KR20190090972A

KR20190090972A - 태양광열과 지열을 이용한 직접 냉매 순환식 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR20190090972A
Application number: KR1020180009830A
Authority: KR
Inventors: 이의준; 강은철; 이광섭
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-05

Abstract

본 발명은 냉난방이 요구되는 부하(80) 측과 열교환하는 부하측 열교환기(10); 상기 부하측 열교환기(10)와 제1냉매배관(71)을 통해 연결되는 팽창밸브(50); 상기 팽창밸브(50)와 제2냉매배관(72)을 통해 연결되는 지중 열교환기(20); 상기 지중 열교환기(20)와 제3냉매배관(73-1)을 통해 연결되는 열원측 열교환기(40); 상기 열원측 열교환기(40)와 제3냉매배관(73-2)을 통해 연결되는 태양광열 열교환기(37)를 구비하는 PVT 모듈(30); 상기 태양광열 열교환기(37)와 제4냉매배관(74)을 통해 연결되는 압축기(60); 상기 압축기(60)와 상기 부하측 열교환기(10)를 연결하는 제5냉매배관(75); 및 상기 냉매배관(71, 72, 73-1, 73-2, 74, 75)를 순방향으로 또는 역방향으로 순환하는 냉매;를 포함하는 히트펌프 시스템을 제공한다. 상기 냉매는 친환경적인 CO₂ 냉매를 이용하고, PVT 모듈에서 생산되는 직류 전원은 직류/교류 컨버터 없이 압축기의 직류 모터에 직접 공급된다.

Description

태양광열과 지열을 이용한 직접 냉매 순환식 히트펌프 시스템{A Direct Refrigerant Circulation Heat Pump System Using Photovoltaic/Thermal and Geothermal.}

본 발명은 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실외기 쪽에 냉매가 직접 열교환을 하는 지중 열교환기와 태양광열(PVT; Photovoltaic/Thermal) 모듈을 포함하는 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

히트펌프 시스템은 저온 측의 열을 고온 측으로 이동시킴으로써, 공조를 하고자 하는 공간의 온도를 조절하는 시스템이다. 이러한 히트펌프 시스템은 통상 열교환을 하는 실내기와 실외기를 포함하고, 냉매 싸이클을 구성하기 위한 압축기와 팽창밸브가 포함된다.

종래의 히트펌프는 실내기와 실외기가 냉매 배관으로 연결되고, 냉매 배관 상에 압축기와 팽창밸브를 두어, 냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 통해 저온 측의 열을 고온 측으로 이동시키도록 하는 것이 일반적이었다. 그리고 상기 히트펌프의 실외기는, 통상 외기와 열교환을 하는 방식이었다.

부하측, 즉 실내기 쪽에서 냉방이 이루어질 때에는, 실외기에서 냉매가 응축하며 방열하는 데에 별다른 어려움이 없었다. 그러나 실내기 쪽에서 난방이 이루어질 경우, 외기의 온도가 극히 낮으면 실외기에서 증발 과정에 어려움이 있었으며, 아울러 외기로부터 받게 되는 냉매의 흡열량이 낮으면 그만큼 압축기의 부하가 커지게 되어, 에너지 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다.

이러한 점을 감안하여, 최근에는, 실외기가 직접 외기와 열교환하는 것이 아니라, 외부에 지중 열교환기나 태양광열 모듈 등의 열교환기를 두고, 이들을 순환하는 열매체가 상기 실외기에서 히트펌프의 냉매와 열교환하는 방식을 채택함으로써, 히트펌프를 순환하는 냉매의 증발이나 응축 과정을 개선하는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 위와 같은 구조는, 실외에서 별도의 열교환기(지중 열교환기, 태양광열 모듈)를 순환하는 열매체의 순환 구조를 별도로 마련해야 하고, 아울러 상기 열매체가 히트펌프의 냉매와 실외기에서 열교환하는 과정에서, 열 손실이 발생한다는 문제가 있었다.

또한 상술한 방식의 냉난방 시스템은 열매체의 누설로 인해 환경 오염이 발생할 우려가 다분하였다.

아울러 종래에는, PVT 모듈에서 생산된 직류 전원을 교류로 변환하여 이를 압축기의 모터에 공급하는 방식을 사용하였는바, 직류를 교류로 변환하고, 모터 내에서 이를 다시 직류로 재변환하는 과정에서 전기 에너지의 손실이 발생하였다.

등록특허공보 제1401422호 등록특허공보 제1041745호 등록특허공보 제1568606호 등록특허공보 제1215102호 공개특허공보 제2015-18105호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 히트펌프의 냉매 사이클과, 외부의 열매체 순환 구조 없이, 히트펌프의 냉매 사이클로 외부의 지중 열교환기나 태양광열 모듈과 직접 열교환하여, 히트펌프의 냉매와 외부의 열매체 간의 열교환 과정에서 발생하는 열 손실을 없앤 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, CO₂ 자연냉매 사용으로 냉매의 누설의 발생하더라도 환경 오염 등의 문제를 유발하지 않고 온실가스를 줄이는 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, PVT 모듈에서 생산된 직류 전원을 직접 압축기의 전원으로 사용하여, 직류와 교류 간의 변환에서 발생하던 전기 에너지의 손실을 없앤 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 냉난방이 요구되는 부하(80) 측과 열교환하는 부하측 열교환기(10); 상기 부하측 열교환기(10)와 제1냉매배관(71)을 통해 연결되는 팽창밸브(50); 상기 팽창밸브(50)와 제2냉매배관(72)을 통해 연결되는 지중 열교환기(20); 상기 지중 열교환기(20)와 제3냉매배관(73)을 통해 연결되는 태양광열 열교환기(37)를 구비하는 PVT 모듈(30); 상기 태양광열 열교환기(37)와 제4냉매배관(74)을 통해 연결되는 압축기(60); 상기 압축기(60)와 상기 부하측 열교환기(10)를 연결하는 제5냉매배관(75); 및 상기 냉매배관(71, 72, 73, 74, 75)를 순방향으로 또는 역방향으로 순환하는 냉매;를 포함하는 히트펌프 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은, 냉난방이 요구되는 부하(80) 측과 열교환하는 부하측 열교환기(10); 상기 부하측 열교환기(10)와 제1냉매배관(71)을 통해 연결되는 팽창밸브(50); 상기 팽창밸브(50)와 제2냉매배관(72)을 통해 연결되는 지중 열교환기(20); 상기 지중 열교환기(20)와 제3냉매배관(73-1)을 통해 연결되는 열원측 열교환기(40); 상기 열원측 열교환기(40)와 제3냉매배관(73-2)을 통해 연결되는 태양광열 열교환기(37)를 구비하는 PVT 모듈(30); 상기 태양광열 열교환기(37)와 제4냉매배관(74)을 통해 연결되는 압축기(60); 상기 압축기(60)와 상기 부하측 열교환기(10)를 연결하는 제5냉매배관(75); 및 상기 냉매배관(71, 72, 73-1, 73-2, 74, 75)를 순방향으로 또는 역방향으로 순환하는 냉매;를 포함하는 히트펌프 시스템을 제공한다.

상기 지중 열교환기(20)는 지열측 제1입출배관(24)과 지열측 제2입출배관(25)을 포함한다.

상기 냉매는, 상기 지열측 제1입출배관(24)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제2입출배관(25)으로 나오거나, 상기 지열측 제2입출배관(25)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제1입출배관(24)으로 나올 수 있다.

상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 제1입출배관(24)은 지열측 제1삼방밸브(21)로 연결되고, 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 제2입출배관(25)은 지열측 제2삼방밸브(22)로 연결되며, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)와 상기 지열측 제2삼방밸브(22)는 지열측 바이패스 배관(23)을 통해 서로 연결되어 있다.

이에 따라 상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키면, 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있다.

상기 태양광열 열교환기(37)는 태양광열측 제1입출배관(34)과 태양광열측 제2입출배관(35)을 포함한다.

상기 냉매는, 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 통해 상기 태양광열 열교환기(37)에 유입되어 상기 태양광열 열교환기(37)를 거친 후 상기 태양광열측 제2입출배관(35)으로 나올 수 있다.

상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 제1입출배관(34)은 태양광열측 제1삼방밸브(31)로 연결되고, 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 제2입출배관(35)은 태양광열측 제2삼방밸브(32)로 연결되며, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)와 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)는 태양광열측 바이패스 배관(33)을 통해 서로 연결되어 있다.

이에 따라 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키면, 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있다.

상기 열원측 열교환기(40)는 열원측 제1입출배관(44)과 열원측 제2입출배관(45)을 포함한다.

상기 냉매는, 상기 열원측 제1입출배관(44)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제2입출배관(45)으로 나오거나, 상기 열원측 제2입출배관(45)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제1입출배관(44)으로 나올 수 있다.

상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 제1입출배관(44)은 열원측 제1삼방밸브(41)로 연결되고, 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 제2입출배관(45)은 열원측 제2삼방밸브(42)로 연결되며, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)와 상기 열원측 제2삼방밸브(42)는 지열측 바이패스 배관(43)을 통해 서로 연결되어 있다.

이에 따라 상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키면, 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있다.

상기 PVT 모듈(30)은 솔라셀(38)을 더 포함한다.

상기 압축기는 직류 전원을 공급 받아 작동하는 직류 모터를 포함한다.

상기 솔라셀(38)에서 생산된 직류 전원은 상기 직류 모터에 공급되어 직접 모터의 구동 전원으로 사용될 수 있다.

상기 냉매는 이산화탄소(CO₂)일 수 있다.

또한 본 발명은 상기 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서, 부하(80)에 난방을 하기 위해, 부하측 열교환기(10)에서 나온 냉매가 팽창밸브(50)를 거친 후의 온도(T₇₂)와, 지중 열교환기(20) 부근의 지중 온도(T₂₀)를 비교한다.

그 결과 T₇₂ 가 T₂₀ 이상이면, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키도록 제어하고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 하도록 할 수 있다.

또한 그 결과 T₇₂ 가 T₂₀ 미만이면, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 제1입출배관(24)을 연결시키도록 제어하고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 제2입출배관(25)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 지열측 제1입출배관(24)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제2입출배관(25)으로 나오도록 할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서, 부하(80)에 난방을 하기 위해, 태양광열측 제1삼방뱅브(31) 직전의 제3냉매배관의 냉매 온도(T₇₃)와, 태양광열측 열교환기(37) 부근의 PVT 모듈 내부 온도(T₃₇)를 비교할 수 있다.

그 결과 T₇₃ 가 T₃₇ 이상이면, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 태양광열측 열교환기(37) 를 거치지 않고 바이패스 하도록 할 수 있다.

또한 그 결과 T₇₃ 가 T₃₇ 미만이면, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 제2입출배관(35)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 통해 상기 태양광열 열교환기(37)에 유입되어 상기 태양광열 열교환기(37)를 거친 후 상기 태양광열측 제2입출배관(35)으로 나오도록 할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서, 부하(80)에 난방을 하기 위해, 제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)와, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)를 비교할 수 있다.

그 결과 T_73-1 가 T₄₀ 이상이면, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키도록 제어하고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 하도록 할 수 있다.

또한 그 결과 T_73-1 가 T₄₀ 미만이면, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 제1입출배관(44)을 연결시키도록 제어하고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 제2입출배관(45)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 열원측 제1입출배관(44)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제2입출배관(45)으로 나오도록 할 수 있다.

또한 본 발명은, 부하(80)의 냉방을 하기 위해, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하여, 상기 압축기(60)에서 토출된 냉매가 상기 태양광열측 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 하도록 할 수 있다.

본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에 따르면, 히트펌프를 순환하는 냉매와, 외부의 열원으로부터 열을 수송하는 열매체가 열교환하는 구조 없이, 히트펌프의 냉매가 외부의 열원과 직접 열교환하도록 함으로써 냉매와 열매체 간 열교환 과정에서 발생하던 열 손실을 없애, 보다 고효율의 냉난방이 가능하다.

또한 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에 따르면, 냉매로 이산화탄소를 사용하므로, 냉매가 외부의 열원을 순환하는 과정에서 누설이 발생하더라도, 환경 오염의 문제가 발생하지 아니하는 친환경적 시스템을 구축할 수 있다.

또한 본 발명의 히트펌프 냉난방 시스템에 따르면, PVT 모듈에서 발생하는 직류 전원을 압축기의 직류 모터에 직접 공급함으로써, 교류 및 직류 간 변환 과정에서 발생이 불가피했던 전기 에너지의 손실을 없앨 수 있다.착좌물을 포함하는 착좌 모듈에 따르면, 착좌물과 지중 열교환기를 별도로 시공할 필요 없이, 모듈화된 착좌 모듈을 설치할 수 있어 시공이 간편하다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방 히트펌프 시스템의 제1실시예의 개념도이다.
도 2는 도 1의 냉난방 히트펌프 시스템의 제1제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 냉난방 히트펌프 시스템의 제2제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 냉난방 히트펌프 시스템의 제3제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 냉난방 히트펌프 시스템의 제4제어방식에 따른 냉방 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉난방 히트펌프 시스템의 제2실시예의 개념도이다.
도 7은 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제5제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제6제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제7제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제8제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제9제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 12는 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제10제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 13은 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제11제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.
도 14는 도 6의 냉난방 히트펌프 시스템의 제12제어방식에 따른 난방 과정을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

[히트펌프 시스템의 제1실시예]

도 1에는 본 발명에 따른 냉난방 히트펌프 시스템의 제1실시예의 개념도가 도시되어 있다. 본 발명의 냉난방 히트펌프 시스템(1)은 건물 등 냉난방이 필요한 부하(80)에 열을 공급하거나 상기 부하(80)의 열을 배출하는 열역학적 시스템이다.

상기 히트펌프 시스템(1)은 부하측 열교환기(10)를 구비한다. 부하측 열교환기(10)는, 히트펌프 시스템(1)을 구성하는 PVT 모듈(30)이나 지중 열교환기(20)로부터 열을 공급받아 상기 부하(80) 측에 전달하거나, 상기 부하(80)로부터 열을 전달받아 상기 지중 열교환기(20)로 전달하는 구성이다.

상기 부하측 열교환기(10)는 일 예로서, 실내기일 수 있다. 실내기는 실내의 공기와 상기 부하측 열교환기(10) 간의 열 교환을 촉진하기 위한 팬(19)이 설치될 수 있다. 또한 상기 부하측 열교환기(10)는, 부하(80) 측에 공급하는 온수를 데우는 열 공급원일 수 있다.

상기 부하측 열교환기(10)는 제1냉매배관(71)을 통해 팽창밸브(50)의 일측에 연결되고, 상기 팽창밸브(50)의 타측은 제2냉매배관(72)을 통해 지중 열교환기(20)에 연결된다.

지중 열교환기(20)는 지중에 매립되는 냉매 배관 구조물일 수 있으며, 수평 배관 방식, 수직 배관 방식 등, 지중에서 열교환할 수 있는 다양한 형태를 적용할 수 있다.

상기 지중 열교환기(20)는, 냉매가 유입되거나 유출되는 지열측 제1입출배관(24)과, 냉매가 유출되거나 유입되는 지열측 제2입출배관(25)을 포함한다. 즉 지열측 제1입출배관(24)이 지중 열교환기(20)의 냉매 유입구가 되면, 지열측 제2입출배관(25)이 지중 열교환기(20)의 냉매 유출구가 되고, 지열측 제2입출배관(25)이 지중 열교환기(20)의 냉매 유입구가 되면, 지열측 제1입출배관(24)이 지중 열교환기(20)의 냉매 유출구가 된다.

상기 지중 열교환기(20)는 제3냉매배관(73)을 통해 PVT 모듈(30)과 연결된다. PVT 모듈(30)은 태양열을 집열하는 태양광열 열교환기(37)와, 태양광을 전기에너지로 변환하는 솔라셀(38)을 포함한다. 상기 제3냉매배관(73)은 상기 PVT 모듈(30)에 구비된 상기 태양광열 열교환기(37)와 연결된다.

상기 태양광열 열교환기(37)는, 냉매가 유입되거나 유출되는 태양광열측 제1입출배관(34)과, 냉매가 유출되거나 유입되는 태양광열측 제2입출배관(35)을 포함한다. 즉 태양광열측 제1입출배관(34)이 태양광열 열교환기(37)의 냉매 유입구가 되면, 태양광열측 제2입출배관(35)이 태양광열 열교환기(37)의 냉매 유출구가 된다.

상기 태양광열 열교환기(37)는 제4냉매배관(74)을 통해 압축기(60)와 연결된다. 상기 압축기(60)는 저압의 기체 상의 냉매가 유입되는 저압부(61)와 고압의 기체 상의 냉매가 유출되는 고압부(62)를 포함한다. 상기 태양광열 열교환기(37)에서 상기 제4냉매배관(74)을 통해 압축기(60)에 유입되는 냉매는 사방밸브(63)에 의해 압축기(60)의 저압부(61)로 안내되고, 저압부(61)로 안내된 냉매는 압축기에서 압축된 후 고압부(62)로 유출된다.

상기 압축기(60)는 직류 모터에 의해 작동된다. 일 예로 직류 모터는 BLDC(brushless direct current) 모터일 수 있다. 상기 PVT 모듈(30)은 태양광 에너지를 직류의 전기에너지로 변환시켜주는 솔라셀(38)을 포함한다. 그리고 상기 솔라셀(38)은 상기 압축기의 BLDC 모터에 전기적으로 연결된다. 이에 따라 솔라셀(38)에서 생산된 직류 전원은 BLDC 모터의 인버터에 직접적으로 공급된다.

종래의 BLDC 모터는 교류 전원을 공급받는 것이 예정되어 있었다. 따라서 BLDC 모터 내부에는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(AC DC converter)가 내장되어 있는 것이 일반적이다. 따라서 종래의 BLDC 모터를 압축기(60)에 적용할 경우, PVT 모듈(30)에서 생산된 직류 전원을 교류로 변환한 후 BLDC 모터에 공급하였다. 그러면 BLDC 모터 내에 내장된 컨버터에서 교류 전원을 다시 직류 전원으로 변환한 후 인버터에 공급하게 된다.

그러나 이와 같이 직류를 교류로 변환하고 다시 교류를 직류로 변환하는 과정에서 전기에너지의 손실이 크게 발생한다.

이러한 점을 감안하여 본 발명에서는, BLDC 모터의 교류-직류 컨버터를 생략하고, PVT 모듈의 직류 전원을 BLDC 모터 내의 인버터에 직접 공급하는 방식을 적용한다. 이에 따르면 설비 구성을 위한 비용 절감은 물론, 전기 에너지를 더 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

상기 압축기(60)는 다시 제5냉매배관(75)을 통해 부하측 열교환기(10)와 연결된다. 보다 구체적으로, 압축기(60)의 사방밸브(63)에는 제4냉매배관(74)과 제5냉매배관(75), 그리고 압축기(60)의 저압부(61)와 고압부(62)가 각각 연결되고, 사방밸브(63)는 제4냉매배관(74)과 제5냉매배관(75) 내의 냉매의 유동 방향에 따라, 냉매배관(70)으로부터 압축기(60) 쪽으로 유입되는 냉매를 저압부(61)로 흐르도록 연결하고, 압축기(60)에서 유출된 고압부(62) 쪽의 냉매를 다른 냉매배관으로 흐르도록 제어된다. 즉, 사방밸브(63)는, 냉매의 유동 방향에 관계 없이 압축기로 유입되는 냉매를 저압부 쪽으로 연결한다.

이에 따라, 상기 냉매배관(71, 72, 73, 74, 75)을 흐르는 냉매는 순방향으로 또는 역방향으로 모두 순환 가능하다. 냉매가 제1냉매배관(71), 제2냉매배관(72), 제3냉매배관(73), 제4냉매배관(74) 및 제5냉매배관(75)의 순으로 흐르면 부하(80) 측에 열(Q)이 공급되어 난방이 이루어지고, 그 역방향으로 순환하면 부하(80) 측으로부터 열(Q)을 빼내며 냉방이 이루어지게 된다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 지중 열교환기(20)로 이동한 냉매는 지중 열교환기(20)를 거친 후 이동하거나, 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스할 수 있다.

이와 같은 냉매의 유동을 제어하기 위해, 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 제1입출배관(24)은 지열측 제1삼방밸브(21)로 연결되고, 상기 제3냉매배관(73)과 상기 지열측 제2입출배관(25)은 지열측 제2삼방밸브(22)로 연결되며, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)와 상기 지열측 제2삼방밸브(22)는 지열측 바이패스 배관(23)을 통해 서로 연결되도록 하였다.

이러한 구성에 따르면, 지열측 제1삼방밸브(21)가 제2냉매배관(72)과 지열측 제1입출배관(24)을 연결하고, 지열측 제2삼방밸브(22)가 제3냉매배관(73)과 지열측 제2입출배관(25)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 지중 열교환기(20)로 이동해온 냉매는 지중 열교환기(20)를 거치게 된다.

반면 지열측 제1삼방밸브(21)가 제2냉매배관(72)과 지열측 바이패스 배관(23)을 연결하고, 지열측 제2삼방밸브(22)가 제3냉매배관(73)과 지열측 바이패스 배관(23)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 지중 열교환기(20)로 이동해온 냉매는 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 하게 된다.

또한 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 PVT 모듈(30)에 구비된 태양광열 열교환기(37)로 이동한 냉매는 태양광열 열교환기(37)를 거친 후 이동하거나, 태양광열 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스할 수 있다.

이와 같은 냉매의 유동을 제어하기 위해, 상기 제3냉매배관(73)과 상기 태양광열측 제1입출배관(34)은 태양광열측 제1삼방밸브(31)로 연결되고, 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 제2입출배관(35)은 태양광열측 제2삼방밸브(32)로 연결되며, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)와 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)는 태양광열측 바이패스 배관(33)을 통해 서로 연결되도록 하였다.

이러한 구성에 따르면, 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 제3냉매배관(73)과 태양광열측 제1입출배관(34)을 연결하고, 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 제4냉매배관(74)과 태양광열측 제2입출배관(35)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 PVT 모듈(30)로 이동해온 냉매는 태양광열 열교환기(37)를 거치게 된다.

반면 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 제3냉매배관(73)과 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결하고, 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 제4냉매배관(74)과 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 PVT 모듈(30)로 이동해온 냉매는 태양광열 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 냉매는 이산화탄소(CO₂)일 수 있다.

<제1제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제1제어방식에 대해 설명한다.

한겨울에는 지중의 온도(T₂₀)가 섭씨 10도 내외가 된다. 아울러 태양광열을 집열한 PVT 모듈의 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)는 20도 정도까지 오를 수 있다. 즉 겨울철, 해가 잘 드는 낮에는 T₂₀ < T₃₇ 이 된다.

이러한 환경에서 부하(80) 측의 난방을 위한 제어방식은 다음과 같다.

먼저, 부하측 열교환기(10)의 냉매가 제1냉매배관(71)을 따라 이동하여 팽창밸브(50)에서 팽창하여 온도가 하강하도록 한다. 그러면 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)는 지중 열교환기(20) 부근의 지중의 온도(T₂₀)보다 낮아지게 된다.

다음으로, 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제2냉매배관(72)의 냉매가 지중 열교환기(20)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 지중 열교환기(20)를 거치며 지중에서 열교환을 하여 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 지중 열교환기(20)를 거친 냉매는 제3냉매배관(73)을 따라 유동하여 태양광열 열교환기(37)로 이동하게 된다.

T₂₀ < T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73)의 냉매의 온도(T₇₃) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 태양광열 열교환기(37)를 거치며 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 태양광열 열교환기(37)를 거친 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

압축기(60)에서 상기 냉매는 단열 압축되고, 이에 따라 냉매는 고온 고압의 기체 상으로 제5냉매배관(75)을 따라 유동하여 부하측 열교환기(10)에 이르게 된다.

부하측 열교환기에서 고온 고압의 기체 상의 냉매는 응축하며 부하(80) 측에 열을 전달하게 된다. 그리고 상기 냉매는, 앞서 설명한 순방향의 순환을 계속하게 된다.

<제2제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 3을 참조하여 본 발명의 제1실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제2제어방식에 대해 설명한다.

한겨울에는 지중의 온도(T₂₀)가 섭씨 10도 내외가 된다. 햇볕이 잘 드는 낮에는 태양광열을 집열한 PVT 모듈의 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)가 지중의 온도(T₂₀)보다 높지만, 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)가 지중의 온도(T₂₀)보다 낮게 된다. 즉 겨울철, 밤에는 T₂₀ > T₃₇ 이 된다.

다음으로, 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제2냉매배관(72)의 냉매가 지중 열교환기(20)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 지중 열교환기(20)를 거치며 지중에서 열교환을 하여 열에너지를 흡수함으로써 온도가 상승하게 된다. 지중 열교환기(20)를 거친 냉매는 제3냉매배관(73)을 따라 유동하여 태양광열 열교환기(37)로 이동하게 된다.

T₂₀ > T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73)의 냉매의 온도(T₇₃)는 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 높다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 바이패스하도록 한다.

태양광열 열교환기(37)를 바이패스한 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

<제3제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 4를 참조하여 본 발명의 제1실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제3제어방식에 대해 설명한다.

지중의 온도(T₂₀)가 기온보다 낮은 봄이나 가을, 그리고 여름이라 하더라도 온수 등을 생산할 필요가 있을 때에도 난방이 필요하다. 이러한 상황에서는 팽창밸브(50)를 거친 냉매의 온도(T₇₂)가 지중의 온도(T₂₀)보다 더 높을 수 있다.

먼저, 부하측 열교환기(10)의 냉매가 제1냉매배관(71)을 따라 이동하여 팽창밸브(50)에서 팽창한다.

다음으로, 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제2냉매배관(72)의 냉매가 지중 열교환기(20)를 바이패스하도록 한다.

지중 열교환기(20)를 바이패스한 냉매는 제3냉매배관(73)을 따라 유동하여 태양광열 열교환기(37)로 이동하게 된다.

이때, 해가 잘 드는 낮에는 제3냉매배관(73)의 냉매의 온도(T₇₃)가 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮을 수 있다. 이럴 때에는, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 태양광열 열교환기(37)를 거치며 열에너지를 흡수함으로써 온도가 상승하게 된다.

반면, 해가 잘 안 드는 밤에는 제3냉매배관(73)의 냉매의 온도(T₇₃)가 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮을 수 있다. 이럴 때에는, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 바이패스하도록 한다. 다만 이와 같이 실외를 유동하는 냉매가 두 열교환기(20, 37)에서 모두 열교환을 하지 않으면, 압축기(60)에서 에너지 소모율이 커져 에너지 효율이 크게 떨어질 수 있다. 후술하겠지만, 이러한 점을 감안하여 외기와 열교환하는 별도의 열원측 열교환기(40; 도 6 참조)를 더 구비하는 방안도 고려할 수 있다.

도 4에는 T₇₃ < T₃₇ 인 경우의 냉매 유동 제어 상태가 개시되어 있다.

태양광열 열교환기(37)를 거치거나 바이패스한 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

<제4제어방식에 따른 냉방 제어>

이하 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예의 히트펌프 시스템의 냉방 제어 방식(제4제어방식)을 설명한다.

여름철 실내, 즉 부하(80) 측을 냉방할 필요가 있을 때에는 도 5에 도시된 바와 같이 냉매가 제5냉매배관(75), 제4냉매배관(74), 제3냉매배관(73), 제2냉매배관(72) 및 제1냉매배관(71)의 역방향 순서로 순환하게 된다.

실내기, 즉 부하측 열교환기(10)에서 증발하며 실내의 열에너지를 흡수한 저온 저압의 냉매는 제5냉매배관(75)을 거쳐 압축기(60)에 유입된 후 압축되어 고온 고압의 냉매로 제4냉매배관(74)을 지난다.

통상 냉방은 여름철 낮에 이루어지고, 이에 따라 PVT 모듈(30)의 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도는 매우 높다. 따라서 냉방 운전시 응축이 이루어져야 하는 제4냉매배관(74)의 냉매 온도(T₇₄)가 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 더 낮은바, 제4냉매배관(74)의 냉매는 태양광열 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제4냉매배관(74)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 바이패스하도록 한다.

태양광열 열교환기(37)를 바이패스한 냉매는, 제3냉매배관(73)을 거쳐 지중 열교환기(20)에 이른다. 냉방이 필요한 여름철 지중의 온도는 대기 온도보다 크게 낮다. 따라서 제3냉매배관(73)의 냉매는 지중 열교환기(20)를 거치며 방열 응축하도록 제어된다.

이를 위해 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제3냉매배관(73)의 냉매가 지중 열교환기(20)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 지중 열교환기(20)를 거치며 지중에서 열교환을 하여 방열 응축한다.

지중 열교환기(20)를 거친 냉매는 제2냉매배관(72)을 따라 유동하여 팽창밸브(50)에서 팽창하며 온도가 낮아지게 된다. 그리고 제1냉매배관(71)을 따라 부하측 열교환기(10)로 이동하여 부하(80)를 냉방하게 된다.

[히트펌프 시스템의 제2실시예]

앞서 제1실시예에서, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템에서, PVT 모듈(30)과 지중 열교환기(20) 외에 별도의 열원측 열교환기(40)가 더 구비될 필요가 있음을 설명한 바 있다. 이에 본 발명에서는 히트펌프 시스템의 제2실시예로서, 열원측 열교환기(40)를 추가적으로 구비하는 히트펌프 시스템(1)을 개시한다.

도 6에는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 제2실시예가 도시되어 있다. 제1실시예와 대비하여 제2실시예는, 냉매의 유동 경로 상 지중 열교환기(20)와 PVT 모듈(30) 사이에 별도의 열원측 열교환기(40)가 더 구비된다는 점에서, 제1실시예와 차이가 있다. 이하 제1실시예와 다른 구성을 위주로 설명하며, 설명하지 아니한 사항은 제1실시예와 유사하거나 동일하다고 이해할 수 있을 것이다.

지중 열교환기(20)는 제3냉매배관(73-1)을 통해 열원측 열교환기(40)와 연결되고, 열원측 열교환기(40)는 제3냉매배관(73-2)을 통해 PVT 모듈(30)과 연결된다.

상기 열원측 열교환기(40)는 가령 대기 중의 공기와 열교환하는 실외기일 수 있다. 냉방 운전시 열원측 열교환기(40)는 응축기일 수 있으며, 난방 운전시 열원측 열교환기(40)는 증발기일 수 있다.

열원측 열교환기(40)는 냉매가 유입되거나 유출되는 열원측 제1입출배관(44)과, 냉매가 유출되거나 유입되는 열원측 제2입출배관(45)을 포함한다. 즉 열원측 제1입출배관(44)이 열원측 열교환기(40)의 냉매 유입구가 되면, 열원측 제2입출배관(45)이 열원측 열교환기(40)의 냉매 유출구가 되고, 열원측 제2입출배관(45)이 열원측 열교환기(40)의 냉매 유입구가 되면, 열원측 제1입출배관(44)이 열원측 열교환기(40)의 냉매 유출구가 된다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, PVT 모듈(30)과 지중 열교환기(20)뿐만 아니라, 상기 열원측 열교환기(40)로 이동한 냉매도 열원측 열교환기(40)를 거친 후 이동하거나, 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스할 수 있다.

이와 같은 냉매의 유동을 제어하기 위해, 상기 제3냉매배관(73-1)과 열원측 제1입출배관(44)은 열원측 제1삼방밸브(41)로 연결되고, 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 제2입출배관(45)은 열원측 제2삼방밸브(42)로 연결되며, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)와 상기 열원측 제2삼방밸브(42)는 열원측 바이패스 배관(43)을 통해 서로 연결되도록 하였다.

이러한 구성에 따르면, 열원측 제1삼방밸브(41)가 제3냉매배관(73-1)과 열원측 제1입출배관(44)을 연결하고, 열원측 제2삼방밸브(42)가 제3냉매배관(73-2)과 열원측 제2입출배관(45)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 열원측 열교환기(40)로 이동해온 냉매는 열원측 열교환기(40)를 거치게 된다.

반면 열원측 제1삼방밸브(41)가 제3냉매배관(73-1)과 열원측 바이패스 배관(43)을 연결하고, 열원측 제2삼방밸브(42)가 제3냉매배관(73-2)과 열원측 바이패스 배관(43)을 연결하면, 냉매가 순방향으로 유동하든 역방향으로 유동하든 관계 없이 열원측 열교환기(40)로 이동해온 냉매는 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 하게 된다.

<제5제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 7을 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제5제어방식에 대해 설명한다.

제5제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)보다 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)가 더 높고, 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)가 더 높고, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)의 온도가 더 높은 상황에서 이루어질 수 있다.

다음으로, 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제2냉매배관(72)의 냉매가 지중 열교환기(20)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 지중 열교환기(20)를 거치며 지중에서 열교환을 하여 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 지중 열교환기(20)를 거친 냉매는 제3냉매배관(73-1)을 따라 유동하여 열원측 열교환기(40)로 이동하게 된다.

T₂₀ < T₄₀ 이므로, 제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1) 역시 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 낮다. 이에 따라, 열원측 삼방밸브(41, 42)를 제어하여 제3냉매배관(73-1)의 냉매가 열원측 열교환기(40)로 유입되어 유동하도록 한다. 팬(49)은 열원측 열교환기(40) 주변의 열원과 냉매 간의 열교환을 촉진한다. 이에 따라 냉매는 열에너지를 흡수(증발)하게 된다.

열원측 열교환기(40)를 거친 냉매는 제3냉매배관(73-2)을 따라 유동하여 PVT 모듈(30)로 이동하게 된다.

T₄₀ < T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73-2)의 냉매의 온도(T_73-2) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 태양광열 열교환기(37)를 거치며 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 태양광열 열교환기(37)를 거친 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

<제6제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 8을 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제6제어방식에 대해 설명한다.

제6제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)가 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 더 높고, 제3냉매배관(73-1)의 냉매의 온도(T_73-1)보다 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)가 더 높고, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)의 온도가 더 높은 상황에서 이루어질 수 있다.

지중 열교환기(20)를 바이패스한 냉매는 제3냉매배관(73-1)을 따라 유동하여 열원측 열교환기(40)로 이동하게 된다.

제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)는 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 낮다. 이에 따라, 열원측 삼방밸브(41, 42)를 제어하여 제3냉매배관(73-1)의 냉매가 열원측 열교환기(40)로 유입되어 유동하도록 한다. 팬(49)은 열원측 열교환기(40) 주변의 열원과 냉매 간의 열교환을 촉진한다. 이에 따라 냉매는 열에너지를 흡수(증발)하게 된다.

<제7제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 9를 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제7제어방식에 대해 설명한다.

제7제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)보다 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 더 높고, 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 더 낮고, 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₄₀)보다 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)의 온도가 더 높은 상황에서 이루어질 수 있다.

T₂₀ > T₄₀ 이므로, 제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)는 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 높을 수 있다. 이에 따라 열원측 삼방밸브(41, 42)를 제어하여 제3냉매배관(73-1)의 냉매가 열원측 열교환기(40)를 바이패스하도록 한다.

열원측 열교환기(40)를 바이패스한 냉매는 제3냉매배관(73-2)을 따라 유동하여 PVT 모듈(30)로 이동하게 된다.

T₄₀ < T₂₀< T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73-2)의 냉매의 온도(T_73-2) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 태양광열 열교환기(37)를 거치며 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 태양광열 열교환기(37)를 거친 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

<제8제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 10을 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제8제어방식에 대해 설명한다.

제8제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)보다 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 더 높고, 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 더 높고, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)의 온도가 더 낮은 상황에서 이루어질 수 있다.

T₄₀ > T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73-2)의 냉매의 온도(T_73-2) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 높다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 바이패스하도록 한다.

<제9제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 11을 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제9제어방식에 대해 설명한다.

제9제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)보다 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다 더 높고, 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)가 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)와 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)보다 더 높은 상황에서 이루어질 수 있다.

T₂₀ > T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73-2)의 냉매의 온도(T_73-2) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 높다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 바이패스하도록 한다.

<제10제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 12를 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제10제어방식에 대해 설명한다.

제10제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)가 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)보다는 더 높고 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다는 낮으며, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)가 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)보다 더 높은 상황에서 이루어질 수 있다.

<제11제어방식에 따른 난방 제어>

이하 도 13을 참조하여 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 난방 제어의 제11제어방식에 대해 설명한다.

제11제어방식은, 가령 제2냉매배관(72)의 냉매의 온도(T₇₂)가 지중 열교환기(20) 부근의 온도(T₂₀)과 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다는 낮고, 태양광열 열교환기(37)의 온도(T₃₇)보다는 낮은 상황에서 이루어질 수 있다.

T₇₂ > T₄₀ 이므로, 제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)는 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)보다 높을 수 있다. 이에 따라 열원측 삼방밸브(41, 42)를 제어하여 제3냉매배관(73-1)의 냉매가 열원측 열교환기(40)를 바이패스하도록 한다.

T₇₂< T₃₇ 이므로, 제3냉매배관(73-2)의 냉매의 온도(T_73-2) 역시 태양광열 열교환기(37) 부근의 온도(T₃₇)보다 낮다. 이에 따라, 태양광열측 삼방밸브(31, 32)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 태양광열 열교환기(37)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 태양광열 열교환기(37)를 거치며 열에너지를 흡수(증발)함으로써 온도가 상승하게 된다. 태양광열 열교환기(37)를 거친 냉매는 제4냉매배관(74)을 따라 유동하여 압축기(60)로 유입된다.

<제12제어방식에 따른 냉방 제어>

이하 도 14를 참조하여, 본 발명의 제2실시예의 히트펌프 시스템의 냉방 제어 방식(제12제어방식)을 설명한다.

여름철 실내, 즉 부하(80) 측을 냉방할 필요가 있을 때에는 도 14에 도시된 바와 같이 냉매가 제5냉매배관(75), 제4냉매배관(74), 제3냉매배관(73-2, 73-1), 제2냉매배관(72) 및 제1냉매배관(71)의 역방향 순서로 순환하게 된다.

태양광열 열교환기(37)를 바이패스한 냉매는, 제3냉매배관(73-2)을 거쳐 열원측 열교환기(40)에 이른다. 압축기에 의해 고온 고압으로 압축된 냉매는 열원측 열교환기(40) 부근보다 온도가 높다. 이에 따라 열원측 삼방밸브(41, 42)를 제어하여 제3냉매배관(73-2)의 냉매가 열원측 열교환기(40)로 유입되어 유동하도록 한다. 팬(49)은 열원측 열교환기(40) 주변의 열원과 냉매 간의 열교환을 촉진한다. 이에 따라 냉매는 방열하며 응축하게 된다.

열원측 열교환기(40)에서 유출된 냉매는 제3냉매배관(73-1)을 거쳐 지중 열교환기(20)에 이른다. 냉방이 필요한 여름철 지중의 온도는 대기 온도보다 크게 낮다. 따라서 제3냉매배관(73-1)의 냉매는 지중 열교환기(20)를 거치며 방열 응축하도록 제어된다.

이를 위해 지열측 삼방밸브(21, 22)를 제어하여 제3냉매배관(73-1)의 냉매가 지중 열교환기(20)로 유입되어 유동하도록 한다. 냉매는, 지중 열교환기(20)를 거치며 지중에서 열교환을 하여 방열 응축한다.

앞서 설명한 실시예들의 제어방법들은 각 열교환기에서 원하는 방향으로 열교환이 일어날지 여부에 따라 각 열교환기로 냉매를 통과시킬지 여부가 제어된다.

즉 난방 과정에서, 부하측 열교환기(10)에서 나온 냉매가 팽창밸브(50)를 거친 후의 온도(T₇₂)와, 지중 열교환기(20) 부근의 지중 온도(T₂₀)를 비교하여, T₇₂ 가 T₂₀ 이상이면 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고, T₇₂ 가 T₂₀ 미만이면 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치도록 할 수 있다.

그리고 난방 과정에서, 제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)와, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)를 비교하여, T_73-1 가 T₄₀ 이상이면 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고, T_73-1 가 T₄₀ 미만이면, 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치도록 할 수 있다.

또한 난방 과정에서, 태양광열측 제1삼방뱅브(31) 직전의 제3냉매배관의 냉매 온도(T₇₃)와, 태양광열측 열교환기(37) 부근의 PVT 모듈 내부 온도(T₃₇)를 비교하여, T₇₃ 가 T₃₇ 이상이면 냉매가 태양광열측 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고, T₇₃ 가 T₃₇ 미만이면 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 거치도록 할 수 있다.

반면 냉방 과정에서는, 압축기에서 토출된 고온 고압의 냉매가 PVT 모듈(30)을 바이패스 하고, 열원측 열교환기(40)와 지중 열교환기(20)는 거치도록 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래의 히트펌프 시스템과 달리, 히트펌프의 냉매가 직접 PVT 모듈(30)과 지중 열교환기(20)를 유동하며 열교환한다는 점에 큰 차이가 있다. 이에 따라, 히트펌프와 실외 측 열원들의 열매체 간의 열교환 과정 없이 직접 냉매가 열원과 열교환하므로, 열교환 과정에서 발생하는 에너지 손실을 없앨 수 있다.

또한, 이산화탄소를 냉매로서 사용하므로, 누설이 발생하더라도 환경 오염의 문제는 발생하지 않는다. 이는 기존의 히트펌프의 냉매나 열매체가 누설 시 환경 오염을 일으킬 우려가 있던 것과 대비하여 현저한 효과라 할 것이다.

아울러 냉매를 압축하는 압축기의 직류 모터에 솔라셀의 직류 전원을 직접 공급함으로써, 직류-교류 간 변환에 따른 에너지 손실을 크게 줄일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1: 히트펌프 시스템
10: 부하측 열교환기
19: 팬
20: 지중 열교환기
21: 지열측 제1삼방밸브
22: 지열측 제2삼방밸브
23: 지열측 바이패스 배관
24: 지열측 제1입출배관
25: 지열측 제2입출배관
30: PVT 모듈
31: 태양광열측 제1삼방밸브
32: 태양광열측 제2삼방밸브
33: 태양광열측 바이패스 배관
34: 태양광열측 제1입출배관
35: 태양광열측 제2입출배관
37: 태양광열 열교환기
38: 솔라셀
40: 열원측 열교환기
41: 열원측 제1삼방밸브
42: 열원측 제2삼방밸브
43: 열원측 바이패스 배관
44: 열원측 제1입출배관
45: 열원측 제2입출배관
49: 팬
50: 팽창밸브
60: 압축기
61: 저압부
62: 고압부
63: 사방밸브
70: 냉매배관
71: 제1냉매배관
72: 제2냉매배관
73, 73-1, 73-2: 제3냉매배관
74: 제4냉매배관
75: 제5냉매배관
80: 부하

Claims

냉난방이 요구되는 부하(80) 측과 열교환하는 부하측 열교환기(10);
상기 부하측 열교환기(10)와 제1냉매배관(71)을 통해 연결되는 팽창밸브(50);
상기 팽창밸브(50)와 제2냉매배관(72)을 통해 연결되는 지중 열교환기(20);
상기 지중 열교환기(20)와 제3냉매배관(73)을 통해 연결되는 태양광열 열교환기(37)를 구비하는 PVT 모듈(30);
상기 태양광열 열교환기(37)와 제4냉매배관(74)을 통해 연결되는 압축기(60);
상기 압축기(60)와 상기 부하측 열교환기(10)를 연결하는 제5냉매배관(75); 및
상기 냉매배관(71, 72, 73, 74, 75)를 순방향으로 또는 역방향으로 순환하는 냉매;를 포함하는 히트펌프 시스템.
냉난방이 요구되는 부하(80) 측과 열교환하는 부하측 열교환기(10);
상기 부하측 열교환기(10)와 제1냉매배관(71)을 통해 연결되는 팽창밸브(50);
상기 팽창밸브(50)와 제2냉매배관(72)을 통해 연결되는 지중 열교환기(20);
상기 지중 열교환기(20)와 제3냉매배관(73-1)을 통해 연결되는 열원측 열교환기(40);
상기 열원측 열교환기(40)와 제3냉매배관(73-2)을 통해 연결되는 태양광열 열교환기(37)를 구비하는 PVT 모듈(30);
상기 태양광열 열교환기(37)와 제4냉매배관(74)을 통해 연결되는 압축기(60);
상기 압축기(60)와 상기 부하측 열교환기(10)를 연결하는 제5냉매배관(75); 및
상기 냉매배관(71, 72, 73-1, 73-2, 74, 75)를 순방향으로 또는 역방향으로 순환하는 냉매;를 포함하는 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 지중 열교환기(20)는 지열측 제1입출배관(24)과 지열측 제2입출배관(25)을 포함하고,
상기 냉매는, 상기 지열측 제1입출배관(24)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제2입출배관(25)으로 나오거나, 상기 지열측 제2입출배관(25)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제1입출배관(24)으로 나오고,
상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 제1입출배관(24)은 지열측 제1삼방밸브(21)로 연결되고, 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 제2입출배관(25)은 지열측 제2삼방밸브(22)로 연결되며, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)와 상기 지열측 제2삼방밸브(22)는 지열측 바이패스 배관(23)을 통해 서로 연결되어 있어서,
상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키어, 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있도록 한 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 태양광열 열교환기(37)는 태양광열측 제1입출배관(34)과 태양광열측 제2입출배관(35)을 포함하고,
상기 냉매는, 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 통해 상기 태양광열 열교환기(37)에 유입되어 상기 태양광열 열교환기(37)를 거친 후 상기 태양광열측 제2입출배관(35)으로 나오고,
상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 제1입출배관(34)은 태양광열측 제1삼방밸브(31)로 연결되고, 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 제2입출배관(35)은 태양광열측 제2삼방밸브(32)로 연결되며, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)와 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)는 태양광열측 바이패스 배관(33)을 통해 서로 연결되어 있어서,
상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키어, 냉매가 태양광열 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있도록 한 히트펌프 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 열원측 열교환기(40)는 열원측 제1입출배관(44)과 열원측 제2입출배관(45)을 포함하고,
상기 냉매는, 상기 열원측 제1입출배관(44)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제2입출배관(45)으로 나오거나, 상기 열원측 제2입출배관(45)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제1입출배관(44)으로 나오고,
상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 제1입출배관(44)은 열원측 제1삼방밸브(41)로 연결되고, 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 제2입출배관(45)은 열원측 제2삼방밸브(42)로 연결되며, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)와 상기 열원측 제2삼방밸브(42)는 지열측 바이패스 배관(43)을 통해 서로 연결되어 있어서,
상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키어, 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 할 수 있도록 한 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 PVT 모듈(30)은 솔라셀(38)을 더 포함하고,
상기 압축기는 직류 전원을 공급 받아 작동하는 직류 모터를 포함하고,
상기 솔라셀(38)에서 생산된 직류 전원이 상기 직류 모터에 공급되는 히트펌프 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 냉매는 이산화탄소(CO₂)인 히트펌프 시스템.
청구항 3의 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서,
부하(80)에 난방을 하기 위해,
부하측 열교환기(10)에서 나온 냉매가 팽창밸브(50)를 거친 후의 온도(T₇₂)와, 지중 열교환기(20) 부근의 지중 온도(T₂₀)를 비교하여,
T₇₂ 가 T₂₀ 이상이면, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키도록 제어하고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 바이패스 배관(23)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 지중 열교환기(20)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고,
T₇₂ 가 T₂₀ 미만이면, 상기 지열측 제1삼방밸브(21)가 상기 제2냉매배관(72)과 상기 지열측 제1입출배관(24)을 연결시키도록 제어하고, 상기 지열측 제2삼방밸브(22)가 상기 제3냉매배관과 상기 지열측 제2입출배관(25)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 지열측 제1입출배관(24)을 통해 상기 지중 열교환기(20)에 유입되어 상기 지중 열교환기(20)를 거친 후 상기 지열측 제2입출배관(25)으로 나오도록 하는 히트펌프 시스템의 난방 제어 방법.
청구항 4의 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서,
부하(80)에 난방을 하기 위해,
태양광열측 제1삼방뱅브(31) 직전의 제3냉매배관의 냉매 온도(T₇₃)와, 태양광열측 열교환기(37) 부근의 PVT 모듈 내부 온도(T₃₇)를 비교하여,
T₇₃ 가 T₃₇ 이상이면, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 태양광열측 열교환기(37) 를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고,
T₇₃ 가 T₃₇ 미만이면, 상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 제2입출배관(35)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 태양광열측 제1입출배관(34)을 통해 상기 태양광열 열교환기(37)에 유입되어 상기 태양광열 열교환기(37)를 거친 후 상기 태양광열측 제2입출배관(35)으로 나오도록 하는 히트펌프 시스템의 난방 제어 방법.
청구항 5의 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서,
부하(80)에 난방을 하기 위해,
제3냉매배관(73-1)의 냉매 온도(T_73-1)와, 열원측 열교환기(40) 부근의 온도(T₄₀)를 비교하여,
T_73-1 가 T₄₀ 이상이면, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키도록 제어하고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 바이패스 배관(43)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 열원측 열교환기(40)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하고,
T_73-1 가 T₄₀ 미만이면, 상기 열원측 제1삼방밸브(41)가 상기 제3냉매배관(73-1)과 상기 열원측 제1입출배관(44)을 연결시키도록 제어하고, 상기 열원측 제2삼방밸브(42)가 상기 제3냉매배관(73-2)과 상기 열원측 제2입출배관(45)을 연결시키도록 제어하여, 냉매가 상기 열원측 제1입출배관(44)을 통해 상기 열원측 열교환기(40)에 유입되어 상기 열원측 열교환기(40)를 거친 후 상기 열원측 제2입출배관(45)으로 나오도록 하는 히트펌프 시스템의 난방 제어 방법.
청구항 4의 히트펌프 시스템의 제어 방법으로서,
부하(80)에 냉방을 하기 위해,
상기 태양광열측 제1삼방밸브(31)가 상기 제3냉매배관과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하고, 상기 태양광열측 제2삼방밸브(32)가 상기 제4냉매배관(74)과 상기 태양광열측 바이패스 배관(33)을 연결시키도록 제어하여,
상기 압축기(60)에서 토출된 냉매가 상기 태양광열측 열교환기(37)를 거치지 않고 바이패스 하도록 하는 히트펌프 시스템의 냉방 제어 방법.