KR20190115209A

KR20190115209A - 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법

Info

Publication number: KR20190115209A
Application number: KR1020180037940A
Authority: KR
Inventors: 장경창; 김동환; 임재욱
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2019-10-11

Abstract

본 발명은 별도의 유량 측정 장치를 구비하지 않고도 히트펌프의 열교환부를 통과하는 열매체의 유량을 예측함으로써, 히트펌프의 성능 또는 효율을 사용자가 원하는 수준으로 맞출 수 있도록 하는 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 열매체가 상기 열교환부를 통과하기 전후의 온도를 측정하는 제1온도센서와 제2온도센서; 및 상기 압축기의 성능과, 상기 제1온도센서와 제2온도센서에서 측정한 열매체의 온도차로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 히트펌프 시스템의 제어방법은, 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 열매체가 열교환부를 통과하기 전후의 온도차를 측정하는 단계; 압축기의 성능을 산출하는 단계; 및 상기 열매체의 온도차와 상기 압축기의 성능으로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 단계를 포함한다.

Description

히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법{Heat Pump System and Control Method of Heat Pump System}

본 발명은 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 유량 측정 장치를 구비하지 않고도 히트펌프의 열교환부를 통과하는 열매체의 유량을 예측함으로써, 압축기의 성능 또는 효율을 사용자가 원하는 수준으로 맞출 수 있도록 하는 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 히트펌프 시스템은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 또는 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉,난방 장치이다. 이러한 히트펌프 시스템은, 냉매를 고온, 고압으로 압축하는 압축기, 상기 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매의 열을 방열하는 응축기, 상기 응축기를 통과한 냉매가 팽창되어 저온, 저압으로 되도록 하는 팽창밸브, 상기 팽창밸브를 통과한 냉매가 증발되면서 열을 흡수하는 증발기를 포함하여 이루어진다.

상기 응축기 또는 증발기에서는 상기 냉매와의 열교환에 의해 열매체를 가열하거나 냉각시키고, 상기 가열되거나 냉각된 열매체를 온열 또는 냉열이 필요한 시스템(열량 소요처)에 공급함으로써 난방 또는 냉방을 구현할 수 있다.

이 경우 상기 응축기 또는 증발기에 유입되는 열매체의 유량을 측정하게 되면, 상기 히트펌프 시스템에 의해 적절한 열량이 상기 열매체에 공급되고 있는지 여부를 판단할 수 있다.

상기 열매체의 유량은 초음파 유량계를 이용하여 측정할 수 있으나, 고가인 초음파 유량계를 이용함에 따른 비용 상승 문제와 측정 공간을 필요로 하게 되는 문제점이 있다.

한편, 히트펌프 시스템이 설치되는 현장 별로 히트펌프를 통과하는 열매체의 유량에 편차가 존재하므로, 열매체의 유량을 오차 범위 내의 정밀도로 예측하고, 예측된 열매체의 유량에 대응하여 히트펌프 시스템을 사용자가 원하는 성능(열량) 또는 효율(COP)에 맞추어 제어할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

이러한 히트펌프 시스템의 열매체 유량을 측정하기 위한 종래기술로서, 대한민국 등록특허 제10-1242385호, 대한민국 공개특허 제10-2013-0063533호가 공개되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 별도의 유량 측정 장치를 구비하지 않고도 히트펌프의 열교환부를 통과하는 열매체의 유량을 예측함으로써, 히트펌프의 성능 또는 효율을 사용자가 원하는 수준으로 맞출 수 있도록 하는 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 히트펌프 시스템은, 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 열매체가 상기 열교환부를 통과하기 전후의 온도를 측정하는 제1온도센서와 제2온도센서; 및 상기 압축기의 성능과, 상기 제1온도센서와 제2온도센서에서 측정한 열매체의 온도차로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 제어부를 포함한다.

상기 열교환부는, 응축기와 증발기로 이루어지고, 상기 제어부는, 상기 응축기에서의 냉매의 응축온도와 상기 증발기에서의 냉매의 증발온도에 따른 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 상기 압축기의 성능을 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 응축기의 응축압력과 상기 증발기의 증발압력을 각각 측정하는 제1압력센서와 제2압력센서를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 응축압력과 증발압력에 각각 대응하는 포화온도인 상기 응축온도와 증발온도를 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 응축온도와 상기 증발온도 및 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 성능 예측 함수를 구하고, 상기 성능 예측 함수를 이용하여 상기 압축기의 성능을 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제어부는 성능 예측 함수를 상기 증발온도와 상기 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제어부는 상기 각각의 응축온도별로 복수의 성능 예측 함수를 생성하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제어부는 상기 각각의 응축온도 전체의 평균으로 상기 성능 예측 함수를 생성하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하고, 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하고, 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 히트펌프 시스템의 제어방법은, 냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 열매체가 열교환부를 통과하기 전후의 온도차를 측정하는 단계; 압축기의 성능을 산출하는 단계; 및 상기 열매체의 온도차와 상기 압축기의 성능으로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 단계를 포함한다.

상기 압축기의 성능을 산출하는 단계는, 응축기에서의 냉매의 응축온도와 증발기에서의 냉매의 증발온도에 따른 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 상기 압축기의 성능을 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 압축기의 성능을 산출하는 단계에서, 상기 응축온도와 증발온도는, 상기 응축기의 응축압력과 상기 증발기의 증발압력을 측정하고, 상기 응축압력과 증발압력에 각각 대응하는 포화온도로 산출되는 것으로 구성될 수 있다.

상기 압축기의 성능을 산출하는 단계에서, 상기 압축기의 성능은, 상기 응축온도와 상기 증발온도 및 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 성능 예측 함수를 구하고, 상기 성능 예측 함수를 이용하여 상기 압축기의 성능을 산출하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 성능 예측 함수는 상기 증발온도와 상기 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출되는 것으로 구성될 수 있다.

상기 성능 예측 함수는 상기 각각의 응축온도별 복수의 함수로 산출되는 것으로 구성될 수 있다.

상기 성능 예측 함수는 상기 각각의 응축온도 전체의 평균으로 하나의 함수를 생성하는 것으로 구성될 수 있다.

상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 열교환부를 통과하기 전후의 열매체의 온도차와, 상기 응축온도 및 상기 증발온도를 설정된 시간 간격으로 산출하여, 상기 압축기의 성능과 열매체의 유량 산출값을 갱신하는 것으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템 및 히트펌프 시스템의 제어방법에 의하면, 별도의 유량 측정 장치를 구비하지 않고도 히트펌프의 열교환부를 통과하는 열매체의 유량을 예측함으로써, 압축기의 성능 또는 효율을 사용자가 원하는 수준으로 일정하게 맞출 수 있는 효과가 있다.

또한, 산출된 압축기 성능 및 열매체 유량 정보를 이용하여 정속 압축기 및 인버터 압축기의 모델에 관계 없이 사용자가 원하는 성능 또는 효율을 얻기 위한 유량 조절이 가능하며, 압축기 회전수, 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도량 및 순환펌프의 회전속도를 사용자가 원하는 성능 또는 효율에 도달하도록 보다 정확하게 제어할 수 있다.

또한, 산출된 압축기 성능 및 열매체 유량 정보를 이용하여 계절별로 성능 우선 운전 또는 효율 우선 운전이 가능하도록 히트펌프 시스템을 운용할 수 있다.

또한, 히트펌프 시스템의 설치 현장별로 열매체의 유량에 차이가 있더라도 유량 차이에 관계 없이 동일한 압축기의 성능을 일정하게 유지할 수 있으므로 열량 소요처에 필요한 열량을 오차범위 내의 정확한 열량으로 공급할 수 있다.

또한, 응축온도와 증발온도 및 압축기 성능 테이블값으로부터 성능 예측 함수를 도출하여 적용하는 경우, 성능 예측 함수는 증발온도와 압축기의 성능을 변수로 하는 일차 방정식의 함수로 얻어지므로, 증발온도의 대입만으로도 오차범위 내에서 압축기의 성능을 간편하게 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 제어 블록도,
도 3은 냉방모드 기준 압축기의 성능 테이블,
도 4는 압축기의 소비전력 테이블,
도 5는 냉방모드 기준 압축기의 효율 테이블,
도 6은 난방모드 기준 압축기의 성능 테이블,
도 7은 난방모드 기준 압축기의 효율 테이블,
도 8은 난방모드 기준 압축기의 성능 곡선 및 성능 예측 함수의 추세선을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템의 제어방법의 순서도,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 제어방법의 순서도.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템(1)은, 난방모드를 기준으로 설명하면, 냉매를 고온 고압의 기체 냉매로 압축시키는 압축기(110), 상기 압축기(110)에서 압축된 냉매를 중온 고압의 액체 냉매로 응축시키는 제1열교환부(120), 상기 제1열교환부(120)에서 응축된 냉매를 저온 저압의 냉매로 감압시키는 팽창밸브(130), 상기 팽창밸브(130)에서 감압된 냉매를 저온 저압의 기체 냉매로 증발시키는 제2열교환부(140), 상기 압축기(110)의 출구 측에 설치되어 냉방과 난방시 냉매의 흐름 방향을 전환시키는 사방밸브(150), 및 냉매가 순환되는 냉매관(101)을 포함한다.

도 1에서 실선 화살표는 난방모드시 냉매의 유동 방향을 나타낸 것이고, 점선 화살표는 열매체의 유동 방향을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템(1)이 난방모드로 작동하는 경우, 냉매는 압축기(110), 사방밸브(150), 제1열교환부(120), 팽창밸브(130), 제2열교환부(140), 사방밸브(150), 압축기(110)를 따라 순환한다. 이 경우, 제1열교환부(120)는 응축기로 작동되고, 제2열교환부(140)는 증발기로 작동된다.

한편, 히트펌프 시스템(1)이 냉방모드로 작동하는 경우, 냉매는 압축기(110), 사방밸브(150), 제2열교환부(140), 팽창밸브(130), 제1열교환부(120), 사방밸브(150), 압축기(110)를 따라 순환한다. 이 경우, 제1열교환부(120)는 증발기로 작동되고, 제2열교환부(140)는 응축기로 작동된다.

상기 제1열교환부(120)에서는 냉매관(101)을 따라 순환하는 냉매와, 열매체관(102)을 따라 순환하는 열매체 간에 열교환이 이루어진다. 난방모드시, 응축기로 작동하는 제1열교환부(120)에서는 냉매가 응축되면서 발생하는 응축열이 열매체로 전달되어 열매체의 가열이 이루어진다. 이와 반대로, 냉방모드시, 증발기로 작동하는 제1열교환부(120)에서는 냉매가 증발하면서 열매체로부터 열을 흡수하게 되므로 열매체의 냉각이 이루어진다.

상기 제1열교환부(120)를 통과하면서 가열 또는 냉각된 열매체는 열매체관(102)을 따라 유동하여 열량 소요처(A)를 경유하면서 열량 소요처(A)에 열매체의 열을 전달함으로써 열량 소요처(A)의 난방, 온수공급 또는 냉방이 이루어진다.

상기 열매체관(102)의 일측에는 열매체관(102)에 열매체를 공급하는 수배관(103)이 연결되고, 상기 수배관(103)에는 공급되는 열매체의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(160)가 구비된다. 그리고, 상기 열매체관(102)의 관로에는 열매체의 순환을 위해 열매체를 압송하기 위한 순환펌프(170)가 구비된다.

한편, 제1열교환부(120)의 양측에는, 열매체가 제1열교환부(120)를 통과하기 전후의 열매체 온도를 측정하기 위한 제1온도센서(122)와 제2온도센서(123)가 구비된다. 상기 제1온도센서(122)와 제2온도센서(123)에서 열매체의 온도를 측정함으로써, 제1열교환부(120)를 통과하는 열매체의 통과 전후의 온도차를 산출할 수 있다.

또한, 상기 압축기(110)와 제1열교환부(120) 사이의 냉매관(101)에는 제1압력센서(121)가 설치되고, 팽창밸브(130)와 제2열교환부(140) 사이의 냉매관(101)에는 제2압력센서(141)가 설치된다. 난방모드로 작동하는 경우를 기준으로 할 때, 상기 제1압력센서(121)에서 측정되는 응축압력으로부터 응축압력에 대한 포화온도인 응축온도를 산출하고, 상기 제2압력센서(141)에서 측정된 증발압력으로부터 증발압력에 대한 포화온도인 증발온도를 산출할 수 있다. 상기 응축온도와 증발온도는 공지된 냉매증기압표(미도시됨)에서 해당 응축압력과 증기압력에 대한 각각의 포화온도값으로 구할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 히트펌프 시스템(1)은, 상기 제1온도센서(122)와 제2온도센서(123), 상기 제1압력센서(121)와 제2압력센서(141), 사용자가 원하는 압축기(110)의 목표 성능을 입력하기 위한 목표 성능 입력부(180), 사용자가 원하는 압축기(110)의 목표 효율을 입력하기 위한 목표 효율 입력부(190), 압축기(110)의 성능(Capacity, Q)과, 상기 제1온도센서(122)와 제2온도센서(123)에서 측정된 열매체의 온도차(ΔT)로부터 열매체의 유량(m)을 산출하는 제어부(200)를 포함한다.

여기서, 상기 압축기(110)의 성능(열량)에 의해 제1열교환부(120)에서 냉매가 열매체에 전달하는 열량이 결정되므로, 압축기(110)의 성능을 이용하여 이하의 성능 산출식을 적용한다.

압축기(110)의 성능(열량)을 구하는 식은 다음과 같다.

여기서, Q(성능, 열량)의 단위는 kW=kJ/s, Cp(정압비열)의 단위는 kJ/kgK이다. m(질량유량)의 단위는 kg/s이고, 비체적(kg/m3)에 체적유량(m3/s)을 곱한 값으로 산출할 수 있다. 예를 들어, 열매체가 물인 경우 Cp(정압비열)은 4.17kJ/kgK으로 고정된 값이고, 예를들어 물의 온도가 60℃이고, 물의 체적유량이 40LPM인 경우, 물의 체적유량은 40LPM=40Liter/min=0.04m3/min=0.000667m3/s이고, 물의 온도 60℃ 기준으로 비체적(물의 밀도)은 983kg/m3이므로, 물의 질량유량 m=(983kg/m3)*(0.000667m3/s)=0.65533kg/s로 산출된다. ΔT(온도차)의 단위는 절대온도 K이다. 상기 비체적는 물(열매체)의 온도에 따라 변하는 값이며, 제1열교환부(120)로 유입되는 물의 온도는 제1온도센서(122)에서 측정할 수 있다.

상기 제어부(200)는, 테이블 저장부(210), 함수 생성부(220), 성능 산출부(230), 유량 산출부(240), 및 효율 산출부(250)를 포함한다.

상기 테이블 저장부(210)에는 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같은 테이블값이 저장되어 있다. 일반적으로, 압축기(110)에는 성능(Capacity), 소비전력(Input), 효율(COP)가 표기되어 있다.

도 3은 히트펌프 시스템(1)이 냉방모드로 작동하는 경우에 상기 응축온도와 증발온도에 따른 압축기(110)의 성능(W) 예측 테이블을 나타낸 것이고, 도 4는 상기 응축온도와 증발온도에 따른 압축기(110)의 소비전력(W) 테이블을 나타낸 것이며, 도 5는 냉방모드로 작동하는 경우에 압축기(110)의 효율(W/W)을 나타낸 것이다. 상기 압축기(110)의 효율(W/W)은 압축기(110)의 성능(W)을 소비전력(W)으로 나눈 값으로 산출된다.

도 6은 히트펌프 시스템(1)이 난방모드로 작동하는 경우에 압축기(110)의 성능(W) 예측 테이블을 나타낸 것이고, 도 7은 난방모드로 작동하는 경우에 압축기(110)의 효율(W/W)을 나타낸 것이다. 이 경우, 도 6의 난방모드로 작동하는 경우의 압축기(110)의 성능(W) 예측 테이블은, 도 3의 냉방모드로 작동하는 경우의 압축기(110)의 성능(W) 예측 테이블 값에 도 4의 압축기(110)의 소비전력(W) 테이블 값을 합산한 값으로 산출할 수 있다. 도 7의 압축기(110)의 효율(W/W)은, 도 6의 압축기(110)의 성능(W)을 도 4의 소비전력(W)으로 나눈 값으로 산출할 수 있다.

도 8은 도 6에 도시된 난방모드 기준 압축기의 성능(W) 테이블을 기준으로, 증발온도 및 응축온도별 압축기의 성능 곡선과, 상기 증발온도와 응축온도 및 압축기의 성능 테이블값을 기준으로 응축온도 60℃일 때의 성능 예측 함수의 추세선을 점선으로 나타낸 것이다. 상기 응축온도 60℃일 때의 성능 예측 함수는 증발온도와 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출될 수 있다. 예를 들어, 응축온도 60℃일때의 압축기(110)의 성능 예측 함수는 y=507.71x+10979로 산출될 수 있다.

상기 제어부(200)의 함수 생성부(220)는, 상기 테이블 저장부(210)에 저장된 증발온도와 응축온도 및 압축기 성능 테이블값을 이용하여 성능 예측 함수를 생성할 수 있다. 상기 제어부(200)의 함수 생성부(220)는, 응축온도별로 복수의 성능 예측 함수를 생성하거나, 각각의 응축온도 전체의 평균으로 하나의 성능 예측 함수를 생성할 수도 있다.

상기 제어부(200)의 성능 산출부(230)는, 난방모드 작동 시를 기준으로 할 때, 도 6에 나타낸 테이블값을 기준으로 해당 응축온도와 증발온도에 해당하는 압축기의 성능을 보간법을 적용하여 정확도 높게 산출하거나, 도 8에 예시한 성능 예측 함수를 이용하여 해당 증발온도를 대입함으로써 압축기의 성능을 허용 가능한 오차범위 내의 근사한 값으로 간편하게 산출할 수 있다.

상기와 같이 압축기(110)의 성능이 산출되면, 제어부(200)의 유량 산출부(240)는 제1열교환부(120)를 통과하는 열매체(물)의 유량을 상기 [수학식 1]을 이용하여 산출할 수 있다.

또한, 제어부(200)의 효율 산출부(250)는, 상기 응축온도와 증발온도에 대응하여 산출된 압축기의 성능(열량)을 압축기의 소비전력으로 나눈 값으로 압축기의 효율을 산출할 수 있다.

일실시예로, 상기 제어부(200)는 상기 목표 성능 입력부(180)를 통해 입력된 목표 성능과 산출된 압축기 성능을 비교하여, 산출된 압축기 현재 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록 압축기의 현재 성능이 조절되도록 제어할 수 있다.

이 경우, 압축기의 현재 성능 조절은, 유량조절밸브(160)의 개도 조절에 의해 열매체의 유량 조절, 압축기(110)의 회전수 조절, 제1열교환부(120)와 제2열교환부(140)의 모터 회전수 조절, 팽창밸브(130)의 개도 조절, 및 순환펌프(170)의 회전속도 조절 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

또는, 압축기의 현재 성능 조절은, 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기(110)의 회전수 조절, 제1열교환부(120)와 제2열교환부(140)의 모터 회전수 조절, 팽창밸브(130)의 개도 조절, 및 순환펌프(170)의 회전속도 조절 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

다른 실시예로, 상기 제어부(200)는 상기 목표 효율 입력부(190)를 통해 입력된 목표 효율과 산출된 압축기 효율을 비교하여, 산출된 압축기 현재 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록 압축기의 현재 효율이 조절되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 압축기의 현재 효율 조절은, 유량조절밸브(160)의 개도 조절에 의해 열매체의 유량 조절, 압축기(110)의 회전수 조절, 제1열교환부(120)와 제2열교환부(140)의 모터 회전수 조절, 팽창밸브(130)의 개도 조절, 및 순환펌프(170)의 회전속도 조절 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

또는, 압축기의 현재 효율 조절은, 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기(110)의 회전수 조절, 제1열교환부(120)와 제2열교환부(140)의 모터 회전수 조절, 팽창밸브(130)의 개도 조절, 및 순환펌프(170)의 회전속도 조절 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 히트펌프 시스템(1)의 경우, 산출된 압축기 성능 및 열매체 유량 정보를 이용하여 계절별로 성능 우선 운전 또는 효율 우선 운전이 가능하도록 히트펌프 시스템을 운용할 수 있다. 여기서, 상기 성능 우선 운전은, 겨울철과 같이 난방수 온도를 높게 설정할 필요가 있는 경우에 소비전력을 더 투입하여(압축기 회전수 증기, 모터 회전수 증가) 압축기의 성능(열량)을 높이는 운용방식을 의미한다. 상기 효율 우선 운전은, 봄이나 가을과 같이 난방수의 온도를 높게 설정할 필요가 없는 경우에 압축기의 성능을 낮추는 동시에 소비전력도 낮추어 효율을 높이는 운용방식을 의미한다.

상기 압축기의 성능 또는 효율 조절을 위한 제어대상으로, 상기 유량조절밸브(160)의 개도, 압축기(110)의 회전수, 제1열교환부(120)와 제2열교환부(140)의 모터 회전수, 팽창밸브(130)의 개도, 및 순환펌프(170)의 회전속도는, 실험에 의해 결정된 데이터를 이용하여 압축기의 성능 또는 효율이 증감되도록 조절할 수 있다.

이하, 도 9와 도 10을 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명의 히트펌프 시스템의 제어방법을 설명하되, 전술한 바와 중복되는 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도 9는 압축기의 성능 우선 운전의 위한 제어방법의 실시예이고, 도 10은 압축기의 효율 우선 운전을 위한 제어방법의 실시예를 나타낸 것이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 히트펌프 시스템의 제어방법은, 압축기의 성능 우선 운전의 위한 제어방법의 실시예로서, 열교환부(120)의 열매체 온도차를 측정하는 단계(S11), 응축온도와 압축온도를 산출하는 단계(S12), 압축기(S13)의 현재 성능을 산출하는 단계(S13), 열매체의 유량을 산출하는 단계(S14), 압축기(110)의 목표 성능과 압축기의 산출된 현재 성능을 비교하는 단계(S15), 및 압축기(110)의 산출된 현재 성능이 압축기(110)의 목표 성능에 도달하도록 압축기(110)의 현재 성능을 조절 제어하는 단계(S16)로 구성된다.

상기 단계 S11은, 제1온도센서(122)와 제2온도센서(123)에서 열매체의 온도를 각각 측정하여, 열교환부(120)의 통과 전후의 열매체의 온도차를 산출한다.

상기 단계 S12는, 제1압력센서(121)에서 응축압력을 측정하고, 제2압력센서(141)에서 증발압력을 측정하고, 응축압력에 대한 포화온도인 응축온도와, 증발압력에 대한 포화온도인 증발온도를 산출한다.

상기 단계 S13에서 압축기(110)의 성능을 산출하는 단계는, 상기 응축온도와 증발온도에 따른 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값(도 6 참조)으로부터 상기 압축기의 성능을 산출할 수 있다.

또한, 상기 압축기(110)의 성능은, 상기 응축온도와 상기 증발온도 및 상기 압축기(110)의 성능에 대한 테이블값으로부터 성능 예측 함수(도 8 참조)를 구하고, 상기 성능 예측 함수를 이용하여 상기 압축기(110)의 성능을 산출할 수 있다. 상기 성능 예측 함수는 상기 증발온도와 상기 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출될 수 있다. 상기 성능 예측 함수는 상기 각각의 응축온도별 복수의 함수로 산출되거나, 상기 각각의 응축온도 전체의 평균으로 하나의 함수로 생성될 수 있다.

상기 단계 S14는, 상기 S11에서 산출된 열매체의 온도차와, 상기 S13에서 산출된 압축기(110)의 성능값을 전술한 [수학식 1]에 대입하여 열매체의 유량을 산출한다.

상기 단계 S15는, 목표 성능 입력부(180)를 통해 입력된 압축기의 목표 성능과, 상기 단계 S13에서 산출된 압축기의 현재 성능을 비교한다.

상기 단계 S16은 상기 산출된 압축기의 현재 성능이 압축기의 목표 성능에 도달하도록 압축기의 현재 성능 조절을 제어한다. 이 경우, 상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 유량조절밸브(160)의 개도 조절에 의한 열매체의 유량, 상기 압축기(110)의 회전수, 상기 열교환부(120,140)의 모터 회전수, 팽창밸브(130)의 개도, 및 순환펌프(170)의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다. 또는, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기(110)의 회전수, 상기 열교환부(120,140)의 모터 회전수, 팽창밸브(130)의 개도, 및 순환펌프(170)의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트펌프 시스템의 제어방법은, 압축기의 효율 우선 운전의 위한 제어방법의 실시예로서, 열교환부(120)의 열매체 온도차를 측정하는 단계(S21), 응축온도와 압축온도를 산출하는 단계(S22), 압축기(S13)의 현재 성능을 산출하는 단계(S23), 열매체의 유량을 산출하는 단계(S24), 압축기(110)의 현재 효율을 산출하는 단계(S25), 압축기(110)의 목표 효율과 압축기의 산출된 현재 효율을 비교하는 단계(S26), 및 압축기(110)의 산출된 현재 효율이 압축기(110)의 목표 효율에 도달하도록 압축기(110)의 현재 효율을 조절 제어하는 단계(S27)로 구성된다.

상기 단계 S21~S24는 도 10의 S11~S14와 동일한 과정으로 수행된다.

상기 단계 S25는, 상기 단계 S23에서 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력(도 4 참조)으로부터 압축기의 효율을 산출한다(도 7 참조).

상기 단계 S26은, 목표 효율 입력부(190)를 통해 입력된 압축기의 목표 효율과, 상기 단계 S25에서 산출된 압축기의 현재 효율을 비교한다.

상기 단계 S27은, 상기 산출된 압축기의 현재 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 유량조절밸브(160)의 개도 조절에 의한 열매체의 유량, 상기 압축기(110)의 회전수, 상기 열교환부(120,140)의 모터 회전수, 팽창밸브(130)의 개도, 및 순환펌프(170)의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다. 또는, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기(110)의 회전수, 상기 열교환부(120,140)의 모터 회전수, 팽창밸브(130)의 개도, 및 순환펌프(170)의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어할 수 있다.

한편, 상기 단계 S11과 S21의 열교환부(120) 통과 전후의 열매체의 온도차와, 상기 단계 S12와 S22의 응축온도와 증발온도는, 설정된 시간 간격(예 : 1분 간격)으로 산출하여, 상기 압축기의 성능과 열매체의 유량 산출값을 갱신하도록 구성될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 별도의 유량 측정 장치를 구비하지 않고도 히트펌프 시스템(1)의 열교환부(120)를 통과하는 열매체의 유량을 예측함으로써, 히트펌프 시스템이 설치되는 현장별 열매체의 유량 차이에 관계 없이 압축기(110)의 성능 또는 효율을 사용자가 원하는 수준으로 맞출 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

1 : 히트펌프 시스템 101 : 냉매관
102 : 열매체관 103 : 수배관
110 : 압축기 120 : 제1열교환부
121 : 제1압력센서 122 : 제1온도센서
123 : 제2온도센서 130 : 팽창밸브
140 : 제2열교환부 141 : 제2압력센서
150 : 사방밸브 160 : 유량조절밸브
170 : 순환펌프 180 : 목표 성능 입력부
190 : 목표 효율 입력부 200 : 제어부
210 : 테이블 저장부 220 : 함수 생성부
230 : 성능 산출부 240 : 유량 산출부
250 : 효율 산출부 A : 열량 소요처

Claims

냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템에 있어서,
상기 열매체가 상기 열교환부를 통과하기 전후의 온도를 측정하는 제1온도센서와 제2온도센서; 및
상기 압축기의 성능과, 상기 제1온도센서와 제2온도센서에서 측정한 열매체의 온도차로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 제어부;
를 포함하는 히트펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열교환부는, 응축기와 증발기로 이루어지고,
상기 제어부는, 상기 응축기에서의 냉매의 응축온도와 상기 증발기에서의 냉매의 증발온도에 따른 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 상기 압축기의 성능을 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 응축기의 응축압력과 상기 증발기의 증발압력을 각각 측정하는 제1압력센서와 제2압력센서를 구비하고,
상기 제어부는, 상기 응축압력과 증발압력에 각각 대응하는 포화온도인 상기 응축온도와 증발온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 응축온도와 상기 증발온도 및 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 성능 예측 함수를 구하고, 상기 성능 예측 함수를 이용하여 상기 압축기의 성능을 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제어부는 성능 예측 함수를 상기 증발온도와 상기 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 각각의 응축온도별로 복수의 성능 예측 함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 각각의 응축온도 전체의 평균으로 상기 성능 예측 함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하고, 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하고, 상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템.
냉매를 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기로부터 공급된 냉매와 열매체와의 사이에 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
열매체가 열교환부를 통과하기 전후의 온도차를 측정하는 단계;
압축기의 성능을 산출하는 단계; 및
상기 열매체의 온도차와 상기 압축기의 성능으로부터 상기 열매체의 유량을 산출하는 단계;
를 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 압축기의 성능을 산출하는 단계는, 응축기에서의 냉매의 응축온도와 증발기에서의 냉매의 증발온도에 따른 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 상기 압축기의 성능을 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 압축기의 성능을 산출하는 단계에서, 상기 응축온도와 증발온도는, 상기 응축기의 응축압력과 상기 증발기의 증발압력을 측정하고, 상기 응축압력과 증발압력에 각각 대응하는 포화온도로 산출되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 압축기의 성능을 산출하는 단계에서, 상기 압축기의 성능은, 상기 응축온도와 상기 증발온도 및 상기 압축기의 성능에 대한 테이블값으로부터 성능 예측 함수를 구하고, 상기 성능 예측 함수를 이용하여 상기 압축기의 성능을 산출하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제15항에 있어서,
상기 성능 예측 함수는 상기 증발온도와 상기 압축기의 성능을 변수로 하는 함수로 산출되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 성능 예측 함수는 상기 각각의 응축온도별 복수의 함수로 산출되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 성능 예측 함수는 상기 각각의 응축온도 전체의 평균으로 하나의 함수를 생성하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 산출된 압축기의 성능이 사용자가 설정한 목표 성능에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계;
를 더 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 산출된 압축기의 성능과 압축기의 소비전력으로부터 압축기의 효율을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 압축기의 효율이 사용자가 설정한 목표 효율에 도달하도록, 상기 열매체의 유량을 일정하게 유지한 상태에서, 상기 압축기의 회전수, 상기 열교환부의 모터 회전수, 팽창밸브의 개도, 및 순환펌프의 회전속도 중 적어도 하나 이상이 가변되도록 제어하는 단계;
를 더 포함하는 히트펌프 시스템의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 열교환부를 통과하기 전후의 열매체의 온도차와, 상기 응축온도 및 상기 증발온도를 설정된 시간 간격으로 산출하여, 상기 압축기의 성능과 열매체의 유량 산출값을 갱신하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법.