KR200411589Y1

KR200411589Y1 - 냉난방 겸용 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR200411589Y1
Application number: KR2020050033853U
Authority: KR
Inventors: 김규식
Original assignee: 공항시설관리 주식회사
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2006-03-15

Abstract

본 고안은 냉난방 겸용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 히트펌프 사이클 내에서 순환냉매와의 열교환을 통해 냉각 또는 가열이 이루어진 물을 순환시켜 선택적인 실내 냉.난방과 함께 언제나 급탕 이용이 가능하도록 하고 외기와의 열교환을 위한 집열탱크를 구성함으로서 효과적인 냉.난방이 이루어질 수 있도록 하기위한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 고안은, 실내 공기와의 열교환을 위해 실내측에 설치되는 실내 열교환기(10)와, 상기 실내 열교환기(10)와의 냉수 순환 배관(A)이 연결된 증발기(24) 및 온수 순환 배관(B)이 연결된 응축기(22)를 포함하여 압축기(21)와 팽창밸브(23)가 내부에서 냉매 순환 사이클을 이루고 있는 히트펌프 본체(20)와, 상기 온수 순환 배관(B)에 제1분기배관(B')으로 연결되어진 온수탱크(30)와, 상기 냉수 순환 배관(A)에 제2분기배관(A')으로 연결되어진 집열탱크(40)와, 상기 집열탱크(40)로 실외로 부터 취득된 열을 전달하기 위한 집열 배관(C)이 순환 사이클로 연결 되어진 외부 열교환기(50)의 구성을 이룸을 특징으로 한다.

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Description

냉난방 겸용 히트펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM FOR COOLING AND HEATING}

도 1은 본 고안 냉난방 시스템의 개략적인 전체 구성도.

도 2는 본 고안 시스템의 난방 운전시 유로 순환 상태도.

도 3은 본 고안 시스템의 냉방 운전시 유로 순환 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 실내 열교환기 20 : 히트펌프 본체

21 : 압축기 22 : 응축기

23 : 팽창밸브 24 : 증발기

25 : 제1열교환부 26 : 제2열교환부

27 : 수액기 30 : 온수탱크

40 : 집열탱크 50 : 외부 열교환기

51 : 외기 열교환파이프 52 : 지열 교환파이프

60 : 예열탱크 71 : 입수측 분배기

72 : 출수측 분배기 A": 연결배관

A : 냉수 순환배관 B : 온수 순환배관

A': 제2 분기배관 B': 제1 분기배관

C : 집열 배관 D : 예열 관로

본 고안은 냉난방 겸용 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 히트펌프와의 열교환에 의해 고온 또는 저온이 이루어진 물을 배관을 통해 순환시키면서 실내 냉.난방을 선택적으로 실시하고 이와 동시에 급탕의 사용이 가능토록 하기 위한 히트펌프 시스템 구성에 관한 것이다.

일반적으로, 히트펌프(Heat Pump)는 냉방 및 난방이 선택적으로 이루어짐이 가능하도록 한 공기조화기로서, 상기 냉방모드나 난방모드를 선택함에 따라 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택된 모드에 따라 냉방이 행하여지거나 난방이 행하여지도록 한 것임은 주지된 사실이다.

그러나, 종래의 히트펌프는 공기 방식 또는 물 방식을 사용하였으며, 그중 공기 방식을 사용하는 것은 냉매를 직접 순환하는 방식으로 이루어졌기 때문에 효율이 떨어지고 냉.온수를 동시에 만들기가 어렵게 된다.

본 고안은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 고온 또는 저온의 물을 순환시키면서 실내와의 열교환이 이루어질 수 있는 히트펌프 시스템 구성을 제공함으로서 냉수 및 온수의 순환 배관을 이용하여 보다 효율적인 실내 냉.난방이 이루어짐과 함께 급탕의 이용 또한 용이하게 이루어질 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적은, 실내 공기와의 열교환을 위해 실내측에 설치되는 실내 열교환기와, 상기 실내 열교환기와의 냉수 순환 배관이 연결된 증발기 및 온수 순환 배관이 연결된 응축기를 포함하여 압축기와 팽창밸브가 내부에서 냉매 순환 사이클을 이루고 있는 히트펌프 본체와, 상기 온수 순환 배관에 연결되어진 온수탱크와, 상기 증발기 및 응축기와 선택적인 배관 연결이 가능하도록 구성된 집열탱크와, 상기 집열탱크로 지열 또는 공기중의 열을 전달하기 위한 순환 배관이 연결 되어진 외부 열교환기의 구성을 이룸을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템을 통해 이룰 수 있게 된다.

이하, 본 고안의 구체적인 실시 예를 첨부도면을 참조하여 이하에서 살펴보기로 한다.

먼저, 본 실시 예에 따른 전체적인 냉난방 시스템 구성을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 FCU(Fan Coil Unit)나 AHU(Air Handling Unit)와 같은 실내 공조용 설비로 이루어지는 실내 열교환기(10)와, 통상의 히트펌프 구성인 압축기(21)와 응축기(22). 팽창밸브(23). 증발기(24)의 냉매 순환구조를 이루고 있는 히트펌프 본체(20)와, 급탕 또는 난방용 용수가 저장되는 온수탱크(30)와, 냉방시 응축기(22)의 열을 냉각하고 난방시 증발기(24)로 열을 공급하는 집열탱크(40)와, 외기 열교환파이프(51)와 지열 교환파이프(52)로 이루어져 외부의 열을 흡수하여 순환 집열 배관(C)을 통해 집열탱크(40)에 축열하거나 집열탱크(40)에 축열된 열을 방열하기 위해 연결된 외부 열교환기(50)와, 급수되는 물을 온수탱크(30)로 공급하기 전에 히트펌프 본체(20) 내의 냉매열을 이용해 1차로 예열시키게 되는 예열탱크(60)가 각각의 배관(A,A'A",B,B',C,D)에 의해 상호 연결되어 이루어지게 된다.

상기 집열 배관(C)내를 순환하는 열 수송매체는 물을 사용하게 되며, 동절기에 외기 열교환파이프(51)를 사용코자 하는 경우에는 부동액을 열 수송매체로 사용함이 바람직 하다.

특히, 히트펌프 본체(20)에서 실내 열교환기(10)측으로 온수 순환배관(B)을 통해 난방수를 공급하는 응축기(22)와 팽창밸브(23)사이에 제1열교환부(25)를 설치하여 예열탱크(60)의 물이 예열관로(D)를 통해 순환되어질 수 있도록 함으로, 고온의 순환냉매와 예열관로(D)를 통해 공급되는 저온의 급수간에 열교환이 이루어져 상호 열효율을 높일 수 있도록 하였다.

또한, 실내 열교환기(10)측으로 냉수 순환배관(A)을 통해 냉수를 공급하는 증발기(24)와 압축기(21) 사이에는 제2열교환부(26)를 설치하여 팽창밸브(23)측으로 유입되는 냉매를 과 냉각시켜 효율을 증대시키는 역할을 수행하게 된다.

한편, 냉수 순환배관(A)과 온수 순환배관(B)에는 각각 난방 또는 냉방운전에 따른 선택적인 유로 개방이 이루어지도록 제1개폐밸브(V1,V2,V3,V4)가 구비되었으며, 제2 분기배관(A')에는 난방 운전시 개방이 이루어지는 제2개폐밸브(V5,V6)가 구비되었고, 연결배관(A")에는 냉방 운전시 집열탱크(40)와 응축기(22)간 유로를 개방하기 위한 제3개폐밸브(V7,V8)이 각각 구비되었다.

또한, 온수탱크(30)와 집열탱크(40), 예열탱크(60) 내에는 상부와 하부에 각각 입수측 분배기(71)와 출수측 분배기(72)를 설치함으로서, 각 탱크 내부에서 상 부의 높은온도의 물과 하부의 낮은 온도의 물이 섞이지 않고 물의 비중차이에 의해 상.하부 층으로 분리되도록 함으로서 열교환 효과를 증대시키도록 하였다.

도면 중 미설명 부호 27은 히트펌프 본체(20) 내에서 순환냉매가 저장되는 수액기이고, P는 배관내의 물을 순환시키기 위한 순환펌프이며, V9는 온도조절밸브를 나타낸다.

이와 같은 구성을 이루는 본 고안 냉난방 시스템의 동작에 따른 작용효과를 살펴보기로 한다.

먼저, 히트펌프 본체(20) 내에서는 압축기(21)에서 저압의 냉매가스를 흡입 압축하면 고온, 고압의 냉매가스가 되고, 이것을 유분리기(미도시)에서 오일과 냉매가스를 분리한다. 분리된 오일은 압축기(21)로 회수되고 고온의 냉매가스는 응축기(21)에서 열을 방출하고 냉매로 응축된다.

이때, 응축기(21)를 경유하여 온수 순환배관(B)을 통해 순환하는 물은 고온 냉매가스와의 열교환으로 인해 가열 온수가 된다.

한편, 응축기(21)에서 응축된 냉매는 제1열교환부(25)를 경유하는 과정에서 예열탱크(60)로 부터 예열관로(D)를 통해 순환되는 냉수와의 열교환으로 인해 과냉각되어 수액기(27)에 저장되고, 예열탱크(60)에서 순환되는 냉수는 예열이 이루어진 물로 변하여 예열탱크(60)로 회수되게 된다.

수액기(27)에서 나온 냉매는 전자밸브(미도시), 필터드라이어(미도시)를 거쳐서 제2열교환부(26)에서 다시 한번 압축기(21)로 회수되는 냉매가스와의 열교환에 의해 과냉각이 이루어지고, 과냉각된 냉매는 팽창밸브(23)에서 저압으로 감압되 고 증발기(24)에서 증발이 이루어진다. 이때, 냉수 순환배관(A)을 통해 순환되는 물은 증발기(24)에서의 열교환으로 인해 냉각되어 냉수가 된다.

증발기(24)에서 증발한 저온,저압의 냉매가스는 제2열교환부(26)에서 열교환 된 후 압축기(21)로 흡입되는 순환 사이클이 반복적으로 이루어지게 된다.

이와 같은 냉매 사이클이 히트펌프 본체(20) 내에서 이루어지는 과정에서 본 고안 시스템의 여름철 냉방운전 및 겨울철 난방운전시의 전체적인 냉수 및 온수의 순환 과정을 이하에서 도 2 및 도 3을 참조하여 각각 살펴보기로 한다.

<난방 운전시>

먼저, 겨울철 난방 운전시에는 도 2에 도시된 바와 같이 순환펌프(P)에 의해 온수 순환배관(B)을 순환하는 물은 응축기(22)에서 가열이 이루어진 후 실내 열교환기(10)측으로 공급 됨으로서 실내 난방이 이루어지게 됨과 함께 온수탱크(30) 내에는 예열탱크(60)로 부터 공급되는 예열수 및 응축기(22)를 경유한 난방용 고온의 물이 온수배관(B)내의 순환 과정에서 제1 분기배관(B')을 통해 공급되어지게 됨으로 항시 급탕 사용이 가능하게 된다.

한편, 이때에는 온수 순환배관(B)의 제1개폐밸브(V3,V4)와 온도조절밸브(V9)는 개방되고 냉수 순환배관(A)의 제1개폐밸브(V1,V2)는 폐쇄된 상태이며, 대신 제2 분기배관(A')의 제2개폐밸브(V5,V6)가 개방됨으로서 집열탱크(40)에 저장된 물은 증발기(24)와의 순환 유로를 이룸으로서 열원을 공급하여 증발기가 과냉각되는 것을 방지할 수 있게 된다.

특히, 집열탱크(40) 에서는 외부 열교환기(50)를 통해 외기와의 열교환 되어 진 저온수가 저장되어지나, 이는 증발기(24)에서 냉각된 물에 비해 상대적으로 열원을 갖고 있는 상태이므로 집열탱크(40) 내에서 상호간에 열교환이 이루어지면서 상대적으로 높은 온도의 물을 증발기(24)측으로 순환시키면서 히트펍프 본체(20)의 부하변동에 대한 조절기능 및 축열기능을 할 수 있게 된다.

<냉방 운전시>

냉방 운전시에는 도 3에 도시된 바와 같이 온수 순환배관(B)의 제1개폐밸브(V3,V4)가 폐쇄되고 냉수 순환배관(A)의 제1개폐밸브(V1,V2)이 개방되어짐으로서 실내 열교환기(10)측으로는 증발기(24)에서 냉각된 냉수가 냉수 순환배관(A)을 통해 공급되어짐으로 실내 냉방이 이루어지게 된다.

한편, 응축기(22)에서 가온 되어진 물은 제1 분기배관(B')을 통해 온수탱크(30)측으로 공급되어 급탕사용을 위해 보관되어지게 되며, 저장되는 물이 일정 온도 이상으로 된 경우에는 남는 열은 집열탱크(40)측으로 방열하게 된다.

이때에는 연결배관(A")의 제3개폐밸브(V7,V8)가 개방되어져 있으므로 온수탱크(30)에서 응축기(22)로 순환되는 물의 온도가 일정온도 이상일 때는 온도조절밸브(V9)가 닫혀 순환수가 연결배관(A")을 통해 집결탱크(40)를 경유하여 냉각된 물이 응축기(22)로 순환 공급된다.

이로 인해 온도가 높아진 집열탱크(40)내의 물은 지열교환 파이프(52) 또는 외기 열교환파이프(51)로 순환되면서 열을 방출하게 된다.

즉, 외부 열교환기(50)를 통해 집열탱크(40)로 유입되는 물은 외기의 영향으로 일정 온도를 갖고 있으나, 응축기(22)의 온도에 비해서는 상대적으로 저온의 상 태이므로 응축기(22)의 냉각에 일조할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 고안의 시스템은, 히트펌프 사이클 내에서 순환냉매와의 열교환을 통해 냉각 또는 가열이 이루어진 물을 순환시켜 선택적인 실내 냉.난방과 함께 언제나 급탕 이용이 가능하게 됨과 함께 집열탱크에 의해 증발기 또는 응축기의 부하변동 조절이 이루어질 수 있게 됨으로 보다 효과적인 냉.난방이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 지열을 이용하여 흡열 또는 방열에 사용토록 함으로 히트펌프 본체에서의 부하변동을 조절할 수 있게 된다.

또한, 외부로 부터 급수된 물이 예열탱크에서 1차 예열이 이루어진 후 온수탱크로 공급될 수 있도록 함으로서 온수 가열에 필요한 에너지 소비를 절감시킬 수 있게 된다.

특히, 히트펌프 본체 내에 제1,2 열교환부를 구성함으로서 냉매 열교환에 따른 열효율을 크게 향상시키는 이점을 나타낸다.

Claims

실내 공기와의 열교환을 위해 실내측에 설치되는 실내 열교환기(10);

상기 실내 열교환기(10)와의 냉수 순환 배관(A)이 연결된 증발기(24) 및 온수 순환 배관(B)이 연결된 응축기(22)를 포함하여 압축기(21)와 팽창밸브(23)가 내부에서 냉매 순환 사이클을 이루고 있는 히트펌프 본체(20);

상기 온수 순환 배관(B)에 제1분기배관(B')으로 연결되어진 온수탱크(30);

상기 냉수 순환 배관(A)에 제2분기배관(A')으로 연결되어진 집열탱크(40);

상기 집열탱크(40)로 실외로 부터 취득된 열을 전달하기 위한 집열 배관(C)이 순환 사이클로 연결 되어진 외부 열교환기(50);

로 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 히트펌프 본체(20)에는 응축기(22)를 통과한 고온 냉매가 경유되는 제1열교환부(25)가 구성되되, 상기 제1열교환부(25)에는 예열탱크(60)로 부터 급수된 물이 순환되어 열교환이 이루어질 수 있도록 예열 관로(D)가 연결 구비된 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 히트펌프 본체(20)에는 응축기(22)에서 팽창밸브(23)로 이송되는 과정 의 냉매와 증발기(24)에서 압축기(21)로 이송되는 냉매간의 열교환을 위한 제2열교환부(26)가 구비된 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 외부 열교환기(50)는 실외 공기와의 열교환을 위한 외기 열교환파이프(51)와, 지열과의 열교환을 위한 지열 교환파이프(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 집열탱크(40)는 개폐밸브(V7,V8)에 의해 선택적인 유로 개폐가 이루어지는 연결 배관(A")에 의해 응축기(22)와 순환유로를 이루는 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 온수탱크(30)와 집열탱크(40) 중 어느 하나 이상의 탱크에는 탱크내 상하부간 물의 온도차를 유지시키기 위한 입수측 및 출수측 분배기(71,72)가 상부와 하부에 각각 설치된 것을 특징으로 하는 냉난방 겸용 히트펌프 시스템.