KR102209211B1

KR102209211B1 - 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR102209211B1
Application number: KR1020190099795A
Authority: KR
Inventors: 노철우; 백영진; 신형기; 이길봉; 조종재; 최봉수; 이범준; 조준현
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-01-29

Abstract

본 발명은, 공기를 냉매로 이용하여 압축시키고 팽창시켜 냉,난방에 사용 가능하도록 구성됨으로써, 프레온 계열의 냉매를 사용하는 경우에 비해 지구 온난화(GWP, Global Warming Potential)나 오존 파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential)에 영향을 주지 않으므로, 친환경적이다. 또한, 본 발명은 공기를 냉매로 사용하도록 구성됨으로써, 냉매 배관이 필요하지 않고 공기 배관만이 필요하고, 환기를 위한 공기 배관을 이용할 수 있기 때문에, 설비가 단순해질 수 있는 이점이 있다.

Description

공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템{Air-conditioning system using air compression and expansion process}

본 발명은 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기를 냉매로 이용하고, 리퀴드 피스톤 펌프(liquid piston pump) 로 압축하고, 팽창시 전력을 회수함으로써 효율을 향상시킬 수 있는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트 펌프는 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발시키는 과정을 차례로 수행하여 실내 공간을 냉방 또는 난방시키는 냉난방 장치이다.

종래의 냉난방 장치는, 프레온 계열의 냉매를 사용하기 때문에, 지구 온난화 등에 영향을 주는 문제점이 있다.

또한, 프레온 계열의 냉매를 사용할 경우 12 내지 40bar에 이르는 고압의 작동 환경을 요구하므로, 고압 가스 안전 관리가 필요하다.

한국등록특허 10-1122725

본 발명의 목적은, 친환경적이면서도 효율을 향상시킬 수 있는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템은, 내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하는 공기 사이클과; 상기 냉난방 수요처의 냉,난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템은, 내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하고, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 공기 사이클과; 상기 냉난방 수요처의 냉,난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 물 사이클은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 일측에 연결된 물 공급유로와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 펌프와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 타측에 연결된 물 배출유로와, 상기 물 배출유로에 설치된 물 배출밸브와, 상기 물 배출밸브를 통과한 물을 냉각시키는 물 열교환기와, 상기 물 열교환기에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로측으로 안내하는 물 순환유로와, 상기 물 순환유로와 상기 물 공급유로 사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 순환유로의 물을 일시 저장하는 가변 용적 탱크를 포함하고, 상기 공기 사이클은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 외부 공기를 공급하는 공기 공급유로와, 상기 공기 공급유로에 설치된 공기 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 토출하는 공기 토출유로와, 상기 공기 토출유로에 설치된 공기 토출밸브와, 상기 공기 토출밸브를 통과한 공기를 일시 저장하는 공기 버퍼 탱크와, 상기 공기 버퍼 탱크로부터 나온 공기를 열전달 매체와 열교환시켜, 냉방 운전시 냉각시키고 난방 운전시 가열시키는 공기 열교환기와, 상기 공기 열교환기에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 연결되어 발전하는 발전기와, 상기 팽창기에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처로 공급하는 냉난방 유로와, 상기 냉난방 수요처와 상기 공기 공급유로를 연결하여, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로로 순환시키는 공기 순환유로와, 상기 공기 버퍼 탱크와 상기 공기 열교환기 사이에 배치되어, 상기 공기 버퍼 탱크에서 나온 공기를 건조시키는 공기 건조기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템은, 내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과; 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하고, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 공기 사이클과; 상기 냉난방 수요처의 냉,난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 물 사이클은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 일측에 연결된 물 공급유로와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 펌프와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 타측에 연결된 물 배출유로와, 상기 물 배출유로에 설치된 물 배출밸브와, 상기 물 배출밸브를 통과한 물을 냉각시키는 물 열교환기와, 상기 물 열교환기에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로측으로 안내하는 물 순환유로와, 상기 물 순환유로와 상기 물 공급유로 사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 순환유로의 물을 일시 저장하는 가변 용적 탱크를 포함하고, 상기 공기 사이클은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 외부 공기를 공급하는 공기 공급유로와, 상기 공기 공급유로에 설치된 공기 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 토출하는 공기 토출유로와, 상기 공기 토출유로에 설치된 공기 토출밸브와, 상기 공기 토출밸브를 통과한 공기를 일시 저장하는 공기 버퍼 탱크와, 상기 공기 버퍼 탱크로부터 나온 공기를 열전달 매체와 열교환시켜, 냉방 운전시 냉각시키고 난방 운전시 가열시키는 공기 열교환기와, 상기 공기 열교환기에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 연결되어 발전하는 발전기와, 상기 팽창기에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처로 공급하는 냉난방 유로와, 상기 냉난방 수요처와 상기 공기 공급유로를 연결하여, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로로 순환시키는 공기 순환유로와, 상기 공기 버퍼 탱크와 상기 공기 열교환기 사이에 배치되어, 상기 공기 버퍼 탱크에서 나온 공기를 건조시키는 공기 건조기를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 냉방 운전시, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 미리 설정된 제1설정 압력 이상이도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하고, 상기 공기 열교환기에 냉원을 공급하여 공기를 냉각시키고, 상기 난방 운전시, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 상기 제1설정 압력보다 낮게 설정된 제2설정 압력 이하가 되도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하고, 상기 공기 열교환기에 열원을 공급하여 공기를 가열시킨다.

본 발명은, 공기를 냉매로 이용하여 압축시키고 팽창시켜 냉,난방에 사용 가능하도록 구성됨으로써, 프레온 계열의 냉매를 사용하는 경우에 비해 지구 온난화(GWP, Global Warming Potential)나 오존 파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential)에 영향을 주지 않으므로, 친환경적이다.

또한, 본 발명은 공기를 냉매로 사용하도록 구성됨으로써, 냉매 배관이 필요하지 않고 공기 배관만이 필요하고, 환기를 위한 공기 배관을 이용할 수 있기 때문에, 설비가 단순해질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 냉난방 시스템의 냉방 운전시 작동을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 냉난방 시스템의 난방 운전시 작동을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉난방 시스템은, 리퀴드 피스톤 펌프(Liquid piston pump)(10), 물 사이클(100), 공기 사이클(200) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)는, 내부 하측에는 물이 수용되고 내부 상측에는 공기가 수용되도록 형성되고, 물의 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 원리를 이용하여, 수위 조절으로 공기를 압축시키는 압축기 역할을 한다.

또한, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부에서는 공기로부터 물로 열전달이 일어난다. 즉, 공기의 압축시 발생된 열은 물로 전달되므로, 공기는 물에 의해 냉각되면서 가압될 수 있다.

상기 물 사이클(100)은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 냉각시켜 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 순환시키는 사이클이다.

상기 물 사이클(100)은, 물 공급유로(110), 물 공급밸브(112), 물 펌프(113), 물 배출유로(120), 물 배출밸브(122), 물 열교환기(130), 물 순환유로(140), 가변 용적 탱크(150), 드레인 유로(152), 드레인 밸브(154) 및 보충수 유로(160)를 포함한다.

상기 물 공급유로(110)는, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 하부 일측에 연결되어, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 물을 공급하기 위한 유로이다.

상기 물 공급밸브(112)는, 상기 물 공급유로(110)에 설치되어 상기 가변 용적 탱크(150)로부터 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 공급되는 물의 공급유량을 제어하기 위한 유량제어밸브이다.

상기 물 펌프(113)는, 상기 물 공급유로(110)에 설치되어, 물을 펌핑한다.

상기 물 배출유로(120)는, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 하부 타측에 연결되어, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로부터 물을 배출하기 위한 유로이다.

상기 물 배출밸브(122)는, 상기 물 배출유로(120)에 설치되어 물의 배출 유량을 제어하기 위한 유량제어밸브이다.

상기 물 열교환기(130)는, 상기 물 배출밸브(122)를 통과한 물을 열교환매체와 열교환시켜 냉각시킨다. 상기 물 열교환기(130)는, 공냉식과 수냉식 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 물 열교환기(130)에는 상기 열교환 매체가 유입되는 유입유로(131)와, 상기 물 열교환기(130)의 내부에서 열교환된 열교환 매체를 배출하기 위한 배출유로(132)가 구비된다.

상기 물 순환유로(140)는, 상기 물 열교환기(130)에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로(110)측으로 순환하도록 안내하는 유로이다. 본 실시예에서는, 상기 물 순환유로(140)는, 상기 드레인 유로(152)측에 연결되어, 상기 가변 용적 탱크(150)가 일정 수위 이상일 경우 상기 물 순환유로(140)의 물은 상기 드레인 유로(152)를 통해 외부로 배출되는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 물 순환유로(140)는 상기 가변 용적 탱크(150)에 직접 연결되는 것도 물론 가능하다.

상기 가변 용적 탱크(150)는, 상기 물 순환유로(140)와 상기 물 공급유로(110)사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 열교환기(130)에서 냉각된 물을 일시 저장하는 탱크이다.

상기 가변 용적 탱크(150)의 상부에는 보충수를 공급하기 위한 상기 보충수 유로(160)가 연결된다.

상기 드레인 유로(152)는, 상기 가변 용적 탱크(150)의 하부에 연결되어 내부의 물을 배출하기 위한 유로이다.

상기 드레인 밸브(154)는, 상기 드레인 유로(152)에 설치되어, 상기 드레인 유로(152)를 개폐하여 물의 배출유량을 제어하기 위한 유량제어밸브이다.

상기 공기 사이클(200)은, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처(R)로 공급하고, 상기 냉난방 수요처(R)에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 순환시키도록 형성된다.

상기 공기 사이클(200)은, 공기 공급유로(210), 공기 공급밸브(212), 공기 토출유로(220), 공기 토출밸브(222), 공기 버퍼 탱크(230), 공기 건조기(240), 공기 열교환기(250), 팽창기(260), 발전기(270), 냉난방 유로(280) 및 공기 순환유로(290)를 포함한다.

상기 공기 공급유로(210)는, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 상부 일측에 연결되어, 외부 공기를 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 공급하기 위한 유로이다.

상기 공기 공급유로(210)에는 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 공급되는 공기를 정화시키기 위한 프리 필터(215)가 설치된다.

상기 공기 공급밸브(212)는, 상기 공기 공급유로(210)에 설치되어, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로 공급되는 공기의 공급유량을 제어하는 유량제어밸브이다.

상기 공기 토출유로(220)는, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 상부 타측에 연결되어, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 가압된 공기를 토출하는 유로이다.

상기 공기 토출밸브(222)는, 상기 공기 토출유로(220)에 설치되어, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)로부터 토출되는 공기의 토출유량을 제어하는 유량제어밸브이다.

상기 공기 버퍼 탱크(230)는, 상기 공기 토출밸브(222)를 통과한 공기를 일시 저장하여, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 나온 공기의 압력을 일정 수준으로 유지하기 위한 탱크이다.

상기 공기 건조기(240)는, 상기 공기 버퍼 탱크(230)보다 후방에 설치되어, 상기 공기 버퍼 탱크(230)에서 나온 공기를 건조시킨다. 상기 공기 건조기(240)는 상기 팽창기(260)의 출구에서 수분 응축 및 동결이 발생하지 않도록 공기를 미리 건조시키는 역할을 한다.

상기 공기 열교환기(250)는, 상기 공기 건조기(240)를 통과한 공기를 열교환 매체와 열교환시켜, 냉방 운전시에는 냉각시키고, 난방 운전시에는 가열시키기 위한 열교환기이다. 상기 공기 열교환기(250)는, 여름철 냉방 운전시 상기 팽창기(260)의 입구 온도 및 출구 온도를 낮추기 위해 공기를 냉각시키는 역할을 하며, 겨울철 난방 운전시에는 상기 팽창기(260)의 입구 온도 및 출구 온도를 높이기 위해 공기를 가열하는 역할을 한다. 상기 공기 열교환기(250)에서 사용하는 열교환 매체는, 보일러(미도시)등에서 나온 온수나 폐열을 흡수한 열매체를 사용하는 것이 가능하다.

상기 공기 열교환기(250)와 상기 팽창기(260)를 연결하는 유로(261)에는 공기를 정화시키기 위한 후단 필터(262)가 설치된다.

상기 팽창기(260)는, 상기 공기 열교환기(250)에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시킨다.

상기 발전기(270)는, 상기 팽창기(260)에 연결되어, 상기 팽창기(260)의 작동시 전력을 생산한다. 상기 발전기(270)에서 생산된 전력은 건물내에서 사용하거나 계통연계하여 외부에 판매할 수도 있다.

상기 냉난방 유로(280)는, 상기 팽창기(260)의 출구와 상기 냉난방 수요처(R)를 연결하여, 상기 팽창기(260)에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처(R)로 공급하는 유로이다.

상기 공기 순환유로(290)는, 상기 냉난방 수요처(R)와 상기 공기 공급유로(210)를 연결하여, 상기 냉난방 수요처(R)에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로(210)로 순환시키는 유로이다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 냉난방 수요처(R)의 냉방 운전 또는 난방 운전에 따라 상기 물 사이클(100)과 상기 공기 사이클(200)의 작동을 제어한다. 즉, 상기 제어부(미도시)는, 상기 물 공급밸브(112)와 상기 물 배출밸브(122)의 개도율을 제어하여, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 압축율을 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 공기 공급밸브(212)와 상기 공기 토출밸브(222)의 작동도 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 냉난방 시스템의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 도 2를 참조하여 냉방 운전시 작동을 설명한다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 공기 공급밸브(212)는 개방하여 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 신선한 외부 공기와 상기 냉난방 수요처(R)로부터 순환된 공기 중 적어도 일부를 공급한다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 공급되는 공기의 온도는 약 35℃인 것으로 예를 들어 설명한다.

이 때, 상기 제어부(미도시)는, 상기 물 배출밸브(122)를 개방하여 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 수위가 낮아지도록 한다. 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 수위가 낮아지면, 공기의 공급이 보다 원활해질 수 있다.

또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 공기 공급밸브(212)를 개방시키는 동안상기 공기 토출밸브(222)는 차폐시키고, 상기 물 배출밸브(122)를 개방시키는 동안 상기 물 공급밸브(112)는 차폐시킨다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10) 내부에 공기의 공급이 완료되면, 상기 제어부(미도시)는 상기 물 공급밸브(112)를 개방하여, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 물을 공급하여 수위를 점차 높인다. 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 공급되는 물의 온도는 약 35℃인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 공급되는 물의 온도는 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 토출되는 공기의 온도보다 낮으면 가능하다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 수위가 높아지면서, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)내의 공기가 가압된다.

이 때, 상기 제어부(미도시)는, 상기 수위를 조절하여 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 압축비를 제어할 수 있다. 즉, 냉방 운전시에는 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 토출되는 공기의 압력이 상기 제1설정 압력인 8bar 이상이 되도록 미리 설정된 제1수위 이상으로 수위를 높일 수 있다. 상기 제어부(미도시)는, 수위를 높이기 위해서 상기 물 공급밸브(112)의 개도율을 증가시킨다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)내에서 공기가 압축되는 동안 열이 발생되고, 발생된 열은 물로 전달된다. 따라서, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)내의 공기는 물에 의해 냉각되면서 압축될 수 있다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부에서 공기의 압축이 완료되면, 상기 제어부(미도시)는 상기 공기 토출밸브(222)를 개방하여, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부 공기를 배출한다. 이 때, 상기 공기 공급밸브(212)는 차폐된 상태이다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 가압된 후 배출된 공기의 온도는 약 60℃이고, 압력은 약 8bar이다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 가압된 후 배출된 공기는 상기 공기 버퍼 탱크(230)에 일시 저장된 후, 상기 공기 건조기(240)를 통과한다.

상기 공기 건조기(240)에서는 공기 중 수분을 다양한 제습 방식으로 건조시켜, 상기 팽창기(260)의 출구에서 수분 응축 및 동결이 발생하는 것을 방지한다. 예를 들어, 상기 팽창기(260)의 출구 온도가 영하 24℃일 경우, 상기 공기 건조기(240)에서 노점(dew point) 온도를 영하 24℃이하로 설정한다. 제습 방식에는 흡착식, 분리막식, 냉동 칠러를 이용한 방식 등을 사용할 수 있으며, 기타 공기의 노점을 낮출 수 있는 방법이라면 사용가능하다.

상기 공기 건조기(240)에서 건조되어 나온 공기는 약 50℃이다.

상기 공기 건조기(240)에서 나온 공기는 상기 공기 열교환기(250)를 통과하면서 냉각된다.

상기 공기 열교환기(250)는, 냉방 운전시 약 28℃의 열교환 매체를 이용하여 공기를 냉각시킨다. 상기 공기 열교환기(250)에서 냉각량을 조절하여, 상기 팽창기(260)의 출구 온도를 제어할 수 있다.

상기 공기 열교환기(250)에서 냉각된 후 나온 공기의 온도는 약 40℃인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 공기 열교환기(250)에서 냉각된 공기는 상기 후단 필터(262)를 통과하면서 정화된 후, 상기 팽창기(260)로 유입된다. 상기 후단 필터(262)에서는 상기 프리 필터(215)에서 미처 걸러지지 못한 먼지나 냄새 분자가 필터링될 수 있다.

상기 팽창기(260)에서 팽창된 공기는 약 영하 24℃로 냉각된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 팽창기(260)에서 나온 공기는 상기 냉난방 수요처(R)로 공급되어, 상기 냉난방 수요처(R) 내부의 공기와 혼합되면서 상기 냉난방 수요처(R)의 온도를 낮출 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 팽창기(260)에서 냉각된 공기를 상기 냉난방 수요처(R)에 직접 공급하는 것으로 예를 들어 설명하였다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 팽창기(260)에서 냉각된 공기는 실내 공기나 외기와 일부 혼합되어 온도가 조절된 후, 상기 냉난방 수요처(R)로 공급되는 것도 물론 가능하다.

상기 팽창기(260)의 작동시 상기 발전기(270)를 이용해 전력을 생산한다. 상기 발전기(270)에서 생산된 전력은 건물내에서 사용하거나 계통연계하여 외부에 판매할 수 있으므로, 시스템의 효율이 향상될 수 있다.

또한, 상기 냉난방 수요처(R)의 공기 중 적어도 일부는 상기 공기 순환유로(290)를 통해 다시 상기 공기 공급유로(210)로 순환될 수 있다.

한편, 도 3을 참조하여 난방 운전시 작동을 설명하면 다음과 같다.

이 때, 상기 제어부(미도시)는, 상기 물 배출밸브(122)를 개방하여 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 수위가 낮아지도록 하여, 공기의 공급이 원활해지도록 한다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10) 내부에 공기의 공급이 완료되면, 상기 제어부(미도시)는 상기 물 공급밸브(112)를 개방하여, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 물을 공급하여 수위를 높인다. 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 공급되는 물의 온도는 약 35℃인 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 내부로 공급되는 물의 온도는 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 토출되는 공기의 온도보다 낮으면 가능하다.

이 때, 상기 제어부(미도시)는, 상기 수위를 조절하여 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)의 압축비를 제어할 수 있다. 즉, 난방 운전시에는 상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 토출되는 공기의 압력이 상기 제1설정 압력보다 낮게 설정된 제2설정 압력인 3bar이도록 상기 제1수위보다 낮은 제2수위로 하여 압축한다. 상기 제어부(미도시)는, 수위를 조절하기 위해서 상기 물 공급밸브(112)의 개도율을 변화시킨다.

상기 리퀴드 피스톤 펌프(10)에서 가압된 후 배출된 공기의 온도는 약 50℃이고, 압력은 약 3bar인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 공기 건조기(240)에서는 공기 중 수분을 다양한 제습 방식으로 건조시켜, 상기 팽창기(260)의 출구에서 수분 응축 및 동결이 발생하는 것을 방지한다. 난방 운전시에는 외기와 실내 공기의 습도가 낮기 때문에 상기 공기 건조기(240)의 역할이 줄어들지만, 상기 팽창기(260)의 출구측 온도 하강에 따른 수분 발생을 방지하기 위해 건조 과정이 필요하다.

상기 공기 건조기(240)에서 건조되어 나온 공기는 약 48℃인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 공기 건조기(240)에서 나온 공기는 상기 공기 열교환기(250)를 통과하면서 가열된다.

상기 공기 열교환기(250)는, 난방 운전시 약 70℃의 열교환 매체를 이용하여 공기를 가열시킨다. 상기 열교환 매체는 보일러(미도시)에서 나오는 온수나 폐열을 흡수한 열교환 매체를 사용할 수 있다. 상기 공기 열교환기(250)에서 가열 효율을 조절하여, 상기 팽창기(260)의 출구 온도를 제어할 수 있다. 또한, 상기 공기 열교환기(250)에서 공기의 가열은 상기 팽창기(260)에서 회수할 수 있는 공기의 단위질량유량당 일을 증가시킬 수 있다.

상기 공기 열교환기(250)에서 가열된 후 나온 공기의 온도는 약 60℃이고, 압력은 약 2.8bar인 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 공기 열교환기(250)에서 가열된 공기는 상기 후단 필터(262)를 통과하면서 정화된 후, 상기 팽창기(260)로 유입된다.

상기 팽창기(260)에서 팽창된 공기는 약 영상 22℃로 냉각된 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 팽창기(260)에서 나온 공기는 상기 냉난방 수요처(R)로 공급되어, 상기 냉난방 수요처(R) 내부의 공기와 혼합되면서 상기 냉난방 수요처(R)의 온도를 높여 난방시킬 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 팽창기(260)에서 냉각된 신선한 공기를 상기 냉난방 수요처(R)에 직접 공급하는 것으로 예를 들어 설명하였다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 팽창기(260)에서 냉각된 공기는 실내 공기나 외기와 일부 혼합되어 온도가 조절된 후, 상기 냉난방 수요처(R)로 공급되는 것도 물론 가능하다.

또한, 상기 냉난방 수요처(R)의 실내 공기 중 적어도 일부는 상기 공기 순환유로(290)를 통해 다시 상기 공기 공급유로(210)로 순환될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 냉난방 시스템은, 공기를 냉매로 이용하여 압축시키고 팽창시켜 냉,난방에 사용 가능하도록 구성됨으로써, 프레온 계열의 냉매를 사용하는 경우에 비해 지구 온난화(GWP, Global Warming Potential)나 오존 파괴지수(ODP, Ozone Depletion Potential)에 영향을 주지 않으므로, 친환경적이다.

또한, 기존에 프레온 계열의 냉매를 사용하는 경우, 프레온 계열의 냉매 배관과 환기를 위한 공기 배관이 별도로 구성되어야 하므로 설비가 복잡하였으나, 본 발명은 공기를 이용해 냉,난방 및 환기가 모두 가능하기 때문에 공기 배관만이 필요하므로 설비가 단순해질 수 있는 이점이 있다.

또한, 프레온 계열의 냉매를 기반으로 하는 냉난방 설비는 12 내지 40bar에 이르는 고압의 작동 환경을 요구하나, 본 발명은 10bar 이하의 작동 환경이므로 고압가스안전관리 등에 규제되는 설비 비용 상승 요인을 회피할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 리퀴드 피스톤 펌프 100: 물 사이클
110: 물 공급유로 112: 물 공급밸브
120: 물 배출유로 122: 물 배출유로
130: 물 열교환기 140: 물 순환유로
150: 가변 용적 탱크 200: 공기 사이클
210: 공기 공급유로 212: 공기 공급밸브
220: 공기 토출유로 222: 공기 토출밸브
230: 공기 버퍼 탱크 240: 공기 건조기
250: 공기 열교환기 260: 팽창기
270: 발전기 280: 냉난방 유로
290: 공기 순환유로

Claims

내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하는 공기 사이클과;
상기 냉난방 수요처의 냉방 운전 또는 난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 외부 공기를 공급하는 공기 공급유로와,
상기 공기 공급유로에 설치된 공기 공급밸브와,
상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 토출하는 공기 토출유로와,
상기 공기 토출유로에 설치된 공기 토출밸브와,
상기 공기 토출밸브를 통과한 공기를 일시 저장하는 공기 버퍼 탱크와,
상기 공기 버퍼 탱크로부터 나온 공기를 열교환 매체와 열교환시켜, 상기 냉방 운전시 냉각시키고 상기 난방 운전시 가열시키는 공기 열교환기와,
상기 공기 열교환기에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시키는 팽창기와,
상기 팽창기에 연결되어 발전하는 발전기와,
상기 팽창기에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처로 공급하는 냉난방 유로를 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 냉난방 수요처와 상기 공기 공급유로를 연결하여, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로로 순환시키는 공기 순환유로를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 공기 버퍼 탱크와 상기 공기 열교환기 사이에 배치되어, 상기 공기 버퍼 탱크에서 나온 공기를 건조시키는 공기 건조기를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 공기 공급유로에 설치된 프리 필터를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 공기 사이클은,
상기 공기 열교환기와 상기 팽창기 사이에 설치된 후단 필터를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 물 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 일측에 연결된 물 공급유로와,
상기 물 공급유로에 설치된 물 펌프와,
상기 물 공급유로에 설치된 물 공급밸브와,
상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 타측에 연결된 물 배출유로와,
상기 물 배출유로에 설치된 물 배출밸브와,
상기 물 배출밸브를 통과한 물을 냉각시키는 물 열교환기와,
상기 물 열교환기에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로측으로 안내하는 물 순환유로를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 물 사이클은,
상기 물 순환유로와 상기 물 공급유로 사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 순환유로의 물을 일시 저장하는 가변 용적 탱크를 더 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는,
상기 냉방 운전시, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 미리 설정된 제1설정 압력 이상이도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 제어부는,
상기 난방 운전시, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 상기 제1설정 압력보다 낮게 설정된 제2설정 압력 이하가 되도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공급되는 물의 온도는 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 온도보다 낮게 설정되어,
상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 공기의 압축시 발생되는 열은 물로 전달되는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 물 사이클은 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부로 물을 공급하고,
상기 공기 사이클은 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 상부로 공기를 공급하여,
상기 리퀴드 피스톤 펌프의 내부에서 물과 공기는 상하로 배치되고 서로 접촉하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하고, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 공기 사이클과;
상기 냉난방 수요처의 냉,난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 물 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 일측에 연결된 물 공급유로와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 펌프와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 타측에 연결된 물 배출유로와, 상기 물 배출유로에 설치된 물 배출밸브와, 상기 물 배출밸브를 통과한 물을 냉각시키는 물 열교환기와, 상기 물 열교환기에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로측으로 안내하는 물 순환유로와, 상기 물 순환유로와 상기 물 공급유로 사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 순환유로의 물을 일시 저장하는 가변 용적 탱크를 포함하고,
상기 공기 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 외부 공기를 공급하는 공기 공급유로와, 상기 공기 공급유로에 설치된 공기 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 토출하는 공기 토출유로와, 상기 공기 토출유로에 설치된 공기 토출밸브와, 상기 공기 토출밸브를 통과한 공기를 일시 저장하는 공기 버퍼 탱크와, 상기 공기 버퍼 탱크로부터 나온 공기를 열전달 매체와 열교환시켜, 냉방 운전시 냉각시키고 난방 운전시 가열시키는 공기 열교환기와, 상기 공기 열교환기에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 연결되어 발전하는 발전기와, 상기 팽창기에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처로 공급하는 냉난방 유로와, 상기 냉난방 수요처와 상기 공기 공급유로를 연결하여, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로로 순환시키는 공기 순환유로와, 상기 공기 버퍼 탱크와 상기 공기 열교환기 사이에 배치되어, 상기 공기 버퍼 탱크에서 나온 공기를 건조시키는 공기 건조기를 포함하는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.
내부에 물과 공기가 수용되도록 형성되어, 수위가 높아지면 내부의 공기가 압축되는 리퀴드 피스톤 펌프와;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 물을 공급하여 상기 수위를 조절하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프로부터 배출된 물 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 물 사이클과;
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 공기를 공급하고, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 열교환시킨 후 팽창시켜 냉난방 수요처로 공급하고, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 리퀴드 피스톤 펌프로 순환시키는 공기 사이클과;
상기 냉난방 수요처의 냉,난방 운전에 따라 상기 물 사이클과 상기 공기 사이클의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 물 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 일측에 연결된 물 공급유로와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 펌프와, 상기 물 공급유로에 설치된 물 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프의 하부 타측에 연결된 물 배출유로와, 상기 물 배출유로에 설치된 물 배출밸브와, 상기 물 배출밸브를 통과한 물을 냉각시키는 물 열교환기와, 상기 물 열교환기에서 냉각된 물을 상기 물 공급유로측으로 안내하는 물 순환유로와, 상기 물 순환유로와 상기 물 공급유로 사이에 설치되어, 외부로부터 공급되는 보충수와 상기 물 순환유로의 물을 일시 저장하는 가변 용적 탱크를 포함하고,
상기 공기 사이클은,
상기 리퀴드 피스톤 펌프로 외부 공기를 공급하는 공기 공급유로와, 상기 공기 공급유로에 설치된 공기 공급밸브와, 상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 가압된 공기를 토출하는 공기 토출유로와, 상기 공기 토출유로에 설치된 공기 토출밸브와, 상기 공기 토출밸브를 통과한 공기를 일시 저장하는 공기 버퍼 탱크와, 상기 공기 버퍼 탱크로부터 나온 공기를 열전달 매체와 열교환시켜, 냉방 운전시 냉각시키고 난방 운전시 가열시키는 공기 열교환기와, 상기 공기 열교환기에서 열교환되어 나온 공기를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기에 연결되어 발전하는 발전기와, 상기 팽창기에서 나온 공기를 상기 냉난방 수요처로 공급하는 냉난방 유로와, 상기 냉난방 수요처와 상기 공기 공급유로를 연결하여, 상기 냉난방 수요처에서 나온 공기 중 적어도 일부를 상기 공기 공급유로로 순환시키는 공기 순환유로와, 상기 공기 버퍼 탱크와 상기 공기 열교환기 사이에 배치되어, 상기 공기 버퍼 탱크에서 나온 공기를 건조시키는 공기 건조기를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 냉방 운전시,
상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 미리 설정된 제1설정 압력 이상이도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하고, 상기 공기 열교환기에 냉원을 공급하여 공기를 냉각시키고,
상기 난방 운전시,
상기 리퀴드 피스톤 펌프에서 토출되는 공기의 압력이 상기 제1설정 압력보다 낮게 설정된 제2설정 압력 이하가 되도록 상기 물 공급밸브의 개도율을 제어하고, 상기 공기 열교환기에 열원을 공급하여 공기를 가열시키는 공기 압축 및 팽창을 이용한 냉난방 시스템.