KR20130112394A - 고효율 하이브리드식 히트펌프장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프시스템을 이용하여 물을 가열 또는 냉각시켜서 냉난방 및 냉.온수를 생산할 수 있는 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 물을 가열시키는 방법에 있어서 기존의 수열원, 공기열원 히트펌프시스템의 치명적인 단점인 외기온도가 낮을시(5℃이하) 급격히 열효율이 떨어지는 단점을 완벽하게 보완하여 고온수가 필요시 히트펌프와 고온용 냉매를 이용한 고압 압축기를 장착한 2단 압축 히트펌프시스템을 구성하여 고온수(80℃이상)를 필요로 하는 곳에 사용 할 수 있으며, 외기온도와 전혀 상관없고 제상운전이 필요 없는 냉난방과 냉온수를 생산할 수 있는 히트펌프장치에 관한 것이다.

Description

고효율 하이브리드식 히트펌프장치{High-efficiency heat pump equipment hayibeurideusik}

본 발명은 히트펌프시스템을 이용하여 물을 가열 또는 냉각시켜서 냉난방 및 냉 온수를 생산할 수 있는 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 물을 가열시키는 방법에 있어서 기존의 수열원, 공기열원 히트펌프시스템의 치명적인 단점인 외기온도가 낮을시(5℃이하) 급격히 열효율이 떨어지는 단점을 완벽하게 보완하여 고온수가 필요시 히트펌프와 고온용 냉매를 이용한 고압 압축기를 장착한 2단 압축 히트펌프시스템을 구성하여 고온수(80℃이상)를 필요로 하는 곳에 사용할 수 있으며, 외기온도와 전혀 상관없고 제상운전이 필요 없는 냉난방과 냉온수를 생산할 수 있는 히트펌프장치에 관한 것이다.

일반적으로 주택과 같은 주거공간 또는 사무실이나 공장과 같은 작업공간에서는 하절기의 냉방과 동절기의 난방이 생활환경의 주된 개선 요인으로 부각되고 있으며, 최근에는 인구의 증가에 따른 주거공간의 확산과 산업개발에 따른 공장부지 및 사무실의 증가로 인하여 냉,난방에 소요되는 에너지의 수요 또한 급격히 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 에너지 수요의 증가에 비하여 에너지의 공급은 석유나 천연가스와 같은 화석연료의 가격상승과, 화석연료의 연소과정에서 발생하는 매연 등에 의한 환경오염으로 그 수요를 충분히 따라가지 못하고 있으며, 특히 농,축산업 및 수산업의 분야에서는 시설농가와 양식업의 경영자들이 화석연료의 사용에 따른 냉,난방비의 상승으로 경영압박을 받고 있는 실정이고, 제조업의 분야에서도 마찬가지로 에너지의 조달에 소요되는 비용의 상승으로 많은 어려움을 겪고 있다.

이러한 요인을 극복하기 위하여, 최근에 들어서는 공해를 발생시키지 않으면서도 화석연료와 거의 동등한 수준의 에너지를 얻을 수 있도록, 냉매의 압축과 응축 및 증발의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉,난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화 되었으며, 그 중에서도 온수의 공급 및 냉,난방을 동시에 수행할 수 있도록 한 하이브리드식 히트펌프 온수장치가 대표적으로 보급되고 있다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프 온수장치에 있어서도 동절기와 같이 실외의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우, 히트펌프의 증발부를 15 ~ 20℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게 되므로, 컴프레셔의 작동이 중지되는 등 히트펌프 온수장치의 원활한 사용이 어렵게 되며, 이로 인하여 화석연료에 의한 별도의 가열을 통하여 히트펌프의 증발부 열원을 보충토록 함으로서, 화석연료의 사용에 따른 에너지 조달비용의 상승과 공해의 문제점을 완전히 해소하지는 못하였다.

상기와 같이 동절기에 발생하는 히트펌프 온수장치의 증발부 열원부족을 태양열에 의하여 보충토록 한 것으로서 태양열 집열기를 사용하여 흡수한 태양열을 물과 같은 잠열축열재에 저장하여 두었다가 필요시 히트펌프 온수장치의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있으나, 야간에는 사용이 불가능하므로 히트펌프 온수장치의 증발부 열원을 충분히 확보하기는 어렵게 된다.

이러한 단점을 보완할 수 있도록, 대기나 지표면에 산재하는 열을 태양열과 함께 히트펌프 온수장치의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있는바, 대부분의 경우 주간에는 태양열에 의하여 히트펌프 온수장치의 증발열원이 보충되도록 하고, 야간에는 대기열이나 지열에 의하여 히트펌프 온수장치의 증발열원이 보충되도록 한 것이다.

그러나 상기와 같은 히트펌프 온수장치의 경우에도 태양열과 대기열 및 지열과 같은 각각의 증발열원을 개별적으로 운용함에 따라 태양열과 대기열 및 지열과 같은 증발열원의 유기적인 적용을 이루어내지 못함으로써 증발열원의 효율적인 관리가 어렵게 되었으며, 야간시나 우천시 또는 흐린 날씨와 같이 증발열원의 확보가 용이하지 못한 상황에서는 히트펌프 온수장치를 고효율로 가동시킬 수 없는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 동절기시 증발열원의 확보를 위하여 실외에 설치되는 태양열 집열기나 대기열 회수기 등의 대형장치에만 주로 의존하게 됨으로써, 증발열원의 확보를 위한 설비투자비용을 고려할 경우 히트펌프 온수장치의 가동에 따른 경제성이 저하됨은 물론이고, 장소적인 여건으로 말미암아 태양열과 대기열 등의 회수장치를 설치하기 어려운 상황이 발생할 경우에는, 동절기시의 증발열원을 확보할 수 있는 대안이 전혀 마련되어 있지 못한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 에너지 절약형 친환경 히트펌프 냉 난방 냉.온수시스템은 난방의 목적을 달성한 온수의 열을 증발부의 부족한 열원으로 사용함으로써 버려지는 열을 이용해서 제상운전을 실행하지 않는 하이브리드식 히트펌프장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 버려지는 열을 이용함으로써 에너지 절약과 제상 운전시 낭비되는 에너지를 획기적으로 절감해 고효율과 환경에 영향을 끼치지 않는 친환경 고효율 하이브리드식 히트펌프장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적으로는 히트펌프의 특성과 2단 압축시스템의 특성을 살려 히트펌프의 운전영역과 2단 압축시스템의 운전영역으로 분리해서 효율은 최대한 상승시키고 에너지는 절약시켜 고온수(90℃)를 생산할 수 있는 하이브리드식 히트펌프장치를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로써, 냉매가 콤프레샤에서 응축용 열교환기로 고온인 상태로 유입되며 수액기와 드라이어 및 팽창변을 지나 열증발기용 판형열교환기를 지나면서 냉각되고 증발기, 프레이트형 증발기를 거쳐 축열기를 지나 콤프레샤로 회귀하는 1단계,

히트펌프 사이클과, 냉매가 콤프레샤에서 응축용 열교환기로 고온인 상태로 유입되며 수액기와 드라이어 및 팽창변을 지나 열증발기용 판형열교환기를 지나면서 냉각되고 증발기, 프레이트형 증발기를 거쳐 축열기를 지나 콤프레샤로 회귀하는 2단계,

히트펌프 사이클과, 상기 응축용 열교환기와 온수가 순환되게 연결되는 온수탱크(S1)와, 상기 판형 열교환기과 냉수가 순환되게 연결되는 냉수탱크로 구성된 고효율 하이브리드식 히트펌프장치를 제공함에 있다.

또한, 상기에서 증발기는 태양열집열기임을 특징으로 한다.

또한, 상기에서 태양열 집열기는 내부에 한 쌍의 알루미늄판의 내부에 유로가 형성된 평판 집열기와, 상기 평판집열기 상면에 형성되며 내부가 진공상태인 유리관 내부에 집열판이 형성된 히트파이프가 삽입되어 이루어지는 진공관 집열기로 이루어짐에 특징이 있다.

이상 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치는 히트펌프 장치에 의하여 온수를 생산함과 더불어 이 온수를 2단 히트펌프장치를 이용하여 한번 더 데워 고온수로 변화시킴으로써 히트펌프 장치의 효율을 높이고 80도 이상의 고온수의 생산이 가능한 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 80도 이상의 고온수를 생산함으로써 난방 및 온수로 사용함을 물론 증발부의 부족한 열원으로 사용할 수 있어 종래 히트펌프 시스템의 문제점인 제상운전이 필요치 않음으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치 중 증발기 부분의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치 중 증발기의 진공관의 내부를 보인 부분 단면 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치 중 증발기의 보조판의 구성을 보인 분해 사시도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 하이브리드식 히트펌프장치는 냉매가 콤프레샤(1)에서 응축용 열교환기(2)로 유입되어 온수를 생산하여 온수탱크(S1)으로 보내고 다시 수액기(3)와 드라이어(4) 및 팽창변(5)를 지나 열증발기용 판형열교환기(6)를 지나면서 냉수를 생산하여 냉수탱크(S2)로 보내고 증발기(7), 프레이트형 증발기(8)를 거쳐 축열기(9)를 지나 콤프레샤(1)로 회귀하는1단계 히트펌프 사이클(10)을 통하여 온수와 냉수를 생산한다.

한편, 상기와 같은 구성을 통하여 생성된 온수와 냉수는 2차 히트펌프 사이클(20)을 통과하며 고온수와 고냉수를 생성하게 된다.

즉, 1차 히트펌프 사이클을 통하여 생성된 온수와 냉수가 각각의 탱크(S1, S2)에 저장된 상태에서 냉매는 2차 히트펌프 사이클(20) 측으로 이동하면서 더욱 온도가 상승한다.

상기 2차 히트펌프 사이클(20)은 1차 히트펌프 사이클(10)과 유사한 형태를 갖는다.

즉, 상기 2차 히트펌프 사이클(20)은 콤프레샤(11)에서 응축용 열교환기(12)로 유입되어 온수를 생산하여 온수탱크(S1)으로 보내고 다시 수액기(13)와 드라이어(14) 및 팽창변(15)를 지나 열증발기용 판형열교환기(16)를 지나면서 냉수를 생산하여 냉수탱크(S2)로 보내고 증발기(17), 프레이트형 증발기(18)를 거쳐 축열기(19)를 지나 콤프레샤(11)로 회귀하는 구성을 갖는다.

즉, 상기와 같은 1차 히트펌프 사이클(10)과 2차 히트펌프 사이클(20)을 통과한 냉매는 온수탱크(S1)에서 1차 히트펌프 사이클(10)에 의하여 얻어진 55도 정도의 중저온수를 80도 이상의 고온수로 변화시키고 냉수탱크(S2)에서는 극냉수를 생산할 수 있다.

또한, 상기와 같은 복합된 하이브리드식 히트펌프 시스템의 구성에 의하여 생성된 80도 이상의 고온수는 실내의 난방 또는 고온수로 사용할 수 있으며 특히, 히트펌프 시스템의 실외기 온도조절용으로 활용함으로써 재상운전 등에 소모되는 에너지를 절감할 수 있어 전력소모를 최소화할 수 있는 특징을 갖는다.

도 2 내지 도 4는 상기 설명한 하이브리드식 히트펌프 시스템의 구성중 증발기(8, 18) 부분을 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 상기 증발기(8, 18)는 크게 일반적인 진공관 스타일의 태양열집열기의 형태를 갖는다.

상기 태양열집열기(30)는 크게 내부에 한 쌍의 알루미늄판(31)의 내부에 유로(32)가 형성된 평판 집열기(33)와, 이 평판집열기(33) 상면에 형성되며 내부가 진공상태인 유리관(34) 내부에 집열판(35)이 형성된 히트파이프(36)가 삽입되어 이루어지는 진공관 집열기(37)로 구성된다.

상기 평판집열기(33)는 한 쌍의 알루미늄판(31) 내부에 열매체가 수용되는 유로(32)가 형성되며 상기 유로는 상부에 형성되는 진공관 집열기(37)의 히트파이프와 연결되어 열매체가 혼합되는 형태를 갖는다.

상기 진공관 집열기(37)는 태양광선이 투명한 유리관(34)을 통과하여 티타늄 코팅 된 집열판(35)에 부딪힘과 동시에 태양광선이 적외선으로 변환되는데, 이 적외선은 투명한 유리관(34)을 통과하여 외부로 나가지 못하기 때문에 유리관(34) 내부에 태양열이 축적되며, 이로 인하여 진공관집열기(37)의 내부온도가 점점 상승하게 된다.

또한, 유리관(34)의 내부에 형성된 집열판(35)의 중앙에는 히트파이프(36)가 일체로 형성되어 집열판(35)에 형성된 고온이 히트파이프(36)로 전달되는 과정을 통하여 유리관(34)의 내부에 축적된 태양열을 히트파이프 내부의 열매체가 흡수하게 된다.

이와 같은 구성을 통하여 축열탱크(미도시)의 내부에는 태양열을 흡수한 열매체가 순환 또는 일시 저장됨으로서, 순환펌프를 구비하는 온수배출관을 따라 온수탱크로부터 축열탱크의 내부로 공급된 물이 축열탱크의 내부에서 열매체와 열교환을 수행하여 가열되며, 이와 같이 가열된 물을 온수공급관을 거쳐 온수탱크의 내부로 공급시킬 수 있게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다.

10 ... 1단계히트펌프 사이클 1, 11 ... 콤프레셔
2, 12 ... 응축용 열교환기 3, 13 ... 수액기
4, 14 ... 드라이어 5, 15 ... 팽창변
6, 16 ... 판형 열교환기 7, 17 ... 증발기
8, 18 ... 프레이트형 증발기 9, 19 ... 축열기
20 ... 2단계 히트펌프 사이클 30 ... 태양열 집열기

Claims (3)

1. 냉매가 콤프레샤(1)에서 응축용 열교환기(2)로 고온인 상태로 유입되며 수액기(3)와 드라이어(4) 및 팽창변(5)을 지나 열증발기용 판형열교환기(6)를 지나면서 냉각되고 증발기(7), 프레이트형 증발기(8)를 거쳐 축열기(9)를 지나 콤프레샤(1)로 회귀하는 1단계 히트펌프 사이클(10);과
   냉매가 콤프레샤(11)에서 응축용 열교환기(12)로 고온인 상태로 유입되며 수액기(13)와 드라이어(14) 및 팽창변(15)를 지나 열증발기용 판형열교환기(16)를 지나면서 냉각되고 증발기(17), 프레이트형 증발기(18)를 거쳐 축열기(19)를 지나 콤프레샤(11)로 회귀하는 2단계 히트펌프 사이클(20);과
   상기 응축용 열교환기(2, 12)와 온수가 순환되게 연결되는 온수탱크(S1)와;
   상기 판형 열교환기(6, 16)과 냉수가 순환되게 연결되는 냉수탱크(S2);로 구성됨을 특징으로 하는 고효율 하이브리드식 히트펌프장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 증발기(8, 18)은 태양열집열기(30)임을 특징으로 하는 고효율 하이브리드식 히트펌프장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 태양열 집열기(30)는 내부에 한 쌍의 알루미늄판(31)의 내부에 유로(32)가 형성된 평판 집열기(33);와
   상기 평판집열기(33) 상면에 형성되며 내부가 진공상태인 유리관(34) 내부에 집열판(35)이 형성된 히트파이프(36)가 삽입되어 이루어지는 진공관 집열기(37);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고효율 하이브리드식 히트펌프장치.

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