KR20230083796A

KR20230083796A - 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법

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Publication number: KR20230083796A
Application number: KR1020210172127A
Authority: KR
Inventors: 이길봉; 장기창; 왕은석; 조준현; 최봉수; 허재혁; 김득원
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-12

Abstract

본 발명은 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법에 관한 것으로, 일정 온도 이하의 수온에 의해 히트펌프의 증발기에 발생된 착상을 제거 가능한 수열 하이브리드 히트펌프 난방 운전에 관한 것이다. 수열 교환기와 연결을 차단하고 열원보상 열교환기로부터 열을 공급받은 후 히트펌프로 공급되는 것을 특징으로 하는 제상운전 및 수열 열교환기에서 배출되는 유체는 열원보상 열교환기로부터 열을 공급받은 후 히트펌프로 공급되는 것을 특징으로 하여 상시 착상이 발생되지 않는 온도의 유체를 공급받는 착상 방지 운전을 포함하는 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 제공한다.

Description

수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법 {Water Source Hybrid Heat Pump System and Operating Method Thereof}

본 발명은 수열 히트펌프를 이용한 하이브리드 시스템 및 운전방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 일정 온도 이하의 수온에 의해 히트펌프의 증발기에 발생된 결빙을 제거 가능한 수열 히트펌프를 이용한 하이브리드 시스템 및 운전방법에 관한 것이다.

화석연료의 사용으로 점점 악화되어가는 환경오염 문제를 해결하기 위하여 다양한 신재생에너지를 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 히트펌프는 다양한 열원을 이용할 수 있는 냉난방 시스템으로 폐수열, 태양열, 하천수 등을 열원으로 이용된다. 히트펌프는 냉방 시에는 냉각원으로 활용하고 난방 시에는 열원을 회수하여 난방열원으로 이용할 수 있는 시스템으로 열원의 이동을 원하는 방향으로 효율적으로 이동시키는 냉난방시스템이다.

수열 히트펌프는 지리적 한계로 해양, 풍력 등 재생에너지 자원이 미약하고 가용부지가 충분하지 않는 지역에 적합하다, 건물의 냉난방에 사용할 수 있으면서 광범위한 지역에 적용할 수 있는 수열에너지에 관심도가 증가하고 있다.

한편, 동절기에는 수열원 자체가 낮은 온도를 형성하고 낮은 온도로 형성되는 수열원은 열교환기를 거치면서 열에너지를 더욱 빼앗기게 되며, 더 낮은 온도로 내려간 상태로 히트펌프에서 배출된다. 이로 인해 히트펌프 증발기의 결빙 문제 때문에 운전을 수행하지 못하는 문제가 발생한다. 기존의 수열 히트펌프는 일정 수온 이하 시 증발기 결빙의 우려 때문에 난방 운전을 중지한다.

현재 공기를 열원으로 이용하는 멀티시스템은 실외기 열교환기에 착상이 일어날 때, 냉매 회로의 역사이클 운전으로 제상을 수행한다. 하지만 대용량 터보시스템인 수열 히트펌프의 경우 전환밸브의 부재로 냉매 회로의 전환이 어렵고, 압축기의 on/off시 Delay time이 길어 멀티 시스템의 제상 기술을 적용할 수 없다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수열원에서 히트펌프로 공급되는 유체는 히트펌프 또는 축열조에서 열에너지를 공급받아 증발기 착상을 방지 또는 제상하는 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 제안한다.

또한, 히트펌프에서 발생되는 열을 배분하여 난방과 착상 방지 운전을 동시에 가동되는 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 제안한다.

또한, 히트펌프에서 발생되는 열을 배분하여 축열과 착상 방지 운전을 동시에 가동되는 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 제안한다.

또한, 냉난방 운전이 가동되지 않을 경우, 히트펌프에서 발생되는 열을 축열하며, 필요에 따라 열원을 보상하는 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 제안한다.

본 발명은 수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열 열교환기; 상기 수열 열교환기에서 열에너지를 가지는 유체가 유입되는 제1유로와 상기 수열 열교환기로 유체를 배출하는 제2유로가 연결되는 히트펌프; 및 상기 히트펌프로부터 유체가 유입되는 제3유로와 상기 히트펌프로 유체를 배출하는 제4유로가 연결되어 열을 발산하는 난방 열교환기;를 포함하는 수열 하이브리드 시스템에 있어서, 상기 제3유로와 연결되어 유체를 우회시키는 보상유로, 및 상기 보상유로와 연결되어 열에너지를 가진 유체를 공급받고, 상기 제1유로와 연결되어 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 열원보상 열교환기를 포함한다.

또한, 상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고, 상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어 제1유로 - 열원보상 열교환기 - 히트펌프 - 제2유로 - 순환유로 - 제1유로의 순환구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보상유로는 상기 히트펌프에서 생성된 난방에너지를 상기 열원보상 열교환기로 공급하고, 상기 열원 보상 열교환기와 열교환된 유체가 상기 히트펌프로 회수되는 회수유로를 포함하여, 상기 히트펌프의 전후방이 순환구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 시스템은 상기 열원보상 열교환기와 연결되어 열에너지를 공급하는 축열조를 포함하고 상기 열원보상 열교환기는 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트펌프에서 배출된 유체가 상기 축열조로 공급되되, 상기 히트펌프에서 배출된 유체는 상기 난방 열교환기로 공급되며, 상기 난방 열교환기를 통과한 유체가 상기 축열조로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트펌프에서 배출되는 유체가 상기 난방 열교환기와 상기 열원보상 열교환기로 유량이 분배되는 유량분배밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열 열교환기; 상기 수열 열교환기로부터 열에너지를 가지는 유체가 배출되는 제1유로와 유체가 수열 열교환기로 회수되는 제2유로가 연결되는 히트펌프; 상기 히트펌프에서 생성된 열에너지를 제3유로를 통해 공급받아 열을 저장하고 제4유로를 통해 유체를 히트펌프로 회수하는 축열조; 및 상기 히트펌프와 연결되어 열에너지를 공급받고, 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 열원보상 열교환기를 포함하되, 상기 히트펌프에서 배출되는 유체가 상기 축열조와 상기 열원보상 열교환기로 유량이 분배되는 유량분배 밸브를 포함한다.

또한, 수열 하이브리드 시스템을 이용한 수열 하이브리드 운전방법에 있어서, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 난방 운전방법을 포함하고, 상기 난방 운전방법은, 상기 히트펌프는 상기 제1유로 및 상기 제2유로와 연결된 상기 수열 열교환기로부터 공급받아 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계; 및 상기 히트펌프에서 배출되는 유체는 상기 제3유로를 통해 난방 열교환기와 연결되고, 열을 발산하는 난방 운전 단계를 포함한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 축열 운전방법을 포함하고, 상기 축열 운전방법은, 상기 히트펌프는 상기 수열 열교환기와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계; 및 상기 히트펌프는 상기 제3유로를 통해 유체가 배출되되, 축열조와 연결된 제6유로와 연결되도록 제1축열유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 방열 운전방법을 포함하고, 상기 방열 운전방법은, 상기 축열조에서 유체가 상기 난방 열교환기로 이동되어 열교환되는 방열 운전단계를 포함하되 상기 방열 운전 단계는 축열조는 제3펌프를 포함하는 제6유로를 통해 유체가 배출되며, 상기 제 6유로는 제5유로와 연결되고 상기 제 5유로와 상기 제4유로를 연결하는 회수유로를 통해 유체가 상기 난방 열교환기로 이동되어 열을 발산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방열 운전 단계는 상기 난방 열교환기에서 열교환 이후, 유체는 상기 제3유로를 통해 배출되되, 상기 제3유로와 상기 제5유로를 연결하는 연결유로를 통해 상기 축열조로 회수되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 난방 및 축열 운전방법을 포함하고, 상기 난방 및 축열 운전방법은, 상기 히트펌프는 열에너지를 갖는 유체를 난방 열교환기와 연결된 상기 제3유로를 통해 배출하되, 배출된 유체의 일부 유량을 상기 축열조로 분배되는 바이패스 단계; 상기 난방 열교환기는 제3유로를 통해 열에너지를 공급받아 열을 발산하는 난방단계; 상기 축열조는 바이패스된 유체를 보상유로를 통해 제6유로로 열에너지를 공급받아 열을 축적하는 축열단계; 및 상기 난방단계 이후, 제4유로를 통해 히트펌프로 유체를 회수하는 회수단계;를 포함하되, 상기 회수단계는 상기 축열단계 이후, 축열조에서 열교환된 유체는 제5유로를 통해 배출되며, 제4유로와 연결된 연결유로를 통해 히트펌프로 유체를 회수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 제상 운전방법을 포함하고, 상기 제상 운전방법은, 상기 히트펌프는 상기 수열 열교환기로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계; 상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고, 상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어 유체 순환구조를 형성하는 순환단계; 상기 히트펌프에서 생성된 열에너지를 열원보상 열교환기로 우회하는 우회단계; 및 상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제상 운전방법은 히트펌프에 투입되는 에너지에 의해 증발기 착상이 제거되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 제상 및 난방 운전방법을 포함하고, 상기 제상 및 난방 운전방법은, 상기 수열 열교환기로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계; 상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고, 상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어 유체순환구조를 형성하는 순환단계; 상기 히트펌프에서 발생된 열에너지는 상기 난방 열교환기와 열교환하는 난방운전단계; 열에너지를 상기 열원보상 열교환기에 공급하는 열교환단계; 및 상기 열원보상 열교환기는 제1유로에 열에너지를 공급하는 열원보상단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제상 및 난방 운전방법은 상기 히트펌프에 투입되는 에너지에 의해 증발기 착상이 제거되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환단계는 난방 열교환기에서 배출된 유체는 상기 축열조로부터 열에너지를 공급받는 축열 공급단계를 포함한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 증발기 착상 방지방법을 포함하고, 상기 증발기 착상 방지방법은, 상기 히트펌프는 상기 수열 열교환기와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계; 상기 히트펌프에서 배출되는 유체는 상기 난방 열교환기로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 상기 열원보상 열교환기로 분배되는 바이패스 단계; 및 상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수열 하이브리드 운전방법은 증발기 착상 방지방법을 포함하고, 상기 증발기 착상 방지방법은, 상기 히트펌프가 상기 수열 열교환기와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계; 상기 히트펌프에서 배출되는 유체는 상기 축열조로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 상기 열원보상 열교환기로 분배되는 바이패스 단계; 및 상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여 수열원에서 히트펌프로 공급되는 유체는 히트펌프 또는 축열조에서 열에너지를 공급받아 증발기 착상을 방지 또는 제상할 수 있다.

또한, 히트펌프에서 발생되는 열을 배분하여 난방과 착상 방지 운전을 동시에 가동할 수 있다.

또한, 히트펌프에서 발생되는 열을 배분하여 축열과 착상 방지 운전을 동시에 가동할 수 있다.

또한, 냉난방 운전이 가동되지 않을 경우, 히트펌프에서 발생되는 열을 축열하며, 필요에 따라 열원을 보상할 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 전체 열원 계통도
도 3은 본 발명의 역사이클 제상운전 계통도
도 4는 본 발명의 제상운전 및 난방운전 계통도
도 5는 본 발명의 열원보상 및 난방운전 계통도
도 6은 바이패스를 통한 열원보상 및 난방운전 계통도
도 7은 바이패스를 통한 열원보상 및 축열운전 계통도
도 8은 본 발명의 난방운전 계통도
도 9는 본 발명의 축열운전 계통도
도 10은 본 발명의 방열운전 계통도
도 11은 본 발명의 난방운전 및 축열운전 계통도

기존의 수열 히트펌프는 수열원이 일정 온도 이하로 낮아질 경우, 히트펌프의 증발기에 착상이 발생하여 운전을 중단하는 문제가 발생한다. 또한, 대용량 터보시스템인 수열 히트펌프의 경우 전환밸브의 부재로 냉매 회로의 전환이 어렵고, 압축기의 on/off시 Delay time이 길어 멀티 시스템의 제상 기술을 적용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 수열원의 수온이 낮은 경우, 열원보상 열교환기를 통해 수온을 높여 증발기의 착상을 제거하거나 착상이 발생하는 것을 방지하도록 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 대한 수열 하이브리드 시스템 및 그 운전 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명의 전체 계통도

도 1과 도 2는 본 발명의 수열 하이브리드 시스템 전체 열원 계통도이다. 본 발명의 구성 및 구성간의 관계를 설명하도록 한다. 도 1을 참고하면, 본 발명은 수열원으로부터 수열을 공급받는 수열 열교환기(200), 수열 열교환기(200)와 연결되어 난방 열에너지를 생성하는 히트펌프(100), 히트펌프(100)와 연결되어 난방 열에너지를 발산하는 난방 열교환기(300), 히트펌프(100)와 연결되어 난방 열에너지를 저장하는 축열조(400), 및 열에너지를 공급받아 수열 열교환기(200)에서 히트펌프(100)로 이송되는 배관에 열을 보상하는 열원보상 열교환기(500)를 포함한다.

수열 열교환기(200)는 히트펌프(100)로 수열 열에너지를 이송하는 제1유로(220) 및 히트펌프(100)로부터 유체를 회수 받는 제2유로(230)와 연결된다. 제1유로(220)와 제2유로(230)는 제2유로(230)에 배치된 제1펌프(210)에 의해 유체가 순환된다.

난방 열교환기(300)는 히트펌프(100)에서 난방 열에너지를 공급받는 제3유로(320) 및 난방 열교환기(300)에서 열을 발산한 후 히트펌프(100)로 회수되는 제4유로(330)와 연결된다. 제4유로(330)와 제5유로(420)는 제4유로(330)에 배치된 제2펌프(310)에 의해 유체가 순환된다.

축열조(400)는 열원보상 열교환기(500)에 축열 에너지를 공급하는 제6유로(430) 및 열원보상 열교환기(500)에서 열을 발산 후 축열조(400)로 회수되는 제5유로(420)와 연결된다. 제6유로(430)는 우회유로와 연결되며, 우회유로 내에 배치된 제3펌프(410)에 의해 5유로와 제6유로(430)의 유체가 순환된다.

유체는 유로에 배치된 펌프에 의해 이송방향이 결정되며, 유로 내 배치된 밸브 제어에 의해 목표 지점으로 전달된다.

2를 참고하면, 수열 열교환기에서 히트펌프로 유체가 이송되는 제1유로(220)는 열원을 보상받기 위해 열원보상 열교환기와 연결된다. 제1유로(220)는 제1유로(220)에서 열원보상 열교환기로 유체가 이송되는 유입유로(510) 및 열원보상 열교환기(500)에서 제1유로(220)로 유체가 이송되는 배출유로(520)와 연결되어 열원을 보상받아 히트펌프로 유체가 이송된다.

본 발명은 히트펌프, 난방 열교환기, 축열조, 및 열원보상 열교환기는 열에너지를 교환하기 위해 유로가 연결되어 있다. 본 발명은 제3유로(320)와 제6유로(430)가 연결된 보상유로(610) 및 제1축열유로(620), 제4유로(330)와 제5유로(420)가 연결된 축열배출유로(630), 회수유로(640), 및 연결유로(660), 및 제3유로(320)와 제5유로(420)가 연결된 제2축열유로(650)를 포함한다. 각 유로는 밸브에 의해 제어되며 밸브는 운전 형태에 따라 개폐된다.

[2] 본 발명의 제상 운전 계통도

도 3은 본 발명의 역사이클 제상 운전 계통도이다. 도 3을 참고하면, 수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열 열교환기(200), 수열 열교환기(200)로부터 열에너지를 가지는 유체가 배출되는 제1유로(220)와 유체가 수열 열교환기(200)로 회수되는 제2유로(230)가 연결되는 히트펌프(100), 및 히트펌프(100)로부터 유체가 배출되는 제3유로(320)와 유체가 히트펌프(100)로 회수되는 제4유로(330)가 연결되어 열을 발산하는 난방 열교환기(300)를 포함하는 수열 하이브리드 시스템에 있어서, 제3유로(320)와 연결되어 유체를 우회시키는 보상유로(610), 및 보상유로(610)와 연결되어 열에너지를 가진 유체를 공급받고, 제1유로(220)와 연결되어 제1유로(220)에 열에너지를 발산하는 열원보상 열교환기(500)를 포함한다.

수열 열교환기(200)는 제1유로(220)에 배치된 2방밸브(2W02)와 제2유로(230)에 배치된 2방밸브(2W01)에 의해 히트펌프(100)와 연결이 차단되고, 제1유로(220)와 제2유로(230)는 2방밸브(2W03)가 개방되어 순환유로(240)에 의해 연결된다. 제1유로(220)는 3방밸브(3W01)에 의해 유입유로(510)로 우회되며, 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받은 후, 배출유로(520)를 통해 다시 제1유로(220)로 복귀된다.

이로 인해 제1유로(220) - 열원보상 열교환기(500) - 히트펌프(100) - 제2유로(230) - 순환유로(240) - 제1유로(220)의 순환구조를 형성한다. 히트펌프(100)의 증발기가 낮은 수열원으로 인해 착상된 경우, 수열원 공급을 차단하고 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받아 착상을 제거하는 효과가 있다.

히트펌프(100)의 압축기와 연결된 유로는 제4유로(330)에 배치된 제2펌프(310)에 의해 순환된다. 히트펌프(100)의 압축기에서 배출된 유체는 제3유로(320)를 통해 배출되되, 제3유로(320)에 배치된 3방밸브(3W02)에 의해 보상유로(610) 이송된다. 보상유로(610)는 제6유로(430)와 연결되고 제6유로(430)와 연결된 열원보상 열교환기(500)로 열에너지가 공급된다. 열교환된 유체는 제5유로(420)를 통해 배출되며, 제5유로(420)에 배치된 3방밸브(3W06)에 의해 회수유로(640)로 이송된다. 회수유로(640)는 제4유로(330)와 연결되고, 제4유로(330)는 히트펌프(100)로 회수된다.

즉, 제3유로(320)와 제6유로(430)를 연결하는 보상유로(610)는 히트펌프(100)에서 생성된 난방에너지를 열원보상 열교환기(500)로 공급하고, 열원보상 열교환기(500)와 열교환된 유체를 히트펌프(100)로 회수하는 회수유로(640)를 포함하여, 히트펌프(100)의 전후방이 순환구조를 형성한다.

도 4는 본 발명의 제상 운전 및 난방 운전 계통도이다. 도 4를 참고하면, 수열 하이브리드 시스템은 제상과 난방을 동시에 운전한다. 히트펌프(100)의 증발기에 발생된 착상을 제거하기 위해 제1유로(220)의 유체는 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받아 히트펌프(100)로 이송된다. 더 자세하게 설명하면, 수열 열교환기(200)는 제1유로(220)에 배치된 2방밸브(2W02)와 제2유로(230)에 배치된 2방밸브(2W01)에 의해 히트펌프(100)와 연결이 차단되고, 제1유로(220)와 제2유로(230)는 2방밸브(2W03)가 개방되어 순환유로(240)에 의해 연결된다. 제1유로(220)의 유체는 3방밸브(3W01)에 의해 유입유로(510)로 우회되며, 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받은 후, 배출유로(520)를 통해 다시 제1유로(220)로 복귀된다. 열에너지를 얻은 유체는 히트펌프(100)에 이송되어 증발기에 발생된 착상을 제거한다.

히트펌프(100)에서 배출된 유체가 축열조(400)로 공급되되, 히트펌프(100)에서 배출된 유체는 난방 열교환기(300)로 공급되며, 난방 열교환기(300)를 통과한 유체가 상기 축열조(400)로 공급되는 것을 특징으로 한다.

제상 운전 및 난방 운전 시, 열원보상 열교환기(500)가 열에너지를 얻는 과정을 설명하도록 한다. 히트펌프(100)는 제3유로(320)를 통해 난방 열교환기(300)로 열에너지를 가진 유체를 공급하며, 열교환이 끝난 유체는 제4유로(330)로 이송된다. 유체는 제4유로(330)와 제5유로(420)를 연결하는 연결유로(660)를 통해 축열조(400)로 이송된다. 이때, 유체는 제4유로(330)에 배치된 2방밸브(2W07)의 폐쇄와 제5유로(420)에 배치된 3방유로(3W07)에 의해 축열조(400)로 이송된다. 이후 유체는 축열조(400)로부터 열에너지를 공급받아 제6유로(430)로 배출되며, 열원보상 열교환기(500)로 이송되어 제1유로(220)에 열에너지를 발산한다. 열교환된 유체는 제5유로(420)를 통해 배출되되 3방밸브(3W06)에 의해 회수유로(640)로 우회되어 제4유로(330)와 연결되고 히트펌프(100)로 회수된다.

제상 운전은 에너지 밸런스로 보면 축열조(400)의 열에너지가 난방 열교환기(300)에서 발산되는 것으로, 히트펌프(100)의 압축기 투입에너지를 이용하여 증발기를 제상하는 것을 특징으로 한다.

수열 하이브리드 시스템을 이용한 제상 운전방법을 단계별로 설명하도록 한다. 자세한 설명은 위 설명한 바와 동일하여 생략하도록 한다.

도 3을 참고하면, 역사이클 제상운전의 제상 운전방법을 설명한다. 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계, 순환유로(240)가 개방되어 유체 순환구조를 형성하는 순환단계, 히트펌프(100)에서 생성된 열에너지를 열원보상 열교환기(500)로 우회하는 우회단계, 및 열원보상 열교환기(500)는 제1유로(220)와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함한다.

도 4를 참고하면, 제상 및 난방 운전의 제상 운전방법을 설명한다. 수열 열교환기(200)로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계, 순환유로(240)가 개방되어 유체순환구조를 형성하는 순환단계, 히트펌프(100)에서 발생된 열에너지는 난방 열교환기(300)와 열교환하는 난방운전단계, 열에너지를 열원보상 열교환기(500)에 공급하는 열교환단계, 및 열원보상 열교환기(500)는 제1유로(220)에 열에너지를 공급하는 열원보상단계를 포함한다.

[3] 본 발명의 착상 방지운전 계통도

본 발명은 수열원으로부터 지속적인 열에너지를 공급받되, 히트펌프로 유입되는 수온을 보상하여 착상 생성을 방지하는 수열 하이브리드 시스템을 구성한다. 도 5는 본 발명의 열원보상 및 난방 운전 계통도이다. 도 5를 참고하면, 유체는 제2유로(230)에 배치된 제1펌프(210)에 의해 순환된다. 제1유로(220)의 유체는 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받아 히트펌프(100)로 이송된다. 더 자세하게 설명하면, 제1유로(220)의 유체는 3방밸브(3W01)에 의해 유입유로(510)로 우회되며, 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받은 후, 배출유로(520)를 통해 다시 제1유로(220)로 복귀된다. 이로 인해 히트펌프(100)는 상시 착상이 발생되는 온도 이상의 유체를 공급받아 착상 발생을 방지한다.

열원보상 및 난방 운전의 히트펌프(100)는 수열원 및 열원보상 열교환기(500)로부터 공급받은 열을 제3유로(320)와 제4유로(330)를 통해 난방 열교환기(300)로 공급하여 난방 운전이 실시된다. 유체는 제4유로(330)에 배치된 제2펌프(310)에 의해 순환된다. 열원보상 열교환기(500)는 축열조(400)로부터 열을 공급받아 제1유로(220)의 열원을 보상하는 것을 특징으로 한다. 축열조(400)는 제6유로(430)를 통해 열원보상 열교환기(500)로 유체가 이송되되, 제6유로(430)는 우회유로와 연결되어 제3펌프(410)에 의해 순환되는 것을 특징으로 한다.

도 6은 바이패스를 통한 열원보상 및 난방 운전 계통도이다. 도 6을 참고하면, 히트펌프(100)에서 배출되는 유체가 난방열교환기와 열원보상 열교환기(500)로 유량이 분배되는 유량분배밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 유체는 수열 열교환기(200)로부터 배출되되, 제1유로(220)의 유체는 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받아 히트펌프(100)로 이송된다. 이로 인해 히트펌프(100)는 상시 착상이 발생되는 온도 이상의 유체를 공급받아 착상 발생을 방지한다.

히트펌프(100)는 열에너지를 가진 유체를 제3유로(320)를 통해 배출하되, 제3유로(320)에 배치된 3방밸브(3W02)에 의해 유량이 난방 열교환기(300)와 보상유로(610)로 분배된다. 난방 열교환기(300)로 분배된 유체는 난방 열교환 이후 제4유로(330)를 통회 회수된다. 보상유로(610)로 분배된 유체는 제6유로(430)를 통해 열원보상 열교환기(500)로 이송된다. 열원보상 열교환 이후, 유체는 제5유로(420)로 배출되며, 제5유로(420)에 배치된 3방밸브(3W06)에 의해 회수유로(640)를 따라 이송되고 제4유로(330)로 회수된다.

바이패스를 통한 열원보상 및 난방 운전은 축열조(400)의 열을 이용하는 것과 달리 히트펌프(100)에서 생성된 열에너지로 열원 보상과 난방을 동시에 운전하는 것을 특징으로 하며, 유량분배는 수열 열교환기(200)에서 공급되는 수온을 측정하여 유량이 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수열 하이브리드 시스템은 밸브제어를 통해 축열이 가능한 시스템을 제공한다. 도 7은 바이패스를 통한 열원보상 및 축열 운전 계통도이다. 도 7을 참고하면, 히트펌프(100)에서 배출되는 유체가 축열조(400)와 열원보상 열교환기(500)로 유량이 분배되는 유량분배밸브(3W02)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 유체는 수열 열교환기(200)로부터 배출되되, 제1유로(220)의 유체는 열원보상 열교환기(500)로부터 열에너지를 공급받아 히트펌프(100)로 이송된다. 이로 인해 히트펌프(100)는 상시 착상이 발생되는 온도 이상의 유체를 공급받아 착상 발생을 방지한다.

히트펌프(100)는 열에너지를 가진 유체를 제3유로(320)를 통해 배출하되, 제3유로(320)에 배치된 3방밸브(3W02)에 의해 유량이 난방 열교환기(300) 방향과 보상유로(610)로 분배된다. 보상유로(610)로 분배된 유량은 보상유로(610)로 분배된 유체는 제6유로(430)를 통해 열원보상 열교환기(500)로 이송된다. 열원보상 열교환 이후, 유체는 제5유로(420)로 배출되며, 제5유로(420)에 배치된 3방밸브(3W06)에 의해 보상유로(610)를 따라 이송되고 제4유로(330)로 회수된다. 난방 열교환기(300) 방향으로 이송되는 유체는 제3유로(320)에 배치된 3방밸브(3W03)에 의해 제1축열유로(620)로 이송된다. 제1축열유로(620)는 제6유로(430)를 통해 축열조(400)로 이송된다. 축열 열교환 이후, 제5유로(420)를 통해 배출된 유체는 3방밸브(3W07)에 의해 연결유로(660)를 따라 제4유로(330)로 회수된다. 이때, 제6유로(430)는 보상유로(610)와 연결된 연결부와 제1축열유로(620)와 연결된 연결부 사이에 배치된 2방밸브(2W04)의 폐쇄로 인해 보상유로(610)와 제1축열유로(620)로 공급되는 유체가 혼합되지 않는다.

수열 하이브리드 시스템을 이용한 증발기 착상 방지방법을 단계별로 설명하도록 한다. 자세한 설명은 위 설명한 바와 동일하여 생략하도록 한다.

도 5를 참고하면, 열원보상 및 난방운전의 증발기 착상 방지방법을 설명한다. 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계, 히트펌프(100)에서 배출되는 유체는 난방 열교환기(300)로 전달되되, 축열조(400)에서 열원보상 열교환기(500)로 열에너지를 전달하는 축열공급단계, 및 열원보상 열교환기(500)는 제1유로(220)와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함한다.

도 6을 참고하여 바이패스를 통한 열원보상 및 난방운전의 증발기 착상 방지방법을 설명한다. 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계, 히트펌프(100)에서 배출되는 유체는 난방 열교환기(300)로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 열원보상 열교환기(500)로 분배되는 바이패스 단계 및 열원보상 열교환기(500)는 제1유로(220)와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함한다.

도 7을 참고하여 바이패스를 통한 열원보상 및 축열운전의 증발기 착상 방지방법을 설명한다. 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계, 히트펌프(100)에서 배출되는 유체는 축열조(400)로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 열원보상 열교환기(500)로 분배되는 바이패스 단계, 및 열원보상 열교환기(500)는 제1유로(220)와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함한다.

상기 기재된 제상 운전방법, 제상 및 난방 운전방법, 및 증발기 착상 방지방법은 동일한 수열 하이브리드 시스템을 내에서 밸브 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

[4] 본 발명의 난방, 축열, 방열 계통도

본 발명은 열원보상이 이루어지지 않은 상태의 운전을 제공한다. 본 발명은 난방 운전에 한정하지 않으며, 유로 변경을 통해 냉방운전 또한 가능하다.

도 8은 본 발명의 난방 운전 계통도이다. 도 8을 참고하면, 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계 및 히트펌프(100)에서 배출되는 유체는 제3유로(320)를 통해 난방 열교환기(300)와 연결되고, 열을 발산하는 난방 운전 단계를 포함하는 난방 운전방법을 포함한다.

도 9는 본 발명의 축열 운전 계통도이다. 도 9를 참고하면, 히트펌프(100)는 수열 열교환기(200)와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계 및 히트펌프(100)는 제3유로(320)를 통해 유체가 배출되되, 축열조(400)와 연결된 제6유로(430)와 연결되도록 제1축열유로(620)를 포함하는 축열 운전단계를 포함하는 축열 운전방법을 포함한다.

도 10은 본 발명의 방열 운전 계통도이다. 도 10을 참고하면, 축열조(400)에서 열에너지를 가진 유체가 난방 열교환기(300)로 이동되어 열교환되는 방열 운전단계를 포함하되, 방열 운전 단계는 축열조(400)는 제3펌프(410)를 포함하는 제6유로(430)를 통해 유체가 배출되며, 제6유로(430)는 제5유로(420)와 연결되고 제 5유로와 제4유로(330)를 연결하는 회수유로(640)를 통해 난방 열교환기(300)로 이동되는 방열 운전방법을 포함한다.

방열 운전방법은 난방 열교환기(300)에서 열교환 이후, 유체는 제3유로(320)를 통해 배출되되, 제3유로(320)와 제5유로(420)를 연결하는 연결유로(660)를 통해 축열조(400)로 회수되는 것을 특징으로 한다.

도 11은 본 발명의 난방 운전 및 축열 운전 계통도이다. 도 11을 참고하면, 히트펌프(100)는 열에너지를 갖는 유체를 난방 열교환기(300)와 연결된 제3유로(320)를 통해 배출하되, 배출된 유체의 일부 유량을 축열조로 분배되는 바이패스 단계, 난방 열교환기(300)는 제3유로(320)를 통해 열에너지를 공급받아 열을 발산하는 난방단계, 축열조(400)는 바이 패스된 유체를 보상유로(610)를 통해 제6유로(430)로 열에너지를 공급받아 열을 축적하는 축열단계, 및 난방 단계 이후, 제4유로(330)를 통해 히트펌프(100)로 유체를 회수하는 회수단계를 포함하되, 회수단계는 축열단계 이후, 축열조(400)에서 열교환된 유체는 제5유로(420)를 통해 배출되며, 제4유로(330)와 연결된 연결유로(660)를 통해 히트펌프(100)로 유체를 회수하는 것을 특징으로 하는 난방 및 축열 운전방법을 포함한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 히트펌프
200 : 수열 열교환기
210 : 제1펌프 220 : 제1유로 230 : 제2유로
240 : 순환유로
300 : 난방 열교환기
310 : 제2펌프 320 : 제3유로 330 : 제4유로
400 : 축열조
410 : 제3펌프 420 : 제5유로 430 : 제6유로
500 : 열원보상 열교환기
510 : 유입유로 520 : 배출유로
610 : 보상유로 620 : 제1축열유로 630 : 축열배출유로
640 : 회수유로 650 : 제2축열유로 660 : 연결유로

Claims

수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열 열교환기;
상기 수열 열교환기에서 열에너지를 가지는 유체가 유입되는 제1유로와 상기 수열 열교환기로 유체를 배출하는 제2유로가 연결되는 히트펌프; 및
상기 히트펌프로부터 유체가 유입되는 제3유로와 상기 히트펌프로 유체를 배출하는 제4유로가 연결되어 열을 발산하는 난방 열교환기;를 포함하는 수열 하이브리드 시스템에 있어서,
상기 제3유로와 연결되어 유체를 우회시키는 보상유로, 및
상기 보상유로와 연결되어 열에너지를 가진 유체를 공급받고, 상기 제1유로와 연결되어 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 열원보상 열교환기를 포함하는, 수열 하이브리드 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고,
상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어
제1유로 - 열원보상 열교환기 - 히트펌프 - 제2유로 - 순환유로 - 제1유로의 순환구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템
제2항에 있어서,
상기 보상유로는 상기 히트펌프에서 생성된 난방에너지를 상기 열원보상 열교환기로 공급하고,
상기 열원 보상 열교환기와 열교환된 유체가 상기 히트펌프로 회수되는 회수유로를 포함하여, 상기 히트펌프의 전후방이 순환구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 수열 하이브리드 시스템은
상기 열원보상 열교환기와 연결되어 열에너지를 공급하는 축열조를 포함하고
상기 열원보상 열교환기는 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 히트펌프에서 배출된 유체가 상기 축열조로 공급되되,
상기 히트펌프에서 배출된 유체는 상기 난방 열교환기로 공급되며,
상기 난방 열교환기를 통과한 유체가 상기 축열조로 공급되는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 히트펌프에서 배출되는 유체가 상기 난방 열교환기와 상기 열원보상 열교환기로 유량이 분배되는 유량분배밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템.
수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열 열교환기;
상기 수열 열교환기로부터 열에너지를 가지는 유체가 배출되는 제1유로와 유체가 수열 열교환기로 회수되는 제2유로가 연결되는 히트펌프;
상기 히트펌프에서 생성된 열에너지를 제3유로를 통해 공급받아 열을 저장하고 제4유로를 통해 유체를 히트펌프로 회수하는 축열조; 및
상기 히트펌프와 연결되어 열에너지를 공급받고, 상기 제1유로에 열에너지를 발산하는 열원보상 열교환기를 포함하되,
상기 히트펌프에서 배출되는 유체가 상기 축열조와 상기 열원보상 열교환기로 유량이 분배되는 유량분배 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열 하이브리드 시스템.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 수열 하이브리드 시스템을 이용한 수열 하이브리드 운전방법에 있어서,
상기 수열 하이브리드 운전방법은 난방 및 축열 운전방법을 포함하고,
상기 난방 및 축열 운전방법은,
상기 히트펌프는 열에너지를 갖는 유체를 난방 열교환기와 연결된 상기 제3유로를 통해 배출하되,
배출된 유체의 일부 유량을 축열조로 분배되는 바이패스 단계;
상기 난방 열교환기는 제3유로를 통해 열에너지를 공급받아 열을 발산하는 난방단계;
상기 축열조는 바이패스된 유체를 보상유로를 통해 제6유로로 열에너지를 공급받아 열을 축적하는 축열단계; 및
상기 난방단계 이후, 제4유로를 통해 히트펌프로 유체를 회수하는 회수단계;를 포함하되,
상기 회수단계는
상기 축열단계 이후, 축열조에서 열교환된 유체는 제5유로를 통해 배출되며, 제4유로와 연결된 연결유로를 통해 히트펌프로 유체를 회수하는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 8항에 있어서,
상기 수열 하이브리드 운전방법은 제상 운전방법을 포함하고,
상기 제상 운전방법은,
상기 히트펌프는 상기 수열 열교환기로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계;
상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고,
상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어 유체 순환구조를 형성하는 순환단계;
상기 히트펌프에서 생성된 열에너지를 열원보상 열교환기로 우회하는 우회단계; 및
상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 9항에 있어서,
상기 제상 운전방법은 히트펌프에 투입되는 에너지에 의해 증발기 착상이 제거되는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 8항에 있어서,
상기 수열 하이브리드 운전방법은 제상 및 난방 운전방법을 포함하고,
상기 제상 및 난방 운전방법은,
상기 수열 열교환기로부터 수열에너지 공급을 차단하는 수열에너지 차단단계;
상기 수열 열교환기는 밸브에 의해 상기 히트펌프와 연결이 차단되고,
상기 제1유로와 상기 제2유로가 연결되는 순환유로가 개방되어 유체순환구조를 형성하는 순환단계;
상기 히트펌프에서 발생된 열에너지는 상기 난방 열교환기와 열교환하는 난방운전단계;
열에너지를 상기 열원보상 열교환기에 공급하는 열교환단계; 및
상기 열원보상 열교환기는 제1유로에 열에너지를 공급하는 열원보상단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 11항에 있어서,
상기 제상 및 난방 운전방법은 상기 히트펌프에 투입되는 에너지에 의해 증발기 착상이 제거되는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제11항에 있어서,
상기 열교환단계는 난방 열교환기에서 배출된 유체는 상기 축열조로부터 열에너지를 공급받는 축열 공급단계를 포함하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 8항에 있어서,
상기 수열 하이브리드 운전방법은 증발기 착상 방지방법을 포함하고,
상기 증발기 착상 방지방법은,
상기 히트펌프는 상기 수열 열교환기와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계;
상기 히트펌프에서 배출되는 유체는 상기 난방 열교환기로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 상기 열원보상 열교환기로 분배되는 바이패스 단계; 및
상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.
제 8항에 있어서,
상기 수열 하이브리드 운전방법은 증발기 착상 방지방법을 포함하고,
상기 증발기 착상 방지방법은,
상기 히트펌프가 상기 수열 열교환기와 연결되어 열에너지를 생성하는 열에너지 생성단계;
상기 히트펌프에서 배출되는 유체는 상기 축열조로 전달되되, 배출된 유체의 일부 유량을 상기 열원보상 열교환기로 분배되는 바이패스 단계; 및
상기 열원보상 열교환기는 제1유로와 연결되어 열에너지를 발산하는 열원보상단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수열 하이브리드 운전방법.