KR20100110027A - 무제상 공기열 및 수축열 히트펌프 냉난방 시스템 - Google Patents

무제상 공기열 및 수축열 히트펌프 냉난방 시스템 Download PDF

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KR20100110027A KR1020090028381A KR20090028381A KR20100110027A KR 20100110027 A KR20100110027 A KR 20100110027A KR 1020090028381 A KR1020090028381 A KR 1020090028381A KR 20090028381 A KR20090028381 A KR 20090028381A KR 20100110027 A KR20100110027 A KR 20100110027A
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Abstract

본 발명은 외부공기를 보조열원으로 사용하는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템은 제1 열교환매체가 저장되는 제1 축열조와, 상기 제1 축열조와 연결되어 시설하우스 내부에 상기 제1 열교환매체를 순환시켜 난방하기 위한 난방부와, 상기 제1 축열조의 제1 열교환매체를 가열하기 위한 히트펌프와, 히트펌프의 제2 열교환기에 보조열원으로 이용되는 고온의 공기를 공급하는 보조열원 공급수단 및 상기 제2 열교환기의 표면에 보조열원에 포함된 습기가 결빙되어 제2 열교환기의 구동효율이 저하되는 것을 방지하도록 상기 압축기를 통과한 냉매를 상기 제2 열교환기로 유입되는 냉매에 공급하기 위한 제1 바이패스관과, 상기 제1 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 제1 개폐밸브를 포함하는 결빙방지수단을 구비한다.
보조열원, 결빙방지, 바이패스관

Description

무제상 공기열 및 수축열 히트펌프 냉난방 시스템{heatpump system using the air}
본 발명은 무제상(無除霜) 공기열 및 수축열 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 외부공기 등의 보조열원의 사용시 증발기 표면에 얼음이 어는 것을 방지할 수 있는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 비닐하우스나 온실과 같은 농업용 생산시설에서는 낮에 태양으로부터 방사되는 에너지를 작물이 광합성에 직접 이용하게 되며, 땅속이나 기타 축열이 가능한 물질에 축적하여 난방에 이용하게 된다.
한편, 상기와 같이 축열된 열과 지중열을 이용하기 위해서는 상대적으로 열의 회수가 용이한 지하수를 이용하게 된다. 그러나 지하수를 열교환 매체로 이용하는 경우 농작물을 재배를 위한 시설하우스 또는 건축물의 난방에 따른 열량이 상대적으로 부족하다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제2000-63299호에는 대지 내에 포함된 지열과 지하수 또는 개방된 수역에 존재하는 일정한 온도의 지열을 순환시키는 지열교환기 와, 상기 지열교환기에 의해 지상으로 끌어올려진 지열을 순환시키는 냉방 및 난방 사이클과, 상기 난방 사이클과 연설되어 실내의 온수를 가열하는 장치가 개시되어 있다.
그리고 대한민국 등록특허공보 제10-0628466호에는 지하 공기층을 이용한 냉·난방장치가 개시되어 있다. 냉·난방장치는 화산회토 지형을 천공, 매설하여 지하공간까지 연장 형성하여 다공상의 암석층으로부터 지하공기를 흡입하기 위한 흡입관과, 이 흡입관을 통해 지하공기를 흡입 송풍할 수 있도록 내측에 송풍기가 내재된 송풍관과, 이 송풍관에 내재된 송풍기로부터 송풍된 지하공기를 시설물내로 유도하기 위한 유도관과, 상기 송풍관 내에 히터를 내장한 기술구성이 개시되어 있다.
그러나 이러한 냉·난방장치는 보조 열원으로 히터를 이용하고 있으므로 상대적으로 시설유지에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 시설하우스와 같이 대용량의 냉·난방장치에 적용하기 어렵다.
이러한 점을 감안하여 등록특허 제 800328호에는 보조 열원으로 지하공기를 이용하는 히트펌프가 개시되어 있다. 그러나 이러한 지하공기를 이용하는 경우 보조열원으로 사용하고, 응축기를 통과한 공기를 이용하게 되므로 상대적으로 공기를 높은 온도로 가열할 수 없는 문제점이 있다.
그리고 상기 종래의 냉·난방장치는 증발기를 통과하는 지하공기에 포함된 습기가 증발기 표면에서 얼어 증발기의 구동효율을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 증발기를 통과하는 외부공기에 포함된 습기에 의해 증발기의 표면에 수분이 결빙되어 증발기의 작동효율이 낮아지는 것을 방지할 수 있는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 증발기의 결빙방지를 위한 바이패스관의 설치시 우려되는 압축기의 과부하를 방지할 수 있는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템은 제1 열교환매체가 저장되는 제1 축열조와, 상기 제1 축열조와 연결되어 시설하우스 내부에 상기 제1 열교환매체를 순환시켜 난방하기 위한 난방부와, 상기 제1 축열조에 설치되는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기와 냉매의 이동이 가능하도록 연결된 제2 열교환기와, 상기 제1, 제2 열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 교축부 및 압축기와, 상기 상기 순환관에 설치되어 상기 압축기에서 압축된 냉매가 제1 열교환기 또는 제2 열교환기 중 어느 일측으로 먼저 유입되도록 냉매의 이동방향을 조절하는 사방밸브를 포함하는 히트펌프와, 상기 제2 열교환기에 보조열원으로 이용되는 고온의 공기를 공급하는 보조열원 공급수단 및 상기 제2 열교환기의 표면에 보조열원에 포함된 습 기가 결빙되어 제2 열교환기의 구동효율이 저하되는 것을 방지하도록 상기 압축기를 통과한 냉매를 상기 제2 열교환기로 유입되는 냉매에 공급하기 위한 제1 바이패스관과, 상기 제1 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 제1 개폐밸브를 포함하는 결빙방지수단을 구비한다.
본 발명의 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템은 상기 제1 열교환기를 통과한 액상의 냉매를 상기 압축기로 유입되기 전의 기화된 냉매에 공급하기 위한 제2 바이패스관과, 상기 제2 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 제2 개폐밸브를 포함하는 과부하 방지수단을 더 구비할 수 있는데, 상기 과부하 방지수단은 상기 제2 바이패스관과 연결되며 액상의 냉매가 기화될 수 있는 소정의 내부공간을 가지며, 기화된 기상의 냉매만 상기 압축기로 공급될 수 있도록 형성된 보조증발기를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제2 열교환기를 통과해 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서의 측정온도가 설정된 온도 이하로 내려가면 상기 제1 개폐밸브를 개방하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템은 보조열원의 공급시 증발기로 사용되는 열교환기의 표면에 보조열원에 포함된 습기가 결빙되어 열교환기의 효율이 급격히 저하되는 것을 방지할 수 있어 시스템의 안정적인 운전이 가능하게 되는 이점이 있다.
본 발명에 따른 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템은 시설하우스 또는 건축물의 내부를 냉난방 할 수 있는 것으로, 그 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 본 발명의 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템(10)은 제1 열교환매체(100)가 저장되는 제1 축열조(11)와, 상기 제1 축열조(11)와 연결되어 시설하우스 내부에 상기 제1 열교환매체(100)를 순환시켜 난방하기 위한 난방부(20)와, 상기 제1 열교환매체(100)를 가열하기 위한 히트펌프(50)와, 히트펌프(50)의 구동효율을 높이기 위한 보조 열원 공급수단(40)과, 결빙방지수단(60) 및 과부하방지수단을 포함한다.
상기 난방부(20)는 제1 축열조(11)와 연결되어 제1 열교환매체(100)를 공급하는 공급관(21)과, 상기 공급관(21)으로부터 분기관(22)에 의해 연결되는 팬코일유니트(23)들과, 상기 팬코일유니트(23)들에 연결되어 제1 축열조(11)로 제 1 열교환매체(100)를 리턴시키는 리턴관(24)과, 상기 공급관(21)에 설치되는 순환펌프(25)를 구비한다.
물론 상기 난방부(20)는 시설하우스 내의 지상에 설치될 수도 있으며, 난방부(20)는 상기 실시예에 의해 한정되지 않고 시설하우스에 입식 열교환기를 설치하고 이 열교환기에 공급관과 리턴관을 이용하여 상기 제1 축열조(11) 내의 제1 열교환매체(100)를 순환시킬 수 있다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 열교환기(51)가 제1 축열조(11)에 설치되지 않고 시설하우스 내부에 직접적으로 설치될 수도 있다.
상기 히트펌프(50)는 냉매를 통해 제1 축열조(11)에 저장된 제1 열교환매체(100)를 가열하기 위한 것으로, 상기 제1 축열조(11)에 설치되는 제1 열교환기(51)와, 제1 열교환기(51)와 냉매의 이동이 가능하게 연결된 제2 열교환기(52)와, 상기 제1, 제2 열교환기(51,52)를 연결하여 폐회로를 구성하는 순환관(53)과, 상기 순환관(53)에 설치되는 팽창밸브(54) 및 압축기(55)와, 상기 순환관(53)에 설치되어 냉매의 이송방향을 조절하는 사방밸브(56)를 구비한다.
상기 히트펌프(50)는 폐회로의 내부에 냉매가 충진되어 순환하게 되며, 본 실시예의 경우 제1 열교환기(51)가 냉매의 열을 방출하는 응축기, 제2 열교환기(52)가 냉매를 기화시켜 열을 흡수하는 증발기 역할을 하게 된다.
본 실시예에서는 제1 열교환매체(100)의 가열을 위해 제1 열교환기(51)가 응축기, 제2 열교환기(52)가 증발기 역할을 하도록 냉매가 순환하지만, 상기 사방밸브(56)의 조작을 통해 압축기를 통과한 냉매가 제2 열교환기(52)로 유입되어 응축된 후, 팽창밸브(54)를 지나 제1 열교환기(51)에서 증발되도록 하여 제1 열교환매체(100)를 냉각시키는데 사용될 수도 있다.
상기 보조 열원 공급수단(40)은 제2 열교환기(52)에 보조열원으로 이용되는 외부공기를 공급하는 것이다.
상술한 것처럼 시설 하우스 내부를 난방하기 위해서는 제1 열교환매체(100)를 가열해야 하므로 제2 열교환기(52)는 증발기로 사용되는데, 증발기에서 냉매가 열을 흡수하여 용이하게 증발할 수 있도록 보조열원으로써 외부공기를 공급한다.
히트펌프(50)를 순환하는 냉매는 외부공기로부터 열을 흡수하여 제2 열교환 기(52)에서 증발하게 되므로 외부공기가 냉매에 열을 공급하는 보조 열원으로 사용되기 때문에 냉매의 증발효율이 높아진다.
보조 열원 공급수단(40)은 외부공기를 상기 제2 열교환기(52)로 공급하도록 설치된 송풍기(210)를 포함한다. 따라서 외부공기가 제2 열교환기(32)에서 증발되는 냉매와 열교환되어 냉매의 증발효율을 높이게 된다.
결빙방지수단(60)은 제2 열교환기(52)에 수분이 결빙되는 것을 방지하기 위한 것이다.
상술한 것처럼, 제2 열교환기(52)에는 냉매의 증발효율을 높이기 위해 보조열원으로써 외부공기를 공급하게 되는데, 외부공기는 습기를 포함하기 때문에 냉매가 증발하면서 주변의 열을 흡수할 때, 제2 열교환기(52)의 표면에서는 외부공기에 포함된 수분이 결빙되는 문제가 발생할 수 있다.
이렇게 제2 열교환기(52)의 표면에서 얼음이 얼게 되면 제2 열교환기(52) 내부에서 냉매가 용이하게 열을 흡수할 수 없기 때문에 증발효율이 낮아지게 되고, 전체적으로 히트펌프(50)의 구동 효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
제2 열교환기(52)의 표면에 수분이 결빙되는 것을 방지하기 위해서는 제2 열교환기(52) 내에서의 냉매의 증발량을 줄여 냉매에 의한 제2 열교환기(52) 주변의 열손실을 다소 줄이는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템(10)은 압축기(55)와 제1 열교환기(51) 사이의 순환관(53)과 제1 열교환기(51)와 팽창밸브(54) 사이의 순환관(53)을 상호 연결하는 제1 바이패스관(61)과, 제1 바이패스 관(61)의 이동로를 선택적으로 개폐하는 제1 개폐밸브(62)를 포함하는 결빙방지수단(60)을 구비한다.
제1 바이패스관(61)은 제1 열교환기(51)로 유입되기 전의 압축된 냉매를 제2 열교환기(52)로 유입되기 전의 냉매와 혼합시켜 제2 열교환기(52)에 유입되는 냉매의 온도를 높여 냉매가 제2 열교환기(52) 내에서 증발할 때, 흡수하는 열량을 줄이도록 유도한다.
이렇게 제2 열교환기(52)에서 냉매가 흡수하는 열량이 줄어들게 되면 전체적으로 히트펌프(50)의 구동효율이 저하되기는 하지만 제2 열교환기(52)에서 보조열원에 포함된 수분이 결빙되어 제2 열교환기(52)의 표면에 얼음이 어는 것을 방지할 수 있으므로 안전적인 히트펌프(50)의 구동이 가능하게 된다.
상기 제1 바이패스관(61)을 통한 냉매의 이동은 제1 개폐밸브(62)에 의해 단속이 이루어지는데, 제1 개폐밸브(62)는 후술하는 컨트롤러(82)에 의해 선택적으로 구동하여 필요시에만 제1 바이패스관(61)을 개방하게 된다.
과부하 방지수단(64)은 압축기(55)에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위한 것이다.
상술한 것처럼, 제2 열교환기(52)의 표면에 얼음이 어는 것을 방지하기 위해 결빙방지수단(60)을 통해 제2 열교환기(52)로 유입되는 냉매의 온도를 인위적으로 높이게 되면, 제2 열교환기(52)를 통과한 냉매의 온도가 지나치게 높아져 압축기(55)에서 냉매를 압축하는 과정에서 부하가 매우 커질 수 있다.
압축기(55)에 과부하가 걸리게 되면 압축기(55)의 파손 우려가 있으므로 과 부하 방지수단(64)을 통해 압축기(55)에 걸리는 부하를 적정수준으로 조절할 필요가 있다.
과부하 방지수단(64)은 제1 열교환기(51)와 팽창밸브(54) 사이의 순환관(53)과 제2 열교환기(52)와 압축기(55) 사이의 순환관(53)을 상호 연결하는 제2 바이패스관(65)과, 제2 바이패스관(65)의 관로를 선택적으로 개폐하는 제2 개폐밸브(66) 및 제2 바이패스관(65)을 포함한다.
제2 열교환기(52)와 압축기(55)를 연결하는 순환관(53)의 관로 상에는 소정의 내부공간을 갖는 보조증발기(67)가 설치되어 있으며, 제2 열교환기(52)를 통과해 증발된 기상의 냉매는 보조증발기(67)를 거쳐 압축기(55)로 유입된다.
그리고 상기 제2 바이패스관(65)은 이 보조증발기(67)에 연결되어 제1 열교환기(51)를 통과해 응축된 액냉매를 보조증발기(67)에 공급한다.
액상의 냉매는 보조증발기(67) 내에서 증발하여 압축기(55)로 유입되고, 액상의 냉매가 증발하는 과정에서 제2 열교환기(52)를 통과한 고온의 기체 냉매의 온도를 낮춰 압축기(55)에 과부하가 걸리는 것을 방지하게 된다.
상기 제2 바이패스관(65) 역시 관로상에 제2 개폐밸브(66)가 설치되어 있으며, 후술하는 컨트롤러(82)의 구동신호에 의해 제2 개폐밸브(66)가 개방되어 제2 바이패스관(65)을 통해 냉매를 혼합하게 된다.
본 발명의 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템(10)은 상기 제1, 제2 개폐밸브(62,66)를 구동하기 위한 제어유닛(80)을 더 구비한다.
제어유닛(80)은 제2 열교환기(52)를 통과한 냉매의 온도를 측정하는 온도센 서(81)와, 온도센서(81)의 측정정보를 수신하고 제1, 제2 개폐밸브(62,66)에 구동신호를 인가하는 컨트롤러(82)를 포함한다.
제2 열교환기(52)의 표면에 얼음이 얼어 증발효율이 낮아지게 되면, 제2 열교환기(52)를 통과한 냉매의 온도가 낮아지게 되므로 이 냉매의 온도를 온도센서(81)에서 측정하고, 컨트롤러(82)에서는 온도센서(81)에서 측정된 온도정보를 토대로 제2 열교환기(52)의 표면에 얼음이 얼었는지의 여부를 판단하게 된다.
컨트롤러(82)는 온도센서(81)에서 측정된 온도정보가 설정된 온도 이하가 되면 제1, 제2 개폐밸브(62,66)를 개방해 제2 열교환기(52)로 유입되는 냉매의 온도를 높여 제2 열교환기(52)의 표면에 얼음이 어는 것을 방지하게 되고, 이와 동시에 압축기(55)로 유입되는 냉매의 온도를 낮춰 압축기(55)에 과부하가 걸리는 것을 차단하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템을 도시한 개념도,
도 2는 도 1의 히트펌프, 결빙방지수단, 과부하 방지수단, 제어유닛을 도시한 개념도,
도 3 은 제1 열교환기가 시설하우스 내에 설치된 실시예를 도시한 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10; 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템
11; 제1 축열조
20; 난방부
50; 히트펌프
51,52; 제1, 제2 열교환기
54; 팽창밸브
55; 압축기
60; 결빙방지수단
64; 과부하 방지수단
80; 제어유닛

Claims (4)

  1. 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기와 냉매의 이동이 가능하도록 연결된 제2 열교환기와, 상기 제1, 제2 열교환기를 연결하여 폐회로를 구성하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 교축부 및 압축기와, 상기 상기 순환관에 설치되어 상기 압축기에서 압축된 냉매가 제1 열교환기 또는 제2 열교환기 중 어느 일측으로 먼저 유입되도록 냉매의 이동방향을 조절하는 사방밸브를 포함하는 히트펌프와;
    상기 제2 열교환기에 보조열원으로 이용되는 외부공기를 공급하는 보조열원 공급수단; 및
    상기 제2 열교환기의 표면에 외부공기에 포함된 습기가 결빙되어 제2 열교환기의 구동효율이 저하되는 것을 방지하도록 상기 압축기를 통과한 냉매를 상기 제2 열교환기로 유입되는 냉매에 공급하기 위한 제1 바이패스관과, 상기 제1 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 제1 개폐밸브를 포함하는 결빙방지수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통과한 액상의 냉매를 상기 압축기로 유입되기 전의 기화된 냉매에 공급하기 위한 제2 바이패스관과, 상기 제2 바이패스관의 관로를 선택적으로 개폐하는 제2 개폐밸브를 포함하는 과부하 방지수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 과부하 방지수단은 상기 제2 바이패스관과 연결되며 액상의 냉매가 기화될 수 있는 소정의 내부공간을 가지며, 기화된 기상의 냉매만 상기 압축기로 공급될 수 있도록 형성된 보조증발기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기를 통과해 배출되는 냉매의 온도를 감지하는 온도센서와, 상기 온도센서의 측정온도가 설정된 온도 이하로 내려가면 상기 제1 개폐밸브를 개방하는 컨트롤러를 포함하는 제어유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 무제상 공기열 및 수축열을 이용한 히트펌프 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101128173B1 (ko) * 2011-07-06 2012-03-22 오석인 태양에너지를 이용한 열자급형 복합 냉난방시스템 및 열자급형 복합 냉난방장치
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