KR970008009B1 - 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템 - Google Patents

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Abstract

요약 없음

Description

다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템
제1도는 종래 열펌프를 이용한 냉난방겸용 장치의 구성도,
제2도는 본 발명에 따른 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템의 구성도,
제3도는 본 발명에 따른 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에서 열펌프에 대한 난방사이클을 보여주는 압력-열 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
40 : 실외측열교환기42 : 4방밸브
44 : 압축기46 : 열매체예열기
48 : 실내측열교환기50 : 팽창오리피스
52 : 수조54 : 급열기
56 : 물순환파이프58 : 열교환기
60 : 수액기62 : 어큐뮬레이터
64 : 역지밸브
본 발명은 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 겨울철 난방시에 실외온도가 -15℃ 이하로 떨어지더라도 난방효율이 저하되지 않도록 하고, 성능계수(Coefficient of Performance, COP)를 5이상으로 올려 동력비를 절감하고 효율성을 증대시키는 한편, 열매체인 프레온가스의 사용량을 줄여 환경오염을 최소화시킬 수 있도록 한 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 열펌프(Heat Pump)는 열이 고온에서 저온으로 흐른다는 원리를 이용하여 열이동코일의 온도가 주위온도보다 낮으면 주위로부터 열을 흡수하고, 열이동코일의 온도가 주위온도 보다 높으면 주위로부터 열을 방출하는 방식으로서 일반가정이나 산업체 등의 공기조화장치 등으로 널리 적용되고 있다.
이와같은 열펌프를 이용한 종래의 냉난방겸용장치(10)의 기본 구성은 제1도에 도시된 바와 같이, 열매체를 고온·고압으로 압축하는 압축기(12)와, 냉방 또는 난방시 열매체 순환변경용의 4방밸브(4Way Valve)(14)와, 상기 압축기(12)로부터 토출된 고온고압의 열매체가 유입되어 실내 또는 실외에서 열교환을 수행하는 실내측열교환기(16) 및 실외측열교환기(18)로 이루어지는 바, 이와같은 냉난방겸용장치(10)에서 여름철에 실내를 냉방시키고자 하는 경우에 실내측 열교환기(16)는 실내의 열을 흡수하는 증발기로서 작용하고, 실외측열교환기(18)는 열을 방출하는 응축기로서 작용을 하며, 겨울철에 실내를 난방시키고자 하는 경우에 실내측열교환기(16)는 응축기로서 작용하고, 실외측열교환기(18)는 증발기로서 작용하도록 변환된다.
이와같은 종래의 열펌프를 이용한 냉난방겸용 장치에서 냉방 및 난방시의 열매체의 순환 과정은 다음과 같다.
먼저 여름철에 냉방을 위하여 장치를 가동시키면, 압축기(12)에서 압축된 고온고압의 열매체증기가 제1도에 실선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 4방밸브(14)의 D→C 경로로 토출된 후, 응축기 역할을 하는 실외측열교환기(19)내로 유입되어 열원인 공기나 물 등과 함께 열교환되면서 열을 방출하여 액화되고, 이렇게 액화된 저온의 열매체는 증발기 역할을 하는 실내측열교환기(16)내로 유입되어 실내의 열을 흡수한 후 4방밸브(14)의 E→S 경로를 통하여 다시 압축기(12)내로 흡입되며 이 순환과정을 반복 수행한다.
한편, 겨울철에 난방을 위하여 장치를 가동시키면, 실내측열교환기(16)는 응축기로, 실외측열교환기(18)는 증발기로 역전된 상태에서 압축기(12)로부터 압축된 고온·고압의 증기가 제1도에서 점선의 화살표로 나타내는 바와 같이 D→E 경로로 토출된 후, 응축기 역할을 하는 실내측열교환기(16)내로 유입되어 실내로 열을 방출하여 난방을 행한 다음 응축되어 액화되고, 이렇게 액화된 저온의 열매체를 증발기 역할을 하는 실외측열교환기(18)내로 유입되어 실외의 열을 흡수하면서 증기로 된 후 4방밸브(14)의 C→S 경로를 통하여 압축기(12)로 흡입되며 이 순환과정이 반복 수행된다.
그러나, 이와같은 구성과 작용을 갖는 종래의 열펌프를 이용한 냉난방겸용장치(10)에서는 겨울철에 실외온도가 -15℃ 이하로 떨어지는 경우에 증발기 역할을 하는 실외측열교환기(18)를 통과하는 열매체와 실외의 열원사이에 열교환이 제대로 이루어지지 않아 외부의 열이 흡수되지 않기 때문에 난방효율이 현저히 떨어진 다른 문제점이 있었고, 이러한 경우에 보조열원으로서 보일러나, 전기히터, 가스버너 등을 사용하여 난방효율을 높여야 되기 때문에 연료비 동력비가 상승되어 경제적으로 매우 불리하다는 문제점이 있었다.
또한, 이와같은 종래의 열펌프를 이용한 냉난방겸용 장치에서는 성능계수가 작기 때문에 시스템 전체의 효율성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 겨울철 난방시에 실외온도가 -5℃ 이하로 떨어지더라도 난방효율이 저하되지 않도록 하고, 성능계수를 5이상으로 올려 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 하고, 환경오염을 최소화시킬 수 있도록 한 새로운 형태의 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템을 제공하는 것이다.
이와같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 압축기와, 냉방 또는 난방시에 열매체 순환변경용의 4방밸브와, 실내측열교환기와, 실외측열교환기로 이루어지는 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에서, 난방시 증발기 역할을 하는 상기 실외측열교환기와 4방밸브 사이에 해당되는 관로상에 난방시 실외측열교환기를 통과하여 압축기로 흡입되는 저온저압의 열매체가스를 일정 온도로 예열시켜주는 열매체예열기가 설치되고, 실외측열교환기와 실내측열교환기 사이에 해당되는 관로상에 압축기로부터 토출되어 실내측열교환기를 통과한 후 실외측열교환기로 유입되는 열매체가스를 감압시켜 주는 팽창오리피스가 설치되며, 실내측열교환기에는 물의 순환에 의하여 냉난방이 이루어질 수 있도록 수조와, 급열기와, 물순환 파이프가 배설되는 한편, 상기 압축기로부터 토출된 고온고압의 열매체가스가 흐르는 관로상에 상기 실내측열교환기에 배설된 물순환파이프와의 열교환을 위한 열교환기가 설치되고, 상기 압축기와 열교환기 사이의 관로상에 상기 열교환기로부터 배출된 열매체가스의 일부를 액과 증기로 분리시킨 후 기화된 저온의 열매체가스가 압축기를 유입되도록 하여 가열시킬 수 있도록 하는 어큐뮬레이터가 설치된 특징을 갖는다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템의 구성도로서 난방시 증발기 역할을 하는 실외측열교환기(40)와 4방밸브(42) 사이에 해당되는 관로상에 난방시 상기 실외측열교환기(40)를 통과하면서 외부의 열을 흡수하고, 압축기(44)로 흡입되는 저온저압의 열매체가스를 대략 25℃로 예열시켜주기 위한 열매체예열기(46)가 설치되고, 상기 실외측열교환기(40)와 실내측열교환기(48) 사이에 해당되는 관로상에 압축기(44)로부터 토출되어 실내측열교환기(48)를 통과한 후 실외측열교환기(40)로 유입되는 열매체가스를 감압시켜 주는 팽창오리피스(50)가 설치되며, 상기 실내측열교환기(48)에는 냉난방이 물의 순환작용에 의하여 이루어질 수 있도록 수조(52)와, 급열기(54)와, 물순환파이프(56)가 배설되는 한편, 상기 압축기(44)로부터 토출된 고온고압의 열매체가스가 흐르는 관로상에는 상기 실내측열교환기(48)에 배설되는 물순환파이프(56)와의 열교환을 위한 별도의 열교환기(58)가 설치되고, 상기 압축기(44)와 열교환기(58) 사이의 관로상에는 열교환기(58)로부터 배출된 열매체가스의 일부를 액과 증기로 분리시켜준 다음, 기화된 저온의 열매체가스를 압축기(44)내로 보내주고, 액은 수액기(60)로 보내주는 역할을 하는 어큐뮬레이터(62)가 설치된 구조를 나타낸다.
이와같은 본 발명에서 여름철 냉방시와 겨울철 냉방시의 사이클 변환은 통상적인 역전 밸브에 의하여 이루어지며, 열매체가스흐름관로 상과 실내측열교환기(48)에 배설되는 물순환파이프(56)상의 일정 위치에는 열매체 또는 물의 순환 방향이 변경될 때 열매체 또는 물의 흐름이 거꾸로 진행되지 않도록 하는 역지밸브(64)가 설치된다.
제3도는 본 발명에 따른 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에서 열펌프에 대한 난방사이클을 나타내는 압력-열 선도로서, 난방시 실외측열교환기(40)를 통과하여 압축기(44)내로 흡입되는 저온저압의 열매체가스를 열매체예열기(46)로써 약 25℃ 정도 예열시키는 경우 동일 압력에서 열량이 5-5'만큼 높아지는 것을 나타낸다.
이와같은 본 발명의 작용은 다음과 같다.
여름철에 냉방을 위하여 시스템을 가동시키면, 압축기(44)에서 압축된 고온고압의 열매체가스가 제2도에서 실선의 화살표로 나타내는 바와 같이, 4방밸브(42)의 D→C 경로로 토출된 후, 응축기 역할을 하는 실외측열교환기(40) 내로 유입되어 열원인 공기나 물 또는 지열 등과 열교환되면서 실외로 열을 방출하여 액화되고, 이렇게 액화된 저온의 열매체는 출구로 배출된 후, 실내측열교환기(48)에 배설된 물순환파이프(56)와 열교환되는 별도의 열교환기(58)의 아랫쪽으로부터 유입되고 그 열교환기(58)내에서 수조(52)로부터 순환되는 물로부터 열을 흡수하여 실내측열교환기(48)가 냉방작용을 하도록 한다.
이때, 상기 열교환기(58)를 통과한 여램체는 4방밸브(42)의 E→S 경로를 통하여 압축기(44)에 흡입되며, 이같은 사이클은 반복수행된다.
한편, 겨울철에 난방을 위하여 시스템을 가동시키면, 압축기(44)에서 압축된 고온고압의 열매체가스가 제2도에서 점선의 화살표로 나타내는 바와같이, 4방밸브(42)의 D→E 경로로 토출된 후, 상기 열교환기(58)내로 윗쪽으로부터 유입되어 그 열교환기(58)를 통과하면서 그 내부에 배설된 물순환파이프(56)와 열교환되어 실내측열교환기(48)이 난방작용을 하도록 한다.
이때, 이와같이 열교환기(58)에서 물순환파이프(56)와 열교환작용을 완료한 열매체가스는 열을 뺏겨 저온상태가 되어 열매체가스는 실외측열교환기(40)으로 흐르는 데, 상기 실외측열교환기(40)내로 유입되기 전에 팽창오리피스(50)를 거쳐 감압되어 실외측열교환기(40)내를 흐를 때는 저온저압의 상태가 된다.
이와같이 저온저압의 열매체가스는 증발기 역할을 하는 실외측열교환기(40)를 통하여 외부의 열을 흡수한 후 다시 압축기(44)로 흡입되는 과정을 되풀이 한다.
이같은 상태에서 겨울철의 실외온도가 -15℃ 이하로 떨어질 경우에는 실외측 열교환기(40)내를 흐르는 열매체가스와 실외온도 사이에 별다른 온도차가 발생되지 않으므로 외부로부터의 열흡수효율이 저조하게 되어 난방효율이 떨어지는데, 이때, 이 저온저압의 열매체가스가 열매체예열기(46)를 통과하면서 25℃로 예열된 후 4방밸브(42)의 D→S 경로를 통하여 압축기(44)내로 흡입되며, 이같은 과정이 반복수행된다.
한편, 상기 열교환기(58)를 통과한 저온의 열매체가스의 일부는 압축기(44)와 열교환기(58) 사이의 관로상에 설치된 어큐뮬레이터(62)내로 분류되어 증기와 액으로 분리되고, 분리된 액은 수액기(60)내로, 기화된 열매체가스는 압축기(44)로 유입되어 가열된다.
이와같은 본 발명을 적용하면, 실외측열교환기와 압축기 사이에 해당되는 공기, 물, 지열 또는 폐열 등을 열원으로 이용할 수 있는 열매체예열기를 설치하여 겨울철 난방시 실외온도가 -15℃ 이하로 떨어질 때 실외측열교환기를 통과하여 압축기로 흡입되는 저온저압의 열매체를 약 25℃로 과열시켜 주므로써 난방효율을 극대화시킬 수 있다는 효과가 있으며, 그 결과, 전기히터나 보일러, 석탄, 석유가스 등을 이용한 버너 같은 별도의 보조열원이 필요없게 되어 동력비를 절감시킬 수 있고, 그에 따른 대기오염을 줄일 수 있다는 효과가 있으며, 성능계수가 5이상으로 상승되어 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다는 현저한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

  1. 압축기(44)와, 냉방 또는 난방시에 열매체 순환변경용의 4방밸브(42)와, 실내측열교환기(48)와, 실외측열교환기(40)로 이루어지는 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템에서, 난방시 증발기 역할을 하는 상기 실외측열교환기(40)와 4방밸브(42) 사이에 해당되는 관로상에 난방시 실외측열교환기(40)를 통과하여 압축기(44)로 흡입되는 저온저압의 열매체가스를 일정 온도로 예열시켜주는 열매체예열기(46)가 설치되고, 실외측열교환기(40)와 실내측열교환기(48) 사이에 해당되는 관로상에 압축기(44)로부터 토출되어 실내측열교환기(48)를 통과한 후 실외측열교환기(40)로 유입되는 열매체가스를 감압시켜 주는 팽창오리피스(50)가 설치되며, 실내측열교환기(48)에는 물의 순환에 의하여 냉난방이 이루어질 수 있도록 수조(52)와, 급열기(54)와, 물순환파이프(56)가 배설되는 한편, 상기 압축기(44)로부터 토출된 고온고압의 열매체가스가 흐르는 관로상에 상기 실내측열교환기(48)에 배설된 물순환파이프(56)와의 열교환을 위한 열교환기(58)가 설치되고 상기 압축기(44)와 열교환기(58) 사이의 관로상에 상기 열교환기(58)로부터 배출된 열매체가스의 일부를 액과 증기로 분리시킨 후 기화된 저온의 열매체가스가 압축기(44)로 유입되도록 하는 어큐뮬레이터(62)가 설치된 것을 특징으로 하는 다단식 열펌프를 이용한 냉난방겸용 시스템.
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