KR20090044885A - 히트펌프식 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 히트펌프식 냉난방 시스템이 난방기로 사용되는 동절기는 물론 냉방기로 사용되는 하절기에도 온수를 생산하여 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축기(10), 제1열교환기(20), 팽창밸브(40), 제2열교환기(30)를 포함하는 냉방사이클을 이루는 기본요소기기에 냉매의 흐름방향을 제어하는 사방변 밸브(50)를 포함하고, 상기 압축기와 제2열교환기의 관로에 연결되며 상기 압축기에 의해 고온고압으로 압축된 냉매와 물을 공급받아 열교환에 의해 상기 물을 데우는 온수공급장치(60)와; 상기 온수공급장치에 물을 공급 및 상기 온수공급장치를 통과하여 온도가 상승된 온수를 저장하는 고온수 축열탱크(63)와; 상기 제2열교환기를 강제로 공냉하는 송풍기(31)와; 상기 제2열교환기를 통과하는 냉매의 압력을 감지하여 상기 냉매가 일정 압력을 유지하도록 상기 송풍기의 온/오프를 제어하는 컨트롤러(70)를 포함하여 구성된다.

히트 펌프, 온수공급장치, 냉방, 온수

Description

히트펌프식 냉난방 시스템{Heat pump type air conditioning and heating system}

본 발명은 히트펌프식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트펌프식 냉난방 시스템이 난방기로 사용되는 동절기는 물론 냉방기로 사용되는 하절기에도 온수를 생산하여 제공할 수 있도록 한 히트펌프식 냉난방 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 히트펌프식 냉난방 시스템은, 냉매의 선택적 양방향 흐름을 통해 난방계절 동안은 고압측(응축기)에서의 방출열을 활용하여 난방 및 온수를 제공하고 냉방계절 동안은 저압측(증발기)에서의 주변열 흡수를 활용하여 냉기를 제

공할 수 있도록 된 시스템을 말한다.

이와 같은 히트펌프식 냉난방 시스템은 그 적용환경에 따라 다양한 구조로 응용되어 사용되고 있으나 기본적으로 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기 등 냉 동 사이클을 이루는 4개의 기본 요소기기로 이루어져 있으며, 이러한 냉동 사이클의 구성에 냉매의 유동방향을 전환하여 냉방 또는 난방기기로의 선택적 활용이 가능토록 사방변 밸브를 더 포함하고 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축기(1), 응축기(실외기;2), 팽창밸브(3), 증발기(실내기;4) 등의 기본구성요소를 포함하여 이루어진 통상의 냉방 시스템과, 이러한 냉방 시스템에 있어 상기 팽창밸브(3)와 증발기(4) 사이 그리고 압축기(1)와 응축기(2) 사이에 선택적으로 포트를 전환하여 냉매의 순환방향을 전환시키기 위해 마련되는 사방변 밸브 및 역기변(5a.5b)을 포함하여 이루어진다.

이와 같이 구성된 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축-응축-팽창-증발 등의 일련의 냉방 사이클을 통해 통상의 냉방기기로 활용되며, 사방변 밸브 및 역기변(5a.5b)의 동작에 따른 냉매의 역순환에 따라 증발-팽창-응축-압축 등의 히트펌프 과정을 거쳐 난방기기로 활용되기도 한다.

상기와 같은 히트펌프식 냉반방 시스템을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 냉방 시 냉매가 증발기(실내기;4)내에서 증발하면서 주변의 열원을 흡수하는 흡열과정을 거친 후 응축기(실외기;2)에서 방열될 때, 상기 증발기(4) 측의 흡열량을 이용하면 냉방기로 활용될 수 있는 것이고, 이와는 달리 사방변 밸브 및 역기변(5a,5b)의 조작에 의해 냉매의 흐름방향이 냉방시와는 역으로 전환되는 경우에는 상기 냉방시의 증발기(실내기;2)가 응축기로 활용되고 응축기(실외기;4)가 증발기로 활용되기 때문에 상기 증발기(실내기)에의 방출열량을 이용하면 난방기기로 활용할 수 있게 되 는 것이다. 즉, 냉동시에는 저압측 증발기에서의 흡열량을 이용하고, 난방시에는 고압측 응축기에서의 방출열량을 이용하는 것이다.

그러나 상기와 같은 구성과 작동원리를 갖는 종래의 일반적인 히트펌프식 냉난방 시스템에는 별도의 온수공급수단이 마련되어 있지 않기 때문에, 냉방기로 활용되는 하절기나 환절기에 온수를 제공받기 위해서는 별도로 보일러를 가동시켜야 하므로 경제적 측면에서 효율적이지 못하다는 문제가 있다.

더욱이, 히트펌프식 냉난방 시스템이 냉방기기로 활용될 경우에 증발기를 통해 흡수된 열량을 충분히 재사용할 수 있음에도 불구하고 응축기를 통해 그대로 방열되어 폐기되므로 에너지의 효율적 이용이라는 관점에서 보면 매우 비경제적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프식 냉난방 시스템이 냉방기기로 활용되는 경우의 제1열교환기(실내기)와 제2열교환기(실외기)사이에 관로를 흐르는 냉매의 열원을 이용하여 물의 온도를 상승시킬 수 있는 온수공급장치를 마련하여, 냉방시스템으로 활용되는 하절기 또는 환절기에도 온수를 제공할 수 있으며, 나아가서는 냉방시 응축기를 통해 외부로 버려지는 폐열을 적극활용 함에 따라 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 히트펌프식 냉난방 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축기, 제1열교환기, 팽창밸브, 제2열교환기를 포함하는 냉방사이클을 이루는 기본요소기기에 냉매의 흐름방향을 제어하는 사방변 밸브를 포함하고, 상기 압축기와 제2열교환기의 관로에 연결되며 상기 압축기에 의해 고온고압으로 압축된 냉매와 물을 공급받아 열교환에 의해 상기 물을 데우는 온수공급장치와; 상기 온수공급장치에 물을 공급 및 상기 온수공급장치를 통과하여 온도가 상승된 온수를 저장하는 고온수 축열탱크를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템에 의하면, 히트펌프식 냉난방 시스템이 냉방기기로 활용되는 하절기에도 급탕온수 및 난방용 온수를 제공할 수 있으며, 난방기기로 활용되는 동절기 역시 급탕온수 및 난방용 온수를 제공할 수 있어, 계절에 상관없이 온수를 생산할 수 있으며, 보조 히터와 같은 별도의 열원이 필요 없어 경제성이 향상되는 등의 효과가 있다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템은, 압축기(10), 제1열교환기(20), 제2열교환기(30), 팽창밸브(40), 사방변 밸브(50)를 포함하며, 여기에 냉방시 온수를 공급할 수 있는 온수공급장치(60)가 더 포함되어 구성된다.

냉방 운전시 제1열교환기(30)와 압축기(10)를 거친 고온 고압의 과열증기로서 열원이 포함된 상태의 냉매를 이용하여 탱크내에 담수된 물을 데울 수 있도록, 압축기(10)와 제2열교환기(30)를 연결하는 관로상에 온수공급장치(60)가 마련된다.

온수공급장치(60)에 냉수를 제공함과 동시에 온수공급장치(60)를 거치면서 데워진 물을 제공받아 온수를 저장하는한 고온수 축열탱크(63)를 포함하여 구성된다.

여기에서, 온수공급장치(60)와 고온수 축열탱크(63)는 2개의 라인을 통해 연결되어, 고온수 축열탱크(63)로부터 온수공급장치(60)에 냉수를 제공하며 온수공급장치(60)를 거치면서 데워진 물이 다시 고온수 축열탱크(63)로 회귀할 수 있도록 구성된다.

온수공급장치(60)는, 내부에 냉매와 고온수 축열탱크(63)에서 공급되는 냉수가 흐르는 유로가 각각 구비된 판형 열교환기이다.

즉, 압축기(10)를 통해 고온고압으로 압축된 냉매가 온수공급장치(60)의 냉매 유로를 통과하고 고온수 축열탱크(63)에서 공급되는 냉수는 온수공급장치(60)의 냉수 유로를 통과하며, 이 과정에서 냉수와 냉매가 열교환되어 냉수가 고온으로 데 워지게 되는 것이다. 냉방시 압축기(10)에 의해 고온고압으로 압축된 냉매가 온수공급장치(60)를 통과한 후 제2열교환기(30)에 공급되고, 난방시 제2열교환기(30)를 통과한 냉매가 온수공급장치(60)를 경유하지 않고 압축기(10)에 복귀하도록 관로 상에 제1,2체크밸브(61,62)가 설치된다.

이때 온수공급장치(60)에서 원하는 온도의 온수를 공급할 수 있도록 구성되며, 제2열교환기(30) 내의 냉매 온도를 조절함으로써 압력을 유지하고 제2열교환기(30) 내의 냉매 온도는 송풍팬(31)에 의한 공랭식으로 이루어진다. 예컨대 온수공급장치(60)의 고압 압력을 15kg/㎠ 로 유지하는데, 온수공급장치(60)를 통과한 냉매가 제2열교환기(30)에 유입될 때 상기 설정 압력이 유지되면 컨트롤러(70)에 의해 송풍팬(31)의 구동을 정지시키고, 제2열교환기(30)의 압력이 19kg/㎠이상으로 상승되면 송풍팬(31)을 구동시켜 제2열교환기(30) 내의 냉매 압력을 하강시키고, 냉매 압력이 16kg/㎠로 하강하면 송풍팬(31)의 구동을 정지시킨다. 이러한 작용이 반복되면서 온수의 온도를 유지할 수 있다.

고온수 축열탱크(63)의 온도가 원하는 온도로 셋팅되면 온수공급장치(60)는 냉매의 통로 역할만 하고 고온 고압의 냉매는 제2열교환기에서 완전히 열교환한다.

제1열교환기(20)는 팽창밸브(40)와 압축기(10)의 사이에 연결되어 팽창밸브(40)를 통해 냉방시 감압 및 난방시 고압고온으로 압축된 냉매를 통해 난방시 온수를, 냉방시 냉수를 생산한다.

제1열교환기(20)는 내부에 냉매와 물이 각각 흐르는 유로가 구비된 판형 열 교환기이다.

즉, 제1열교환기(20)는 압축기(10) 또는 팽창밸브(40)를 통과한 냉매가 통과하며, 이 과정 중에 제1열교환기(20)에 물이 공급되면 이 물과 냉매가 열교환하여 난방시 온수, 냉방시 냉수를 생산한다.

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 히트 펌프식 냉난방 시스템의 작동에 대해 냉방 또는 난방 사이클의 동작에 따른 냉매의 상태와 연계하여 설명하기로 한다.

1. 냉방시

냉방시 냉매는 압축기(10) - 사방변 밸브(50) - 온수공급장치(60) - 제2열교환기(30) - 팽창밸브(40) - 제1열교환기(20) - 압축기(10)의 경로를 따라 순환한다. 이 과정에서 제2열교환기(30)를 흐르는 고온고압의 냉매는 공기와 열교환되어 응축과정을 거친 후 제1열교환기(20)로 흐르며, 이때 제1열교환기(20)에 물을 공급하여 제1열교환기(20)를 흐르는 냉매와 물이 열교환되어 냉수가 생산된다. 도면에 도시되지는 않았지만 제1열교환기(20)의 냉매와 열교환된 냉수는 축열탱크에 저장되고, 상기 축열탱크에 저장된 냉수는 팬 코일 등의 열교환기에 공급되어 공기와 열교환됨으로써 실내에 냉기를 공급하여 냉방한다.

아울러, 압축기(10)에서 고온고압으로 압축된 냉매와 고온수 축열탱크(63)의 냉수가 온수공급장치(60)에 각각 공급되어 냉매와 냉수가 열교환함으로써 냉수가 데워져 고온수 축열탱크(63)에 저장된다.

온수공급장치(60)를 통과한 냉매는 제2열교환기(30)에 공급되며, 이 과정 중 에 상술한 것처럼 냉매의 압력이 상승하게 된다. 앞서 설명한 것처럼 냉매 압력 변화에 따라 송풍팬(31)의 온/오프를 제어함으로써 냉매 압력을 고온수의 생산을 위한 적정 압력으로 조절한다.

2. 난방시

난방시는 냉매가 압축기(10) - 사방변 밸브(50) - 제1열교환기(20) - 팽창밸브(40) - 제2열교환기(30) - 압축기(10)의 경로를 따라 순환한다. 이 과정에서 압축기(10)에 의해 고온고압으로 압축된 냉매는 제1열교환기(20)로 흐르며, 이때, 제1열교환기(20)에 물을 공급하여 제1열교환기(20)를 흐르는 냉매와 물이 열교환됨으로써 온수가 생산된다. 도면에 도시되지는 않았지만 제1열교환기(20)의 냉매와 열교환된 온수는 축열탱크에 저장되고, 상기 축열탱크에 저장된 냉수는 팬 코일 등의 열교환기에 공급되어 공기와 열교환되거나 바닥에 매설된 난방파이프에 공급됨으로써 실내를 난방한다.

난방시에 제2열교환기(30)를 통과한 냉매는 관로 상의 제2체크밸브(62)에 의해 온수공급장치(60)를 통과하지 못하고 압축기(10)에 복귀된다.

도 1은 종래 기술에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 히트펌프식 냉난방 시스템의 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 압축기, 20,30 : 열교환기

40 : 팽창밸브, 50 : 사방변 밸브

60 : 온수공급장치,

Claims (3)

1. 압축기(10), 제1열교환기(20), 팽창밸브(40), 제2열교환기(30)를 포함하는 냉방사이클을 이루는 기본요소기기에 냉매의 흐름방향을 제어하는 사방변 밸브(50)를 포함하고,

   상기 압축기와 제2열교환기의 관로에 연결되며 상기 압축기에 의해 고온고압으로 압축된 냉매와 물을 공급받아 열교환에 의해 상기 물을 데우는 온수공급장치(60)와;

   상기 온수공급장치에 물을 공급 및 상기 온수공급장치를 통과하여 온도가 상승된 온수를 저장하는 고온수 축열탱크(63)와;

   상기 제2열교환기를 강제로 공냉하는 송풍기(31)와; 상기 제2열교환기를 통과하는 냉매의 압력을 감지하여 상기 냉매가 일정 압력을 유지하도록 상기 송풍기의 온/오프를 제어하는 컨트롤러(70)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압축기에 의해 압축된 냉매가 상기 온수공급장치를 경유한 후 상기 제2열교환기에 공급되고, 난방 운전시 상기 제2열교환기를 통과한 냉매가 상기 온수공급장치를 회피하여 상기 압축기에 복귀하도록 관로를 개폐하는 제1,2체크밸브(61,62)가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1,2열교환기는 내부에 냉매와 물의 유로가 각각 구비된 판형 열교환기인 것을 특징으로 하는 히트펌프식 냉난방 시스템.

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