KR20210054772A - 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템 - Google Patents

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박장희
김주수
하도용
정용기
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엘지전자 주식회사
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Abstract

가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템이 개시된다. 본 발명의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템은, 가스퍼니스와, 히트펌프와, 가스퍼니스와 히트펌프를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다. 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장한다. 제2 온도구간에서 제어부는 가스퍼니스와 히트펌프를 동시 운전한다. 또한 제어부는, 냉매가 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어한다.

Description

가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템{AIR CONDITIONING SYSTEM INCLUDING GAS FURNACE}
본 발명은 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실내를 냉난방하기 위해 사용되는 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 가스퍼니스는 겨울 평균 기온이 대략 -20℃인 지역에서 실내를 난방하기 위해 사용되는 난방장치이다. 가스퍼니스에 의해 데워진 공기는 덕트를 통해 실내로 공급된다. 가스퍼니스는 외기 온도와 무관하게 일정한 난방효율을 나타낸다.
히트펌프는 외기와 열교환하는 열교환기를 포함하여 구성된다. 따라서 히트펌프는 외기 온도에 따라 냉난방효율이 변화한다. 일반적으로 외기 온도가 특정 온도(0℃~5℃) 이상이 되면, 히트펌프의 난방효율이 가스퍼니스보다 높아진다.
이와 관련하여 미국 공개특허공보 제2015-0219343호(이하 '선행문헌1')는 AIR CONDITIONING SYSTEM을 개시하고 있다. 선행문헌1의 AIR CONDITIONING SYSTEM은 FAN UNIT, GF UNIT, HP UNIT 및 CONTROLLER를 포함하여 구성된다.
GF UNIT은 HEAT EXCHANGE SECTION을 포함한다. HP UNIT은 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER를 포함한다. FAN UNIT은 HEAT EXCHANGE SECTION및 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER를 통과하는 AIR FLOW를 생성한다. 난방 운전시 CONTROLLER는 운전 조건(외기 온도 등)을 판단하여 GF UNIT 및 HP UNIT 중에 하나만을 가동시킨다.
그러나 선행문헌1의 AIR CONDITIONING SYSTEM은 GF UNIT 및 HP UNIT 중에 하나만을 가동시키므로, 2개의 난방장치를 설치하는데 투자한 비용 대비 실제 2개의 난방장치의 효용은 절반 밖에 누리지 못하는 문제가 있다.
GF UNIT의 HEAT EXCHANGE SECTION에 의해 온도가 상승한 AIR FLOW가 HP UNIT의 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER를 가열하면, HP UNIT의 냉매 압력이 급상승하여 HP UNIT의 효율이 대폭 하락한다. HP UNIT의 냉매 압력이 급상승하면, HP UNIT의 PRESSURE SWITCH가 작동하여 HP UNIT의 운전이 정지될 수도 있다.
그러나 선행문헌1의 AIR CONDITIONING SYSTEM은 HP UNIT의 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER가 GF UNIT의 HEAT EXCHANGE SECTION의 후단에 위치한다. 따라서 선행문헌1의 AIR CONDITIONING SYSTEM은 GF UNIT 및 HP UNIT의 동시운전이 불합리한 구조를 가진다.
그렇다고 GF UNIT의 HEAT EXCHANGE SECTION을 HP UNIT의 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER의 후단에 위치시키면, GF UNIT의 MAIN BODY CASING의 부피가 대폭 증가할 수 있다. 또한, HP UNIT의 USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER가 MAIN BODY CASING 내부에 설치되면, USAGE-SIDE HEAT EXCHANGER가 MAIN BODY 내부의 AIR FLOW를 저해하는 저항성분으로 작용할 수 있다.
미국 공개특허공보 제2015-0219343호 (공개일: 2015.08.06)
본 발명의 해결하고자 하는 일 과제는, 2개의 난방장치를 설치한 투자 효용을 최대화 할 수 있는 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 과제는, 가스퍼니스의 열에너지에 의한 히트펌프의 압력 상승이 방지되는 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 과제는, 히트펌프의 열교환기에 의한 가스퍼니스 내부 공기 흐름의 압력 손실이 최소화되는 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템은, 제1 열교환기와 블로워 사이에 제3 열교환기를 구비하고, 상기 제1 열교환기와 출구 사이에 제4 열교환기를 구비하고, 냉매가 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 열을 방출하도록, 제어부가 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어할 수 있다. 따라서 가스퍼니스의 열에너지에 의한 히트펌프의 압력 상승이 방지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템은, 상기 가스퍼니스와, 상기 히트펌프와, 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 제어하는 상기 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 가스퍼니스는 케이싱, 상기 블로워, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 케이싱은 입구와 상기 출구 사이에 통로를 형성할 수 있다.
상기 블로워는 상기 입구로 들어온 공기를 상기 출구로 가압할 수 있다.
상기 제1 열교환기는 상기 통로에 구비될 수 있다. 상기 제1 열교환기는 연소가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비될 수 있다. 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 연소가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
상기 히트펌프는 실외기, 열교환유닛, 순환배관 및 상기 3방밸브유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 실외기는 상기 냉매가 열을 흡수하는 실외열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열교환유닛은 상기 통로에 구비될 수 있다. 상기 냉매가 상기 열교환유닛에서 열을 방출할 수 있다.
상기 순환배관은 상기 냉매가 상기 실외기와 상기 열교환유닛을 순환하는 유로를 형성할 수 있다.
상기 열교환유닛은 상기 제3 열교환기 및 상기 제4 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장할 수 있다.
상기 제2 온도구간에서 상기 제어부는, 상기 냉매가 상기 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 상기 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어할 수 있다. 또한 상기 제2 온도구간에서 상기 제어부는 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 동시 운전할 수 있다. 따라서 2개의 난방장치를 설치한 투자 효용을 최대화 할 수 있다.
*여기서, 제1 온도구간 : 가스퍼니스의 난방효율이 히트펌프의 난방효율보다 높은 외기온도구간, 제2 온도구간 : 제1 온도구간과 제3 온도구간 사이의 외기온도구간, 제3 온도구간 : 히트펌프의 난방효율이 가스퍼니스의 난방효율 대비 설정비(>1) 이상이 되는 외기온도구간
상기 실외기는 상기 냉매를 압축하는 압축기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 3방밸브유닛은 제1 3방밸브와 제2 3방밸브를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 순환배관은 제1 배관, 제2 배관, 제3 배관, 제4 배관, 제5 배관 및 제6 배관을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 배관은 상기 압축기와 상기 제1 3방밸브를 연결할 수 있다.
상기 제2 배관은 상기 제1 3방밸브와 상기 제4 열교환기의 냉매입구를 연결할 수 있다.
상기 제3 배관은 상기 제1 3방밸브와 상기 제3 열교환기의 냉매인입구를 연결할 수 있다.
상기 제4 배관은 상기 실외열교환기와 상기 제2 3방밸브를 연결할 수 있다.
상기 제5 배관은 상기 제2 3방밸브와 상기 제4 열교환기의 냉매출구를 연결할 수 있다.
상기 제6 배관은 상기 제2 3방밸브와 상기 제3 열교환기의 냉매배출구를 연결할 수 있다.
상기 제2 열교환기는 다수의 연소배관, 제1 엔드플레이트 및 제2 엔드플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연소배관들은 상기 연소가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
상기 제1 엔드플레이트는 상기 연소배관들의 길이방향 한쪽이 결합될 수 있다.
상기 제2 엔드플레이트는 상기 연소배관들의 길이방향 다른 한쪽이 결합될 수 있다.
상기 제3 열교환기는 상기 냉매가 흐르는 다수의 냉매배관을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉매배관들은 리턴밴드로 서로 연결될 수 있다.
상기 냉매배관들의 길이방향 한쪽은 상기 제1 엔드플레이트에 결합될 수 있다.
상기 냉매배관들의 길이방향 다른 한쪽은 상기 제2 엔드플레이트에 결합될 수 있다.
상기 제2 열교환기는 상기 연소배관들 및 상기 냉매배관들과 접촉하는 다수의 방열핀을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 연소배관들과 상기 냉매배관들은 상기 통로의 공기흐름방향으로 이격될 수 있다.
상기 냉매배관들은 상기 연소배관들보다 상기 공기흐름방향 앞쪽에 배치될 수 있다. 따라서 상기 통로를 흐르는 상기 공기의 압력손실이 최소화될 수 있다.
상기 냉매배관들은 상기 연소배관들보다 작은 지름을 가질 수 있다. 따라서 상기 통로를 흐르는 상기 공기의 압력손실이 최소화될 수 있다.
상기 실외기는 전환밸브를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 전환밸브는 상기 냉매의 흐름방향을 전환할 수 있다.
상기 제어부는 냉방운전시 상기 전환밸브를 작동시킬 수 있다. 상기 제어부는 상기 냉매가 상기 제4 열교환기에서 열을 흡수하도록 상기 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템은, 상기 가스퍼니스와, 상기 히트펌프와, 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 제어하는 상기 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 가스퍼니스는 케이싱, 블로워, 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 케이싱은 입구와 출구 사이에 통로를 형성할 수 있다.
상기 블로워는 상기 입구로 들어온 공기를 상기 출구로 가압할 수 있다.
상기 제1 열교환기는 상기 통로에 구비될 수 있다. 상기 제1 열교환기는 연소가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비될 수 있다. 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 연소가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비될 수 있다. 상기 제3 열교환기는 상기 히트펌프의 실외기와 순환유로를 형성할 수 있다.
상기 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장할 수 있다.
상기 제2 온도구간에서 상기 제어부는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 동시 운전할 수 있다. 따라서 2개의 난방장치를 설치한 투자 효용을 최대화 할 수 있다.
*여기서, 제1 온도구간 : 가스퍼니스의 난방효율이 히트펌프의 난방효율보다 높은 외기온도구간, 제2 온도구간 : 제1 온도구간과 제3 온도구간 사이의 외기온도구간, 제3 온도구간 : 히트펌프의 난방효율이 가스퍼니스의 난방효율 대비 설정비(>1) 이상이 되는 외기온도구간
본 발명의 실시예에 의하면, 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장하고, 제2 온도구간에서 제어부는, 냉매가 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어하고, 가스퍼니스와 히트펌프를 동시 운전함으로써, 가스퍼니스와 히트펌프의 동시운전에 의한 난방효율 증가를 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제1 열교환기와 블로워 사이에 제3 열교환기를 구비하고, 제1 열교환기와 출구 사이에 제4 열교환기를 구비하고, 냉매가 제3 열교환기 또는 제4 열교환기에서 열을 방출하도록, 제어부가 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어함으로써, 가스퍼니스와 히트펌프의 동시운전시 히트펌프의 운전 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 연소배관들과 냉매배관들은 통로의 공기흐름방향으로 이격되고, 냉매배관들은 연소배관들보다 공기흐름방향 앞쪽에 배치됨으로써, 제3 열교환기의 냉매배관들이 통로의 압력 손실에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 가스퍼니스 또는 히트펌프의 단독 운전시를 나타내는 구성도.
도 2는 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 가스퍼니스 및 히트펌프의 동시 운전시를 나타내는 구성도.
도 3은 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 가스퍼니스를 나타내는 정면도.
도 4는 도 3의 가스퍼니스의 제2 열교환기를 나타내는 사시도.
도 5는 도 4의 제2 열교환기의 측면도.
도 6은 도 4의 제2 열교환기의 제1 엔드플레이트를 포함하는 부분사시도.
도 7은 도 4의 제2 열교환기의 제2 엔드플레이트를 포함하는 부분사시도.
도 8은 도 4의 제2 열교환기의 연소배관들 및 냉매배관들을 나타내는 부분단면도.
도 9는 히트펌프의 외기온도-성적 계수 그래프.
도 10은 히트펌프의 부하-성적 계수 그래프.
도 11은 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 가스퍼니스와 히트펌프 개별 운전시 외기 온도-난방성능 그래프.
도 12는 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 하이브리드 운전시 외기 온도-난방성능을 선형적으로 나타내는 그래프.
도 13은 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 하이브리드 운전시 외기 온도-부하 그래프.
도 14는 도 1의 가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템의 하이브리드 운전시 외기 온도-난방성능 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 가스퍼니스(100) 또는 히트펌프(200)의 단독 운전시를 나타내는 구성도이다. 도 2는 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 가스퍼니스(100) 및 히트펌프(200)의 동시 운전시를 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)은 가스퍼니스(100)와, 히트펌프(200)와, 제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(300)는 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 개별제어 또는 동시제어한다.
가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)은 겨울 평균 기온이 대략 -20℃인 지역에서 실내를 난방하기 위해 사용될 수 있다. 가스퍼니스(100)는 케이싱(110), 블로워(120), 제1 열교환기(130) 및 제2 열교환기(140)를 포함하여 구성된다.
케이싱(110)은 입구(111)와 출구(112) 사이에 통로(113)를 형성한다. 입구(111)는 케이싱(110)의 상부에 형성된다. 출구(112)는 케이싱(110)의 하부에 형성된다. 따라서 통로(113)는 입구(111)와 출구(112)를 세로방향으로 연결한다.
케이싱(110), 블로워(120), 제1 열교환기(130) 및 제2 열교환기(140)는 케이싱(110) 내부에 수용된다.
케이싱(110)의 입구(111)는 외기와 연결된다. 케이싱(110)의 출구(112)는 덕트(1)의 입구(111)와 연결된다. 덕트(1)의 출구(112)는 냉난방 시스템(10)이 설치된 건물의 방마다에 분기되어 구비될 수 있다.
블로워(120)는 케이싱(110)의 하부에 구비된다. 블로워(120)는 입구(111)로 들어온 공기를 출구(112)로 가압한다. 블로워(120)의 인렛은 입구(111)의 옆쪽에 구비될 수 있다. 제어부(300)는 블로워(120)의 옆에 배치될 수 있다.
도 3은 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 가스퍼니스(100)를 나타내는 정면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(130)는 출구(112)의 아래에 구비된다. 제1 열교환기(130)는 연소가스가 흐르는 유로를 형성한다.
제1 열교환기(130)는 연소장치와 연결된다. 연소장치는 버너(131), 매니폴드(132), 화염센서(133), 점화기(134), 팬을 포함하여 구성될 수 있다.
외기는 매니폴드(132)를 통해 버너(131)로 공급된다. 버너(131)는 가스관과 연결된다. 버너(131) 내부에서 외기와 혼합된 가스는 점화기(134)의 불꽃에 의해 점화된다. 화염센서(133)는 버너 내부 화염을 감지한다. 팬은 연소가스를 제1 열교환기(130)의 입구(111)로 가압한다.
제2 열교환기(140)는 제1 열교환기(130)와 블로워(120) 사이에 구비된다. 제2 열교환기(140)는 제1 열교환기(130)에서 나온 연소가스가 흐르는 유로를 형성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 열교환기(140)에 압력스위치(146), 배기관(147), 수집박스(148), 인듀서(149)가 설치될 수 있다.
압력스위치(146)는 제2 열교환기(140) 내부 유로의 압력을 감지한다. 배기관(147)은 제2 열교환기(140)에서 배출된 연소가스가 외부로 배출되는 유로를 형성한다.
수집박스(148)는 제2 열교환기(140)의 후단에 설치된다. 인듀서(149)는 수집박스(148)에 장착된다. 인듀서(149)는 제2 열교환기(140)에 배출된 연소가스를 배기관(147)으로 가압한다. 연소가스는 배기관(147)을 통해 외부로 배출된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 히트펌프(200)는 실외기(210), 열교환유닛(220), 순환배관(230) 및 3방밸브유닛(240)을 포함하여 구성된다.
히트펌프(200)는 냉매가 증발기내에서 주위에서 열을 빼앗아 기체가 되고, 응축기에서 열을 방출하여 액화하는 냉난방 사이클을 구성한다. 히트펌프(200)는 방출된 열을 난방, 가열에 이용하거나, 냉방에 이용할 수 있다.
실외기(210)는 실외열교환기(211), 압축기(212), 전환밸브(213), 팽창밸브(214) 및 팬(215)을 포함하여 구성된다.
전환밸브(213)는 사방향 전환 밸브로 구비된다. 사방향 전환 밸브(reversing valve) 히트 펌프에서 증발기와 응축기로 흐르는 냉매유로를 난방시와 냉방시에 따라 전환하는 밸브이다. 전환밸브(213)가 냉매유로를 전환하면, 실외열교환기(211)가 증발기로부터 응축기로, 응축기로부터 증발기로 변화한다.
히트펌프(200)가 난방 사이클을 구성하는 경우, 냉매는 실외열교환기(211)에서 열을 흡수한다. 이때 냉매는 열교환유닛(220)에서 열을 방출한다.
한편, 히트펌프(200)가 냉방 사이클을 구성하는 경우, 제어부(300)는 전환밸브(213)를 작동시킬 수 있다. 제어부(300)는 냉매가 제4 열교환기(222)에서 열을 흡수하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다. 이때 냉매는 실외열교환기(211)에서 열을 방출한다.
히트펌프(200) 실외기(210)의 실외열교환기(211), 압축기(212), 전환밸브(213), 팽창밸브(214) 및 팬(215)은 널리 공지된 기술로서 자세한 설명은 생략하고자 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환유닛(220)은 통로(113)에 구비된다. 열교환유닛(220)은 제3 열교환기(221) 및 제4 열교환기(222)를 포함하여 구성된다.
제3 열교환기(221)는 제1 열교환기(130)와 블로워(120) 사이에 구비된다. 제3 열교환기(221)는 히트펌프(200)의 난방 사이클에만 사용된다.
제4 열교환기(222)는 제1 열교환기(130)와 출구(112) 사이에 구비된다. 제4 열교환기(222)는 히트펌프(200)의 냉방 및 난방 사이클에 모두 사용된다.
순환배관(230)은 냉매가 실외기(210)와 열교환유닛(220)을 순환하는 유로를 형성한다.
히트펌프(200)가 난방 사이클을 구성하는 경우, 냉매는 실외열교환기(211), 압축기(212), 순환배관(230), 열교환유닛(220), 팽창밸브(214)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
한편, 히트펌프(200)가 냉방 사이클을 구성하는 경우, 냉매는 실외열교환기(211), 팽창밸브(214), 열교환유닛(220), 순환배관(230), 압축기(212)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
3방밸브유닛(240)은 제1 3방밸브(241)와 제2 3방밸브(242)를 포함하여 구성된다. 제1 3방밸브(241)와 제2 3방밸브(242)는 글자그대로 3방 밸브(three way valve)로 구비된다. 3방 밸브는 3방향에 유체의 출입구(111)를 가진 밸브이다. 제어부(300)는 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 순환배관(230)은 제1 배관(231), 제2 배관(232), 제3 배관(233), 제4 배관(234), 제5 배관(235) 및 제6 배관(236)을 포함하여 구성된다.
제1 배관(231)은 압축기(212)와 제1 3방밸브(241)를 연결한다. 제2 배관(232)은 제1 3방밸브(241)와 제4 열교환기(222)의 냉매입구(222A)를 연결한다. 제3 배관(233)은 제1 3방밸브(241)와 제3 열교환기(221)의 냉매인입구(221A)를 연결한다.
제4 배관(234)은 실외열교환기(211)와 제2 3방밸브(242)를 연결한다. 제5 배관(235)은 제2 3방밸브(242)와 제4 열교환기(222)의 냉매출구(222B)를 연결한다. 제6 배관(236)은 제2 3방밸브(242)와 제3 열교환기(221)의 냉매배출구(221B)를 연결한다.
냉매가 제3 열교환기(221) 또는 제4 열교환기(222)에서 열을 방출하도록, 제어부(300)는 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다.
제어부(300)는 실외기(210)와 제3 열교환기(221)가 난방 사이클을 구성하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이때, 냉매는 실외열교환기(211), 압축기(212), 제1 배관(231), 제3 배관(233), 제3 열교환기(221), 제6 배관(236), 제4 배관(234) 및 팽창밸브(214)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
또는, 제어부(300)는 실외기(210)와 제4 열교환기(222)가 난방 사이클을 구성하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이때, 냉매는 실외열교환기(211), 압축기(212), 제1 배관(231), 제2 배관(232), 제4 열교환기(222), 제5 배관(235), 제4 배관(234) 및 팽창밸브(214)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
제어부(300)는 실외기(210)와 제3 열교환기(221)가 제상 사이클을 구성하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이때, 냉매는 실외열교환기(211), 팽창밸브(214), 제4 배관(234), 제6 배관(236), 제4 열교환기(222), 제3 배관(233), 제1 배관(231) 및 압축기(212)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
물론, 제어부(300)는 실외기(210)와 제4 열교환기(222)가 냉방 사이클을 구성하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이때, 냉매는 실외열교환기(211), 팽창밸브(214), 제4 배관(234), 제5 배관(235), 제4 열교환기(222), 제2 배관(232), 제1 배관(231) 및 압축기(212)를 이동하여 다시 실외열교환기(211)로 순환하는 냉매흐름을 형성한다.
도 4는 도 3의 가스퍼니스(100)의 제2 열교환기(140)를 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 제2 열교환기(140)의 측면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 열교환기(140)는 다수의 연소배관(141), 제1 엔드플레이트(142), 제2 엔드플레이트(143) 및 방열핀(144)을 포함하여 구성된다.
연소배관(141)들은 연소가스가 흐르는 유로를 형성한다.
연소배관(141)들의 길이방향 한쪽은 제1 엔드플레이트(142)에 결합된다. 제1 엔드플레이트(142)에 연소배관(141)들의 길이방향 한쪽이 삽입되는 다수의 구멍이 형성된다. 연소배관(141)들의 길이방향 한쪽은 구멍에 삽입된 상태에서 제1 엔드플레이트(142)에 결합된다.
제1 열교환기(130)와 제2 열교환기(140)를 흐르는 연소가스는 통로(113)를 지나는 저온의 공기와 열교환하며 온도가 하강한다. 연소배관(141)들에서 연소가스의 응축수가 발생한다.
수집박스(148)는 제1 엔드플레이트(142)의 전면에 결합된다. 응축수는 연소배관(141)들의 끝단에서 중력에 의해 수집박스(148)의 바닥으로 떨어진다. 바닥으로 떨어진 응축수는 외부로 배출된다.
연소배관(141)들의 길이방향 다른 한쪽은 제2 엔드플레이트(143)에 결합된다. 제2 엔드플레이트(143)에 연소배관(141)들의 길이방향 다른 한쪽이 삽입되는 다수의 구멍이 형성된다. 연소배관(141)들의 길이방향 다른 한쪽은 구멍에 삽입된 상태에서 제2 엔드플레이트(143)에 결합된다.
제1 열교환기(130)에 배출된 연소가스는 제2 엔드플레이트(143) 쪽에서 연소배관(141)들 내부로 진입하여 수집박스(148) 내부로 이동한다. 수집박스(148) 내부에 모인 연소가스는 인듀서(149)에 의해 배기관(147)으로 가압된다. 연소가스는 배기관(147)을 통해 외부로 배출된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연소배관(141)들은 제1 엔드플레이트(142)와 제2 엔드플레이트(143) 사이에서 서로 나란하게 배열된다.
연소배관(141)들은 다수의 방열핀(144)과 결합한다. 방열핀(144)은 통로(113)를 이동하는 공기와 연소배관(141)들의 열전달 면적을 증가시킨다.
연소배관(141)들 내부에는 배플(145; baffle)이 삽입된다.
배플(145)은 유체의 유로 내에 설치하여 유체에 혼란을 주어 열전달 속도나 물질 이동 속도의 증대를 꾀하거나, 부유 입자를 그 관성력에 의해 충돌시켜 포집시키는데 사용되는 구성이다. 배플(145)은 냉난방 기술 분야에서 널리 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하고자 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제3 열교환기(221)는 냉매가 흐르는 다수의 냉매배관(221C)을 포함하여 구성된다.
냉매배관(221C)들은 냉매가 흐르는 유로를 형성한다.
냉매배관(221C)들의 길이방향 한쪽은 제1 엔드플레이트(142)에 결합된다. 제1 엔드플레이트(142)에 냉매배관(221C)들의 길이방향 한쪽이 삽입되는 다수의 구멍이 형성된다. 냉매배관(221C)들의 길이방향 한쪽은 구멍에 삽입된 상태에서 제1 엔드플레이트(142)에 결합된다.
냉매배관(221C)들의 길이방향 다른 한쪽은 제2 엔드플레이트(143)에 결합된다. 제2 엔드플레이트(143)에 냉매배관(221C)들의 길이방향 다른 한쪽이 삽입되는 다수의 구멍이 형성된다. 냉매배관(221C)들의 길이방향 다른 한쪽은 구멍에 삽입된 상태에서 제2 엔드플레이트(143)에 결합된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉매배관(221C)들은 제1 엔드플레이트(142)와 제2 엔드플레이트(143) 사이에서 서로 나란하게 배열된다. 냉매배관(221C)들은 연소배관(141)들과 함께 다수의 방열핀(144)과 결합한다. 방열핀(144)은 통로(113)를 이동하는 공기와 냉매배관(221C)들의 열전달 면적을 증가시킨다.
도 6은 도 4의 제2 열교환기(140)의 제1 엔드플레이트(142)를 포함하는 부분사시도이다. 도 7은 도 4의 제2 열교환기(140)의 제2 엔드플레이트(143)를 포함하는 부분사시도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 이웃하는 2개의 냉매배관(221C)들의 끝단들은 리턴밴드(221D)로 서로 연결되어 냉매가 순환하는 유로를 형성한다.
히트펌프(200)가 난방 사이클을 구성하는 경우, 냉매인입구(221A)는 냉매가 제3 배관(233)에서 냉매배관(221C)으로 이동하는 유로를 형성한다. 복수의 냉매배관(221C)은 냉매인입구(221A)와 복수의 분배관으로 연결될 수 있다.
냉매배출구(221B)는 냉매가 냉매배관(221C)에서 제6 배관(236)으로 이동하는 유로를 형성한다.
도 8은 도 4의 제2 열교환기(140)의 연소배관(141)들 및 냉매배관(221C)들을 나타내는 부분단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 연소배관(141)들과 냉매배관(221C)들은 통로(113)의 공기흐름방향으로 이격된다.
냉매배관(221C)들은 연소배관(141)들보다 공기흐름방향 앞쪽에 배치된다. 그리고 냉매배관(221C)들은 연소배관(141)들보다 작은 지름을 가질 수 있다. 따라서 연소배관(141)들 사이에 냉매배관(221C)들이 개재되더라도 통로(113)를 흐르는 공기의 압력손실이 최소화된다.
도 9는 히트펌프(200)의 외기온도-성적 계수 그래프이다. 도 10은 히트펌프(200)의 부하-성적 계수 그래프이다.
성적 계수는 냉난방 사이클에서 냉난방 능력과 소비된 압축기(212)의 일량과의 비를 의미한다. 성적 계수가 높을수록 냉난방 효율이 높다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 히트펌프(200)는 외기 온도가 높을수록 냉난방효율이 증가한다.
또한 히트펌프(200)는 부하가 낮을수록 냉난방효율이 증가한다. 즉, 히트펌프(200)는 냉매의 압축량이 증가하면, 냉매의 열교환율이 감소하여 냉난방효율이 감소한다.
이와 반대로 히트펌프(200)는 냉매의 압축량이 감소하면, 냉매의 열교환율이 증가하여 냉난방효율이 증가한다.
도 11은 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200) 개별 운전시 외기 온도-난방성능 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 가스퍼니스(100)는 외기 온도와 무관하게 일정한 난방효율을 나타낸다. 그러나 히트펌프(200)는 외기 온도가 높을수록 냉난방효율이 증가한다.
T0에서 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)의 난방성능이 일치한다. 따라서 종래의 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 포함하는 냉난방 시스템(10)에서는 T0 이하의 온도에서는 가스퍼니스(100)를 운전하고, T0 초과의 온도에서는 히트펌프(200)를 운전하였다.
도 12는 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 하이브리드 운전시 외기 온도-난방성능을 선형적으로 나타내는 그래프이다.
T1은 히트펌프(200)의 40% 부하 조건에서 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)의 난방성능이 일치하는 온도를 의미한다. T2는 히트펌프(200)의 100% 부하 조건에서 난방성능의 증가세가 완만해지는 온도를 의미한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 히트펌프(200)의 100% 부하 조건에서는 T0에서 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)의 난방성능이 일치한다. 히트펌프(200)의 부하가 감소할수록 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)의 난방성능이 일치하는 온도가 감소한다.
따라서 T1과 T2 사이의 온도에서 히트펌프(200)의 부하를 점진적으로 증가시키면서 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 동시에 운전하면, 전체 난방성능(Total)이 증가할 수 있다.
도 13은 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 하이브리드 운전시 외기 온도-부하 그래프이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 출원인은 T1과 T2 사이의 온도에서 히트펌프(200)의 부하를 점진적으로 증가시키면서 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 동시에 운전하는 냉난방 시스템(10)을 연구하게 되었다.
제어부(300)는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장한다.
제1 온도구간은 가스퍼니스(100)의 난방효율이 히트펌프(200)의 난방효율보다 높은 외기온도구간으로서, T1보다 낮은 온도구간을 의미한다.
제3 온도구간은 히트펌프(200)의 난방효율이 가스퍼니스(100)의 난방효율 대비 설정비 이상이 되는 외기온도구간으로서, T2보다 높은 온도구간을 의미한다. 상술한 설정비는 1보다 크다. 상술한 설정비는 T2에 종속하여 설정될 수도 있다.
제2 온도구간은 제1 온도구간과 제3 온도구간 사이의 외기온도구간으로서, T1보다 높고 T2보다 낮은 온도구간을 의미한다.
1) 제1 온도구간에서 제어부(300)는 가스퍼니스(100)를 단독 운전한다.
2) 제3 온도구간에서 제어부(300)는 히트펌프(200)를 단독 운전한다. 제3 온도구간에서 제어부(300)는, 냉매가 제4 열교환기(222)에서 열을 방출하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다.
3) 제2 온도구간에서 제어부(300)는 가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 동시 운전(hybrid operation)한다. 제2 온도구간에서 제어부(300)는, 냉매가 제3 열교환기(221)에서 열을 방출하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다.
냉매가 제1 열교환기(130)에서 방출하는 열에너지는 히트펌프(200)의 냉매 압력을 과도하게 상승시켜 히트펌프(200)의 효율을 대폭 하락시킬 수 있다. 그러나 냉매가 제2 열교환기(140)의 연소배관(141)에서 방출하는 열에너지는 히트펌프(200)의 압력을 과도하게 상승시킬만큼 크지 않다.
물론, 가스퍼니스(100)의 용량이 증가할수록, 제2 열교환기(140)에서 방출하는 열에너지는 증가할 수 있다. 연소배관(141)들과 냉매배관(221C)들의 이격거리를 증가시키면, 제2 열교환기(140)의 연소배관(141)으로부터 제3 열교환기(221)의 냉매배관(221C)으로 전달되는 열에너지의 양을 감소시킬 수 있다.
가스퍼니스(100)와 히트펌프(200)를 동시 운전은 히트펌프(200)의 제상운전에도 사용될 수 있다. 제상운전으로 인해 가스퍼니스(100)의 난방 운전이 안되는 동안, 가스퍼니스(100)가 난방 운전을 할 수 있다.
히트펌프(200)가 제상 사이클을 구성하는 경우, 제어부(300)는 전환밸브(213)를 작동시킬 수 있다. 제어부(300)는 냉매가 제3 열교환기(221)에서 열을 흡수하도록 3방밸브유닛(240)의 유로 전환을 제어한다. 이때 냉매는 실외열교환기(211)에서 열을 방출하여 실외열교환기(211)의 서리를 제거한다.
도 14는 도 1의 가스퍼니스(100)를 포함하는 냉난방 시스템(10)의 하이브리드 운전시 외기 온도-난방성능 그래프이다. 도 14는 냉난방 시스템(10)의 하이브리드 운전시 측정한 외기 온도-난방성능 그래프이다.
도 14에 도시된 바와 같이, T1은 대략 -12℃, T2는 대략 15℃, T0는 대략 -2℃로 측정되었다. T1, T2, T0는 가스퍼니스(100) 및 히트펌프(200)의 성능, 용량에 따라 변화하는 수치이다. 냉난방 시스템(10)의 하이브리드 운전시 난방효율이 T1과 T2 사이에서 기울기가 증가하는 포물선 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 공기 조화 시스템
200 : 히트펌프 100 : 가스퍼니스
210 : 실외기 110 : 케이싱
211 : 실외열교환기 111 : 입구
212 : 압축기 112 : 출구
213 : 전환밸브 113 : 통로
214 : 팽창밸브 120 : 블로워
215 : 팬 130 : 제1 열교환기
220 : 열교환유닛 131 : 버너
221 : 제3 열교환기 132 : 매니폴드
221A : 냉매인입구 133 : 화염센서
221B : 냉매배출구 140 : 제2 열교환기
221C : 냉매배관 141 : 연소배관
221D : 리턴밴드 142 : 제1 엔드플레이트
221E : 분배관 143 : 제2 엔드플레이트
222 : 제4 열교환기 144 : 방열핀
222A : 냉매입구 145 : 배플
222B : 냉매출구 146 : 압력스위치
230 : 순환배관 147 : 배기관
231 : 제1 배관 148 : 수집박스
232 : 제2 배관 149 : 인듀서
233 : 제3 배관 300 : 제어부
234 : 제4 배관 1 : 덕트
235 : 제5 배관
236 : 제6 배관
240 : 3방밸브유닛
241 : 제1 3방밸브
242 : 제2 3방밸브

Claims (11)

  1. 가스퍼니스와, 히트펌프와, 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 제어하는 제어부를 포함하는 냉난방 시스템으로서,
    상기 가스퍼니스는,
    입구와 출구 사이에 통로를 형성하는 케이싱;
    상기 입구로 들어온 공기를 상기 출구로 가압하는 블로워;
    상기 통로에 구비되고, 연소가스가 흐르는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 연소가스가 흐르는 제2 열교환기를 포함하고,
    상기 히트펌프는,
    냉매가 열을 흡수하는 실외열교환기를 포함하는 실외기;
    상기 통로에 구비되고, 상기 냉매가 열을 방출하는 열교환유닛;
    상기 냉매가 상기 실외기와 상기 열교환유닛을 순환하는 순환배관; 및
    상기 순환배관에 설치되는 3방밸브유닛을 포함하고,
    상기 열교환유닛은,
    상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비된 제3 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기와 상기 출구 사이에 구비된 제4 열교환기를 포함하고,
    상기 냉매가 상기 제3 열교환기 또는 상기 제4 열교환기에서 열을 방출하도록, 상기 제어부가 상기 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장하고,
    상기 제2 온도구간에서 상기 제어부는, 상기 냉매가 상기 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 상기 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어하고, 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 동시 운전하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
    *여기서, 제1 온도구간 : 가스퍼니스의 난방효율이 히트펌프의 난방효율보다 높은 외기온도구간, 제2 온도구간 : 제1 온도구간과 제3 온도구간 사이의 외기온도구간, 제3 온도구간 : 히트펌프의 난방효율이 가스퍼니스의 난방효율 대비 설정비(>1) 이상이 되는 외기온도구간
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실외기는 상기 냉매를 압축하는 압축기를 포함하고,
    상기 3방밸브유닛은 제1 3방밸브와 제2 3방밸브를 포함하며,
    상기 순환배관은,
    상기 압축기와 상기 제1 3방밸브를 연결하는 제1 배관;
    상기 제1 3방밸브와 상기 제4 열교환기의 냉매입구를 연결하는 제2 배관;
    상기 제1 3방밸브와 상기 제3 열교환기의 냉매인입구를 연결하는 제3 배관;
    상기 실외열교환기와 상기 제2 3방밸브를 연결하는 제4 배관;
    상기 제2 3방밸브와 상기 제4 열교환기의 냉매출구를 연결하는 제5 배관; 및
    상기 제2 3방밸브와 상기 제3 열교환기의 냉매배출구를 연결하는 제6 배관을 포함하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는,
    상기 연소가스가 흐르는 다수의 연소배관;
    상기 연소배관들의 길이방향 한쪽이 결합된 제1 엔드플레이트; 및
    상기 연소배관들의 길이방향 다른 한쪽이 결합된 제2 엔드플레이트를 포함하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는 상기 냉매가 흐르고, 리턴밴드로 서로 연결된 다수의 냉매배관을 포함하고,
    상기 냉매배관들의 길이방향 한쪽은 상기 제1 엔드플레이트에 결합되고,
    상기 냉매배관들의 길이방향 다른 한쪽은 상기 제2 엔드플레이트에 결합되는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 연소배관들 및 상기 냉매배관들과 접촉하는 다수의 방열핀을 포함하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연소배관들과 상기 냉매배관들은 상기 통로의 공기흐름방향으로 이격되는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통로를 흐르는 상기 공기의 압력손실이 최소화되도록, 상기 냉매배관들은 상기 연소배관들보다 상기 공기흐름방향 앞쪽에 배치되는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 통로를 흐르는 상기 공기의 압력손실이 최소화되도록, 상기 냉매배관들은 상기 연소배관들보다 작은 지름을 가지는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실외기는 상기 냉매의 흐름방향을 전환하는 전환밸브를 포함하고,
    상기 제어부는 냉방운전시 상기 전환밸브를 작동시키고, 상기 냉매가 상기 제4 열교환기에서 열을 흡수하도록 상기 3방밸브유닛의 유로 전환을 제어하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
  11. 가스퍼니스와, 히트펌프와, 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 제어하는 제어부를 포함하는 냉난방 시스템으로서,
    상기 가스퍼니스는,
    입구와 출구 사이에 통로를 형성하는 케이싱;
    상기 입구로 들어온 공기를 상기 출구로 가압하는 블로워;
    상기 통로에 구비되고, 연소가스가 흐르는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비되고, 상기 제1 열교환기에서 나온 상기 연소가스가 흐르는 제2 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기와 상기 블로워 사이에 구비되고, 상기 히트펌프의 실외기와 순환유로를 형성하는 제3 열교환기를 포함하고,
    상기 제어부는 제1 온도구간, 제2 온도구간 및 제3 온도구간을 저장하고,
    상기 제2 온도구간에서 상기 제어부는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에서 열을 방출하도록 상기 가스퍼니스와 상기 히트펌프를 동시 운전하는,
    가스퍼니스를 포함하는 냉난방 시스템.
    *여기서, 제1 온도구간 : 가스퍼니스의 난방효율이 히트펌프의 난방효율보다 높은 외기온도구간, 제2 온도구간 : 제1 온도구간과 제3 온도구간 사이의 외기온도구간, 제3 온도구간 : 히트펌프의 난방효율이 가스퍼니스의 난방효율 대비 설정비(>1) 이상이 되는 외기온도구간
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