KR20110136243A

KR20110136243A - 온수 공급용 히트펌프시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20110136243A
Application number: KR1020100056111A
Authority: KR
Inventors: 최종민
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2011-12-21
Also published as: KR101208234B1

Abstract

본 발명은 온수 공급용 히트펌프시스템에 관한 것으로, 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기, 상기 캐스케이드 열교환기를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치 및 상기 제1 팽창장치를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 열원측 열교환기를 구비하는 제1 사이클과; 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기, 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하를 흐르는 부하측 2차유체와 열교환시키는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치, 및 상기 제2 팽창장치를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기를 구비하는 제2 사이클과; 상기 부하측 2차유체가 상기 부하측 열교환기를 통과하도록 설치되는 부하측 2차유체라인과; 상기 제1 사이클에서 제1 압축기와 상기 캐스케이드 열교환기와의 사이를 흐르는 제1 냉매와, 상기 부하측 2차유체라인에서 상기 부하측 열교환기를 나온 부하측 2차유체를 열교환시키는 승온용 열교환기를 구비한다. 이러한 구성에 의해서 수요자가 요구하는 온도에 부합하는 온수를 생성할 수 있다.

Description

온수 공급용 히트펌프시스템 및 그 제어방법{Heat pump system for providing high temperature water and Control method thereof}

본 발명은 냉매 사이클을 통해서 생성된 온수를 제공하여 건물에 대해서 난방을 행하거나, 주방이나 욕실에서 급탕을 위해서 사용할 수 있도록 하는 히트펌프시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 승온용 열교환기를 구비함으로써 난방이나 급탕시 제공되는 온수의 온도를 필요에 따라서 높일 수 있는 온수 공급용 히트펌프시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 난방 및 주방이나 욕실에서 사용하는 온수를 제공하는 히트펌프시스템들 중 하나로 도 1에 도시된 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템을 들 수 있다. 도 1은 히트펌프시스템이지만 본 발명이 난방시 적용되는 것이므로 냉방시 냉매 순환 및 이와 관련된 구성은 도시를 생략하였다. 이는 이하 본 발명을 설명하는 도면에서도 동일하다.

도 1의 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템은, 저온측의 제1 사이클(10) 및 고온측의 제2 사이클(20)을 구비하고 있으며, 제1 사이클(10)과 제2 사이클(20)은 캐스케이드 열교환기(30)에서 서로 열교환한다.

구체적으로 제1 사이클(10)에서 제1 냉매는 제1 압축기(11), 캐스케이드 열교환기(30), 제1 팽창장치(13) 및 열원측 열교환기(14)를 순환한다. 이때 캐스케이드 열교환기(30)는 제1 냉매를 응축하는 응축기로서 작용을 한다. 그리고 열원측 열교환기(14)는, 제1 냉매와 열원측 2차유체라인(L60)을 흐르는 열원측 2차유체가 열교환하도록 하여 제1 냉매가 증발되는 증발기로서 작용하며, 이때 열원으로는 주위 공기, 지열, 해수열 등을 사용할 수 있다.

제2 사이클(20)에서 제2 냉매는 제2 압축기(21), 부하측 열교환기(22), 제2 팽창장치(23) 및 캐스케이드 열교환기(30)를 순환한다. 이때 제2 사이클(20)에서 캐스케이드 열교환기(30)는 제2 냉매를 증발시키는 증발기로서 작용을 한다. 또한 제2 사이클에서는 부하측 열교환기(22)는 난방 및 급탕을 위해서 사용되는 부하측 2차유체(예를 들면, 물)와 열교환을 행하게 되어 제2 냉매가 응축되는 응축기로서 작용을 한다. 부하측 열교환기(22)를 통과하면서 열교환으로 인해서 고온이 된 부하측 2차유체는 부하측 2차유체라인(L50)을 순환하면서 축열탱크(40)에 저장 또는 부하측에 직접 공급된다. 축열탱크(40)에 저장된 경우 부하측 2차유체는 다시 난방용 배관이나 급탕용 배관을 통해서 주방 또는 욕실 등 부하측에 공급된다.

이러한 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템은 제1 사이클(10)의 제1 압축기(11)에서 고온 고압 상태로 압축된 제1 냉매가 캐스케이드 열교환기(30)에서 제2 사이클(20)의 제2 냉매와 열교환함으로써, 제2 사이클(20)에서 제2 압축기(21)로 유입되는 제2 냉매의 온도를 고온으로 할 수 있다. 이렇게 고온이 된 제2 냉매를 다시 제2 사이클(20)의 제2 압축기(21)에서 압축함으로써 제2 냉매의 온도를 더 높게 할 수 있으며, 제2 압축기(21)에서 압축된 제2 냉매가 제2 응축기(22)에서 축열탱크(40) 또는 부하측을 순환하는 부하측 2차유체와 열교환함으로써 부하측 2차유체의 온도를 상승시키게 된다.

따라서 이러한 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템은 하나의 사이클을 사용하는 경우에 비해서 보다 높은 온도의 부하측 2차유체(물)를 생성할 수 있게 된다.

하지만 이러한 종래의 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템에서는 제1 및 제2 사이클을 구성하는 장치의 성능에 의해서 생성되는 부하측 2차유체의 온도가 결정되기 때문에, 제1 및 제2 사이클을 동작시켜 얻을 수 있는 온도 보다 높은 온도를 사용자가 요구할 경우(난방 온도를 높이거나 더 높은 급탕 온도가 필요한 경우)에는 대응할 수 없게 된다.

또한, 열원의 온도가 저하됨으로 인해서 열원측 열교환기(14)로 유입되는 열원측 2차유체의 온도가 낮은 경우에는 제1 사이클(10)의 캐스케이드 열교환기(30) 로 유입되는 제1 냉매의 온도가 저하되고, 이로 인해서 제2 사이클(10)에서 부하측 열교환기(22)를 흐르는 제2 냉매의 온도가 저하되어 부하측 2차유체의 온도가 저하되어 수요자가 요구하는 온도의 온수를 공급할 수 없는 경우가 발생할 수 있다.

그리고, 제2 사이클(20)의 부하측 열교환기(22) 출구의 냉매의 과냉도가 작을 경우 제2 팽창장치(23)의 출구 건도가 증가하게 되는데, 이 경우 캐스케이드 열교환기(30)로 유입되는 제2 사이클(20)의 제2 냉매 유속이 증가하여 캐스케이드 열교환기(30)에서의 냉매 분배의 균일도가 감소하여 캐스케이드 열교환기(30)에서의 열교환 성능 저하로 냉매 순환유량 감소 및 히트펌프시스템 성능 저하가 발생되므로 제2 사이클(20)의 부하측 열교환기(22)의 출구 과냉도를 적절히 확보할 필요성이 있다.

본 발명은 이러한 종래 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템에서 얻을 수 있는 부하측 2차유체의 온도 보다 높은 온도의 부하측 2차유체를 생성할 수 있으며, 아울러 열원의 온도 저하로 인해서 성능이 저하되더라도 수요자가 요구하는 온도에 부합하는 부하측 2차유체를 생성할 수 있는 온수 공급용 히트펌프시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은 제1 냉매를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기, 상기 캐스케이드 열교환기를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치 및 상기 제1 팽창장치를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 열원측 열교환기를 구비하는 제1 사이클과; 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기, 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하측 2차유체와 열교환시키는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치, 및 상기 제2 팽창장치를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기를 구비하는 제2 사이클과; 상기 부하측 2차유체가 상기 부하측 열교환기를 통과하도록 설치되는 부하측 2차유체라인과; 상기 제1 사이클에서 제1 압축기와 상기 캐스케이드 열교환기와의 사이를 흐르는 제1 냉매와, 상기 부하측 2차유체라인에서 상기 부하측 열교환기를 나온 부하측 2차유체를 열교환시키는 승온용 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은 상기 부하측 2차유체라인을 흐르는 상기 부하측 2차유체가 상기 승온용 열교환기에 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은 상기 제1 사이클을 순환하는 상기 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기에 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한 위 구성을 가지는 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템을 제어하는 제어방법은, 상기 제1 및 제2 사이클을 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 상기 부하측 2유체와 열교환하도록 하며, 상기 승온용 열교환기를 통과한 제1 냉매는 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 위 구성을 가지는 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템을 제어하는 제어방법은, 상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제1 온도일 경우, 제2 사이클을 정지하고, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 부하측 2유체와 열교환하도록 하는 제1 모드와; 상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제1 온도 보다 낮은 제2 온도일 경우, 상기 제1 및 제2 사이클을 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매와 상기 부하측 2차유체가 승온용 열교환기에서 열교환하지 않도록 하고, 상기 제2 사이클의 제1 냉매가 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 제2 모드와; 상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제2 온도 보다 낮은 제3 온도일 경우, 상기 제1 및 제2 사이클이 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 상기 부하측 2유체와 열교환하도록 하며, 상기 승온용 열교환기를 통과한 후 상기 캐스케이드 열교환기로 유입되어 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 제3 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성을 가지는 본 발명은, 승온용 열교환기에서 고온의 부하측 2차유체로부터 열을 공급받아 캐스케이드 열교환기로 유입되는 제1 냉매의 온도를 높임으로써, 전체적으로 제2 사이클을 상승시켜 부하측 열교환기와 열교환하는 부하측 2차유체의 온도를 보다 높게 할 수 있으며, 그 결과 수요자가 요구하는 온도에 부합하는 온수를 생성할 수 있다.

또한 본 발명은 열원의 온도에 변화에 따라서 다양하게 모드에서 운전이 가능하며, 또한 열원의 온도가 낮더라고 충분히 높은 온도의 부하측 2차유체를 생성할 수 있다.

또한 본 발명은 제2 사이클에서 제2 팽창장치로 유입되는 제2 냉매의 과냉도를 증가시킴으로써 히트펌프시스템을 안정적으로 운전할 수 있도록 한다.

도 1은 종래 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제1 실시형태 및 승온용 열교환기에서 열교환이 일어나는 경우(제3 모드)의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제1 실시형태의 제1 모드에 해당하는 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제1 실시형태의 제2 모드를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제1 및 제2 사이클에 대한 압력-엔탈피 선도이다.
도 6은 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제2 실시형태를 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템 및 그 제어방법의 실시형태에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

<< 제1 실시형태 >>

먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은 제1 냉매가 순환하는 저온측 사이클인 제1 사이클(100), 제2 냉매가 순환하는 고온측 사이클인 제2 사이클(200)을 구비하고 있다.

먼저, 제1 사이클(100)은 제1 압축기(110), 캐스케이드 열교환기(300), 제1 팽창장치(130) 및 열원측 열교환기(140)를 포함하며, 이들 구성들은 제1 냉매가 흐르는 제1 냉매라인(L100)에 의해서 연결된다. 제1 냉매는 제1 압축기(110)에 의해서 고온고압으로 압축되고, 캐스케이드 열교환기(300)에서 후술하는 제2 사이클(200)을 순환하는 제2 냉매와 열교환하며, 제1 팽창장치(130)를 거치면서 팽창되고, 열원측 열교환기(140)를 거치면서 열원과 열교환한 후 다시 제1 압축기(110)로 유입된다.

제1 사이클(100)에서 캐스케이드 열교환기(300)를 흐르는 제1 냉매는 제2 사이클(200)에서 캐스케이드 열교환기(300)를 흐르는 제2 냉매와 열교환을 하면서 열을 빼앗기게 되어 응축된다. 따라서 제1 사이클(100)에서 캐스케이드 열교환기(300)는 응축기로서 작용을 한다.

또한 제1 사이클(100)에서 열원측 열교환기(140)를 흐르는 제1 냉매는 열원과 열교환을 하면서 열원으로부터 열을 공급받아 증발하게 된다. 따라서 제1 사이클(100)에서 열원측 열교환기(140)는 증발기로서 작용을 한다. 여기서, 열원으로는 주위 공기, 지열, 해수열 등이 사용될 수 있다. 지열 또는 해수열을 열원으로서 사용하는 경우에는 열원측 2차유체가 열원과 열원측 열교환기(140)를 순환하도록 구성되는 열원측 2차유체라인(L600)이 설치될 수 있다.

또한, 제1 사이클(100)은 제1 압축기(110)와 캐스케이드 열교환기(300) 사이의 제1 냉매라인(L100)은 후술하는 부하측 2차유체와 열교환하는 승온용 열교환기(400)를 거치도록 형성된다. 구체적으로 제1 사이클(100)에서 제1 냉매는 제1 압축기(110)에서 압축된 후, 승온용 열교환기(400)로 거치고, 캐스케이드 열교환기(300)로 유입된다.

다음으로, 제2 사이클(200)은 제2 압축기(210), 부하측 열교환기(220), 제2 팽창장치(230) 및 캐스케이드 열교환기(300)를 포함하며, 이들 구성들은 제2 냉매가 흐르는 제2 냉매라인(L200)에 의해서 연결된다. 제2 냉매는 제2 압축기(210)에 의해서 고온고압으로 압축되고, 부하측 열교환기(220)에서 후술하는 부하측 2차유체와 열교환하며, 제2 팽창장치(230)를 거치면서 팽창되고, 캐스케이드 열교환기(300)를 거치면서 제1 사이클(100)을 흐르는 제1 냉매와 열교환한 후 다시 제2 압축기(210)로 유입된다.

제2 사이클(200)에서 부하측 열교환기(220)를 흐르는 제2 냉매는 부하측 2차유체와 열교환을 하면서 열을 빼앗기게 되어 응축된다. 따라서 제2 사이클(200)에서 부하측 열교환기(220)는 응축기로서 작용을 한다. 역으로 부하측 열교환기(220)에 열교환에 의해서 열을 공급받은 부하측 2차유체는 온도가 상승하게 된다.

또한 제2 사이클(200)에서 캐스케이드 열교환기(300)를 흐르는 제2 냉매는 제1 사이클(100)에서 캐스케이드 열교환기(300)를 흐르는 제1 냉매와 열교환을 하면서 제1 냉매로부터 열을 공급받아 증발하게 된다. 따라서 제2 사이클(200)에서 캐스케이드 열교환기(300)는 증발기로서 작용을 한다.

또한 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은, 부하측 2차유체를 저장하기 위한 축열탱크(500)를 구비하며, 그리고 제2 사이클(200)의 부하측 열교환기(220)와 축열탱크(500) 사이를 부하측 2차유체가 순환하도록 구성된 부하측 2차유체라인(L500)을 구비한다. 아울러, 부하측 2차유체라인(L500)에는 부하측 2차유체를 순환시키기 위한 펌프(510)가 설치되어 있다.

그리고, 부하측 2차유체라인(L500)은 부하측 열교환기(220)의 출구의 일지점(D 지점)에서 분기되어 승온용 열교환기(400)를 거친 후 다시 합류하는 부하측 2차유체분기라인(L510)을 구비하고 있다. 또한 부하측 2차유체분기라인(L510) 및 D 지점과 부하측 2차유체분기라인(L510)과의 합류지점 사이의 부하측 2차유체라인(L500) 각각에는 조절밸브(D1, D2)가 설치되어 있다. 조절밸브(D1, D2)를 조작함으로써 부하측 열교환기(220)를 나온 부하측 2차유체가 승온용 열교환기(400)를 선택적으로 통과할 수 있도록 하거나, 승온용 열교환기(400)로 유입되는 부하측 2차유체의 유량을 조절할 수 있다.

본 발명에서 사용되는"선택적"이란, 조절밸브(D1, D2)를 번갈아 개방시켜서 부하측 2차유체가 부하측 2차유체분기라인(L510)으로 흐르는 동안 부하측 2차유체라인(L500) 중 조절밸브(D2)가 설치된 라인으로는 흐르지 않는 경우나, 반대로 부하측 2차유체가 부하측 2차유체라인(L500) 중 조절밸브(D2)가 설치된 라인으로 흐르는 동안 부하측 2차유체분기라인(L510)으로는 흐르지 않는 경우뿐만 아니라, 조절밸브(D1, D2)가 모두 개방한 상태에서 그 개도를 조절하여 부하측 2차유체라인(L500) 중 조절밸브(D2)가 설치된 라인 및 부하측 2차유체분기라인(L510)으로 함께 흐르게 되는 경우를 포함한다. 또한 조절밸브(D1, D2)는 유량조절밸브 등이 사용되며, 이를 조절함으로써 부하측 2차유체의 유량을 조절할 수 있다. 이하 후술하는 조절밸브(A1, A2)에 대해서도 동일하다.

또한 축열탱크(500)는 부하측 2차유체가 건물 등의 바닥 또는 팬코일 유닛 등을 순환하도록 연결된 난방용라인(L510)과, 주방이나 욕실에 급탕수를 공급하는 급탕용라인(L520)과 연결되어 있다. 본 실시형태에서는 축열탱크(500)를 구비하고 있으나 경우에 따라서는 축열탱크를 구비하지 않을 수 있으며, 이 경우에는 난방용라인(510) 및 급탕용라인(L520)이 직접 부하측 2차유체라인(L500)과 연결될 수 있다.

또한 부하측 2차유체라인(L500)에는 외부로부터 부하측 2차유체(물)를 공급할 수 있는 보충수라인(L530)이 설치되어 있다. 보충수라인(L530)은 급탕용라인(L520)에 통해서 주방이나 욕실로 공급되어 소모되는 부하측 2차유체를 보충하기 위한 것이다. 보충수라인(L530)은 축열탱크(500)에 설치될 수도 있다. 그리고 보충수라인(L530)에는 보충수의 유량을 조절하기 위한 조절밸브(E1)가 설치되어 있다.

이하 이러한 구성을 가지는 본 실시형태에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제1 실시형태의 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 도 2에 기초하여 승온용 열교환기에서 열교환이 일어나는 경우의 동작에 대해서 설명한다.

< 승온용 열교환기에서 열교환이 일어나는 경우 >

먼저, 도 2에 도시된 것과 같이 제1 사이클(100) 및 제2 사이클(200)이 작동되며, 부하측 2차유체라인(L500)의 조절밸브(D1) 및 조절밸브(D2)가 개방된다.

제1 사이클(100)의 제1 냉매는 처음에는 도 5의 하부에 실선으로 도시한 a1-b-c1-d1의 상태변화를 거치게 된다. 구체적으로 제1 사이클(100)에서 제1 압축기(110)에 의해 제1 냉매는 a1 상태에서 고온고압인 b1 상태로 압축된다. 제1 압축기(110)로부터 나온 제1 냉매는 승온용 열교환기(400)를 통과한 후 캐스케이드 열교환기(300)로 흐르게 된다. 캐스케이드 열교환기(300)에서 제1 냉매는 제2 사이클(200)에서의 제2 냉매와 열교환하게 된다. 이때 제1 냉매는 고온고압의 상태이므로 제2 냉매에게 열을 빼앗기게 되어 c1 상태가 된다. 이후 제1 냉매는 팽창장치(130)를 거치면서 d1 상태가 되고 열원측 열교환기(140)를 거치면서 a1 상태가 되어 제1 압축기(110)로 유입된다.

한편, 제2 사이클(200)을 순환하는 제2 냉매는 도 5의 상부의 실선으로 도시한 a2-b2-c2-d2의 상태변화를 거치게 된다. 구체적으로 제2 사이클(200)에서는 제2 냉매는 캐스케이드 열교환기(300)를 통과하면서 제1 냉매로부터 열을 공급받게 되어 d2의 상태에서 a2의 상태로 변환한다. 이후 열을 공급받은 a2 상태의 제2 냉매는 제2 압축기(210)에서 압축되어 b2 상태로 압축된다. 제2 압축기(210)를 통해서 압축된 b2 상태의 제2 냉매는 부하측 열교환기(220)에서 부하측 2차유체와 열교환을 하면서 열을 빼앗기게 되어 c2 상태가 되며, 이후 제2 냉매는 제2 팽창장치(230)를 거쳐 b2 상태에서 캐스케이드 열교환기(300)로 유입된다.

또한, 부하측 열교환기(220)에서 제2 냉매로부터 열을 공급받은 부하측 2차유체 중 일부의 부하측 2차유체는 부하측 2차유체라인(L500)의 D 지점에서 조절밸브(D1)를 지나 승온용 열교환기(400)로 유입된 후, 조절밸브(D2)를 통과한 나머지 부하측 2차유체와 합류하여 축열탱크(500)로 유입된다.

승온용 열교환기(400)로 유입되는 부하측 2차유체는 승온용 열교환기(400)로 유입되는 제1 사이클(100)의 제1 냉매 보다 온도가 높기 때문에 승온용 열교환기(400)에서 부하측 2차유체로부터 제1 냉매로 열이 이동하게 된다.

이로 인해서 제1 사이클(100)에서 승온용 열교환기(400)를 통과하는 제1 냉매의 온도가 상승하게 된다. 이렇게 온도가 상승된 제1 냉매는 캐스케이드 열교환기(300)로 유입된다. 따라서 승온용 열교환기(400)에서 온도가 높은 부하측 2차유체와 열교환이 이루어진 상태의 제1 냉매는 도 5에서 하부의 파선으로 도시된 b1'의 상태가 된다. 이후 제1 냉매는 캐스케이드 열교환기(300)에서 제2 사이클(200)의 제2 냉매와 열교환하여 c1' 상태가 된다. 이때, 열교환을 행하는 제1 냉매의 온도는 TH1'로 도 5에서 실선으로 표시된 (승온용 열교환기(300)에서 열교환이 이루어지지 않았을 때의) 온도인 TH1 보다 높게 된다.

또한, 캐스케이드 열교환기(300)에서 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매의 온도는 TL2'로 역시 도 5에서 실선으로 표시된 (승온용 열교환기(300)에서 열교환이 이루어지지 않았을 때의) 온도인 TL2 보다 높아지게 된다. 그 결과 제2 사이클(200)의 제2 냉매는 도 5에서 파선으로 도시한 a2'-b2'-c2'-d2'의 상태변화를 하게 된다. a2'-b2'-c2'-d2'의 상태변화를 하게 되면 부하측 열교환기(220)에서 부하측 2차유체와 열교환하는 제2 냉매의 온도가 TH2'로 도 5에서 실선으로 표시된 (승온용 열교환기(300)에서 열교환이 이루어지지 않았을 때의) 온도인 TH2 보다 높아지게 된다. 이로 인해서 부하측 2차유체의 온도가 상승하게 되며, 그 결과 급탕용 및 난방용으로 보다 높은 온도의 온수를 공급할 수 있게 된다.

한편, 온도가 상승된 부하측 2차유체의 일부는 다시 조절밸브(D1)를 통해서 승온용 열교환기(400)로 유입되며, 이후 조절밸브(D2)를 통과하는 나머지 부하측 2차유체와 합류하여 축열탱크(500)에 저장된다. 또한 승온용 열교환기(400)로 유입된 부하측 2차유체는 다시 제1 사이클(100)을 지나는 제1 냉매와 열교환하게 되는 순환과정을 되풀이하게 된다.

또한 본 실시형태에서는 부하측 2차유체의 온도 또는 제1 사이클(100)에서 캐스케이드 열교환기(300)로 유입되는 제1 냉매의 온도를 측정하고 난방용 및 급탕용으로 요구되는 온도와 비교한 후, 조절밸브(D1, D2)의 개도를 조절하여 승온용 열교환기(400)에서 열교환되는 부하측 2차유체의 유량을 조절함으로써, 결과적으로 부하측 2차유체의 온도를 수요자가 요구하는 온도에 부합하도록 조절 제어할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태의 온수 공급용 히트펌프시스템은, 승온용 열교환기(400)에서 높은 온도의 부하측 2차유체로부터 열을 공급받아 캐스케이드 열교환기(300)로 유입되는 제1 냉매의 온도를 높임으로써, 전체적으로 제2 사이클(200)을 상승시켜 부하측 열교환기(220)와 열교환하는 부하측 2차유체의 온도를 승온용 열교환기(300)에서 열교환이 이루어지지 않는 경우의 온도 보다 높게 할 수 있다.

한편, 축열탱크(500)에 저장된 고온의 부하측 2차유체는 난방용이나 급탕용으로 사용되게 된다. 급탕용을 사용될 경우에는 보충수라인(L530)을 통해서 보충수가 공급된다.

또한, 도 5에 도시된 것과 같이 승온용 열교환기(400)에서 열교환이 이루어지는 경우 제2 사이클(200)에서 제2 냉매는 c2'의 상태가 되며, 이는 승온용 열교환기(400)에 열교환이 이루어지지 않은 경우의 c2 상태보다 포화상태로부터 좌측으로 더 많이 치우치게 된다. 즉, 승온용 열교환기(400)를 사용하는 경우 과냉도(C')가, 승온용 열교환기(400)에서 열교환이 이루어지지 않은 경우의 과냉도(C) 보다 증가하게 된다.

제2 사이클(200)에서 과냉도(C')로 증가하게 되면, 제2 팽창장치(230)로 흐르는 제2 냉매가 배관의 저항으로 증발하여 기체가 되는 것을 방지할 수 있으며, 제2 냉매를 액체상태로 유지함으로써 제2 사이클(200)을 순환하는 제2 냉매의 유량을 증가시킴으로써 제2 사이클(200)을 안정적으로 운전할 수 있게 된다.

다음으로, 열원의 온도가 변화하는 경우의 동작에 대해서 설명한다.

< 열원의 온도가 변화하는 경우 >

열원의 온도가 변화하는 경우(특히 열원으로 주위 공기를 사용하는 경우, 계절의 변화에 따라서 주위 공기의 온도가 변화하게 됨), 제1 사이클(100)의 열원측 열교환기(140)를 통과하는 제1 냉매의 온도가 변화하게 된다. 하지만 사용자가 요구하는 부하측 2차유체의 온도는 계절과 관계없이 일정하기 때문에, 위에서 설명한 바와 같이 승온용 열교환기(300)에서 열교환이 이루어지도록 하는 경우, 온도가 너무 상승하게 되어 비효율적일 수 있다. 따라서 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템은 주위 온도의 변화에 따라서 동작 모드에 변화를 줌으로써 효율적으로 온수 공급용 히트펌프시스템을 작동시킬 수 있다. 이하 이에 대해서 구체적으로 설명한다. 먼저 설명하기에 앞서, 주위 공기의 온도가 높은 제1 온도(예를 들면 30℃ 이상)의 경우에서의 동작을 제1 모드, 제1 온도 보다 낮은 제2 온도(예를 들면 30℃ 이하 -10℃ 이상)의 경우에서의 동작을 제2 모드, 제2 온도 보다 낮은 제3 온도(예를 들면, -10℃ 이하)의 경우에서의 동작을 제3 모드라고 한다.

(제1 모드)

제1 모드는 도 3에 도시된 것과 같이, 제1 사이클(100)이 동작되며, 제2 사이클(200)은 동작하지 않는다. 또한, 부하측 2차유체라인(L500)에서 조절밸브(D1)는 개방하고 조절밸브(D2)는 폐쇄한다.

이러한 상태에서는 제1 사이클(100)을 흐르는 제1 냉매는 승온용 열교환기(400)로 흐르게 되고, 승온용 열교환기(400)에서 부하측 2차유체와 열교환을 하게 된다. 구체적으로, 제1 사이클(100)의 제1 압축기(110)에서 고온고압으로 압축된 제1 냉매는 승온용 열교환기(400)에서 부하측 2차유체와 열교환에 의해서 열을 빼앗기게 되어 응축하게 되고, 다시 제1 팽창장치(130)와 열원측 열교환기(140)를 거쳐 제1 압축기(110)로 순환된다.

이때 부하측 2차유체는 승온용 열교환기(400)에서 열을 공급받아 온도가 상승하게 되며, 온도가 상승된 부하측 2차유체는 축열탱크(500)에 저장된 후, 난방용 및 급탕용으로 사용될 수 있다.

제1 모드는 제1 냉매와의 열교환에 의해서 부하측 2차유체를 소정의 온도로 생성하는 것이므로, 제1 사이클(100) 만으로도 요구되는 온도의 부하측 2차유체를 충분히 생성할 수 있는 경우에 사용된다.

(제2 모드)

제2 모드는 도 4에 도시된 것과 같이 제1 사이클(100) 및 제2 사이클(200)이 동작하게 되며, 아울러 승온용 열교환기(400)에서 열교환이 이루어지지 않는다. 즉, 도 1의 캐스케이드 타입의 히트펌프시스템과 유사한 동작을 행한다.

이를 위해서 제1 사이클(100)에서 부하측 2차유체라인(L500)에서 조절밸브(D1)는 폐쇄되고 조절밸브(D2)는 개방된다. 따라서 제2 모드에서는 제1 사이클(100)을 흐르는 제1 냉매는 제1 압축기(110)에서 압축되고 승온용 열교환기(400)를 거쳐 캐스케이드 열교환기(300)로 유입된다. 하지만 승온용 열교환기(400)로 부하측 2차유체가 흐르지 않기 때문에 승온용 열교환기(400)에서의 열교환이 발생하지 않는다. 따라서 제1 압축기(110)에서 압축된 제1 냉매는 그 상태로 캐스케이드 열교환기(300)로 유입되는 것이다.

이후 제1 냉매는 캐스케이드 열교환기(300)에서 제2 냉매와의 열교환에 의해서 응축되며, 제1 팽창장치(130)에서 팽창되고 열원측 열교환기(140)에서 열원과 열교환에 의해서 증발된 후 제1 압축기(110)로 유입된다. 또한 제2 사이클(200)을 흐르는 제2 냉매는 캐스케이드 열교환기(300)에서 제1 냉매로부터 열을 공급받은 후 제2 압축기(210)에서 보다 높은 온도로 압축되고 부하측 열교환기(220)에서 부하측 2차유체와 열교환에 의해서 응축되며, 제2 팽창장치(220)를 거쳐 다시 캐스케이드 열교환기(300)로 유입된다.

이때, 부하측 열교환기(200)를 흐르는 부하측 2차유체는 제2 냉매로부터 열을 공급받아 온도가 상승되어 축열탱크(500)에 저장되고, 필요에 따라서 난방용 또는 급탕용으로 제공된다.

제2 모드는 승온용 열교환기(400)에서 열교환이 일어나지 않고, 캐스케이드 열교환기(300)에서의 열교환으로 부하측 2차유체의 온도를 높이는 것이므로, 캐스케이드 열교환기(300)에서 열교환으로도 충분히 요구되는 온도의 부하측 2차유체를 생성할 수 있는 경우에 사용된다.

(제3 모드)

제3 모드는 제1 사이클(100) 및 제2 사이클(200)이 동작되어 캐스케이드 열교환기(300)에서 열교환이 일어나며, 아울러 제1 사이클(100)의 제1 냉매가 승온용 열교환기(400)에서 부하측 2차유체와 열교환을 행하게 되는 모드로서, 앞서 설명한 < 승온용 열교환기에서 열교환이 일어나는 경우 >와 동일한 동작을 행한다. 따라서 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.

이와 같이 제3 모드는 승온용 열교환기(400)에서 부하측 2차유체로부터 열을 공급받아 캐스케이드 열교환기(300)로 유입되는 제1 냉매의 온도를 높임으로써, 제2 사이클(200)의 증발기(캐스케이드 열교환기(300))를 통과하는 제2 냉매의 온도를 상승시키며, 이로 인해서 부하측 열교환기(220)를 통과하는 부하측 2차유체의 온도를 상승시키게 된다. 그 결과 주위 공기의 온도가 낮더라도 수요자가 요구하는 온도의 부하측 2차유체를 생성할 수 있게 된다.

<< 제2 실시형태 >>

도 6은 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제2 실시형태를 나타내는 도면으로, 제1 실시형태와 대비하면, 제1 사이클(100)에서 제1 냉매라인(L100)이 승온용 열교환기(300)의 입구지점에서 분기되어 있다는 것과, 부하측 2차유체라인(L500)이 승온용 열교환기(300)의 입구지점이 D 지점에서 분기되어 있지 않다는 것에서 차이가 있으며, 나머지 구성은 제1 실시형태와 동일하다.

구체적으로 제1 사이클(100)에서 제1 냉매라인(L100)은 제1 압축기(110)와 캐스케이드 열교환기(300) 사이의 일지점인 A 지점에서 분기되어 승온용 열교환기(400)를 통과하는 제1 냉매분기라인(L110)을 구비하고 있다. 또한 제1 냉매분기라인(L110)은 캐스케이드 열교환기(300)로 유입되기 전에 제1 냉매라인(L100)과 합류된다. 그리고 A 지점과 승온용 열교환기(400) 사이 및 A 지점과 합류지점 사이에는 각각 조절밸브(A1, A2)가 설치되어 있다. 조절밸브(A1, A2)를 제어함으로써 제1 압축기(110)에서 나온 제1 냉매가 승온용 열교환기(400) 또는 캐스케이드 열교환기(300)에 선택적으로 통과할 수 있도록 한다.

이러한 구성을 가지는 제2 실시형태는 조절밸브(A1, A2)를 개폐 또는 개도 조절을 제어함으로써, 제1 실시형태와 동일한 효과를 가질 수 있다. 구체적으로 < 승온용 열교환기에서 열교환이 일어나는 경우 >에는 조절밸브(A1) 및 조절밸브(A2)를 모두 개방한 상태에서 개도를 조절하며, < 열원의 온도가 변화하는 경우 >의 (제1 모드)에서는 조절밸브(A1)를 개방하고 조절밸브(A2)를 폐쇄하며, (제2 모드)에서는 조절밸브(A1)를 폐쇄하고 조절밸브(A2)를 개방하며, (제3 모드)에서는 조절밸브(A1) 및 조절밸브(A2)를 모두 개방한 상태에서 개도를 조절한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 온수 공급용 히트펌프시스템에 대해서 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시형태들에 한정된 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.

예를 들어, 앞서 살펴본 제1 실시형태 및 제2 실시형태는 승온용 열교환기(400)와 연결되도록 부하측 2차유체라인(L500) 및 제1 냉매라인(L100)을 각각 분기하도록 하였으나, 제1 실시형태와 제2 실시형태를 결합하여도 된다. 구체적으로 제1 실시형태와 같이 승온용 열교환기(400)로 유입되는 부하측 2차유체분기라인(L510)을 분기시키는 구성과, 제2 실시형태와 같이 승온용 열교환기(400)로 유입되는 제1 냉매분기라인(L110)을 분기키는 구성을 함께 설치하여도 된다.

100 : 제1 사이클 110 : 제1 압축기
130 : 제1 팽창장치 140 : 열원측 열교환기
200 : 제2 사이클 210 : 제2 압축기
220 : 부하측 열교환기 230 : 제2 팽창장치
300 : 캐스케이드 열교환기 400 : 승온용 열교환기
500 : 축열탱크 L100 : 제1 냉매라인
L110 : 제1 냉매분기라인 L200 : 제2 냉매라인
L500 : 부하측 2차 유체라인 L510 : 부하측 2차유체분기라인
A1, A2, D1, D2 : 조절밸브

Claims

제1 냉매를 압축하는 제1 압축기, 상기 제1 압축기에서 압축된 제1 냉매를 응축시키는 캐스케이드 열교환기, 상기 캐스케이드 열교환기를 거친 제1 냉매를 팽창시키는 제1 팽창장치 및 상기 제1 팽창장치를 거친 제1 냉매를 외부 열원과 열교환시키는 열원측 열교환기를 구비하는 제1 사이클과,
제2 냉매를 압축하는 제2 압축기, 상기 제2 압축기에서 압축된 제2 냉매를 부하를 흐르는 부하측 2차유체와 열교환시키는 부하측 열교환기, 상기 부하측 열교환기를 거친 제2 냉매를 팽창시키는 제2 팽창장치, 및 상기 제2 팽창장치를 거친 제2 냉매를 상기 제1 냉매와 열교환시키는 상기 캐스케이드 열교환기를 구비하는 제2 사이클과,
상기 부하측 2차유체가 상기 부하측 열교환기를 통과하도록 설치되는 부하측 2차유체라인과,
상기 제1 사이클에서 제1 압축기와 상기 캐스케이드 열교환기와의 사이를 흐르는 제1 냉매와, 상기 부하측 2차유체라인에서 상기 부하측 열교환기를 나온 부하측 2차유체를 열교환시키는 승온용 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 온수 공급용 히트펌프시스템.
제1항에 있어서,
상기 부하측 2차유체라인을 흐르는 상기 부하측 2차유체는 상기 승온용 열교환기에 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 온수 공급용 히트펌프시스템.
제1항 또는 제2항 에 있어서,
상기 제1 사이클을 순환하는 상기 제1 냉매는 상기 승온용 열교환기에 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 온수 공급용 히트펌프시스템.
제1항 기재의 온수 공급용 히트펌프시스템을 제어하는 제어방법으로,
상기 제1 및 제2 사이클을 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 상기 부하측 2유체와 열교환하도록 하며, 상기 승온용 열교환기를 통과한 제1 냉매는 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 것을 특징으로 하는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제어방법.
제1항 기재의 온수 공급용 히트펌프시스템을 제어하는 제어방법으로,
상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제1 온도일 경우, 제2 사이클을 정지하고, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 부하측 2유체와 열교환하도록 하는 제1 모드와,
상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제1 온도 보다 낮은 제2 온도일 경우, 상기 제1 및 제2 사이클을 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매와 상기 부하측 2차유체가 승온용 열교환기에서 열교환하지 않도록 하고, 상기 제2 사이클의 제1 냉매가 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 제2 모드와,
상기 열원측 열교환기와 열교환하는 열원의 온도가 제2 온도 보다 낮은 제3 온도일 경우, 상기 제1 및 제2 사이클이 작동시키며, 상기 제1 사이클의 제1 냉매가 상기 승온용 열교환기를 통과하면서 상기 부하측 2유체와 열교환하도록 하며, 상기 승온용 열교환기를 통과한 후 상기 캐스케이드 열교환기로 유입되어 상기 캐스케이드 열교환기에서 상기 제2 사이클의 제2 냉매와 열교환하도록 하는 제3 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 온수 공급용 히트펌프시스템의 제어방법.