KR20060097227A - 가스 냉난방 장치의 제상운전 방법 및 이를 수행하기 위한 가스 냉난방 장치 - Google Patents

가스 냉난방 장치의 제상운전 방법 및 이를 수행하기 위한 가스 냉난방 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스엔진의 구동력에 의해 냉매를 압축하는 압축기를 구동하며, 실외팬과, 실외 열교환기와, 가스엔진으로부터 나온 엔진 냉각수를 보조 열교환기 및/또는 실외 열교환기로 보내기 위한 냉각수 삼방밸브를 갖추고 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 측정하여 실외팬 운전을 조절하는 가스냉난방 장치의 제상운전방법에 대한 것으로서, 난방 운전시 실외 온도가 소정의 기준 온도 보다 낮은 여부를 판단하는 단계; 실외 온도가 소정의 기준온도 보다 낮으면 실외 열교환기의 온도를 측정하는 단계; 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 실외 열교환기에서 착상 발생 여부를 판단하는 단계; 및, 착상 발생으로 판단시 제상 단계를 수행하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에서는 상기 제상 단계가, 실외팬의 운전을 정지하여 이루어지며, 소정 시간 후에 실외팬을 재가동하여 제상 작업이 충분히 이루어졌는가를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 일정량의 엔진 냉각수를 라디에이터로 보내도록 냉각수 삼방밸브의 개도를 감소시키는 단계와, 실외팬을 역방향으로 운전하는 단계를 통해 이루어질 수 있다.
보조 열교환기, 실외팬, 제상 운전, 가스 엔진, 히트펌프, 실외 열교환기

Description

가스 냉난방 장치의 제상운전 방법{Operation Algorithm for Removing Frost in a Gas Engine Heat Pump System}
도 1은 일반적인 전기식 히트펌프의 냉매 흐름계통을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 일반적인 가스엔진 히트펌프의 유체 흐름계통을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 가스 냉난방 장치의 제상운전방법을 예시하기 위한 플로우 챠트,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 냉난방 장치의 제상운전방법을 보이기 위한 플로우 챠트이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
10:실내기 11:실외기
20:압축기 21:사방밸브
22:실외 열교환기 23:실외팬
30:어큐뮬레이터 32:라디에이터
33:냉각수 삼방밸브 40:보조 열교환기
50:가스엔진
본 발명은 냉매 압축기를 가스엔진에 의해 구동하며, 난방 운전시에는 엔진의 배열을 회수하여 냉매의 증발에 이용하는 가스 냉난방장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실외 열교환기 표면에 형성된 서리 제거 운전 및 난방 운전시 시스템의 성능을 향상시키기 위한 가스 냉난방 장치의 제상운전 방법에 관한 것이다.
냉난방 장치는 전기식 히트펌프 방식과 가스엔진 히트펌프 방식이 있는 바, 전기식 히트 펌프는 도 1 도시와 같이 실내기(10)와 실외기(11)로 구성되며 일반적으로 시스템의 구동시 압축기(1)에서 토출된 냉매가 사방밸브(2)를 통과후, 냉방 운전시에는 실외 열교환기(3), 실내 열교환기(8), 어큐뮬레이터(9)를 순차적으로 통과 후 압축기(1)로 유입되며, 실외팬(4)은 실외 열교환기(3)의 열교환을 촉진하고, 실내팬(7)은 실내 열교환기(8)의 열교환을 촉진하며, 사방밸브(2)의 방향 전환에 의해 냉/난방 운전이 결정되며, 냉방 운전시에는 팽창밸브(6)에서 냉매의 압력을 감소시켜 운전하며 난방 운전시에는 팽창밸브(5)에서 냉매의 압력을 감소시켜 운전한다. 한편, 난방 운전중 실외 열교환기(3)에 서리가 형성되어 제상 운전이 필요할 때에는 사방밸브를 절환하여 난방 운전모드를 냉방으로 변경하여 운전한다.
또한, 가스엔진 히트펌프 방식은 도 2 도시와 같이, 크게 냉매순환 계통과 엔진 냉각수 순환 계통으로 구성되며, 냉매순환 계통은 실내측을 냉방 또는 난방하기 위하여 냉동사이클 또는 열펌프 사이클을 형성하며, 가스엔진(50)에 의해서 구 동되는 냉매용 압축기(20), 사방밸브(21), 실외기 열교환기(22), 난방 팽창밸브(24), 실내기 팽창밸브(25), 실내기 열교환기(27), 어큐뮬레이터(30) 등으로 구성된다. 엔진 냉각수순환 계통은 가스엔진(50)을 냉각하기 위하여 엔진 냉각수를 순환시키며, 엔진냉각수 삼방밸브(33), 라디에이터(32), 엔진냉각수 순환 펌프(35), 배기가스 열교환기(36) 등으로 구성된다.
또한, 냉매순환 계통과 엔진 냉각수순환 계통 간에는 보조 열교환기(40)를 설치하여 냉매와 엔진 냉각수 간의 열교환이 이루어짐으로써 냉매를 증발시키도록 구성되어 있다. 보조 열교환기(40)는 냉방 운전시에는 압축기 내부로 액냉매가 유입하는 것을 방지하는 과열도 조정 작용을 수행하며, 난방 운전시에는 보조 열교환기(40)를 활용하여 시스템의 성능을 향상시키고 외기 온도가 낮은 조건에서는 실외 열교환기(22)를 대체하는 열교환기로 활용된다.
상기와 같이 구성된 냉난방 장치의 작용을 살펴보면, 도 1의 전기를 이용한 히트펌프 방식에서는 난방 운전시에는 실외 열교환기(3)가 증발기의 기능을 하므로실외 온도가 낮은 조건에서는 실외 열교환기(3)의 표면 온도가 0℃ 이하로 하강하여 대기 중의 수증기가 실외 열교환기(3) 표면에 결빙되어 서리를 형성하게 된다.
이와 같이, 실외기 표면에 서리가 형성되기 시작하면 실외 열교환기(3)에서 외부 대기와 열교환량이 감소하므로 실외 열교환기(3) 온도가 계속 하강하게 되고, 실외 열교환기(3) 표면에 형성되는 서리의 양도 점차적으로 증가하며, 실외 열교환기(3)의 표면에 형성된 서리의 양이 증가할수록 열교환량이 급격하게 감소하여 난방 능력이 감소하므로 실외 열교환기(3)에 형성되는 서리를 제거하는 것이 필요하 게 된다.
이러한 경우, 일반적으로 서리를 제거하는 방법으로는 냉/난방 운전을 교환하는 방식을 사용하는 데, 난방 운전 모드를 냉방 모드로 변경하면 압축기(1)에서 토출된 고온의 냉매가 실외 열교환기(3)로 유입되므로 실외 열교환기(3)의 표면에 형성된 서리는 신속하게 제거된다. 그러나 제상 운전 동안에는 실내 열교환기(8)의 온도가 하강하게 되므로 실내팬(7)을 정지시켜 실내로 차가운 바람이 토출되는 것을 방지하고, 실외 열교환기(3)의 표면에 형성된 서리가 제거된 후 난방 운전시 실내팬(7)의 운전을 재개한다. 이러한 경우, 제상 운전 동안에는 고온 공기를 실내로 토출하는 난방 운전이 정지되므로 난방 효율은 감소한다.
한편, 도 2 도시의 가스엔진 히트펌프 방식의 경우, 난방 운전시 실외 열교환기(22)에 서리가 형성되는 실외 온도 이하에서는 점차적으로 실외팬(23)의 출력을 감소시켜 실외 온도가 일정 온도 이하로 하강하면 정지한다. 이 때, 실외 열교환기(22)의 외부 열에너지 흡입 감소로 인해 발생하는 부족한 열량은 엔진 냉각수로 가스 엔진 발열량을 효과적으로 이용하는 보조 열교환기(40)에 의해 충당하고, 실외팬(23)이 정지되는 온도 이하에서는 보조 열교환기(40)가 실외 열교환기(22)의 흡입 열량을 대체한다.
그런데, 상기 설명한 바와 같은 도 1 도시의 종래의 전기식 히트 펌프 방식에서는 제상 운전시 난방 운전모드가 냉방 운전모드로 절환되어 제상 운전 동안에는 난방 공조기의 기능을 수행하지 못하므로 전체적인 난방 능력은 저하되고, 제상 운전 시간이 증가할수록 난방 성능의 감소는 증대되는 문제가 발생한다
한편, 도 2 도시의 종래의 가스엔진 히트 펌프 방식에서는 실외 온도가 영하로 떨어질수록 실외팬의 출력이 감소하여 실외 열교환기(22)의 사용을 억제 후 보조 열교환기(40)를 이용하여 엔진에서 발열되는 열량으로 증발 열량을 충당하고, 낮은 외기 온도 조건에서 난방 운전 시에는 실외팬(23)의 운전을 정지하여 실외 열교환기(22)를 통한 외부 대기와의 열교환은 없게 되며, 이로써, 실외 열교환기(22)의 서리 제거를 위한 제상 운전이 필요 없으므로 난방 성능은 증가한다. 그러나 실외 열교환기(22)에 착상이 형성되지 않아도 엔진에서 발열되는 열량만을 증발 열량으로 사용하므로 실외 열량을 증발열로 사용하는 전기 히트펌프 방식 보다 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명은 실외 열교환기 표면에 형성된 서리의 제거 운전 및 난방 운전시 시스템의 성능을 향상시키는 가스 냉난방 장치의 제상운전방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 가스엔진의 구동력에 의해 냉매를 압축하는 압축기를 구동하며, 가스 엔진을 냉각한 열로 냉매를 가열하기 위해 엔진 냉각수와 냉매가 열교환하는 보조 열교환기 및, 실외팬과, 실외 열교환기와, 가스엔진으로부터 나온 엔진 냉각수를 보조 열교환기 및/또는 실외 열교환기로 보내기 위한 냉각수 삼방밸브를 갖추고 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 측정하여 실외팬 운전을 조절하는 가스냉난방 장치의 제상운전방법으로서,
난방 운전시 실외 온도가 소정의 기준 온도 보다 낮은 여부를 판단하는 단계;
실외 온도가 소정의 기준온도 보다 낮으면 실외 열교환기의 온도를 측정하는 단계;
실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 실외 열교환기에서 착상 발생 여부를 판단하는 단계; 및,
착상 발생으로 판단시 제상 단계를 수행하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 냉난방 장치의 제상 운전방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 제상 단계는, 실외팬의 운전을 정지하여 이루어지며, 소정 시간 후에 실외팬을 재가동하여 제상 작업이 충분히 이루어졌는가를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 일정량의 엔진 냉각수를 라디에이터로 보내도록 냉각수 삼방밸브의 개도를 감소시키는 단계와, 실외팬을 역방향으로 운전하는 단계를 통해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 착상이 발생하지 않은 것으로 판단되거나 착상된 서리의 충분한 제거가 이루어진 것으로 판단시 재차 실외팬을 가동하거나, 엔진 냉각수를 전부 보조 열교환기로 보내 난방 효율을 증가시키기 위하여 냉각수 삼방밸브를 완전 개방하는 단계와, 이어서 실외팬을 정방향으로 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적 및 다른 목적들과 본 발명의 특징은 바람직한 실시예들을 도시한 첨부도면과 관련한 이하의 설명에 의해 더욱 명확해질 것이다.
이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉난방장치의 제상 운전방법을 도시한 플로우 챠트이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉난방 장치의 제상 운전 방법을 도시한 플로우 챠트이다.
도 3은 도 2 도시의 가스엔진 히트펌프 방식의 가스 냉난방 장치에서의 실외 열교환기(22)의 착상 여부를 판단하여 실외팬(23)의 운전을 제한하는 가스 냉난방 장치의 제상 운전 방법을 예시하고 있다.
정상적인 난방 운전 상태에서 실외팬(23)과 가스 엔진(50)이 가동 상태에 있다(S10). 이 때, 실외 열교환기(22)의 착상 여부를 판단하기 위하여 실외 온도와 실외 열교환기(22)의 온도를 측정한다.
측정한 실외 온도를 기초로 실외 온도가 일정온도(예컨대, 착상이 발생하는 온도; 기준 온도) 이상으로 되는 여부를 판단한다(S20).
이는 실외 온도가 일정 온도 이상에서는 착상이 발생하는 온도까지 실외 열교환기(22)의 온도가 하강하지 않기 때문인 데, 이러한 경우에는 실외팬(23)을 운전하여(S30), 실외 열교환기(22)를 사용한다. 이 때, 실외팬(23)의 운전 중에 계속해서 실외 온도가 기준 온도 보다 하강하는 지를 계속 비교한다.
한편, 실외 온도가 일정 온도 이하로 하강하면, 착성 여부를 판단하기 위하여 우선 실외 열교환기(22)의 온도를 재차 측정한다(S40).
다음 단계로서, 측정한 실외 열교환기(22)의 온도를 기초로 착상 여부를 판단하는 데(S50), 이러한 착상 여부의 판단은 다음 식 (1)을 통한 실외 온도와 실외 열교환기(배관) 온도의 비교를 통해 이루어지게 된다.
TC1(실외 온도) - TC2(실외배관온도) ≥△T(일정 온도)
상기 식을 만족시키는 것으로 실외 열교환기 온도가 측정되면, 착상이 발생한 것으로 판단하여 실외팬(23)의 가동을 정지시키며(S60), 이로써 실외 열교환기(22)에서의 서리 발생의 증가를 방지하며, 부족한 증발열은 보조 열교환기(40)를 통하여 흡수하여 제상 운전을 수행한다.
한편, 제상 운전을 수행하여 실외 열교환기(22)에서의 착상을 방지후 일정 시간(tm1) 경과후에 실외팬(23)을 소정시간(tm2) 운전 후에 실외 열교환기(22)에서 제상 작업이 충분하게 이루어졌는 지를 판단하며(S70), 실외 열교환기(22)와 보조 열교환기(40)를 동시에 사용하여 난방 효율을 증가시킨다. 이와 같은 과정을 반복함으로써 실외 열교환기(22)의 착상여부를 판단하고 착상 발생시 제상 운전을 수행하는 것이다.
이 때, 상기 착상 여부의 판단 단계에서 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 착상이 발생하지 아니한 것으로 판단되면, 실외팬(23)을 계속 가동시켜 난방 운전을 계속하고(S80), 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 착상 발생 여부를 판단한다.
다음에는 본 발명의 다른 실시예의 제상 운전 방법에 대해 도 4와 관련하여 설명한다.
본 실시예에서도 착상 여부를 판단하기까지의 과정은 동일하다.
다만, 착상이 발생한 것으로 판단되는 경우, 본 실시예에서는 개도를 조정할 수 있는 냉각수 삼방밸브(33)의 개도를 감소시킨다(S90). 이로써, 일정량의 엔진 냉각수는 라디에이터(32)로 보내지고, 실외팬(23)은 역방향으로 운전하는 데(S91), 이러한 조작을 통해 라디에이터(32)를 통과하면서 가열된 공기가 실외 열교환기(22)에 형성된 서리를 제거한다. 이러한 제상 운전중에 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 실외 열교환기(22)에서 제상이 이루어진 것으로 판단되면, 냉각수 삼방밸브(33)의 개도를 완전히 개방하여(S100), 엔진 냉각수를 보조 열교환기(40)로 보내며, 실외팬(23)은 정방향으로 운전하여(S101), 외부 대기로부터 열을 흡수하며, 이와 같이 실외 열교환기(22)를 보조 열교환기(40)와 같이 사용하여 난방 효율을 증가시킨다.
이러한 냉각수 삼방밸브(33)의 완전 개방 및 실외팬(23)의 정방향 운전은 착상여부의 판단 단계에서 착상이 발생하지 아니한 것으로 판단된 경우에도 이러한 단계(S100, S101)를 거치게 된다.
이와 같이, 냉난방 장치의 제상 운전에 사용되는 냉각수 삼방밸브(33)는 완전 개방시는 엔진 냉각수가 전부 보조 열교환기(40)로 보내지고, 완전히 닫혀지면 전체 냉각수가 라디에이터(32)로 보내지며, 일정 정도만큼 개방되면, 라디에이터(32)와 보조 열교환기(40)로 양방향으로 분배되어 보내진다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방 장치의 제상 운전 방법에서 는, 난방 운전시 실외 열교환기(22)에서 착상이 발생하면 외부에서 열을 흡입하는 능력이 저하되어 난방 능력이 급격히 저하되므로 착상 조건에서는 실외팬(23)을 정지시켜 실외 열교환기(22)를 통한 외부 대기와의 열교환을 제한하거나 엔진 냉각수를 이용하여 실외 열교환기(22)에 형성된 서리를 제거하고, 보조 열교환기(40)를 통해서 부족한 증발열을 보충한다. 또한, 착상이 해제되는 조건에서는 실외팬(23)을 운전하여 실외 열교환기(22)에서 외부 대기와 열교환시키고, 보조 열교환기(40)에서도 열교환하여 난방 능력을 증대시킨다. 따라서, 특히 영하의 대기 온도 조건에서도 원활한 난방 운전을 수행할 수 있다.
상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 가스 냉난방 장치의 제상운전 방법에 따르면, 위에서 설명한 바와 같이, 기존의 전기를 이용한 히트펌프 시스템은 냉방운전을 이용한 제상운전시에 난방 운전을 중지해야 하므로 난방성능이 감소하고, 가스엔진을 사용하는 히트펌프의 경우에는 실외온도가 일정온도 이상 하강하면 실외팬의 출력을 정지해서 실외 열교환기를 통해 외부 대기의 열을 흡수하지 아니하고, 엔진 배열을 이용하므로 서리 제거 운전은 하지 않으나 착상이 되지 않는 조건에서는 외부 대기의 열을 증발열로 사용할 경우보다 난방 효율이 감소한다.
그러나, 본 발명의 제상운전 방법을 사용하면 냉/난방 운전 모드 전환을 사용한 제상운전을 하지 않게 되므로, 난방성능이 증대하고, 엔진 배열 및 외부 대기의 열을 사용함으로써 시스템의 효율이 증가한다.
또한, 실외온도가 극저온으로 하강하는 경우에도 엔진 배열 및 외부 대기의 열을 사용하므로 난방효율이 증대하는 유용한 효과가 얻어진다.

Claims (5)

  1. 가스엔진의 구동력에 의해 냉매를 압축하는 압축기를 구동하며, 가스 엔진을 냉각한 열로 냉매를 가열하기 위해 엔진 냉각수와 냉매가 열교환하는 보조 열교환기 및, 실외팬과, 실외 열교환기와, 가스엔진으로부터 나온 엔진 냉각수를 보조 열교환기 및/또는 실외 열교환기로 보내기 위한 냉각수 삼방밸브를 갖추고 실외 온도와 실외 열교환기 온도를 측정하여 실외팬 운전을 조절하는 가스냉난방 장치의 제상운전방법으로서,
    난방 운전시 실외 온도가 소정의 기준 온도 보다 낮은 여부를 판단하는 단계;
    실외 온도가 소정의 기준온도 보다 낮으면 실외 열교환기의 온도를 측정하는 단계;
    실외 온도와 실외 열교환기 온도를 비교하여 실외 열교환기에서 착상 발생 여부를 판단하는 단계; 및,
    착상 발생으로 판단시 제상 단계를 수행하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 냉난방 장치의 제상 운전방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제상 단계는, 실외팬의 운전을 정지하여 이루어지며, 소정 시간 후에 실외팬을 재가동하여 제상 작업이 충분히 이루어졌는가를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제상 운전방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제상 단계는, 일정량의 엔진 냉각수를 라디에이터로 보내도록 냉각수 삼방밸브의 개도를 감소시키는 단계와,
    실외팬을 역방향으로 운전하는 단계를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 제상운전방법.
  4. 제 2항에 있어서, 착상이 발생하지 않은 것으로 판단되거나 착상 발생의 충분한 제거가 이루어진 것으로 판단시 재차 실외팬을 가동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제상운전 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 착상이 발생하지 않은 것으로 판단되거나 착상된 서리의 충분한 제거가 이루어진 것으로 판단시 엔진 냉각수를 전부 보조 열교환기로 보내 난방 효율을 증가시키기 위하여 냉각수 삼방밸브를 완전 개방하는 단계와, 이어서 실외팬을 정방향으로 운전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제상 운전방법.
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