KR20040062668A - 물의 가열 및 공기조화를 위한 에너지 절약형 열 펌프 시스템 - Google Patents

물의 가열 및 공기조화를 위한 에너지 절약형 열 펌프 시스템 Download PDF

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퀀텀 에너지 테크놀로지스 피티와이 리미티드
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Abstract

본원 발명은 물을 가열하고 공기를 조화하기 위한 열 펌프 시스템을 제공하는 것으로서, 시스템 내에 냉매를 순환시키기 위한 하나 이상의 콤프레서, 물을 가열하기 위한 열 교환기를 구비하고, 가열된 물을 저장하는 물탱크, 냉방, 또는 물의 가열 및/또는 난방의 동작 모드 각각에서 실외로 열을 방출하거나 또는 실외로부터 열을 얻기 위한 실외 열 교환기 및 팬 및, 공기를 조화하여 실내공간에 공급하기 위한, 팬을 구비한 실내 열 교환기를 포함한다.
본원 발명의 열 펌프 시스템은 특히 매일 매일 온수를 필요로 하거나 일년 내내 냉방을 필요로 하는 곳에 적합하다. 상기 시스템은 또한 주기적으로 냉방을 하며 일년 내내 물을 가열하거나, 주기적으로 냉난방을 하며 일년 내내 물을 가열해야 하는 곳등에도 적합하며, 냉난방을 동시에 하는 곳에도 적합하다.

Description

물의 가열 및 공기조화를 위한 에너지 절약형 열 펌프 시스템 {ENERGY EFFICIENT HEAT PUMP SYSTEMS FOR WATER HEATING AND AIR CONDITIONING}
참고로 본 명세서를 통해 소개되는 선행기술들은 결코 그들이 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려지거나 일반적으로 받아들여지는 지식으로 인식되어서는 안될 것이다.
미국특허 US 4,766,734 에는 공기 조화와 쾌적대 난방 및, 물의 가열을 위한 열 펌프 시스템이 개시되어 있다. 이러한 시스템에 기초하여, 미국특허 US 5,050,394에는 공기를 조화하고 물을 가열하기 위한 개량된 열 펌프 시스템이 개시되어 있다. 전통적으로, 공기를 조화하고 물을 가열하기 위한 열 펌프는 시스템 내에서 냉매를 순환시키기 위한 콤프레서, 물을 가열하기 위한 열 교환기, 냉난방 및 냉난방되는 공간에 냉난방 공기를 공급하기 위한 실내 열 교환기 및, 실외 대기로 또는 실외 대기로부터 열을 발산시키거나 빼앗기 위한 실외 팬을 구비한 실외 열 교환기로 구성된다. 미국 특허 US 5,050,394 에 개시되어 있는 신규한 측면은 시스템이 냉방에 걸리는 부하에 따라 콤프레서의 속도를 조절하는 수단을 포함한다는 것이다. 전통적인 시스템에서 콤프레서로부터 배출되는 냉매는 먼저 열 교환기로 들어가고, 이후 실외 열 교환기를 지나게 된다. 미국 특허 US 5,050,394 에는 이러한 시스템은 실외 팬이 정지되어 냉매로부터 방출되는 대부분의 열이 물을 가열하는데 사용되는 완전 응축 모드(full condensing mode)와, 냉매로부터 방출되는 대부분의 열이 실외 열 교환기에 의해 실외 공기로 전달되도록 실외 팬이 작동하는 완열 모드(desuperheating mode)에서 작동할 수 있다고 개시되어 있다. 그러나, 이러한 시스템의 문제점들중 한가지는 상기 완열 모드에서도 열 교환기에서 부분적인 응축이 발생할 수 있다는 것이다. 이는 시스템의 응축온도가 시스템을 비효율적으로 작동시키는 불필요한 높은 (가열된 물의 온도 보다 높은)수준으로 올라간다는 것을 의미한다. 반면, 물의 온도를 유지하기 위해 필요로 하는 열보다 더 많은 열이 계속적으로 물에 전달될 수 있고, 이는 물을 설정값 이상으로 뜨겁게 만든다. 또한, 물의 온도가 높아질수록 콤프레서의 온도도 높아지게 되는데, 이는 컴프레서에 악영향을 미친다.
따라서, 상술한 문제를 극복하고, 보다 에너지 효율적이며 신뢰할 수 있는 방식으로 작동하는 열 펌프 시스템을 만드는 것이 바람직하다.
또한, 다양한 냉방과 난방에 걸리는 부하를 경제적으로 충족시키면서도 서로 영향을 미치지 않는 물의 가열 및 공기 조화를 위한 열 펌프를 제공하는 것이 바람직하다. 즉, 난방 측에 부하가 변했을 때, 시스템이 냉방 측에 영향을 주지 않기에 적합할 수 있어야 하며, 냉방 측에 부하가 변했을 때, 시스템이 난방 측에 영향을주지 않기에 적합할 수 있어야 한다.
또한, 일년 내내 물을 가열하고 냉방을 하거나, 일년 내내 물을 가열하고 주기적으로 냉방을 하거나, 일년 내내 물을 가열하고 주기적으로 냉방과 난방을 하는 경우와 같이 다양하게 요구되는 모드에서 에너지 효율적으로 작동하기에 적합한 물의 가열 및 공기 조화를 위한 열 펌프를 제공하는 것이 바람직하다.
선행기술의 결점들중 적어도 하나를 극복하거나 개량하고, 혹은 유용한 대안책을 제시하는 것이 본 발명의 목적이다.
본원 발명은 열 펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 일년 내내 냉방을 실시하거나 또는 주기적으로 냉방과 난방을 실시하면서 일년 내내 물을 가열할 수 있는 높은 에너지 효율을 갖는 열 펌프 시스템에 관한 것이다.
도 1 은 본원 발명에 따른 열 펌프 시스템의 개략도이다.
본원 발명은 물의 가열 및 공기조화를 위한 열 펌프 시스템을 제공한다. 본원 발명에 따른 이러한 열 펌프 시스템은 시스템 내에서 냉매를 순환시키기 위한 하나 이상의 콤프레서와, 더운물을 저장하고 가열하기 위한 열 교환기를 갖는 물탱크, 공기를 냉각하거나 물의 가열 및/또는 공기의 난방 작동 모드 각각에 있어 외부로 열을 방출하거나 외부로부터 열을 얻기 위한 실외 열 교환기 및 팬, 그리고 실내에 공기를 정화하여 공급하기 위한 팬을 구비한 실내 열 교환기를 포함한다.
본원발명에 따르면, 물이 가열되어야 할 때면 먼저 콤프레서로부터 배출된 고온의 증기상태 냉매가 액체 상태 또는 차냉각 액체 상태(subcooled liquid state)로 냉각되면서 물을 가열하기 위하여 열 교환기로 들어가고, 이후 좀 더 냉각되기 위하여 실외 열 교환기로 들어가게 된다. 물이 설정값으로 가열되고 나면, 콤프레서로부터 배출된 증기상태의 냉매는 대기로 열을 방출하기 위하여 실외 열 교환기로 바로 들어가게 된다. 이렇게 해서 낮은 응축온도가 얻어지게 된다.
본원 발명에 따르면, 코일을 나오는 냉매의 온도가 외부 대기의 온도보다 일정값 이상 높을 때, 실외 팬은 이 온도차에 비례하여 팬의 속도가 변하면서 작동한다. 이렇게 하여, 냉매는 상대적으로 일정한 온도로 냉각되어 질 수 있고, 따라서, 가열에 걸리는 부하에 관계없이 냉각 쪽에는 별 영향을 주게 되지 않는다. 공급 팬 및/또는 콤프레서 또한 냉각에 걸리는 부하, 예를 들어, 실내의 온도 조절장치 설정값과 냉각되어지는 공간의 온도와의 차이에 따라 속도가 변하여 작동하는 것이 바람직하다.
본원 발명에 따른 시스템은 일년 내내 물을 가열하거나 집안을 냉방할 필요가 있는 장치에 특히 적합하다. 또한 본원발명에 따른 시스템은 주기적으로 냉방을 하면서 일년 내내 물을 가열하거나, 또는 주기적으로 냉난방을 하면서 일년 내내 물을 가열하는 등의 상황에 적합하며, 공간을 동시에 냉난방하기 위한 장치에도 사용되어 질 수 있다.
본원 발명에 따르면, 냉매가 콤프레서로부터 배출되어 나갈 때, 두 가지 길이 있다. 물이 가열되어야 할 때에는, 콤프레서로부터 배출된 냉매가 물을 가열하기 위하여 열 교환기로 들어가고, 이후 좀 더 냉각되기 위하여 실외 열 교환기로 들어가게 된다. 물이 설정값으로 가열되고 나면, 콤프레서로부터 배출된 냉매는 조절장치 및 하나이상의 관련 밸브에 의해 그 진행경로가 조절되어, 실외 열 교환기로 우회 또는 전환되어 직접 들어가게 된다. 설정온도는 60℃에서 65℃ 사이에 있는 것이 바람직하다. 실외 대기의 온도가 가열된 물의 온도보다 현저히 낮기 때문에, 낮은 응축온도가 얻어질 수 있다. 증발온도가 주어진 상태에서는 응축온도가낮으면 낮을수록 시스템의 효율은 높아지게 된다. 따라서 본원발명에 따른 이러한 설비는 높은 에너지 효율의 작동 모드를 제공하게 된다. 만약 실외 열 교환기가 코일이라면, 코일을 나오는 냉매의 온도가 외부 공기의 온도보다 일정값 이상 높을 때 실외 팬이 작동한다
본원 발명에 따르면, 배출용 실외 팬의 속도는 코일을 나오는 냉매와 외부 공기의 온도 차이의 크기에 정비례하여 바람직하게 변할 수 있다. 이러한 방식에 의해 팬에 공급되는 전력의 소비를 경제적으로 하면서도 냉매를 같은 양만큼 냉각시킬 수 있다. 가열된 물과 비교하여 보면, 외부 공기의 온도변화는 작고, 따라서 냉각된 냉매의 온도변화도 작게된다. 또한, 응축온도에 따라 물을 가열하는 부하가 변한다 하더라도, 냉각 측에 미치는 영향은 거의 없게된다.
콤프레서로부터 배출되는 냉매의 경로를 조절하기 위한 신호는 물 또는 탱크 벽의 열 센서 또는 온도 조절 장치(thermostat)에 따라 제어기에 의해 제공될 수 있다.
실외 팬의 속도를 조절하기 위한 신호는 실외 코일을 나오는 냉매 및 실외 대기 온도의 신호에 따라 제어기에 의해 제공된다. 실험해본 결과, 물 가열기로부터 배출되는 냉매의 온도는 짧은 시간(일반적으로 장치가 가동된 후 2~3분) 안에 실외 대기의 온도를 넘게 된다. 이 온도 차이가 소정값 이상이 되면 실외 팬이 작동하는데, 온도 차이가 크면 클수록 팬의 작동 속도는 더 빨라진다.
특별히 명시하지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 있어서 '~을 포함하는', '~을 포함한다', 및 이와 유사한 단어들은 한정적인 의미가 아닌 일체를 포함하는총괄적인 의미 즉, '~을 가지되, 이것에만 한정되지는 않는'의 의미로 해석되어져야 한다.
본원 발명에 따른 바람직한 실시예를 도1에 도시되어 있는 본원발명에 따른 열 펌프 시스템의 개략도를 참조해가며 설명한다.
도 1에 도시된 열 펌프 시스템의 바람직한 실시예는 콤프레서(1), 물탱크(2), 파이프라인(21, 22) 및 파이프라인(22)의 밸브(12)에 의해 콤프레서(1)에 연결된 물 가열용 열 교환기(3), 파이프라인(23)과 파이프라인에 있는 밸브 및 파이프라인(25)에 의해 열 교환기(3)에 연결되고 또한 파이프라인(24)과 파이프라인에 있는 밸브(14) 및 파이프라인(25)에 의해 콤프레서(1)에 연결된 실외 열 교환기(4), 파이프라인(26)에 의해 실외 열 교환기(4)에 연결된 필터/드라이어/어큐뮬레이터 (filter/drier/accumulator, 6) 및, 파이프라인(27)과 팽창수단(7) 및 파이프라인(28)에 의해 필터/드라이어/어큐뮬레이터(6)에 연결되고 또한 회로를 완성하기 위하여 파이프라인(29) 및 경우에 파이프라인에 있는 흡입 필터/리시버 (suction filter/receiver, 10)에 의해 콤프레서(1)에 연결된 실내 열 교환기(8)를 포함한다.
실외 열 교환기(4)는 핀이 있는 코일 타입이 바람직하며, 만약 공기가 열원이나 히트싱크(heat sink)로 쓰인다면 핀 코일을 지나 공기를 배출하거나 인입하기위한 팬(5)을 갖는다. 팬(5)의 동작 속도는 제어기(11)로부터의 신호에 따라 가변적이다. 일반적으로 실외 열 교환기(4)는 실외에 위치되는게 보통이지만, 실내에도 위치될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 그러나 이러한 경우에 있어서도 실외 열 교환기가 열에너지(더운 또는 차가운 공기)를 소위 '실내 열 교환기'에 의해 냉난방되는 공간과 같은 공간 또는, 열 교환기로부터 나오는 더운 또는 차가운 공기가 존재해서는 안돼는 공간에 배출하도록 해서는 안 된다.
실내 열 교환기(8) 역시 핀이 있는 코일 타입이며, 핀 코일을 지나 공기를 배출하거나 인입하기 위한 팬을 갖는 것이 바람직하다. 본원 발명에 사용될 수 있는, 팬이 부착된 핀 코일 열 교환기는 1996년 4월 10일에 출원된 호주 특허 출원 NO. PN9202호 및 1997년 4월 9일에 출원된 호주 특허 출원 NO. 17803/97호에 개시되어 있다.
콤프레서(1)는 전기에 의해 구동되며, 사용시에 냉매를 열 펌프 시스템 내에서 순환시키도록 배치된다. 콤프레서는 파이프라인(29)을 통해 실내 열 교환기(8)(또는 필터/리시버, 10)으로부터 냉매를 회수한다. 콤프레서(1)로부터 배출된 냉매가 지나가는 경로는 다음과 같다. 물을 가열해야 할 때, 콤프레서(1)로부터 배출된 고온의 증기상태 냉매는 증기상태의 냉매가 액체상태 또는 차냉각 액체상태로 냉각되며 물을 가열하기 위하여 파이프라인(21, 22)을 통하여 먼저 열 교환기(3)로 들어가고, 이후 더 냉각되기 위하여 파이프라인(23, 25)을 통하여 실외 열 교환기(4)로 들어간다(밸브 12와 13은 개방되고, 밸브 14는 폐쇄된다). 물이 소정값(예를 들어, 60℃)까지 가열되고 나면, 열 교환기(3)는 밸브(12, 13)가 폐쇄됨으로써 고립되고, 콤프레서(1)로부터 배출된 증기상태의 냉매는 열을 실외 대기에 배출하기 위하여 실외 열 교환기(4)로 직접 가게된다(밸브 12와 13은 폐쇄되고, 밸브 14는 개방된다). 실외 환경(물 또는 공기)의 온도가 가열되는 물의 온도보다는 훨씬 낮기 때문에 열 교환기(3)로부터 나오는 냉매는 더 냉각될 수 있고, 물이 가열되면, 냉매는 낮은 온도의 실외 대기에 의해 직접 냉각되므로 낮은 응축온도를 얻을 수 있게 된다. 같은 증발온도에서는 응축온도가 낮으면 낮을수록 시스템의 효율은 더 높아지게 된다. 따라서 본원발명에 따른 이러한 설비는 높은 에너지 효율 모드를 제공하게 된다. 상기 밸브는 물 또는 탱크 벽의 온도를 감지하기 위한 열 센서 또는 온도 조절 장치(15)에 연결된 제어기(11)에 의해 제어된다.
만약, 실외 열 교환기(4)가 코일이라면, 실외 팬(5)은 코일(4)을 나오는 냉매의 온도가 대기의 온도를 일정량 초과할 때 작동된다. 실외 팬(5)의 속도는 상기 온도차의 크기에 비례하여 가변적인 것이 바람직하다. 즉, 온도차가 크면 클수록, 팬은 더 빠른 속도로 작동하게 된다. 이렇게 하여 냉매는 팬에 공급되는 전력의 소비를 경제적으로 하면서도 (설계되어진 것과)동일한 양만큼 냉각되어 진다.
가열되어지는 물과 비교하여 보면, 실외 공기의 온도 변화는 매우 적고, 따라서 냉각된 냉매의 온도 변화도 적으며, 또한, 응축온도에 따라 물을 가열하는 부하가 변한다 하더라도, 냉각 측에 미치는 영향은 거의 없게된다. 실외 팬(5)은 냉매 온도 센서(16)와 실외 온도 센서(17)에 의해 감지된 신호에 따라 제어기(11)에 의하여 제어된다.
이후, 냉각된 액체상태의 냉매는 스로틀 밸브, 팽창 밸브 또는, 기타 다른수단을 포함하는 팽창 수단(7)에 의해 팽창되어 진다. 팽창 수단(7)을 지난 후, 냉매의 압력과 온도는 하강한다. 냉매의 온도는 열원, 예를 들어, 냉난방되는 실내 공기의 온도 아래로 떨어져서, 실내 열 교환기(8)에서는 열원(예를 들어, 실내 공기)으로부터 냉매로 열이 전달된다. 냉매는 실내 공기가 냉각되는 동안 증발되거나 심지어는 과열되기도 한다. 팬(9)은 열 전달 효과를 높이기 위해 실내 공기가 일정한 속도를 가지고 코일(8)을 지나가도록 하며, 또한 냉방되는 공간의 온도 분포가 고르게 되도록 냉각된 공기를 더 먼 공간으로 보낸다.
시스템이 공기 조화의 부하량에 효과적으로 응답하게 만들기 위하여, 콤프레서(1)도 또한 그 동작 속도가 냉각 부하, 예를 들어, 실내 온도 조절 장치의 설정값과 냉난방되는 공간의 온도와의 차이에 관계되어 가변적인 속도로 작동되도록 구성된다.
본원 발명의 열 펌프 시스템은 특히 매일 매일 온수를 필요로 하거나 일년 내내 냉방을 필요로 하는 곳에 적합하다. 상기 시스템은 또한 주기적으로 냉방을 하며 일년 내내 물을 가열하거나, 주기적으로 냉난방을 하며 일년 내내 물을 가열해야 하는 곳에도 적합하다.
또한, 본원 발명의 열 펌프 시스템은 일년 내내 물을 가열하고, 냉방과 난방을 동시에 해야 하는 경우에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 겨울에도 어떤 건물에서는 외부는 난방이 필요한 반면, 내부는 냉각을 해야할 필요가 있는 구역이 있는데, 이럴 때 실외 대기로 배출될 열을 사용함으로써 난방이 공급될 수 있다. 또한상기 시스템을 다른 경우에 사용할 수도 있다. 예를 들어, 실외로부터 흡입되는 공기는 냉난방되는 공간으로부터 배출되는 공기에 의해 미리 냉방되거나 난방될 수 있고, 냉난방되는 공간으로부터 배출되거나 흡입공기/배출공기 열 교환기로부터 배출되는 공기는 실외 열 교환기로 공급될 수 있다.
비록 특정한 실시예를 참조하여 본원발명을 기술하였지만, 본원발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 다양한 여러 가지 형식으로 본원발명을 구체화 시킬 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 물을 가열하고 공기를 조화하기 위한 열 펌프 시스템에 있어서,
    상기 시스템 내에 냉매를 순환시키기 위한 하나 이상의 콤프레서,
    물을 가열하기 위한 열 교환기를 구비하고, 가열된 물을 저장하는 물탱크,
    냉방, 또는 물의 가열 및/또는 난방의 동작 모드 각각에서 실외로 열을 방출하거나 또는 실외로부터 열을 얻기 위한 실외 열 교환기 및 팬 및,
    공기를 조화하여 실내공간에 공급하기 위한, 팬을 구비한 실내 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    물을 가열할 때, 콤프레서로부터 배출된 고온의 증기상태 냉매가 액체 상태 또는 차냉각 액체 상태로 냉각되면서 물을 가열하기 위하여 먼저 열 교환기로 들어가고, 이후 더 냉각되기 위하여 실외 열 교환기로 들어가는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    물이 소정의 온도로 가열된 후에, 콤프레서로부터 배출된 증기상태의 냉매가 열을 대기에 방출하도록 실외 열 교환기로 직접 들어가는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소정의 온도는 60℃ ~ 65℃인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실외 팬은 코일을 나오는 냉매의 온도가 대기의 온도보다 소정값이상일 때 작동하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실외 팬의 속도는 코일을 나오는 냉매와 대기의 온도 차이의 양에 비례하여 변하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    공급 팬의 작동 속도는 냉각에 걸리는 부하량에 따라 가변적인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 콤프레서는 냉각에 걸리는 부하량에 따라 가변적인 속도로 작동하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실외 열 교환기는 핀이 있는 코일 타입인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실내 열 교환기는 핀이 있는 코일 타입인 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    열 센서 또는 온도 조절 장치로부터의 신호에 응하여, 제어기에 의해 콤프레서로부터 배출되는 냉매의 경로를 제어하기 위한 신호가 제공되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    실외로 나오는 냉매와 대기의 온도를 측정하는 온도 센서로부터의 신호에 응하여, 제어기에 의해 실외 팬의 속도를 제어하기 위한 신호가 제공되는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
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