KR20210108812A - 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템에 관한 것으로, 가스히트펌프와 전기식 히트펌프, 압축기부 및 실외 열교환기부를 포함하는 실외기 그리고 상기 실외기에 각각 병렬로 연결된 냉난방용 모듈, 냉장 모듈 및 냉동 모듈을 포함하는 실내기를 하나의 냉동 사이클로 구성하여, 전력 소요 및 부하 변동에 기초해서 상기 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 선택적으로 교번 운전시켜 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템{GHP-BASED EHP COMPLEX SYSTEM}
본 발명은 전기식 히트펌프 복합 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템에 관한 것이다.
냉동 사이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 이루어지는 구성요소를 하나의 밀폐된 사이클로 연결하고, 상기 사이클 내부를 순환하는 냉매가 상변화되는 과정에서 주변 공기와 열교환하도록 구성된다.
이러한 냉동 사이클을 이용하는 장치로는 공조 시스템과 냉장/냉동 시스템이 있다.
이들 중에서, 공조 시스템은 냉동 사이클을 순환하는 냉매와 주변 공기와의 열교환에 의하여 실내공간을 냉난방하기 위한 장치이고, 냉장/냉동 시스템은 냉동 사이클을 순환하는 냉매와 저장고 내부 공기와의 열교환에 의하여 상기 저장고 내부에 저장되는 식품 등의 냉각(냉동 또는 냉장)이 이루어지도록 하는 장치이다.
종래기술에 따른 공조 시스템과 냉장/냉동 시스템은 그 용도과 기능이 상이할 뿐만 아니라, 사용시기에 있어서도 공조 시스템은 여름이나 겨울에 사용되는 반면, 냉장/냉동 시스템은 사계절 사용되는 것이 일반적이기 때문에, 일반 가정이나 사무실 등에서는 공조 시스템인 에어컨(또는 히트펌프)과 냉장/냉동 시스템인 냉장고(또는 냉동고)를 별도로 설치하는 것이 일반적이었다.
그러나, 공조 시스템과 냉장/냉동 시스템은 압축기, 실외열교환기, 팽창밸브, 실내열교환기 등 사이클의 구성요소가 대부분 유사함에도 불구하고, 이들을 별도로 설치할 경우 설치 비용 및 설치 면적과, 전기료 등과 같은 유지보수 비용이 크게 증가하는 문제점이 있었으며, 특히 사계절 냉난방과 냉장/냉동이 요구되고 일반 가정이나 사무실 보다 냉난방 부하나 냉동 부하가 큰 편의점, 대형 슈퍼마켓, 또는 식품 판매매장 등에 대해서는 이러한 문제점들이 더욱 가중된다.
따라서, 최근에는 이들 공조 시스템과 냉장/냉동 시스템을 하나의 시스템으로 구성하여 설치 비용과 유지보수 비용을 저감시킬 수 있는 냉난방/냉장/냉동 복합 장치가 개발되고 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1에는 냉난방/냉장/냉동 복합장치 기술이 개시되어 있다.
그러나 특허문헌 1을 포함하는 종래기술에 따른 냉난방/냉장/냉동 복합장치는 공조 시스템과 냉장/냉동 시스템이 외관상으로 하나의 시스템으로 구성되어 있을 뿐, 내부적으로는 공조를 위한 냉동 사이클과 냉장을 위한 냉동 사이클이 별도로 구성되어 있기 때문에, 설치 비용과 유지보수 비용에 있어서는 실질적인 저감효과를 얻기 곤란한 문제점이 있었다.
한편, 최근에는 공조 시스템의 유지보수 비용을 저감하기 위하여 전기로 구동되는 압축기 대신에 가스엔진에서 발생되는 동력을 이용하여 구동되는 압축기를 사용하는 가스히트펌프(Gas Engine Driven Heat Pump, GHP) 장치가 개발되고 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 2에는 가스히트펌프 기술이 기술이 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 2를 포함하는 종래기술에 따른 가스히트펌프 장치는 공조 시스템의 운전에 필요한 비용은 저감할 수 있으나, 경부하 시에도 가스히트펌프를 지속적으로 구동해야 함에 따라 에너지 효율이 저하되고, 가스히트펌프의 이상이나 고장 발생시 연속운전이 필요한 냉장/냉동 운전을 계속하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서 하나의 냉동 사이클에 의하여 냉난방 부하와 냉장/냉동 부하에 대응할 수 있도록 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 일체화한 복합 시스템 장치를 개발할 필요성이 요구되는 실정이다.
대한민국 특허 등록번호 10-1639814호(2016년 7월 22일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-0528128호(2005년 11월 15일 공고)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 가스엔진 구동의 히트펌프와 전기식 히트펌프를 일체로 복합 구성함으로써, 평상시에는 가스히트펌프 운전을 하고, 전력에 여유가 있는 시기와 부하 변동에 대한 효율적 운전 등을 고려하여 전기식 히트펌프를 교번 운전하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템은 가스히트펌프와 전기식 히트펌프, 압축기부 및 실외 열교환기부를 포함하는 실외기 그리고 상기 실외기에 각각 병렬로 연결된 냉난방용 모듈, 냉장 모듈 및 냉동 모듈을 포함하는 실내기를 하나의 냉동 사이클로 구성하여 전력 소요 및 부하 변동에 기초해서 상기 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 선택적으로 교번 운전시켜 에너지 소비 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템에 의하면, 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 가스엔진 구동의 히트펌프와 전기식 히트펌프를 일체로 복합 구성함으로써, 평상시에는 가스히트펌프 운전을 하고, 전력에 여유가 있는 시기와 부하 변동에 대한 효율적 운전 등을 고려하여 전기식 히트펌프를 교번 운전하는 시스템을 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 전력 수요에 따라 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 선택적으로 구동하여 교번 운전함으로써, 연간 에너지의 효율적 소비패턴을 만들 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 가스히트펌프 및 전기식 히트펌프와 냉난방 모듈, 냉동모듈 및 냉장모듈 사이에 통합배관을 서로 공유하도록 구성함으로써, 시스템이 구성을 간단하게 하고, 부품 수를 줄여 시스템 설치 작업비용 및 설치시간을 효과적으로 절감할킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템의 구성도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템의 구성도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명은 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 가스엔진 구동의 히트펌프와 전기식 히트펌프를 일체로 복합 구성함으로써, 평상시에는 가스히트펌프 운전을 하고, 전력에 여유가 있는 시기와 부하 변동에 대한 효율적 운전 등을 고려하여 전기식 히트펌프를 교번 운전하는 시스템을 제공한다.
즉, 본 발명은 여름철과 겨울철 등 전력 수요가 높을 때는 가스히트펌프를 구동해서 운전하고, 봄과 가을 등 전력 수요가 낮을 때는 전기식 히트펌프를 구동해서 운전한다.
이와 같이, 본 발명은 전력 수요에 따라 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 선택적으로 구동하여 교번 운전함으로써, 연간 에너지의 효율적 소비패턴을 만들 수 있다.
특히, 본 발명은 효율적 운전제어를 위해, 가스히트펌프를 전기식 히트펌프보다 높은 운전제어범위를 가지도록 운영되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 가스히트펌프를 약 40% 내지 70%로 운전하고, 전기식 히트펌프를 30% 내지 60%로 운전하는 운전제어범위를 가지면 운영될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프(이하 '가스히트펌프'라 약칭함) 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스히트펌프(20)와 전기식 히트펌프(Electric Engine Driven Heat Pump, EHP)(30), 냉난방 모듈(40), 냉장 모듈(50), 냉동 모듈(60) 및 통합배관(70)을 포함한다.
가스히트펌프(20)와 전기식 히트펌프(30)는 압축기부 및 실외 열교환기부를 포함하는 실외기(도면 미도시), 상기 실외기에 각각 병렬로 연결된 냉난방용 모듈(40), 냉장 모듈(50) 및 냉동 모듈(70)을 포함하는 실내기를 하나의 냉동 사이클로 구성된다.
상기 가스엔진은 LNG, LPG와 같은 가스연료를 연소시켜 동력을 발생시키는 내연기관으로서, 이에 대한 구체적인 구성은 공지기술된 기술이므로, 여기에서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 가스엔진 구동의 히트펌프, 즉 가스히트펌프(20)는 전력을 공급받아 구동되는 전기식 히트펌프(30)에 비해 운전 효율이 높아 중부하나 고부하 운전에 적합하다.
따라서 본 실시 예에서는 중부하 운전의 최대 에너지 절감이 필요한 경우, 또는 전력 요금이 고가인 경우, 가스히트펌프(20)를 단독 운전한다.
그리고 고부하 운전시에는 전기식 히트펌프(30)의 능력을 부가해서 가스히트펌프(20)와 전기식 히트펌프(30)를 병행 운전한다.
또한, 경부하 운전시 또는 전력 수요에 여유가 있고, 전력 요금이 저가인 경우에는 전기식 히트펌프(30)만을 단독 운전한다.
한편, 냉난방 운전은 실내 온도나 습도 등 조건에 따라 선택적으로 수행되는 반면, 냉동 운전과 냉장 운전은 상시적인 운전이 필요하다.
따라서 본 실시 예서는 가스히트펌프(20)를 우선 운전하는 과정에서 가스히트펌프(20)의 이상이나 고장이 발생하는 경우, 전기식 히트펌프(30)를 최소 24시간 이상 계속 운전시켜 냉동, 냉장 부하운전에 비상 대응이 가능하게 구성될 수 있다.
그리고 본 실시 예에서는 하나의 중앙제어유닛(도면 미도시)을 이용해서 가스히트펌프(20) 및 전기식 히트펌프(30)와의 통신을 통해 각 히트펌프를 단독 운전 또는 병행 운전하도록 통합 제어함에 따라, 효율적인 최적운전모드를 구현할 수 있다.
또, 본 실시 예에서는 가스히트펌프(20)와 전기식 히트펌프(30)를 통합하여 복합 시스템을 구성하고, 냉매가 이동하는 배관을 상호 공유해서 일체화해서 구성된다.
즉, 통합배관(70)은 도 1에 도시된 바와 같이, 가스히트펌프(20) 및 전기식 히트펌프(30)와 냉난방 모듈(40), 냉동모듈(50) 및 냉장모듈(60) 사이에서 각각 서로 공유하도록 마련될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 가스히트펌프 및 전기식 히트펌프와 냉난방 모듈, 냉동모듈 및 냉장모듈 사이에 통합배관을 서로 공유하도록 구성함으로써, 시스템이 구성을 간단하게 하고, 부품 수를 줄여 시스템 설치 작업비용 및 설치시간을 효과적으로 절감할킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 가스엔진 구동의 히트펌프와 전기식 히트펌프를 일체로 복합 구성함으로써, 평상시에는 가스히트펌프 운전을 하고, 전력에 여유가 있는 시기와 부하 변동에 대한 효율적 운전 등을 고려하여 전기식 히트펌프를 교번 운전하는 시스템 기술에 적용된다.
10: 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템
20: 가스히트펌프
30: 전기식 히트펌프
40: 냉난방 모듈
50: 냉장 모듈
60: 냉동 모듈
70: 통합 배관

Claims (5)

  1. 가스히트펌프와 전기식 히트펌프,
    압축기부 및 실외 열교환기부를 포함하는 실외기 그리고
    상기 실외기에 각각 병렬로 연결된 냉난방용 모듈, 냉장 모듈 및 냉동 모듈을 포함하는 실내기를 하나의 냉동 사이클로 구성하여
    전력 소요 및 부하 변동에 기초해서 상기 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 선택적으로 교번 운전시켜 에너지 소비 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스히트펌프는 효율적 운전제어를 위해, 상기 전기식 히트펌프보다 높은 운전제어범위를 가지도록 운영되는 것을 특징으로 하는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스히트펌프 및 전기식 히트펌프와 냉난방 모듈, 냉동모듈 및 냉장모듈 사이에서 각각 서로 공유하도록 마련되는 통합배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스히트펌프와 전기식 히트펌프는 각각 통신 가능하게 연결되는 중앙제어유닛의 제어에 의해 통합 운전하고,
    상기 중앙제어유닛은 중부하 운전의 최대 에너지 절감이 필요한 경우, 또는 전력 요금이 고가인 경우에는 상기 가스히트펌프를 단독 운전하며,
    고부하 운전시에는 상기 전기식 히트펌프의 능력을 부가해서 상기 가스히트펌프와 전기식 히트펌프를 병행 운전하고,
    경부하 운전시 또는 전력 수요에 여유가 있고, 전력 요금이 저가인 경우에는 상기 전기식 히트펌프만을 단독 운전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중앙제어유닛은 냉동 운전 또는 냉장 운전하는 과정에서 상기 가스히트펌프의 이상 또는 고장 발생시 상기 전기식 히트펌프를 최소 24시간 이상 계속 운전시켜 비상 대응이 가능하게 제어하는 것을 특징으로 하는 냉난방, 냉장 및 냉동 기능을 구비한 가스엔진 구동의 히트펌프 기반 전기식 히트펌프 복합 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101639814B1 (ko) 2009-11-20 2016-07-22 엘지전자 주식회사 냉장 및 냉동 복합 공조시스템

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