KR19990075021A

KR19990075021A - 열펌프 장치

Info

Publication number: KR19990075021A
Application number: KR1019980008979A
Authority: KR
Inventors: 송현갑
Original assignee: 송현갑
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-10-05

Abstract

본 발명은 열펌프를 이용한 온돌난방과 온수급탕장치에 관한 것으로, 일반적인 열펌프를 구성하는 증발기와 응축기사이에 전열면적 자동변환 모세관형 열교환기(Automatic variable area capillary tube Heat exchanger(AVACTHE):를 설치하고, 증발기능을 촉진하기 위한 온수 열교환기(Heat Exchanger for the Evaporating Improvement (HEVA):를 증발기쪽에 접속/연결하여 증발기로 들어가는 찬 공기를 예열하여 열원온도를 상승시켜 줌으로써, 열펌프의 흡수열원온도가 -5℃ 이하에서도 높은 수준의 성능을 가지고 원할하게 동작되도록 되어있고, 제 1실시예로써 공기-물 냉난방겸용 열펌프장치로 대기중의 저온열에너지를 증발기 흡수열원으로 하고 물을 가열하여 온돌난방과 온수/급탕에 활용할 수 있도록 함과 동시에 여름철에는 에어컨으로 사용할 수 있도록 하였으며, 제 2실시예로서 냉난방겸용 열펌프장치로 대기중의 저온열에너지를 증발기 흡수열원으로 하고 공기를 가열하여 농업용 온실, 주택,건물 등에 열풍난방으로 사용할 수 있도록 하며, 심야전력과 잉여 태양에너지를 이용할 수 있도록 잠열축열조로 연결/설치하고, 여름철에는 에어컨으로 사용할 수 있도록 되어 있다.

Description

열펌프 장치

본 발명은 -5℃이하의 열원에서 높은 성능계수를 얻을 수 있어 에너지를 크게 절감할 수 있도록 된 열펌프 장치에 관한 것이다.

지역적으로 북반구에 위치한 우리나라는 연간 에너지소비량의 약 40%정도가 난방에너지로 소비되고 있고 이중 97%정도를 수입에 의존하고 있어 경제적인 부담이 클 뿐 아니라 이로인한 대기오염등이 심각한 사회문제로 대두되고 있어, 적극적인 에너지절약 차원에서 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 공기나 지중 및 수중에 잠재되어 있는 저온 열에너지 즉, 자연에너지를 최대한 이용하여 주거 및 생산 공간을 냉난방하는 것이 바람직 한 바, 이와 같이 저온의 자연에너지를 이용하여 냉난방을 할 수 있는 수준으로 온도를 올리거나 낮추는 장치로서 열펌프라는 것이 있다.

열펌프는 카르노사이클(Carnot cycle)을 가역으로 작용시켜 열을 이동시키도록 된 것을 총칭하는 것으로 냉각 또는 가열 어느것에나 적용할 수 있도록 되어있는 바, 통상 이러한 열펌프 원리를 이용하는 냉난방 장치는 동일장치로 냉매계통을 절환시킴으로써 여름에는 공기를 배열물(排熱物)로 하여 냉방목적으로 사용하고 겨울에는 공기 또는 물을 흡열원(吸熱源)으로 하여 난방목적에 사용하도록 된 것이다.

한편 최근 들어서는 대기중에 잠재되어 있는 저온의 열에너지를 흡수하여 고온의 유용한 에너지를 얻을 수 있는 열펌프시스템을 연구개발하고 있는 바, 즉 압축기와 가열될 유체에 대한 관통로를 가진 응축기, 팽창밸브, 냉각될 유체에 대한 관통로를 가진 증발기 및 축열기로 연결 구성되어 있다.

이러한 종래의 장치는 유체공급원으로 부터 응축기의 입구속으로 유입된 가열된 유체는 응축기를 통해 열전달매체와 열교환을 하게 되고, 냉매는 액체 또는 증기상태로 응축기의 출구로 배출되도록 하며, 증발기의 입구로 부터 공급된 냉각될 액체냉매는 증발기를 통해 증발됨으로써 저온열원으로 부터 열을 흡수하여 압축기로 보내도록 되어 있다.

그러나 이와같은 공지의 열펌프에서는 -5℃이하의 열원에서는 증발기와 응축기에서 냉매의 상변화가 제대로 일어나지 못하기 때문에 압축기 입구에서 과열증기가 형성되지 않아 압축기가 작동되는데에 무리가 갈 뿐 아니라, 응축기 출구에서 과냉도가 낮아져 열펌프성능이 저하된다. 이같은 현상 때문에 외기온도가 -5℃ 이하로 내려가는 동절기에는 열펌프가 원할하게 동작되지 않을 뿐 아니라 성능계수(coefficient of performance : COP)가 낮아 경제적이지 못하다는 문제가 있다.

또한 외기온도가 -5℃이하로 떨어지는 날이 장기간 지속되는 우리나라의 경우에는 상기한 이유로 인하여 지하수나 0℃이상의 폐열을 열원으로 하는 경우에만 열펌프시스템으로 실용화하여 사용할 수 있게 됨에 따라, 다양한 자연에너지를 폭 넓게 사용할 수 없어 사용에 제한이 따른다는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 출원인이 1995년 7월 7일자로 출원한 특허 제95-19884호의 열펌프시스템의 전열면적 자동변환 모세관형 열교환기(Automatic variable area capillary tube Heat exchanger(AVACTHE):이하 자동면적변환 열교환기 또는 부하쪽 열교환기라 함)에 기재된 자동면적변환 열교환기 및 증발기능을 촉진하기 위한 온수 열교환기(Heat Exchanger for the Evaporating Improvement (HEVA):이하 열원쪽 열교환기라 함)를 공지의 열펌프회로에 접속하여 외기온도가 -25℃ 상태에서도 높은 수준의 성능계수를 가지고 동작되도록 하여 에너지 절감에 기여토록 하는 한편, 2개의 팽창밸브를 병렬로 연결하여 증발효과를 향상시키도록 구성된 열펌프장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 흡수열원이 지역에 따라 제한이 없고 그 량도 무한한 공기중에 잠재된 열에너지를 계절에 제약을 받지 않고 사용할 수 있도록 하며, 가열/냉각열매체로써 공기와 물을 선택적으로 사용하여 냉난방은 물론 온수와 급탕기능 및 온돌난방 등에 폭넓게 사용할 수 있도록 함으로써, 하나의 시스템으로 그 용도를 확장시킨 열펌프장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예이며 공기-물 열펌프 장치를 하나의 시스템으로 실용화시킨 개략적인 회로구성도,

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 압력 대 엔탈피 선도,

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 외기온도(℃)에 따른 성능계수(COP)의 변화값,

도 4는 본 발명의 제 2실시예이며 공기-공기 열펌프 장치를 하나의 시스템으 로 실용화시킨 개략적인 회로구성도,

도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 열원쪽 열교환기의 개략 사시도,

도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 외기온도(℃)에 따른 성능계수(COP)의 변화값을 나타낸 것이다.

A --- 열원쪽 열교환기(HEVA) B --- 부하쪽 열교환기

1 --- 온수급탕탱크 2 --- 온돌

3, 47 --- 단열재 4,56 --- (냉방목적)팽창밸브

5, 48 --- 증발/응축기 6, 50 --- 4방밸브

7, 51 --- 압축기 8 --- 물가열응축기

9, 52 --- (난방목적)팽창밸브 10 --- 에어컨디셔너

11, 53, 54 --- 바이패스배관 12,49 --- 자동면적변환열교환기(AVACTHE)

40 --- 온실 41 --- 응축/증발기

42, 55, 58 --- 팬 43 --- 잠열축열조

44 --- 더운공기 입구 45 --- 찬공기 출구

57 --- 격리판

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 온돌 및 온수급탕탱크를 구성하는 물순환배관이 연결되고 폐회로를 이룬 열원쪽 열교환기 일측에 이 열원쪽 열교환기를 감싸는 단열재내에 설치된 증발/응축기가 부하쪽 열교환기를 거쳐 4방밸브와 연결되며, 다시 압축기 및 이 압축기와 연결된 응축기를 거쳐 상기 부하쪽 열교환기 및 팽창밸브와 순차적으로 연결접속 되는 한편, 상기 압축기 및 증발/응축기와 팽창밸브사이에는 에어컨디셔너가 분지연결되고, 상기 부하쪽 열교환기의 입구측과 출구측에는 이들을 연결하는 배관이 분지연결되며, 상기 팽창밸브는 2개가 병렬로연결된 구성을 이루고 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예이며 공기-물 열펌프를 하나의 시스템으로 실용화시킨 개략적인 회로구성도를 나타낸 것으로, 냉난방부 및 온돌부, 급탕탱크, 에어컨디셔너, 열원쪽 열교환기와 증발/응축기, 부하쪽 열교환기, 압축기 및 응축기가 순차적으로 연결접속되어 난방과 물가열 및 냉방기능을 선택적으로 수행할 수 있도록 되어 있는 바, 여기서 상기 공기-물은 외기 즉 공기중에 있는 열을 이용하여 물을 가열한다는 것을 의미하는 것이다.

상기 열원쪽 열교환기(A)는 온돌(2) 및 온수급탕탱크(1)로 부터 나오는 물이 순환되도록 급탕탱크(1)와 연결된 온돌(2)의 출구 및 급탕탱크(1)와 연결되고, 폐회로를 이룬 물순환파이프가 탱크(도시안됨)에 매설되면서 일부가 단열재(3)로 둘러싸이는 한편 동파방지를 위한 부동액을 열매체로 하도록 되어 있어 라디에이터와 유사한 구조를 이루고 있으며, 관류내 부동액의 흐흠방향은 도 1에 점선으로 표시되어 있다.

그리고 상기 증발/응축기(5)는 열원쪽 열교환기(A)를 감싸는 단열재(3)내에 설치되고 후에 기술되는 부하쪽 열교환기(B)를 구성하는 자동면적변환 열교환기(12)를 거쳐 4방밸브(6)와 연결되며, 다시 압축기(7) 및 이 압축기(7)와 연결된 응축기(8)를 거쳐 상기 부하쪽 열교환기(B) 및 팽창밸브(9)와 연결접속 되는 한편, 상기 압축기(7) 및 증발/응축기(5)와 팽창밸브(9)사이에는 에어컨디셔너(10)가 분지연결되어 있는 바, 여기서 상기 부하쪽 열교환기(B)의 입구측과 출구측에는 이들을 연결하는 배관(11)이 분지연결되고 상기 응축기(8)에는 열원쪽 열교환기(A)에 설치된 물순환배관이 접속되면서 온수급탕탱크(1)의 입구측 물순환배관과 연결되어 있다.

또한 상기 증발/응축기(5)는 겨울철에 난방을 목적으로 운전될 때에는 증발기로 사용되고 여름철에 냉방을 목적으로 운전될 때에는 응축기로 사용하도록 되어 있고, 상기 팽창밸브(9)는 증발/응축기(5)와 부하쪽 열교환기(B)사이에 2개가 병렬로 연결된 구성을 이루고 있는 한편, 이 부하쪽 열교환기(B)를 구성하는 자동면적변환 열교환기(12)는 필요에 따라 열교환 조건에 따라 가변동작되도록 구성시킬 수도 있는 바, 이들 열원쪽 열교환기(A)와 부하쪽 열교환기인 자동면적변환 열교환기(12), 압축기(7), 에어컨디셔너(10) 및 응축기(8)는 각각 열과 질량평형이론을 적용하여 상호 조화있는 크기를 갖도록 설계하는 것이 바람직 하다.

따라서 상기와 같은 회로를 이룬 열펌프장치는, 난방을 목적으로 운전시 도 1에서 실선화살표로 표시된 바와 같이 냉매가 압축기(7) → 4방밸브(6) → 응축기(8)→ 자동면적변환열교환기(12) → 팽창밸브(9) → 증발/응축기(5) → 자동면적변환열교환기(12) → 4방밸브(6) → 압축기(7)순으로 순환하게 되는 바, 즉 증발/응축기(5)가 증발기의 역할을 하면서 대기중,지중,수중으로 부터의 저온 열에너지를 흡수하고 증발/응축기(5)에서 나온 냉매가 압축기(7)로 들어가기 전에 자동면적변환 열교환기(12)내에서 응축기(8)로 부터 나온 냉매로 부터 열을 얻은 후 압축기(7)로 흡입되게 된다.

또한 응축기(8)에서 나온 냉매는 자동면적변환 열교환기(12)에서 열을 빼앗기게 되어 자동면적변환 열교환기(12)를 구성하고 있는 경로파이프(도시안됨)를 흐르는 동안 예비팽창되면서 증발이 촉진되게 되며, 압축기(7)를 통하면서 기계적 에너지가 가해져 냉매 온도와 압력이 상승되게 되며 이어 응축기(8)에서 열을 방출하여 온수급수탱크(1)와 온돌(2)을 덮히게 되는 바, 여기서 상기 팽창밸브(9)는 병렬로 연결되어 열원의 흡수량을 2배로 향상시킴으로써 저온열원에서 냉매의 기화를 촉진시킬 수 있게 된다.

한편 열교환되어 온돌(2)로 들어가는 냉매의 온도는 온돌 입구에서 약 60℃이고 온돌(2)을 덮힌 후 대략 40℃의 온도로 출구를 통해 방출되는데, 이와같이 온돌(2)을 덮히고 방출되는 폐열이 열원쪽 열교환기(A)로 되돌려지면서 증발/응축기(5)로 소정의 열을 공급하게 됨으로써, 증발/응축기(5)로 유입되는 저온의 공기(-20℃∼-15℃)를 예열하여 증발/응축기(5)에서 냉매의 기화를 촉진시키게 되므로, 이 열원쪽 열교환기(A)로 인하여 열펌프장치의 성능계수가 가일층 향상되게 된다.

이 결과 압축기(7)로 들어가는 냉매가 과열되고 증발/응축기(5)로 유입되는 물의온도가 낮아짐에 따라 응축기내의 냉매가 과냉되게 되며, 이때 열원쪽 열교환기(A)에서 잃는 열보다 응축기에서 얻는 열이 더 많아지게 되므로 열펌프장치의 성능계수를 향상시키게 되며, 이로 인하여 증발/응축기(5)표면에 발생되는 서리를 제거하는 제상작용도 겸할 수 있게 된다.

한편 냉방을 목적으로 운전하면 도 1에 점선화살표로 표시된 것과 같이 냉매가 압축기(7) → 증발/응축기(5) → 에어컨디셔너(10) → 압축기(7) 순으로 순환하게 되는 바, 이때 상기 증발/응축기(5)는 열을 방출하는 응축기역할을 하게 되고 에어컨디셔너(10)는 냉방용 증발기 역할을 하게 된다

도 2는 이상 설명된 공기-물 열펌프장치에서 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)가 열펌프 P-h선도에 미치는 영향을 실험적으로 분석해 본 결과를 나타낸 것으로 다음에 설명된 바와 같이 과열과 과냉효과를 얻을 수 있었다.

ⓐ'-ⓑ'-ⓒ'-ⓓ'는 열펌프장치내에 자동면적변환 열교환기(12)가 설치된 경우의 P-h선도로써, 엔탈피의 차이 Δh_s,h= h_ⓐ'- h_ⓐ: (ⓐ'-ⓐ 구간)의 과열부분과 Δh_s,c= h_ⓒ'- h_ⓒ:(ⓒ'-ⓒ 구간)의 과냉부분을 나타냈다. 따라서 이와 같은 과열과 과냉효과는 자동면적변환 열교환기(12)에 의하여 응축기의 열량이Δh = (h_ⓐ'-h_ⓐ) + (h_ⓒ'- h_ⓒ)만큼 증가된 결과로써, 이러한 응축기의 열량증분으로 인하여 성능계수가 증가되는 결과를 얻을 수 있다.

한편 ⓐ"-ⓑ"-ⓒ"-ⓓ"는 열펌프회로내에 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)를 함께 설치한 경우의 P-h선도로써, 증발기에서의 과열증분을 자동면적변환 열교환기(12)만 설치한 경우와 비교할 때 Δh_ⓐ'-ⓐ"= h_ⓐ"- h_ⓐ'로서 (ⓐ"-ⓐ' 구간) 만큼 더 크게 나타났고, 응축기에서의 과냉증분은 Δh_ⓒ'-ⓒ"= h_ⓒ"- h_ⓒ'로서 (ⓒ'-ⓒ" 구간) 만큼 더 크게 나타났다.

즉, 이는 열원쪽 열교환기(A)회로 내에서의 부동액이 열매체로 순환하면서 온수회로로 부터 낮은 외기온도(-10℃ ∼ -15℃)를 예열하여 -10내지 -5℃수준까지 높여줌으로써 증발기내 냉매의 증발효과를 상승시켜, 도 2에서 나타난 바와 같은 냉매의 과열 및 과냉효과를 얻게 되었슴을 의미하는 것이다.

따라서 자동면적변환 열교환기(12)만 설치한 경우보다 열원쪽 열교환기(HEVA:A)를 설치함으로써 과열증분과 과냉증분이 더 크게 나타나게 되므로 열펌프가 더 높은 성능계수(COP)를 얻을 수 있게 된다. 이 같은 결과를 놓고 볼 때 열원쪽 열교환기(A)를 자동면적변환 열교환기(12)와 함께 열펌프회로내에 설치하여 줌으로써, 외기온이 -10℃에서 -25℃ 범위 즉 혹한기에도 열펌프의 성능이 양호하게 유지될 수 있으며 작동수준도 원할하게 유지시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 3은 상기한 공기-물 열펌프장치에서 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 열펌프의 성능계수(COP)에 미치는 영향을 나타낸 것으로, 열펌프내에 자동면적변환 열교환기(12)만 설치된 경우에는 -20 내지 -15℃의 외기온도에서는 성능계수가 0.8 내지 1.8 로 대단히 낮은 값이 측정되었고, 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 함께 설치된 경우에는 외기온도가 -20 내지 -15℃의 범위에서 성능계수가 2.4 내지 3.8로써 크게 향상된 값으로 측정되었다.

그리고, 외기온도가 -12 내지 -5℃ 범위에서는 자동면적변환 열교환기(12)만 설치된 경우라도 성능계수가 3 내지 3.7로써 좋은 성능을 보였으며, 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 함께 설치된 경우에는 외기온도가 -12 내지 -5℃ 범위에서는 4.0 내지 4.3으로 측정되어 자동면적변환 열교환기(12)만 설치한 경우보다 더 높게 나타났다.

또한, 외기온도가 -5℃ 이상에서는 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)를 설치하지 않은 일반적인 열펌프에서도 성능계수가 2.5 내지 4.0을 나타내고 있으므로 외기온도가 -5℃ 보다 높을 때에는 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)를 설치할 필요가 없다는 것을 보여주고 있다.

결과적으로 외기온도가 -5℃이상에서는 일반적인 열펌프회로로도 난방목적으로 동작시킬 수 있으나 -5℃이하의 외기온도에서는 작동상 어려움이 있기 때문에 본 발명에 따른 자동면적변환 열교환기(12)를 설치함으로써 외기온도가 -10 내지 -5℃에서도 정상동작되도록 하였고 이와 같은 여건에서의 성능계수도 3.0 내지 3.7을 얻을 수 있다.

또한 외기온도가 -25 내지 -10℃인 범위에서는 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)를 함께 설치함으로써 동작이 가능하게 함은 물론 2.5 내지 4.0의 성능계수를 얻을 수 있게 되므로, 외기온도가 -25℃인 환경에서도 열펌프회로에 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)를 접속하여 사용하게 되면 시스템을 안정된 사이클로 운전할 수 있고 성능계수 또한 크게 증가시키는 효과가 있슴을 증명하는 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 결과는, 일반적인 열펌프장치에 본 발명에 따른 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)를 자동제어시스템으로 조절되도록 하여, 필요에 따라 이들 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 온/오프되면서 외기온도에 따라 선택적으로 동작되도록 설치함으로써, 외기온도가 -5℃이하의 환경에서 열펌프를 실용화하여 사용하는 것이 불가능하다는 이제까지의 이론을 반전시키는 것이다.

한편 냉방목적 열펌프장치의 성능계수는 난방목적 열펌프보다 1.0이 낮게 측정되었는 바, 이는 현재 보급되어 있는 일반에어컨에서 얻을 수 있는 성능계수와 별반 차이가 없기 때문에 상기 자동면적변환 열교환기(12)와 열원쪽 열교환기(A)가 불필요하다는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예이며 공기-공기 열펌프 장치를 하나의 시스템으로 실용화시킨 개략적인 회로구성도로서, 외기 즉 공기를 가열하여 농업용 온실이나 주택, 건물 등에 열풍난방을 목적으로 사용할 수 있도록 구성된 것이며 공기-공기 열펌프가 온실에 설치된 경우의 회로구성을 나타내고 있는 바, 그 기본적인 회로구성은 상기한 제 1실시예와 동일하다.

즉, 온실(40)내에 응축/증발기(41)가 설치되면서 이 응축/증발기(41)와 인접된 위치에 팬(42)과 잠열축열조(43)가 설치되는 한편, 온실(40)내의 공기를 흡수하는 입구(44)와 외기를 유입시키는 출구(45)가 연통된 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 설치되며, 이 열원쪽 열교환기(HEVA:A)는 도 1에 도시된 제 1실시예에서와 마찬가지로 단열재(47)에 둘러싸인 상태에서 인접된 위치에 증발/응축기(48)가 연결되고, 이 증발/응축기(48)는 부하쪽 열교환기(B)와 4방밸브(50)를 거쳐 압축기(51)와 연결되며, 이 압축기(51)는 다시 온실(40)에 설치된 응축/증발기(41)와 접속되어 있다.

또한 상기 응축/증발기(41)는 다시 부하쪽 열교환부(B)와 팽창밸브(52)를 거쳐 증발/응축기(48)와 연결접속되고, 상기 응축/증발기(41)와 부하쪽 열교환부(B)사이 및 팽창밸브(52)와 증발/응축기(48)사이에 별도의 배관(53)이 분지연결되고, 상기 증발/응축기(48)와 부하쪽 열교환기(B)사이 및 이 부하쪽 열교환부(B)와 4방밸브(50)사이에도 별도의 배관(54)이 분지연결되어 있는 한편, 상기 증발/응축기(48)의 출구측에는 팬(55)이 설치되어 있다.

여기서, 상기 열원쪽 열교환부(A)는 도 5에서와 같이 다수개의 열전달파이프(56)가 소정간격을 두고 이격되도록 설치되고 입구(44)와 출구(45)가 격리판(57)을 사이에 두고 분리형성되면서 이 격리판(57)이 유입되는 공기의 흐름방향을 변화시키도록 되어 있는 한편, 상기 출구(45)에는 팬(58)이 설치되어 더운공기를 순환시킴으로써 증발기내의 냉매가 증발되는 것을 촉진시키도록 구성되어 있다.

또한 상기 부하쪽 열교환부(B)는 상기한 제 1실시예에 연결된 자동면적변환 열교환기(49)와 동일하며 이 역시 필요에 따라 열교환 조건에 따라 가변동작되도록 구성되어 있다.

따라서 냉매가 카르노 사이클로 순환되도록 압축기(51) → 응축/증발기(41) → 부하쪽 열교환기(B) → 증발/응축기(48) → 압축기(51)의 순으로 열펌프를 동작시키면 난방목적으로 운전되게 되는데, 여기서 상기 부하쪽 열교환부(B)는 -5℃이하의 외기온도에서 열펌프가 정상적으로 동작되도록 하기 위한 것으로 증발/응축기(48)에서 나오는 저온의 냉매와 응축/증발기(41)에서 나오는 고온의 냉매간의 열교환을 함으로써 압축기(51) 입구의 냉매를 과열가스로 만들고 응축/증발기(41) 출구에서의 냉매를 과냉상태로 만들어줌으로써 열펌프의 성적계수를 향상시키게 된다.

또한 상기 열원쪽 열교환기(HEVA:A)는 증발/응축기(48)의 증발성능을 촉진하기 위한 열교환기로써, 열펌프와 태양열에 의하여 가열된 온실내의 공기를 이용하여 증발/응축기(48)로 유입되는 저온의 외기를 예열하여 외기의 온도를 높여 압축기(51)로 들어가기 이전에 순환되는 냉매를 과열증기 상태로 변화시키는 한편, 열원쪽 열교환기(HEVA:A)에서 나온 공기온도를 낮추게 된다.

즉 응축/증발기(41)로 들어가는 공기의 온도가 낮으면 응축/증발기(41)내의 냉매가 과열상태가 되면서 그 만큼 엔탈피차가 커지게 되는데 동일조건에서 더 큰 엔탈피차를 보인다는 것은 더 큰 열에너지를 갖게 됨을 의미하는 것이므로, 결과적으로 열펌프는 더 많은 열을 방출하게 되어 열원쪽 열교환부(A)가 증발/응축기(48)에서 냉매를 과열시키는 반면, 응축/증발기(41)에서는 과냉이 이루어지도록 하므로 열펌프의 성능계수를 향상시킬 수 있게 된다.

또한 상기 잠열축열조(43)의 입구측 상부에는 열펌프를 냉방목적으로 운전할 때 응축/증발기(41)에 의하여 차가워진 공기를 온실내부로 보내주기 위한 냉풍통과문(60)이 설치되어, 상기 팬(42)의 회전력으로 온실(40)내로 냉풍을 보낼 수 있도록 되어 있다.

한편 이 잠열축열조(43)는 주간에 온실내에 투과되어 들어온 태양에너지의 잉여분과 열펌프로 부터 얻은 잔열을 저장했다가 야간 또는 혹한시에 보조열로 사용하기 위한 것으로, 상기 열원쪽 열교환기(A)와 잠열축열조(43)를 설치함으로써 열펌프에서 얻은 열과 태양열을 최대한 활용할 수 있어 자연에너지를 효과적으로 이용할 수 있게 되며, 이같은 회로는 상기한 온실에는 물론 일반 건물 등의 공간난방에 적용시켜 사용할 수 있슴은 물론이고 여름철에는 상기한 사이클을 역으로 하여 역카르노사이클로 시스템을 운전함으로써 냉방목적으로 활용할 수 있게 된다.

또한 이 사이클은 부하쪽 열교환부(B)와 저온의 외기를 예열하여 증발기의 기능을 촉진시키는 열원쪽 열교환기(A)를 각각 설치하고 2개의 팽창밸브(52)를 병렬로 연결하여 기화를 촉진시킴으로써, 도 2에 나타난 바와 같이 P-h선도상에서 부하쪽 열교환기(B)와 열원쪽 열교환기(A)에 의한 응축/증발기(41)에서의 엔탈피 증가분(Δh = h_ⓑ"- h_ⓒ")을 얻게 되는데, 이는 이들 부하쪽 열교환기(B)와 열원쪽 열교환기(A)가 설치되지 않은 일반 열펌프 회로에서의 엔탈피 증가분(Δh = h_ⓑ- h_ⓒ) 보다 크다.

그리고 부하쪽 열교환기인 자동면적변환 열교환기(49)만 설치했을 때의 엔탈피 증가분(Δh = h_ⓑ- h_ⓒ) 보다 더 크게 측정되었다는 것은 이 엔탈피 증가분(Δh)이 열펌프장치의 성능계수를 향상시키는데에 직접 영향을 준다는 것을 의미하는 것이다.

또한 압축기(51) → 증발/응축기(48) → 응축/증발기(41) → 압축기(51)의 순으로 역 카르노 사이클을 이루도록 냉매를 순환시켜 증발/응축기(48)를 응축기로 사용하고 응축/증발기(41)를 에어컨디셔너 증발기로 사용하게 되면 냉방목적으로 운전되게 되는데, 상기 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(A) 및 잠열축열조(43)는 열펌프를 냉방목적으로 운전할 때에는 사용되지않는 요소이며 동작회로로서도 구성되지 않는다.

한편 상기 열원쪽 열교환기(A)는 도 1에서와 같이 공기-물 열펌프에서는 가열유체인 물과 부동액이 관내를 순환하기 때문에, 별도의 열교환시스템 없이 유체가 흐르는 관자체의 전열면적을 증가시켜 증발기로 들어가는 공기유로내에 설치하여 공기를 예열시키도록 되어 있었으나, 이 공기-공기 열펌프장치에서는 가열된 공기로 외기를 예열하여야 하기 때문에 간단한 대항류식 공기-공기 열교환기로 구성하여야 외부로의 열손실 없이 내부에서 가열된 공기를 매개로 증발기로 유입되는 외기를 효과적으로 예열할 수 있게 되므로, 본 발명의 도 5에 도시된 것과 같은 별도의 열교환기가 설계/제작되어야 한다.

즉 -5℃ 이하의 외기온도가 낮은 대기중의 저온열에 의해서는 증발기내의 냉매가 충분하게 증발되지 못하여 열펌프의 열흡수 능력이 저하되기 때문에, 증발기로 들어가는 외기가 더운공기와 접하고 있는 여러개의 열교환파이프(56)를 통해 흐르도록 하고, 태양열 또는 열펌프에서 얻은 열을 매개로 가열된 난방공간의 더운 공기가 입구(44)를 통해 화살표 방향으로 유입되어 다수의 열교환파이프(56)내를 흐르는 찬공기를 예열하고 출구(45)에 설치된 팬(58)에 의하여 흐름방향을 변화시켜 난방공간으로 환원되도록 함으로써, 환원된 공기는 증발/응축기(48)로 들어가는 찬공기를 예열시키면서 열을 빼앗기게 되어 저온의 공기가 응축/증발기(41)로 유입되게 되므로, 응축/증발기(41)출구의 냉매를 과냉시켜 열펌프의 성능계수(COP)를 증가시킬 수 있게 된다.

도 6은 부하쪽 열교환기인 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(A)가 난방을 목적으로 운전될 때 열펌프의 성능계수에 미치는 영향을 나타낸 것으로, P-h선도상에서 이들 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(A)가 설치되지 않은 경우(Bypass로 표현 됨)와 비교할 때, 자동면적변환 열교환기(49)가 설치된 경우에는 과열부분의 엔탈피 증가(Δh = h_ⓐ'- h_ⓐ)와 과냉부분 엔탈피 중가(Δh = h_ⓒ'- h_ⓒ)를 얻을 수 있었고, 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 설치된 경우에는 과열부분 엔탈피 중가(Δh = h_ⓐ"- h_ⓐ)와 과냉부분 엔탈피 중가(Δh = h_ⓒ"- h_ⓒ)를 얻을 수 있게 되어, 이 같은 과열과 과냉 엔탈피 중가로 인하여 공기-공기 열펌프의 성능계수를 크게 증가시킬 수 있게 된다.

따라서 Bypass의 경우에는 외기온이 -5℃이하에서 열펌프의 동작이 매우 저조한 것으로 나타났고 자동면적변환 열교환기(49)만 설치된 경우에는 외기온도가 -15℃까지는 동작되지만 그 이하의 온도에서는 동작이 불가능한 것으로 나타났으며, 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(HEAV:A)가 함께 설치된 경우에는 -25 내지 -20℃에서도 열펌프가 정상 동작되는 것으로 나타났다.

또한 각각의 성능계수를 살펴보면, Bypass의 경우에 외기온도가 -5 내지 -10℃ 범위에서 2.2 내지 4.0 으로 측정되었고, 자동면적변환 열교환기(49)만 설치된 경우에는 외기온도가 -15 내지 -10℃ 의 범위에서 2.0 내지 4.2로 측정되었고, 자동면적변환 열교환기(49)와 열원쪽 열교환기(A)가 함께 설치된 경우에는 외기온도가 -25 내지 -5℃ 범위내에서 1.9 내지 4.3 으로 측정됨에 따라 외기온도가 낮을 때에도 정상동작된다는 것을 알 수 있다.

상기한 결과를 종합하면 Bypass의 경우 외기온도가 -5℃이하에서는 작동이 어렵고 성능계수 또한 낮아서 본 발명에서의 자동면적변환 열교환기와 열원쪽 열교환기를 사용할 필요가 있으나, 외기온도가 -5℃ 이상의 범위에서는 일반작인 열펌프장치에서도 성능계수가 2.5 내지 4.0 으로 측정되었고, 공기-물 열펌프장치에 자동면적변환 열교환기를 설치하면 외기온도가 -10 내지 -5℃ 범위내에서 3.0 내지 3.7 을 얻을 수 있었으며, 자동면적변환 열교환기와 열원쪽 열교환기를 함께 설치하게 되면 외기온도가 -25 내지 -10℃ 에서도 2.5 내지 4.0을 얻을 수 있게 된다.

또한 공기-공기 열펌프장치에서는 외기온도가 -5℃ 이상에서 Bypass의 경우에도 2.0 내지 4.0을 얻을 수 있고, 외기온도가 -15 내지 -10℃에서 자동면적변환 열교환기만을 설치함으로써 2.0 내지 4.2의 성능계수를 얻을 수 있으며, 자동면적변환 열교환기와 열원쪽 열교환기를 함께 설치하면 -25 내지 -15℃의 외기온도에서 1.9 내지 4.3의 성능계수를 얻을 수 있어, 결과적으로 외기온도가 -25 내지 -15℃의 혹한상태에서는 자동제어시스템을 설치하여 열원인 외기의 온도변화에 따라 열원쪽 열교환기(A)와 부하쪽 열교환기(B)의 동작이 온-오프조절되도록 하면 열펌프를 높은 성능계수로 동작시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 열펌프 장치에 따르면, 일반적인 열펌프회로에 자동면적변환 열교환기와 열원쪽 열교환기를 접속시킴으로써 외기온도가 -25 내지 -15℃의 혹한상태에서도 열펌프를 높은 성능계수로 정상동작시킬 수 있으며, 2개의 팽창밸브를 병렬로 설치함으로써 증발기의 기화능력을 향상시켜 저온열원에서도 냉매의 기화를 촉진시켜 높은 성능계수를 얻을 수 있도록 되어 있다.

Claims

온돌(2) 및 온수급탕탱크(1)를 구성하는 물순환배관이 연결되면서 폐회로를 이룬 열원쪽 열교환기(A)에, 단열재(3)로 둘러싸인 증발/응축기(5)가 부하쪽 열교환기(B)를 거쳐 4방밸브(6)와 연결되며, 다시 압축기(7) 및 이 압축기(7)와 연결된 응축기(8)를 거쳐 상기 부하쪽 열교환기(B) 및 팽창밸브(9)와 순차적으로 연결접속되는 한편, 상기 압축기(7) 및 증발/응축기(5)와 팽창밸브(9)사이에는 에어컨디셔너(10)가 분지연결되고, 상기 부하쪽 열교환기(B)의 입구측과 출구측에는 이들을 연결하는 바이패스배관(11)이 분지연결된 구성을 이룬 열펌프 장치.
제 1항에 있어서, 상기 팽창밸브(9)가 병렬로 연결되어 냉매의 기화를 촉진시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.
제 1항에 있어서, 상기 열원쪽 열교환기(HEVA:A)가 응축/증발기(41)와 팬(42) 및 잠열축열조(43)가 설치된 온실(40)과 연결되어 온실내의 공기로 열원쪽 열교환기(A) 및 증발기로 들어가는 외기를 예열할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.
제 3항에 있어서, 상기 열원쪽 열교환기(A)는 온돌(2) 및 온수급탕탱크(1)로 부터 나오는 물이 순환되도록 연결되고, 폐회로를 이룬 물순환파이프가 탱크(도시안됨)에 매설되면서 일부가 단열재(3)로 둘러싸이는 한편, 부동액을 열매체로 하도록 구성되며, 이렇게 구성된 열원쪽 열교환기(A)가 증발기로 들어가는 저온의 외기를 예열시켜 주도록 된 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.
제 4항에 있어서, 상기 열원쪽 열교환기(A)가 지지벽에 다수개의 열교환파이프(56)가 소정간격으로 이격되도록 설치되고, 격리판(57)을 사이에 두고 입구(44)와 출구(45)가 분리형성되어 입구(44)를 통해 유입되는 더운공기가 열교환파이프(56)주위를 통과하여, 열교환파이프(56)내를 지나 증발기로 들어가는 찬공기를 예열하고 출구(45)로 빠져나가도록 구성된 것을 특징으로 하는 열펌프 장치.