KR20140007676A - 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치 - Google Patents

수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치에 관한 것이다.
본 발명은 통상의 공기열원 히트펌프를 이용한 난방장치에다가 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기와 압축기 사이의 냉매순환라인에는 냉매와 수열 교환을 꾀하여 압축기로 유입되는 냉매가스의 과열도를 높여줄 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기가 구비되고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기는 이에 열원을 공급하는 열원공급기가 구비되며, 상기 열원공급기에서 수열 교환하는 열매체를 순환시킬 수 있도록 제1열매체순환펌프를 갖는 제1열매체라인이 포함되어 연결되는 것을 특징으로 한다.
따라서 동절기와 같이 외기온도도 5℃이하로 낮아졌을 때 압축기로 들어가는 냉매가스의 과열도를 높여주고 이렇게 냉매가스의 과열도를 높임으로 인한 압축기의 토출가스온도가 높아져 응축기에서의 방열량이 많아 온열생산능력이 증대되도록 하는데 유용하게 이용할 수 있다.

Description

수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치{Water heat utilizing apparatus of air heat source heat pump using water heat source by secondary heat source}
본 발명은 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 공기열원 히트펌프의 사이클을 이루는 공기열원 증발기와 압축기 사이의 냉매순환라인에 공기열원 증발기에서 1차 증발된 냉매가스를 열원공급기로부터 잉여 수열원을 공급받아 수열 교환하는 냉매 대 열매체 보조열교환기를 마련하여 압축기로 인입되는 냉매가스의 과열도를 높여 히트펌프의 난방 및 온수생산능력을 증대시킴은 물론 히트펌프의 효율을 증가시킬 수 있는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치에 관한 것이다.
통상, 하우스 등과 같이 난방을 요하는 난방시설물은 히트펌프를 이용하여 직간접적으로 수행한다. 상기 히트펌프는 증발기의 열 교환하는 방식에 따라 수열교환방식과 공기열원교환방식 등이 있으나, 사용처에 따라 적합한 것을 채택하여 사용하고 있다.
상기 히트펌프가 공기열원 교환방식인 경우는 공기열원 히트펌프가 가동되면 공기열원 증발기에서 공기의 현열을 이용하여 냉매가 저온, 저압 하에서 증발될 때 공기를 통과시켜 공기가 통과되는 동안 기열 교환하여 증발된 냉매를 압축기로 안내하여 압축하는 것이고, 히트펌프가 수열교환방식인 경우에는 증발기에 열매체인 물을 통과시켜 열매체가 통과되는 동안 수열 교환하여 증발된 냉매를 압축기로 안내하고 압축기에서 난방시설물 내부에 위치한 응축기인 방열기에서 방열하도록 함으로써 난방하고자 하는 난방시설물을 난방하게 된다.
위와 같이 히트펌프는 공기열원교환방식과 수열교환방식으로 각각 마련된 경우에 대해서만 언급하였으나 공기열원교환방식과 수열교환방식을 결합 혼용하여 사용하기도 한다.
상기한 바와 같은 공기열원 히트펌프는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 공기열원 증발기가 냉매순환라인을 통해 연결되어 하나의 사이클을 이루고 구비되어 있으며, 상기 공기열원 히트펌프가 가동되면 압축기가 가동됨에 따라서 고온고압의 가스냉매로 압축되고, 이렇게 압축된 냉매는 응축기로 압송되며, 냉매가 응축기를 통과하는 동안 열 교환(방열)하여 응축기 주위를 가온시키면서 고온고압의 액상냉매로 응축된다.
이렇게 응축된 고온고압의 액상냉매는 팽창밸브에서 저압상태로 되면서 공기열원 증발기에서 증발되게 되고, 이렇게 공기열원 증발기에서 냉매가 증발(기화)됨에 따라 기화에 필요한 냉매의 기화열을 외부로부터 흡수하므로 공기열원 증발기의 주위는 냉각되게 되며, 상기 공기열원 증발기를 통과한 저온저압의 가스냉매는 압축기에 의해 흡입 압축되어 상기에서 언급한 바와 같은 과정을 반복적으로 수행하는 동안 공기열원 증발기에서 지속적인 열 교환이 이루어지게 되는 것이다.
위에서 설명한 바와 같이, 공기열원 히트펌프가 가동될 때 공기열원 증발기의 냉매온도는 공기열원 증발기와 열 교환을 위해 흡입되는 외기(외부공기)에서 빼앗아 상승(5℃정도)되게 되고, 이렇게 상승된 냉매는 압축기로 흡입되어 고온고압의 가스냉매로 압축된다. 이렇게 공기열원 증발기에서 압축기로 흡입되는 동안 냉매는 완전기체상태의 가스냉매로 되어 흡입되어야 하나, 외기온도가 5℃이하로 낮은 경우에는 완전기체로 기화되지 못하고 안개와 같은 입자상태의 액상냉매로 흡입되게 된다.
그러나 상기한 바와 같은 기존의 공기열원 히트펌프에 있어서는, 외기온도가 낮아 공기열원 증발기가 충분히 열 교환하지 못하면 공기열원 증발기 내의 냉매는 완전히 증발(기화)되지 않아 안개와 같은 입자상태의 액상으로 존재하며, 이렇게 안개와 같은 입자상태의 액상냉매로 공급되면 압축기에서 압축하는 과정에서 액상 냉매의 압축이 발생하여 압축기의 압축률저하는 물론이고 심지어는 압축기의 손상으로 이어진다는 문제점이 있었다.
또한, 외기온도가 5℃이하로 낮은 경우에는 공기열원 증발기와 열 교환을 위해 흡입되는 외기로부터 공기열원 증발기의 냉매를 기화시킴에 필요한 기화열이 부족하므로 압축기로 흡입되는 냉매가스의 온도가 낮을 수밖에 없으며 이로 인하여 압축기에 의해 압축된 후의 토출가스온도 또한 낮아 응축기에서의 방열량이 적어 온수생산능력이 저하되게 된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구개발한 것으로서, 그 목적은 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기와 압축기 사이에 냉매순환라인의 냉매를 가열할 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기를 마련함으로써 동절기에 외기온도(5℃이하)가 낮아졌을 때 압축기로 들어가는 냉매가스의 과열도를 높여주고 이렇게 냉매가스의 과열도를 높임으로 인한 압축기의 토출가스온도가 높아져 응축기에서의 방열량이 많아 온수생산능력이 증대되도록 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉매 대 열매체 보조열교환기에 공급되는 열매체를 차단하고 빼낼 수 있는 차단밸브와 배수밸브를 마련하거나 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기를 우회할 수 있는 우회라인을 마련함으로써 냉매 대 열매체 보조열교환기를 사용하지 않을 때 공기열원 증발기과 압축기 사이의 가스냉매가 갖는 냉기(-15~-10℃)에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기의 열매체가 얼음으로 인한 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있도록 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉매 대 열매체 보조열교환기에 열매체를 공급할 수 있는 열원공급기가 연결되고 상기 열원공급기는 우수나 난방시설물의 잉여 열을 저장할 수 있거나 기존의 냉방장치로 대체 연결함으로써 공기열원 증발기에서 압축기로 흡입되는 냉매가스의 과열도를 충분히 높여 공급하며 이로 인하여 압축기의 토출가스온도가 높아져 응축기에서의 방열량이 많아 온수생산능력이 증대되도록 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 공기열원 증발기가 냉매순환라인을 통해 연결되어 하나의 사이클을 이루되 상기 응축기는 난방시설물 내에 설치되는 공기열원 히트펌프로 마련되며, 이 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기와 압축기 사이의 냉매순환라인에는 냉매와 수열 교환을 꾀하여 압축기로 유입되는 냉매가스의 과열도를 높여줄 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기가 구비되고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기는 이에 열원을 공급하는 열원공급기가 구비되며, 상기 열원공급기에서 수열 교환하는 열매체를 순환시킬 수 있도록 제1열매체순환펌프를 갖는 제1열매체라인이 포함되어 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 공기열원 히트펌프는 응축기가 공기열원 히트펌프의 함체에 수열교환방식 응축기로 마련되며, 상기 난방시설물에 방열기가 마련되되 응축기와 수열 교환하는 열매체를 제2열매체순환펌프에 의해 순환시킬 수 있도록 난방시설물에 이르기까지 제2열매체라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기를 통과한 후 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있도록 냉매 대 열매체 보조열교환기의 제1열매체순환라인에는 열매체의 공급을 차단할 수 있는 차단밸브가 마련되고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기의 열매체를 빼낼 수 있는 배수밸브가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉매 대 열매체 보조열교환기를 사용하지 않을 때 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기를 통과한 후 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있도록 냉매 대 열매체 보조열교환기의 전후위치인 냉매순환라인에는 냉매우회라인이 마련되고 이 냉매우회라인과 냉매순환라인에는 냉매유로전환을 위한 제1전환밸브가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2열매체라인에는 응축기와 수열 교환하여 얻은 열매체를 저장할 수 있는 축적탱크가 마련되고 이 축적탱크와 난방시설물 사이의 제2열매체라인에는 축적탱크의 열매체를 난방시설물로 공급 순환시키기 위한 제3열매체순환펌프가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 열원공급기는 생활폐수나 우수가 갖는 현열을 저장할 수 있는 현열탱크로 마련될 수 있으며, 상기 현열탱크에는 난방시설물의 지붕에 내리는 우수를 집수하는 물받이와 이로부터 수열공급탱크에 이르기까지 우수라인을 연결하여 마련할 수 있다.
상기 열원공급기는 하절기의 냉방을 위하여 냉방기가 구비된 기존냉방장치로 대체하여 활용할 수 있으며, 상기 기존냉방장치에서 시설물의 실내기에 이르기까지 순환되게 연결되어 있는 냉방순환라인과 제1열매체순환라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 주간 햇볕의 복사열에 의하여 난방시설물의 온도가 상승하여 환기 내지 냉방하여야 하는 잉여 열을 회수할 수 있도록 상기 축적탱크와 난방시설물 사이의 제2열매체라인을 열원공급기와 잉여 열 회수라인으로 연결하고 이 잉여 열 회수라인과 제2열매체라인에 잉여 열 회수밸브를 마련한 것을 특징으로 한다.
상기 열원공급기는 이 열원공급기만으로 열원이 부족한 경우를 대비하여 지열이나 지하수 등과 열 교환하여 얻은 지열을 공급할 수 있는 지열교환기가 연결 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 공기열원 히트펌프는 압축기와, 응축기 및 공기열원 증발기 사이에 냉매의 흐름을 전환시키기 위한 사방밸브가 구비된 경우에도 적용할 수 있으며, 이러한 경우에는 냉방모드로 가동시킬 때엔 응축기와 공기열원 증발기가 난방모드와 반대의 기능을 수행하므로 냉방모드에서는 편의상 난방모드에서의 응축기를 냉방증발기로, 공기열원 증발기를 냉방응축기로 표현하여 설명한다.
이때, 공기열원 히트펌프의 냉방증발기를 통과한 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기를 재차 냉매 대 열매체 보조열교환기에서 회수하도록 냉방증발기와 축적탱크 사이의 제2열매체라인을 제1열매체라인과 제3열매체라인으로 연결한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치는 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기와 압축기 사이에 냉매순환라인의 냉매를 가열할 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기를 마련함으로써 동절기에 외기온도(5℃이하)가 낮아졌을 때 압축기로 들어가는 냉매가스의 과열도를 높여주고 이렇게 냉매가스의 과열도를 높임으로 인한 압축기의 토출가스온도가 높아져 응축기에서의 방열량이 많아 온수생산능력이 증대되는 등의 효과를 얻는다.
또한, 본 발명은 냉매 대 열매체 보조열교환기에 공급되는 열매체를 차단하고 빼낼 수 있는 차단밸브와 배수밸브를 마련하거나 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기를 우회할 수 있는 우회라인을 마련함으로써 냉매 대 열매체 보조열교환기를 사용하지 않을 때 공기열원 증발기과 압축기 사이의 가스냉매가 갖는 냉기(-15~-10℃)에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기내부 열매체의 동결로 인한 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있는 등의 효과를 얻는다.
그리고 본 발명은 냉매 대 열매체 보조열교환기에 열매체를 공급할 수 있는 열원공급기가 연결되고 상기 열원공급기는 우수나 난방시설물의 잉여 열을 저장할 수 있거나 기존의 냉방장치로 대체 연결함으로써 공기열원 증발기에서 압축기로 흡입되는 냉매가스의 과열도를 충분히 높여 공급하며 이로 인하여 압축기의 토출가스온도가 높아져 응축기에서의 방열량이 많아 온수생산능력이 증대되는 효과를 얻는다.
도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 공기열원 히트펌프에서 요부인 냉매 대 열매체 보조열교환기에 대한 다른 실시 예들을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치들을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 장치에서 공기열원 히트펌프의 함체에 사방밸브가 구비된 공기열원 히트펌프에 적용한 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 일실시예의 기본적인 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 나타낸 도면이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치는 압축기(11), 응축기(12), 팽창밸브(13) 및 공기열원 증발기(14)가 냉매순환라인(15)을 통해 연결되어 하나의 사이클을 이루는 공기열원 히트펌프(10)가 구비되되, 상기 공기열원 히트펌프(10)의 응축기(12)는 함체(16)의 내부가 아닌 난방시설물(20)에 설치되어 있으며, 상기 공기열원 히트펌프(10)의 공기열원 증발기(14)와 압축기(11) 사이의 냉매순환라인(15)에는 냉매와 수열 교환을 꾀하여 압축기(11)로 유입되는 냉매가스의 과열도를 높여줄 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)가 구비되어 있고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)는 이에 열원을 공급하는 열원공급기(40)가 구비되어 있으며, 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)와 열원공급기(40)는 이 열원공급기(40)에서 수열 교환하는 열매체를 순환시킬 수 있도록 제1열매체순환펌프(42)를 갖는 제1열매체순환라인(41)이 연결되어 있다.
상기 공기열원 히트펌프(10)는 함체(16)내에 응축기(12)를 제외한 압축기(11)와 팽창밸브(13) 및 공기열원 증발기(14)가 구비됨은 물론 냉매 대 열매체 보조열교환기(30) 또한 구비되어 있으며, 상기 공기열원 증발기(14)는 함체(16) 상부의 송풍기(17)에 흡입되는 공기와 열 교환하는 공기열원 교환방식을 채택하고 있고, 상기 응축기(12) 또한 난방시설물(20) 내에서 공기열원 교환방식을 채택하고 있다.
상기 열원공급기(40)는 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에 열매체를 공급 순환시킬 수 있는 것이면 어떠한 열원공급 장치라도 무방하며, 예를 들어, 현열을 갖는 물을 저장하여 열매체로 활용할 수 있는 현열탱크나, 이 현열탱크에는 건물 등에서 발생되는 오배수나 건물 등의 지붕에 내리는 우수는 물론 바닷가의 인근의 해수를 활용할 수 있으며, 이외에 지하수 및 지중토양과 열 교환하는 열매체를 순환시켜 열원을 얻는 지열교환기 등으로 대체될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치가 작동되는 과정을 설명하고자 한다.
먼저, 공기열원 히트펌프(10)가 가동되면, 압축기(11)에 의해 압축된 냉매가 압축기(11)로부터 응축기(12)를 통해 팽창밸브(13)와 공기열원 증발기(14) 및 압축기(11)로 순환되게 전환된다. 이렇게 공기열원 히트펌프(10)가 가동되면 압축기(11)가 가동됨에 따라서 고온고압의 가스냉매로 압축되고, 이렇게 압축된 냉매는 응축기(12)로 압송되며, 냉매가 응축기(12)를 통과되는 동안 기열 교환(방열)하여 응축기(12) 주위를 가온시키면서 고온고압의 액상냉매로 응축된다. 이때, 상기 응축기(12)는 난방시설물(20)의 내부에 구비되어 있어 실내기로서의 역할을 수행하여 난방시설물(20)의 공기온도를 상승시키므로 난방이 이루어지게 되는 것이다.
이렇게 응축된 고온고압의 액상냉매는 팽창밸브(13)에서 저압상태로 변형되어 공기열원 증발기(14)에서 증발되게 되고, 이렇게 공기열원 증발기(14)에서 냉매가 증발(기화)됨에 따라 기화에 필요한 냉매의 기화열을 외부로부터 흡수하므로 공기열원 증발기(14)의 주위는 냉각되게 된다.
상기 함체(16) 상부의 송풍기(17)가 가동되고 있으므로 외기는 송풍기(17)에 의해 공기열원 증발기(14)를 통해 흡입된 후 배출되게 되며, 이렇게 외기가 공기열원 증발기(14)를 통과하는 동안 공기열원 증발기(14)가 필요로 하는 냉매의 기화열을 흡수하게 되고 이로 인하여 공기열원 증발기(14)의 냉매는 기화되게 된다.
상기 공기열원 증발기(14)를 통과한 저온저압의 가스냉매는 압축기(11)에 의해 흡입 압축되어 상기에서 언급한 바와 같은 과정을 반복적으로 수행하는 동안 공기열원 증발기(14)에서 지속적인 열 교환이 이루어지게 되는 것이다.
위와 같이 공기열원 히트펌프(10)가 가동되는 동안 응축기(12)를 통해 방열되는 열로 난방을 수행하게 되며, 이렇게 난방을 수행하는 동안 송풍기(17)에 의해 흡입 배출되는 외기온도가 낮으면 공기열원 증발기(14)를 통과하는 냉매가 완전히 기화되지 못하고 안개와 같은 입자상태로 잔존하게 된다.
이때, 압축기(11)와 공기열원 증발기(14) 사이의 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에는 열원공급기(40)에서 열매체가 제1열매체순환펌프(42)에 의해 제1열매체순환라인(41)을 통해 공급 순환되므로 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)를 통과하는 동안 냉매는 열매체가 갖는 열을 흡수하여 완전히 기화되게 된다. 다시 말해서, 압축기(11)로 인입되는 냉매의 과열도를 높여주게 된다.
이와 같이 같이 압축기(11)로 인입되기 직전의 냉매를 완전히 기화시킴과 아울러 과열도를 높임으로써 압축과정에서 발생될 수 있는 액압축을 방지함은 물론 압축기(11)의 토출가스온도가 높아져 응축기(12)에서의 방열량이 많아 온열생산능력이 증대되게 되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치를 나타낸 도면이다. 여기서는, 공기열원 히트펌프(10)의 함체(16) 내에 압축기(11), 팽창밸브(13), 공기열원 증발기(14) 및 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)는 물론 응축기(12)까지 구비되되, 상기 응축기(12)는 수열 교환방식으로 구비되고 난방시설물(20)에는 방열기(50)가 구비되어 있으며, 상기 응축기(12)와 수열 교환하는 열매체를 제2열매체순환펌프(52)에 의해 순환시킬 수 있도록 난방시설물(20)에 이르기까지 제2열매체라인(51)으로 연결된 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치는, 본 발명의 일실시예인 도 1을 설명한 바와 같이 공기열원 히트펌프(10)와 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 작동은 동일하나, 다만 응축기(12)에서 열매체가 수열 교환되고 이렇게 수열 교환하여 열을 얻은 열매체는 제2열매체순환펌프(52)가 구동됨으로써 제2열매체라인(51)과 방열기(50)를 통해 순환되게 되며, 이렇게 방열기(50)를 통과하는 동안 방열기(50)에서 방열하도록 한다는 점에서 차이가 있다.
도 3 및 도 4는 도 2의 공기열원 히트펌프에서 요부인 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에 대한 다른 실시 예들을 나타낸 것으로서, 상기 공기열원 히트펌프(10)의 공기열원 증발기(14)를 통과한 후 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 동파를 방지하기 위한 수단을 구비시킨 도면이다.
도 3은 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 제1열매체순환라인(41)에 열매체의 공급을 차단할 수 있는 차단밸브(43)를 마련하고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 열매체를 빼낼 수 있는 배수밸브(44)를 마련한 것이며, 도 4는 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 전후위치인 냉매순환라인(15)에 냉매우회라인(15a)을 마련하고 이 냉매우회라인(15a)과 냉매순환라인(15)에는 냉매유로전환을 위한 제1전환밸브(15b)는 물론 역방향으로 흐름을 방지하지 하기 위한 체크밸브(15c)를 마련한 것이다.
상기와 같은 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 동파방지수단에 의하면, 공기열원 히트펌프(10)가 가동되는 상태에서 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)를 사용하지 않을 때에는 차단밸브(43)를 잠그고 배수밸브(44)를 통해서 냉매 대 열매체 보조열교환기(30) 내의 열매체를 빼내거나 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)로 냉매가 통과되지 않고 냉매우회라인(15a)을 통해서만 흐르도록 제1전환밸브(15b)를 개폐시키면 된다.
이렇게 냉매 대 열매체 보조열교환기(30) 내의 열매체를 빼내거나 냉매가 통과되지 않으므로 공기열원 증발기(14)를 통과한 공기열원 증발기(14)와 압축기(11) 사이의 가스냉매가 갖는 냉기온도는 대략 -15~-10℃이라 하더라도 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)가 얼지 않아 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 동파를 미연에 방지할 수 있는 것이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치들을 나타낸 도면이다.
도 5는 기존의 난방시설물(20)에 하절기의 냉방을 위한 기존냉방장치(45)가 구비된 경우로서, 상기 기존냉방장치(45)에서 난방시설물(20)의 실내기(46)에 이르기까지 순환되게 연결되어 있는 냉방순환라인(47)이 연결되어 있으므로 상기 냉방순환라인(47)과 제1열매체순환라인(41)을 연결하여 난방시설물(20)을 냉방하면서 회수하여 되돌아오는 기존냉방장치(45)의 폐열을 열원공급기(40)의 열원으로 활용할 수 있는 것이다.
도 6은 제2열매체라인(51)이 2분할되게 마련하되 그 분할부분에 공기열원 히트펌프(10)의 응축기(12)와 열교환하여 열을 얻은 열매체를 저장할 수 있는 축적탱크(53)를 마련하고 이 축적탱크(53)와 난방시설물(20) 사이의 제2열매체라인(51)에는 축적탱크(53)의 열매체를 난방시설물(20)로 공급 순환시키기 위한 제3열매체순환펌프(54)를 마련한 것이다. 상기 열원공급기(40)에는 난방시설물(20)의 지붕에 내리는 우수를 집수하는 물받이(55)와 이로부터 열원공급기(40)에 이르기까지 우수라인(56)을 마련한 것이다.
상기와 같은 본 발명의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치에 의해서는, 공기열원 히트펌프(10)가 가동되는 동안 응축기(12)에서 고열이 발생되게 되는데, 이때 제2열매체라인(51)의 제2열매체순환펌프(52)가 가동되게 되면 축적탱크(53) 내의 열매체를 지속적으로 순환시켜 축적탱크(53)에 열을 축적하게 된다.
이러한 상태에서 제2열매체라인(51)의 제3열매체순환펌프(54) 또한 가동시키면 축적탱크(53) 내의 열매체가 제2열매체라인(51)와 방열기(50)를 통해 축적탱크(53)로 순환되게 되며, 이때, 난방시설물(20)내의 방열기(50)에서 열매체가 가지고 있는 열을 발산하므로 난방시설물(20)의 난방이 이루어지게 된다.
비가 내리게 되면 난방시설물(20)의 지붕을 따라 흘러내리는 우수가 물받이(55)에 모아지게 되고 이렇게 물받이(55)에 의해 모아진 우수는 우수라인(56)을 통해 열원공급기(40)에 저장되므로 우수가 갖는 현열을 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 열원으로 활용할 수 있는 것이다.
도 7은 주간 햇볕의 복사열에 의하여 난방시설물(20)의 온도가 상승하여 환기 내지 냉방하여야 하는 잉여 열을 회수할 수 있도록 상기 축적탱크(53)와 난방시설물(20) 사이의 제2열매체라인(51)을 열원공급기(40)와 잉여 열 회수라인(57)으로 연결하고 이 잉여 열 회수라인(57)과 제2열매체라인(51)에 잉여 열 회수밸브(58)를 마련한 것이다.
상기와 같은 본 발명의 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치에 의해서는, 농업용 비닐하우스와 같이 난방시설물(20)인 경우 일조시, 즉 주간 햇볕의 복사열에 의해 환기 내지 냉방을 하고 일몰시 및 야간엔 난방을 하여야 한다.
이와 같이 일조시 난방시설물(20)인 하우스는 주간의 햇볕에 의한 복사열로 인하여 난방시설물(20) 내의 온도가 급격하게 상승되어 열원공급기(40)의 열매체온도보다 높게 된다. 이때, 제2열매체라인(51)의 잉여 열 회수밸브(58)를 차단하고 잉여 열 회수라인(57)의 잉여 열 회수밸브(58)를 개방한 후, 제2열매체라인(51)의 제2열매체순환펌프(52)만을 가동시키면, 열원공급기(40)의 열매체가 잉여 열 회수라인(57)과 제2열매체라인(51) 및 방열기(50)를 통해 순환되므로 방열기(50)에서 열 교환할 때 난방시설물(20) 내의 열을 흡열하여 열원공급기(40) 내의 열매체온도는 가온되어 상승되게 된다.
이렇게 난방시설물(20)의 주간 잉여 열을 열원공급기(40)에 저장하였다가 일몰시나 야간과 같이 외기온도가 떨어지면, 제2열매체라인(51)의 잉여 열 회수밸브(58)를 개방하고 잉여 열 회수라인(57)의 잉여 열 회수밸브(58)를 차단한 후, 제1열매체순환라인(41)의 제1열매체순환펌프(42)를 가동시켜 열원공급기(40) 내의 열매체가 제1열매체순환라인(41)을 따라 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)로 공급 순환되게 된다.
따라서 난방시설물(20)에서 주간의 햇볕으로부터 얻은 복사열이 저장된 열원공급기(40)의 열매체를 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)로 공급 순환시킬 수 있으므로 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)의 열원으로 보충할 수 있는 것이다.
도 8은 열원공급기(40)만으로 열원이 부족한 경우를 대비하여 지열이나 지하수 등과 열 교환하여 얻은 지열을 공급할 수 있는 지열교환기(59)가 연결 설치된 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 다른 실시예의 수열이용 장치는, 항시 일정한 온도를 갖는 지열이나 지하수의 열원을 지열교환기(59)를 가동시켜 열원공급기(40)의 열매체를 소정의 온도로 상승 유지시킬 수 있는 것이다. 이로 인하여 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에서 필요로 하는 열원을 열원공급기(40)에 지속적으로 공급할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 장치에서 공기열원 히트펌프의 함체에 사방밸브가 구비된 공기열원 히트펌프에 적용한 예를 나타낸 도면이다. 여기서는 공기열원 히트펌프(10)가 압축기(11), 응축기(12), 팽창밸브(13) 및 공기열원 증발기(14)를 포함하고 상기 압축기(11), 응축기(12) 및 공기열원 증발기(14) 사이에 냉매의 흐름을 전환시키기 위한 사방밸브(19)를 구비하고 있다. 이러한 경우에는 냉방모드로 가동시킬 때엔 응축기(12)와 공기열원 증발기(14)가 난방모드와 반대의 기능을 수행하므로 냉방모드에서는 편의상 난방모드에서의 응축기(12)를 냉방증발기(12a)로, 공기열원 증발기(14)를 냉방응축기(14a)로 표현하여 설명한다.
상기 냉방증발기(12a)와 축적탱크(53) 사이의 제2열매체라인(51)을 제1열매체라인(41)과 제3열매체라인(60)으로 연결한 것이다. 상기 제2열매체라인(51)과 제3열매체라인(60) 및 제1열매체라인(41)에는 선택적으로 제1열매체라인(41)을 통해 축적탱크(53)로 흐르도록 개폐되는 제2전환밸브(61)가 마련되어 있다.
상기와 같이 구성된 다른 실시예의 수열이용 장치는 공기열원 히트펌프(10)에 사방밸브(19)가 구비되어 있으므로 냉방모드와 난방모드로 가동할 수 있으며, 특히, 냉방모드로 가동시킬 경우, 제2열매체라인(51)상의 제2열매체순환펌프(52)가 가동되면 축적탱크(53) 하부의 열매체가 제2열매체라인(51) 및 제3열매체라인(60)을 통해 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에서 1차 수열 교환한 후 제3열매체라인(60)을 통해 냉방증발기(12a)에서 재차 수열 교환한 다음 제2열매체라인(51)을 통해 축적탱크(53)에 저장한다.
위와 같이 냉방증발기(12a)와 냉매 대 열매체 보조열교환기(30)에서 2차에 걸쳐 열매체가 수열 교환이 이루어지므로 열 교환이 증대되고 결과적으로 공기열원 히트펌프(10)의 냉방효율이 증대되어 에너지비용절감이 가능하게 된다.
10: 공기열원 히트펌프 11: 압축기 12: 응축기
12a: 냉방증발기 13: 팽창밸브 14: 공기열원 증발기
14a: 냉방응축기 15: 냉매순환라인 15a: 냉매우회라인
15b: 제1전환밸브 15c: 체크밸브 16: 함체
17: 송풍기 19: 사방밸브 20: 난방시설물
30: 냉매 대 열매체 보조열교환기 40: 열원공급기
41: 제1열매체라인 42: 제1열매체순환펌프 43: 차단밸브
44: 배수밸브 45: 기존냉방장치 47: 냉방순환라인
50: 방열기 51: 제2열매체라인 52: 제2열매체순환펌프
53: 축적탱크 54: 제3열매체순환펌프 55: 물받이
56: 우수라인 57: 잉여 열 회수라인 58: 잉여 열 회수밸브
59: 지열교환기 60: 제3열매체라인 61: 제2전환밸브

Claims (9)

  1. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 공기열원 증발기가 냉매순환라인을 통해 연결되어 하나의 사이클을 이루되 상기 응축기는 난방시설물 내에 설치되는 공기열원 히트펌프로 마련되며,
    이 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기와 압축기 사이의 냉매순환라인에는 냉매와 수열 교환을 꾀하여 압축기로 유입되는 냉매가스의 과열도를 높여줄 수 있는 냉매 대 열매체 보조열교환기가 구비되고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기는 이에 열원을 공급하는 열원공급기가 구비되며,
    상기 열원공급기에서 수열 교환하는 열매체를 냉매 대 열매체 보조열교환기에 순환시킬 수 있도록 제1열매체순환펌프를 갖는 제1열매체라인이 포함되어 연결되는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기열원 히트펌프는 응축기가 공기열원 히트펌프의 함체에 수열교환방식으로 마련되며, 상기 난방시설물에 방열기가 마련되되 응축기와 수열 교환하는 열매체를 제2열매체순환펌프에 의해 순환시킬 수 있도록 난방시설물에 이르기까지 제2열매체라인으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기를 통과한 후 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있도록 냉매 대 열매체 보조열교환기의 제1열매체순환라인에는 열매체의 공급을 차단할 수 있는 차단밸브가 마련되고 상기 냉매 대 열매체 보조열교환기의 열매체를 빼낼 수 있는 배수밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉매 대 열매체 보조열교환기를 사용하지 않을 때 공기열원 히트펌프의 공기열원 증발기를 통과한 후 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기에 의해 냉매 대 열매체 보조열교환기의 동파를 방지할 수 있도록 냉매 대 열매체 보조열교환기의 전후위치인 냉매순환라인에는 냉매우회라인이 마련되고 이 냉매우회라인과 냉매순환라인에는 냉매유로전환을 위한 제1전환밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2열매체라인에는 응축기와 수열 교환하여 얻은 열매체를 저장할 수 있는 축적탱크가 마련되고 이 축적탱크와 난방시설물 사이의 제2열매체라인에는 축적탱크의 열매체를 난방시설물로 공급 순환시키기 위한 제3열매체순환펌프가 마련되는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열원공급기는 생활폐수나 우수가 갖는 현열을 저장할 수 있는 현열탱크로 마련되고 상기 현열탱크에는 난방시설물의 지붕에 내리는 우수를 집수하는 물받이와 이로부터 수열공급탱크에 이르기까지 우수라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열원공급기에는 지하공기, 지하수 및 지중토양과 열 교환하는 열매체를 순환시켜 열원을 얻을 수 있는 지열교환기가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공기열원 히트펌프는 압축기와, 응축기 및 공기열원 증발기 사이에 냉매의 흐름을 전환시키기 위한 사방밸브가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기열원 히트펌프의 냉방증발기를 통과한 저온저압의 가스냉매가 갖는 냉기를 재차 냉매 대 열매체 보조열교환기에서 회수하도록 냉방증발기와 축적탱크 사이의 제2열매체라인을 제1열매체라인과 제3열매체순환라인으로 연결한 것을 특징으로 하는 수열원을 보조열원으로 이용한 공기열원 히트펌프의 수열이용 장치.
    * 공기열원 히트펌프에서 사방밸브가 구비된 경우, 냉방모드로 가동될 때 응축기와 공기열원 증발기가 난방모드와 반대의 기능을 수행하므로 냉방모드에서는 편의상 난방모드에서의 응축기를 냉방증발기로, 공기열원 증발기를 냉방응축기로 표현하였음.
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