KR102345648B1 - 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템 - Google Patents

동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난방모드, 냉방모드, 급탕모드, 난방과 급탕, 냉방과 급탕 모드를 자유롭게 선택할 수 있는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 히트펌프 장치에 있어서, 고온고압의 냉매를 토출하는 압축기(100); 난방모드 또는 냉방모드시 냉매가 유입되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환기(120); 부하측 열교환기(120)와 연결되고, 급탕을 공급하기 위한 급탕 열교환기(260); 급탕 열교환기(260)와 연결되고, 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브(140); 메인팽창밸브로 유입되는 냉매 일부가 분지하여 유입하는 보조팽창밸브(150); 보조팽창밸브(150)를 통과한 냉매와 메인팽창밸브(140)로 유입되는 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 이코노마이저(160); 메인 팽창밸브(140)와 연결되고, 지열을 이용하는 열원측 열교환기(180); 제1 포트에 열원측 열교환기(180)가 연결되고, 제2 포트에 부하측 열교환기(120)가 연결되고, 제3 포트에 압축기(100)가 연결되는 사방밸브(110);를 포함하고, 부하측 열교환기(120)는, 부하측 열교환기(120)를 우회하는 부하측 바이패스관(130); 부하측 열교환기(120)의 냉매 유입을 제어하는 제 1 밸브(132); 및 부하측 바이패스관(130)의 냉매 유입을 제어하는 제 2 밸브(134);를 더 포함하며, 급탕 열교환기(260)는, 급탕 열교환기(260)를 우회하는 급탕 바이패스관(170); 급탕 열교환기(260)의 냉매 유입을 제어하는 제 3 밸브(172); 및 급탕 바이패스관(170)의 냉매 유입을 제어하는 제 4 밸브(174);가 제공된다.

Description

동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템{Geothermal heat pump system capable of simultaneous or independent hot water supply operation}
본 발명은 냉난방을 위한 히트펌프 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난방모드, 냉방모드, 급탕모드, 난방과 급탕, 냉방과 급탕 모드를 자유롭게 선택할 수 있는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기로 이루어져 냉동 사이클을 통해 냉방, 축냉과 난방, 축열을 수행한다. 증발기에서 냉매가 비등하면서 열을 외부에서 흡수하고, 비등한 냉매가스는 압축기에서 고온 고압의 가스로 압축되어 응축기로 보내어진다. 응축기에서 외부로 열을 방출하여 고압의 냉매가스는 응축 액화되어 중온고압의 액체상태로 응축된다. 그 다음, 응축된 냉매는 팽창 밸브를 통하여 교축(Throttling) 팽창되면서 일부 냉매 액은 증발을 하고, 잠열의 흡수를 통하여 냉매 액은 더욱 차가워진 저온저압의 액상 및 기상이 공존하는 상태가 되어 증발기를 통하여 비등을 하게 된다. 이와 같이 냉동 사이클은 열을 흡수하는 부분과 방출하는 부분을 동시에 가지며, 열을 증발기에서 흡수하여 응축기로 열을 이송함으로써 냉난방을 동시에 수행할 수 있다.
이러한 히트펌프는 열원에 따라 공기열 히트펌프, 지열 히트펌프, 수열 히트펌프로 나눌 수 있다. 특히, 지열 히트펌프 시스템은 냉방이나 난방을 목적으로 사용되며 지열과 냉매를 이용하는 히트펌프 시스템이다.
도 1a는 종래의 지열 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 계통도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 지열 히트펌프 시스템은 압축기(100), 사방밸브(110), 부하측 열교환기(120), 팽창밸브(140) 및 열원측 열교환기(180)로 이루어진 냉매 사이클로 운전된다. 이러한 히트펌프 시스템은 지하의 지열을 이용하여 난방을 하거나 냉방을 하고, 부하측에는 축열조가 구비되어 난방수나 급탕 또는 냉수로 이용한다.
그런데 종래의 지열히트펌프 시스템은 난방모드 또는 냉방모드로 운전할 수 있었으나, 급탕 운전이 병행되지 못했다. 급탕운전을 병행할 수 없는 원인으로써 부하측의 경우 급탕수와 냉,난방수가 동일한 라인으로 구성시 수질문제가 발생되어 적용이 불가능 하였고, 열원측의 라인의 경우 동결방지를 위해 브라인이 주입됨에 따라 급탕수와 병행하여 사용할 수 없었다.
도 1b는 또 다른 종래의 지열 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 계통도이다. 도 1b에 도시된 바와 같은 종래의 지열 히트펌프 시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다. 급탕운전이 병행될 경우 사방밸브에서 슬라이드 작동불량 현상으로 인한 불편함이 초래하였다. 작동불량 원인은 급탕운전 시 사방밸브로 냉매액이 유입되도록 구성되어 있어 정상적인 운전이 불가능하다. 이로 인해 급탕 기능이 병행되도록 제공되지 못했으며, 종래의 지열히트펌프 시스템은 난방모드에서 급탕모드를 병행하거나 냉방모드에서 급탕모드를 병행하여 운전할 수 없었다.
이와 같이 지열히트펌프 시스템에서 급탕모드를 병행하고자 하는 필요성은 설치된 장소에 의해 점점 높아지고 있다. 즉, 이러한 요구가 있는 곳은 예를 들어, 대형 쇼핑몰, 사무용 빌딩, 스마트 농장, 헬스장, 사우나, 공장, 양어장 등이다.
그런데, 종래에는 난방모드와 급탕모드를 병행하여 운전하고자 하는 시스템이 제안되었다. 그러나, 냉방모드와 급탕모드를 병행하거나 전환하는 운전 시스템은 열효율이 극히 낮고 사용이 매우 불편하여 실현되지 못했다. 예를 들어, 냉방모드에서 급탕모드로 전환하는 경우 차가운 냉매가 유동하는 경로(예 : 열교환기, 냉매)의 온도를 고온으로 올려야 했기 때문에 열낭비가 심했고, 온수가 나오기까지 많은 시간이 소요되었다. 이로 인해, 사용자는 신속히 급탕이 이루어지지 않는다는 점에 대해 사용상의 불편함을 호소하는 사례가 많았고, 에너지 효율도 낮아서 운영비가 많이 들어가는 단점도 있었다.
또한, 급탕열교환기로 인한 시스템 내의 체류하는 냉매량이 너무 많아져서 압축기 내에 있는 오일과 혼합하게 되어 전체적으로 압축기 내부의 오일 농도를 희석시키는 역할을 함에 따라 제품 수명을 단축시킨다.
반면, 종래에는 운전 모드에 따라 열교환기를 바이패스하는 기능이 없었다.
1. 대한민국 실용신안 등록 제20-0134851호, 2. 대한민국 특허공개 제10-2005-0011187호, 3. 대한민국 특허등록 제1591290호, 4. 대한민국 특허등록 제1449899호, 5. 대한민국 특허등록 제1042472호, 6. 대한민국 특허공개 제2009-0082733호. 7. 대한민국 특허등록 제1825636호.
본 발명이 해결하고자 하는 제 1 목적은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 난방모드, 냉방모드, 급탕모드를 독립적으로 운전할 수 있을 뿐만 아니라 난방모드와 급탕모드를 병행하거나 냉방모드와 급탕모드를 병행하여 운전할 수 있는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 냉방모드에서 급탕모드로 전환하는 경우 곧바로 급탕이 이루어질 수 있도록 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 운전 모드의 전환시 사방밸브로 액체상태의 냉매가 유입되는 것을 방지하여 슬라이드 작동 불량 현상을 방지할 수 있는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 히트펌프 장치에 있어서, 고온고압의 냉매를 토출하는 압축기(100); 난방모드 또는 냉방모드시 냉매가 유입되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환기(120); 부하측 열교환기(120)와 연결되고, 급탕을 공급하기 위한 급탕 열교환기(260); 급탕 열교환기(260)와 연결되고, 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브(140); 메인 팽창밸브(140)와 연결되고, 지열을 이용하는 열원측 열교환기(180); 제1 포트에 열원측 열교환기(180)가 연결되고, 제2 포트에 부하측 열교환기(120)가 연결되고, 제3 포트에 상기 압축기(100)가 연결되는 사방밸브(110);를 포함하고,
부하측 열교환기(120)는, 부하측 열교환기(120)를 우회하는 부하측 바이패스관(130); 부하측 열교환기(120)의 냉매 유입을 제어하는 제 1 밸브(132); 및 부하측 바이패스관(130)의 냉매 유입을 제어하는 제 2 밸브(134);를 더 포함하며,
급탕 열교환기(260)는, 급탕 열교환기(260)를 우회하는 급탕 바이패스관(170); 급탕 열교환기(260)의 냉매 유입을 제어하는 제 3 밸브(172); 및 급탕 바이패스관(170)의 냉매 유입을 제어하는 제 4 밸브(174);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템이 제공된다.
또한, 메인팽창밸브(140)는, 메인팽창밸브(140)로 유입되는 냉매의 일부가 분지하여 유입하는 보조팽창밸브(150); 보조팽창밸브(150)를 통과한 냉매와 메인팽창밸브(140)로 유입되는 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 이코노마이저(160); 브릿지 정류회로 형태를 갖고, 메인팽창밸브(140)의 토출측에 분지하여 설치되는 제 3 체크밸브(250c)와 제 4 체크밸브(250d); 제 3 체크밸브(250c)와 직렬로 연결되는 제 1 체크밸브(250a); 및 제 4 체크밸브(250d)와 직렬로 연결되는 제 2 체크밸브(250b);를 더 포함하고, 부하측 열교환기(120)는 제 2 체크밸브(250b)와 제 4 체크밸브(250d) 사이에 연결되고, 열원측 열교환기(180)는 제 1 체크밸브(250a)와 제 3 체크밸브(250c) 사이에 연결된다.
또한, 열원측 열교환기(180)에 연결 설치되는 열원측 펌프(220); 부하측 열교환기(120)에 연결 설치되는 부하측 펌프(126); 및 급탕 열교환기(260)에 연결 설치되는 급탕 펌프(266); 중 적어도 하나를 더 포함한다.
또한, 난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 난방모드로 동작될 때, 열원측 펌프(220)와 상기 부하측 펌프(126)를 동작시키며, 급탕펌프(266)를 정지시키고, 제 1 밸브(132)와 제 4 밸브(174)를 개방하고, 제 2 밸브(134)와 제 3 밸브(172)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함한다.
또한, 난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 냉방모드로 동작될 때, 부하측 펌프(126)와 열원측 펌프(220)를 동작시키며, 급탕펌프(266)를 정지시키고, 제 1 밸브(132)와 상기 제 4 밸브(174)를 개방하고, 제 2 밸브(134)와 제 3 밸브(172)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함한다.
또한, 난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 급탕모드로 동작될 때, 급탕 펌프(266)와 열원측 펌프(220)를 동작시키며, 부하측 펌프(126)를 정지시키고, 제 1 밸브(132)와 상기 제 4 밸브(174)를 폐쇄하고, 제 2 밸브(134)와 제 3 밸브(172)를 개방하는 제어부(50)를 더 포함한다.
또한, 난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 난방모드와 급탕모드가 동시에 동작될 때, 열원측 펌프(220), 부하측 펌프(126) 및 급탕 펌프(266)를 동작시키며, 제 1 밸브(132)와 상기 제 3 밸브(172)를 개방하고, 제 2 밸브(134)와 제 4 밸브(174)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함한다.
또한, 난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 냉방모드와 급탕모드가 동시에 동작될 때, 열원측 펌프(220)를 정지시키고, 부하측 펌프(126) 및 급탕 펌프(266)를 동작시키며, 제 1 밸브(132)와 제 3 밸브(172)를 개방하고, 제 2 밸브(134)와 제 4 밸브(174)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 지열히트 펌프 시스템에서, 난방모드, 냉방모드, 급탕모드를 독립적으로 운전할 수 있을 뿐만 아니라 난방모드와 급탕모드를 병행하거나 냉방모드와 급탕모드를 병행하여 운전할 수 있다. 따라서, 주거시설, 상업시설, 사무용 건물, 스마트 농장 등에서 요구하는 다양한 운전 형태를 충족시킬 수 있다.
또한, 냉방모드에서 급탕모드로 전환하는 경우 곧바로 급탕이 이루어질 수 있다. 이로 인해 사용자는 급탕(상업용, 주거용 온수)이 이루어질 때까지 불필요하게 시스템을 운전해야 하는 불편함이나 기다림을 생략할 수 있다. 또한, COP(에너지 소비효율)가 증대되어 운영비용도 절감된다. 즉, 동작모드의 전환시 중간상태의 에너지 낭비를 방지할 수 있다.
그리고, 운전 모드의 전환시 사방밸브로 응축된 액체상태의 냉매가 유입되는 것을 방지하여 슬라이드 작동불량을 방지할 수 있다. 즉, 본원발명에 따르면 다양한 운전모드에 대해서 가스상태의 냉매가 사방밸브로 유입될 수 있다. 따라서 소음, 시스템 오류 등 이로 인해 불쾌감 및 소비자의 환불 요구를 종식시킬 수 있다.
그리고, 슬라이드 작동불량을 방지할 수 있으므로 운전 모드 사이의 다양한 전환이 순조롭게 이루어질 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1a는 종래의 지열 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 계통도,
도 1b는 또 다른 종래의 지열 히트펌프 시스템을 이용한 냉난방 계통도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템의 계통도,
도 3은 도 2의 계통도에서 난방모드로 동작할 때의 냉매 흐름도,
도 4은 도 2의 계통도에서 난방모드와 급탕모드가 동시에 동작할 때의 냉매 흐름도,
도 5는 도 2의 계통도에서 냉방모드로 동작할 때의 냉매 흐름도,
도 6은 도 2의 계통도에서 냉방모드와 급탕모드가 동시에 동작할 때의 냉매 흐름도,
도 7은 도 2의 계통도에서 급탕모드로 동작할 때의 냉매 흐름도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 시스템의 개략적인 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의 구성
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템의 계통도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 압축기(100)는 냉매를 고온고압으로 압축하고, 출구측은 사방밸브(110)의 제3 포트로 전달한다. 압축기(100)의 유입측은 사방밸브(110)의 제4 포트와 연결되어 있다.
사방밸브(110)는 제1 포트에 열원측 열교환기(180)에 연결되고, 제2 포트에 부하측 열교환기(120)가 연결되고, 제3 포트에 압축기(100)의 출구와 연결되며, 제4 포트는 압축기(100)의 입구와 연결된다. 제어부(50)는 사방밸브(110)를 제어하여 난방모드와 냉방모드 중 하나를 선택할 수 있다.
부하측 열교환기(120)는 사방밸브(110)의 제2 포트와 급탕열교환기(260) 사이에 설치되고, 부하측과의 열교환이 이루어지는 구성요소이다. 부하측 열교환기(120)는 판형 열교환기가 될 수 있다. 부하측 열교환기(120)는 부하측 입구(122) 및 부하측 출구(124)와 연결되며, 부하측 입구(122)에는 부하측 펌프(126) 및 부하측 온도센서(128)를 포함한다.
부하측 바이패스관(130)의 일단은 사방밸브(110)와 부하측 열교환기(120) 사이에서 분지되고, 부하측 바이패스관(130)의 타단은 부하측 열교환기(120)와 제 2, 4 체크밸브(250b, 250d) 사이에서 합지된다. 부하측 바이패스관(130) 상에는 제 2 밸브(134)가 설치되며, 제어부(50)에 의해 냉매의 흐름이 제어(예 : 차단 또는 유동)된다. 제 1 밸브(132)는 부하측 열교환기(120)의 입구측에 설치되며, 제어부(50)에 의해 냉매의 흐름이 제어(예 : 차단 또는 유동)된다.
급탕 열교환기(260)는 부하측 열교환기(120와 이코노마이저(160) 사이에 설치되고, 급탕측과의 열교환이 이루어지는 구성요소이다. 급탕측 열교환기(260)는 판형 열교환기가 될 수 있다. 급탕측 열교환기(260)는 급탕측 입구(262) 및 급탕측 출구(264)와 연결되며, 급탕측 입구(262)에는 급탕측 펌프(266) 및 급탕측 온도센서(268)를 포함한다.
급탕측 바이패스관(170)의 일단은 제 1, 2 체크밸브(250a, 250b)와 급탕측 열교환기(260) 사이에서 분지되고, 급탕측 바이패스관(170)의 타단은 급탕측 열교환기(260)의 출구와 이코노마이저(160) 사이에서 합지된다. 급탕측 바이패스관(170) 상에는 제 4 밸브(174)가 설치되며, 제어부(50)에 의해 냉매의 흐름이 제어(예 : 차단 또는 유동)된다. 제 3 밸브(172)는 급탕측 열교환기(260)의 입구측에 설치되며, 제어부(50)에 의해 냉매의 흐름이 제어(예 : 차단 또는 유동)된다.
부하측 열교환기(120)와 급탕열교환기(260) 사이에는, 브릿지 정류회로 형태의 제 1, 2, 3, 4 체크밸브(250a, 250b, 250c, 250d)와 연결된다. 제 3 체크밸브(250c)와 제 4 체크밸브(250d)는 메인팽창밸브(140)의 토출측에 각각 분지하여 설치된다. 제 1 체크밸브(250a)는 제 3 체크밸브(250c)와 같은 방향의 직렬로 연결되고, 제 2 체크밸브(250b)는 제 4 체크밸브(250d)와 같은 방향의 직렬로 연결된다.
제 2, 4 체크밸브(250b, 250d) 사이에는 부하측 열교환기(120)가 연결되고, 제 1, 3 체크밸브(250a, 250c) 사이에는 열원측 열교환기(180)가 연결된다. 제 1, 2 체크밸브(250a, 250b) 사이에는 급탕 열교환기(172)가 연결되고, 제 3, 4 체크밸브(250c, 250d) 사이에는 메인팽창밸브(140)가 연결된다.
필요에 따라 냉매량을 조절할 수 있는 수액기(190)가 이코노마이저(160)에 연결된다. 즉, 수액기(190)는 이코노마이저(160)와 급탕측 열교환기(260) 사이에 설치된다.
보조팽창밸브(150)의 입구측은 이코노마이저(160)의 출구측에서 분지되어 연결되며, 출구측은 이코노마이저(160)의 입구측에 연결된다. 보조팽창밸브(150)는 용도에 적합한 팽창 장치를 사용할 수 있고, 제어부(50)에 의해 팽창 정도가 제어된다.
이코노마이저(160)는 수액기를 거친 응축냉매와 보조팽창밸브 의해 저온이 된 증발냉매 사이의 열교환이 이루어지는 구성요소이다. 이러한 이코노마이저(160)는 온도 및 압력이 낮은 운전영역에서도 냉,난방 성능 향상과 효율 향상에 기여한다. 즉, 냉방 시에도 이코노마이저(160)를 이용함으로써 운전성능을 향상(예를 들어, 10% up : 45RT -> 50RT)시킬 수 있는 효과를 갖는다.
메인팽창밸브(140)의 입구측은 이코노마이저(160)에 연결되고, 출구측은 제 3, 4 체크밸브(250c, 250d) 사이에 연결된다. 메인팽창밸브(140)는 전자식 팽창밸브(EEV)가 될 수 있고, 제어부(50)에 의해 팽창 정도가 제어된다.
열원측 열교환기(180)는 제 1, 3 체크밸브(250a, 250c)와 사방밸브(110) 사이에 연결되는 판형 열교환기이다. 열원측 열교환기(180)는 지열을 이용한 냉매 증발과 응축을 수행하는 구성요소이다. 열원측 열교환기(180)는 지열의 열원측 입구(200) 및 열원측 출구(210)와 연결되며, 지열의 열원측 입구(200)에는 열원측 펌프(220) 및 열원측 온도센서(230)를 포함한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(50)는 사방밸브(110), 열원측 펌프(220), 부하측 펌프(126), 급탕펌프(266)와 연결되어 동작을 제어하며, 제 1, 2, 3, 4 밸브(132, 134, 172, 174)의 개폐를 제어하며, 메인 팽창밸브(140)와 보조팽창밸브(150)를 제어한다. 제어부(50)는 도 2에 도시된 각 구성요소마다 설치된 온도센서(미도시) 및 제 1 저압 압력센서(102) 및 제 2 고압 압력스위치(104)와 연결되어 냉매 사이클의 상태를 피드백 받을 수 있다. 제어부(50)는 마이컴, CPU, 컴퓨터가 될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다양한 운전 모드의 동작에 대해 첨부된 도면 및 [표 1]을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
열원측 펌프 부하측 펌프 급탕펌프 제1밸브 제2밸브 제3밸브 제4밸브
난방모드 ○ ○ × ○ × × ○
냉방모드 ○ ○ × ○ × × ○
급탕모드 ○ × ○ × ○ ○ ×
난방+급탕 ○ ○ ○ ○ × ○ ×
냉방+급탕 × ○ ○ ○ × ○ ×
○ : 펌프의 동작 또는 밸브의 개방, × : 펌프의 정지 또는 밸브의 폐쇄
난방모드의 동작
도 3은 도 2의 계통도에서 난방모드로 동작할 때의 냉매 흐름도이다. 난방모드에서 냉매의 흐름은 도 3에서 굵은 선으로 표시된다. 난방모드에서는 열원측 펌프(220), 부하측 펌프(126)가 동작하고, 급탕측 펌프(266)가 정지한다. 아울러, 제 1, 4 밸브(132, 174)가 개방되고, 제 2, 3 밸브(134, 172)가 폐쇄된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉매는 사방밸브(110)의 제2 포트로부터 제 1 밸브(132), 부하측 열교환기(120), 제 2 체크밸브(250b), 제 4 밸브(174)와 급탕 바이패스관(170), 수액기(190), 이코노마이저(160), 메인 팽창밸브(140), 제 3 체크밸브(250c), 열원측 열교환기(180), 및 사방밸브(110)의 제1 포트를 통해 순환한다.
고온의 냉매가 부하측 열교환기(120)에서 부하측과 열교환함으로써 난방이 이루어진다. 열교환된 냉매는 급탕 열교환기(260)를 거치지 않고, 급탕 바이패스관(170)을 통해 순환한다. 따라서, 급탕은 이루어지지 않는다.
난방모드와 급탕모드의 동작
도 4은 도 2의 계통도에서 난방모드와 급탕모드가 동시에 동작할 때의 냉매 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 난방모드과 급탕모드에서는 열원측 펌프(220), 부하측 펌프(126), 및 급탕측 펌프(266)가 동작한다. 아울러, 제 1, 3 밸브(132, 172)가 개방되고, 제 2, 4 밸브(134, 174)가 폐쇄된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 냉매는 사방밸브(110)의 제2 포트로부터 제 1 밸브(132), 부하측 열교환기(120), 제 2 체크밸브(250b), 제 3 밸브(172), 급탕 열교환기(260), 수액기(190), 이코노마이저(160), 메인 팽창밸브(140), 제 3 체크밸브(250c), 열원측 열교환기(180), 및 사방밸브(110)의 제1 포트를 통해 순환한다.
고온의 냉매가 부하측 열교환기(120)에서 부하측과 열교환함으로써 난방이 이루어진다. 열교환된 냉매는 급탕 열교환기(260)를 거치면서, 온수를 생성하고 순환한다. 따라서, 난방과 급탕이 동시에 이루어진다.
냉방모드의 동작
도 5는 도 2의 계통도에서 냉방모드로 동작할 때의 냉매 흐름도이다. 냉방모드에서는 부하측 펌프(126)와 열원측 펌프(220)가 동작하고, 급탕측 펌프(266)가 정지한다. 아울러, 제 1, 4 밸브(132, 174)가 개방되고, 제 2, 3 밸브(134, 172)가 폐쇄된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉매는 사방밸브(110)의 제4 포트로부터 압축기(100)에서 압축된 후, 사방밸브(110)의 제3 포트로 다시 유입된다. 냉매는 사방밸브(110)의 제1 포트, 열원측 열교환기(180), 제 1 체크밸브(250a), 제 4 밸브(174)와 급탕 바이패스관(170), 수액기(190), 이코노마이저(160), 메인 팽창밸브(140), 제 4 체크밸브(250d), 부하측 열교환기(120), 제 1 밸브(132) 및 사방밸브(110)의 제2 포트를 통해 순환한다.
메인 팽창밸브(140)에서 팽창된 저온의 냉매가 부하측 열교환기(120)에서 부하측과 열교환함으로써 냉방이 이루어진다. 냉매는 급탕 열교환기(260)를 거치지 않고, 급탕 바이패스관(170)을 통해 순환함으로써, 급탕은 이루어지지 않는다.
냉방모드와 급탕모드의 동작
도 6은 도 2의 계통도에서 냉방모드와 급탕모드가 동시에 동작할 때의 냉매 흐름도이다. 냉방모드과 급탕모드에서는 부하측 펌프(126)와 급탕측 펌프(266)가 동작하고, 열원측 펌프(220)가 정지한다. 아울러, 제 1, 3 밸브(132, 172)가 개방되고, 제 2, 4 밸브(134, 174)가 폐쇄된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 냉매는 사방밸브(110)의 제4 포트로부터 압축기(100)에서 압축된 후, 사방밸브(110)의 제3 포트로 다시 유입된다. 냉매는 사방밸브(110)의 제1 포트, 열원측 열교환기(180), 제 1 체크밸브(250a), 제 3 밸브(172), 급탕측 열교환기(260), 수액기(190), 이코노마이저(160), 메인 팽창밸브(140), 제 4 체크밸브(250d), 부하측 열교환기(120), 제 1 밸브(132) 및 사방밸브(110)의 제2 포트를 통해 순환한다.
메인 팽창밸브(140)에서 팽창된 저온의 냉매가 부하측 열교환기(120)에서 부하측과 열교환함으로써 냉방이 이루어진다. 열원측 열교환기(180)를 거친 냉매는 급탕 열교환기(260)를 거치면서 열교환을 통해 온수를 생성하여 급탕이 이루어진다.
이와 같은 냉방모드와 급탕모드가 병행될 때, 고온의 냉매가 열원측 열교환기(180)를 그대로 통과하게 된다. 즉, 열원측 펌프(220)는 동작하지 않는다. 이는 냉매의 열을 급탕 측으로 전달하기 위함이고, 이러한 동작모드에서 가장 열효율이 높게 나타난다.
급탕모드의 동작
도 7은 도 2의 계통도에서 급탕모드로 동작할 때의 냉매 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 급탕모드에서는 급탕측 펌프(266)와 열원측 펌프(220)가 동작하고, 부하측 펌프(126)가 정지한다. 아울러, 제 2, 3 밸브(134, 172)가 개방되고, 제 1, 4 밸브(132, 174)가 폐쇄된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 냉매는 사방밸브(110)의 제4 포트로부터 압축기(100)에서 압축된 후, 사방밸브(110)의 제3 포트로 다시 유입된다. 냉매는 사방밸브(110)의 제2 포트로부터 제 2 밸브(134), 부하측 바이패스관(130), 제 2 체크밸브(250b), 제 3 밸브(172), 급탕 열교환기(260), 수액기(190), 이코노마이저(160), 메인 팽창밸브(140), 제 3 체크밸브(250c), 열원측 열교환기(180), 및 사방밸브(110)의 제1 포트를 통해 순환한다.
압축기(100)에 의해 고온으로 압축된 냉매가 부하측 열교환기(120)를 바이패스하여 급탕측 열교환기(260)와 열교환함으로써 신속한 급탕이 이루어진다. 특히, 냉방모드에서 급탕모드로 전환할 때, 고온의 냉매가 부하측 열교환기(120)내에 잔류하는 다량의 저온 냉매와 접촉하지 않고 바이패스함으로써 급탕 열교환기(260)에서 고효율로 신속하게 온수를 생산할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
50 : 제어부,
100 : 압축기,
102 : 제 1 저압 압력센서,
104 : 제 2 고압 압력스위치,
110 : 사방밸브,
120 : 부하측 열교환기,
122 : 부하측 입구,
124 : 부하측 출구,
126 : 부하측 펌프,
128 : 부하측 온도센서,
130 : 부하측 바이패스관,
132 : 제 1 밸브,
134 : 제 2 밸브,
140 : 메인팽창밸브,
150 : 보조팽창밸브,
160 : 이코노마이저,
170 : 급탕 바이패스관,
172 : 제 3 밸브,
174 : 제 4 밸브,
180 : 열원측 열교환기,
190 : 수액기,
200 : 열원측 입구,
210 : 열원측 출구,
220 : 열원측 펌프,
230 : 열원측 온도센서,
250a : 제 1 체크밸브,
250b : 제 2 체크밸브,
250c : 제 3 체크밸브,
250d : 제 4 체크밸브,
260 : 급탕 열교환기,
262 : 급탕 입구,
264 : 급탕 출구,
266 : 급탕 펌프,
268 : 급탕 온도센서.

Claims (8)

  1. 히트펌프 장치에 있어서,
    고온고압의 냉매를 토출하는 압축기(100);
    난방모드 또는 냉방모드시 상기 냉매가 유입되어 부하측과 열교환하는 부하측 열교환기(120);
    상기 부하측 열교환기(120)와 연결되고, 급탕을 공급하기 위한 급탕 열교환기(260);
    상기 급탕 열교환기(260)와 연결되고, 상기 냉매를 팽창시키는 메인 팽창밸브(140);
    상기 메인 팽창밸브(140)와 연결되고, 지열을 이용하는 열원측 열교환기(180);
    제1 포트에 상기 열원측 열교환기(180)가 연결되고, 제2 포트에 상기 부하측 열교환기(120)가 연결되고, 제3 포트에 상기 압축기(100)가 연결되는 사방밸브(110);를 포함하고,
    상기 부하측 열교환기(120)는,
    상기 부하측 열교환기(120)를 우회하는 부하측 바이패스관(130);
    상기 부하측 열교환기(120)의 상기 냉매 유입을 제어하는 제 1 밸브(132); 및
    상기 부하측 바이패스관(130)의 상기 냉매 유입을 제어하는 제 2 밸브(134);를 더 포함하며,
    상기 급탕 열교환기(260)는,
    상기 급탕 열교환기(260)를 우회하는 급탕 바이패스관(170);
    상기 급탕 열교환기(260)의 상기 냉매 유입을 제어하는 제 3 밸브(172); 및
    상기 급탕 바이패스관(170)의 상기 냉매 유입을 제어하는 제 4 밸브(174);를 더 포함하고,
    상기 메인팽창밸브(140)는,
    상기 메인팽창밸브(140)로 유입되는 상기 냉매의 일부가 분지하여 유입하는 보조팽창밸브(150);
    상기 보조팽창밸브(150)를 통과한 상기 냉매와 상기 메인팽창밸브(140)로 유입되는 상기 냉매 사이에 열교환이 이루어지는 이코노마이저(160);
    브릿지 정류회로 형태를 갖고, 상기 메인팽창밸브(140)의 토출측에 분지하여 설치되는 제 3 체크밸브(250c)와 제 4 체크밸브(250d); 상기 제 3 체크밸브(250c)와 직렬로 연결되는 제 1 체크밸브(250a); 및 상기 제 4 체크밸브(250d)와 직렬로 연결되는 제 2 체크밸브(250b);를 더 포함하고,
    상기 부하측 열교환기(120)는 상기 제 2 체크밸브(250b)와 상기 제 4 체크밸브(250d) 사이에 연결되고,
    상기 열원측 열교환기(180)는 상기 제 1 체크밸브(250a)와 상기 제 3 체크밸브(250c) 사이에 연결되며,
    상기 열원측 열교환기(180)에 연결 설치되는 열원측 펌프(220);
    상기 부하측 열교환기(120)에 연결 설치되는 부하측 펌프(126); 및
    상기 급탕 열교환기(260)에 연결 설치되는 급탕 펌프(266);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 상기 난방모드로 동작될 때,
    상기 열원측 펌프(220)와 상기 부하측 펌프(126)를 동작시키며,
    상기 급탕펌프(266)를 정지시키고,
    상기 제 1 밸브(132)와 상기 제 4 밸브(174)를 개방하고,
    상기 제 2 밸브(134)와 상기 제 3 밸브(172)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 상기 냉방모드로 동작될 때,
    상기 부하측 펌프(126)와 상기 열원측 펌프(220)를 동작시키며,
    상기 급탕펌프(266)를 정지시키고,
    상기 제 1 밸브(132)와 상기 제 4 밸브(174)를 개방하고,
    상기 제 2 밸브(134)와 상기 제 3 밸브(172)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 상기 급탕모드로 동작될 때,
    상기 급탕 펌프(266)와 상기 열원측 펌프(220)를 동작시키며,
    상기 부하측 펌프(126)를 정지시키고,
    상기 제 1 밸브(132)와 상기 제 4 밸브(174)를 폐쇄하고,
    상기 제 2 밸브(134)와 상기 제 3 밸브(172)를 개방하는 제어부(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 상기 난방모드와 상기 급탕모드가 동시에 동작될 때,
    상기 열원측 펌프(220), 상기 부하측 펌프(126) 및 상기 급탕 펌프(266)를 동작시키며,
    상기 제 1 밸브(132)와 상기 제 3 밸브(172)를 개방하고,
    상기 제 2 밸브(134)와 상기 제 4 밸브(174)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    난방모드, 냉방모드 및 급탕모드 중 상기 냉방모드와 상기 급탕모드가 동시에 동작될 때,
    상기 열원측 펌프(220)를 정지시키고,
    상기 부하측 펌프(126) 및 상기 급탕 펌프(266)를 동작시키며,
    상기 제 1 밸브(132)와 상기 제 3 밸브(172)를 개방하고,
    상기 제 2 밸브(134)와 상기 제 4 밸브(174)를 폐쇄하는 제어부(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동시 또는 개별 급탕운전이 가능한 지열 히트펌프 시스템.

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