KR20130109317A - 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방 및 급탕용 고온수를 4계절 어떠한 기후변화에서도 영향없이 원활하게 생산하기 위해 주요 구성 특징은, 태양열원에서의 안정된 열 취득용 제1증발기와 공기에서 열 취득을 위한 공냉식 열교환기인 제2증발기를 동시에 가동하는 것이 특징으로서, 공기열원 히트펌프 시스템에 태양열 집열기와 전기히터 축열기능이 동시에 첨가 장착된 시스템의 복합적인 안정적 열원을 이용하도록 구성되었으며, 이원사이클 히트펌프를 쓰지 않더라도 60℃ 이상의 온수를 년중 안정적으로 공급할 수 있게 되었으며, 이를 위해 팽창변 2개를 사용하고 외기온도에 비례제어 되도록 하여 태양열원과 공기열원을 동시에 이용하는 비중을 자동 비례제어 하는 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 압축기에서 토출되는 핫가스 냉매로 온수저장조의 물을 응축기에서 가열하여 온수를 생산하고, 상기 응축기에서 빠져나온 냉매의 일부는 제1팽창변을 거쳐 제1증발기로 순환되고, 상기 나머지 냉매는 제2팽창변을 거쳐 제2증발기로 순환되며, 상기 제1증발기는 태양열집열기와 연결된 축열조의 열원으로 냉매를 증발시키고, 상기 제2증발기는 외기의 공기열원으로 냉매를 증발시키며, 상기 축열조에는 전기히터가 내장되어 흐린날 태양열을 보충하며, 상기 제1,2증발기를 거친 냉매는 상기 압축기로 순환되는 사이클이 형성되도록 한 특징이 있다.

Description

태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치{Combined Heat Pump Sourced From Air. electricity And Solar Energy}

본 발명은 냉방과 난방열 생산을 동시에 수행할 수 있는 히트펌프 장치에 있어서, 안정된 축열을 보조하여 4계절 기후의 영향을 받지 않고 특히 온수생산이 가능한 히트펌프 장치에 관한 것으로, 증발온도를 안정되게 보조하여 종래 히트펌프 난방토출 열량을 냉동 마력당 3,220Kcal에서 4,500 ∼ 6,000Kcal 이상 생산되게 하여, 장비 용량을 줄이고 어떠한 조건의 환경 하에서도 일정한 열량을 토출하게 하여 히트펌프를 전 산업 및 실생활 분야에 안정되게 적용할 수 있게 되었으며, 더욱 상세하게는 혹한기 냉,난방 동시모드에서 태양열원이 공기열원과 동시에 작동되게 증발시스템을 구성하여 영하 25℃ 이하의 악조건 에서도 안정되게 열량을 생산하게 되고, 외기온이 영상의 기후에서는 공기열원을 이용하는 비중을 많이 두어 C.O.P를 개선하여 년중 난방 및 냉방 효율을 안정되게 공급하고, 히트펌프를 에어컨의 안정성과 같도록 매우 안정된 냉매 회로를 갖는 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프 장치에 관한 것이다.

종래에 특허출원 제2011-0007622호 에서 보면 축열원 히트펌프 냉,난방기에 있어서, 토출 열량은 증발온도를 45℃이상으로 공급하므로 냉동 마력당 7,500Kcal 이상 생산할 수 있어서 공기열원 히트펌프 3대를 대체하여 1대의 장비로 줄이게 되어도 효과는 우수했으나, 단위 C.O.P는 이론상 1.25이고 실제 가동시 평균 1.4 정도로 입력 전력kw당 1,200Kcal 수준으로, 동절기 영하 15도 이하에서도 난방열량이 전혀 감소하지 않아 세계 어떤 기후에도 관계없이 전기보일러보다 30%이상 효율이 우수하였으나, 춘하 절기엔 공기 열원식 히트펌프의 C.O.P는 3.0이상에 못미치는 한계에 도달하여 전기료가 많이 들어가는 단점이 있어왔다.

종래 특허 제777830호는 태양열 및 대기열을 증발열원으로 사용하는 기술이 제안된 바 있다. 이는 동절기 증발열원을 태양열과 대기열로써 보충하는 것이며, 특히 혹한기에는 온수저장조의 온수를 증발기로 보내 열원이 보충되도록 한 것이다. 그러나 태양열원과 대기열원 및 온수저장조의 온수가 하나의 증발기에서 교차되며 냉매를 증발시기키 때문에 효율이 떨어지고 특히 영하 15도 이하의 혹한기에는 온수저장조의 열원으로 증발이 이뤄지므로 온수온도 저하로 인하여 사용이 불편해지는 등의 단점이 있었다.

이를 보완하여 태양열 및 전기히터 축열을 상시 축열조에 저장한 후 공기열원과 병행 가동하고 년중 일정한 열량 토출이 냉동 마력당 4,500kcal/hr 이상되게 하고 년중 평균C.O.P를 2.5이상으로 보완하여 공기열원 히트펌프의 동절기 난방효율 한계를 극복하고 축열원식 히트펌프의 기계 안정성에 비례한 C.O.P 한계를 극복하는 신개념의 실용화 히트펌프를 개발하기에 이르렀다.

본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위해 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 난방 및 급탕용 고온수를 4계절 어떠한 기후변화에서도 영향없이 원활하게 생산하기 위해 주요 구성 특징은, 태양열원에서의 안정된 열 취득용 제1증발기와 공기에서 열 취득을 위한 공냉식 열교환기인 제2증발기를 동시에 가동하는 것이 특징으로서, 공기열원 히트펌프 시스템에 태양열 집열기와 전기히터 축열기능이 동시에 첨가 장착된 시스템의 복합적인 안정적 열원을 이용하도록 구성되었으며, 이원사이클 히트펌프를 쓰지 않더라도 60℃ 이상의 온수를 년중 안정적으로 공급할 수 있게 되었으며, 이를 위해 팽창변 2개를 사용하고 외기온도에 비례제어 되도록 하여 태양열원과 공기열원을 동시에 이용하는 비중을 자동 비례제어 컨트롤에 의해 동시에 운용하여 냉동기 회로상에 구성하고, 냉매량 과부족 현상을 없애고 가동 내구성 증대와 단위 냉동 마력당 종래의 히트펌프에 비해 2배이상 열량을 생산하여 고열량 토출 히트펌프 시스템을 공급하게 되며, 이는 단일사이클 히트펌프와 이원사이클 히트펌프 공히 적용 가능하도록 개선되어 동절기 효율유지와 가장 경제적인 냉방, 난방운전을 동시에 언제든지 가능하도록 한 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치장치를 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 첫째는 압축기에서 토출된 냉매는 정,역 사방변을 사용 하여 난방시엔 응축 열교환기를 핫 가스가 통과케 하고 온수저장조의 온수와 열교환되어 응축되면 액화된 냉매를 제1팽창변을 거쳐 축열 교환기인 제1증발기에서 안정적인 열을 취득하여 기화된 냉매가스를 액분리기로 유입하는 축열 취득라인과, 제2팽창변을 거쳐 외부 공기 열교환기인 제2증발기로 보내 외기와의 온도차에 의해 기화된 냉매가스를 액분리기로 유입시키는 공기열원 취득라인이 구비되어서, 축열을 취득한 냉매가스와 공기에서 열을 취득한 냉매가스는 액분리기에서 혼합되고 습 냉매를 완벽히 제거한 후 압축기로 흡입되어 압축된다.

공기 열교환기인 제2증발기는 서리발생시 제상작업을 해야하는데, 이때는 압축된 가스를 사방변을 통해 공기 열교환기로 핫가스가 보내지며 핫가스가 공기 열교환기에서 응축되면 수액기를 거쳐 제상용 열교환기인 제3증발기를 통해 열을 취득후 액분리기를 통해 압축기로 흡입되어 사이클이 운전되면 제상작업이 3 ∼ 5분 내에 완료되는 제상시스템을 위한 라인이 구비되어, 자동 plc제어 시스템에 의해 안정적으로 가동되는 특징이 있으며, 냉방시엔 냉매의 부족 현상을 해소하기 위하여 온수 저장탱크 내부의 온도를 낮춰주어 항상 냉수 온수 또는 냉, 난방 동시 사이클 가동이 되게 하기위한 쿨링타워가 대형 사업장에선 구비되어 매우 안정적인 히트펌프 사이클이 운전되도록 히트펌프를 구성한 특징이 있다.

본 발명에서 냉매회로는 종래의 에어컨처럼 한쪽 방향으로만 안정되게 흐르게 되어 매우 안정적인 히트펌프 사이클 운전이 될 수 있으며, 특히 온수 및 온풍을 생산하는 히트펌프의 겨울철 효율감소 방지를 위해 축열 열교환기에서의 증발온도를 45℃ 이상으로 올려주어 냉동 마력당 7,500kcal/hr이상이 생산되는 조건을 인위적으로 주게 되고, 공기열원 열교환기에서는 냉동 마력당 1,800kcal/hr가 생산되는 두 조건을 복합적으로 구성하는 본 발명을 충족하면 평균 냉동 마력당 4,500kcal/hr 이상의 열량을 동절기에도 생산되게 하여 히트펌프의 제안 댓수를 줄이는 효과가 있다.

또한 동절기에도 태양열 및 전기 축열원이 가미되어 안정적 포화증기 흡입에의해 가동 안정성이 확보되어 냉동기 소손이 생기지않아 전체 장비의 내구성이 에어컨과 같은 수명을 가지게 되는 효과가 있다. 결국 냉동기 소손 원인인 습증기 압축과 냉매 흐름의 부족에 의한 오일량 부족을 해소하여 원할한 압축기 가동 안정성을 확보하게 되었고, 고열량 생산을 위한 히트펌프 시스템으로 농업용 급탕 난방기 및 가정용 보일러화를 위한 제품의 저가 보급효과를 가져왔다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 히트펌프장치의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 히트펌프장치의 난방운전 냉매 흐름도
도 3은 본 발명 한 실시예의 히트펌프장치의 제상운전 냉매 흐름도

도 1은 본 발명 한 실시예의 냉,난방 동시모드 축열혼용 공기열 히트펌프 장치의 개념도 로써, 본 발명은 R-407c냉매, R-134a냉매 및 R-410a냉매 등을 이용 22kg/㎠ ∼ 28kg/㎠ 내외의 압력에서 70℃ 내외의 온도로 핫가스를 토출하는 압축기(1), 압축된 고온고압의 냉매 흐름방향을 유도하는 사방변(2), 온수저장조(4)의 물을 65℃내외의 온수로 만들어 주는 응축기(3), 액체 냉매를 제1증발기(9)에 기체상태로 팽창시키는 제1팽창변(7), 액체 냉매를 제2증발기(10)에 기체상태로 팽창시키는 제2팽창변(8)으로 구성된다.

상기 응축기(3)와 상기 제1팽창변(7)은 제1전자변(5)으로 연결되고, 상기 응축기(3)와 상기 제2팽창변(8)은 제2전자변(6)으로 각각 연결되어 상기 응축기(3)에서 빠져나온 냉매는 외기온도에 비례하여 상기 각 증발기(9)(10)에서 공기열, 태양열 및 전기히터의 열로써 증발된다.

상기 제1증발기(9)는 축열조(11)와 펌프로 연결되어 축열조의 열매체가 순환되며, 상기 축열조(11)의 열매체는 태양열 집열기(13)와 다른 펌프로 연결되어 태양열에 가열되도록 구성된다. 상기 축열조(11)에는 흐린날 태양열원이 부족할때 사용하는 전기히터(12)가 더 구비된다. 그리고 상기 제2증발기(10)는 모터로 회전되는 다수의 팬이 구비되어 냉매관으로 흐르는 냉매를 외기와 열교환시킨다.

상기 온수저장조(4)는 상기 제2증발기(10)의 제상을 위한 제3증발기(15)가 구비되는데, 제상사이클운전시 상기 압축기(1)에서 토출된 핫가스는 상기 제2증발기(10)를 거치면서 열교환핀에 달라붙은 성애를 빠르게 제상시키고, 이후 상기 제3증발기(15)에서 온수저장조(4)의 온수에 의해 증발된 뒤 압축기(1)로 순환되는 사이클이 구성된다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예는 난방시 태양열 및 공기열로써 냉매의 증발열원을 사용하는데, 간절기에는 공기열 비중이 놓게 하고 동절기에는 태양열 비중을 더 높게 하여 혹한기에도 안정된 온수생산이 가능하도록 한 것이다.

이하 본 발명 한 실시예의 난방운전 사이클은 다음과 같이 형성된다. 먼저 압축기(1)에서 고온고압의 핫가스 냉매가 토출되면 사방변(2)에 의해 응축기(3)로 향하게 되는데, 상기 온수저장조(4)의 물은 온수펌프(14)에 의해 상기 응축기(3)로 순환되기 때문에 핫가스에 의해 물이 온수로 가열된다.

상기 응축기(3)에서 열교환이 일어난 냉매는 상기 제1전자변(5)의 개방으로 제1팽창변(7)에서 팽창된 뒤 상기 제1증발기(9)에서 태양열 또는 전기히터(12)의 열에 의해 증발이 일어나고, 또한 상기 제2전자변(6)의 개방으로 제2팽창변(8)에서 팽창된 뒤 상기 제2증발기(10)에서 공기열원에 의해 증발이 일어난다. 이후 상기 제1,2증발기(9)(10)에서 토출되는 냉매는 액분리기를 거쳐 압축기(1)로 순환되는 사이클이 형성된다.

본 발명은 외기의 온도에 따라 상기 제1,2증발기(9)(10)로 순환되는 냉매량을 상기 제1,2전자변(5)(6)으로 비례제어할 수 있다. 간절기에는 공기열원 비중을 높게하고 동절기에는 외기온도가 낮아 공기열원이 부족하므로 이때는 태양열원 및 전기히터의 열원 비중을 높게하여 냉매의 증발열원이 부족하지 않도록 하였다.

또한 상기 제2증발기(10)에 성애가 발생되면 도 3에 도시된 바와 같은 운전사이클이 구성되어 약 3분 이내의 시간에 제상이 이뤄지도록 하였다.

1 : 압축기 2 : 사방변
3 : 응축기 4 : 온수저장조
5 : 제1전자변 6 : 제2전자변
7 : 제1팽창변 8 : 제2팽창변
9 : 제1증발기 10 : 제2증발기
11 : 축열조 12 : 히터
13 : 태양열 집열기 14 : 온수펌프
15 : 제3증발기

Claims (3)

1. 압축기에서 토출되는 핫가스 냉매로 온수저장조의 물을 응축기에서 가열하여 온수를 생산하고, 상기 응축기에서 빠져나온 냉매의 일부는 제1팽창변을 거쳐 제1증발기로 순환되고, 나머지 냉매는 제2팽창변을 거쳐 제2증발기로 순환되며,
   상기 제1증발기는 태양열집열기와 연결된 축열조의 열원으로 냉매를 증발시키고, 상기 제2증발기는 외기의 공기열원으로 냉매를 증발시키며,
   상기 축열조에는 전기히터가 내장되어 흐린날 태양열을 보충하며,
   상기 제1,2증발기를 거친 냉매는 상기 압축기로 순환되는 사이클이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 응축기와 상기 제1팽창변은 제1전자변으로 연결되고, 상기 응축기와 상기 제2팽창변은 제2전자변으로 연결되어 외기온도에 따라 상기 제1,2증발기로 향하는 냉매량이 비례제어되도록 한 것을 특징으로 하는 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 온수저장조에는 온수가 순환되는 제3증발기가 구비되는데, 상기 제2증발기의 제상운전시 상기 압축기에서 토출된 핫가스 냉매가 상기 제2증발기를 거쳐 상기 제3증발기에서 온수열을 받도록 한 것을 특징으로 하는 태양열 및 전기 축열 혼용식 공기열원 히트펌프장치.

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