KR20120136794A - 히트펌프장치 및 히트펌프장치의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

태양열을 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있도록 개선된 히트펌프장치를 개시한다.
히트펌프장치는 태양열 집열기와, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 제1열교환기와, 제1열교환기를 지난 냉매를 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2열교환기와, 제1열교환기를 지난 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 제3열교환기와, 제1열교환기를 지난 냉매가 제2열교환기와 제3열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제1유로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프장치 및 히트펌프장치의 제어방법{HEAT PUMP AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 히트펌프장치에 관한 것으로, 특히 실외의 공기 및 태양열과 열교환을 통해 온수를 생산할 수 있는 히트펌프장치 및 히트펌프장치의 제어방법에 관한 것이다.
히트펌프는 저온의 열을 흡수하여 고온으로 열을 끌어 올린다는 의미로 높은 곳에서 낮은 곳으로 오는 열을 반대로 운송하는 장치이다.
일반적으로 히트펌프는 냉매의 압축과 응축 및 증발의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉, 난방이나 급탕을 수행한다.
그러나 이러한 방식은 특히 동절기와 같이 실외의 온도가 0˚이하로 매우 낮아질 경우 차가운 공기로부터 난방이나 급탕을 위한 열을 회수하는데 한계가 있으며, 최근에는 원활한 난방이나 급탕을 위해 실외의 공기를 통한 열교환과 함께 태양열 통한 열교환을 함께 수행할 수 있는 하이브리드(Hybrid) 방식의 히트펌프가 개발되어 널리 사용되고 있다.
본 발명의 일 측면은 태양열을 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있도록 개선된 히트펌프장치를 제공한다.
또한, 외부환경에 관계 없이 높은 효율로 난방 또는 급탕기능을 수행할 수 있도록 개선된 히트펌프장치 및 히트펌프장치의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 히트펌프장치는 태양열 집열기;와, 냉매를 압축하는 압축기;와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 제1열교환기;와, 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2열교환기;와, 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 제3열교환기;와, 상기 제1열교환기를 지난 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제3열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제1유로전환밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3열교환기는 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 증발시켜 외부의 공기와 열교환시킬 수 있다.
외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 가열하여 온수를 공급하는 온수공급장치를 포함하고, 상기 온수공급장치는, 외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와, 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제1가열관을 포함할 수 있다.
상기 제1가열관의 일단은 상기 저수부의 외주면을 감싸는 코일 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제1가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제4열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과, 상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관과, 상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제4열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함할 수 있다.
상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과, 상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관을 포함하고, 상기 제1가열관은 상기 제1연결관 및 상기 제2연결관과 직접 연통될 수 있다.
상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제1가열관 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함할 수 있다.
상기 온수공급장치는 상기 제1열교환기에서 냉매가 응축하여 발생한 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제2가열관을 더 포함할 수 있다.
상기 제2가열관의 일단은 상기 저수부의 외주면을 감싸는 코일 형상으로 마련될 수 있다.
또한 본 발명의 사상에 따른 히트펌프장치는 태양열 집열기;와, 냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 증발시켜 외부의 공기와 열교환시키는 증발기를 구비하는 실외기;와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 하이드로(Hydro)유닛;과, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제1태양열교환기와, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매가 상기 증발기와 상기 제1태양열교환기 중 어느 하나에서 선택적으로 열교환을 수행하도록 하는 제1유로전환밸브를 구비하는 하이브리드(Hybrid) 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1유로전환밸브는, 상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영하인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고, 상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영상인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 증발기로 안내하여 외부의 공기와 열교환이 일어나도록 유로를 전환할 수 있다.
외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 가열하여 온수를 공급하는 온수공급장치를 포함하고, 상기 온수공급장치는, 외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와, 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제1가열관을 포함할 수 있다.
상기 하이브리드유닛은 상기 제1가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2태양열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드유닛은, 상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제1태양열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과, 상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제1태양열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관과, 상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제1태양열교환기와 상기 제2태양열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함할 수 있다.
상기 제1유로전환밸브는, 상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영하이거나 상기 제2연결관의 냉매 온도가 상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도보다 높고, 상기 제2연결관의 냉매 온도가 5˚이상 40˚미만인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 제2연결관을 지난 냉매와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고, 상기 제2연결관의 냉매 온도가 40˚이상인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 증발기로 안내하여 외부의 공기와 열교환이 일어나도록 유로를 전환할 수 있다.
상기 하이드로유닛에서 응축된 냉매가 상기 제1유로전환밸브를 통해 상기 제1태양열교환기로 유입되는 경우, 상기 제2연결관을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 하이드로유닛을 지난 냉매와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고, 상기 하이드로유닛에서 응축된 냉매가 상기 제1유로전환밸브를 통해 상기 증발기로 유입되는 경우, 상기 제2연결관을 지난 냉매를 상기 제2태양열교환기로 안내하여 상기 제1가열관에 흐르는 물과 열교환이 일어나도록 유로를 전환할 수 있다.
상기 하이브리드유닛은 상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과, 상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관을 포함하고, 상기 제1가열관은 상기 제1연결관 및 상기 제2연결관과 직접 연통될 수 있다.
상기 하이브리드유닛은, 상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제1태양열교환기와 상기 제1가열관 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함할 수 있다.
상기 온수공급장치는 상기 하이드로유닛에서 냉매가 응축하여 발생한 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제2가열관을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 사상에 따른 히트펌프장치는 태양열 집열기;와, 냉매를 압축하는 압축기;와, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되도록 하여 물과 열교환이 일어나게 하는 응축기;와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환을 통해 증발되도록 하는 태양열교환기;와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 외부의 공기와 열교환을 통해 증발되도록 하는 증발기;를 포함하고,
상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 상기 증발기가 위치한 외부의 공기의 온도에 따라 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 태양열교환기와 상기 증발기 중 어느 하나에서 증발되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 사상에 따른 히트펌프장치는 태양열 집열기;와, 냉매를 압축하는 압축기;와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 제1열교환기;와, 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2열교환기;와, 상기 제2열교환기와 병렬로 연결되며, 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 제3열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 외부의 공기의 온도에 따라 상기 제1열교환기에서 응축된 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제3열교환기 중 어느 하나에서 열교환되도록 할 수 있다.
외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와, 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 가열관을 구비하는 온수공급장치와, 상기 제3열교환기와 병렬로 연결되며, 상기 가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제4열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 외부의 공기의 온도에 따라 상기 태양열 집열기에서 태양열을 흡수한 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제4열교환기 중 어느 하나에서 열교환되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 저온의 태양복사열을 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있으므로 히트펌프장치의 효율이 향상된다.
또한, 무제상(Non-Defrost) 운전이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예 따른 히트펌프장치의 구성도.
도 2는 제2열교환기(제1태양열교환기)를 통해 태양열을 냉매의 증발열원으로 이용하는 모습을 나타낸 구성도.
도 3은 제3열교환기(증발기)를 통해 외부의 공기를 냉매의 증발열원으로 이용하는 모습을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 히트펌프장치의 제어방법을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예 따른 히트펌프장치의 구성도.
이하에서는 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예 따른 히트펌프장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 일실시예에 따른 히트펌프장치(100)는, 태양복사열을 집열하는 태양열 집열기(10)와, 냉매를 물과 열교환시키는 하이드로(Hydro) 유닛(20)과, 냉매를 압축하고 외부의 공기와 열교환시키는 실외기(30)와, 냉매를 태양열 집열기(10)에 의해 집열된 열과 열교환시키는 하이브리드(Hybrid) 유닛(40)과, 급탕 기능을 수행하는 온수공급장치(60)를 포함하여 구성된다.
태양열 집열기(10)는 태양광선에 포함된 복사에너지를 모아서 열로 변환시키는 기기로, 자세히 도시하지는 않았지만 일반적으로 검은색의 티타늄 코팅 집열판이 태양광선이 투과되는 투명한 커버층(강화유리 또는 플라스틱 재질)으로 덮혀진 상태에서 판(Plate) 형상의 알루미늄 케이스에 삽입되며, 티타늄 코팅 집열판과 알루미늄 케이스 사이에는 단열재가 삽입되도록 한 구성으로 이루어진다.
투명한 커버층을 태양광선이 통과하여 티타늄 코팅 집열판에 부딪히게 됨과 동시에 태양광선이 적외선으로 변환되는데, 이 적외선은 투명한 커버층을 통과하여 외부로 나가지 못하기 때문에 태양열 집열기(10)의 내부에 태양복사열이 점차적으로 축적되면서 태양열 집열기(10)의 내부온도가 점점 상승한다.
열매체관(13)은 투명한 커버층과 티타늄 코팅 집열판 사이에서 티타늄 코팅 집열판을 따라 지그재그식으로 배열되어, 순환펌프(14)에 의해 열매체가 열매체관(13)을 따라 순환하는 과정에서 태양열 집열기(10)의 내부에 축적된 태양복사열을 흡수한다. 태양복사열을 흡수하기 위한 열매체로 물 또는 부동액 등이 사용될 수 있다.
태양열 집열기(10)의 입구측에는 제1연결관(11)이 연결되고, 태양열 집열기(10)의 출구측에는 제2연결관(12)이 연결된다. 제1연결관(11), 제2연결관(12), 열매체관(13)은 서로 연통되며, 제1연결관(11)을 통해 태양열 집열기(10)의 내부로 유입된 열매체는 열매체관(13) 내부를 흐르면서 태양복사열을 흡수한 후, 제2연결관(12)을 통해 태양열 집열기(10)의 외부로 배출된다. 제2연결관(12)을 통해 태양열 집열기(10)의 외부로 배출된 열매체는 후술할 바와 같이 제2열교환기(42)로 유입되어 냉매를 증발시키기 위한 증발열원으로 사용된다.
하이드로(Hydro) 유닛(20)은 제1열교환기(21)를 포함하며, 제1열교환기(21)는 실외기(30)에 포함된 압축기(31)에 의해 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환이 일어나도록 한다.
제1열교환기(21) 내부에서 냉매관(24)을 따라 흐르는 냉매가 응축하면서 발생하는 응축열은 물관(26)을 따라 흐르는 물에 전달된다. 응축열에 의해 데워진 물은 후술할 바와 같이 온수공급장치(60)로 공급되어 급탕을 위한 용도로 사용되거나, 저수탱크(80)에 저수된 후, 필요에 따라 레디에이터(Radiator)(82) 또는 컨벡터(Convector)(84) 또는 히팅코일(Heating Coil)(86) 등으로 공급되어 난방을 위한 용도로 사용될 수 있다.
실외기(30)는 압축기(31)와, 어큐뮬레이터(32)와, 제3열교환기(33)와, 사방밸브(34)와, 제1팽창밸브(35)를 포함하여 구성된다.
압축기(31)는 냉매를 순환시키는 펌프 역할을 하는 구성으로, 제3열교환기(33)에서 증발한 저온저압의 기체냉매를 흡입하여 제1열교환기(21)를 지나는 과정에서 응축될 수 있도록 응축온도에 해당되는 포화압력까지 압력을 증대시켜 주는 역할을 한다.
어큐뮬레이터(32)는 제3열교환기(33)에서 증발하지 못한 액체상태의 냉매가 기화된 후 압축기(31) 내부로 유입될 수 있도록 한다.
제3열교환기(33)는 팽창밸브(35)를 지난 저온, 저압의 액체냉매가 외부의 공기와 열교환을 거쳐 증발하는 과정에서 외부의 공기로부터 열을 회수할 수 있도록 한다. 즉, 제3열교환기(33)는 실외의 외부 공기를 증발열원으로 하여 냉매가 증발되도록 하는 증발기의 역할을 한다.
사방밸브(34)는 제3열교환기(33)에서 증발하여 기화된 냉매가 압축기(31)로 유입되도록 하거나, 제3열교환기(33)에서 증발하지 못한 액체상태의 냉매를 어큐뮬레이터(32)로 유입되도록 하고, 압축기(31)에서 압축된 냉매가 제1열교환기(21)로 유입되도록 한다.
제1팽창밸브(35)는 제1열교환기(21)에서 응축되어 액화된 고온, 고압의 액체냉매를 팽창시켜 저온, 저압의 냉매로 변환시킴으로써, 냉매가 제3열교환기(33)에서 증발할 수 있도록 한다.
하이브리드(Hybrid) 유닛(40)은 제2열교환기(42)와, 제4열교환기(44)와, 제2팽창밸브(47)와, 제1열교환기(21)와 제2열교환기(42) 사이 또는 제1열교환기(21)와 제3열교환기(33) 사이에 위치하여 유로를 전환하는 제1유로전환밸브(45), 제2열교환기(42)와 연결되는 제2연결관(12) 상에 위치하여 유로를 전환하는 제2유로전환밸브(46)를 포함하여 구성된다.
제2열교환기(42)는 하이드로(Hydro) 유닛(20)에 포함된 제1열교환기(21)에서 응축된 액체상태의 냉매가 태양열 집열기(10)에 의해 집열된 열과 열교환을 하여증발하도록 한다.
앞서 설명한 바와 같이 태양열 집열기(10)의 출구측에 연결된 제2연결관(12)을 통해 태양열 집열기(10)의 외부로 배출된 열매체는 제2열교환기(42)로 유입되어 제1열교환기(21)에서 응축된 액체상태의 냉매가 증발하는 과정에서 증발열을 공급한다. 즉, 제2열교환기(42)는 태양복사열을 증발열원으로 하여 냉매가 증발되도록 하는 증발기의 역할을 한다.
제4열교환기(44)는 온수공급장치(60)의 급탕용도로 사용되는 열을 공급하기 위한 구성으로, 제2연결관(12) 상에 위치한 제2유로전환밸브(46)의 의해 유입된 열매체와 온수공급장치(60)에 포함된 제1가열관(61)에 흐르는 물 사이에 열교환이 일어나게 함으로써, 열매체가 가진 열이 제1가열관(61)에 흐르는 물로 전달되도록 한다.
한편 제2열교환기(42)와 제4열교환기(44)는 모두 태양열 집열기(10)에 의해 집열된 열을 냉매 또는 물에 전달하는 구성이라는 측면에서 각각 제1태양열교환기와 제2태양열교환기로 볼 수 있다.
제1유로전환밸브(45)는 제1열교환기(21)와 제2열교환기(42) 사이 또는 제1열교환기(21)와 제3열교환기(33) 사이에 위치하여 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매가 제2열교환기(42)와 제3열교환기(33) 중 어느 하나에 선택적으로 유입되어 열교환이 일어나도록 한다.
제1유로전환밸브(45)는 태양열 집열기(10)에서 집열되는 집열량 또는 제3열교환기(33)가 위치한 실외의 공기의 온도에 따라 냉매가 제2열교환기(42)와 제3열교환기(33) 중 어느 하나로 유입되도록 유로를 전환하는데, 이와 관련한 자세한 사항을 후술한다.
제2유로전환밸브(46)는 제2열교환기(42)와 연결되는 제2연결관(12) 상에 위치하여 제2연결관(12)을 따라 흐르는 열매체가 제2열교환기(42)와 제4열교환기(44) 중 어느 하나에 선택적으로 유입되어 열교환이 일어나도록 한다.
제2유로전환밸브(46) 역시 제1유로전환밸브(45)와 마찬가지로 태양열 집열기(10)에서 집열되는 집열량 또는 제3열교환기(33)가 위치한 실외의 공기의 온도에 따라 냉매가 제2열교환기(42)와 제4열교환기(44) 중 어느 하나로 유입되도록 유로를 전환하는데, 이와 관련한 자세한 사항을 후술한다.
한편 제1유로전환밸브(45) 및 제2유로전환밸브(46)로는 그 구동방식에 따라 구분되는 전자식 또는 기계식 밸브, 유로의 개수에 따라 구분되는 삼방밸브 또는 사방밸브가 모두 사용될 수 있다.
제2팽창밸브(47)는 제1열교환기(21)에서 응축되어 액화된 고온, 고압의 액체냉매를 팽창시켜 저온, 저압의 냉매로 변환시킴으로써, 냉매가 제2열교환기(42)에서 증발할 수 있도록 한다.
제1연결관(11)과, 제2연결관(12)에는 각각 제2열교환기(42)의 출구측으로부터 배출되는 열매체의 온도(Tout)와 제2열교환기(42)의 입구측으로 유입되는 열매체의 온도(Tin)를 측정하기 위한 온도센서(49a, 48b)가 마련될 수 있다.
온수공급장치(60)는 저수부(64)와, 제1가열관(61)과, 제2가열관(62)을 포함하여 구성된다.
저수부(64)는 외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수한다.
제1가열관(61)은 그 일단이 제4열교환기(44)에 위치하여 제1가열관(61) 내부에서 흐르는 물과 제4열교환기(44)로 유입된 열매체와 열교환이 일어나도록 하며, 그 타단은 저수부(64)의 외주면에 접촉하여 저수부(64)에 저수된 물에 열을 공급한다.
제2가열관(62)은 그 일단이 저수탱크(80)과 연결되며, 그 타단은 저수부(64)의 외주면에 접촉하여 저수부(64)에 저수된 물에 열을 공급한다.
한편 저수부(64)와 접촉하는 제1가열관(61)의 타단과 제2가열관(62)의 타단은 열전달 효율을 높이기 위해 저수부(64)의 외주면을 감싸는 코일 형상으로 마련될 수 있다.
이하에서는 외부 환경조건에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프장치(100)가 작동하는 방법에 대해 설명한다.
도 2는 제2열교환기(제1태양열교환기)를 통해 태양열을 냉매의 증발열원으로 이용하는 모습을 나타낸 구성도이고, 도 3은 제3열교환기(증발기)를 통해 외부의 공기를 냉매의 증발열원으로 이용하는 모습을 나타낸 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 히트펌프장치의 제어방법을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실외기(30)의 압축기(31)에서 고온, 고압의 기체상태로 압축된 냉매는 사방밸브(34)를 거쳐 하이드로(Hydro)유닛의 제1열교환기(21)로 유입되어 응축된다. 이 때 냉매가 응축되면서 발생한 응축열은 제1열교환기(21) 내부의 물관(26)을 따라 흐르는 물에 전달되며, 응축열을 전달받은 물은 제2가열관(62)를 통해 온수공급장치(60)로 유입되거나, 저수탱크(80)로 유입되어 저수된 후, 레디에이터(Radiator)(82) 또는 컨벡터(Convector)(84) 또는 히팅코일(Heating Coil)(86) 등으로 유입된다.
제1열교환기(21)에서 응축된 냉매는 태양열 집열기(10)에서 집열되는 집열량 또는 제3열교환기(33)가 위치한 실외의 공기의 온도에 따라 제1유로전환밸브(45)를 통해 제2열교환기(42)와, 제3열교환기(33) 중 어느 하나로 유입되어 증발한다.
자세하게는 제3열교환기(33)가 위치한 외부의 공기 온도가 0˚이하이거나 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 제3열교환기(33)가 위치한 외부의 공기 온도보다 높고, 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 5˚이상 40˚미만인 경우, 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매는 제2열교환기(42)로 유입되어 제2연결관(12)을 따라 흐르는 열매체와 열교환을 하면서 증발하고, 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 40˚이상인 경우, 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매는 제3열교환기(33)로 유입되어 외부의 공기와 열교환을 하면서 증발한다. 즉, 동절기와 같이 실외기(30)가 위치한 외부의 기온이 매우 낮을 경우에는 제3열교환기(33)를 통해 냉매를 증발시키기 위한 증발열을 회수하기 어렵거나, 그 효율이 매우 낮으므로, 이 때는 제3열교환기(33)를 사용하는 대신에 제2열교환기(42)를 통해 태양열 집열기(10)에서 집열되는 저온 태양복사열을 증발열원으로 사용하여 냉매가 증발되도록 함으로써 히트펌프장치(100)의 전체적인 효율이 향상되도록 할 수 있다. 또한, 동절기와 같이 외부의 기온이 매우 낮을 경우에 제3열교환기(33)를 사용하지 않고 제2열교환기(42)를 사용함으로써, 제3열교환기(33)를 사용함에 따라 발생하는 착상, 서리, 동파 등의 방지를 위한 제상운전이 불필요하게 된다.
한편, 동시에 태양열 집열기(10)에서 태양복사열을 흡수하여 제2연결관(12)으로 유입된 열매체는 제2유로전환밸브(46)를 통해 제2열교환기(42)와, 제4열교환기(44) 중 어느 하나로 유입되어 태양복사열을 제공한다.
자세하세는 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매가 제1유로전환밸브(45)를 통해 제2열교환기(42)로 유입되는 경우, 제2연결관(12)을 지난 열매체는 제2유로전환밸브(46)를 통해 제2열교환기(42)로 유입되어 냉매와 열교환하는 과정에서 증발열을 제공하고, 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매가 제1유로전환밸브(45)를 통해 제3열교환기(33)로 유입되는 경우, 제2연결관(12)을 지난 열매체는 제2유로전환밸브(46)를 통해 제4교환기(44)로 유입되어 제1가열관(61)에 흐르는 물과 열교환하는 과정에서 급탕을 위한 열을 제공하게 된다.
제2열교환기(42) 또는 제3열교환기(33)에서 증발하여 기체상태가 된 냉매는 사방밸브(34)를 통해 압축기(31) 또는 어큐뮬레이터(32)로 유입된 후 다시 응축, 팽창 증발 과정을 반복하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 히트펌프장치(100)를 가동하게 되면(S100) 제1연결관(11)에 마련되는 온도센서(49a)에 의해 측정되는 온도(Tout)와 제2연결관(12)에 마련되는 온도센서(48b)에 의해 측정되는 온도(Tin)를 비교(S200)하여 제1연결관(11)의 온도(Tout)가 제2연결관(12)의 온도(Tin)보다 정해진 값(β)이상 더 높은 경우에는 태양열 집열기(10)의 가동을 중단(S300)하고, 제2연결관(12)의 온도(Tin)가 제1연결관(11)의 온도(Tout)보다 더 높은 경우에는 태양열 집열기(10)를 계속 가동시킨다(S400).
태양열 집열기(10)가 가동되는 상태에서 제3열교환기(33)가 위치한 외부의 공기 온도(TAir)와 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)를 측정, 비교한다.(S500)
이 때 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 40˚이상인 경우에는 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매가 제3열교환기(33)로 유입되어 외부의 공기와 열교환하여 증발하도록 하는 일반 모드로 운전한다.(S600)
이 때 제3열교환기(33)가 위치한 외부의 공기 온도(TAir)가 0˚이하이거나 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 제3열교환기(33)가 위치한 외부의 공기 온도(TAir)보다 높고, 제2연결관(12)의 내부를 흐르는 열매체의 온도(Tin)가 5˚이상 40˚미만인 경우에는 제1열교환기(21)에서 응축된 냉매가 제2열교환기(42)로 유입되어 제2연결관(12)을 따라 흐르는 열매체와 열교환하여 증발하도록 하는 하이브리드 모드로 운전한다.(S700)
도 5는 본 발명의 다른 실시예 따른 히트펌프장치의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 히트펌프장치와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조기호를 사용하며, 그 설명을 생략한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프장치(200)는 제2연결관(12) 상에 위치한 제2유로전환밸브(46)의 의해 유입된 열매체와 온수공급장치(60)에 포함된 제1가열관(61)에 흐르는 물 사이에 열교환이 일어나게 하는 제4열교환기(44)가 생략된다. 제1가열관(61)은 제1연결관(11) 및 제2연결관(12)과 직접 연통되어 태양열 집열기(10)에서 집열된 태양복사열을 저수탱크(64)에 전달한다.
10: 태양열 집열기, 20: 하이드로 유닛,
21: 제1열교환기, 30: 실외기,
31: 압축기, 33: 제3열교환기,
40: 하이브리드 유닛, 42: 제2열교환기,
44: 제4열교환기, 45: 제1유로전환밸브,
46: 제2유로전환밸브, 60: 온수공급장치.

Claims (25)

  1. 태양열 집열기;와,
    냉매를 압축하는 압축기;와,
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 제1열교환기;와,
    상기 제1열교환기를 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2열교환기;와,
    상기 제1열교환기를 지난 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 제3열교환기;와,
    상기 제1열교환기를 지난 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제3열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제1유로전환밸브;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프(Heat Pump)장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3열교환기는 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 증발시켜 외부의 공기와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 가열하여 온수를 공급하는 온수공급장치를 포함하고,
    상기 온수공급장치는,
    외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와,
    상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제1가열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1가열관의 일단은 상기 저수부의 외주면을 감싸는 코일 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제4열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과,
    상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관과,
    상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제4열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과,
    상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관을 포함하고,
    상기 제1가열관은 상기 제1연결관 및 상기 제2연결관과 직접 연통되는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제1가열관 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 온수공급장치는 상기 제1열교환기에서 냉매가 응축하여 발생한 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제2가열관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2가열관의 일단은 상기 저수부의 외주면을 감싸는 코일 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  11. 태양열 집열기;와,
    냉매를 압축하는 압축기와, 냉매를 증발시켜 외부의 공기와 열교환시키는 증발기를 구비하는 실외기;와,
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 하이드로(Hydro)유닛;과,
    상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제1태양열교환기와, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매가 상기 증발기와 상기 제1태양열교환기 중 어느 하나에서 선택적으로 열교환을 수행하도록 하는 제1유로전환밸브를 구비하는 하이브리드(Hybrid) 유닛;을
    포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1유로전환밸브는,
    상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영하인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고,
    상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영상인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 증발기로 안내하여 외부의 공기와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 가열하여 온수를 공급하는 온수공급장치를 포함하고,
    상기 온수공급장치는,
    외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와,
    상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제1가열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 하이브리드유닛은 상기 제1가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2태양열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 하이브리드유닛은,
    상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제1태양열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과,
    상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제1태양열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관과,
    상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제1태양열교환기와 상기 제2태양열교환기 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1유로전환밸브는,
    상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도가 영하이거나 상기 제2연결관의 냉매 온도가 상기 실외기가 위치한 외부의 공기 온도보다 높고, 상기 제2연결관의 냉매 온도가 5˚이상 40˚미만인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 제2연결관을 지난 냉매와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고,
    상기 제2연결관의 냉매 온도가 40˚이상인 경우, 상기 하이드로유닛을 지난 냉매를 상기 증발기로 안내하여 외부의 공기와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제2유로전환밸브는,
    상기 하이드로유닛에서 응축된 냉매가 상기 제1유로전환밸브를 통해 상기 제1태양열교환기로 유입되는 경우, 상기 제2연결관을 지난 냉매를 상기 제1태양열교환기로 안내하여 상기 하이드로유닛을 지난 냉매와 열교환이 일어나도록 유로를 전환하고,
    상기 하이드로유닛에서 응축된 냉매가 상기 제1유로전환밸브를 통해 상기 증발기로 유입되는 경우, 상기 제2연결관을 지난 냉매를 상기 제2태양열교환기로 안내하여 상기 제1가열관에 흐르는 물과 열교환이 일어나도록 유로를 전환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 하이브리드유닛은
    상기 태양열 집열기의 입구측과 상기 제2열교환기의 출구측을 연결하는 제1연결관과,
    상기 태양열 집열기의 출구측과 상기 제2열교환기의 입구측을 연결하는 제2연결관을 포함하고,
    상기 제1가열관은 상기 제1연결관 및 상기 제2연결관과 직접 연통되는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 하이브리드유닛은,
    상기 제2연결관 상에 위치하여 상기 제2연결관을 흐르는 냉매가 상기 제1태양열교환기와 상기 제1가열관 중 어느 하나에 선택적으로 흐르도록 하는 제2유로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 온수공급장치는 상기 하이드로유닛에서 냉매가 응축하여 발생한 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 제2가열관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  21. 태양열 집열기;와, 냉매를 압축하는 압축기;와, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 응축되도록 하여 물과 열교환이 일어나게 하는 응축기;와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환을 통해 증발되도록 하는 태양열교환기;와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 외부의 공기와 열교환을 통해 증발되도록 하는 증발기;를 포함하고,
    상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 상기 증발기가 위치한 외부의 공기의 온도에 따라 상기 응축기에서 응축된 냉매가 상기 태양열교환기와 상기 증발기 중 어느 하나에서 증발되도록 하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  22. 태양열 집열기;와,
    냉매를 압축하는 압축기;와,
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시켜 물과 열교환시키는 제1열교환기;와,
    상기 제1열교환기를 지난 냉매를 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제2열교환기;와,
    상기 제2열교환기와 병렬로 연결되며, 상기 제1열교환기를 지난 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 제3열교환기;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 외부의 공기의 온도에 따라 상기 제1열교환기에서 응축된 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제3열교환기 중 어느 하나에서 열교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  24. 제 22항에 있어서,
    외부의 급수원으로부터 공급되는 물을 저수하는 저수부와, 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열을 이용하여 상기 저수부에 저수된 물을 가열하는 가열관을 구비하는 온수공급장치와,
    상기 제3열교환기와 병렬로 연결되며, 상기 가열관에 흐르는 물을 상기 태양열 집열기에 의해 집열된 열과 열교환시키는 제4열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 태양열 집열기에서 집열되는 집열량 또는 외부의 공기의 온도에 따라 상기 태양열 집열기에서 태양열을 흡수한 냉매가 상기 제2열교환기와 상기 제4열교환기 중 어느 하나에서 열교환되도록 하는 것을 특징으로 하는 히트펌프장치.
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