KR20160054088A

KR20160054088A - 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR20160054088A
Application number: KR1020140152699A
Authority: KR
Inventors: 원철호; 이상록; 문준호; 원유진
Original assignee: 원철호
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-16
Also published as: KR101708675B1

Abstract

부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예는 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛과, 한 쌍의 열교환기에 열매체가 순환되도록 한 쌍씩 각각 연결된 두 쌍의 순환관과, 두 쌍의 순환관 중 하나 이상에 설치되어 열매체의 유량을 조절하는 유량조절부와, 두 쌍의 순환관 중 유량조절부가 설치된 순환관에 설치되어 열매체의 유량 및 온도를 측정하는 센싱부를 포함하여, 냉난방 시스템을 순환하는 열매체의 온도 및 유량을 측정하여 열매체의 유량이 조절되도록 함으로써 압축기의 과열을 방지할 수 있다.

Description

부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템{COOLING AND HEATING SYSTEM WITH HEAT PUMP HAVING LOAD CONTROLLING FUNCTION}

본 발명은 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것으로, 히트펌프의 열원측으로 공급되는 에너지를 조절하여 히트펌프의 압축기가 과열되거나 효율이 과소하게 되는 것을 방지할 수 있는 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에 관한 것이다.

냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 히트펌프(heat pump)를 이용한 냉난방 시스템은 하나의 시스템으로 냉방 및 난방을 모두 행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점에 따라 냉방 및 난방이 필요한 곳에 히트펌프를 이용한 냉난방 시스템을 설치하는 사례가 증가되고 있다.

한편, 화석에너지의 고갈과 환경오염 문제가 대두되면서 청정에너지, 즉 태양열, 지중열, 풍력 등과 같은 자연에너지의 활용에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있고, 실제로 태양열 및 지중열을 활용하여 냉난방을 행하는 시스템의 활용이 증가되고 있다.

그 일환으로 본 출원인은 대한민국특허청 등록특허공보 제10-1316691호를 통하여 지중열 및 태양열을 이용한 냉난방 시스템 및 그의 제어방법을 제안한 바 있는데, 이 시스템은 히트펌프를 이용함으로써 하나의 시스템으로 냉방 및 난방을 모두 행할 수 있을 뿐만 아니라 청정에너지를 활용함으로써 화석에너지의 사용을 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

그런데, 히트펌프 냉난방 시스템은 과부하가 걸렸을 때 히트펌프에 포함된 압축기의 고장이나 손상이 발생되어 냉난방 시스템의 가동이 중지되어 냉방이나 난방이 중단되는 경우가 발생되는 사례가 있다.

과부하로 인한 압축기의 영구적인 손상을 방지하기 위하여 과열 시 전력이 차단되는 퓨즈나 차단기 등이 구비된 경우에도 냉난방 시스템의 가동이 중지된 원인을 파악하고 퓨즈를 교체하거나 차단기를 다시 가동시키는 과정이 행해지는 동안에는 냉난방 시스템의 가동이 중단된 상태이므로, 동절기나 하절기에는 장시간 난방 또는 냉방이 중지되는 문제가 발생될 수 있다.

또는, 상술한 청정에너지 중 터널이나 하천으로부터 취수한 유출지하수 등을 히트펌프의 열원으로 사용할 경우 동절기에 유출지하수의 온도가 과도하게 낮아지면 히트펌프 내를 순환하는 냉매의 증발이 원활하게 이루어지지 않아 그 효율이 과도하게 낮아질 수 있다.

그러므로, 히트펌프 냉난방 시스템은 압축기에 과부하가 걸렸을 경우 냉난방 시스템의 작동이 완전히 중지되지 않도록 압축기의 고장이나 손상을 미연에 방지할 수 있는 동시에 압축기가 과열되지 않도록 할 수 있는 방안이 필요하며, 압축기의 효율이 과도하게 낮아질 경우에도 이에 대처할 수 있는 방안 또한 필요한 실정이다.

대한민국특허청 등록특허공보 제10-1316691호(발명의 명칭: 지중열 및 태양열을 이용한 냉난방 시스템 및 그의 제어방법, 등록일: 2013년 9월 30일)

본 발명의 실시예는 히트펌프에 구비된 압축기의 과열이 방지되도록 하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 한 쌍의 열교환기와 압축기와 사방밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛과, 상기 한 쌍의 열교환기에 열매체가 순환되도록 한 쌍씩 각각 연결된 두 쌍의 순환관과, 상기 두 쌍의 순환관 중 하나 이상에 설치되어 상기 열매체의 유량을 조절하는 유량조절부와, 상기 두 쌍의 순환관 중 상기 유량조절부가 설치된 상기 순환관에 설치되어 상기 열매체의 유량 및 온도를 측정하는 센싱부;를 포함하는 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템이 제공될 수 있다.

상기 센싱부는 상기 열매체의 유량을 측정하는 유량센서와, 상기 열매체의 온도를 측정하는 온도센서를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 유량조절부는 상기 순환관이 복수로 분기되어 형성된 복수의 분기관과, 상기 복수의 분기관에 각각 설치되어 상기 분기관을 개폐를 조절하는 개폐밸브를 포함할 수 있다. 이때, 상기 복수의 분기관의 단면적은 서로 다를 수 있다.

또는, 상기 유량조절부는 상기 순환관에 설치되어 상기 순환관을 폐쇄하거나 개방된 정도를 조절하는 개도조절밸브를 포함할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템은 상기 압축기의 온도를 측정하는 압축기 온도센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉난방 시스템을 순환하는 열매체의 온도 및 유량을 측정하여 열매체의 유량이 조절되도록 함으로써 압축기의 과열을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템의 활용을 예시한 도면
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템의 활용을 예시한 도면이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에는 히트펌프 유닛(100) 및 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4)이 포함된다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템이 건축물(10)에 설치된 실내기(11)를 이용하여 건축물(10)의 실내를 냉방 또는 난방을 하고자 할 경우, 히트펌프 유닛(100)의 순환관 중 한 쌍(L3, L4)이 실내기(11)에 연결되도록 할 수 있다.

그리고, 순환관 중 다른 한 쌍(L1, L2)은 태양열집열부(SS) 및 지중열교환부(GS)와 같이 히트펌프 유닛(100)으로 에너지를 공급하는 수단에 연결될 수 있다.

도면에 예시된 것은 상술한 바와 같이 태양열 및 지중열과 같은 자연에너지를 활용하여 히트펌프 유닛(100) 만으로 냉난방을 행하는 경우보다 에너지가 절약되도록 한 사례이다.

따라서, 실내기(11)는 제1 유동관(LH1), 제2 유동관(LH2), 제1 연결관(LG1), 제2 연결관(LG2), 제3 연결관(LS1) 및 제4 연결관(LS2)에 의해 지중열교환부(GS) 및 태양열집열부(SS)와 연결될 수 있다.

그리고 히트펌프 유닛(110)은 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4)이 제1 유동관(LH1) 및 제2 유동관(LH2)에 도시된 바와 같이 연결될 수 있다.

히트펌프 유닛(100)과 실내기(11) 사이, 히트펌프 유닛(100)과 태양열집열부(SS) 및 지중열교환부(GS) 사이에는 히트펌프 유닛(100)과 열매체가 순환되도록 하여 열교환이 이루어진다. 여기서, 열매체로는 물이 사용될 수 있고, 동절기에 물이 결빙되는 것을 방지하기 위하여 에틸렌글리콜 등이 혼합될 수 있다.

통상 동절기에는 난방을 하고 하절기에는 냉방을 하는데 냉방 또는 난방 시 태양열집열부(SS), 지중열교환부(GS), 실내기(11) 및 히트펌프 유닛(100) 사이에는 필요에 따라 열매체가 순환되는 경로가 변경될 필요가 있다.

예를 들어, 하절기에 실내기(11)를 이용하여 냉방을 할 경우에는 연중 거의 일정한 온도가 유지되어 열매체의 온도가 기온보다 낮아지도록 냉각할 수 있는 지중열교환부(GS) 및 히트펌프 유닛(100) 사이에 열매체가 순환되도록 하고, 히트펌프 유닛(100)과 실내기(11) 사이에서는 건축물(10) 실내의 열이 실내기(11)를 거쳐 히트펌프 유닛(100)으로 전달되도록 열매체가 순환되도록 할 수 있다.

따라서, 건축물(10)의 실내는 히트펌프 유닛(100)에 의해 냉각되고, 히트펌프 유닛(100)으로 전달된 열은 지중열교환부(GS)로 전달되는 방식으로 냉방이 이루어질 수 있다.

이와 같이, 열매체의 순환경로를 조절하기 위하여 복수의 절환밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6)가 도시된 바와 같이 순환관(L1, L2, L3, L4), 제1 유동관(LH1), 제2 유동관(LH2), 제1 연결관(LG1), 제2 연결관(LG2), 제3 연결관(LS1) 및 제4 연결관(LS2)에 각각 설치될 수 있다.

참고로, 절환밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6)로는 도시된 바와 같이 3방향밸브(three-way valve)가 사용될 수 있다.

이하의 설명에서는, 실내기(11)와 연결되어 히트펌프 유닛(100)이 목적하는 장소의 냉난방이 행해지도록 하는 제3 순환관(L3) 및 제4 순관관(L4)을 히트펌프 유닛(100)의 출력측이라 칭하기로 하고, 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)와 같이 태양열집열부(SS)나 지중열교환부(GS)와 같이 히트펌프 유닛(100)과 에너지의 교환이 일어나도록 연결되는 부분을 열원측이라 칭하기로 한다.

아울러, 편의상 복수의 순환관(L1, L2, L3, L4)을 각각 지칭하고자 할 때에는 제1 순환관(L1), 제2 순환관(L2), 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)이라 칭하기로 한다.

도 2 및 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 1을 함께 참조하여 설명한다.

도 2에는 히트펌프 유닛(100)이 건축물(10)의 실내를 냉방하는 경우가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 히트펌프 유닛(100)에는 한 쌍의 열교환기(110, 130), 압축기(140), 사방밸브(150) 및 이들을 도시된 바와 같이 연결하여 냉매가 순환되도록 하는 관로(161, 162, 163, 164, 165)가 포함된다.

여기서 사방밸브(120)는 사방전환밸브(four-way valve)를 지칭하는데, 사방전환밸브는 잘 알려진 사항이므로 사방밸브(120) 자체에 대한 설명은 생략하며, 냉매 또한 일반적인 냉동 사이클에 사용되는 작동유체를 지칭하므로 그에 대한 별도의 설명은 생략한다.

그리고, 한 쌍의 열교환기(110, 120) 중 출력측에 배치된 것을 제1 열교환기(110), 열원측에 배치된 것을 제2 열교환기(120)라 칭하기로 하며, 제1 열교환기(110)에는 상술한 바와 같이 열매체가 순환되는 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)이 연결되고, 제2 열교환기(120)에는 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)이 연결된다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에는 유량조절부 및 센싱부가 포함된다.

유량조절부에는 제1 순환관(L1)에 형성된 복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15)과, 복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15)에 각각 설치된 복수의 개폐밸브(V11, V12, V13, V14, V15)와, 제2 순환관(L1)에 형성된 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)과, 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)에 각각 설치된 복수의 개폐밸브(V21, V22, V23, V24, V25)가 포함된다.

그리고 센싱부에는 제2 순환관(L2)에 설치된 온도센서(171) 및 유량센서(172)가 포함된다.

복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15)은 도시된 바와 같이 제1 순환관(L1)이 복수로 분기되어 형성되거나, 제1 순환관(L1)에 복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15)이 연결되는 방식으로 형성될 수 있다. 제2 순환관(L2)에 설치된 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)도 마찬가지이다.

한편, 도시되지는 않았으나, 센싱부는 제1 순환관(L1)에 설치되거나, 제1 순환관(L1)과 제2 순환관(L2)에 모두 설치될 수 있다.

건축물(10)의 실내기(11)를 이용하여 건축물(10)의 실내를 냉방하고자 할 경우, 제1 열교환기(110) 및 실내기(11) 사이에는 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 통하여 열매체가 순환되면서 건축물(10) 실내의 열이 제1 열교환기(110)로 이동되어야 한다.

즉, 열매체가 제3 순환관(L3)을 통하여 제1 열교환기(110)로부터 실내기(11)로 유동되고, 제4 순환관(L4)을 통하여 실내기(11)로부터 제1 열교환기(110)로 유동된다고 가정하면, 제3 순환관(L3)을 유동하는 열매체는 제1 열교환기(110)에 의해 냉각되어 온도가 낮아진 상태이고 제4 순환관(L4)을 유동하는 열매체는 실내기(11)에 의해 가열되어 온도가 높아진 상태가 된다.

제1 열교환기(110)는 제4 순환관(L4)을 통하여 유입된 열매체를 냉각시켜 제3 순환관(L3)으로 유출시킴으로써 실내기(11)에 의한 건축물(10) 실내의 냉방이 구현될 수 있다.

이를 위하여 제1 열교환기(110)에서는 열매체에 포함된 에너지가 히트펌프 유닛(100)의 관로(161, 162, 163, 164, 165)를 순환하는 냉매에 의해 제2 열교환기(130)로 이동되도록 해야 한다.

압축기(140)가 가동되면 관로(161, 162, 163, 164, 165)를 통한 냉매의 순환이 발생되고, 압축된 냉매가 제5 관로(165), 사방밸브(150) 및 제3 관로(163)를 거쳐 제2 열교환기(130)로 유동된다.

제2 열교환기(130)로 유동된 냉매는 제2 열교환기(130)를 거치는 동안 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 통하여 순환되는 열매체와 열교환, 즉 응축되면서 냉매에 포함된 에너지가 열매체로 전달되도록 한다.

응축된 냉매는 제2 관로(162)를 통하여 제1 열교환기(110)로 유동되는데, 이 과정에서 제2 관로(162)에 설치된 팽창밸브(120)를 거친 후 제1 열교환기(110)로 유입된다.

제1 열교환기(110)로 유입된 냉매는 제1 열교환기(110) 내를 유동하는 동안 증발하게 되어 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 순환하는 열매체로부터 증발잠열을 얻게 된다. 따라서 열매체는 냉매에 의해 냉각된다.

제1 열교환기(110)를 거친 냉매는 제1 관로(161), 사방밸브(150) 및 제4 관로(164)를 거쳐 압축기(140)로 유입되고, 압축기(140)로 유입된 냉매는 압축기(140)의 작동에 따라 압축된 후 다시 제5 관로(165)를 통하여 사방밸브(150) 및 제2 열교환기(130)로 유동되는 과정을 반복하게 된다.

참고로, 도 2 및 도 3에서 점선화살표는 냉매의 유동방향을 예시한 것이고, 실선화살표는 열매체의 유동방향을 예시한 것이다.

그러므로, 히트펌프 유닛(100)에 의한 냉방 효율이 향상되기 위해서는 제1 열교환기(110)에서 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 순환하는 열매체로부터 냉매로 이동된 열이 제2 열교환기(130)에서는 냉매로부터 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체로 원활히 이동될 수 있어야 한다.

그런데, 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체의 온도가 제2 열교환기(130) 내에서의 냉매의 온도보다 높은 경우에는 열매체와 냉매 사이의 열교환이 원활하게 일어나지 않게 된다.

이럴 경우, 제2 열교환기(130) 내에서 냉매의 응축이 잘 이루어지지 않게 되므로, 압축기(140)가 냉매를 압축하는 과정에 많은 동력이 소요하게 되어 압축기(140)에 걸리는 부하가 증가된다.

이러한 상태가 장시간 유지되는 경우에는 압축기(140)에 고장이나 손상이 발생되어 심한 경우에는 히트펌프 유닛(100)의 작동이 중단될 수 있다.

이를 방지하기 위하여 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체가 냉매로부터 전달받을 수 있는 열량을 예측하여, 열매체의 유량이 조절될 필요가 있게 되는데, 이는 아래와 같이 센싱부 및 유량조절부에 의해 행해질 수 있다.

센싱부의 온도센서(171)는 열매체가 제2 열교환기로 유입되는 제2 순환관(L2)에 설치되어, 제2 순환관(L2)을 유동하는 열매체의 온도를 측정한다. 그리고, 유량센서(172)도 제2 순환관(L2)에 설치되어 유동하는 열매체의 유량을 측정한다. 즉, 센싱부는 제2 순환관(L2)을 통하여 제2 열교환기(130)로 유입되는 열매체의 유량 및 온도를 측정할 수 있다.

이와 같이 제2 열교환기(130)에서 냉매의 응축이 원활하게 일어나는 정도를 예측할 수 있으므로, 센싱부에 의해 측정된 결과에 따라 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)에 설치된 유량조절부를 이용하여 제2 열교환기(130)를 순환하는 열매체의 유량이 조절되도록 할 수 있다.

만약 열매체의 온도가 미리 정해진 값보다 높은 경우에는 유량조절부에 의해 열매체의 유량이 감소되도록 함으로써 압축기(140)에 가해지는 부하가 감소되도록 할 수 있다. 이에 따라 압축기(140)에 과도한 부하가 걸리지 않도록 할 수 있으므로 압축기(140)의 손상이나 고장이 방지되고, 압축기(140)의 수명이 연장될 수 있으며, 나아가서는 히트펌프 유닛(100)의 작동이 중지되는 것이 방지될 수 있다.

열매체의 온도가 적절한 범위에 있을 때에는 유량조절부에 의해 충분한 양의 열매체가 제2 열교환기(130)를 순환하게 함으로써 히트펌프 유닛(100)의 열효율이 향상되도록 할 수 있다.

유량조절부에 의한 열매체의 유량조절은 아래와 같이 행해질 수 있다.

센싱부에 의해 열매체의 온도가 미리 정해진 값보다 높아짐이 감지되면 개폐밸브(V11, V12, V13, V14, V15, V21, V22, V23, V24, V25)를 순차적으로 작동시켜 복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15, L21, L22, L23, L24, L25)이 순차적으로 폐쇄되도록 한다.

이에 따라 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체의 유량이 감소될 수 있다. 이때 센싱부에 의해 열매체의 유량 감소 정도가 파악될 수 있고, 압축기(140)에 가해지는 부하가 적절한 범위에 이를 때까지 열매체의 유량이 감소되도록 할 수 있다.

압축기(140)에 가해지는 부하의 정도는, 열매체의 온도 및 유량과 압축기(140)에 가해지는 부하의 상관관계에 대한 실험을 통하여 얻은 데이터 등을 통하여 알 수 있다.

또는, 도시되지는 않았으나, 압축기(140)의 온도를 직접 측정하는 압축기 온도센서를 압축기(140)에 직접 설치함으로써, 압축기(140)에 가해지는 부하의 정도가 직접 파악되도록 할 수도 있다.

한편, 복수의 분기관(L11, L12, L13, L14, L15, L21, L22, L23, L24, L25)의 단면적이 서로 다르도록 할 경우에는 개폐밸브(V11, V12, V13, V14, V15, V21, V22, V23, V24, V25)의 개폐를 각각 조작함으로써 제2 열교환기(130)로 유동하는 열매체의 유량을 더욱 정밀하게 조절할 수 있다.

예를 들어, 제2 순환관(L2)의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)을 각각 제1 분기관(L21), 제2 분기관(L22), 제3 분기관(L23), 제4 분기관(L24), 제5 분기관(L25)이라 칭하고 이들의 단면적 비율이 1:2:3:4:5라고 가정하여 설명한다.

제1 분기관(L21)만 개방되었을 때 열매체의 유량이 1이라고 하고 모든 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)이 개방되었을 때의 유량이 15라고 하면, 분기관(L21, L22, L23, L24, L25) 중 하나씩을 개방할 경우 각각의 유량은 1, 2, 3, 4, 5가 되고, 제1 분기관(L21) 및 제5 분기관(L25)이 개방되도록 하면 유량이 6이 되며, 제2 분기관(L22) 및 제5 분기관(L25)이 개방되도록 하면 유량이 7이 될 수 있다.

이와 같이, 개폐밸브(V21, V22, V23, V24, V25)를 각각 조작하여 서로 다른 단면적을 갖는 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)의 개폐를 조합하면 제2 순환관(L2)을 통한 열매체의 유량을 다양하게 조절할 수 있게 되므로, 압축기(140)에 과부하가 걸리지 않는 범위 내에서 히트펌프 유닛(100)의 열효율이 최대가 되도록 할 수 있다.

참고로, 본 실시예를 실험한 결과, 열원측에서 유입되는 열매체의 온도, 즉 제2 순환관(L2)으로 유입되는 열매체의 온도가 섭씨 5 내지 25도의 범위에 있을 때에는 압축기(140)가 정상적으로 작동되었다.

그리고, 제2 순환관(L2)으로 유입되는 열매체의 온도가 섭씨 30도 이상이 되면 압축기(140)에 부하가 걸리기 시작하여 압축기(140)가 과열되기 시작하였으며, 섭씨 45도부터는 압축기(140)가 열화되어 손상되거나 고장이 발생되기 시작하였다.

그러므로, 도 1에 예시된 바와 같이 히트펌프 유닛(100)이 소모하는 에너지를 절약하기 위하여 태양열 및 지중열과 같은 자연에너지 또는 대중목욕탕 하수나 공장 폐수에 포함된 폐열 등을 활용하고자 할 경우에는, 계절이나 지역 등의 조건을 고려하여 어떤 종류의 것을 선택하여 활용하는 것이 유리한지 고려할 필요가 있다.

즉, 하절기 중 맑은 날에는 태양열집열부(SS)에 의해 상당량의 에너지가 열매체에 축적되도록 할 수 있으나, 열매체의 온도가 높으므로 이를 이용하여 실내기(11)로 냉방이 되도록 하기에는 부적절하다.

다만, 이런 경우 하절기일지라도 건축물(10)에 온수를 공급하기 위하여 히트펌프 유닛(100)이 난방을 하도록 하는 데에는 이와 같이 높은 온도의 열매체를 활용할 수 있다.

지중열교환부(GS)가 5미터 이상의 깊이에 설치된 경우에는 지중의 온도가 연중 거의 일정하게 유지되므로, 열매체가 지중열교환부(GS)를 순환하게 함으로써 열매체의 온도가 동절기에는 기온보다 상대적으로 높아지도록 할 수 있고 하절기에는 상대적으로 낮아지게 할 수 있다. 따라서 지중열교환부(GS)는 건축물(10) 실내의 냉난방에 적절히 활용될 수 있다.

그러나, 지중열교환부(GS)가 설치된 깊이가 얕거나, 하천에 인접한 곳에 설치되는 등의 경우에는 계절적인 영향을 크게 받을 수 있으므로, 상황에 따라 적절한 에너지원을 선택하여 활용할 수 있다.

도 3에는 히트펌프 유닛(100)이 건축물(10)의 실내를 난방하는 경우가 도시되어 있다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 건축물(10)의 실내기(11)를 이용하여 건축물(10)의 실내를 난방하고자 할 경우, 제1 열교환기(110) 및 실내기(11) 사이에는 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 통하여 열매체가 순환되면서 제1 열교환기(110)의 열이 실내기(11)로 이동되어야 한다.

즉, 열매체가 제3 순환관(L3)을 통하여 제1 열교환기(110)로부터 실내기(11)로 유동되고, 제4 순환관(L4)을 통하여 실내기(11)로부터 제1 열교환기(110)로 유동된다고 가정하면, 제3 순환관(L3)을 유동하는 열매체는 제1 열교환기(110)에 의해 가열되어 온도가 높아진 상태이고 제4 순환관(L4)을 유동하는 열매체는 실내기(11)에 의해 냉각되어 온도가 낮아진 상태가 된다.

제1 열교환기(110)는 제4 순환관(L4)을 통하여 유입된 열매체를 가열시켜 제3 순환관(L3)으로 유출시킴으로써 실내기(11)에 의한 건축물(10) 실내의 난방이 구현될 수 있다.

이를 위하여 제2 열교환기(130)에서는 열매체에 포함된 에너지가 히트펌프 유닛(100)의 관로(161, 162, 163, 164, 165)를 순환하는 냉매에 의해 제1 열교환기(110)로 이동되도록 해야 한다.

압축기(140)가 가동되면 관로(161, 162, 163, 164, 165)를 통한 냉매의 순환이 발생되고, 압축된 냉매가 제5 관로(165), 사방밸브(150) 및 제1 관로(161)를 거쳐 제1 열교환기(110)로 유동된다.

제1 열교환기(110)로 유동된 냉매는 제1 열교환기(110)를 거치는 동안 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 통하여 순환되는 열매체와 열교환, 즉 응축되면서 냉매에 포함된 에너지가 열매체로 전달되도록 한다.

응축된 냉매는 제2 관로(162)를 통하여 제2 열교환기(130)로 유동되는데, 이 과정에서 제2 관로(162)에 설치된 팽창밸브(120)를 거친 후 제2 열교환기(130)로 유입된다.

제2 열교환기(130)로 유입된 냉매는 제2 열교환기(120) 내를 유동하는 동안 증발하게 되어 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체로부터 증발잠열을 얻게 된다. 따라서 열매체는 냉매에 의해 냉각된다.

제2 열교환기(130)를 거친 냉매는 제3 관로(163), 사방밸브(150) 및 제1 관로(161)를 거쳐 압축기(140)로 유입되고, 압축기(140)로 유입된 냉매는 압축기(140)의 작동에 따라 압축된 후 다시 제5 관로(165)를 통하여 사방밸브(150) 및 제1 열교환기(110)로 유동되는 과정을 반복하게 된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 히트펌프 유닛(100)에 의한 난방 효율이 향상되도록 하기 위해서 상술한 센싱부에 의해 감지된 제2 열교환기(130)를 순환하는 열매체의 온도 및 유량에 따라 유량조절부가 작동될 수 있다.

좀 더 상세히 설명하자면, 히트펌프 유닛(100)에 의한 난방 효율이 향상되기 위해서는 제2 열교환기(130)에서 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체로부터 냉매로 이동된 열이 제1 열교환기(110)에서는 냉매로부터 제3 순환관(L3) 및 제4 순환관(L4)을 순환하는 열매체로 원활히 이동될 수 있어야 한다.

그런데, 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체가 기후에 따라 온도가 변동될 수 있는 터널이나 하천으로부터 취수된 유출지하수이면서 동절기인 경우, 상술한 열매체의 온도는 매우 낮아질 수 있다.

만약, 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)을 순환하는 열매체의 온도가 제2 열교환기(130) 내에서의 냉매의 온도보다 낮을 경우에는 열매체와 냉매 사이의 열교환이 원활하게 일어나지 않게 된다.

이럴 경우, 제2 열교환기(130) 내에서 냉매의 증발이 잘 이루어지지 않게 되므로 압축기(140)의 효율이 크게 저하될 수 있는 동시에, 제3 관로(163) 또는 제4 관로(164)에 설치되어 기체 상태의 냉매만이 압축기(140)로 유입되도록 하는 수액기(도시되지 않음)를 통과하는 냉매의 양이 과소하게 되어 압축기(140)가 거의 공회전을 하게 되는 경우가 발생될 수 있다.

이러한 상태가 장시간 유지되는 경우에는 압축기(140)가 동력을 사용할 뿐 실질적인 난방은 이루어지지 않게 되므로, 본 실시예에 따른 냉난방 시스템의 효율이 심하게 저하될 수 있다.

이와 같이 제2 열교환기(130)에서 냉매의 증발이 원활하게 일어나는 정도를 예측할 수 있으므로, 센싱부에 의해 측정된 결과에 따라 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)에 설치된 유량조절부를 이용하여 제2 열교환기(130)를 순환하는 열매체의 유량이 조절되도록 할 수 있다.

만약 열매체의 온도가 미리 정해진 값보다 낮은 경우에는 유량조절부에 의해 열매체의 유량이 증가되도록 하여 제2 열교환기(130)에서 냉매의 증발에 필요한 열량이 확보될 수 있도록 함으로써 압축기(140)의 효율이 증가되도록 할 수 있다.

또한 열매체의 온도가 적절한 범위에 있을 때에는 유량조절부에 의해 충분한 양의 열매체가 제2 열교환기(130)를 순환하게 함으로써 히트펌프 유닛(100)의 열효율이 향상되도록 할 수 있다.

참고로, 본 실시예로 실험을 행한 결과, 제2 순환관(L2)으로 유입되는 열매체의 온도가 섭씨 5도 미만일 경우 제2 열교환(130)에서 냉매의 증발이 원활하게 이루어지지 않는 것으로 파악되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템은 센싱부 및 유량조절부의 작동에 의해 압축기(140)에 과도한 부하게 걸리거나 과소한 부하가 걸리지 않고 적절한 부하가 걸릴 수 있도록 할 수 있으므로, 냉방 또는 난방 시 최적의 효율을 얻도록 할 수 있다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에는 히트펌프 유닛(100), 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4), 센싱부 및 유량조절부가 포함된다. 센싱부에는 온도센서(171) 및 유량센서(172)가 포함되고, 유량조절부에는 제1 개도조절밸브(AL1) 및 제2 개도조절밸브(AL2)가 포함된다.

여기서, 히트펌프 유닛(100), 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4) 및 센싱부는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.

도시된 바와 같이 유량조절부에 포함된 제1 개도조절밸브(AL1)는 제1 순환관(L1)에 설치되고 제2 개도조절밸브(AL2)는 제2 순환관(L2)에 포함된다.

제1 개도조절밸브(AL1) 및 제2 개도조절밸브(AL2)는 각각 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)이 폐쇄 또는 개방되는 정도를 조절할 수 있다. 따라서 센싱부에 의해 제2 열교환기(130)를 순환하는 열매체의 온도 및 유량이 측정되면 이를 기준으로 제1 개도조절밸브(AL1) 및 제2 개도조절밸브(AL2)가 제1 순환관(L1) 및 제2 순환관(L2)이 개방된 정도가 조절되도록 함으로써 압축기(140)에 가해지는 부하가 적절한 범위에 있도록 조절할 수 있게 된다.

이때, 도시되지는 않았으나, 개도조절밸브(AL1, AL2)로는 개방정도가 연속적으로 가변될 수 잇는 것을 사용함으로써 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예보더 열매체의 유량을 더욱 정밀하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에는 히트펌프 유닛(100), 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4), 센싱부 및 유량조절부가 포함된다.

유량조절부에는 제2 순환관(L2)에 형성된 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)과, 복수의 분기관(L21, L22, L23, L24, L25)에 각각 설치된 복수의 개폐밸브(V21, V22, V23, V24, V25)와, 제4 순환관(L4)에 형성된 복수의 분기관(L41, L42, L43, L44, L45)과, 복수의 분기관(L41, L42, L43, L44, L45)에 각각 설치된 복수의 개폐밸브(V41, V42, V43, V44, V45)가 포함된다.

그리고 센싱부에는 제2 순환관(L2)에 설치된 온도센서(171)와 유량센서(172) 및 제4 순환관(L4)에 설치된 온도센서(181)와 유량센서(182)가 포함된다.

도시된 본 발명의 또 다른 실시예는 앞에서 언급한 히트펌프 유닛(100)의 열원측 및 출력측에 유량조절부가 모두 설치되도록 한 것으로, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(130)에서 각각 행해지는 열매체와 냉매 사이에서 교환되는 에너지(열량)를 모두 조절할 수 있도록 한 것이다.

이에 따라 히트펌프 유닛(100)이 냉방 또는 난방을 할 경우에 관계없이 열원측 및 출력측의 열매체 순환 유량을 각각 조절할 수 있으므로 상술한 본 발명의 실시예들 보다 더욱 직접적이고 정밀하게 압축기(140)에 가해지는 부하 정도를 조절 할 수 있다는 장점을 갖는다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에서는, 순환되는 열매체의 유량을 조절하는 유량조절부가 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4) 중 하나 이상에 설치될 수 있으며, 두 쌍의 순환관(L1, L2, L3, L4) 중 유량조절부가 설치된 것에는 센싱부가 각각 설치될 수 있다.

다만, 유량조절부 및 센싱부의 수가 많아질수록 열매체의 유량을 더욱 정밀하게 조절할 수는 있겠으나, 구성요소에 해당되는 부품의 수가 증가되고 그에 따른 설치비 등도 함께 증가되므로, 설치될 장소의 상황에 따라 유량조절부 및 센싱부가 설치되는 위치 및 그 수는 적절히 가감될 수 있다.

참고로, 도시되지는 않았으나, 본 발명의 실시예들에는 제어부가 더 포함된다. 즉, 제어부는 앞에서 언급된 압축기(140), 사방밸브(150), 온도센서(171, 181), 유량센서(172, 182), 개폐밸브(V11, V12, V13, V14, V15, V21, V22, V23, V24, V25) 및 개도조절밸브(AL1, AL2)에 전기적으로 연결되어, 사용자가 키보드나 스위치와 같은 입력수단(도시되지 않음)으로 입력하는 신호 또는 온도센서(171, 181) 및 유량센서(172, 182)에 의해 측정되는 값을 입력받고, 이에 따라 미리 입력된 프로그램 등에 따라 압축기(140), 사방밸브(150), 온도센서(171, 181), 유량센서(172, 182), 개폐밸브(V11, V12, V13, V14, V15, V21, V22, V23, V24, V25) 및 개도조절밸브(AL1, AL2)가 조작되도록 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 제어부에 의해 전자동으로 제어되도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 따른 부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10: 건축물
11: 실내기
100: 히트펌프 유닛
110: 제1 열교환기
120: 팽창밸브
130: 제2 열교환기
140: 압축기
150: 사방밸브
161: 제1 관로
162: 제2 관로
163: 제3 관로
164: 제4 관로
165: 제5 관로
171, 181: 온도센서
172, 182: 유량센서
AL1, AL2: 개도조절밸브
L1, L2, L3, L4: 순환관
L11, L12, L13, L14, L15: 분기관
L21, L22, L23, L24, L25: 분기관
L41, L42, L43, L44, L45: 분기관
LG1, LG2, LS1, LS2: 연결관
LH1, LH2: 유동관
SG: 지중열교환부
SS: 태양열집열부
V1, V2, V3, V4, V5, V6: 절환밸브
V11, V12, V13, V14, V15: 개폐밸브
V21, V22, V23, V24, V25: 개폐밸브
V41, V42, V43, V44, V45: 개폐밸브

Claims

한 쌍의 열교환기, 압축기, 사방밸브 및 팽창밸브가 구비된 히트펌프 유닛;
상기 한 쌍의 열교환기에 열매체가 순환되도록 한 쌍씩 각각 연결된 두 쌍의 순환관;
상기 두 쌍의 순환관 중 하나 이상에 설치되어 상기 열매체의 유량을 조절하는 유량조절부; 및
상기 두 쌍의 순환관 중 상기 유량조절부가 설치된 상기 순환관에 설치되어 상기 열매체의 유량 및 온도를 측정하는 센싱부;를 포함하는
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 센싱부는
상기 열매체의 유량을 측정하는 유량센서; 및
상기 열매체의 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하는
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.
제2항에 있어서,
상기 유량조절부는
상기 순환관이 복수로 분기되어 형성된 복수의 분기관; 및
상기 복수의 분기관에 각각 설치되어 상기 분기관의 개폐를 조절하는 개폐밸브;를 포함하는
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.
제3항에 있어서,
상기 복수의 분기관은 단면적이 서로 다른
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.
제2항에 있어서,
상기 유량조절부는
상기 순환관에 설치되어 상기 순환관을 폐쇄하거나 개방된 정도를 조절하는 개도조절밸브를 포함하는
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축기의 온도를 측정하는 압축기 온도센서를 더 포함하는
부하조절기능을 구비한 히트펌프 냉난방 시스템.