기(22a)는 각각 냉매 순환 라인(L1∼L9)에 의해 연결될 수 있는 것이다.
즉, 상기 삼방변 밸브(50)와 상기 제 1 압축기(21)의 냉매 입수단은 냉매액을 분리하는 제 1 액분리기(71)를 연결하여둔 상기 냉매 순환 라인(L2)에 의해 연결되고, 상기 제 1 압축기(21)의 제 2 냉매 출수단(21b)과 상기 제 5 열교환기(22a)는 제 3 팽창밸브(24a)를 연결하여둔 다른 냉매 순환 라인(L5)에 의해 연결되며, 상기 제 1 열교환기(10)와 상기 제 5 열교환기(22a)는 개폐용의 제 2 밸브(V2)와 상기 제 1 팽창밸브(24)를 연결하여둔 또 다른 냉매 순환 라인(L6)에 의해 연결되고, 상기 제 5 열교환기(22a)와 상기 제 3 열교환기(23)는 액화된 고온 고압의 냉매액을 일시 저장하는 제 1 수액기(81)와 개폐용의 제 3 밸브(V3)를 연결하여둔 또 다른 냉매 순환 라인(L7)에 의해 연결되며, 상기 제 1 열교환기(10)와 상기 제 5 열교환기(22a)를 연결하는 상기 냉매 순환 라인(L6)과 상기 제 3 열교환기(23)는 개폐용의 제 4 밸브(V4)를 연결하여둔 냉방을 위한 또 다른 냉매 순환 라인(L8)에 의해 연결되고, 상기 제 1 열교환기(10)와 상기 제 1 수액기(81)의 입수단은 개폐용의 제 5 밸브(V5)를 연결하여둔 냉방을 위한 또 다른 냉매 순환 라인(L9)에 의해 연결될 수 있는 것이다.
상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)는 난방 운전모드에서 상기 제 3 열교환기(23)에서 순환되는 열매체(저단 냉매)에 의해 열교환이 이루어진 고단 냉매가 제 2 압축기(31)를 거쳐 제 4 열교환기(32), 제 2 팽창 밸브(33), 상기 제 2 열교환기(22)를 순차적으로 통과한 후 상기 제 2 압축기(31)로 다시 유입되는 순환 과정을 반복하도록 구성하여둔 것이다.
이때, 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 포함되는 상기 제 2 압축기(31)는 상기 제 1 압축기(21)가 운전시 정지되며, 상기 제 1 압축기(21)의 운전이 정지됨과 동시에 운전하면서 상기 제 2 열교환기(22)를 통과하는 설정된 기준 온도에 도달하도록 가열된 상기 저단 냉매를 열원으로 하여 고단 냉매를 가열하고, 이렇게 가열된 고단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기(23) 또는 상기 제 4 열교환기(32)를 통과하는 용수가 고온수(예; 70∼80℃)로 가열될 수 있는 것이다.
여기서, 상기 제 1 압축기(21)는 상기 제 2 열교환기(22)에 입수되는 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도(예; 입수 온도 52℃, 출수 온도 60℃)에 도달시 운전이 정지될 수 있으며, 상기 제 1 압축기(21)와 상기 제 2 압축기(31)의 운전 제어는 제어기(40)에 의해 이루어질 수 있는 것이다.
즉, 상기 제 2 열교환기(22)는 상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)에서 기준온도에 도달하도록 가열되어 순환되는 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에서 순환되는 고단 냉매를 가열하고, 상기 제 3 열교환기(23)는 상기 제 2 열교환기(22)에 의해 열교환된 저단 냉매를 열원(응축열)으로 하여 용수를 1차 가열하며, 상기 제 4 열교환기(32)는 상기 저단 냉매에 의해 가열된 후 상기 제 2 압축기(31)에 의해 압축되는 고온 고압의 고단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기(23)에 의해 1차 가열된 용수를 2차 가열하여 고온수를 생산하게 되는 것으로, 제어기(40)에는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도에 대한 기준온도 값이 저장되면서, 상기 제어기(40)는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달할때까지 상기 제 1 압축기(21)를 운전 제어하고, 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달시에는 상기 제 1 압축기(21)의 운전을 정지시킴과 동시에 상기 제 2 압축기(31)를 운전시키는 운전 제어 프로그램을 탑재하여둔 것이다.
여기서, 상기 저단 냉매의 입수 온도(예; 52℃)와 출수 온도(예; 60℃)는 상기 제 2 열교환기(22)의 냉매 입수단과 출수단에 각각 설치되는 온도센서(T1, T1')에 의해 측정된 후 상기 제어기(40)에 제공될 수 있는 것이다.
한편, 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 포함되는 제 2 압축기(31), 제 4 열교환기(32), 제 2 팽창밸브(33), 그리고 상기 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 2 열교환기(22)는 각각 냉매 순환 라인(L10∼L12)에 의해 연결될 수 있는 것이다.
즉, 상기 제 2 압축기(31)와 상기 제 4 열교환기(32)는 고단 냉매 가스에 포함되는 오일을 분리하는 제 2 유분리기(61a)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L10)에 의해 연결되고, 상기 제 4 열교환기(32)와 상기 제 2 열교환기(22)는 제 2 수액기(81a)와 상기 제 2 팽창밸브(33)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L11)에 의해 연결되며, 상기 제 2 열교환기(22)와 상기 제 2 압축기(31)의 냉매 입수단(31b)은 제 2 액분리기(71a)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L12)에 의해 연결될 수 있는 것이다.
한편, 상기 제 3 열교환기(23)와 상기 제 4 열교환기(32)에는 저단 냉매와 고단 냉매를 열원으로 하여 용수를 고온수로 열교환시키도록 상기 용수를 순환시키기 위한 용수 순환 라인이 연결될 수 있으며, 상기 용수 순환 라인은 상기 제 3 열교환기(23)의 입수단에 연결되는 것으로서 제 2 펌프(P2)와 역류방지용의 제 6 밸브(V6)를 형성하여둔 제 1 라인(W1)과, 상기 제 3 열교환기(23)의 출수단과 상기 제 4 열교환기(32)의 입수단을 연결하는 것으로서 역류방지용의 제 7 밸브(V7)를 형성하여둔 제 2 라인(W2)과, 상기 제 2 라인(W2)에 분기 연결되는 것으로서 제 3 펌프(P3)와 역류방지용의 제 8 밸브(V8)를 형성하여둔 제 3 라인(W3), 그리고 상기 제 4 열교환기(32)의 출수단에 연결되는 것으로서 고온수를 출수하는 제 4 라인(W4)으로 세분화될 수 있는 것이다.
이때, 상기 제 2 펌프(P2)와 상기 제 3 펌프(P3)는 고온수 생산량에 따라 상기 제어기(40)에 의해 어느 하나만이 펌핑되거나 또는 동시에 펌핑되도록 제어될 수 있는 것이다.
즉, 상기 용수는 상기 제 2 펌프(P2)의 펌핑 동작에 따라 상기 제 3 열교환기(23)에 1차 입수되어 상기 제 4 열교환기(32)로 흐르게 되고, 이와 동시에 상기 제 3 펌프(P3)의 펌핑 동작에 따라 상기 제 4 열교환기(32)에 용수가 더 입수될 수 있도록 하거나, 또는 상기 제 2 펌프(P2)의 펌핑 동작으로만 상기 제 4 열교환기(32)에 용수가 입수되도록 제어할 수 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템은 첨부된 도 1 내지 제 5에서와 같이, 냉방 운전모드와 난방 운전모드로 동작 가능한 것으로서, 이하에서는 냉방 운전모드와 난방 운전모드로 구분하여 설명하기로 한다.
[냉방운전모드]
우선, 제 1 열교환기(10)로 제 1 펌프(P1)의 펌핑동작에 따라 해수가 해수 순환 라인(H1)을 통해 유입된 후 열교환이 이루어져 배출시, 상기 해수와 열매체(저단 냉매)의 온도차가 크지 않은 냉방 운전 모드의 경우, 제어기(40)는 제 4 및 제 5 밸브(V4, V5)를 열림 제어하는 한편, 제 2 및 제 3 밸브(V2, V3)를 닫힘 제어하게 된다.
이후, 상기 제어기(40)는 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 1 압축기(21)를 운전시키는 한편, 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 포함되는 제 2 압축기(30)의 운전은 정지시킨다.
그러면, 상기 제 1 압축기(21)의 운전에 따라 압축된 고온 고압의 저단 냉매는 제 1 유분리기(61)와 삼방변 밸브(50) 및 제 1 열교환기(10), 그리고 제 1 수액기(81)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L1→ L3→L9→L7)을 통해 제 1 팽창 밸브(24)를 통과하거나, 또는 제 5 열교환기(22a)를 통해 상기 제 1 팽창 밸브(24)를 통과하면서 감압되고, 상기 제 1 팽창 밸브(24)에 의해 감압된 저단 냉매는 냉매 순환 라인(L8)을 통해 제 3 열교환기(23)로 흐르게 된다.
이때, 상기 제 3 열교환기(23)에는 제어기(40)에 의해 제어되는 제 2 펌프(P2) 및/또는 제 3 펌프(P3)의 펌핑동작에 따라 용수 순환 라인(W1→W2, 또는 W1(W3)→W2)을 통해 용수가 유입되므로, 상기 제 3 열교환기(23)로 흐르는 감압된 저단 냉매로부터 상기 용수는 냉수로 제조된 후 용수 순환 라인(W4)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 상기 제 3 열교환기(23)에서 상기 용수와 열교환이 이루어진 저단 냉매는 제 2 열교환기(22)와 삼방변 밸브(50) 및 제 1 액분리기(71)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L9'→L4→L2)를 통해 제 1 압축기(21)로 재유입되어 압축되고, 이렇게 압축된 저단 냉매는 상기 제 1 열교환기(10)로 재유입되면서, 상기 제 1 열교환기(10) 내에서 해수와 열교환이 이루어져 다시 냉각되는 순환 사이클을 반복하게 되는 것이다.
[난방운전모드]
우선, 제 1 열교환기(10)로 제 1 펌프(P1)의 펌핑동작에 따라 해수가 해수 순환 라인(H1)을 통해 유입된 후 열교환이 이루어져 배출시, 상기 해수와 열매체(저단 냉매)의 온도차가 클 수 있는 난방 운전 모드의 경우, 제어기(40)는 제 4 및 제 5 밸브(V4, V5)를 닫힘 제어하는 한편, 제 2 및 제 3 밸브(V2, V3)를 열림 제어하게 된다.
이후, 상기 제어기(40)는 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 1 압축기(21)를 운전시키는 한편, 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 포함되는 제 2 압축기(30)의 운전은 정지시킨다.
그러면, 상기 제 1 압축기(21)의 운전에 따라 압축된 고온 고압의 저단 냉매는 제 1 유분리기(61)와 삼방변 밸브(50) 및 제 2 열교환기(22), 그리고 제 3 열교환기(23)와 제 1 수액기(81) 및 제 1 팽창밸브(24), 및/또는 제 5 열교환기(22a)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L1→ L4→L9'→L7→L6)을 통해 흐르면서 제 1 팽창 밸브(24)를 통과하여 감압되거나, 또는 제 5 열교환기(22a)를 통해 상기 제 1 팽창 밸브(24)를 통과하면서 감압되고, 상기 제 1 팽창 밸브(24)를 통과하는 감압된 저단 냉매는 제 1 열교환기(10)를 통과하게 된다.
이때, 상기 제 1 열교환기(10)를 통과하는 감압된 저단 냉매는 해수를 열원으로 하여 가열되는 열교환이 이루어지고, 이렇게 열교환을 통해 가열되는 저단 냉매는 삼방변 밸브(50)와 제 1 액분리기(71)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L3→L2)을 통해 기체 상태가 되면서 상기 제 1 압축기(21)로 유입되며, 이상과 같은 사이클을 반복 수행하면서, 상기 해수에 의해 열교환되어 가열되는 저단 냉매의 열이 제 2 열교환기(22)로 전달된다.
한편, 상기와 같이 반복 순환이 이루어지는 사이클에 있어, 상기 제 2 열교환기(22)의 입수단과 출수단에는 온도센서(T1, T1')가 설치되고, 이러한 온도센서(T1, T1')는 상기 제 2 열교환기(22)의 입수단과 출수단에 대한 저단 냉매의 입수 및 출수 온도를 측정한 후 그 측정정보를 제어기(40)에 출력하게 된다.
그러면, 상기 제어기(40)는 상기 제 2 열교환기(22)의 입수단과 출수단에서 측정되는 저단 냉매의 입수 및 출수 온도가 설정된 기준온도(예; 입수 온도 52℃, 출수 온도 60℃)에 도달하였는지를 분석하게 된다.
이때, 상기의 분석결과 입수단 측정온도와 출수단 측정온도가 기준온도에 도달하는 경우, 상기 제어기(40)는 상기 제 1 압축기(21)의 운전을 정지시킴과 동시에, 상기 제 2 냉매 순환 처리부(30)에 포함되는 제 2 압축기(31)를 운전시킴으로써, 상기 제 2 압축기(31)의 운전이 이루어질 수 있게 한다.
그러면, 상기 제 2 압축기(31)에 의해 압축되는 고온 고압의 고단 냉매가 제 2 유분리기(61a)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L10)을 통해 제 4 열교환기(32)를 통과한 후 제 2 수액기(81a)와 제 2 팽창 밸브(33)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L11)을 통해 감압된 상태로 제 2 열교환기(22)로 유입된다.
이때, 상기 제 2 열교환기(22)에는 기준온도(예; 입수 온도 52℃, 출수 온도 60℃)에 도달한 저단 냉매가 통과하고 있으므로, 상기 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 고단 냉매는 가열되는 열교환이 이루어지고, 이렇게 열교환된 고단 냉매는 제 2 액분리기(71a)를 연결하여둔 냉매 순환 라인(L12)을 통해 제 2 압축기(31)로 유입된다.
그리고, 제 1 냉매 순환 처리부(20)에 포함되는 제 3 열교환기(23)에는 냉매 순환 라인(L9')을 통해 상기 제 2 열교환기(22)에 의해 열교환된 저단 냉매의 열(응축열)이 흐르게 되므로, 상기 제 3 열교환기(23)는 상기 저단 냉매를 열원(응축열)으로 하여 용수를 1차 가열하게 된다.
한편, 상기 기준온도(예; 입수 온도 52℃, 출수 온도 60℃)에 도달한 저단 냉매를 열원으로 하여 가열된 고단 냉매가 다시 상기 제 2 압축기(31)에서 고온 고압으로 압축되어 제 4 열교환기(32)를 통과하므로, 상기 제 4 열교환기(32)를 통과하는 가열된 고단 냉매를 열원으로 하여, 제 3 펌프(P3)에 의해 펌핑되어 상기 제 4 열교환기(32)를 통과하는 용수 또는 상기 제 2 펌프(P2)에 의해 펌핑되면서 상기 제 3 열교환기(23)에 의해 1차 가열되어 상기 제 4 열교환기(32)를 통과하는 용수는 2차 가열되면서, 상기 제 1 압축기(21) 또는 상기 제 2 압축기(31)의 무리한 운전없이 히트 펌프 시스템에서는 목표로 하는 고온수(예; 70∼80℃)를 용이하게 생산할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
10; 제 1 열교환기 20; 제 1 냉매 순환 처리부
21; 제 1 압축기 21a; 제 1 냉매 출수단
21b; 제 2 냉매 출수단 22; 제 2 열교환기
22a; 제 5 열교환기 23; 제 3 열교환기
24; 제 1 팽창 밸브 30; 제 2 냉매 순환 처리부
31; 제 1 압축기 32; 제 4 열교환기
33; 제 2 팽창 밸브 40; 제어기
50; 삼방변 밸브 61; 제 1 유분리기
61a; 제 2 유분리기 71; 제 1 액분리기
71a; 제 2 액분리기 81; 제 1 수액기
81a; 제 2 수액기 T1, T1'; 온도센서
P1,P2,P3; 펌프

Claims (8)

  1. 해수 순환 라인을 통해 유입되고 배출되는 해수를 열원으로 하여 통과되는 저단 냉매를 열교환시키는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기에 의해 열교환되는 저단 냉매가 제 1 압축기, 제 2 열교환기, 제 3 열교환기, 제 1 팽창 밸브를 순차적으로 통과한 후 상기 제 1 열교환기로 다시 유입되는 순환 과정을 반복하는 제 1 냉매 순환 처리부; 및, 상기 제 2 열교환기에 유입되고 배출되는 저단 냉매에 의해 열교환되는 고단 냉매가 제 2 압축기를 거쳐 제 4 열교환기, 제 2 팽창 밸브, 상기 제 2 열교환기를 순차적으로 통과한 후 상기 제 2 압축기로 다시 유입되는 순환 과정을 반복하는 제 2 냉매 순환 처리부; 를 포함하며,
    상기 제 1 압축기는 상기 제 3 열교환기를 통과하는 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준 온도에 도달시 제어기에 의해 운전이 정지되도록 구성하고, 상기 제 2 압축기는 상기 제 1 압축기의 운전이 정지됨과 동시에 제어기에 의해 운전되도록 구성하며,
    상기 제 2 열교환기 또는 상기 제 4 열교환기를 통과하는 고단 냉매는 설정된 기준 온도에 도달된 상기 저단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기 또는 상기 제 4 열교환기를 통과하는 용수를 고온수로 가열되도록 하되, 상기 제 1 냉매 순환 처리부에는 상기 제 3 열교환기를 통과하는 저단 냉매를 가열하는 제 5 열교환기; 를 더 포함하고,
    상기 제 1 압축기에는 제 1 및 제 2 냉매 출수단을 형성하고, 상기 제 1 냉매 출수단에는 냉매 순환 라인(L1)을 통해 삼방변 밸브의 일단을 연결하고, 상기 삼방변 밸브의 타단에는 각각의 냉매 순환 라인(L2, L3, L4)을 통해 상기 제 1 압축기의 냉매 입수단과 상기 제 1 열교환기와 상기 제 2 열교환기를 연결하며, 상기 제 2 냉매 출수단에는 냉매 순환 라인(L5)을 통해 상기 제 5 열교환기를 연결하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 난방 운전시 상기 기준온도에 도달한 저단 냉매를 열원으로 하여 고단 냉매를 가열하고,
    상기 제 3 열교환기는 상기 제 2 열교환기의 응축열을 열원으로 하여 용수를 1차 가열하며,
    상기 제 2 압축기는 가열된 상기 고단 냉매를 열원으로 하여 고단 냉매를 압축하고,
    상기 제 4 열교환기는 상기 제 2 압축기에 의해 가열 압축된 상기 고단 냉매를 열원으로 하여 상기 제 3 열교환기에 의해 1차 가열된 용수를 2차 가열하여 고온수를 생산하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 5 열교환기는 상기 제 1 압축기를 통해 압축된 저단 냉매를 열원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 열교환기의 입수단과 출수단에는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도를 측정하는 온도센서를 형성하고,
    상기 제어기는 상기 온도센서에 의해 측정되는 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달할때까지 상기 제 1 압축기를 운전 제어하고, 상기 저단 냉매의 입수 온도와 출수 온도가 설정된 기준온도에 도달시 상기 제 1 압축기의 운전을 정지시킴과 동시에 상기 제 2 압축기를 운전시키는 제어프로그램을 탑재하는 것을 운전 제어 프로그램을 탑재하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 압축기의 제 1 냉매 출수단과 상기 삼방변 밸브를 연결하는 냉매 순환 라인(L1)에는 제 1 유분리기와 역류방지용의 제 1 밸브를 연결하고,
    상기 삼방변 밸브와 상기 제 1 압축기의 냉매 입수단을 연결하는 냉매 순환 라인(L2)에는 제 1 액분리기를 연결하며,
    상기 제 1 압축기의 제 2 냉매 출수단과 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L5)에는 상기 제 2 팽창밸브를 연결하고,
    상기 제 1 열교환기와 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L6)에는 개폐용의 제 2 밸브와 상기 제 1 팽창밸브를 연결하며,
    상기 제 5 열교환기와 상기 제 3 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L7)에는 제 1 수액기와 개폐용의 제 3 밸브를 연결하고,
    상기 제 1 열교환기와 상기 제 5 열교환기를 연결하는 냉매 순환라인(L6)과 상기 제 3 열교환기는 개폐용의 제 4 밸브가 형성되는 냉방을 위한 냉매 순환 라인(L8)이 연결되며,
    상기 제 1 열교환기와 상기 제 1 수액기의 입수단은 개폐용의 제 5 밸브가 형성되는 냉방을 위한 냉매 순환 라인(L9)이 연결되고,
    상기 제 2 열교환기와 상기 제 3 열교환기는 냉매 순환 라인(L9')으로 연결되며,
    상기 제 2 압축기와 상기 제 4 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L10)에는 제 2 유분리기를 연결하고,
    상기 제 4 열교환기와 상기 제 2 열교환기를 연결하는 냉매 순환 라인(L11)에는 제 2 수액기와 상기 제 2 팽창밸브를 연결하며,
    상기 제 2 열교환기와 상기 제 2 압축기의 냉매 입수단을 연결하는 냉매 순환 라인(L12)에는 제 2 액분리기를 연결하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 열교환기와 상기 제 4 열교환기에는 저단 냉매와 고단 냉매를 열원으로 하여 용수를 고온수로 열교환시키도록 상기 용수를 순환시키는 용수 순환 라인을 연결하되,
    상기 용수 순환 라인은, 상기 제 3 열교환기의 입수단에 연결되는 것으로서 제 2 펌프와 역류방지용의 제 6 밸브를 형성하여둔 제 1 라인(W1); 상기 제 3 열교환기의 출수단과 상기 제 4 열교환기의 입수단을 연결하는 것으로서 역류방지용의 제 7 밸브를 형성하여둔 제 2 라인(W2); 상기 제 2 라인(W2)에 분기 연결되는 것으로서 제 3 펌프와 역류방지용의 제 8 밸브를 형성하여둔 제 3 라인(W3); 및, 상기 제 4 열교환기의 출수단에 연결되는 것으로서 고온수를 출수하는 제 4 라인(W4); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 펌프와 상기 제 3 펌프는 고온수 생산량에 따라 제어기에 의해 어느 하나만이 펌핑되거나 또는 동시에 펌핑이 이루어지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 고온수 히트펌프 시스템.
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