KR20090124765A - 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 관한 것으로, 2단 히트펌프 사이클을 이용하며 2단 히트펌프 사이클의 냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(110), 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(120), 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(130), 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(140)로 이루어진 1차 히트펌프 사이클(100)과; 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(210), 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(220), 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(230), 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(240)로 이루어진 2차 히트펌프 사이클(200)을 포함하며, 열교환기(300)를 통해 상기 1차 히트펌프 시스템의 응축기를 흐르는 냉매와 상기 2차 히트펌프 사이클의 증발기를 통과하는 냉매를 열교환시켜 상기 2차 히트펌프 사이클의 응축기를 통해 온수를 생산한다.
온수, 히트펌프, 열교환, 2단

Description

2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템{HOT WATER PRODUCTION SYSTEM USING 2-STEPS HEAT PUMP CYCLES}
본 발명은 온수 생산 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2단 히트펌프 사이클을 이용하며 2단 히트펌프 사이클의 냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산할 수 있는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프 시스템은, 기본적으로 냉방 사이클과 난방 사이클을 동일한 유닛 안에 내장하여 냉각, 가열이 겸용으로 이루어지며, 한 대의 유닛으로 하절기에는 냉방 사이클에 의해 냉방을 수행하고, 동절기에는 역사이클로 전환시켜 난방 및 급탕을 수행하는 시스템이다.
종래 기술에 의한 히트펌프 시스템은 냉매가스를 고온 고압으로 압축시키는 압축기와, 공기와 열교환 하기 위한 공기측열교환기와, 실내 냉, 난방 공간을 순환 하는 물과 열교환하기 위한 냉온수열교환기와, 순환하는 물을 급탕하는 급탕열교환기와, 냉, 난방 모드별로 압축기로부터 토출되는 냉매의 흐름 방향을 공기측열교환기 또는 냉온수열교환기, 급탕열교환기로 전환시키는 전자4방밸브와, 각 열교환기로부터 토출된 냉매액을 저온 저압으로 팽창시키며 냉, 난방 모드에 따라 선택적으로 작동하는 냉난방팽창밸브와, 기체상태의 냉매를 압축기로 송출하고, 액체 상태의 냉매는 증발시킨 후, 압축기로 보내지는 액분리기, 그리고 냉매를 일시 저장함과 아울러 냉매액에 함유된 미응축 냉매나 불응축 가스를 분리하여 액체상태의 냉매를 냉난방팽창밸브측으로 보내는 수액기로 이루어진다.
이와 같은 종래의 히트펌프 시스템에서 냉방을 위한 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 전자4방밸브를 통해 공기측열교환기로 보내지고, 공기측열교환기에서 외부 공기에 의해 열을 빼앗기면서 응축된다. 공기측열교환기에서 응축된 냉매액은 냉난방팽창밸브를 통과하면서 저온 저압 상태로 팽창된 다음 냉온수열교환기로 유입된다. 냉온수열교환기에는 실내의 부하측을 순환한 물이 입수관을 통해 유입되어 흐르고 있으므로, 냉온수열교환기에 유입된 냉매는 물의 열원을 받아 증발되어 저온저압의 냉매 가스로 상변화 한다. 이 과정에서 냉온수열교환기를 흐르는 물을 대략 7℃로 냉각시키게 되고, 냉각된 물은 출수관을 통하여 실내의 필요한 곳으로 보내어져 실내를 냉방하게 된다.
여기서 냉온수열교환기에서 증발된 냉매 가스는, 전자4방밸브를 통해 액분리기로 유입되어 기, 액분리된 후 기체 상태로 압축기로 귀환됨으로써 냉방사이클이 완료된다.
그리고 종래의 난방 운전 사이클은, 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매 가스는 전자4방밸브를 통해 냉온수열교환기로 보내져서 냉온수열교환기를 흐르는 입구 수온을 대략 45℃의 온수를 만들어 실내 난방에 사용된다. 이 과정에서 냉매 가스는 응축되어 냉매액으로 상변화되고, 냉온수열교환기를 나온 냉매액은 전자4방밸브를 통하여 수액기로 유입된 후 액체 상태로 냉난방팽창밸브로 유입되어 저온 저압으로 팽창된다. 냉난방팽창밸브를 지난 냉매액은 공기측열교환기로 유입되어서 외부 공기의 열원을 흡수하면서 증발하게 되고, 증발된 냉매 가스는 전자4방밸브를 통해 액분리기를 거쳐 압축기로 귀환됨으로써 난방 사이클이 완료된다.
한편, 급탕은, 난방의 운전 사이클에서 고온 고압의 냉매 가스가 전자4방밸브를 통해 냉온수열교환기가 아닌 급탕열교환기로 보내짐으로써, 20℃ 내외의 입구 수온을 승온시켜 대략 70℃ 이하의 급탕이 이루어지게 된다.
그런데, 이와 같은 종래의 히트펌프 시스템은 냉수와 온수를 병행하여 토출하는 시스템으로써, 고온수의 공급에 많은 문제점을 가지고 있었다. 즉, 온수의 온도를 대략 50℃ 이상의 고온으로 높이기 위해서는 압축기를 장시간 가동하여야 하기 때문에 효율적인 측면과 아울러 압축기에 무리를 주게 되며, 압축기와 증발기 사이의 배관에 성에가 끼는 결빙 현상이 생기게 되었다. 따라서 종래에는 고온수를 공급하기 위해서는 별도의 보조 히터를 설치하여야 하는 등의 비효율적인 측면이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2단 히트펌프 사이클을 이용하며 2단 히트펌프 사이클의 냉매를 직접적으로 열교환시켜 열교환효율을 높임과 아울러 압축기의 무리한 구동을 이용하지 않으면서 적은 열원으로 적정 온도의 온수를 생산할 수 있는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템은, 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과; 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기로 이루어진 2차 히트펌프 사이클을 포함하며, 열교환기를 통해 상기 1차 히트펌프 시스템의 응축기를 흐르는 냉매와 상기 2차 히트펌프 사이클의 증발기를 통과하는 냉매를 열교환시켜 상기 2차 히트펌프 사이클의 응축기를 통해 온수를 생산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템에 의하면, 1단 히트펌프 사이클을 통해 원수(또는 공기)로부터 열을 회수하고, 2단 히트펌프 사이클의 냉매와 1단 히트펌프 사이클의 냉매를 직접 열교환시켜 공급수를 가열함으로써 각각의 히트펌프 사이클의 압축기를 무리하게 구동하지 않아도 원하는 출력을 얻을 수 있으므로 소비전력을 줄일 수 있고 비용을 절감할 수 있다.
도 1에서 보이는 것처럼, 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산시스템은, 원수와 열교환하는 1차 히트펌프 사이클(100) 및 1차 히트펌프 시스템(100)와 열교환을 통하여 온수를 생산하는 2차 히트펌프 사이클(200)로 이루어진다.
1차 히트펌프 사이클(100)은, 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(110), 압축기(110)에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(120), 응축기(120)에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(130), 팽창밸브(130)에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(140)로 이루어진다.
증발기(140)를 통과하는 1차측 냉매는 원수와 열교환하여 증발한다.
2차 히트펌프 사이클(200)은 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(210), 압축기(210)에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(220), 응축기(220)에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(230), 팽창밸브(230)에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(240)로 이루어진다.
2차 히트펌프 사이클(200)의 증발기(240)를 통과하는 2차측 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 응축기(120)를 통과하는 1차측 냉매와 열교환한다.
여기서 1차측 냉매와 2차측 냉매는 별도의 매개체를 사용하지 않고 직접적으로 열교환되도록 열교환기(300)를 통해 이루어진다. 즉, 열교환기(300)는 서로 구획된 2개의 유로를 갖는 것으로, 어느 하나의 유로에는 1차측 냉매가 순환하고 다른 하나의 유로에는 2차측 냉매가 흐르게 된다. 1차측 냉매가 흐르는 유로는 1차 히트펌프 사이클(100)의 응축기(120)이며 2차측 냉매가 흐르는 유로는 2차 히트펌프 사이클(200)의 증발기(240)인 것이다.
이와 같이 1차측 냉매와 2차측 냉매가 직접 열교환함으로써 열손실없이 1차측 냉매와 2차측 냉매가 열교환할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산시스템의 작용은 다음과 같다.
1차측 냉매는 1차 히트펌프 사이클(100)의 압축기(110) - 응축기(120) - 팽창밸브(130) - 증발기(140) - 압축기(110)를 연속 순환하면서 상변화된다.
2차측 냉매는 2차 히트펌프 사이클(200)의 압축기(210) - 응축기(220) - 팽창밸브(230) - 증발기(240) - 압축기(210)를 연속 순환하면서 상변화된다.
이와 같이 1차/2차 히트펌프 사이클(100,200)이 가동하는 중에 1차 히트펌프 사이클(100)의 증발기(140)를 통과하는 1차측 냉매는 외부 공기, 원수와 열교환한 다.
외부 공기나 원수와 열교환된 1차측 냉매는 압축기(110)를 거쳐 응축기(120)를 통과하게 되며, 이때, 응축기(120)를 흐르는 1차측 냉매는 2차 히트펌프 사이클(200)의 증발기(240)를 통과하는 2차측 냉매와 열교환하게 된다. 즉, 1차측 냉매와 2차측 냉매는 열교환기(300)를 통과하면서 서로 열교환되어 1차측 냉매는 응축되고 2차측 냉매는 증발된다.
1차측 냉매와 열교환된 2차측 냉매는 압축기(210)를 거쳐 응축기(220)를 통과하게 된다. 2차측 응축기(220)를 흐르는 냉매는 공급수와 열교환하여 응축되며, 공급수는 가열된다.
이상에서 설명한 것처럼, 1차/2차 히트펌프 사이클을 통해 온수를 생산하는데, 1차 히트펌프 사이클(100)과 2차 히트펌프 사이클(200)의 1차측 냉매와 2차측 냉매가 다른 열교환 매개체없이 직접 열교환되어 열효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템의 구성도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100,200 : 히트펌프 사이클, 110,210 : 압축기
120,220 : 응축기, 130,230 : 팽창밸브
140,240 : 증발기, 300 : 열교환기

Claims (2)

  1. 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(110), 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(120), 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(130), 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(140)로 이루어진 1차 히트펌프 사이클과;
    냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(210), 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 응축하는 응축기(220), 상기 응축기에 의해 응축된 냉매를 감압하는 팽창밸브(230), 상기 팽창밸브에 의해 감압된 냉매를 증발하는 증발기(240)로 이루어진 2차 히트펌프 사이클을 포함하며,
    상기 1차 히트펌프 사이클의 증발기를 흐르는 냉매는 원수와 열교환하고, 상기 1차 히트펌프 사이클의 응축기를 흐르는 냉매는 열교환기(300)를 통해 상기 2차 히트펌프 사이클의 증발기를 통과하는 냉매와 열교환하며, 상기 2차 히트펌프 사이클의 응축기를 흐르는 냉매는 공급수와 열교환하여 온수를 생산하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열교환기는 내부에 서로 구획된 2개의 유로가 형성되어, 상기 1차 히트펌프 사이클의 응축기와 상기 2차 히트펌프 사이클의 증발기를 각각 통과하는 냉매는 상기 유로를 통해 상기 열교환기를 통과하면서 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 2단 히트펌프 사이클을 이용한 온수 생산 시스템.
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