KR20100115200A - 태양열 집열기를 구비한 히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 히트펌프는 태양열 집열기를 이용하기 때문에 에너지를 절약할 수 있고, 기존의 히트펌프에 비하여 더 고온의 온수를 얻을 수 있으며, 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑과 많은 양의 증발수가 필요하지 않고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8∼15도로 유지하기 위한 지하수 또는 넓은 토지가 필요하지 않다는 장점을 가진다.

히트펌프, 태양열 집열기, 난방, 냉방

Description

태양열 집열기를 구비한 히트펌프{Heat pump having solar collector}

본 발명은 히트펌프에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 태양열 집열기를 이용하기 때문에 에너지를 절약할 수 있고, 기존의 히트펌프에 비하여 더 고온의 온수를 얻을 수 있으며, 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑과 많은 양의 증발수가 필요하지 않고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8도∼15도로 유지하기 위한 지하수 또는 넓은 토지가 필요하지 않은 히트펌프에 관한 것이다.

일반적으로, 히트펌프는 냉매를 순차적으로 압축, 응축, 팽창, 증발시키는 사이클을 통하여 저온측의 열을 고온측으로 이동시키는 장치이다.

히트펌프는 실내를 냉,난방시키기 위해서 사용될 수 있다. 즉, 응축기에서 냉매가 응축되면서 발생되는 열을 이용하여 실내를 난방시키기 위한 온수를 생산하거나 증발기에서 냉매가 기화되면서 주위의 열을 빼앗는 원리를 이용하여 냉수를 생산할 수 있다. 한편, 히트펌프에 구비된 압축기, 응축기 등을 작동시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하다.

온수를 생산하기 위해서는, 상술한 바와 같이, 응축기에서 냉매가 응축되면서 발생되는 열을 이용하여 물을 가열하여 온수를 만드는데, 이상적인 환경하에서 는 응축 후의 냉매 온도와 온수의 온도는 동일하다. 그런데, 고온의 온수를 얻기 위해서 응축 후의 냉매 온도를 높이면 압축기가 손상된다는 문제점이 있다. 응축 후의 냉매 온도를 낮추기 위해서 냉각탑과 증발수를 이용하는 방법이 있는데, 이 방법은 냉각탑을 별도로 설치하기 위한 설비비용이 추가로 소요되고 많은 양의 증발수가 필요하다는 문제점이 있다.

한편, 증발기에서는 냉매가 기화되고 증발수가 냉각되는데, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 8도∼15도인 경우에 히트펌프의 효율이 최적화되고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 8도 미만이 되면 압축기의 흡입냉매온도가 0도 이하로 되기 때문에 에너지 소모가 많아진다. 따라서, 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8도∼15도로 유지하는 것이 필요한데, 이를 위해서 지하수나 지열을 사용하기도 한다. 그러나, 상기 지하수나 지열을 이용하기 위해서는 많은 공간(토지)이 필요하기 때문에 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명은 태양열 집열기를 이용하기 때문에 에너지를 절약할 수 있는 히트펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 히트펌프에 비하여 더 고온의 온수를 얻을 수 있는 히트펌프를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑과 많은 양의 증발수가 필요하지 않고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8도∼15도로 유지하기 위 한 지하수 또는 넓은 토지가 필요하지 않은 히트펌프를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프는, 태양열 집열기; 내부에 수용된 물이 태양열 집열기를 순환하게 하여 온수를 만드는 가변온수 탱크; 제1 응축기; 및, 내부에 수용된 물이 가변온수 탱크를 순환되도록 하여 가열되게 하거나 내부에 수용된 물이 제1 응축기를 순환하도록 하여 가열되게 하는 설정온수 탱크;를 포함하고, 태양열 집열기의 작동여건이 양호한 경우에는 태양열 집열기를 이용하여 온수를 만들고, 태양열 집열기의 작동여건이 좋지 않은 경우에는 제1 응축기를 이용하여 온수를 만든다.

바람직하게, 상기 히트펌프는, 제1 응축기의 후방에 설치된 제2 응축기를 구비하고, 제1 응축기를 이용하여 설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 이상으로 가열하는 경우에는 냉매가 제1 응축기와 제2 응축기를 순차적으로 경유하도록 하고, 설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 미만으로 가열하는 경우에는 냉매가 제1 응축기를 경유한 후 제2 응축기를 바이패스한다.

더욱 바람직하게, 상기 소정 온도(To)는 55도이다.

더욱 바람직하게, 상기 히트펌프는 증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 증발기를 순환하면서 냉매를 기화시키고, 제1 응축기를 이용하여 설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 이상으로 가열하는 경우에 제1 응축기를 경유한 냉매는 제2 응축기를 경유하는 동안에 냉각되고, 증발수 탱크로부터 공급된 증발수는 제2 응축기를 경유하는 동안에 가열되며, 제2 응축기를 경유한 증발수는 증발기로 공급된다.

더욱 바람직하게, 상기 히트펌프는 증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 증발기를 순환하면서 상기 냉매를 기화시키고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 미리 정해진 온도(Ts) 미만인 경우에는 가변온수 탱크의 온수가 증발수 탱크로 공급되어 증발수의 온도를 높인다.

더욱 바람직하게, 상기 미리 정해진 온도(Ts)는 8도이다.

본 발명에 따른 히트펌프는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 태양열 집열기를 이용하기 때문에 에너지를 절약할 수 있다.

둘째, 기존의 히트펌프에 비하여 더 고온의 온수를 얻을 수 있다.

셋째, 제2 응축기를 구비하기 때문에 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑과 많은 양의 증발수가 필요하지 않고 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8도∼15도로 유지하기 위한 지하수 또는 넓은 토지가 필요하지 않다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점 에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 난방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도이다.

도면을 참조하면, 히트펌프(100)는 태양열 집열기와, 내부에 수용된 물이 태양열 집열기에 의해 가열되는 가변온수 탱크와, 온수 사용처로 온수를 공급하는 설정온수 탱크와, 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기와, 고온 고압으로 압축된 냉매를 응축시키는 제1,2 응축기와, 제2 응축기를 우회하는 바이패스관(10)과, 냉매를 팽창시키는 팽창기(20)와, 팽창기(20)로부터 배출된 냉매를 기화시키는 증발기 및, 증발기에 증발수를 공급하는 증발수 탱크를 구비한다.

가변온수 탱크는 저수조로부터 원수를 공급받아서 태양열 집열기를 이용하여 가열함으로써 온수를 만든다. 가변온수 탱크에 수용된 원수는 펌프(31)에 의해서 태양열 집열기와 가변온수 탱크를 순환하면서 가열된다.

태양열 집열기는 태양열을 이용해서 온수를 만드는 장치로서, 그 구성은 통상적이기 때문에 여기서는 설명을 생략하기로 한다. 태양열 집열기는 날씨 등의 작동여건에 따라 물을 32도∼90도 정도로 가열할 수 있다.

야간 또는 날씨가 좋지 않은 경우에는 태양열 집열기의 온도가 가변온수 탱크의 온수 온도보다 낮을 수 있는데, 이 경우에는 펌프(31)의 작동을 중지한다.

설정온수 탱크는 가변온수 탱크에서 가열된 온수를 공급받아서 저장하고, 저장된 온수를 온수 사용처로 공급한다. 또한, 펌프(32)에 의해서 가변온수 탱크의 온수와 설정온수 탱크의 물이 순환되면서 설정온수 탱크의 물이 가열될 수도 있다. 한편, 설정온수 탱크의 온수 온도가 가변온수 탱크의 온수 온도보다 높은 경우에는 펌프(32)의 작동을 중지시켜서 온수가 순환되지 않도록 한다.

본 발명에 따른 히트펌프는 날씨가 좋은 경우 즉, 태양열 집열기의 작동여건이 좋은 경우에는 태양열 집열기를 이용하여 온수를 만들고, 이러한 온수를 설정온수 탱크로 이동시켜 저장할 수 있다. 한편, 날씨가 좋지 않거나 야간 등과 같이 태양열 집열기의 작동여건이 좋지 않은 경우에는 제1 응축기를 이용하여 온수를 만들 수 있다.

설정온수 탱크의 물은 펌프(33)에 의해서 제1 응축기를 순환할 수 있는데, 제1 응축기에서 냉매가 응축하면서 발생시키는 응축열에 의해서 설정온수 탱크의 온수가 가열된다. 이상적인 열교환이 일어난다면 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도와 제1 응축기로부터 배출되는 온수의 온도가 동일하게 된다. 따라서, 고온의 온수를 만들려면 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 높아야 한다. 그런데, 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 이상이 되면 압축기가 손상될 수도 있기 때문에 히트펌프를 이용하여 만들 수 있는 온수의 온도는 그 한계가 있다. 통상적인 히트펌프에서 상기 소정온도(To)는 대략 55도이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 배경기술란에서 설명한 바와 같이, 냉각탑을 설치하거나 다량의 증발수를 이용하기도 하지만 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 히트펌프는 상기 문제점을 해결하기 위해서 제1 응축기의 후방에 설치된 제2 응축기를 구비한다.

제2 응축기는 제1 응축기를 경유한 냉매와 증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 각각 통과하면서 열교환을 하게 된다. 이 때, 냉매는 응축열을 발생시키면서 냉각되고, 증발수는 상기 응축열에 의해서 가열된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프는 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 이상인 경우에 제2 응축기를 이용하여 냉매의 온도를 낮출 수 있고, 냉매의 상기 응축열을 이용하여 증발수를 가열함으로써 증발수의 온도를 최적(대략 8도∼15도)으로 유지할 수 있다는 특징을 가진다.

한편, 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 미만인 경우에는 제2 응축기를 경유하지 않고 바이패스관(10)을 통하여 이동한다. 미설명 참조부호 12는 냉매의 온도에 따라 냉매의 흐름방향을 바꾸는 삼방밸브이다.

제2 응축기 또는 바이패스관(10)을 경유한 냉매는 팽창기(20)를 통과하면서 팽창된 후 증발기로 공급된다. 증발기에는 냉매와 증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 각각 이동하면서 열교환을 한다. 즉, 증발기에서 냉매는 기화되면서 증발수를 냉각시킨다. 증발기를 경유한 냉매는 압축기로 이동한다.

한편, 증발수는 펌프(34)에 의해서 증발수 탱크로부터 공급된다. 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 이상인 경우에는 증발수가 증발수 탱크, 펌프(34), 삼방밸브(14), 제2 응축기, 증발기, 증발수 탱크를 순차적으로 경유한다. 제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 이상인 경우에는 제2 응축기에서 응축열이 발생하게 되고, 상기 응축열에 의해서 증발수가 가열된다. 상기 응축열에 의해서 가열된 증발수는 히트펌프의 운전에 최적인 온도 즉, 대략 8 도∼15도 정도의 온도를 가진다.

제1 응축기로부터 배출되는 냉매의 온도가 소정온도(To) 미만인 경우 또는 히트펌프의 작동초기인 경우에는 냉매가 제2 응축기를 우회하기 때문에 제2 응축기에서 응축열이 발생하지 않는다. 따라서, 이 경우에는 증발수가 증발수 탱크, 펌프(34), 삼방밸브(14), 증발기, 증발수 탱크를 순차적으로 경유한다.

이 때, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 미리 정해진 온도(Ts) 미만인 경우에는 가변온수 탱크의 온수를 공급하여 증발수의 온도를 높이는 것이 바람직하다. 상기 미리 정해진 온도(Ts)는 대략 8도 정도이다. 즉, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 8도 미만인 경우에는 밸브(40)가 개방되어 가변온수 탱크의 온수가 증발수에 혼합된 후 증발기로 공급되기 때문에 히트펌프의 운전에 최적의 온도를 유지할 수 있다. 기존에는 상기 최적의 온도를 유지하기 위해서 지하수를 이용하거나 지열을 이용하였으나, 지하수 또는 지열을 이용하기 위해서는 많은 토지가 필요하여 경제적이지 못했다. 본 발명에 따른 히트펌프는 증발수의 온도를 최적으로 유지하기 위해서 가변온수 탱크의 온수를 공급한다. 그런데, 가변온수 탱크의 온수는 태양열에 의해서 만들어진 것이기 때문에 별도의 에너지를 사용하지 않고서도 증발수의 온도를 최적으로 유지할 수 있는 것이다. 한편, 제2 응축기에서 응축이 시작되면 응축열을 이용할 수 있기 때문에 밸브(40)는 닫히고, 제2 응축기에서 발생된 응축열을 이용하여 증발수의 온도를 최적으로 유지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 냉방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도이다. 도 2의 참조부호 중에서 도 1의 참조부호와 동일한 것은 동일한 구성요소를 나타낸다. 냉방을 하려면 증발기로부터 배출되는 증발수의 온도가 13도 이하이어야 하는데, 이 경우에는 온수가 불가피하게 생산된다.

상기 히트펌프(100a)에서 냉매는 압축기, 제1 응축기, 팽창기(20), 증발기를 순차적으로 경유하면서 제1 응축기에서 응축열을 발생시켜 온수를 생산하고 증발기에서 기화되면서 증발수를 냉각시킨다. 증발수는 증발수 탱크, 펌프(34), 삼방밸브(14), 증발기, 냉방부하, 증발수 탱크를 순차적으로 경유한다. 증발수는 증발기를 경유하면서 냉각된 후 냉방부하에 공급된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 냉,난방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도이다. 도 3의 참조부호 중에서 도 1,2의 참조부호와 동일한 것은 동일한 구성요소를 나타낸다.

가변온수 탱크에 저장된 물이 태양열 집열기를 순환하면서 온수가 되는 것과, 가변온수 탱크의 온수가 설정온수 탱크로 이동/저장된 후 온수 사용처로 공급되는 것과, 설정온수 탱크의 물이 가변온수 탱크를 순환하면서 가열되는 것과, 설정온수 탱크의 물이 제1 응축기를 순환하면서 가열되는 것은 전술한 히트펌프(100)(100a)와 동일하다.

아울러, 제1 응축기로부터 배출된 냉매의 온도가 소정온도(To) 이상인 경우에는 제2 응축기를 경유하고 소정온도(To) 미만인 경우에는 제2 응축기를 우회하는 것도 전술한 히트펌프(100)(100a)와 동일하다. 나아가, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 미리 정해진 온도(Ts) 미만인 경우에 가변온수 탱크의 온수가 증발수 탱크로 공급되어 증발수의 온도를 높이는 것도 전술한 히트펌프(100)(100a)와 동일하 다.

상기 히트펌프(100b)에서 설정온수 탱크의 온수는 온수사용처로 공급되거나, 열교환기를 경유하면서 난방수를 가열한 후 설정온수 탱크로 되돌아온다. 설정온수 탱크로부터 공급된 온수와 난방수가 열교환기에서 서로 열교환한 후, 설정온수 탱크로부터 공급된 온수는 설정온수 탱크로 되돌아오고 난방수는 난방부하 또는 냉,난방부하로 되돌아간다. 온수와 난방수는 서로 혼합되지 않도록 한 상태에서 열교환만 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

증발수 탱크로부터 공급된 증발수는 증발기에서 냉각된 후, 냉,난방 부하로 공급된다. 냉,난방 부하를 경유한 증발수는 증발수 탱크로 되돌아온다.

이와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프(100)(100a)(100b)는 태양열 집열기를 이용하기 때문에 온수 생산시 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 히트펌프(100)(100a)(100b)는 제2 응축기를 구비하기 때문에 기존의 히트펌프에 비하여 더 고온의 온수를 얻을 수 있고, 냉매를 냉각시키기 위한 냉각탑과 많은 양의 증발수가 필요하지 않으며, 증발기에 공급되는 증발수의 온도를 8도∼15도로 유지하기 위한 지하수 또는 넓은 토지가 필요하지 않다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 난방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 냉방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프가 냉,난방을 위해서 작동되는 것을 보여주는 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 바이패스관 12,14 : 삼방밸브

20 : 팽창기 31,32,33 : 펌프

100,100a,100b : 히트펌프

Claims (6)

1. 태양열 집열기;

   내부에 수용된 물이 태양열 집열기를 순환하게 하여 온수를 만드는 가변온수 탱크;

   제1 응축기; 및

   내부에 수용된 물이 가변온수 탱크를 순환되도록 하여 가열되게 하거나 내부에 수용된 물이 제1 응축기를 순환하도록 하여 가열되게 하는 설정온수 탱크;를 포함하고,

   태양열 집열기의 작동여건이 양호한 경우에는 태양열 집열기를 이용하여 온수를 만들고, 태양열 집열기의 작동여건이 좋지 않은 경우에는 제1 응축기를 이용하여 온수를 만드는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
2. 제1항에 있어서,

   제1 응축기의 후방에 설치된 제2 응축기를 구비하고,

   제1 응축기를 이용하여 설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 이상으로 가열하는 경우에는 냉매가 제1 응축기와 제2 응축기를 순차적으로 경유하도록 하고,

   설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 미만으로 가열하는 경우에는 냉매가 제1 응축기를 경유한 후 제2 응축기를 바이패스하는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
3. 제2항에 있어서,

   상기 소정 온도(To)는 55도인 것을 특징으로 하는 히트펌프.
4. 제2항에 있어서,

   증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 증발기를 순환하면서 냉매를 기화시키고,

   제1 응축기를 이용하여 설정온수 탱크의 물을 소정 온도(To) 이상으로 가열하는 경우에 제1 응축기를 경유한 냉매는 제2 응축기를 경유하는 동안에 냉각되고, 증발수 탱크로부터 공급된 증발수는 제2 응축기를 경유하는 동안에 가열되며, 제2 응축기를 경유한 증발수는 증발기로 공급되는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
5. 제2항에 있어서,

   증발수 탱크로부터 공급된 증발수가 증발기를 순환하면서 상기 냉매를 기화시키고, 증발기에 공급되는 증발수의 온도가 미리 정해진 온도(Ts) 미만인 경우에는 가변온수 탱크의 온수가 증발수 탱크로 공급되어 증발수의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 히트펌프.
6. 제5항에 있어서,

   상기 미리 정해진 온도(Ts)는 8도인 것을 특징으로 하는 히트펌프.

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