KR20080093976A - 열 펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실외 공기로부터 열 에너지를 흡수하고 다른 매체(20)에 열 에너지를 방출할 수 있도록 배치된 열 펌프(5)와, 태양 복사(12)의 이용에 의하여 실외 공기를 가열할 수 있도록 구성된 외부 공간(2)을 포함하며, 외부 공간(2)을 통해 실외 공기를 열 펌프(5)로 안내하도록 배치된 열 펌프 시스템(10)에 관한 것이다. 본 발명은, 열 펌프 시스템(10)이 외부 공간(2)으로의 실외 공기의 흐름을 조절하기 위한 수단(3, 6, 7, 7a, 7b, 9)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은, 실외 공기(outdoor air)로부터 열 에너지를 흡수하고 다른 매체(medium)에 열 에너지를 방출할 수 있도록 배치된 열 펌프와, 태양 복사(solar radiation)를 이용하여 실외 공기를 가열할 수 있도록 구성된 외부 공간(external space)을 포함하며, 외부 공간을 통해 실외 공기를 열 펌프로 안내하도록 배치된 열 펌프 시스템에 관한 것이다.
건물의 난방과 냉방은 온수 생성과 같이 에너지를 필요로 하는 공정이고, 이러한 목적에 이용하는 에너지 양을 절감하기 위한 경제적이고 환경적인 기본 과제가 존재한다. 건물 또는 설비의 난방/냉방의 필요성은 건물 또는 설비의 설계, 용도 및 위치에 따라 물론 상당히 달라진다. 예를 들어 스웨덴의 주택용 건물은 일반적으로 9월과 4월 사이의 기간 중에 난방이 필요하고, 5월과 8월 사이의 기간 중에는 소정의 냉방 조건을 필요로 할 수 있다. 반면에, 스웨덴에 있어서 단열성이 우수하고 사무원과 여러 종류의 사무 집기가 많은 사무실은 연중 대부분의 기간 동안의 주간에 냉방이 필요할 수도 있다. 보다 남쪽 지방의 건물은 주간에 냉방이 필요하고 야간에 난방이 필요한 등의 여러 조건을 필요로 할 수도 있다.
최근 수십 년 동안, 이러한 난방 및 냉방 공정의 효율성을 향상시기 위한 많 은 기술적인 제품들이 생산되고 개발되었다. 최근 수년간 난방 용도로 점차 보편화된 제품 중 하나가 열 펌프이다. 열 펌프는 일반적으로 증발기(evaporator), 압축기(compressor), 응축기(condenser) 및 스로틀 밸브(throttle valve)를 구비하는 시스템을 포함하며, 이 시스템 내에서 냉매의 순환이 일어난다. 냉매를 저압에서 증발시키고 고압에서 응축시킴으로써, 열 에너지는 낮은 에너지에서 흡수(증발 열)되고 고온에서 방출(응축 열)될 수 있다. 열 펌프는, 예를 들면 호수, 시추공(bore hole)["암석 열(rock heat)"], 실외 공기 및 배출 공기(즉, 환기에 의해 건물로부터 배출되는 공기)로부터 열을 흡수할 수 있고, 예를 들면 실내 공기의 가열이나 물의 가열을 위하여 열을 방출할 수 있다. 또한 열 펌프는, 건물의 냉방을 위하여, 건물로부터 열을 흡수하고 외부로 방출하는 공조 설비의 형태로 상당히 오랜 기간 동안 사용되어 왔다. 열 펌프는 압축기의 구동을 위하여 전기를 필요로 하고, 그에 따라 전기료는 열 펌프의 경제적 유효성에 관한 중요한 파라미터이다. 추운 기후에서는, 열 펌프의 단독 사용에 의해 난방에 대처하기에는 열 펌프의 효과가 통상적으로 충분하지 않고, 그러한 이유로 건물에는 보조 난방 시스템이 구비되어 있다.
난방 시스템의 효율을 더욱 향상시키기 위하여, 태양 복사를 활용하는 시도가 보편화되어 있다. 일례로, 태양열 난방 시스템 내에 물이 순환되도록 하고 그에 따라 온수 생성에 비용이 발생하지 않는다. 또 다른 예로서, 미국 특허공보 제4,378,787호에 따르면, 창을 구비하는 상층 공간(loft space)에 실외 공기 열 펌프가 배치되어, 태양 복사에 의해 실외 공기의 가열을 가능하게 한다.
최근에는, 실외 온도가 점차 낮아지더라도 실외 공기 열 펌프의 효율을 유지 하려는 관점에서, 무엇보다도 열 펌프 구성요소와 냉매에 상당한 목표를 두어 연구 개발이 이루어져 왔다.
본 발명의 목적은, 실외 공기 열 펌프 등을 포함하는 열 펌프 시스템의 효율을 더욱 향상시키는 것이다. 이 목적은 특허청구범위 제1항에 기재된 본 발명 특유의 기술적 특징에 의하여 달성된다. 종속항은 본 발명의 바람직한 실시예, 개선예 및 변형예를 나타낸다.
본 발명은, 실외 공기로부터의 열 에너지 흡수와 다른 매체로의 열 에너지 방출을 가능하게 하도록 배치된 열 펌프와 함께, 태양 복사에 의하여 실외 공기의 가열을 가능하게 하도록 구성된 외부 공간을 포함하는 열 펌프 시스템을 제안하며, 이 시스템은 외부 공간을 통해 실외 공기를 열 펌프로 안내하도록 배치된다. 본 발명은 열 펌프 시스템이 외부 공간으로의 실외 공기의 흐름을 조절하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 시스템은, 외부 공간 내의 환기/공기 교체(air replacement)를 증가 또는 감소시킬 필요성이 생길 수 있으므로, 환기를 증감시키기 위한 수단을 포함한다. 이러한 구성의 유리한 효과는, 실외 공기의 내향 흐름(inward flow)을 조절함으로써, 외부 공간 내의 온도를 조절할 수 있고, 이를 활용하여 열 펌프의 효율을 증가시킬 수 있다는 점이다. 제1 실시예에서, 실외 공기의 내향 흐름은 최소화될 수 있는데, 다시 말하자면, 외부 공간 내의 온도가 태양 에너지 조사에 의하여 주위의 실외 공기보다 높게 유지되는 한, 공기가 외부 공간 내에서 순환을 일으키게 된다. 대부분의 경우에, 이는 열 펌프의 효율에 바람직한 영향을 미친다. 제2 실시예에서, 조사된 열량이 펌프에 의한 열 방출보다 작을 때에는 외부 공간 내의 온도가 주위의 공기 온도보다 낮거나 낮아질 수 있고, 이 경우에 실외 공기의 내향 흐름은 최대화될 수 있다. 본 발명에 따른 해결 방안에 의하여, 외부 공간 내의 온도가 실외 공기의 온도 미만으로 감소하는 것이 방지될 수 있다. 예를 들면, 미국 특허공보 제4,378,787호에 따른 구조에서는, 외부 공간 내의 공기 교체를 제어하기 위하여 이용할 수 있는 수단이 존재하지 않고, 실외 공기가 냉각된 상태에서 열 펌프가 작동되어야 한다는 점에 의해 열 펌프의 효율이 감소하는 상황이 발생할 수 있는데, 본 발명의 전술한 방식에서는 그와 같은 상황을 피할 수 있다. 본 발명에 따라 제2 매체로 전달되는 열 에너지는, 예를 들면 인접하는 건물의 가정용 온수 시스템의 가열이나 수영장 같은 시설의 난방을 위하여 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에서, 열 펌프 시스템은 외부 공간 내로의 실외 공기의 내향 흐름을 생성하도록 배치된 제1 팬을 포함한다. 이는 내향 흐름을 간단하고 효과적으로 제어할 수 있는 기능을 제공한다. 팬은 외부 공간으로부터 공기의 외향 흐름(outward flow)을 생성하도록 배치되는 것이 바람직하고, 또한 시스템은 외부 공간 내로의 실외 공기의 내향 흐름을 가능하게 하는 유입구를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 팬은 외부 공간 내로의 실외 공기의 내향 흐름을 간접적으로 생성하고, 그와 동시에 외부 공간으로부터 배출되는 공기의 양을 결정할 수 있는 가능성이 증가하게 된다. 팬은 매우 용이하게 열 펌프의 일체형 부재를 구성할 수 있으며, 이는 종래의 많은 실외 공기 열 펌프의 사용을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에서, 흐름 조절 수단은 열 펌프와 접촉한 공기의 흐름을 안내하고 외부 공간 내측에 위치한 제1 유출구와 외부 공간 외측에 위치한 제2 유출구 사이의 상기 공기 흐름의 분배(distribution)를 가능하게 하도록 배치된다. 열 펌프와 접촉한 공기는 제2 매체에 열을 방출하므로, 이 공기는 통상적으로 외부 공간 내의 나머지 공기보다 냉각되어 있다. 이러한 공기 흐름을 본 명세서에 기재된 방식으로 제어할 수 있으므로, 외부 공간 내의 온도를 조절하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 외부 공간 내의 온도 감소를 방지하기 위한 목적으로, 공기 흐름이 실외 공기보다 따뜻할 경우에는 외부 공간 내의 공기가 재순환되도록 하는 것이 가능하고, 공기 흐름이 실외 공기보다 차가울 경우에는 공기 흐름이 직접 외측으로 안내되도록 하는 것이 가능하다. 흐름 제어 수단은, 열 펌프와 접촉한 공기 흐름을 안내하기 위한 공기 배관과, 외부 공간 내측으로 배출하는 제1 유출 배관과 외부 공간 외측으로 배출하는 제2 유출 배관 사이의 공기 흐름의 분배를 제어 가능하게 하도록 배치된 밸브 장치를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 제1 팬은 공기 배관에 연결되어 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 제3 실시예에서, 열 펌프 시스템은 건물에 연결되어 배치되고, 그와 더불어 열 펌프 시스템은 외부 공간과 건물 사이의 공기를 안내하도록 배치된 연결 배관을 포함한다. 이러한 설계의 유리한 효과는, 외부 공간 내의 공기가 건물 내로 안내될 수 있다는 점과, 건물 내의 공기가 외부 공간으로 안내될 수 있다는 점이다. 열 펌프와 외부 공간으로의 내향 공기 흐름의 제어의 조합은 외부 공간 내에서 공기가 조절될 수 있도록 하기 때문에, 본 발명에 따른 시스템은 열 펌프를 통하여 열 에너지를 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 조절된 공기를 건물로 공급할 수도 있다. 일례로, 스웨덴에서의 따뜻한 여름날에 건물 내부를 냉방할 필요가 있을 경우에, 열 펌프는 외부 공간으로부터 열을 흡수하고 예를 들면 건물 내의 가정용 온수 시스템으로 열을 방출할 수 있도록 되어 있다. 따라서 외부 공간 내의 공기 온도는 감소할 수 있게 된다. 이 온도가 충분히 낮고 실외 온도와 건물 내부의 실내 온도 모두보다도 낮다면, 본 발명에 따른 시스템은 연결 배관을 통하여 외부 공간으로부터 건물 내로 공기를 안내할 수 있는 기능을 제공한다. 이와 유사한 기능은, 실외 공기를 조절하기 위하여 이용할 수 있는 공간이 구비조차 되어 있지 아니하고 통상적으로 주택의 벽에 장착되어 있는 종래의 실외 공기 열 펌프에 있어서는 이용 가능하지 않다. 이에 대응하여, 태양 복사가 외부 공간 내부의 공기를 가열하도록 하고 그에 따라 공기를 건물 내로 직접 안내할 수 있다. 본 발명에 따른 해결책은, 연결 배관을 통한 흐름 방향을 변경하고 배출 공기를 건물로부터 외부 공간으로 안내함으로써, 배출 공기의 열이 열 펌프에 의하여 활용될 수 있는 기능을 또한 제공한다. 열 펌프 시스템은 연결 배관을 통과하는 공기 흐름을 조절하기 위한 수단, 예를 들면 연결 배관에 연결되어 배치된 제2 팬 및/또는 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 제4 실시예에서, 열 펌프 시스템은 태양 복사를 차단할 수 있고 그에 따라 외부 공간 내의 실외 공기의 가열을 제한할 수 있도록 구성된 조절식 차양 장치(adjustable sun screening)를 포함한다. 이러한 방식으로, 외부 공간 내의 온도를 조절할 수 있는 부가적인 기능이 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략도를 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열 펌프 시스템(10)의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸다. 열 펌프(5)는, 태양 복사(12)의 이용에 의하여 실외 공기를 가열할 수 있도록 구성된 외부 공간(2)의 실외 공기로부터 열 에너지를 흡수하고, 물을 가열함으로써 건물(4)로 열 에너지를 방출하도록 배치된다. 외부 공간(2)은 건물(4)의 벽(8) 또는 지붕에 위치하거나 연결된 온실, 돔형 유리 지붕(glass cupola), 유리로 구획된 정원(glazed courtyard), 또는 기타 유리 구조물의 형태일 수 있다. 통상적으로 열 펌프(5)는, 증발기, 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 및 냉매를 순환시키기 위한 냉매 배관 형태의 다수의 구성요소(도면에는 도시 생략)를 포함한다. 또한 열 펌프(5)는, 외부 공간(2) 내의 공기가 열 펌프의 증발기와 접촉하고 건물(4) 내의 물의 흐름 또는 유로(20)가 열 펌프의 응축기와 접촉하도록, 외부 공간(2)이나 건물(4) 내에 또는 이들 모두에 연결되도록 배치된다. 증발기에서 실외 공기로부터 흡수된 열은 그 후에 응축기 내의 물의 유로(20)로 전달된다. 물의 유로(20)는, 열교환기를 통해 직접 또는 간접으로, 물을 매체로 하는 난방 시스템(waterborne heating system)(도시 생략) 내에서의 사용이나 가정용 온수 가열용으로 지정될 수 있다. 물의 유로(20)에서 흡수된 열 에너지는 물론 직접 이용될 필요는 없으며, 그 대신에 추후 사용을 위한 저장소의 온수 생성에 이용될 수 있다. 외부 공간(2)의 벽과 지붕(13)은, 태양 복사(12)가 가능하도록 하여 외부 공간(2) 내에 존재하는 공기가 가열될 수 있도록, 대부분이 유리로 이루어진다. 태양 복사에 노출된 외부 공간(2)의 벽(8)과 바닥은 돌 또는 콘크리트와 같은 축열 재료(heat-accumulating material)(18)로 덮이거나 제조된다. 외부 공간(2)에는, 태양 복사의 일사량(irradiated quantity)이 제한될 수 있도록 하기 위하여, 블라인드(14) 형태의 차양 장치가 또한 제공된다. 공기가 열 펌프(5)와 강제 접촉되도록, 열 펌프(5)와 함께 제1 팬(6)이 배치된다. 제1 팬(6)은 통상적으로 열 펌프(5)의 작동 중에 항상 켜진다. 또한 제1 팬(6) 및 열 펌프(5)와 함께 공기 배관(7)이 배치되어, 열 펌프(5)를 통과하는 공기는 공기 배관(7) 내로 안내된다. 공기 배관(7)은 약간 하류측에서 분기되어, 외부 공간(2) 내로 공기가 방출될 수 있도록 하는 제1 유출 배관(7a)과, 외부 공간(2)으로부터 공기를 외부로 안내하는 제2 유출 배관(7b)을 형성한다. 작동 상황에 따라 제1 및 제2 유출 배관(7a, 7b) 사이의 공기 흐름을 조절하기 위하여, 분기 위치에 조절판(damper)(9) 형태의 밸브 장치가 배치된다. 실외 공기와 외부 공간(2) 내의 공기 사이에 압력 차이가 발생하였을 때, 예를 들면, 열 펌프(5)와 접촉한 공기가 제2 유출 배관(7b)을 통하여 외부 공간(2)으로부터 외부로 안내되었을 때에, 공기가 통과하여 흐를 수 있도록 구성된 개구부(3)를 통하여 실외 공기가 외부 공간(2)으로 공급되거나, 필요한 경우에는, 외부 공간(2)으로부터 배출된다. 유출 배관(7a, 7b) 사이의 분배량을 선정함으로써, 외부 공간 내로의 실외 공기의 유입을 조절하는 것이 가능하다. 열 펌프 시스템(10)에는, 특정 작동 상황에서, 외부 공간(2)과 건물(4) 사이에 공기를 안내하도록 의도된 연결 배관(15)이 또한 제공된다. 연결 배관(15)은, 외부 공간(2)과 건물(4) 사이의 공기 흐름을 조절하기 위한 제2 팬(16)과 밸브(17)를 구비한다. 도 1 내의 다수의 화살표는 공기가 흐를 수 있는 다수의 여러 경로를 나타낸다. 상기 화살표는, 이미 위에 기재된 설명 이외에도, 주택의 벽(8)을 향한 열 펌프(5)의 대향면에서 공기가 열 펌프(5)로 유입된다는 것을 나타낸다.
열 펌프 시스템(10)의 작동 실시예에 대한 이하의 설명에서의 기호 T1, T2 및 T3는 도 1에 포함되어 있으며, T1은 실외 공기의 온도를 나타내고, T2는 외부 공간(2) 내의 공기 온도를 나타내고, T3는 건물 내의 실내 공기의 온도를 나타낸다. 외부 공간(2) 내의 온도(T2)는 외부 공간(2)의 여러 위치에 따라 물론 다를 수 있다. 다른 언급이 없는 한, T2는 예를 들면 열 펌프 내로의 공기 흐름의 유입구 근방에서 측정된 일종의 평균 온도를 나타낸다. 공지된 유형의 하나 또는 다수의 온도 감지기가 온도 결정을 위하여 사용되는 것이 바람직하다.
열 펌프 시스템(10)은 주요 조건에 따라 여러 방법으로 작동될 수 있다. 보다 중요한 조건의 예는 건물의 냉방/난방 요건, 실외 공기의 온도(T1) 및 태양 복사의 현재 강도를 포함한다. 통상적으로 건물(4)에는 보조적인 난방 및 냉방 시스템이 충분히 갖추어져 있다. 그러나 그러한 시스템의 존재가 원칙적으로 본 발명에 따른 열 펌프 시스템(1)의 기능에 영향을 미치지는 것은 아니다.
작동 상황 A
작동 상황의 제1 실시예에서는, 건물(4) 내의 실내 공기를 가열할 필요가 있 다. 이 경우에, T1은 통상 T3의 목표치보다 낮다. 그러한 상황의 전형적인 예는 스웨덴에서의 일년 중 한절기(colder part) 동안의 주거 환경이다. 이러한 상황에서, 차양 장치(14)는 주간에는 개방 위치로 유지되고, 열 펌프(5)는 건물(4) 내의 물의 유로(20)에 가급적 많은 열을 공급할 수 있도록 되어 있다. 초기 단계 중에, 밸브(17)가 폐쇄된 상태로 유지될 수 있고 공기가 제1 유출 배관(7a)을 통해 안내되도록 조절판(9)의 위치가 설정될 수 있으며, 따라서 원칙적으로 실외 공기는 외부 공간(2)에 공급되지 않는다. 무엇보다도 열 펌프(5)에 의해 소비되는 전력, 외부 공간(2)의 용적, 실외 공기의 온도(T1), 외부 공간(2) 내의 초기 온도(T2) 및 현재의 태양 복사(12)에 따라서, 외부 공간(2) 내의 공기 온도(T2)가 증가하거나, 유지되거나, 감소한다.
온도 T2가 T3보다 높으면, 특히 T2가 또한 증가하고 있으면, 가열된 공기가 연결 배관(15)을 통하여 외부 공간(2)으로부터 건물(4)로 흐를 수 있도록 밸브(17)가 개방될 수 있다. 제2 팬(16)은 유량을 증가시키기 위하여 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면 온도 T2가 T3와 같은 수준으로 감소하면, 밸브(17)와 팬(16)은 폐쇄될 수 있다. 연결 배관(15)을 통하여 건물(4)에 가열 공기가 공급되도록 하는 방안과 더불어, 또는 그 대안으로서, 조절판(9)은 공기가 적어도 부분적으로 제2 유출 배관(7b)을 통하여 흐르도록 하는 위치에 설정될 수 있다. 이러한 방안은 외부 공간 내의 공기 교체를 가능하게 하고, 또한 (T1이 T2보다 낮다면) T2가 낮아질 수 있도록 한다. 이는, 열 펌프(5)를 소정 온도 범위 내에서 작동하도록 하거나 다른 이유에 의해 외부 공간(2) 내의 온도를 소정 온도 미만으로 유지하려고 할 경우, 예를 들면 외부 공간(2)이 온도 민감성 설비를 포함하는 경우에 바람직할 수 있다. 온도 T2가 T1보다 낮거나 T2가 T1 미만의 온도로 감소하는 경우에, 열 펌프(5)로부터 나오는 공기가 제2 유출 배관(7b)을 통하여 안내되도록 조절판(9)의 위치가 변화한다. 열 펌프(5)와 접촉한 공기가 물의 유로(20)에 열을 방출하므로, 공기는 T2보다도 냉각된다. 이러한 방안의 결과로서, 태양 복사와 전력 소비와 같은 기타 조건이 동일하지 않다면, 온도 T1의 실외 공기가 개구부(3)를 통해 유입되고 T2를 증가시킨다. 충분히 많은 공기가 교체되면, T2가 T1과 동일하게 되는 작동 상황이 얻어진다. 외부 공간(2) 내의 양호한 공기 교체에 의해서, 외부 공간(2) 내의 온도(T2)는 실외 온도(T1) 정도의 값까지 감소하게 된다. 이 최소 온도가 열 펌프(5)의 효율의 관점에서 목표치보다 낮다면, 공기가 태양 복사에 의해 충분히 가열될 수 있도록 열 펌프(5)의 영향을 다소 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 이런 유형의 상황은 춥고 맑은 겨울날에 전형적이고 일반적일 수 있다.
본 발명의 한 변형 실시 형태에서는, 공기가 열 펌프(5)로부터 나올 때에, 예를 들면 공기 배관(7)의 최상류 근방의 위치에서 (보다 냉각된) 공기 흐름 내의 온도 T4가 또한 측정된다. 열 펌프(5)로부터 나오는 공기는 물의 유로(20)에 열을 전달하였기 때문에, T4는 일반적으로 T2보다 낮아진다. T2를 가급적 높게 유지하기 위하여, T2가 T1보다 높을 수도 있으나 T4가 T1보다 낮은 경우에, 조절판(9)의 위치가 변화하여 공기가 외부 공간(2)으로부터 제2 유출 배관(7b)을 통해 유출되도록 시스템(10)이 제어될 수 있다. 이러한 방식으로 외부 공간(2)에 공급되는 공기는, 제1 유출 배관(7a)을 통하여 공기가 순환되는 경우보다도 온도가 높고, 또한 이러 한 방식으로 예를 들면 T2가 T1 미만으로 감소하는 상황을 방지하는 것이 가능하다.
특히 밤과 매우 어두운 낮과 같이 태양 복사의 수준이 무시할 만하다면, 차양 장치(14)는 닫힘 위치에 설정되어 있는 것이 바람직하다. 따라서 외부 공간(2)으로부터의 열복사가 감소한다. 외부 공간(2)의 단열 상태를 양호하게 함으로써, 온도를 더욱 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 외부 공간(2)으로 열을 방출하는 열 펌프(5)의 압축기, 건물, 또는 기타 열원으로부터 누설되는 모든 열은 보다 효과적으로 활용될 수 있다. 대신에, 외부 공간(2) 내의 공기를 냉각시키고자 하는 경우에는, 열 펌프(5)의 압축기로부터의 열은 외부 공간(2)의 외측의 소정 지점으로 안내되는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 이하의 설명을 참조하기로 한다.
작동 상황 B
작동 상황의 제2 실시예에서는, 건물(4) 내부의 실내 공기를 냉각할 필요가 있다. 이 경우에, T1은 통상 T3의 목표치보다 높다. 동시에, 가정용 온수 생성을 위하여 물의 유로(20)를 가열할 필요가 있다. 그러한 상황의 전형적인 예는 스웨덴에서의 하절기의 특히 주간의 주거 환경이지만, 종종 하절기 야간의 주거 환경도 해당한다. 이러한 상황에서, 열 펌프(5)가 전과 같이 물의 유로(20)를 계속 가열하면서, 그와 동시에 외부 공간(2) 내부에 찬 공기를 생성하도록 하여 건물(4)을 냉방하는 것을 목적으로 한다. 차양 장치(14)는, 태양으로부터의 복사(12)를 최소화하기 위하여, 적어도 주간에는 닫힌 상태로 유지될 수 있다. 차양 장치(14)의 개방도(degree of opening)는 태양 복사(12)의 강도와 열 펌프(5)에 의한 열 제거에 따 라 조절될 수 있다. 또한 열 펌프(5)는 건물(4)의 물의 유로(20)에 가급적 많은 열을 공급할 수 있도록 되어 있다. 초기 단계 중에, 공기가 제1 유출 배관(7a)을 통해 안내되도록 조절판(9)의 위치가 설정되고 그와 동시에 밸브(17)가 닫힌 상태로 유지되며, 따라서 원칙적으로 외부 공간(2) 내에서는 공기 교체가 일어나지 않는다. 열 펌프(5)에 의한 외부 공간(2) 내부의 공기로부터의 열 에너지 흡수에 따라, 온도 T2는 계속 저하한다. 온도 T2가 T1과 T3 모두보다 낮아지면, 밸브(17) 개방에 의하여 공기가 연결 배관(15)을 통하여 외부 공간(2)으로부터 건물(4)로 안내됨에 따라, 건물(4)은 냉방될 수 있다. 제2 팬(16)은 공급 공기의 유량 증가를 위하여 사용되는 것이 바람직하다. 이때 실외 공기가 개구부(3)를 통해 외부 공간(2) 내로 유입된다. 무엇보다도 실외 공기 온도(T1), 열 흡수 및 태양 복사의 실제 수준에 따라서, 외부 공간(2) 내의 공기 온도(T2)는 증가하거나, 유지되거나, 감소하게 된다. 이러한 상황에서 안정적인 작동 위치를 결정하기 위하여, 예를 들면 밸브(17)와 차양 장치(14)의 개방도 및/또는 제2 팬(16)의 영향을 조절하는 것이 가능하다. 외부 공간(2) 내부의 온도(T2)가 계속 증가하면, T2를 낮추기 위하여 밸브(17)와 차양 장치(14)를 완전히 닫을 필요가 있을 수도 있다.
본 발명의 다른 변형 실시예에서, 열 펌프 시스템(10)에는, 열 펌프(5)와 접촉한 공기를 연결 배관(15)으로 직접 안내하도록 구성된 추가 배관(도시 생략)이 제공될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 공기는 일반적으로 온도 T2보다 냉각되어 있다. 상기 추가 배관을 통과하는 공기 흐름은 건물(4) 내로 유입되기 전에 제습되는 것이 바람직하다. 이 변형 실시예에서도, 시스템(10)의 조절 방법을 결정할 수 있도록 하기 위하여, 예를 들면 공기 배관(7) 내의 최상류 근방의 위치에, 공기가 열 펌프(5)로부터 나올 때의 (보다 냉각된) 공기 흐름 내의 온도(T4)를 측정하는 것이 바람직하다. 본 발명의 이러한 변형 실시예에 의하여, 충분히 낮은 온도의 공기 흐름을 보다 급속하게 생성하여 건물(4)을 냉방하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 추가 배관은 제1 유출 배관(7a) 내의 분기관(branch)으로 이루어질 수 있으며, 이와 함께 제1 유출 배관(7a)과 상기 추가 배관 사이의 공기 흐름의 분배를 위하여 추가 조절판(도시 생략)이 배치되는 것이 바람직하다.
제2 작동 상황의 한 실시예에서, 초기 단계 중에 실외 공기 온도(T1)는 25℃이고, 외부 공간(2)의 온도(T2)는 25℃이고, 실내 온도(T3)는 24℃이다. 목표로 하는 실내 온도, 즉 T3의 목표치는 21℃이다. 전술한 바에 따르면, 열 펌프 시스템(10)이 작동하면 T2는 계속 감소한다. T2가 예를 들어 23℃까지 감소하면, 공기가 연결 배관(15)을 통하여 건물(4) 내로 안내되도록 하는 것이 가능하다. 이러한 과정은, T2가 T3보다 낮고 T3가 21℃보다 높은 동안에는 계속된다. 다른 방안으로서, 예를 들어 T2가 20℃에 도달할 때까지, 연결 배관(15)을 통한 건물 내로의 공기 안내를 지연시키는 것도 가능하다.
외부 공간(2)은 다양한 여러 방법으로 설계될 수 있다. 벽 및/또는 지붕의 거의 대부분 또는 적어도 상당 부분은 태양 복사에 대해 투광성이 있는 유리 또는 기타 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 설명에서 "투광성(transparent)"이라는 용어는, 태양 복사의 파장 스펙트럼의 거의 대부분에 대하여 투광성이 있는 재료를 나타내기 위하여 사용되며, 따라서 태양 복사에 의하여 투광성 재료의 반대편 의 공기 또는 기타 물질이 가열될 수 있다. 예를 들면, 통상의 창유리(window glass)가 이러한 목적에 적합하다. 플라스틱 재료도 충분히 내성을 구비한다면 사용 가능하다. 일반 창유리에 비하여 장파장 열 에너지를 외부 공간(2) 내로 다시 반사하고 보다 짧은 파장의 태양 열 에너지를 받아들이는 정도가 우수한 소위 에너지 절약형 유리(energy-saving glass)를 사용하는 것이 바람직하다. 투광성 부재는 태양 에너지의 효과적인 조사(irradiation)가 이루어지도록 하늘을 향해 적정 각도로 배향되어 있어야 한다. 또한, 투광성 구성 부재는 물론 북반구에서는 원론적으로 남향을 나타내어야 한다. 전술한 사항뿐만 아니라, 외부 공간(2)은 완전히 유리로 덮인 외면(facade)으로 이루어지거나 그러한 외면의 부재로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 대형 사무용 건물에는, 완전히 유리로 덮인 남향 외면의 내측에 배치된 다수의 외부 공간(2)이 제공될 수 있다. 주로 냉각 기능(작동 상황 B)이 중요한 경우에는, 투광성 부재가 수직으로 배향되면 일반적으로 충분하다. 외부 공간(2)은 흑칠 표면(black painted surface)과 같이 태양 복사의 흡수를 증가시키기 위한 수단과 돌과 콘크리트와 같은 축열 재료(18)를 포함할 수도 있다. 외부 공간은, 공기가 순환되거나 외부 공간(2) 내로 안내되도록 하는 팬과 배플 판(baffle plate)과 같은 수단을 포함할 수도 있다. 그러한 수단은 외부 공간(2) 내부에 균일한 온도 분포가 이루어질 수 있도록 한다. 전술한 바와 같이, 시스템(10)은, 온도 T2를 가급적 높게 유지하기 위한 목적으로, 열 펌프(5)와 접촉하던 공기가 제2 유출 배관(7b)을 통해 직접 외측으로 안내되어 외부 공간(2) 내부의 다른 공기인 통상 보다 따뜻한 공기와 혼합되는 것을 방지하도록 배치된다. 또한, 온도 T2를 가급적 낮 게 유지하기 위한 관점에서, 외부 공간(2) 내부의 최고점에 존재하는 공기 즉 통상의 환경에서 가장 따뜻한 공기가 외부로 안내될 수 있도록 시스템(10)이 설계될 수도 있다. 외부 공간(2)은 공기의 처리를 위하여 제습기, 공기 필터 등을 포함할 수도 있다. 또한, 외부 공간(2)은 우수한 단열성을 나타내도록 배치되어, 조사된 태양 에너지, (배관(7b, 15) 및 개구부(3)를 통한) 환기 및 열 펌프(5)에 흡수된 열에 의하여 외부 공간(2) 내의 온도(T2)가 최대로 가능한 온도로 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 에너지가 보다 활용될 수 있는데, 이는 가열 시스템(10)이 더욱 효과적으로 제어될 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 외부 공간(2)은 주로 공기 조절(air tempering)을 위한 공간으로서의 기능을 하도록 의도되며, (장기간) 사람이 거주하도록 설계된 건물의 공간으로서의 기능을 하도록 의도된 것은 아니다.
외부 공간(2)에 의해 나타나는 바람직한 용적은 외부 공간(2)의 설계, 열 펌프(5)의 효과, 건물 소재지의 기후대 및 건물의 난방/냉방 요건을 포함하는 여러 요인에 의존한다. 스웨덴에 위치하는 전형적인 크기의 분리형 주택과 종래의 실외 공기 열 펌프의 경우에는, 통상의 온실 즉 30㎥ 정도의 구조물에 의하여 효과적으로 기능을 부여할 수 있다. 그러나 그보다 더 크거나 작은 용적을 고려할 수도 있다.
본 발명에 따른 열 펌프 시스템(10)은, 예를 들어 효과와 적정 온도 범위를 고려하여, 전형적인 실외 공기 열 펌프에 의해 우수한 기능을 한다. 그러한 열 펌프에는 일반적으로 내장형 팬이 구비되어 있고, 그 팬은 도 1에 도시된 제1 팬(6) 으로서의 기능을 한다.
본 발명에 따른 열 펌프 시스템(10)을 조절하기 위해서는, 구비하고자 하는 제어 시스템의 성능에 따라, 실외 온도(T1); 외부 공간 내의 공기 온도(T2); 건물 내의 공기 온도(T3); 열 펌프와 접촉한 공기 온도(T4); 열 펌프(5)의 전력 소비; 태양 복사(12)의 강도; 조절판/밸브(9, 17) 및 차양 장치(14)의 개방 위치; 팬(6, 16)의 전원 상태; 및 물의 유로(20)에 대한 필요 전력과 같은 다수의 파라미터가 중요할 수 있다. 특히 개구부(3)에 제어 가능형 밸브(controllable valve)가 구비되어 있다면, 실외, 외부 공간 내부 및 건물 내부의 공기 압력이 조절에 이용될 수도 있다. 시스템(10)은 소망 파라미터의 결정이 가능하도록 다수의 온도 센서, 방사 센서, 위치 센서 등을 구비하는 것이 바람직하고, 설정 변경을 위하여 작동 장치(actuating device)를 또한 구비한다. 당업자라면, 본 명세서에 제공된 정보를 이용하여, 종래의 난방 또는 환기 시스템과 유사하게 열 펌프 시스템(10)의 조절을 자동화하는 것이 물론 가능하다. 열 펌프 시스템(10)의 조절은 건물(4) 내의 다른/기존 환기 및 난방 시스템에 통합되는 것이 바람직하다.
시스템은, 예를 들면 제2 팬(16)을 역회전 작동(이 경우 팬(16)은 공급 공기 팬 대신에 배출 공기 팬의 기능을 함)시킴으로써, 공기를 건물(4)로부터 연결 배관(15)을 통하여 외부 공간(2)으로 안내하는 기능을 제공한다. 이러한 구성은, 예를 들면 건물(4) 내의 공기에 존재하는 열을 이용하기 위하여 바람직할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 아래의 특허청구범위 내 에서 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 따라 설명된 실시예에서, 제1 팬(6) 및 공기 배관(7)과 함께 제2 유출 배관(7b)에 의하여, 열 펌프(5)와 접촉한 공기가 외부로 직접 안내될 수 있지만, 그와 같이 안내될 수 없는 경우에도 본 발명의 적어도 일부의 장점이 활용될 수 있다. 그 이유는 외부 공간(2) 내에서 양호한 공기 교체 조절이 달성되기 때문이다. 공기 배관(7)과 유출 배관(7a, 7b) 대신에, 추가 개구부 내에 제어 가능한 추가 팬을 배치하는 것이 가능하며, 이러한 구성에 의하여 외부 공간(2) 내의 공기 교체가 가능하게 된다. 이러한 유형의 변형 실시예에서, 열 펌프(5)와 접촉한 공기는 외부 공간(2) 내의 다른 공기와 혼합된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 도 1에 도시된 실시예에 따른 본 발명의 중요한 장점은, 열 펌프(5)와 접촉하던 냉각 공기를 우선 혼합하지 않더라도 외부 또는 연결 배관(15)으로 직접 안내하는 능력을 통하여, 보다 효과적인 온도 조절을 가능하게 한다는 점이다.
팬, 조절판, 밸브, 배관 및 개구부는 물론 도 1에 개략적으로 도시된 방식과는 다른 방식으로 배치될 수도 있다. 예를 들면, 조절판(9)은 각 유출 배관(7a, 7b) 내의 밸브로 대체될 수 있다. 배관(7, 7a, 7b)은 외부 공간(2)의 외부에 배치될 수도 있으며, 중요한 고려 사항은 물론 유입과 유출의 위치 설정이다. 개구부(3)는 달리 배치될 수 있다. 개구부(3)의 크기는 중요한 것은 아니지만, 필요한 경우에 공기가 외부 공간(2)으로부터 유입 또는 유출되는 것을 방해하지 않도록 충분히 커야 하고, 바람직하지 않은 공기 흐름을 최소화하도록 충분히 작아야 한다. 다수의 개구부를 이용하는 것도 물론 가능하다. 개구부(3)에는, 필요하다면, 밸브 와 팬 모두가 제공될 수도 있다.
건물(4)은 주택용 건물 또는 사무용 건물 또는 다른 종류의 건물일 수 있다. 유로(20)는 물로 이루어질 필요가 있는 것은 아니며, 열 펌프(5)로부터 열 에너지를 흡수하는 다른 매체일 수도 있다. 열 에너지 전체가 건물(4)에 흡수될 필요가 있는 것도 물론 아니며, 예를 들면, 수영장, 가열된 포장 도로 또는 도로, 농작 설비 또는 산업 공정과 같은 하나 또는 다수의 인접 건물 또는 설비에 이 열 에너지를 이용할 수 있다. 따라서 열 펌프 시스템(10)이 건물과 함께 배치될 필요가 있는 것은 아니며, 예를 들면, 외부 공간(2)과 결합된 시스템(10)은, 일례로 수영장과 함께 배치된 별도의 유닛(unit)을 구성할 수 있다. 그러나 연결 배관(15)을 통한 냉각 기능의 장점을 활용하기 위하여, 시스템(10)은 적어도 수시로 냉방될 필요가 있는 건물과 함께 배치되는 것이 특히 바람직하다.
차양 장치(14)에 관해서는, 블라인드 대신에, 전후로 또는 상하로 견인되는 시트로 구성될 수 있다. 또한 차양 장치(14)는 외부 공간(2) 내에 위치할 필요가 있는 것은 아니며, 차단(screening)이라는 관점에서, 예를 들면 차일(awning)과 유사한 장치의 형태로 외부에 배치하는 것이 바람직할 수도 있다. 반면에, 외부에 배치된 차양 장치(14)는 바람과 기후의 영향에 더욱 노출되므로, 이로 인하여 그 기능에 영향을 줄 수 있다. 차양 장치(14)는 자동 조절이 용이하도록 모터로 구동되는 것이 바람직하다.

Claims (12)

  1. 실외 공기로부터 열 에너지를 흡수하고 다른 매체(20)에 열 에너지를 방출할 수 있도록 배치된 열 펌프(5)와,
    태양 복사(12)의 이용에 의하여 실외 공기를 가열할 수 있도록 구성된 외부 공간(2)을 포함하며,
    외부 공간(2)을 통해 실외 공기를 열 펌프(5)로 안내하도록 배치된 열 펌프 시스템(10)에 있어서,
    외부 공간(2)으로의 실외 공기의 흐름을 조절하기 위한 수단(3, 6, 7, 7a, 7b, 9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    외부 공간(2) 내에 실외 공기의 흐름을 생성하도록 배치된 제1 팬(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 팬(6)은 외부 공간(2)으로부터의 공기의 외향 흐름을 생성하도록 배치되고,
    열 펌프 시스템(10)은 외부 공간(2) 내로의 실외 공기의 내향 흐름을 가능하게 하는 유입구(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    제1 팬(6)은 열 펌프(5)의 일체형 부재를 구성하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    흐름 제어 수단(3, 6, 7, 7a, 7b, 9)은, 열 펌프(5)와 접촉한 공기의 흐름을 안내하고, 외부 공간(2) 내측에 위치한 제1 유출구(7a)와 외부 공간(2)의 외측에 위치한 제2 유출구(7b) 사이의 공기 흐름의 분배를 가능하게 하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    흐름 제어 수단(6, 7, 7a, 7b, 9)은, 열 펌프(5)와 접촉한 공기의 흐름을 안내하기 위한 공기 배관(7)과, 외부 공간(2) 내측으로 배출하는 제1 유출 배관(7a)과 외부 공간(2) 외측으로 배출하는 제2 유출 배관(7b) 사이의 공기 흐름의 분배를 제어 가능하게 하도록 배치된 밸브 장치(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  7. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    제1 팬(6)은 공기 배관(7)에 연결되어 배치된 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    건물(4)에 연결되어 배치되고,
    외부 공간(2)과 건물(4) 사이의 공기를 안내하도록 배치된 연결 배관(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    연결 배관(15)을 통과하는 공기 흐름을 조절하기 위한 수단(16, 17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 공간(2)은, 적어도 일부가 태양 복사에 대해 투광성이 있는 재료로 이루어진 벽 및/또는 지붕(13)을 구비하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    태양 복사(12)를 차단할 수 있고 그에 따라 외부 공간(2) 내의 실외 공기의 가열을 제한할 수 있도록 구성된 조절식 차양 장치(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
  12. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    열 펌프(5)는, 건물(4), 설비 또는 공정 내의 하나 또는 다수의 물 매체 시스템(water system)에 직접 또는 간접으로 열 에너지를 방출하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열 펌프 시스템.
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