KR20120125857A - 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전방법 - Google Patents

이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전방법 Download PDF

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박희웅
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클을 포함하고, 고온 냉동사이클의 축열 열교환기와 열매체유로로 연결되는 축열조와; 고온 냉동사이클의 고압측 압축기에서 압축된 냉매의 일부를 케스케이드 열교환기로 바이패스시키게 설치된 바이패스기구를 포함하여, 고압측 압축기에서 압축된 냉매의 일부가 케스케이드 열교환기로 바이패스되어 실외 열교환기의 제상을 도울 수 있고, 고압측 압축기에서 압축된 냉매의 나머지가 축열 열교환기에서 열매체를 가열할 수 있으므로, 제상 운전의 도중에 축열조의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고 실외 열교환기를 효율적으로 제상할 수 있는 이점이 있다.

Description

이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전방법{Heat storaging apparatus having cascade cycle and Control process of the same}
본 발명은 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전 방법에 관한 것으로서, 특히 공기를 열원으로 하여 축열조를 축열할 수 있는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 및 그 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 이원냉동사이클은 저온 냉매를 사용하는 저온 냉동사이클과 고온 냉매를 사용하는 고온 냉동사이클을 포함한다. 이원냉동사이클은 고온 냉매의 증발과 저온 냉매의 응축이 케스케이드 열교환기에서 행해지도록 하여 실외 온도가 낮더라도 고온 냉매가 열매체를 효율적으로 가열할 수 있고, 고온 냉동사이클에 축열조가 연결될 경우 축열조에 열을 축열하는 축열장치로 이용될 수 있다.
저온 냉동사이클은 저온 압축기와 케스케이드 열교환기와 저온 팽창변과 공기 열교환기를 포함할 수 있고, 고온 냉동사이클은 고온 압축기와 축열 열교환기와 고온 팽창변과 케스케이드 열교환기를 포함할 수 있으며, 저온 압축기와 고온 압축기의 구동시 축열조에는 공기의 열이 축열될 수 있다.
KR 10-2010-0130137(2010.12.10)
종래 기술에 따른 이원냉동사이클을 갖는 히트펌프장치는 공기 열교환기의 제상을 위해 축열조의 온수가 이용되므로 제상 운전시 축열조의 축열 성능이 저하되고 축열조를 다시 승온시키기 위해 소비 전력이 과다 사용될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고압측 압축기에서 압축된 냉매가 실외 열교환기의 제상을 위해 이용되어 제상운전시 축열조의 온도가 저하되지 않고 소비 전력을 최소화할 수 있는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 실외 열교환기를 제상하면서 축열조를 연속적으로 축열할 수 있어 축열 효율이 높은 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 제 1 냉매가 저압측 압축기와 케스케이드 열교환기와 저압측 팽창기구와 실외 열교환기의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 상기 케스케이드 열교환기에서 제 2 냉매를 증발시키는 축열모드와, 제 1 냉매가 저압측 압축기와 실외 열교환기와 저압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 상기 실외 열교환기를 제상시키는 제상모드를 갖는 저온 냉동사이클과; 제 2 냉매가 고압측 압축기와 축열 열교환기와 고압측 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기의 순서로 순환하면서 제 2 냉매가 상기 축열 열교환기에서 열매체를 가열시키는 고온 냉동사이클과; 상기 축열 열교환기와 열매체유로로 연결되는 축열조와; 상기 고압측 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 상기 케스케이드 열교환기로 바이패스시키게 설치된 바이패스기구를 포함한다.
상기 바이패스기구는 상기 저온 냉동사이클의 제상모드시 제 2 냉매의 일부를 바이패스시킬 수 있다.
상기 바이패스기구는 상기 고압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기 사이에 연결될 수 있다.
상기 바이패스기구는 상기 고압측 압축기와 축열 열교환기 사이에 연결된 제 1 바이패스유로와, 상기 고압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기 사이에 연결된 제 2 바이패스유로와, 상기 제 1 바이패스유로와 제 2 바이패스유로를 연결하고 제 2 냉매를 조절하는 바이패스밸브를 포함할 수 있다.
상기 바이패스밸브는 상기 저온 냉동사이클의 제상모드시 개방될 수 있고, 상기 저온 냉동사이클의 축열모드시 폐쇄될 수 있다.
상기 바이패스기구는 제 2 냉매의 바이패스 량을 조절하는 유량 조절기를 더 포함할 수 있다.
상기 유량 조절기는 상기 제 1 바이패스유로와 상기 제 2 바이패스유로 중 적어도 일측에는 설치된 캐필러리 튜브를 포함할 수 있다.
상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클을 제어하고, 제상 조건시 상기 바이패스기구를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 열매체유로에 설치되어 열매체를 펌핑시키는 열매체 펌프를 더 포함될 수 있고, 상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클에는 심야전력을 공급하는 심야전력 공급선이 연결될 수 있으며, 상기 열매체 펌프에는 일반전력을 공급하는 일반전력 공급선이 연결될 수 있다.
상기 저압측 압축기와 저압측 팽창기구와 실외 열교환기는 실외기에 설치될 수 있고, 상기 케스케이드 열교환기와 고압측 압축기와 축열 열교환기와 고압측 팽창기구는 실내기에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전방법은 제 1 냉매가 순환하는 저온 냉동사이클과 제 2 냉매가 순환하는 고온 냉동사이클이 케스케이드 열교환기로 연결되고, 고온 냉동사이클이 축열조와 열매체유로로 연결된 이원냉동사이클을 갖는 축열장치를 운전하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법에 있어서, 상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클을 모두 축열모드로 구동하여 상기 축열조를 축열시키는 축열 운전단계와; 상기 축열 운전단계 후 상기 저온 냉동사이클을 제상모드로 전환시키고 상기 고온 냉동사이클의 고압측 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 상기 케스케이드 열교환기로 바이패스 시키는 제상 및 축열 운전단계를 포함한다.
상기 제상 및 축열 운전단계의 종료 후 상기 축열 운전단계로 복귀될 수 있다.
본 발명은 고압측 압축기에서 압축된 냉매의 일부가 케스케이드 열교환기로 바이패스되어 실외 열교환기의 제상을 도울 수 있고, 고압측 압축기에서 압축된 냉매의 나머지가 축열 열교환기에서 열매체를 가열할 수 있으므로, 제상 운전의 도중에 축열조의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고 실외 열교환기를 효율적으로 제상할 수 있는 이점이 있다.
또한, 축열 운전의 도중에 제상 및 축열 운전이 실시될 수 있어 축열조가 지속적으로 축열될 수 있고, 축열 성능이 높은 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 축열 운전시 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 제상 및 축열 운전시 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 제어 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법 일실시예가 도시된 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 다른 실시예의 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도,
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 축열 운전시 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 제상 및 축열 운전시 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도이다.
본 실시예에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 히트 펌프(1)와, 히트 펌프(1)에 의해 축열되는 축열조(6)를 포함할 수 있다.
히트 펌프(1)는 제 1 냉매가 순환되는 저온 냉동사이클(2)과, 제 2 냉매가 순환되는 고온 냉동사이클(4)을 포함할 수 있다. 제 1 냉매와 제 2 냉매는 응축 온도 및 증발 온도가 서로 상이한 냉매로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 냉매가 응축 온도 및 증발 온도가 낮은 R410A인 경우, 제 2 냉매는 제 1 냉매 보다 응축 온도 및 증발 온도가 높은 R134a로 이루어질 수 있다.
저온 냉동사이클(2)은 제 1 냉매가 저압측 압축기(12)와 케스케이드 열교환기(14)와 저압측 팽창기구(16)와 실외 열교환기(18)의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 케스케이드 열교환기(14)에서 제 2 냉매를 증발시키는 축열모드와, 제 1 냉매가 저압측 압축기(12)와 실외 열교환기(18)와 저압측 팽창기구(16)와 케스케이드 열교환기(14)의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 실외 열교환기(18)를 제상시키는 제상모드를 갖을 수 있다.
저온 냉동사이클(2)은 축열모드와 제상모드를 절환할 수 있는 절환 밸브(20)를 더 포함할 수 있고, 절환 밸브(20)는 사방 밸브로 이루어질 수 있다. 절환 밸브(20)는 저압측 압축기(12), 케스케이드 열교환기(14), 실외 열교환기(18)와 냉매배관으로 연결될 수 있다. 절환 밸브(20)는 축열모드시 실외 열교환기(18)에서 증발된 제 1 냉매를 저압측 압축기(12)로 유동시킴과 아울러 저압측 압축기(12)에서 압축된 제 1 냉매를 케스케이드 열교환기(14)로 유동시킬 수 있다. 절환 밸브(20)는 제상모드시 케스케이드 열교환기(14)에서 증발된 제 1 냉매를 저압측 압축기(12)로 유동시킴과 아울러 저압측 압축기(12)에서 압축된 제 1 냉매를 실외 열교환기(18)로 유동시킬 수 있다.
저압측 압축기(12)는 일측에 제 1 냉매가 흡입되는 흡입 냉매배관(21)이 연결될 수 있으며, 타측에 제 1 냉매가 토출되는 토출 냉매배관(22)이 연결될 수 있다.
흡입 냉매배관(21)에는 제 1 냉매 중 액냉매가 담겨지는 어큐물레이터(23)가 설치될 수 있고, 흡입 냉매배관(21)과 토출 냉매배관(22)은 절환 밸브(20)에 연결될 수 있다.
절환 밸브(20)는 케스케이드 열교환기(14)와 절환 밸브-케스케이드 열교환기 연결배관(24)으로 연결될 수 있다.
케스케이드 열교환기(14)는 저온 냉동사이클(2)과 고온 냉동사이클(4)에 공용되는 열교환기로서, 제 1 냉매가 통과하는 제 1 냉매 유로(32)와, 제 2 냉매가 통과하는 제 2 냉매 유로(34)를 포함할 수 있다.
케스케이드 열교환기(14)는 축열모드시 제 1 냉매가 제 1 냉매 유로(32)를 통과할 때 제 2 냉매로 열을 방열하면서 응축될 수 있고, 제 2 냉매가 제 2 냉매 유로(34)를 통과할 때 제 1 냉매의 열을 흡열하면서 증발될 수 있다.
케스케이드 열교환기(14)는 제상모드시 제 1 냉매가 제 1 냉매 유로(32)를 통과할 때 제 2 냉매의 열을 흡열하면서 증발될 수 있고, 제 2 냉매가 제 2 냉매 유로(34)를 통과할 때 제 2 냉매로 열을 방열할 수 있다.
케스케이드 열교환기(14)는 제 1 냉매 유로(32)와 제 2 냉매 유로(34)가 교대로 형성되는 판형 열교환기로 구성되는 것이 가능하고, 제 1 냉매 유로(32)와 제 2 냉매 유로(34) 중 어느 하나가 다른 하나의 외측에 배치되는 이중관 열교환기로 구성되는 것이 가능하다.
케스케이드 열교환기(14)는 제 1 냉매 유로(32)가 절환 밸브-케스케이드 열교환기 연결배관(24)에 연결될 수 있다.
케스케이드 열교환기(14)는 저압측 팽창기구(16)와 케스케이드 열교환기- 저압측 팽창기구 연결배관(36)으로 연결될 수 있고, 케스케이드 열교환기- 저압측 팽창기구 연결배관(36)은 케스케이드 열교환기(14)의 제 1 냉매 유로(32)에 연결될 수 있다.
저압측 팽창기구(16)는 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어질 수 있다.
저압측 팽창기구(16)는 실외 열교환기(18)와 저압측 팽창기구-실외 열교환기 연결배관(38)으로 연결될 수 있다.
히트 펌프(1)는 제 1 냉매가 실외 열교환기(18)를 통과하면서 실외 공기의 열을 빼앗는 공기열원 히트펌프로 이루어질 수 있고, 실외 열교환기(18)는 실외 공기와 제 1 냉매가 열교환되는 공기-냉매 열교환기로 이루어질 수 있다.
실외 열교환기(18)는 제 1 냉매가 통과하는 제 1 냉매 유로(42)를 포함할 수 있다.
실외 열교환기(18)는 제 1 냉매 유로(42)를 형성하는 튜브와, 튜브에 결합되는 핀을 포함하는 핀-튜브형 열교환기로 구성될 수 있고, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 실외 열교환기(18)로 실외 공기를 유동시키는 실외 팬(44)을 더 포함할 수 있다.
실외 열교환기(18)는 축열모드시 저압측 팽창기구(16)에서 유동된 냉매가 증발되는 증발기로 기능하고, 제상모드시 절환 밸브(20)에서 유동된 냉매에 의해 제상될 수 있다.
실외 열교환기(18)는 제 1 냉매 유로(42)가 저압측 팽창기구-실외 열교환기 연결배관(38)에 연결될 수 있고, 제 1 냉매 유로(42)가 절환밸브(20)와 실외 열교환기-절환 밸브 연결배관(46)으로 연결될 수 있다.
고온 냉동사이클(4)은 제 2 냉매가 고압측 압축기(52)와 축열 열교환기(54)와 고압측 팽창기구(56)와 케스케이드 열교환기(14)의 순서로 순환하면서 제 2 냉매가 축열 열교환기(54)에서 열매체를 가열시킬 수 있다.
고온 냉동사이클(4)은 고압측 압축기(52)와 축열 열교환기(54)와 고압측 팽창기구(56)와 케스케이드 열교환기(14)가 냉매 배관으로 연결될 수 있다.
고압측 압축기(52)는 일측에 제 2 냉매가 흡입되는 흡입 냉매배관(62)이 연결될 수 있으며, 타측에 제 2 냉매가 토출되는 토출 냉매배관(64)이 연결될 수 있다.
흡입 냉매배관(62)은 케스케이드 열교환기(14)의 제 2 냉매 유로(34)에 연결될 수 있고, 토출 냉매배관(64)은 축열 열교환기(54)에 연결될 수 있다.
흡입 냉매배관(62)에는 제 2 냉매 중 액냉매가 담겨지는 어큐물레이터(66)가 설치될 수 있다.
축열 열교환기(54)는 제 2 냉매와 열매체를 열교환시키는 열교환기로서, 제 2 냉매가 통과하는 제 2 냉매 유로(72)와, 열매체가 통과하는 열매체 흡열 유로(74)를 포함할 수 있다. 축열 열교환기(54)는 제 2 냉매가 제 2 냉매 유로(72)를 통과할 때 열매체로 열을 방열하면서 응축될 수 있고, 열매체가 열매체 냉매 유로(34)를 통과할 때 제 2 냉매의 열을 흡열하면서 가열될 수 있다.
축열 열교환기(54)는 제 2 냉매 유로(72)와 열매체 흡열 유로(74)가 교대로 형성되는 판형 열교환기로 구성되는 것이 가능하고, 제 2 냉매 유로(72)와 열매체 흡열 유로(74) 중 어느 하나가 다른 하나의 외측에 배치되는 이중관 열교환기로 구성되는 것이 가능하다.
축열 열교환기(54)는 제 2 냉매 유로(72)가 토출 냉매배관(64)에 연결될 수 있다.
축열 열교환기(54)는 고압측 팽창기구(56)와 축열 열교환기- 고압측 팽창기구 연결배관(76)으로 연결될 수 있고, 축열 열교환기- 고압측 팽창기구 연결배관(76)은 축열 열교환기(54)의 제 2 냉매 유로(72)에 연결될 수 있다.
고압측 팽창기구(56)는 개도 조절이 가능한 전자 팽창밸브로 이루어질 수 있다.
고압측 팽창기구(56)는 케스케이드 열교환기(14)와 고압측 팽창기구-케스케이드 열교환기 연결배관(78)으로 연결될 수 있다. 고압측 팽창기구-케스케이드 열교환기 연결배관(78)은 케스케이드 열교환기(14)의 제 2 냉매 유로(34)에 연결될 수 있다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 저온 냉동사이클(2)과, 고온 냉동사이클(4)이 하나의 케이스에 설치된 일체형으로 구성되는 것이 가능하다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 저온 냉동사이클(2)과, 고온 냉동사이클(4)이 실외에 설치되는 실외기(O)와 실내에 설치되는 실내기(I)에 분산 배치되는 분리형으로 구성되는 것이 가능하다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 소음을 고려하여 실외기(O)와 실내기(I)를 갖는 분리형으로 구성되는 것이 바람직하다.
저압측 압축기(12)와 저압측 팽창기구(16)와 실외 열교환기(18)와 실외팬(44)은 실외기(O)에 설치될 수 있고, 케스케이드 열교환기(14)와 고압측 압축기(52)와 축열 열교환기(54)와 고압측 팽창기구(56)는 실내기(I)에 설치될 수 있다.
히트 펌프(1)는 심야전력으로 구동될 수 있고, 히트 펌프(1)인 저온 냉동사이클(2)과 고온 냉동사이클(4)에는 심야전력이 공급되는 심야전력 공급선(79)이 연결될 수 있다. 히트 펌프(1)는 심야 시간대에만 심야전력 공급선(79)을 통해 전력이 공급되게 하는 심야전력 공급부(80)를 포함할 수 있다. 심야전력 공급부(80)는 타이머가 구비되어 기설정된 시간대에만 심야전력을 통과시킬 수 있다.
축열조(6)는 축열 열교환기(54)와 열매체유로(81)로 연결되어 축열 열교환기(54)에서 가열된 열매체의 열을 축열할 수 있고, 열 수요처(8)와 연결되어 축열된 열이 열 수요처(8)에서 사용되게 할 수 있다.
축열조(6)는 열매체가 유입되어 담겨지는 수조로 이루어질 수 있고, 열 수요처(8)와 열매체유로(81)로 연결되어, 축열 열교환기(54)에서 가열된 열매체가 담겨져 있다가 열 수요처(8)로 이동되는 것이 가능하다.
열 수요처(8)는 실내의 바닥에 설치된 바닥 난방 배관으로 이루어질 수 있다. 열 수요처(8)는 실내에 설치되는 라디에어터로 이루어질 수 있다. 열 수요처(8)는 팬 코일 유닛(Fan Coil Unit)으로 이루어질 수 있다. 즉, 열 수요처(8)는 열매체가 통과하는 코일(Coil)과, 코일로 실내 공기를 유동시키는 팬(Fan)과, 코일과 팬이 설치되고 실내 공기가 흡입되는 공기 흡입구와 코일에 의해 열교환된 공기가 토출되는 공기 토출구가 형성된 케이싱을 포함할 수 있다.
열매체유로(81)는 열매체가 축열 열교환기(54)와 축열조(6)와 열 수요처(8)를 순환하게 구성되는 것이 가능하고, 축열 열교환기(54)의 열매체 흡열 유로(74)와 축열조(6)를 연결하는 축열 열교환기-축열조 연결유로(82)와, 축열조(6)와 열수요처(8)를 연결하는 축열조-열수요처 연결유로(84)와, 열수요처(8)와 축열 열교환기(54)의 열매체 흡열 유로(74)를 연결하는 열수요처-축열 열교환기 연결유로(86)를 포함할 수 있다.
열매체유로(81)에는 열매체를 펌핑시키는 열매체 펌프(88)(90)가 설치될 수 있고, 열매체 펌프(88)(90)는 축열조-열수요처 연결유로(84)에 설치된 열 수요처 펌프(88)를 포함할 수 있다. 열매체 펌프(88)(90)는 축열 열교환기-축열조 연결유로(82)에 설치된 축열조 펌프(90)를 포함할 수 있다.
열매체 펌프(88)(90)는 열매체유로(81) 또는 열매체 흡열 유로(74)의 동파 방지를 일정 시간 간격으로 구동될 수 있다. 열매체 펌프(88)(90)는 실외 온도에 무관하게 일정 시간 간격으로 구동될 수 있고, 실외 온도가 설정 온도 이하일 때에만 일정 시간 간격으로 구동될 수 있다.
열매체유로(81)에는 축열조(6)에서 유출된 열매체가 열수요처(8)를 바이패스하는 바이패스유로(92)가 형성될 수 있다.
열매체유로(81)에는 축열조(6)에서 유출된 열매체가 열 수요처(8)로 유동되게 하거나 바이패스유로(92)로 유동되게 하는 열매체유로 절환밸브(94)가 설치될 수 있다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 열매체 펌프(88)(90)가 심야 이외의 시간대에 동파 방지를 위해 구동될 수 있고, 열매체 펌프(88)(90)에 일반전력 공급선(96)이 연결될 수 있고, 일반전력 공급부(97)가 일반전력 공급선(96)을 통해 공급되는 전력을 열매체 펌프(88)(90)로 공급하거나 차단할 수 있다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 고압측 압축기(52)에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 도 2에 도시된 바와 같이, 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스시키게 설치된 바이패스기구(100)를 포함한다.
바이패스기구(100)는 저온 냉동사이클(2)의 제상모드시 제 2 냉매의 일부를 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스시킬 수 있다.
저온 냉동사이클(2)은 제상모드시, 케스케이드 열교환기(14)로 저온 저압의 제 1 냉매가 통과하게 되는데, 실외 열교환기(18)의 제상을 위해서 케스케이드 열교환기(14)로 고온의 제 2 냉매가 유동되게 할 필요가 있다. 고온 냉동사이클(2)의 제 2 냉매가 고압측 압축기(52)와 케스케이드 열교환기(14)와 고압측 팽창기구(56)와 축열 열교환기(54)의 순서로 순환하면, 케스케이드 열교환기(14)로 고온의 제 2 냉매가 유동될 수 있다. 그러나, 이 경우 축열 열교환기(54)에는 저온 저압의 제 2 냉매가 흐르게 되고, 실외 열교환기(18)가 제상되는 동안 축열조(6)는 축열을 할 수 없거나 축열조(6)가 오히려 냉각되게 된다.
반면에, 고압측 압축기(52)에서 압축된 제 2 냉매의 일부가 바이패스기구(100)를 통해 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스 되면, 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스된 고온 고압의 제 2 냉매가 케스케이드 열교환기(14)를 통과하면서 제 1 냉매를 증발시킬 수 있고, 고압측 압축기(52)에서 압축된 제 2 냉매 중 바이패스기구(100)로 유동되지 않는 나머지가 축열 열교환기(54)를 통과하면서 열매체를 가열시킬 수 있다. 즉, 히트 펌프(1)는 실외 열교환기(18)를 제상시키면서 동시에 축열조(6)를 축열시키는 제상 및 축열 운전을 할 수 있게 된다.
즉, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 축열 운전을 하다가 제상 조건이 되면, 축열 운전을 계속하면서 제상 및 축열 운전을 할 수 있고, 실외 열교환기(18)의 제상이 완료되면, 다시 축열 운전을 전환할 수 있으며, 축열조(6)는 실외 열교환기(18)의 제상과 무관하게 축열할 수 있게 된다.
바이패스기구(100)는 제 2 냉매의 일부가 축열 열교환기(54)와 고압측 팽창기구(56)를 바이패스 하도록 구성될 수 있고, 고압측 팽창기구(56)와 케스케이드 열교환기(14) 사이에 연결될 수 있다.
바이패스기구(100)는 제 2 냉매의 일부가 축열 열교환기(54)와 고압측 팽창기구(56)의 사이로 바이패스 될 경우, 고압측 팽창기구(56)에서 저온 저압으로 팽창된 후 케스케이드 열교환기(14)를 통과하게 되므로, 충분한 제상 성능을 얻게 할 수 없고, 제 2 냉매의 일부가 고압측 팽창기구(56)와 케스케이드 열교환기(14) 사이로 바이패스 되는 것이 가장 바람직하다.
바이패스기구(100)는 고압측 압축기(52)와 축열 열교환기(54) 사이(64)에 연결된 제 1 바이패스유로(102)와, 고압측 팽창기구(56)와 케스케이드 열교환기(14) 사이(78)에 연결된 제 2 바이패스유로(104)와, 제 1 바이패스유로(102)와 제 2 바이패스유로(104)를 연결하고 제 2 냉매를 조절하는 바이패스밸브(106)를 포함할 수 있다.
바이패스밸브(106)는 저온 냉동사이클(2)의 제상모드시 개방되어 고압측 압축기(52)에서 압축된 고온 고압의 제 2 냉매 중 일부가 케스케이드 열교환기(14)로 유동되게 할 수 있고, 저온 냉동사이클(2)의 축열모드시 폐쇄되어 고압측 압축기(52)에서 압축된 고온 고압의 제 2 냉매 모두가 축열 열교환기(54)로 유동되게 할 수 있다.
바이패스기구(100)는 제 2 냉매의 바이패스 량을 조절하는 유량 조절기(108)를 더 포함할 수 있다.
유량 조절기(108)는 제 1 바이패스유로(102)와 제 2 바이패스유로(104) 중 적어도 일측에는 설치된 캐필러리 튜브로 이루어져 고압측 압축기(52)에서 압축된 고온 고압의 제 2 냉매 중 일부량만이 바이패스되게 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 일실시예의 제어 블록도이다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 저온 냉동사이클(2)과 고온 냉동사이클(4)을 제어하고, 제상 조건시 바이패스기구(100)를 제어하는 제어부(110)를 더 포함할 수 있다.
이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 제상 조건과 제상 완료 조건을 감지할 수 있는 제상 센서(112)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제상 센서(112)는 실외 열교환기(18)의 온도를 감지하는 실외 온도센서와, 실외 온도를 감지하는 실외 온도 센서와, 축열운전의 적산시간을 감지하는 타이머 중의 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
제어부(110)는 실외 열교환기(18)의 현재 온도가 제상 설정 온도 이하인 조건과, 타이머에서 적산된 축열 운전의 적산 시간이 제상 설정 시간 이상인 조건 등의 각종 조건 중 기설정된 조건에 해당되면, 제상 조건인 것으로 판단하여 제상 및 축열 운전을 개시할 수 있다.
제어부(110)는 실외 열교환기(18)의 현재 온도가 제상 완료 온도 이상인 조건과, 타이머에서 적산된 제상 및 축열 운전의 적산 시간이 제상 완료 시간 이상인 조건 등의 각종 조건 중 기설정된 조건에 해당되면, 제상 완료인 것으로 판단하여 제상 및 축열운전을 완료하고 다시 축열 운전을 개시할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법 일실시예가 도시된 순서도이다.
본 실시예에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전방법은 축열 운전단계(S1)(S2)와, 제상 및 축열 운전단계(S3)(S4)(S5)를 포함할 수 있다.
축열 운전단계(S1)(S2)는 히트 펌프(1)가 구동되어 축열조(6)를 축열시키는 단계로서, 심야 시간이거나 축열조(6)의 목표 축열온도가 축열 운전 개시온도 이하일 때 개시될 수 있다.
축열 운전단계(S1)(S2)는 저온 냉동사이클(2)과 고온 냉동사이클(4)을 모두 축열모드로 구동하여 축열조(6)를 축열시킨다.
이하, 축열 운전단계(S1)(S2)에 대해 상세히 설명한다.
제어부(110)는 축열 운전시 저압측 압축기(12)를 구동하고, 절환 밸브(20)를 축열모드로 제어하고, 저압측 팽창기구(16)를 제어하며, 실외팬(44)을 구동시킬 수 있다.
제어부(100)는 축열 운전시 고압측 압축기(52)를 구동하고, 고압측 팽창기구(16)를 제어하며, 바이패스밸브(106)를 오프시킬 수 있다.
저압측 압축기(12)의 구동시, 저압측 압축기(12)에서는 고온 고압의 제 1 냉매가 토출되고, 제 1 냉매는 절환 밸브(20)를 통과한 후 케스케이드 열교환기(14)로 유동되고, 케스케이드 열교환기(14)를 통과하면서 제 2 냉매와 열교환되어 응축된다. 응축된 냉매는 저압측 팽창기구(16)를 통과하면서 팽창되며, 이후 실외 열교환기(18)로 유동되어 실외 열교환기(18)에서 실외 공기와 열교환되면서 증발된다. 증발된 제 1 냉매는 절환 밸브(20)를 통과한 후 저압측 압축기(12)로 흡입된다. 즉, 제 1 냉매는 실외 열교환기(18)에서 증발되고 케스케이드 열교환기(14)에서 응축되면서 제 2 냉매를 증발시킨다.
고압측 압축기(120의 구동시, 고압측 압축기(52)에서는 고온 고압의 제 2 냉매가 토출되고, 제 2 냉매는 바이패스밸브(106)가 폐쇄되어 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스되지 않고, 그 전부가 축열 열교환기(54)를 통과하면서 열매체와 열교환되어 응축된다. 응축된 냉매는 고압측 팽창기구(56)을 통과하면서 팽창되며, 이후 케스케이드 열교환기(14)로 유동되어 제 1 냉매와 열교환되면서 증발된다. 증발된 제 2 냉매는 고압측 압축기(52)로 흡입된다. 즉, 제 2 냉매는 케스케이드 열교환기(14)에서 증발되고 축열 열교환기(54)에서 응축되면서 열매체를 가열시킨다.
한편, 축열모드시 열매체 펌프(88)(90)는 구동되고, 축열 열교환기(54)에서 제 2 냉매와 열교환되면서 가열된 열매체는 축열조(6)로 이동되어 축열조(6)에 담겨진다. 축열조(6)의 열매체는 열 수요처(8)로 유동되어 열 수요처(8)에 열을 전달하고, 이후 축열 열교환기(54)로 다시 유동되어 제 2 냉매와 열교환된다. 즉, 열매체는 축열 열교환기(54)와 축열조(6)와 열 수요처(8)를 순환하면서 열 수요처(8)를 가열한다.
상기와 같은 축열 운전시, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 제상 조건이 될 수 있고, 제상 및 축열 운전단계(S3)(S4)(S5)가 개시된다.
제상 및 축열 운전단계(S3)(S4)(S5)는 축열 운전단계(S1)(S2) 후 저온 냉동사이클(2)을 제상모드로 전환시키고 고온 냉동사이클(4)의 고압측 압축기(5)에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스 시킨다.
이하, 제상 및 축열 운전단계(S3)(S4)(S5)에 대해 상세히 설명한다.
제어부(110)는 제상 및 축열 운전시 저압측 압축기(12)를 구동하고, 절환 밸브(20)를 제상모드로 제어하고, 저압측 팽창기구(16)를 제어하며, 실외팬(44)을 구동시킬 수 있다.
제어부(100)는 제상 및 축열 운전시 고압측 압축기(52)를 구동하고, 고압측 팽창기구(16)을 제어하며, 바이패스밸브(106)를 온시킬 수 있다.
저압측 압축기(12)의 구동시, 저압측 압축기(12)에서는 고온 고압의 제 1 냉매가 토출되고, 제 1 냉매는 절환 밸브(20)를 통과한 후 실외 열교환기(18)로 유동되고, 실외 열교환기(18)를 제상시키면서 응축된다. 응축된 냉매는 저압측 팽창기구(16)를 통과하면서 팽창되며, 이후 케스케이드 열교환기(14)로 유동되어 제 2 냉매와 열교환되면서 증발된다. 증발된 제 1 냉매는 절환 밸브(20)를 통과한 후 저압측 압축기(12)로 흡입된다. 즉, 제 1 냉매는 케스케이드 열교환기(14)에서 증발되고 실외 열교환기(18)에서 응축되면서 실외 열교환기(18)를 제상시킨다.
고압측 압축기(120의 구동시, 구동측 압축기(52)에서는 고온 고압의 제 2 냉매가 토출되고, 제 2 냉매는 바이패스밸브(106)가 개방되어 일부가 바이패스기구(100)로 바이패스되고, 나머지가 축열 열교환기(54)를 통과하면서 열매체와 열교환되어 응축된다. 응축된 냉매는 고압측 팽창기구(56)을 통과하면서 팽창되고 이후 바이패스기구(100)로 바이패스된 냉매와 혼합되어 승온된다. 승온된 냉매는 케스케이드 열교환기(14)로 유동되어 제 1 냉매와 열교환되면서 제 1 냉매를 증발시키고, 이후 고압측 압축기(52)로 흡입된다. 즉, 제 2 냉매는 일부가 케스케이드 열교환기(14)로 바이패스되어 제 1 냉매를 증발시키는데 이용되고 나머지가 축열 열교환기(54)에서 응축되면서 열매체를 가열시킨다.
한편, 제상 및 축열 운전시 열매체 펌프(88)(90)는 축열모드와 같이 구동될 수 있고, 축열 열교환기(54)에서 제 2 냉매와 열교환되면서 가열된 열매체는 축열조(6)로 이동되어 축열조(6)에 담겨진다. 축열조(6)의 열매체는 열 수요처(8)로 유동되어 열 수요처(8)에 열을 전달하고, 이후 축열 열교환기(54)로 다시 유동되어 제 2 냉매와 열교환된다. 즉, 열매체는 축열 열교환기(54)와 축열조(6)와 열 수요처(8)를 순환하면서 열 수요처(8)를 가열한다.
상기와 같은 제상 및 축열 운전시, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 제상 완료 조건이 될 수 있고, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 제상 및 축열 운전단계(S3)(S4)(S5)의 종료 후 축열 운전단계(S1)(S2)로 복귀될 수 있다.
즉, 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 축열 운전과, 제상 및 축열 운전을 교대로 반복하면서, 축열조(6)를 지속적으로 축열시킬 수 있고, 실외 열교환기(18)를 효율적으로 제상시킬 수 있다.
한편, 상기와 같은 제상 및 축열 운전의 종료 후 심야 시간을 벗어난 시간이거나 축열조(6)의 목표 축열온도가 축열 운전 정지온도 이상일 때 히트 펌프(1)는 정지될 수 있다.(S6)
히트 펌프(1)의 정지시 저압측 압축기(12)와 고압측 압축기(52)는 정지될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치 다른 실시예의 냉매 흐름과 열매체의 흐름이 도시된 구성도이다.
본 실시예에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 축열조(6)가 축열 열교환기(54)와 제 1 열매체유로로 연결되고, 축열조(6)가 열수요처(8)와 제 2 열매체유로로 연결되며, 축열조(6)와, 제 1 열매체유로와, 제 2 열매체유로 이외의 기타 구성 및 작용은 본 발명 제 1 일시예와 동일하거나 유사하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제 1 열매체유로는 축열 열교환기(54)에서 가열된 열매체가 축열조(6)로 공급되는 제 1 축열 열교환기-축열조 연결유로(82)와, 축열조(6)에서 유출된 열매체가 축열 열교환기(54)로 공급되는 제 2 축열 열교환기-축열조 연결유로(86′)를 포함할 수 있다.
제 1 축열 열교환기-축열조 연결유로(82)에는 축열조 펌프(90)가 설치될 수 있다.
제 2 열매체유로는 축열조(6)에서 가열된 열매체가 열수요처로 공급되는 제 1 축열조-열수요처 연결유로(84)와, 열수요처(8)에서 유출된 열매체가 축열조(6)로 공급되는 제 2 축열조-열수요처 연결유로(86″)를 포함할 수 있다.
제 1 축열조-열수요처 연결유로(84)에는 열 수요처 펌프(88)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 이원냉동사이클을 갖는 축열장치는 히트펌프(1)의 구동시 축열조 펌프(90)가 구동될 수 있고, 열 수요처(8)의 부하가 있으면 열 수요처 펌프(88)가 구동될 수 있다.
즉, 히트 펌프(1)의 구동시 열매체는 축열조 펌프(90)에 의해 유동되어 축열 열교환기(54)와 축열조(6)를 순환하면서 축열조(6)를 가열하고, 열수요처 펌프(88)의 구동시 축열조(6)의 열매체는 열수요처 펌프(88)에 의해 유동되어 축열조(6)와 열 수요처(8)를 순환하면서 열 수요처(8)를 가열한다.
1: 히트 펌프 2: 저온 냉동사이클
4: 고온 냉동사이클 6: 축열조
8: 열 수요처 12: 저압측 압축기
14: 케스케이드 열교환기 16: 저압측 팽창기구
18: 실외 열교환기 44: 실외 팬
52: 고압측 압축기 54: 축열 열교환기
56: 고압측 팽창기구 81: 열매체유로
100: 바이패스기구 102: 제 1 바이패스유로
104: 제 2 바이패스유로 106: 바이패스밸브
108: 유량 조절기 110: 제어부

Claims (12)

  1. 제 1 냉매가 저압측 압축기와 케스케이드 열교환기와 저압측 팽창기구와 실외 열교환기의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 상기 케스케이드 열교환기에서 제 2 냉매를 증발시키는 축열모드와, 제 1 냉매가 저압측 압축기와 실외 열교환기와 저압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기의 순서로 순환하면서 제 1 냉매가 상기 실외 열교환기를 제상시키는 제상모드를 갖는 저온 냉동사이클과;
    제 2 냉매가 고압측 압축기와 축열 열교환기와 고압측 팽창기구와 상기 케스케이드 열교환기의 순서로 순환하면서 제 2 냉매가 상기 축열 열교환기에서 열매체를 가열시키는 고온 냉동사이클과;
    상기 축열 열교환기와 열매체유로로 연결되는 축열조와;
    상기 고압측 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 상기 케스케이드 열교환기로 바이패스시키게 설치된 바이패스기구를 포함하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스기구는 상기 저온 냉동사이클의 제상모드시 제 2 냉매의 일부를 바이패스시키는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스기구는 상기 고압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기 사이에 연결되는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이패스기구는 상기 고압측 압축기와 축열 열교환기 사이에 연결된 제 1 바이패스유로와, 상기 고압측 팽창기구와 케스케이드 열교환기 사이에 연결된 제 2 바이패스유로와, 상기 제 1 바이패스유로와 제 2 바이패스유로를 연결하고 제 2 냉매를 조절하는 바이패스밸브를 포함하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 바이패스밸브는 상기 저온 냉동사이클의 제상모드시 개방되고, 상기 저온 냉동사이클의 축열모드시 폐쇄되는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이패스기구는 제 2 냉매의 바이패스 량을 조절하는 유량 조절기를 더 포함하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유량 조절기는 상기 제 1 바이패스유로와 상기 제 2 바이패스유로 중 적어도 일측에는 설치된 캐필러리 튜브인 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클을 제어하고, 제상 조건시 상기 바이패스기구를 제어하는 제어부를 더 포함하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체유로에 설치되어 열매체를 펌핑시키는 열매체 펌프를 더 포함하고,
    상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클에는 심야전력을 공급하는 심야전력 공급선이 연결되며,
    상기 열매체 펌프에는 일반전력을 공급하는 일반전력 공급선이 연결되는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저압측 압축기와 저압측 팽창기구와 실외 열교환기는 실외기에 설치되고,
    상기 케스케이드 열교환기와 고압측 압축기와 축열 열교환기와 고압측 팽창기구는 실내기에 설치되는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치.
  11. 제 1 냉매가 순환하는 저온 냉동사이클과 제 2 냉매가 순환하는 고온 냉동사이클이 케스케이드 열교환기로 연결되고, 고온 냉동사이클이 축열조와 열매체유로로 연결된 이원냉동사이클을 갖는 축열장치를 운전하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법에 있어서,
    상기 저온 냉동사이클과 고온 냉동사이클을 모두 축열모드로 구동하여 상기 축열조를 축열시키는 축열 운전단계와;
    상기 축열 운전단계 후 상기 저온 냉동사이클을 제상모드로 전환시키고 상기 고온 냉동사이클의 고압측 압축기에서 압축된 제 2 냉매의 일부를 상기 케스케이드 열교환기로 바이패스시키는 제상 및 축열 운전단계를 포함하는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제상 및 축열 운전단계의 종료 후 상기 축열 운전단계로 복귀되는 이원냉동사이클을 갖는 축열장치의 운전 방법.
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