KR20240013558A - 하이브리드 멀티 공조 시스템 - Google Patents

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KR20240013558A
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김예진
조은준
최우주
류지형
양동근
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 하이브리드 멀티 공조 시스템에 관한 것으로, 냉매와 물탱크 내측에 수용된 물을 열교환시키기 위한 급탕 열교환기 및 상기 급탕 열교환기로부터 응축된 상기 냉매를 차단하거나 유동시키는 제1 급탕팽창밸브를 포함하는 급탕 유닛과, 실내에 설치되며, 실내열교환기 및 실내팽창밸브를 포함하는 적어도 하나의 실내기와, 상기 실내기 및 상기 급탕 유닛과 냉매배관을 통해 연결되며, 실외열교환기, 압축기 및 실외팽창밸브를 포함하는 실외기, 일측이 상기 급탕 열교환기와 실내 열교환기를 연결하는 제1 급탕토출배관에서 분지되어, 타측이 상기 압축기와 실외열교환기를 연결하는 제1 토출배관으로 합류되는 제2 급탕토출배관 상기 제2 급탕토출배관 상에 설치되는 제2 급탕팽창밸브를 포함한다.

Description

하이브리드 멀티 공조 시스템 {Hybrid multi-air conditioning system}
본 발명은 하이브리드 멀티 공조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물탱크 열교환기를 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉방과 급탕 동시 운전이 가능한 하이브리드 시스템은 물탱크 사용 시, 하이드로-키트(Hydro-kit)와 같은 판형열교환기를 사용하여 1차로 공기측 사이클과 냉매-물 열교환하고, 하이드로키트와 물탱크 사이에서 2차로 물-물 열교환을 수행한다.
하이드로 키트를 사용하는 급탕 시스템은 사용자가 사용하는 물이 냉매와 직접적으로 열교환하지 못하도록 법적 규제가 있는 지역에서 많이 사용되며, 물탱크에서 직접적으로 냉매-물 열교환하는 방식대비 재료비 증가, 설치면적 증가, 2차 열교환에 의한 열교환 효율 저하 등의 단점이 존재한다.
종래기술로서, 한국특허공개 10-2010-0023877호는 히트 펌프식 급탕 장치를 개시하면서, 냉매를 응축함으로써 냉매로부터의 열을 방열하는 방열 열교환기를 갖는 열원측 히트 펌프 유닛을 구비한다. 또, 급탕 장치는 물을 저류한 물탱크, 이 물탱크 내에 외부로부터의 물을 공급하는 물공급 배관, 물 탱크의 저부와 상부에 연통하여, 물탱크 내 저부의 물을 물탱크의 상부에 바이패스 상태로 순환시키는 물순환 배관, 이 물순환 배관의 도중에 있어 열원측 히트 펌프 유닛의 방열 열교환기에 대해서 흡열 가능하게 공급된 흡열 열교환기, 물탱크 상부의 온수를 외부에 급탕하는 급탕 배관으로 이루어지는 급탕 유닛을 구비한다.
또한, 종래기술로서, 하이드로-키트를 사용하는 경우, 냉방 및 급탕 운전 시 압축기가 가동하여 고압기상이 된 냉매는 일부 사방변을 통과하여 실외기로 보내지고 일부는 물탱크 솔밸브를 통과하여 하이드로-키트로 보내진다. 실외기(응축기)로 보내진 고압냉매는 실외공기와 열교환하여 액상으로 응축 후, 팽창밸브를 통과하여 실내기 측에 보내진다.
한편, 하이드로-키트 측으로 보내진 냉매는 물탱크의 저온의 물과 열교환하여 응축된 후 팽창밸브를 통과한 후 실외기 측에서 온 냉매와 합쳐진다. 이때 하이드로-키트에 주입되는 물은 물펌프로 유량 조절하여 열교환량을 조절한다. 하이드로-키트 및 실외기에서 응축된 냉매는 실내기 밸브에서 합쳐진 후, 이를 통과하여 저압냉매로 실내기에 진입 후 실내와 열교환하여 압축기로 복귀한다.
종래기술과 같이 하이드로-키트를 사용 시, 물 유량으로 냉매측 응축열량을 조절할 수 있다. 하지만 만약 냉매측 응축 열교환기가 바로 물탱크에 감겨있을 경우, 물탱크 내부 물 온도 및 사용자 물 사용량에 따라 응축열량이 달라지기 때문에 물탱크 응축기의 제어 포인트가 달라지게 된다.
이는 일반 에어컨의 실외온도/실내온도에 따라 적정 냉매충전량 및 과냉도가 달라지는 것과 같은 것으로, 응축기에 리시버가 부착되면 온도조건에 따라 냉매 과봉입 또는 냉매부족 현상이 발생하지 않으므로 냉매 충전량을 변경하면서 응축기 과냉도 제어를 좀 더 용이하게 할 수 있다.
또한, 응축기에 리시버를 설치하면, 증발기로 저압 액상 냉매만 보내주게 되어 냉방 운전 시에 실내기의 팽창밸브로 급격한 저압 저하를 방지할 수 있게 된다.
급탕과 냉방 운전이 동시 가능한 하이브리드 시스템의 경우, 응축기로 물탱크와 실외기 측의 열교환기가 작동하여 2개로 나눠져, 물탱크 출구와 실외기 출구에 각각 팽창밸브가 설치되고, 실내기측 팽창밸브로 냉매를 보내게 된다. 각 응축기에서 토출된 냉매는 고압에서 저압으로 변경되기까지 두개의 팽창밸브를 통과해야 하는데, 팽창밸브의 개도가 너무 작으면 과도한 압력 손실이 발생하여 팽창밸브에 이상 냉매가 진입한다.
팽창 밸브에 이상 냉매가 진입하는 경우, 증발기의 증발온도가 크게 저하되며, 증발온도 저하는 사이클 헌팅 및 제한제어 돌입의 위험이 있다.
또한, 이를 방지하기 위해 리시버를 설치하면, 응축기의 팽창밸브에서 이상 냉매가 토출됨에도 리시버에 냉매 축적되어 액상 냉매만 증발기 측으로 보내주기 때문에 급격한 증발온도의 저하를 방지할 수 있으나, 리시버 자체가 공간을 차지하고, 재료비 및 설치비가 증가하여 비용의 부담이 있다.
또한, 종래의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 경우, 물탱크측 응축온도 상승으로 인한 압축기 훼손 및 압축기주파수 저감으로 인한 냉방능력 저하의 문제가 있었다.
또, 물탱크측 과냉도 확보가 안되어 실내기측으로 액상냉매가 아닌 이상냉매 유입되면서, 냉방능력 부족 및 저압 과다하강이 발생하는 문제도 있었다.
한국특허공개 10-2010-0023877호 (공개일 : 2010년 03월 04일)
본 발명의 제1 과제는 물탱크 가열을 위한 열교환기와, 실외기용 열교환기를 직렬로 배치하여, 토출 과열도 구간의 냉매유량이 증가하여 급탕 성능이 확보될 수 있는 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 과제는 실외기용 열교환기의 과냉도 확보되어 더 안정적으로 사이클 구현이 가능하고 응축온도를 낮출 수도 있는 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3 과제는 물탱크용 열교환기만을 응축기로 동작하거나, 실외기용 열교환기만을 응축기로 동작할 수 있는 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제4 과제는 물탱크가 직접적으로 냉매-물 열교환하여 1차적으로 열교환 가능한 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제5 과제는 별도의 리시버 설치 없이 제1 급탕팽창밸브와 실외팽창밸브의 개도를 조절하여 최적의 과냉도를 제어하여 이상 냉매의 유입을 방지할 수 있는 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제6 과제는 급탕과 냉방 동시 운전은 물론, 급탕과 난방 운전 가능한 하이브리드 멀티 공조 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하이브리드 멀티 공조 시스템은 냉매와 물탱크 내측에 수용된 물을 열교환시키기 위한 급탕 열교환기 및 상기 급탕 열교환기로부터 응축된 상기 냉매를 차단하거나 유동시키는 제1 급탕팽창밸브를 포함하는 급탕 유닛과, 실내에 설치되며, 실내열교환기 및 실내팽창밸브를 포함하는 적어도 하나의 실내기와, 상기 실내기 및 상기 급탕 유닛과 냉매배관을 통해 연결되며, 실외열교환기, 압축기 및 실외팽창밸브를 포함하는 실외기를 포함한다.
또한, 일측이 상기 급탕 열교환기와 실내 열교환기를 연결하는 제1 급탕토출배관에서 분지되어, 타측이 상기 압축기와 실외열교환기를 연결하는 제1 토출배관으로 합류되는 제2 급탕토출배관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 급탕토출배관 상에 설치되는 제2 급탕팽창밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 물탱크의 물 온도를 감지하도록 설치되는 제1 온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기의 후단에 설치되는 제2 온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기의 후단에 설치되는 제1 압력센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 급탕 열교환기는 상기 물탱크의 외벽을 코일 형태로 감으며 내부로 상기 냉매를 유동하면서 상기 냉매와 물을 열교환할 수 있다.
또한, 상기 실외기는 상기 압축기로부터 상기 급탕 유닛으로 압축된 냉매를 흘리는 급탕 밸브, 및 상기 압축기로부터 상기 실외 열교환기 또는 실내 열교환기로 압축된 냉매를 흘리는 토출밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 토출밸브를 통과한 냉매를 상기 실외 열교환기로 전달하거나 상기 실내 열교환기로 전달하는 사방 밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 실내열교환기는 복수 구비되고, 각각의 실내열교환기는 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 급탕토출배관에는, 상기 제2 급탕토출배관의 분지점 보다 후단에 제1 급탕팽창밸브가 설치될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 급탕열교환기 또는 실외열교환기 중 어느 하나만 응축기로 동작하거나, 상기 급탕열교환기와 실외열교환기가 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 제1 급탕팽창밸브와 제2 급탕팽창밸브 중 어느 하나는 개방되고 나머지 하나는 차단될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 제1 급탕팽창밸브는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브는 차단될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 급탕 열교환기만 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 제2 급탕팽창밸브는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브는 차단될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 급탕 열교환기와 상기 실외 열교환기는 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 제2 급탕팽창밸브는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브는 차단될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 급탕 열교환기와 상기 실외 열교환기는 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높더라도, 상기 압축기의 토출 과열도에 따라 상기 제1 급탕팽창밸브가 개방되거나, 상기 제2 급탕팽창밸브가 개방될 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 실외열교환기만 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 물 탱크는 별도의 히터로 가열될 수 있다.
상기 해결 수단을 통해, 본 발명은 물탱크 가열을 위한 열교환기와, 실외기용 열교환기를 직렬로 배치하여, 토출 과열도 구간의 냉매유량이 증가함에 따라 급탕성능이 확보될 수 있는 이점이 있다.
또한, 실외기용 열교환기의 경우에는 과냉도 확보되어 더 안정적으로 사이클 구현이 가능하고 응축온도를 낮출 수도 있는 이점도 있다.
또한, 물탱크용 열교환기만을 응축기로 동작하거나, 실외기용 열교환기만을 응축기로 동작할 수 있는 이점도 있다.
또한, 물탱크용 열교환기와 실외기용 열교환기가 동시에 응축기로 동작할 수 있는 이점도 있다.
즉, 본 발명의 경우, 각 상황에 따라 응축기를 선택해서 동작할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 경우, 냉방 및 급탕 운전 시, 냉방부하 및 물온도가 높을 경우 물탱크측 열교환기와 실외기측 열교환기를 직렬 배치하여 동시에 응축기로 사용 가능하고, 냉방부하 및 물온도 낮을 경우 물탱크 측 열교환기만 응축기로 사용하여 폐열회수 효율을 더 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 냉방 및 급탕 운전 시, 응축온도가 저하되어 냉방성능 및 급탕 효율이 상승되고, 압축기 훼손방지에 유리하며, 저부하 조건 또는 물탱크의 물온도가 낮은 조건에서 폐열회수율 및 급탕효율 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 물탱크에 냉매-물 열교환 가능한 코일을 감아 직접적으로 냉매와 물의 열교환이 이루어져 열교환 효율이 향상되는 이점도 있다.
또한, 별도의 리시버 설치 없이 제1 급탕팽창밸브와 실외팽창밸브의 개도를 조절하여 최적의 과냉도를 제어하여 이상 냉매의 유입을 방지할 수 있는 이점도 있다.
또한, 급탕과 냉방 동시 운전은 물론, 급탕과 난방 운전 가능한 이점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 상세 구성도이다.
도 3은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 단독 운전 시의 동작도이다.
도 4는 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 난방 단독 운전 시의 동작도이다.
도 5는 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 급탕 단독 운전 시의 동작도이다.
도 6은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 난방 및 급탕 운전 시의 동작도이다.
도 7은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 및 급탕 운전 시의 동작도이다.
도 8은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 및 급탕 운전 시, 급탕열교환기만 응축기로 동작하는 상황의 동작도이다.
도 9는 도 1의 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 구성도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부도면은 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다름과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 상세 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)은 급탕 유닛(30), 적어도 하나의 냉난방 겸용 실내기들(20) 및 냉난방 겸용 실외기(10)를 포함한다.
급탕 유닛(30)은 급탕용의 물을 저장한 상태로 상하방향으로 길이가 긴 물탱크(31), 상기 물탱크(31)의 저부에 외부로부터의 물을 공급하고 가열된 물을 사익 물탱크(310)의 상부를 통해 외부로 배출하는 물순환 배관(도시하지 않음), 상기 물탱크(31)의 외부에 부착되어 방열 가능하게 결합되는 급탕 열교환기(32)로 이루어진다.
이때, 상기 물탱크(31)와 급탕 열교환기(32) 사이의 열교환은 급탕 열교환기(32)를 흐르는 냉매와 물탱크(31) 내부의 물 사이의 열교환에 의해 이루어지며 급탕 열교환기(32)는 방열 기능을 수행하는 응축기로서 동작한다.
이러한 급탕 열교환기(32)는 냉매가 유동하는 배관이 물탱크(31) 외벽을 코일 형태로 직접 감아 접촉 면적을 늘림으로써 열교환할 수 있으며, 실외기(10)의 제2 토출배관(42)과 연결되는 급탕입력배관(34) 및 물탱크(31)와 열교환 후 응축된 액상 냉매를 흘리는 제1 급탕토출배관(35)이 설치되어 있다.
제1 급탕토출배관(35)은 실내기(20), 실외기(10), 급탕 유닛(10)을 연결하는 제1 노드(n1)와 연결되어 있으며, 급탕 열교환기(32)의 제1 급탕토출배관(35)에는 제1 급탕팽창밸브(33)가 배치될 수 있다.
급탕 열교환기(32)의 토출부에 형성되는 제1 급탕팽창밸브(33)는 전자 팽창 밸브일 수 있으며, 급탕 열교환기(32)의 배관을 흐르는 냉매의 유량을 조절하며, 응축된 냉매를 실외기(10) 또는 실내기(20)로 흘린다.
이와 같이 별도의 하이드로 키트 없이 직접 물탱크(31) 내부의 물과 냉매 사이의 열교환이 이루어짐으로써 부가적인 부품을 필요로 하지 않고 복수회에 걸쳐 열교환이 이루어지지 않고 직접적으로 열교환이 이루어져 열교환 효율이 향상될 수 있다.
한편, 냉난방 겸용 실외기(10)는 압축기(13), 실외열교환기(11), 실외열교환기팬(12) 및 절환수단을 포함한다. 여기에서 절환수단은 사방밸브(14)를 포함한다. 압축기(13)는 복수개의 압축기(13)가 병렬로 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 압축기(13)의 입력단에 어큐뮬레이터(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 압축기(13)가 복수개인 경우, 제1 압축기는 냉매의 압축용량을 가변시킬 수 있는 인버터 압축기이고, 제2 압축기는 냉매의 압축용량이 일정한 정속 압축기일 수 있다.
실내기(20)와 연결되는 저압연결배관(46)은 사방밸브(14)를 거쳐 압축기(13)의 입력배관(45)과 연결된다.
압축기(13)의 토출부(41)에는 고압연결배관으로서, 제1,2토출배관(42, 43)이 연결되고, 제1 토출배관(43)은 토출된 고온 고압의 기상 냉매를 실외열교환기(11)로 유동시키며, 제2 토출배관(42)은 토출된 고온 고압의 기상 냉매를 급탕 유닛(30)으로 유동시키며, 급탕열교환기(32)와 연결된다.
제1 토출배관(43)은 사방밸브(14)를 통과하여 실외열교환기(11)와 연결되며, 제2 토출배관(42)은 압축기(13)에서 토출된 냉매가 사방밸브(14)를 거치지 않고 바이패스하여 급탕 열교환기(32)로 연결된다.
실외열교환기(11)는 제1토출배관(43)에 의하여 사방밸브(14)와 연결되어 있다. 실외열교환기(11)에서는 외기와의 열교환에 의하여 냉매가 응축되거나 증발된다. 이 때, 열교환을 보다 원활하게 하기 위하여, 실외기 팬(12)은 실외열교환기(11)로 공기를 유입한다. 냉난방 급탕 가능한 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)에서는, 냉방 운전 중에는 실외열교환기(11)가 응축기로 이용되고, 난방 운전 중에는 실외열교환기(11)가 증발기로 이용된다.
실외열교환기(11)와 실내기를 연결하는 액관연결배관(44) 상에는 실외팽창밸브(17)가 설치되어 있다. 실외팽창밸브(17)는 난방 운전 시 냉매를 팽창시킨다. 실외팽창밸브(17)는 난방 운전 시 복수의 실내열교환기(21)들에서 응축된 냉매를 실외열교환기(11)로 유입되기 전에 팽창시킨다.
사방밸브(14)는 압축기(13)의 토출부(41)에 구비되며, 실외기(10)에서 유동하는 냉매의 유로를 전환한다. 사방밸브(14)는 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)의 급탕 냉난방 운전에 맞춰 상기 압축기(13)에서 토출된 냉매의 유로를 적절히 전환한다.
이와 같은 냉난방 겸용 실외기(10)는 제2 토출배관(42)과 급탕입력배관(34) 사이에 급탕 밸브(15)를 포함하며, 제1 토출배관(43)과 압축기(13)의 토출부(41) 사이에 토출밸브(16)를 포함한다.
급탕 밸브(15)와 토출밸브(16)는 필요에 따라 선택적으로 동작하여 냉매를 차단하거나 흘리는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
급탕 밸브(15)와 토출밸브(16)는 냉방+급탕, 난방+급탕 운전 시 물온도가 사용자의 희망물온도에 도달할 경우 급탕 운전을 할 필요가 없어 급탕 밸브(15)를 폐쇄하여 냉방 운전 시에는 실외기(10)만 응축기 역할을 수행하고, 난방 운전 시에는 실내기(20)만 응축기 역할을 수행한다.
한편, 실외기(10)는 액관연결배관(44) 상에 과냉장장치(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있으며, 과냉각장치는 냉방 운전 시 실내기(20)로 이동되는 냉매를 냉각시킨다.
한편, 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)은 적어도 하나의 실내기(20)를 포함한다.
냉난방 겸용 실내기(20)는 복수개가 하나의 실외기(10)에 연결될 수 있으며, 도 1 및 도 2에서는 3개의 실내기(B1, B2, B3)를 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
각각의 냉난방 겸용 실내기(B1, B2, B3)는 각각 실내열교환기(21), 실내팽창밸브(22), 실내기팬(23)을 포함하며, 도 2와 같이 3개의 실내기(B1, B2, B3)가 설치될 때, 제1,2,3 실내열교환기(21), 제1,2,3 실내팽창밸브들(22) 및 제1,2,3 실내기 팬들(23)을 포함한다. 제1,2,3 실내팽창밸브들(22)은 제1,2,3 실내열교환기(21)들과 제1 노드(n1)를 연결하는 제1,2,3 실내 연결배관들(26) 상에 설치되어 있다. 제1,2, 3 실내 연결배관들(26)은 제1 노드(n1)에서 실외기(10)의 액관연결배관(44)과 연결되어 있다.
상기 각각의 냉난방 겸용 실내기(B1, B2, B3)는 병렬로 연결될 수 있다.
상기 각각의 냉난방 겸용 실내기(B1, B2, B3)는 직렬로 연결될 수도 있다.
제1,2,3 냉난방 겸용 실내기들(B1, B2, B3)은 토출되는 냉매를 흘려 압축기(13)에 흘리는 저압연결배관(46) 역시 설치되어 있다.
본 실시예에 따른 공조 시스템(100)은 냉매의 압력을 측정하는 압력센서, 냉매의 온도를 측정하는 온도센서 및 냉매관을 유동하는 냉매 등에 존재하는 이물질을 제거하는 스트레이너를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)은 실외기(10), 실내기(20) 및 급탕 유닛(30)이 운전 모드에 따라 응축기 또는 증발기로 작용할 때, 별도의 냉매 유량제어장치를 적용하지 않고, 현재 설치되어 있는 전자팽창밸브의 개도에 의해 수행가능하다. 특히, 각 전자팽창밸브에 형성되는 복수의 온도센서를 통한 과열도 또는 과냉도를 판단함으로써 각 전자팽창 밸브를 제어하여 최적의 냉매 유량제어가 가능하다.
구체적으로, 본 발명의 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)은 급탕 유닛(30)의 온도 제어가 물의 양을 제어할 수 없는 상태에서 이루어지며, 별도의 하이드로 키트 없이 직접 열교환이 이루어지므로, 토출 냉매의 과열도를 판단하여 증발기에 이상 냉매가 유입되는지 여부를 판단할 수 있다. 따라서, 이상 냉매의 유입 여부에 따라 제1 급탕팽창밸브(33)의 개도를 제어하여 이상 냉매를 차단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템(100)은 냉방 단독운전, 난방 단독운전, 냉방 및 급탕 운전, 난방 및 급탕 운전, 급탕 단독운전이 가능하다.
또한, 냉방 및 급탕 운전 시, 물탱크(31)의 물온도와, 냉방부하에 따라 응축기로 동작하는 열교환기를 다양하게 설정할 수 있다.
냉방 운전 시, 실외열교환기(11)는 응축기로 동작한다.
그리고, 온수 가열을 위해서, 상기 급탕열교환기(32) 역시 응축기로 동작한다.
이때, 냉방 및 급탕 효율을 높이고, 압축기의 훼손을 방지하기 위해서, 각 상황에 따라 응축기로 동작하는 실외열교환기(11) 또는 급탕열교환기(32)를 선택할 수 있다.
이를 위해서, 일측이 상기 급탕 열교환기(32)와 실내 열교환기(21)를 연결하는 제1 급탕토출배관(35)에서 분지되어, 타측이 상기 압축기(13)와 실외열교환기(11)를 연결하는 제1 토출배관(43)으로 합류되는 제2 급탕토출배관(36), 및 상기 제2 급탕토출배관(36) 상에 설치되는 제2 급탕팽창밸브(37)를 포함한다.
상세히, 상기 제2 급탕토출배관(36)은, 상기 급탕 열교환기(32)와 제1 급탕팽창밸브(33) 사이의 제1 급탕토출배관(35)에서 분지되고, 상기 사방밸브(14)와 실외열교환기(11) 사이의 제1 토출배관(43)으로 합류될 수 있다.
또한, 상기 물탱크(31)의 물 온도를 감지하도록 설치되는 제1 온도센서(38)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기(13)의 후단(토출단)에 설치되어 냉매의 온도를 측정하는 제2 온도센서(47)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기(13)의 후단(토출단)에 설치되어, 냉매의 압력을 측정하는 제1 압력센서(48)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 압력센서(48)에서 감지된 고압 정보를 통해서, 응축온도를 예측할 수 있다.
이하에서는 각 운전 모드에 따라 시스템의 동작을 상세히 설명한다.
도 3은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 단독 운전 시의 동작도이다.
도 3을 참조하면, 냉방 단독운전 시, 급탕운전은 정지되므로, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 동작한다.
이때, 급탕밸브(15)는 차단되고, 토출밸브(16)는 개방된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 그리고, 실외팽창밸브(17), 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
참고로, 실내팽창밸브(22)가 복수 구비된 경우, 실내 환경에 따라 및 실내팽창밸브(22) 중 일부만 개방될 수 있고, 및 실내팽창밸브(22) 전체가 개방될 수 있다.
구체적으로, 압축기(13) 가동 후 고온고압의 기상이 된 냉매는 토출밸브(16)를 통과 후 사방 밸브(14)를 통과하여 실외열교환기(11)로 보내진다. 이와 같이 실외열교환기(11)로 보내진 고압 고온의 기상냉매는 실외 공기와 열교환하여 고압의 액상냉매로 응축된다.
응축된 액상 냉매는 실외팽창밸브(17)를 통과하고, 제1 노드(n1)에서 냉방 운전하는 실내기(20)의 실내팽창 밸브(22)를 통과하여 팽창된 후, 저압 냉매로 증발기로 동작하는 실내열교환기(21)에 전달된다.
저압냉매는 실내기(20)에 진입 후 실내 공기와 열교환하여 증발된다. 그리고 실내가 냉방된다. 이후, 실내열교환기(21)에서 토출된 저온 기상냉매는 저압기관배관(46)을 통해 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
이때, 실외팽창밸브(17)는 완전 개방(full open)하고 실내팽창밸브(22)는 목표실내온도, 냉방 부하에 따라 개도를 조절할 수 있다.
이러한 과정을 통해서, 급탕이 정지된 상태에서 실내의 냉방이 진행될 수 있다.
도 4는 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 난방 단독 운전 시의 동작도이다.
도 4를 참조하면, 난방 단독운전 시, 급탕운전은 정지되고, 실외열교환기(11)는 증발기로 동작한다. 그리고, 실내열교환기(21)는 응축기로 동작한다.
이때, 급탕밸브(15)는 차단되고, 토출밸브(16)는 개방된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 그리고, 실외팽창밸브(17), 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
참고로, 실내팽창밸브(22)가 복수 구비된 경우, 실내 환경에 따라 및 실내팽창밸브(22) 중 일부만 개방될 수 있고, 및 실내팽창밸브(22) 전체가 개방될 수 있다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고온고압의 기상이 된 냉매는 토출밸브(16)를 통과 후 사방 밸브(14)를 통과하여 실내열교환기(21)로 보내진다. 이와 같이 실내열교환기(21)로 보내진 고압 고온의 기상냉매는 실내 공기와 열교환하여 고압의 액상냉매로 응축된다. 이 과정에서, 실내의 난방이 진행된다.
응축된 고압액상 냉매는 실내팽창밸브(22)를 통과하고, 제1 노드(n1)에서 실외팽창 밸브(17) 측으로 보내진다. 그리고, 실외팽창 밸브(17)를 통과한 저온이상냉매는 증발기로 동작하는 실외열교환기(11)에 전달된다.
실외열교환기(11)로 유입된 저온이상냉매는 실외 공기와 열교환하여 저온 기상냉매로 증발된다. 이후, 실외열교환기(11)에서 토출된 저온 기상냉매는 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
이때, 실외팽창밸브(17)는 완전 개방(full open)하고 실내팽창밸브(22)는 목표실내온도, 난방 부하에 따라 개도를 조절할 수 있다.
이러한 과정을 통해서, 급탕이 정지된 상태에서, 실내의 난방이 진행될 수 있다.
도 5는 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 급탕 단독 운전 시의 동작도이다.
급탕단독 운전은 냉방 또는 난방 요구없이 급탕만을 요구할 경우 진행한다.
이때, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실외팽창밸브(17)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(37) 및 실내팽창밸브(22)는 차단된다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고압 기상이 된 냉매는 제2토출배관(42) 및 급탕밸브(15)를 통해서, 응축기로 동작하는 급탕열교환기(32)로 보내진다. 이와 같이 급탕열교환기(32)로 보내진 고온고압의 기상냉매는 물탱크(31) 내부의 물과 열교환하여 물탱크(31) 내부의 물을 가열하고, 고압액상으로 응축된다.
응축된 고압의 액상냉매는 제1 급탕팽창밸브(33)를 통과하고, 제1 노드(n1)에서 실외팽창밸브(17) 측으로 전달된다. 그리고, 실외팽창밸브(17)에서 저온이상냉매로 팽창된 냉매는 증발기로 동작하는 실외열교환기(11)를 통과하고, 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
이러한 과정을 통해서, 실내 냉방 또는 난방이 정지된 상태에서, 급탕운전만 진행될 수 있다.
도 6은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 난방 및 급탕 운전 시의 동작도이다.
난방 및 급탕 운전요구 시, 제2 급탕팽창밸브(37)를 제외한 모든 밸브가 개방된다. 즉, 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 급탕밸브(15), 토출밸브(16)가 개방되고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실외팽창밸브(17)와, 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
그리고, 실외열교환기(11)는 증발기로 동작하고, 실내열교환기(21)는 응축기로 동작한다.
참고로, 실내팽창밸브(22)가 복수 구비된 경우, 실내 환경에 따라 및 실내팽창밸브(22) 중 일부만 개방될 수 있고, 및 실내팽창밸브(22) 전체가 개방될 수 있다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고온고압의 기상냉매는 일부가 토출밸브(16)를 통과 후 사방 밸브(14)를 통과하여 실내열교환기(21)로 보내지고, 나머지 일부는 급탕 밸브(15)를 통과하여 급탕 열교환기(32)로 보내진다. 이와 같이 실외열교환기(11)와 급탕 열교환기(32)로 보내진 고압 고온의 냉매는 각각 실내 공기 와 열교환하여 실내를 난방하면서 고압의 액상 냉매로 응축되거나, 물탱크(31) 내부의 물과 열교환하여 물탱크(31) 내부의 물을 가열하고, 고압의 액상 냉매로 응축된다.
응축된 고압의 액상 냉매는 각각 실내팽창밸브(22) 및 제1 급탕팽창밸브(33)를 통과하며, 제1 노드(n1)에서 만나게 되며, 제1 노드(n1)에서 증발기로 동작하는 실외기(10)의 실외팽창밸브(17)를 통과하여 실외열교환기(11)에 전달된다.
실외열교환기(11)에 유입된 냉매는 실외 공기와 열교환하여 증발되고, 제1 토출배관(43)을 통해 사방밸브(14)를 통과한 뒤, 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
이때, 실내팽창밸브(22)는 목표실내온도, 난방 부하에 따라 개도를 조절할 수 있다.
이러한 과정을 통해서, 급탕 운전과, 실내의 난방이 동시에 진행될 수 있다.
도 7은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 및 급탕 운전 시의 동작도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 및 급탕 운전이 시작되면, 냉매의 흐름은 도 7과 같이 진행된다.
냉방 및 급탕 운전이 시작되면, 실외기(10) 및 급탕 유닛(30)의 열교환기(11, 32)가 응축기로서 동작하고, 실내기(20)의 열교환기(21)가 증발기로 동작한다.
냉방 및 급탕 운전요구 시, 제1 급탕팽창밸브(33)를 제외한 모든 밸브가 개방된다. 즉, 제1 급탕팽창밸브(33)는 차단되고, 급탕밸브(15), 토출밸브(16)가 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(37)와 실외팽창밸브(17)와, 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
참고로, 실내팽창밸브(22)가 복수 구비된 경우, 실내 환경에 따라 및 실내팽창밸브(22) 중 일부만 개방될 수 있고, 및 실내팽창밸브(22) 전체가 개방될 수 있다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고압 기상이 된 냉매는 일부가 토출밸브(16)를 통과 후 사방 밸브(14)를 통과하여 실외열교환기(11)로 보내지고, 나머지 일부는 급탕 밸브(15)를 통과하여 급탕 열교환기(32)로 보내진다. 이와 같이 실외열교환기(11)와 급탕 열교환기(32)로 보내진 고압 고온의 냉매는 각각 실외 공기 와 열교환하여 응축되거나, 물탱크(31) 내부의 물과 열교환하여 물탱크(31) 내부의 물을 가열하고, 액상으로 응축된다.
응축된 액상 냉매는 각각 실외팽창밸브(17) 및 제1 급탕팽창밸브(33)를 통과하며, 제1 노드(n1)에서 만나게 되며, 제1 노드(n1)에서 냉방 운전하는 실내기(20)의 실내팽창 밸브(22)를 통과하여 저압 냉매로 실내열교환기(21)에 전달된다.
저압냉매는 실내기(20)에 진입 후 실내 공기와 열교환하여 증발되고, 실내 공기를 냉방하면서 저압기관배관(46)을 통해 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입된다.
본 발명의 경우, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 제1온도센서(38)에서 감지한 물온도, 상기 제2온도센서(47)에서 감지한 냉매 토출온도, 그리고 제1 압력센서(48)에서 감지한 토출압력 및 응축온도 중 적어도 어느 하나의 정보를 통해서, 응축기로 사용할 실외열교환기(11) 또는 급탕열교환기(32)를 선택할 수 있다.
또한, 압축기(13)의 운전 주파수(Hz)를 통해서도, 응축기로 사용할 실외열교환기(11) 또는 급탕열교환기(32)를 선택할 수 있다.
이때, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 급탕열교환기(32)만 단독으로 응축기로 동작할 수 있다.
또한, 실외열교환기(11)와 급탕열교환기(32) 둘 다 응축기로 동작할 수 있다.
일 예로, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 동작할 경우, 냉방 단독운전과 마찬가지로, 급탕밸브(15)는 차단되고, 토출밸브(16)는 개방된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 그리고, 실외팽창밸브(17), 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
이때, 냉방 및 급탕 운전이라 하더라도, 실외열교환기(11)만 응축기로서 동작한다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고압 기상이 된 냉매는 토출밸브(16)를 통과 후 사방 밸브(14)를 통과하여 실외열교환기(11)로 보내진다. 이와 같이 실외열교환기(11)로 보내진 고압 고온의 냉매는 실외 공기와 열교환하여 응축된다.
응축된 액상 냉매는 실외팽창밸브(17)를 통과하고, 제1 노드(n1)에서 냉방 운전하는 실내기(20)의 실내팽창 밸브(22)를 통과하여 저압 냉매로 실내열교환기(21)에 전달된다.
저압냉매는 실내기(20)에 진입 후 실내 공기와 열교환하여 증발되고, 실내 공기를 냉방하면서 저압기관배관(46)을 통해 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
도 8은 도 2의 하이브리드 멀티 공조 시스템의 냉방 및 급탕 운전 시, 급탕열교환기만 응축기로 동작하는 상황의 동작도이다.
다른 예로, 급탕열교환기(31)만 단독으로 응축기로 동작할 경우, 도 8과 같이 냉매흐름이 진행된다.
즉, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실내팽창밸브(22)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(33) 및 실외팽창밸브(17)는 차단되어, 급탕열교환기(32)만 응축기로서 동작한다.
참고로, 실내팽창밸브(22)가 복수 구비된 경우, 실내 환경에 따라 및 실내팽창밸브(22) 중 일부만 개방될 수 있고, 및 실내팽창밸브(22) 전체가 개방될 수 있다.
구체적으로 압축기(13) 가동 후 고압 기상이 된 냉매는 제2토출배관(42) 및 급탕밸브(15)를 통해서, 응축기로 동작하는 급탕열교환기(32)로 보내진다. 이와 같이 급탕열교환기(32)로 보내진 고온고압의 기상냉매는 물탱크(31) 내부의 물과 열교환하여 물탱크(31) 내부의 물을 가열하고, 고압액상으로 응축된다.
응축된 고압의 액상냉매는 제2 급탕팽창밸브(37)를 통과하고, 제1 노드(n1)에서 실내팽창밸브(22) 측으로 전달된다. 그리고, 실내팽창밸브(22)를 통과한 냉매는 실내열교환기(11)를 통과하고, 사방밸브(14)를 통과하여 압축기(13)의 입력배관(45)으로 유동되어 다시 압축기(13)로 인입되고, 고압고온의 기상냉매로 재토출되는 과정을 반복한다.
이러한 과정을 통해서, 냉방 및 급탕 운전시에도, 급탕 운전만 단독으로 진행될 수 있다. 즉, 급탕열교환기(32) 만 응축기로 동작할 수 있다.
도 9는 도 1의 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템은 제어부(50)를 포함한다.
상기 제어부(50)는 제1 온도센서(38), 제2 온도센서(47), 제1 압력센서(48)로부터 측정된 값을 입력받을 수 있다.
즉, 제어부(50)는 제1 온도센서(38)에서 측정된 물온도, 제2 온도센서(47)에서 측정된 토출온도, 제1 압력센서(48)에서 측정된 토출압력 또는 그에 따른 응축온도 값을 입력받을 수 있다.
참고로, 제어부(50)는 상기 제2 온도센서(47)에서 측정된 토출온도, 제1 압력센서(48)에서 측정된 토출압력 또는 그에 따른 응축온도 값을 근거로, 토출과열도를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(50)는 압축기의 운전 주파수(Hz) 정보를 입력받을 수 있다.
그리고, 상기 제어부(50)는 급탕밸브(15), 토출밸브(16), 제1 급탕팽창밸브(33), 제2 급탕팽창밸브(37), 실외팽창밸브(17) 및 실내팽창밸브(22)를 개폐하거나, 개도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부(50)는 사방밸브(14)의 개방 위치를 조절하고, 상기 각 팬(12,23)의 작동유무 및 단위시간 당 회전수를 조절할 수도 있다.
또한, 상기 제어부(50)는 후술되는 히터(60)의 작동유무 및 출력을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 제어부(50)는 상기 압축기(13)의 운전 주파수(Hz), 용량 등을 제어할 수도 있다.
이하, 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 각 상황에 따라, 응축기로 동작하는 열교환기에 대해 설명한다.
일 예로, 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 낮으면, 냉방을 위한 냉매 사이클은 불필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클만 필요한 상황이므로, 상기 제1 급탕팽창밸브(33)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되게 제어한다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 낮으면, 냉방을 위한 냉매 사이클은 불필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클만 필요한 상황이므로, 상기 급탕 열교환기(32)만 응축기로 동작하게 제어한다.
즉, 이때 냉매는 도 8에 도시된 바와 같이, 유동한다.
상세히, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실내팽창밸브(22)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(33) 및 실외팽창밸브(17)는 차단되어, 급탕열교환기(32)만 응축기로서 동작한다.
다른 예로, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높으면, 냉방을 위한 냉매 사이클도 필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클도 필요한 상황이므로, 상기 제2 급탕팽창밸브(37)는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브(33)는 차단되게 제어한다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높으면, 냉방을 위한 냉매 사이클도 필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클도 필요한 상황이므로, 상기 급탕 열교환기(32)와 상기 실외 열교환기(11)는 모두 응축기로 동작하게 제어한다.
즉, 이때 냉매는 도 7과 같이 유동한다.
상세히, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제2 급탕팽창밸브(37)와 실외팽창밸브(17)와 실내팽창밸브(22)는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브(33)는 차단되어, 실외기(10) 및 급탕 유닛(30)의 열교환기(11, 32)가 응축기로서 동작하고, 실내기(20)의 열교환기(21)가 증발기로 동작한다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높으면, 냉방을 위한 냉매 사이클은 필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클은 선택적으로 필요한 상황이나, 상기 제2 급탕팽창밸브(37)는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브(33)는 차단되게 제어한다.
또한, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높으면, 냉방을 위한 냉매 사이클은 필요하고, 급탕을 위한 냉매 사이클은 선택적으로 필요한 상황이나, 상기 급탕 열교환기(32)와 상기 실외 열교환기(11)는 모두 응축기로 동작하게 제어한다.
다만, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높더라도, 상기 압축기(13)의 토출 과열도에 따라 상기 제1 급탕팽창밸브(33)가 개방되거나, 상기 제2 급탕팽창밸브(37)가 개방되게 제어할 수도 있다.
상세히. 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 높더라도, 상기 압축기(13)의 토출 과열도가 기 설정된 기준 과열도보다 작을 경우, 도 8과 같이, 급탕열교환기(31)만 단독으로 응축기로 동작하게 제어할 수 있다.
즉, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실내팽창밸브(22)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(33) 및 실외팽창밸브(17)는 차단되어, 급탕열교환기(32)만 응축기로서 동작하게 제어할 수 있다.
또 다른 예로, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 낮으면, 상기 실외열교환기(11)만 응축기로 동작하게 제어할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 급탕운전은 정지되고, 냉방 단독운전이 진행되게, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 동작할 수 있다.
이때, 급탕밸브(15)는 차단되고, 토출밸브(16)는 개방된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 그리고, 실외팽창밸브(17), 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
그리고, 상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 낮으면, 상기 물 탱크(31)는 냉매사이클이 아닌, 별도로 구비된 히터(60)로 가열될 수 있다.
급탕 및 냉방 운전 모드에서, 각 상황에 따른 응축기로 동작하는 열교환기는 아래의 표 1을 참조한다.
case 물 온도 냉방부하 응축기
1 기준온도 이하 기준치 이하 급탕열교환기
2 기준온도 이하 기준치 초과 급탕열교환기+ 실외열교환기
3 기준온도 초과 기준치 초과
(토출과열도 기준초과)		 급탕열교환기+ 실외열교환기
4 기준온도 초과 기준치 초과
(토출과열도 기준이하)		 급탕열교환기
5 기준온도 초과 기준치 이하 실외열교환기
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템은 냉방 및 급탕 운전 시, 물온도와 냉방부하에 따라 급탕열교환기(32) 또는 실외열교환기(11)를 단독 응축기로 사용하거나, 직렬로 배치된 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용할 수 있다.
그리고, 온도센서, 압력센서 등을 통해 토출온도와 응축온도, 물온도 측정하고, 압축기 운전 주파수(Hz)를 반영하여 응축기로 동작할 열교환기를 선택할 수 있다.
일반적으로, 압축기는 필요한 냉방부하에 따라 증발온도를 구성하고, 냉방 저부하 시 응축온도가 상대적으로 낮아지기 때문에 급탕 가능한 토출과열도 확보가 어렵다. 이는 응축기의 면적이 커질수록 더 악조건으로 작용한다.
또한, 급탕열교환기(32)만 응축기로 사용할 경우, 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용할 경우 보다 응축온도를 더 상승시킬 수 있고, 폐열 회수율이 높아진다.
하지만 냉방저부하에서 물탱크(31)의 물온도가 너무 높을 경우, 급탕열교환기(32)만 응축기로 사용하여 응축기를 축소하더라도 응축온도 상승에 한계가 있기 때문에 별도의 히터(60)로 물 탱크(31)를 가열하여 급탕하고, 냉방운전을 단독으로 진행할 필요 있다.
만약 냉방부하가 클 경우, 필요 응축능력도 증가하여 응축기 크기를 키울 필요가 있으며, 이때는 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용한다.
그리고, 물 탱크(31) 내 물온도가 상대적으로 실외온도보다 높고, 목표 물온도도 일반적으로 50~60℃ 수준이기 때문에 물 탱크(31)를 주로 토출과열도로 가열하는 직렬구조 사용한다.
또한, 냉방 및 급탕운전 시 물 탱크(31) 내 물온도와 냉방부하가 모두 낮을 경우(예시: 물온도 < 40℃, 압축기 주파수 < 30Hz) 급탕열교환기(32)만 응축기로 단독 사용하여 응축기 폐열 회수율을 높일 수 있다.
또한, 냉방 및 급탕운전 시 냉방부하가 높을 경우 급탕열교환기(32) 만으로는 응축능력이 부족하기 때문에 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기 사용한다.
단, 실외온도가 설정온도 보다 낮을 경우 토출과열도가 너무 낮게 확보되어 급탕 능력 확보가 어렵기 때문에 이때는 급탕열교환기(32)만 응축기로 사용한다.
또한, 냉방부하 낮은데 물 탱크(31) 내 물온도가 높을 경우 급탕이 불가하다.
따라서, 실외열교환기(11)만 응축기로 사용하여 냉방단독 운전하고, 급탕은 별도의 히터(60)로 진행할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 멀티 공조 시스템은 냉방 및 급탕 운전 시, 압축기 토출온도, 응축온도로 토출과열도를 산출하고, 산출된 토출과열도와 물탱크 내부 물온도, 압축기의 운전 주파수(Hz)의 정보를 반영해서 응축기로 사용할 열교환기(11,32)를 선택한다.
먼저, 냉방 및 급탕 운전모드 진입 후, 압축기의 운전 주파수를 기준치와 비교해서, 냉방부하를 판단한다. (S11)
일 예로, 압축기(13)의 운전주파수가 30Hz 미만이면, 냉방 저부하로 판단하고, 반대로, 압축기의 운전주파수가 30Hz 이상이면, 냉방 고부하로 판단할 수 있다.
만약, S11단계에서, 압축기(13)의 운전주파수가 30Hz 미만이면, 냉방 저부하로 판단하고, 물탱크(31)의 물온도를 감지한다. (S12)
상기 S12단계에서, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 미만이면, 냉방 저부하인 상황에서, 물탱크(31)의 물온도는 낮은 상황이므로, 급탕열교환기(32)를 단독으로 응축기로 사용한다. (S15)
즉, 상기와 같이 물탱크(31)의 물온도는 낮은 상황에서는, 급탕열교환기(32) 만으로 냉방 및 급탕을 위한 응축기 구현이 가능하다고 판단하여 응축기 폐열 회수율을 높이기 위해 급탕열교환기(32)를 단독으로 응축기로 사용한다. (S15)
이때, 냉매의 흐름은 도 8과 같이 진행된다.
즉, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 실내팽창밸브(22)는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브(33) 및 실외팽창밸브(17)는 차단되어, 급탕열교환기(32)만 응축기로서 동작한다.
한편, 상기 S12단계에서, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 이상이면, 냉방 저부하인 상황에서, 물탱크(31)의 물온도는 높은 상황이므로, 상기 실외열교환기(11)만 응축기로 동작하게 제어할 수 있다. (S14)
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 급탕운전은 정지되고, 냉방 단독운전이 진행되게, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 동작할 수 있다.
이때, 급탕밸브(15)는 차단되고, 토출밸브(16)는 개방된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)와 제2 급탕팽창밸브(37)는 차단되고, 그리고, 실외팽창밸브(17), 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
그리고, 상기와 같이, 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크(31)에 수용된 물의 온도가 기 설정된 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기 설정된 기준치 보다 낮으면, 상기 물 탱크(31)는 냉매사이클이 아닌, 별도로 구비된 히터(60)로 가열된다.
즉, 냉방 저부하이고, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 이상인 상황에서, 급탕열교환기(32)를 응축기로 사용하면 응축온도 상승 한계에 도달하면서, 정상적으로 사이클 형성이 어려울 수 있다.
따라서, 냉방 저부하이고, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 이상인 상황에서는, 냉방단독 모드로 절환하여, 실외열교환기(11)만 단독으로 응축기로 사용하고, 물탱크(31)의 경우, 그 내부에 부착되어 있는 별도의 히터 사용하여 급탕한다.
반면, S11단계에서, 압축기(13)의 운전주파수가 30Hz 이상이면, 냉방 고부하로 판단하고, 압축기의 토출온도와, 응축온도 정보를 이용하여 토출과열도를 산출한다. (S13)
상기 S13단계에서, 토출과열도가 기준온도 미만이면, 상기 S12단계로 넘어간다.
그리고, S12단계에서, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 미만이면, 냉방 저부하인 상황에서, 물탱크(31)의 물온도는 낮은 상황이므로, 급탕열교환기(32)를 단독으로 응축기로 사용한다. (S15)
또한, 상기 S12단계에서, 물탱크(31)의 물온도가 기준온도 이상이면, 냉방 저부하인 상황에서, 물탱크(31)의 물온도는 높은 상황이므로, 상기 실외열교환기(11)만 응축기로 동작하게 제어할 수 있다. (S14)
반면, S13단계에서, 토출과열도가 기준온도 이상이면, 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용한다.(S16)
이때, 급탕밸브(15)는 개방되고, 토출밸브(16)는 차단된다. 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33)는 차단되고, 그리고, 제1 급탕팽창밸브(33), 실외팽창밸브(17) 및 실내팽창밸브(22)는 개방된다.
그리고, 상기와 같이, 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 압축기의 운전 주파수가 30Hz 이상일 경우, 응축부하가 증가하여 물탱크만으로 응축기 크기가 부족할 수 있다. 따라서, 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용한다.
하지만 이때, 만약 토출과열도 5℃이상 확보 안되는 경우(실외온도가 너무 낮을 경우) 물온도 40℃ 이하인지 확인 후, 40℃ 이하일 경우 밸브제어를 통해 급탕열교환기(32)를 단독으로 응축기로 사용한다.
만약 물온도 40℃ 이상일 경우 30Hz 이상 냉방부하에서는 고압제한 발생 위험이 높기 때문에 실외열교환기(11)를 단독으로 응축기로 사용하고, 물탱크(31)의 물은 별도의 히터 로 가열한다.
이와 반대로, 압축기 30Hz 이상 일 때, 토출과열도 5℃ 이상 확보가 가능할 경우 계속해서 급탕열교환기(32)와 실외열교환기(11)를 함께 응축기로 사용한다.
상기의 방법에서, 냉방부하를 판단하기 위한 기준이 되는 압축기의 운전 주파수, 기준이 되는 물온도, 및 기준이 되는 토출과열도의 값은 상황에 따라 변경될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안된다.
100 : 하이브리드 멀티 공조 시스템 10 : 실외기
11 : 실외열교환기 13 : 압축기
14 : 사방밸브 15 : 급탕밸브
16 : 토출밸브 20 : 실내기
21: 실내열교환기 30: 급탕 유닛
31: 물탱크 32: 급탕 열교환기
36 : 제2 급탕토출배관 37 : 제2 급탕토출밸브
38 : 제1 온도센서 47 : 제2온도센서
48 : 제1압력센서 50 : 제어부

Claims (20)

  1. 냉매와 물탱크 내측에 수용된 물을 열교환시키기 위한 급탕 열교환기 및 상기 급탕 열교환기로부터 응축된 상기 냉매를 차단하거나 유동시키는 제1 급탕팽창밸브를 포함하는 급탕 유닛;
    실내에 설치되며, 실내열교환기 및 실내팽창밸브를 포함하는 적어도 하나의 실내기;
    상기 실내기 및 상기 급탕 유닛과 냉매배관을 통해 연결되며, 실외열교환기, 압축기 및 실외팽창밸브를 포함하는 실외기; 및
    일측이 상기 급탕 열교환기와 실내 열교환기를 연결하는 제1 급탕토출배관에서 분지되어, 타측이 상기 압축기와 실외열교환기를 연결하는 제1 토출배관으로 합류되는 제2 급탕토출배관; 및
    상기 제2 급탕토출배관 상에 설치되는 제2 급탕팽창밸브를 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 물탱크의 물 온도를 감지하도록 설치되는 제1 온도센서를 더 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에 설치되는 제2 온도센서를 더 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에 설치되는 제1 압력센서를 더 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 급탕 열교환기는 상기 물탱크의 외벽을 코일 형태로 감으며 내부로 상기 냉매를 유동하면서 상기 냉매와 물을 열교환하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실외기는 상기 압축기로부터 상기 급탕 유닛으로 압축된 냉매를 흘리는 급탕 밸브; 및
    상기 압축기로부터 상기 실외 열교환기 또는 실내 열교환기로 압축된 냉매를 흘리는 토출밸브를 더 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 토출밸브를 통과한 냉매를 상기 실외 열교환기로 전달하거나 상기 실내 열교환기로 전달하는 사방 밸브를 더 포함하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실내열교환기는 복수 구비되고, 각각의 실내열교환기는 병렬로 연결되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 급탕토출배관에는, 상기 제2 급탕토출배관의 분지점 보다 후단에 제1 급탕팽창밸브가 설치되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 급탕열교환기 또는 실외열교환기 중 어느 하나만 응축기로 동작하거나, 상기 급탕열교환기와 실외열교환기가 응축기로 동작하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 제1 급탕팽창밸브와 제2 급탕팽창밸브 중 어느 하나는 개방되고 나머지 하나는 차단되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 제1 급탕팽창밸브는 개방되고, 제2 급탕팽창밸브는 차단되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 급탕 열교환기만 응축기로 동작하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 제2 급탕팽창밸브는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브는 차단되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이하이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 급탕 열교환기와 상기 실외 열교환기는 응축기로 동작하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 제2 급탕팽창밸브는 개방되고, 제1 급탕팽창밸브는 차단되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높으면, 상기 급탕 열교환기와 상기 실외 열교환기는 응축기로 동작하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 높더라도, 상기 압축기의 토출 과열도에 따라 상기 제1 급탕팽창밸브가 개방되거나, 상기 제2 급탕팽창밸브가 개방되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  19. 제 10항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 실외열교환기만 응축기로 동작하는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
  20. 제 10항에 있어서,
    상기 급탕 및 냉방 운전 모드에서, 상기 물 탱크에 수용된 물의 온도가 기준온도 이상이고, 냉방부하가 기준치 보다 낮으면, 상기 물 탱크는 별도의 히터로 가열되는 하이브리드 멀티 공조 시스템.
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