KR20050089402A - 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템 - Google Patents

냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템에 의하면; 실내공기가 실외로 배출되도록 배기팬이 마련된 배기유로와 실외공기가 실내로 유입되도록 급기팬이 마련된 급기유로가 구획되게 형성된 공조기 케이스와; 이 공조기 케이스 외부에 배치되면서 냉동사이클을 이루는 압축기로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 응축하며 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브가 설치된 메인-응축기와; 급기유로의 중도에 배치되면서 입구측은 메인-응축기의 출구측과 연결되고 출구측은 압축기의 흡입측과 연결된 제1증발기와; 이 제1증발기와 병렬로 배기유로의 중도에 배치되면서 입구측은 메인-응축기와 연계되고 출구측은 압축기의 흡입측과 연결된 제2증발기와; 제1증발기의 입구측에 순차적으로 배치되어 냉방운전 시에만 냉매가 제1증발기로 유입되도록 제어하는 제1제어밸브와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제1팽창변과; 제2증발기의 입구측에 순차적으로 배치되어 난방운전 시에만 냉매가 제2증발기로 유입되도록 제어하는 제2제어밸브와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제2팽창변과; 급기유로내에서 제1증발기의 하류측에 배치되면서 압축기의 출구측과 연결되어 냉방운전 시에는 제습기능을 난방운전 시에는 전열기능을 수행하며, 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브를 갖춘 제1서브-응축기를 구비하고 있다.

Description

냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM}
본 발명은 공기조화시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉방 운전 시 외기보다 낮은 온도로 배출되는 공기를 이용하여 냉방효율을 높이며 난방 운전 시 외기보다 매우 높은 온도로 배출되는 공기 중의 열량을 회수하여 난방 효율을 높일 수 있는 폐열 회수형 공기조화시스템에 관한 것이다.
일반적으로 동물실험실이나 사육실 및 병원 수술실 등에 적용되는 공기조화시스템에서는 실내공기를 배출시킴과 동시에 새로운 실외공기를 실내로 공급하여, 배설물이나 약품에서 발생되는 냄새와 세균 및 오염물질 등을 외부로 완전 배출시키게 된다.
이러한 특수 시설에 적용되는 종래 공기조화시스템은 실내공기가 외부로 빠져나가도록 안내하는 배기덕트와, 외부공기가 실내로 유입되게 안내하는 급기덕트와, 배기덕트 출구측에 마련된 배기팬과, 급기덕트 출구측에 배치된 급기팬을 갖추고 있다. 또한, 급기덕트의 중도에는 흡입공기와 열교환되는 열교환기가 배치되어 있다. 이 열교환기는 냉방 운전 시 냉각 기능을, 난방운전 시 가열 기능을 수행하도록 구성된다.
따라서 겨울철 난방운전을 하는 경우 따뜻한 실내공기는 배기덕트를 통해 외부로 빠져나가며, 차가운 실외공기는 급기덕트의 열교환기를 지나면서 히팅되어 실내로 공급된다. 그리고 여름철 냉방운전을 하는 경우 차가운 실내공기는 배기덕트를 통해 외부로 빠져나가고, 따뜻한 실외공기는 급기덕트의 열교환기를 지나면서 냉각되어 실내로 공급된다.
그러나 이러한 종래 공기조화시스템에서는 여름철 냉방운전을 하는 경우 실외에 비해 차가운 실내공기가 그대로 방출되며, 겨울철 난방운전을 하는 경우 실외에 비해 따뜻한 실내공기가 그대로 방출된다. 이에 따라 냉난방 운전 시 충분한 회수 열량을 갖고 있는 실내공기가 그대로 방출됨으로써, 상당한 에너지가 낭비되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 냉방운전 시 외기보다 낮은 온도로 배출되는 실내공기를 통해 응축효율을 높이며, 난방운전 시 외기보다 매우 높은 온도로 배출되는 실내공기의 열량을 회수하여 난방효율을 높일 수 있는 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 고안의 다른 목적은 냉방운전 시 응축열을 통해 제습운전을 수행할 수 있는 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
실내공기가 실외로 배출되도록 배기팬이 마련된 배기유로와, 실외공기가 실내로 유입되도록 급기팬이 마련된 급기유로가 구획되게 형성된 공조기 케이스와; 공조기 케이스 외부에 배치되면서 냉동사이클을 이루는 압축기로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 응축하며 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브가 설치된 메인-응축기와; 급기유로의 중도에 배치되면서 입구측은 메인-응축기의 출구측과 연결되고 출구측은 압축기의 흡입측과 연결된 제1증발기와; 제1증발기와 병렬로 상기 배기유로의 중도에 배치되면서 입구측은 메인-응축기와 연계되고 출구측은 압축기의 흡입측과 연결된 제2증발기와; 제1증발기의 입구측에 순차적으로 배치되어 냉방운전 시에만 냉매가 제1증발기로 유입되도록 제어하는 제1제어밸브와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제1팽창변과; 제2증발기의 입구측에 순차적으로 배치되어 난방운전 시에만 냉매가 제2증발기로 유입되도록 제어하는 제2제어밸브와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제2팽창변과; 급기유로내에서 상기 제1증발기의 하류측에 배치되면서 상기 압축기의 출구측과 연결되어 냉방운전 시에는 제습기능을 난방운전 시에는 전열기능을 수행하며, 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브를 갖춘 제1서브-응축기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 배기유로 내에는 제1서브-응축기와 병렬로 연결되면서 제2증발기의 상류측에 배치되며, 냉매 유입을 제어하도록 입구측에 밸브를 갖춘 제2서브-응축기가 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 급기유로 내에는 제1서브-응축기의 하류측에 배치되며 전원을 공급받아 난방운전 시 기동할 수 있는 전열기가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템은 냉매가 일방향으로 흐르는 냉동사이클을 이용하여 냉방과 난방 양쪽을 수행할 수 있는 것으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 실내공기가 실외로 배출되도록 안내하는 배기유로(12)와 실외공기가 실내로 유입되도록 안내하는 급기유로(11)가 형성된 공조기 케이스(10)와, 이 공조기 케이스(10) 외부에 배치되면서 냉동사이클을 이루는 압축기(20) 및 메인-응축기(30)와, 공조기 케이스(10)의 배기/급기유로(11)(12) 내에 배치되면서 압축기(20) 및 메인-응축기(30)와 폐회로로 연결된 열교환기(31)(32)(41)(42)들을 갖추고 있다.
공조기 케이스(10)는 공기조화시스템의 외형을 이루는 것으로, 여기에는 실내공기가 실외로 배출되도록 안내하는 배기유로(12)와, 실외공기가 실내로 급기되도록 안내하는 급기유로(11)가 상호 구획되게 형성된다. 또한, 공조기 케이스(10)의 배기유로(12) 출구측에는 배기팬(14)이 설치되며, 급기유로(11)의 출구측에는 급기팬(13)이 설치된다. 이에 따라 실내공기는 배기팬(14)에 의해 외부로 강제 배출되게 되며, 실외공기는 급기팬(13)에 의해 실내로 강제 유입되게 된다.
공조기 케이스(10) 외부에는 냉동사이클을 이루는 압축기(20)와 메인-응축기(30)가 설치된다. 압축기(20)는 증발작용을 마친 냉매를 흡입하여 고온 고압으로 압축 토출하는 기기이다. 그리고 메인-응축기(30)는 고온 고압의 냉매를 응축하는 기능을 수행하는 것으로, 이의 입구측은 압축기(20)의 출구측과 냉매관을 통해 연결되며, 냉매유입을 제어하기 위한 밸브(30a)가 설치되어 있다.
그리고 냉동사이클을 이루는 열교환기(31)(32)(41)(42)들은 압축기(20) 및 메인-응축기(30)와 냉매관을 통해 폐회로로 구성되어 있는데, 이들의 배치구조는 다음과 같다.
먼저, 공조기 케이스(10)의 급기유로(11) 중도에는 입구측이 메인-응축기(30)의 출구측과 연결되고 출구측이 압축기(20)의 흡입측과 연결된 제1증발기(41)가 배치되고, 공조기 케이스(10)의 배기유로(12) 중도에도 입구측이 메인-응축기(30)의 출구측과 연결되고 출구측이 압축기(20)의 흡입측과 연결된 제2증발기(42)가 배치된다.
제1증발기(41)는 냉방운전 시 작동하여 실내로 공급되는 공기를 냉각시키기 위한 것으로, 이를 위해 제1증발기(41)의 입구측에는 냉매의 유입을 제어하는 제1제어밸브(41a)와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제1팽창변(41b)이 순차적으로 배치된다.
제2증발기(42)는 제1증발기(41)와 병렬로 배치되며 난방운전 시 작동하여 상대적으로 따뜻한 실내공기가 외부로 배출되는 과정에서 폐열을 흡수하여 증발작용을 향상시키기 위한 것으로, 이를 위해 제2증발기(42)의 입구측에는 냉매의 유입을 제어하는 제2제어밸브(42a)와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제2팽창변(42b)이 순차적으로 배치된다.
이러한 제1,제2증발기(41)(42) 입구측에 각각 설치된 제1,제2제어밸브(41a)(42a)는 온-오프 또는 비례 제어가 가능한 밸브로 구성할 수 있다. 그리고 제1,제2팽창변(41b)(42b)은 냉매의 압력을 증발작용이 용이하게 이루어지도록 강하하는 것으로, 모세관 또는 팽창밸브를 적용할 수 있다.
그리고 급기유로(1)내에서 제1증발기(41)의 하류측에는 압축기(20)의 출구측과 연결된 제1서브-응축기(31)가 배치되어 있어서, 냉방 운전 시에는 제습기능을 수행하며 난방 운전 시에는 전열기능을 수행하게 된다. 즉, 제1서브-응축기(31)의 입구측은 압축기(20)의 출구측과 메인-응축기(30)의 입구측을 연결하는 냉매관에서 분기되어 연결되며, 이의 출구측은 제1,제2증발기(41)(42)의 입구측 라인과 연결되어 있다. 그리고 제1서브-응축기(31)의 입구측에는 냉매 유입을 제어하는 밸브(31a)가 설치된다. 이 밸브(31a)는 냉매 유량을 선택적으로 제어할 수 있는 온-오프 또는 비례식 제어밸브로 구성함이 바람직하다. 미설명 부호 "50"은 압축기(20)와 메인-응축기(30)를 직접 연결하는 냉매관의 중도에 배치되어 압축냉매의 방향을 제1서브-응축기(31)측 또는 메인-응축기(30)측으로 선택 제어하는 삼방밸브이다.
또한, 급기유로(11) 내에서 제1서브-응축기(31)의 하류측에는 전원을 공급받아 기동하는 전열기(60)가 더 설치되어 있다. 이 전열기(60)는 난방운전 시에만 기동하는 것으로, 난방운전 시 제1서브-응축기(31)를 지나면서 1차 예열된 공기를 2차로 가열하게 된다.
또한, 배기유로(12)내에서 제2증발기(42)의 상류측에는 압축기(20)의 출구측과 연결된 제2서브-응축기(32)가 배치되어 있다. 이 제2서브-응축기(32)는 제1서브-응축기(31)와 병렬로 배치되며, 난방운전 시에만 냉매 일부가 공급되게 된다. 이를 위해 제2서브-응축기(32)의 입구측에도 밸브(32a)가 설치되는데, 이것 역시 밸브(32a)는 냉매 유량을 선택적으로 제어할 수 있는 온-오프 또는 비례식 제어밸브로 구성함이 바람직하다.
미설명 부호 "70"은 응축기(30)(31)(32)들의 출구측과 증발기(41)(42)들의 입구측 사이 냉매관 중도에 배치된 수액기로, 이 수액기(70)에는 액화된 고압의 냉매가 일시 저장되게 된다.
한편, 각 열교환기(31)(32)(41)(42)들의 입구측에 설치된 밸브(31a)(32a)(41a)(42a)들의 개폐제어 및 압축기(20)의 구동여부 등은 제어부(미도시)에 의해 자동으로 제어되며, 이 제어부에는 냉난방 운전에 따라 각각의 구성요소들을 자동으로 제어할 수 있도록 프로그램화되어 있다.
다음에는 이와 같이 구성된 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템의 작동 및 이에 따른 효과를 설명한다.
먼저, 폐열 회수형 공기조화시스템을 통해 여름철에 냉방운전을 하는 경우, 제어부에서는 제2증발기(42)의 입구측 제2제어밸브(42a)를 완전하게 폐쇄 작동시키며, 제1증발기(41)의 입구측 제1제어밸브(41a)는 개방시킨다. 그리고 제1,제2서브-응축기(31)(32)들의 입구측 밸브(31a)(32a) 및 메인-응축기(30)의 입구측 밸브(30a) 역시 개방 작동시킨다.
이러한 상태에서 압축기(20)가 기동하면, 도 2에 냉매흐름을 화살표로 도시한 바와 같이, 급기유로(11)내의 제1증발기(41)에서 증발작용을 마친 냉매는 압축기(20)내로 흡입되어 고온 고압상태로 토출되며, 이것은 메인-응축기(30)와 제1,제2서브-응축기(31)(32)들로 안내된다. 그리고 메인-응축기(30)와 제1,제2서브-응축기(31)(32)에서는 냉매가 지나고 있는 열이 외부로 방출되어 응축되며, 응축된 고압 냉매는 제1팽창변(41b)을 지나면서 증발하기에 용이한 압력으로 감압된다.
계속하여 감압된 냉매는 급기유로(11)내의 제1증발기(41)로 유입되고, 여기에서 유입공기와 열교환된다. 그리고 열교환된 냉매는 다시 고압으로 압축되기 위하여 압축기(20)로 귀환됨으로써, 냉매 순환이 지속적으로 이루어진다.
따라서 급기팬(13)의 기동으로 실외에서 급기유로(11)로 유입되는 실외공기는 제1증발기(41)를 지나면서 냉기로 변한다. 그리고 냉기는 제1서브-응축기(31)를 지나 약간의 온도보상과 함께 제습작용이 이루어지면서 실내로 공급된다. 이 때, 제1서브-응축기(31)에서는 냉기와 열교환이 이루어지기 때문에, 냉매 응축작용이 보다 용이하게 진행된다.
그리고 배기팬(14)의 기동으로 실내에서 배기유로(12)로 빠져나가는 실내공기는 제2서브-응축기(32)를 지나며, 계속하여 냉매를 응축시키면서 외부로 빠져나간다. 이 때, 배기유로(12)를 빠져나가는 실내공기는 실외공기에 비해 상대적으로 차갑기 때문에, 외부로 버려지는 냉기를 통해 제2서브-응축기(32)의 응축효율이 보다 향상된다.
이 때, 제1서브-응축기(31)와 제2서브-응축기(32)측으로 보내지는 냉매 비율을 실내의 온도 및 습도 설정에 따라 각각의 밸브(31a)(32a)를 온-오프 또는 비례 제어를 통해 다양하게 조정된다.
다음에는 폐열 회수형 공기조화시스템을 통해 겨울철에 난방운전을 하는 경우를 설명한다. 난방운전 시 제어부에서는 제1증발기(41)의 입구측 제1제어밸브(41a)와 제2서브-응축기(32)의 밸브(32a)를 폐쇄 작동시키며, 제2증발기(42)의 입구측 제2제어밸브(42a)와 제1서브-응축기(31)의 밸브(31a)를 개방 작동시킨다.
이러한 상태에서 압축기(20)가 기동하면, 도 3에 냉매의 방향을 화살표로 도시한 바와 같이, 배기유로(12)내의 제2증발기(42)에서 증발작용을 마친 냉매는 압축기(20)내로 흡입되어 고온 고압상태로 토출되며, 이것은 메인-응축기(30)와 제1서브-응축기(31)로 안내된다. 그리고 메인-응축기(30)와 제1서브-응축기(31)에서는 냉매가 지나고 있는 열이 외부로 방출되어 응축되며, 응축된 고압 냉매는 제2팽창변(42b)을 지나면서 증발하기에 용이한 압력으로 감압된다.
계속하여 감압된 냉매는 배기유로(12)내의 제2증발기(42)로 유입되고, 여기에서 배출되는 공기와 열교환된다. 그리고 열교환된 냉매는 다시 고압으로 압축되기 위하여 압축기(20)로 귀환됨으로써, 냉매 순환이 지속적으로 이루어진다.
따라서 급기팬(13)의 기동으로 실외에서 급기유로(11)로 유입된 차가운 실외공기는 제1서브-응축기(31)를 지나면서 온기로 열교환되며, 계속하여 실내로 공급된다. 이 때, 압축기(20)로부터 토출되는 고온고압의 냉매를 대부분 제1서브-응축기(31)측으로 공급되도록 밸브(31a)(30a)들을 제어함으로써, 온기 생성을 보다 원활하게 함이 바람직하다. 또한, 겨울철에 외기 온도가 과도하게 낮은 경우에는 제1서브-응축기(31) 하류측에 배치된 전열기(60)를 가동시킨다. 이에 따라 제1서브-응축기(31)를 지나면서 1차 예열된 공기는 전열기(60)를 지나면서 2차로 가열되면서, 실내로 공급된다.
그리고 배기팬(14)의 기동으로 실내에서 배기유로로 빠져나가는 실내공기는 제2증발기(42)와 열교환되면서 외부로 빠져나간다. 이 때, 배기유로(12)를 빠져나가는 실내공기는 실외공기에 비해 상대적으로 따뜻하기 때문에, 외부로 버려지는 온기를 통해 제2증발기(42)의 증발효율이 보다 향상된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템에 의하면, 냉방운전 시에는 외기보다 낮은 온도로 배출되는 실내공기를 통해 배기유로에서 작동하는 제2서브-응축기의 응축효율이 향상되며, 이것에 의해 냉동사이클의 효율 역시 높아져 냉기생성이 보다 원활하게 이루어진다. 또한, 급기유로에서는 제1서브-응축기를 통해 제습이 이루어져 별도의 제습수단 없이도 냉방운전과 제습운전이 동시에 이루어지는 작용효과가 있다.
또한, 난방운전 시에는 외기보다 따뜻한 온도로 배출되는 실내공기를 통해 배기유로에서 작동하는 제2증발기의 증발효율이 향상되며, 이로 인해 냉동사이클 효율 역시 향상된다. 또한, 급기유로에서는 제1서브-응축기를 통해 온기가 생성되며 이것이 실내로 공급됨으로써, 별도의 보일러시스템 기동 없이도 실내를 난방 할 수 있는 장점이 있다.
결국, 냉방운전 시 외기보다 낮은 온도로 배출되는 실내공기를 통해 응축효율을 높이며, 난방운전 시 외기보다 매우 높은 온도로 배출되는 실내공기의 열량을 회수하여 난방 사이클 효율을 보다 높일 수 있는 작용효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기조화시스템의 냉방운전 시 냉매 흐름을 보인 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 공기조화시스템의 난방운전 시 냉매 흐름을 보인 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10..공조기 케이스 11..급기유로
12..배기유로 20..압축기
30..메인-응축기 31..제1서브-응축기
32..제2서브-응축기 41..제1증발기
42..제2증발기 60..전열기

Claims (3)

  1. 실내공기가 실외로 배출되도록 배기팬(14)이 마련된 배기유로(12)와, 실외공기가 실내로 유입되도록 급기팬(14)이 마련된 급기유로(11)가 구획되게 형성된 공조기 케이스(10)와;
    상기 공조기 케이스(10) 외부에 배치되면서 냉동사이클을 이루는 압축기(20)로부터 토출된 고온 고압의 냉매를 응축하며 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브(30a)가 설치된 메인-응축기(30)와;
    상기 급기유로(11)의 중도에 배치되면서 입구측은 상기 메인-응축기(30)의 출구측과 연결되고 출구측은 상기 압축기(20)의 흡입측과 연결된 제1증발기(41)와;
    상기 제1증발기(41)와 병렬로 상기 배기유로(12)의 중도에 배치되면서 입구측은 상기 메인-응축기(30)와 연계되고 출구측은 상기 압축기(20)의 흡입측과 연결된 제2증발기(42)와;
    상기 제1증발기(41)의 입구측에 순차적으로 배치되어 냉방운전 시에만 냉매가 상기 제1증발기(41)로 유입되도록 제어하는 제1제어밸브(41a)와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제1팽창변(41b)과;
    상기 제2증발기(42)의 입구측에 순차적으로 배치되어 난방운전 시에만 냉매가 상기 제2증발기(42)로 유입되도록 제어하는 제2제어밸브(42a)와 유입되는 냉매를 증발압력으로 팽창시키는 제2팽창변(42b)과;
    상기 급기유로(11)내에서 상기 제1증발기(41)의 하류측에 배치되면서 상기 압축기(20)의 출구측과 연결되어 냉방운전 시에는 제습기능을 난방운전 시에는 전열기능을 수행하며, 입구측에 냉매 유입을 제어하는 밸브(31a)를 갖춘 제1서브-응축기(31)를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배기유로(12) 내에는
    상기 제1서브-응축기(31)와 병렬로 연결되면서 상기 제2증발기(42)의 상류측에 배치되며, 냉매 유입을 제어하도록 입구측에 밸브(32a)를 갖춘 제2서브-응축기(32)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 급기유로(11) 내에는
    상기 제1서브-응축기(31)의 하류측에 배치되며 전원을 공급받아 난방운전 시 기동할 수 있는 전열기(60)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 냉동사이클을 이용한 폐열 회수형 공기조화시스템.
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