KR20110097203A - 히트 펌프 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

냉매와 물의 열을 교환하는 열교환기의 물측 입출구의 온도차를 이용하여 히트펌프 시스템의 운전을 제어하는 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제시한다. 이를 위해 본 발명의 히트펌프 시스템은 물순환관 중 열교환기측의 물 입,출구측에 온도센서를 포함하며, 이 온도센서에서 감지된 온도차에 따라 압축기 또는 팽창기를 제어하여 부하를 설정온도로 가열한다. 이때, 부하로 전달되는 물의 온도는 목표 부하온도보다 기준값 만큼 더 높게 하며, 온도차가 일정값 이하이면 히트펌프 시스템의 운전을 정지한다.

Description

히트 펌프 시스템 및 그 제어방법{HEAT PUMP SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
히트펌프를 이용하여 난방부하 또는 급탕부하 등에 열을 공급할 수 있는 히트펌프 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프 시스템은 압축기, 실외측 공기 열교환기, 팽창기, 수냉매 열교환기, 실내측 열교환기 등으로 이루어진 히트펌프의 열을 실내의 바닥 난방이나 실내 공기의 냉난방 등에 이용하는 것이다.
특히, 히트펌프 시스템은 찬물 또는 더운물이 지나가는 물배관을 이용하여 실내를 냉난방하거나 물탱크의 물을 가열할 수 있다. 이때, 급탕을 위하여 물탱크에 물를 가열할 때 물탱크에 설치된 온도센서를 이용하여 물탱크의 온도를 제어한다.
그러나, 온도센서가 설치되지 않은 물탱크를 사용하던 사용자가 실외기 및 실내기만 구입하면 물탱크의 온도를 제어할 수 없으며, 물탱크의 온도를 제어하려면 온도센서가 설치된 물탱크를 새로 구매하여야 한다.
냉매와 물의 열을 교환하는 열교환기의 물측 입출구의 온도차를 이용하여 히트펌프 시스템의 운행을 제어하는 히트펌프 시스템 및 그 제어방법을 제시한다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템은 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기; 냉매를 순환시키는 냉매순환관; 냉매와 물의 열을 교환시키는 제1열교환기; 제1열교환기에서 가열 또는 냉각된 물을 부하쪽으로 순환시키는 물순환관; 냉매를 팽창시켜 저온저압의 상태로 만드는 팽창기; 냉매와 공기의 열을 교환시키는 제2열교환기; 부하로 전달되는 물의 온도를 감지하도록 물순환관에 설치되는 제1온도센서; 제1열교환기로 전달되는 물의 온도를 감지하도록 물순환관에 설치되는 제2온도센서; 및 부하를 목표온도인 제1설정온도로 맞추도록 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 압축기 또는 팽창기를 제어하는 제어부를 포함한다.
이때, 제어부가 상기 부하를 목표온도인 제1설정온도로 맞추도록 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 압축기 또는 팽창기를 제어하는 것은, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 커지면 압축기 회전수 및 팽창기의 개도를 증가시키고, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 작아지면 압축기 회전수 및 팽창기의 개도를 감소시키는 것일 수 있다.
이때, 제1온도센서 또는 제2온도센서는 물순환관 중 제1열교환기측에 설치될 수 있으며, 부하는 온수를 공급하기 위한 온수탱크일 수 있다.
또한, 제어부는 제1설정온도에 따라 제1열교환기의 물 출구측의 온도인 제2설정온도를 결정하고, 제1열교환기의 물 출구측 온도가 제2설정온도가 되도록 압축기 또는 팽창기를 제어할 수 있다.
이때, 제어부는 제2설정온도가 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 낮은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 제1설정온도보다 제1기준값 만큼 더 높게 설정할 수 있으며, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 히트펌프 시스템의 운전을 정지시킬 수 있다.
또한, 제어부는 제2설정온도가 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도로 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템은 물순환관을 가열하기 위한 제1보조히터 또는 상기 온수탱크를 가열하기 위한 제2보조히터를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 제2설정온도가 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 제1보조히터 또는 제2보조히터를 작동시킬 수 있다. 이때, 제어부는 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 히트펌프 시스템의 운전을 정지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 제어방법은 압축기와, 팽창기와, 냉매순환관과, 물순환관과, 냉매와 물의 열을 교환시키는 제1열교환기와, 냉매와 공기의 열을 교환시키는 제2열교환기와, 물순환관 중 제1열교환기의 물 출구측에 설치되는 제1온도센서와, 물순환관 중 제1열교환기의 물 입구측에 설치되는 제2온도센서를 포함하고, 물을 물순환관을 통하여 순환시킴으로써 부하를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 부하의 목표온도인 제1설정온도에 따라 제1열교환기의 물 출구측 온도인 제2설정온도를 결정하고, 제1열교환기측 물 출구측 물의 온도를 제2설정온도로 맞추어 물을 물순환관을 통하여 순환시키고, 제1온도센서로 제1열교환기의 물 출구측 물의 온도를 감지하고, 제2온도센서로 제2열교환기의 물 입구측 물의 온도를 감지하고, 제1열교환기의 물 출구측 물의 온도를 제2설정온도로 유지하도록 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 압축기 또는 팽창기를 제어할 수 있다.
이때, 제1열교환기의 물 출구측 물의 온도를 제2설정온도로 유지하도록 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 압축기 또는 팽창기를 제어하는 것은, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 커지면 압축기 회전수 및 팽창기의 개도를 증가시키고, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 작아지면 압축기 회전수 및 팽창기의 개도를 감소시키는 것일 수 있다.
이때, 제1설정온도가 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 낮은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 제1설정온도보다 제1기준값 만큼 더 높게 설정할 수 있으며, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하가 되면 히트펌프 시스템의 운전을 정지시킬 수 있다.
또한, 제1설정온도가 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도로 설정할 수 있으며, 제1온도센서에서 감지된 온도와 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하가 되면 히트펌프 시스템의 운전을 정지시킬 수 있다.
이와 같이 온수탱크와 같은 부하에 설치되는 별도의 온도센서 없이 열교환기의 물측 입출구의 온도차를 이용하여 히트펌프 시스템의 운전을 쉽게 제어할 수 있다.
또한, 기존에 온도센서가 설치되지 않은 온수탱크를 이용할 수 있게 됨으로써, 사용자는 기존의 온수탱크를 버리지 않고 실외기 및 실내기만 구입하여 히트펌프 시스템을 구축할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 상세도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 제어부를 나타내는 도면이다..
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 히트펌프 시스템의 급탕모드에서의 제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 난방모드에서의 제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 제2설정온도를 결정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템(1)은 실외기(10)와 실내기(20)와 실외기(10)와 실내기(20) 사이에 연결되는 냉매순환관(12)과 실내기(2)에서 부하쪽으로 연결되는 물순환관(23)과 물순환관(23) 중 실내기(20) 측에 설치되어 있는 제1온도센서(25)와 제2온도센서(26)을 포함한다. 도 1에는 부하의 예로 급탕을 위한 온수탱크(30)와 실내의 바닥과 같은 난방부하(40)가 도시되어 있다.
냉매순환관(12)는 실외기(10) 측으로부터 실내기(20) 측으로 냉매가 이동하는 제1냉매배관(12a)과 실내기(20) 측으로부터 실외기(10) 측으로 냉매가 이동하는 제2냉매배관(12b)를 포함한다.
물순환관(23)은 실내기(20)에서 나오는 물을 이동하도록 마련된 제1물배관(23a)과, 실내기(20) 쪽으로 들어가는 물을 이동하도록 마련된 제2물배관(23b)과, 제1물배관(23a)을 통하여 전달된 물이 온수탱크(30) 쪽으로 이동하도록 마련된 제3물배관(23c)과, 온수탱크(30)에서 나오는 물을 이동하도록 마련된 제4물배관(23d)과, 제1물배관(23a)을 통하여 전달된 물이 난방부하(40) 쪽으로 이동하도록 마련된 제5물배관(23e)과, 난방부하(40)에서 나오는 물을 이동하도록 마련된 제6물배관(23f)를 포함하여 구성된다.
실내기(20)에는 히트펌프 시스템(1)의 동작을 제어할 수 있는 제어부(24)가 설치되며, 제1물배관(23a)에는 제1온도센서(25)가 설치되며, 제2물배관(23b)에는 제2온도센서(26)가 설치된다. 제1온도세서(25)는 실내기(20)에서 부하(30, 40) 쪽으로 이동하는 물의 온도를 감지하며, 제2온도센서(26)는 부하(30, 40)로부터 실내기(20) 쪽으로 이동하는 물의 온도를 감지하는 역할을 수행한다.
이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템(1)의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 상세도이다.
본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템(1)은 실외기(10) 및 실내기(2) 등을 이용하여 물순환관(23)을 순환하는 물을 냉각시키거나 가열시켜 냉방과 난방 및 급탕 운전을 수행할 수 있다. 히트펌프 시스템(1)은 실외에 설치되는 실외기(10)와 실내에 설치되는 실내기(20)를 포함한다.
실외기(10)는 압축기(14)와 팽창기(16)와 제2열교환기(18)와 냉매순환관(12)를 포함하여 구성되며, 실내기(2)는 제1열교환기(22)를 포함하여 구성되며, 온수탱크(30)는 수조(33)를 포함하여 구성되며, 난방부하(40)는 제3열교환기(42)를 포함하여 구성된다.
압축기(14)는 저온 저압의 기체상태의 냉매를 고온 고압의 기체상태의 냉매로 압축하는 역할을 하며, 부하(30, 40)에 따라 압축 용량이 가변될 수 있는 용량 가변 압축기로 이루어질 수 있다.
또한, 압축기(14)는 입력 주파수에 따라 압축 용량이 가변되는 하나의 인버터 압축기로 구성되는 것도 가능하며, 압축 용량이 일정한 복수개의 정속 압축기의 조합으로 구성되는 것도 가능함은 물론이다. 압축기(12)는 제1냉매배관(12a)를 통하여 실내기(20)의 제1열교환기(22)와 연결된다.
제1열교환기(22)는 압축기(12)에서 압축된 고온 고압의 기체상태의 냉매와 물순환관(23)의 물을 열교환시켜 물을 가열하거나, 후술할 팽창기(16)에서 팽창된 저온 저압의 냉매와 물순환관(23)의 물을 열교환시켜 물을 냉각시키는 역할을 수행한다. 도면에 도시되지는 않았지만 각각 폐루프를 형성하는 냉매순환관(12)과 물순환관(23)은 제1열교환기(22) 내부에서 서로 열을 교환할 수 있도록 크로스되어 설치되어 있다. 제1열교환기(22)는 제2냉배배관(12b)를 통하여 실외기(10)의 팽창기(16)와 연결된다.
팽창기(16)는 제1열교환기(22) 또는 후술할 제2열교환기(18)를 통과하는 냉매를 팽창시키거나 차단하는 일종의 가변 팽창기구로서, 냉매량을 조절할 수 있도록 개도값이 가변되는 LEV 등의 전자팽창밸브로 구성된다. 팽창기(16)는 냉매순환관(12)을 통하여 실내기(10)의 제2열교환기(18)에 연결된다.
제2열교환기(18)는 압축기(14) 또는 팽창기(16)를 통과한 냉매와 실외의 공기를 열교환시키는 역할을 수행한다. 제2열교환기(18)는 냉매와 실외의 공기를 열교환시키기 위해 팬(미도시)이 설치될 수 있다.
이와 같이 냉매는 압축기(14)와, 제1열교환기(22)와, 팽창기(16)와 제2열교환기(18)을 거쳐 냉매순환관(12)을 순환하면서 제1열교환기(22) 내부에 크로스되어 형성된 물순환관(23)의 물을 가열 또는 냉각시킨다.
도 2에서 냉매순환관(12) 둘레로 실선으로 된 화살표 방향으로 냉매가 순환하는 것은 제1열교환기(22) 내부에서 물순환관(23) 내부의 물을 가열시키는 난방모드 또는 급탕모드를 나타내며, 점선으로 된 화살표 방향으로 냉매가 순환하는 것은 제1열교환기(22) 내부에서 물순환관(23) 내부의 물을 냉각시키는 냉방모드를 나타낸다.
이렇게 가열된 물은 물순환관(23)을 통하여 난방부하(40) 또는 급탕부하인 온수탱크(30)를 거쳐 순환하게 된다. 즉, 실내의 바닥과 같은 난방부하(40)의 경우에는 물을 가열 또는 냉각시킴으로써 원하는 실내 온도를 원하는 온도로 유지할 수 있으며, 급탕부하인 온수탱크(30)의 경우에는 물을 가열시킴으로써 온수탱크(30)에 공급되는 물을 원하는 온도로 가열할 수 있다. 사용자는 이렇게 가열된 물을 필요한 용도로 사용할 수 있게 된다.
도 2에서 볼 수 있듯이, 물순환관(23)은 제1열교환기(22)와 온수탱크(30)와 난방부하(40)에 연결되어 있다. 물순환관(23)의 각각의 세부 명칭은 도 1과 관련하여 언급했으므로 설명을 생략한다. 물순환관(23)에는 물순환관(23) 내의 물을 순환시킬 수 있도록 하는 펌프(27)가 설치되어 있다. 또한, 앞에서 언급한 바와 같이 물순환관(23) 중 제1열교환기(22)에 가까운 곳에 제1온도센서(25)와 제2온도센서(26)가 설치되어 있다.
물순환관(23)의 제1물배관(23a)이 제3물배관(23c)와 제5물배관(23e)로 분기되는 지점에는 제1삼방밸브(28)가 설치되며, 물순환관(23)의 제2물배관(23b)이 제4물배관(23d)과 제6물배관(23f)로 분기되는 지점에는 제2삼방밸브(29)가 설치된다. 이 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)를 이용하여 물순환관(23) 내의 물을 온수탱크(30) 또는 난방부하(40) 쪽으로 선택적으로 순환시킬 수 있다.
온수탱크(30)는 물순환관(23) 중 제3물순환관(23c)와 제4물순환관(24d)과 연결되어 있으며, 외부의 용수가 유입되는 입수관(32)와 외부의 용수가 배출되는 출수관(34)을 포함하여 구성된다. 온수탱크(30)에는 외부의 용수가 유입되는 입수관(32)과 연결되어 물을 저장하는 수조(33)가 설치되어 있으며, 수조(33)의 하부에는 외부의 용수를 배출하도록 출수관(34)이 연결되어 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 물순환관(23)은 원통형으로 형성된 수조(33)의 외부를 회전하도록 감싸면서 설치되어 있다. 이런 구조로 물순환관(23)의 물과 수조(33)의 외부용수가 서로 열을 교환할 수 있도록 한다. 즉, 물순환관(23) 내의 가열된 물이 온수탱크(30)의 수조(33) 내에 저장된 외부 용수로 열을 공급함으로써 온수탱크(30)의 수조(33) 내에 저장된 외부 용수를 가열하게 된다. 이렇게 온수탱크(30)의 외부 용수가 가열되면 사용자는 출수관(34)을 개방시켜 따뜻한 물을 사용할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 제어부를 나타내는 도면이다.
도 1에서 언급한 바와 같이, 히트펌프 시스템(1)의 동작을 제어하는 제어부(24)가 실내기(20)에 설치된다. 물론, 제어부(24)는 사용자의 편의에 따라서 실외기(10) 또는 부하(30, 40) 측에 설치할 수도 있음은 물론이다. 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템(1)에서는 실내에 설치되는 실내기(20)에 제어부(24)가 설치된 것을 기준으로 설명한다.
도면에 도시되지는 않았지만, 제어부(24)에는 사용자가 히트펌프 시스템(1)의 작동 조건을 설정할 수 있도록 하는 입력부(24a)가 설치된다. 즉, 사용자는 이 입력부(24a)를 통하여 온수탱크(30)를 가열하는 급탕모드 또는 난방부하(40)를 가열 또는 냉각시키는 난방모드를 선택할 수 있으며, 선택된 급탕모드 또는 난방모드에서 온수탱크(30) 또는 난방부하(40)의 설정온도를 입력할 수 있다.
또한, 제어부(24)는 물순환관(23)에 설치된 제1온도센서(25)와 제2온도센서(26)으로부터 감지되는 온도를 획득한다. 이렇게 입력부(24a)에 입력된 정보와 감지된 온도 정보를 기초로 하여 제어부(24)는 압축기(14)와 팽창기(16)와 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)의 동작을 제어하게 된다. 구체적인 제어부(24)의 동작은 도 6 내지 도 8의 순서도와 관련하여 상세히 후술하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이다.
즉, 도 4는 도 2에 도시된 히트펌프 시스템(1)에서 제1물배관(23a)에 제1보조히터(21)가 추가적으로 설치된 히트펌프 시스템(2)을 나타낸 것이며, 도 5는 도2에 도시된 히트펌프 시스템(1)에서 온수탱크(30)를 가열하는 제2보조히터(36)가 추가적으로 설치된 히트펌프 시스템(3)을 나타낸 것이다. 도 4 및 도 5의 히트펌프 시스템(2, 3)은 후술하겠지만, 히트펌프 시스템(2, 3)이 공급가능한 최고온도가 설정온도보다 낮은 경우에 부하(30, 40)를 설정온도로 맞추기 위하여 추가적인 열원인 제1보조히터(21) 또는 제2보조히터(36)을 더 포함한다. 구체적인 동작 설명은 도 6 내지 도 8의 순서도와 관련하여 상세히 후술하기로 한다.
이하, 도 6 내지 도 8의 순서도를 바탕으로 본 발명의 히트펌프 시스템(1, 2, 3)의 구체적인 동작을 상세히 설명하기로 한다. 도 6는 본 발명의 일실시예에 히트펌프 시스템의 급탕모드에서의 제어방법을 설명하는 순서도이다.
제어부(24)는 사용자가 제어부(24)의 입력부(24a)를 통하여 입력된 모드가 난방모드인지 급탕모드인지를 판단한다.(100) 난방모드로 선택되었다고 판단되면 난방모드로 히트펌프 시스템(1)을 운전하게 되는데 이는 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
난방모드가 선택되지 않았다고 판단되면 제어부(24)는 다시 급탕모드가 선택되었는지를 판단한다.(102) 급탕모드로 선택되지 않았다고 판단되면 제어부(24)는 아무런 입력이 없는 것으로 판단하여 히트펌프 시스템(1)의 운전을 수행하지 않는다. 만약, 급탕모드로 선택되었다고 판단되면 제어부(24)는 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)를 온수탱크(30) 쪽으로 개방시키고, 난방부하(40) 쪽으로는 차단시킨다.(104) 이렇게 하며 물순환관(23) 내의 물이 온수탱크(30) 쪽으로만 순환되도록 한다.
다음, 제어부(24)는 사용자가 입력부(24a)를 통하여 입력된 온수탱크(30)의 가열 목표온도인 제1설정온도를 획득한다.(106) 제1설정온도가 획득되면, 제어부(24)는 제1설정온도를 기초로 미리 설정된 알고리즘에 의하여 물순환관(23) 중 제1열교환기(22)의 물 출구측 온도인 제2설정온도를 결정한다.(108)
제어부(24)는 제2설정온도가 결정되면 온수탱크(30) 쪽으로 제2설정온도로 물을 가열시켜 순환시킨다.(110) 즉, 압축기(14)와 팽창기(16)를 제어하여 압축율 및 냉매량을 가변시켜 제1열교환기(22)에서 물과 교환되는 열교환량을 조절하여 제1물배관(23a)에서 나오는 물의 온도를 제2설정온도로 맞추고, 펌프(27)를 구동시켜 물순환관(23) 내의 물이 급탕부하인 온수탱크(30) 쪽으로 순환될 수 있도록 한다.
제2설정온도로 가열된 물이 온수탱크(30)를 통과하면서 온수탱크(30) 내에 저장된 용수와 열교환되면서 온수탱크(30) 내의 용수는 가열되며, 물순환관(23) 내의 물은 열을 빼앗긴 후 제4물배관(23d)와 제2물배관(23b)를 차례로 통과하면서 다시 제1열교환기(22)로 들어오게 된다.
이때, 제어부(24)는 제1온도센서(25)와 제2온도센서(26)로부터 감지된 제1열교환기의 물 입,출구측 온도를 획득한다.(112) 편의상, 제1온도센서(25)에서 감지된 온도를 α라 하고, 제2온도센서(26)에서 감지된 온도를 β라고 정의하고, 위 두 온도 α와 β의 차이값을 δ로 정의한다.(δ=α-β) 일반적으로, 온수탱크(30) 내의 용수를 가열시킨 후 열을 빼았기므로 α는 β보다 더 큰 값을 갖으므로, δ는 양의 값을 갖는다. 하지만, 온수탱크(30)를 가열하는 제2보조히터(36)를 사용하는 경우 δ값은 음의 값을 가질 수 있는데 이는 후술하기로 한다.
제어부(24)는 온도차이인 δ값에 따라서 압축기(14) 또는 팽창기(16)를 제어한다.(114) 즉, 제1열교환기(22)의 물 출구측 온도을 제2설정온도로 유지하도록 δ값의 차이에 따라서 압축기의 회전수 또는 팽창기의 개도을 제어하는 것이다. 제어부(24)는 δ값이 큰 경우에는 압축기의 회전수 및 팽창기의 개도를 증가시키고, δ값이 작은 경우에는 압축기의 회전수 및 팽창기의 개도를 감소시킨다. δ값에 따른 압축기(14) 또는 팽창기(16)의 제어는 압축기(14) 또는 팽창기(16)의 사양, 냉매의 양, 물의 양 등의 히트펌프 시스템(1)의 사양에 따라서 가변적으로 결정될 수 있다.
이렇게 계속 제1열교환기(22)를 통하여 물을 가열시켜 물순환관(23)을 순환시키면서 온수탱크(30) 내의 용수를 가열시키게 된다. 이때, 제어부(24)는 온도차이인 δ값이 미리 설정된 제2기준값보다 작은지를 판단한다.(116) δ값이 미리 설정된 제2기준값보다 큰 경우에는 다시 제1열교환기의 물 입,출구측 온도를 감지한다.(112)
만약, δ값이 제2기준값보다 작은 경우에는 제어부(24)는 히트펌프 시스템(1)의 운전을 정지시킨다.(118) 즉, 제어부(24)는 압축기(14)와 팽창기(16)와 펌프(27)의 작동을 정지시키며, 온수탱크(30)으로 개방된 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)을 폐쇄시킨다. 이렇게 제어하는 이유는 다음과 같다.
δ값이 큰 값을 가지는 경우에는 급탕부하인 온수탱크(30)에서 열교환이 크게 이루어진다는 것을 의미하면, δ값이 작은 값을 가지는 경우에는 급탕부하인 온수탱크(30)에서 열교환이 작게 이루어진다는 것을 의미한다. 또한, 일반적으로 도 8에서 후술하겠지만, 제1설정온도보다 조금 더 높은 값으로 제2설정온도를 결정하게 되는데, 제1설정온도 및 제2설정온도에 따라 결정되는 δ값에 따라서 온수탱크(30) 내의 용수가 제1설정온도로 맞추어진 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 급탕부하인 온수탱크(30)를 제1설정온도로 맞추어진 것으로 판단하였으므로, 히트펌프 시스템(1)의 운전을 정시키는 것이다.
예를 들어 간단히 설명하면 다음과 같다. 사용자가 제1설정온도를 40도로 입력한 경우 제어부(24)는 40도보다 더 높은 값인 45도를 제2설정온도로 결정할 수 있다. 이 경우 δ값을 2도로 설정했다고 가정하면 제1열교환기(22)의 물 입구측 온도가 43가 되는 경우에 제어부(24)는 급탕부하인 온수탱크(30)가 제1설정온도인 40도가 되었다고 판단하여 히트펌프 시스템(1)의 운전을 정지시킬 수 있다.
즉, 히트펌프 시스템(1)이 온수탱크(30)에 45도의 물을 공급하면 온수탱크(30) 내의 용수가 상온인 25도 정도에서 계속 가열되고 제1열교환기(22)의 물 입구측 온도인 β값은 계속 상승하게 된다. 만약 미리 설정된 알고리즘에 의해서 β가 43가 될 때 급탕부하인 온수탱크(30) 내의 용수가 40도가 된 것으로 계산되면 δ값을 위와 같이 2도로 설정하는 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 난방모드에서의 제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 7의 순서도에서 설명되는 제어방법은 도 6에서 설명한 바와 거의 유사하다. 즉, 부하가 급탕부하인 온수탱크(30)에서 난방부하(40)로 바뀐 것과 히트펌프 시스템(1)의 제1열교환기(22) 내에서 물순환관(23) 내의 물을 가열시키는 것은 물론 냉각시킬 수도 있다는 것만이 차이점이다.
도 6에서 제어부(24)가 사용자에 의해서 입력부(24a)에 난방모드라고 선택되었다고 판단되면 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)를 난방부하(30) 쪽으로 개방시키고, 온수탱크(30) 쪽으로는 차단시킨다.(120) 이렇게 하여 물순환관(23) 내의 물이 난방부하(40) 쪽으로만 순환되도록 한다.
다음 제어부(24)는 사용자가 입력부(24a)를 통하여 입력된 난방부하(40)의 목표온도인 제1'설정온도를 획득한다.(122) 제1'설정온도가 획득되면, 제어부(24)는 제1'설정온도를 기초로 미리 설정된 알고리즘에 의하여 물순환관(23) 중 제1열교환기(22)의 물 출구측 온도인 제2'설정온도를 결정한다.(124)
제어부(24)는 제2'설정온도가 결정되면 난방부하(40) 쪽으로 제2'설정온도로 물을 가열시켜 순환시킨다.(126) 즉, 압축기(14)와 팽창기(16)를 제어하여 압축율 및 냉매량을 가변시켜 제1열교환기(22)에서 물과 교환되는 열교환량을 조절하여 제1물배관(23a)에서 나오는 물의 온도를 제2설정온도로 맞추고, 펌프(27)를 구동시켜 물순환관(23) 내의 물이 난방부하(40) 쪽으로 순환될 수 있도록 한다.
제2'설정온도로 가열된 물이 난방부하(30)를 통과하면서 난방부하(40)와 열교환되면서 난방부하(40)는 가열되며, 물순환관(23) 내의 물은 열을 빼앗긴 후 제6물배관(23f)와 제2물배관(23b)를 차례로 통과하면서 다시 제1열교환기(22)로 들어오게 된다.
이때, 제어부(24)는 제1온도센서(25)와 제2온도센서(26)로부터 감지된 제1열교환기의 물 입,출구측 온도를 획득한다.(128) 앞에서 언급한 것처럼, 제1온도센서(25)에서 감지된 온도를 α라 하고, 제2온도센서(26)에서 감지된 온도를 β라 하고, 위 두 온도 α와 β의 차이값을 δ로 정의한다.(δ=α-β)
제어부(24)는 온도차이인 δ값에 따라서 압축기(14) 또는 팽창기(16)를 제어한다.(130) 즉, 제1열교환기(22)의 물 출구측 온도를 제2설정온도로 유지하도록 δ값의 차이에 따라서 압축기의 회전수 또는 팽창기의 개도를 제어한다.
이렇게 계속 제1열교환기(22)를 통하여 물을 제2'설정온도로 맞추어 물순환관(23)을 순환시키면서 난방부하(40)의 온도를 제1'설정온도로 제어하게 된다. 이때, 제어부(24)는 온도차이인 δ값이 미리 설정된 제2기준값보다 작은지를 판단한다.(132) δ값이 미리 설정된 제2기준값보다 큰 경우에는 다시 제1열교환기의 물 입,출구측 온도를 감지한다.(112)
만약, δ값이 제2기준값보다 작은 경우에는 제어부(24)는 히트펌프 시스템(1)의 운전을 정지시킨다.(118) 즉, 제어부(24)는 압축기(14)와 팽창기(16)와 펌프(27)의 작동을 정지시키며, 난방부하 쪽으로 개방된 제1삼방밸브(28)와 제2삼방밸브(29)를 폐쇄시킨다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 히트펌프 시스템의 제2설정온도를 결정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6의 106에서 제1설정온도를 획득하면 이를 기초로 제2설정온도를 결정하게 되는데(108) 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제어부(24)는 먼저 제2설정온도가 히트펌프 시스템(1)이 공급 가능한 최고온도보다 작은지를 판단한다.(108a) 만약, 제2설정온도가 히트펌프 시스템(1)이 공급 가능한 최고온도보다 작다고 판단되면, 제어부(24)는 제2설정온도를 제1설정온도보다 제1기준값만큼 더 큰 값으로 결정한다.(108b) 이렇게 결정하는 이유는 다음과 같다.
일반적으로 히트펌프 시스템(1, 2, 3)이 공급 가능한 최고온도 즉, 제1열교환기(22)의 물 출구측 온도는 일정한 한계값을 가진다. 즉, 사용자가 요구하는 부하의 온도인 제1설정온도에 따라 미리 설정된 알고리즘에 의하여 계산된 제2설정온도로 물순환관(23) 내의 물을 맞추어 순환시켜야 하는데, 이렇게 계산된 제2설정온도가 히트펌프 시스템(1, 2, 3)이 공급 가능한 온도인지를 판단하는 것이다.
위에서 언급한 바와 같이 제2설정온도가 최고온도 이하인 경우에는 이 결정된 제2설정온도로 물을 순환시키게 되는데, 제2설정온도는 제1설정온도보다 제1기준값 만큼 더 큰 값으로 결정한다. 이렇게 하는 이유는 앞에서 언급한 바와 같이 부하(30, 40)에서 열교환이 이루어지기 때문에 이보다 더 큰 값으로 제2설정온도를 결정하여야 하기 때문이다. 제1기준값은 히트펌프 시스템(1, 2, 3)의 사양 및 부하(30, 40)의 사양에 따라서 미리 설정된 알고리즘에 의해서 가변적으로 결정될 수 있다.
예를 들어, 사용자가 제1설정온도로 40도를 선택하면, 제어부(24)는 온수탱크(30) 내에 저장된 용수를 40도로 가열하기 위해서 제2설정온도를 이보다 더 높은 값이 45도 정도로 결정할 수 있다. 히트펌프 시스템(1)의 운전 정지 시점의 판단은 앞에서 설명한 바와 같이 δ값의 크기가 제2기준값보다 작은 지 여부로 수행된다.
또한, 제어부(24)는 제2설정온도가 히트펌프 시스템(1, 2, 3)이 공급 가능한 최고온도보다 큰 경우라고 판단되면 제2설정온도를 이 최고온도로 결정한다.(108c) 즉, 앞에서 설명한 바와 같이 제1설정온도에 따라서 미리 결정된 알고리즘에 의해 제2설정온도가 계산되게 되는데 이 값이 히트펌프 시스템(1, 2, 3)이 공급 가능한 최고온도보다 큰 경우이므로 최고온도로밖에 공급할 수 없기 때문이다.
이 경우 제어부(24)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1보조히터(21) 또는 제2보조히터(36)를 작동시킬 수 있다.(108d) 이때, 제1보조히터(21)와 제2보조히터(36)을 작동시키는 경우 히트펌프 시스템(2, 3)의 동작 제어는 각각 다음과 같다.
먼저, 제1보조히터(21)가 설치된 히트펌프 시스템(2)의 제어는 도 2의 히트펌프 시스템(1)과 같은 방법으로 수행된다. 즉, 제어부(24)는 제2설정온도를 최고온도로 결정해서 제1열교환기(22)의 물 출구측으로 냉매순환관(23)을 통하여 물을 순환시키며, 이 물은 제1보조히터(21)를 통하여 다시 가열되어 앞에서 언급한 제1설정온도에 따라 미리 설정된 알고리즘에 의해 계산된 제2설정온도로 맞추어 부하(30, 40)으로 공급되게 된다. 즉, 제1온도센서(25)와 제1열교환기(22) 사이에 제1보조히터(21)가 설치되어 있기 때문에 제1온도센서(25)에서 검출되는 온도가 제1설정온도에 따라 미리 설정된 알고리즘에 의해 계산된 제2설정온도로 맞출 수 있기 때문이다.
그러나, 제2보조히터(36)가 설치된 히트펌프 시스템(3)의 제어는 도 2의 히트펌프 시스템(1)과 약간 다른 방법으로 수행된다. 이 경우에는 제1보조히터(21)가 없으므로 부하(30, 40)로 공급되는 물의 온도는 히트펌프 시스템(3)이 공급 가능한 최고온도가 된다. 이 경우 부하측 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 온수탱크(30)을 가열하도록 설치된 제2보조히터(36)가 추가적으로 열을 공급하므로 오히여 제1열교환기의 물측 입구측 온도인 β값이 제1열교환기의 물측 출구측 온도인 α값보다 더 커질 수 있게 된다. 특히, 제2설정온도가 최고온도보다 더 큰 경우이므로 β값이 α값보다 더 큰 경우에 부하(30, 40)이 제1설정온도로 맞추어질 수 있다.
이 경우에는 δ값의 절대값의 크기에 따라서 압축기(14) 또는 팽창기(16)를 제어하되 δ값의 부호도 고려하여야 한다. 즉, 히트 펌프 시스템(3)의 운전을 정지할 것인지 여부의 판단은 δ값의 부호가 (-)로 바뀐 후 그 δ의 절대값이 미리 설정한 제2기준값보다 작은지 여부로 판단하는 방법을 사용하여야 한다.
만약, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1보조히터(21) 또는 제2보조히터(36)가 없는 경우에는 부하(30, 40)를 사용자가 요구하는 제1설정온도로 가열하지 못하지만, 제1보조히터(21) 또는 제2보조히터(36)을 사용하는 경우에는 기존의 제어방법과 같은 방법을 이용하여 히트펌프 시스템(1)이 공급가능한 최고온도 만큼의 출력으로 부하(30, 40)를 가열할 수 있을 것이다.
즉. 이와 같은 장치 및 방법으로 부하(30, 40)측에 설치된 별도의 온도센서 없이도 제1열교환기(22)의 물 입,출구측의 온도를 이용하여 부하(30, 40)를 원하는 설정온도로 쉽게 제어할 수 있게 된다.
10 : 실외기 12 : 냉매순환관
14 : 압축기 16 : 팽창기
18 : 제2열교환기 20 : 실내기
21 : 제1보조히터 22 : 제1열교환기
23 : 물순환관 24 : 제어부
24a : 입력부 25 : 제1온도센서
26 : 제2온도센서 27 : 펌프
28 : 제1삼방밸브 29 : 제2삼방밸브
30 : 온수탱크 32 : 입수관
33: 수조 34 : 출수관
36 : 제2보조히터 40 : 난방부하
42 : 제3열교환기

Claims (16)

  1. 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기;
    상기 냉매를 순환시키는 냉매순환관;
    상기 냉매와 물의 열을 교환시키는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기에서 가열 또는 냉각된 상기 물을 부하쪽으로 순환시키는 물순환관;
    상기 냉매를 팽창시켜 저온저압의 상태로 만드는 팽창기;
    상기 냉매와 공기의 열을 교환시키는 제2열교환기;
    상기 부하로 전달되는 상기 물의 온도를 감지하도록 상기 물순환관에 설치되는 제1온도센서;
    상기 제1열교환기로 전달되는 상기 물의 온도를 감지하도록 상기 물순환관에 설치되는 제2온도센서; 및
    상기 부하를 목표온도인 제1설정온도로 맞추도록 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 상기 압축기 또는 팽창기를 제어하는 제어부를 포함하는 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 부하를 목표온도인 제1설정온도로 맞추도록 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 상기 압축기 또는 상기 팽창기를 제어하는 것은,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 커지면 상기 압축기 회전수 및 상기 팽창기의 개도를 증가시키고,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 작아지면 상기 압축기 회전수 및 상기 팽창기의 개도를 감소시키는 것인 히트펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1온도센서 또는 상기 제2온도센서는 상기 물순환관 중 상기 제1열교환기측에 설치되는 히트펌프 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부하는 온수를 공급하기 위한 온수탱크인 히트펌프시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1설정온도에 따라 상기 제1열교환기의 물 출구측의 온도인 제2설정온도를 결정하고,
    상기 제1열교환기의 물 출구측 온도가 제2설정온도가 되도록 상기 압축기 또는 팽창기를 제어하는 히트펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2설정온도가 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 낮은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 제1설정온도보다 제1기준값 만큼 더 높게 설정하는 히트펌프 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 상기 히트펌프 시스템의 운전을 정지시키는 히트펌프 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2설정온도가 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도로 설정하는 히트펌프 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 물순환관을 가열하기 위한 제1보조히터 또는 상기 온수탱크를 가열하기 위한 제2보조히터를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2설정온도가 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 상기 제1보조히터 또는 상기 제2보조히터를 작동시키는 히트펌프 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 상기 히트펌프 시스템의 운전을 정지시키는 히트펌프 시스템.
  11. 압축기와, 팽창기와, 냉매순환관과, 물순환관과, 냉매와 물의 열을 교환시키는 제1열교환기와, 상기 냉매와 공기의 열을 교환시키는 제2열교환기와, 상기 물순환관 중 상기 제1열교환기의 물 출구측에 설치되는 제1온도센서와, 상기 물순환관 중 상기 제1열교환기의 물 입구측에 설치되는 제2온도센서를 포함하고, 상기 물을 물순환관을 통하여 순환시킴으로써 부하를 가열 또는 냉각시키는 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 부하의 목표온도인 제1설정온도에 따라 상기 제1열교환기의 물 출구측의 온도인 제2설정온도를 결정하고,
    상기 제1열교환기측 물 출구측 상기 물의 온도를 제2설정온도로 맞추어 상기 물을 상기 물순환관을 통하여 순환시키고,
    상기 제1온도센서로 상기 제1열교환기의 물 출구측 상기 물의 온도를 감지하고,
    상기 제2온도센서로 상기 제2열교환기의 물 입구측 상기 물의 온도를 감지하고,
    상기 제1열교환기의 물 출구측 상기 물의 온도를 제2설정온도로 유지하도록 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 상기 압축기 또는 상기 팽창기를 제어하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1열교환기의 물 출구측 상기 물의 온도를 제2설정온도로 유지하도록 상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이에 따라 상기 압축기 또는 상기 팽창기를 제어하는 것은,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 커지면 상기 압축기 회전수 및 상기 팽창기의 개도를 증가시키고,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 작아지면 상기 압축기 회전수 및 상기 팽창기의 개도를 감소시키는 것인 히트펌프 시스템의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1설정온도가 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 낮은 경우라고 판단도면 제2설정온도를 제1설정온도보다 제1기준값 만큼 더 높게 설정하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 상기 히트펌프 시스템의 운전을 정지시키는 히트펌프 시스템의 제어방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1설정온도가 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도보다 높은 경우라고 판단되면 제2설정온도를 상기 히트펌프 시스템이 공급 가능한 최고온도로 설정하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1온도센서에서 감지된 온도와 상기 제2온도센서에서 감지된 온도와의 차이가 제2기준값 이하이면 상기 히트펌프 시스템의 운전을 정지시키는 히프펌프 시스템의 제어방법.
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