KR20020045219A

KR20020045219A - 폐열 순환식 열펌프

Info

Publication number: KR20020045219A
Application number: KR1020000074593A
Authority: KR
Inventors: 유인석
Original assignee: 유인석
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-06-19

Abstract

본 발명은 폐열 순환식 열펌프에 관한 것으로, 이 열펌프(1)는 실내측(in)과 실외측(out)으로 나뉘어진 열펌프 하우징(2)이 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 송풍팬(3)의 열풍을 실내로 급기하는 급기구(4)가 형성되며, 상기 송풍팬(3)의 일측에 열을 발생시키는 응축기(5)가 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 실내공기를 열펌프 하우징(2)으로 환기하는 환기구(6)가 형성되며, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 폐열공기가 유입될 수 있는 폐열공기 유입구(7)가 형성되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 송풍팬(3)과 증발기(8)가 각각 설치되는 한편, 상기 실외측(out)의 송풍팬(3)에 연결되어 폐열공기를 외부로 배기시키는 배기 덕트(9)가 설치되며, 상기 배기 덕트(9)의 하단에 외기를 유입시키는 외기 덕트(10)가 설치되고, 상기 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)의 하단 연결부에 순환공기를 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)으로 들여 보내는 순환공기 출구(11)가 형성된 구조로 되어, 실외장비가 설치되지 않기 때문에 외기 온도에 직접적인 영향을 받지 않고, 외부 배관공사를 할 필요가 없기 때문에 비용이 절감되며, 실외장비의 소음이나 열기 및 설치위치로 인한 민원이 없어지게 된다.

Description

폐열 순환식 열펌프{A circulation type heat pump for waste heat}

본 발명은 열펌프에 관한 것으로, 특히 열펌프에서 발생되는 폐열이 외기에 의해 그 온도가 저하되는 것을 방지하여 폐열의 온도가 일정 온도 이상으로 유지된 상태로 순환될 수 있게 함으로써 폐열을 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 된 폐열 순환식 열펌프에 관한 것이다.

일반적으로 열펌프는 냉동기와 같이 열기관의 역 사이클로 작동되지만 고온측의 방열을 이용하기 때문에 주로 난방을 목적으로 사용되는 장치인 바, 상기 열펌프는 저온의 공기, 지열, 물, 태양열, 폐열 등을 열원으로 이용하여 유용한 온도수준의 열에너지를 얻는 시스템인 것이다.

즉, 상기 열펌프의 기본 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 물을 작동 유체로 하는 경우 태양열을 받아 어느 일정 온도 이상으로 유지되는 물탱크(101)를 저열원으로 하고, 증발기(102)를 통과하여 증발한 증기를 압축하여 응축기(103)로 보냄으로써 난방할 영역으로 방열하게 하는 바, 상기 응축기(103)의 코일은 난방용 라디에이터에 해당되며, 상기 태양열 대신에 지열을 이용하는 경우도 많이 있고, 이러한 시스템에서 변환밸브(104)를 반대로 하면 응축기(103) 코일은 증발기(102)로, 증발기(102)는 응축기(103)로 된다. 이 때에는 응축기(103) 코일이 냉방용 라디에이터로 이용되는 것이다.

그러므로, 상기와 같이 이용되는 열펌프(105)는 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 공기나 지중 및 수중에 잠재되어 있는 저온 열에너지를 이용하게 되는 바, 즉 자연에너지를 최대한 이용하여 주거 및 생산 공간을 난방할 수 있도록 된 것이다.

그리고, 상기의 열펌프(105)를 이용하는 냉난방장치는 동일장치로 냉매계통을 절환시킴으로써 여름에는 공기를 배열물로 하여 냉방목적으로 사용하고, 겨울에는 공기 또는 물을 흡열원으로 하여 난방목적에 사용하도록 된 것이다.

한편, 근래에 들어 대기중에 잠재되어 있는 저온의 열에너지를 흡수하여 고온의 유용한 에너지를 얻을 수 있도록 된 상기 열펌프(105)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 바, 이러한 열펌프(105)는 상술한 바와 같이 압축기(106)와 가열될 유체에 대한 관통로를 가진 응축기(103), 팽창밸브(107), 냉각될 유체에 대한 관통로를 가진 증발기(102) 및 축열기 등으로 연결구성되어 있는 것이다.

즉, 상기 열펌프(105)는 유체공급원으로 부터 응축기(103)의 입구속으로 유입되어 가열된 유체가 응축기(103)를 통해 열전달매체와 열교환을 하게 되고, 냉매는 액체 또는 증기상태로 응축기(103)의 출구로 배출되도록 하며, 상기 증발기(102)의 입구로부터 공급된 액체냉매는 증발기(102)를 통해 증발됨으로써 저온열원으로 부터 열을 흡수하여 압축기(106)로 보내도록 된 것이다.

그런데, 상기의 열펌프(105)는 -5℃ 이하의 열원에서는 증발기(102)와 응축기(103)에서 냉매의 상변화가 제대로 일어나지 못하기 때문에 압축기(106) 입구에서 과열증기가 형성되지 않아 압축기(106)가 작동하는데 무리가 가게되고, 응축기(103) 출구에서 과냉도가 낮아져 열펌프(105)의 성능이 저하되는 단점이 있으며, 이 같은 현상 때문에 외기온도가 -5℃ 이하로 내려가는 동절기에는 열펌프(105)가 원할하게 동작되지 않을 뿐만아니라 성능계수가 낮아 경제적이지 못하다는 등의 제반 문제점이 있었다.

또한, 외기온도가 -5℃ 이하로 떨어지는 날이 장기간 지속되는 우리나라의 경우에는 상기의 이유로 인하여 지하수나 0℃ 이상의 폐열을 열원으로 하는 경우에만 열펌프(105)가 가동될 수 있기 때문에 다양한 자연에너지를 폭 넓게 사용할 수 없다는 문제가 있었다.

그리고, 상술한 문제를 보완하여 상기 성능계수를 높여주기 위해서는 외기 배관공사를 하여야 하기 때문에 많은 비용이 소요됨과 더불어 외기 배관으로 인한 소음이나 열기 및 설치 장소에 따른 각종 불편함이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 열펌프에서 발생되는 폐열이 외기에 의해 그 온도가 저하되는 것을 방지하여 폐열의 온도가 일정 온도 이상으로 유지된 상태로 순환될 수 있게 함으로써 폐열을 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 된 폐열 순환식 열펌프를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 동절기에 열풍을 공급하기 위해 실내측과 실외측으로 나뉘어진 열펌프 하우징이 구비되고, 상기 열펌프 하우징의 실내측에 송풍팬의 열풍을 실내로 급기하는 급기구가 형성되며, 상기 송풍팬의 일측에 열을 발생시키는 응축기가 구비되고, 상기 열펌프 하우징의 실내측에 실내공기를 열펌프 하우징으로 환기하는 환기구가 형성되며, 상기 열펌프 하우징의 실외측에 실내를 순환하는 일정 온도의 폐열공기가 유입될 수 있는 폐열공기 유입구가 형성되고, 상기 열펌프 하우징의 실외측에 송풍팬과 증발기가 일정 간격을 두고 각각 설치되는 한편, 상기 실외측의 송풍팬에 연결되어 폐열공기를 외부로 배기시킬 수 있도록 된 배기 덕트가 설치되며, 상기 배기 덕트의 하단으로부터 분기되어 외기를 유입시킬 수 있도록 된 외기 덕트가 설치되고, 상기 배기 덕트와 외기 덕트의 하단 연결부에 순환공기를 열펌프 하우징의 실외측으로 들여 보내는 순환공기 출구가 형성된 구조이다.

그리고, 상기 열펌프 하우징의 실외측에 형성된 폐열공기 유입구 후방에 모츄럴 모우터의 작동으로 개폐되는 폐열환기 댐퍼가 설치되고, 상기 실외측 송풍팬에 연결된 배기 덕트의 내측 상부에 모츄럴 모우터의 작동으로 개폐되는 배기 댐퍼가 설치되며, 상기 배기 댐퍼의 하부에 송풍팬의 공기를 바이패스시킬 수 있도록 된 바이패스 댐퍼가 모츄럴 모우터를 매개로 설치되고, 상기 외기 덕트의 내측 소정부에 모츄럴 모우터의 작동으로 개폐되는 외기 댐퍼가 설치된 구조이다.

즉, 상기 폐열공기 유입구와 배기 덕트 및 외기 덕트에 각각 설치된 폐열환기 댐퍼와, 배기 댐퍼, 바이패스 댐퍼 및, 외기 댐퍼는 폐열공기의 온도에 따라 자동으로 그 개폐량 조절됨으로써 계절에 따라 폐열공기의 흐름을 비례제어할 수 있도록 된 것이다.

그러므로, 상기의 구조로 이루어진 열펌프는 그 외측에 배기 덕트와 외기 덕트가 연결설치됨으로써 폐열공기를 순환시켜 온도가 저하되지 않은 상태로 다시 열펌프에 공급할 수 있는 바, 이를 위하여 상기 배기 덕트에 배기 댐퍼가 설치되어 이 배기 댐퍼의 개폐량을 자동 제어함으로써 폐열공기를 이용한 난방시스템을 가동할 수 있도록 된 것이다.

따라서, 상기와 같이 열펌프의 일측에 배기 덕트와 외기 덕트가 설치됨으로써 열펌프를 순환하게 되는 폐열공기가 외부공기와 접촉되는 것을 막아주게 되어 열펌프의 성능계수를 높여주고, 이에 따라 열펌프를 저비용으로 효율적으로 운용할 수 있게 되며, 폐열공기의 온도저하를 막기 위해 설치되는 장치를 배제할 수 있기 때문에 값싼 비용으로 에너지의 재활용을 이룰 수 있는 것이다.

도 1은 일반적인 열펌프의 기본 구성을 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 폐열 순환식 열펌프의 구성을 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 폐열 순환식 열펌프가 적용된 난방 시스템을 나타낸 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 열펌프 2 : 열펌프 하우징

3 : 송풍팬 4 : 급기구

5 : 응축기 6 : 환기구

7 : 폐열공기 유입구 8 : 증발기

9 : 배기 덕트 10 : 외기 덕트

11 : 순환공기 출구 12 : 폐열환기 댐퍼

13 : 배기 댐퍼 14 : 바이패스 댐퍼

15 : 외기 댐퍼 16 : 열교환기

17 : 난방코일 18 : 온수 탱크

19 : 과열기 20 : 수동식 팽창밸브

21 : 모츄럴 모우터 in : 실내측

out : 실외측 s1,s2 : 솔레노이드 밸브

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 폐열 순환식 열펌프의 구성을 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폐열 순환식 열펌프가 적용된 난방 시스템을 도시한 구성도이다.

상기한 도면들에 의해 본 발명의 구조를 설명하면, 동절기에 열풍을 공급하기 위한 열펌프(1)는 실내측(in)과 실외측(out)으로 나뉘어진 열펌프 하우징(2)이 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 송풍팬(3)의 열풍을 실내로 급기하는 급기구(4)가 형성되며, 상기 송풍팬(3)의 일측에 열을 발생시키는 응축기(5)가 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 실내공기를 열펌프 하우징(2)으로 환기하는 환기구(6)가 형성되며, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 실내를 순환하는 일정 온도의 폐열공기가 유입될 수 있는 폐열공기 유입구(7)가 형성되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 송풍팬(3)과 증발기(8)가 일정 간격을 두고 각각 설치되는 한편, 상기 실외측(out)의 송풍팬(3)에 연결되어 폐열공기를 외부로 배기시킬 수 있도록 된 배기 덕트(9)가 설치되며, 상기 배기 덕트(9)의 하단으로부터 분기되어 외기를 유입시킬 수 있도록 된 외기 덕트(10)가 설치되고, 상기 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)의 하단 연결부에 순환공기를 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)으로 들여 보내는 순환공기 출구(11)가 형성된 구조이다.

여기서, 상기 열펌프(1)의 특징은 그 외측에 폐열공기를 순환시킬 수 있도록 된 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)가 연결설치된 것에 있는 바, 상기 배기 덕트(9)는 증발기(8)의 송풍팬(3)과 연통되게 설치되어 공기를 바이패스시키거나 온도가 저하된 폐열공기를 배기시킬 수 있고, 상기 외기 덕트(10)는 열펌프 하우징(2)의 순환공기 출구(11)에 연통되게 설치되어 외기를 실외측(out)의 증발기(8)로 공급할 수 있도록 된 것이다.

그리고, 상기 폐열공기 유입구(7)와 배기 덕트(9) 및 외기 덕트(10)에 각각 설치된 폐열환기 댐퍼(12)와, 배기 댐퍼(13), 바이패스 댐퍼(14) 및, 외기 댐퍼(15)는 폐열공기의 온도에 따라 자동으로 그 개폐량 조절됨으로써 계절에 따라 폐열공기의 흐름을 비례제어할 수 있도록 된 것이다.

즉, 상기 열펌프(1)에 설치된 댐퍼들의 개폐량은 아래의 표에 나타낸 바와 같이 하절기와 동절기에 따라 다르게 되는 바, 아래의 표를 참조로 설명하면 다음과 같다.

	하 절 기	동 절 기
폐열환기 댐퍼(12)	10% 정도 열림	10% 정도 열림
배기 댐퍼(13)	100% 열림	10% 정도 열림
바이패스 댐퍼(14)	완전히 닫힘	90% 정도 열림
외기 댐퍼(15)	90% 정도 열림	완전히 닫힘

그러므로, 하절기의 경우 폐열공기의 온도에 따라 상기 폐열환기 댐퍼(12)는 10% 정도 개방된 상태를 유지하고, 상기 배기 댐퍼(13)는 100% 정도의 완전 개방상태를 유지하며, 상기 바이패스 댐퍼(14)는 완전히 닫혀진 상태를 유지함으로써 순환된 폐열공기가 열펌프 하우징(2)의 실외측으로 유입되는 것을 완전히 차단하게 되고, 상기 외기 댐퍼(15)는 90% 정도 열린 상태를 유지하도록 된 것이다.

따라서, 상기 댐퍼들의 제어에 의해 응축기의 흡입온도가 낮아진 상태로 흡입됨으로써 응축기의 냉각이 보다 효율적으로 이루어지는 것이다.

한편, 동절기의 난방 시스템을 운용하게 되는 경우 폐열공기의 온도에 따라 상기 폐열환기 댐퍼(12)는 10% 정도 개방된 상태를 유지하고, 상기 외기 댐퍼(15)는 완전히 닫혀진 상태를 유지함으로써 외부공기가 유입되는 것을 완전히 차단해 주며, 상기 바이패스 댐퍼(14)는 90% 정도의 개방된 상태를 유지함으로써 다량의 폐열공기를 순환시켜 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)으로 열원을 공급하고, 상기 배기 댐퍼(13)는 10% 정도의 개방상태를 유지함으로써 미량의 폐열공기를 배출시킬 수 있도록 된 것이다.

따라서, 상기와 같이 폐열공기를 순환 및 제어함으로써 상기 증발기의 증발 온도를 높여 주고, 상기 증발기에 기계 발생열과 환기된 폐열공기가 합쳐져 공급됨으로써 난방이 효율적으로 이루어지도록 하는 것이다.

그러므로, 하절기나 동절기에 상기 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)를 통해 순환되는 폐열공기의 온도에 따라 상기 댐퍼들의 개폐량이 자동으로 제어됨으로써 열펌프(1)가 효율적으로 운용되는 것이다.

다시말하자면, 상기의 구조로 이루어진 열펌프(1)는 그 외측에 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)가 연결설치됨으로써 폐열공기를 순환시켜 온도가 저하되지 않은 상태로 다시 열펌프(1)에 공급할 수 있는 바, 이를 위하여 상기 배기 덕트(9)에 배기 댐퍼(13)가 설치되어 이 배기 댐퍼(13)의 개폐량을 자동 제어함으로써 폐열공기를 이용한 난방시스템을 가동할 수 있도록 된 것이다.

그리고, 실내의 환기를 위해서는 시간당 1 - 2회 정도 상기 열펌프(1)를 이용하여 실시하게 되는 바, 실내의 오염된 공기를 외부로 직접 방출하지 않고 상기 바이패스 댐퍼(14)를 90% 정도 열어서 증발기(8)쪽으로 재순환시켜 증발기(8)의 열원으로 활용하다가 열원이 약해지면 상기 배기 댐퍼(13)를 10% 정도 개방시켜 배기시키게 되는 것이다.

또한, 상기 열펌프(1)는 상하 이중구조를 가지면서 실외장비가 설치되지 않기 때문에 외기 온도에 직접적인 영향을 받지 않고, 외부 배관공사를 할 필요가 없기 때문에 비용이 절감되며, 실외장비의 소음이나 열기 및 설치위치로 인한 이웃간의 마찰이 없어지게 되는 장점이 있는 것이다.

한편, 상기 열펌프(1)를 적용한 난방 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 열펌프(1)의 실내측(in) 응축기(5)에 열교환기(16)가 연결설치되고, 상기 열교환기(16)에 옵션용 난방코일(17)이 연결됨으로써 솔레노이드 밸브(s1)의 개폐를 통해 응축기(5)의 열을 공급함으로써 난방코일(17)을 가동시킬 수 있으며, 실외측(out)에는 증발기(8)가 온수 탱크(18)를 매개로 흡입개스 과열기(19)와 연결설치되고, 상기 증발기(8)의 일측에는 솔레노이드 밸브(s2)가 설치되어 증발기(8)의 공급압력에 따라 온/오프됨으로써 압력 강하에 의한 서리발생시 제상 및 압력 보상작용을 할 수 있도록 된 것이다.

그리고, 상기 증발기(8)의 타측에는 수동식 팽창밸브(20)가 설치되어 증발기(8)의 증발압력을 수동으로 제어할 수 있게 되고, 또한 상기 흡입개스 과열기(19)에는 히터를 설치하여 액맥을 방지함과 더불어 흡입개스를 과열시킬 수 있으며, 상기 흡입개스 과열기(19)는 열교환기(16)로 대체되어 사용될 수 있는 것이다.

그러므로, 상기 열펌프(1)를 이용하여 응축기(5)를 통해 난방코일(17)의 온도를 높일 수 있고, 상기 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)를 순환하는 폐열공기를 이용하여 방바닥의 난방 시스템을 가동할 수 있는 것이다.

따라서, 상기의 폐열 순환식 열펌프(1)에 의해 폐열공기가 외부공기와 접촉되어 그 온도가 저하되는 것을 방지하여 폐열을 이용한 난방 시스템을 보다 효율적으로 운용할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 폐열 순환식 열펌프에 의하면, 열펌프의 일측에 외부공기 덕트가 설치됨으로써 열펌프를 순환하게 되는 폐열공기가 외부공기와 접촉되는 것을 막아주게 되어 열펌프의 성능계수를 높여주고, 이에 따라 열펌프를 저비용으로 효율적으로 운용할 수 있게 되며, 폐열공기의 온도저하를 막기 위해 설치되는 장치를 배제할 수 있기 때문에 값싼 비용으로 에너지의 재활용을 이룰 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

동절기에 열풍을 공급하기 위해 실내측(in)과 실외측(out)으로 나뉘어진 열펌프 하우징(2)이 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 송풍팬(3)의 열풍을 실내로 급기하는 급기구(4)가 형성되며, 상기 송풍팬(3)의 일측에 열을 발생시키는 응축기(5)가 구비되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실내측(in)에 실내공기를 열펌프 하우징(2)으로 환기하는 환기구(6)가 형성되며, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 실내를 순환하는 일정 온도의 폐열공기가 유입될 수 있는 폐열공기 유입구(7)가 형성되고, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 송풍팬(3)과 증발기(8)가 일정 간격을 두고 각각 설치되는 한편, 상기 실외측(out)의 송풍팬(3)에 연결되어 폐열공기를 외부로 배기시킬 수 있도록 된 배기 덕트(9)가 설치되며, 상기 배기 덕트(9)의 하단으로부터 분기되어 외기를 유입시킬 수 있도록 된 외기 덕트(10)가 설치되고, 상기 배기 덕트(9)와 외기 덕트(10)의 하단 연결부에 순환공기를 열펌프 하우징(2)의 실외측으로 들여 보내는 순환공기 출구(11)가 형성된 폐열 순환식 열펌프.
제 1 항에 있어서, 상기 열펌프 하우징(2)의 실외측(out)에 형성된 폐열공기 유입구(7) 후방에 모츄럴 모우터(21)의 작동으로 개폐되는 폐열환기 댐퍼(12)가 설치되고, 상기 실외측(out) 송풍팬(3)에 연결된 배기 덕트(9)의 내측 상부에 모츄럴 모우터(21)의 작동으로 개폐되는 배기 댐퍼(13)가 설치되며, 상기 배기 댐퍼(13)의하부에 송풍팬(3)의 공기를 바이패스시킬 수 있도록 된 바이패스 댐퍼(14)가 모츄럴 모우터(21)를 매개로 설치되고, 상기 외기 덕트(10)의 내측 소정부에 모츄럴 모우터(21)의 작동으로 개폐되는 외기 댐퍼(15)가 설치되어, 상기 댐퍼들이 폐열공기의 온도에 따라 자동으로 그 개폐량 조절됨으로써 계절에 따라 폐열공기의 흐름을 비례제어할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 폐열 순환식 열펌프.