KR20140089278A - 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치 - Google Patents

공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치 Download PDF

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KR20140089278A
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Abstract

이 발명은 기후나 장소, 계절이나 날씨와 같은 주변 환경이나 상황에 적합하게 자연계에 존재하는 열 취득원으로 공기열과 수열 중에서 선택하여 효율적으로 열을 취득하면서 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 저온 측 사이클의 선택된 열 취득원으로 피드백하여 안정적이고 효율 높은 난방을 하거나 또는 열 취득원으로 공기열과 수열 중에서 하나를 선택하고 이를 통해 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 방출시켜 냉방 효율을 높이기 위해, 공기열원 취득부(210)에 병렬로 연결되는 수열원 취득부(220)와, 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에 일 측이 연결되는 제 4열 교환기(104) 그리고 상기 제 4열 교환기(104)의 타 측에 연결되는 열매체 순환부;를 포함하고, 상기 열매체 순환부는 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 상기 제 4열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 선택된 열원 취득부로 전달하면서 난방 또는 냉방 운전을 하는 것을 특징으로 하는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.

Description

공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치 {Two stage heat pump cooling and heating apparatus using air water mult heat source}
이 발명은 이원 사이클 히트펌프 냉난방에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자연계에 다양하게 존재하는 열 취득원들중에서 공기열원과 수열원을 선택적으로 활용하면서 고온 측 사이클에서 응축하고 남은 열을 제어하여 효율을 높여 경제적이면서 안정적인 운전을 하는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.
자연계에는 공기열, 지열, 수열, 태양열 등과 같이 다양한 열 취득원이 존재하지만, 기후나 장소, 계절이나 날씨와 같은 주변 환경이나 상황으로부터 지속적으로 열을 취득하는 데에는 제한이 있어 왔다.
이들 중에서 공기열은, 공기로부터의 열원이 충분하여 일반적으로 사용되고 있는데, 특히 70℃ 이상의 온수를 생산하기 위해 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치를 적용하지만, 겨울철 혹한기에는 공기로부터 열을 취득하는 외기 증발기가 결빙되어 냉매와 외부 공기 간 열 교환이 이루어지지 않는 경우가 있게 된다.
그러나 외부 공기로부터 열을 공급받는 방식의 히트펌프에서 최대 단점이 겨울철 외기 온도가 낮아지면서 외기 증발기가 얼어 외부 공기와의 열 교환이 되지 않는 것이고, 이는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에서도 같아 외기증발기의 제상 사이클을 운영하고 있었다.
특허 제0796452호(발명의 명칭 : 히트펌프 및 이를 이용한 제상 방법)에서는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 열전달 사이클(1')에서 고온 측 압축기(10)에서 배출된 냉매가 고온 측 응축 열교환기(11)로 이동하며, 바이패스 제상라인(41)을 통해 저온 측 증발기(22)를 지나 고온 측 팽창밸브(14)로 이동하고, 그 후 중간 열교환기(15)를 통과하여 고온 측 압축기(10)로 유입되며, 동시에 바이패스 제상라인(41)의 응축열을 이용하여 저온 측 증발기(22)의 핀에 성에가 생기는 것을 방지하고, 열취득 사이클(2')에서 저온 측 압축기(20)에서 배출된 냉매가 중간 열교환기(15)를 거치고, 그 후 저온 측 증발기(22)를 지나 증발압력 조절밸브(26)를 거친 후 저온 측 압축기(20)로 유입되게 하는 히트펌프 및 이를 이용한 제상 방법을 제안하고 있다.
그러나 난방 운전 시, 전체 구성이 복잡해져 제작 및 설치비용이 증가할 뿐만 아니라 작동 중 고장 원인이 되기도 하며, 특히 제상라인(41)이 손상되는 경우에는 전체 작동이 정지될 수도 있다.
또한 특허 제0796452호에서는, 냉방 운전 시 열전달 사이클(1')의 작동은 멈추고, 저온 측 압축기(20)와 저온 측 증발기(22)가 작동되며, 열취득 사이클(2')만 작동하여 저온 측 압축기(20)에서 배출된 냉매는 저온 측 증발기(22)를 통과하고, 저온 측 팽창밸브(23)로 이동하여 저온 측 열교환기(24)를 통해 빙축을 이루고 증발압력 조절밸브(26)를 통해 저온 측 압축기(20)로 유입되는 내용도 개시되어 있다.
그런데 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치는, 열전달 사이클(1') 및 열취득 사이클(2')이 전체로서 작동하면서 난방과 냉방을 모두 만족하도록 두 사이클 간의 압축기 용량을 조정하여 최적으로 설계하여야 하는데, 특허 제0796452호에서는 냉방 운전 시 열전달 사이클(1')의 작동이 멈추고 열취득 사이클(2')만 작동하므로, 열전달 사이클(1')과 열취득 사이클(2)이 모두 작동하는 경우와 달리, 온수를 생산할 수 없을 뿐만 아니라 냉방 용량과 난방 용량의 최적 설계가 어려워지는 문제점이 있었다.
그리고 열전달 사이클 및 열취득 사이클이 모두 작동하는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 냉방 운전 시에도, 열전달 사이클과 열취득 사이클이 모두 작동하면서 냉수를 생산하는 것뿐만 아니라 여기서 발생하는 열을 온수 생산에 투입하여 효율을 높이고 있지만, 열전달 사이클의 온수 탱크에 열전달이 필요 없어지게 되면 남은 열이 그대로 고온 측 냉매에 실려 순환하면서 열취득 사이클의 저온 측 냉매와의 열 교환이 제대로 이루어지지 않으면서 냉수 생산이 효율적이지 못하게 되는 문제점도 발생한다.
이로부터 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에서, 고온 사이클의 응축하고 남은 열이 배출되지 않고 순환하면서 냉매 간 열전달 특성이 나빠져 효율이 저하되며, 특히 난방 운전 시 외부 온도가 낮아지면서 외부에 노출된 외기 증발기 결빙에 따른 작동이 원활하지 못하게 되거나 냉방 운전시 냉방 용량과 난방 용량의 최적 설계가 어려워지는 문제점을 해결할 필요가 있게 된다.
한편 수열의 경우, 지하수나 하천수, 해수 또는 생활 및 공장 폐수를 활용하여 열원을 흡수할 수 있지만, 초기 설치비용이 많이 들어 충분한 용량을 확보하는데 제한이 있거나 열원이 일정하지 않아 지속적으로 이용하기 어려운 문제점이 있게 된다.
특허 제0796452호(발명의 명칭 : 히트펌프 및 이를 이용한 제상 방법)
이 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기후나 설치 장소, 계절이나 날씨와 같은 주변 환경이나 상황에 적합하게 자연계에 존재하는 열 취득원으로 공기열과 수열 중에서 선택하여 효율적으로 열을 취득하면서 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 저온 측 사이클의 선택된 열 취득원으로 피드백하여 안정적이고 효율 높은 난방을 하거나 또는 열 취득원인 공기열과 수열 중에서 하나를 선택하고 이를 통해 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 방출시켜 냉방 효율을 높이는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 제공을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 제 1압축기(101), 제 1열 교환기(102), 제 1팽창밸브(105) 그리고 제 2열 교환기(106)로 폐 루프를 형성하여 고온 측 냉매가 순환하면서, 상기 제 2열 교환기(106)에서 흡수한 상기 고온 측 냉매의 열을 상기 제 1열 교환기(102)를 통해 온수 탱크(103)로 전달하는 고온 측 사이클(100)과; 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 3팽창밸브(213)와 외기 증발기(214)로 이루어지는 공기열원 취득부(210)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 난방 운전을 하거나, 또는 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 냉방 운전을 하게 선택할 수 있으며, 선택에 의해 난방 또는 냉방 운전을 할 때 상기 외기 증발기(214) 또는 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 상기 저온 측 냉매의 열을 상기 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 저온 측 사이클(200);로 이루어지는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 있어서, 상기 공기열원 취득부(210)에 병렬로 연결되는 수열원 취득부(220);를 더 포함하고, 이 중에서 선택된 하나에서 열원을 공급받으면서 난방 운전을 하며, 상기 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에 일 측이 연결되는 제 4열 교환기(104)와; 상기 제 4열 교환기(104) 타 측에 연결되는 열매체 순환부;를 더 포함하고, 상기 열매체 순환부는, 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 상기 제 4열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을, 난방 운전을 할 때에는 상기에서 선택된 하나의 열원 취득부로 전달하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 선택하고 여기를 통해 방출시키는 것을 특징으로 하는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 수열원 취득부(220)는, 제 4팽창밸브(223) 출구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 입구가 연결되고, 상기 공기열원 취득부(210)에 제 4팽창밸브(223) 입구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 출구가 병렬로 연결되며, 상기 제 5열 교환기(224) 타 측의 출구에 제 6열 교환기(228) 타 측의 입구가 연결되고, 제 6열 교환기(228) 타 측의 출구에 물탱크(226)에 설치되는 수열 교환수단(227) 일 측이 연결되며, 수열 교환수단(227) 타 측에 순환펌프(225) 일 측이 연결되고, 순환펌프(225) 타 측에 제 5열 교환기(224) 타 측의 입구가 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열 전달매체가 순환되게 하며, 상기 열매체 순환부는, 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 연결되면서 폐 루프를 형성하여 내부에 열매체가 순환되면서 상기 외기증발기(214)에 열을 전달하거나 또는 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 상기 제 6열 교환기(228) 일 측에 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열매체가 순환되면서 상기 제 6열 교환기(228) 타 측에 열을 전달하게 선택 작동하며, 상기 공기열원 취득부(210)를 선택하여 난방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부를 통해 상기 외기 증발기(214)를 가열하여 상기 저온 측 냉매의 증발을 원활하게 하면서 외부 온도가 낮을 때 결빙도 방지하고, 상기 수열원 취득부(220)를 선택하여 난방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부와 상기 제 6열 교환기(228)를 통해 제 5열 교환기(224)로 전달하여 저온 측 냉매의 증발을 원활하게 하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는, 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부에서 전달받아, 상기 외기 증발기(214)를 작동시키고 여기를 통해 대기 중으로 방출시키거나 또는 상기 제 6열 교환기(228)와 수열 교환수단(227)을 통해 물탱크(226)로 방출시키게 할 수 있다.
상기의 구성을 갖는 이 발명의 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 의하면, 이원 히트펌프 냉난방 장치가 설치되는 장소나 기후와 같은 주변 환경에 따라 구비되는 공기열원과 수열원 중에서, 계절이나 날씨와 같은 주변 상황의 변화에 가장 적합한 하나를 선택해 가면서 기본적인 이원 사이클에 고온 측 사이클에서 응축 후 남은 열을 저온 측 사이클의 열 취득원으로 전달하는 구성을 추가함으로써, 주변 환경이나 상황에 가장 적합하게 선택된 저온 측 사이클의 열 취득원으로 피드백하여 안정적이고 경제적으로 효율 높은 난방을 하는 한편, 이들 공기열원과 수열원 중에서 하나를 선택하고 이를 통해 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 방출시켜 냉방 효율을 높이면서 냉방 용량과 난방 용량의 최적 설계에 의해 전체 이용율을 높이고, 제작, 설치 및 운영을 적은 비용으로 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.
도 1은 종래 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성도이고,
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3a 및 도 3b는 이 발명의 실시 예에 따른 도 2의 장치에서 냉방 운전 과정을 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 이 발명의 실시 예에 따른 도 2의 장치에서 난방 운전 과정을 나타낸 도면이다.
이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 기본적으로 고온 측 냉매가 순환하는 고온 측 사이클(100)과 저온 측 냉매가 순환하는 저온 측 사이클(200)로 이루어지며, 여기에 설치되는 장소나 기후와 같은 주변 환경에 따라 구비되는 열 취득원을 달리 구비할 수 있는데 저온 측 사이클(200)의 공기열원 취득부(210)에 병렬로 수열원 취득부(220)가 연결되고, 이들 중 선택된 하나에서 열원을 공급받으면서 난방 운전을 한다.
그리고 계절 및 날씨와 같은 주변 상황에 가장 적합하게 공기열원과 수열원 중에서 하나를 선택하는데, 저온 측 사이클(200)의 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 하나를 선택하고, 여기로 고온 측 사이클(100)의 응축 후 남은 열을 전달하는 열매체 순환부를 구비한다.
상기 열매체 순환부는, 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 고온 측 사이클(100)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을, 난방 운전을 할 때에는 상기에서 선택된 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나로 전달하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 선택하고 여기를 통해 방출시킨다.
고온 측 사이클(100)에는, 고온 측 압축기로서 제 1압축기(101)가 설치되고, 제 1압축기(101)의 출구에는 고온 측 응축 열교환기로서 제 1열 교환기(102) 타 측의 입구가 연결된다.
제 1열 교환기(102)의 일 측에는 온수 탱크(103)가 연결되는데, 고온 측 냉매로부터 열을 얻어 온수 탱크(103)에 저장된 물과 열 교환하여 온수 및 난방용수를 생산한다.
제 1열 교환기(102) 타 측의 출구에는 응축되고 남은 열을 교환하는 열 교환기로서 제 4열 교환기(104) 일 측의 입구가 연결된다. 그리고 제 4열 교환기(104) 타 측에는 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 열매체를 매개로 전달받는 열매체 순환부가 연결된다.
제 4열 교환기(104) 일 측의 출구에는 고온 측 팽창밸브로서 제 1팽창밸브(105)가 연결된다. 제 1팽창밸브(105)의 출구에는 제 2열 교환기(106) 일 측의 입구가 연결되며, 제 2열 교환기(106)는 일 측의 출구가 제 1압축기(101)의 입구와 연결되면서 폐 루프를 형성하여, 고온 측 냉매가 순환하면서 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 진행하는 고온 측 사이클(100)을 구성한다.
제 2열 교환기(106)는 타 측이 저온 측 사이클(200)과 연결되면서, 고온 측 사이클(100)의 증발기 및 저온 측 사이클(200)의 응축기로 사용되는데, 저온 측 사이클(200)의 외기 증발기(214)에서 흡수한 열을 고온 측 사이클(100)에 전달하여, 고온 측 냉매와 저온 측 냉매 간 열 교환이 이루어지게 한다.
그리고 저온 측 사이클(200)에는 저온 측 압축기로서 제 2압축기(203)가 설치되고, 제 2압축기(203) 출구는 제 2열 교환기(106) 타 측의 입구와 연결되고, 제 2열 교환기(106) 타 측의 출구는 제 2팽창밸브(204)와 연결되는데, 제 2열 교환기(106)와 제 2팽창밸브(204) 사이에는 전자밸브(202)가 설치된다.
제 2팽창밸브(204)의 출구는 제 3열 교환기(205) 일 측의 입구와 연결되면서 제 3열 교환기(205)의 타 측에는 냉수 탱크(206)가 연결된다.
제 3열 교환기(205) 일 측의 출구에는 전자밸브(201)가 설치되고, 전자밸브(201)는 액 분리기(207)의 입구와 연결되며, 액 분리기(207)의 출구와 제 2압축기(203) 입구가 연결된다.
한편 액 분리기(207)의 입구와 제 2열 교환기(106) 타 측의 출구 사이에는 별도의 라인이 형성되며, 여기에는 전자밸브(211)와 전자밸브(212)가 설치되고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212) 사이에는 제 3팽창밸브(213)와 외기 증발기(214)가 연결 설치된다.
이러한 전자밸브(211)와, 외기 증발기(214)와, 제 3팽창밸브(213) 그리고 전자밸브(212)에 의해 공기열원 취득부(210)를 형성한다. 그리고 상기 공기열원 취득부(210)에 병렬로 수열원 취득부(220)가 연결된다.
상기 수열원 취득부(220)는, 상기 공기열원 취득부(210)에 제 4팽창밸브(223) 입구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 출구가 전자밸브(221)와 전자밸브(222)를 매개로 병렬로 연결되는데, 제 4팽창밸브(223) 출구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 입구는 연결된다.
그리고 상기 수열원 취득부(220)는, 상기 제 5열 교환기(224) 타 측의 출구에 제 6열 교환기(228) 타 측의 입구가 연결되고, 제 6열 교환기(228) 타 측의 출구에 물탱크(226)에 설치되는 수열 교환수단(227) 일 측이 연결되며, 수열 교환수단(227) 타 측에 순환펌프(225) 일 측이 연결되고, 순환펌프(225) 타 측에 제 5열 교환기(224) 타 측의 입구가 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열 전달매체가 순환되게 한다.
여기서 별도로 구비되는 컨트롤러(도면에 도시하지 않음)의 제어에 의해, 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 선택하는데, 상기 공기열원 취득부(210)를 선택하는 경우에는 전자밸브(211)와 전자밸브(212)를 열고 전자밸브(221)와 전자밸브(222)를 닫으며, 이때 전자밸브(201)와 전자밸브(202)는 닫아, 제 2압축기(203), 제 2열 교환기(106), 전자밸브(212), 제 3팽창밸브(213), 외기 증발기(214), 전자밸브(211) 그리고 액 분리기(207)로 이루어지는 폐 루프에 의해 형성되는 저온 측 사이클(200)의, 외기 증발기(221)로부터 증발을 통해 공기에서 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 사이클(100)의 고온 측 냉매로 전달하여 온수 탱크(103)에 온수를 생산 저장하는 난방을 하게 된다.
그리고 상기 수열원 취득부(220)를 선택하는 경우에는, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)를 닫고 전자밸브(221)와 전자밸브(222)를 열며, 이때 전자밸브(201)와 전자밸브(202)는 닫아, 제 2압축기(203), 제 2열 교환기(106), 전자밸브(222), 제 4팽창밸브(223), 제 5열 교환기(224), 전자밸브(221) 그리고 액 분리기(207)로 이루어지는 폐 루프에 의해 형성되는 저온 측 사이클(200)의, 제 5열 교환기(224)로부터 증발을 통해, 예를 들어 지하수나 하천수, 해수 또는 생활 및 공장 폐수를 공급받아 저장하고 있는 물탱크(226)에서 흡수하여 전달된 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 사이클(100)의 고온 측 냉매로 전달하여 온수 탱크(103)에 온수를 생산 저장하는 난방을 하게 된다.
또한 컨트롤러의 제어에 의해, 전자밸브(201)와 전자밸브(202)를 열고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212) 그리고 전자밸브(221)와 전자밸브(222)를 닫아, 제 2압축기(203), 제 2열 교환기(106), 전자밸브(202), 제 2팽창밸브(204), 제 3열 교환기(205), 전자밸브(201) 그리고 액 분리기(207)로 이루어지는 폐 루프에 의해 형성되는 저온 측 사이클(200)의, 저온 측 냉매가 제 3열 교환기(205)에서 증발하면서 냉수 탱크(206)의 물로부터 열을 얻어, 액 분리기(207)를 거쳐 제 2압축기(203)에 흡입되어 제 2열 교환기(106)에서 응축시킨 응축열을 고온 측 사이클(100)로 전달함으로써 열을 빼앗긴 냉수탱크(215)의 물은 냉방수로 사용하게 되며, 냉방과 동시에 저온 측 사이클(200)로부터 얻은 열로 데워진 고온 측 사이클(100)의 온수 탱크(103)의 물은 온수로 사용된다.
이러한 냉난방 운전 과정에서, 제 1열 교환기(102)를 통해 고온 측 냉매의 열이 전부 온수 탱크(103)에 전달되어야만, 제 1팽창밸브(105)를 거쳐 제 2열 교환기(106)에서 저온 측 냉매와의 열 교환도 제대로 이루어지면서 난방과 냉방 효율이 높아지게 된다.
따라서 이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에서는, 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 나온 고온 측 냉매에 열이 남아있는 경우에 열전달 효율이 그만큼 떨어지므로 이를 방지하여 난방 및 냉방을 제대로 할 수 있도록, 제 4열 교환기(104)와 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220) 사이에 열매체를 매개로 열전달이 일어나도록 열매체 순환부를 설치한다.
열매체 순환부는, 부동액, 식염수, 브라인과 같은 응고점이 낮은 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 제 4열 교환기(104)의 일 측을 통해 흡수한 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220)로 전달하기 위해, 열매체 순환관(113), 열매체 저장탱크(114) 그리고 열매체 순환펌프(115)로 구성된다.
열매체 순환관(113)은, 관 형태로 개방된 양단이 제 4열 교환기(104)의 타 측에 연결되어 폐 루프를 이룬 상태에서 열매체 순환 과정에 열 전달하기 좋은 형태로 형성시켜 외기 증발기(214)에 위치시키거나 또는 제 4열 교환기(104)의 타 측과 제 6열 교환기(228)의 일 측을 연결하여, 내부에 수용되는 열매체가 순환하면서 제 4열 교환기(104)의 일 측으로부터 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 공기열원 취득부(210)의 외기 증발기(214) 또는 수열원 취득부(220)의 제 5열 교환기(224)에 전달한다.
상기 열매체 순환부는, 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 연결되면서 폐 루프를 형성하여 내부에 열매체가 순환되면서 상기 외기증발기(214)에 열을 전달하거나 또는 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 상기 제 6열 교환기(228) 일 측에 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열매체가 순환되면서 상기 제 6열 교환기(228) 타 측에 열을 전달하게 선택 작동된다.
그리고 열매체 순환관(113) 내부에 수용되어 순환하는 열매체를 저장하면서 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220)에 열을 전달할 때 완충 역할도 하는 열매체 저장탱크(114)와, 열매체의 순환이 원활하도록 하는 열매체 순환펌프(115)도 열매체 순환관(113)에 연결한다.
이때 주변 상황에 가장 적합하게 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 선택하는데, 열매체 순환부는 선택된 어느 하나로 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 고온 측 사이클(100)의 응축 후 남은 열을, 난방 운전을 할 때에는 상기에서 선택된 하나의 열원 취득부로 전달하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 선택하고 여기를 통해 방출시킨다.
따라서 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 선택되는 공기열원 취득부(210)와 수 열원 취득부(220)는, 난방 운전과 냉방 운전할 때가 같을 수도 있고 다를 수도 있게 된다.
이로부터 주변 환경과 상황 변화에 가장 적합한 하나의 열원을 선택하고, 열매체 순환부가 추가된 구성으로, 난방 운전을 할 때에는 열매체 순환관(113)을 통해 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 선택되는 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중 어느 하나에 지속적으로 전달하여 작동을 안정적이고 원활하게 하여 저온 측 냉매의 증발을 도와 난방 효율이 높아지게 되며, 또한 냉방 운전을 할 때에는 고온 측 사이클(100)의 온수 탱크(103)의 온수를 사용하지 않는 경우, 저온 측 사이클(200)과의 열 교환이 안 되면서 계속 고온의 냉매가 제1압축기(101)로 흡입되어 고장의 원인이 될 뿐만 아니라 냉방효율도 저하되는 것을 방지하여, 온수 탱크(103)의 온수 사용 여부와 관계없이 제 4열 교환기(104)에서 응축하고 남은 열을 선택되는 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 어느 하나를 통해 외부로 신속하게 방출시키면서 최적의 설계로 냉방 용량 및 효율을 높일 수 있게 된다.
상기와 같은 이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 히트펌프 냉난방 장치의 작동 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3a 및 도 3b는 이 발명의 실시 예에 따른 도 2의 장치에서 냉방 운전 과정을 나타낸 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 이 발명의 실시 예에 따른 도 2의 장치에서 난방 운전 과정을 나타낸 도면이다.
이 발명의 실시 예에 따른 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치는, 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 선택하여 난방과 냉방을 할 수 있다.
먼저 컨트롤러의 제어에 의해, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 냉방 운전을 하게 선택할 때 작동하는 과정을, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세하게 설명한다.
저온 측 사이클(200)의 전자밸브(201)와 전자밸브(202)는 열리고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212) 그리고 전자밸브(221)와 전자밸브(222)는 닫히면서 고온 측 사이클(100)과 저온 측 사이클(200)이 작동한다.
제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)와 전자밸브(202)를 지나 제 2팽창밸브(204)로 이동하고, 그 후 제 3열 교환기(205)를 통해 냉수 탱크(206)의 열을 전달받아 액 분리기(207)를 거쳐 제 2압축기(203)로 유입된다.
여기서, 제 3열 교환기(205)를 순환하도록 설치된 냉수 탱크(206)에 저장된 물은 제 3열 교환기(205)를 통해 열을 전달하고 냉수 탱크(20)로 복귀하면서 저장되는데, 냉수 탱크(20)에 저장되는 냉수는 공조 설비 파이프를 통해 순환하면서 냉방을 하게 된다.
그리고 고온 측 사이클(100)에서는 제 1압축기(101)에서 배출된 고온 측 냉매가 제 1열 교환기(102)를 거치고, 여기서 응축되고 남은 열을 제 4열 교환기(104)를 통해 상기 열매체 순환부로 전달한 후 제 1팽창밸브(105)로 이동하므로, 고온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)를 지나면서 저온 측 사이클(200)의 저온 측 냉매로부터 열 교환을 최대로 끌어낸 후 제 1압축기(101)로 유입된다.
한편 저온 측 사이클(200)의 제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매는 제 2열 교환기(106)를 거칠 때 상기 고온 측 냉매로 열을 최대한 전달한 후에 전자밸브(202)를 통과하고, 그 후 제 2팽창밸브(204)로 이동하여 제 3열 교환기(205)를 통해 냉수 탱크(206)의 열을 최대로 전달받아 최적의 냉장 상태를 유지하게 하면서 제 2압축기(203)로 유입된다.
여기서 제 1열 교환기(102)를 거치면서 응축되고 남은 고온 측 냉매 열을, 제 4열 교환기(104)와 열매체 순환부를 통해 상기 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220) 중에서 어느 하나로 열매체가 순환하면서 방출하는데, 이때 주변 상황에 가장 적합하게 하나를 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 상기 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220) 중 어느 하나를 선택한다.
즉 도 3a의 경우와 같이, 컨트롤러의 제어에 의해 3방 밸브(111)(112)가 조작되고 외기 증발기(214)를 별도로 작동시킨 상태에서 열매체 순환부는 열매체가 순환하면서 고온 측 사이클(100)의 응축 후 남은 열을 외기 증발기(214)를 통해 신속하게 외부로 방출시킨다.
또한 도 3b의 경우와 같이, 컨트롤러의 제어에 의해 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 순환펌프(225)를 별도로 작동시킨 상태에서 열매체 순환부는 열매체가 순환되면서 상기 제 6열 교환기(228)와 수열 교환수단(227)을 통해 고온 측 사이클(100)의 응축 후 남은 열을 물탱크(226)로 신속하게 방출시키게 할 수 있다.
이로부터 냉방에 따라 발생되는 열을 온수 탱크(103)로 공급하는데 있어서 만일 온수를 사용하지 않아 온수 탱크(103)로의 열 공급이 되지 않은 경우에도 항상 최적의 냉방 상태를 유지하게 할 수 있으며, 고온 측 사이클(100)의 작동이 멈추지 않아 최적으로 설계한 난방 및 냉방 용량을 구현할 수 있고, 전체 구성을 간략화할 수 있어 제작, 설치 및 고장 등 운영에 따른 비용을 절감할 수 있게 된다.
다음으로 컨트롤러의 제어에 의해, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에, 각각 병렬로 연결되는 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220)를 3방 밸브(111)(112)가 조작되어 선택되는 하나의 열원 취득부를 포함하는 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서, 공기열원 취득부(210) 또는 수열원 취득부(220) 중에서 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 난방 운전을 하게 선택할 때 작동하는 과정을, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세하게 설명한다.
공기열원 취득부(210)가 선택되는 도 4a의 경우에는, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에 전자밸브(212), 제 3팽창밸브(213)와 외기 증발기(214), 전자밸브(211)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 공기열을, 외기 증발기(214)를 통해 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 냉매로 전달하는 난방 운전을 하게 작동한다.
이를 위해 저온 측 사이클(200)의 전자밸브(201)와 전자밸브(202) 그리고 전자밸브(221)와 전자밸브(222)는 닫히고, 전자밸브(211)와 전자밸브(212)는 열리면서 고온 측 사이클(100)과 저온 측 사이클(200)이 작동한다.
고온 측 사이클(100)에서는, 제 1압축기(101)에서 배출된 고온 측 냉매는 제 1열 교환기(102)에서 응축되고, 여기서 남은 열은 제 4 열교환기(104)를 통해 열매체를 매개로 고온 측 사이클(100)로부터 배출시킨다.
여기서, 제 1열 교환기(102)에는 온수 탱크(103)의 물이 순환하게 되며, 제 1열 교환기(102)를 통해 고온 고압의 냉매로부터 열을 취득한 물은 온수가 되어 온수 탱크(103)에 저장되어, 온수 자체로도 사용되고 공조 설비 파이프를 통해 순환하면서 난방을 하게 된다.
그리고 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 전부 배출시킨 고온 측 냉매는 제 1팽창밸브(105)를 거친 후, 제 2열 교환기(106)를 통과하면서 저온 측 사이클(200)의 저온 측 냉매 열을 최대한 교환받아 다시 제 1압축기(101)의 입구를 통해 제 1압축기(101)로 유입한다.
한편, 저온 측 사이클(200)에서는 제 2압축기(203)에서 배출된 저온 측 냉매가 제 2열 교환기(106)를 통해 전자밸브(212)를 거쳐 제 3팽창밸브(213)로 이동하고, 그 후 외기 증발기(214)를 지나 전자밸브(211)를 통과하여 액 분리기(207)를 거친 후 제 2압축기(203)로 유입된다.
이때, 제 2열 교환기(106)에서는 제 1열 교환기(102)에서 응축되고 남은 열을 전부 배출시킨 고온 측 냉매와 외기 증발기(214)로부터 열을 흡수한 저온 측 냉매가 열 교환을 최대로 하므로 난방 효율이 높아지게 된다.
그리고 난방 운전할 때, 외부 온도가 낮아짐에 따라 성에 등이 발생하여 외기 증발기(214)의 원활한 작동을 위한 제상이 필요하게 되는데, 상기 제 4열 교환기(104)의 타 측에 연결되는 열매체 순환부에 의해 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 상기 제 4열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열로, 상기 외기 증발기(214)를 가열하여 외부 온도가 낮아 외기 증발기(214)에 성에가 끼면서 작동이 멈추거나 원활하지 못한 상황이 발생하지 않도록 한다.
또한 가열에 의해 그 상태를 유지하는 외기 증발기(214)를 통과하는 저온 측 냉매는 증발이 잘 된 상태에서 액 분리기(207)를 거친 후 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 냉매와 열 교환을 최대로 한 후 전자밸브(212)를 거쳐 제 3팽창밸브(213)로 이동하고, 그 후 외기 증발기(214)를 지나 전자밸브(211)를 통과하게 된다.
수열원 취득부(210)가 선택되는 도 4b의 경우에는, 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)에 전자밸브(222), 제 4팽창밸브(223)와 제 5열 교환기(224), 전자밸브(221)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 수열을, 제 5열 교환기(224)를 통해 흡수한 저온 측 냉매의 열을 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 냉매로 전달하는 난방 운전을 하게 작동한다.
이를 위해 저온 측 사이클(200)의 전자밸브(201)와 전자밸브(202), 전자밸브(211)와 전자밸브(212)는 닫히고, 전자밸브(221)와 전자밸브(222)는 열리면서 고온 측 사이클(100)과 저온 측 사이클(200)이 작동한다.
제 5열 교환기(224)를 통해 저온 측 냉매로 전달되는 수열은, 순환펌프(225)가 열 전달매체를 순환시키면서 물탱크(226)에 삽입되는 모세관과 같은 수열 교환수단(227)을 통해 제 5열 교환기(224)의 타 측으로 전달되며, 여기에 상기 제 4열 교환기(104)의 타 측에 연결되는 열매체 순환부에 의해 열매체가 순환하면서 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 제 6열 교환기(228)를 통해 열 전달매체로 제 5열 교환기(224)에 추가로 전달하므로, 제 5열 교환기(224)를 통과하는 저온 측 냉매는 증발이 잘 된 상태에서 액 분리기(207)를 거친 후 제 2압축기(203)와 제 2열 교환기(106)를 통해 고온 측 냉매와 열 교환을 최대로 한다.
이로부터 자연계에 존재하는 열 취득원으로 설치 장소와 같은 주변 환경이나 기후에 따라 구비되는 공기열과 수열 중에서, 계절 및 날씨와 같은 주변 상황에 적합하게 선택하여 효율적으로 열을 취득하면서 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 저온 측 사이클의 선택된 열 취득원으로 피드백하여 안정적이고 효율 높은 난방을 하거나 또는 열 취득원들 중에서 하나를 선택하고 이를 통해 고온 측 사이클의 응축되고 남은 열을 방출시키게 된다.
이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다.
100 : 고온 측 사이클 101 : 제 1압축기
102 : 제 1열 교환기 103 : 온수 탱크
104 : 제 4열 교환기 105 : 제 1팽창밸브
106 : 제 2열 교환기 111, 112 : 3방 밸브
113 : 열매체 순환관 114 : 열매체 저장탱크
115 : 열매체 순환펌프 200 : 저온 측 사이클
201, 202, 211, 212, 221, 222 : 전자밸브 203 : 제 2압축기
204 : 제 2팽창밸브 205 : 제 3열 교환기
206 : 냉수 탱크 207 : 액 분리기
210 : 공기열원 취득부 213 : 제 3팽창밸브
214 : 외기 증발기 220 : 수열원 취득부
223 : 제 4팽창밸브 224 : 제 5열 교환기
225 : 순환펌프 226 : 물탱크
227 : 수열 교환수단 228 : 제 6열 교환기

Claims (2)

  1. 제 1압축기(101), 제 1열 교환기(102), 제 1팽창밸브(105) 그리고 제 2열 교환기(106)로 폐 루프를 형성하여 고온 측 냉매가 순환하면서, 상기 제 2열 교환기(106)에서 흡수한 상기 고온 측 냉매의 열을 상기 제 1열 교환기(102)를 통해 온수 탱크(103)로 전달하는 고온 측 사이클(100)과; 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 3팽창밸브(213)와 외기 증발기(214)로 이루어지는 공기열원 취득부(210)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 난방 운전을 하거나, 또는 제 2압축기(203)와 상기 제 2열 교환기(106)에 제 2팽창밸브(204)와 냉수 탱크(206)에 연결된 제 3열 교환기(205)로 폐 루프를 형성하여 저온 측 냉매가 순환하면서 냉방 운전을 하게 선택할 수 있으며, 선택에 의해 난방 또는 냉방 운전을 할 때 상기 외기 증발기(214) 또는 제 3열 교환기(205)에서 흡수한 상기 저온 측 냉매의 열을 상기 제 2열 교환기(106)를 통해 상기 고온 측 냉매로 전달하는 저온 측 사이클(200);로 이루어지는 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치에 있어서,
    상기 공기열원 취득부(210)에 병렬로 연결되는 수열원 취득부(220);를 더 포함하고, 이 중에서 선택된 하나에서 열원을 공급받으면서 난방 운전을 하며,
    상기 제 1열 교환기(102)와 제 1팽창밸브(105) 사이에 일 측이 연결되는 제 4열 교환기(104)와; 상기 제 4열 교환기(104) 타 측에 연결되는 열매체 순환부;를 더 포함하고,
    상기 열매체 순환부는, 열매체가 내부에 수용되어 순환하면서 상기 제 4열 교환기(104)를 통해 흡수한 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을, 난방 운전을 할 때에는 상기에서 선택된 하나의 열원 취득부로 전달하는 한편, 냉방 운전을 할 때에는 상기 공기열원 취득부(210)와 수열원 취득부(220) 중에서 하나를 선택하고 여기를 통해 방출시키는 것을 특징으로 하는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수열원 취득부(220)는, 제 4팽창밸브(223) 출구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 입구가 연결되고, 상기 공기열원 취득부(210)에 제 4팽창밸브(223) 입구와 제 5열 교환기(224) 일 측의 출구가 병렬로 연결되며, 상기 제 5열 교환기(224) 타 측의 출구에 제 6열 교환기(228) 타 측의 입구가 연결되고, 제 6열 교환기(228) 타 측의 출구에 물탱크(226)에 설치되는 수열 교환수단(227) 일 측이 연결되며, 수열 교환수단(227) 타 측에 순환펌프(225) 일 측이 연결되고, 순환펌프(225) 타 측에 제 5열 교환기(224) 타 측의 입구가 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열 전달매체가 순환되게 하며,
    상기 열매체 순환부는, 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 연결되면서 폐 루프를 형성하여 내부에 열매체가 순환되면서 상기 외기증발기(214)에 열을 전달하거나 또는 상기 제 4열 교환기(104) 타 측과 상기 제 6열 교환기(228) 일 측에 연결되면서 폐 루프를 형성하여 열매체가 순환되면서 상기 제 6열 교환기(228) 타 측에 열을 전달하게 선택 작동하며,
    상기 공기열원 취득부(210)를 선택하여 난방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부를 통해 상기 외기 증발기(214)를 가열하여 상기 저온 측 냉매의 증발을 원활하게 하면서 외부 온도가 낮을 때 결빙도 방지하고, 상기 수열원 취득부(220)를 선택하여 난방 운전을 할 때에는 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부와 상기 제 6열 교환기(228)를 통해 제 5열 교환기(224)로 전달하여 저온 측 냉매의 증발을 원활하게 하는 한편,
    냉방 운전을 할 때에는, 상기 제 1열 교환기(102)에서 응축하고 남은 고온 측 냉매의 열을 상기 열매체 순환부에서 전달받아, 상기 외기 증발기(214)를 작동시키고 여기를 통해 대기 중으로 방출시키거나 또는 상기 제 6열 교환기(228)와 수열 교환수단(227)을 통해 물탱크(226)로 방출시키는 것을 특징으로 하는 공기 수열 복합 열원 이원 사이클 히트펌프 냉난방 장치.
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KR20200064385A (ko) * 2018-11-29 2020-06-08 김현준 이원 냉매사이클을 이용한 건조와 냉난방 및 냉장냉동 멀티장치
CN112066583A (zh) * 2020-09-14 2020-12-11 珠海格力电器股份有限公司 双热源的空调机组及其控制方法

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